DE102011114234A1

DE102011114234A1 - Energieversorgungssystem mit reversiblem Funktionselement

Info

Publication number: DE102011114234A1
Application number: DE102011114234A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2013-03-28
Also published as: WO2013041086A1

Abstract

Bekannte Energieversorgungssysteme mit zumindest einem photokatalytischen Elektrolyseur für die Wasserstofferzeugung durch Sonneneinstrahlung, einem Wasserstoffspeicher und zumindest einer elektrokatalytischen Brennstoffzelle für die Stromerzeugung aus Wasserstoff sind entweder nicht reversibel (und damit nicht ausreichend zeiteffizient) oder setzen photovoltaisch erzeugten Solarstrom bei der Wasserstofferzeugung ein. Der Wasserstoffspeicher ist extern angeordnet. Bei der Erfindung ist zur effizienten Tag- und Nachtbetriebsweise der photokatalytische Elektrolyseur (01) mit der elektrokatalytischen Brennstoffzelle (02) in einem reversiblen Funktionselement (03) baulich vereinigt. Bei Sonneneinstrahlung (07) wird Wasserstoff direkt aus Sonneneinstrahlung ohne den Umweg über photovoltaisch erzeugten Solarstrom photokatalytisch erzeugt, ohne Sonneneinstrahlung wird unter Wasserstoffzufuhr elektrischer Strom elektrokatalytisch erzeugt. Dazu weist das reversible Funktionselement (03) auf seiner sonnenabgewandten Rückseite (14) eine bifunktionale elektrokatalytische Beschichtung (15) auf, die eine effiziente Katalyse in beiden Betriebsweisen garantiert. Vorteilhaft wird durch zusätzliche Integration des Wasserstoffspeichers (18) ein reversibles Hybridelement (19) gebildet. Dieses kann vorteilhaft als Gebäudevorsatzelement (24) ausgebildet sein. Hiermit können Gebäude – auch in Kombination mit anderen Funktionselementen (63) auf Solarbasis – vollständig autark mit Energie versorgt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Energieversorgungssystem mit zumindest einem photokatalytischen Elektrolyseur für die Erzeugung von Wasserstoff bei Sonneneinstrahlung, einem Wasserstoffspeicher und zumindest einer elektrokatalytischen Brennstoffzelle für die Erzeugung von elektrischem Strom bei Zuführung von Wasserstoff.
Moderne Energieversorgungssysteme müssen nachhaltig umweltschonend arbeiten. Die Nutzung von Sonneneinstrahlung und Wasserstoff zur Energieerzeugung erfüllt diese Anforderungen, eine Nutzungskombination ist optimal. Bei der direkten Wasserelektrolyse wird Solarenergie direkt, d. h. ohne Zwischenerzeugung und -speicherung von Solarstrom, eingesetzt. Bei dieser Art der Erzeugung von Primärbrennstoff werden zwei verschiedene Lichtreaktionen, zuerst eine photovoltaische, dann eine photokatalytische Reaktion, hintereinander geschaltet. Zur technischen Umsetzung dieser direkten Wasserelektrolyse werden in der Regel mehrere Solarzellen in Serie geschaltet, um die notwendige Zersetzungsspannung zu erreichen. Die Zelloberfläche ist mit einer photokatalytisch wirksamen Beschichtung überzogen, an der lichtinduziert Wasser gespalten wird. Mit einem photokatalytischen Elektrolyseur wird also mit Hilfe von Sonneneinstrahlung ohne die Erzeugung von Solarstrom auf direktem Wege Wasserstoff durch Reduktion von Wasser als Elektrolyt hergestellt.
Der erzeugte Wasserstoff wird in einem Wasserstoffspeicher gespeichert. Gebräuchliche Methoden der Speicherung und Lagerung von Wasserstoff sind die Druckwasserstoffspeicherung Speicherung von Wasserstoffgas in Druckbehältern durch moderates Verdichten mit Kompressoren), die Flüssigwasserstoffspeicherung (Speicherung in verflüssigter Form durch Kühlung und Verdichten) und die Speicherung des gasförmigen Wasserstoffs in einem Feststoffspeicher, beispielsweise in einem Metallhydridspeicher. Hier wird der Wasserstoff in den Lücken des (kalten) Metallgitters eingelagert und bei Erwärmung des Metallgitters wieder abgegeben. Relevant für die Auswahl der geeigneten Speichermaterialien sind Absorptions- und Desorptionstemperatur und -druck, bei welchen Wasserstoff gespeichert und wieder abgegeben wird. Weiterhin gibt es noch die Möglichkeiten der chemischen Wasserstoffspeicherung und der Speicherung von Wasserstoff in porösen metall-organischen Gerüsten (engl. metal-organic frameworks, MOF) mit wohlgeordneter kristalliner Struktur. Sie bestehen aus Komplexen mit Übergangsmetallen (meist Cu-, Zn-, Ni- oder Co) als „Knoten” und organischen Molekülen (Liganden) als Verbindung („Linker”) zwischen den Knoten.
In einer elektrokatalytischen Brennstoffzelle wird Wasserstoff unter Elektronenabgabe zu Wasser oxidiert. Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Im Sprachgebrauch steht – wie auch im vorliegenden Fall – Brennstoffzelle meist für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Die Energie zur Stromproduktion wird in chemisch gebundener Form mit den Brennstoffen zugeführt. Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, die durch eine ionenleitende Membran oder einen Elektrolyten als Ionen-/Protonenleiter voneinander getrennt sind. Die Elektrodenplatten/Bipolarplatten bestehen meist aus Metall oder Kohlenstoffnanoröhren. Sie sind mit einer elektrokatalytischen Beschichtung versehen, zum Beispiel mit Platin oder Palladium. Als Elektrolyten dient Wasser. Die Energie liefert eine Reaktion von Sauerstoff mit dem Wasserstoff. Beide Reaktionspartner werden über die Elektroden kontinuierlich zugeführt. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu einem Stapel in Reihe geschaltet. Bekannt ist beispielsweise die Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC; oder Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) mit einer protonen-, aber nicht elektronenleitenden, gasdichten Ionomer-Membran.
Eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Protonenaustausch-Brennstoffzelle auf Wasserstoff-Sauerstoff-Basis ist die reversible Brennstoffzelle (engl. reversible fuel cell, RFC), die ursprünglich aus der einfachen Kombination einer Wasserstoff-Brennstoffzelle mit einem Elektrolyseur bestand (Bildung eines Doppelstapels). Es können reversibel Wasserstoff oder elektrischer Strom erzeugt werden. Dabei wird der Elektrolyseur aber zur Erzeugung von Wasserstoff mit extern erzeugtem elektrischem Strom versorgt. Es handelt sich somit um einen Elektrolyseur mit einer elektrokatalytischen Beschichtung, die unter Zufuhr von elektrischem Strom, der auch auf photovoltaischem Wege erzeugt sein kann, die Erzeugung von Wasserstoff katalysiert.
Stand der Technik
Der gattungsbildende Stand der Technik zu der vorliegenden Erfindung ist aus der EP 2 053 685 A1 bekannt. Es wird ein Energieversorgungssystem mit einer photochemischen Vorrichtung zur Zersetzung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff an einem Photokatalysator unter Sonneneinstrahlung beschrieben. Hierbei handelt es sich somit um einen photokatalytischen Elektrolyseur für die lichtinduzierte Erzeugung von Wasserstoff. Des Weiteren sind ein Wasserstoffspeicher, beispielsweise ein Metallhydridspeicher, und ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, wobei der Wasserstoffspeicher zwischen der photochemischen Vorrichtung und dem Brennstoffzellensystem angeordnet ist. Es wird ein brennstoffunabhängiges Energieversorgungssystem zur Verfügung gestellt, bei dem der Brennstoff photovoltaisch mittels Solarstrom erzeugt wird. Die Zuführung des Wasserstoffs zu dem Brennstoffzellensystem erfolgt bedarfs- und sonneneinstrahlungsabhängig entweder direkt vom Elektrolyseur oder vom Wasserstoffspeicher. In der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser kann wieder dem Elektrolyseur zugeführt werden. Alle genannten Komponenten sind räumlich getrennt voneinander ausgeführt und angeordnet.
Aus der DE 101 30 284 A1 ist ein ähnliches System bekannt, bei dem eine Rückverstromung, d. h. Rückgewinnung von elektrischem Strom durch Zufuhr von Wasserstoff, im Elektrolyseur vorgesehen ist. Allerdings handelt es sich hier nicht um einen photokatalytischen, sondern um einen elektrokatalytischen Elektrolyseur, der mit photovoltaisch gewonnenem Solarstrom betrieben wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass die photovoltaische Stromerzeugung, der elektrokatalytische Elektrolyseur und der Wasserstoffspeicher eine Baueinheit bilden, die jedoch nicht weiter ausgeführt wird. Eine ähnliche Anlage ist aus der DE 10 2007 001 976 A1 bekannt. Hier ist jedoch keine Rückverstromung im Elektrolyseur vorgesehen, sondern eine direkte Stromlieferung auch von der Photovoltaikeinheit. Der grundsätzliche Aufbau einer autonomen Stromversorgung mit den Komponenten Photovoltaik-Generator, strombetriebener Elektrolyseur, Brennstoffzelle und Wasserstoffspeicher im konkreten Einsatz bei einem Anwender ist beispielsweise aus der Veröffentlichung I von J. Benz „PV-Wasserstoff-Systeme zur autonomen Versorgung von Telekommunikationseinrichtungen" (in 17. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 13.–15. März 2002) bekannt. Auch hier ist zu erkennen, dass der Elektrolyseur seine externe Stromversorgung über einen Photovoltaik-Generator erhält.
Ein photokatalytischer Elektrolyseur zur direkten Wasserstofferzeugung ist aus der DE 103 32 570 A1 bekannt. Die ionenleitende Membran besteht aus einer Metallfolie, darauf einem Solarzellenaufbau, beispielsweise eine Tandem-Dünnschichtsolarzelle aus Kupfer-Indium-Sulfid, darüber eine Pufferschicht und darüber eine photokatalytische Beschichtung, dort beispielsweise Titandioxid, insbesondere auch mit Farbpartikelbeimischung. Die photokatalytische Beschichtung dient ausschließlich der Erzeugung von Wasserstoff (und Sauerstoff) unter Sonneneinstrahlung. Der erzeugte Wasserstoff wird extern in einem Wasserstoffbehälter gespeichert und von dort einer Brennstoffzelle zugeführt. Ein anderer Elektrolyseur ist aus der JP 2008-174771 A bekannt. Hier wird der erzeugte Wasserstoff nicht extern, sondern integriert im Elektrolyseur in einer Elektrode aus einer Metallverbindung gespeichert. Allerdings wird hier der Wasserstoff wieder nicht direkt über Photokatalyse, sondern über eine photovoltaische Stromerzeugung elektrokatalytisch gewonnen. Es handelt sich somit wieder um einen elektrokatalytischen Elektrolyseur. Ein ähnliches System ist aus der US 2008/0124592 A1 bekannt. Hier wird die Brennstoffzelle reversibel, d. h. sowohl zur Stromerzeugung unter Wasserstoffzufuhr als auch zur Wasserstofferzeugung unter externer Stromzufuhr, genutzt. Der elektrische Strom kann dabei auch photovoltaisch erzeugt werden. Eine integrierte Einheit von einer Solarzelle und einem Elektrolyseur ist aus der US 2008/0073205 A1 bekannt, die mit „photovoltaischer Elektrolysezelle” bezeichnet wird. Auch hier wird aber zunächst photovoltaisch ein elektrischer Strom bzw. eine elektrische Spannung erzeugt, der an die Elektroden des elektrokatalytischen Elektrolyseurs angelegt wird. Einen ähnlichen Aufbau zeigt auch die integrierte photoelektrochemische Zelle gemäß der US 2005/0205128 A1 .
Ein neuerer Aspekt im Zusammenhang mit der Nutzung von Sonneneinstrahlung ist die Konzeption von speziellen Funktionselementen zur Montage im Dach- und Fassadenbereich eines Gebäudes. Aus der Veröffentlichung II von C. Bendel et al.: „Photovoltaik-Fassaden – Technische Aspekt, Qualifizierung und Betriebserfahrungen" (in Forschungsverbund Sonnenenergie – Themen 96/97 – Strom aus Sonne und Wind, Köln 1997) ist es bekannt, Photovoltaik als multifunktionale Gebäudehülle für Wetterschutz, Wärmedämmung, Tageslichtnutzung, Design, Schallschutz, Brandschutz, elektrische und thermische Energieerzeugung und elektromagnetische Schirmdämpfung einzusetzen. Aus der Veröffentlichung III „Photovoltaik-Fassade Jülich. Praxisbeispiel" von B. Matheis (in DBZ Deutsche Bauleitschrift, Jg. 42, Nr. 4, 1994, Seiten 125–127) wird eine ähnliche Anordnung wie in Veröffentlichung I beschrieben. Die photovoltaische Komponente ist hier als Gebäudevorsatzelement ausgeführt.
Es wird eine photovoltaische Vorhangfassade mit einem kompakten Bauelement zur Führung der Stromkabel zu einem externen Elektrolyseur, der Wasserstoff in ein externes Wasserstoffspeichersystem speist, vorgestellt. Der gespeicherte Wasserstoff wird dann wiederum Brennstoffzellen zugeführt. Schließlich wird in der Veröffentlichung IV „Transparenter Sonnenschutz: Wärme muss draußen bleiben" (Presseinformation Nr. 39 der Fraunhofer Gesellschaft, München 16.06.2003) von K. Schneider berichtet, dass gaschrome Fenster sich auf Knopfdruck verdunkeln lassen. Integrierte dünne Wolfram-Dioxid-Schichten färben sich durch Zufuhr von Wasserstoff blau ein. Ein Elektrolyseur zur Wasserstofferzeugung ist dabei so klein gehalten, dass er in die Fassade integriert werden kann. Weitere Ausführungen über die Art der Integration werden aber nicht gemacht. Eine ähnliche Anordnung mit einem in den dünnen Schichtenverbund integrierten transparenten Protonenspeicher ist aus der DE 36 43 690 C2 bekannt.
Ein integriertes Energie-Sammel-, Speicher- und Dämmelement für Dach und Fassade ist aus der DE 101 32 060 A1 bekannt. Es umfasst auch ein Photovoltaikelement zur Strom- und Wärmeerzeugung und eine Speichereinheit aus unterschiedlichen Latent- und Phasenwechsel-Speichermaterialien. Hierbei handelt es sich allerdings um einen reinen Wärmespeicher.
Aufgabenstellung
Ausgehend von dem oben beschriebenen gattungsgemäßen Energieversorgungssystem mit zumindest einem photokatalytischen Elektrolyseur für die Erzeugung von Wasserstoff bei Sonneneinstrahlung, einem Wasserstoffspeicher und zumindest einer elektrokatalytischen Brennstoffzelle für die Erzeugung von elektrischem Strom bei Zuführung von Wasserstoff ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen, ein gattungsgemäßes Energieversorgungssystem anzugeben, das möglichst wenige einzelne Funktionselemente aufweist und dabei sehr kompakt und multifunktional ist.
Die Sonneneinstrahlung soll optimal ausgenutzt werden. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem ist gekennzeichnet durch eine bauliche Vereinigung des photokatalytischen Elektrolyseurs mit der elektrokatalytischen Brennstoffzelle in einem reversiblen Funktionselement. Bei der Erfindung treten somit maximal zwei getrennte Funktionselemente auf: das reversible Funktionselement und der Wasserstoffspeicher. Dabei weist das reversible Funktionselement erfindungsgemäß zwischen einer vorderseitigen und einer rückseitigen, jeweils mit Wasser gefüllten Elektrolytkammer eine ionenleitende Membran auf. Diese trägt auf ihrer im Einsatzfall für Sonneneinstrahlung vorgesehenen Vorderseite eine lichtabsorbierende Absorberschicht und darüber eine photokatalytische Beschichtung. Auf ihrer im Einsatzfall nicht für Sonneneinstrahlung vorgesehenen Rückseite weist sie eine elektrokatalytische Beschichtung auf. Die photokatalytische Beschichtung katalysiert bei Sonneneinstrahlung in die Vorderseite die Dissoziation von Wasser. Die elektrokatalytische Beschichtung katalysiert bei Sonneineinstrahlung in die photokatalytische Beschichtung die Wasserreduktion zur Wasserstofferzeugung und ohne Sonneneinstrahlung in die photokatalytische Schicht die Wasseroxidation zur Stromerzeugung.
Das reversible Funktionselement nach der Erfindung vereinigt einen photokatalytischen Elektrolyseur und eine elektrokatalytische Brennstoffzelle miteinander. Es handelt sich dann um einen direkten photokatalytischen Elektrolyseur, der unter Wasserstoffzufuhr als Brennstoffzelle und damit reversibel arbeitet (Vorwärtsrichtung unter Sonneneinstrahlung: photokatalytische Brennstofferzeugung, Rückwärtsrichtung ohne Sonneneinstrahlung, aber mit Wasserstoffzufuhr: elektrokatalytische Stromerzeugung). Somit wird mit der Erfindung ein energieautarkes Funktionselement zur Verfügung gestellt, das sowohl im Tagbetrieb bei Sonneinstrahlung (zur Wasserstofferzeugung) als auch im Nachtbetrieb ohne Sonneinstrahlung (zur Stromerzeugung) effizient arbeitet. Die Sonneneinstrahlung kann damit durch die Energiespeicherung in Form von Wasserstoff und dessen Rückverstromung optimal ausgenutzt werden.
Auf seiner im Einsatzfall für Sonneneinstrahlung vorgesehenen Vorderseite entspricht das reversible Funktionselement einem photokatalytischen Elektrolyseur und weist als wesentliche Komponente eine photokatalytische Beschichtung auf, die auf eine lichtabsorbierende Absorberschicht aufgebracht ist. Davor befindet sich die mit Wasser gefüllte vordere Elektrolytkammer – bei Sonneneinstrahlung die anodische Elektrolysekammer. Diese weist eine transparente Wandung, beispielsweise eine TCO-Schicht (transparentes leitfähiges Oxid) auf, durch die die Sonneneinstrahlung ungehindert einfallen kann. Die photokatalytische Beschichtung bildet zusammen mit der Absorberschicht bei Sonneneinstrahlung die Photoanode in der anodischen vorderseitigen Elektrolytkammer. Das vorhandene bzw. der Elektrolytkammer zugeführte Wasser dissoziiert unter Sonneneinstrahlung an der Photoanode in atomaren Sauerstoff und Protonen in wässriger Lösung (aq) auf. Dabei kann der erzeugte Sauerstoff einfach in die Umgebung entweichen oder ebenfalls gespeichert werden. Die erzeugten Protonen (Hydronium-Ionen) durchwandern die ionenleitende Membran und gelangen in die im Einsatzfall nicht der Sonneneinstrahlung ausgesetzten rückseitigen Elektrolysekammer – bei Sonneneinstrahlung somit die kathodische Elektrolysekammer. Dort werden die Protonen mit den zugeleiteten freien Elektronen zu molekularem Wasserstoff H₂ reduziert (Elektronenaufnahme). Der gebildete Wasserstoff wird dann einem Wasserstoffspeicher zugeführt und dort gespeichert. Zur Aktivierung der Reduktion der Protonen ist in der kathodischen Elektrolysekammer eine elektrokatalytische Beschichtung auf der Rückseite der ionenleitenden Membran angeordnet. Die elektrokatalytische Beschichtung in der kathodischen rückseitigen Elektrolytkammer arbeitet bei Sonneneinstrahlung in die anodische vorderseitige Elektrolytkammer als Dunkelkathode.
Bei der elektrokatalytischen Beschichtung gemäß der Erfindung handelt es sich um eine bifunktionale Beschichtung, da sie zwei Funktionen erfüllen muss. Sowohl bei der Wasserstofferzeugung als auch bei der Stromerzeugung hängt die Effizienz des reversiblen Funktionselements von der Katalyseaktivität dieser elektrokatalytischen Beschichtung ab. Im Falle von Sonneneinstrahlung in die vorderseitige Elektrolysekammer katalysiert sie in der rückseitigen Elektrolysekammer die Erzeugung von speicherbarem Wasserstoff. Fällt kein Licht in die vorderseitige Elektrolysekammer, wird auch in der rückseitigen Elektrolysekammer kein Wasserstoff erzeugt. Nunmehr wird das reversible Funktionselement in seiner Funktionsweise und -richtung umgekehrt und der rückseitigen Elektrolysekammer Wasserstoff zugeführt. Die elektrokatalytische Beschichtung arbeitet jetzt als Dunkelanode zur Oxidation (Elektronenabgabe) des zugeführten molekularen Wasserstoffs. Die vorderseitige Elektrolysekammer arbeitet bei der Stromerzeugung als kathodische und die rückseitige Elektrolysekammer als anodische Elektrolysekammer. Die Funktionen der beiden Elektrolysekammern sind somit vertauscht. Durch Wasserstoffoxidation (Elektronenabgabe) in der rückseitigen Elektrolysekammer und Sauerstoffreduktion (Elektronenaufnahme) in der vorderseitigen Elektrolysekammer wird elektrischer Strom erzeugt. Die Sauerstoffatome und die Protonen reagieren zu Wasser, welches abgeführt oder für eine Rückführung zum Elektrolyseur bei erneuter Sonneneinstrahlung in die vordere Elektrolysekammer gespeichert werden kann. Die elektrokatalytische Beschichtung bei der Erfindung arbeitet damit bifunktional: bei Sonneneinstrahlung als Dunkelkathode in einer kathodischen Elektrolysekammer und ohne Sonneneinstrahlung als Dunkelanode in einer anodischen Elektrolysekammer. Durch einen entsprechenden Aufbau der Beschichtung und/oder durch eine entsprechende Materialwahl ist diese Bifunktionalität erreichbar. Bei der reversiblen Erzeugung von Wasserstoff und elektrischem Strom ist damit die Katalyseaktivität der elektrokatalytischen Beschichtung sowohl im Tag- als auch im Nachtbetrieb von Bedeutung. Dabei sei an dieser Stelle bemerkt, dass auch die photokatalytische Beschichtung auf der Vorderseite des reversiblen Funktionselement bifunktional arbeitet: unter Sonneneinstrahlung im Tagbetrieb arbeitet sie als Photoanode und katalysiert die Wasserspaltung bzw. Sauerstofferzeugung, ohne Sonneneinstrahlung im Nachtbetrieb arbeitet sie als Dunkelkathode und katalysiert die Wasserbildung. Das Augenmerk bei der Erfindung liegt aber nicht auf der Sauerstoff- oder der Wassererzeugung. Trotzdem ist auch das Katalysatormaterial der photokatalytischen Beschichtung zu optimieren.
Vorteilhaft und bevorzugt weisen die photokatalytische Beschichtung und/oder die elektrokatalytische Beschichtung einen Aufbau als Dünnschicht auf. Insbesondere die bedeutsame Materialersparnis steht hierbei im Vordergrund. Schichtaufbauten mit Nanopartikeln ermöglichen dabei eine besonders große katalytisch aktive Oberfläche. Generell sind nanoskalige Materialien als Katalysatormaterialien sowohl für die Wasserstoffreduktion als auch die die Wasserstoffoxidation bei der Erfindung von großem Interesse, die durch große Oberflächen und geänderte Festkörpereigenschaften (aufgrund ihrer nanoskaligen Abmessungen) gekennzeichnet sind. Weiterhin kann vorteilhaft und bevorzugt die elektrokatalytische Beschichtung einen Aufbau aus aneinander angrenzenden Teilbereichen aus zwei unterschiedlichen Katalysatormaterialien, von denen das eine bei der Wasserstofferzeugung und das andere bei der Stromerzeugung katalytisch aktiv ist, aufweisen. Durch die Aufteilung der Oberfläche in getrennte katalytisch aktive Bereiche für die Wasserstoff- und die Stromerzeugung werden die Bereiche für die einzelnen Funktionen zwar verkleinert, durch eine ausreichend große Bemessung der Bereiche oder durch die Verwendung von katalytisch besonders aktiven Materialien kann dies aber kompensiert werden.
Durch die Verwendung von Nanopartikeln als besonders kleine Teilbereiche, an denen entweder beide Teilreaktionen (Oxidation und Reduktion) mit genügender katalytischer Effizienz ablaufen oder bei denen in horizontalen bzw. vertikalen Nano-Architekturen Mischungen zwischen oxidativ und reduktiv aktiven Nanopartikeln vorliegen, können derartige binär funktionierende (bifunktionale) Elektroden beschichtet werden.
Bevorzugt können bei der Erfindung Metalle der Eisen-Platin-Gruppe (Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt) und deren Legierungen als Katalysatormaterial für die Wasserstoffreduktion zur Wasserstofferzeugung und Pt, PtRu-Legierungen oder -Mischungen sowie z. B. Molekülkomplexe mit Ni-, Co- und Mn-Zentren als Katalysatormaterial für die Wasserstoffoxidation zur Stromerzeugung verwendet werden. Alternativ kann vorteilhaft und bevorzugt die elektrokatalytische Beschichtung aus einem bifunktionalen Katalysatormaterial aufgebaut sein, das sowohl bei der Wasserstoffreduktion zur Wasserstofferzeugung als auch bei der Wasserstoffoxidation zur Stromerzeugung katalytisch aktiv ist. Neben Pt, bevorzugt in Beschichtungen im Bereich von wenigen Atomlagen und darunter, können auch beispielsweise CuPd-Legierungen verwendet werden. Ein solches bifunktionales Material ist beispielsweise aus der WO 2010/131653 A1 bekannt.
Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung besteht in der Konzeption eines möglichst kompakten multifunktionalen Funktionselements. Neben der konstruktiven Vereinigung von photokatalytischem Elektrolyseur und elektrokatalytischer Brennstoffzelle zu einem reversiblen (photoelektrokatalytischen) Funktionselement kann dieses auch noch besonders vorteilhaft und bevorzugt durch Integration des Wasserstoffspeichers zu einem reversiblen Hybridelement erreicht werden. Dabei wurde der Begriff „Hybrid” gewählt, da Komponenten mit Funktionen auf unterschiedlicher Basis (katalytische Vorgänge Speichervorgänge) kombiniert werden. Der Wasserstoffspeicher wird damit in das Funktionselement vollständig integriert, was zu einer besonders kompakten Bauweise führt. Dabei kann vorteilhaft und bevorzugt der Wasserstoffspeicher mit der rückseitigen Elektrolytkammer zumindest über ein der Wasserstoffzufuhr in die Elektrolytkammer und ein der Wasserstoffabfuhr aus der Elektrolytkammer dienendes eindirektionales Ventil oder ein sowohl der Wasserstoffzufuhr als auch der Wasserstoffabfuhr dienendes bidirektionales Ventil verbunden sein. Dadurch kann der erzeugte Wasserstoff auf besonders kurzem Wege direkt gespeichert und der gespeicherte Wasserstoff direkt wieder verbraucht werden. Weiter oben wurde bereits ausgeführt, dass das Energieversorgungssystem nach der Erfindung besonders vorteilhaft im Tag-/Nachtbetrieb betrieben werden kann. Vorteilhaft kann deshalb eine Steuerung der eindirektionalen Ventile oder des bidirektionalen Ventils durch ein Energiemanagementsystem vorgesehen sein, das im Einsatzfall bei Sonneneinstrahlung die Wasserstoffabfuhr aus der rückseitigen Elektrolytkammer und ohne Sonneneinstrahlung die Wasserstoffzufuhr in die rückseitige Elektrolytkammer sowie die zugehörige Umschaltung aller anderen Ventile ansteuert.
Mit der Erfindung wird ein besonders kompaktes, autarkes Hybridelement zur Verfügung gestellt, das optimal die Sonneneinstrahlung im Tag-/Nachtbetrieb ausnutzen kann. Damit ist das Hybridelement besonders zur Energieversorgung von Gebäuden geeignet. Es ist deshalb besonders vorteilhaft und bevorzugt, wenn eine Ausbildung des reversiblen Hybridelements mit dem integrierten Wasserstoffspeicher als Gebäudevorsatzelement vorgesehen ist, wobei der integrierte Wasserstoffspeicher im Anschluss an die an rückseitige Elektrolytkammer angeordnet ist. Damit wird mit der Erfindung eine Art „Energiekachel” zur Verfügung gestellt, die in einfacher Weise beispielsweise an eine Gebäudefassade oder auf einem Dach montierbar ist. Dabei wird der Wasserstoffspeicher für die Brennstoffzellenversorgung mit in die Energiekachel integriert. Bei der Erfindung kann der Wasserstoffspeicher bevorzugt mit einer solchen Größenausbildung integriert werden, dass der im Einsatzfall während der Sonneneinstrahlung gespeicherte Wasserstoff den Betrieb des Brennstoffzellensystems zumindest für die Hälfte der Zeitdauer ohne Sonneneinstrahlung gewährleistet. Hierbei handelt es sich beispielsweise um die erste Hälfte der Nacht. In Bürogebäuden können in dieser Zeit noch Arbeiten stattfinden, in der zweiten Nachthälfte ist auch ein Bürogebäude in der Regel nicht besetzt. Insbesondere bei der Ausbildung als Energiekachel ist eine flächige Ausbildung des Gebäudevorsatzelements bevorzugt und vorteilhaft, bei dem sich der Wasserstoffspeicher über die gesamte Fläche des reversiblen Hybridelements erstreckt. Es ergeben sich großformatige, relativ flache Bauelemente.
Bevorzugt und vorteilhaft ist weiterhin eine Ausbildung des Wasserstoffspeichers zumindest teilweise als poröser Feststoffspeicher vorgesehen. Dabei kann es sich bei dem Feststoffspeicher bevorzugt um einen keramischen Metallhydridspeicher handeln. Keramische Materialien werden besonders bevorzugt bei der Herstellung von Kacheln und Fliesen eingesetzt, da sie besonders gut die Tageswärme speichern und in der Nacht oder an kalten Tagen ohne Sonneneinstrahlung wieder abgeben können. Für eine Ertüchtigung eines solchen keramischen Wärmespeichers als Wasserstoffspeicher ist dem keramischen Material nur eine hydridbildende Metallverbindung hinzuzufügen. Bevorzugt ist daher eine Ausbildung des Feststoffspeichers auch als Wärmespeicher vorgesehen. Geeignete Speichermaterialien für die Speicherung von Wasserstoff weisen eine möglichst große Speicherkapazität, ein gutes Absorptions-/Desorptionsverhalten und insbesondere auch eine tiefe (bevorzugt im Bereich der Umgebungstemperatur) liegende Desorptionstemperatur auf. Metallhydride wie Lithiumhydrid, Lithiumborhydrid, Lithiumaluminiumhydrid und Amminboran oder andere Mischmetallhydride, auch mit La, Mg, Mn und Ni, sind ebenfalls einsetzbar. In einem Feststoffspeicher wird der Wasserstoff durch Absorption (niederenergetische Bindung) gespeichert. Die Desorption erfolgt dann unter (moderater) Wärmezufuhr. Dabei kann die Wärme, die insbesondere auch durch Sonneneinstrahlung erzeugt wird, ebenfalls im Feststoffspeicher abgespeichert werden. Bevorzugt und vorteilhaft kann bei der Erfindung auch eine Ausbildung des nicht als Feststoffspeicher ausgebildeten Wasserstoffspeichers als Druckspeicher, mit dem die eindirektionalen Ventile oder das bidirektionale Ventil in Verbindung stehen, vorgesehen sein. Es handelt sich dann bei dem Wasserstoffspeicher um eine Kombination aus einem Feststoff- und einem Druckspeicher. Insbesondere die Wasserstoffabführung über das entsprechende Ventil kann dann in einfacher Weise über einfaches Ventilöffnen erfolgen. Die druckbeaufschlagte Wasserstoffzufuhr erfolgt über ein entsprechendes Rückschlagventil. Neben der direkten Speicherung von Sonnenwärme im Gebäudevorsatzelement kann vorteilhaft und bevorzugt auch eine von der Sonneneinstrahlung unabhängige zusätzliche Wärmequelle, beispielsweise in Form eines Heizdrahts, vorgesehen sein. Dieser kann bevorzugt in den Feststoffspeicher integriert sein. Insbesondere in den kälteren Betriebsmonaten ist dadurch eine zuverlässige Desorption des Wasserstoffs aus dem Speicher und insbesondere aber auch eine zuverlässige und gesteigerte Oxidation (Verbrennung) des Wasserstoffs an der Dunkelanode mit der bifunktionalen elektrokatalytischen Beschichtung ohne Sonneneinstrahlung gewährleistet.
Um eine möglichst große Energieausbeute aus dem Energieversorgungssystem nach der Erfindung zu erhalten, ist die Belegung von möglichst großen Fassaden- und Dachflächen mit den reversiblen Funktions- oder Hybridelementen vorteilhaft. Besonders vorteilhaft, auch für das optische Erscheinungsbild, ist eine Anordnung von mehreren Gebäudevorsatzelementen in Reihen und Spalten nebeneinander an einer Gebäudefassade. Dabei kann bevorzugt und vorteilhaft das Gebäudevorsatzelement nach der Erfindung mit weiteren Funktionselementen, beispielsweise zur direkten photovoltaischen Strom- oder Wärmeerzeugung, zur Wärme- oder Schalldämmung und/oder zum Witterungsschutz, kombiniert werden. Mit derartigen, insbesondere sonnengespeisten multifunktionalen Vorsatzelementen kann dann ein Gebäude in nahezu allen technischen Belangen autark versorgt werden. Insbesondere eine Kombination des reversiblen Hybridelements mit integriertem Wasserstoffspeicher nach der Erfindung mit Photovoltaikelementen zur Erzeugung von Solarstrom ist besonders vorteilhaft, da dann tagsüber das eingestrahlte Sonnenlicht nicht nur zur Erzeugung von Wasserstoff im Hybridelement nach der Erfindung, sondern auch zur direkten Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie genutzt werden kann. Somit kann das Gebäude auch tagsüber autark mit Strom versorgt werden. Weitere Details zur Erfindung werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Ausführungsbeispiele
Ausbildungsformen des Energieversorgungssystems nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren zum weiteren Verständnis der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt die
1 das reversible Hybridelement in einer Ausbildung als Gebäudevorsatzelement im Tagbetrieb,
2 das reversible Hybridelement in einer Ausbildung als Gebäudevorsatzelement im Nachtbetrieb,
3 die Funktionsweise des reversiblen Hybridelements als Schema,
4 die bifunktionale elektrokatalytische Beschichtung im reversiblen Hybridelement,
5 den integrierten Wasserstoffspeicher mit zwei eindirektionalen Ventilen,
6 den integrierten Wasserstoffspeicher mit einer Zusatzheizung und
7 das Energieversorgungssystem mit mehreren Gebäudevorsatzelementen an einer Gebäudefassade.
Die 1 zeigt im Querschnitt die bauliche Vereinigung eines photokatalytischen Elektrolyseurs 01 mit einer elektrokatalytischen Brennstoffzelle 02 (vergleiche 2) in einem reversiblen Funktionselement 03. Eine ionenleitende Membran 04 trennt eine vorderseitige Elektrolytkammer 05 von einer rückseitigen Elektrolytkammer 06. Dabei ist die Vorderseite des reversiblen Funktionselements 03 durch die Sonneneinstrahlung 07 im Einsatzfall festgelegt. Die Vorderseite des reversiblen Funktionselements 03 ist somit der Sonne zugewandt. Beide Elektrolytkammern 05, 06 sind mit Wasser (H₂O) als Elektrolyt gefüllt. Die vordere Elektrolytkammer 05 weist ein bidirektionales Ventil 08 für Wasser (H₂O) und ein zuführendes eindirektionales Ventil 09 für Sauerstoff (O₂) bzw. Luft (air) sowie ein abführendes eindirektionales Ventil 10 für Sauerstoff (O₂) auf. Die ionenleitende Membran 04 weist auf ihrer Vorderseite 11 (im Einsatzfall der Sonne zugewandt) eine Absorberschicht 12 und darauf eine photokatalytische Beschichtung 13 auf. Auf ihrer Rückseite 14 (im Einsatzfall der Sonne abgewandt) weist die ionenleitende Membran 04 eine elektrokatalytische Beschichtung 15 auf. Dargestellte Kanäle 16 im beschriebenen Schichtenverbund 17 sollen dessen Durchlässigkeit für Protonen H⁺ in beiden Richtungen andeuten. Alle Schichten im Dünnschichtverbund 17 (Absorberschicht 12, photokatalytische Beschichtung 13, elektrokatalytische Beschichtung 15) sind im dargestellten Ausführungsbeispiel als Dünnschichten 29 ausgeführt.
Weiterhin ist in der 1 ein integrierter Wasserstoffspeicher 18 dargestellt. Durch dessen Integration wird das reversible Funktionselement 03 zu einem reversiblen Hybridelement 19 weitergebildet. Der Wasserstoffspeicher 18 besteht aus einem Feststoffspeicher 20 und einem Druckspeicher 21. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der poröse Feststoffspeicher 20 als keramischer Metallhydridspeicher 22 ausgebildet, in dem der Wasserstoff leicht absorbiert und auch leicht wieder desorbiert werden kann. Der Druckspeicher 21 ist ein freier Raum, in dem der gebildete Wasserstoff unter moderat erhöhtem Druck gespeichert wird. Die Zuführung des Wasserstoffs in den Wasserstoffspeicher 18 erfolgt in gezeigtem Ausführungsbeispiel über ein bidirektionales Ventil 23. Dieses dient auch der Abführung des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher 18. In der 1 ist das reversible Hybridelement 19 als Gebäudevorsatzelement 24 ausgebildet, das an einer vertikalen Gebäudefassade 25 angeordnet ist. Die Art und Weise der Anbindung der Gebäudevorsatzelemente 24 an die Gebäudefassade 25 ist in den Figuren zwar nicht dargestellt, dem Fachmann auf dem Gebiet der Verbindungstechnik aber ohne weiteres geläufig. Das Gebäudevorsatzelement 24 hat eine großflächige Form mit einer relativ geringen Dicke, nach der Art einer Fassadenplatte. Der Wasserstoffspeicher 18 erstreckt sich über die ganze Fläche des Gebäudevorsatzelements 24. Zur Sonnenseite hin wird das Gebäudevorsatzelement 24 von einer transparenten Frontplatte 26, beispielsweise eine TCO-Platte, abgeschlossen.
In der 1 ist der Tagbetrieb (Symbol Sonne) des reversiblen Funktionselements 03 dargestellt. Dabei wird die Betriebsweise durch ein Energiemanagementsystem 27 (EM) gesteuert, das Zugriff auf die Ventile 08, 09, 10 und 23 hat. Im Tagbetrieb arbeitet das reversible Funktionselement 03 als photokatalytischer Elektrolyseur 01 (Symbol → Tagbetrieb, Vorwärtsrichtung). Im Tagbetrieb wird über das bidirektionale Ventil 08 Wasser (H₂O) der vorderen Elektrolytkammer 05 zugeführt. Das eindirektionale Ventil 09 für Sauerstoff (O₂) bzw. Luft (air) ist geschlossen (Symbol Kreuz) und die Abführung 10 für Sauerstoff (O₂) geöffnet (Symbol Durchlasspfeil). Durch Sonneneinfall (Symbol hv) auf die Vorderseite 11 der ionenleitenden Membran 04 dissoziiert das Wasser H₂O in der vorderseitigen Elektrolytkammer 05 (im Tagbetrieb anodische Elektrolytkammer) in Sauerstoff, Protonen und lichtinduziert erzeugten Elektronen (Elektronenabgabe, Oxidation). Dabei deutet „aq” an, dass die Protonen in wässriger Lösung als Hydronium-Ionen H₃O⁺ vorliegen. Der Wasserzerfall wird unter Energiezufuhr durch Sonneneinstrahlung von der photokatalytischen Beschichtung 13 katalysiert. Dabei arbeitet die photokatalytische Beschichtung 13 zusammen mit der Absorberschicht 16 im Tagbetrieb als Photoanode. Entstandenes O₂ entweicht durch die Abführung 10 für Sauerstoff. Die Protonen H⁺ durchwandern den Schichtenverbund 17, die freien Elektronen e^– werden in die hintere Elektrolytkammer 06 geleitet (angedeutet durch den Pfeil 2e^– von 12 nach 15). In der rückseitigen Elektrolytkammer 06 (im Tagbetrieb kathodische Elektrolytkammer) werden die zuvor oxidierten Protonen reduziert, d. h. sie nehmen Elektronen auf. Es entsteht Wasserstoff H₂. Die Wasserstofferzeugung wird von der elektrokatalytischen Beschichtung 15 auf der Rückseite 14 der ionenleitenden Membran 04 ohne Lichteinfall katalysiert. Diese bildet damit im Tagbetrieb bei der Wasserstofferzeugung die Photokathode oder auch Dunkelkathode. Der erzeugte Wasserstoff wird über das bidirektionale Ventil 23 dem Wasserstoffspeicher 18 zugeführt und dort im Druckspeicher 21 und, wenn der Druckspeicher 21 gefüllt ist, im porösen Feststoffspeicher 20 gespeichert. Im Tagbetrieb wird im porösen Feststoffspeicher 20 auch Wärme (Q, Symbol Wellenpfeile) aus der Sonneneinstrahlung gespeichert.
Der Nachtbetrieb (bedeutet Betrieb ohne Sonneinstrahlung) des reversiblen Hybridelements 03 nach der Erfindung ist in der 2 dargestellt (dort nicht gezeigte Bezugszeichen sind der 1 zu entnehmen). Das reversible Hybridelement 03 arbeitet nunmehr als elektrokatalytische Brennstoffzelle 02 (Symbol ← Nachtbetrieb, Rückwärtsrichtung). Über das Energiemanagementsystem 27, das zeit- oder sonneneinstrahlungsabhängig zwischen dem Tag- und dem Nachtbetrieb umschalten kann, ist das abführende eindirektionale Ventil 10 für Sauerstoff (O₂) geschlossen worden. Über das bidirektionale Ventil 08 werden Wasser (H₂O) und Luft (air) abgeführt, das Ventil 09 wurde geöffnet, es werden Sauerstoff (O₂) und Luft (air) zugeführt. Im Nachtbetrieb mit Brennstoffzellenmodus arbeitet die vorderseitige Elektrolytkammer 05 nunmehr kathodisch, die photokatalytische Beschichtung 13 arbeitet zusammen mit der Absorberschicht 12 entsprechend als Dunkelkathode. Der Sauerstoff wird reduziert (O + 2e^– → O^2–). Die Sauerstoffionen verbinden sich dann mit den durch die ionenleitende Membran 04 gewanderten Protonen zu Wasser (2H⁺ + O^2– → H₂O). Das erzeugte Wasser (H₂O) wird über das Ventil 08 abgeführt. Die katalytische Aktivität der photokatalytischen Beschichtung 13 ohne Lichteinfall ist aber nicht ausschlaggebend, da die Erzeugung von Sauerstoff und Wasser nicht im Vordergrund bei der Erfindung steht. Die rückseitige Elektrolytkammer 06 arbeitet anodisch, die elektrokatalytische Beschichtung 15 arbeitet nunmehr als Dunkelanode und katalysiert die Verbrennung (Oxidation, Elektronenabgabe) von zugeführtem Wasserstoff zur Gewinnung von elektrischem Strom. Die Leitung der freien Elektronen e^– über einen Verbraucher 28 (RL) ist in der 2 nur schematisch dargestellt, sie kann in bekannter Weise über entsprechende elektrische Einrichtungen erfolgen. Die kathodisch benötigten Protonen H+ werden in der anodischen Elektrolytkammer 06 durch Oxidation erzeugt (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Das Energiemanagementsystem 27 regelt dazu die Zufuhr von Wasserstoff über das bidirektionale Ventil 23 aus dem Druckspeicher 21 in die anodische Elektrolytkammer 06. Zur Verbesserung der katalytischen Reaktion wird Wärme Q aus dem Feststoffspeicher 22, der somit auch als Wärmespeicher 32 dient, in die anodische Elektrolytkammer 06 und auf die elektrokatalytische Beschichtung 15 geleitet. Deren Katalyseaktivität ist auch im Rückwärtsbetrieb von Bedeutung, da sie die Effektivität bei der Umsetzung von Wasserstoff in elektrischen Strom bestimmt. Somit ist der Aufbau der elektrokatalytischen Beschichtung 15 für das reversible Funktionselement 03 von besonderer Bedeutung.
In der 3 ist das reversible Hybridelement 19 mit photoelektrolytischer Funktion an der ionenleitenden Membran 04 und mit integriertem Wasserstoffspeicher 18 nach der Erfindung in seiner Funktionsweise noch einmal schematisch dargestellt. Im Tagbetrieb (links, Symbol Sonne) wird unter Lichteinfall durch Reduktion (Elektronenaufnahme) Wasserstoff erzeugt und gespeichert, im Nachtbetrieb (rechts, Symbol Mond) wird unter Wasserstoffzufuhr durch Oxidation (Elektronenabgabe) elektrischer Strom für den Verbraucher 28 erzeugt.
In der 4 ist im Ausschnittdetail die elektrokatalytische Beschichtung 15 auf der ionenleitenden Membran 04 dargestellt, die aus aneinander angrenzenden Teilbereichen 30, 31 unterschiedlicher Katalysatormaterialien besteht. Dabei kann es sich bei den Teilbereichen 30, 31 auch um einzelne Nanopartikel 32 handeln. Die einen Teilbereiche 30 bestehen aus einem Katalysatormaterial, das bei der Wasserstoffreduktion zur Wasserstofferzeugung katalytisch aktiv ist (aktiv im Tagbetrieb im photokatalytischen Elektrolyseur). Die anderen Teilbereiche 31 hingegen bestehen aus einem Katalysatormaterial, das bei der Wasserstoffoxidation zur elektrischen Stromerzeugung katalytisch aktiv ist (aktiv im Nachtbetrieb in der elektrokatalytischen Brennstoffzelle). Beide Katalysatormaterialien arbeiten somit monofunktional. Alternativ besteht die elektrokatalytische Beschichtung 15 aus einem einzigen Katalysatormaterial, das sowohl bei der Wasserstoffreduktion zur Wasserstofferzeugung als auch bei der Wasserstoffoxidation zur elektrischen Stromerzeugung katalytisch aktiv ist. Es handelt sich dann um ein bifunktionales Katalysatormaterial. Dieses ist in der 3 aber nicht weiter dargestellt.
Die 5 zeigt im Ausschnittdetail anstelle des bidirektionalen Ventils 23 (vergleiche 1, 2) für die Wasserstoffbe- und entladung des Wasserstoffspeichers 18 ein eindirektionales Ventil 40 für die Beladung und ein eindirektionales Ventil 41 für die Entladung des Wasserstoffspeichers 18, der sich wiederum aus einem Feststoffspeicher 20 und einem Druckspeicher 21 zusammensetzt.
Die 6 zeigt ein Ausschnittdetail im Bereich des Wasserstoffspeichers 18. Im Feststoffspeicher 20 ist eine zusätzliche Wärmequelle 50 in Form eines elektrischen Heizdrahts 51 angeordnet. Neben einer Speicherung von Umgebungswärme Q kann insbesondere in kälteren Jahreszeiten über den Heizdraht 51 zusätzliche Wärme Q⁺ im Feststoffspeicher 20 erzeugt und auch gespeichert werden. Diese zusätzliche Wärme Q⁺ wird dann für die Erzeugung von elektrischem Strom durch elektrokatalytische Wasserstoffoxidation eingesetzt. Die zusätzliche Wärmequelle 50 bzw. der Heizdraht 51 können ohne weiteres auch an anderen Stellen des reversiblen Hybridelements 03 angeordnet sein.
Die 7 schließlich zeigt ein autarkes Energieversorgungssystem 60 nach der Erfindung mit einer Vielzahl von reversiblen Hybridelementen 03 mit integrierten Wasserstoffspeichern 18 in der Ausführungsform von Gebäudevorsatzelementen 24, die in Reihen 61 und Spalten 62 an der Gebäudefassade 25 angeordnet sind. Durch die Möglichkeit, sowohl Wasserstoff als auch elektrischen Strom auf der Basis von Sonneneinstrahlung erzeugen zu können, handelt es sich bei den Gebäudevorsatzelementen 24 um multifunktionale Funktionselemente auf Solarbasis, die besonders umweltfreundlich und nachhaltig sind. Eingangs wurden bereits weitere mögliche Funktionselemente auf Solarbasis mit unterschiedlichen Funktionen genannt. Mit diesen können auch die Gebäudevorsatzelemente 24 nach der Erfindung kombiniert werden. In der 6 sind beispielhaft weitere Funktionselemente 63 auf Solarbasis aufgezeigt, die der direkten photovoltaischen Stromerzeugung mittels Solarzellen und der Wärmeerzeugung und -leitung mittels Wasserrohren dienen. Dabei sind die Gebäudevorsatzelemente 24 mit den weiteren Funktionselementen 63 schachbrettartig abgewechselt. Andere Anordnungen sind ebenfalls ohne weiteres darstellbar und an die jeweiligen Gebäudebedürfnisse anpassbar. Durch derartige multifunktionale Kombinationen auf Solarbasis kann das Gebäude in optimaler Weise bei Tag und Nacht vollständig autark mit Energie versorgt werden.
Parameterübersicht (beispielhaft und nicht beschränkend)

protonenleitende Membran Nafion, β-Al₂O₃
Absorberschicht Halbleitermaterialien mit Absorptionsvermögen für Sonnenlicht
Dünnschicht Schichtdicke: < 1 μm
photokatalytische Beschichtung Übergangsmetallchalkogenide WO₃, Fe₂O₃ (Hämatit), TaOxNy Schichtdicke: 1–3 μm bei direkter Energielücke; 10–50 μm bei indirekter Energielücke
Wasserstoffspeicher Keramisches, poröses Material, Metallschäume, MOF (Metall Organic Framework)
Katalysatormaterial Wasserstofferzeugung Metalle der Eisen-Platin-Gruppe (Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt) und deren Legierungen
Katalysatormaterial Stromerzeugung Pt, PtRu, Molekülkomplexe mit Co-, Mn- und Ni-Zentren
bifunktionales Katalysatormaterial CuPd-Legierungen, Pt als Nanopartikel oder Monolagenfilm
elektrokatalytische Beschichtung Schichtdicke: 1 Atomlage bis einige 10 Atomlagen (0,3 nm bis 50 nm)
Druck Umgebungsdruck im Hybridelement, moderater Überdruck im Druckspeicher
Temperatur im Hybridelement und Speicher durch Sonnenerwärmung unter 100°C

Bezugszeichenliste

01: photokatalytischer Elektrolyseur
02: elektrokatalytische Brennstoffzelle
03: reversibles Funktionselement
04: ionenleitende Membran
05: vorderseitige Elektrolytkammer
06: rückseitige Elektrolytkammer
07: Sonneneinstrahlung
08: bidirektionales Ventil für Wasser (H₂O)/Luft (air)
09: zuführendes eindirektionales Ventil für Sauerstoff (O₂)/Luft (air)
10: abführendes eindirektionales Ventil für Sauerstoff (O₂)
11: Vorderseite (im Einsatzfall der Sonne zugewandt)
12: Absorberschicht
13: photokatalytische Beschichtung
14: Rückseite (im Einsatzfall der Sonne abgewandt)
15: elektrokatalytische Beschichtung
16: Kanal (Protonenleitung)
17: Schichtenverbund
18: integrierter Wasserstoffspeicher
19: reversibles Hybridelement
20: Feststoffspeicher
21: Druckspeicher
22: keramischer Metallhydridspeicher
23: bidirektionales Ventil für Wasserstoff (H₂)
24: Gebäudevorsatzelement
25: Gebäudefassade
26: transparente Frontplatte
27: Energiemanagementsystem
28: Verbraucher
29: Dünnschicht
30: Teilbereich (Katalysatormaterial zur Wasserstofferzeugung)
31: Teilbereich (Katalysatormaterial zur Stromerzeugung)
32: Wärmespeicher
40: zuführendes eindirektionales Ventil für Wasserstoff (H₂)
41: abführendes eindirektionales Ventil für Wasserstoff (H₂)
50: zusätzliche Wärmequelle
51: Heizdraht
60: Energieversorgungssystem
61: Reihe
62: Spalte
63: Funktionselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2053685 A1 [0006]
DE 10130284 A1 [0007]
DE 102007001976 A1 [0007]
DE 10332570 A1 [0008]
JP 2008-174771 A [0008]
US 20080124592 A1 [0008]
US 2008/0073205 A1 [0008]
US 2005/0205128 A1 [0008]
DE 3643690 C2 [0010]
DE 10132060 A1 [0011]
WO 2010/131653 A1 [0020]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. Benz „PV-Wasserstoff-Systeme zur autonomen Versorgung von Telekommunikationseinrichtungen” (in 17. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 13.–15. März 2002) [0007]
C. Bendel et al.: „Photovoltaik-Fassaden – Technische Aspekt, Qualifizierung und Betriebserfahrungen” (in Forschungsverbund Sonnenenergie – Themen 96/97 – Strom aus Sonne und Wind, Köln 1997) [0009]
„Photovoltaik-Fassade Jülich. Praxisbeispiel” von B. Matheis (in DBZ Deutsche Bauleitschrift, Jg. 42, Nr. 4, 1994, Seiten 125–127) [0009]
„Transparenter Sonnenschutz: Wärme muss draußen bleiben” (Presseinformation Nr. 39 der Fraunhofer Gesellschaft, München 16.06.2003) von K. Schneider [0010]

Claims

Energieversorgungssystem mit zumindest einem photokatalytischen Elektrolyseur für die Erzeugung von Wasserstoff durch Sonneneinstrahlung, einem Wasserstoffspeicher und zumindest einer elektrokatalytischen Brennstoffzelle für die Erzeugung von elektrischem Strom bei Zuführung von Wasserstoff, gekennzeichnet durch eine bauliche Vereinigung des photokatalytischen Elektrolyseurs (01) mit der elektrokatalytischen Brennstoffzelle (02) in einem reversiblen Funktionselement (03), das zwischen einer vorderseitigen und einer rückseitigen, jeweils mit Wasser gefüllten Elektrolytkammern (05, 06) eine ionenleitende Membran (04) aufweist, die auf ihrer im Einsatzfall für Sonneneinstrahlung (07) vorgesehenen Vorderseite (11) eine Absorberschicht (12) und darüber eine photokatalytische Beschichtung (13), die bei Sonneneinstrahlung (07) die Dissoziation von Wasser katalysiert, und auf ihrer im Einsatzfall nicht für Sonneneinstrahlung (07) vorgesehenen Rückseite (14) eine elektrokatalytische Beschichtung (15) trägt, die bei Sonneneinstrahlung (07) in die photokatalytische Beschichtung (13) die Wasserstoffreduktion zur Wasserstofferzeugung und ohne Sonneneinstrahlung (07) in die photokatalytische Beschichtung (13) die Wasserstoffoxidation zur Stromerzeugung katalysiert.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausführung der photokatalytischen Beschichtung (13) und/oder der elektrokatalytischen Beschichtung (15) als Dünnschicht (29).
Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Aufbau der elektrokatalytischen Beschichtung (15) aus aneinander angrenzenden Teilbereichen (30, 31), insbesondere auch in Form von Nanopartikeln (32), von zwei unterschiedlichen Katalysatormaterialien in horizontalen oder vertikalen Architekturen oder in beliebigen Mischungen, von denen das eine bei der Wasserstoffreduktion zur Wasserstofferzeugung und das andere bei der Wasserstoffoxidation zur elektrischen Stromerzeugung katalytisch aktiv ist.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Metalle der Eisen-Platin-Gruppe (Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt) und deren Legierungen als Katalysatormaterial für die Wasserstoffreduktion zur Wasserstofferzeugung und Pt, PtRu-Legierungen oder -Mischungen sowie Molekülkomplexe mit Ni-, Co- und Mn- Zentren als Katalysatormaterial für die Wasserstoffoxidation zur Stromerzeugung verwendet werden.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Aufbau der elektrokatalytischen Beschichtung (15) aus einem bifunktionalen Katalysatormaterial, das sowohl bei der Wasserstoffreduktion zur Wasserstofferzeugung als auch bei der Wasserstoffoxidation zur elektrischen Stromerzeugung katalytisch aktiv ist.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch CuPd-Legierungen und Pt sowohl in Nanopartikel als auch als Beschichtung aus wenigen Atomlagen und darunter im als bifunktionales Katalysatormaterial.
Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Integration des Wasserstoffspeichers (18) in das reversible Funktionselement (03) unter Bildung eines reversiblen Hybridelements (19).
Energieversorgungssystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Verbindung des Wasserstoffspeichers (18) mit der rückseitigen Elektrolytkammer (06) zumindest über ein der Wasserstoffzufuhr in die Elektrolytkammer und ein der Wasserstoffabfuhr aus der Elektrolytkammer dienendes eindirektionales Ventil (40, 41) oder ein sowohl der Wasserstoffzufuhr als auch der Wasserstoffabfuhr dienendes bidirektionales Ventil (23).
Energieversorgungssystem nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Steuerung zumindest der eindirektionalen Ventile (40, 41) oder des bidirektionales Ventils (23) durch ein Energiemanagementsystem (27), das im Einsatzfall bei Sonneneinstrahlung (07) die Wasserstoffabfuhr aus der rückseitigen Elektrolytkammer (06) und ohne Sonneneinstrahlung (07) die Wasserstoffzufuhr in die rückseitige Elektrolytkammer (06) ansteuert.
Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des reversiblen Hybridelements (19) mit dem integrierten Wasserstoffspeicher (18) als Gebäudevorsatzelement (24), wobei der integrierte Wasserstoffspeicher (18) im Anschluss an die rückseitige Elektrolytkammer (06) angeordnet ist.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine solche Größenausbildung des integrierten Wasserstoffspeichers (18), dass der im Einsatzfall während der Sonneneinstrahlung (07) gespeicherte Wasserstoff den Betrieb der elektrokatalytischen Brennstoffzelle (02) zumindest für die Hälfte der Zeitdauer ohne Sonneneinstrahlung (07) gewährleistet.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine flächige Ausbildung des Gebäudevorsatzelements (24), bei dem sich der Wasserstoffspeicher (18) über die gesamte Fläche des reversiblen Hybridelements (19) erstreckt.
Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des Wasserstoffspeichers (18) zumindest teilweise als poröser Feststoffspeicher (20).
Energieversorgungssystem nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des porösen Feststoffspeichers (20) als keramischer Metallhydridspeicher (22).
Energieversorgungssystem nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des nicht als Feststoffspeicher (20) ausgebildeten Wasserstoffspeichers (18) als Druckspeicher (21), mit dem die eindirektionalen Ventile (40, 41) oder das bidirektionale Ventil (23) in Verbindung stehen.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des Feststoffspeichers (20) als Wärmespeicher (32).
Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch Vorsehen einer von der Sonneneinstrahlung (07) unabhängigen zusätzlichen Wärmequelle (50).
Energieversorgungssystem nach Anspruch 12 und 17, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der zusätzlichen Wärmequelle (50) als elektrischer Heizdraht (51), der in den Feststoffspeicher (22) integriert ist.
Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 18, gekennzeichnet durch eine Anordnung von mehreren Gebäudevorsatzelementen (24) in Reihen (61) und Spalten (62) nebeneinander an einer Gebäudefassade (25).
Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 19, gekennzeichnet durch eine Kombination der Gebäudevorsatzelemente (24) mit weiteren Funktionselementen (63), beispielsweise zur direkten photovoltaischen Strom- oder Wärmeerzeugung, zur Wärme- oder Schalldämmung und/oder zum Witterungsschutz.