DE102017000635A1 - Wasserstoffversorgungseinheit für eine Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Energiebereitstellung für die Dehydrierung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern zur Herstellung von Wasserstoff für Brennstoffzellen (7).Wobei Wärmeenergie, welche für die Dehydrierung notwendig ist, durch Adsorptionswärme bereitgestellt wird, welche durch die Adsorption von Wasser aus der Brennstoffzelle (7) mit einem Trockenmittel entsteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energiebereitstellung für die Dehydrierung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern zur Herstellung von Wasserstoff für Brennstoffzellen.
  • Mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen gewinnen in immer mehr mobilen und stationären Anwendungen Bedeutung. Diese Form der Energiegewinnung gilt, insbesondere dann, wenn der Wasserstoff aus regenerativen Quellen gewonnen wird, als umweltfreundlich, da nur Wasser als Abfallprodukt entsteht.
  • Problematisch sind jedoch immer noch der Transport des Wasserstoffs zur Brennstoffzelle und die Speicherkapazität des Wasserstoffs. Der Transport und die Lagerung von flüssigem Wasserstoff sind aufgrund der niedrigen Temperaturen teuer und aufwendig und insbesondere für kleine mobile Anwendungen nicht zu realisieren. In gasförmigem Zustand kann Wasserstoff nur bei ausreichend hohem Druck eine akzeptable Speicherdichte erreichen. Je höher der Druck ist, desto mehr Gewicht entfällt jedoch auf die Gasflasche. Zudem ist die Akzeptanz von Druckgasflaschen mit Drücken bis zu 900 bar insbesondere bei Privatanwendern noch sehr gering, da kaum Erfahrungswerte mit deren Umgang bestehen.
  • Flüssige organische Wasserstoffträger, auch oft als LOHC (liquid organic hydrogen carrier) bezeichnet, bieten sich deshalb als Alternative an. Sie können ähnlich wie Diesel und Benzin getankt und gelagert werden und sind somit mit den gleichen Vorrichtungen transportierbar und speicherbar. Flüssige organische Wasserstoffträger haben jedoch den Nachteil, dass der Wasserstoff erst freigesetzt werden muss. Der dehydrierte flüssige Wasserstoffträger kann allerdings regeneriert werden, erneut hydriert werden und im Kreislauf benutzt werden.
  • Für die Dehydrierung des hydrierten flüssigen organischen Wasserstoffträgers ist jedoch eine Temperatur von 150 bis 390 °C notwendig. Insbesondere bei der Anwendung in mobilen Systemen, wie beispielsweise in mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugen, lässt sich diese Wärme nicht so einfach generieren.
  • Aufgabe dieser Erfindung ist es deshalb ein Verfahren anzugeben, bei dem die notwendige Energie zur Dehydrierung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern einfach und kostengünstig bereitgestellt werden kann.
  • Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 offenbart. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
  • Die Wärmeenergie, welche für die Dehydrierung notwendig ist, wird durch die Adsorptionswärme bereitgestellt, welche durch die Adsorption von Wasser aus der Brennstoffzelle mit einem Trockenmittel entsteht. Das Wasser, welches in der Brennstoffzelle gebildet wird, wird dazu bevorzugt nicht in die Umgebung abgegeben, sondern zumindest teilweise in einem Behälter gesammelt. Aus diesem Behälter wird es einem weiteren Behälter zugeführt welcher ein Trockenmittel enthält.
  • Als Trockenmittel werden bevorzugt Zeolithe (SAPO34, 13X, 13Y), MOFs (metal organic framework structures) oder Silicalgele verwendet. Diese Stoffe setzen bei der Adsorption von Wasser Wärme frei. Diese Wärme wird an den Dehydrierer übertragen, so dass unter Verwendung eines Katalysators flüssiger organischer Wasserstoffträger dehydriert werden kann.
  • Bei der Adsorption wird eine Wärme von 150 bis 400 °C erreicht.
  • Es eignen sich auch andere hydrophile Stoffe, die bei der Adsorption von Wasser Wärme freisetzen.
  • Bei der Dehydrierung wird Wasserstoff in gasförmiger Form freigesetzt, welcher direkt in der Brennstoffzelle verwendet werden kann oder zwischengespeichert werden kann. Der dehydrierte flüssige organische Wasserstoffspeicher wird in einem Behälter gesammelt. Der Behälter ist bevorzugt als Speicherbehälter mit zwei Kammern ausgestaltet, die durch eine bewegliche Membran voneinander getrennt sind. So kann in der einen Kammer hydrierter flüssiger organischer Wasserstoffträger und in der anderen Kammer der dehydrierte flüssige organische Wasserstoffträger gespeichert werden. Durch die bewegliche Membran kann die jeweilige Kammer verkleinert oder vergrößert werden. So ist zu Beginn vor allem hydrierter flüssiger organischer Wasserstoffträger im Speicherbehälter vorhanden und das Volumen für diesen Bereich maximal, während erst im Laufe des Betriebs des Dehydrierers der hydrierte flüssige organische Wasserstoffträger verbraucht wird und in die zweite Kammer eingespeichert wird. Der flüssige organische Wasserstoffträger kann, insbesondere an einer Tankstelle, nachgefüllt werden während der dehydrierte flüssige organische Wasserstoffträger abgepumpt wird und an einer zentralen Stelle wieder hydriert wird.
  • Ist die Adsorptionsmenge des Trockenmittels erreicht wird das Trockenmittel bevorzugt in-situ regeneriert oder in Form einer Kartusche ausgetauscht und zentral regeneriert. Beispielsweise kann während der Betankung des Speichertanks mit hydriertem flüssigen organischen Wasserstoffträger und dem Abpumpen des dehydrierten flüssigen organischen Wasserstoffträgers auch das Trockenmittel regeneriert werden. Falls diese Betankungszeit für eine Regenerierung nicht ausreicht, oder das Trockenmittel alle Lebenszyklen durchlaufen hat kann das Trockenmittel auch in Form einer Kartusche oder Patrone ausgetauscht werden.
  • Die Adsorptionswärme kann in einer bevorzugten Ausgestaltung auch über einen Wärmetauscher an den Dehydrierer übertragen werden. Als Wärmeübertragermedium wird hierzu bevorzugt ein Wärmefluid verwendet, bevorzugt kann auch flüssiger organischer Wasserstoffträger selbst verwendet werden.
  • Bevorzugt wird der im Dehydrierer entstehende Wasserstoff direkt in der Brennstoffzelle verarbeitet. In einer anderen Ausgestaltung ist es jedoch denkbar, dass zwischen dem Dehydrierer und der Brennstoffzelle ein Gasspeicher als Speicher oder Pufferspeicher angeordnet ist.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist der Behälter mit dem Trockenmittel direkt als Mantel am Dehydrierer angeordnet, so dass die entstehende Wärme direkt an den Dehydrierer abgegeben wird.
  • Das Trocknungsmittel ist bevorzugt als Beschichtung oder Schüttung in den Behälter eingebracht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kommt so ohne zusätzliche Wärmequelle für den Dehydrierer aus. Das Trocknungsmittel ist kostengünstig und kann einfach regeneriert und ausgetauscht werden. Die Vorrichtungen für den Behälter sind einfach zu konstruieren und realisieren. Dadurch wird auch die Verwendung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern als Wasserstoffspeicher für kleinere und mobile Anwendung von Interesse und es sind keine aufwendigen Hochdruckapparaturen notwendig.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend bei der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der 1 erläutert werden. Es zeigt:
    • 1 schematisch eine Wasserstoffversorgungseinheit.
  • Die Wasserstoffversorgungseinheit besteht aus einem Speichertank für den flüssigen organischen Wasserstoffträger. Der Speichertank ist einen Bereich 1 für hydrierten und einen Bereich 2 für dehydrierten flüssigen organischen Wasserstoffträger unterteilt. Die beiden Bereiche des Behälters sind durch eine bewegliche Membran voneinander getrennt. Der Bereich 1 steht mit einem Dehydrierer 6 in Verbindung. Im Dehydrierer 6 wird Wasserstoff freigesetzt und einer Brennstoffzelle 7 zur Verwertung zugeführt. In einer anderen Ausgestaltung kann der Wasserstoff auch zwischengespeichert werden. Der dehydrierte flüssige organische Wasserstoffträger wird aus dem Dehydrierer 6 zurück in den Bereich 2 des Speicherbehälters geführt. Der dehydrierte flüssige organische Wasserstoffträger kann entweder vor Ort oder an einem zentralen Ort regeneriert werden.
  • Das in der Brennstoffzelle 7 anfallende Deionat (in der Regel Wasser) wird in einem Speicherbehälter 3 gesammelt. Im Behälter 4 befindet sich ein Trockenmittel, welches bei Kontakt mit Wasser durch Adsorption des Wassers Wärme erzeugt. Diese entstehende Wärme wird in einem Wärmetauscher 5 auf ein Wärmefluid übertragen, durch welches der Dehydrierer 6 beheizt wird.
  • Das Trockenmittel in Behälter 4 kann durch Zufuhr von Wärme regeneriert werden, oder der gesamte Behälter kann ausgetauscht werden.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Energiebereitstellung für die Dehydrierung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern zur Herstellung von Wasserstoff für Brennstoffzellen (7), dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeenergie, welche für die Dehydrierung notwendig ist, durch Adsorptionswärme bereitgestellt wird, welche durch die Adsorption von Wasser aus der Brennstoffzelle (7) mit einem Trockenmittel entsteht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturen von 150 bis 400°C erreicht werden können.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Trocknungsmittel Zeolithe oder Silicagele wie Köstrolith 4AK verwendet werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorptionswärme über einen Wärmetauscher an einen Dehydrierer übertragen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeübertragermedium ein Wärmeträgerfluid verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknungsmittel in-situ regeneriert wird oder in Form einer Kartusche ausgetauscht wird und zentral regeneriert wird.
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