DE102019218908A1

DE102019218908A1 - Method and device for generating electrical power and the use of an organic compound for generating electrical power

Info

Publication number: DE102019218908A1
Application number: DE102019218908.3A
Authority: DE
Inventors: Peter Wasserscheid; Karsten MÜLLER; Simon Thiele
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Hydrogenious LOHC Technologies GmbH
Current assignee: Hydrogenious Technologies GmbH
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2021-06-10
Also published as: DE112020005918A5; CN114762154A; WO2021110487A1

Abstract

Ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom umfasst die Verfahrensschritte Bereitstellen einer mindestens eine Doppelbindung und/oder mindestens eine Dreifachbindung aufweisenden organischen Verbindung, Umsetzen der organischen Verbindung in einem eine saure Umgebung aufweisenden Reaktionsraum (10) mit Wasser zu einem angereicherten Wasserstoffträgermedium, Verströmen des angereicherten Wasserstoffträgermediums zu einem abgereicherten Wasserstoffträgermedium in einer Brennstoffzelle (2) unter Bildung von Wasser und Bereitstellen von beim Verströmen erzeugtem elektrischem Strom.A method for generating electrical power comprises the method steps of providing an organic compound having at least one double bond and / or at least one triple bond, reacting the organic compound in a reaction space (10) having an acidic environment with water to form an enriched hydrogen carrier medium, flowing the enriched hydrogen carrier medium to a depleted hydrogen carrier medium in a fuel cell (2) with the formation of water and the provision of electrical current generated when it flows.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom sowie die Verwendung einer organischen Verbindung zur Erzeugung von elektrischem Strom.The invention relates to a method and a device for generating electrical power and the use of an organic compound for generating electrical power.

Elektrische Energie ist zum Betrieb elektrischer Geräte, insbesondere elektromotorisch betriebener mobiler Plattformen wie Fahrzeuge und/oder Fluggeräte, aber auch für dezentrale und/oder nicht stationäre Anwendungen erforderlich. Um die zum Betrieb erforderliche elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, werden insbesondere bei mobilen Anwendungen elektrische Speichereinheiten in Form von Batterien verwendet. Batterien weisen ein hohes Gewicht auf, die mit der mobilen Anwendung mitbewegt werden muss. Dadurch ist der Energieverbrauch für die mobile Anwendung erhöht. Elektrische Speichereinheiten sind im Wesentlichen entbehrlich oder in ihrer Größe deutlich reduziert, wenn elektrische Energie durch den Betrieb einer Brennstoffzelle bereitgestellt wird.Electrical energy is required to operate electrical devices, in particular mobile platforms operated by electric motors, such as vehicles and / or aircraft, but also for decentralized and / or non-stationary applications. In order to provide the electrical energy required for operation, electrical storage units in the form of batteries are used, particularly in mobile applications. Batteries are very heavy and must be moved along with the mobile application. This increases the energy consumption for the mobile application. Electrical storage units are essentially unnecessary or their size is significantly reduced if electrical energy is provided by operating a fuel cell.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bereitstellung elektrischer Energie, insbesondere für mobile Anwendungen, zu verbessern, wobei insbesondere die Effizienz bei der Stromerzeugung erhöht ist.The invention is based on the object of improving the provision of electrical energy, in particular for mobile applications, the efficiency in particular being increased in the generation of electricity.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 12.According to the invention, this object is achieved by a method with the features of claim 1, by a device with the features of claim 7 and by a use with the features of claim 12.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass eine organische Verbindung in einer sauren Umgebung mit Wasser zu einem angereicherten Wasserstoffträgermedium umgesetzt wird, das in einer Brennstoffzelle zu einem abgereicherten Wasserstoffträgermedium unter Bildung von Wasser verströmt wird. Der beim Verströmen erzeugte elektrische Strom kann insbesondere in einer mobilen Anwendung unmittelbar genutzt werden. Die organische Verbindung ist insbesondere eine Kohlenwasserstoffverbindung und weist insbesondere mindestens eine Doppelbindung und/oder mindestens eine Dreifachbindung und/oder mindestens eine Etherfunktion auf. Die organische Verbindung kann auch mehrere Doppelbindungen und/oder mehrere Dreifachbindungen und/oder mehrere Etherfunktionen aufweisen. Die Umsetzung einer derartigen organischen Verbindung mit Wasser in saurer Umgebung führt zur Bildung eines angereicherten Wasserstoffträgermediums, das insbesondere eine oder mehrere sekundäre Alkoholfunktionen enthält, was zu einer erhöhten Wasserstoffspeicherdichte und damit zu einer erhöhten volumetrischen Effizienz der Bereitstellung von elektrischem Strom führt.The essence of the invention is that an organic compound is reacted with water in an acidic environment to form an enriched hydrogen carrier medium, which is converted into a depleted hydrogen carrier medium in a fuel cell with the formation of water. The electrical current generated when it flows can be used directly, especially in a mobile application. The organic compound is in particular a hydrocarbon compound and in particular has at least one double bond and / or at least one triple bond and / or at least one ether function. The organic compound can also have several double bonds and / or several triple bonds and / or several ether functions. The reaction of such an organic compound with water in an acidic environment leads to the formation of an enriched hydrogen carrier medium, which in particular contains one or more secondary alcohol functions, which leads to an increased hydrogen storage density and thus to an increased volumetric efficiency of the provision of electrical current.

Die Kohlenwasserstoffbindung ist insbesondere ein Alken, Alkin, ein Cycloalken, Cycloalkin oder eine Mischung daraus. Insbesondere ist die organische Verbindung frei von homoaromatischen Gruppen wie beispielsweise Phenyl-, Benzyl- und/oder Naphtylgruppen. Geeignete Kohlenwasserstoffverbindungen können zusätzlich zu der mindestens einen Doppelbindung und/oder der mindestens einen Dreifachbindung eine oder mehrere Etherfunktionen aufweisen, die durch Wasser in Gegenwart eines sauren Mediums oder in Gegenwart eines sauren Katalysators zu sekundären Alkoholgruppen gespalten werden kann. Insbesondere ist die organische Verbindung 2,5-Dimethylfuran oder ein Furanderivat, das mit Wasser zu einem organischen Molekül mit mehreren sekundären Alkoholfunktionen gespalten werden kann. Die organische Verbindung ist insbesondere flüssig oder gasförmig.The hydrocarbon bond is in particular an alkene, alkyne, cycloalkene, cycloalkyne or a mixture thereof. In particular, the organic compound is free from homoaromatic groups such as, for example, phenyl, benzyl and / or naphthyl groups. In addition to the at least one double bond and / or the at least one triple bond, suitable hydrocarbon compounds can have one or more ether functions which can be cleaved to secondary alcohol groups by water in the presence of an acidic medium or in the presence of an acidic catalyst. In particular, the organic compound is 2,5-dimethylfuran or a furan derivative which can be cleaved with water to form an organic molecule with several secondary alcohol functions. The organic compound is in particular liquid or gaseous.

Eine wesentliche Erkenntnis der Erfindung beruht darauf, dass durch das Umsetzen der organischen Verbindung in das angereicherte Wasserstoffträgermedium ein Brennstoff mit erhöhter Wasserstoffkapazität bereitgestellt werden kann. Die Effizienz bei der Erzeugung von elektrischem Strom ist dadurch verbessert. Die Reichweite einer mobilen Anwendung, insbesondere eines Fahrzeugs oder eines Fluggeräts ist erhöht.An essential finding of the invention is based on the fact that a fuel with increased hydrogen capacity can be provided by converting the organic compound into the enriched hydrogen carrier medium. The efficiency in generating electrical power is improved as a result. The range of a mobile application, in particular a vehicle or an aircraft, is increased.

Die saure Umgebung, in der die organische Verbindung zu dem angereicherten Wasserstoffträgermedium umgesetzt wird, weist einen pH-Wert von kleiner 3, bevorzugt von kleiner 2 auf. Der pH-Wert wird insbesondere dadurch erzielt, dass sich im Reaktionsraum eine Mineralsäure, wie z.B. Schwefelsäure, eine organische Säure, wie z.B. Methansulfonsäure, Trifluormethansulfonsäure oder Toluolsulfonsäure, oder eine feste Säure, wie ein saures Ionentauscherharz, ein saures Metalloxid, insbesondere ein Zeolith, eine saure, geträgerte ionische Flüssigkeit, eine geträgerte Mineralsäure und/oder eine geträgerte organische Säure oder ein fluoriertes Polymer mit sauren Sulfonsäuregruppen befindet.The acidic environment in which the organic compound is converted to the enriched hydrogen carrier medium has a pH of less than 3, preferably less than 2. The pH value is achieved in particular by the fact that a mineral acid such as sulfuric acid, an organic acid such as methanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid or toluenesulfonic acid, or a solid acid such as an acidic ion exchange resin, an acidic metal oxide, especially a zeolite, an acidic, supported ionic liquid, a supported mineral acid and / or a supported organic acid or a fluorinated polymer with acidic sulfonic acid groups is located.

Das angereicherte Wasserstoffträgermedium weist insbesondere mindestens eine sekundäre Alkoholgruppe und insbesondere lediglich einen sehr geringen Anteil an primären Alkoholgruppen von kleiner 1 % des angereicherten Wasserstoffträgermediums auf. Das angereicherte Wasserstoffträgermedium ist insbesondere eine Isoalkoholverbindung. Das angereicherte Wasserstoffträgermedium ist insbesondere flüssig.The enriched hydrogen carrier medium has in particular at least one secondary alcohol group and in particular only a very small proportion of primary alcohol groups of less than 1% of the enriched hydrogen carrier medium. The enriched hydrogen carrier medium is in particular an isoalcohol compound. The enriched hydrogen carrier medium is in particular liquid.

Das abgereicherte Wasserstoffträgermedium ist insbesondere ein Keton, insbesondere Aceton, 2-Butanon, Diacyl oder ein Pentandion und ist insbesondere flüssig. Besonders vorteilhaft ist es, dass das abgereicherte Wasserstoffträgermedium, insbesondere an einem Ort und/oder zu einer Zeit, wo Wasserstoff günstig verfügbar ist, zunächst durch katalytische Hydrierung in ein angereichertes Wasserstoffträgermedium und durch anschließende katalytische Dehydratisierung zu der organischen Verbindung mit mindestens einer Doppelbindung und/oder mindestens einer Dreifachbindung zurückgewandelt werden kann, die für das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellt wird. Dadurch entsteht ein geschlossener Zyklus, der die Energiespeicherung in Form von Wasserstoff und den Energietransport in Form von Wasserstoff mittels einer organischen Flüssigkeit ermöglicht. Elektrische Energie kann bedarfsgerecht bereitgestellt werden.The depleted hydrogen carrier medium is in particular a ketone, in particular acetone, 2-butanone, diacyl or a pentanedione and is in particular liquid. It is particularly advantageous that the depleted hydrogen carrier medium, in particular at a place and / or at a time where Hydrogen is cheaply available, can first be converted back by catalytic hydrogenation into an enriched hydrogen carrier medium and by subsequent catalytic dehydration to the organic compound with at least one double bond and / or at least one triple bond, which is provided for the process according to the invention. This creates a closed cycle that enables energy to be stored in the form of hydrogen and energy transport in the form of hydrogen by means of an organic liquid. Electrical energy can be provided as needed.

Erfindungsgemäß wurde auch gefunden, dass für die Erzeugung von elektrischem Strom aus den erfindungsgemäßen organischen Verbindungen keine oder allenfalls geringe Menge an CO₂-Emissionen verursacht werden. Damit unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren von der dem Stand der Technik bekannten Verstromung primärer Alkohole, wie z.B. der Verstromung von Methanol in einer Direkt-Methanolbrennstoffzelle, bei der eine vollständige Zersetzung des Alkohols zu Wasser und CO₂ auftritt, also pro mol verströmtem Methanol ein mol CO₂ gebildet wird. Bei der Verstromung des erfindungsgemäßen angereichertes Wasserstoffträgermediums wird dagegen pro mol an verströmten Wasserstoffträgermediums höchstes 0,05 mol an CO₂ gebildet.According to the invention, it has also been found that the generation of electrical current from the organic compounds according to the invention causes _{no or at most a small amount of CO 2 emissions.} The process according to the invention thus differs from the conversion of primary alcohols into electricity known from the prior art, such as the conversion of methanol into electricity in a direct methanol fuel cell, in which the alcohol is completely decomposed into water and CO ₂ , i.e. one mole per mole of methanol released CO _{2 is} formed. When the enriched hydrogen carrier medium according to the invention is converted into electricity, on the other hand, a maximum of 0.05 mol of CO _{2 is} formed per mol of hydrogen carrier medium that has flowed off.

Ein weiterer Vorteil gegenüber der Verstromung primärer Alkohole ist die Vermeidung von Kohlenstoffmonoxid (CO), das insbesondere als Katalysatorgift wirkt und daher zu eine geringen Leerlaufspannung und zu einer geringen Effizienz der Verstromung führt.Another advantage compared to the conversion of primary alcohols into electricity is the avoidance of carbon monoxide (CO), which acts in particular as a catalyst poison and therefore leads to a low open circuit voltage and a low efficiency of the conversion to electricity.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das beim Verströmen des Wasserstoffträgermediums erzeugte Wasser für die Umsetzung der organischen Verbindung zur Erzeugung des angereicherten Wasserstoffträgermediums unmittelbar genutzt werden kann. Wasser, das für die Umsetzung der organischen Verbindung, also für die Hydratisierung der organischen Verbindung, erforderlich ist, muss daher nicht in der organischen Verbindung selbst bevorratet sein. Dadurch ergibt sich eine Steigerung der nutzbaren Energiedichte, es kann eine höhere Energiemenge pro Masse an organischer Verbindung erzeugt werden. Der Sauerstoff im Wasser, welches in der Brennstoffzelle als Koppelprodukt erzeugt wird, stammt insbesondere aus der Luft. Daher wird im erfinderischen Verfahren Stauerstoff aus der Luft genutzt, um aus der eingesetzten organischen Verbindung das angereicherte Wasserstoffträgermedium zur Verstromung in der Brennstoffzelle zu erzeugen.One advantage of the invention is that the water generated when the hydrogen carrier medium flows off can be used directly for the conversion of the organic compound to generate the enriched hydrogen carrier medium. Water, which is required for the conversion of the organic compound, that is to say for the hydration of the organic compound, therefore does not have to be stored in the organic compound itself. This results in an increase in the usable energy density, a higher amount of energy can be generated per mass of organic compound. The oxygen in the water, which is generated as a by-product in the fuel cell, comes in particular from the air. Therefore, in the inventive method, oxygen from the air is used to generate the enriched hydrogen carrier medium from the organic compound used for conversion into electricity in the fuel cell.

Das erfindungsgemäße Verfahren bestehend aus Hydratisierung der organischen Verbindung zur Bildung des angereicherten Wasserstoffträgermediums und die Verstromung des angereicherten Wasserstoffträgermediums am Anodenkatalysator wird insbesondere bei einer Temperatur zwischen 0°C und 300°C, insbesondere zwischen 25°C und 250°C und insbesondere zwischen 40°C und 180°C durchgeführt. Die beiden Schritte können in einem Reaktionsraum oder in getrennten, bevorzugt benachbarten Reaktionsräumen durchgeführt werden. Die Temperaturen beider Schritte können gleich oder unterschiedlich sein. Bevorzugt ist die Temperatur der Verstromung gleich oder höher als die Temperatur der Hydratisierung. Das Mischungsverhältnis von Wasser zu der organischen Verbindung liegt zwischen 0,5 und 10, insbesondere zwischen 1 und 5 und insbesondere zwischen 1 und 2.The method according to the invention consisting of hydration of the organic compound to form the enriched hydrogen carrier medium and the conversion of the enriched hydrogen carrier medium into electricity on the anode catalyst is carried out in particular at a temperature between 0 ° C and 300 ° C, in particular between 25 ° C and 250 ° C and in particular between 40 ° C and 180 ° C. The two steps can be carried out in one reaction chamber or in separate, preferably adjacent, reaction chambers. The temperatures of both steps can be the same or different. The temperature of the conversion to electricity is preferably the same as or higher than the temperature of the hydration. The mixing ratio of water to the organic compound is between 0.5 and 10, in particular between 1 and 5 and in particular between 1 and 2.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 2 weist eine gesteigerte Effizienz bei der nutzbaren Energiedichte auf. Insbesondere wird das in der Brennstoffzelle, insbesondere im Kathodenraum der Brennstoffzelle, erzeugte Wasser in den Reaktionsraum zurückgeführt, in dem die Hydratisierung der organischen Verbindung unter Bildung des angereicherten Wasserstoffträgermediums erfolgt. Insbesondere wird das in der Brennstoffzelle gebildete Wasser vollständig in den Reaktionsraum zurückgeführt. Es ist denkbar, überschüssiges Wasser aus der Brennstoffzelle gezielt auszuleiten und/oder in einem dafür vorgesehenen Speicherbehälter zwischen zu speichern. In diesem Fall kann Wasser aus dem Zwischenspeicher, der zuvor aus der Brennstoffzelle gespeist worden ist, dem Reaktionsraum zugeführt werden. Es ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn zumindest ein gewisser Anteil an Wasser für den Start der Brennstoffzelle unabhängig zur Verfügung gestellt werden soll.A method according to claim 2 has an increased efficiency in terms of the usable energy density. In particular, the water generated in the fuel cell, in particular in the cathode compartment of the fuel cell, is fed back into the reaction space in which the hydration of the organic compound takes place with the formation of the enriched hydrogen carrier medium. In particular, the water formed in the fuel cell is completely returned to the reaction space. It is conceivable to discharge excess water from the fuel cell in a targeted manner and / or to temporarily store it in a storage container provided for this purpose. In this case, water can be supplied to the reaction space from the intermediate storage device, which has previously been fed from the fuel cell. It is particularly advantageous if at least a certain proportion of water is to be made available independently for starting the fuel cell.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 3 weist eine erhöhte Wasserstoffkapazität auf. Als Wasserstoffkapazität wird die nutzbare Wasserstoffmolekülmasse verstanden. Insbesondere kann für die organische Verbindung eine Wasserstoffkapazität realisiert werden, die größer ist als die Wasserstoffkapazität des angereicherten Wasserstoffträgermediums.A method according to claim 3 has an increased hydrogen capacity. The usable hydrogen molecular mass is understood as hydrogen capacity. In particular, a hydrogen capacity can be realized for the organic compound which is greater than the hydrogen capacity of the enriched hydrogen carrier medium.

Ein Verfahren mit mindestens einer in Anspruch 4 genannten organischen Verbindung hat sich als besonders vorteilhaft, insbesondere hinsichtlich der Effizienz bei der Stromerzeugung, erwiesen.A method with at least one organic compound mentioned in claim 4 has proven to be particularly advantageous, in particular with regard to the efficiency in power generation.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 5 gewährleistet die für das Umsetzen der organischen Verbindung erforderliche saure Umgebung in besonders unkomplizierter Weise. Beispielsweise kann eine Membran der Brennstoffzelle ein Membranmaterial aufweisen, das geeignet ist, in der Brennstoffzelle, insbesondere im Anodenraum der Brennstoffzelle, die saure Umgebung zu erzeugen. In diesem Fall ist der Reaktionsraum für das Umsetzen der organischen Verbindung in der Brennstoffzelle integriert. Als Membranmaterial dient insbesondere ein Persulfonsäurematerial wie beispielsweise ein fluoriertes oder perfluoriertes Polymer, das als ionische Gruppe eine Sulfonsäuregruppe enthält. Das fluorierte oder perfluorierte Polymer kann auch als Ionomer dienen. Geeignete Polymere werden unter den Markennamen „Nafion“ oder „Aquivion“ vertrieben.A method according to claim 5 ensures the acidic environment required for the conversion of the organic compound in a particularly uncomplicated manner. For example, a membrane of the fuel cell can have a membrane material that is suitable for generating the acidic environment in the fuel cell, in particular in the anode space of the fuel cell. In this case, the reaction space for converting the organic compound is integrated in the fuel cell. As Membrane material is used in particular by a persulfonic acid material such as, for example, a fluorinated or perfluorinated polymer which contains a sulfonic acid group as the ionic group. The fluorinated or perfluorinated polymer can also serve as an ionomer. Suitable polymers are sold under the brand names “Nafion” or “Aquivion”.

Überraschend wurde gefunden, dass die Membran einer PEM-Brennstoffzelle eine höhere Stabilität gegenüber der organischen Verbindung im Vergleich zu sekundären Alkoholen aufweist. Flüssige sekundäre Alkohole in reiner Form lösen die Ionomerschichten der PEM-Membran, insbesondere in Gegenwart von Wasser und dem Produkt-Keton sehr effizient auf, wodurch die Funktion der Brennstoffzelle beeinträchtigt und insbesondere zerstört werden kann. Dagegen weisen die erfindungsgemäßen organischen Verbindungen, insbesondere Alkene, Cycloalkene sowie zyklische Ether, auch mit Produkt-Keton und Wasser keine oder nur sehr geringe Löslichkeit für die Ionomerschicht der PEM-Membran auf. Die Lebensdauer der Brennstoffzelle ist erhöht, insbesondere auch dann wenn die Ionomerschicht der Brennstoffzelle mit der organischen Verbindung und/oder dem angereicherten Wasserstoffträgermedium und/oder dem abgereicherten Wasserstoffträgermedium über längere Zeit bei erhöhten Temperaturen in Kontakt gebracht wird.It was surprisingly found that the membrane of a PEM fuel cell has a higher stability towards the organic compound compared to secondary alcohols. Liquid secondary alcohols in pure form dissolve the ionomer layers of the PEM membrane very efficiently, especially in the presence of water and the product ketone, which can impair and, in particular, destroy the function of the fuel cell. In contrast, the organic compounds according to the invention, in particular alkenes, cycloalkenes and cyclic ethers, even with product ketone and water, have little or no solubility for the ionomer layer of the PEM membrane. The service life of the fuel cell is increased, especially if the ionomer layer of the fuel cell is brought into contact with the organic compound and / or the enriched hydrogen carrier medium and / or the depleted hydrogen carrier medium over a longer period of time at elevated temperatures.

Alternativ oder zusätzlich kann ein separater saurer Katalysator verwendet werden, der als Bronsted-Säure wirkt. Als Katalysator wird bevorzugt eine Mineralsäure, wie z.B. Schwefelsäure, eine organische Säure, wie z.B. Methansulfonsäure, Trifluormethansulfonsäure oder Toluolsulfonsäure, oder eine feste Säure, wie ein saures Ionentauscherharz, ein saures Metalloxid, insbesondere ein Zeolith, eine saure, geträgerte ionische Flüssigkeit, eine geträgerte Mineralsäure und/oder eine geträgerte organische Säure oder ein fluoriertes Polymer mit sauren Sulfonsäuregruppen genutzt.Alternatively or in addition, a separate acidic catalyst can be used, which acts as a Bronsted acid. The preferred catalyst is a mineral acid such as sulfuric acid, an organic acid such as methanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid or toluenesulfonic acid, or a solid acid such as an acidic ion exchange resin, an acidic metal oxide, in particular a zeolite, an acidic, supported ionic liquid, a supported Mineral acid and / or a supported organic acid or a fluorinated polymer with acidic sulfonic acid groups are used.

Das Verfahren ermöglicht eine effiziente Durchführung in einer kompakten Vorrichtung. Insbesondere ist eine Reaktionskammer, in der das Umsetzen der organischen Verbindung stattfindet, im Anodenraum der Brennstoffzelle integriert. Alternativ ist die Reaktionskammer über eine Fluidleitung mit dem Anodenraum verbunden. Insbesondere ist die Reaktionskammer in diesem Fall separat von dem Anodenraum ausgeführt, also räumlich von dem Anodenraum getrennt. Insbesondere ist die Reaktionskammer aber in räumlich unmittelbarer Nähe zu dem Anodenraum angeordnet. Insbesondere ist die Reaktionskammer benachbart zu dem Anodenraum angeordnet, insbesondere in einer gemeinsamen Baugruppe, die insbesondere ein gemeinsames Gehäuse aufweisen kann, in dem die Reaktionskammer und die Brennstoffzelle angeordnet sind.The method enables efficient implementation in a compact device. In particular, a reaction chamber in which the conversion of the organic compound takes place is integrated in the anode space of the fuel cell. Alternatively, the reaction chamber is connected to the anode space via a fluid line. In particular, the reaction chamber is designed separately from the anode space in this case, that is to say spatially separated from the anode space. In particular, however, the reaction chamber is arranged in close spatial proximity to the anode space. In particular, the reaction chamber is arranged adjacent to the anode space, in particular in a common assembly which can in particular have a common housing in which the reaction chamber and the fuel cell are arranged.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 6 ermöglicht eine zusätzliche Verstromung, insbesondere von Wasserstoffgas (H₂). Dadurch ist die Effizienz bei der Stromerzeugung zusätzlich erhöht. Es ergibt sich eine Doppelnutzung durch eine zweifache Verstromung. Insbesondere kann das bei der Dehydrierung eines Vorprodukts freigesetzte Wasserstoffgas in einer zusätzlich bereitgestellten zweiten Brennstoffzelle, insbesondere einer Wasserstoff-Brennstoffzelle, genutzt werden. Die zweite Brennstoffzelle kann unkompliziert ausgeführt sein. Die zweite Brennstoffzelle kann entlang einer Rückführleitung, insbesondere mit einem Zwischenspeicher, mit dem Reaktionsraum verbunden sein. Die Verstromung des Wasserstoffgases kann auch in der ohnehin vorgesehenen Brennstoffzelle verströmt werden. In diesem Fall ist eine zweite Brennstoffzelle entbehrlich.A method according to claim 6 enables additional electricity generation, in particular hydrogen gas (H ₂ ). This also increases the efficiency of power generation. There is a double use through a double conversion into electricity. In particular, the hydrogen gas released during the dehydrogenation of a preliminary product can be used in an additionally provided second fuel cell, in particular a hydrogen fuel cell. The second fuel cell can be designed in an uncomplicated manner. The second fuel cell can be connected to the reaction space along a return line, in particular to an intermediate storage device. The hydrogen gas can also be converted into electricity in the fuel cell that is already provided. In this case, a second fuel cell can be dispensed with.

Als Vorprodukt dient insbesondere Propan, Butan, Isobutan, Pentan, Isopentan, Hexan, Heptan, Octan, Cyclopentan, Cyclohexan, Ethylcyclohexan, Cyclooctan, 2,5-Dimethyltetrahydrofuran, 2,6-Dimethyltetrahydropyran und Mischungen aus mindestens zwei der genannten Vorprodukte. Insbesondere dient als Vorprodukt eine organische Verbindung, die durch Dehydrierung in eine organische Verbindung mit einer oder mehreren Doppelbindungen und/oder mit einer oder mehreren Dreifachbindungen und/oder mit einer oder mehreren Etherfunktionen überführt werden kann.The precursor used is in particular propane, butane, isobutane, pentane, isopentane, hexane, heptane, octane, cyclopentane, cyclohexane, ethylcyclohexane, cyclooctane, 2,5-dimethyltetrahydrofuran, 2,6-dimethyltetrahydropyran and mixtures of at least two of the precursors mentioned. In particular, the precursor used is an organic compound which can be converted by dehydrogenation into an organic compound with one or more double bonds and / or with one or more triple bonds and / or with one or more ether functions.

Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7 weist im Wesentlichen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf, worauf hiermit verwiesen wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine kleinbauende, gewichtseffiziente Erzeugung von elektrischem Strom. Wesentlich ist, dass die Reaktionskammer, in der die organische Verbindung mit Wasser zu dem angereicherten Wasserstoffträgermedium umgesetzt wird, ein saures Milieu aufweist, die eine saure Umgebung für die Umsetzung der organischen Verbindung ermöglicht. Wesentlich ist auch, dass der Anodenraum der Brennstoffzelle mit der Reaktionskammer verbunden ist. Insbesondere ist die Reaktionskammer mit dem Anodenraum unmittelbar verbunden. Dadurch ist die Abgabe des angereicherten Wasserstoffträgermediums aus der Reaktionskammer in den Anodenraum effizient und unkompliziert möglich. Die Erzeugung von elektrischem Strom ist durch die Vorrichtung fehlersicher und funktionsintegriert möglich.A device according to claim 7 essentially has the advantages of the method according to the invention, to which reference is hereby made. The device according to the invention enables a compact, weight-efficient generation of electrical power. It is essential that the reaction chamber in which the organic compound is reacted with water to form the enriched hydrogen carrier medium has an acidic environment which enables an acidic environment for the conversion of the organic compound. It is also essential that the anode space of the fuel cell is connected to the reaction chamber. In particular, the reaction chamber is directly connected to the anode space. This enables the enriched hydrogen carrier medium to be released from the reaction chamber into the anode compartment in an efficient and uncomplicated manner. The device can generate electrical current in a fail-safe and function-integrated manner.

Als Brennstoffzelle dient insbesondere eine Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzelle, die insbesondere bei einer Temperatur von unter 350°C betrieben wird.A polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell, which is operated at a temperature below 350 ° C., in particular, serves as the fuel cell.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 8 ist kleinbauend ausgeführt. Dadurch, dass die Reaktionskammer im Anodenraum der Brennstoffzelle integriert ausgeführt ist, ist zusätzlicher Bauraum entbehrlich.A device according to claim 8 is designed to be small. Because the reaction chamber is in the anode compartment of the fuel cell is designed integrated, additional installation space is unnecessary.

Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 ist besonders unkompliziert nachrüstbar, indem eine bereits existierende Brennstoffzelle mit einer über eine Fluidleitung an den Anodenraum der Brennstoffzelle angeschlossene Reaktionskammer verbunden wird.A device according to claim 9 can be retrofitted in a particularly uncomplicated manner in that an already existing fuel cell is connected to a reaction chamber connected to the anode compartment of the fuel cell via a fluid line.

Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10 gewährleistet eine zuverlässige Rückführung von in dem Kathodenraum der Brennstoffzelle gebildeten Wassers in die Reaktionskammer. Zusätzlich kann, insbesondere entlang der Rückführleitung, ein Speicherbehälter für Wasser vorgesehen sein, um Wasser zu bevorraten und insbesondere in der Reaktionskammer für ein Anlaufen der Brennstoffzelle bereitzustellen.A device according to claim 10 ensures a reliable return of water formed in the cathode compartment of the fuel cell into the reaction chamber. In addition, a storage tank for water can be provided, in particular along the return line, in order to store water and, in particular, to make it available in the reaction chamber for starting up the fuel cell.

Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11 ermöglicht eine direkte und unkomplizierte Verstromung von Wasserstoffgas, das insbesondere bei einer Dehydrierung eines Vorprodukts anfällt. Die Effizienz bei der Erzeugung des elektrischen Stroms ist erhöht.A device according to claim 11 enables a direct and uncomplicated conversion of hydrogen gas into electricity, which is obtained in particular when a preliminary product is dehydrated. The efficiency in generating the electric power is increased.

Der Verwendung gemäß Anspruch 12 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine an sich bekannte organische Verbindung als Brennstoff in einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischem Strom vorteilhaft genutzt werden kann. Die organische Verbindung ist ein organischer Brennstoff. Insbesondere wurde erkannt, dass es für die Verwendung der organischen Verbindung als organischer Brennstoff in einer Brennstoffzelle möglich ist, Sauerstoff aus der Umgebung, insbesondere aus der Umgebungsluft, bei der Verstromung zu nutzen. Die Mitführung von Sauerstoff ist entbehrlich und ermöglicht eine besonders leichtbauende Realisierung der Verstromung der organischen Verbindung. Es wurde ferner erkannt, dass das bei der Verstromung erzeugte Wasser unmittelbar für eine Umsetzungsreaktion der organischen Verbindung genutzt werden kann. Durch die Umsetzung der organischen Verbindung ist die Verstromung besonders effizient möglich. Die organische Verbindung weist eine besonders hohe Wasserstoffspeicherdichte auf. Die organische Verbindung ist insbesondere eine Kohlenwasserstoffverbindung.The use according to claim 12 is based on the knowledge that an organic compound known per se can advantageously be used as fuel in a fuel cell for generating electrical current. The organic compound is an organic fuel. In particular, it was recognized that, for the use of the organic compound as organic fuel in a fuel cell, it is possible to use oxygen from the environment, in particular from the ambient air, when generating electricity. The entrainment of oxygen is unnecessary and enables a particularly lightweight implementation of the conversion of the organic compound into electricity. It was also recognized that the water generated during the conversion of electricity can be used directly for a conversion reaction of the organic compound. The conversion of the organic compound into electricity makes it possible to generate electricity particularly efficiently. The organic compound has a particularly high hydrogen storage density. The organic compound is in particular a hydrocarbon compound.

Die Verwendung gemäß Anspruch 13 eignet sich besonders für den mobilen Einsatz.The use according to claim 13 is particularly suitable for mobile use.

Eine organische Verbindung gemäß Anspruch 14 hat sich für die Verwendung als organischer Brennstoff als besonders vorteilhaft erwiesen.An organic compound according to claim 14 has proven to be particularly advantageous for use as an organic fuel.

Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.Both the features specified in the patent claims and the features specified in the following exemplary embodiments of a device according to the invention are each suitable, either alone or in combination with one another, for developing the subject matter according to the invention. The respective combinations of features do not represent any restriction with regard to the further developments of the subject matter of the invention, but are essentially merely exemplary in nature.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von vier Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Alkenhydratisierung im Anodenraum einer Brennstoffzelle,
2 eine 1 entsprechende Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit der Alkenhydratisierung in einem separaten Reaktionsraum,
3 eine 1 entsprechende Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel mit einer der Alkenhydratisierung vorgelagerten Alkandehydrierung,
4 eine 2 entsprechende Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel mit einer der Alkenhydratisierung vorgelagerten Alkandehydrierung.

Further features, advantages and details of the invention emerge from the following description of four exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it:

1 a schematic representation of a device according to the invention with alkene hydration in the anode compartment of a fuel cell,
2 a 1 corresponding representation of a device according to a second embodiment with the alkene hydration in a separate reaction space,
3rd a 1 corresponding representation of a device according to a third exemplary embodiment with an alkane dehydrogenation preceding the alkene hydration,
4th a 2 Corresponding representation of a device according to a fourth exemplary embodiment with an alkane dehydrogenation preceding the alkene hydration.

Eine in 1 als Ganzes mit 1 gekennzeichnete Vorrichtung umfasst eine Brennstoffzelle 2, die als PEM-Brennstoffzelle ausgeführt ist. Die Brennstoffzelle 2 umfasst einen Anodenraum 3 und einen Kathodenraum 4, der von dem Anodenraum 3 durch eine protonenleitende Membran 5 getrennt ist.One in 1 The device designated as a whole by 1 comprises a fuel cell 2 , which is designed as a PEM fuel cell. The fuel cell 2 includes an anode compartment 3rd and a cathode compartment 4th that of the anode compartment 3rd through a proton-conducting membrane 5 is separated.

An den Anodenraum 3 ist ein erster Speicherbehälter 6 über eine Zuführleitung 7 angeschlossen. In dem ersten Speicherbehälter 6 ist eine organische Verbindung bevorratet. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird als organische Verbindung Propen verwendet.To the anode compartment 3rd is a first storage container 6th via a feed line 7th connected. In the first storage container 6th an organic compound is stored. According to the exemplary embodiment shown, propene is used as the organic compound.

An den Anodenraum 3 ist über eine Abführleitung 8 ein zweiter Speicherbehälter 9 angeschlossen. In dem zweiten Speicherbehälter 9 wird abgereichertes Wasserstoffträgermedium gespeichert. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist Aceton das abgereicherte Wasserstoffträgermedium.To the anode compartment 3rd is via a discharge line 8th a second storage container 9 connected. In the second storage container 9 depleted hydrogen carrier medium is stored. According to the embodiment shown, acetone is the depleted hydrogen carrier medium.

In dem Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 ist eine Reaktionskammer 10 integriert. Die Reaktionskammer 10 entspricht einem Reaktionsraum. Der Reaktionsraum ist räumlich von dem Anodenraum 3 nicht getrennt. Die Reaktionskammer 10 ist insbesondere mit dem Anodenraum 3 identisch. Die Reaktionskammer 10 ist in der 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Die Reaktionskammer 10 ist mit dem Anodenraum 3 unmittelbar verbunden. Dadurch, dass die PEM-Membran 5 unmittelbar mit dem Anodenraum 3 verbunden ist, weist der Anodenraum 3, insbesondere die Reaktionskammer 10, ein saures Milieu auf.In the anode compartment 3rd the fuel cell 2 is a reaction chamber 10 integrated. The reaction chamber 10 corresponds to a reaction space. The reaction space is spatially separate from the anode space 3rd not separated. The reaction chamber 10 is particularly with the anode compartment 3rd identical. The reaction chamber 10 is in the 1 indicated by a dashed line. The reaction chamber 10 is with the anode compartment 3rd directly connected. Thereby, that the PEM membrane 5 directly to the anode compartment 3rd is connected, has the anode compartment 3rd , especially the reaction chamber 10 , an acidic environment.

Die protonenleitende Membran 5 ist eine Polymerelektrolytmembran aus einem Membranmaterial, das insbesondere ein fluoriertes Polymer mit Sulfonsäure-Gruppen aufweist. Die Membran 5 ermöglicht einen Transport von Protonen (H⁺) aus dem Anodenraum 3 in den Kathodenraum 4. Der Anodenraum 3 und der Kathodenraum 4 sind an einen elektrischen Verbraucher 11 angeschlossen. Der elektrische Verbraucher 11 ist beispielsweise ein Elektromotor. Über den elektrischen Verbraucher 11 werden Elektronen von dem Anodenraum 3 in den Kathodenraum 4 geleitet. Zusätzlich zu dem elektrischen Verbraucher 11 kann eine elektrische Speichereinheit, insbesondere eine wieder aufladbare Batterie vorgesehen sein, um die von der Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Energie zwischen zu speichern.The proton-conducting membrane 5 is a polymer electrolyte membrane made of a membrane material that has, in particular, a fluorinated polymer with sulfonic acid groups. The membrane 5 enables protons (H ⁺ ) to be transported out of the anode compartment 3rd in the cathode compartment 4th . The anode compartment 3rd and the cathode compartment 4th are to an electrical consumer 11 connected. The electrical consumer 11 is for example an electric motor. Via the electrical consumer 11 are electrons from the anode compartment 3rd in the cathode compartment 4th directed. In addition to the electrical consumer 11 For example, an electrical storage unit, in particular a rechargeable battery, can be provided for the storage of the fuel cell 2 to store generated electrical energy temporarily.

In dem Anodenraum 3 ist ein Anodenkatalysator vorgesehen. Als Anodenkatalysator dient ein metallhaltiger Elektrokatalysator, der insbesondere Platin, Ruthenium, Palladium, Iridium, Gold, Silber, Rhenium, Rhodium, Kupfer, Nickel, Kobalt, Eisen, Mangan, Chrom, Molybdän, und/oder Vanadium aufweist. Die Metalle des Anodenkatalysators liegen insbesondere als elementare Metalle, Metalloxide und/oder Metallhydroxide vor. Als besonders vorteilhaft haben sich Mischkatalysatoren erwiesen, die Platin und Ruthenium insbesondere in elementarer Form und/oder in oxydischer Form aufweisen.In the anode compartment 3rd an anode catalyst is provided. A metal-containing electrocatalyst is used as the anode catalyst, which has in particular platinum, ruthenium, palladium, iridium, gold, silver, rhenium, rhodium, copper, nickel, cobalt, iron, manganese, chromium, molybdenum and / or vanadium. The metals of the anode catalyst are in particular in the form of elemental metals, metal oxides and / or metal hydroxides. Mixed catalysts which have platinum and ruthenium, in particular in elemental form and / or in oxidic form, have proven to be particularly advantageous.

Im Kathodenraum 4 ist ein Kathodenkatalysator vorgesehen. Als Kathodenkatalysator wird ein metallhaltiger Elektrokatalysator verwendet, der Platin, Ruthenium, Palladium, Iridium, Gold, Silber, Rhenium, Rhodium, Kuper, Nickel, Kobalt, Eisen, Mangan, Chrom, Molybdän und/oder Vanadium aufweist. Die Metalle des Kathodenkatalysators liegen bevorzugt als elementare Metalle, als Metalloxide und/oder als Metalhydroxide vor. Als besonders geeignet haben sich Mischkatalysatoren erwiesen, die die Metalle in elementarer und/oder oxydischer Form aufweisen.In the cathode room 4th a cathode catalyst is provided. The cathode catalyst used is a metal-containing electrocatalyst which has platinum, ruthenium, palladium, iridium, gold, silver, rhenium, rhodium, copper, nickel, cobalt, iron, manganese, chromium, molybdenum and / or vanadium. The metals of the cathode catalyst are preferably present as elemental metals, as metal oxides and / or as metal hydroxides. Mixed catalysts which have the metals in elemental and / or oxidic form have proven particularly suitable.

Der Kathodenraum 4 ist über eine Rückführleitung 12 mit der Reaktionskammer 10 zur Rückführung von Wasser verbunden. Entlang der Rückführleitung 12 kann ein nicht näher dargestellter Speicherbehälter vorgesehen sein, um Wasser zwischen zu speichern.The cathode compartment 4th is via a return line 12th with the reaction chamber 10 connected to the return of water. Along the return line 12th A storage tank (not shown) can be provided to temporarily store water.

Die Rückführleitung 12 mündet gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel in die Zuführleitung 7. Es ist alternativ möglich, dass die Rückführleitung 12 separat von der Zuführleitung 7 ausgeführt ist. Insbesondere ist es denkbar, dass die Rückführleitung 12 an einer separaten Rückführöffnung, also unabhängig von der Zuführleitung 7, in die Reaktionskammer 10 mündet. Dadurch, dass die organische Verbindung aus dem ersten Speicherbehälter 6 und das Wasser aus dem Kathodenraum 4 für die gleiche Reaktion in der Reaktionskammer 10 erforderlich sind, kann eine gemeinsame Zu- bzw. Rückführung der organischen Verbindung und des Wassers über die Zuführleitung 7 erfolgen.The return line 12th opens into the supply line according to the embodiment shown 7th . It is alternatively possible that the return line 12th separate from the feed line 7th is executed. In particular, it is conceivable that the return line 12th at a separate return opening, i.e. independent of the feed line 7th , into the reaction chamber 10 flows out. By having the organic compound from the first storage container 6th and the water from the cathode compartment 4th for the same reaction in the reaction chamber 10 are required, a common supply or return of the organic compound and the water via the supply line 7th respectively.

An dem Kathodenraum 4 ist ferner eine Wasserabführleitung 22 vorgesehen. Die Wasserabführleitung 22 dient zum Abführen von in dem Kathodenraum 4 gebildeten überschüssigen Wassers, das insbesondere für die Etherspaltung in der Reaktionskammer 10 nicht erforderlich ist. Das aus dem Kathodenraum 4 abgeführte Wasser kann beispielsweise der Umgebung, insbesondere einem Gewässer, zugeführt oder in einem Wasserspeicher 23 gespeichert werden. Sofern die Vorrichtung 1 in einer mobilen Anwendung integriert ist, kann das Wasser aus dem Kathodenraum 4 über die Wasserabführleitung 22 insbesondere als Wasserdampf an die Umgebung abgegeben werden.At the cathode compartment 4th is also a drainage pipe 22nd intended. The drainage pipe 22nd serves to discharge in the cathode compartment 4th formed excess water, in particular for the ether cleavage in the reaction chamber 10 is not required. That from the cathode room 4th Discharged water can, for example, be supplied to the environment, in particular a body of water, or in a water reservoir 23 get saved. Unless the device 1 is integrated in a mobile application, the water can be drawn from the cathode compartment 4th via the drainage pipe 22nd in particular are released into the environment as water vapor.

An den Kathodenraum 4 ist eine Sauerstoffleitung 13 angeschlossen. Die Sauerstoffleitung 13 dient zum Zuführen von Sauerstoff in den Kathodenraum 4. Der dem Kathodenraum 4 zuzuführende Sauerstoff kann insbesondere in Form von Umgebungsluft dem Kathodenraum 4 zugeführt werden.To the cathode compartment 4th is an oxygen line 13th connected. The oxygen line 13th serves to supply oxygen into the cathode compartment 4th . The one in the cathode compartment 4th Oxygen to be supplied can in particular in the form of ambient air in the cathode compartment 4th are fed.

Nachfolgend wird ein Verfahren zum Erzeugen von elektrischem Strom anhand der 1 näher erläutert.A method for generating electrical power based on the 1 explained in more detail.

Propen wird als organische Verbindung bereitgestellt, indem Propen insbesondere in dem ersten Speicherbehälter 6 bevorratet ist. Der erste Speicherbehälter 6 kann insbesondere aus einem Leitungsnetz, insbesondere einer Pipeline, oder mittels eines Tankfahrzeugs oder aus einem Vorratstank gespeist werden. Über die Zuführleitung 7 wird die organische Verbindung der Reaktionskammer 10 zugeführt.Propene is provided as an organic compound by placing propene in particular in the first storage container 6th is in stock. The first storage container 6th can in particular be fed from a line network, in particular a pipeline, or by means of a tanker or from a storage tank. Via the feed line 7th becomes the organic compound of the reaction chamber 10 fed.

Die Zuführung von Propen erfolgt in gasförmiger Form. Andere organische Verbindungen können in flüssiger oder gasförmiger zugeführt werden. Die organische Verbindung kann als Mischung mit anderen Flüssigkeiten und/oder Gasen oder als Reinsubstanz zugeführt werden. Im Fall der gasförmigen Zuführung der organischen Verbindung als Reinsubstanz oder als Gasgemisch der organischen Verbindung mit einer anderen flüchtigen Substanz kann der Druck im Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 zwischen 0,1 bar und 10 bar, insbesondere zwischen 1 bar und 5 bar und insbesondere zwischen 1 bar und 3 bar betragen. Besonders vorteilhaft sind Gemische mit Wasser oder Wasserdampf, insbesondere mit flüssigem oder gasförmigem Wasser, das im Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 oder einer benachbarten Brennstoffzelle 2 erzeugt worden ist. Eine Verdampfung der organischen Verbindung kann in einer, insbesondere mit Füllkörpern gefüllten, Blasensäule erfolgen, in welche der im Kathodenraum 4 gebildete Wasserdampf eingeleitet werden kann. Dadurch kann die im Kathodengas enthaltene Enthalpie direkt, also unmittelbar, auf die organische Verbindung übertragen werden. Wärmeverluste sind dadurch reduziert und werden insbesondere vermieden. Zusätzlich kann eine periodische Gasspülung des Kathodengases, also des Wasserdampfes, vorgesehen sein, um eine Akkumulation von Stickstoff im Kathodengas zu verhindern.Propene is supplied in gaseous form. Other organic compounds can be added in liquid or gaseous form. The organic compound can be supplied as a mixture with other liquids and / or gases or as a pure substance. In the case of the gaseous supply of the organic compound as a pure substance or as a gas mixture of the organic compound with another volatile substance, the pressure in the anode space can 3rd the fuel cell 2 between 0.1 bar and 10 bar, in particular between 1 bar and 5 bar and in particular between 1 bar and 3 bar. Mixtures with water or steam are particularly advantageous, especially with liquid or gaseous water in the cathode compartment 4th the fuel cell 2 or a neighboring fuel cell 2 has been generated. Evaporation of the organic compound can take place in a bubble column, in particular filled with packing elements, in which the column in the cathode compartment 4th formed water vapor can be introduced. As a result, the enthalpy contained in the cathode gas can be transferred directly, i.e. immediately, to the organic compound. This reduces heat losses and, in particular, prevents them. In addition, periodic gas purging of the cathode gas, that is to say of the water vapor, can be provided in order to prevent an accumulation of nitrogen in the cathode gas.

Vorteilhaft ist, dass die Umsetzung der organischen Verbindung mit Wasser in der Reaktionskammer 10 zu dem angereicherten Wasserstoffträgermedium bei Temperaturbedingungen durchgeführt werden kann, die den Temperarturbedingungen des Brennstoffzellenbetriebs entsprechen.It is advantageous that the reaction of the organic compound with water takes place in the reaction chamber 10 to the enriched hydrogen carrier medium can be carried out at temperature conditions that correspond to the temperature conditions of fuel cell operation.

Die organische Verbindung, das Vorprodukt und insbesondere das angereicherte Wasserstoffspeichermedium weisen eine höhere volumetrische Speicherdichte auf als elementarer Wasserstoff bei Umgebungsbedingungen. Ein wesentlicher Grund dafür ist die höhere Dichte der organischen Verbindung, des Vorprodukts und insbesondere des angereicherten Wasserstoffspeichermediums. Typischerweise liegt die Dichte der organischen Verbindung, des Vorprodukts und insbesondere des angereicherten Wasserstoffspeichermediums zwischen 0,6 g/ml und 1,2 g/ml. Die organische Verbindung und/oder das Vorprodukt lassen sich bei Raumtemperatur und erhöhtem Druck als Flüssiggas mit im Vergleich zu flüssigem Wasserstoff sehr hoher Dichte speichern. Beispielsweise weist Propen als Flüssiggas bei Raumtemperatur und einem Druck von 10 bar eine Speicherdichte von 0,61 g/ml auf. Flüssiger Wasserstoff hat bei einer Temperatur von -253 °C eine Speicherdichte von lediglich 0,07 g/ml.The organic compound, the preliminary product and in particular the enriched hydrogen storage medium have a higher volumetric storage density than elemental hydrogen under ambient conditions. A major reason for this is the higher density of the organic compound, the intermediate product and, in particular, the enriched hydrogen storage medium. Typically, the density of the organic compound, the preliminary product and in particular the enriched hydrogen storage medium is between 0.6 g / ml and 1.2 g / ml. The organic compound and / or the preliminary product can be stored at room temperature and under increased pressure as liquid gas with a very high density compared to liquid hydrogen. For example, propene as liquid gas has a storage density of 0.61 g / ml at room temperature and a pressure of 10 bar. Liquid hydrogen has a storage density of only 0.07 g / ml at a temperature of -253 ° C.

Die organische Verbindung wird in der Reaktionskammer 10 unter Verwendung von Wasser in ein angereichertes, wasserstoffreiches Wasserstoffmedium umgesetzt, also im Fall von Propen als organische Verbindung gemäß nachfolgender Reaktionsgleichung zu Isopropanol umgesetzt:

The organic compound is in the reaction chamber 10 converted into an enriched, hydrogen-rich hydrogen medium using water, i.e. converted to isopropanol in the case of propene as an organic compound according to the following reaction equation:

Besonders vorteilhaft ist es, dass das angereicherte Wasserstoffträgermedium mindestens eine sekundäre Alkoholgruppe aufweist, die in der Brennstoffzelle 2 verströmt werden kann.It is particularly advantageous that the enriched hydrogen carrier medium has at least one secondary alcohol group that is present in the fuel cell 2 can be emitted.

Wesentlich für die Addition von Wasser an die organische Verbindung zur Bildung des angereicherten Wasserstoffträgermediums ist das Protonenhaltige, saure Milieu, das in der Reaktionskammer 10 durch das Membranmaterial der PEM-Membran 5 bereitgestellt wird.The proton-containing, acidic environment in the reaction chamber is essential for the addition of water to the organic compound to form the enriched hydrogen carrier medium 10 through the membrane material of the PEM membrane 5 provided.

Bei der Verstromung des Isopropanols als angereichertes Wasserstoffträgermedium werden im Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 Aceton und Protonen gemäß der nachfolgenden Reaktionsgleichung gebildet:

When isopropanol is converted into electricity as an enriched hydrogen carrier medium, in the anode compartment 3rd the fuel cell 2 Acetone and protons formed according to the following reaction equation:

Am Kathodenkatalysator wird im Kathodenraum 4 der Sauerstoff mithilfe der durch die Membran 5 gewanderten Protonen und erforderlichen Elektronen gemäß nachfolgender Gleichung in Wasser umgesetzt: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- → 2 H₂O (3) The cathode catalyst is in the cathode compartment 4th the oxygen using the through the membrane 5 migrated protons and required electrons are converted into water according to the following equation: O ₂ + 4 H ⁺ + 4 e ^- → 2 H ₂ O (3)

Bei diesem Prozess bildet sich ein elektrisches Potenzial zwischen der Anode 14 und der Kathode 15 aus. Das elektrische Potenzial kann mittels des elektrischen Verbrauchers 11 abgegriffen werden.During this process, an electrical potential is created between the anode 14th and the cathode 15th out. The electrical potential can by means of the electrical consumer 11 be tapped.

Das Wasser wird über die Rückführleitung 12 dem Anodenraum 3 rückgeführt. Der über die Sauerstoffleitung 13 zugeführte Sauerstoff oder die darüber zugeführte Luft wird dem Kathodenraum 4 bei atmosphärischem Druck oder bei leichtem Überdruck von bis zu 10 bar zugeführt.The water is via the return line 12th the anode compartment 3rd returned. The one on the oxygen line 13th Oxygen supplied or the air supplied via it is the cathode compartment 4th at atmospheric pressure or at a slight overpressure of up to 10 bar.

Das bei der Verstromung abgereicherte Wasserstoffträgermedium, das Keton, wird über die Abführleitung 8 aus dem Anodenraum 3 in den zweiten Speicherbehälter transportiert. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Keton Aceton. Das abgereicherte Wasserstoffträgermedium kann insbesondere zu einer energiereichen Zeit und/oder an einem energiereichen Ort durch Hydrierung und Dehydratisierung wieder zu einer organischen Verbindung umgesetzt werden, die für die Erzeugung von elektrischem Strom in dem erfindungsgemäßen Verfahren erneut einsetzbar ist.The hydrogen carrier medium, the ketone, which is depleted during the conversion into electricity, is discharged via the discharge line 8th from the anode compartment 3rd transported into the second storage container. According to the embodiment shown, the ketone is acetone. The depleted hydrogen carrier medium can in particular be converted back into an organic compound at an energy-rich time and / or at an energy-rich location by hydrogenation and dehydration, which can be used again for the generation of electrical current in the method according to the invention.

Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens liegt in der erhöhten nutzbaren Energiedichte der organischen Verbindung beispielsweise gegenüber sekundären Alkoholen mit gleicher Anzahl an Kohlenstoffatomen, die zum gleichen organischen Produkt in einem Verstromungsvorgang durch die Brennstoffzelle führen. Die erhöhte Energiedichte kann am Beispiel der Verstromung von Isopropanol, das in der Fachliteratur auch als 2-Propanol bezeichnet wird, erläutert werden. Isopropanol hat eine Masse von 60,10 g/mol. Bei der Verstromung von Isopropanol kann ein Wasserstoffmolekül pro einem 2-Propanol-Molekül in der Brennstoffzelle verströmt werden. Aceton wird als Reaktionsprodukt gebildet. Folglich ist die nutzbare Masse an Wasserstoff in 2-Propanol 2 g/mol. Folglich beträgt die Wasserstoffkapazität von 2-Propanol in dieser Anwendung 3,3 Masse-% oder 1,11 kWh pro kg 2-Propanol. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung von Propen als organische Verbindung wird zunächst ein Mol Propen mithilfe von Wasser zu einem Mol 2-Propanol umgesetzt. Die nutzbare Wasserstoffmasse in der Brennstoffzelle 2 beträgt ebenfalls 2 g/mol. Propen weist ein Molgewicht von 42,08 g/mol auf, sodass die Wasserstoffkapazität von Propen 4,75 Masse-% oder 1,58 kWh pro kg Propen beträgt. Die mit Propen anstelle von 2-Propanol betriebene Vorrichtung 1 weist bei gleicher Masse an organischer Verbindung eine um 43% größere Reichweite auf. Die Vorrichtung 1 ist insbesondere für mobile Anwendungen, insbesondere in Fahrzeugen und/oder Fluggeräten vorteilhaft.An essential advantage of the process is the increased usable energy density of the organic compound, for example compared to secondary alcohols with the same number of carbon atoms, which lead to the same organic product in a conversion process by the fuel cell. The increased energy density can be seen in the example of the generation of electricity from isopropanol, which is present in the Technical literature is also referred to as 2-propanol, are explained. Isopropanol has a mass of 60.10 g / mol. When isopropanol is converted into electricity, one hydrogen molecule per one 2-propanol molecule can be converted into electricity in the fuel cell. Acetone is formed as a reaction product. Hence the usable mass of hydrogen in 2-propanol is 2 g / mol. Consequently, the hydrogen capacity of 2-propanol in this application is 3.3% by mass or 1.11 kWh per kg of 2-propanol. When propene is used as an organic compound according to the invention, one mole of propene is first converted into one mole of 2-propanol with the aid of water. The usable hydrogen mass in the fuel cell 2 is also 2 g / mol. Propene has a molecular weight of 42.08 g / mol, so that the hydrogen capacity of propene is 4.75% by mass or 1.58 kWh per kg of propene. The device operated with propene instead of 2-propanol 1 has a 43% greater range with the same mass of organic compound The device 1 is particularly advantageous for mobile applications, particularly in vehicles and / or aircraft.

Die Vorrichtung 1 gemäß 1 kann auch mit anderen organischen Verbindungen betrieben werden.The device 1 according to 1 can also be operated with other organic compounds.

Als organische Verbindung dient beispielsweise Cyclooctatetraen, eine bei 142°C siedende Flüssigkeit, die einen Schmelzpunkt von -5°C aufweist. Die Verbindung weist vier nicht aromatische Doppelbindungen auf und hat eine Molmasse von 104,15 g/mol. Beim Umsetzen der organischen Verbindung mit bis zu 4 Mol Wasser entsteht eine Verbindung bzw. ein Gemisch an Verbindungen mit bis zu vier sekundären Alkoholfunktionen, die durch die teilweise oder vollständige Umsetzung der Doppelbindungen mit Wasser zu den entsprechenden sekundären Alkoholgruppen entstehen. Die entsprechende Cyclooctatetraol-Verbindung bzw. das Gemisch von Cyclooctatetraol mit verschiedenen teilweise hydratisierten zyklischen C8-Verbindungen mit sekundären Alkoholgruppen und nicht umgesetzten Doppelbindungen kann in der PEM-Brennstoffzelle 2 verströmt werden.Cyclooctatetraene, a liquid boiling at 142 ° C and having a melting point of -5 ° C, is used as the organic compound. The compound has four non-aromatic double bonds and a molar mass of 104.15 g / mol. When the organic compound is reacted with up to 4 moles of water, a compound or a mixture of compounds with up to four secondary alcohol functions is formed, which result from the partial or complete reaction of the double bonds with water to form the corresponding secondary alcohol groups. The corresponding cyclooctatetraol compound or the mixture of cyclooctatetraol with various partially hydrated cyclic C8 compounds with secondary alcohol groups and unreacted double bonds can be used in the PEM fuel cell 2 be given off.

Bei der Verstromung der bis zu vier sekundären Alkoholfunktionen in bis zu vier Keto-Funktionen wird elektrischer Strom erzeugt. Die nutzbare Wasserstoffmasse von Cyclooctatetraen beträgt also bis zu 8 g/mol bei einem Molgewicht von 104,15 g/mol. Die Wasserstoffkapazität von Cyclooctatetraen beträgt also bis zu 7,68 Masse-% oder 2,56 kWh pro kg Cyclooctatetraen. Ein mit Cyclooctatetraen anstelle von Isopropanol betriebenes Fahrzeug weist bei gleicher Brennstoffmasse eine um 230% größere Reichweite auf.Electricity is generated when up to four secondary alcohol functions are converted into up to four keto functions. The usable hydrogen mass of cyclooctatetraene is up to 8 g / mol with a molecular weight of 104.15 g / mol. The hydrogen capacity of cyclooctatetraene is therefore up to 7.68% by mass or 2.56 kWh per kg of cyclooctatetraene. A vehicle operated with cyclooctatetraene instead of isopropanol has a range of 230% longer with the same fuel mass.

Als organische Verbindung kann alternativ auch 2,5-Dimethylfuran dienen, eine bei 94°C siedende Flüssigkeit, die einen Schmelzpunkt von -62°C aufweist. Die Verbindung weist zwei Doppelbindungen auf, die mit einem Ring-Sauerstoff ein aromatisches System bilden. 2,5-Dimethylfuran weist eine Molmasse von 96,13 g/mol auf. Bei der Umsetzung der organischen Verbindung mit bis zu zwei Mol Wasser entsteht eine Verbindung bzw. ein entsprechendes Gemisch und Verbindungen mit bis zu zwei sekundären Alkoholfunktionen, die an der PEM-Brennstoffzelle 2 verströmt werden. Dabei werden die bis zu zwei sekundären Alkoholfunktionen in bis zu zwei Keto-Funktionen gewandelt.Alternatively, 2,5-dimethylfuran, a liquid boiling at 94 ° C and having a melting point of -62 ° C, can also serve as the organic compound. The compound has two double bonds which form an aromatic system with a ring oxygen. 2,5-Dimethylfuran has a molar mass of 96.13 g / mol. When the organic compound is reacted with up to two moles of water, a compound or a corresponding mixture and compounds with up to two secondary alcohol functions are formed on the PEM fuel cell 2 be given off. The up to two secondary alcohol functions are converted into up to two keto functions.

Die nutzbare Wasserstoffmasse von 2,5-Dimethylfuran beträgt also 4 g/mol bei einem Molgewicht von 96,13 g/mol. Die Wasserstoffkapazität beträgt somit 4,16 Masse-% oder 1,38 kWh pro kg 2,5-Dimethylfuran.The usable hydrogen mass of 2,5-dimethylfuran is 4 g / mol with a molecular weight of 96.13 g / mol. The hydrogen capacity is thus 4.16% by mass or 1.38 kWh per kg of 2,5-dimethylfuran.

Überraschend wurde gefunden, dass die Wasserstoffkapazität von 2,5-Dimethylfuran zusätzlich dadurch gesteigert werden kann, wenn die Etherfunktion des Moleküls ebenfalls mit Wasser umgesetzt und dadurch zwei zusätzliche sekundäre Alkoholfunktionen gebildet werden. Diese zwei zusätzlichen Alkoholfunktionen können an der PEM-Membran ebenfalls zu Keto-Funktionen verströmt werden.It has surprisingly been found that the hydrogen capacity of 2,5-dimethylfuran can also be increased if the ether function of the molecule is also reacted with water and two additional secondary alcohol functions are thereby formed. These two additional alcohol functions can also be converted into keto functions on the PEM membrane.

Die Spaltung der Etherfunktion kann vor, während oder nach der Hydratisierung der Doppelbindungen des Moleküls durchgeführt werden.The cleavage of the ether function can be carried out before, during or after the hydration of the double bonds of the molecule.

Die Gesamtwasserstoffkapazität von 2,5-Dimethylfuran wird dadurch auf 8 g/mol bei einem Molgewicht von 96,13 g/mol gesteigert. Die Wasserstoffkapazität beträgt bei dieser Verfahrensvariante 8,32 Masse-% oder 2,77 kWh pro kg 2,5-Dimethylfuran. Ein mit 2,5-Dimethylfuran anstelle von Isopropanol betriebenes Fahrzeug würde also bei gleicher Brennstoffmasse eine um 250% größere Reichweite aufweisen.The total hydrogen capacity of 2,5-dimethylfuran is increased to 8 g / mol with a molecular weight of 96.13 g / mol. In this process variant, the hydrogen capacity is 8.32% by mass or 2.77 kWh per kg of 2,5-dimethylfuran. A vehicle operated with 2,5-dimethylfuran instead of isopropanol would therefore have a range that is 250% greater with the same fuel mass.

2,5-Dimethylfuran ist auch deshalb eine vorteilhafte organische Verbindung, weil sie unkompliziert aus Zuckern und biogenen Rohstoffen zugänglich ist. 2,5-Dimethylfuran kann unmittelbar aus Biomasse gewonnen werden. Diese organische Verbindung kann für die Durchführung des Verfahrens nachhaltig bereitgestellt werden.2,5-Dimethylfuran is also an advantageous organic compound because it is easily accessible from sugars and biogenic raw materials. 2,5-Dimethylfuran can be obtained directly from biomass. This organic compound can be made available in a sustainable manner for carrying out the method.

Nachfolgend wird anhand von 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten a.The following is based on 2 a second embodiment of the invention described. Structurally identical parts are given the same reference numerals as in the first exemplary embodiment. Parts that are structurally different but functionally identical are given the same reference numerals with an a after them.

Ein wesentlicher Unterschied gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Reaktionskammer 10a separat von dem Anodenraum 3a ausgeführt ist. Die Reaktionskammer 10a ist über eine Fluidleitung 16 unmittelbar mit dem Anodenraum 3a der Brennstoffzelle 2 verbunden. Die Reaktionskammer 10a ist in unmittelbarer Nähe des Anodenraums 3a angeordnet.A major difference compared to the first embodiment is that the reaction chamber 10a separate from the anode compartment 3a is executed. The reaction chamber 10a is via a fluid line 16 directly to the anode compartment 3a the fuel cell 2 connected. The reaction chamber 10a is in the immediate vicinity of the anode compartment 3a arranged.

Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Reaktionskammer 10a als Reaktionsapparat ausgeführt, der der Brennstoffzelle, insbesondere dem Anodenraum 3a vorgelagert ist. Damit in der Reaktionskammer 10a die Umsetzung von Propen in Isopropanol begünstigt ist, ist in der Reaktionskammer 10a ein saurer Katalysator vorgesehen. Der saure Katalysator erzeugt die für die Umsetzung erforderliche saure Umgebung.According to the embodiment shown, the reaction chamber 10a designed as a reaction apparatus, that of the fuel cell, in particular the anode compartment 3a is upstream. So in the reaction chamber 10a the conversion of propene into isopropanol is favored in the reaction chamber 10a an acid catalyst is provided. The acidic catalyst creates the acidic environment required for the reaction.

Entsprechend ist der Kathodenraum 4 über die Rückführleitung 12 mit der Reaktionskammer 10a verbunden.The cathode compartment is accordingly 4th via the return line 12th with the reaction chamber 10a connected.

Nachfolgend wird die Funktion der Vorrichtung gemäß der im zweiten Ausführungsbeispiel näher erläutert.The function of the device according to the second embodiment is explained in more detail below.

Bezüglich der einzelnen Prozessschritte wird auf die Ausführungen bezüglich des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen. Als organische Verbindung dient gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel Propen, das aus dem ersten Speicherbehälter 6 über die Zuführleitung 7 in die Reaktionskammer 10a geleitet wird. In der Reaktionskammer 10a findet die Umsetzung des Propen in Isopropanol statt. Das so gebildete Isopropanol wird über die Fluidleitung 16 aus der Reaktionskammer 10a in den Anodenraum 3a überführt. In der Brennstoffzelle 2 erfolgt die Verstromung des Isopropanols durch Bildung von Aceton im Anodenraum 3a und Wasser im Kathodenraum 5.With regard to the individual process steps, reference is made to the statements relating to the first exemplary embodiment. According to the exemplary embodiment shown, propene from the first storage container serves as the organic compound 6th via the feed line 7th into the reaction chamber 10a is directed. In the reaction chamber 10a the propene is converted into isopropanol. The isopropanol formed in this way is released via the fluid line 16 from the reaction chamber 10a in the anode compartment 3a convicted. In the fuel cell 2 the isopropanol is converted into electricity by the formation of acetone in the anode compartment 3a and water in the cathode compartment 5 .

Nachfolgend wird anhand von 3 ein drittes Ausführungsbeispiel beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.The following is based on 3rd a third embodiment is described. Structurally identical parts are given the same reference numerals as in the first exemplary embodiment.

Ein wesentlicher Unterschied der Vorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass der Reaktionskammer 10 ein Dehydrierreaktor 17 vorgeordnet ist. Der Dehydrierreaktor 17 ist mit dem ersten Speicherbehälter 6 über eine Fluidleitung 18 verbunden. Der Dehydrierreaktor 17 ist über die Zuführleitung 7 mit der Reaktionskammer 10 in dem Anodenraum 3 verbunden.An essential difference of the device according to the third embodiment is that the reaction chamber 10 a dehydrogenation reactor 17th is upstream. The dehydrogenation reactor 17th is with the first storage tank 6th via a fluid line 18th connected. The dehydrogenation reactor 17th is via the feed line 7th with the reaction chamber 10 in the anode compartment 3rd connected.

Der Dehydrierreaktor 17 ist über eine Wasserstoffgasleitung 19 mit einer zweiten Brennstoffzelle 20 verbunden. Die zweite Brennstoffzelle 20 und die Wasserstoffgasleitung 19 können auch entfallen.The dehydrogenation reactor 17th is via a hydrogen gas line 19th with a second fuel cell 20th connected. The second fuel cell 20th and the hydrogen gas line 19th can also be omitted.

Im Übrigen entspricht die Vorrichtung gemäß 3 der Vorrichtung gemäß 1.Otherwise, the device corresponds to FIG 3rd according to the device 1 .

Nachfolgend wird ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom gemäß der Vorrichtung in 3 näher erläutert.A method for generating electrical power according to the device in FIG 3rd explained in more detail.

Wesentlicher Unterschied gegenüber dem anhand von 1 erläuterten Verfahren ist, dass in dem ersten Speicherbehälter 6 ein Vorprodukt, gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel Propan, bevorratet ist. Propan wird aus dem ersten Speicherbehälter 6 über die Fluidleitung 18 dem Dehydrierreaktor 17 zugeführt und dort katalytisch dehydriert. In Folge der Dehydrierreaktion wird Wasserstoffgas freigesetzt und Propen gebildet. Das freigesetzte Wasserstoffgas kann über die Wasserstoffgasleitung 19 der zweiten Brennstoffzelle 20 zugeführt und dort verströmt werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Wasserstoffgas über die Zuführleitung 7 dem Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 zugeführt und dort verströmt werden. Die Verwendung der zweiten Brennstoffzelle 2 ist nicht zwingend erforderlich, kann aber zur Effizienzsteigerung vorteilhaft sein.Substantial difference compared to the one based on 1 explained method is that in the first storage container 6th a preliminary product, propane according to the embodiment shown, is stored. Propane comes from the first storage tank 6th via the fluid line 18th the dehydrogenation reactor 17th fed and catalytically dehydrated there. As a result of the dehydrogenation reaction, hydrogen gas is released and propene is formed. The released hydrogen gas can be via the hydrogen gas line 19th the second fuel cell 20th are supplied and given off there. Additionally or alternatively, the hydrogen gas can be supplied via the supply line 7th the anode compartment 3rd the fuel cell 2 are supplied and given off there. The use of the second fuel cell 2 is not absolutely necessary, but can be beneficial for increasing efficiency.

Propan ist bei Normalbedingungen eine gasförmige Verbindung, die bei Raumtemperatur und einem Druck von 8,4 bar als Flüssiggas vorliegt und in dieser Form eine Dichte von 0,58 g/ml aufweist.Under normal conditions, propane is a gaseous compound which is present as liquid gas at room temperature and a pressure of 8.4 bar and in this form has a density of 0.58 g / ml.

Die Dehydrierung von Propan kann bei einer Temperatur von über 450°C und an einem platinhaltigen Katalysator zu Propen und Wasserstoffgas erfolgen. Die Gleichgewichtslage der Dehydrierreaktion liegt mit zunehmender Temperatur zunehmend auf der Seite von Propen und Wasserstoffgas. Die für die Dehydrierung erforderliche Wärme kann von der zweiten Brennstoffzelle 20, die insbesondere als Festoxid-Brennstoffzelle, in der englischsprachigen Literatur als solid oxide fuel cell bezeichnet, ausgeführt sein kann, bereitgestellt werden. Die Festoxid-Brennstoffzelle liefert eine Abwärme auf einem Temperaturniveau von mehr als 500°C in ausreichender Menge für den Dehydrierreaktor 17. Diese Abwärmenutzung ist in 3 durch den Wärmestrom Q in Form des Pfeil 21 symbolisiert. Alternativ kann die für die Dehydrierung von Propan zu Propen erforderliche Wärme auch durch die Verbrennung eines Teils des freigesetzten Wasserstoffs in einem Wasserstoffbrenner bereitgestellt werden.The dehydrogenation of propane can take place at a temperature of over 450 ° C and over a platinum-containing catalyst to propene and hydrogen gas. The equilibrium position of the dehydrogenation reaction is increasingly on the side of propene and hydrogen gas with increasing temperature. The heat required for the dehydration can come from the second fuel cell 20th , which can be designed in particular as a solid oxide fuel cell, referred to in the English-language literature as a solid oxide fuel cell. The solid oxide fuel cell supplies waste heat at a temperature level of more than 500 ° C. in sufficient quantity for the dehydrogenation reactor 17th . This waste heat utilization is in 3rd through the heat flow Q in the form of the arrow 21 symbolizes. Alternatively, the heat required for the dehydrogenation of propane to propene can also be provided by burning part of the released hydrogen in a hydrogen burner.

Die Gesamtmenge an nutzbarem Wasserstoff gemäß diesem Ausführungsbeispiel beträgt 4 g/mol Propan, das ein Molgewicht von 44,1 g/mol aufweist. Die Wasserstoffkapazität von Propan bei dieser erfindungsgemäßen Doppelnutzung aus Propandehydrierung, Propenhydratisierung und anschließender Isopropanol-Verstromung beträgt demnach 9,07 Masse-% oder 3,02 kWh pro kg Propan. Ein mit Propan anstelle von Isopropanol betriebenes Fahrzeug weist bei gleicher Brennstoffmasse eine um 272 % größere Reichweite auf.The total amount of usable hydrogen according to this exemplary embodiment is 4 g / mol propane, which has a molecular weight of 44.1 g / mol. The hydrogen capacity of propane with this dual use according to the invention of propane dehydrogenation, propene hydration and subsequent isopropanol conversion into electricity is accordingly 9.07% by mass or 3.02 kWh per kg of propane. A vehicle powered by propane instead of isopropanol has a range of 272% longer with the same fuel mass.

Alternativ kann die Vorrichtung gemäß 3 mit 2,5-Dimethyltetrahydrofuran als Vorprodukt betrieben werden, das bei Normalbedingungen eine Flüssigkeit mit einer Dichte von 0,83 g/ml ist, die einen Siedepunkt von 92°C aufweist. Die Verbindung kann bei einer Temperatur von über 100°C an einem platinhaltigen Katalysator zu 2,5-Dimethylfuran und Wasserstoffgas dehydriert werden, wobei die Gleichgewichtslage der Dehydrierreaktion mit zunehmender Temperatur zunehmend auf der Seite von 2,5-Dimethylfuran und Wasserstoffgas liegt.Alternatively, the device according to 3rd be operated with 2,5-dimethyltetrahydrofuran as a preliminary product, which is a liquid with a density of 0.83 g / ml and a boiling point of 92 ° C under normal conditions. The compound can be dehydrogenated at a temperature of over 100 ° C. over a platinum-containing catalyst to give 2,5-dimethylfuran and hydrogen gas, the equilibrium position of the dehydrogenation reaction increasingly on the side of 2,5-dimethylfuran and hydrogen gas with increasing temperature.

Die erforderliche Dehydrierwärme kann durch den Wärmestrom 21 der zweiten Brennstoffzelle 20 bereitgestellt werden. Die zweite Brennstoffzelle 20 kann als Festoxid-Brennstoffzelle oder in Form eines anderen Brennstoffzellentyps bereitgestellt werden, wobei in der Brennstoffzelle das freigesetzte Wasserstoffgas verströmt wird und Abwärme auf einem Temperaturniveau von über 120°C in ausreichender Menge anfällt. Alternativ kann die für die Dehydrierung von 2,5-Dimethyltetrhydrofuran zu 2,5-Dimethylfuran erforderliche Wärme auch durch die Verbrennung eines Teils des freigesetzten Wasserstoffs in einem Wasserstoffbrenner bereitgestellt werden. Bezüglich der weiteren Nutzung von 2,5-Dimethylfuran wird auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel verwiesen.The required heat of dehydration can be generated by the heat flow 21 the second fuel cell 20th to be provided. The second fuel cell 20th can be provided as a solid oxide fuel cell or in the form of another type of fuel cell, the released hydrogen gas being emitted in the fuel cell and a sufficient amount of waste heat at a temperature level of over 120 ° C. Alternatively, the heat required for the dehydrogenation of 2,5-dimethyltetrhydrofuran to 2,5-dimethylfuran can also be provided by burning part of the released hydrogen in a hydrogen burner. With regard to the further use of 2,5-dimethylfuran, reference is made to the exemplary embodiment described above.

Die Gesamtmenge an nutzbarem Wasserstoff beträgt bis zu 12g pro mol 2,5-Dimethyltetrahydrofuran mit einem Molgewicht von 100,16 g/mol. Die Wasserstoffkapazität von 2,5-Dimethyltetrahydrofuran beträgt bei einer Mehrfachnutzung aus Dehydrierung, Hydratisierung und anschließender Isoalkohol-Verstromung demnach bis zu 11,98 Masse-% oder 3,99 kWh pro kg 2,5-Dimethyltetrahydrofuran. Ein mit 2,5-Dimethyltetrahydrofuran anstelle von Isopropanol betriebenes Fahrzeug weist bei gleicher Brennstoffmasse eine um 359% größere Reichweite auf.The total amount of usable hydrogen is up to 12 g per mole of 2,5-dimethyltetrahydrofuran with a molecular weight of 100.16 g / mol. The hydrogen capacity of 2,5-dimethyltetrahydrofuran is accordingly up to 11.98% by mass or 3.99 kWh per kg of 2,5-dimethyltetrahydrofuran when it is used multiple times from dehydrogenation, hydration and subsequent isoalcohol conversion. A vehicle operated with 2,5-dimethyltetrahydrofuran instead of isopropanol has a range that is 359% longer with the same fuel mass.

Nachfolgend wird anhand von 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen.The following is based on 4th a fourth embodiment of the invention described. Structurally identical parts are given the same reference numerals as in the previous exemplary embodiments.

Die Vorrichtung 1 gemäß 4 entspricht im Wesentlichen einer Kombination der Vorrichtungen gemäß 2 und 3. Die Vorrichtung 1 gemäß 4 weist den vorgelagerten Dehydrierreaktor 17 auf, der über die Wasserstoffgasleitung 19 an die zweite Brennstoffzelle 20 angeschlossen ist.The device 1 according to 4th corresponds essentially to a combination of the devices according to 2 and 3rd . The device 1 according to 4th has the upstream dehydrogenation reactor 17th on that via the hydrogen gas line 19th to the second fuel cell 20th connected.

Da die Reaktionskammer 10a separat von dem Anodenraum 3a ausgeführt ist, ist der Dehydrierreaktor 17 über die Zuführleitung 7 mit der Reaktionskammer 10a verbunden.Because the reaction chamber 10a separate from the anode compartment 3a is executed is the dehydrogenation reactor 17th via the feed line 7th with the reaction chamber 10a connected.

Wie anhand des Ausführungsbeispiels anhand 3 erläutert, wird in dem Dehydrierreaktor 17 zunächst das Vorprodukt Propan zu Propen dehydriert, wobei das freigesetzte Wasserstoffgas in der Brennstoffzelle 2 und/oder in der zweiten Brennstoffzelle 20 verströmt werden kann. Propen wird als organische Verbindung in die Reaktionskammer 10a geleitet und dort, wie anhand des Ausführungsbeispiels gemäß 2 zunächst in Isopropanol umgesetzt, das in der Brennstoffzelle 2 verströmt wird.As based on the exemplary embodiment 3rd is explained in the dehydrogenation reactor 17th First, the preliminary product propane is dehydrated to propene, with the released hydrogen gas in the fuel cell 2 and / or in the second fuel cell 20th can be emitted. Propene is used as an organic compound in the reaction chamber 10a guided and there, as in accordance with the exemplary embodiment 2 first converted into isopropanol, which is then used in the fuel cell 2 is given off.

Bezüglich der weiteren Betriebsweise, also die Durchführung eines Verfahrens zur Erzeugung von elektrischem Strom mit der Vorrichtung gemäß 4 wird auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele verwiesen.With regard to the further mode of operation, that is to say the implementation of a method for generating electrical current with the device according to FIG 4th reference is made to the above exemplary embodiments.

Claims

A method for generating electrical power comprising the method steps - providing an organic compound having at least one double bond and / or at least one triple bond, - Reacting the organic compound in a reaction space (10; 10a) having an acidic environment with water to form an enriched hydrogen carrier medium, - Flow of the enriched hydrogen carrier medium to a depleted hydrogen carrier medium in a fuel cell (2) with the formation of water, - Provision of electrical power generated during the evacuation.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the water generated when flowing out of the fuel cell (2) for the conversion of the organic compound is at least partially, in particular completely, returned to the reaction space (10; 10a).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the hydrogen capacity of the organic compound is greater than the hydrogen capacity of the enriched hydrogen carrier medium, the hydrogen capacity of the organic compound at least 1.1 times, in particular 1.2 times, in particular 1 , 4 times, especially 1.6 times, especially 1.8 times, especially 2.0 times, especially 2.5 times, especially 3.0 times, and especially 3, 5 times the hydrogen capacity of the enriched hydrogen carrier medium.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the organic compound in particular propene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene, isopentene, butadiene, 1,3-pentadiene, 1,4-pentadiene , 1,3-hexadiene, 1,4-hexadiene, 1,5-hexadiene, 2,4-hexadiene, 1,3,5-heptatriene, cyclopentene, cyclohexene, vinylcyclohexane, cyclooctene, cyclooctadiene, cyclooctatetraene, 2,5-dimethylfuran , 2,6-dimethylpyran or a mixture of at least two of the aforementioned compounds.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a membrane (5) of the fuel cell (2) and / or a separate acidic catalyst is used as the acidic medium to generate the acidic environment required for the conversion of the organic compound.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the organic compound is provided by dehydrating a precursor.

Apparatus for generating electrical power comprising a. a reaction chamber (10; 10a) which has an acidic environment and in which an organic compound can be reacted with water to form an enriched hydrogen carrier medium, b. a fuel cell (2) with an anode compartment (3; 3a), a proton-conducting membrane (5) and a cathode compartment (4) for flowing the enriched hydrogen carrier medium into a depleted hydrogen carrier medium, the reaction chamber (10; 10a) for releasing the enriched hydrogen carrier medium with the anode compartment (3; 3a) is connected.

Device according to Claim 7 , characterized in that the reaction chamber (10) is integrated in the anode space (3) of the fuel cell (2), wherein in particular the proton-conducting membrane (5) has a material that generates the acidic environment.

Device according to Claim 7 or 8th , characterized in that the reaction chamber (10a) is connected to the anode space (3a) via a fluid line (16), an acidic catalyst being provided in particular in the reaction chamber (10a).

Device according to one of the Claims 7 to 9 , characterized in that the cathode space (4) is connected via a return line (12) to the reaction chamber (10; 10a) for the return of water.

Device according to one of the Claims 7 to 10 , characterized by a second fuel cell (20) for the flow of hydrogen gas, which is obtained in particular in a dehydrogenation of a preliminary product in a dehydrogenation reactor (17) to form the organic compound.

Use of an organic compound for generating electrical current, the organic compound having at least one double bond and / or at least one triple bond.

Use according to Claim 12 , the electricity being generated in a mobile application, in particular in a vehicle or in an aircraft.

Use according to Claim 12 or 13th , the organic compound in particular propene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene, isopentene, butadiene, 1,3-pentadiene, 1,4-pentadiene, 1,3-hexadiene, 1, 4-hexadiene, 1,5-hexadiene, 2,4-hexadiene, 1,3,5-heptatriene, cyclopentene, cyclohexene, vinylcyclohexane, cyclooctene, cyclooctadiene, cyclooctatetraene, 2,5-dimethylfuran, 2,6-dimethylpyran or a mixture is from at least two of the aforementioned compounds.