DE102023133571A1

DE102023133571A1 - Reversibles System umfassend eine reversible Brennstoffzelle und eine Metallhydrid-Speichervorrichtung

Info

Publication number: DE102023133571A1
Application number: DE102023133571.5A
Authority: DE
Inventors: Aline Leon
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 2022-12-01
Filing date: 2023-11-30
Publication date: 2024-06-06
Also published as: US20240243326A1; CA3221948A1; FR3142842A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System, umfassend: eine Brennstoffzelle, die imstande ist, in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus betrieben zu werden, dergestalt, dass: im ersten Betriebsmodus, die Brennstoffzelle Energie verbraucht, um Wasserstoff zu erzeugen, und im zweiten Betriebsmodus, die Brennstoffzelle Energie erzeugt, indem sie Wasserstoff verbraucht, eine erste Speichervorrichtung, um durch die Brennstoffzelle erzeugten Wasserstoff zu speichern, wenn die Brennstoffzelle im ersten Betriebsmodus betrieben wird, wobei die erste Speichervorrichtung imstande ist, den Wasserstoff mit einem ersten Druck zu absorbieren und den Wasserstoff mit einem zweiten Druck freizusetzen, der größer ist als der erste Druck, eine zweite Speichervorrichtung, die imstande ist, Wasserstoff aus der ersten Speichervorrichtung zu speichern, wobei die zweite Speichervorrichtung imstande ist, den Wasserstoff zu absorbieren, indem sie mit dem Wasserstoff ein zweites Metallhydrid bildet, wenn der Wasserstoff den zweiten Druck aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft die Systeme zum autonomen Speichern und Erzeugen von elektrischer Energie und, genauer gesagt, die reversiblen Systeme, die die Möglichkeit der Erzeugung von Wasserstoff, von Elektrizität, von Wärme und/oder von Wasser bieten. Diese Systeme funktionieren autonom und verwenden eine reversible Brennstoffzelle.
STAND DER TECHNIK
Die Entwicklung von Quellen erneuerbarer Energie geht mit der Entwicklung von Technologien zur Optimierung ihrer Nutzung und ihres Wirkungsgrades einher. Unter den verschiedenen verfügbaren Quellen erneuerbarer Energie ruft die Wasserstoff-Brennstoffzelle, die imstande ist, einerseits Elektrizität zu erzeugen und andererseits die Emission von Treibstoffgasen zu begrenzen, ein großes Interesse hervor.
Die Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, deren Funktionsweise auf chemischen Reduktions-Oxidations-Reaktionen zur Erzeugung von elektrischer Energie beruht: eine Oxidation eines Reduktionsbrennstoffs an einer Elektrode und eine Reduktion eines Oxidationsmittels an einer anderen Elektrode. Die Wasserstoff-Brennstoffzelle kann insbesondere selektiv gemäß zwei Betriebsmodi betrieben werden: ein erster Betriebsmodus, in dem die Brennstoffzelle im Elektrolysebetrieb ist, und ein zweiter Betriebsmodus, in dem die Brennstoffzelle im Entladebetrieb ist. Die Brennstoffzelle des SOFC („Solid Oxide Fuel Cell“ gemäß der angelsächsischen Terminologie)-Typs kann gemäß verschiedenen chemischen Reaktionen unter Verwendung beispielsweise von Methanol, von Methan oder einfach von Diwasserstoff auf der Wasserstoff-Elektrodenseite und von Sauerstoff auf der Sauerstoff-Elektrodenseite betrieben werden. Zur Vereinfachung wird auf den Fall der Brennstoffzellen Bezug genommen, die Sauerstoff und Wasserstoff verwenden.
Im ersten Betriebsmodus, dem Elektrolysebetrieb, gestattet eine erste endotherme Reaktion die Erzeugung von Wasserstoff und von Sauerstoff, mittels einer Zufuhr von Energie in Form von Elektrizität und von Wärme: H₂O +Q + 2e^- → H₂ + ½ O₂ (Elektrolyse) .
Im zweiten Betriebsmodus, dem Entladebetrieb, gestattet eine zweite exotherme Reaktion die Erzeugung von Wärme und von Elektrizität durch Rekombination von Wasserstoff und von Sauerstoff: H₂ + ½ O₂ → H₂O + 2e^- + Q (Endladung) .
Die Wärme Q und die elektrische Energie e^-, die für die endotherme Reaktion der Elektrolyse notwendig sind, um Wasserstoff mit einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck zu erzeugen, hängen zum Teil von der verwendeten Stromversorgung ab. Die elektrische Spannung der Brennstoffzelle im Elektrolysebetrieb gestattet nämlich, drei verschiedene Betriebsmodi zu definieren: allotherm, exotherm oder autotherm.
Der autotherme Betriebsmodus entspricht einem Modus, in dem die alleinige Versorgung mit elektrischer Energie die Bereitstellung der gesamten Energie, die für die endotherme Reaktion notwendig ist, gestattet, das heißt, die durch die endotherme Reaktion verbrauchte Menge an Wärme Q wird vollständig durch die Zufuhr von elektrischer Energie kompensiert, die in Wärme umgewandelt wird. Die an eine im autothermen Modus geladene Brennstoffzelle angelegte Spannung wird als thermoneutral bezeichnet.
Der exotherme Modus entspricht einer Spannung der Brennstoffzelle, die größer ist als die thermoneutrale Spannung. Bei derartigen Spannungswerten ist die Zufuhr von Energie in elektrischer Form dergestalt, dass sie selbst mehr Wärme erzeugt, als für die endotherme Reaktion notwendig ist. Dieser Modus verbraucht mehr elektrische Energie und führt zu Temperaturveränderungen im Innern der Brennstoffzelle, die ihre strukturelle Integrität beeinträchtigen können.
Der allotherme Modus entspricht einer Spannung der Brennstoffzelle, die kleiner ist als die thermoneutrale Spannung. Dieser Modus bewirkt einen geringeren Verbrauch elektrischer Energie. Er ist somit grundsätzlich zu bevorzugen. Allerdings setzt er eine Zufuhr von Wärme von außen in die Brennstoffzelle voraus.
Die Wasserstoff- und Sauerstoff-Brennstoffzellen weisen den Vorteil auf, dass sie keinerlei Treibhausgase, wie CO₂, emittieren. Einer der Nachteile ihrer Funktionsweise beruht auf der Tatsache, dass die Elektrolyse- und Entladereaktionen ein sehr unterschiedliches thermodynamisches Verhalten aufweisen: die eine verbraucht elektrische Energie und Wärme und erzeugt eine Gasentwicklung, die andere erzeugt elektrische Energie und Wärme und erfordert eine Zufuhr von gasförmigen Reaktionsmitteln. Um die Ströme von Reaktionsmitteln, von Erzeugnissen, von elektrischer Energie und von Wärme zu verwalten, ist eine Speichervorrichtung, die das Speichern des bei der endothermen Reaktion erzeugten Wasserstoffs gestattet, folglich im Allgemeinen an die Brennstoffzelle gekoppelt. Die Speichervorrichtung wird zum Speichern des von der Brennstoffzelle erzeugten Wasserstoffs verwendet, wenn die Brennstoffzelle im Elektrolysebetrieb betrieben wird, und zum Zurückgeben des gespeicherten Wasserstoffs, als Reaktionsmittel, verwendet, um die Brennstoffzelle zu versorgen, wenn die Brennstoffzelle im Entladebetrieb betrieben wird.
Mehrere technische Lösungen sind denkbar, um den Wasserstoff zu speichern und ihn anschließend zurückzugeben. Die Druckschrift WO2013/190024 schlägt zum Beispiel eine Vorrichtung vor, die das reversible Speichern durch Absorption von Wasserstoff in einem Material gestattet.
Ferner schlägt die Druckschrift WO2016/146956 die Verwendung der beim Speichern von Wasserstoff in dem Material erzeugten Wärme vor, um ein Fluid, das zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Reaktionsmittel dient, auf eine vorbestimmte Temperatur zu bringen.
Allerdings müssen die verschiedenen Materialien, die zum Speichern des Wasserstoffs imstande sind, in spezielle Druck- und Temperaturbedingungen versetzt werden, um eine Absorption des Wasserstoffs durch das Material oder eine Desorption des Wasserstoffs durch das Material zu bewirken.
Bestimmte metallische Materialien, wie zum Beispiel Magnesium, gestatten das Speichern einer großen Menge an Wasserstoff in Form eines Metallhydrids. Allerdings erfordert die Absorption des Wasserstoffs durch das Material, dass der Wasserstoff auf einem Druck gehalten wird, der höher ist als der atmosphärische Druck, zum Beispiel ein Druck von 10 bar bei Magnesium. Nun erzeugt aber die Brennstoffzelle den Wasserstoff mit atmosphärischem Druck.
Es wäre denkbar, einen Wasserstoff-Kompressor vorzusehen, der die Erhöhung des Drucks des von der Brennstoffzelle erzeugten Wasserstoffs gestattet, um die Speichervorrichtung mit Druckwasserstoff zu versorgen. Allerdings ist diese Lösung besonders komplex in ihrer Umsetzung und folglich wenig ökonomisch.
DARLEGUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Lösung vorzuschlagen, die das effiziente Speichern des von einer Brennstoffzelle erzeugten Wasserstoffs gestattet.
Dieses Ziel wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit Hilfe eines Systems erreicht, das umfasst:

- eine Brennstoffzelle, die imstande ist, selektiv in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben zu werden, dergestalt, dass:
- im ersten Betriebsmodus, die Brennstoffzelle elektrische Energie verbraucht, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen, und
- im zweiten Betriebsmodus, die Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt, indem sie Wasserstoff und Sauerstoff verbraucht,
- eine erste Speichervorrichtung zum Speichern des Wasserstoffs, der von der Brennstoffzelle erzeugt wird, wenn die Brennstoffzelle im ersten Betriebsmodus ist, wobei die erste Speichervorrichtung ein erstes Material enthält, das imstande ist, den Wasserstoff zu absorbieren, indem es mit dem Wasserstoff ein erstes Metallhydrid bildet, wenn der Wasserstoff einen ersten Druck aufweist, und den Wasserstoff durch Desorption freizusetzen, wenn der Wasserstoff einen zweiten Druck aufweist, der größer ist als der erste Druck, wobei das erste Metallhydrid eine erste Absorptionsenthalpie aufweist,
- eine zweite Speichervorrichtung, die imstande ist, Wasserstoff aus der ersten Speichervorrichtung zu speichern, wobei die zweite Speichervorrichtung ein zweites, von dem ersten Material verschiedenes Material enthält, wobei das zweite Material imstande ist, den Wasserstoff zu absorbieren, indem es mit dem Wasserstoff ein zweites Metallhydrid bildet, wenn der Wasserstoff den zweiten Druck aufweist, wobei das zweite Metallhydrid eine zweite Absorptionsenthalpie aufweist, die, im Absolutwert, größer ist als die erste Absorptionsenthalpie des ersten Metallhydrids.

Die erste Speichervorrichtung bildet so eine transitorische Speichervorrichtung, die gestattet, den Wasserstoff von dem ersten Druck auf den zweiten Druck zu bringen, um die zweite Speichervorrichtung zu versorgen.
Das zweite Material kann so gewählt sein, dass die zweite Speichervorrichtung imstande ist, eine große Menge an Wasserstoff zu speichern. Darüber hinaus kann die Wärme, die durch die Absorption des Wasserstoffs durch das zweite Material erzeugt wird, verwendet werden, um das Wasser, das die Brennstoffzelle versorgt, wenn die Brennstoffzelle im ersten Betriebsmodus betrieben wird, aufzuheizen, was die Erhöhung des Wirkungsgrades der Elektrolysereaktion gestattet.
Die Erfindung wird vorteilhafterweise durch die folgenden Merkmale ergänzt, die alleine oder in jeder beliebigen technisch möglichen Kombination vorkommen können:

- wobei das System eine erste Heizvorrichtung umfasst, um das erste Metallhydrid so aufzuheizen, dass ein Druck des Wasserstoffs, der in der ersten Speichervorrichtung gespeichert ist, von dem ersten Druck auf den zweiten Druck gebracht wird;
- die erste Heizvorrichtung ist imstande, durch Restwasser, das von der Brennstoffzelle nicht verbraucht worden ist, mit Wärme versorgt zu werden, wenn die Brennstoffzelle im ersten Betriebsmodus betrieben wird;
- das zweite Material ist imstande, beim Speichern durch Absorption des Wasserstoffs in dem zweiten Material eine Menge an Wärme zu erzeugen, die notwendig ist, um Wasser zur Versorgung der Brennstoffzelle zu verdampfen, wenn die Brennstoffzelle im ersten Betriebsmodus betrieben wird;

- wobei das System einen ersten Wärmetauscher umfasst, der imstande ist, die beim Speichern durch Absorption des Wasserstoffs in dem zweiten Material erzeugte Wärme an das Wasser zur Versorgung der Brennstoffzelle zu übertragen, wenn die Brennstoffzelle im ersten Betriebsmodus betrieben wird;
- der erste Wärmetauscher ist imstande, Wärme aus dem von der Brennstoffzelle erzeugten Wasser zu dem zweiten Metallhydrid hin zu übertragen, derart, dass eine Desorption des in der zweiten Speichervorrichtung gespeicherten Wasserstoffs bewirkt wird, um die Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu versorgen, wenn die Brennstoffzelle im zweiten Betriebsmodus betrieben wird;
- wobei das System einen zweiten Wärmetauscher umfasst, der imstande ist, Wärme aus dem von der Brennstoffzelle erzeugten Wasserstoff, zu Wasser zur Versorgung der Brennstoffzelle hin zu übertragen, um die Brennstoffzelle mit Dampf zu versorgen, wenn die Brennstoffzelle im ersten Betriebsmodus betrieben wird;
- der zweite Wärmetauscher ist imstande, Wärme aus dem von der Brennstoffzelle erzeugten Wasser zu Wasserstoff aus der ersten Speichervorrichtung und/oder der zweiten Speichervorrichtung hin zu übertragen, um die Brennstoffzelle mit aufgeheiztem Wasserstoff zu versorgen, wenn die Brennstoffzelle im zweiten Betriebsmodus betrieben wird;
- wobei das System einen Kondensator umfasst, um den von der Brennstoffzelle erzeugten Wasserstoff und Restwasser, das von der Brennstoffzelle nicht verbraucht worden ist, zu trennen, wenn die Brennstoffzelle im ersten Betriebsmodus betrieben wird;
- die erste Speichervorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Speicherzellen und eine Einlass-/Auslass-Leitung, wobei jede Speicherzelle imstande ist, über die Einlass-/Auslass-Leitung mit Wasserstoff aus der Brennstoffzelle versorgt zu werden und Wasserstoff zu der zweiten Speichervorrichtung hin abzulassen, und ein Ventil, das steuerbar ist, um die Einlass-/Auslass-Leitung jeder Speicherzelle selektiv mit einer Leitung für den Transport von Wasserstoff zu verbinden, die eingerichtet ist, um den Wasserstoff zwischen der Brennstoffzelle und/oder der ersten Speichervorrichtung und/oder der zweiten Speichervorrichtung zu transportieren, unabhängig von den anderen Speicherzellen;
- wobei das System ein Verbindungsventil umfasst, das imstande ist, die zweite Speichervorrichtung selektiv mit der ersten Speichervorrichtung zu verbinden, um die zweite Speichervorrichtung mit Wasserstoff aus der ersten Speichervorrichtung zu versorgen, wenn die Brennstoffzelle im ersten Betriebsmodus betrieben wird, oder mit der Brennstoffzelle zu verbinden, um die Brennstoffzelle mit Wasserstoff aus der zweiten Speichervorrichtung zu versorgen, wenn die Brennstoffzelle im zweiten Betriebsmodus betrieben wird;
- wobei das System eine zweite Heizvorrichtung und einen Regler umfasst, der imstande ist, die zweite Heizvorrichtung zu steuern, um die Brennstoffzelle auf einer vordefinierten Nennbetriebstemperatur zu halten, die zwischen 650 °C und 850 °C beträgt;
- das erste Material der ersten Speichervorrichtung enthält eine Verbindung, die ausgewählt ist aus Lanthan, Titan, Vanadium, Nickel oder einer Kombination aus diesen Elementen;
- das zweite Material der zweiten Speichervorrichtung enthält Magnesium.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Systems gemäß der obigen Definition vorgeschlagen, bei dem die Brennstoffzelle im ersten Betriebsmodus betrieben wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

- Speichern durch Absorption des von der Brennstoffzelle erzeugten Wasserstoffs mit dem ersten Druck in der ersten Speichervorrichtung,
- Aufheizen des ersten Metallhydrids, derart, dass der in der ersten Speichervorrichtung gespeicherte Wasserstoff von dem ersten Druck auf den zweiten Druck gebracht wird,
- Freisetzen durch Desorption des in der ersten Speichervorrichtung gespeicherten Wasserstoffs und
- Speichern durch Absorption des freigesetzten Wasserstoffs aus der ersten Speichervorrichtung in der zweiten Speichervorrichtung mit dem zweiten Druck, wobei die zweite Speichervorrichtung den freigesetzten Wasserstoff mit einer gleichen Geschwindigkeit speichert, wie die erste Speichervorrichtung den gespeicherten Wasserstoff freisetzt.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Systems gemäß der obigen Definition vorgeschlagen, bei dem die Brennstoffzelle im zweiten Betriebsmodus betrieben wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

- Aufheizen des zweiten Metallhydrids, derart, dass eine Desorption des in der zweiten Speichervorrichtung gespeicherten Wasserstoffs bewirkt wird, und
- Versorgen der Brennstoffzelle mit dem desorbierten Wasserstoff aus der zweiten Speichervorrichtung.

Das Verfahren kann ferner die folgenden Schritte umfassen:

- Aufheizen des ersten Metallhydrids, derart, dass eine Desorption des in der ersten Speichervorrichtung gespeicherten Wasserstoffs bewirkt wird, und
- Versorgen der Brennstoffzelle mit dem desorbierten Wasserstoff aus der ersten Speichervorrichtung.

BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die rein beispielhaft und nicht erschöpfend ist und unter Berücksichtigung der beigefügten Zeichnungen zu lesen ist, in denen:

- 1 schematisch ein System gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung darstellt;
- 2 schematisch das System darstellt, das gemäß einem ersten Betriebsmodus betrieben wird;
- 3 schematisch das System darstellt, das gemäß einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird;
- 4A und 4B Schritte eines ersten Verfahrens zum Betreiben des Systems bzw. eines zweiten Verfahrens zum Betreiben des Systems veranschaulichen.

In sämtlichen Figuren tragen ähnliche Elemente identische Bezugszeichen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Allgemeines System
In 1 umfasst das System 1 eine Brennstoffzelle 2, eine erste Speichervorrichtung 3 (oder Niederdruck-Speichervorrichtung) und eine zweite Speichervorrichtung 4 (oder Hochdruck-Speichervorrichtung).
Die Brennstoffzelle 2 umfasst im Allgemeinen eine Mehrzahl von elementaren Zellen (nicht dargestellt), die jeweils eine Anode und eine Kathode umfassen. 1 stellt beispielhaft eine Brennstoffzelle 2 dar, die imstande ist, Diwasserstoff H₂ zu erzeugen. Der Einfachheit halber ist im Folgenden von Wasserstoff H₂ die Rede. Die Erfindung kann allerdings durchaus auf andere Kategorien von Brennstoffzellen angewendet werden, die anstelle einer Verbindung auf Basis von Wasserstoff H₂ andere Verbindungen als Diwasserstoff H₂ verwenden, wie zum Beispiel Methanol, oder Methan.
Unter „reversible Brennstoffzelle“ ist eine Brennstoffzelle zu verstehen, die eingerichtet ist, um selektiv: ein chemisches Reaktionsmittel A und ein chemisches Reaktionsmittel B zu verbrauchen, um elektrische Energie und eine chemische Verbindung C zu erzeugen, oder um elektrische Energie und das chemische Produkt (somit zu einem Reaktionsmittel geworden) C zu verbrauchen, um die Verbindungen A und B zu erzeugen. Unter „reversible Brennstoffzelle“ ist daher eine Brennstoffzelle zu verstehen, die imstande ist, selektiv zu erzeugen:

- Wasserstoff H₂ gemäß einer ersten Reaktion R1 durch Zersetzung eines Fluids, das Wasserstoffatome H enthält, und
- elektrische Energie und Wärme gemäß einer zweiten exothermen Reaktion R2 durch Rekombination von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂.

Die erste Reaktion R1 erfolgt vorteilhafterweise, wenn die Brennstoffzelle 2 im Elektrolysebetrieb betrieben wird. Die erste Reaktion R1 wird in der Brennstoffzelle 2 durchgeführt, wenn diese gemäß einem ersten Betriebsmodus F1, so genannter „Ladebetrieb“, betrieben wird. $H_{2} O + 2 e^{-} + Q \to H_{2} + \frac{1}{2} Q_{2}$
Die zweite Reaktion R2 erfolgt vorteilhafterweise, wenn die Brennstoffzelle 2 im Entladebetrieb betrieben wird. Die zweite Reaktion R2 wird in der Brennstoffzelle 2 durchgeführt, wenn diese gemäß einem zweiten Betriebsmodus F2, so genannter „Entladebetrieb“, betrieben wird. $H_{2} + \frac{1}{2} O_{2} \to H_{2} O + 2 e^{-} + Q$
Die Brennstoffzelle 2 wird, vorteilhafterweise, im ersten Betriebsmodus F1 und im zweiten Betriebsmodus F2 mit einer Temperatur T1, so genannte „Nennbetriebstemperatur“, betrieben. Die Nennbetriebstemperatur T1 der Brennstoffzelle 2 ist zum Beispiel nahe 850 °C, +/- 20 %. Der Betrieb der Brennstoffzelle mit dieser Temperatur T1 weist zahlreiche Vorteile auf. Er gestattet nämlich, die Betriebsspannung zu verringern, die Kinetik der Reaktionen in der Brennstoffzelle zu beschleunigen, die energetischen Verluste zu verringern und nur einen einzigen reversiblen Zellentyp anstelle von zwei in einem Niedertemperaturbetrieb zu verwenden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das System 1 eine Heizvorrichtung 20, als zweite Heizvorrichtung 20 bezeichnet, die durch einen Regler steuerbar ist, um die Brennstoffzelle 2 auf die vordefinierte Nennbetriebstemperatur T1 aufzuheizen.
Das System 1 umfasst, ferner, bei der Brennstoffzelle 2, ein Ventil 21 zum Ansaugen und Ausstoßen von Wasserstoff, ein Ventil 22 zum Aussto-ßen von Sauerstoff, ein Ventil 23 zum Ansaugen von Sauerstoff und ein Ventil 24 zum Ansaugen und Ausstoßen von Wasser.
Die erste Speichervorrichtung 3 und die zweite Speichervorrichtung 4 sind mit der Brennstoffzelle 2 verbunden, um den Wasserstoff H₂ speichern, der bei der ersten Reaktion R1 im Elektrolysebetrieb erzeugt wird, und ihn als Reaktionsmittel der zweiten Reaktion R2 zurückzugeben, um die Brennstoffzelle 2 im Entladebetrieb zu versorgen.
Erste Speichervorrichtung
Die erste Speichervorrichtung 3 enthält ein erstes Material M1, das imstande ist, Wasserstoff H₂ zu absorbieren, indem es mit dem Wasserstoff H₂ ein erstes Metallhydrid HM1 bildet, wenn der Wasserstoff H₂ einen ersten Druck P0 und eine Temperatur T0, so genannte Umgebungstemperatur T0, aufweist, und den Wasserstoff H₂ durch Desorption mit einem zweiten Druck P1 freizusetzen, der größer ist als der erste Druck P0.
Unter „Hydrid“ ist eine chemische Verbindung zu verstehen, die aus Wasserstoff H₂ und aus einem weiteren, noch weniger elektronegativen Element besteht. Ein Metallhydrid ist daher eine chemische Verbindung, die aus Wasserstoff H₂ und aus einem metallischen Element M besteht. Das Metall, aus dem das Metallhydrid besteht, ist vorteilhafterweise so ausgewählt, dass es die Absorption und die Desorption von Wasserstoff H₂ erleichtert, die Speicherkapazität maximiert und einen Druck- und Betriebstemperaturbereich wählt. Ferner erzeugt das Metallhydrid HM beim Speichern des Wasserstoffs H₂ Wärme und setzt Wasserstoff H₂ frei, wenn das Metallhydrid HM aufgeheizt wird. Die vom Metallhydrid HM beim Speichern des Wasserstoffs H₂ erzeugte Wärmemenge ist mit einer Enthalpie verbunden, die jedem Metallhydrid HM eigen ist, mit ΔH bezeichnet und „Standardbildungsenthalpie des Metallhydrids“ oder „Absorptions-/Desorptions-Enthalpie des Metallhydrids“ oder, einfacher, „Absorptions-Enthalpie des Metallhydrids“ genannt wird. Der Wert der Absorptions-Enthalpie eines Metallhydrids HM steht in Wechselbeziehung mit der Steigung der Van-'t-Hoff'schen Geraden des Metallhydrids HM in einem Van-'t-Hoff'schen Diagramm. Mit anderen Worten: je größer die Steigung der Van-'t-Hoff'schen Geraden eines Metallhydrids HM im Van-'t-Hoff'schen Diagramm im Absolutwert ist, desto größer ist die Absorptions-Enthalpie des Metallhydrids HM im Absolutwert.
Der erste Druck P0 ist, zum Beispiel, gleich 1 bar.
Der zweite Druck P1 ist, zum Beispiel, gleich 10 bar.
Das erste Material M1 ist, zum Beispiel, ausgewählt aus Lanthan, Titan, Vanadium, Nickel oder einer Kombination aus diesen Elementen, wie zum Beispiel LaNi₅, FeTi oder FeTi_0,85Mn_0,05. Ein derartiges erstes Material M1 ist imstande, Wasserstoff H₂ zu absorbieren, indem es mit dem Wasserstoff H₂ ein erstes Metallhydrid HM1, zum Beispiel des Typs LaNi₅H₂, FeTiH₂ oder FeTi_0,85Mn_0,05H₂, bildet.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das System 1 eine Heizvorrichtung 31, als erste Heizvorrichtung 31 bezeichnet, um das erste Metallhydrid HM1 der ersten Speichervorrichtung 3 so aufzuheizen, dass der Druck des Wasserstoffs vom ersten Druck P0 auf den zweiten Druck P1 gebracht wird. Die Heizvorrichtung 31 ist dafür eingerichtet, die erste Speichervorrichtung 3 auf eine Temperatur T3 aufzuheizen, vorzugsweise von 60 °C.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Speichervorrichtung 3 eine Einlass-/Auslass-Leitung 32 und ein Ventil 36. Das Ventil 36 ist imstande:

- die Einlass-/Auslass-Leitung 32 mit einer Einrichtung zum Versorgen der ersten Speichervorrichtung (nachstehend beschrieben) mit Wasserstoff H₂ zu verbinden, um die Absorption durchzuführen, oder
- die Einlass-/Auslass-Leitung 32 mit einer Einrichtung zum Ablassen von Wasserstoff H₂ aus der ersten Speichervorrichtung 3 (nachstehend beschrieben) zu verbinden, um die Desorption durchzuführen, oder
- die Einlass-/Auslass-Leitung 32 zu schließen, um den in der ersten Speichervorrichtung 3 gespeicherten Wasserstoff H₂ aufzuheizen, ohne ihn zu desorbieren.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Speichervorrichtung 3 eine Mehrzahl von Speicherzellen 34, die jeweils ein Ventil 36 umfassen. Das Ventil 36 jeder Speicherzelle 35 ist steuerbar, um die Einlass-/Auslass-Leitung 32 mit der Einrichtung zum Versorgen der ersten Speichervorrichtung mit Wasserstoff H₂ oder mit der Einrichtung zum Ablassen von Wasserstoff H₂ aus der ersten Speichervorrichtung 3 unabhängig von den anderen Speicherzellen 35 zu verbinden. So ist jede Speicherzelle 35 imstande, mit Wasserstoff H₂ aus der Brennstoffzelle 2, der durch die Heizvorrichtung 31 aufgezeigt wurde, versorgt zu werden und Wasserstoff H₂ zu der zweiten Speichervorrichtung 4 hin abzulassen. Die Anzahl an Speicherzellen 35 der ersten Speichervorrichtung 3 wird so bestimmt, dass, gemäß dem ersten Betriebsmodus F1, ein gewünschter Transferfluss von Wasserstoff H₂ zwischen der ersten Speichervorrichtung 3 und der zweiten Speichervorrichtung 4 erzeugt wird.
Zweite Speichervorrichtung
Die zweite Speichervorrichtung 4 enthält ein zweites, von dem ersten Material M1 verschiedenes Material M2. Das zweite Material M2 ist imstande, Wasserstoff H₂ zu absorbieren, indem es mit dem Wasserstoff H₂ ein zweites Metallhydrid HM2 bildet, wenn der Wasserstoff H₂ einen zweiten Druck P1 aufweist.
Die zweite Speichervorrichtung 4 ist so imstande, den Wasserstoff H₂ zu speichern, wenn dieser einen Druck aufweist, der gleich dem zweiten Druck P1 zur Desorption des Wasserstoffs H₂ durch die erste Speichervorrichtung 3 ist.
Vorzugsweise weist das zweite Metallhydrid HM2 eine Absorptionsenthalpie auf, die im Absolutwert größer ist als eine Absorptionsenthalpie des ersten Metallhydrids HM1. Vorteilhafterweise ist die Absorptionsenthalpie des zweiten Metallhydrids HM2 (im Absolutwert) wenigstens zweimal so groß wie die Absorptionsenthalpie des ersten Metallhydrids HM1.
So ist das zweite Metallhydrid HM2 der zweiten Speichervorrichtung 4 imstande, Wasserstoff H₂ unter höherem Druck zu speichern als das erste Metallhydrid HM2 der ersten Speichervorrichtung 3 und somit eine größere Menge an Wasserstoff (als Äquivalentmasse des Materials) zu speichern. Des Weiteren ist das zweite Metallhydrid HM2 der zweiten Speichervorrichtung 4 imstande, Wasserstoff H₂ zu speichern, indem es Wärme erzeugt, die größer ist als die Wärme, die beim Speichern von Wasserstoff H₂ durch das erste Metallhydrid HM1 der ersten Speichervorrichtung 3 erzeugt wird.
Das zweite Material M2 ist, zum Beispiel, ausgewählt aus Magnesium oder Natrium oder einer Kombination aus diesen Elementen, wie zum Beispiel Mg, NaMg, Mg₂Fe, Mg₂. Das zweite Metallhydrid HM2 kann ausgewählt sein aus den Verbindungen der Familie des Magnesiums wie MgH₂, NaMgH₂, Mg₂FeH₆, Mg₂NiH₄. Magnesiumhydrid ist von besonderem Interesse, da es eine sehr hohe Kapazität zur Absorption von Wasserstoff H₂ aufweist und da es eine große Menge an Wärme im Laufe des Prozesses zum Speichern durch Absorption mit einem Druck gleich dem zweiten Druck P1 der Desorption von Wasserstoff H₂ durch die erste Speichervorrichtung 3 erzeugt.
Zum Beispiel beträgt die Absorptionsenthalpie von Magnesiumhydrid MgH₂ -75,2 kJ/mol, während die Absorptionsenthalpie von Lanthan-Nickel-Hydrid -30,8 kJ/mol beträgt (wobei die Negativwerte durch das Bezugssystem des Materials bedingt sind, das im Laufe der Absorption Wärme freisetzt). Magnesiumhydrid setzt im Laufe der Absorption des Wasserstoffs H₂ daher eine größere Menge an Wärme frei als Lanthan-Nickel-Hydrid.

Die unten stehende Tabelle gibt eine Übersicht über die Eigenschaften bestimmter Hydride, die verwendet werden können:

	Gespeicherte Wasserstoffmenge (Massen-%)	ΔH (Standard-Bildungsenthalpie kJ/mol)	Wärmespeicherdichte (kWh/kg)	Gleichgewichtstemperatur (°C) bei 1 bar Druck
LaNi₅H₂ (erstes Hydrid)	1,38	30,8	0,02	25
MgH₂ (zweites Hydrid)	7,7	75	0,78	280

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das System 1 einen ersten Wärmetauscher 41, der das Aufheizen des zweiten Metallhydrids HM2 der zweiten Speichervorrichtung 4 gestattet und dadurch die Desorption des in der zweiten Speichervorrichtung 4 gespeicherten Wasserstoffs H₂ begünstigt, wenn die Brennstoffzelle 2 gemäß dem zweiten Betriebsmodus F2 betrieben wird, und das Aufheizen des Wassers zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 gestattet, wenn die Brennstoffzelle 2 im ersten Betriebsmodus F1 betrieben wird. Vorteilhafterweise ist der erste Wärmetauscher 41 imstande, eine Desorption des Wasserstoffs H₂ der zweiten Speichervorrichtung 4 mit einer Temperatur T4 von 300 °C, +/- 25 %, zu bewirken. Ferner ist der erste Wärmetauscher 41 imstande, das Wasser zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 auf die Temperatur T4 aufzuheizen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die zweite Speichervorrichtung 4 eine Zelle 42, eine interne Leitung 43 und vorteilhafterweise ein Ventil 44. Die interne Leitung 43 ist imstande, den von der ersten Speichervorrichtung 4 desorbierten Wasserstoff H₂ aufzunehmen. Das Ventil 44 ist dafür eingerichtet, die Zelle 42 mit der internen Leitung 43 zu verbinden. Gegebenenfalls umfasst die zweite Speichervorrichtung 4 mehr als eine Zelle 42 und ein Ventil 44 pro Zelle 42, so dass es unabhängig jede Zelle 42 mit der internen Leitung 43 verbinden kann.
Das System 1 umfasst ferner ein Leitungsnetz. Das Leitungsnetz umfasst: eine Leitung 6a, 6b für den Transport von Wasserstoff, eine Leitung 7a, 7b für den Transport von Wasser und eine Leitung 9 für den Transport von Sauerstoff sowie einen zweiten Wärmetauscher 81, ein Verbindungsventil 5, einen Kondensator 61 und einen Wassertank 71.
Die Leitung 6a, 6b für den Transport von Wasserstoff transportiert den Wasserstoff H₂ zwischen der Brennstoffzelle 2 und/oder der ersten Speichervorrichtung 3 und/oder der zweiten Speichervorrichtung 4. Die Leitung 6a, 6b für den Transport von Wasserstoff kommuniziert mit dem Ventil 21 zum Ansaugen und Ausstoßen von Wasserstoff der Brennstoffzelle 2 und mit der ersten Speichervorrichtung 3 und der zweiten Speichervorrichtung 4. Insbesondere umfasst die Leitung 6a, 6b für den Transport von Wasserstoff einen Ladekanal 6a und einen Entladekanal 6b.
Der Ladekanal 6a erstreckt sich von dem Ventil 21 zum Ansaugen und Ausstoßen von Wasserstoff bis zu dem Ventil 36 der ersten Speichervorrichtung 3. Der Ladekanal 6a führt in den zweiten Wärmetauscher 81 und anschließend in den Kondensator 61. Der zweite Wärmetauscher 81 gestattet einen Wärmeaustausch zwischen dem von der Brennstoffzelle 2 erzeugten Wasserstoff H₂ und dem Wasser zur Versorgung der Brennstoffzelle 2. Der Wärmeaustausch zwischen dem von der Brennstoffzelle 2 erzeugten Wasserstoff H₂ und dem Wasser zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 gestattet dem Wasser zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 die Aufnahme von Wärme und das Erreichen der Temperatur T2. Der Kondensator 61 trennt durch Kondensation das Restwasser vom Wasserstoff H₂, der in dem Ladekanal 6a zirkuliert. Der von der Brennstoffzelle 2 erzeugte Wasserstoff wird nämlich mit Restwasser, das von der Brennstoffzelle 2 nicht verbraucht worden ist, vermischt, wenn die Brennstoffzelle 2 im ersten Betriebsmodus F1 betrieben wird. Der Ladekanal 6a ist mit der ersten Speichervorrichtung 3 und, genauer gesagt, mit dem Ventil 36 der ersten Speichervorrichtung 3 verbunden, um die erste Speichervorrichtung 3 mit dem von der Brennstoffzelle 2 erzeugten Wasserstoff H₂ zu versorgen. Der Ladekanal 6a schließlich verbindet das Ventil 36 der ersten Speichervorrichtung 3 mit dem Verbindungsventil 5 der zweiten Speichervorrichtung 4.
Der Entladekanal 6b erstreckt sich von dem Verbindungsventil 5 bis zu dem Ventil 21 zum Ansaugen und Ausstoßen von Wasserstoff. Der Entladekanal 6b führt durch den zweiten Wärmetauscher 81. Gegebenenfalls verbindet der Entladekanal 6b ferner die Einlass-/Auslass-Leitung 32 der ersten Speichervorrichtung 3 mit dem Ventil 21 zum Ansaugen und Aussto-ßen von Wasserstoff.
Die Leitung 7a, 7b für den Transport von Wasser kommuniziert mit dem Ventil 24 zum Ansaugen und Ausstoßen von Wasser der Brennstoffzelle 2 und der ersten Speichervorrichtung 3 und der zweiten Speichervorrichtung 4. Genauer gesagt umfasst die Leitung 7a, 7b für den Transport von Wasser einen Ladewasserkanal 7a und einen Entladewasserkanal 7b.
Der Ladewasserkanal 7a erstreckt sich von dem Kondensator 61 bis zum Wassertank 71 einerseits und bis zu der Heizvorrichtung 31 der ersten Speichervorrichtung 3 andererseits. Anschließend verbindet der Ladewasserkanal 7a den Wassertank 71 mit dem Ventil 24 zum Ansaugen und Ausstoßen von Wasser, indem er durch den ersten Wärmetauscher 41 und anschließend durch den zweiten Wärmetauscher 81 führt.
Der Entladewasserkanal 7b erstreckt sich von dem Ventil 24 zum Ansaugen und Ausstoßen von Wasser bis zu dem ersten Wärmetauscher 41. Der Entladewasserkanal 7b führt durch den zweiten Wärmetauscher 81. Anschließend kommuniziert der Entladewasserkanal 7b mit dem Wassertank 71, indem er gegebenenfalls in einen zusätzlichen Wärmetauscher 83 führt, um ein externes Warmwassernetz zu versorgen. Darüber hinaus verbindet das Entladewassernetz (!) 7b den Wassertank 71 mit der Heizvorrichtung 31 der ersten Speichervorrichtung 3.
Die Leitung 9 für den Transport von Sauerstoff kommuniziert mit dem Ventil 22 zum Ausstoßen von Sauerstoff, dem Ventil 23 zum Ansaugen von Sauerstoff 23 und einer externen Sauerstoffquelle (nicht dargestellt). Die externe Sauerstoffquelle kann die Umgebungsluft sein. Die externe Quelle kann dem System 1 nämlich reinen Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Luft bereitstellen, wovon jedoch nur der Sauerstoff an der zweiten Reaktion R2 beteiligt ist. Genauer gesagt, erstreckt sich die Leitung 9 für den Transport von Sauerstoff von der externen Sauerstoffquelle und bis zum Ventil 23 zum Ansaugen von Sauerstoff, indem sie einen Luft-Luft-Wärmetauscher 82 durchquert. Anschließend verbindet die Leitung 9 für den Transport von Sauerstoff das Ventil 22 zum Ausstoßen von Sauerstoff mit der Atmosphäre, indem sie einen Luft-Luft-Wärmetauscher 82 durchquert.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das System 1 einen Regler 200, der imstande ist, Folgendes zu steuern:

- die zweite Heizvorrichtung 20, um die Brennstoffzelle 2 auf der Nennbetriebstemperatur T1 der Brennstoffzelle 2 zu halten,
- die erste Heizvorrichtung 31, um die erste Speichervorrichtung 3 so aufzuheizen, dass der Druck des Wasserstoffs H₂ vom ersten Druck P0 auf den zweiten Druck P1 gebracht wird, und/oder um die Desorption des Wasserstoffs H₂ durch die zweite Speichervorrichtung 3 zu bewirken,
- den ersten Wärmetauscher 41, so dass alternativ das zweite Metallhydrid HM2 der zweiten Speichervorrichtung 4 aufgeheizt und dadurch die Desorption des in der zweiten Speichervorrichtung 4 gespeicherten Wasserstoffs H₂ bewirkt wird, wenn die Brennstoffzelle 2 gemäß dem zweiten Betriebsmodus F2 betrieben wird, oder das Wasser zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 aufzuheizen, wenn die Brennstoffzelle 2 im ersten Betriebsmodus F1 betrieben wird,
- jedes Ventil 36 einer Zelle 35 für die Verbindung der Einlass-/Auslass-Leitung 32 mit dem Ladekanal 6a oder dem Entladekanal 6b,
- jedes Ventil 44 einer Zelle 42 für die Verbindung der internen Leitung 43 und
- das Verbindungsventil 5, um die interne Leitung 43 der zweiten Speichervorrichtung 4 mit dem Ladekanal 6a oder dem Entladekanal 6b zu verbinden.

Lade-Betriebsmodus
2 stellt schematisch die Konfiguration dar, in der sich das System 1 befindet, wenn die Brennstoffzelle 2 gemäß dem ersten Betriebsmodus F1 betrieben wird. Und 4A veranschaulicht die Hauptschritte zur Durchführung des Verfahrens, das dieses System 1 verwendet, im ersten Betriebsmodus F1.
Wie oben dargelegt, ist der erste Betriebsmodus F1 der so genannte „Ladebetriebsmodus“, der die erste Reaktion R1 durchführt. Die erste Reaktion R1 ist eine Elektrolysereaktion, die Wasserstoff H₂ und Sauerstoff O₂ erzeugt, mittels einer Zufuhr von Wasser, und von Energie, in Form von elektrischer Energie und von Wärme. Um die erste Reaktion R1 durchzuführen, ist es somit notwendig, die Brennstoffzelle 2 mit elektrischer Energie aus einer Energiequelle zu versorgen.
Die Brennstoffzelle 2 erzeugt im Laufe eines Schrittes zur Elektrolyse (Schritt E0) ein Gemisch, das gasförmigen Wasserstoff H₂ und Wasserdampf enthält. Der Wasserdampf besteht aus Restwasser, das durch die erste Reaktion R1 nicht verbraucht worden ist. Das von der Brennstoffzelle 2 erzeugte Wasserstoff-Wasser-Gemisch weist den ersten Druck P0 von 1 bar und die Nennbetriebstemperatur T1 auf, wenn das Wasserstoff-Wasser-Gemisch das Ventil 21 zum Ansaugen und Ausstoßen von Wasserstoff der Brennstoffzelle 2 durchfließt.
Ein Teil der Wärme aus dem Wasserstoff-Wasser-Gemisch wird mittels des zweiten Wärmetauschers 81 an das in dem Ladewasserkanal 7a der Brennstoffzelle 2 zirkulierende Wasser übertragen, der die Brennstoffzelle 2 mit Wasser versorgt, so dass das Wasser von der Temperatur T4 auf eine Temperatur T2 gebracht wird, die größer als die Temperatur T4 ist. Die Brennstoffzelle 2 wird nämlich vorteilhafterweise mit Wasser mit der Temperatur T2 versorgt. Die Temperatur T2 beträgt vorzugsweise 800 °C +/- 15 %. Der andere Teil der Wärme aus dem Wasserstoff-Wasser-Gemisch, das in dem Ladekanal 6a zirkuliert, kann danach an die erste Speichervorrichtung 3 übertragen werden.
Das den Wasserstoff H₂ und den Wasserdampf enthaltende Gemisch wird in einen Kondensator 61 geleitet, um den Wasserstoff H₂ vom Wasserdampf zu trennen. Somit wird gasförmiger Wasserstoff H₂, der den ersten Druck P0 und die Temperatur T0 aufweist und aus dem Kondensator 61 stammt, an die erste Speichervorrichtung 3 übertragen.
Die erste Speichervorrichtung 3 speichert den Wasserstoff H₂ mit dem ersten Druck P0, im Laufe eines Schrittes zur Absorption (Schritt E11) durch das erste Material der ersten Speichervorrichtung 3, indem es das Metallhydrid HM1 bildet. Das Ventil 36 verbindet sodann den Ladekanal 6a mit dem Einlasskanal 32 der ersten Speichervorrichtung 3, um die Speichervorrichtung 3 mit Wasserstoff H₂ aus der Brennstoffzelle 2 zu befüllen. Sobald die Absorption (Schritt E11) realisiert ist, wird das Ventil 36 geschlossen, das heißt, es verbindet den Einlass-/Auslasskanal 32 nicht mehr mit den Ladekanälen 6a.
Anschließend wird das Metallhydrid HM1 mittels der Heizvorrichtung 31 bis auf die Temperatur T3 aufgeheizt (Schritt E12). Das Aufheizen des Metallhydrids HM1 der ersten Speichervorrichtung 3 führt zu einer Erhöhung des Drucks des Wasserstoffs H₂ im Inneren des Metallhydrids HM1 der ersten Speichervorrichtung 3. Vorteilhafterweise weist das Metallhydrid HM1 bei der Temperatur T3 den Druck P1 auf.
Sobald der in Form von Metallhydrid HM1 gespeicherte Wasserstoff den Druck P1 erreicht hat, wird das Ventil 36 so gesteuert, dass es den Einlass-/Auslasskanal 32 der Speichervorrichtung 3 mit dem Ladekanal 6a stromabwärts der ersten Speichervorrichtung 3 verbindet, um den Wasserstoff H₂ freizusetzen.
Sodann setzt die erste Speichervorrichtung 3 den in dem Metallhydrid HM1 gespeicherten Wasserstoff H₂ durch Desorption frei (Schritt E13). Der Wasserstoff H₂ wird mit der Temperatur T3 und mit dem Druck P1 freigesetzt.
Gemäß einer Ausführungsform heizt (Schritt E12) die Heizvorrichtung 31 der ersten Speichervorrichtung 3 das Metallhydrid HM1 mittels der Wärme aus dem Wasserdampf, der aus Restwasser besteht, das durch die erste Reaktion R1 nicht verbraucht wurde, auf.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Speichervorrichtung 3 wenigstens drei Speicherzellen 35, und zum Beispiel vier Zellen 35. Jede Zelle 35 ist mit einem jeweiligen Einlass-/Auslasskanal 32 verbunden. Ferner umfasst die erste Speichervorrichtung 3 ein Steuermodul (nicht dargestellt), das imstande ist, für jede Zelle 35 einzeln Folgendes zu steuern:

- die Verbindung des Einlass-/Auslasskanals 32 mit dem Ladekanal 6a stromaufwärts und so die Absorption des Wasserstoffs H₂ (Schritt E11);
- das individuelle Schließen des Ventils 36 im Laufe des Aufheizens des Metallhydrids HM1 durch die Heizvorrichtung 31 (Schritt E12) und
- die Verbindung ihres Kanal-/Auslasskanals 32 mit dem Ladekanal 6a stromabwärts und so die Desorption des Wasserstoffs H₂ (Schritt E13).

So ist jede Zelle 35 der ersten Speichervorrichtung 3 imstande, unabhängig von den anderen Zellen 35 der ersten Speichervorrichtung 3 Wasserstoff H₂ selektiv zu absorbieren (Schritt E11) und freizusetzen (E13). Auf diese Weise kann die erste Speichervorrichtung 3 Wasserstoff H₂ mit dem zweiten Druck P1 und mit der Temperatur T3 freisetzen (Schritt E13), um die zweite Speichervorrichtung 4 im Laufe des Betriebs der Brennstoffzelle 2 gemäß dem ersten Betriebsmodus F1 in einem kontinuierlichen Fluss mit Wasserstoff H₂ zu versorgen. Eine Mehrzahl von Zellen 35, die unabhängig voneinander betrieben werden, gestattet nämlich die Absorption einer Zelle 35 nach der anderen bis zum Befüllen der ersten Speichervorrichtung 3 und die Desorption einer Zelle 35 nach der anderen, um das Befüllen der zweiten Speichervorrichtung 4 zu gestatten.
Der durch die erste Speichervorrichtung 3 mit dem Druck P1 und mit der Temperatur T3 desorbierte (Schritt E13) Wasserstoff H₂ wird, mittels des Ladekanals 6a (stromabwärts), an die zweite Speichervorrichtung 4 übertragen, um von dieser gespeichert zu werden. Das Verbindungsventil 5 verbindet die zweite Speichervorrichtung 4 mit dem Ladekanal 6a. Die zweite Speichervorrichtung 4 speichert (Schritt E2) durch Absorption den Wasserstoff H₂ aus der ersten Speichervorrichtung 4 mit dem Druck P1. Die zweite Speichervorrichtung 4 speichert den durch die erste Speichervorrichtung 3 freigesetzten Wasserstoff H₂ mit der gleichen Geschwindigkeit, wie die erste Speichervorrichtung 3 den Wasserstoff H₂, den sie zuvor gespeichert hat, freisetzt (Schritt E13).
Die Absorption des Wasserstoffs H₂ mit dem Druck P1 durch die zweite Speichervorrichtung 4 erzeugt Wärme. Wenigstens ein Teil der durch diese Absorption (Schritt E2) erzeugte Wärme wird an die Brennstoffzelle 2 übertragen (Schritt E3). Zu diesem Zweck übertragt der erste Wärmetauscher 41 der zweiten Speichervorrichtung 4 die durch die Absorption des Wasserstoffs H₂ durch die zweite Speichervorrichtung 4 erzeugte Wärme an die Brennstoffzelle 2 mittels des in dem Ladewasserkanal 7a vorhandenen Wassers. Das aufgeheizte Wasser, das in dem Ladewasserkanal 7a stromabwärts der zweiten Speichervorrichtung 4 zirkuliert, weist die Temperatur T4 auf. Der Ladewasserkanal 7a durchquert anschließend den zweiten Wärmetauscher 81, um Wärme aus dem Wasserstoff aufzunehmen und so die Temperatur T2 zu erreichen. Der Ladewasserkanal 7a schließlich versorgt die Brennstoffzelle 2 mit Wasser mit der Versorgungstemperatur T2, +/-20 %. Eine derartige Temperatur gestattet, in der Brennstoffzelle 2 einen ganzheitlichen optimalen energetischen Wirkungsgrad zu erreichen. Die Menge an elektrischer Energie, die von der ersten Reaktion R1 benötigt wird, ist sodann geringer, und wenigstens ein Teil der für die erste Reaktion R1 notwendigen Wärme kann effizient durch das in dem Ladewasserkanal 7a zirkulierende Wasser zugeführt werden.
So ist die durch die Absorption des Wasserstoffs H₂ mit dem Druck P1 durch die zweite Speichervorrichtung 4 erzeugte Wärme ausreichend groß, um das in dem Ladewasserkanal 7a zirkulierende Wasser so aufzuheizen, dass die Temperatur des in dem Ladewasserkanal 7a zirkulierenden Wassers, stromabwärts der zweiten Speichervorrichtung 4, die Temperatur der zweiten Vorrichtung T4 aufweist und die Brennstoffzelle 2 mit der Versorgungstemperatur T2, +/- 20 %, versorgt. Mit anderen Worten erzeugt die Absorption des Wasserstoffs H₂ mit dem Druck P1 durch die zweite Speichervorrichtung 4 die notwendige Menge an Wärme, um das Wasser zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 zu verdampfen, wenn die Brennstoffzelle 2 im ersten Betriebsmodus F1 betrieben wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird das aus der Trennung von Wasserstoff H₂ und Wasserdampf durch den Kondensator 61 hervorgegangene Restwasser in einem Tank 71 gespeichert und versorgt anschließend den Ladewasserkanal 7a.
Gemäß einer Ausführungsform weist der durch die erste Reaktion R1 erzeugte Sauerstoff O₂ die Nennbetriebstemperatur T1 auf. Ein Teil der Wärme aus diesem Sauerstoff O₂ wird mittels des Luft-Luft-Wärmetauschers 82 an den Sauerstoff zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 übertragen, der in dem Kreislauf für die Versorgung mit Sauerstoff stromaufwärts der Brennstoffzelle 2 zirkuliert. Auf diese Weise weist der Sauerstoff O₂, der die Brennstoffzelle 2 versorgt, die Temperatur T2, +/-20 % an dem Ventil 22 zum Ausstoßen von Sauerstoff der Brennstoffzelle 2 auf.
Entlade-Betriebsmodus
3 stellt schematisch die Konfiguration dar, in der sich das oben beschriebene System 1 befindet, wenn die Brennstoffzelle 2 gemäß einem zweiten Betriebsmodus F2 betrieben wird. Und 4B veranschaulicht die Hauptschritte zur Durchführung des Verfahrens, das dieses System 1 verwendet, im zweiten Betriebsmodus F2.
Wie oben dargelegt, ist der zweite Betriebsmodus F2 der so genannte Entlade-Betriebsmodus. Im Entladebetrieb führt die Brennstoffzelle 2 die zweite Reaktion R2 durch. Die zweite Reaktion R2 ist ein Modus der Brennstoffzelle 2, die Elektrizität und vorteilhafterweise Wärme erzeugt, indem sie Wasserstoff H₂ und Sauerstoff verbraucht.
Da die zweite Reaktion R2 eine exotherme Reaktion ist, erzeugt sie Wärme und Wasser, das diese Wärme transportiert. Das von der zweiten Reaktion R2 erzeugte Wasser weist an dem Ventil 24 zum Ansaugen und Ausstoßen von Wasser der Brennstoffzelle 2 die Nennbetriebstemperatur T1 auf. Das Wasser fließt in dem Entladewasserkanal 7b und versorgt (Schritt E4) den ersten Wärmetauscher 41 der zweiten Speichervorrichtung 4 mit Wärme.
Darüber hinaus überträgt das Wasser aus dem Entladewasserkanal 7b Wärme an den Wasserstoff H₂ aus dem Entladekanal 6b, der die Brennstoffzelle 2 mittels des zweiten Wärmetauschers 81 versorgt, so dass der Wasserstoff H₂ die Temperatur T2, +/-20 % an dem Ventil 21 zum Aussto-ßen von Wasserstoff der Brennstoffzelle 2 aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform versorgt (Schritt E5) das Wasser, das in dem Entladewasserkanal 7b fließt, auch die Heizvorrichtung 31 der ersten Speichervorrichtung 3. Vorteilhafterweise versorgt der Entladewasserkanal 7b den ersten Wärmetauscher 41 und anschließend die Heizvorrichtung 31. Der erste Wärmetauscher 41 und die Heizvorrichtung 31 heizen das erste Metallhydrid HM1 bzw. das zweite Metallhydrid HM2 auf die Temperatur T4 bzw. die Temperatur T3 auf, was die Freisetzung durch Desorption (Schritt E6) des Wasserstoffs H₂ gestattet, der in jeder der zweiten Speichervorrichtung 4 und der ersten Speichervorrichtung 3 gespeichert ist. Der Wasserstoff H₂ wird vorzugsweise von jeder der ersten Speichervorrichtung 3 und der zweiten Speichervorrichtung 4 mit dem ersten Druck P0 desorbiert. Die Verwendung eines Teils der durch die zweite Reaktion R2 erzeugten Wärme, die von dem von der Brennstoffzelle 2 erzeugten Wasser transportiert wird, um den in der zweiten Speichervorrichtung 4 und der ersten Speichervorrichtung 3 gespeicherten Wasserstoff H₂ durch Desorption freizusetzen (Schritt E6), trägt zur Verbesserung des ganzheitlichen optimalen energetischen Wirkungsgrades des Systems 1 bis zum Erreichen eines Wertes in der Größenordnung von 50 % bei.
Der Wasserstoff H₂, der von der zweiten Speichervorrichtung 4 und gegebenenfalls von der ersten Speichervorrichtung 3 desorbiert wird, versorgt (Schritt E7) die Brennstoffzelle 2 mittels des Entladekanals 6b. Der Wasserstoff H₂ an dem Ventil 21 zum Ansaugen und Ausstoßen von Wasserstoff der Brennstoffzelle 2 weist die Temperatur T2, +/-20 % und den ersten Druck P0 auf.
Gemäß einer Ausführungsform versorgt das Wasser, das die durch die zweite Reaktion R2 erzeugte Wärme in dem Entladewasserkanal 7b transportiert, eine externe Anlage (nicht dargestellt), zum Beispiel zum Beheizen von Wohngebäuden, mittels eines zusätzlichen Wärmetauschers 83.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Wasser aus dem Entladewasserkanal 7b in einem Tank 71 gespeichert, nachdem es den ersten Wärmetauscher 41 mit Wärme versorgt hat (Schritt E4). Gegebenenfalls speichert der Tank 71 das Wasser aus dem Entladewasserkanal 7b, nachdem das Wasser die zweite Speichervorrichtung 4 und die externe Anlage durchflossen hat, und versorgt (Schritt E5) anschließend die Heizvorrichtung 31. Auf diese Weise wird die durch das Wasser aus dem Entladewasserkanal 7b transportierte Wärme vorzugsweise an die zweite Speichervorrichtung 4 und an die externe Anlage übertragen. Die erste Speichervorrichtung 3 muss nämlich nur auf eine Temperatur T3 aufgeheizt werden, die kleiner ist als die Temperatur T4 zum Freisetzen (Schritt E6) des Wasserstoffs H₂.
Gemäß einer Ausführungsform, und auf die gleiche Weise wie im ersten Betriebsmodus F1, ist ein Teil des Sauerstoffs O₂ durch die zweite Reaktion R2 verbraucht worden, jedoch weist der Sauerstoff O₂, der durch die zweite Reaktion R2 nicht verbraucht worden ist, die Nennbetriebstemperatur T1 an dem Ventil 22 zum Ausstoßen von Sauerstoff auf. Ein Teil der Wärme aus dem Sauerstoff O₂, der nicht verbraucht wurde, wird mittels des Luft-Luft-Wärmetauschers 82b an die Leitung 9 für den Transport von Sauerstoff (in 3 nicht sichtbar) übertragen, die den Sauerstoff zu der Brennstoffzelle 2 hin transportiert. Auf diese Weise weist der Sauerstoff O₂, der die Brennstoffzelle 2 versorgt, die Temperatur T2, +/-20 % an dem Ventil 23 zum Ansaugen von Sauerstoff der Brennstoffzelle 2 auf.
Die Temperatur- und Druckwerte sind nicht erschöpfend, sie sind beispielhafte Werte, und es können andere Werte verwendet werden.
Die Erfindung kombiniert vorteilhafterweise die Technologie der Brennstoffzellen und der Metallhydride.
Das System 1 wird in Abhängigkeit vom Bedarf, zum Beispiel des Stromverteilernetzes, reversibel betrieben.
Die Verwendung der ersten Speichervorrichtung 3 gestattet das Verdichten des von der Brennstoffzelle 2 erzeugten Wasserstoffs, indem die Wärme aus der endothermen Reaktion (erste Reaktion R1) verwendet wird, und so die Absorption des Wasserstoff durch die zweite Speichervorrichtung 4. Die erste Speichervorrichtung 3 wird als Niedertemperatur-Speichervorrichtung bezeichnet, da die Speichertemperatur T0 der ersten Speichervorrichtung 3 kleiner ist als die Temperatur T3, die die Speichertemperatur der zweiten Speichervorrichtung 4 ist.
Und die Verwendung einer Niedertemperatur-Speichervorrichtung 3 zum Lösen der Betriebsprobleme gemäß dem ersten Betriebsmodus F1 erhöht ferner die Wasserstoffspeicherkapazitäten des Systems 1. Wenn die Brennstoffzelle 2 gemäß dem zweiten Betriebsmodus F2 betrieben wird, desorbiert die Niedertemperatur-Speichervorrichtung 3 nämlich auch den Wasserstoff, den sie speichert, um die Brennstoffzelle 2 zu versorgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013190024 [0011]
WO 2016146956 [0012]

Claims

System (1) umfassend: - eine Brennstoffzelle (2), die imstande ist, selektiv in einem ersten Betriebsmodus (F1) und in einem zweiten Betriebsmodus (F2) betrieben zu werden, dergestalt, dass: im ersten Betriebsmodus (F1), die Brennstoffzelle (2) elektrische Energie verbraucht, um Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zu erzeugen, und im zweiten Betriebsmodus (F2), die Brennstoffzelle (2) elektrische Energie erzeugt, indem sie Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) verbraucht, - eine erste Speichervorrichtung (3) zum Speichern des Wasserstoffs (H2), der von der Brennstoffzelle (2) erzeugt wird, wenn die Brennstoffzelle (2) im ersten Betriebsmodus (F1) ist, wobei die erste Speichervorrichtung (3) ein erstes Material enthält, das imstande ist, den Wasserstoff (H2) zu absorbieren, indem es mit dem Wasserstoff ein erstes Metallhydrid (HM1) bildet, wenn der Wasserstoff einen ersten Druck (P0) aufweist, und den Wasserstoff (H2) durch Desorption freizusetzen, wenn der Wasserstoff (H2) einen zweiten Druck (P1) aufweist, der größer ist als der erste Druck (P0), wobei das erste Metallhydrid (HM1) eine erste Absorptionsenthalpie aufweist, - eine zweite Speichervorrichtung (4), die imstande ist, Wasserstoff (H2) aus der ersten Speichervorrichtung (3) zu speichern, wobei die zweite Speichervorrichtung (4) ein zweites, von dem ersten Material verschiedenes Material enthält, wobei das zweite Material imstande ist, den Wasserstoff (H₂) zu absorbieren, indem es mit dem Wasserstoff (H₂) ein zweites Metallhydrid (HM2) bildet, wenn der Wasserstoff (H₂) den zweiten Druck P1 aufweist, wobei das zweite Metallhydrid (HM2) eine zweite Absorptionsenthalpie aufweist, die, im Absolutwert, größer ist als die erste Absorptionsenthalpie des ersten Metallhydrids (HM1).
System nach Anspruch 1, umfassend eine erste Heizvorrichtung (31), um das erste Metallhydrid (HM1) so aufzuheizen, dass ein Druck des Wasserstoffs (H₂), der in der ersten Speichervorrichtung (3) gespeichert ist, von dem ersten Druck (P0) auf den zweiten Druck (P1) gebracht wird.
System (1) nach Anspruch 2, wobei die erste Heizvorrichtung (31) imstande ist, durch Restwasser, das von der Brennstoffzelle (2) nicht verbraucht worden ist, mit Wärme versorgt zu werden, wenn die Brennstoffzelle (2) im ersten Betriebsmodus (F1) betrieben wird.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zweite Material imstande ist, beim Speichern durch Absorption des Wasserstoffs (H2) in dem zweiten Material, eine Menge an Wärme zu erzeugen, die notwendig ist, um Wasser zur Versorgung der Brennstoffzelle (2) zu verdampfen, wenn die Brennstoffzelle (2) im ersten Betriebsmodus (F1) betrieben wird.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend einen ersten Wärmetauscher (41), der imstande ist, die beim Speichern durch Absorption des Wasserstoffs (H2) in dem zweiten Material erzeugte Wärme an das Wasser zur Versorgung der Brennstoffzelle (2) zu übertragen, wenn die Brennstoffzelle (2) im ersten Betriebsmodus (F1) betrieben wird.
System nach Anspruch 5, wobei der erste Wärmetauscher (41) imstande ist, Wärme des von der Brennstoffzelle (2) erzeugten Wassers zu dem zweiten Metallhydrid (HM2) hin zu übertragen, derart, dass eine Desorption des in der zweiten Speichervorrichtung (4) gespeicherten Wasserstoffs (H2) bewirkt wird, um die Brennstoffzelle (2) mit Wasserstoff (H2) zu versorgen, wenn die Brennstoffzelle (2) im zweiten Betriebsmodus (F2) betrieben wird.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend einen zweiten Wärmetauscher (81), der imstande ist, Wärme aus dem von der Brennstoffzelle (2) erzeugten Wasserstoff (H2) zu Wasser zur Versorgung der Brennstoffzelle (2) hin zu übertragen, um die Brennstoffzelle (2) mit Dampf zu versorgen, wenn die Brennstoffzelle (2) im ersten Betriebsmodus (F1) betrieben wird.
System (1) nach Anspruch 7, wobei der zweite Wärmetauscher (81) imstande ist, Wärme aus dem von der Brennstoffzelle (2) erzeugten Wasser zu Wasserstoff (H2) aus der ersten Speichervorrichtung (3) und/oder der zweiten Speichervorrichtung (4) hin zu übertragen, um die Brennstoffzelle (2) mit aufgeheiztem Wasserstoff (H2) zu versorgen, wenn die Brennstoffzelle (2) im zweiten Betriebsmodus (F2) betrieben wird.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend einen Kondensator (61), um den von der Brennstoffzelle (2) erzeugten Wasserstoff (H2) und Restwasser, das von der Brennstoffzelle (2) nicht verbraucht worden ist, zu trennen, wenn die Brennstoffzelle (2) im ersten Betriebsmodus (F1) betrieben wird.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Speichervorrichtung (3) eine Mehrzahl von Speicherzellen (35) und eine Einlass-/Auslass-Leitung (32) umfasst, wobei jede Speicherzelle (35) imstande ist, über die Einlass-/Auslass-Leitung (32) mit Wasserstoff (H2) aus der Brennstoffzelle (2) versorgt zu werden und Wasserstoff (H₂) zu der zweiten Speichervorrichtung (4) hin abzulassen, und ein Ventil (36) umfasst, das steuerbar ist, um die Einlass-/Auslass-Leitung (32) jeder Speicherzelle (35) selektiv mit einer Leitung (6a, 6b) für den Transport von Wasserstoff (H₂) zu verbinden, die eingerichtet ist, um den Wasserstoff (H₂) zwischen der Brennstoffzelle (2) und/oder der ersten Speichervorrichtung (3) und/oder der zweiten Speichervorrichtung (4) zu transportieren, unabhängig von den anderen Speicherzellen (35).
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend ein Verbindungsventil (5), das imstande ist, die zweite Speichervorrichtung (4) selektiv mit der ersten Speichervorrichtung (3) zu verbinden, um die zweite Speichervorrichtung (4) mit Wasserstoff (H₂) aus der ersten Speichervorrichtung (3) zu versorgen, wenn die Brennstoffzelle (2) im ersten Betriebsmodus (F1) betrieben wird, oder mit der Brennstoffzelle (2) zu verbinden, um die Brennstoffzelle (2) mit Wasserstoff (H2) aus der zweiten Speichervorrichtung (4) zu versorgen, wenn die Brennstoffzelle (2) im zweiten Betriebsmodus (F2) betrieben wird.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend eine zweite Heizvorrichtung (20) und einen Regler (200), der imstande ist, die zweite Heizvorrichtung (20) zu steuern, um die Brennstoffzelle (2) auf einer vordefinierten Nennbetriebstemperatur (T1) zu halten, die zwischen 650 °C und 850 °C beträgt.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das erste Material der ersten Speichervorrichtung (3) eine Verbindung enthält, die ausgewählt ist aus Lanthan, Titan, Vanadium, Nickel oder einer Kombination aus diesen Elementen.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das zweite Material der zweiten Speichervorrichtung (4) Magnesium enthält.
Verfahren zum Betreiben eines Systems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Brennstoffzelle (2) im ersten Betriebsmodus (F1) betrieben wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Speichern durch Absorption (E1) des von der Brennstoffzelle (2) erzeugten Wasserstoffs (H2) mit dem ersten Druck in der ersten Speichervorrichtung (3), - Aufheizen (E12) des ersten Metallhydrids (HM1), derart, dass der in der ersten Speichervorrichtung (3) gespeicherte Wasserstoff (H2) von dem ersten Druck (P0) auf den zweiten Druck (P1) gebracht wird, - Freisetzen durch Desorption (E13) des in der ersten Speichervorrichtung (3) gespeicherten Wasserstoffs (H₂), und - Speichern durch Absorption (E2) des freigesetzten Wasserstoffs (H₂) aus der ersten Speichervorrichtung (3) in der zweiten Speichervorrichtung (4) mit dem zweiten Druck (P1), wobei die zweite Speichervorrichtung (4) den freigesetzten Wasserstoff (H₂) mit einer gleichen Geschwindigkeit speichert, wie die erste Speichervorrichtung (3) den gespeicherten Wasserstoff (H₂) freisetzt.
Verfahren zum Betreiben eines Systems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Brennstoffzelle (2) im zweiten Betriebsmodus (F2) betrieben wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Aufheizen (E4) des zweiten Metallhydrids (HM2), derart, dass eine Desorption (E6) des in der zweiten Speichervorrichtung (4) gespeicherten Wasserstoffs (H2) bewirkt wird, und - Versorgen (E7) der Brennstoffzelle (2) mit dem desorbierten Wasserstoff (H₂) aus der zweiten Speichervorrichtung (4).
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend die folgenden Schritte: - Aufheizen (E5) des ersten Metallhydrids (HM1), derart, dass eine Desorption (E6) des in der ersten Speichervorrichtung (3) gespeicherten Wasserstoffs (H₂) bewirkt wird, und - Versorgen (E7) der Brennstoffzelle (2) mit dem desorbierten Wasserstoff (H₂) aus der ersten Speichervorrichtung.