DE10307112A1

DE10307112A1 - System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie und Verfahren für dessen Gebrauch

Info

Publication number: DE10307112A1
Application number: DE10307112A
Authority: DE
Inventors: Trent Molter; Larry Moulthrop; John Speranza; William Smith
Original assignee: Proton Energy Systems Inc
Current assignee: Proton Energy Systems Inc
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2003-10-30
Also published as: US20040013923A1; JP2003282122A

Abstract

Ein System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie schließt eine erneuerbare Energiequelle ein; eine Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff, welche elektrisch mit der erneuerbaren Energiequelle verbunden ist; eine Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff, welche strömungstechnisch mit der Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff verbunden ist; einen wasserstoffbetriebenen elektrischen Generator, welcher strömungstechnisch mit der Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff verbunden ist; und einen Druckregulierer, welcher strömungstechnisch zwischen dem wasserstoffbetriebenen elektrischen Generator und der Vorrichtung zur Speicherung des Wasserstoffs zwischengeschaltet verbunden ist. Der Druckregler ist auf einen Betriebsdruck des wasserstoffbetriebenen elektrischen Generators eingestellt.

Description

Verweis auf verwandte Anmeldungen

Die Anmeldung beansprucht in vollem Umfang den Nutzen der vorläufigen US- Anmeldung Nr. 60/358,478 vom 19. Februar 2002.

Hintergrund

Die Offenbarung bezieht sich auf elektrochemische Zellensysteme im Allgemeinen und im speziellen auf die Speicherung und Rückgewinnung von Energie.

Geographisch abseits liegende Gebiete wie Inseln oder Gebirgsregionen sind oftmals aufgrund der Kosten von Installation und Erhaltung der zur Stromübertragung notwendigen Leitungen nicht mit den öffentlichen elektrischen Verbundnetzen verbunden. Sogar in Gebieten, wo Übertragungsleitungen existieren, sind wetterbedingte häufige und länger anhaltende Energieausfälle nicht ungewöhnlich. In jedem Fall ist es oftmals für Gemeinden oder Industrien in diesen Regionen notwendig, zur Vermeidung wirtschaftlicher Verluste während eines Stromausfalls, örtliche "Mikro-Elektrizitätsnetze" einzurichten, um ein zuverlässiges und kontinuierliches System zur Energieversorgung zu sichern. Ein solches nicht unterbrechbares Energiesystem kann entweder ein primäres System sein, bei dem keine Verbindung zum Hauptnutzungsnetz existiert, oder ein Backup-System, welches zum Einsatz kommt, wenn die Hauptversorgung ausfällt.

Die elektrische Energie für die lokalen Netze entstammt einer Vielfalt von Quellen, welche erneuerbare und auf Kohlenwasserstoffbasis beruhende Energiequellen einschließen. Innerhalb eines gesonderten Netzes ist es nicht ungewöhnlich, mehrere Generatorquellen, wie Dieselgeneratoren, Erdgasgeneratoren, Photovoltaische Reihen, Wasserturbinen und/oder Windturbinen, einzusetzen, welche in Kombination arbeiten, um den Bedarf des Netzes zu decken.

Der einem lokalen Netz abverlangte Verbrauch elektrische Energie schwankt im Verlauf eines Tages, einer Woche oder einer Saison. Da es oftmals unpraktisch oder unmöglich ist, die Generatorquellen ein- und auszuschalten, wird unausweichlich ein Energieüberschuss erzeugt. Diese überschüssige Energie wird üblicherweise in eine andere Energieform, wie Hitze zur Speicherung in einem anderen Medium, z. B. Wasser, umgewandelt. Bei niedrigen Außentemperaturen kann das aufgeheizte Wasser dann für andere Zwecke, z. B. zum Heizen von Gebäuden, zum Kochen oder zur Einhaltung konstanter Temperaturen in Ausrüstungen, genutzt werden. Steigt der Leistungsbedarf an elektrischer Energie im Netz, ist es schwierig oder unmöglich die umgewandelte Energie wieder in elektrische Energie zurückzuwandeln. Ein weiterer Hinderungsgrund ist, dass erneuerbare Energiequellen üblicherweise nicht ständig unter Vollast laufen und dass daher längere Perioden niedrigen oder keinen Energieausstoßes auftreten (z. B. während der Nacht oder bei gelegentlichen Leichtwindperioden).

Ausgehend vom Stand der Technik wird ein regeneratives System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie, die durch eine erneuerbare Energiequelle erzeugt wurde, für die weitere Nutzung in einem elektrischen Netz und ein Verfahren für deren Gebrauch benötigt.

Kurze Zusammenfassung

Es werden Energiespeicherungs- und Rückgewinnungssysteme und Verfahren für deren Gebrauch offenbart. Eine beispielhafte Ausführungsform eines Energiespeicherungs- und Rückgewinnungssystems verfügt über eine erneuerbare Energiequelle, eine Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff, die mit der erneuerbaren Energiequelle elektrisch verbunden ist, eine Einrichtung zur Wasserstoffspeicherung, welche mit der Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff strömungstechnisch verbunden ist, einen Wasserstoff getriebenen elektrischen Generator, der mit der Einrichtung zur Speicherung des Wasserstoffs strömungstechnisch verbunden ist, und einen Druckregulierer, der strömungstechnisch mit dem Wasserstoff angetriebenen elektrischen Generator und der Einrichtung zur Speicherung des Wasserstoffs verbunden ist und zwischen diesen angeordnet ist. Der Druckregulierer ist auf einen Betriebsdruck des wasserstoffangetriebenen elektrischen Generators eingestellt.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie eine erneuerbare Energiequelle, ein regeneratives System elektrochemischer Zeilen, welches ein Elektrolysemodul und ein Brennstoffzellenmodul aufweist, eine Einrichtung zur Wasserstoffspeicherung, welche mit dem Elektrolysemodul und dem Brennstoffzellenmodul strömungstechnisch verbunden ist, einen ersten Druckregulierer, welcher zwischen der Einrichtung zur Wasserstoffspeicherung und dem Elektrolysemodul angeordnet ist, einem zweiten Druckregulierer, welcher zwischen dem Brennstoffzellenmodul und der Vorrichtung zur Speicherung des Wasserstoffs angeordnet ist und einen Energiekonditionierer, welcher elektrisch mit der erneuerbaren Energiequelle und dem regenerativen System elektrochemischer Zellen verbunden ist und zwischen diesen angeordnet ist. Der erste Druckregulierer ist auf einen Druck eingestellt, welcher größer ist als der Druck, auf den der zweite Druckregulierer eingestellt ist.

Eine Ausführungsform zum Betrieb eines Systems zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie umfaßt die Erzeugung und Konditionierung von elektrischer Energie aus einer erneuerbaren Energiequelle, die Versorgung eines Systems elektrochemischer Zellen mit der konditionierten elektrischen Energie sowie Wasser, zur elektrolytischen Produktion von Wasserstoffgas, das Trocknen des Wasserstoffgases in einem Trockner einschließlich Entfernung von Wasser, das Speichern des Wasserstoffgases unter einem ersten Druck und die Versorgung eines Wasserstoff angetriebenen elektrischen Generators mit Wasserstoffgas unter einem zweiten Druck, um elektrische Energie als Resultat der durch die erneuerbare Energiequelle erzeugten elektrischen Energie zu gewinnen, die kleiner oder gleich einem ausgewählten Niveau ist. Das Wasserstoffgas, welches in den Wasserstoff angetriebenen elektrischen Generator eingespeist wird, fließt durch den Trockner und absorbiert Wasser, bevor es in den wasserstoffangetriebenen elektrischen Generator fließt. Der zweite Druck ist kleiner als der erste Druck.

Eine Ausführungsform zum Betrieb eines regenerativen Systems elektrochemischer Zellen umfaßt das Zuführen von Wasser und Energie an ein Elektrolysemodul zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff, die Durchleitung des Wasserstoffs durch eine Einrichtung zur Phasentrennung und einen Trockner, wobei trockner Wasserstoff hergestellt wird, in eine Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff unter Druck, das Befeuchten trockenen Wasserstoffs, indem Wasserstoff aus der Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff im Druck reduziert wird und durch den Trockner geleitet wird, wobei Wasser im Trockner auf den trockenen Wasserstoff transferiert wird, um angefeuchteten Wasserstoff zu bilden, das Betanken einer Brennstoffzelle, indem angefeuchteter Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenmodul geleitet wird, ein Zuleiten von Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenmodul sowie die Erzeugung von Elektrizität und Wasser in dem Brennstoffzellenmodul.

Eine Ausführungsform zur Herstellung von Energie umfaßt eine Erzeugung von Energie von einer erneuerbaren Energiequelle, die Konditionierung der Energie zur Nutzung in einem System elektrochemischer Zellen, Halten der Wassertemperatur auf einen Wert oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser, Produktion von Wasserstoffgas aus dem Wasser durch Nutzung der konditionierten Energie, Rückgewinnung von Wasser aus einem Sauerstoff-Wasser-Strahl, Ausblasen von Sauerstoff in die Umgebung, Trocknen des Wasserstoffgases, Verdichten des Wasserstoffgases, Speichern des Wasserstoffgases unter einem Druck, welcher größer oder gleich ungefähr 1.000 psi ist, ein Anzeigen der Verfügbarkeit der erneuerbaren Energiequelle, die Druckreduzierung des Wasserstoffgases, Zuführen eines Teils des druckreduzierten Wasserstoffgases zu einer Verbrennungsmaschine als Reaktion auf die Verfügbarkeit der erneuerbaren Energiequelle, welche kleiner oder gleich einem ersten ausgewählten ausgewählten Niveau ist, die Energieerzeugung durch Einsatz der Verbrennungsmaschine, Einleiten eines anderen Teils des Wasserstoffgases in eine Brennstoffzelle als Reaktion auf die Verfügbarkeit der erneuerbaren Energiequelle, welche kleiner oder gleich einem zweiten ausgewählten Niveau ist, die Energieerzeugung durch Einsatz der Brennstoffzelle sowie das Betreiben von energieunterstützenden Systemen durch Nutzung der Netzenergie.

Die oben offenbarten und andere Merkmale werden von einem Fachmann durch die folgende detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen anerkannt und verstanden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, welche beispielhaft und nicht einschränkend sind und in denen gleiche Elemente gleich nummeriert sind:

Fig. 1 zeigt eine schematische Abbildung einer elektrochemischen Zelle nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 zeigt eine schematische Abbildung eines lokalen elektrischen Netzes, welches einen Energiespeicher- und Rückgewinnungssystem aufweist,

Fig. 3 zeigt eine schematische Abbildung eines lokalen elektrischen Netzes, welches ein regeneratives System elektrochemischer Zellen aufweist,

Fig. 4 zeigt eine schematische Abbildung eines regenerativen Systems elektrochemischer Zellen, und

Fig. 5 zeigt eine schematische Abbildung eines anderen regenerativen Systems elektrochemischer Zellen.

Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen

Im Allgemeinen kann die folgende offenbarte Vorrichtung in einer Ausführungsform aus einer erneuerbaren Energiequelle 12, einer wasserstofferzeugenden Einheit 22, einer Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff 26 und einem wasserstoffbetriebenen elektrischen Generator 31 bestehen.

Eine andere Ausführungsform des Systems zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie verfügt über einen Wasserstoffgenerator 18, welcher strömungstechnisch mit einer Speicherungsvorrichtung 26 verbunden ist, die wiederum mit einem wasserstoffbetriebenen elektrischen Generator 31, wie einer Brennstoffzelle 34 oder einem Verbrennungsgeneratorsatz 35 (z. B. Genset) verbunden ist. Der Verbrennungsgeneratorsatz 35 weist eine wasserstoffbetriebene Verbrennungsmaschine auf, welche mit einem Generator verbunden ist.

Eine andere Ausführungsform des Systems zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie verfügt über:
eine erneuerbare Energiequelle 12,
ein regeneratives System elektrochemischer Zellen 39 (folgend als regeneratives System oder regeneratives Energiesystem bezeichnet), welches einen Energiekonditionierer 40, ein Elektrolysemodul 41 und ein Brennstoffzellenmodul 42 enthält.
Die regenerative elektrochemische Vorrichtung 39 ist außerdem strömungstechnisch mit einer Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff 26 verbunden.

Eine weitere Ausführungsform des regenerativen Systems elektrochemischer Zellen 39 schließt ein:
Ein Brennstoffzellenmodul 42 mit einem Sauerstoffeinlass 90 zur Brennstoffzelle, der strömungstechnisch mit einer Einrichtung zur Speicherung von Wasser 52, 54 verbunden ist, sowie einem Wasserstoffeinlass 92 zur Brennstoffzelle, welcher strömungstechnisch mit der Sauerstoffquelle 54 und dem Gas enthaltenen Teil einer Vorrichtung zur Trennung von Wasserphasen 58 verbunden ist,
ein Elektrolysemodul 41 mit einem Wassereinlass 94 zur Elektrolyse, welcher strömungstechnisch über einen Sauerstoffauslass 96 der Brennstoffzelle mit der Vorrichtung zur Speicherung von Wasser 52, 54 verbunden ist, sowie einem Elektrolyse-Wasserauslass 98, welcher mit dem Wasserstoffeinlass 92 zur Brennstoffzelle strömungstechnisch verbunden ist.

Eine weitere Ausführungsform des Systems elektrochemischer erneuerbarer Zellen 39 schließt ein:
Eine erste Leitung 130, welche strömungstechnisch mit einer Einheit zur Speicherung von Wasserstoff 26 und einem Trockner 56 verbunden ist. In der ersten Leitung 130 ist zwischen der Einheit zur Speicherung von Wasserstoff 26 und dem Trockner 56 ein erster Druckregulierer 59 angeordnet. Der Druckregulierer 59 ist dafür geeignet, den Druck eines Gasstroms, der von der Einheit zur Speicherung 26 in den Trocknungsapparat 56 geführt wird, zu reduzieren, um beispielsweise während eines Entleerungsprozesses Feuchtigkeit vom Trockner 56 zu entfernen.
Eine zweite Leitung 132, welche strömungstechnisch mit dem Brennstoffzellenmodul 42 und wenigstens einer der beiden Vorrichtungen, der Einheit zur Speicherung von Wasserstoff 26 und dem Trockner 56, verbunden ist. Ein zweiter Druckregulierer 68 ist in der zweiten Leitung 132 angebracht, wobei ein Druckverhältnis des ersten Druckregulierers vorzugsweise gleich oder größer als ein Druckverhältnis des zweiten Druckregulierers ist.

Eine Ausführungsform zum Betrieb eines Systems zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie schließt ein:
Das Erzeugen von elektrischer Energie aus einer erneuerbaren Energiequelle 12, den Antrieb einer Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff mit dieser elektrischen Energie,
das Speichern von Wasserstoff und
die Weiterleitung des Wasserstoffs zu einem wasserstoffbetriebenen elektrischen Generator 31.

Eine Ausführungsform zum Betrieb eines regenerativen Systems elektrochemischer Zellen 39 umfasst:
Die Entnahme von Speisewasserstoff aus dem zur Speicherung von Wasserstoff dienenden Behälter 26 an eine Wasserstoffelektrode (Kathode) 114 einer Brennstoffzelle und
die Einleitung von Sauerstoff aus einer ersten Sauerstoffquelle 66, einer Vorrichtung zur Phasentrennung von Sauerstoff/Wasser, an eine Sauerstoffelektrode (Anode) 116 einer Brennstoffzelle,
beenden der Zufuhr von Sauerstoff aus der ersten Quelle von der Vorrichtung zur Phasentrennung von Sauerstoff/Wasser, nachdem die Brennstoffzelle Betriebsbedingungen erreicht hat, und
Zufuhr von Sauerstoff aus einer zweiten Quelle, einem Modul 50, aus der umgebenden Atmosphäre zur Sauerstoffelektrode 116 der Brennstoffzelle; Zuleiten des Wassers zu einer Vorrichtung zur Speicherung von Wasser 52, 54; Einleiten des Wassers über den Wassereinlaß 94 zu einer Elektrode zur Elektrolyse des Wassers;
Zufuhr von Energie in ein Elektrolysemodul über den Energieumformer 43, um Wasserstoff und Sauerstoff zum Nachfüllen herzustellen;
sowie Transport von Wasserstoff zum Nachfüllen in die Vorrichtung zur Speicherung des Wasserstoffs 26.

Eine andere Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb eines regenerativen Systems elektrochemischer Zellen 39, welches alleine oder in Kombination mit anderen Verfahren genutzt werden kann, schließt ein:
Eine Brennstoffzelle 42 in einem betriebsbereiten Zustand zu halten, so dass die Brennstoffzelle 42 in weniger als ungefähr einer Minute Betriebstemperatur erreicht;
Einleiten von Wasserstoff zu einer Wasserstoffelektrode 114 der Brennstoffzelle und von Sauerstoff zu einer Sauerstoffelektrode 116 der Brennstoffzelle;
Wasserstoffionen und Elektronen an den Wasserstoffelektroden 114 der Brennstoffzelle zu bilden;
Elektronen durch eine Ladung zur Sauerstoffelektrode 116 der Brennstoffzelle zu leiten;
und Reaktion der Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff an der Sauerstoffelektrode 116 der Brennstoffzelle, um Wasser zu bilden.

Eine andere Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb eines regenerativen Systems elektrochemischer Zellen 39, welches alleine oder in Kombination mit anderen Verfahren genutzt werden kann, schließt ein:
Einleiten von Speisewasserstoff aus einer Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff zu einer Wasserstoffelektrode 114 einer Brennstoffzelle und
Einleiten von Speisesauerstoff zu einer Sauerstoffelektrode 116 der Brennstoffzelle;
Reagieren von Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff, um Elektrizität und Wasser zu erzeugen;
Einleiten eines Sauerstoff/Wasserstrahls von der Sauerstoffelektrode 116 der Brennstoffzelle durch ein Wirbelrohr 134, um einen heißen Strahl und einen kalten Strahl herzustellen;
und Einleiten des kalten Strahls in eine Vorrichtung zur Phasentrennung 66.

Eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb eines regenerativen Systems elektrochemischer Zellen 39, welche allein oder in Kombination mit anderen Verfahren genutzt werden kann, schließt ein:
Einleiten von Wasser und Energie in ein Elektrolysemodul 41, um Wasserstoff zum Nachfüllen und Sauerstoff herzustellen;
Leiten des Wasserstoffs zum Nachfüllen durch ein System zur Speicherung von Wasserstoff, welches eine Vorrichtung 58 zur Phasentrennung von Wasserstoff und Wasser enthält sowie eine Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff, wobei der Wasserstoff zum Nachfüllen von dem Elektrolysemodul 41 durch die Vorrichtung 58 zur Phasentrennung von Wasserstoff und Wasser hinter ein Absperrventil 57 und in die Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff gelangt;
Hydrieren und Befüllen eines Kunststoffzellenmoduls 42, indem der Nachfüllwasserstoff von der Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff und Wasser durch die Vorrichtung 58 zur Phasentrennung von Wasserstoff und Wasser zum Brennstoffzellenmodul 42 geleitet werden;
Einleiten von Sauerstoff in das Brennstoffzellenmodul 42 und;
Erzeugen von Wasser und Elektrizität durch das Brennstoffzellenmodul 42.

Eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb eines regenerativen Systems elektrochemischer Zellen 39, welches alleine oder in Kombination mit anderen Verfahren genutzt werden kann, schließt ein:
Einleiten von Wasser und Energie in ein Elektrolysemodul 41, um Wasserstoffs zum Nachfüllen und Sauerstoff zu erzeugen;
Leiten des Wasserstoffs zum Nachfüllen durch eine Vorrichtung 58 zur Phasentrennung von Wasserstoff und Wasser sowie einen Trockner 56 in eine Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff unter Druck, wobei der Trockner 56 Wasser aus dem Wasserstoff zum Nachfüllen entfernt, um trockenen Wasserstoff zu bilden;
Befeuchten und Füllen eines Brennstoffzellenmoduls 42 durch Reduzieren des Drucks des trockenen Wasserstoffs auf einen niedrigeren Druck;
Leiten des trockenen Wasserstoffs durch den Trockner 56;
Entfernen des Wassers von dem Trockner 56, um hydrierten Wasserstoff zu bilden;
Leiten des hydrierten Wasserstoffs zur Wasserstoffelektrode 114 der Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenmoduls 42;
Einleiten von Sauerstoff zu einer Sauerstoffelektrode 116 der Brennstoffzelle und; Herstellen von Wasser und Elektrizität.

Eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb eines regenerativen Systems elektrochemischer Zellen 39, welches alleine oder in Kombination mit anderen Verfahren genutzt werden kann, schließt ein:
Eine Brennstoffzelle 42 in einem "Stand-by"-Zustand halten, so dass die Brennstoffzelle 42 in ungefähr einer Minute oder weniger Betriebstemperatur erreicht, und
Einleiten von Wasserstoff und Sauerstoff in die Brennstoffzelle 42, um Wasser und Elektrizität zu bilden.

Ein System für regenerative Energie, welches hiermit beschrieben und in Fig. 2 dargestellt wird, schließt ein:
Ein Elektrolysemodul 18,
eine Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff und
einen Wasserstoff betriebenen Elektrizitätsgenerator 31.
Dieses System für regenerative Energie kann eine primäre oder kontinuierliche Lieferung von Energie für zahlreiche Anwendungen, einschließlich häusliche und kommerzielle, ermöglichen.
Denkbare kommerzielle Anwendungen schließen ein:
die Telekommunikationsindustrie (z. B. Freiluftfabriken, Zellentürme, Halbleiter herstellende Produktionsanlagen,
Datenzentren und dergleichen),
Computer (einzeln oder in Netzen und dergleichen),
einzelne Geschäfte, Büroparks, Kabel (z. B. Telefon, Internet und dergleichen), Energienetze und dergleichen sowie Kombinationen, die wenigstens eine der vorgenannten Anwendungen aufweisen.
Einige mögliche häusliche Anwendungen schließen ein:
Einzelhäuser,
Nachbarschaften,
Dörfer und dergleichen.
Dieses System für erneuerbare Energie kann ebenso angewendet werden, um einen Lastschwankungen auszugleichen, beispielsweise während der Spitzenverbrauchszeiten.
Verschiedene Einheiten können zur Lieferung von Energie in ein vorgegebenes Gebiet (Haus, Gemeinde, kommerzielle Größe/Gruppe etc.) eingebunden sein, so dass verfügbare Energie aus dem Netz in anderen Gebieten welche zusätzliche Energie benötigen, umgeleitet werden kann.
Beispielsweise kann eine Telekommunikationsgesellschaft Energie aus ihrem regenerativen Energiesicherungssystem eines Zellstapels an eine Energiegesellschaft verkaufen, wobei die nahe dem Zellstapel befindliche Nachbarschaft versorgt wird. Solange das regenerative Energiesicherungssystem des Zellstapels üblicherweise im Leerlauf ist (z. B. ist das regenerative System mehr als 98% der Zeit, welche es an der Zellstapelseite ist, im Leerlauf), wird die Energiegesellschaft mit lokaler Energie unterstützt, die Konsumenten vermeiden Blackouts/Brownouts und die Telekommunikationsgesellschaft erwirtschaftet Erträge aus einem andernfalls im Leerlauf befindlichen System.

Ein für den Ausgleich von Lastspitzen verwendetes regeneratives Energiesystem würde betriebsfähige Verbindungen zwischen dem regenerativen Energiesystem (z. B. dem Besitzer/Betreiber des regenerativen Energiesystems und/oder direkt in betriebsfähiger Verbindung mit dem regenerativen System) und dem öffentlichen Netz, eine betriebsfähige Verbindung zwischen dem Netzbetreiber und dem regenerativen Energiesystem und anderen verschiedenen zentralisierten oder verteilten Anwendungsregelungen und Anzeigesystemen erfordern. Das regenerative Energiesystem kann weiterhin mit Steuerungssystemen, welche für der Bemessung und Berechnung eines Ertragsausgleiches dienen, gekoppelt sein. Ein Spitzenausgleich kann als ein Verfahren eingesetzt werden, um eine Hauptenergiequelle in Zeiten mit Lastspitzen zu unterstützen oder auch vorteilhaft genutzt werden, sobald die Energiekosten für Zeiten mit Spitzenverbrauch im Vergleich zu anderen Zeiten dem Eigentümer des regenerativen Energiesystems einen positiven Nettoertrag einbringen.

Während des Betriebs würde entweder der Betreiber oder ein automatisches Steuerungssystem das regenerative Energiesystem zuschalten, so dass von dem regenerativen System Elektrizität in ein gewünschtes Gebiet für eine bevorzugte Zeitspanne geliefert wird, oder dem regenerativen Energiesystem zur Verfügung steht, um verschiedene notwendige Speicherungsvorgänge (z. B. Auffüllen des Wasserstoff-Reservoirs) zur Verfügung zu stehen. Der Einschaltvorgang des regenerativen Systems durch den Betreiber kann vor Ort durch manuelle Betätigung der Ausrüstung zur Stromverteilung durchgeführt werden oder ferngesteuert von einem Steuerungsraum. Zusätzlich ist ebenso eine Regeneration während der Herstellung von Elektrizität möglich.

Wie im Folgenden genauer beschrieben wird, liefert die erneuerbare Energiequelle während des Betriebs des regenerativen Energiesystems Energie an ein lokales Netz oder eine elektrochemische Zelle, welche Wasserstoffgas erzeugt. Der Wasserstoff wird in einem geeigneten Behälter zum späteren Gebrauch gespeichert. Zu einem Zeitpunkt während des Tages oder der Saison, wenn die Fähigkeit der Energieerzeugung der erneuerbaren Energiequelle abfällt (z. B. in der Nacht), wird das Netz benutzt, um das Kapazitätsdefizit auszugleichen. Der vorher gespeicherte Wasserstoff wird einem elektrischen Wasserstoffgenerator zugeführt, welcher den Wasserstoff in Elektrizität umwandelt, die dann zurück in das lokale Netz eingespeist wird. Die Erzeugung von Energie wird solange fortgeführt, bis die Wasserstoffquelle aufgebraucht ist oder die Energie nicht länger benötigt wird. Gründe zum Beenden der Energieerzeugung können beispielsweise sein: die Wiederverfügbarkeit der Netzenergie, die Wiederverfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen (z. B. Solarenergie, Windenergie, Wasserenergie oder dergleichen) oder die Tatsache, dass ein Lastausgleich nicht länger erforderlich oder wirtschaftlich ist.

Wenn die Wasserstoffmenge in dem System zur Speicherung des Wasserstoffs unter ein vorgewähltes Niveau absinkt, wird das Elektrolysemodul vorzugsweise betätigt, um die Wasserstoffreservoir aufzufüllen. Vorzugsweise wird der Wasserstoff immer aufgefüllt, wenn das Druckniveau des gespeicherten Wasserstoffes nicht erreicht ist und von der erneuerbaren Energiequelle zur Durchführung der Elektrolyse Energie verfügbar ist.

Um Wasserstoff zu erzeugen, wird eine elektrochemische Zelleneinheit 100 genutzt. Die elektrochemischen Zelleneinheiten 100 sind Vorrichtungen zur Umwandlung von Energie, die entweder als Elektrolysezellen oder Brennstoffzellen bezeichnet werden. Eine Elektrolysezelle mit einer Protonen austauschenden Membran kann als Wasserstoffgaserzeuger durch die elektrolytische Zerlegung von Wasser dazu dienen, Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Sie kann als Brennstoffzelle durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff dienen, um Elektrizität zu erzeugen.

In den Fig. 1 und 4, die einen teilweisen Schnitt einer typischen anodengestützten Elektrolysezelle 100, 41 zeigen, wird Wasser 102 für den Prozeß in die Elektrolysezelle 100 auf der Seite einer Sauerstoffelektrode (Anode) 116 eingeführt, um Sauerstoffgas 104, Elektronen und Wasserstoffionen (Protonen) 106 zu bilden. Die Reaktion wird durch einen positiven elektrischen Anschluß einer Energiequelle 120 mit der Anode 116, und einen negativen Anschluß der Energiequelle 120 mit der Wsserstoffelektrode (Kathode) 114 in Gang gesetzt. Das Sauerstoffgas 104 und ein Teil des Wassers 108 aus dem Prozess verlassen die Elektrolysezelle 100, während Protonen 106 und Wasser 110 durch eine protonenaustauschende Membran 118 zur Kathode 114 wandern, an der Wasserstoffgas 112 gebildet wird. Das Wasserstoffgas 112 und das überschüssige Wasser 110 verlassen die Elektrolysezelle 100, 41 auf der Kathodenseite der Elektrolysezelle 100.

Eine weitere typische Elektrolysezelle 100 für Wasser, welche denselben in den Fig. 1 und 4 dargestellten Aufbau nutzt, ist eine kathodengestützte Elektrolysezelle 100, 42, in welche Wasser für die elektrochemische Reaktion auf der Seite der Wasserstoffelektrode 114 eingeleitet wird. Ein Teil des Wassers wandert von der Kathode 114 durch die Membran 118 zur Anode 116, wobei Wasserstoffionen und Sauerstoffgas in Folge einer Reaktion, welche aufgrund einer Verbindung der Anode 116 und der Kathode 114 mit einer Energiequelle 120 zu Stande kommt, erzeugt werden. Ein Teil des Wassers für den Prozeß verlässt die kathodengestützte Zelle 100, 42 an der Seite der Kathoden, ohne durch die Membran 118 zu gelangen, während überschüssiges Wasser ebenso wie Sauerstoffgas die kathodengestützte Zelle 100, 42 auf der Seite der Anode verlässt.

Wie in Fig. 4 gezeigt, kann das Sauerstoffgas, welches die Elektrolysezelle 42 verlässt, auf verschiedene Weisen gehandhabt werden, welche ein direktes Ausblasen in die Atmosphäre 50, das Leiten durch einen Phasenseparator 66 und das Speichern eines Teils oder des gesamten Sauerstoffs zur Nutzung im elektrischen Wasserstoffgenerator 34 (nachfolgend mit Bezug auf Fig. 2 erklärt), ebenso wie Kombinationen wenigstens einer der vorgenannten Möglichkeiten einschließen. Vorzugsweise wird wenigstens das Wasser aus dem Sauerstoffstrahl zurückgewonnen, bevor dieser in die Atmosphäre geblasen wird. Für den Fall, daß ein einfaches System gewünscht ist, wird der Sauerstoff besonders bevorzugt von der Elektrolysezelle 42 durch einen Phasenseparator 66 geleitet, bevor er in die Umgebung 50 geblasen wird. Das Wasser aus dem Phasenseparator 66 kann in die Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung von Wasser geleitet werden, welche strömungstechnisch mit der Elektrolysezelle 42 verbunden ist.

In Fig. 2 ist ein örtliches elektrisches Netz 10 dargestellt. Eine erneuerbare Energiequelle 12 erzeugt elektrische Energie für dieses elektrische Netz 10. Die erneuerbare Energiequelle 12 kann Quellen wie eine Windturbine, Solar/Photovoltaik, Wasserenergie und dergleichen, wie Kombinationen wenigstens einer der vorgenannten Energiequellen erschließen. Abhängig von der Art der genutzten erneuerbaren Energiequelle 12 (z. B. Windturbine) kann optional ein Generator 14 mit der Energiequelle 12 verbunden sein, um elektrische Energie herzustellen. Die Elektrizität von der erneuerbaren Energiequelle 12 wird über eine elektrische Leitung 16 zu einem elektrochemischen Zellensystem 18 geleitet, welches Wasserstoffgas erzeugt, das in einer geeigneten Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff gespeichert wird. Die Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff kann ein Hochdrucktank, ein Metallhybridtank oder ein Nanofaserkarbontank sein. Das elektrochemische Zellensystem 18 erzeugt Wasserstoffgas, bis die Speichervorrichtung 26 gefüllt ist.

Überschüssige Energie von der erneuerbaren Energiequelle 12, welche nicht zur Erzeugung von Wasserstoffgas genutzt wird, wird mittels einer Übertragungsleitung 28 an ein Hauptnetz geleitet. Die überschüssige Energie kann mit anderen Energiequellen, wie z. B. einem Dieselgenerator 30, kombiniert werden, um geeignete und sichere Energie für einen Energieverbraucher 36 zu liefern.

Während der Zeitspannen, in denen die erneuerbare Energiequelle 12 nicht in der Lage ist, Energie an das örtliche elektrische Netz 10 zu liefern, wird in der Speichervorrichtung 26 gespeichertes Wasserstoffgas zu einem oder mehreren wasserstoffbetriebenen elektrischen Generatoren 31 geleitet, welche das Wasserstoffgas nutzen, um Elektrizität für dieses elektrische Netz 10 herzustellen. Die elektrischen Generatoren 31 schließen Vorrichtungen wie Brennstoffzellensysteme 34 oder einen Verbrennungsmaschinengenerator 35 ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Das Brennstoffzellensystem 34 kombiniert das Wasserstoffgas mit Sauerstoff, um Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion herzustellen. Der Verbrenungsmaschinengenerator 35 nutzt einen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor, um einen Generator zur Herstellung der Elektrizität zu drehen. Mit dem lokalen elektrischen Netz 10 kann eine beliebige Anzahl mit Wasserstoff angetriebener elektrischer Generatoren 31 verbunden werden, abhängig von der gespeicherten Menge des Wasserstoffgases und dem Kapazitätsbedarf des lokalen elektrischen Netzes 10.

Das elektrochemische Zellensystem 18 hat eine Reihe von Komponenten, welche einen Energiekonditionierer 20, eine optionale Batterie 21, einen elektrochemischen Zellenstapel 22 und unterstützende Systeme 24 einschließen. Von der erneuerbaren Energiequells 12 eingespeiste Energie wird durch den Energiekonditionierer 20 umgewandelt, um geeignete Energie an den elektrochemischen Zellenstapel 22 zu liefern.

Der Energiekonditionierer 20 bildet eine Schnittstelle zwischen den Energiequellen (z. B. der erneuerbaren Energiequelle 12 und dem Generator 14) und dem elektrochemischen Zellensystem 18. Der Energiekonditionierer 20 hat vorzugsweise drei Betriebsarten. Die erste Betriebsart nutzt ausschließlich Wechselspannungsenergie aus dem Netz 10. In dieser Betriebsart bezieht der Energiekonditionierer 20 Energie aus dem lokalen elektrischen Netz 10, um sowohl die Zellen unterstützenden Systeme 24 als auch den Elektrolyse-Zellenstapel 22 zu betreiben.

In der zweiten Betriebsart nutzt das elektrochemische Zellensystem 18 ausschließlich die Energie von der erneuerbaren Energiequelle 12.

In der dritten Betriebsart wird sowohl Energie aus dem lokalen elektrischen Netz 10 als auch von der erneuerbaren Energiequelle 12 genutzt. In dieser dritten Betriebsart wird die Energie von der erneuerbaren Energiequelle 12 durch den Energiekonditionierer 20 umgewandelt, um den elektrochemischen Zellenstapel 22 zu betreiben. Der restliche Energiebedarf für die Zellen unterstützenden Systeme 24 wird aus dem lokalen elektrischen Netz 10 bezogen.

Vorzugsweise wird der Energiekonditionierer 20 mit mehreren, verschiedenen Quellen betrieben, welche einen Eingangsspannungsbereich von ungefähr 48 bis ungefähr 120 Volt (Gleichstromspannung) haben, vorzugsweise eine Nominalspannung von ungefähr 75 Volt Gleichspannung. In einer Ausführungsform beträgt die bevorzugte Ausbruchsspannung des Energiekonditionierers 20 Amperesekunden (Asek) bis zu einer Spitze von ungefähr 150 Asek. für ungefähr 5,6 Millisekunden (ms). Mit diesen Eingangsparametern würde der Energiekonditionierer 20 eine bevorzugte Ausgabeenergie von ungefähr 6000 Watt (W) bei einer Spannung von 50 Volt (V) und einem Strom von 120 Asek. haben. Vorzugsweise sollte die Austrittspannung des Energiekonditioniers 20 auf ungefähr +10% und ungefähr -20% der nominalen Ausgangsspannung einstellbar sein. Vorzugsweise verfügt der Energiekonditionierer 20 auch über einen Schutz für das erneuerbare Generatorensystem vor Überspannung, Überstromstärke und/oder Übertemperatur. Vorzugsweise verfügt der Energiekonditionierer 20 zusätzlich über einen Ausgang mit 24 Volt Wechselspannung für den Energiebedarf der Zellen unterstützenden Systeme 24 sowie einen Ausgang mit 24 Volt Gleichstrom zum Laden von Batterien mit ungefähr 500 Watt und ungefähr 20 Asek bei 24 Volt. Es wird besonders bevorzugt, daß der Energiekonditionierer 20 sowohl mit den Netzenergiequellen, z. B. 30, 34, 35, als auch mit den erneuerbaren Quellen, z. B. 12, verbunden ist.

Die elektrische Energie von den erneuerbaren Energiequellen 12 kann aufgrund von Faktoren wie z. B., im Falle einer Windturbine dem zeitweiligen Nachlassen des Windes, oder einer Bewölkung im Falle einer photovoltaisch erneuerbaren Quelle, Schwankungen unterliegen. Da die Zellen unterstützenden Systeme 24 Komponenten wie beispielsweise Pumpen, Ventilatoren und Steuervorrichtungen einschließen, ist erstrebenswert, diese Vorrichtungen kontinuierlich zu betreiben, um die an sie gestellten Anforderungen zu minimieren und ihre Lebensdauer sowie Zuverlässigkeit zu erhöhen. Um die Beeinflussung von zeitweiligen Energiesenken auf den Betrieb der zellenunterstützenden Systeme 24 auszuschließen, wird der Energiekonditionierer 20 vorzugsweise in seiner dritten Betriebsart betrieben, wobei die Energie zum Antrieb der Zellen unterstützenden Systeme 24 von dem lokalen elektrischen Netz 10 bezogen wird. Wahlweise könnte das elektrochemische Zellensystem 18 in der zweiten Betriebsart (ausschließlich erneuerbare Energie) betrieben werden mit einer zusätzlichen Batterie 21 als Energiequelle für die unterstützenden Systeme 24 zur Überbrückung. Um eine redundante Energieversorgung zu liefern, kann entweder die Batterie 21 oder die lokale elektrische Netzverbindung 10 (Energiequellen 30, 34 und/oder 35) einzeln oder in Kombination miteinander genutzt werden.

Eine alternative Ausführungsform eines elektrochemischen Zellensystems 39 ist in Fig. 3 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist ein erneuerbares Brennstoffzellenmodul 42 in das elektrochemische Zellensystem 39 eingebunden, um sowohl Energie für die unterstützenden Systeme 44 als auch für das lokale elektrische Netz 46 zu liefern. Die erneuerbare Energiequelle 12 liefert über einen Regler 40 elektrische Energie an das elektrochemische Modul 41. Das elektrochemische Modul 41 erzeugt Wasserstoffgas und speichert dieses in der Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff. Um Energie für das elektrochemische Modul 41 zu liefern, kann eine geringe Menge Wasserstoff zum elektrochemischen Zellensystem 39 für den Bedarf durch das Brennstoffzellenmodul 42 zurückgeführt werden. Das Brennstoffzellenmodul 42 liefert wiederum Energie zum Betrieb der Unterstützungssysteme 44. Alternativ kann das Brennstoffzellenmodul 42 eine zur Lieferung von zusätzliche Energie für das lokale elektrische Netz 46 geeignete Größe aufweisen. Es sollte vermerkt werden, dass das Brennstoffzellenmodul 42 mit den Unterstützungssystemen 44 und dem lokalen elektrischen Netz 46 durch den Regler 40, welcher Energieschwankungen korrigiert, oder direkt mit den Unterstützungssystemen 44 und dem lokalen elektrischen Netz 46 verbunden sein kann. Die Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff kann ebenfalls mit einer Vielzahl von wasserstoffbetriebenen elektrischen Generatoren 35 verbunden sein und diesen Wasserstoffgas liefern.

In Fig. 4 ist ein detailliertes Blockdiagramm dargestellt, welches die regenerative elektrochemische Zelle 39 (Fig. 3) repräsentiert. Das regenerative System 39 enthält ein Elektrolysemodul (oder einen Zellenstapel) 41, welches strömungstechnisch mit einem Sauerstoff absaugenden Gebläse 48 verbunden ist, welches wiederum mit der umgebenden Atmosphäre 50 strömungstechnisch verbunden ist. Optional ist zwischen dem Elektrolysemodul 41 und dem Sauerstoffgebläse 48 eine Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung von Wasser angeordnet, welche strömungstechnisch mit der Kathodenkammer des Elektrolysemoduls 41 verbunden ist. Ebenso ist die Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff strömungstechnisch mit dem Elektrolysemodul 41 verbunden, wobei wahlweise eine Vorrichtung 58 zur Phasentrennung zwischen diesen angeordnet ist. Die Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff ist weiterhin strömungstechnisch mit dem Brennstoffzellenmodul 42, vorzugsweise über einen optionalen Trockner 56 verbunden. Das Brennstoffzellenmodul 42 ist strömungstechnisch über die Vorrichtung 66 zur Phasentrennung von Sauerstoff und Wasser, über die Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung von Wasser und das Sauerstoffgebläse 48 mit der umgebenden Atmosphäre 50 verbunden. Zusätzlich ist das Brennstoffzellenmodul 42 mit einem Energieverbraucher 38 über einen Regler 40 und wahlweise mit einer Überbrückungsenergieeinrichtung 78, die ebenfalls mit dem Energieverbraucher 38 elektrisch verbunden ist, elektrisch verbunden. Das Elektrolysemodul 41 ist elektrisch mit der erneuerbaren Energiequelle 12 über einen Energieregler 43 verbunden. Optional ist die Vorrichtung 78 zur Energieüberbrückung in die erneuerbare Energiequelle 12 als Einzelvorrichtung integriert.

Das Elektrolysemodul 41 kann eine beliebige Anzahl von Elektrolysezellen 100 haben, abhängig von der gewünschten Herstellmenge von Wasserstoff. Jede Elektrolysezelle 100 weist einen mit 118 bezeichneten Elektrolyten auf, welcher zwischen Elektroden 114, 116 Ionen austauschbar angeordnet ist. Eine der Elektroden 116 ist strömungstechnisch mit einer Wasserquelle (z. B. 54, 52, 32), einer kontinuierlichen Wasserzuführung (oder dergleichen) verbunden, während die andere Elektrode 114 strömungstechnisch mit dem Brennstoffzellenmodul 42, vorzugsweise über eine Vorrichtung 58 zur Phasentrennung und die Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff verbunden ist.

Die Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung von Wasser enthält einen Anschluss 136 für Wasserzufuhr und einen Anschluss 138 für Wasserauslass. Der Anschluss 136 für Wasserzufuhr ist strömungstechnisch mit dem Brennstoffzellenmodul 42 und der Anschluss 138 mit einer Wasserpumpe 84 verbunden, welche strömungstechnisch mit dem Elektrolysemodul 41 verbunden ist. Abhängig von der Ausführung der Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung von Wasser kann ein einzelner Tank verwendet werden, um Wasser von den Wasserstoff- und Sauerstoffauslässen des Brennstoffzellenmoduls 42 zurückzugewinnen. Alternativ können separate Vorrichtungen (z. B. 54, 52) zur Speicherung von Wasser verwendet werden. Desweiteren kann abhängig von der Verfügbarkeit aufbereiteten Wassers für das System 39 auch eine Vorrichtung 32 zur Speicherung von aufbereitetem Wasser vorhanden sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung von Wasser optional strömungstechnisch mit einer kontinuierlichen Wasserquelle (z. B. einen See, einem Fluß, einem städtischen Wasseranschluss und dergleichen sowie aus Kombinationen wenigstens einer der vorstehenden Wasserquellen) verbunden sein.

Zusätzlich kann das Wassersystem (z. B. die Vorrichtung(en) zur Speicherung von Wasser und Zuleitungen) ein Heizungssystem 82 enthalten, um die Wassertemperatur zu erhöhen, wodurch die Anlaufzeit der Brennstoffzelle reduziert wird. Dieses Heizungssystem kann aus Widerstandsheizungen innerhalb und/oder außerhalb des Leitungssystems und/oder innerhalb der Vorrichtung zur Speicherung von Wasser (z. B. Heizung 82, wie in der Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung von Wasser dargestellt) bestehen. Alternativ kann das Heizungssystem 82 sowohl eine Heizungssystemkomponente als auch eine Rohrsystemkomponente sein, wie z. B. eine Rohrheizung, welche in Doppelfunktion auch eine Rohrverbindung ist. Alternativ kann die Heizung 82 in Form einer integrierten Komponente in ein Element des Brennstoffzellenmoduls 42oder des Elektrolysemoduls 41 angeordnet sein, wobei das Heizungselement Teil einer Endplatte oder einer Strömungssektion des Moduls bildet. Alternativ kann das Heizverfahren eine Strahlungsquelle, z. B. eine Infrarotquelle nutzen, die innerhalb oder außerhalb des Systems angeordnet ist. Die Heizungen 82 können in Form einer Matte, eines Rohrs, einer Schlange, einer stabförmigen Heizung und anderer, sowie auch Kombinationen wenigstens einer dieser Heizungen ausgebildet sein. Alternativ kann die Heizung 82 Teil einer Heizregelung oder eines Hydrierungsuntersystems sein, dessen Flüssigkeit eine andere als auf Wasserbasis ist.

Des weiteren kann das Heizungssystem 82 als Teil des oben beschriebenen Systems oder über zusätzliche Komponenten einen Frostschutz besitzen. Der Frostschutz kann mittels verschiedener isolierender Maßnahmen zum Minimieren von Hitzeverlust, durch Ventile 140, welche eine Ablassen von Wasser aus frostanfälligen Komponenten des regenerativen Systems 39 erlauben, sowie beispielsweise mit Wasserpumpen 84 und dergleichen, erreicht werden. Auch kann eine kontinuierliche Wasserströmung zusammen mit dem Heizungssystem genutzt werden, und/oder das Heizungssystem kann fremde Quellen nutzen (z. B. Abwärme von Wasserpumpen, elektronischen Steuerungssystemen und dergleichen), um Wärmeenergie zu erzeugen und einem Gefrieren des Wassers während des Betriebs bei niedrigen Umgebungstemperaturen (z. B. -30°F) zu vorbeugen. Die Nutzung von Fremdwärme kann in Kombination mit verschiedenen Steuerungen im unterstützenden System 44, wie einen Temperatursensor und dergleichen, verwendet werden. Auf diese Weise kann die Pumpe 84 kontinuierlich oder abhängig von Faktoren wie der aktuellen Wassertemperatur intermittierend betrieben werden.

Die Wasserpumpe 84, welche strömungstechnisch sowohl mit der Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung von Wasser als auch mit dem Elektrolysemodul 41 verbunden ist, kann optional eine Strömung des Wassers in zwei Richtungen erzeugen. Daher kann die Wasserpumpe 84 während Aufladungsvorgängen des Elektrolysemoduls 41 ermöglichen, daß überschüssiges Wasser, welches sich in dem regenerierenden System 39 sammelt, in die Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung von Wasser fließt und somit ein Überfluten des Regenerierungssystems 39 verhindern. Die Pumpe 84, welche über das Brennstoffzellenmodul 42 mit dem Elektrolysemodul 41 strömungstechnisch verbunden ist, ist vorzugsweise geeignet, das gewünschte Wasser in das Elektrolysemodul 41 mit einem Druck, der einen effizienten Betrieb des Regenerierungssystems erlaubt, einströmen zu lassen. Beispielsweise ist die Wasserpumpe 84 vorzugsweise dazu geeignet, Wasser in das Elektrolysemodul 41 während des Betriebs des Brennstoffzellenmoduls 42 mit einem Druck bis zu ungefähr 2,1 Megapascal (Mpa) (300 psi) und darüber hinaus einzuspeisen.

Die Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff ist ebenso wie mit der Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung des Wassers und der Wasserpumpe 84 strömungstechnisch mit dem Elektrolysemodul 41 verbunden. Die Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs verfügt über einen Einlassanschluss 142 und einen Auslassanschluss 144 für das Wasserstoffgas. Der Einlassanschluss 142 für das Wasserstoffgas ist strömungstechnisch mit dem Elektrolysemodul 41 verbunden, während der Auslassanschluss 144 für das Wasserstoffgas strömungstechnisch mit dem Brennstoffzellenmodul 42 verbunden ist.

Innerhalb der Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs kann der Wasserstoff bei verschiedenen Drücken, welche von der Ausführung der Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs und dem Speicherungsbedarf des regenerierenden Systems 39 abhängen, gespeichert sein. Vorzugsweise ist die Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs eine druckdichte Vorrichtung, welche zur Speicherung von Wasserstoffgas bei einem Druck bis zu ungefähr 1.000 psi oder darüber hinaus, vorzugsweise mit der Eignung zur Speicherung von Wasserstoffgas bis zu Drücken von ungefähr 2.000 psi oder darüber hinaus und noch bevorzugter ungefähr 10.000 psi geeignet ist.

Der gewünschte Druck zur Speicherung des Wasserstoffs kann durch den Gebrauch des Elektrolysemoduls 41 allein oder im Zusammenwirken mit einem System zur Druckverdichtung (z. B. einem Kompressor 65) innerhalb des regenerativen Systems 39 erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs mechanische oder andere Druck steigernde Verfahren einschließen, wie beispielsweise Metallhydrit-Pumpen oder ein auf einer Protonen austauschenden Membran (PEM) beruhendes Pumpsystem. Jedes Pumpensystem kann eine einzelne Stufe oder mehrere Stufen nutzen, um das gewünschte Druckniveau zu erreichen. Die Verdichtungstechniken können in verschiedenen Variationen oder Anzahlen genutzt werden, um die gewünschte Verdichtung innerhalb des Systems zu herzustellen.

Als eine Alternative zur Verwendung der druckdichten Vorrichtung(en) 26 zur Speicherung des Wasserstoffs können andere Techniken zur Speicherung des Wasserstoffs verwendet werden. Beispielsweise kann der Wasserstoff in Form eines Gases, eines Feststoffes oder einer Flüssigkeit gespeichert werden.

Beispielsweise kann Wasserstoff als Feststoff gespeichert werden, wenn eine nicht druckdichten Vorrichtung verwendet wird, z. B. als ein Metallhydrit in einem kohlenstoffbasierten Speicher (z. B. Teilchen (particulates), Nanofasern, Nanoröhren oder dergleichen) und anderen, sowie Kombinationen, die wenigstens eine der vorgenannten Methoden zur Speicherung von Wasserstoff verwenden. Die Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs kann aus einem beliebigen Material, welches den gewünschten Drücken zu Stand halten kann, gebildet sein. Einige mögliche Werkstoffe umfassen eisenhaltige Materialien (wie Stahl, z. B. rostfreier Stahl und dergleichen), Titan, Karbon (z. B. gewobene Karbonfasermaterialien und dergleichen), Kunststoffe, beliebige andere vergleichbare hochfeste Materialien, genauso wie Verbindungen, Legierungen und Mischungen, welche wenigstens einen der vorgenannten Werkstoffe aufweisen. Ferner kann die Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs mit einer oder mehreren Isoliergründen, einem oder mehreren Oberflächenanstrichen, Beschichtungen oder dergleichen ausgekleidet sein, um Korrosion oder andere schädliche Einflüsse auf das Behältermaterial durch Kontakt mit Wasserstoff oder einem beliebigen Kondensat in der Vorrichtung zu vermeiden und um Verschmutzung von Komponenten des regenerativen Systems zu verhindern.

Ebenso können Techniken zur Trocknung des Wasserstoffgases als Teil des Systems zur Speicherung des Wasserstoffs eingeschlossen werden. Solche Trocknungssysteme 56 können beispielsweise auf Austrocknung beruhende Trocknungsmethoden einschließen (z. B. ein Schwingungsbettabsorber und andere auf Austrocknung basierende Absorber), Phasenseparatoren, Membrantrocknungssysteme (z. B. Palladiumdiffuser und dergleichen), verschmelzenden Filter, Kondensierungssysteme (z. B. thermische Elektrokühler, Wirbelröhrenkühler, Dampf oder Luftkreislaufkühlsysteme und dergleichen) und dergleichen, ebenso wie Kombinationen, welche wenigstens eines der vorgenannten Trocknungssysteme enthalten.

Optional kann das System 26 zur Speicherung des Wasserstoffs eine Vorrichtung zur Speicherung des Wasserstoffs, (z. B. eine Vorrichtung zur Speicherung des Wasserstoffs, welche eine bidirektionale Öffnung (Einlass und Auslass) aufweist), welche ein Entfernen des Wasserstoffs von einer oberen Behälterverbindung erlaubt, während das Wasser über Entwässerungsanschlüsse (nicht dargestellt) durch Schwerkraft entfernt wird in der Vorrichtung zur Speicherung des Wasserstoffs ermöglicht die Vorrichtung, kondensierte Feuchtigkeit zu sammeln und dieses Kondensat zur Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung des Wassers oder zu anderen Komponenten des Wasseruntersystems zurückzuführen. Alternativ kann die invertierte Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs als ein zweiter Wassertrenner genutzt werden, wenn ein erster Wassertrenner, z. B. die Vorrichtung 58 zur Phasentrennung von Wasserstoff und Wasser genutzt wird, (welche zahlreiche Stufen von Separatoren aufweisen kann, um die Wasserextraktion und -rückgewinnung zu verbessern). Durch Verwendung einer Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff ist ein Trockner 56 und damit verbundene Hardware überflüssig. Weiterhin ist ein Kompressor 65 nicht notwendig, wenn das Elektrolysemodul 41 bei einem für die Produktion von Wasserstoff geeigneten Speicherungsdruck betrieben wird.

Der optionale Trockner 56 und das Brennstoffzellenmodul 42 sind strömungstechnisch mit der Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff verbunden. Der Trockner 56 kann, wie oben erläutert, über eine beliebige, zum Entfernen von Wasserdampf aus dem Wasserstoffstrahl geeignete Vorrichtung verfügen. Ein gewisser Teil des Wassers wird in der Vorrichtung 58 zur Phasentrennung vom gesättigten Wasserstoffstrahl abgeschieden. Das übrige gesättigte Wasserstoffgas fließt von der Vorrichtung zur Phasentrennung 58 in den Trockner 56 weiter, (wobei es eine geringere Wassersättigung hat als der in die Vorrichtung zur Phasentrennung 56 geführte Strahl). In einer Ausführungsform schließt der Trockner 56 ein Bett mit einem feuchtigkeitsabsorbierenden (und/oder absorbierenden) Material, z. B. einem Trocknungsmittel, ein. Wenn das gesättigte Wasserstoffgas in den Trockner 56 fließt, wird Wasser mit geringen Mengen darin gelösten Wasserstoffs entfernt und nachfolgend über einen Niederdruck- Wasserstoffseparator 74 zur Wasserquelle oder zur Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung des Wassers zurückgeführt. Der Niederdruck-Wasserstoffseparator 74 ermöglicht dem Wasserstoffgas, aufgrund des reduzierten Drucks aus dem Wasser zu entweichen und bereitet ferner für das Elektrolysemodul 41 Wasser mit einem niedrigeren Druck auf, als dem Wasser, welches die Vorrichtung zur Phasentrennung 58 verläßt. Alternativ kann zusätzlich zu dem Trockner 56 ein Diffuser 146 mit einem Einwegeprüfventil 72 vorgesehen sein, welches vorzugsweise zwischen der Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs und dem Trockner 56 angeordnet ist, um einen Rückfluss des Wasserstoffgases unter Hochdruck zu verhindern.

Obwohl der Trockner 56 vorzugsweise größenmäßig so ausgelegt ist, daß er die gesamte Feuchtigkeit halten kann, die abhängig von der Größe des Wasserstoffspeicherungssystems während der Elektrolyse erzeugt wird, verfügt der Trockner 56 über ein begrenztes Leistungsvermögen zum Entfernung des Wassers. Daher wird der Trockner 56 vorzugsweise periodisch entleert, um angesammelte Feuchtigkeit zu entfernen. Das Entleeren des Trockners 56 wird durch gespeichertes Wasserstoffgas, welches aus der Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs über das Trocknungsbett des Trockners 56 strömt, bewerkstelligt. Die Feuchtigkeit des Trocknungsbetts wird entfernt, wenn das Wasserstoffgas von der Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs durch den Trockner 56 strömt. Zwischen der Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs und dem Trockner 56 ist ein erster Druckregulierer 59 strömungstechnisch eingebunden. Der Druckregulierer 59 reduziert den Gasdruck von der Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs, um eine effiziente und kostengünstige Lösung zum Entleeren des Trockners 56 zu liefern. Der Einsatz eines ersten Druckregulierers 59 verringert die in die Atmosphäre ausgeblasenen (verlorenen) Mengen an Wasserstoffgas und bietet ein effizienteres Verfahren zur Entleerung des Bettes. Außerdem verhindert der Gebrauch des ersten Druckregulierers 59 das Austreten von Gas unter hohem Druck aus der Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs in den Phasenseparator 58. Wie noch genauer erläutert werden soll, wird der Druckregulierer 59 vorzugsweise ungefähr auf den Betriebsdruck des Brennstoffzellenmoduls 42 eingestellt. Mit großem Vorzug wird der Druck auf einen Wert eingestellt, welcher einige psi größer als der Betriebsdruck des Brennstoffzellenmoduls 42 ist. Vorzugsweise wird der Druckregulierer 59 auf einen Druck eingestellt, welcher bis zu 14 psi höher ist als der Betriebsdruck der Brennstoffzelle, noch bevorzugter ist ein bis zu ungefähr 7 psi höherer Druck. Ebenso ist ein Druck bevorzugt, welcher mindestens ungefähr 2 psi höher ist als der Betriebsdruck der Brennstoffzelle, noch bevorzugter ist ein Druck, welcher mindestens ungefähr 3 psi höher ist.

Der Entleerungsvorgang beruht auf der Strömung des Druck reduzierten Wasserstoffs durch den Trockner 56 und Ausscheiden des vorher absorbierten (und adsorbierten) Wassers aus dem Trockner 56 auf. Der nun hydrierte Wasserstoff kann entweder in die Atmosphäre 50 geblasen werden und/oder vollständig oder teilweise vorzugsweise zum Verbrauch im Brennstoffzellenmodul 42 und zur möglichen nachfolgenden Rückgewinnung von Wasser geleitet werden. Vorzugsweise agiert der Trockner 56 als eine wasserstoffbefeuchtende Einheit, um ein Austrocknen des Brennstoffzellenelektrolyten zu hemmen. Alternativ kann der ausgeblasene hydrierte Wasserstoff in einem Brenner oder einem katalytischen Brenner (nicht dargestellt) oder dergleichen verbraucht werden.

Das Brennstoffzellenmodul 42 wird zum Erzeugen von Energie während eines Energieerzeugungsverfahrens genutzt. Während des Energieerzeugungsverfahrens wird ein Steuerventil 148 betätigt (und vorzugsweise während eines idealen Verfahrens offengelassen). Wasserstoffgas fließt von der Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs zum Brennstoffzellenmodul 42. Das Wasserstoffgas reagiert im Brennstoffzellenmodul 42 elektrochemisch mit Sauerstoff (O₂), setzt Energie frei und bildet das Nebenprodukt Wasser. Dieses Wasser wird vorzugsweise im System 39 zurückgehalten. Das Sauerstoffgas kann entweder als verdichtetes Gas gespeichert werden oder aus der Umgebungsluft bezogen werden. Ein zweiter Druckregulierer 68 ist strömungstechnisch mit einem Einlass 92 des Brennstoffzellenmoduls 42 verbunden. Der zweite Druckregulierer 68 ist auf den optimalen Betriebsdruck des Brennstoffzellenmoduls 42 eingestellt. Vorzugsweise ist der zweite Druckregulierer 68 auf ungefähr 40 psi eingestellt. Der zweite Druckregulierer 68 schützt das Brennstoffzellenmodul 42 vor hohen Drücken, welche während der Herstellung des Wasserstoffgases entstehen, (Drücke bis zu ungefähr 4000 psi und darüber hinaus) und agiert als ein zweiter Druckreduzierer. Der zweite Druckregulierer 68 dient ebenso als redundante Einrichtung bei Versagen oder Leckage des Absperrventils 72.

Wie vorstehend erläutert, wird der erste Druckregulierer 59 vorzugsweise auf einen Druckwert oberhalb des Wertes für den zweiten Druckregulierer 68 eingestellt (z. B. einige psi größer als der Druckwert für den Regulator 68). Unter diesen Bedingungen kann der erste Druckregulierer 59 als Sicherung des zweiten Druckregulierers 68 dienen, wenn dieser fehlerhaft weit geöffnet ist. Ferner wird der Druck im Brennstoffzellenmodul 42 sogar während der Elektrolyse kontinuierlich gehalten, wenn der erste Druckregulierer 59 auf einen größeren Wert als der zweite Druckregulierer 68 eingestellt ist. Da eine Betätigung von Schließ- oder Vielwegeventilen, welche zwischen der Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs und dem Brennstoffzellenmodul 42 angeordnet sind, unvorteilhaft ist, ist das Brennstoffzellenmodul 42 immer betriebsbereit. Ein Absperrventil 57, welches gewöhnlich zwischen der Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs und dem Trockner 56 angebracht ist, steht während des Betriebs des regenerativen Systems 39 offen. Es ist normalerweise nur bei einem Systemfehler oder bei Abschalten des Systems geschlossen. Durch Betätigung der Ventile verursachte Schaltverzögerungen werden vermieden, wenn das regenerative System zwischen dem Auflade/Speicherungsmodus (z. B. Wasserstoffherstellung) und dem energieerzeugenden Modus entfällt. Während laufender Energieerzeugung wird durch den ersten Druckregler 59 das Druckniveau des Gases abgesenkt, Wasserstoff strömt mit abgesenktem Druck in den Trockner 56 und entfernt aus dem Bett angesammelte Feuchtigkeit. Dies erlaubt, bei dem regenerativen System 39 eine Vorrichtung zur Phasentrennung mit niedrigen Kosten zu verwenden und optional Regelventile am Separatorauslass einzusparen. Aufgrund seiner geringen Kosten ist die Nutzung der Niederdruck betriebenen Phasentrennungsvorrichtung 58 insbesondere dann bevorzugt, wenn das System 39 ein den Wasserstoffdruck verdichtendes System (z. B. einen Kompressor 65 oder dergleichen) verwendet.

Vom Trockner 56 strömt das Wasserstoffgas zum Brennstoffzellenmodul 42. Das Brennstoffzellenmodul 42 verfügt über eine beliebige gewünschte Anzahl von Brennstoffzellen 100, welche von der erwünschten Leistungsfähigkeit des regenerativen Systems 39 zur Lieferung von Energie abhängt. Jede Brennstoffzelle 100 innerhalb des Brennstoffzellenmoduls 42 hat einen Elektrolyten, welcher mit 118 gekennzeichnet ist und in Ionenverbindung stehend zwischen zwei Elektroden 114, 116 platziert ist. Eine Elektrode 114 ist strömungstechnisch mit einer Wasserstoffquelle (z. B. der Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff und/oder dem Elektrolysemodul 41) verbunden, während die andere Elektrode 116 strömungstechnisch mit einer Sauerstoffquelle verbunden ist. (z. B. der Umgebungsluft 50, der gasförmigen Phase in der Vorrichtung 52 zur Speicherung von Wasser, der gasförmigen Phase in der Vorrichtung 66 zur Phasentrennung von Sauerstoff und Wasser und/oder einer Vorrichtung zur Speicherung von Sauerstoff (nicht dargestellt)).

Wenn das Brennstoffzellenmodul 42 strömungstechnisch mit der umgebenden Atmosphäre 50 verbunden ist, kann die Verringerung des Druckunterschiedes zwischen dem Brennstoffzellenmodul 42 und der umgebenden Atmosphäre 50 ebenso wie die Aufnahme von Luft aus der Umgebung 50 und Filterung der Luft durch verschiedene Verfahren bewerkstelligt werden. Diese Verfahren schließen beispielsweise den Einsatz eines oder mehrerer Luftkompressoren ein, welche allgemein mit 88 gekennzeichnet sind, eines oder mehrere Gebläse, welche ebenso allgemein mit 88 gekennzeichnet sind, eines oder mehrere Filter 86 und dergleichen, ebenso wie Kombinationen, welche wenigstens eines der vorgenannten Verfahren verwenden. Beispielsweise verfügt der Luftkompressor 88 über einen Anschluss 87 für Luftzufuhr und einen Anschluss 89 für Luftabfuhr. Der Anschluss 89 ist mit dem Brennstoffzellenmodul 42 und der Anschluss 87 mit der umgebenden Atmosphäre 50 strömungstechnisch verbunden. Der Luftkompressor 88 zieht Luft von der umgebenden Atmosphäre 50 an, verdichtet diese und leitet danach die verdichtete Luft zum Brennstoffzellenmodul 42. Die Produktion von verdichteter Luft durch den Luftverdichter 88 vereinfacht die Luftaufnahme durch das Brennstoffzellenmodul 42.

Ein Energieverbraucher 38 ist elektrisch mit dem Brennstoffzellenmodul 42 verbunden. Der Energieverbraucher 38 kann ein Gleichstromverbraucher (DC) oder ein Wechselstromverbraucher (AC) sein. Das Brennstoffzellenmodul kann die oben erläuterten, beispielsweise häuslichen, kommerziellen und dergleichen Energieverbraucher (einschließlich der Batterien zum Antrieb dieser Energieverbraucher)einschließen und mit der vom Energieumwandler 40 geeignet umgewandelten elektrischen Energie 42 versorgen. Ferner kann das regenerative System 39 direkt mit dem Energieverbraucher 38 über nicht dargestellten Sensoren verbunden sein, welche erlauben, Energie unter verschiedenen Bedingungen zu beziehen, beispielsweise bei Ausfall des Stromnetzes, erhöhtem Energiebedarf oberhalb einer verfügbaren Menge, Testbetrieb des Systems, Steuerbefehle von zentralisierten oder dezentralisierten Steuerungssystemen (z. B. auf verschiedene Art und Weisen miteinander verbunden, einschließlich drahtloser und gedrahteter (beispielsweise Modems und dergleichen)), Infrarot und Funkfrequenzkommandos und dergleichen, ebenso wie Kombinationen, welche wenigstens eines der vorgenannten Leitsysteme aufweisen. Diese Leitsysteme können ferner Betriebseinrichtungen einschließen, welche mit dem regenerativen System betrieblich verbunden sind, wie Kommunikationsvorrichtungen und Steuerungen. Mögliche Betriebseinrichtungen schließen Geräte zur Signalverarbeitung (z. B. Computer und dergleichen) und ähnliches Equipment ein.

Im Gegensatz zum Brennstoffzellenmodul 42 ist das Elektrolysemodul 41 mit einer erneuerbaren Energiequelle 12 verbunden. Die erneuerbare Energiequelle 12 kann eine beliebige Einrichtung sein, welche geeignet ist, ausreichend Energie an das Elektrolysemodul 41 für die Herstellung einer gewünschten Wasserstoffmenge zu liefern. Mögliche erneuerbare Energiequellen 12 schließen Netzenergie, Batterie, Solarenergie, Wasserenergie, Gezeitenenergie, Windenergie und dergleichen, ebenso wie Kombinationen, welche eine der vorgenannten Energiequellen enthalten (z. B. über Solarpaneele, Windmühlen, Dämme mit Turbinen und dergleichen) ein.

Die erneuerbare Energiequelle 12 kann vorzugsweise über einen Energieregler 43 entweder Gleichstrom- oder Wechselstromenergie an das regenerative System 39, leiten. Der Energieregler 43 kann die Steuerung der Energiequelle, beispielsweise Strommenge, Spannungshöhe, Schalter, ebenso wie Kombinationen dieser Steuerungen und dergleichen, liefern. Der Energieregler 43 und/oder ein nicht dargestelltes Steuerungssystem können die Spannung, die Stromstärke oder beides messen, um die Energie von dem Energieregler 43 zu steuern.

Zusätzlich zur Energie, welche das regenerative System 39 über den Energieregler 40 liefert, kann mittels eines Wärmetauschers 60 und/oder eines Radiators 61 von dem regenerativen System 39 Wärmeenergie zurückgewandelt werden. Der Wärmetauscher 60 kann strömungstechnisch mit dem Brennstoffzellenmodul 42 und dem Elektrolysemodul 41 verbunden angeordnet sein, so daß die in dem Elektrolysemodul 41 produzierte Wärme genutzt werden kann, um das Brennstoffzellenmodul 42 zu heizen. Alternativ oder zusätzlich können der Wärmetauscher 60 und/oder der Radiator 61 thermisch mit der Umgebung 50 verbunden sein oder können zu einem Wärmeverbraucher geführt werden, beispielsweise einem Gebäude (wie ein oder mehrere Bürogebäude, ein oder mehrere Häuser, Einkaufszentren und dergleichen).

Zusätzlich zu der oben erwähnten Ausrüstung kann das regenerative System 39 weiterhin verschiedene andere Ausrüstungen aufweisen, wie Ventile (z. B. Ablaßventile, Absperrventile, manuell betätigte und gesteuerte Ventile, Nadelventile und dergleichen, sowie Kombinationen, welche wenigstens eines der vorgenannten Ventile aufweisen), Filter (z. B. Deionisationsbettpatronen, Filterpatronen und dergleichen, sowie Kombinationen, welche wenigstens eines der vorgenannten Filter aufweisen), Sensoren (z. B. Druck-, Temperatur-, Durchfluß-, Feuchtigkeits-, Konduktivitäts-, Gasmischungs- und Wasserniveaufühler und dergleichen, sowie Kombinationen, welche wenigstens einen der vorgenannten Sensoren aufweisen), Steuerungen (z. B. für eine Temperatur (z. B. über Heizungen, Wärmetauscher, Kühler, Trockner und dergleichen), Drucksteuerungen (z. B. über Kompressoren und dergleichen), Strömungsteuerungen (z. B. über Pumpen, Ventilatoren, Gebläse und dergleichen), Energiesteuerungen und dergleichen, sowie Kombinationen, welche wenigstens eine der vorgenannten Steuerungen enthalten), Leitungen und dergleichen (z. B. Flüssigkeitsleitungen, elektrische Leitungen und dergleichen) sowie Kombinationen, welche wenigstens eine der vorgenannten Ausstattungen enthalten. Es ist anzumerken, daß abhängig vom Aufstellungsort des regenerativen Systems (ferngesteuert, städtisch, industriell und dergleichen), seiner spezifischen Funktion (z. B. Herstellung von Elektroenergie für das Hauptnetz oder für Backup Anwendungen) und den Problemen der Quellen, welche das regenerative System aufladen, redundante oder diversitäre Komponenten in parallelem oder in Reihe geschalteten Betrieb vorgesehen sein können. Beispielsweise sind dies Vorrichtungen zur Speicherung von Wasser, Trockner, Wärmetauscher, Radiatoren, Deionisationsbetten, Filter, Vorrichtungen zur Phasentrennung und dergleichen.

Es wird nun das Verfahren, mit welchem das regenerative System elektrochemischer Zellen betrieben wird, mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben:

Gespeichertes Wasserstoffgas wird von der Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs in das Brennstoffzellenmodul 42, vorzugsweise über den ersten Druckregulierer 59 und über den Trockner 56, eingeleitet. Über den Filter 86 und das Gebläse 88 wird Luft aus der umgebenden Atmosphäre 50 in das Brennstoffzellenmodul 42 geleitet. Zusätzlich kann die Luft vor dem Eintritt in das Brennstoffzellenmodul durch den Kompressor 88 verdichtet werden, um einen gewünschten höheren Luftdruck zu erhalten. Innerhalb des Brennstoffzellenmoduls 42 reagieren der Wasserstoff und die Luft elektrochemisch, indem Elektrizität und das Nebenprodukt Wasser erzeugt werden. Die Elektrizität wird durch den Energiekonditionierer 40 von dem regenerativen System 39 zum Energieverbraucher 38 geleitet. Überschüssige Luft und das Nebenprodukt Wasser werden über die Vorrichtung 66 zur Phasentrennung in die Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung von Wasser geleitet. Der vom Wasser/Luftstrahl abgetrennte Sauerstoff kann wahlweise für nachfolgenden Verbrauch im Brennstoffzellenmodul 42 (z. B. zum Reduzieren der Hochlaufzeit) zurückgewonnen, oder zum Verbrauch in eine Verbrennungskraftmaschine umgeleitet werden oder kann über das Sauerstoffgebläse 48 in die Umgebung 50 ausgeblasen werden. Auf ähnliche Weise wird der Wasserstoff und das Wasser vom Auslass des Brennstoffzellenmoduls 42 in die Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung von Wasser geleitet, wobei überschüssiger Wasserstoff ebenso wie Stickstoff, welcher durch den Elektrolyten gewandert sein kann, optional über das Gebläse 63 ausgeblasen wird. Um die Wasserrückgewinnung zu verbessern und den Wasserverlust zu minimieren, können ein oder mehrere Entfeuchter (Trockner) 56, 64 dem regenerativen System 39 zugefügt werden. Die Entfeuchter 56, 64 dienen dazu, den Wasserdampf vor dem Ausblasen rückzukondensieren und damit Wasser rückzugewinnen. In einer Ausführungsform kann zusätzlich zu dem Trockner 56 ein Trockner 64 verwendet werden. Der Trockner 56 ist strömungstechnisch mit der Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs, dem Elektrolysemodul 41und der Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung des Wassers verbunden angebracht, währenddessen der Trockner 64 strömungstechnisch mit der Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung von Wasser verbunden angeordnet ist. Der zusätzliche Trockner 64 ermöglicht, aus dem Strahl zur Entleerung des Sauerstoffs, welcher ebenso andere gasförmige Komponenten (z. B. Stickstoff, Karbondioxide und dergleichen) enthalten kann, Wasserdampf abzuscheiden.

Die Entfeuchtung von ausgeblasenem Wasser kann ebenso bei dem Luft/Wasserstrahl aus dem Auslass des Brennstoffzellenmoduls 42 genutzt werden, um das gesamte Wasservolumen im System zu erhalten. Diese Entfeuchtung würde Abgasluftanschluss 150 der Brennstoffzelle stattfinden. In einer Ausführungsform kann ein separater Phasentrenner (z. B. ein Luft/Wasserphasentrenner 66) das zurückgewonnene Wasser sammeln. Das Wasser kann daraufhin in das Elektrolysemodul 41 gepumpt oder durch de Schwerkraft zugeführt werden. Alternativ kann das gesamte oder ein Teil des zurückgewonnenen Wassers in die Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung von Wasser geleitet werden.

Das System zur Wasserrückgewinnung kann teilweise oder vollständig einen Wärmeaustausch mit der umgebenden Atmosphäre 50 (z. B. der umgebenden Luft) nutzen, kann eine andere, in dem regenerativen System 39 verfügbare Flüssigkeit, verwenden, kann eine kalte Oberfläche zur Kondensierung bilden, wobei aktive Kühlung genutzt wird (z. B. ein thermo-elektrischer Kühler, Luftkreislaufkühlung, Dampfkreislaufkühlung und dergleichen) und dergleichen, sowie Kombinationen, welche wenigstens eine der vorgenannten wärmeübertragenden Techniken verwenden. Beispielsweise kann für Wärmeaustausch verdichtete Luft aus der Brennstoffzelle durch einen Wirbelrohrkühler 134 geleitet werden. Die Luft kühlt beim Durchströmen des Wirbelrohrkühlers 134, wobei eine kalte Luftströmung und eine heiße Luftströmung erzeugt wird. Dabei wird die heiße Luftströmung an die umgebende Atmosphäre abgegeben, während die kalte Luftströmung zur Kondensierung von Wasser in der Luftströmung genutzt wird. Das kondensierte Wasser und die Luft, welche den Kühler verlassen, wird nachfolgend in einem Wasser/Luftphasentrenner 66 getrennt. Das Wirbelrohr 134 erzeugt sowohl eine heiße als auch eine kalte Luftquelle, wobei die kalte Luftquelle zur Regelung der Kondensation und zur Rückgewinnung genutzt wird und die heiße Luftquelle typischerweise ausgeblasen wird. Ein Beispiel eines geeigneten Wirbelrohrs 134 ist von der "Exair Corporation" unter dem Handelsnamen "Vortex Tube Model 3202" mit dem Kalt- Schalldämpfermodul 3905 und dem Heißschalldämpfermodul 3903 käuflich erhältlich. Ebenso können andere Möglichkeiten oder Kombinationen, welche die gewünschte kalte Luftquelle erzeugen, genutzt werden. Desweiteren kann das Wirbelrohr 134 zur Rückgewinnung von Wasser oder nur zum Wärmeaustausch, beispielsweise zum Heizen oder Kühlen der Brennstoffzelle, wie gewünscht, verwendet werden. Da das Wirbelrohr 134 keine beweglichen Teile hat, wird diese Technik für Anwendungen mit niedrigen Flüssigkeitsraten(z. B. größer oder gleich ungefähr 150 Kubikfuß pro Minute (CFIM)) verwendet.

Das beispielsweise mittels Wirbelrohr 134, die Vorrichtungen 58, 66 zur Phasentrennung und dergleichen zurückgewonnene Wasser wird vorzugsweise in eine der Vorrichtungen 54, 52 zur Speicherung von Wasser geleitet. Diese Vorrichtungen 54, 52 zur Speicherung von Wasser speichern sowohl Wasser und bieten vorzugsweise eine zusätzliche Phasentrennung, um zusätzlich gebrauchsfähigen Wasserstoff oder Sauerstoff aus der flüssigen Phase des Wassers zu trennen. In Vorrichtung 52 zur Speicherung des Wassers gelangt kondensiertes Wasser vorzugsweise aus der Vorrichtung 58 zur Trennung von Wasserstoff und Wasser, aus der Vorrichtung 66 zur Trennung von Sauerstoff und Wasser und Wasser aus den Wasserstoffleitungen (z. B. Leitung 80), während in die Vorrichtung 54 zur Speicherung des Wassers der Wasser/Sauerstoffstrahl, welcher die Wasserelektrode des Elektrolysemoduls 41 verläßt, gelangt.

Das Brennstoffzellenmodul 42 ist so lange in Betrieb, bis die Wasserstoffgasquelle erschöpft ist oder Signale anderer Steuerungssysteme anzeigen, dass die Erzeugung von Energie nicht länger gewünscht ist. Wenn die erneuerbare Energie 12 verfügbar oder die Herstellung von Energie erwünscht ist, (z. B. zum Ausgleich von Lastspitzen) kann das Elektrolysemodul 41 betrieben werden, um Wasserstoffgas direkt dem Brennstoffzellenmodul 42 zu liefern oder um die Vorrichtung zur Speicherung des Wasserstoffs wieder aufzufüllen. Der Betrieb des Elektrolysemoduls 41 schließt die Zufuhr von Wasser zum Elektrolysemodul 41 ein. Das Wasser kann direkt von einer oder beiden Vorrichtungen 54, 52 zur Speicherung des Wassers oder über das Brennstoffzellenmodul 42 zum Elektrolysemodul 41 zugeführt werden. Vorzugsweise fließt Wasser aus der Vorrichtung 52, 54 zur Speicherung von Wasser als Kühlmittel durch das Brennstoffzellenmodul 42 in den Wärmetauscher/Radiator 60/61. Von dem Wärmetauscher/Radiator 60/61 fließt das Wasser durch ein optionales Deionisationsbett 62 zur Wasserelektrode des Elektrolysemoduls 41. In dem Elektrolysemodul 41 ermöglicht die Energie, welche der Elektrolysezelle über die erneuerbare Energiequelle 12 und den Energiekonditionierer 43 geliefert wird, die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoffionen und Sauerstoffgas. Das Sauerstoffgas wird zusammen mit überschüssigem Wasser zur Sauerstoff/Wasserphasentrennungsvorrichtung 66 geleitet, während die Wasserstoffionen und ein Teil des Wassers durch den Elektrolyten 118 zur Wasserstoffelektrode 114 wandern, an der die Wasserstoffionen Wasserstoffgas bilden. Von dem Elektrolysemodul 41 können das Wasserstoffgas und das Wasser zu einer optionalen Wasserstoff/Wasserphasentrennungsvorrichtung 58 geleitet werden. Danach kann der Wasserstoff entweder zum Brennstoffzellenmodul 42 oder zu einem optionalen Trockner 56 (z. B. Entfeuchter, Trocknungsmittel oder dergleichen) und in die Vorrichtung 26 zur Speicherung des Wasserstoffs geleitet werden. Abhängig vom erwünschten Speicherungsdruck des Wasserstoffs sowie des Wasserstoffdruckes im Elektrolyten 40 kann optional ein Kompressor 65 zur Steigerung des Wasserstoffdrucks in der Vorrichtung 26 zur Speicherung auf einen erwünschten Wert, wie oben stehend erläutert, eingesetzt werden. Zusätzlich können druckreduzierende Vorrichtungen und verbundene Sammelvorrichtungen 152 genutzt werden, um den Einlassdruck im Kompressor 65 zu stabilisieren und zu regulieren.

Das hier beschriebene regenerative System 39 elektrochemischer Zellen kann verwendet werden, ohne dass loser Sauerstoff gespeichert werden muss, wodurch das System vereinfacht und das Bauvolumen des Systems reduziert wird. Die Erweiterung von Kapazitäten erlaubt, das System in praktischen Anwendungen wie der Produktion von Energie in großen Mengen zu verwenden. Desweiteren ist das beschriebene System 39 regenerativ in dem Sinne, dass für den Betrieb benötigtes Wasserstoffgas vom System geliefert wird, wodurch die kosten- und zeitintensive Zugabe von Wasserstoff erzeugenden Reagenzien vermieden wird. Das System ermöglicht effektiv eine wirtschaftliche und technische Nutzung mit langer Gebrauchsdauer.

Aufgrund der Flexibilität und der Umweltfreundlichkeit des regenerativen Systems 39 kann dieses überall verwendet werden, angefangen in Städtegebieten bis hin zu entfernten, beispielsweise "Dritte Welt Orten". Das System 39 kann jede Energiequelle (z. B. Gleichstrom, Wechselstrom, 24 V, 48 V, 120 V, 240 V und dergleichen) verwenden und jeden Energieverbraucher (z. B. Gleichstrom, Wechselstrom, 24 V, 48 V, 120 V, 240 V und dergleichen) versorgen. Zusätzlich kann das Brennstoffzellenmodul 42 direkt durch das Elektrolysemodul 41 betankt werden. Alternativ kann das Elektrolysemodul 41 Wasserstoff an die Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff liefern, während das Brennstoffzellenmodul 42 den Brennstoff (Wasserstoff) von der Vorrichtung 26 zur Speicherung von Wasserstoff bezieht. Alternativ kann das Energiespeicherungssystem in Anwendungen, in denen Zugabe von Wasser möglich oder eine größere Wasserspeicherung ökonomisch durchführbar ist, ebenfalls als direkte Brennstoffquelle für Wasserstoffgas in verschiedenen Anwendungen, wie z. B. als Brennstoff für Apparate (z. B. Laborausrüstung wie Chromatographen und dergleichen), Fahrzeugtreibstoff (z. B. Kraftwagen, andere Transportfahrzeuge und dergleichen) oder anderen Anwendungen, in denen Wasserstoff ein reagierendes Gas oder Brennstoff benutzt wird, während das regenerative System gleichzeitig die Funktion eines Systems zur Erzeugung elektrischer Energie erfüllt.

Zusätzlich optimiert das regenerative System 39 durch Verwendung von verschiedenen Komponenten die Größe und den notwendigen Speicherungsbedarf. Zum Beispiel werden der Trockner 56 und/oder die Wasserstoff/Wasserphasentrennungsvorrichtungen 58, 66 verwendet um das Wasser vom Wasserstoffstrahl vor der Speicherung abzuscheiden, um die Speicherung zu vereinfachen, die Kapazität zu vergrößern, Korrosion in der Trocknungs/Speicherungsvorrichtung 56, 26 zu vermeiden und den Wasserstoffstrahl vor dessen Einführung in das Brennstoffzellenmodul 42 zu befeuchten, um ein Austrocknen des Elektrolyten zu verhindern.

Anders als erneuerbare Energiesysteme, welche überschüssige Energie in Form von Wärme (z. B. durch Heizen von Wasser) verwenden, speichert das vorliegende Energiesystem 39 überschüssige Energie in Form von Wasserstoffgas. Daraus kann elektrische Energie zurück gewonnen werden und in einer bestimmten Menge zur Verfügung gestellt werden, wenn dieses erwünscht ist. Desweiteren beeinflussen Schwankungen erneuerbarer Energiequellen 12 aufgrund der Einbindung unterstützender Systeme (z. B. Gebläse, Pumpen, Sensoren und dergleichen (wie oben stehend erläutert)) mittels lokaler elektrischer Netze 10, 46 oder anderer verfügbarer Energiequellen (z. B. der Batterie 21 oder dergleichen) den Betrieb des Systems 39 nicht. Des weiteren erzeugen die hier beschriebenen regenerativen Systeme 39 Wasserstoffgas unter Druck, ohne zweite Kompressoren (optional eingeschlossen bei 65) zu verwenden, wodurch die Verbindung regenerativer Systeme 39 mit erneuerbaren Energiequellen 12 ermöglicht wird, die eine niedrigere Energieausbringung haben können, als in einem Netz verfügbar ist, welches mit den Systemen 30 verbunden ist.

Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, wird darauf verwiesen, dass Abweichungen davon ausgeführt werden können und Bauelemente ersetzt werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können zahlreiche Modifikationen durchgeführt werden, um eine spezielle Anforderung oder Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne deren wesentlichen Bereich zu verlassen. Daher ist die Erfindung nicht auf die einzelne Ausführungsform beschränkt, welche als die beste Weise betrachtet wurde, um die Erfindung auszuführen, sondern umfasst alle Ausführungsformen, welche in den Bereich der angehängten Ansprüche fallen.

Claims

1. Ein System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie, welches aufweist:
eine erneuerbare Energiequelle,
eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff, welche elektrisch mit der erneuerbaren Energiequelle verbunden ist,
eine Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff, welche strömungstechnisch mit der Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff verbunden ist,
einen Wasserstoff betriebenen Elektrizitätsgenerator, welcher strömungstechnisch mit der Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff verbunden ist und
einen Druckregulierer, welcher strömungstechnisch verbunden zwischen dem wasserstoffbetriebenen Elektrizitätsgenerator und der Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff zwischengeschaltet ist, wobei der Druckregulierer ungefähr auf einen Betriebsdruck des wasserstoffbetriebenen Elektrizitätsgenerators eingestellt ist.

2. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erneuerbare Energiequelle über einen Dieselgenerator, eine Windturbine, eine Wasserturbine, einen Erdgasgenerator, eine Photovoltaische Reihe (photovoltaic array) oder Kombinationen, welche wenigstens eine der vorgenannten erneuerbaren Energiequellen aufweisen, verfügt.

3. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff ein Elektrolysemodul aufweist, welches auf Elektrizität und Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff anspricht.

4. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff einen druckdichten Tank, einen Tank (inverted tank) zur Speicherung von Wasserstoff, einen Metallhydridtank, einen Karbonnanofasertank oder Kombinationen aufweist, welche wenigstens eine der vorgenannten Vorrichtungen zur Speicherung von Wasserstoff aufweisen.

5. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff betriebene Elektrizitätsgenerator ein Brennstoffzellenmodul oder einen Verbrennungsmaschinengenerator aufweist, welcher zur Produktion von Elektrizität auf Wasserstoffbasis geeignet ist.

6. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 1, welches weiterhin über einen Energieregler verfügt, welcher elektrisch verbunden zwischen der erneuerbaren Energiequelle und der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff zwischengeschaltet ist.

7. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckregler auf ungefähr 40 psi eingestellt ist.

8. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 1, welches weiterhin über einen zweiten Druckregler verfügt, welcher strömungstechnisch verbunden zwischen dem ersten Druckregulierer und dem wasserstoffbetriebenen Elektrizitätsgenerator zwischengeschaltet ist.

9. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druckregler auf ungefähr 40 psi eingestellt ist und der erste Druckregler auf einen Druckwert, welcher gleich oder größer als ungefähr 40 psi ist.

10. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckregler auf einen Druckwert eingestellt ist, welcher die Einstellung des zweiten Druckreglers um einen Wert größer oder gleich ungefähr 2 psi und kleiner oder gleich ungefähr 14 psi überschreitet.

11. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckregler auf einen Druckwert eingestellt ist, welcher die Einstellung des zweiten Druckreglers um einen Wert größer oder gleich ungefähr 3 psi und kleiner oder gleich ungefähr 7 psi überschreitet.

12. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoffgas bei einem Druck speichert, welcher größer oder gleich ungefähr 1.000 psi ist.

13. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff Wasserstoffgas bei einem Druck speichert, welcher größer oder gleich ungefähr 2.000 psi ist.

14. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff Wasserstoffgas bei einem Druck speichert, welcher größer oder gleich ungefähr 10.000 psi ist.

15. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff den Wasserstoff wenigstens in einer gasförmigen, flüssigen oder festen Form speichert.

16. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 1, welches weiterhin aufweist:
einen Trockner, welcher strömungstechnisch verbunden zwischen der Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und der Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff zwischengeschaltet ist,
wobei der Trockner den Wasserstoff vor der Speicherung entfeuchtet, um Korrosion der Vorrichtung zur Speicherung hemmen.

17. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Trockner weiterhin strömungstechnisch verbunden zwischen der Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff und dem Wasserstoff betriebenen Elektrizitätsgenerator zwischengeschaltet ist, wobei der Trockner den Wasserstoff vor der Zuführung zum wasserstoffbetriebenen Elektrizitätsgenerator befeuchtet, um ein Austrocknen des Elektrolyten zu hemmen.

18. Lokales Energienetz, welches durch das System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 1 angetrieben wird.

19. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie, welches aufweist:
eine erneuerbare Energiequelle,
ein regeneratives System elektrochemischer Zellen, welches ein Elektrolysemodul und ein Brennstoffzellenmodul hat, wobei das regenerative System elektrochemischer Zellen mit der erneuerbaren Energiequelle verbunden ist,
eine Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff, welche strömungstechnisch mit dem Elektrolysemodul und dem Brennstoffzellenmodul verbunden ist,
einem ersten Druckregler, welcher zwischen der Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff und dem Elektrolysemodul angeordnet ist,
einen zweiten Druckregler, welcher zwischen dem Brennstoffzellenmodul und der Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff angeordnet ist, wobei der erste Druckregulierer auf einen Druck eingestellt ist, welcher größer ist als der Druck, auf den der zweite Druckregulierer eingestellt ist und
einen Energiekonditionierer, welcher elektrisch verbunden zwischen der erneuerbaren Energiequelle und dem regenerativen System elektrochemischer Zellen zwischengeschaltet ist.

20. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 19, welches weiterhin aufweist:
einen Trockner, welcher zwischen der Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff und dem Elektrolysemodul angeordnet ist,
wobei der Trockner den Wasserstoff vor der Speicherung entfeuchtet, um Korrosion der Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff zu hemmen.

21. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Trockner desweiteren zwischen der Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff und dem Brennstoffzellenmodul angeordnet ist, wobei der Trockner den Wasserstoff vor der Einführung in das Brennstoffzellenmodul befeuchtet, um ein Austrocknen des Elektrolyten zu hemmen.

22. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenmodul einen Brennstoffzellenauslass, welcher strömungstechnisch mit der Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff verbunden ist, und einen Brennstoffzelleneinlaß, welcher strömungstechnisch mit einer Sauerstoffquelle und der Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff verbunden ist, einschließt und das Elektrolysemodul einen Elektrolysezelleneinlass, der strömungstechnisch mit der Vorrichtung zur Speicherung von Wasser verbunden ist, und einen Elektrolysenzellenauslaß, welcher strömungstechnisch mit dem Brennstoffzelleneinlaß verbunden ist, einschließt.

23. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck, auf den der erste Druckregulierer eingestellt ist, weniger oder gleich ungefähr 14 psi größer ist als der Druck, auf den der zweite Druckregulierer eingestellt ist.

24. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck, auf den der erste Druckregulierer eingestellt ist, weniger oder gleich ungefähr 7 psi größer ist, als der Druck, auf den der zweite Druckregulierer eingestellt ist.

25. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck, auf den der erste Druckregulierer eingestellt ist, Größer oder gleich ungefähr 2 psi größer ist als der Druck, auf den der zweite Druckregulierer eingestellt ist.

26. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff Wasserstoffgas bei einem Druck größer oder gleich ungefähr 1.000 psi speichert.

27. System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff den Wasserstoff wenigstens in gasförmiger, flüssiger oder fester Form speichert.

28. Lokales Energienetz, welches durch das System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 19 versorgt wird.

29. Verfahren zum Betrieb eines Systems zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie, welches aufweist:
Erzeugen und Konditionieren elektrischer Energie von einer erneuerbaren Energiequelle,
Antreiben eines Systems elektrochemischer Zellen mit der konditionierten elektrischen Energie und Wasser, um elektrolytisch Wasserstoffgas herzustellen,
Trocknen des Wasserstoffgases in einem Trockner, um Wasser zu entfernen,
Speichern des Wasserstoffgases bei einem ersten Druck und Zuführen des Wasserstoffgases unter einem zweiten Druck zu einem wasserstoffbetriebenen Elektrizitätsgenerator, um aus der elektrischen Energie, welche durch die erneuerbare Energiequelle geliefert wurde, elektrische Energie zu erzeugen, welche kleiner oder gleich einem ausgewählten Niveau ist,
wobei das Wasserstoffgas durch den Trockner fließt und in den wasserstoffbetriebenen elektrischen Generator strömend Wasser absorbiert und wobei der zweite Druck niedriger ist als der erste Druck.

30. Verfahren zum Betreiben des Systems zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditionieren der elektrischen Energie von der erneuerbaren Energiequelle aufweist:
Betrieb eines Energie Konditionierers in wenigstens einem ersten, einem zweiten oder einem dritten Betriebsmodus,
wobei der erste Betriebsmodus Wechselstromenergie des lokalen Netzes ausschließlich zum Betreiben des Systems elektrochemischer Zellen und zur Unterstützung der Systeme zur Speicherung und Rückgewinnung der Energie nutzt,
der zweite Betriebsmodus Energie von der erneuerbaren Energiequelle ausschließlich zum Betreiben des Systems elektrochemischer Zellen nutzt und
der dritte Betriebsmodus Energie vom lokalen Netz und der erneuerbaren Energiequelle zum Betreiben einer Elektrolysezelle in einem System elektrochemischer Zellen nutzt.

31. Verfahren zum Betreiben des Systems zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 29 dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierung der elektrischen Energie von der erneuerbaren Energiequelle die Versorgung eines Energiekonditonierers durch Energiequellen aufweist, welche einen Eingangsspannungsbereich von ungefähr 48 V Gleichstrom bis ungefähr 120 V Gleichstrom haben.

32. Verfahren zum Betreiben des Systems zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 29, welches weiterhin das Aufladen einer Batterie mit der konditionierten elektrischen Energie erlaubt.

33. Verfahren zum Betreiben des Systems zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, das die Lieferung von Wasserstoffgas unter einem zweiten Druck an einen Wasserstoff betriebenen elektrischen Generator zum Erzeugen elektrischer Energie aufweist:
Einleiten des Wasserstoffgases an die Wasserstoffelektrode einer Brennstoffzelle,
Einleiten von Sauerstoffgas an die Sauerstoffelektrode einer Brennstoffzelle,
Umwandeln wenigstens eines Teils des Wasserstoffgases in Wasserstoffionen und
Reagieren der Wasserstoffionen mit dem Wasserstoffgas zur Herstellung von Elektrizität und Wasser.

34. Verfahren zum Betreiben des Systems zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druck ungefähr einem Betriebsdruck des wasserstoffbetriebenen elektrischen Generators entspricht.

35. Verfahren zum Betreiben des Systems zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff betriebene elektrische Generator geeignet ist, um, strömungstechnisch mit der Vorrichtung zur Speicherung des Wasserstoffs und dem ersten und zweiten Druckregulierer verbunden, kontinuierlich durch das Wasserstoffgas unter Druck gesetzt zu werden.

36. Verfahren zum Betrieb eines regenerativen Systems elektrochemischer Zellen, welches aufweist:
Einleiten von Wasser und Energie in ein Elektrolysemodul, um Wasserstoff und Sauerstoff herzustellen,
Leiten des Wasserstoffs durch eine Vorrichtung zur Phasentrennung und einen Trockner zu einer Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff unter einem Druck, wobei der Trockner Wasser aus dem Wasserstoff entfernt, um trockenen Wasserstoff zu bilden,
Befeuchten des trockenen Wasserstoffs durch Druckreduzierung des trockenen Wasserstoffs in der Vorrichtung zur Speicherung des Wasserstoffs und Leiten des trockenen Wasserstoffs durch den Trockner, wobei Wasser vom Trockner auf den trockenen Wasserstoff übertragen wird, um befeuchteten Wasserstoff zu bilden,
Betanken einer Brennstoffzelle durch Leiten des befeuchteten Wasserstoffs zum Brennstoffzellenmodul,
Einleiten von Sauerstoff in das Brennstoffzellenmodul und Herstellen von Elektrizität und Wasser in dem Brennstoffzellenmodul.

37. Verfahren zur Herstellung von Energie, welches aufweist:
Erzeugen von Energie durch eine erneuerbare Energiequelle,
Konditonieren der Energie zur Nutzung in einem System elektrochemischer Zellen,
Einhalten der Wassertemperatur auf Werte oberhalb des Gefrierpunktes von Wasser,
Bilden von Wasserstoffgas aus Wasser durch den Nutzung der konditionierter Energie,
Rückgewinnung von Wasser aus einem Sauerstoffwasserstrahl,
Ausblasen von Sauerstoff in die Umgebung,
Trocknen des Wasserstoffgases,
Verdichten des Wasserstoffgases,
Speichern des Wasserstoffgases bei einem Druck, welcher größer oder gleich ungefähr 1.000 psi ist,
Anzeigen der Verfügbarkeit der erneuerbaren Energiequelle,
Druckreduzierung des Wasserstoffgases,
Einleiten wenigstens eines Teils des druckreduzierten Wasserstoffgases in eine Verbrennungsmaschine in Erwiderung auf die Verfügbarkeit der Energie der erneuerbaren Energiequelle, welche kleiner oder gleich einem zuerst ausgewählten Niveau ist,
Erzeugen von Energie durch Nutzen des Verbrennungskraftmotors,
Einleiten wenigstens eines anderen Teils des Wasserstoffgases in eine Brennstoffzelle in Erwiderung auf die Verfügbarkeit der erneuerbaren Energiequelle, welche kleiner oder gleich einem zweiten ausgewählten Niveau ist,
Erzeugen von Energie durch Nutzen der Brennstoffzelle und Betreiben von Energie unterstützenden Systemen durch Nutzung von Netzenergie.

38. Verfahren zur Herstellung von Energie nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung wenigstens eines anderen Teils des Wasserstoffgases in die Brennstoffzelle weiterhin ein Befeuchten des Wasserstoffgases vor dessen Eintritt in die Brennstoffzelle erlaubt.

39. Verfahren zur Herstellung von Energie nach Anspruch 37, welches weiterhin einen Stand-by-Zustand der Brennstoffzelle sichert, so dass die Brennstoffzelle in ungefähr 1 Minute oder schneller eine Betriebstemperatur erreicht.