DE112018000248T5

DE112018000248T5 - Brennstoffbatteriesystem, das mit einem Wasserstoffgenerator versehen ist

Info

Publication number: DE112018000248T5
Application number: DE112018000248.9T
Authority: DE
Inventors: Shinji Kambara; Tomonori Miura
Original assignee: Gifu University NUC; Sawafuji Electric Co Ltd
Current assignee: Gifu University NUC; Sawafuji Electric Co Ltd
Priority date: 2017-01-30
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2019-08-29
Also published as: JP2018125064A; US20190334188A1; CN110168789A; WO2018139363A1; DE112018000248T8; JP6718163B2; CN110168789B; KR102102235B1; KR20190067266A

Abstract

Ein kompaktes Brennstoffbatteriesystem wird bereitgestellt, das einen integrierten Wasserstoffgenerator aufweist. Dieses Brennstoffbatteriesystem (1) ist mit einem Wasserstoffgenerator (10) und einer Brennstoffbatteriezelle (20) versehen. Der Wasserstoffgenerator (10) ist mit einem plattenförmigen Dielektrikum (2) mit einer Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche (11) versehen, in der ein Rohmaterialgasströmungspfad (13) ausgebildet ist. Eine Elektrode (3) ist der hinteren Oberfläche (12) des Dielektrikums (2) zugewandt. Eine Wasserstofftrennmembran (5), die eine erste Oberfläche (18) und die zweite Oberfläche (19) aufweist, schließt eine Öffnung des Rohmaterialgasströmungspfades (13). Ferner ist der Wasserstoffgenerator (10) mit einer Hochspannungsleistungsversorgung (6) versehen, die eine elektrische Entladung zwischen der Wasserstofftrennmembran (5) und der Elektrode (3) erzeugt. Das Brennstoffbatteriesystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oberfläche (19) der Wasserstofftrennmembran (5) des Wasserstoffgenerators der Brennstoffelektrode (21) der Brennstoffbatteriezelle (20) zugewandt angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffbatteriesystem (Brennstoffzellensystem), das mit einem Wasserstoffgenerator versehen ist, der in der Lage ist, Wasserstoff mit hoher Reinheit aus einem Wasserstoffrohmaterial mit hoher Ausbeute zu erzeugen.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine typische Vorrichtung, die Wasserstoff als Brennstoff verwendet, ist eine Brennstoffbatterie (oder Brennstoffzelle). Brennstoffbatterien erfordern Wasserstoff mit hoher Reinheit zum Betrieb und der Standard für die Wasserstoffreinheit für Brennstoffbatterien ist derzeit in ISO 14687-2 als 99,97 % definiert. Wenn eine Vorrichtung bereitgestellt werden könnte, die in der Lage ist, Wasserstoff mit hoher Reinheit direkt zu einer Brennstoffbatterie zuzuführen, wäre es möglich, ein kleines Brennstoffbatteriesystem mit einer integrierten Brennstoffbatterie und einem Wasserstoffgenerator herzustellen. Die Bereitstellung eines solchen Brennstoffbatteriesystems würde die möglichen Anwendungen für Brennstoffbatterien erweitern.
Ein Beispiel eines bekannten Verfahrens zum Erzeugen von Wasserstoff für eine Brennstoffbatterie ist Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffgas wie z. B. Methan. Die Dampfreformierung erfordert jedoch eine Verarbeitung bei hohen Temperaturen unter Verwendung von teuren Katalysatoren wie z. B. Nickel, was die Produktionsvorrichtung als Ganzes teuer macht. Wenn das Molverhältnis von Dampf zum Kohlenstoff, der im Kohlenwasserstoff enthalten ist, der als Rohmaterial verwendet wird, niedrig wird, tritt überdies eine Verkokung des Kohlenstoffs am Katalysator auf, was den Katalysator deaktiviert. Die Produktionsbedingungen müssen daher in Abhängigkeit von der herzustellenden Menge an Wasserstoff sorgfältig gesteuert werden. Ein anderes bekanntes Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ist ein Katalyseverfahren unter Verwendung eines Edelmetallkatalysators wie z. B. Ruthenium, um ein Rohmaterial wie z. B. Ammoniak bei einer Temperatur von 400 °C oder höher zu zersetzen. Solche Katalyseverfahren weisen jedoch eine niedrige Zersetzungsrate des Ammoniaks auf und können keinen Wasserstoff, der für die Verwendung in Brennstoffbatterien rein genug ist, mit hoher Ausbeute erzeugen. Ein anderes Verfahren für die Herstellung von Wasserstoff ist im Patentdokument 1 offenbart, in dem Wasserdampf eingeführt wird und Wasserstoff und Sauerstoff durch Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyse erzeugt werden. Verfahren, die heißen Wasserdampf verwenden, sind jedoch für die Miniaturisierung der Vorrichtung nicht geeignet.
Außerdem werden Verfahren zum Transformieren von Rohmaterialgas in Plasma, um Wasserstoff zu erzeugen und abzutrennen, betrachtet. Das Patentdokument 2 offenbart eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung mit einem Plasmareaktor, in den ein gasförmiges Rohmaterial eingeführt wird, und einem nahezu zylindrischen Wasserstoff-Abtrenn/Transport-Abschnitt zum Abtrennen von Wasserstoff im Plasmareaktor und Transportieren des erhaltenen Wasserstoffs zur Außenseite des Plasmareaktors. Die Außenwand des Plasmareaktors dient auch als externe Elektrode. Der Wasserstoff-Abtrenn/Transport-Abschnitt, der koaxial mit der externen Elektrode angeordnet ist, besteht aus einer porösen internen Elektrode und einem Wasserstofftrennfilm mit einer Dicke von einigen zehn µm bis einigen hundert µm, der auf eine innere Oberfläche der internen Elektrode aufgetragen ist. Ferroelektrische Pellets aus BaTiO₃ sind zwischen die externe Elektrode und den Wasserstoff-Abtrenn/Transport-Abschnitt gefüllt.
Das Patentdokument 3 offenbart eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung mit einem Plasmareaktor, einer Hochspannungselektrode und einer Erdungselektrode. In der Wasserstofferzeugungsvorrichtung des Patentdokuments 3 funktioniert eine Wasserstofftrennmembran als Hochspannungselektrode und Wasserstoff wird erzeugt, indem eine dielektrische Barrierenentladung zwischen der Wasserstofftrennmembran und der Erdungselektrode unter normalen Temperatur- und Atmosphärenbedingungen bewirkt wird, um das im zugeführten Gas enthaltene Ammoniak in Plasma zu transformieren.
Die Wasserstofferzeugungsvorrichtungen unter Verwendung von Plasmaentladung der Patentdokumente 2 und 3 waren im Allgemeinen in der Form zylindrisch, was der Miniaturisierung der Vorrichtung als Ganzes, wenn sie mit einer Brennstoffbatteriezelle integriert wird, Grenzen auferlegt.
DOKUMENTE DES STANDES DER TECHNIK

Patentdokument 1: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2005-232536
Patentdokument 2: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2004-359508
Patentdokument 3: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2014-70012

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Von der Erfindung zu lösendes Problem
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehend erwähnten Umstände durchgeführt und hat als Aufgabe, ein kleines Brennstoffbatteriesystem mit einem integrierten Wasserstoffgenerator bereitzustellen, der in der Lage ist, Wasserstoff mit hoher Reinheit zu erzeugen.
Mittel zum Lösen des Problems
Das Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Wasserstoffgenerator und eine Brennstoffbatteriezelle. Der Wasserstoffgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein plattenförmiges Dielektrikum mit einer Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche mit einem Rohmaterialgasströmungspfad, der als Nut mit einer Öffnung ausgebildet ist, und einer hinteren Oberfläche, die relativ zur Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche ungefähr parallel ist, und umfasst ferner eine Elektrode, die der hinteren Oberfläche des Dielektrikums zugewandt ist, eine Wasserstofftrennmembran mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche der Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche zugewandt ist, um die Öffnung des Rohmaterialgasströmungspfads zu schließen, eine Hochspannungsleistungsversorgung zum Bewirken einer elektrischen Entladung im Rohmaterialgasströmungspfad zwischen der Wasserstofftrennmembran und der Elektrode, und einen Abstandhalter, der an der Umfangskante der zweiten Oberfläche der Wasserstofftrennmembran angeordnet ist und mit der Wasserstofftrennmembran verbunden ist. Das Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oberfläche der Wasserstofftrennmembran des Wasserstoffgenerators und die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind, und dass der Raum zwischen dem Abstandhalter und der Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle abgedichtet ist.
Im Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Hochspannungsleistungsversorgung vorzugsweise mit mindestens einer der Elektrode oder der Wasserstofftrennmembran verbunden.
Der Rohmaterialgasströmungspfad, der im Dielektrikum des Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, ist vorzugsweise eine Nut, die aus Ausgangsabschnitten, die sich in geraden oder gekrümmten Linien erstrecken, und Rückführungsabschnitten, die sich von den Ausgangsabschnitten zurück erstrecken, besteht, wobei die Ausgangs- und Rückführungsabschnitte abwechselnd verbunden sind.
Effekte der Erfindung
Mit der Wasserstofftrennmembran, die so angeordnet ist, dass sie die Öffnung des Rohmaterialgasströmungspfades des Dielektrikums schließt, ist der Wasserstoffgenerator gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Lage, Rohmaterialgas im Rohmaterialgasströmungspfad durch Bewirken einer elektrischen Entladung zwischen der Wasserstofftrennmembran und der Elektrode in einer gleichmäßigen Weise in Plasma zu transformieren. Überdies tritt der im Rohmaterialgasströmungspfad durch Plasmatransformation erzeugte Wasserstoff durch die Wasserstofftrennmembran hindurch und wird direkt in die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatterie als Wasserstoff enthaltendes Gas mit hoher Reinheit eingeführt. Das Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher Wasserstoff aus dem Rohmaterialgas mit hoher Ausbeute mit einer einfacheren Konfiguration erzeugen.
Wenn die Oberflächen der plattenförmigen Elektrode, des Dielektrikums und der Wasserstofftrennmembran einander zugewandt sind, kann der Wasserstoffgenerator des Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung ungefähr dieselben externen Maße wie die Brennstoffbatteriezelle aufweisen. Dies erleichtert die Integration und Miniaturisierung des Wasserstoffgenerators und der Brennstoffbatteri ezell e.
Im Wasserstoffgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Rohmaterialgasströmungspfad eine Nut in Form einer Vielzahl von Ausgangsabschnitten, die sich in einer geraden oder gekrümmten Linie erstrecken, und einer Vielzahl von Rückführungsabschnitten, die sich von den Ausgangsabschnitten zurück erstrecken, wobei die Ausgangsabschnitte und Rückführungsabschnitte abwechselnd miteinander verbunden sind, und die Wasserstofftrennmembran ist der Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche des Dielektrikums zugewandt angeordnet, um die Öffnung der Rohmaterialgasströmungspfadnut zu schließen. In dieser Weise findet die elektrische Entladung zwischen der Wasserstofftrennmembran und der Elektrode quer zur Strömungsrichtung des Rohmaterialgases statt. Folglich ist es möglich, elektrische Leistung zum Rohmaterialgas im Wasserstoffströmungspfad für eine lange Zeit zuzuführen, so dass das Rohmaterialgas in gleichmäßiger Weise effizient in Plasma transformiert werden kann. Dies sorgt für eine sehr effiziente Wasserstofferzeugung.
Die Querschnittsform der Nut, die den Rohmaterialgasströmungspfad bildet, die Gesamtlänge des Rohmaterialgasströmungspfades, die Kontaktfläche mit der Wasserstofftrennmembran usw. des Dielektrikums des Wasserstoffgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung können leicht gemäß der erforderlichen Menge an zu erzeugendem Wasserstoff modifiziert werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht des Brennstoffbatteriesystems gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Brennstoffbatteriesystems gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung in auseinandergezogener Anordnung.
3 ist eine perspektivische Ansicht des Brennstoffbatteriesystems gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung in auseinandergezogener Anordnung.
4 stellt die Differenz der erzeugten Wasserstoffmengen des Wasserstoffgenerators des Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung und eines herkömmlichen Wasserstofferzeugungssystems dar.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen Beispiels des Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung in auseinandergezogener Anordnung.
6 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines herkömmlichen zylindrischen Wasserstoffgenerators.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend befindet sich eine gegliederte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

(1) Das im Wasserstoffgenerator verwendete Rohmaterialgas ist vorzugsweise Ammoniak, Harnstoff oder ein Kohlenwasserstoffgas wie z. B. Methan.
(2) Die Wasserstofftrennmembran funktioniert, wenn sie mit der Hochspannungsleistungsversorgung verbunden ist, als Hochspannungselektrode. Wenn dagegen die Wasserstofftrennmembran geerdet ist, funktioniert sie als Erdungselektrode.
(3) Wenn die Wasserstofftrennmembran als Hochspannungselektrode funktioniert, funktioniert die Elektrode, die der hinteren Oberfläche des Dielektrikums zugewandt angeordnet ist, als Erdungselektrode.
(4) Wenn die Wasserstofftrennmembran des Wasserstoffgenerators als Erdungselektrode funktioniert, funktioniert die Elektrode, die der hinteren Oberfläche des Dielektrikums zugewandt angeordnet ist, als Hochspannungselektrode. Zu dieser Zeit ist ein Abstandhalter, der aus einem zusätzlichen Isolator besteht, außerhalb der Hochspannungselektrode angeordnet.
(5) Die Hochspannungselektrode und die Erdungselektrode sind über das Dielektrikum einander zugewandt und transformieren Rohmaterialgas im Rohmaterialgasströmungspfad in Atmosphärendruck-Nicht-Gleichgewichts-Plasma durch dielektrische Barrierenentladung. Die Hochspannungsleistungsversorgung legt eine bipolare Impulswellenform an die Hochspannungselektrode an.
(6) Das Dielektrikum ist aus Glas wie z. B. Quarzglas, einer Keramik wie z. B. Aluminiumoxid oder einem stark isolierendem Harz wie z. B. Bariumtitanat, Polycarbonat oder Acryl ausgebildet.
(7) Der Rohmaterialgasströmungspfad ist in der ersten Oberfläche des Dielektrikums ausgebildet und besteht aus einer Vielzahl von Ausgangsabschnitten, die sich in geraden Linien parallel zur oberen Oberfläche oder Seitenoberfläche des Dielektrikums erstrecken, und einer Vielzahl von Rückführungsabschnitten, die sich von den Ausgangsabschnitten zurück und parallel zu diesen erstrecken, wobei die Ausgangsabschnitte und Rückführungsabschnitte abwechselnd verbunden sind.
(8) Der Rohmaterialgasströmungspfad ist in der Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche des Dielektrikums ausgebildet und besteht aus einer Vielzahl von Ausgangsabschnitten, die sich in einem Winkel relativ zur Seitenoberfläche des Dielektrikums erstrecken, und einer Vielzahl von Rückführungsabschnitten, die sich in Haarnadelwindungen in einem Winkel relativ zu den Ausgangsabschnitten zurück erstrecken, wobei die Ausgangsabschnitte und die Rückführungsabschnitte abwechselnd verbunden sind.
(9) Der Rohmaterialgasströmungspfad ist in der Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche des Dielektrikums ausgebildet und besteht aus einer Vielzahl von Ausgangsabschnitten, die sich in Kurven oder Bögen erstrecken, und einer Vielzahl von Rückführungsabschnitten, die sich von den Ausgangsabschnitten zurück erstrecken, wobei die Ausgangsabschnitte und Rückführungsabschnitte abwechselnd verbunden sind, so dass der Pfad als Ganzes in einem Zickzackmuster verläuft.
(10) Die am meisten bevorzugte Brennstoffbatteriezelle, die im Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist eine Feststoffpolymerbrennstoffbatterie, die bei einer Temperatur von 100 °C oder niedriger arbeitet. Verschiedene andere Typen von Brennstoffbatteriezellen können auch im Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
(11) Ein Abstand ist zwischen der Wasserstofftrennmembran und der Brennstoffbatteriezelle durch den Abstandhalter definiert, der zwischen der zweiten Oberfläche der Wasserstofftrennmembran und der Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Abstandhalter ein Rahmen mit einer gleichmäßigen Dicke und ist entlang der Umfangskante der zweiten Oberfläche der Wasserstofftrennmembran angeordnet, so dass ein geschlossener Raum durch die Wasserstofftrennmembran, den Abstandhalter und die Brennstoffelektrode gebildet ist.

BEISPIELE
Ein Beispiel eines Brennstoffbatteriesystems 1 gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht des Brennstoffbatteriesystems 1. Das Brennstoffbatteriesystem 1 umfasst einen Wasserstoffgenerator 10 und eine Brennstoffbatteriezelle 20. 2 ist eine perspektivische Ansicht der vorderen, oberen und linken Seitenoberflächen der Komponenten des Brennstoffbatteriesystems 1 in auseinandergezogener Anordnung und 3 ist eine perspektivische Ansicht der vorderen, oberen und rechten Seitenoberflächen der Komponenten des Brennstoffbatteriesystem 1 in auseinandergezogener Anordnung.
Im Brennstoffbatteriesystem 1 gemäß dem vorliegenden Beispiel umfasst der Wasserstoffgenerator 10 ein Dielektrikum 2, eine Elektrode 3, eine Wasserstofftrennmembran 5, eine Hochspannungsenergieversorgung 6 und einen Abstandhalter 7. Die Brennstoffbatteriezelle 20 umfasst eine Brennstoffelektrode 21, eine Elektrolytmembran 22, eine Luftelektrode 23 und einen Separator 24. In den folgenden Beschreibungen werden die Oberflächen der Elemente des Brennstoffbatteriesystems 1, die auf der rechten Seite von 1 bis 4 gezeigt sind, als rechte Seitenoberflächen bezeichnet. Die rechte Seitenoberfläche des Dielektrikums 2 entspricht einer Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche 11 des Dielektrikums 2. Ebenso werden die Oberflächen der Elemente des Wasserstoffgenerators 1, die auf der linken Seite in 1 bis 4 gezeigt sind, als linke Seitenoberflächen bezeichnet. Die linke Seitenoberfläche des Dielektrikums 2 entspricht einer hinteren Oberfläche 12 des Dielektrikums 2.
Das Dielektrikum 2 besteht aus Quarzglas und weist die Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche 11, in der ein Rohmaterialgasströmungspfad 13 ausgebildet ist, und die zweite Oberfläche 12, die relativ zur Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche 11 ungefähr parallel ist, auf. Der Rohmaterialgasströmungspfad 13 ist als Nut ausgebildet, die an der rechten Seitenoberfläche in der Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche 11 des Dielektrikums 2 offen ist. Die Form des Rohmaterialgasströmungspfades 13 kann unter Berücksichtigung der Durchflussrate des Rohmaterialgases und der an das Rohmaterialgas anzulegenden Spannung bestimmt werden. 2 zeigt ein Beispiel, in dem der Rohmaterialgasströmungspfad 13 einen Ausgangsabschnitt 16, der mit einem Rohmaterialgasströmungspfadeinlass 14 in Verbindung steht und sich linear parallel zur oberen Oberfläche des Dielektrikums 2 erstreckt, und einen Rückführungsabschnitt 17, der sich parallel zum Ausgangsabschnitt 16 zurück erstreckt, aufweist. Eine Vielzahl von diesen Ausgangsabschnitten 16 und Rückführungsabschnitten 17 sind abwechselnd in einem gleichmäßigen Abstand verbunden.
Die Elektrode 3 ist eine plattenförmige Elektrode, die so angeordnet ist, dass sie der hinteren Oberfläche 12 des Dielektrikums 2 zugewandt ist. Wie in 3 gezeigt, ist die Elektrode 3 geerdet und funktioniert als Erdungselektrode.
Eine erste Oberfläche 18 der Wasserstofftrennmembran 5 ist der Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche 11 des Dielektrikums 2 zugewandt angeordnet und schließt die Öffnung des Rohmaterialgasströmungspfades 13 des Dielektrikums 2. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Querschnitt des Rohmaterialgasströmungspfades 13 als geschlossener Querschnitt durch das Dielektrikum 2 und die Wasserstofftrennmembran 5 definiert. Eine zweite Oberfläche 19 der Wasserstofftrennmembran 5 ist der Brennstoffelektrode 21 der Brennstoffbatteriezelle 20 zugewandt angeordnet.
Der rahmenförmige Abstandhalter 7 ist zwischen der zweiten Oberfläche 19 der Wasserstofftrennmembran 5 und der Brennstoffelektrode 21 der Brennstoffbatteriezelle 20 angeordnet. Die Wasserstofftrennmembran 5 und der Abstandhalter 7 sind miteinander verbunden und der Raum zwischen der Brennstoffelektrode 21 und dem Abstandhalter 7 ist abgedichtet. Folglich ist ein geschlossener Raum, in den Wasserstoff eingeführt wird, durch die Wasserstofftrennmembran 5, den Abstandhalter 7 und die Brennstoffelektrode 21 gebildet. Der Abstand zwischen der zweiten Oberfläche 19 der Wasserstofftrennmembran 5 und der Brennstoffelektrode 21 der Brennstoffbatteriezelle 20 ist durch den Abstandhalter 7 definiert. Die Wasserstofftrennmembran 5 überträgt Wasserstoff, der aus Rohmaterialgas im Rohmaterialgasströmungspfad 13 erzeugt wird. Wasserstoff, der durch die Wasserstofftrennmembran hindurchgetreten ist, wird in den geschlossenen Raum eingeführt, der auf der Seite der Brennstoffelektrode 21 ausgebildet ist, und wird zur Brennstoffelektrode 21 zugeführt.
Die Wasserstofftrennmembran 5 kann als Palladiumlegierungsfilm, Zirkonium-Nickel-(Zr-Ni) Legierungsfilm, Vanadium-Nickel- (V-Ni) Legierungsfilm, Niob-Nickel (Nb-Ni) Legierungsfilm oder Film, der aus einer Legierung von einem oder mehreren Metallen der Gruppe, die aus Niob (Nb), Nickel (Ni), Kobalt (Co) und Molybdän (Mo) besteht, mit einem oder mehreren Metallen der Gruppe, die aus Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Tantal (Ta) und Hafnium (Hf) besteht, ausgebildet sein. Für die Wasserstofftrennmembran 5 im vorliegenden Beispiel kann ein Palladiumlegierungsfilm besonders bevorzugt verwendet werden. Die Wasserstofftrennmembran 5 kann als einlagiger Film, der aus den vorstehend erwähnten Metallen besteht, oder Laminat von zwei oder mehr Metallen, die aus den vorstehend erwähnten Metallen ausgewählt sind, ausgebildet sein. Es ist auch möglich, eine nichtmetallische Wasserstofftrennmembran zu verwenden, wie z. B. einen Film auf Siliziumdioxidbasis, einen Film auf Zeolithbasis, einen Film auf Polyamidbasis oder einen Film auf Polysulfonbasis, aber in einem solchen Fall wird ein kräftigerer Abstandhalter 7 mit der Umfangskante der Wasserstofftrennmembran 5 verbunden und die mit dem Abstandhalter 7 integrierte Wasserstofftrennmembran 5 wird zwischen das Dielektrikum 2 und die Brennstoffelektrode 21 eingelegt, um die Wasserstofftrennmembran 5 sicher zu halten.
Die Hochspannungsleistungsversorgung 6 ist dazu ausgelegt, eine elektrische Entladung im Rohmaterialgasströmungspfad 13 zwischen der Wasserstofftrennmembran 5 und der Elektrode 3 zu bewirken. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Hochspannungsleistungsversorgung 6 mit der Wasserstofftrennmembran 5 verbunden und legt eine hohe Spannung an diese an, was bewirkt, dass die Wasserstofftrennmembran 5 als Hochspannungselektrode funktioniert. Die Hochspannungsleistungsversorgung 6 legt eine bipolare Impulswellenform mit einer äußerst kurzen Retentionszeit (T0) von 10 µs an, was eine hohe elektronische Energiedichte ermöglicht.
Das Dielektrikum 2, die Elektrode 3 und die Wasserstofftrennmembran 5, die den Wasserstoffgenerator 10 bilden, können in rechteckigen Formen mit Höhen- und Tiefenmaßen konfiguriert sein, die im Allgemeinen zu jenen der Brennstoffbatteriezelle 20 identisch sind, was dem Brennstoffbatteriesystem 1 mit dem Wasserstoffgenerator 10 und der Brennstoffbatteriezelle 20 eine ungefähr kubische Form gibt. Die Elemente eines solchen Brennstoffbatteriesystems 1 können in dieser Weise gestapelt und dann unter Verwendung von Muttern und Schrauben fest miteinander gekoppelt werden. Um den Rohmaterialgasströmungspfad 13 sicher abzudichten und nur Wasserstoffgas zur Brennstoffbatteriezelle 20 zuzuführen, können Dichtungen oder Dichtungsmittel zusätzlich vorgesehen sein.
Im Wasserstoffgenerator 10 des Brennstoffbatteriesystems 1 gemäß dem vorliegenden Beispiel wird Ammoniak am meisten bevorzugt als Rohmaterial verwendet. Die Reaktionsformel, wenn Ammoniak als Rohmaterial verwendet wird, um Wasserstoff zu erzeugen, ist in der nachstehenden Formel 1 gezeigt. 2NH₃ + e → 3H₂ + e (Formel 1)
Ein Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff mit dem Wasserstoffgenerator 10 unter Verwendung von Ammoniak als Rohmaterialgas wird nun beschrieben. Rohmaterialgas wird durch ein Rohmaterialzufuhrmittel (nicht gezeigt) über den Rohmaterialgasströmungspfadeinlass 14 des Dielektrikums 2 zum Rohmaterialgasströmungspfad 13 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit zugeführt. Die Hochspannungsleistungsversorgung 6 legt eine Spannung an die Wasserstofftrennmembran 5 an, um eine dielektrische Barrierenentladung im Gasströmungspfad 13 zwischen der Wasserstofftrennmembran 5 und der Elektrode 3 zu bewirken. Die Entladung transformiert das Ammoniak im Gasströmungspfad 13 in Atmosphärendruck-Nicht-Gleichgewichts-Plasma. Der aus dem Atmosphärendruck-Nicht-Gleichgewichts-Plasma erzeugte Wasserstoff wird durch die Wasserstofftrennmembran 5 in Form von Wasserstoffatomen adsorbiert, die streuen, wenn sie durch die Wasserstofftrennmembran 5 hindurchtreten, bis sie den Raum auf der Seite der Brennstoffelektrode 21 der Brennstoffbatteriezelle 20 erreichen, wo sie zu Wasserstoffmolekülen rekombinieren. In dieser Weise ermöglicht die Wasserstofftrennmembran 5, dass nur Wasserstoff zur Seite der Brennstoffelektrode 21 hindurchtritt, wodurch der Wasserstoff abgetrennt wird.
Durch ausreichende Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit des Ammoniaks, das durch den Rohmaterialgasströmungspfad 13 strömt, kann die Zeit, die das Ammoniak der elektrischen Entladung ausgesetzt wird, sichergestellt werden, was es möglich macht, fast 100 % des im Ammoniak enthaltenen Wasserstoffs abzutrennen und den Wasserstoff in den Wasserstoffströmungspfad 18 zu führen. Da das erhaltene Wasserstoff enthaltende Gas eine Reinheit von mindestens 99,999 % aufweist, kann es in der Brennstoffbatteriezelle 20 als solches verwendet werden.
Überdies arbeitet der Wasserstoffgenerator 10 gemäß dem vorliegenden Beispiel bei Raumtemperatur und das Wasserstoff mit hoher Reinheit enthaltende, das durch die Wasserstofftrennmembran 5 hindurchgetreten ist, liegt auch auf Raumtemperatur. Das Wasserstoff enthaltende Gas kann ohne den Bedarf an irgendeiner speziellen Kühlbehandlung in die Brennstoffbatteriezelle 20 als solches eingeführt werden. Der Wasserstoffgenerator 10 gemäß dem vorliegenden Beispiel kann daher beispielsweise direkt mit der Brennstoffbatteriezelle 20 verbunden werden, die eine Feststoffpolymerbrennstoffbatteriezelle ist, die bei niedrigen Temperaturen arbeitet, um Wasserstoff zu erzeugen.
Die Brennstoffbatteriezelle 20 gemäß dem vorliegenden Beispiel umfasst eine Brennstoffelektrode 21, eine Elektrolytmembran 22, eine Luftelektrode 23 und einen Separator 24. Die Wasserstoffmoleküle in der Brennstoffelektrode 21 werden zu Wasserstoffionen und emittieren Elektronen. Die Wasserstoffionen treten durch die Elektrolytmembran 22 hindurch und binden an Sauerstoff, der zur Luftelektrode 23 zugeführt wird, unter Bildung von Wasser.
4 ist ein Graph, der die Änderung der Menge an erzeugtem Wasserstoff relativ zur Menge an Ammoniak, das in den Wasserstoffgenerator 10 zugeführt wird, zeigt. Die Menge an erzeugtem Wasserstoff ist die Durchflussrate des zur Brennstoffbatteriezelle 20 vom Wasserstoffgenerator 10 zugeführten Wasserstoffs. Die Änderung der Menge an durch den Wasserstoffgenerator 10 erzeugtem Wasserstoff ist durch die durchgezogene Linie A angegeben. Zum Vergleich ist die Menge an Wasserstoff, der durch Zuführen von Ammoniak zu einem zylindrischen Wasserstoffgenerator 31, der in 6 gezeigt ist, unter identischen Bedingungen erzeugt wird, durch die gestrichelte Linie B angegeben. Die Reinheit des durch eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung erzeugten Wasserstoffs war 99,999 %, was sehr hoch ist. Andererseits ist aus 4 offensichtlich, dass ungeachtet der Durchflussrate des Ammoniaks der Wasserstoffgenerator 1 gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage war, Wasserstoff mit einer höheren Ausbeute zu erzeugen als der herkömmliche zylindrische Wasserstoffgenerator 31, und die Menge an erzeugtem Wasserstoff zunahm, wenn die Zufuhrmenge an Ammoniak zunahm. Der zylindrische Wasserstoffgenerator 31, der als herkömmliches Beispiel in 6 gezeigt ist, ist ein Plasmareformer mit einem Plasmareaktor 33, einer Hochspannungselektrode 35, die innerhalb des Plasmareaktors 33 aufgenommen ist, und einer Erdungselektrode 37, die in Kontakt mit der Außenseite des Plasmareaktors 33 angeordnet ist. Im zylindrischen Wasserstoffgenerator 31 besteht die Hochspannungselektrode 35 aus einer Wasserstofftrennmembran, die den erzeugten Wasserstoff abtrennt und in den Raum innerhalb der Vorrichtung einführt.
(Beispiel 2)
5 zeigt ein anderes Beispiel des Brennstoffbatteriesystems 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Wasserstoffgenerator 10 ist die Wasserstofftrennmembran 5 über einen Erdungsdraht geerdet und funktioniert als Erdungselektrode. Unterdessen ist die Elektrode 3 mit der Hochspannungsleistungsversorgung 6 verbunden und funktioniert als Hochspannungselektrode. Ein isolierender Abstandhalter 9 ist an der Außenseite der Elektrode 3 angeordnet und der Abstandhalter 7 ist zwischen der Wasserstofftrennmembran 5 und der Brennstoffelektrode 21 angeordnet. Im vorliegenden Beispiel legt die Hochspannungsleistungsversorgung 6 eine Spannung an die Elektrode 3 an, um eine dielektrische Barrierenentladung im Rohmaterialgasströmungspfad 13 zwischen der Wasserstofftrennmembran 5 und der Elektrode 3 zu bewirken. Diese Entladung transformiert das Ammoniak im Rohmaterialgasströmungspfad 13 in Atmosphärendruck-Nicht-Gleichgewichts-Plasma, was es möglich macht, Wasserstoff mit hoher Ausbeute zu erzeugen und ihn als Wasserstoff mit hoher Reinheit durch die Wasserstofftrennmembran 5 zum Zuführen zur Brennstoffbatteriezelle 20 abzutrennen.
Die in den Beispielen beschriebene Konfiguration des Brennstoffbatteriesystems 1 kann nach Bedarf verändert werden. Die Position und Form des Rohmaterialgasströmungspfades 13, der im Dielektrikum 2 des Wasserstoffgenerators 1 ausgebildet ist, kann innerhalb des Umfangs geändert werden, in dem eine elektrische Entladung innerhalb des Rohmaterialgasströmungspfades 13 bewirkt werden kann. Der Pfad kann beispielsweise in der Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche 11 des Dielektrikums 2 durch einen Ausgangsabschnitt, der sich in einem Winkel relativ zur Seitenoberfläche erstreckt, und einen Rückführungsabschnitt, der sich in einer Haarnadelwindung in einem Winkel relativ zum Ausgangsabschnitt zurück erstreckt, ausgebildet sein, wobei eine Vielzahl dieser Ausgangsabschnitte und Rückführungsabschnitte abwechselnd verbunden ist. Alternativ kann der Rohmaterialgasströmungspfad 13 in der Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche des Dielektrikums durch eine Vielzahl von Ausgangsabschnitten, die sich in Kurven oder Bögen erstrecken, und eine Vielzahl von Rückführungsabschnitten, die sich von den Pfadabschnitten zurück erstrecken, ausgebildet sein, wobei die Pfadabschnitte und Rückführungspfadabschnitte abwechselnd verbunden sind, so dass der Pfad als Ganzes in einem Zickzackmuster verläuft.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffbatteriesystem
2: Dielektrikum
3: Elektrode
5: Wasserstofftrennmembran
6: Hochspannungsleistungsversorgung
7: Abstandhalter
8: Erdung
9: Abstandhalter
10: Wasserstoffgenerator
11: Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche
12: hintere Oberfläche
13: Rohmaterialgasströmungspfad
14: Rohmaterialgasströmungspfadeinlass
15: Rohmaterialgasströmungspfadauslass
16: Ausgangsabschnitt des Rohmaterialgasströmungspfades
17: Rückführungsabschnitt des Rohmaterialgasströmungspfades
18: erste Oberfläche der Wasserstofftrennmembran
19: zweite Oberfläche der Wasserstofftrennmembran
20: Brennstoffbatteriezelle
21: Brennstoffelektrode
22: Elektrolytmembran
23: Luftelektrode
24: Separator
31: zylindrischer Wasserstoffgenerator
33: Plasmareaktor
35: Hochspannungselektrode
37: Erdungselektrode

Claims

Brennstoffbatteriesystem mit einem Wasserstoffgenerator und einer Brennstoffbatteriezelle, dadurch gekennzeichnet, dass: der Wasserstoffgenerator umfasst: ein plattenförmiges Dielektrikum mit einer Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche, in der ein Rohmaterialgasströmungspfad als Nut ausgebildet ist, und einer hinteren Oberfläche, die relativ zur Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche ungefähr parallel ist, eine Elektrode, die der hinteren Oberfläche des Dielektrikums zugewandt ist; eine Wasserstofftrennmembran mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche der Rohmaterialgasströmungspfadoberfläche zugewandt ist, wobei die Wasserstofftrennmembran eine Öffnung des Rohmaterialgasströmungspfades schließt; eine Hochspannungsleistungsversorgung, die dazu ausgelegt ist, eine elektrische Entladung im Rohmaterialgasströmungspfad zwischen der Wasserstofftrennmembran und der Elektrode zu bewirken; und einen Abstandhalter, der an einer Umfangskante der zweiten Oberfläche der Wasserstofftrennmembran angeordnet ist und mit der Wasserstofftrennmembran verbunden ist, wobei die zweite Oberfläche der Wasserstofftrennmembran des Wasserstoffgenerators und eine Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle einander zugewandt angeordnet sind, und ein Raum zwischen dem Abstandhalter und der Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle abgedichtet ist.
Brennstoffbatteriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsleistungsversorgung mit entweder der Elektrode oder der Wasserstofftrennmembran verbunden ist.
Brennstoffbatteriesystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohmaterialgasströmungspfad eine Nut ist, die aus Ausgangsabschnitten, die sich in geraden oder gekrümmten Linien erstrecken, und Rückführungsabschnitten, die sich von den Ausgangsabschnitten zurück erstrecken, besteht, wobei die Ausgangs- und Rückführungsabschnitte abwechselnd verbunden sind.