DE19802466A1 - Stromfusionszelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Brennstoffzellen für den mobilen Einsatz weisen einen sehr hohen Wirkungsgrad auf und arbeiten mit nur sehr geringen Schadstoffemissionen. Nach dem Stand der Technik werden diese mit Wasserstoff betrieben, der meistens entweder in Tanks mitgeführt wird oder durch einen Reformer aus leichter zu handhabenden Ausgangsstoffen wie Methanol an Bord erzeugt wird. Sowohl in der Konzeption der Brennstoffzellen wie auch in der Konzeption deren Wasserstoffversorgung gibt es bereits Entwicklungen und verschiedene Ausführungen.

Bei den Brennstoffzellen ist bis jetzt vor allem noch das Problem der zu hohen Kosten dafür verantwortlich, daß sie für Anwendungen für den Massenmarkt noch nicht zur Verfügung steht.

Bei der Wasserstoffversorgung durch Tanks stellt sich zum einen das Problem deren Größe, sowie die Probleme des Aufwandes und des Risikos aufgrund der Brennbarkeit und Explosionsgefährlichkeit von Wasserstoff.

Bei der Reformierung von leichter zu handhabenden Ausgangsstoffen wie Methanol stellen sich die Probleme, daß der Reformer sehr viel Platz beansprucht, vor dem Betrieb erst unter Energieaufwand aufgeheizt werden muß und außerdem beim Reformingprozeß nicht nur Wasserstoff sondern auch Kohlendioxid und Kohlenmonoxid entstehen. Letzteres führt zur Vergiftung der Brennstoffzellen und muß deshalb vor der Verwendung aus dem Wasserstoff herausgefiltert werden, was ebenfalls mit hohem technischem Aufwand verbunden ist.

Diese Nachteile des Standes der Technik lassen sich mit der Erfindung des Anspruchs 1 zum Teil vollständig lösen, zum Teil vermindern.

In der Stromfusionszelle wird der Wasserstoff auf elektrochemischem Weg durch ein Galvanisches Element aus einer Säure oder Base und einem darauf reduzierend wirkenden Stoff, zum Beispiel einem unedlen Metall gewonnen.

Da in einer Stromfusionszelle beim Prozeß der Wasserstofferzeugung bereits Energie erzeugt wird, kann die Brennstoffzelle kleiner dimensioniert werden, was sowohl den Platzbedarf des Gesamtsystems wie auch die Herstellungskosten senkt.

Ein Explosions- oder Brandrisiko durch in Tanks mitgeführten Wasserstoff besteht bei ihr nicht, da der erzeugte Wässerstoff sofort in der Brennstoffzelle zu ungefährlichem Wasser weiterreagieren kann.

Außerdem erzeugt sie einen sehr reinen Wasserstoff, der nicht gefiltert werden muß und keine umweltgefährdenden Stoffe enthält.

Die Erfindung wird nun näher beschrieben, und zwar am Beispiel einer Zersetzung von Schwefelsäure durch Zink in einem separaten Aufbau in Kombination mit einer marktüblichen Brennstoffzelle.

Das System besteht grundsätzlich aus zwei Teilen: dem wasserstofferzeugenden Galvanischen Element und der Brennstoffzelle.

Bezüglich der Brennstoffzelle selbst wird von der Erfindung kein Schutz beansprucht, weshalb hier nicht weiter darauf eingegangen wird. Es läßt sich jede auf die Dimension des Galvanischen Elements angepaßte Brennstoffzelle verwenden.

Zur Wasserstofferzeugung dient in diesem Beispiel ein Behälter, in welchem zwei Kammern für Flüssigkeiten vorhanden sind, die durch ein semipermeables Material, z. B. einen Tonzylinder getrennt sind. In eine Kammer wird Schwefelsäure gefüllt und in die andere eine Zinksulfatlösung. In die Schwefelsäure wird eine Elektrode getaucht, die aus einem resistenten Material wie Kupfer oder Platin besteht. In die Zinksulfatlösung wird eine Zinkelektrode getaucht. Über der Kammer mit der Schwefelsäure ist eine Vorrichtung anzubringen, die dicht ist und den Wasserstoff zur Weiterverwendung in der Brennstoffzelle auffängt. Dies kann ein Trichter sein, der in den Tonzylinder gesteckt wird. In diesem muß eine Öffnung sein, durch welche das Kabel für die in die Schwefelsäure getauchte Elektrode geführt wird, wobei diese Stelle dann wieder dicht verschlossen werden sollte. Zwischen der in die Schwefelsäure getauchte Elektrode und der Zinkelektrode kann nun ein elektrischer Verbraucher geschaltet werden, woraufhin ein Strom fließt. Auf der Schwefelsäureseite werden Hydronium-Ionen zu Wasserstoff reduziert, an der Zinkseite gehen positiv geladene Zinkionen in Lösung. Der erzeugte Wasserstoff wird aufgefangen und in die Brennstoffzelle geleitet, an welche ebenfalls ein Verbraucher angeschlossen werden kann.

Dieses System läßt sich in mehrerlei Hinsicht variieren. Zum einen können andere Reaktionspartner wie Salzsäure oder Salpetersäure anstelle der Schwefelsäure bzw. andere Metalle wie Blei oder Magnesium mit einer passenden Elektrolytlösung anstelle des Zink/Zinksulfatsystems verwendet werden. Zum anderen können bei Bedarf zwischen dem Galvanischen Element und der Brennstoffzelle Zwischenspeicher für Wasserstoff eingefügt werden oder der Stromkreis kann zur Spannungserhöhung mit der Brennstoffzelle in Reihe geschaltet werden.

Das Zinksystem in diesem Beispiel bzw. ein beliebiges anderes System läßt sich auch laufend regenerieren, indem man konzentriertere Lösung abläßt und durch Zufuhr eines Lösungsmittels, zum Beispiel destilliertes Wasser, ausgleicht. Außerdem läßt sich das System entweder in einen internen Kreislauf einbinden oder für eine externe Vorrichtung vorsehen, in dem die in Lösung gegangenen Kationen (hier die Zinkionen) durch Abscheidung an einem reduzierend wirkenden Material (z. B. Magnesium) abgeschieden werden. Auch ein permanenter, gesteuerter oder periodischer Konzentrationsausgleich der Stoffes, aus dem der Wasserstoff durch Reduktion erzeugt wird (hier die Schwefelsäure), ist durch Zusatz von konzentrierter Lösung des Stoffes möglich.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Wasserstoffversorgung von Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff durch ein Galvanisches Element erzeugt wird und der beim Galvanischen Element erzeugte Strom für das Gesamtsystem genutzt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der elektrochemischen Reaktion des Galvanischen Elements entstehenden Reaktionsprodukte durch ein externes oder internes Regenerationssystem an einem reduzierend wirkenden Stoff abgeschieden oder auf andere Art und Weise weiterverwendet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff, aus welchem der Wasserstoff durch Reduktion gewonnen wird, durch eine zusätzliche Vorrichtung dem Galvanischen Element wieder zugeführt wird, um den Verbrauch auszugleichen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolytlösung, die sich im Verlauf der Reaktion aufkonzentriert, wieder abgelassen werden kann und durch Zufuhr eines Lösungsmittels ersetzt werden kann.