DE19904202A1 - Brennstoffzelle mit Elektrolyseur und kleinem Hydridspeicher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Elektrolyseur, einer Zuleitung vom Elektrolyseur zu einem Hydridspeicherelement, in dem der im Elektrolyseur erzeugte Wasserstoff speicherbar ist, und einer Brennstoffzelle, zu der der im Hydridspeicherelement gespeicherte Wasserstoff weiterleitbar ist. Die Vorrichtung umfaßt ein Kühlelement zur Kühlung der Zuleitung zum Hydridspeicherelement und/oder des Hydridspeicherelements. DOLLAR A Das Volumen und Gewicht des Hydridspeichers kann im Verhältnis zum Fassungsvermögen aufgrund der Kühlung klein gehalten werden. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung mit den Schritten: DOLLAR A - im Elektrolyseur wird Wasserstoff erzeugt, DOLLAR A - der erzeugte Wasserstoff wird dem Hydridspeicherelement zugeführt und im Hydridspeicherelement gespeichert, DOLLAR A - der Wasserstoff wird während der Zuführung und/oder während der Speicherung durch das Kühlelement gekühlt, DOLLAR A - dem Hydridspeicherelement wird Wasserstoff entnommen und mit dem entnommenen Wasserstoff in der Brennstoffzelle Strom erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Betreiben einer Brennstoffzelle, die ihren Wasserstoffbedarf unter Zwischenschaltung eines Spei­ cherelementes aus einem Elektrolyseur bezieht. Eine solche Vorrichtung ist aus der deutschen Gebrauchsmu­ sterschrift 295 01 065 U1 bekannt.

Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, eine Elektro­ lytschicht sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel - z. B. Luft - und der Anode wird ein Brennstoff - z. B. Wasserstoff - zugeführt.

Verschiedene Arten von Brennstoffzellen sind bekannt, so beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 44 30 958 C1 sowie die PEM-Brenn­ stoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1.

Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperaturbrenn­ stoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt. An der Kathode einer Hochtemperatur­ brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidati­ onsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen pas­ sieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der An­ odenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt.

Die Betriebstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle kann bei 80°C liegen. An der Anode einer PEM- Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brenn­ stoffs mittels eines Katalysators Protonen. Die Proto­ nen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammen­ den Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden dabei frei­ gesetzt und elektrische Energie erzeugt.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie­ lung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente elektrisch und mechanisch miteinander verbun­ den. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 C1 bekannte bipolare Platte dar. Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoff­ zellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel ge­ nannt.

Als Brennstoff kann unter anderem Methan oder Methanol vorgesehen werden. Die genannten Brennstoffe werden durch Reformierung oder Oxidation u. a. in Wasserstoff oder wasserstoffreiches Gas umgewandelt.

Für den Betrieb einer Brennstoffzelle kann ein Elektro­ lyseur vorgeschaltet sein, um Wasserstoff aus einem Be­ triebsmittel zu erzeugen. Das beim Elektrolyseur ver­ wendete Betriebsmittel, aus dem der Wasserstoff abge­ spaltet wird, wird ebenfalls als Elektrolyt bezeichnet. Dieser unterscheidet sich von dem Elektrolyten, der sich in einer Brennstoffzelle zwischen der Anode und der Kathode befindet. Der Elektrolyseur wird an ein Speicherelement weitergeleitet. Das Speicherelement be­ steht z. B. aus Lanthan-Nickel oder Palladium. Bei Be­ darf wird dem Speicherelement Wasserstoff entnommen und der Brennstoffzelle zugeführt. In der Brennstoffzelle wird der Wasserstoff dann mit Sauerstoff zu Strom und Wasser umgesetzt.

Ein solches Speicherelement, auch unter der Bezeichnung Hydridspeicher bekannt, erfordert bei Raumtemperatur nachteilhaft einen hohen Druck, um eine befriedigende Menge an Wasserstoff speichern zu können. Bei Raumtem­ peratur entsteht bei der Elektrolyse stets auch Wasser­ dampf, welcher dem Speicherelement zwangsläufig zuge­ führt wird. Durch den Wasserdampf wird die Fähigkeit, Wasserstoff zu speichern, herabgesetzt.

In einem Hydridspeicher wird Wasserstoff an einen wei­ teren Stoff, der insbesondere metallisch ist, gebunden und so gespeichert. Durch den Hydridspeicher wird das Volumen des Wasserstoffs reduziert.

Nachteilhaft muß der Hydridspeicher ein relativ großes Volumen und Gewicht aufweisen, um eine gewisse Wasser­ stoffmenge speichern zu können. Insbesondere bei mobi­ len Anwendungen ist auf ein geringes Volumen und Ge­ wicht zu achten. Die Bereitstellung von Volumen (Räu­ men) verursacht auch bei einer stationären Anwendung Kosten und ist daher unerwünscht.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrich­ tung mit einem Elektrolyseur, einem Hydridspeicherele­ ment und einer Brennstoffzelle, die ein kleines Volumen und Gewicht im Vergleich zum genannten Stand der Tech­ nik aufweist. Aufgabe der Erfindung ist ferner die Schaffung eines Verfahrens zum Betreiben der Vorrich­ tung.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung ergibt sich aus dem Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus Unteransprüchen.

Die anspruchsgemäße Vorrichtung umfaßt die eingangs ge­ nannten Einrichtungen Elektrolyseur, Hydridspeicherele­ ment und Brennstoffzelle. Diese Einrichtungen wirken in der eingangs genannten Art zusammen. Darüber hinaus um­ faßt die anspruchsgemäße Vorrichtung ein Kühlelement, welches die Zuleitung zum Hydridspeicherelement und/oder das Hydridspeicherelement kühlt.

Durch das Kühlen der Zuleitung zum Hydridspeicherele­ ment und/oder des Hydridspeicherelementes wird er­ reicht, daß der Wasserdampf kondensiert. Er gelangt dann nicht oder nur in einem geringen Umfang in das Speicherelement. Der Druck wird reduziert, der zum Speichern einer vorgegebenen Wasserstoffmenge im Hy­ dridspeicher erforderlich ist. Wasserstoff läßt sich daher in größeren Mengen bezogen auf das Volumen spei­ chern. Volumen und Gewicht lassen sich so insgesamt re­ duzieren, obwohl im Vergleich zum genannten Stand der Technik zusätzlich ein Kühlelement benötigt wird.

Zwar wird Energie zur Kühlung aufgewendet. Der für die Speicherung von Wasserstoff bereitzustellende Raum kann jedoch deutlich klein gehalten werden. Bereitstellung von Raum verursacht Kosten. Insgesamt ergibt sich also auch eine günstige Kostenbilanz.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Kühlelement ein Peltierelement eingesetzt. Es weist vorteilhaft keine beweglichen Bauteile auf und ist da­ her verschleißarm. Sein Platzbedarf und sein Gewicht sind gering. Die Kühlung erfolgt so wartungsarm und wirtschaftlich.

Vorteilhaft wird sowohl die Zuleitung vom Elektrolyseur zum Hydridspeicher als auch der Hydridspeicher gekühlt, um eine maximale Wirkung zu erzielen.

Die Vorrichtung kann aus konventionellen Bauteilen zu­ sammengesetzt sein.

Claims (4)

1. Vorrichtung mit einem Elektrolyseur, einer Zuleitung vom Elektrolyseur zu einem Hydridspeicherelement, in dem der im Elektrolyseur erzeugte Wasserstoff spei­ cherbar ist, und einer Brennstoffzelle, zu der der im Hydridspeicherelement gespeicherte Wasserstoff weiterleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlelement zur Kühlung der Zuleitung zum Hy­ dridspeicherelement und/oder des Hydridspei­ cherelements vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Peltierelement als Kühlelement.

3. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten:

• - im Elektrolyseur wird Wasserstoff erzeugt,
• - der erzeugte Wasserstoff wird dem Hydridspei­ cherelement zugeführt und im Hydridspeicherelement gespeichert,
• - der Wasserstoff wird während der Zuführung und/ oder während der Speicherung durch das Kühlelement gekühlt,
• - dem Hydridspeicherelement wird Wasserstoff entnom­ men und mit dem entnommenen Wasserstoff in der Brennstoffzelle Strom erzeugt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Peltierele­ ment zur Kühlung verwendet wird.