DE60315538T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Gas in einer Brennstoffzelle - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Gas in einer Brennstoffzelle Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gaserzeugung. Im Einzelnen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Gaserzeugung in einer Brennstoffzelle sowie auf ein Gaserzeugungssystem, das Teil einer Brennstoffzellenvorrichtung ist.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Im letzten Jahrhundert nahm und nimmt die Nachfrage nach Energie exponentiell zu. Mit der wachsenden Nachfrage nach Energie wurden viele verschiedene Energiequellen erforscht und entwickelt. Eine der wichtigsten Energiequellen war und ist weiterhin die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen. Jedoch führt die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen üblicherweise zu einer unvollständigen Verbrennung und nicht-brennbaren Stoffen, die in unterschiedlichem Maße zu Smog und anderen Schadstoffen beitragen.
  • Infolge der durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen erzeugten Schadstoffe nahm in den letzten Jahren der Wunsch nach saubereren Energiequellen zu. Mit zunehmendem Interesse an saubereren Energiequellen wurden Brennstoffzellen immer beliebter und ausgereifter. Forschung und Entwicklung bei Brennstoffzellen wurde so weit betrieben, dass Viele nun spekulieren, dass Brennstoffzellen bezüglich eines Erzeugens von großen Mengen an Elektrizität für Städte bald mit der Gasturbine, bezüglich eines Betreibens von Automobilen mit dem Verbrennungsmotor, und mit Batterien, die eine Vielzahl kleiner und großer elektronischer Systeme betreiben, konkurrieren werden.
  • Brennstoffzellen führen eine elektrochemische Energieumwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität und Wärme durch. Brennstoffzellen sind Batterien ähnlich, sie können jedoch „wieder aufgeladen" werden, während sie Leistung abgeben.
  • Brennstoffzellen liefern eine Gleichspannung (Gleichstromspannung), die zum Betreiben von Motoren, Lichtern oder einer beliebigen Anzahl elektrischer Geräte verwendet werden kann. Es gibt mehrere verschiedene Arten von Brennstoffzellen, von denen jede eine andere Chemie verwendet. Brennstoffzellen werden üblicherweise durch die Art des verwendeten Elektrolyten klassifiziert. Die Brennstoffzellentypen werden allgemein in eine von fünf Gruppen eingeordnet: Proton-Membranbrennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen, PEM = proton exchange membrane, Protonenaustauschmembran), alkalische Brennstoffzellen (AFC – alkaline fuel cells), Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC – phosphoric-acid fuel cells), Festoxidbrennstoffzellen (SOFC – solid oxide fuel cells) und Carbonatschmelzen-Brennstoffzellen (MCFC – molten carbonate fuel cells).
  • PEM-Brennstoffzellen
  • Derzeit geht man davon aus, dass die PEM-Brennstoffzellen die vielversprechendste Brennstoffzellentechnologie darstellen, und die PEM-Brennstoffzellen verwenden eine der einfachsten Reaktionen aller Brennstoffzellen. Unter Bezugnahme auf 1 umfasst eine PEM-Brennstoffzelle üblicherweise vier grundlegende Elemente: eine Anode (20), eine Kathode (22), einen Elektrolyten (PEM) (24) und einen Katalysator (26), der auf jeder Seite des Elektrolyten (24) angeordnet ist.
  • Die Anode (20) ist der Negativposten der Brennstoffzelle und leitet Elektronen, die von Wasserstoffmolekülen befreit sind, derart, dass die Elektronen bei einer externen Schal tung (21) verwendet werden können. Die Anode (20) umfasst Kanäle (28), die in dieselbe geätzt sind, um das Wasserstoffgas so gleichmäßig wie möglich über die Oberfläche des Katalysators (26) zu verteilen.
  • Die Kathode 22 ist der Positivposten der Brennstoffzelle und weist in dieselbe geätzte Kanäle (30) auf, um Sauerstoff (gewöhnlich Luft) gleichmäßig auf die Oberfläche des Katalysators (26) zu verteilen. Die Kathode (22) leitet ferner die Elektronen zurück von der externen Schaltung zu dem Katalysator, wo sie sich mit den Wasserstoffionen und mit Sauerstoff wiedervereinigen können, um Wasser zu bilden. Wasser ist das einzige Nebenprodukt der PEM-Brennstoffzelle.
  • Der Elektrolyt (24) ist die Protonenaustauschmembran (PEM) (24). Die PEM ist ein speziell behandeltes poröses Material, das lediglich positiv geladene Ionen leitet. Die PEM (24) verhindert das Hindurchtreten von Elektronen.
  • Der Katalysator (26) ist üblicherweise ein Platinpulver, das als dünne Beschichtung auf Kohlepapier oder Stoff aufgebracht ist. Der Katalysator (26) ist üblicherweise rau und porös, um die Oberflächengröße das Platins, der mit dem Wasserstoff oder Sauerstoff in Berührung gebracht werden kann, zu maximieren. Der Katalysator (26) erleichtert die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff.
  • Bei einer funktionierenden Brennstoffzelle ist die PEM (24) zwischen der Anode (20) und der Kathode (22) angeordnet.
  • Die Funktionsweise der Brennstoffzelle kann allgemein wie folgt beschrieben werden. Mit Druck beaufschlagtes Wasserstoffgas (H2) tritt auf der Seite der Anode (20) in die Brennstoffzelle ein. Wenn ein H2-Molekül mit dem Platin an dem Katalysator (26) in Kontakt kommt, teilt es sich in zwei H+-Ionen und zwei Elektronen (e–) auf. Die Elektronen werden durch die Anode (20) geleitet, wo sie durch die ex terne Schaltung (21) gelangen, die eventuell Leistung bereitstellt, um eine nützliche Arbeit zu leisten (z.B. einen Motor einzuschalten oder eine Glühbirne (23) zum Leuchten zu bringen), und zu der Kathodenseite der Brennstoffzelle zurückkehren.
  • Unterdessen wird auf der Seite der Kathode (22) der Brennstoffzelle Sauerstoffgas (O2) zwangsweise durch den Katalysator (26) geleitet. Bei manchen PEM-Brennstoffzellensystemen kann die O2-Quelle Luft sein. Während O2 zwangsweise durch den Katalysator (26) geleitet wird, bildet es zwei Sauerstoffatome, von denen jedes eine starke negative Ladung aufweist. Diese negative Ladung zieht die zwei H+-Ionen durch die PEM (24) an, wo sie sich mit einem Sauerstoffatom und zwei der Elektronen von der äußeren Schaltung vereinigen, um ein Wassermolekül (H2O) zu bilden.
  • Die soeben beschriebene PEM-Brennstoffzellenreaktion erzeugt lediglich etwa 0,7 Volt, um also die Spannung auf ein nützlicheres Niveau anzuheben, werden oft viele getrennte Brennstoffzellen kombiniert, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
  • PEM-Brennstoffzellen arbeiten üblicherweise bei relativ niedrigen Temperaturen (etwa 80°C/176°F), was es ihnen ermöglicht, sich rasch zu erwärmen und in kostengünstigen Behälterstrukturen untergebracht zu werden, da sie keine speziellen Materialien benötigen, die in der Lage sind, den hohen Temperaturen, die normalerweise mit einer Erzeugung von Elektrizität verbunden sind, standzuhalten.
  • Wasserstofferzeugung für Brennstoffzellen
  • Wie oben erörtert wurde, verwendet jede der beschriebenen Brennstoffzellen Sauerstoff und Wasserstoff, um Elektrizität zu erzeugen. Der für eine Brennstoffzelle erforderliche Sauerstoff wird üblicherweise durch die Luft geliefert. In der Tat wird für die PEM-Brennstoffzelle gewöhnliche Luft in die Kathode gepumpt. Jedoch ist Wasserstoff nicht so problemlos erhältlich wie Sauerstoff.
  • Wasserstoff ist schwierig herzustellen, zu lagern und zu vertreiben. Ein übliches Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff für Brennstoffzellen ist die Verwendung eines Reformers. Ein Reformer wandelt Kohlenwasserstoffe oder Alkoholkraftstoffe in Wasserstoff um, der anschließend in die Brennstoffzelle eingespeist wird. Ungünstigerweise sind Reformer problematisch. Falls der Kohlenwasserstoffbrennstoff Benzin oder einer der anderen üblichen Kohlenwasserstoffe ist, entstehen SOx, NOx und andere unerwünschte Produkte. Insbesondere Schwefel muss beseitigt werden, anderenfalls kann er den Elektrodenkatalysator schädigen. Reformer arbeiten üblicherweise ebenfalls bei hohen Temperaturen, wodurch ein Großteil der Energie des Einsatzmaterials verbraucht wird. Wasserstoff kann auch durch bei geringer Temperatur stattfindende chemische Reaktionen unter Verwendung einer Brennstoffquelle in der Gegenwart eines Katalysators erzeugt werden. Jedoch sind bei niedriger Temperatur stattfindende chemische Reaktionen zum Herstellen von Wasserstoff mit vielen Problemen verbunden. Eines der vorwiegenden Probleme ist die Trennung des Wasserstoffs von den anderen Produkten der chemischen Reaktion. Während Wasserstoff aus einer Brennstoffquelle wie z.B. einem Alkalimetallhydrid oder einem Tetrahydridoborat erzeugt wird, erzeugen die Reaktionen Schaum. Üblicherweise wird der in der Reaktionskammer erzeugte Wasserstoff mittels einer von dem Reaktor gesonderten Einheit getrennt. Das Trennungsschema ist üblicherweise eine durch die Schwerkraft begünstigte Entbindungskammer, um den in dem Reaktor erzeugten Schaum aufzubrechen. Ein gesonderter Separator erhöht die Verfahrenszeit und die Ausrüstungskosten, die mit einer Wasserstoffproduktion für Brennstoffzellen verbunden sind. Und auch bei der Verwendung eines gesonderten Separators tendiert die Strömung durch den Reaktor dazu, auf Grund der Schaumbildung instabil und schwierig zu steuern zu werden.
  • Das Problem der mangelnden Steuerung wird durch das Erfordernis sehr niedriger Strömungsraten zur Wasserstofferzeugung bei tragbaren Leistungsanwendungen noch verstärkt.
  • Außerdem konzentrieren sich herkömmliche Technologien zum Herstellen von Wasserstoff, einschließlich derjenigen, die Natriumtetrahydridoborat (NaBH4) als Brennstoffquelle verwenden, auf Chargenprozesse, bei denen zu einem Zeitpunkt jeweils immer nur eine gesonderte Menge an Wasserstoff erzeugt werden kann. Ferner sammeln sich bei Chargenprozessen jegliche Niederschläge, die aus der Wasserstofferzeugungsreaktion resultieren, in der Reaktionskammer selbst an.
  • Außerdem erhöht die Schaumbildung in der Reaktionskammer, während Wasserstoffblasen entstehen, den Gegendruck der Brennstoffquelle. Falls es wünschenswert ist, den Wasserstoff auf kontinuierliche Weise zu erzeugen, muss der Druck der Brennstoffquelle ständig erhöht werden, um den durch die schäumenden Wasserstoffblasen bewirkten Gegendruck zu überwinden. Der Gegendruck kann sogar auf ein Niveau ansteigen, das die Pumpenkapazität übersteigt, wobei an diesem Punkt keine Strömung durch den Reaktor bewerkstelligt werden kann.
  • Manche geben den Katalysator auf gesteuerte Weise zu, um die Geschwindigkeit der Reaktion zu verlangsamen, um die Schaumbildung zu minimieren und das Erfordernis eines Wasserstoffseparators zu verringern oder zu eliminieren, jedoch verringert ein Verlangsamen der Reaktion die Menge an Wasserstoff, der der Brennstoffzelle zur Verfügung steht, und verkompliziert den Reaktor, indem es eine Ausrüstung zum sorgfältigen Steuern der Abgabe des Katalysators erfordert.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Unter anderem liefert die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Gaserzeugungssystem, das einen chemischen Reaktor, einen in den chemischen Reaktor integrierten Flüssigkeit/Gas-Separator umfasst, wobei der Reaktor einen Einlass zum Aufnehmen eines kontinuierlichen Stroms einer wässrigen Lösung und einen Auslass zum Ermöglichen des Austretens der Lösung aus dem Reaktor aufweist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorstehenden und weitere Merkmale und Aspekte der Erfindung werden bei Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung und bei Bezugnahme auf die Zeichnungen noch offensichtlicher. Es zeigen:
  • 1 eine nicht zusammengefügte perspektivische Ansicht einer Brennstoffzellenvorrichtung;
  • 2 eine weggeschnittene Ansicht eines Gaserzeugungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine weggeschnittene Ansicht eines Reaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine weggeschnittene Ansicht eines Reaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine weggeschnittene Ansicht eines Reaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 6 eine weggeschnittene Ansicht eines Reaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 7 eine weggeschnittene Ansicht einer Kassette gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • In allen Zeichnungen bezeichnen identische Bezugszeichen ähnliche, aber nicht unbedingt identische Elemente.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Nachstehend werden veranschaulichende Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf 2 ist ein Gaserzeugungssystem (100) gezeigt. Bei einer Implementierung mag das Gaserzeugungssystem (100) Wasserstoffgas an eine Brennstoffzelle liefern. Jedoch kann das Gaserzeugungssystem (100) für ein beliebiges Erfordernis einer integrierten Flüssigkeit/Gas-Trennung verwendet werden.
  • Wenn das Gaserzeugungssystem (100) zum Erzeugen von Wasserstoffgas verwendet wird, kann das Wasserstoffgas beispielsweise durch eine PEM-Brennstoffzelle, die der in 1 gezeigten ähnlich ist, verwendet werden. Jedoch wird Fachleuten, die den Vorteil der vorliegenden Offenbarung haben, einleuchten, dass das Gaserzeugungssystem (100) auch für andere Brennstoffzellen verwendet werden kann.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 kann das Gaserzeugungssystem (100) einen chemischen Reaktor wie z.B. einen Reaktor (102) umfassen. Der gezeigte Reaktor (102) ist vorzugsweise eine allgemein zylindrische Kammer, hierfür besteht allerdings keine Notwendigkeit. Für den Reaktor (102) kann jegliche zweckmäßige Form verwendet werden. Der Reaktor (102) kann aus Metall, Kunststoff, Keramik, Verbundstoff oder anderen Materialien hergestellt sein. Der Reaktor (102) kann ein beliebiger Behälter sein, der dahin gehend angepasst ist, eine chemische Reaktion zu beherbergen.
  • Der Reaktor (102) kann einen in demselben angeordneten Katalysator umfassen, beispielsweise in 2 gezeigte Katalysatorkügelchen (104). Katalysatorkügelchen (104) können die Reaktionsgeschwindigkeit in dem Reaktor (102) je nach Wunsch einer Bedienperson erhöhen. Die gleichmäßige Verteilung von Katalysatorkügelchen (104) kann wichtig sein, und somit kann ein Mechanismus zum Beibehalten der Verteilung von Katalysatorkügelchen (104) oder Katalysatoren einer anderen Form enthalten sein. Eine Erörterung von Katalysatorverteilungsstrukturen findet sich nachstehend.
  • Katalysatorkügelchen (104) können Ruthenium, Platin, Nickel oder ein sonstiges katalytisches Material umfassen. Ruthenium, Platin, Nickel und sonstige Katalysatoren stehen Fachleuten, die den Vorteil der vorliegenden Offenbarung aufweisen, ohne weiteres zur Verfügung.
  • Der Reaktor (102) umfasst einen Auslass (106) zum Aufnehmen eines kontinuierlichen Stroms einer wässrigen Lösung und einen Auslass (108) zum Ermöglichen des Austretens der Lösung aus dem Reaktor (102). Der kontinuierliche Strom der wässrigen Lösung kann gemäß der Richtung der Pfeile (110) und (112) in den und aus dem Reaktor (102) strömen. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Einlass (106) vorzugsweise von einer Mittelachse des Reaktors (102) versetzt, beispielsweise in einer Position, die bezüglich des Bodens über der Mitte des Reaktors (102) liegt. Der Auslass (108) ist in einer unterhalb des Einlasses (106) befindlichen Position gezeigt. Jedoch kann die Positionierung des Einlasses (106) und des Auslasses (108) je nach spezifischen Erfordernissen (z.B. Aufrechterhaltung be stimmter Strömungsarten usw.) von der in 2 gezeigten abweichen.
  • Der Reaktor (102) umfasst ferner einen Gasauslass (114), der einen Weg für in dem Reaktor (102) erzeugtes Gas liefert. In dem Reaktor (102) erzeugtes Gas kann durch einen integrierten Flüssigkeit/Gas-Separator wie z.B. eine hydrophobe Membran (116) von dem kontinuierlichen Strom der wässrigen Lösung getrennt werden. Die hydrophobe Membran (116) ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Darstellung zu Katalysatorkügelchen (104) benachbart und umgibt dieselben oder ist um dieselben herum gewickelt. Obwohl die hydrophobe Membran (116) innerhalb des Reaktors (102) so gezeigt ist, dass sie das Innere der porösen Wand (118) des Reaktors (102) bedeckt, kann die hydrophobe Membran (116) bei manchen Ausführungsbeispielen auch um das Äußere der porösen Wand (118) gewickelt sein. Die hydrophobe Membran (116) kann zumindest teilweise aus Gortex®, Celgard® oder anderen Materialien hergestellt sein.
  • Die hydrophobe Membran (116) ist eine für Flüssigkeit undurchlässige/für Gas durchlässige Membran, die dahin gehend fungiert, in dem Reaktor (102) erzeugtes Gas von dem Strom der wässrigen Lösung zu trennen. Die Einbringung der hydrophoben Membran (116) in den Reaktor (102) liefert vorteilhafterweise einen einstückig gebildeten Flüssigkeit/Gas-Separator, der ehemals zwei gesonderte Einheiten erforderte.
  • Der einstückig gebildete Reaktor/Separator kann auch durch hydrophile Siebe (nachstehend erörtert) an dem Einlass (106) und/oder dem Auslass (108) ergänzt werden.
  • Die zum Erzeugen von Gas in dem Reaktor (102) verwendete wässrige Lösung kann bei manchen Ausführungsbeispielen Wasserstoff-Brennstoffquellen wie z.B. Metallhydride sein, die Tetrahydridoborate und Alkalimetallhydride umfassen. Das durch Metallhydride in wässriger Lösung erzeugte Gas ist Wasserstoff, das einer Brennstoffzelle zugeführt werden kann. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Metallhydrid Natriumtetrahydridoborat und wird durch den Reaktor (102) geleitet, um Wasserstoffgas zu erzeugen. Die Reaktion von Natriumtetrahydridoborat mit Wasser, um Wasserstoff zu bilden, ist eine bei relativ niedriger Temperatur (üblicherweise niedriger als die Siedetemperatur der wässrigen Lösung oder eine maximale Materialkompatibilitätstemperatur einer anderen Reaktorkomponente) erfolgende Reaktion, was die Verwendung der hydrophoben Membran (106), die zumindest teilweise aus herkömmlichen Materialien wie z.B. Gortex® und Celgard® hergestellt ist, in dem Reaktor (102) selbst ermöglicht.
  • Auf Grund der integrierten Separatorfunktion der hydrophoben Membran (116) können erzeugte Gase wie z.B. Wasserstoff aus dem Reaktor entweichen, in einen Gasbehälterbereich (120) eintreten und die Bildung von Schaum in dem Reaktor (102) verringern oder verhindern. Deshalb erfordert die Strömung der wässrigen Lösung lediglich einen Nenndruck (< 50 psi), um zu bewirken, dass sich das Fluid weiterhin durch den Reaktor bewegt, wohingegen bei anderen Reaktoren ohne einen integrierten Separator Gasblasen den Gegendruck in dem Reaktor auf ständig zunehmende Pegel erhöhen können. Bei herkömmlichen Gasreaktoren kann ein Gegendruck bei manchen Anwendungen sogar die Pumpenkapazität übersteigen und dadurch die Produktion zum Stillstand bringen.
  • Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Gaserzeugungssystem (100a) als Wasserstofferzeugungssystem verkörpert gezeigt. Das Wasserstofferzeugungssystem (100a) kann Wasserstoff an eine Brennstoffzelle (32) oder eine andere Wasserstoff benötigende Vorrichtung liefern. Beispielsweise kann das Wasserstofferzeugungssystem (100a) Wasserstoff an eine PEM-Brennstoffzelle liefern, die der in 1 gezeigten ähnlich ist. Fachleuten, die den Vorteil der vorliegenden Offenbarung aufweisen, wird einleuchten, dass das Wasser stofferzeugungssystem (100a) auch für andere Brennstoffzellen verwendet werden kann.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 kann das Wasserstofferzeugungssystem (100a) einen Reaktor wie z.B. eine Reaktionskammer (34) umfassen. Die Reaktionskammer (34) umfasst eine allgemein zylindrische Form, wie in der Figur gezeigt ist, dies ist jedoch nicht zwangsläufig der Fall. Es kann jegliche zweckmäßige Form für die Reaktionskammer (34) verwendet werden. Die Reaktionskammer (34) kann aus Metall, Kunststoff, Keramik, Verbundstoff oder anderen Materialien hergestellt sein.
  • Die Reaktionskammer (34) kann einen in derselben angeordneten Katalysator umfassen, beispielsweise das in der Figur gezeigte poröse Katalysatorbett (40). Das Katalysatorbett (40) kann die Herstellung von Wasserstoffgas erleichtern, indem es die Reaktionsgeschwindigkeit einer Brennstoffquelle erhöht. Der Katalysator kann einen Ruthenium-Katalysator, einen Platin-Katalysator, einen Nickel-Katalysator oder einen sonstigen Katalysator umfassen. Ruthenium-, Platin-, Nickel- und sonstige Katalysatoren stehen Fachleuten, die den Vorteil der vorliegenden Offenbarung aufweisen, ohne weiteres zur Verfügung.
  • Das Katalysatorbett (40) kann die Herstellung von Wasserstoffgas in der Gegenwart eines Tetrahydridoborats erleichtern. Beispielsweise führt eine wässrige Lösung aus Natriumtetrahydridoborat in der Gegenwart des Katalysatorbetts (40) zu der Freigabe von Wasserstoffgas gemäß der folgenden chemischen Gleichung: NaBH4 + 2H2O → 4H2 + NaBO2 (1)
  • Die Reaktionskammer (34) weist einen Einlass (36) zum Aufnehmen einer Wasserstoffbrennstoffquelle wie z.B. Natriumtetrahydridoborat und einen Auslass (38) zum Ausscheiden von Abfallprodukten und Reaktanten auf kontinuierliche Wei se auf. Die Reaktionskammer (34) kann somit vorteilhafterweise eine kontinuierliche Erzeugung von Wasserstoffgas im Gegensatz zu einem Chargenprozess ermöglichen. „Kontinuierlich" gemäß der Verwendung in der vorliegenden Offenbarung bedeutet, dass eine Strömung von Reaktanten und Produkten in die Reaktionskammer (34) eintreten und dieselbe verlassen kann, während die Reaktion stattfindet. Mit anderen Worten wird die Produktion von Wasserstoff eventuell nicht ad infinitum fortgesetzt, beispielsweise auf Grund des Erfordernisses, den Reaktor zu reinigen, des Erfordernisses, den Katalysator auszutauschen, auf Grund einer vorübergehenden Deaktivierung des Systems, dem Wasserstoff zugeführt wird, usw. Jedoch können, wenn keine derartigen Gründe zum Anhalten der Reaktion vorliegen, die Reaktanten und Produkte über einen unbegrenzten Zeitraum hinweg durch die Reaktionskammer (34) strömen. „Kontinuierlich" kann auch das Recyceln von Produkten und Reaktanten durch eine Reaktionskammer (34), um eine umfassendere Nutzung der Brennstoffquelle zu ermöglichen, umfassen.
  • An dem Einlass (36) und dem Auslass (38) der Reaktionskammer (34) können sich hydrophile Siebe (42) und (44) befinden. Die hydrophilen Siebe (42) und (44) ermöglichen ohne weiteres das Hindurchtreten von flüssigen Lösungen durch dieselben. Jedoch verhindern sie das Hindurchtreten jeglichen oder im Wesentlichen jeglichen Wasserstoffgases. Hydrophile Siebe (42) und (44) können jeweils ein Filtersieb aus Edelstahl umfassen. Die effektiven Porengrößen der hydrophilen Siebe (42) und (44) sind dahin gehend ausgewählt, einen Druckabfall und Blasendruck auszugleichen, um eine Flüssigkeit/Gas-Trennung zu gewährleisten. Es liegt innerhalb des Wirkungsgebiets von Fachleuten, die den Vorteil der vorliegenden Offenbarung aufweisen, je nach den spezifischen Erfordernissen der Anwendung eine geeignete Porengröße des hydrophilen Siebs zu wählen. Beispielsweise kann für manche Anwendungen ein Filtersieb aus Edelstahl mit einer effektiven Porengröße von 6 μm gewählt werden.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen kann lediglich eines der hydrophilen Siebe (42) und (44) entweder an dem Einlass (36) oder an dem Auslass (38) verwendet werden.
  • Die Reaktionskammer (34) kann auch eine hydrophobe Membran (46) umfassen, die das Katalysatorbett (40) umgibt, um einen Belag auf einer inneren oder äußeren Oberfläche der Reaktionskammer (34) zu bilden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bedeckt die hydrophobe Membran (46) nicht den Einlass (36) oder den Auslass (38), um das Hindurchtreten von Flüssigkeiten durch die Reaktionskammer zu ermöglichen. Die hydrophobe Membran (46) ermöglicht, dass Wasserstoffgas durch dieselbe hindurchgelangt. Jedoch tendieren Flüssigkeiten dazu, nicht durch die hydrophobe Membran hindurchzugelangen. Deshalb liefert die Kombination der hydrophoben Membran (46) und der hydrophilen Membranen (42) und (44) vorteilhafterweise Trennpfade für das resultierende Flüssigkeit/Gas-Gemisch, das aus einer Metallhydridlösung wie z.B. Natriumtetrahydridoborat hergestellt ist. Somit ist die Reaktionskammer (34) auch ein integrierter Flüssigkeit/Gas-Separator.
  • Die hydrophobe Membran (46) kann zumindest teilweise aus Goretex®, Celgard® oder einem anderen Material hergestellt sein. Vorzugsweise kann die Verwendung von Goretex®, Celgard® oder einem anderen, ohne weiteres verfügbaren Material als Flüssigkeit/Gas-Separator auf Grund der relativ geringen Temperaturen, die mit der Herstellung von Wasserstoffgas aus Metallhydriden wie z.B. Tetrahydridoboraten, Alkalihydriden und dergleichen verbunden sind, in der Reaktionskammer (34) selbst verwendet werden. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel überschreitet die Temperatur des Reaktors (34) bei einer Verwendung von Natriumtetrahydridoborat als Brennstoffquelle eventuell nicht etwa 93°C (200°F). Bei manchen Ausführungsbeispielen überschreitet die Temperatur nicht 80°C (176°F). Bei manchen Ausführungsbeispielen überschreitet die Temperatur des Reaktors (34) eventuell nicht den Siedepunkt der Metallhydridlösung oder jegliche andere Temperatur, die die Materialkompatibilität jeglicher Reaktorkomponente beeinträchtigen kann.
  • Das Wasserstofferzeugungssystem (100a) kann auch eine Gassammelkammer oder einen Gassammelbehälter (48) umfassen, die bzw. der zu der Reaktionskammer (34) benachbart sein oder dieselbe umgeben kann. Wasserstoffgas, das in der Reaktionskammer (34) erzeugt wird, kann durch die hydrophobe Membran (46) gelangen und in die Gassammelkammer (48) eintreten. Die Gassammelkammer (48) kann einen Pfad (64) liefern, auf dem der erzeugte Wasserstoff mit einer Brennstoffzelle (32) kommunizieren kann. Die Brennstoffzelle (32) kann dann gemäß den oben gelieferten Beschreibungen arbeiten.
  • Unter Bezugnahme auf 4 wird als Nächstes ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gaserzeugungssystems (100b) offenbart. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4 kann eine Brennstoffquelle, beispielsweise Natriumtetrahydridoborat, durch einen Einlass (52) in eine Reaktionskammer (50) eintreten. Die Strömung der Brennstoffquelle und Produkte ist durch die gezeigten Pfeile angegeben. Wenn das Natriumtetrahydridoborat in die Reaktionskammer (50) eintritt, tendiert es dazu, das Katalysatorbett (40a) in Eingriff zu nehmen und das Katalysatorbett dazu zu bringen, sich in der Richtung der Fluidströmung zu einem Auslass (54) hin „zusammenzubauschen". Die Strömung bewirkt, dass sich nicht-eingezwängte Katalysatorkügelchen oder -pellets (40a) auf unkontrollierte Weise bewegen. Die Umverteilung des Katalysatorbetts (40a) auf die in 4 gezeigte Konfiguration kann die Reaktionsgeschwindigkeit verlangsamen und/oder die Herstellung von Wasserstoffgas behindern.
  • Katalysatoren wie z.B. ein Katalysatorbett (40a) (die bzw. das Ruthenium, Platin, Nickel und andere Katalysatoren umfassen können bzw. kann, die Fachleuten, die den Vorteil der vorliegenden Offenbarung aufweisen, ohne weiteres zur Verfügung stehen) sind oft sehr teuer und sind am effek tivsten, wenn ein maximaler Oberflächenbereich mit den Reaktanten in Berührung gebracht wird. Somit untergräbt das „Zusammenbauschen" des Katalysatorbetts (40a) gemäß der Darstellung in 4 die Effektivität des Katalysators (40a).
  • Unter Bezugnahme auf 5 ist als Nächstes ein Beispiel einer Katalysatorverteilungsstruktur für ein Gaserzeugungssystem (100c) gezeigt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 5 wird ein mit einem Katalysator überzogenes, eine großen Oberfläche aufweisendes Sieb (56) gerollt und in eine Reaktionskammer (50a) eingefügt. Das mit einem Katalysator überzogene, eine großen Oberfläche aufweisende Sieb (56) liefert vorteilhafterweise eine Struktur, die durch die Strömung von Reaktanten und Produkten durch die Reaktionskammer (50a) hindurch nicht ohne weiteres verändert wird. Somit weist das Katalysatormaterial weiterhin eine sehr große Oberfläche auf, die mit der Reaktantenströmung in Kontakt ist, um die Reaktionsgeschwindigkeit und somit die Herstellung von Wasserstoff aus beispielsweise Natriumtetrahydridoborat zu maximieren.
  • Die Katalysatorverteilungsstruktur kann auch mehrere mit Katalysator überzogene, eine große Oberfläche aufweisende Maschenstreifen umfassen. Die Streifen (die wie das Sieb (56) erscheinen, das lediglich in einer eindimensionalen Ansicht gezeigt ist) können auf ähnliche Weise wie das eine große Oberfläche aufweisende Sieb (56) in die Reaktionskammer (50a) platziert werden.
  • Alternativ dazu kann die Katalysatorverteilungsstruktur ein mit Katalysator beschichtetes, eine große Oberfläche aufweisendes faseriges Material umfassen.
  • Unter Bezugnahme auf 6 wird als Nächstes ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Katalysatorverteilungsstruktur zur Verwendung bei einem Gaserzeugungssystem (100d) gezeigt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6 umfasst die Katalysatorverteilungsstruktur mehrere Zellen oder Kammern (60) in einer Reaktionskammer (50b), von denen jede einen Teil der Katalysatorkügelchen (62) beherbergt. Die mehreren Zellen (60) können Siebmaterial oder sonstiges Material mit einer gewissen strukturellen Integrität umfassen, die die Migration von Katalysatorkügelchen (62) verhindert und dabei das Hindurchtreten von flüssigen Lösungen ermöglicht.
  • Die Funktionsweise eines Gaserzeugungsreaktors gemäß einem oder mehreren der oben erläuterten Ausführungsbeispiele kann wie folgt beschrieben werden. Für die Zwecke einer Erörterung der Funktionsweise wird nachstehend auf 5 Bezug genommen. Jedoch versteht es sich, dass die anderen gezeigten Ausführungsbeispiele ebenfalls für den Betrieb des Gaserzeugungsreaktors passend sind.
  • Unter Bezugnahme auf 5 kann eine Reaktionskammer (50a) zum Erzeugen von Wasserstoff in der Nähe einer Brennstoffzelle (32) angeordnet sein. Eine wässrige Lösung aus Natriumtetrahydridoborat oder eine andere Lösung ist dahin gehend vorgesehen, kontinuierlich durch die Reaktionskammer (50a) als Wasserstoff-Brennstoffquelle zu strömen. Die wässrige Lösung aus Natriumtetrahydridoborat strömt durch den Einlass (52) in die Reaktionskammer (50a). Die wässrige Lösung kann durch ein in dem Einlass (52) angeordnetes hydrophiles Sieb (42) hindurchtreten. Das hydrophile Sieb (42) ermöglicht ohne weiteres das Hindurchtreten von flüssigen Lösungen wie z.B. Natriumtetrahydridoborat.
  • Nachdem sie durch den Einlass (52) hindurchgetreten ist, tendiert die wässrige Lösung dazu, an einem Pfad entlang durch die Reaktionskammer, die durch die hydrophobe Membran (46) definiert ist, zu strömen. Die hydrophobe Membran (46) ist bezüglich des Hindurchtretens von Flüssigkeiten widerstandsfähig, ist jedoch für Gase durchlässig.
  • Wenn sie sich erst einmal in der Reaktionskammer (50a) befindet, erzeugt die Lösung aus Natriumtetrahydridoborat in der Gegenwart eines Katalysators Wasserstoffgas mit einer beschleunigten Geschwindigkeit. Der Katalysator kann beispielsweise ein Ruthenium-Katalysator sein, mit dem ein eine große Oberfläche aufweisendes Sieb (56) überzogen ist. Mit fortschreitender Reaktion wird Wasserstoffgas aus der wässrigen Lösung freigegeben. Der Wasserstoff kann durch die gasdurchlässige hydrophobe Membran (46) und in die Gassammelkammer (48) hinein migrieren, die bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel die hydrophobe Membran (46) umgibt.
  • In der Reaktionskammer (50a) erzeugtes Wasserstoffgas kann dazu tendieren, mit dem Strom aus wässrigem Natriumtetrahydridoborat zu dem Auslass (54) der Reaktionskammer (50a) hin zu strömen. Jedoch verhindert die hydrophile Membran (44) das Hindurchtreten des gesamten oder im Wesentlichen des gesamten Wasserstoffgases durch dieselbe. Die zweite hydrophile Membran (42) verhindert ebenfalls das Hindurchtreten des gesamten oder im Wesentlichen des gesamten Wasserstoffgases, wodurch die hydrophobe Membran (46) als der Weg des geringsten Widerstands für das Wasserstoffgas verbleibt. Somit wird das Wasserstoffgas durch die Reaktionskammer (50a) von den Flüssigkeiten und anderen Produkten getrennt.
  • Wenn erzeugtes Wasserstoffgas durch die hydrophobe Membran (46) tritt, sammelt es sich in der Gassammelkammer (48). Die Gassammelkammer (48) kann einen zu der Brennstoffzelle (34) führenden Durchgang (64) umfassen. Die Gassammelkammer (48) kann den gesammelten Wasserstoff mit einer regelmäßigen Geschwindigkeit an die Brennstoffzelle (34) abgeben, die dann gemäß einem beliebigen bekannten Mechanismus arbeiten kann, um eine Elektrizitätszufuhr zu erzeugen.
  • Die Strömung von Natriumtetrahydridoborat durch die Reaktionskammer (50a) kann auf Wunsch recycelt werden, um eine maximale Menge an Wasserstoff aus der Lösung zu extrahieren, oder es kann eine frische Quelle an Natriumtetrahydri doborat oder eines anderen Materials kontinuierlich an die Reaktionskammer geliefert werden.
  • Unter Bezugnahme auf 7 ist als Nächstes eine Gaskassette (100e) gezeigt, die als Wasserstofferzeugungskassette verkörpert ist. Die Wasserstofferzeugungskassette (100e) kann in ein Brennstoffzellenaufnahmebehältnis oder eine sonstige Vorrichtung, die Wasserstoff benötigt, eingeführt werden. Beispielsweise kann die Wasserstofferzeugungskassette (100e) Wasserstoff an eine PEM-Brennstoffzelle liefern, die der in 1 gezeigten ähnlich ist. Fachleuten, die den Vorteil der vorliegenden Offenbarung aufweisen, wird einleuchten, dass die Wasserstofferzeugungskassette (100e) auch für andere Brennstoffzellen verwendet werden kann.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 7 kann die Wasserstofferzeugungskassette (100e) einen Reaktor wie z.B. eine Reaktionskammer (50c) umfassen. Die Reaktionskammer (50c) umfasst eine allgemein zylindrische Form, wie in der Figur gezeigt ist, dies ist jedoch nicht zwangsläufig der Fall. Es kann jegliche zweckmäßige Form für die Reaktionskammer (50c) verwendet werden. Die Reaktionskammer (50c) kann aus Metall, Kunststoff, Keramik, Verbundstoff oder anderen Materialien hergestellt sein.
  • Die Reaktionskammer (50c) kann einen in derselben angeordneten Katalysator umfassen, beispielsweise das in der Figur gezeigte Katalysatorsieb (56a). Das Katalysatorsieb (56a) kann die Erzeugung von Wasserstoffgas erleichtern, indem es die Reaktionsgeschwindigkeit einer Brennstoffquelle erhöht. Der Katalysator kann einen Ruthenium-Katalysator, einen Platin-Katalysator, einen Nickel-Katalysator oder einen anderen Katalysator umfassen. Ruthenium-, Platin-, Nickel- und andere Katalysatoren sind für Fachleute, die den Vorteil der vorliegenden Offenbarung aufweisen, ohne weiteres verfügbar.
  • Das Katalysatorsieb (56a) kann die Herstellung von Wasserstoffgas in der Gegenwart eines Tetrahydridoborats erleichtern. Beispielsweise führt eine wässrige Natriumtetrahydridoboratlösung in der Gegenwart des Katalysatorsiebes (56a) zu der Freigabe von Wasserstoffgas gemäß der obigen Gleichung (1).
  • Die Reaktionskammer (50c) kann einen Einlass (36) zum Aufnehmen einer Wasserstoff-Brennstoffquelle wie z.B. Natriumtetrahydridoborat und einen Auslass (38) zum Ausscheiden von Abfallprodukten und Reaktanten auf kontinuierliche Weise umfassen. Die Reaktionskammer (50c) kann somit eine kontinuierliche Herstellung von Wasserstoffgas im Gegensatz zu einem Chargenprozess auf vorteilhafte Weise ermöglichen.
  • An dem Einlass (36) und dem Auslass (38) der Reaktionskammer (50c) können sich hydrophile Siebe (42) und (44) befinden. Die hydrophilen Siebe (42) und (44) ermöglichen ohne weiteres das Hindurchtreten von flüssigen Lösungen durch dieselben. Jedoch verhindern sie das Hindurchtreten jeglichen oder im Wesentlichen jeglichen Wasserstoffgases. Hydrophile Siebe (42) und (44) können jeweils ein Filtersieb aus Edelstahl umfassen. Die effektiven Porengrößen der hydrophilen Siebe (42) und (44) sind dahin gehend ausgewählt, einen Druckabfall und Blasendruck auszugleichen, um eine Flüssigkeit/Gas-Trennung zu gewährleisten. Es liegt innerhalb des Wirkungsgebiets von Fachleuten, die den Vorteil der vorliegenden Offenbarung aufweisen, je nach den spezifischen Erfordernissen der Anwendung eine geeignete Porengröße des hydrophilen Siebs zu wählen. Beispielsweise kann für manche Anwendungen ein Filtersieb aus Edelstahl mit einer effektiven Porengröße von 6 μm gewählt werden.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen kann an jedem Einlass (36) oder Auslass (38) lediglich eines der hydrophilen Siebe (42) und (44) verwendet werden.
  • Die Reaktionskammer (50c) kann auch eine hydrophobe Membran (46) umfassen, die das Katalysatorsieb (56a) umgibt, um einen Belag auf einer inneren oder äußeren Oberfläche der Reaktionskammer (50c) zu bilden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bedeckt die hydrophobe Membran (46) nicht den Einlass (36) oder den Auslass (38), um das Hindurchtreten von Flüssigkeiten durch die Reaktionskammer zu ermöglichen. Die hydrophobe Membran (46) ermöglicht, dass Wasserstoffgas durch dieselbe hindurchgelangt. Jedoch tendieren Flüssigkeiten dazu, nicht durch die hydrophobe Membran hindurchzugelangen. Deshalb liefert die Kombination der hydrophoben Membran (46) und der hydrophilen Membranen (42) und (44) vorteilhafterweise Trennpfade für das resultierende Flüssigkeit/Gas-Gemisch, das aus der Metallhydridlösung wie z.B. Natriumtetrahydridoborat hergestellt ist. Somit ist die Reaktionskammer (50c) auch ein integrierter Flüssigkeit/Gas-Separator.
  • Die hydrophobe Membran (46) kann zumindest teilweise aus Goretex®, Celgard® oder einem anderen Material hergestellt sein. Vorzugsweise kann die Verwendung von Goretex®, Celgard® oder einem anderen, ohne weiteres verfügbaren Material als Flüssigkeit/Gas-Separator auf Grund der relativ geringen Temperaturen, die mit der Herstellung von Wasserstoffgas aus Metallhydriden wie z.B. Tetrahydridoboraten, Alkalihydriden und dergleichen verbunden sind, in der Reaktionskammer (50c) selbst verwendet werden. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel überschreitet die Temperatur des Reaktors (50c) bei einer Verwendung von Natriumtetrahydridoborat als Brennstoffquelle eventuell nicht etwa 93°C (200°F). Bei manchen Ausführungsbeispielen überschreitet die Temperatur nicht 80°C (176°F). Bei manchen Ausführungsbeispielen überschreitet die Temperatur des Reaktors (50c) eventuell nicht den Siedepunkt der Metallhydridlösung oder jegliche andere Temperatur, die die Materialkompatibilität jeglicher Reaktorkomponente beeinträchtigen kann.
  • Das Wasserstofferzeugungssystem (100e) kann auch eine Gassammelkammer oder einen Gassammelbehälter (48) umfassen, die bzw. der zu der Reaktionskammer (50c) benachbart sein oder dieselbe umgeben kann. Wasserstoffgas, das in der Reaktionskammer (50c) erzeugt wird, kann durch die hydrophobe Membran (46) gelangen und in die Gassammelkammer (48) eintreten. Die Gassammelkammer (48) kann einen Gasversorgungsdurchlass wie z.B. einen Wasserstoffdurchlass (200) zur Ineingriffnahme mit einem (nicht gezeigten) Rezeptor einer Brennstoffzelle oder einer anderen Wasserstoff verbrauchenden Vorrichtung, in die die Kassette (100e) eingeführt werden kann, umfassen. Der Wasserstoffdurchlass (200) kann sich auf eine Einführung in ein Brennstoffzellenaufnahmebehältnis hin automatisch öffnen, oder er kann selektiv zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position funktionstüchtig sein, um zu ermöglichen, dass Wasserstoff aus der Kassette gelangt.

Claims (6)

  1. Eine Brennstoffzellenvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: eine Anode (20); eine Kathode (22); einen Elektrolyten (24), der zwischen der Anode (20) und der Kathode (22) angeordnet ist; und einen Wasserstoffreaktor (102) zum Liefern von Wasserstoff an die Anode (20), wobei der Wasserstoffreaktor (102) eine poröse Wand aufweist, die durch eine hydrophobe Membran (116) umwickelt ist, wobei der Wasserstoffreaktor (102) einen Einlass (36, 52, 106) zum Aufnehmen eines kontinuierlichen Stroms einer wässrigen Metallhydridlösung und einen Auslass (38, 54, 108) zum Ermöglichen des Austretens der Lösung aus dem Wasserstoffreaktor (102) aufweist.
  2. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Wasserstoffreaktor (102) ferner eine hydrophile Membran (44) aufweist, die für Wasserstoffgas, das einen Auslass (38) zu dem Wasserstoffreaktor bedeckt, im Wesentlichen undurchlässig ist.
  3. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Wasserstoffreaktor (102) eine hydrophobe gasdurchlässige Membran aufweist, die um einen Katalysator (104) herum gewickelt ist.
  4. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner einen Katalysator (40) aufweist, der in einer Verteilungs struktur (56) in dem Wasserstoffreaktor (102) angeordnet ist.
  5. Ein Verfahren zur Gasproduktion, das ein Produzieren und Trennen eines Wasserstoffgases von einer wässrigen Lösung umfasst, die kontinuierlich durch einen integrierten Wasserstoffreaktor (102) einer Brennstoffzelle gemäß der Definition in Anspruch 1 strömt.
  6. Das Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem das Trennen von Wasserstoffgas von der wässrigen Lösung durch eine hydrophobe, für Wasserstoffgas durchlässige Membran (116) um den Reaktor (102) herum ermöglicht wird.
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