WO2002094711A1 - Verfahren zum reversiblen speichern von wasserstoff und wasserstoffspeicher - Google Patents

Verfahren zum reversiblen speichern von wasserstoff und wasserstoffspeicher Download PDF

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WO2002094711A1
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Dominik Kramer
Jörg WEISSMÜLLER
Herbert Gleiter
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Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/0005—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to a method for the reversible storage of hydrogen and a hydrogen storage.
  • the technical problem of storing hydrogen arises especially in the context of the hydrogen economy, which provides for the use of hydrogen as an energy source, i. H. wants to use as an energy storage and transport medium.
  • Hydrogen can easily be produced from water by electrolysis, e.g. B. from solar power.
  • the stored energy can be easily recovered thermally by combustion, but it can also be converted directly into electrical energy in fuel cells.
  • the question of the storage of hydrogen, especially smaller quantities and especially for mobile applications (fuel cell cars) has not yet been satisfactorily solved technically.
  • the object of the invention is to provide a method and an apparatus of the e. G. Way to be designed so that the hydrogen release at low temperatures is possible.
  • Gaseous hydrogen is supplied to the storage device in order to load the storage device with hydrogen.
  • This is the What ⁇ serstoff arrivedelektrode placed in the device by an appropriate system of pipes, channels, pores or the like.
  • the gas space B. extends either up to the H-memory electrode (eg, by being executed even tube-shaped, or porous electric ⁇ LYTEN), or the hydrogen is brought very close to the electrode (eg. Up to a thin electrolyte layer on the Electrode).
  • the hydrogen is then taken up by the storage electrode, which is made of a hydrogen storage material such.
  • a hydrogen storage system should not only absorb the hydrogen, but should also be able to dispense it in doses if desired. In the fuel cell car, this happens when accelerating: When the accelerator pedal is pressed, the accumulator releases the necessary amount of hydrogen to the engine as soon as possible.
  • the hydrogen storage When refueling the hydrogen tank, the hydrogen storage should provide the H2 gas presented quickly and readily, i.e. e.g. without the need for high pressures to resume.
  • An electrically conductive hydrogen storage material is used for storage.
  • the usable hydrogen is mainly stored on the surface or below the surface of the material, which is why the material with a very large surface, e.g. sponge-like or as a thin film on a conductive carrier, is brought into the device.
  • the uptake and release is regulated via a charge layer on the surface of the hydrogen storage material. For this purpose, it is completely or largely covered with electrolyte. Using a counter electrode and a fine sett ⁇ bare voltage or current source, the charge can at the Oberflä ⁇ che and the hydrogen storage capacity can be changed.
  • the hydrogen storage device according to the invention can also absorb or release hydrogen at a constant temperature and pressure.
  • Devices in electrolysis e.g. B. for the electrolysis of water also for hydrogen production. This is broken down by the electric current.
  • the memory described here does not carry out electrolysis: a charge passage at the electrode / electrolyte interface is not desired. Only a surface charge is to be generated.
  • the pressure and temperature range in which the hydrogen is taken up or released is generally predetermined by the composition of the material. It is desirable to adapt the pressure and temperature to the technical requirements. So far, this has mostly required either the additional modules mentioned or a change in the composition of the material, but this also changes the storage properties. Modification of the storage properties without changing the composition of the storage material is therefore desirable.
  • Electrodes immersed in an electrolyte and a voltage source connected to them is reminiscent of a device for electrolysis. New, however, is that hydrogen is not produced electrolytically (there is no charge transfer takes), but that he is released because chermaterials be changed by the elekt ⁇ roche mix double layer the properties of Wasserstoffspei ⁇ .
  • a passage reaction at the counter electrode may be useful, but in principle the device can also be designed in such a way that only a double-layer charge is built up at the counter electrode. Then typical features such as diaphragms / separating membranes for the separation of cathode and anode space can also be omitted. The separate removal of oxygen required for water electrolysis is also not necessary.
  • a typical feature of our invention is also the dependence of the storage capacity on the electrolyte-wetted surface. Even with conventional adsorption storage, the capacity depends on the surface, but what is new is that the surface wetted by the electrolyte is decisive for our device.
  • the storage unit described here can also absorb hydrogen at a constant temperature and pressure or submit.
  • the regulation takes place via a fine setting ⁇ bare voltage or current source which produces a charge layer on the surface of the hydrogen storage material. Therefore, heating or cooling devices and pumps or compressors can at least be constructed more simply and therefore more cheaply, or may even be omitted entirely. Since there is no need to heat up or reform a chemical substance, there are no latencies.
  • the invention offers the possibility of improving the properties of already tried or future materials by making it possible to change their properties: since in our arrangement the charge on the surface of the materials can be varied, the electronic density of states and thus the hydrogen storage capacity can be changed , Given the urgent need for better storage, it offers a valuable option.
  • the invention is based on the effect that the hydrogen storage in adjacent material is influenced by the charge in an electrochemical double layer.
  • palladium foil 25 x 25 x 0.025 mm was used as the hydrogen storage material.
  • a solution of lithium perchlorate in methyl acetate served as the electrolyte.
  • the surfaces examined so far were relatively small, and therefore, with the previous test arrangements, only a very small adjustable storage capacity (especially in the Compared to the conventional storage capacity of the palladium). Therefore, gaseous hydrogen was not detected, but the change in the hydrogen storage capacity was detected indirectly via a current flow, in that the palladium foil was wetted on one side by phosphoric acid and glycerol in a double cell arrangement. The palladium foil could be loaded with hydrogen from this side.
  • FIGS. 4 to 6 show current-time diagrams of hydrogen loads.
  • Hydrogen uptake and release is regulated by a charge layer on the actual storage material set with the aid of an external voltage source
  • the new type of hydrogen storage device consists of the following essential parts:
  • the hydrogen storage electrode consists of an electron-conducting hydrogen storage material, e.g. As palladium, magnesium or magnesium alloys such as. B. Mg2Ni, Mg2Cu, Mg-Ln, or intermetallic compounds such as LaNi5, CaNi5 or LaNi4.7A10.3.
  • the hydrogen storage material is carried out with a very large surface, e.g. B. sponge-like or as a thin film on a support. New is that a particularly large surface is used for the device presented here, with the usable storage area of our device with increasing ⁇ top of the hydrogen reservoir increases (in previous storing: Capacity depends mostly on the amount of the storage material).
  • the storage material can also be applied to an electron-conducting carrier material.
  • Both solid-state electrolytes and electrolyte solutions are suitable as the electrolyte, ie ion-conducting material.
  • the electrolyte completely or largely covers the storage electrode, since the covered surface is important for usable capacity. Incomplete coverage may be necessary for technical reasons, e.g. B. to keep clear paths for gas transportation.
  • the electrolyte must not be decomposed by the applied voltages, as no electrolysis should take place (work in the double layer area, capacitive charging instead of the Faraday process). Therefore, aprotic electrolytes such as salt solutions in methyl acetate or dimethylformamide may be more suitable than water, for example.
  • the counter electrode consists of a material that conducts electrons well, eg metals such as gold or platinum. Base metals or conductive polymers that do not corrode in the electrolyte can also be used.
  • the counterelectrode has a large area (to avoid high current or charge densities), which is why porous or rough material is
  • the voltage and current source must be finely adjustable.
  • the gas supply or discharge is, for example, a linear, branched or network-like system of fine capillaries, pores or tubes, which enable rapid gas transport.
  • the hydrogen storage material 1 is applied as a thin layer on a conductive carrier material 2.
  • the counter electrode 4 consists of tubes with pores for the hydrogen passage. The tubes are not wetting on the inside and conductive on the outside.
  • the two electrodes are in contact with one another via the electrolyte.
  • the hydrogen storage material 1 consists of branched nanotubes on a conductive carrier material 2.
  • the hydrogen is fed in and out via the porous electrolyte 3.
  • Fig. 3 shows an embodiment with a bipolar Elect ⁇ clearing arrangement.
  • the conductive carrier material 5 serves as a counter electrode. The individual electrodes are separated from one another by insulators.
  • Gaseous hydrogen is supplied to the storage device in order to load the storage device with hydrogen. This is achieved in the device using a suitable system of pipes, channels, pores or the like. brought to the hydrogen storage electrode.
  • the gas space either extends to the H-storage electrode (e.g. by making it itself tubular or with porous electrolytes), or the hydrogen is brought very close to the electrode (e.g. up to a thin electrolyte layer on the electrode) ,
  • the hydrogen is then taken up by the storage electrode, which is made of a hydrogen storage material such.
  • the voltage source must be able to supply a constant current (galvanostatic operation) in order to enable an even release of hydrogen.
  • the voltage used must not exceed the decomposition voltage of the respective electrolyte.
  • the device presented here does not perform electrolysis: a charge passage at the electrode / electrolyte interface is not desired. Only a surface charge is to be generated. If the maximum voltage of the voltage source used exceeds the decomposition voltage, a voltage limit must be used.
  • FIG. 5 shows a diagram in which the voltage was reversed every hour on the charge side (lithium perchlorate in methyl acetate).
  • the curves contain a large proportion of electricity, which corresponds to the loading of the entire film with hydrogen.
  • FIG. 6 the curves from FIG. 5 were adapted to a double exponential curve and this was subtracted.
  • a current signal can now be clearly recognized due to the polarity reversal.
  • the function of the potential on the loading corresponds to the expectation that the hydrogen charging of the palladium be ⁇ Sonders sensitive to a change in the electronic density of states in Pd, when the hydrogen loading is close to the phase transition ⁇ - ⁇ '.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum reversiblen speichern von Wasserstoff und einen Wasserstoffspeicher. Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtung so auszugestalten, dass die Wasserstoffabgabe bei erniedrigten Temperaturen möglich ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch Anlegen einer Spannung an eine Gegenelektrode und das Speichermaterial zur Wiedergewinnung des Wasserstoffs, wobei durch die Größe von Spannung und Stromstärke die Wasserstoffabgaberate eingestellt wird.

Description

Verfahren zum reversiblen Speichern von Wasserstoff und Wassers offSpeicher.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum reversiblen Speichern von Wasserstoff und einen Wasserstoffspeicher.
Das technische Problem der Speicherung von Wasserstoff stellt sich vor allem im Rahmen der Wasserstoffwirtschaft, welche die Verwendung von Wasserstoff als Energieträger vorsieht, d. h. als Energiespeicher und Transportmedium nutzen will. Wasserstoff kann leicht aus Wasser durch Elektrolyse hergestellt werden, z. B. aus Solarstrom. Die gespeicherte Energie kann sehr leicht durch Verbrennung thermisch wiedergewonnen werden, sie kann aber auch in Brennstoffzellen direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Frage nach der Speicherung des Wasserstoffs, vor allem kleinerer Mengen und gerade auch für mobile Anwendungen (Brennstoffzellenauto) ist technisch bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst.
Da die bisher zur Wasserstoffspeicherung benutzten Speichermaterialien gerade für zukünftige Anwendungen unbefriedigend sind, werden verbesserte Konzepte und Materialien dringend gesucht. Es wurden bereits viele Materialien hergestellt und in verschiedenen Temperatur- und Druckbereichen getestet. Es ist sehr wünschenswert, außer Materialzusammensetzung, Druck und Temperatur noch eine weitere Größe zur Verfügung zu haben, die die Variation der WasserstoffSpeichereigenschaften erlaubt. Die bisherigen Speicherlösungen erfordern aufwendige Zusatzmo¬ dule wie die Kompressoren für Drucktanks. Bei der Kryospeiche- rung sind die Infrastrukturanforderungen besonders hoch, da spe¬ zielle Kühleinrichtungen für sehr tiefe Temperaturen von -253 °C (20 K) benötigt werden. Die Speichersysteme, Transferleitungen und Tankkupplungen müssen superisoliert sein, um ein schnelles vorzeitiges Verdampfen des flüssigen Wasserstoffs zu vermeiden bzw. hinauszuzögern. Nachteil der Metallhydridspeichers ist, dass zur Wasserstofffreisetzung je nach Legierung teilweise ent¬ weder hohe Temperaturen oder zusätzliche Pumpen benötigt werden. Chemische Speicher benötigen Reformatoren, die beheizt werden müssen, und/oder eine aufwendige Regenerierung.
Der Aufbau und der Betrieb von Zusatzmodulen erfordert Energie, nimmt Platz in Anspruch (kann bei mobilen Anwendungen kritisch sein) und kostet Geld. Zur Teil (z. B. bei Reformatoren oder Geräten, die stark erhitzen müssen) stellt sich das Problem der Ansprechzeit.
Elektrolysegeräte können zwar zur Wasserstoffgewinnung genutzt werden. Dabei werden aber große Energiemengen benötigt. Sie sind daher als Wasserstoffspeicher = Energiespeicher im Sinne der WasserstoffWirtschaft nicht zu gebrauchen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der e. g. Art, so auszugestalten, dass die Wasserstoffabgabe bei erniedrigten Temperaturen möglich ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Die Speicherung von Wasserstoff und die anschließende dosierte
Abgabe wird mit folgendem Verfahren möglich:
Zum Beladen des Speichers mit Wasserstoff wird dem Speichergerät gasförmiger Wasserstoff zugeführt. Dieser wird im Gerät durch ein geeignetes System von Rohren, Kanälen, Poren o.a. zur Was¬ serstoffspeicherelektrode gebracht. Dabei erstreckt sich der Gasraum entweder bis zur H-Speicherelektrode (z.B. indem diese selbst röhrchenförmig ausgeführt wird, oder bei porösem Elektro¬ lyten) , oder der Wasserstoff wird sehr nahe an die Elektrode gebracht (z. B. bis zu einer dünnen Elektrolytschicht auf der Elektrode) .
Der Wasserstoff wird dann von der Speicherelektrode aufgenommen, die aus einem Wasserstoffspeichermaterial wie z. B. Palladium, Magnesium oder Magnesiumlegierungen wie Mg2Ni, Mg2Cu besteht. Diese hat eine sehr große Oberfläche und ist daher z. B. schwammartig, aus Nanofäden aufgebaut oder als dünne Schicht auf einem Träger aufgebracht. Daher kann die Wasserstoffaufnähme recht schnell erfolgen.
Bei Wasserstoffbedarf wird von außen eine Gleichspannung zwischen Gegen- und Speicherelektrode angelegt, . Der dadurch verursachte Strom (natürlich ebenfalls zwischen Gegen- und Speicherelektrode) durch den Elektrolyten führt zu einer Verschiebung von Ladungen und zur Änderung der elektrochemischen Doppelschicht vor den Elektroden. Dadurch ändert sich die elektronische Zustandsdichte in der Elektrode, und ihre Speicherkapazität wird verringert. Der Wasserstoff tritt aus der Elektrode aus, wird durch das Gasleitungssystem gesammelt und vom Gerät abgegeben. Die Spannungsquelle muss eine konstante Stromstärke liefern können (galvanostatischer Betrieb) , um eine gleichmäßige Wasserstoffabgäbe zu ermöglichen. Die verwendete Spannung darf dabei nicht die Zersetzungsspannung des jeweiligen Elektrolyten überschreiten. Das hier vorgestellte Gerät führt keine Elektrolyse aus: ein Ladungsdurchtritt an der Grenzfläche Elektrode/Elektrolyt ist nicht erwünscht. Es soll lediglich eine Oberflächenladung erzeugt werden. Falls die Maximalspannung der verwendeten Spannungsquelle die Zersetzungsspannung überschrei¬ tet, ist daher eine Spannungsbegrenzung zu verwenden.
Ein Wasserstoffspeicher soll den Wasserstoff nicht nur aufnehmen, sondern ihn auf Wunsch dosiert wieder abgeben können. Im Brennstoffzellenauto geschieht dies beim Beschleunigen: Beim Druck aufs Gaspedal der Speicher möglichst ohne Verzögerung die notwendige Menge Wasserstoff an den Motor abgeben.
Beim Betanken des Wasserstofftanks soll der Wasserstoffspeicher das dargebotene H2-Gas schnell und bereitwillig, d.h. z.B. ohne die Notwendigkeit hoher Drücke, wieder aufnehmen.
Zur Speicherung wird ein elektrisch leitendes Wasserstoffspeichermaterial benutzt. Der nutzbare Wasserstoff wird vor allem an der Oberfläche bzw. unter der Oberfläche des Materials gespeichert, weshalb das Material mit sehr großer Oberfläche, z.B. schwammartig oder als dünner Film auf einem leitfähigen Träger, in das Gerät gebracht wird.
Die Regulierung der Aufnahme und Abgabe erfolgt über eine Ladungsschicht an der Oberfläche des Wasserstoffspeichermaterials. Dazu wird dieses vollständig oder weitgehend mit Elektrolyt bedeckt. Mit Hilfe einer Gegenelektrode und einer fein einstell¬ bare Spannungs- bzw. Stromquelle kann die Ladung an der Oberflä¬ che und damit die WasserstoffSpeicherkapazität verändert werden.
Der erfindungsgemäße Wasserstoffspeicher kann auch bei konstanter Temperatur und bei konstantem Druck nach Wunsch Wasserstoff aufnehmen oder abgeben.
Ähnlichkeit im Aufbau haben auch Geräte zur Elektrolyse, z. B. zur Elektrolyse von Wasser ebenfalls zur Wasserstoffgewinnung. Dabei erfolgt eine Zerlegung durch den elektrischen Strom.
Der hier beschriebene Speicher führt aber keine Elektrolyse aus: ein Ladungsdurchtritt an der Grenzfläche Elektrode/Elektrolyt ist nicht erwünscht. Es soll lediglich eine Oberflächenladung erzeugt werden.
Bei allen Geräten mit mechanischen Teilen stellt sich außerdem die Frage nach der Lebensdauer und der Wartung.
Bei bisherigen Speichermaterialien wird der Druck- und Temperaturbereich, in dem die Wasserstoffaufnahme oder -Abgabe erfolgt, in der Regel durch die Zusammensetzung des Materials vorgegeben. Es ist wünschenswert, Druck- und Temperatur den technischen Erfordernissen anzupassen. Bisher erfordert dies meist entweder die genannten Zusatzmodule oder eine Änderung der Zusammensetzung des Materials, womit sich aber auch die Speichereigenschaften ändern. Eine Modifikation der Speichereigenschaften ohne die Änderung der Zusammensetzung des Speichermaterials ist daher wünschenswert . Die Kombination eines Wasserstoffspeichermaterials mit einem dieses benetzendem Elektrolyten und einer Spannungsquelle zur
Änderung der Speichereigenschaften ist völlig neu.
Der Aufbau aus in einem Elektrolyt eintauchenden Elektroden und eine daran angeschlossene Spannungsquelle erinnert an ein Gerät zur Elektrolyse. Neu ist jedoch, dass der Wasserstoff nicht elektrolytisch erzeugt wird (es findet kein Ladungsdurchtritt statt) , sondern dass er freigesetzt wird, weil durch die elekt¬ rochemische Doppelschicht die Eigenschaften des Wasserstoffspei¬ chermaterials geändert werden. An der Gegenelektrode kann zwar eine Durchtrittsreaktion sinnvoll sein, prinzipiell kann das Gerät aber auch so ausgeführt werden, dass auch an der Gegenelektrode nur eine Doppelschichtladung aufgebaut wird. Dann können auch für Elektrolysen typische Merkmale wie Diaphragmen/Trennmembranen zur Abtrennung von Kathoden- und Anodenraum entfallen. Die für die Wasserelektrolyse nötige getrennte Abführung des Sauerstoffs ist ebenfalls nicht notwendig.
Da die nutzbare Wasserstoffspeicherung in der Oberflächenschicht erfolgt, ist ein typisches Merkmal unserer Erfindung auch die Abhängigkeit der Speicherkapazität von der elektrolytbenetzten Oberfläche. Auch bei herkömmlichen Adsorptionsspeichern hängt die Kapazität von der Oberfläche ab, neu ist aber, dass bei unserem Gerät die vom Elektrolyten benetzte Oberfläche entscheidend ist.
Der hier beschriebene Speicher kann auch bei konstanter Temperatur und konstantem Druck nach Wunsch Wasserstoff aufnehmen oder abgeben. Die Regulierung erfolgt über eine fein einstell¬ bare Spannungs- bzw. Stromquelle, die eine Ladungsschicht an der Oberfläche des Wasserstoffspeichermaterials erzeugt. Daher können Heiz- oder Kühleinrichtungen und Pumpen bzw. Kompressoren zumindest einfacher und damit günstiger aufgebaut werden oder u.U. sogar ganz entfallen. Da nicht aufgeheizt oder ein chemischer Stoff reformiert werden muss, fallen entsprechende Latenzzeiten weg.
Die Erfindung bietet die Möglichkeit, die Eigenschaften bereits erprobter oder zukünftiger Materialien zu verbessern, indem sie ermöglicht, deren Eigenschaften zu verändern: da bei unserer Anordnung die Ladung an der Oberfläche der Materialien variiert werden kann, kann die elektronische Zustandsdichte und damit die Wasserstoffspeicherkapazität verändert werden. Angesichts der dringenden Suche nach besseren Speichern bietet sie daher eine wertvolle Option.
Die Erfindung beruht auf dem Effekt, dass durch die Ladung in einer elektrochemischen Doppelschicht die Wasserstoffspeicherung in angrenzendem Material beeinflusst wird.
In einigen bisherigen Experimenten wurde Palladiumfolie (25 x 25 x 0,025 mm) als WasserstoffSpeichermaterial verwendet. Als Elektrolyt diente eine Lösung von Lithiumperchlorat in Methyl- acetat. Die bisher untersuchten Oberflächen waren relativ klein, und bei den bisherigen Versuchsanordnungen konnte man daher nur eine sehr kleine regulierbare Speicherkapazität (insbesondere im Vergleich zur herkömmlichen Speicherkapazität des Palladiums) erwarten. Daher wurde nicht gasförmiger Wasserstoff detektiert, sondern die Änderung der Wasserstoffspeicherkapazität wurde indirekt über einen Stromfluss nachgewiesen, indem die Palladiumfolie in einer Doppelzellenanordnung einseitig von Phosphorsäure und Glycerin benetzt wurde. Die Palladiumfolie konnte von dieser Seite mit Wasserstoff beladen werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen die Fig. 1 bis 3 schematische Speicheranordnungen und die Fig. 4 bis 6 Strom- Zeitdiagramme von Wasserstoffbeladungen.
Wasserstoffaufnahme und -Abgabewird durch eine mit Hilfe einer externen Spannungsquelle eingestellte Ladungsschicht am eigentlichen Speichermaterial reguliert
Das neuartige Wasserstoffspeichergerät besteht aus folgenden wesentlichen Teilen:
Elektrode aus Wasserstoffspeichermaterial Elektrolyt Gegenelektrode
Spannungsquelle zwischen den Elektroden Gaszuführung bzw. -Ableitung Die Wasserstoffspeicherelektrode besteht aus einem elektronenleitendem Wasserstoffspeichermaterial, z. B. Palladium, Magnesium oder Magnesiumlegierungen wie z. B. Mg2Ni, Mg2Cu, Mg-Ln, oder intermetallische Verbindungen wie LaNi5, CaNi5 oder LaNi4.7A10.3. Das Wasserstoffspeichermaterial wird mit sehr großer Oberfläche ausgeführt, z. B. schwammartig oder als dünner Film auf einem Träger. Neu ist, dass für das hier vorgestellte Gerät eine besonders große Oberfläche verwendet wird, wobei die nutzbare Speicherkapazität unseres Geräts mit zunehmender Ober¬ fläche des Wasserstoffspeichers zunimmt (bei bisherigen Speichern: Kapazität meist von der Menge des Speichermaterials abhängig) . Das Speichermaterial kann auch auf einem elektronenleitenden Trägermaterial aufgebracht sein.
Als Elektrolyt, d. h. ionenleitendes Material kommen sowohl Festkörperelektrolyte, als auch Elektrolytlösungen in Frage. Der Elektrolyt bedeckt die Speicherelektrode vollständig oder weitgehend, da die bedeckte Oberfläche für nutzbare Kapazität wichtig ist. Eine nicht vollständige Bedeckung kann aus technischen Gründen notwendig sein, z. B. um Wege für den Gastransport freizuhalten. Der Elektrolyt darf durch die angelegten Spannungen nicht zersetzt werden, da möglichst keine Elektrolyse stattfinden soll (Arbeit im Doppelschichtbereich, kapazitive Ladung statt Faradayprozess) . Daher sind aprotische Elektrolyte wie Salzlösungen in Methylacetat oder Dimethylformamid möglicherweise besser geeignet als z.B. Wasser. Die Gegenelektrode besteht aus gut elektronenleitendem Material, z.B. Metalle wie Gold oder Platin. Aber auch unedlere Metalle oder leitfähige Polymere, die im Elektrolyten nicht korrodieren, können verwendet werden. Die Gegenelektrode wird (zur Vermeidung hoher Strom- oder Ladungsdichten) großflächig ausgeführt, weshalb bevorzugt ebenfalls poröses oder raues Material verwendet wird.
Die Spannungs- und zugleich Stromquelle muss fein regulierbar sein.
Die Gaszuführung bzw. -Ableitung ist zum Beispiel ein lineares, verzweigtes oder netzartiges System feiner Kapillaren, Poren oder Röhren, die einen schnellen Gastransport ermöglichen.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist das Wasserstoffspeichermaterial 1 als dünne Schicht auf einem leitfähigen Trägermaterial 2 aufgebracht. Die Gegenelektrode 4 besteht aus Röhrchen mit Poren für den Wasserstoffdurchtritt . Die Röhrchen sind innen nicht benetzend und außen leitfähig.
Die beiden Elektroden stehen über den Elektrolyten mit einander in Kontakt.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung besteht das Wasserstoffspeichermaterial 1 aus verzweigten Nanoröhren an leitfähigem Trägermaterial 2. Der Wasserstoff wird über den porösen Elektrolyten 3 zu- und abgeleitet. Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit einer bipolare Elekt¬ rodenanordnung. Dabei dient das leitfähige Trägermaterial 5 als Gegenelektrode. Die einzelnen Elektroden sind durch Isolatoren von einander getrennt.
Die Speicherung von Wasserstoff und die anschließende dosierte Abgabe ist mit folgendem Verfahren möglich.
Zum Beladen des Speichers mit Wasserstoff wird dem Speichergerät gasförmiger Wasserstoff zugeführt. Dieser wird im Gerät durch ein geeignetes System von Rohren, Kanälen, Poren o.a. zur Wasserstoffspeicherelektrode gebracht. Dabei erstreckt sich der Gasraum entweder bis zur H-Speicherelektrode (z. B. indem diese selbst röhrchenförmig ausgeführt wird, oder bei porösem Elektrolyten) , oder der Wasserstoff wird sehr nahe an die Elektrode gebracht (z.B. bis zu einer dünnen Elektrolytschicht auf der Elektrode) .
Der Wasserstoff wird dann von der Speicherelektrode aufgenommen, die aus einem Wasserstoffspeichermaterial wie z. B. Palladium, Magnesium oder Magnesiumlegierungen wie Mg2Ni, Mg2Cu besteht. Diese hat eine sehr große Oberfläche und ist daher z. B. schwammartig, aus Nanofäden aufgebaut oder als dünne Schicht auf einem Träger aufgebracht. Daher kann die Wasserstoffaufnähme recht schnell erfolgen.
Bei Wasserstoffbedarf wird von außen eine Spannung zwischen Gegen- und Speicherelektrode angelegt. Der dadurch verursachte Strom (natürlich ebenfalls zwischen Gegen- und Speicherelektrode) durch den Elektrolyten führt zu einer Verschiebung von Ladungen und zur Änderung der elektrochemischen Doppelschicht vor den Elektroden. Dadurch ändert sich die elektronische Zustandsdichte in der Elektrode, und ihre Speicherkapazität wird verringert. Der Wasserstoff tritt aus der Elektrode aus, wird durch das Gasleitungssystem gesammelt und vom Gerät abgegeben.
Die Spannungsquelle muss eine konstante Stromstärke liefern können (galvanostatischer Betrieb) , um eine gleichmäßige Wasserstoffabgäbe zu ermöglichen. Die verwendete Spannung darf dabei nicht die Zersetzungsspannung des jeweiligen Elektrolyten überschreiten. Das hier vorgestellte Gerät führt keine Elektrolyse aus: ein Ladungsdurchtritt an der Grenzfläche Elektrode/ Elektrolyt ist nicht erwünscht. Es soll lediglich eine Oberflächenladung erzeugt werden. Falls die Maximalspannung der verwendeten Spannungsquelle die Zersetzungsspannung überschreitet, ist daher eine Spannungsbegrenzung zu verwenden.
Die Fig. 4 zeigt die Beladungsströme einer Palladiumfolie bei der Beladung mit Wasserstoff bei verschiedenen Spannungen.
Die Fig. 5 zeigt ein Diagramm bei dem auf der Ladungsseite (Li- thiumperchlorat in Methylacetat) stündlich die Spannung umgepolt wurde. Die Kurven enthalten einen großen Stromanteil, welcher der Beladung der gesamten Folie mit Wasserstoff entspricht. Für die Darstellung in Fig. 6 wurden die Kurven aus Fig. 5 an eine doppelt exponentielle Kurve angepasst und diese abgezogen. Man erkennt nun eindeutig ein Stromsignal aufgrund der Umpolung. Die Abhängigkeit vom Potential auf der Beladeseite entspricht der Erwartung, dass die Wasserstoffbeladung des Palladiums be¬ sonders empfindlich auf eine Änderung der elektronischen Zustandsdichte im Pd reagiert, wenn die Wasserstoffbeladung nahe am Phasenübergang α- α' liegt.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum reversiblen Speichern von Wasserstoff mit fol¬ genden Verfahrensschritten: a) Beladen eines Speichermaterials mit Wasserstoff, wobei das Speichermaterial mindestens auf einer Seite in Kontakt mit einem Elektrolyten steht und b) Anlegen einer Spannung an eine Gegenelektrode und das Speichermaterial zur Wiedergewinnung des Wasserstoffs, wobei durch die Größe von Spannung und Stromstärke die Wasserstoffabgaberate eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Beladen des Speichermaterials eine Gegenspannung angelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wiedergewinnung des Wasserstoffs auch die Temperatur erhöht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Speichermaterial Palladium, Magnesium oder eine Magnesiumlegierung verwendet wird.
5. WasserstoffSpeicher bestehend aus einem Gehäuse mit mindestens zwei Elektroden die über einen Elektrolyten mit einander in Kontakt stehen, wobei die eine Elektrode mindestens eine Schicht aus einem wasserstoffspeichernden Material aufweist, einer Wasserstoff Zu- und Ableitung und einer Strom/Spannungsquelle die mit den beiden Elektroden verbunden ist.
PCT/EP2002/004690 2001-05-23 2002-04-27 Verfahren zum reversiblen speichern von wasserstoff und wasserstoffspeicher WO2002094711A1 (de)

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