WO2013041086A1 - Energieversorgungssystem mit reversiblem funktionselement - Google Patents

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WO2013041086A1
WO2013041086A1 PCT/DE2012/000958 DE2012000958W WO2013041086A1 WO 2013041086 A1 WO2013041086 A1 WO 2013041086A1 DE 2012000958 W DE2012000958 W DE 2012000958W WO 2013041086 A1 WO2013041086 A1 WO 2013041086A1
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WO
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hydrogen
supply system
energy supply
marked
reversible
Prior art date
Application number
PCT/DE2012/000958
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ian Michael Hutchings
Marinus Kunst
Hans-Joachim Lewerenz
Javier OROZCO MESSANA
Enrique SÁNCHEZ VILCHES
Enrique SÁNCHEZ PLAZA
Original Assignee
Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh filed Critical Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/50—Processes
    • C25B1/55—Photoelectrolysis
    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Definitions

  • the invention relates to a power supply system with at least one photocatalytic electrolyzer for the generation of hydrogen in sunlight, a hydrogen storage and at least one electro-catalytic fuel cell for the generation of electric current when supplying hydrogen.
  • Electrolyzer is thus produced by means of solar radiation without the generation of solar power directly hydrogen by reducing water as the electrolyte.
  • the generated hydrogen is stored in a hydrogen storage.
  • a fuel cell is a galvanic cell that continuously supplies the chemical reaction energy
  • Fuel and an oxidizing agent converts into electrical energy.
  • - fuel cell usually stands for the hydrogen-oxygen fuel cell.
  • the energy for electricity production is supplied in chemically bound form with the fuels.
  • a fuel cell consists of electrodes which are separated by an ion-conducting membrane or an electrolyte as an ion / proton conductor.
  • the electrode plates / bipolar plates usually consist of metal or carbon nanotubes. They are provided with an electrocatalytic coating, for example with platinum or palladium.
  • the electrolyte is water.
  • the energy provides a reaction of oxygen with the hydrogen. Both reactants are fed continuously via the electrodes. To obtain a higher voltage, several cells are connected in series to a stack.
  • the low-temperature proton exchange membrane fuel cell (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC; or Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) with a proton-but not electron-conducting, gas-tight ionomer membrane.
  • RFC reversible fuel cell
  • Hydrogen supplied with externally generated electricity It is thus an electrolyzer with an electrocatalytic coating, which catalyzes the generation of hydrogen by supplying electric current, which may also be generated by photovoltaic means.
  • EP 2 053 685 A1 The generic state of the art for the present invention is known from EP 2 053 685 A1.
  • An energy supply system with a photochemical device for decomposing water into its constituents hydrogen and oxygen on a photocatalyst under sunlight is described. This is therefore a photocatalytic electrolyser for the light-induced generation of hydrogen.
  • a hydrogen storage for example a metal hydride storage, and a fuel cell system are provided, wherein the hydrogen storage is arranged between the photochemical device and the fuel cell system.
  • a fuel independent power supply system is provided in which the fuel
  • Hydrogen to the fuel cell system is dependent on demand and solar radiation either directly from the electrolyzer or from
  • a photocatalytic electrolyzer for direct hydrogen production is known from DE 103 32 570 A1.
  • the ion-conducting membrane consists of a metal foil, thereupon a solar cell structure, for example a tandem thin-film solar cell made of copper-indium-sulfide, above a buffer layer and above a photocatalytic coating, there for example titanium dioxide, in particular also with Farbpelle mecanicischung.
  • Coating is used exclusively for the production of hydrogen (and
  • Oxygen under sunlight.
  • the generated hydrogen is stored externally in a hydrogen tank and from there a fuel cell fed.
  • Another electrolyzer is known from JP 2008-174771 A.
  • the generated hydrogen is not external, but integrated in the
  • Electrolyzer stored in an electrode of a metal compound is an electrode of a metal compound.
  • Electrolyser A similar system is known from US 2008/0124592 A1.
  • the fuel cell becomes reversible, i. both for generating electricity under hydrogen supply and for hydrogen production under external
  • the electric current can also be generated photovoltaic.
  • the electrolyzer is known from US 2008/0073205 A1, which is referred to as "photovoltaic electrolysis cell.”
  • an electrical current or voltage is initially generated photovoltaically, which is applied to the electrodes of the electrocatalytic electrolyzer Construction also shows the integrated photoelectrochemical cell according to US 2005/0205128 A1.
  • the photovoltaic component is designed here as a building intent element.
  • a photovoltaic curtain wall with a compact construction element for routing the power cables to an external electrolyzer that feeds hydrogen into an external hydrogen storage system. The stored hydrogen is then fed to fuel cells again.
  • Gaschrome windows can be darkened at the push of a button.
  • Integrated thin tungsten dioxide layers turn blue by the addition of hydrogen.
  • An electrolyzer for hydrogen production is kept so small that it can be integrated into the facade. Further explanations about the type of integration are not made.
  • a similar arrangement with an integrated in the thin layer composite transparent proton storage is known from DE 36 43 690 C2.
  • An integrated energy collection, storage and insulation element for roof and facade is known from DE 101 32 060 A1. It also includes a photovoltaic element for power and heat generation and a memory unit made of different latent and phase change memory materials. However, this is a pure heat storage.
  • the energy supply system according to the invention is characterized by a structural union of the photocatalytic electrolyzer with the electrocatalytic fuel cell in a reversible functional element.
  • a maximum of two separate functional elements occur: the reversible functional element and the hydrogen storage.
  • the reversible functional element has an ion-conducting membrane between a front side and a rear side electrolyte chamber filled in each case with water. This carries on its intended in the case of use for sunlight Front a light absorbing absorber layer and about a photocatalytic coating. On its rear side, which is not provided for solar radiation in the application, it has an electrocatalytic coating.
  • the photocatalytic coating catalyzes the dissociation of water when exposed to sunlight in the front.
  • the electrocatalytic coating catalyzes the reduction of water to hydrogen production and without solar radiation into the photocatalytic layer
  • the reversible functional element according to the invention combines a photocatalytic electrolyzer and an electrocatalytic fuel cell with each other. It is then a direct photocatalytic electrolyzer, which feeds under hydrogen as a fuel cell and thus reversible (forward direction under sunlight: photocatalytic
  • the invention provides an energy-self-sufficient functional element which is available both during daytime operation under solar irradiation (for the production of hydrogen) also works efficiently in night mode without solar radiation (for power generation).
  • the solar radiation can thus be optimally utilized by the energy storage in the form of hydrogen and its reconversion.
  • the reversible functional element corresponds to a photocatalytic electrolyzer on its front side provided for use in sunlight and has as its essential component a photocatalytic coating which is applied to a light-absorbing absorber layer.
  • the anodic electrolysis chamber In front of it is the water-filled front electrolyte chamber - in sunlight the anodic electrolysis chamber.
  • This has a transparent wall, for example a TCO layer (transparent conductive oxide), through which the solar radiation can be incident without hindrance.
  • the photocatalytic coating together with the absorber layer forms the photoanode in the anodic front-side electrolyte chamber when exposed to sunlight.
  • the existing or the electrolyte chamber supplied water dissociated under sunlight at the photoanode in atomic oxygen and protons in aqueous solution (aq).
  • the generated oxygen can simply escape into the environment or be stored as well.
  • the generated protons (hydronium ions) migrate through the ion-conducting membrane and do not reach the one in the application case
  • the electrocatalytic coating in the cathodic backside electrolytic chamber operates as a dark cathode when exposed to sunlight in the anode anodic electrolyte chamber.
  • the electrocatalytic coating according to the invention is a bifunctional coating since it has to fulfill two functions. Both in hydrogen production and in power generation, the efficiency of the reversible functional element depends on the catalytic activity of this electrocatalytic coating. In the case of solar radiation in the front electrolysis came mer catalysed in the back electrolysis chamber, the generation of storable hydrogen. If no light falls in the front electrolysis chamber, no hydrogen is generated in the rear electrolysis chamber.
  • the reversible functional element is reversed in its mode of operation and direction and hydrogen is supplied to the rear electrolysis chamber.
  • the electrocatalytic coating now works as a dark anode for the oxidation (electron donation) of the added molecular hydrogen.
  • the front electrolysis chamber operates as a cathodic and the back electrolysis chamber as anodic electrolysis chamber in power generation. The functions of the two electrolysis chambers are thus reversed.
  • hydrogen oxidation (electron donation) in the back electrolysis chamber and oxygen reduction (electron uptake) in the front electrolysis chamber electric current is generated.
  • the oxygen atoms and the protons react to water, which can be removed or stored in the front electrolysis chamber for a return to the electrolyzer upon re-solar radiation.
  • the electrocatalytic coating in the invention thus works bifunctional: when exposed to the sun as a dark cathode in a cathodic electrolysis chamber and without solar radiation as a dark anode in an anodic electrolysis chamber.
  • this bi-functionality is achievable.
  • the catalytic activity of the electrocatalytic coating is important in both daytime and nighttime operation.
  • the photocatalytic coating on the front of the reversible functional element works bifunctional: under sunlight during daytime operation, it works as a photoanode and catalyzes the water splitting or oxygen production, without solar radiation in the night mode, it works as a dark cathode and catalyzes the formation of water.
  • the focus of the invention is not on oxygen or water production. Nevertheless, the catalyst material of the photocatalytic coating must also be optimized.
  • the photocatalytic coating and / or the electrocatalytic coating have a structure as a thin layer.
  • the significant material savings is in the foreground.
  • Layer structures with nanoparticles allow a particularly large catalytically active surface.
  • nanoscale materials are considered
  • Catalyst materials for both the hydrogen reduction and the hydrogen oxidation in the invention of great interest which are characterized by large surfaces and altered solid state properties (due to their nanoscale dimensions).
  • the electrocatalytic coating has a structure of adjoining subregions of two different catalyst materials, one of which is catalytically active in the hydrogen production and the other in the power generation.
  • nanoparticles as particularly small subregions in which either both partial reactions (oxidation and reduction) proceed with sufficient catalytic efficiency or in which mixtures between oxidatively and reductively active nanoparticles are present in horizontal or vertical nano-architectures, such binary functioning ( bifunctional) electrodes are coated.
  • metals of the iron-platinum group Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt
  • their alloys may be used as catalyst material for the hydrogen reduction for hydrogen production and Pt, Pt-Ru alloys or mixtures and, for example, molecular complexes with Ni, Co and Mn centers as catalyst material for the hydrogen oxidation for power generation
  • the electrocatalytic coating may be composed of a bifunctional catalyst material which is catalytically active both in hydrogen reduction for hydrogen production and in hydrogen oxidation for power generation.
  • a bifunctional catalyst material which is catalytically active both in hydrogen reduction for hydrogen production and in hydrogen oxidation for power generation.
  • Pt preferably in coatings in the range of a few atomic layers and below, for example, CuPd alloys can be used.
  • Such a bifunctional material is known, for example, from WO 2010/131653 A1.
  • the object of the present invention is to design a compact multifunctional functional element as possible.
  • the hydrogen storage device is connected to the backside electrolytic chamber via at least one unidirectional valve serving hydrogen supply to the electrolytic chamber and bi-directional valve serving both hydrogen supply and hydrogen evacuation stored and the stored hydrogen are directly consumed again
  • Energy supply system according to the invention can be operated particularly advantageous in day / night mode.
  • an energy management system which controls the hydrogen in the back electrolytic chamber and solar irradiation, the hydrogen supply to the back of the electrolytic chamber and the associated switching all other valves in the case of Sonnenein- radiation.
  • the hybrid element is particularly suitable for the energy supply of buildings. It is therefore particularly advantageous and preferred if an embodiment of the reversible hybrid element with the integrated hydrogen storage is provided as the building intent element, wherein the integrated hydrogen storage device is arranged downstream of the backside electrolytic chamber.
  • the invention provides a kind of "energy tile" which can be easily mounted, for example, on a building façade or on a roof Preferably be integrated with such a size training that stored in the case of use during solar radiation hydrogen operation of the fuel cell system for at least half of the time without
  • an embodiment of the hydrogen storage is at least partially provided as a porous solid storage.
  • the solid storage may preferably be a ceramic metal hydride storage. Ceramic materials are particularly preferably used in the production of tiles and tiles, since they are particularly good at storing the heat of the day and can be released again during the night or on cold days without solar radiation.
  • Enhancement of such a ceramic heat accumulator as a hydrogen storage is to add to the ceramic material only a hydride-forming metal compound.
  • a design of the solid reservoir is also provided as a heat storage.
  • Suitable storage materials for the storage of hydrogen have the largest possible
  • a low (preferably in the range of ambient temperature) lying desorption on a low (preferably in the range of ambient temperature) lying desorption on.
  • Metal hydrides such as lithium hydride, lithium borohydride, lithium aluminum hydride and amine borane or other mischmetal hydrides, also with La, Mg, Mn and Ni are also usable.
  • the hydrogen is stored by absorption (low-energy binding). The desorption then takes place under (moderate) heat input. It can heat, in particular by
  • Solar radiation is generated, also stored in the solid storage.
  • a formation of the not designed as a solid storage hydrogen storage as a pressure accumulator, with which the unidirectional valves or the bidirectional valve are in communication may be provided. It is then in the hydrogen storage is a combination of a solid and an accumulator.
  • the removal of hydrogen via the corresponding valve can then take place in a simple manner via simple valve opening.
  • Check valve In addition to the direct storage of solar heat in the building intent element can advantageously and preferably also independent of the sun's additional heat source, for example in Shape of a heating wire, be provided. This may preferably be integrated in the solid storage. In particular, in the colder months of operation thereby a reliable desorption of the hydrogen from the memory and in particular but also a reliable and increased oxidation (combustion) of the hydrogen at the dark anode with the bifunctional
  • the occupancy of the largest possible façade and roof surfaces with the reversible functional or hybrid elements is advantageous.
  • Particularly advantageous, even for the visual appearance, is an arrangement of several building header elements in rows and columns next to each other on a building facade.
  • the building intent element according to the invention can preferably and advantageously be combined with further functional elements, for example for direct photovoltaic power or heat generation, for heat or sound insulation and / or for weather protection. With such, in particular sun-fed multifunctional attachment elements then a building can be supplied independently in almost all technical matters.
  • Hybrid element according to the invention but also for the direct generation of electricity from solar energy can be used.
  • the building can also be supplied with power autonomously during the day. Further details of the invention are explained in more detail below in connection with the exemplary embodiments. embodiments
  • FIG. 1 shows the reversible hybrid element in an embodiment as a building element in daytime operation
  • FIG. 2 shows the reversible hybrid element in a design as a building header element in night mode
  • FIG. 3 shows the mode of operation of the reversible hybrid element as a schema
  • Figure 4 shows the bifunctional electrocatalytic coating in the reversible
  • FIG. 5 shows the integrated hydrogen storage with two unidirectional
  • FIG. 6 shows the integrated hydrogen storage with an additional heater
  • FIG. 7 shows the energy supply system with several
  • FIG. 1 shows, in cross-section, the structural union of a photocatalytic electrolyser 01 with an electrocatalytic fuel cell 02 (see FIG. 2) in a reversible functional element 03.
  • Ion-conducting membrane 04 separates a front-side electrolyte chamber 05 from a rear electrolyte chamber 06. In this case, the front side of the reversible functional element 03 by the sunlight 07 in
  • the front side of the reversible functional element 03 is thus facing the sun.
  • Both electrolyte chambers 05, 06 are filled with water (H 2 0) as an electrolyte.
  • the front electrolyte chamber 05 has a bidirectional valve 08 for water (H 2 O) and a feeding unidirectional valve 09 for oxygen (O 2 ) or air (air) and a discharging unidirectional valve 10 for oxygen (0 2 ).
  • the ion-conducting membrane 04 has on her Front 11 (facing the sun in the case of use) an absorber layer 12 and thereupon a photocatalytic coating 13. On its rear side 14 (facing away from the sun in the case of use), the ion-conducting membrane 04 has an electrocatalytic coating 15.
  • Illustrated channels 16 in the described layer composite 17 are intended to indicate its permeability to protons H + in both directions. All layers in the thin-film composite 17 (absorber layer 12, photocatalytic coating 13, electrocatalytic coating 15) are designed as thin layers 29 in the exemplary embodiment shown.
  • FIG. 18 By integrating the reversible functional element 03 is further developed into a reversible hybrid element 19.
  • the hydrogen storage 18 consists of a solid reservoir 20 and a pressure accumulator 21.
  • the porous solid reservoir 20 is formed as a ceramic metal hydride storage 22, in which the hydrogen is easily absorbed and also easily desorbed.
  • the pressure accumulator 21 is a free space in which the hydrogen formed is stored under moderately elevated pressure.
  • the supply of hydrogen into the hydrogen storage 18 takes place in the exemplary embodiment shown via a bidirectional valve 23. This also serves to remove the hydrogen from the hydrogen storage 18.
  • the reversible hybrid element 19 is designed as a building header 24, which on a vertical building facade 25 is arranged.
  • the manner of connecting the building header elements 24 to the building facade 25 is not shown in the figures, but readily familiar to those skilled in the field of connection technology.
  • the building header element 24 has a large-area shape with a relatively small thickness, in the manner of a facade panel.
  • the hydrogen storage 18 extends over the entire surface of the building header 24.
  • Towards the sunny side, the building header 24 is closed by a transparent front panel 26, such as a TCO panel.
  • FIG. 1 shows the day mode (symbol sun) of the reversible functional element 03.
  • the operation is controlled by an energy management system 27 (EM), which has access to the valves 08, 09, 10 and 23.
  • EM energy management system
  • the reversible functional element 03 operates as a photocatalytic electrolyser 01 (symbol - »daytime operation, forward direction).
  • water H 2 O
  • the unidirectional valve 09 for oxygen (O2) or air (air) is closed (symbol cross) and the
  • Outlet 10 for oxygen open (symbol arrow).
  • the water dissolves H 2 O in the front side electrolytic chamber 05 (anodic electrolyte chamber in daytime operation) in oxygen, protons and light-induced electrons generated (electron donation, oxidation).
  • This indicates "aq” indicates that the protons gene in aqueous solution as hydronium ions H 3 0 + vorlie-.
  • the water decomposition is catalyzed by supplying energy by solar irradiation of the photocatalytic coating 13.
  • the photocatalytic coating 13 cooperates with the Absorber layer 16 in
  • Electrolyte chamber 06 reduces the previously oxidized protons, i. they pick up electrons. It produces hydrogen H2. Hydrogen production is catalyzed by the electrocatalytic coating 15 on the rear side 14 of the ion-conducting membrane 04 without incident light. This thus forms the photocathode or dark cathode during daytime operation in hydrogen production.
  • the generated hydrogen is supplied to the hydrogen storage 18 via the bidirectional valve 23 and stored there in the pressure accumulator 21 and, when the pressure accumulator 21 is filled, in the porous solid accumulator 20. in the
  • the night mode (means operation without solar radiation) of the reversible hybrid element 03 according to the invention is shown in Figure 2 (not shown there reference numerals are shown in Figure 1).
  • the reversible hybrid element 03 now operates as an electrocatalytic fuel cell 02 (symbol ⁇ - night operation, reverse direction).
  • the laxative unidirectional valve 10 for oxygen (0 2 ) has been closed via the energy management system 27, which can switch between daytime and nighttime operation depending on time or solar radiation. Water (H 2 O) and air (air) are discharged via the bidirectional valve 08, the valve 09 was opened, oxygen (0 2 ) and air (air) are supplied.
  • the front side electrolytic chamber 05 now works cathodically, the photocatalytic coating 13 works together with the absorber layer 12 accordingly as a dark cathode.
  • the photocatalytic coating 13 works together with the absorber layer 12 accordingly as a dark cathode.
  • Oxygen is reduced (O + 2e ' -> O 2 " ).
  • the oxygen ions then combine with the protons that have migrated through the ion-conducting membrane 04 to form water (2H + + O 2" -> H 2 0).
  • the generated water (H 2 0) is discharged via the valve 08.
  • the catalytic activity of the photocatalytic coating 13 without incidence of light is not decisive, since the production of oxygen and water is not in the foreground of the invention.
  • the backside electrolytic chamber 06 works anodically, the electrocatalytic coating 15 now works as a dark anode and catalyzes the
  • Energy management system 27 controls the supply of hydrogen via the bidirectional valve 23 from the accumulator 21 in the anodic electrolyte chamber 06.
  • heat Q from the solid reservoir 22, thus also as a heat storage 32nd serves passed into the anodic electrolyte chamber 06 and the electrocatalytic coating 15.
  • Their catalytic activity is also important in reverse operation, as it determines the effectiveness in the conversion of hydrogen into electricity.
  • the structure of the electrocatalytic coating 15 for the reversible functional element 03 is of particular importance.
  • FIG. 3 shows the reversible hybrid element 19 with photoelectrolytic function on the ion-conducting membrane 04 and with integrated
  • Hydrogen memory 18 in its operation once again shown schematically.
  • daytime operation left, sun symbol
  • hydrogen is generated and stored under light incidence by reduction (electron uptake); in night mode (right, symbol moon)
  • electric current is generated for the consumer 28 by supplying hydrogen through oxidation (electron donation).
  • FIG. 4 shows in detail the electrocatalytic coating 15 on the ion-conducting membrane 04, which consists of adjoining partial regions 30, 31 of different catalyst materials.
  • the partial regions 30, 31 can also be individual nanoparticles 32.
  • the one sections 30 consist of a catalyst material which is catalytically active in the reduction of hydrogen for hydrogen production (active in daytime operation in the photocatalytic electrolyzer).
  • the other subregions 31 consist of a catalyst material which is catalytically active in the hydrogen oxidation for electric power generation (active in night operation in the electrocatalytic fuel cell). Both catalyst materials thus work monofunctional.
  • the electrocatalytic coating 15 consists of a single catalyst material which is catalytically active both in the hydrogen reduction for hydrogen generation and in the hydrogen oxidation for electrical power generation. It is then a bifunctional catalyst material. This is not shown in Figure 3 but further.
  • FIG. 5 shows in detail detail instead of the bidirectional valve 23 (see FIGS. 1, 2) for the hydrogen loading and unloading of the valve
  • Hydrogen storage 18 a unidirectional valve 40 for the loading and a unidirectional valve 41 for the discharge of the hydrogen storage 18, which in turn consists of a solid reservoir 20 and a pressure accumulator 21.
  • FIG. 6 shows a section detail in the region of the hydrogen reservoir 18.
  • an additional heat source 50 in the form of an electric heating wire 51 is arranged.
  • additional heat Q + can be generated in the solids reservoir 20, in particular in colder seasons over the heating wire 51, and also
  • the additional heat source 50 or the heating wire 51 can readily be arranged at other locations of the reversible hybrid element 03.
  • FIG. 7 shows a self-sufficient energy supply system 60 according to the invention with a multiplicity of reversible hybrid elements 03 with integrated hydrogen storage devices 18 in the embodiment of building header elements 24 arranged in rows 61 and columns 62 on the building façade 25.
  • the building header elements 24 are multifunctional solar-based functional elements that are particularly environmentally friendly and sustainable.
  • FIG. 6 shows, by way of example, further functional elements 63 based on solar energy, the direct photovoltaic power generation by means of
  • Layer thickness 1 atomic layer to several 10 atomic layers (0.3 nm to 50 nm)

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Abstract

Bekannte Energieversorgungssysteme mit zumindest einem photokatalytischen Elektrolyseur für die Wasserstofferzeugung durch Sonneneinstrahlung, einem Wasserstoffspeicher und zumindest einer elektrokatalytischen Brennstoffzelle für die Stromerzeugung aus Wasserstoff sind entweder nicht reversibel (und damit nicht ausreichend zeiteffizient) oder setzen photovoltaisch erzeugten Solarstrom bei der Wasserstofferzeugung ein. Der Wasserstoffspeicher ist extern angeordnet. Bei der Erfindung ist zur effizienten Tag- und Nachtbetriebsweise der photokatalytische Elektrolyseur (01) mit der elektrokatalytischen Brennstoffzelle (02) in einem reversiblen Funktionselement (03) baulich vereinigt. Bei Sonneneinstrahlung (07) wird Wasserstoff direkt aus Sonneneinstrahlung ohne den Umweg über photovoltaisch erzeugten Solarstrom photokatalytisch erzeugt, ohne Sonneneinstrahlung wird unter Wasserstoff zufuhr elektrischer Strom elektrokatalytisch erzeugt. Dazu weist das reversible Funktionselement (03) auf seiner sonnenabgewandten Rückseite (14) eine bifunktionale elektrokatalytische Beschichtung (15) auf, die eine effiziente Katalyse in beiden Betriebsweisen garantiert. Vorteilhaft wird durch zusätzliche Integration des Wasserstoffspeichers (18) ein reversibles Hybridelement (19) gebildet. Dieses kann vorteilhaft als Gebäudevorsatzelement (24) ausgebildet sein. Hiermit können Gebäude - auch in Kombination mit anderen Funktionselementen (63) auf Solarbasis - vollständig autark mit Energie versorgt werden.

Description

Bezeichnung
Energieversorgungssystem mit reversiblem Funktionselement
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Energieversorgungssystem mit zumindest einem photokatalytischen Elektrolyseur für die Erzeugung von Wasserstoff bei Sonneneinstrahlung, einem Wasserstoffspeicher und zumindest einer elektro- katalytischen Brennstoffzelle für die Erzeugung von elektrischem Strom bei Zuführung von Wasserstoff.
Moderne Energieversorgungssysteme müssen nachhaltig umweltschonend arbeiten. Die Nutzung von Sonneneinstrahlung und Wasserstoff zur Energieerzeugung erfüllt diese Anforderungen, eine Nutzungskombination ist optimal. Bei der direkten Wasserelektrolyse wird Solarenergie direkt, d.h. ohne
Zwischenerzeugung und -speicherung von Solarstrom, eingesetzt. Bei dieser Art der Erzeugung von Primärbrennstoff werden zwei verschiedene Lichtreak- tionen, zuerst eine photovoltaische, dann eine photokatalytische Reaktion, hintereinander geschaltet. Zur technischen Umsetzung dieser direkten Wasserelektrolyse werden in der Regel mehrere Solarzellen in Serie geschaltet, um die notwendige Zersetzungsspannung zu erreichen. Die Zelloberfläche ist mit einer photokatalytisch wirksamen Beschichtung überzogen, an der
lichtinduziert Wasser gespalten wird. Mit einem photokatalytischen
Elektrolyseur wird also mit Hilfe von Sonneneinstrahlung ohne die Erzeugung von Solarstrom auf direktem Wege Wasserstoff durch Reduktion von Wasser als Elektrolyt hergestellt. Der erzeugte Wasserstoff wird in einem Wasserstoffspeicher gespeichert.
Gebräuchliche Methoden der Speicherung und Lagerung von Wasserstoff sind die Druckwasserstoffspeicherung (Speicherung von Wasserstoff gas in Druckbehältern durch moderates Verdichten mit Kompressoren), die Flüssigwasserstoff speicherung (Speicherung in verflüssigter Form durch Kühlung und Verdichten) und die Speicherung des gasförmigen Wasserstoffs in einem Feststoffspeicher, beispielsweise in einem Metallhydridspeicher. Hier wird der Wasserstoff in den Lücken des (kalten) Metallgitters eingelagert und bei
Erwärmung des Metallgitters wieder abgegeben. Relevant für die Auswahl der geeigneten Speichermaterialien sind Absorptions- und Desorptionstemperatur und -druck, bei welchen Wasserstoff gespeichert und wieder abgegeben wird. Weiterhin gibt es noch die Möglichkeiten der chemischen Wasserstoff speiche- rung und der Speicherung von Wasserstoff in porösen metall-organischen Gerüsten (engl, metal-organic frameworks, MOF) mit wohlgeordneter kristalliner Struktur. Sie bestehen aus Komplexen mit Übergangsmetallen (meist Cu-, Zn-, Ni- oder Co) als„Knoten" und organischen Molekülen
(Liganden) als Verbindung („Linker") zwischen den Knoten.
In einer elektrokatalytischen Brennstoffzelle wird Wasserstoff unter Elektronenabgabe zu Wasser oxidiert. Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten
Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Im Sprachgebrauch steht - wie auch im vorliegenden Fall - Brennstoffzelle meist für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Die Energie zur Stromproduktion wird in chemisch gebundener Form mit den Brennstoffen zugeführt. Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, die durch eine ionenleitende Membran oder einen Elektrolyten als lonen-/Protonenleiter voneinander getrennt sind. Die Elektrodenplatten/Bipolarplatten bestehen meist aus Metall oder Kohlen- stoffnanoröhren. Sie sind mit einer elektrokatalytischen BeSchichtung versehen, zum Beispiel mit Platin oder Palladium. Als Elektrolyten dient Wasser. Die Energie liefert eine Reaktion von Sauerstoff mit dem Wasserstoff. Beide Reaktionspartner werden über die Elektroden kontinuierlich zugeführt. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu einem Stapel in Reihe geschaltet. Bekannt ist beispielsweise die Niedertemperatur- Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC; oder Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) mit einer protonen-, aber nicht elektronenleitenden, gasdichten lonomer-Membran.
Eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Protonenaustausch-Brennstoffzelle auf Wasserstoff-Sauerstoff-Basis ist die reversible Brennstoffzelle (engl.
reversible fuel cell, RFC), die ursprünglich aus der einfachen Kombination einer Wasserstoff-Brennstoffzelle mit einem Elektrolyseur bestand (Bildung eines Doppelstapels). Es können reversibel Wasserstoff oder elektrischer Strom erzeugt werden. Dabei wird der Elektrolyseur aber zur Erzeugung von
Wasserstoff mit extern erzeugtem elektrischem Strom versorgt. Es handelt sich somit um einen Elektrolyseur mit einer elektrokatalytischen Beschichtung, die unter Zufuhr von elektrischem Strom, der auch auf photovoltaischem Wege erzeugt sein kann, die Erzeugung von Wasserstoff katalysiert.
Stand der Technik
Der gattungsbildende Stand der Technik zu der vorliegenden Erfindung ist aus der EP 2 053 685 A1 bekannt. Es wird ein Energieversorgungssystem mit einer photochemischen Vorrichtung zur Zersetzung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff an einem Photokatalysator unter Sonneneinstrahlung beschrieben. Hierbei handelt es sich somit um einen photokataly- tischen Elektrolyseur für die lichtinduzierte Erzeugung von Wasserstoff. Des Weiteren sind ein Wasserstoffspeicher, beispielsweise ein Metallhydrid- Speicher, und ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, wobei der Wasserstoffspeicher zwischen der photochemischen Vorrichtung und dem Brennstoffzellensystem angeordnet ist. Es wird ein brennstoffunabhängiges Energieversorgungssystem zur Verfügung gestellt, bei dem der Brennstoff
photovoltaisch mittels Solarstrom erzeugt wird. Die Zuführung des
Wasserstoffs zu dem Brennstoffzellensystem erfolgt bedarfs- und sonneneinstrahlungsabhängig entweder direkt vom Elektrolyseur oder vom
Wasserstoffspeicher. In der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser kann wieder dem Elektrolyseur zugeführt werden. Alle genannten Komponenten sind räumlich getrennt voneinander ausgeführt und angeordnet.
Aus der DE 101 30 284 A1 ist ein ähnliches System bekannt, bei dem eine Rückverstromung, d.h. Rückgewinnung von elektrischem Strom durch Zufuhr von Wasserstoff, im Elektrolyseur vorgesehen ist. Allerdings handelt es sich hier nicht um einen photokatalytischen, sondern um einen elektrokatalytischen Elektrolyseur, der mit photovoltaisch gewonnenem Solarstrom betrieben wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass die photovoltaische Stromerzeugung, der elektrokatalytische Elektrolyseur und der Wasserstoffspeicher eine Baueinheit bilden, die jedoch nicht weiter ausgeführt wird. Eine ähnliche Anlage ist aus der DE 10 2007 001 976 A1 bekannt. Hier ist jedoch keine Rückverstromung im Elektrolyseur vorgesehen, sondern eine direkte Stromlieferung auch von der Photovoltaikeinheit. Der grundsätzliche Aufbau einer autonomen Stromver- sorgung mit den Komponenten Photovoltaik-Generator, strombetriebener Elektrolyseur, Brennstoffzelle und Wasserstoffspeicher im konkreten Einsatz bei einem Anwender ist beispielsweise aus der Veröffentlichung I von J. Benz „PV-Wasserstoff-Systeme zur autonomen Versorgung von Telekommunikationseinrichtungen" (in 17. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 13.-15. März 2002) bekannt. Auch hier ist zu erkennen, dass der Elektrolyseur seine externe Stromversorgung über einen Photovoltaik- Generator erhält.
Ein photokatalytischer Elektrolyseur zur direkten Wasserstofferzeugung ist aus der DE 103 32 570 A1 bekannt. Die ionenleitende Membran besteht aus einer Metallfolie, darauf einem Solarzellenaufbau, beispielsweise eine Tandem- Dünnschichtsolarzelle aus Kupfer-Indium-Sulfid, darüber eine Pufferschicht und darüber eine photokatalytische Beschichtung, dort beispielsweise Titandioxid, insbesondere auch mit Farbpartikelbeimischung. Die photokatalytische
Beschichtung dient ausschließlich der Erzeugung von Wasserstoff (und
Sauerstoff) unter Sonneneinstrahlung. Der erzeugte Wasserstoff wird extern in einem Wasserstoffbehälter gespeichert und von dort einer Brennstoffzelle zugeführt. Ein anderer Elektrolyseur ist aus der JP 2008-174771 A bekannt. Hier wird der erzeugte Wasserstoff nicht extern, sondern integriert im
Elektrolyseur in einer Elektrode aus einer Metallverbindung gespeichert.
Allerdings wird hier der Wasserstoff wieder nicht direkt über Photokatalyse, sondern über eine photovoltaische Stromerzeugung elektrokatalytisch gewonnen. Es handelt sich somit wieder um einen elektrokatalytischen
Elektrolyseur. Ein ähnliches System ist aus der US 2008/0124592 A1 bekannt. Hier wird die Brennstoffzelle reversibel, d.h. sowohl zur Stromerzeugung unter Wasserstoffzufuhr als auch zur Wasserstofferzeugung unter externer
Stromzufuhr, genutzt. Der elektrische Strom kann dabei auch photovoltaisch erzeugt werden. Eine integrierte Einheit von einer Solarzelle und einem
Elektrolyseur ist aus der US 2008/0073205 A1 bekannt, die mit„photo- voltaischer Elektrolysezelle" bezeichnet wird. Auch hier wird aber zunächst photovoltaisch ein elektrischer Strom bzw. eine elektrische Spannung erzeugt, der an die Elektroden des elektrokatalytischen Elektrolyseurs angelegt wird. Einen ähnlichen Aufbau zeigt auch die integrierte photoelektrochemische Zelle gemäß der US 2005/0205128 A1.
Ein neuerer Aspekt im Zusammenhang mit der Nutzung von Sonneneinstrahlung ist die Konzeption von speziellen Funktionselementen zur Montage im Dach- und Fassadenbereich eines Gebäudes. Aus der Veröffentlichung II von C. Bendel et al.:„Photovoltaik-Fassaden - Technische Aspekt, Qualifizierung und Betriebserfahrungen" (in Forschungsverbund Sonnenenergie - Themen 96/97 - Strom aus Sonne und Wind, Köln 1997) ist es bekannt, Photovoltaik als multifunktionale Gebäudehülle für Wetterschutz, Wärmedämmung, Tageslichtnutzung, Design, Schallschutz, Brandschutz, elektrische und thermische Energieerzeugung und elektromagnetische Schirmdämpfung einzusetzen. Aus der Veröffentlichung III„Photovoltaik- Fassade Jülich. Praxisbeispiel" von B. Matheis (in DBZ Deutsche BauZeitschrift, Jg. 42, Nr. 4, 1994, Seiten 125-127) wird eine ähnliche Anordnung wie in Veröffentlichung I beschrieben. Die photovoltaische Komponente ist hier als Gebäudevorsatzelement ausgeführt. Es wird eine photovoltaische Vorhangfassade mit einem kompakten Bau- element zur Führung der Stromkabel zu einem externen Elektrolyseur, der Wasserstoff in ein externes Wasserstoffspeichersystem speist, vorgestellt. Der gespeicherte Wasserstoff wird dann wiederum Brennstoffzellen zugeführt. Schließlich wird in der Veröffentlichung IV„Transparenter Sonnenschutz: Wärme muss draußen bleiben" (Presseinformation Nr. 39 der Fraunhofer Gesellschaft, München 16.06.2003) von K. Schneider berichtet, dass
gaschrome Fenster sich auf Knopfdruck verdunkeln lassen. Integrierte dünne Wolfram-Dioxid-Schichten färben sich durch Zufuhr von Wasserstoff blau ein. Ein Elektrolyseur zur Wasserstofferzeugung ist dabei so klein gehalten, dass er in die Fassade integriert werden kann. Weitere Ausführungen über die Art der Integration werden aber nicht gemacht. Eine ähnliche Anordnung mit einem in den dünnen Schichtenverbund integrierten transparenten Protonenspeicher ist aus der DE 36 43 690 C2 bekannt. Ein integriertes Energie-Sammel-, Speicher- und Dämmelement für Dach und Fassade ist aus der DE 101 32 060 A1 bekannt. Es umfasst auch ein Photovol- taikelement zur Strom- und Wärmeerzeugung und eine Speichereinheit aus unterschiedlichen Latent- und Phasenwechsel-Speichermaterialien. Hierbei handelt es sich allerdings um einen reinen Wärmespeicher.
Aufgabenstellung
Ausgehend von dem oben beschriebenen gattungsgemäßen Energieversor- gungssystem mit zumindest einem photokatalytischen Elektrolyseur für die Erzeugung von Wasserstoff bei Sonneneinstrahlung, einem Wasserstoffspeicher und zumindest einer elektrokatalytischen Brennstoffzelle für die Erzeugung von elektrischem Strom bei Zuführung von Wasserstoff ist die
Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen, ein gattungsgemäßes Energieversorgungssystem anzugeben, das möglichst wenige einzelne
Funktionselemente aufweist und dabei sehr kompakt und multifunktional ist. Die Sonneneinstrahlung soll optimal ausgenutzt werden. Die erfindungsge- mäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem ist gekennzeichnet durch eine bauliche Vereinigung des photokatalytischen Elektrolyseurs mit der elektrokatalytischen Brennstoffzelle in einem reversiblen Funktionselement. Bei der Erfindung treten somit maximal zwei getrennte Funktionselemente auf: das reversible Funktionselement und der Wasserstoffspeicher. Dabei weist das reversible Funktionselement erfindungsgemäß zwischen einer vorderseitigen und einer rückseitigen, jeweils mit Wasser gefüllten Elektrolytkammer eine ionenleitende Membran auf. Diese trägt auf ihrer im Einsatzfall für Sonneneinstrahlung vorgesehenen Vorderseite eine lichtabsorbierende Absorberschicht und darüber eine photokatalytische Beschichtung. Auf ihrer im Einsatzfall nicht für Sonneneinstrahlung vorgesehenen Rückseite weist sie eine elektrokataly- tische Beschichtung auf. Die photokatalytische Beschichtung katalysiert bei Sonneneinstrahlung in die Vorderseite die Dissoziation von Wasser. Die elektrokatalytische Beschichtung katalysiert bei Sonneineinstrahlung in die photokatalytische Beschichtung die Wasserreduktion zur Wasserstofferzeu- gung und ohne Sonneneinstrahlung in die photokatalytische Schicht die
Wasseroxidation zur Stromerzeugung.
Das reversible Funktionselement nach der Erfindung vereinigt einen photokatalytischen Elektrolyseur und eine elektrokatalytische Brennstoffzelle miteinander. Es handelt sich dann um einen direkten photokatalytischen Elektrolyseur, der unter Wasserstoff zufuhr als Brennstoffzelle und damit reversibel arbeitet (Vorwärtsrichtung unter Sonneneinstrahlung: photokatalytische
Brennstofferzeugung, Rückwärtsrichtung ohne Sonneneinstrahlung, aber mit Wasserstoffzufuhr: elektrokatalytische Stromerzeugung). Somit wird mit der Erfindung ein energieautarkes Funktionselement zur Verfügung gestellt, das sowohl im Tagbetrieb bei Sonneinstrahlung (zur Wasserstofferzeugung) als auch im Nachtbetrieb ohne Sonneinstrahlung (zur Stromerzeugung) effizient arbeitet. Die Sonneneinstrahlung kann damit durch die Energiespeicherung in Form von Wasserstoff und dessen Rückverstromung optimal ausgenutzt werden.
Auf seiner im Einsatzfall für Sonneneinstrahlung vorgesehenen Vorderseite entspricht das reversible Funktionselement einem photokatalytischen Elektro- lyseur und weist als wesentliche Komponente eine photokatalytische Beschich- tung auf, die auf eine lichtabsorbierende Absorberschicht aufgebracht ist.
Davor befindet sich die mit Wasser gefüllte vordere Elektrolytkammer - bei Sonneneinstrahlung die anodische Elektrolysekammer. Diese weist eine transparente Wandung, beispielsweise eine TCO-Schicht (transparentes leitfähiges Oxid) auf, durch die die Sonneneinstrahlung ungehindert einfallen kann. Die photokatalytische Beschichtung bildet zusammen mit der Absorberschicht bei Sonneneinstrahlung die Photoanode in der anodischen vorderseitigen Elektrolytkammer. Das vorhandene bzw. der Elektrolytkammer zugeführte Wasser dissoziiert unter Sonneneinstrahlung an der Photoanode in atomaren Sauerstoff und Protonen in wässriger Lösung (aq) auf. Dabei kann der erzeugte Sauerstoff einfach in die Umgebung entweichen oder ebenfalls gespeichert werden. Die erzeugten Protonen (Hydronium-Ionen) durchwandern die ionenleitende Membran und gelangen in die im Einsatzfall nicht der
Sonneneinstrahlung ausgesetzten rückseitigen Elektrolysekammer - bei Sonneneinstrahlung somit die kathodische Elektrolysekammer. Dort werden die Protonen mit den zugeleiteten freien Elektronen zu molekularem Wasserstoff H2 reduziert (Elektronenaufnahme). Der gebildete Wasserstoff wird dann einem Wasserstoffspeicher zugeführt und dort gespeichert. Zur Aktivierung der Reduktion der Protonen ist in der kathodischen Elektrolysekammer eine elektrokatalytische Beschichtung auf der Rückseite der ionenleitenden
Membran angeordnet. Die elektrokatalytische Beschichtung in der kathodischen rückseitigen Elektrolytkammer arbeitet bei Sonneneinstrahlung in die anodische vorderseitige Elektrolytkammer als Dunkelkathode. Bei der elektrokatalytischen Beschichtung gemäß der Erfindung handelt es sich um eine bifunktionale Beschichtung, da sie zwei Funktionen erfüllen muss. Sowohl bei der Wasserstofferzeugung als auch bei der Stromerzeugung hängt die Effizienz des reversiblen Funktionselements von der Katalyseaktivität dieser elektrokatalytischen Beschichtung ab. Im Falle von Sonneneinstrahlung in die vorderseitige Elektrolyse kam mer katalysiert sie in der rückseitigen Elektrolysekammer die Erzeugung von speicherbarem Wasserstoff. Fällt kein Licht in die vorderseitige Elektrolysekammer, wird auch in der rückseitigen Elektrolysekammer kein Wasserstoff erzeugt. Nunmehr wird das reversible Funktionselement in seiner Funktionsweise und -richtung umgekehrt und der rückseitigen Elektrolysekammer Wasserstoff zugeführt. Die elektrokatalytische Beschichtung arbeitet jetzt als Dunkelanode zur Oxidation (Elektronenabgabe) des zugeführten molekularen Wasserstoffs. Die vorderseitige Elektrolysekammer arbeitet bei der Stromerzeugung als kathodische und die rückseitige Elektrolysekammer als anodische Elektrolysekammer. Die Funktionen der beiden Elektrolysekammern sind somit vertauscht. Durch Wasserstoffoxidation (Elektronenabgabe) in der rückseitigen Elektrolysekammer und Sauerstoffreduktion (Elektronenaufnahme) in der vorderseitigen Elektrolysekammer wird elektrischer Strom erzeugt. Die Sauerstoffatome und die Protonen reagieren zu Wasser, welches abgeführt oder für eine Rückführung zum Elektrolyseur bei erneuter Sonneneinstrahlung in die vordere Elektrolysekammer gespeichert werden kann. Die elektrokatalytische Beschichtung bei der Erfindung arbeitet damit bifunktional: bei Sonneneinstrahlung als Dunkelkathode in einer kathodischen Elektrolysekammer und ohne Sonneneinstrahlung als Dunkelanode in einer anodischen Elektrolysekammer. Durch einen entsprechenden Aufbau der Beschichtung und/oder durch eine entsprechende Materialwahl ist diese Bi- funktionalität erreichbar. Bei der reversiblen Erzeugung von Wasserstoff und elektrischem Strom ist damit die Katalyseaktivität der elektrokatalytischen Beschichtung sowohl im Tag- als auch im Nachtbetrieb von Bedeutung. Dabei sei an dieser Stelle bemerkt, dass auch die photokatalytische Beschichtung auf der Vorderseite des reversiblen Funktionselement bifunktional arbeitet: unter Sonneneinstrahlung im Tagbetrieb arbeitet sie als Photoanode und katalysiert die Wasserspaltung bzw. Sauerstofferzeugung, ohne Sonneneinstrahlung im Nachtbetrieb arbeitet sie als Dunkelkathode und katalysiert die Wasserbildung. Das Augenmerk bei der Erfindung liegt aber nicht auf der Sauerstoff- oder der Wassererzeugung. Trotzdem ist auch das Katalysatormaterial der photokataly- tischen Beschichtung zu optimieren.
Vorteilhaft und bevorzugt weisen die photokatalytische Beschichtung und/oder die elektrokatalytische Beschichtung einen Aufbau als Dünnschicht auf. Insbesondere die bedeutsame Materialersparnis steht hierbei im Vordergrund. Schichtaufbauten mit Nanopartikeln ermöglichen dabei eine besonders große katalytisch aktive Oberfläche. Generell sind nanoskalige Materialien als
Katalysatormaterialien sowohl für die Wasserstoffreduktion als auch die die Wasserstoffoxidation bei der Erfindung von großem Interesse, die durch große Oberflächen und geänderte Festkörpereigenschaften (aufgrund ihrer nanoska- ligen Abmessungen) gekennzeichnet sind. Weiterhin kann vorteilhaft und bevorzugt die elektrokatalytische Beschichtung einen Aufbau aus aneinander angrenzenden Teilbereichen aus zwei unterschiedlichen Katalysatormaterialien, von denen das eine bei der Wasserstofferzeugung und das andere bei der Stromerzeugung katalytisch aktiv ist, aufweisen. Durch die Aufteilung der Oberfläche in getrennte katalytisch aktive Bereiche für die Wasserstoff- und die Stromerzeugung werden die Bereiche für die einzelnen Funktionen zwar verkleinert, durch eine ausreichend große Bemessung der Bereiche oder durch die Verwendung von katalytisch besonders aktiven Materialien kann dies aber kompensiert werden.
Durch die Verwendung von Nanopartikeln als besonders kleine Teilbereiche, an denen entweder beide Teilreaktionen (Oxidation und Reduktion) mit genügender katalytischer Effizienz ablaufen oder bei denen in horizontalen bzw. vertikalen Nano-Architekturen Mischungen zwischen oxidativ und reduktiv aktiven Nanopartikeln vorliegen, können derartige binär funktionierende (bifunktionale) Elektroden beschichtet werden. Bevorzugt können bei der Erfindung Metalle der Eisen-Platin-Gruppe (Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt) und deren Legierungen als Katalysatormaterial für die Wasserstoffreduktion zur Wasserstofferzeugung und Pt, PtRu- Legierungen oder -Mischungen sowie z.B. Molekülkomplexe mit Ni-, Co- und Mn-Zentren als Katalysatormaterial für die Wasserstoffoxidation zur Stromerzeugung
verwendet werden. Alternativ kann vorteilhaft und bevorzugt die elektro- katalytische Beschichtung aus einem bifunktionalen Katalysatormaterial aufgebaut sein, das sowohl bei der Wasserstoff reduktion zur Wasserstofferzeugung als auch bei der Wasserstoffoxidation zur Stromerzeugung katalytisch aktiv ist. Neben Pt, bevorzugt in Beschichtungen im Bereich von wenigen Atomlagen und darunter, können auch beispielsweise CuPd- Legierungen verwendet werden. Ein solches bifunktionales Material ist beispielsweise aus der WO 2010/131653 A1 bekannt. Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung besteht in der Konzeption eines möglichst kompakten multifunktionalen Funktionselements. Neben der konstruktiven Vereinigung von photokatalytischem Elektrolyseur und elektro- katalytischer Brennstoffzelle zu einem reversiblen (photoelektrokatalytischen) Funktionselement kann dieses auch noch besonders vorteilhaft und bevorzugt durch Integration des Wasserstoffspeichers zu einem reversiblen Hybridelement erreicht werden. Dabei wurde der Begriff„Hybrid" gewählt, da Komponenten mit Funktionen auf unterschiedlicher Basis (katalytische Vorgänge => Speichervorgänge) kombiniert werden. Der Wasserstoffspeicher wird damit in das Funktionselement vollständig integriert, was zu einer besonders kompak- ten Bauweise führt. Dabei kann vorteilhaft und bevorzugt der Wasserstoffspeicher mit der rückseitigen Elektrolytkammer zumindest über ein der Wasserstoffzufuhr in die Elektrolytkammer und ein der Wasserstoffabfuhr aus der Elektrolytkammer dienendes eindirektionales Ventil oder ein sowohl der Wasserstoffzufuhr als auch der Wasserstoffabfuhr dienendes bidirektionales Ventil verbunden sein. Dadurch kann der erzeugte Wasserstoff auf besonders kurzem Wege direkt gespeichert und der gespeicherte Wasserstoff direkt wieder verbraucht werden. Weiter oben wurde bereits ausgeführt, dass das Energieversorgungssystem nach der Erfindung besonders vorteilhaft im Tag- /Nachtbetrieb betrieben werden kann. Vorteilhaft kann deshalb eine Steuerung der eindi regionalen Ventile oder des bidirektionalen Ventils durch ein Energiemanagementsystem vorgesehen sein, das im Einsatzfall bei Sonnenein- Strahlung die Wasserstoffabfuhr aus der rückseitigen Elektrolytkammer und ohne Sonneneinstrahlung die Wasserstoffzufuhr in die rückseitige Elektrolytkammer sowie die zugehörige Umschaltung aller anderen Ventile ansteuert.
Mit der Erfindung wird ein besonders kompaktes, autarkes Hybridelement zur Verfügung gestellt, das optimal die Sonneneinstrahlung im TagVNachtbetrieb ausnutzen kann. Damit ist das Hybridelement besonders zur Energieversorgung von Gebäuden geeignet. Es ist deshalb besonders vorteilhaft und bevorzugt, wenn eine Ausbildung des reversiblen Hybridelements mit dem integrierten Wasserstoffspeicher als Gebäudevorsatzelement vorgesehen ist, wobei der integrierte Wasserstoffspeicher im Anschluss an die an rückseitige Elektrolytkammer angeordnet ist. Damit wird mit der Erfindung eine Art „Energiekachel" zur Verfügung gestellt, die in einfacher Weise beispielsweise an eine Gebäudefassade oder auf einem Dach montierbar ist. Dabei wird der Wasserstoffspeicher für die Brennstoffzellenversorgung mit in die Energie- kachel integriert. Bei der Erfindung kann der Wasserstoffspeicher bevorzugt mit einer solchen Größenausbildung integriert werden, dass der im Einsatzfall während der Sonneneinstrahlung gespeicherte Wasserstoff den Betrieb des Brennstoffzellensystems zumindest für die Hälfte der Zeitdauer ohne
Sonneneinstrahlung gewährleistet. Hierbei handelt es sich beispielsweise um die erste Hälfte der Nacht. In Bürogebäuden können in dieser Zeit noch
Arbeiten stattfinden, in der zweiten Nachthälfte ist auch ein Bürogebäude in der Regel nicht besetzt. Insbesondere bei der Ausbildung als Energiekachel ist eine flächige Ausbildung des Gebäudevorsatzelements bevorzugt und vorteilhaft, bei dem sich der Wasserstoffspeicher über die gesamte Fläche des reversiblen Hybridelements erstreckt. Es ergeben sich großformatige, relativ flache Bauelemente. Bevorzugt und vorteilhaft ist weiterhin eine Ausbildung des Wasserstoffspeichers zumindest teilweise als poröser Feststoffspeicher vorgesehen. Dabei kann es sich bei dem Feststoffspeicher bevorzugt um einen keramischen Metallhydridspeicher handeln. Keramische Materialien werden besonders bevorzugt bei der Herstellung von Kacheln und Fliesen eingesetzt, da sie besonders gut die Tageswärme speichern und in der Nacht oder an kalten Tagen ohne Sonneneinstrahlung wieder abgeben können. Für eine
Ertüchtigung eines solchen keramischen Wärmespeichers als Wasserstoffspeicher ist dem keramischen Material nur eine hydridbildende Metallver- bindung hinzuzufügen. Bevorzugt ist daher eine Ausbildung des Feststoffspeichers auch als Wärmespeicher vorgesehen. Geeignete Speichermaterialien für die Speicherung von Wasserstoff weisen eine möglichst große
Speicherkapazität, ein gutes Absorptions-/Desorptionsverhalten und
insbesondere auch eine tiefe (bevorzugt im Bereich der Umgebungstempe- ratur) liegende Desorptionstemperatur auf. Metallhydride wie Lithiumhydrid, Lithiumborhydrid, Lithiumaluminiumhydrid und Amminboran oder andere Mischmetallhydride, auch mit La, Mg, Mn und Ni, sind ebenfalls einsetzbar. In einem Feststoffspeicher wird der Wasserstoff durch Absorption (niederenergetische Bindung) gespeichert. Die Desorption erfolgt dann unter (mode- rater) Wärmezufuhr. Dabei kann die Wärme, die insbesondere auch durch
Sonneneinstrahlung erzeugt wird, ebenfalls im Feststoffspeicher abgespeichert werden. Bevorzugt und vorteilhaft kann bei der Erfindung auch eine Ausbildung des nicht als Feststoffspeicher ausgebildeten Wasserstoffspeichers als Druckspeicher, mit dem die eindirektionalen Ventile oder das bidirektionale Ventil in Verbindung stehen, vorgesehen sein. Es handelt sich dann bei dem Wasserstoffspeicher um eine Kombination aus einem Feststoff- und einem Druckspeicher. Insbesondere die Wasserstoffabführung über das entsprechende Ventil kann dann in einfacher Weise über einfaches Ventilöffnen erfolgen. Die druckbeaufschlagte Wasserstoffzufuhr erfolgt über ein entsprechendes
Rückschlagventil. Neben der direkten Speicherung von Sonnenwärme im Gebäudevorsatzelement kann vorteilhaft und bevorzugt auch eine von der Sonneneinstrahlung unabhängige zusätzliche Wärmequelle, beispielsweise in Form eines Heizdrahts, vorgesehen sein. Dieser kann bevorzugt in den Feststoffspeicher integriert sein. Insbesondere in den kälteren Betriebsmonaten ist dadurch eine zuverlässige Desorption des Wasserstoffs aus dem Speicher und insbesondere aber auch eine zuverlässige und gesteigerte Oxidation (Verbren- nung) des Wasserstoffs an der Dunkelanode mit der bifunktionalen
elektrokatalytischen Beschichtung ohne Sonneneinstrahlung gewährleistet.
Um eine möglichst große Energieausbeute aus dem Energieversorgungssystem nach der Erfindung zu erhalten, ist die Belegung von möglichst großen Fassaden- und Dachflächen mit den reversiblen Funktions- oder Hybridelementen vorteilhaft. Besonders vorteilhaft, auch für das optische Erscheinungsbild, ist eine Anordnung von mehreren Gebäudevorsatzelementen in Reihen und Spalten nebeneinander an einer Gebäudefassade. Dabei kann bevorzugt und vorteilhaft das Gebäudevorsatzelement nach der Erfindung mit weiteren Funktionselementen, beispielsweise zur direkten photovoltaischen Strom- oder Wärmeerzeugung, zur Wärme- oder Schalldämmung und/oder zum Witterungsschutz, kombiniert werden. Mit derartigen, insbesondere sonnengespeisten multifunktionalen Vorsatzelementen kann dann ein Gebäude in nahezu allen technischen Belangen autark versorgt werden. Insbesondere eine Kombination des reversiblen Hybridelements mit integriertem
Wasserstoffspeicher nach der Erfindung mit Photovoltaikelementen zur Erzeugung von Solarstrom ist besonders vorteilhaft, da dann tagsüber das eingestrahlte Sonnenlicht nicht nur zur Erzeugung von Wasserstoff im
Hybridelement nach der Erfindung, sondern auch zur direkten Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie genutzt werden kann. Somit kann das Gebäude auch tagsüber autark mit Strom versorgt werden. Weitere Details zur Erfindung werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen näher erläutert. Ausführungsbeispiele
Ausbildungsformen des Energieversorgungssystems nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren zum weiteren
Verständnis der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt die
Figur 1 das reversible Hybridelement in einer Ausbildung als Gebäudevorsatzelement im Tagbetrieb,
Figur 2 das reversible Hybridelement in einer Ausbildung als Gebäude- vorsatzelement im Nachtbetrieb,
Figur 3 die Funktionsweise des reversiblen Hybridelements als Schema,
Figur 4 die bifunktionale elektrokatalytische BeSchichtung im reversiblen
Hybridelement,
Figur 5 den integrierten Wasserstoffspeicher mit zwei eindirektionalen
Ventilen,
Figur 6 den integrierten Wasserstoffspeicher mit einer Zusatzheizung und Figur 7 das Energieversorgungssystem mit mehreren
Gebäudevorsatzelementen an einer Gebäudefassade.
Die Figur 1 zeigt im Querschnitt die bauliche Vereinigung eines photokata- lytischen Elektrolyseurs 01 mit einer elektrokatalytischen Brennstoffzelle 02 (vergleiche Figur 2) in einem reversiblen Funktionselement 03. Eine
ionenleitende Membran 04 trennt eine vorderseitige Elektrolytkammer 05 von einer rückseitigen Elektrolytkammer 06. Dabei ist die Vorderseite des reversiblen Funktionselements 03 durch die Sonneneinstrahlung 07 im
Einsatzfall festgelegt. Die Vorderseite des reversiblen Funktionselements 03 ist somit der Sonne zugewandt. Beide Elektrolytkammern 05, 06 sind mit Wasser (H20) als Elektrolyt gefüllt. Die vordere Elektrolytkammer 05 weist ein bidirektionales Ventil 08 für Wasser (H20) und ein zuführendes eindirektionales Ventil 09 für Sauerstoff (O2) bzw. Luft (air) sowie ein abführendes eindirektionales Ventil 10 für Sauerstoff (02) auf. Die ionenleitende Membran 04 weist auf ihrer Vorderseite 11 (im Einsatzfall der Sonne zugewandt) eine Absorberschicht 12 und darauf eine photokatalytische Beschichtung 13 auf. Auf ihrer Rückseite 14 (im Einsatzfall der Sonne abgewandt)weist die ionenleitende Membran 04 eine elektrokatalytische Beschichtung 15 auf. Dargestellte Kanäle 16 im beschriebenen Schichtenverbund 17 sollen dessen Durchlässigkeit für Protonen H+ in beiden Richtungen andeuten. Alle Schichten im Dünnschichtverbund 17 (Absorberschicht 12, photokatalytische Beschichtung 13, elektrokatalytische Beschichtung 15) sind im dargestellten Ausführungsbeispiel als Dünnschichten 29 ausgeführt.
Weiterhin ist in der Figur 1 ein integrierter Wasserstoffspeicher 18 dargestellt. Durch dessen Integration wird das reversible Funktionselement 03 zu einem reversiblen Hybridelement 19 weitergebildet. Der Wasserstoffspeicher 18 besteht aus einem Feststoffspeicher 20 und einem Druckspeicher 21. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der poröse Feststoffspeicher 20 als keramischer Metallhydridspeicher 22 ausgebildet, in dem der Wasserstoff leicht absorbiert und auch leicht wieder desorbiert werden kann. Der Druckspeicher 21 ist ein freier Raum, in dem der gebildete Wasserstoff unter moderat erhöhtem Druck gespeichert wird. Die Zuführung des Wasserstoffs in den Wasserstoff Speicher 18 erfolgt in gezeigtem Ausführungsbeispiel über ein bidirektionales Ventil 23. Dieses dient auch der Abführung des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher 18. In der Figur 1 ist das reversible Hybridelement 19 als Gebäudevorsatzelement 24 ausgebildet, das an einer vertikalen Gebäudefassade 25 angeordnet ist. Die Art und Weise der Anbindung der Gebäudevorsatzelemente 24 an die Gebäudefassade 25 ist in den Figuren zwar nicht dargestellt, dem Fachmann auf dem Gebiet der Verbindungstechnik aber ohne weiteres geläufig. Das Gebäudevorsatzelement 24 hat eine großflächige Form mit einer relativ geringen Dicke, nach der Art einer Fassadenplatte. Der Wasserstoffspeicher 18 erstreckt sich über die ganze Fläche des Gebäudevorsatzelements 24. Zur Sonnenseite hin wird das Gebäudevorsatzelement 24 von einer transparenten Frontplatte 26, beispielsweise eine TCO-Platte, abgeschlossen. In der Figur 1 ist der Tagbetrieb (Symbol Sonne) des reversiblen Funktionselements 03 dargestellt. Dabei wird die Betriebsweise durch ein Energiemanagementsystem 27 (EM) gesteuert, das Zugriff auf die Ventile 08, 09, 10 und 23 hat. Im Tagbetrieb arbeitet das reversible Funktionselement 03 als photokatalytischer Elektrolyseur 01 (Symbol -» Tagbetrieb, Vorwärtsrichtung). Im Tagbetrieb wird über das bidirektionale Ventil 08 Wasser (H20) der vorderen Elektrolytkammer 05 zugeführt. Das eindirektionale Ventil 09 für Sauerstoff (O2) bzw. Luft (air) ist geschlossen (Symbol Kreuz) und die
Abführung 10 für Sauerstoff (O2) geöffnet (Symbol Durchlasspfeil). Durch Sonneneinfall (Symbol hv) auf die Vorderseite 11 der ionenleitenden Membran 04 dissoziiert das Wasser H2O in der vorderseitigen Elektrolytkammer 05 (im Tagbetrieb anodische Elektrolytkammer) in Sauerstoff, Protonen und lichtinduziert erzeugten Elektronen (Elektronenabgabe, Oxidation). Dabei deutet„aq" an, dass die Protonen in wässriger Lösung als Hydronium-Ionen H30+ vorlie- gen. Der Wasserzerfall wird unter Energiezufuhr durch Sonneneinstrahlung von der photokatalytischen Beschichtung 13 katalysiert. Dabei arbeitet die photo- katalytische Beschichtung 13 zusammen mit der Absorberschicht 16 im
Tagbetrieb als Photoanode. Entstandenes O2 entweicht durch die Abführung 10 für Sauerstoff. Die Protonen H+ durchwandern den Schichtenverbund 17, die freien Elektronen e* werden in die hintere Elektrolytkammer 06 geleitet (angedeutet durch den Pfeil 2e' von 12 nach 15). In der rückseitigen
Elektrolytkammer 06 (im Tagbetrieb kathodische Elektrolytkammer) werden die zuvor oxidierten Protonen reduziert, d.h. sie nehmen Elektronen auf. Es entsteht Wasserstoff H2. Die Wasserstofferzeugung wird von der elektrokata- lytischen Beschichtung 15 auf der Rückseite 14 der ionenleitenden Membran 04 ohne Lichteinfall katalysiert. Diese bildet damit im Tagbetrieb bei der Wasserstofferzeugung die Photokathode oder auch Dunkelkathode. Der erzeugte Wasserstoff wird über das bidirektionale Ventil 23 dem Wasserstoffspeicher 18 zugeführt und dort im Druckspeicher 21 und, wenn der Druck- Speicher 21 gefüllt ist, im porösen Feststoffspeicher 20 gespeichert. Im
Tagbetrieb wird im porösen Feststoffspeicher 20 auch Wärme (Q, Symbol Wellenpfeile) aus der Sonneneinstrahlung gespeichert. Der Nachtbetrieb (bedeutet Betrieb ohne Sonneinstrahlung) des reversiblen Hybridelements 03 nach der Erfindung ist in der Figur 2 dargestellt (dort nicht gezeigte Bezugszeichen sind der Figur 1 zu entnehmen). Das reversible Hybridelement 03 arbeitet nunmehr als elektrokatalytische Brennstoffzelle 02 (Symbol <- Nachtbetrieb, Rückwärtsrichtung). Über das Energiemanagementsystem 27, das zeit- oder sonneneinstrahlungsabhängig zwischen dem Tag- und dem Nachtbetrieb umschalten kann, ist das abführende eindirektio- nale Ventil 10 für Sauerstoff (02) geschlossen worden. Über das bidirektionale Ventil 08 werden Wasser (H20) und Luft (air) abgeführt, das Ventil 09 wurde geöffnet, es werden Sauerstoff (02) und Luft (air) zugeführt. Im Nachtbetrieb mit Brennstoffzellenmodus arbeitet die vorderseitige Elektrolytkammer 05 nunmehr kathodisch, die photokatalytische Beschichtung 13 arbeitet zusammen mit der Absorberschicht 12 entsprechend als Dunkelkathode. Der
Sauerstoff wird reduziert (O + 2e' -» O2"). Die Sauerstoffionen verbinden sich dann mit den durch die ionenleitende Membran 04 gewanderten Protonen zu Wasser (2H+ + O2" -> H20). Das erzeugte Wasser (H20) wird über das Ventil 08 abgeführt. Die katalytische Aktivität der photokatalytischen Beschichtung 13 ohne Lichteinfall ist aber nicht ausschlaggebend, da die Erzeugung von Sauerstoff und Wasser nicht im Vordergrund bei der Erfindung steht. Die rückseitige Elektrolytkammer 06 arbeitet anodisch, die elektrokatalytische Beschichtung 15 arbeitet nunmehr als Dunkelanode und katalysiert die
Verbrennung (Oxidation, Elektronenabgabe) von zugeführtem Wasserstoff zur Gewinnung von elektrischem Strom. Die Leitung der freien Elektronen e" über einen Verbraucher 28 (RL) ist in der Figur 2 nur schematisch dargestellt, sie kann in bekannter Weise über entsprechende elektrische Einrichtungen erfolgen. Die kathodisch benötigten Protonen H+ werden in der anodischen Elektrolytkammer 06 durch Oxidation erzeugt (H2 -> 2H+ +2e"). Das
Energiemanagementsystem 27 regelt dazu die Zufuhr von Wasserstoff über das bidirektionale Ventil 23 aus dem Druckspeicher 21 in die anodische Elektrolytkammer 06. Zur Verbesserung der katalytischen Reaktion wird Wärme Q aus dem Feststoffspeicher 22, der somit auch als Wärmespeicher 32 dient, in die anodische Elektrolytkammer 06 und auf die elektrokatalytische Beschichtung 15 geleitet. Deren Katalyseaktivität ist auch im Rückwärtsbetrieb von Bedeutung, da sie die Effektivität bei der Umsetzung von Wasserstoff in elektrischen Strom bestimmt. Somit ist der Aufbau der elektrokatalytischen Beschichtung 15 für das reversible Funktionselement 03 von besonderer Bedeutung.
In der Figur 3 ist das reversible Hybridelement 19 mit photoelektrolytischer Funktion an der ionenleitenden Membran 04 und mit integriertem
Wasserstoff Speicher 18 nach der Erfindung in seiner Funktionsweise noch einmal schematisch dargestellt. Im Tagbetrieb (links, Symbol Sonne) wird unter Lichteinfall durch Reduktion (Elektronenaufnahme) Wasserstoff erzeugt und gespeichert, im Nachtbetrieb (rechts, Symbol Mond) wird unter Wasserstoffzufuhr durch Oxidation (Elektronenabgabe) elektrischer Strom für den Verbraucher 28 erzeugt.
In der Figur 4 ist im Ausschnittdetail die elektrokatalytische Beschichtung 15 auf der ionenleitenden Membran 04 dargestellt, die aus aneinander angrenzenden Teilbereichen 30, 31 unterschiedlicher Katalysatormaterialien besteht. Dabei kann es sich bei den Teilbereichen 30, 31 auch um einzelne Nanopar- tikel 32 handeln. Die einen Teilbereiche 30 bestehen aus einem Katalysatormaterial, das bei der Wasserstoff reduktion zur Wasserstofferzeugung katalytisch aktiv ist (aktiv im Tagbetrieb im photokatalytischen Elektrolyseur). Die anderen Teilbereiche 31 hingegen bestehen aus einem Katalysator- material, das bei der Wasserstoff oxidation zur elektrischen Stromerzeugung katalytisch aktiv ist (aktiv im Nachtbetrieb in der elektrokatalytischen Brennstoffzelle). Beide Katalysatormaterialien arbeiten somit monofunktional.
Alternativ besteht die elektrokatalytische Beschichtung 15 aus einem einzigen Katalysatormaterial, das sowohl bei der Wasserstoffreduktion zur Wasserstoff- erzeugung als auch bei der Wasserstoff oxidation zur elektrischen Stromerzeugung katalytisch aktiv ist. Es handelt sich dann um ein bifunktionales Katalysatormaterial. Dieses ist in der Figur 3 aber nicht weiter dargestellt. Die Figur 5 zeigt im Ausschnittdetail anstelle des bidirektionalen Ventils 23 (vergleiche Figuren 1, 2) für die Wasserstoffbe- und entladung des
Wasserstoffspeichers 18 ein eindirektionales Ventil 40 für die Beladung und ein eindirektionales Ventil 41 für die Entladung des Wasserstoffspeichers 18, der sich wiederum aus einem Feststoffspeicher 20 und einem Druckspeicher 21 zusammensetzt.
Die Figur 6 zeigt ein Ausschnittdetail im Bereich des Wasserstoffspeichers 18. Im Feststoffspeicher 20 ist eine zusätzliche Wärmequelle 50 in Form eines elektrischen Heizdrahts 51 angeordnet. Neben einer Speicherung von Umgebungswärme Q kann insbesondere in kälteren Jahreszeiten über den Heizdraht 51 zusätzliche Wärme Q+ im Feststoffspeicher 20 erzeugt und auch
gespeichert werden. Diese zusätzliche Wärme Q+ wird dann für die Erzeugung von elektrischem Strom durch elektrokatalytische Wasserstoffoxidation eingesetzt. Die zusätzliche Wärmequelle 50 bzw. der Heizdraht 51 können ohne weiteres auch an anderen Stellen des reversiblen Hybridelements 03 angeordnet sein.
Die Figur 7 schließlich zeigt ein autarkes Energieversorgungssystem 60 nach der Erfindung mit einer Vielzahl von reversiblen Hybridelementen 03 mit integrierten Wasserstoffspeichern 18 in der Ausführungsform von Gebäudevorsatzelementen 24, die in Reihen 61 und Spalten 62 an der Gebäudefassade 25 angeordnet sind. Durch die Möglichkeit, sowohl Wasserstoff als auch elektrischen Strom auf der Basis von Sonneneinstrahlung erzeugen zu können, handelt es sich bei den Gebäudevorsatzelementen 24 um multifunktionale Funktionselemente auf Solarbasis, die besonders umweltfreundlich und nachhaltig sind. Eingangs wurden bereits weitere mögliche Funktionselemente auf Solarbasis mit unterschiedlichen Funktionen genannt. Mit diesen können auch die Gebäudevorsatzelemente 24 nach der Erfindung kombiniert werden. In der Figur 6 sind beispielhaft weitere Funktionselemente 63 auf Solarbasis aufgezeigt, die der direkten photovoltaischen Stromerzeugung mittels
Solarzellen und der Wärmeerzeugung und -leitung mittels Wasserrohren dienen. Dabei sind die Gebäudevorsatzelemente 24 mit den weiteren
Funktionselementen 63 schachbrettartig abgewechselt. Andere Anordnungen sind ebenfalls ohne weiteres darstellbar und an die jeweiligen
Gebäudebedürfnisse anpassbar. Durch derartige multifunktionale Kombinatio- nen auf Solarbasis kann das Gebäude in optimaler Weise bei Tag und Nacht vollständig autark mit Energie versorgt werden.
Parameterübersicht (beispielhaft und nicht beschränkend) protonenleitende Membran
Nation, ß-AI203
Absorberschicht
Halbleitermaterialien mit Absorptionsvermögen für Sonnenlicht
Dünnschicht
Schichtdicke: < 1 μητι
photokatalytische Beschichtung
Übergangsmetallchalkogenide W03, Fe203 (Hämatit), TaOxNy
Schichtdicke: 1-3 μητι bei direkter Energielücke; 10-50 μητι bei indirekter
Energielücke
Wasserstoffspeicher
Keramisches, poröses Material, Metallschäume, MOF (Metall Organic Framework)
Katalysatormaterial Wasserstofferzeugung
Metalle der Eisen-Platin-Gruppe (Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt) und deren Legierungen
Katalysatormaterial Stromerzeugung
Pt, PtRu, Molekülkomplexe mit Co-, Mn- und Ni-Zentren
bifunktionales Katalysatormaterial
CuPd-Legierungen, Pt als Nanopartikel oder Monolagenfilm
elektrokatalytische Beschichtung
Schichtdicke: 1 Atomlage bis einige 10 Atomlagen (0,3 nm bis 50 nm)
Druck
Umgebungsdruck im Hybridelement, moderater Überdruck im Druckspeicher Temperatur
im Hybridelement und Speicher durch Sonnenerwärmung unter 100°C Bezugszeichen I i ste
01 photokatalytischer Elektrolyseur
02 elektrokatalytische Brennstoffzelle
03 reversibles Funktionselement
04 ionenleitende Membran
05 vorderseitige Elektrolytkammer
06 rückseitige Elektrolytkammer
07 Sonneneinstrahlung
08 bidirektionales Ventil für Wasser (H20) / Luft (air)
09 zuführendes eindirektionales Ventil für Sauerstoff (02) / Luft (air)
10 abführendes eindirektionales Ventil für Sauerstoff (02)
11 Vorderseite (im Einsatzfall der Sonne zugewandt)
12 Absorberschicht
13 photokatalytische Beschichtung
14 Rückseite (im Einsatzfall der Sonne abgewandt)
15 elektrokatalytische Beschichtung
16 Kanal (Protonenleitung)
17 Schichtenverbund
18 integrierter Wasserstoffspeicher
19 reversibles Hybridelement
20 Feststoff Speicher
21 Druckspeicher
22 keramischer Metallhydridspeicher
23 bidirektionales Ventil für Wasserstoff (H2)
24 Gebäudevorsatzelement
25 Gebäudefassade
26 transparente Frontplatte
27 Energiemanagementsystem
28 Verbraucher
29 Dünnschicht
30 Teilbereich (Katalysatormaterial zur Wasserstofferzeugung) Teilbereich (Katalysatormaterial zur Stromerzeugung)
Wärmespeicher
zuführendes eindirektionales Ventil für Wasserstoff (H2) abführendes eindirektionales Ventil für Wasserstoff (H2) zusätzliche Wärmequelle
Heizdraht
Energieversorgungssystem
Reihe
Spalte
Funktionselement

Claims

Patentansprüche
1. Energieversorgungssystem mit zumindest einem photokatalytischen
Elektrolyseur für die Erzeugung von Wasserstoff durch Sonneneinstrahlung, einem Wasserstoffspeicher und zumindest einer elektrokatalytischen
Brennstoffzelle für die Erzeugung von elektrischem Strom bei Zuführung von Wasserstoff,
gekennzeichnet durch
eine bauliche Vereinigung des photokatalytischen Elektrolyseurs (01 ) mit der elektrokatalytischen Brennstoffzelle (02) in einem reversiblen Funktionselement (03), das zwischen einer vorderseitigen und einer rückseitigen, jeweils mit Wasser gefüllten Elektrolytkammern (05, 06) eine ionenleitende Membran (04) aufweist, die auf ihrer im Einsatzfall für Sonneneinstrahlung (07) vorgesehenen Vorderseite (11 ) eine Absorberschicht (12) und darüber eine photo- katalytische Beschichtung (13), die bei Sonneneinstrahlung (07) die
Dissoziation von Wasser katalysiert, und auf ihrer im Einsatzfall nicht für Sonneneinstrahlung (07) vorgesehenen Rückseite (14) eine elektrokatalytische Beschichtung (15) trägt, die bei Sonneneinstrahlung (07) in die
photokatalytische Beschichtung (13) die Wasserstoff reduktion zur Wasserstofferzeugung und ohne Sonneneinstrahlung (07) in die photokatalytische Beschichtung (13) die Wasserstoffoxidation zur Stromerzeugung katalysiert.
2. Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet durch
eine Ausführung der photokatalytischen Beschichtung (13) und/oder der elektrokatalytischen Beschichtung (15) als Dünnschicht (29).
3. Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch
einen Aufbau der elektrokatalytischen Beschichtung (15) aus aneinander angrenzenden Teilbereichen (30, 31 ), insbesondere auch in Form von
Nanopartikeln (32), von zwei unterschiedlichen Katalysatormaterialien in horizontalen oder vertikalen Architekturen oder in beliebigen Mischungen, von denen das eine bei der Wasserstoff reduktion zur Wasserstofferzeugung und das andere bei der Wasserstoffoxidation zur elektrischen Stromerzeugung katalytisch aktiv ist.
4. Energieversorgungssystem nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch
Metalle der Eisen-Platin-Gruppe (Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt) und deren Legierungen als Katalysatormaterial für die Wasserstoffreduktion zur
Wasserstofferzeugung und Pt, PtRu-Legierungen oder -Mischungen sowie Molekülkomplexe mit Ni-, Co- und Mn- Zentren als Katalysatormaterial für die Wasserstoffoxidation zur Stromerzeugung verwendet werden.
5. Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch
einen Aufbau der elektrokatalytischen Beschichtung (15) aus einem bifunktionalen Katalysatormaterial, das sowohl bei der Wasserstoffreduktion zur Wasserstofferzeugung als auch bei der Wasserstoffoxidation zur elektrischen Stromerzeugung katalytisch aktiv ist.
6. Energieversorgungssystem nach Anspruch 5,
gekennzeichnet durch
CuPd-Legierungen und Pt sowohl in Nanopartikel als auch als Beschichtung aus wenigen Atomlagen und darunter im als bifunktionales Katalysatormaterial.
7. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet durch
eine Integration des Wasserstoffspeichers (18) in das reversible
Funktionselement (03) unter Bildung eines reversiblen Hybridelements (19).
8. Energieversorgungssystem nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch
eine Verbindung des Wasserstoffspeichers (18) mit der rückseitigen Elektrolytkammer (06) zumindest über ein der Wasserstoffzufuhr in die Elektrolytkammer und ein der Wasserstoff abfuhr aus der Elektrolytkammer dienendes
eindirektionales Ventil (40, 41 ) oder ein sowohl der Wasserstoffzufuhr als auch der Wasserstoffabfuhr dienendes bidirektionales Ventil (23).
9. Energieversorgungssystem nach Anspruch 8,
gekennzeichnet durch
eine Steuerung zumindest der eindirektionalen Ventile (40, 41 ) oder des bidirektionales Ventils (23) durch ein Energiemanagementsystem (27), das im Einsatzfall bei Sonneneinstrahlung (07) die Wasserstoff abfuhr aus der rückseitigen Elektrolytkammer (06) und ohne Sonneneinstrahlung (07) die Wasserstoffzufuhr in die rückseitige Elektrolytkammer (06) ansteuert.
10. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
gekennzeichnet durch
eine Ausbildung des reversiblen Hybridelements (19) mit dem integrierten Wasserstoffspeicher (18) als Gebäudevorsatzelement (24), wobei der integrierte Wasserstoffspeicher (18) im Anschluss an die rückseitige
Elektrolytkammer (06) angeordnet ist.
11. Energieversorgungssystem nach Anspruch 10,
gekennzeichnet durch
eine solche Größenausbildung des integrierten Wasserstoffspeichers (18), dass der im Einsatzfall während der Sonneneinstrahlung (07) gespeicherte Wasserstoff den Betrieb der elektrokatalytischen Brennstoffzelle (02) zumindest für die Hälfte der Zeitdauer ohne Sonneneinstrahlung (07) gewährleistet.
12. Energieversorgungssystem nach Anspruch 10 oder 11 ,
gekennzeichnet durch
eine flächige Ausbildung des Gebäudevorsatzelements (24), bei dem sich der Wasserstoffspeicher (18) über die gesamte Fläche des reversiblen
Hybridelements (19) erstreckt.
13. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
gekennzeichnet durch
eine Ausbildung des Wasserstoffspeichers (18) zumindest teilweise als poröser Feststoffspeicher (20).
14. Energieversorgungssystem nach Anspruch 12,
gekennzeichnet durch
eine Ausbildung des porösen Feststoffspeichers (20) als keramischer
Metallhydridspeicher (22).
15. Energieversorgungssystem nach Anspruch 12,
gekennzeichnet durch
eine Ausbildung des nicht als Feststoffspeicher (20) ausgebildeten
Wasserstoff Speichers (18) als Druckspeicher (21 ), mit dem die eindirektionalen Ventile (40, 41 ) oder das bidirektionale Ventil (23) in Verbindung stehen.
16. Energieversorgungssystem nach Anspruch 12,
gekennzeichnet durch
eine Ausbildung des Feststoffspeichers (20) als Wärmespeicher (32).
17. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
gekennzeichnet durch
Vorsehen einer von der Sonneneinstrahlung (07) unabhängigen zusätzlichen Wärmequelle (50).
18. Energieversorgungssystem nach Anspruch 12 und 17,
gekennzeichnet durch
eine Ausbildung der zusätzlichen Wärmequelle (50) als elektrischer Heizdraht (51 ), der in den Feststoffspeicher (22) integriert ist.
19. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 18,
gekennzeichnet durch
eine Anordnung von mehreren Gebäudevorsatzelementen (24) in Reihen (61 ) und Spalten (62) nebeneinander an einer Gebäudefassade (25).
20. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 19,
gekennzeichnet durch
eine Kombination der Gebäudevorsatzelemente (24) mit weiteren Funktionselementen (63), beispielsweise zur direkten photovoltaischen Strom- oder Wärmeerzeugung, zur Wärme- oder Schalldämmung und/oder zum
Witterungsschutz.
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