DE4446044A1

DE4446044A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE4446044A1
Application number: DE4446044A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Ruthrof; Peter Dipl Ing Suchy
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: SUCHY, PETER, DIPL.-ING., 91054 ERLANGEN, DE RUTHR
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 1996-06-27

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die Sauerstoff und Wasserstoff aufnimmt und Wasser abgibt und die einen Spannungsabgriff aufweist.

Eine solche Brennstoffzelle erzeugt unter Verwendung von Was serstoff und Sauerstoff als Reaktanten an einer mit Katalysa tor beidseitig beschichteten protonendurchlässigen Membrane elektrische Energie und produziert dabei Wasser.

Eine derartige Brennstoffzelle ist Fachleuten bekannt.

Aus Veröffentlichungen, z. B. des Fraunhofer Instituts für so lare Energiesysteme, Freiburg, ist zu entnehmen, daß in Brennstoffzellen zuvor katalytisch erzeugter Wasserstoff ein gesetzt werden kann, um elektrische Energie zu erzeugen. Es ist außerdem bekannt, daß bei einer Elektrolyse erzeugte Gase unter hohem Druck gespeichert werden können.

Die Speicherung von Gasen unter hohem Druck, der z. B. ein Mehrfaches des äußeren Atmosphärendrucks ist, ist aufwendig, da ein Gasbehälter notwendig ist, der hohem Druck standhält. Ein solcher Behälter hat daher stets ein hohes Gewicht und muß besonderen Sicherheitsvorschriften genügen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellen system, das eine Brennstoffzelle umfaßt, so auszustatten, daß diese laufend mit Sauerstoff und Wasserstoff versorgt werden kann, ohne daß Gase unter hohem Druck gehalten werden müssen und ohne daß aufwendige und schwere Gasspeicher notwendig sind. Insbesondere soll eine Energiequelle bereitgestellt werden, die nur wenig Raum einnimmt und anstelle eines Akku mulators zur netzfreien Versorgung eines Verbrauchers einge setzt werden kann.

Die Aufgabe wird nach dem Erfindung dadurch gelöst, daß in mindestens einem Gehäuse ein Elektrolyseur, der Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser erzeugt, die Brennstoffzelle und ein Wasserstoffspeicher angeordnet sind und daß der Elek trolyseur über den Wasserstoffspeicher, der zur Zwischenspei cherung von Wasserstoff dient, mit der Brennstoffzelle in Verbindung steht.

Im Gehäuse können beispielsweise auch ein Sauerstoffspeicher und/oder ein Speicher für mit Sauerstoff angereicherter Luft und/oder ein Luftspeicher angeordnet sein. Das Gehäuse kann aber auch selbst als Speicher für den vom Elektrolyseur er zeugten Sauerstoff und/oder für das dort benötigte Wasser dienen. Dazu muß das Gehäuse, falls es das Gas Sauerstoff speichern soll, ganz und, falls es nur das Wasser speichern soll, teilweise geschlossen sein. Bei einem nur teilweise ge schlossenen Gehäuse kann der für den Betrieb der Brennstoff zelle benötigte Sauerstoff auch aus der Umgebungsluft bezogen werden.

Der genannte Elektrolyseur speist Wasserstoff, der momentan in der Brennstoffzelle nicht gebraucht wird, in den Wasser stoffspeicher ein. Von dort kann die Brennstoffzelle Wasser stoff beziehen, falls im Elektrolyseur zeitweilig kein Was serstoff anfallen sollte. Auf diese Weise ist eine kontinu ierliche Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff ge währleistet.

Zur Energieversorgung des Elektrolyseurs ist dieser z. B. mit einer Spannungsquelle verbunden. Diese kann z. B. eine Photo voltaik umfassen. Auch kann der Elektrolyseur direkt mit ei ner beliebigen externen Spannungsquelle verbunden sein. Es kann auch überschüssige Energie, die von der Brennstoffzelle abgegeben wird, zur Energieversorgung des Elektrolyseurs bei tragen.

Der in der Elektrolysezelle erzeugte Wasserstoff kann entwe der direkt der Brennstoffzelle zugeleitet werden oder er kann, falls zuviel Wasserstoff gebildet wird, zwischengespei chert werden. Dazu dient der Wasserstoffspeicher.

In der Brennstoffzelle entsteht aus Wasserstoff und Sauer stoff Wasser, das von der Brennstoffzelle zur Elektrolysezel le gelangen kann, um den dort notwendigen Wasservorrat zu er gänzen.

Falls die Brennstoffzelle oberhalb der Elektrolysezelle ange ordnet ist, kann das Wasser nach unten fließen und damit der Elektrolysezelle erneut zur Verfügung gestellt werden.

Der Elektrolyseur ist beispielsweise eine umgekehrt betrie bene Brennstoffzelle. Dadurch wird der Vorteil erzielt, daß beim Aufbau des Brennstoffzellensystems zwei handelsübliche Brennstoffzellen verwendet werden können.

Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem so gestaltet sein, daß der Elektrolyseur und die Brennstoffzelle eine Ein heit bilden, die alternierend als Elektrolyseur oder als Brennstoffzelle zu betreiben ist. Bei dieser Variante kann das System nicht gleichzeitig "geladen", (Erzeugung von Was serstoff) und "entladen" werden (Abgabe von elektrischer Energie). Es ist aber ein alternierender Betrieb möglich.

An die Stelle des Elektrolyseurs kann auch ein chemisch be triebener Wasserstofferzeuger treten, in dem beispielsweise organische Verbindungen so zerlegt (gecrackt) werden, daß Wasserstoff entsteht. Auch kann Wasserstoff in jeder anderen üblichen Weise erzeugt werden. Der erforderliche Sauerstoff kann dann z. B. aus der Umgebungsluft gewonnen werden oder ebenfalls einem chemischen Prozeß entstammen.

Beispielsweise enthält das Brennstoffzellensystem im Bereich des Elektrolyseurs einen Schwamm, der zur Speicherung des von der Brennstoffzelle erzeugten Wassers im oder am Elektroly seur dient. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem lageunab hängig betrieben werden, ohne daß das gesamte Wasser aus dem Elektrolyseur herauslaufen kann.

Zur Einleitung des Wassers in den Elektrolyseur weist der Schwamm z. B. Dochte aus saugfähigem Material auf. Das Wasser gelangt dann unabhängig von der Lage des Brennstoffzellensy stems über die Dochte in den Elektrolyseur, und zwar derart, daß der dort erzeugte Sauerstoff ungehindert austreten kann.

Der Wasserstoffspeicher ist beispielsweise ein Metallhydrid speicher. Ein solcher Wasserstoffspeicher zeichnet sich da durch aus, daß er in Abhängigkeit von der verwendeten Legie rung auch in der Nähe des Umgebungsdruckes mit Wasserstoff beschickt werden kann und ein Gasvolumen speichern kann, das bei Normalbedingungen erheblich größer ist als das Eigenvolu men des Speichers, z. B. das Vierhundertfache. Der Wasser stoffspeicher ist z. B. ein Metallhydridspeicher, der in Ab hängigkeit von der eingesetzten wasserstoffspeichernden Le gierung in großen Druckbereichen (Unter- wie auch Überdruck) und bei weitgehend konstantem Druck arbeiten kann.

Durch die Verwendung eines Metallhydridspeichers wird insbe sondere der Vorteil erzielt, daß das Brennstoffzellensystem zusammen mit dem Wasserstoffspeicher in einem kleinen Gehäuse untergebracht werden kann und daß das gesamte Brennstoffzel lensystem sehr leicht ist. Erst dadurch ist vorteilhafterwei se möglich, daß das Brennstoffzellensystem als Ersatz für üb liche Akkumulatoren oder Batterien, selbst in elektrischen Kleingeräten, eingesetzt werden kann.

Die Spannungsquelle, die mit dem Elektrolyseur verbunden ist, kann beispielsweise durch eine Solarzellenanlage gespeist werden. Die benötigte Energie kann folglich Solarenergie sein. Die genannte Spannungsquelle kann jedoch auch an das öffentliche Versorgungsnetz angeschlossen sein.

Mit dem Brennstoffzellensystem nach der Erfindung wird insbe sondere der Vorteil erzielt, daß es leicht ist und nur wenig Raum einnimmt. Es wird als geschlossenes System bei niedrigem Druck nahe beim Umgebungsdruck betrieben.

Solange der Elektrolyseur in Betrieb ist, werden Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, die im Wasserstoffspeicher bzw. im Gehäuse gespeichert werden. Wenn der Elektrolyseur außer Be trieb ist, z. B., wenn an ihm keine Spannung anliegt, erhält die Brennstoffzelle Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher und Sauerstoff aus der Umgebungsluft bzw. aus der Luft im Ge häuse. An der Brennstoffzelle kann also stets ein Verbraucher angeschlossen sein.

Das Brennstoffzellensystem nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt ein Gehäuse 1, in dem ein Elektrolyseur 2, der eine umgekehrt betriebene Brennstoffzelle ist, ange ordnet ist. Dieser Elektrolyseur 2 ist mit einer elektrischen Energiequelle 3 verbunden und gibt über Öffnungen 4 Sauer stoff und über eine Leitung 5 Wasserstoff ab. Im Elektroly seur 2 befindet sich Wasser 6, das ursprünglich einmal einge geben und dann beim Betrieb in einer später erwähnten Brenn stoffzelle 8 reproduziert wird. Die Leitung 5 für den Wasser stoff steht über einen Wasserstoffspeicher 7, der ein Metall hydridspeicher ist, mit der Brennstoffzelle 8 in Verbindung. Diese Brennstoffzelle 8 nimmt den benötigten Sauerstoff aus dem Gehäuse 1 auf. Der Sauerstoff kann auch in einem nicht gezeigten Speicher zwischengespeichert werden.

Die durch die Brennstoffzelle erzeugte Gleichspannung kann, falls erforderlich, an einem Abgriff 9, z. B. über einen DC/AC-Wandler 10 einem Verbraucher 11 zugeführt werden. Das in der Brennstoffzelle 8 gebildete Wasser fließt in den Was servorrat des Elektrolyseurs 2. Das Wasser im Elektrolyseur 2 kann dort in einem Schwamm 12 gespeichert sein. Zur besseren Einleitung von Wasser in den Schwamm 12 können an diesen Dochte 15 aus saugfähigem Material angeformt sein, die sich in Richtung auf die Wasser abgebende Brennstoffzelle 8 er strecken. Eine Spannungsquelle 3 für den Elektrolyseur 2 kann mit einem Versorgungsnetz 13 oder auch mit einer Solarzellen anlage 14 ständig oder temporär verbunden sein. Auch kann, falls der Verbraucher 11 weniger Energie benötigt, als er zeugt wurde, der Überschuß dem Elektrolyseur zugeleitet wer den.

Das in dem Gehäuse 1 untergebrachte Brennstoffzellensystem ist sehr leicht und kann anstelle von Akkumulatoren und Bat terien eingesetzt werden. Dabei wird insbesondere der Vorteil erzielt, daß eine umweltfreundliche Energiequelle bereitge stellt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien und Ak kus fallen bei einer Entsorgung keine Schwermetalle an. Im übrigen ist die Energiequelle nach der Erfindung über eine deutlich längere Zeit betriebsbereit als bekannte Akkumulato ren.

Außerdem kann das Brennstoffzellensystem als ein geschlosse ner oder, in bezug auf den Sauerstoff als halboffener Prozeß betrieben werden. Des weiteren kann es in der Nähe des Umge bungsdrucks betrieben werden.

Claims

1. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (8), die Sauerstoff und Wasserstoff aufnimmt und Wasser abgibt und die einen Spannungsabgriff (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Gehäuse (1) ein Elektrolyseur (2), der Was serstoff und Sauerstoff aus Wasser erzeugt, die Brennstoff zelle (8) und ein Wasserstoffspeicher (7) angeordnet sind und daß der Elektrolyseur (2) über den Wasserstoffspeicher (7), der zur Zwischenspeicherung von Wasserstoff dient, mit der Brennstoffzelle (8) in Verbindung steht.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (1) ein Sauerstoffspeicher und/oder ein Speicher für mit Sauerstoff angereicherter Luft und/oder ein Luftspeicher angeordnet sind.

3. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyseur (2) der Wasser aufnimmt und Sauerstoff und Was serstoff abgibt, mit einer Spannungsquelle (3) verbunden ist.

4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyseur (2) eine umgekehrt betriebene Brennstoffzelle ist.

5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Elektrolyseur (2) Wasser (6) in einem Schwamm (12) gespeichert ist.

6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwamm (12) zur Einleitung des Wassers (6) in den Elektroly seur (2) Dochte (15) aus saugfähigem Material aufweist.

7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (3), die mit dem Elektrolyseur (2) verbunden ist, mit einer Solarzellenanlage (14) verbunden ist.

8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffspeicher (7) ein Metallhydridspeicher ist.

9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyseur (2) und die Brennstoffzelle (8) eine Einheit bilden, die alternierend als Elektrolyseur oder als Brenn stoffzelle zu betreiben ist.