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Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseureinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und einen mit einer derartigen Elektrolyseureinheit ausgeführten Energiewandler.
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Insbesondere nach dem Ausstieg bedeutender Industrieländer aus der Atomenergietechnik und mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen und der in Zukunft zu erwartenden deutlichen Verknappung von Erdöl besteht das Bestreben, erneuerbare Energien als Energiequelle zu nutzen. So sind in jüngster Zeit erhebliche Fortschritte auf den Gebieten der Windkraftanlagen, der Solartechnik, der Nutzung von Wellenenergie, etc. zu verzeichnen. Ein Nachteil elektrischer Antriebstechnik für Fahrzeuge sind die mit erheblichen Kapazitäten ausgeführten Batterien/Akkumulatoren, die den Fahrzeugpreis und das Fahrzeuggewicht ganz wesentlich bestimmen.
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Bereits seit einigen Jahren gibt es Bestrebungen, so genannte Brennstoffzellen zur Energiewandlung zu nutzen und dann einen Elektromotor anzutreiben. Andere Lösungen sehen vor, in einem Verbrennungsmotor Wasserstoff als „Kraftstoff“ einzusetzen. Diese Bestrebungen sind jedoch mit der Entwicklung der oben genannten Elektrofahrzeuge mit klassischem Akkumulator und rein elektrischer Antriebstechnik etwas in Vergessenheit geraten.
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Ein Problem bei dem Einsatz erneuerbarer Energie zur Stromversorgung ist, dass die jeweils genutzten Naturkräfte wie Sonne, Wind, Wasser zeitlich nicht konstant verfügbar sind, so dass es vorkommen kann, dass einerseits zu viel Energie bereit steht oder aber in Spitzenlastzeiten zu wenig Energie zur Verfügung steht.
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Es werden daher große Anstrengungen unternommen, Energiewandler zu schaffen, mit denen die verfügbare Energie gespeichert und dann bei Bedarf abgerufen werden kann. Derartige Energiewandler können stationär oder mobil eingesetzt werden.
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In der
DE 10 2009 048 455 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie erläutert, bei denen eine Elektrolyseureinheit verwendet wird, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten. Der Wasserstoff wird dann in einen Speicherbehälter geleitet und bei Bedarf einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt.
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Unter www.solarserver.de wird eine so genannte „Energiezelle“ beschrieben, bei der die Elektrolyseureinheit mittels einer Photovoltaik-Anlage betrieben wird. Wie erläutert, spaltet die Elektrolyseureinheit Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff auf, wobei der Wasserstoff in einem Zwischenspeicher gespeichert wird und der Sauerstoff wieder an die Umgebung abgegeben wird. Wenn keine Sonnenenergie zur Verfügung steht, wird der Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Umgebung oder mit dem zuvor mit der Elektrolyseureinheit gewonnenen Sauerstoff in einer Brennstoffzelle zusammengeführt, wobei Wasserstoff und Sauerstoff elektrolytsichen zu Wasser umgesetzt werden und die an den Elektroden anliegende elektrische Spannung abgegriffen. Diese Gleichspannung wird dann von einem Wechselrichter in gebrauchsfähigen Wechselstrom umgewandelt. Das in der Brennstoffzelle anfallende Wasser kann der Elektrolyseureinheit erneut zugeführt werden.
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Nachteil der vorbeschriebenen Lösungen ist ein relativ komplexer Aufbau, da zur Pufferung des Wasserstoffs eigene Speicher vorgesehen sein müssen.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolyseureinheit und einen Energiewandler mit einer derartigen Elektrolyseureinheit zu schaffen, bei denen der vorrichtungstechnische Aufwand verringert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Elektrolyseureinheit mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und einen Energiewandler mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruches 6 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Elektrolyseureinheit zum Zerlegen von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff hat einen Speicher, der eine funktionale Baueinheit mit dem Elektrolyseur selber ausbildet.
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Diese Lösung wendet sich ab von herkömmlichen Konstruktionen, bei denen Elektrolyseur und Speicher als getrennte Baueinheiten ausgeführt waren und einen dementsprechenden Platzbedarf hatten.
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Durch die Integration des Elektrolyseurs in den Speicher oder des Speichers in den Elektrolyseur wird eine sehr kompakte Einheit gebildet, bei der die Leitungsführung zur Überleitung des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in den Speicher deutlich einfacher als bei den herkömmlichen Lösungen gehalten werden kann. Es ist bekannt, dass bei derartigen Elektrolyseureinheiten erhebliche Drücke auftreten können, so dass der Speicher vorzugsweise als Druckbehälter ausgeführt ist, in dem die Elektrolyseureinheit ganz oder zumindest abschnittsweise integriert ist. Der Druckbehälter wird auf einen vergleichsweise hohen Druck, beispielsweise im Bereich von 400 bis 700 bar ausgelegt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat der Speicher zwei getrennt von einander ausgebildete Speicherabschnitte, in denen Wasserstoff bzw. Sauerstoff gespeichert ist. Der jeweilige Speicherabschnitt ist über einen Gasströmungspfad mit dem entsprechenden Auslass des Elektrolyseurs verbunden.
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Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Elektrolyseureinheit als galvanische Elektrolyseureinheit ausgeführt ist. Derartige Elektrolyseureinheiten zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, der über 80% liegt.
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Um die Kosten gering zu halten, werden die Elektroden aus einfach verfügbaren Materialien, beispielsweise aus Edelstahl ausgeführt. Um die abgreifbare Spannung zu erhöhen, werden mehrere Elektroden zu einer Packung parallel geschichtet, wobei zwischen den einzelnen Elektroden geeignete Kunststoffdichtungen ausgeführt sind.
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Der erfindungsgemäße Energiewandler ist mit einer erfindungsgemäßen Elektrolyseureinheit ausgeführt und hat eine Energiequelle, über die die Elektrolyseureinheit betrieben wird. Der Energiewandler hat des Weiteren eine Zelle zum Erzeugen elektrischer, thermischer und/oder mechanischer Energie aus dem in der Elektrolyseureinheit generierten Wasserstoff und Sauerstoff.
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Diese Zelle ist kann als Brennstoffzelle ausgeführt sein und kann dazu verwendet werden, um einen Energiespitzenspeicher, beispielsweise einen Supercop oder einen Akkumulator mit elektrischen Antrieb aufzuladen.
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Bei einer alternativen Lösung ist die Zelle als Brenner ausgeführt, in dem die Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff (Knallgas) verbrannt wird.
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Ein derartiger Brenner kann mit einem Wärmetauscher ausgeführt werden, um ein Wärmeträgermedium zu erwärmen.
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Über einen derartigen Wärmetauscher kann auch die in der Brennstoffzelle frei werdende thermische Energie zum Erwärmen eines anderen Mediums benutzt werden.
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Da in der Brennstoffzelle Wasser als Reaktionsprodukt anfällt, kann dieses wieder in die Elektrolyseureinheit zurückgeführt werden.
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Die Energiequelle kann beispielsweise mit Sonnenenergie, mit Windenergie, mit Wasserenergie oder mit kinetischer Energie eines Nutzgerätes, beispielsweise eines Aufzugs, eines Autos oder dergleichen im Rekuperationsbetrieb betrieben sein.
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Der erfindungsgemäße Energiewandler kann einen Akkumulator eines Elektromotors oder einen Elektromotor selbst mit Energie versorgen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines Energiewandlers, wie er beispielsweise bei einer mobilen Anwendung verwendet werden kann und
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2 ein Schaltschema eines Energiewandlers für eine stationäre Anwendung.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Energiewandlers 1, der beispielsweise zum Laden eines Akkus eines Elektromobils oder aber auch als Energiequelle zur Stromversorgung eines sonstigen stationären oder mobilen Verbrauchers verwendet werden kann. Der Energiewandler 1 hat eine erfindungsgemäße Elektrolyseureinheit 2, über den Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff (H2O2) zerlegt wird. Die Elektrolyseureinheit besteht im Prinzip aus einer baulichen Einheit mit einem Elektrolyseur 4 und einem Speicher 6. Dieser steht in Gasverbindung mit einer Brennstoffzelle 8, an der bei einer chemischen Reaktion des vom Elektrolyseur 4 erzeugten Wasserstoffs und Sauerstoff, der entweder aus dem Speicher 6 oder aber aus der Umgebung entnommen werden kann eine Gleichspannung U abgegriffen werden kann. Wie eingangs erläutert, kann diese Gleichspannung über einen Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt werden. Die in der Brennstoffzelle 8 anfallende Reaktionsenthalpie wird über einen Wärmetauscher 10 genutzt, um ein Wärmeübertragungsmedium 12 oder ein sonstiges Medium zu erwärmen. Wie im Folgenden noch näher erläutert wird, entsteht in der Brennstoffzelle 8 Wasser als Reaktionsprodukt. Dieses erwärmte Wasser kann beispielsweise im Wärmetauscher 10 abgekühlt werden, um das Wärmeübertragungsmedium 12 zu erwärmen. Das abgekühlte Wasser wird dann über einen Rücklauf 13 zurück zum Elektrolyseur geführt.
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Der Elektrolyseur 4 ist ein alkalischer Elektrolyseur, wobei als Elektrolyt beispielsweise Kalilauge (KOH) verwendet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden in sehr einfacher und kostengünstiger Weise aus Edelstahl hergestellt. Selbstverständlich können auch andere geeignete Elektroden aus hochwertigeren Materialien verwendet werden.
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Wie in 1 schematisch dargestellt, sind die Elektroden 14 stapelförmig angeordnet und werden über geeignete Ringdichtungen, beispielsweise aus Viton beabstandet. Der Elektrolyt befindet sich zwischen jeweils zwei benachbarten Elektroden. Diese sind parallel geschaltet und werden über eine Spannungsquelle mit einer Arbeitsspannung UA beaufschlagt. Die Stromversorgung kann beispielsweise über Photovoltaikelemente 16 erfolgen. Die Elektroden 14 sind parallel geschaltet, wobei die Leistung des Elektrolyseurs 4, d.h. die erzeugbare Gasmenge durch die Anzahl der Elektroden und/oder die elektrische Leistung der Stromversorgung bestimmt ist. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird Sonne als Energiequelle benutzt. Alternativ können selbstverständlich auch andere regenerierbare Energien, beispielsweise Windkraft oder Wasserkraft verwendet werden. Prinzipiell vorstellbar ist es auch, die beim Abbremsen von kinetischer Energie frei werdende Energie (Rekuperation) zu verwenden, um den Elektrolyseur 4 zu betreiben. Eine derartige Rekuperation ist beispielsweise beim Bremsen eines Fahrzeugs oder beim Absenken einer Last, bspw. eines Aufzugs denkbar.
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Der Elektrodenstapel ist zwischen zwei Gehäuseplatten 18, 20 eingespannt. Der Elektrolyseur hat einen Zulauf 22, an den die Rücklaufleitung 13 angeschlossen ist. Über diesen Zulauf 22 strömt somit das als Reaktionsprodukt in der Brennstoffzelle 8 entstehende Wasser zurück zum Elektrolyseur 4. Dieser hat des Weiteren zwei Gasausgänge 24, 26, wobei der Gasausgang 24 an den Bereich des Elektrolyseurs angebunden ist, in dem Wasserstoff entsteht. Der andere Gasausgang 26 steht in Verbindung mit dem Bereich, in dem der Sauerstoff anfällt.
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Der Gasausgang 24 ist mit einem Wasserstoffspeicher 28 und der Gasausgang 26 mit einem Sauerstoffspeicher 30 verbunden, die in den Speicher 6 integriert sind und beispielsweise durch eine Speicherwandung 32 von einander getrennt sind. Wie 1 entnehmbar ist, ist der Elektrolyseur 4 in eine Behälterwandung 34 des Speichers eingesetzt und von dieser zumindest abschnittsweise umgriffen. Prinzipiell könnte der Elektrolyseur 4 auch einen Teil der Behälterwandung 34 ausbilden. Diese Behälterwandung 34 ist als Druckbehälter ausgeführt, so dass er relativ hohen Gasdrücken bis zu 700 bar standhält. In dieser Behälterwandung 34 sind die vorgenannten elektrischen Anschlüsse zum Betreiben des Elektrolyseurs 4, der Zulauf 22, ein Wasserstoffanschluss 36 und ein Sauerstoffanschluss 38 ausgebildet. Der Wasserstoffanschluss 36 ist an eine Wasserstoffleitung 40 angeschlossen. In entsprechender Weise ist der Sauerstoffanschluss 38 an eine Sauerstoffleitung 42 angeschlossen.
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Diese führen zu den entsprechenden Gasanschlüssen der Brennstoffzelle 8, deren Aufbau an sich bekannt ist, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
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Als Brennstoffzelle kann beispielsweise eine alkalische Brennstoffzelle verwendet werden. Prinzipiell ist es auch denkbar, den Elektrolyseur als reversible Brennstoffzelle auszubilden, so dass dieser im abschnittsweisen Elektrolysebetrieb ein Mal Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt und dann im Brennstoffzellenbetrieb die Spannung U erzeugt, über die dann ein Verbraucher oder dergleichen angetrieben wird. Auf diesen Brennstoffzellenbetrieb kann beispielsweise dann umgeschaltet werden, wenn die Photovoltaik 16 oder die sonstige zur Verfügung stehende regenerative Energie nicht ausreicht, um den elektrischen Verbraucher direkt zu versorgen.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird jedoch eine eigene Brennstoffzelle 8 verwendet. Der Gasstrom zur Brennstoffzelle 8 wird in Abhängigkeit von der abzugreifenden elektrischen Leistung von zwei Regelventilen 44, 46 in der Wasserstoffleitung 40 bzw. der Sauerstoffleitung 42 eingestellt.
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Sowohl im Elektrolyseur 4 als auch in der Brennstoffzelle 8 wird während der chemischen Reaktion Reaktionsenthalpie frei. Diese wird – wie bereits erläutert – ausgenutzt, um über den Wärmetauscher 10 ein Fluid, bspw. ein Wärmeübertragungsmedium 12 zu erwärmen. Prinzipiell kann ein derartiger Wärmetauscher 10 auch an den Elektrolyseur 4 angeschlossen werden um die dort freiwerdende Reaktionsenthalpie zu nutzen.
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Im Elektrolyseur laufen folgende Reaktionsgleichungen ab: 2H2O → 4H+ + 4e– + O2 4H+ + 4e– → 2H2
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Dementsprechend wird an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff gebildet. Die minimale Gleichspannung, die von der Spannungsquelle, beispielsweise der Photovoltaik geliefert werden muss, liegt bei 1,5 V.
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Anstelle eines alkalischen Elektrolyseurs können prinzipiell auch ein saurer oder PEM-Elektrolyseur, ein Hochtemperatur-Elektrolyseur oder andere Elektrolyseurbauarten verwendet werden. Der hier erläuterte alkalische Elektrolyseur zeichnet sich jedoch durch einen äußerst einfachen Aufbau bei sehr guter verfahrenstechnischer Beherrschbarkeit aus. Derartige Elektrolyseure werden beispielsweise unter der Produktbezeichnung „Anton“ angeboten, weitere Beschreibungen des Aufbaus eines Elektrolyseurs sind somit überflüssig.
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Selbstverständlich können anstelle der KOH auch andere Elektrolyten oder Elektrodenmaterialien eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil derartiger alkalischer Elektrolyseure besteht darin, dass diese den Druck im Speicher 6 praktisch selbst aufbauen, so dass keine komplexen Druckregeleinrichtungen verwendet werden müssen.
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Aus Sicherheitsüberlegungen wird es bei der Erfindung bevorzugt, wenn der Druck im Speicher, insbesondere im Wasserstoffspeicher 28 überwacht wird und bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzdrucks eine weitere Aufladung des Speichers 6 nicht mehr erfolgt und entweder der Elektrolyseur abgeschaltet wird oder aber das bei der Elektrolyse anfallende Gasgemisch (Knallgas) über einen nicht dargestellten Brenner oder dergleichen verwendet wird, um andere Medien oder Räume aufzuheizen.
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Prinzipiell kann natürlich auch ein parallel geschalteter Gasspeicher (zumindest für Wasserstoff) vorhanden sein, der dann bei vollständig aufgeladenem Speicher 6 geladen wird.
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Wie in 1 angedeutet, wird der Wasservolumenstrom im Rücklauf 13 über eine Pumpe 48 und einen Regler 50 so eingestellt, dass die Elektrolytkonzentration im Elektrolyseur 4 konstant gehalten wird. Überschüssiges Wasser kann in einen Tank gefördert oder aus einem Tank nachgefördert werden.
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2 zeigt eine vereinfachte Variante eines Energiewandlers 1, die beispielsweise in einem Haus oder dergleichen anstelle oder zusätzlich zu einer herkömmlichen Heizung verwendet werden kann.
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Genau wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Elektrolyseureinheit 2 mit einem Elektrolyseur 4 und einem Speicher 6 vorgesehen, der einen Wasserstoffspeicher 28 und einen Sauerstoffspeicher 30 hat und als Druckbehälter ausgebildet ist. Elektrolyseur 2 und Speicher 6 sind wiederum als funktionale und bauliche Einheit ausgebildet. Die Arbeitsspannung UA des Elektrolyseurs wird wiederum über eine Energiequelle, beispielsweise über ein von Sonnenlicht gespeistes Photovoltaikelement 16 bereitgestellt. Der Aufbau der Elektrolyseureinheit 2 entspricht demjenigen des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
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Ein wesentlicher Unterschied des Energiewandlers 1 gemäß 2 zum zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die aus dem Druckbehälter 34 herausführenden Anschlüsse 36, 38 zusammengeführt werden, wobei diese Zusammenführung beispielsweise über ein angedeutetes Mischventil 50 erfolgen kann. An dessen Ausgang ist eine Knallgasleitung 52 angeschlossen, wobei der Gasvolumenstrom in der Knallgasleitung 52 mittels eines Reglers 54 konstant gehalten wird. Die Knallgasleitung 52 ist an eine Brennereinheit 56 angeschlossen, in der das hochenergetische Knallgas „verbrannt“ wird. Diese Brennereinheit 56 hat einen integrierten Wärmetauscher, über den die bei der Knallgasreaktion frei werdende Reaktionsenthalpie verwendet wird, um das Wärmeübertragungsmedium 12, beispielsweise Heizwasser zu erwärmen. Dies kann beispielsweise über eine Pumpe 58 zum jeweiligen Verwendungsort gefördert werden. Das bei der Knallgasreaktion entstehende Wasser 56 wird entweder über den bereits erläuterten Rücklauf 13 mit Pumpe 48 und Mischventil 50 in den Speicher 6 zurückgeführt oder aber das abgekühlte Wasser über einen Kaltwasserablauf 60 abgezogen. Prinzipiell kann natürlich auch der Rücklauf 13 an den Kaltwasserablauf 60 angeschlossen werden, so dass nur bei Bedarf Wasser zum Elektrolyseur 4 zurückgeführt wird.
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Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß 2 dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
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Wie bereits erwähnt, könnte ein Energiewandler gemäß 1 verwendet werden, in einem Elektrofahrzeug den Akkumulator aufzuladen. Die dem Elektrolyseur 4 zuzuführende Energie könnte dann beispielsweise durch Rekuperation beim Abbremsen des Fahrzeugs geliefert werden, so dass der Speicher 6 in derartigen Betriebszuständen aufgeladen wird, so dass immer genügend Energie zur Verfügung steht, um den Akkumulator zu laden.
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Die in 2 erläuterte Lösung ist eher für stationäre Verwendungen, beispielsweise als Heizung vorgesehen. Natürlich könnte eine derartige Einheit auch Teil einer Klimaanlage sein, um einen Fahrzeuginnenraum oder einen Kühlmittelkreislauf schnellstmöglich zu erwärmen. Ein derartiger Kühlmittelkreislauf ist auch bei Elektrofahrzeugen erforderlich, um die Abwärme abzuführen oder beim Kaltstart die Komponenten auf Betriebstemperatur zu bringen.
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Offenbart sind eine Elektrolyseureinheit und ein Energiewandler mit einer derartigen Elektrolyseureinheit. Diese hat einen Elektrolyseur, der eine bauliche Einheit mit einem Speicher bildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energiewandler
- 2
- Elektrolyseureinheit
- 4
- Elektrolyseur
- 6
- Speicher
- 8
- Brennstoffzelle
- 10
- Wärmetauscher
- 12
- Wärmeübertragungsmedium
- 13
- Rücklauf
- 14
- Elektrode
- 16
- Photovoltaik
- 18
- Gehäuseplatte
- 20
- Gehäuseplatte
- 22
- Zulauf
- 24
- Gasausgang
- 26
- Gasausgang
- 28
- Wasserstoffspeicher
- 30
- Sauerstoffspeicher
- 32
- Speicherwandung
- 34
- Behälterwandung
- 36
- Wasserstoffanschluss
- 38
- Sauerstoffanschluss
- 40
- Wasserstoffleitung
- 42
- Sauerstoffleitung
- 44
- Regelventil
- 46
- Regelventil
- 48
- Pumpe
- 50
- Mischventil
- 52
- Knallgasleitung
- 54
- Regler
- 56
- Brennereinheit
- 58
- Pumpe
- 60
- Kaltwasserablauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009048455 A1 [0006]