DE60126196T2

DE60126196T2 - Brennstoffgaserzeugungssystem und Erzeugungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE60126196T2
Application number: DE60126196T
Authority: DE
Inventors: Haruyuki Toyota-shi Aichi-ken Nakanishi; Shinichi Toyota-shi Aichi-ken Matsumoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: EP1857409A3; DE60126196D1; EP1170249A1; EP1170249B1; US6592741B2; JP4843845B2; JP2002080202A; US20020025462A1; EP1857409A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Erzeugung wasserstoffreichen Brennstoffgases durch Hydrolyse oder Pyrolyse eines Metallhydrids.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Die Systembauweisen zum Betrieb von Brennstoffzellen lassen sich grob in eine Bauweise, bei der ein Wasserstoffgas, das in einem Tank und so weiter gesammelt ist, einer Anode (Wasserstoffelektrode) zugeführt wird, und eine Bauweise aufteilen, bei der Wasserstoff, der durch eine chemische Reaktion aus einem vorgegeben Ausgangsstoff produziert wurde, zugeführt wird. Als Beispiel der letztgenannten Art ist eine Bauweise bekannt, die ein Metallhydrid verwendet, das allgemein als chemisches Hydrid bezeichnet wird.
Chemische Hydride sind Verbindungen aus Wasserstoff und Alkalimetallen oder Metallkomplexen und haben die Eigenschaft, Wasserstoff zu produzieren, wenn sie hydrolysiert oder pyrolysiert werden. Die chemischen Hydride sind auch als Substanzen sehr hoher Energiedichte bekannt. Infolge jüngerer Forschungen sind verschiedene Metallhydride wie NaH, NaBH₄, NaAlH₄, LiAlH₄, LiBH₄, LiH, CaH₂, AlH₃, MgH₂ usw. als chemische Hydride bekannt geworden.
So ist es zum Beispiel bekannt, dass NaBH₄ beim Hydrolysieren wie in der folgenden Gleichung Wasserstoff und NaBO₂ als ein metallhaltiges Produkt produziert. NaBH₄ + 2H₂O → NaBO₂ + 4H₂
Ein Beispiel für eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung, die ein Metallhydrid nutzt, ist die in der JP-A SHO 54-127891 beschriebene Vorrichtung. Diese Vorrichtung hydrolysiert zur Erzeugung von Wasserstoff ein Metallhydrid, indem sie einem Behälter, der das Metallhydrid enthält, über ein im Behälter vorgesehenes Wasserversorgungsrohr Wasser zuführt.
Ein System, in dem ein Metallhydrid hydrolysiert wird, benötigt zum separaten Speichern des zuzuführenden Wassers einen Wassertank und ist daher groß. Ein System, in dem Metallhydrid pyrolysiert wird, verbraucht Heizenergie und hat daher eine geringe Energieeffizienz.
Um die Anwendbarkeit eines Brennstoffgaserzeugungssystems zu verbessern, das ein Metallhydrid verwendet, sind daher die folgenden Verbesserungen nötig. Zunächst werden eine Verkleinerung und eine Verbesserung der Energieeffizienz des Systems gefordert. In den letzten Jahren wurde insbesondere der Einbau von Brennstoffzellen in Fahrzeugen oder anderen sich bewegenden Körpern in Betracht gezogen. Für den Einbau in einem sich bewegenden Körper wird stark nach einem kleineren System und nach verbesserter Energieeffizienz verlangt. Darüber hinaus kommt es bei der Hydrolyse eines Metallhydrids in einigen Fällen dazu, dass die Reaktion bei etwa 50% Zersetzung endet, da das Metallhydrid von einem metallhaltigen Produkt überzogen wird. Daher besteht die zweite Forderung darin, für eine effiziente Wasserstofferzeugung die Reaktionsrate zu verbessern.
Außerdem ist festgestellt worden, dass es in einigen Fällen aufgrund des Vorhandenseins von Verunreinigungen nicht zweckmäßig ist, ein durch die Zersetzung eines Metallhydrids erzeugtes Wasserstoffgas einer Brennstoffzelle zuzuführen, solange es nicht weiter behandelt wird.
Darüber hinaus verbraucht sich ein Metallhydrid, wenn Wasserstoff erzeugt wird. Daher ist die dritte Forderung die, ein Verfahren zu etablieren, mit dem sich leicht ein Metallhydrid hinzugeben lässt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist demnach eine Aufgabe der Erfindung, die Anwendbarkeit eines Brennstoffgaserzeugungssystems zu verbessern, das ein chemisches Hydrid verwendet.
Wie in Anspruch 1 definiert ist, ist erfindungsgemäß ein Brennstoffgaserzeugungssystem zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Brennstoffgases für eine Brennstoffzelle vorgesehen, das einen Reaktor, der durch Pyrolyse eines Metallhydrids Wasserstoff erzeugt, und einen Versorgungsmechanismus enthält, der den Reaktor mit Wärme versorgt, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird.
Was das Metallhydrid betrifft, können verschiedene Substanzen verwendet werden, die zur Erzeugung von Wasserstoff pyrolysiert werden, was die oben genannten Substanzen wie NaBH₄ und NaAlH₄ einschließt. Diese Ausgestaltung erlaubt es, für die Zersetzungsreaktion Wärme zu verwenden, die von der Brennstoffzelle erzeugt wurde. Wenn auf diese Weise die von der Brennstoffzelle erzeugte Wärme genutzt wird, ist es möglich, eine Energiequelle für die Pyrolyse wegzulassen oder ausreichend zu verkleinern. Dadurch kann das gesamte System verkleinert werden.
Der Versorgungsmechanismus kann ein Heizmediumumwälzmechanismus sein, der ein vorgegebenes Heizmedium auf wärmetauschende Weise zwischen dem Reaktionsabschnitt und der Brennstoffzelle umwälzt. Es ist auch zweckmäßig, eine Bauweise einzusetzen, bei der die Brennstoffzelle und der Reaktionsabschnitt nahe beieinander liegen, so dass Wärme ohne Verwendung eines Heizmediums übertragen werden kann. Die das Heizmedium einsetzende Bauweise hat den Vorteil eines höheren Freiheitsgrads bei der räumlichen Anordnung des Reaktionsabschnitts und der Brennstoffzelle. Das Heizmedium kann zum Beispiel ein Kühlwasser zum Kühlen der Brennstoffzelle sein. Es ist ratsam, das Heizmedium und den Katalysator für die Pyrolyse entsprechend der Hydrolysetemperatur des Metallhydrids zu wählen. Wenn zum Beispiel Kühlwasser als Heizmedium verwendet wird, beträgt die maximale Heiztemperatur 100 Grad Celsius, so dass es ratsam ist, ein Metallhydrid und einen Katalysator zu wählen, der eine Pyrolyse innerhalb eines solchen Temperaturbereichs erlaubt.
Es kann eine Elektrifizierungseinrichtung zur Elektrifizierung des Metallhydrids vorgesehen werden. Das Metallhydrid wird während der Elektrifizierung aufgrund seines Innenwiderstands erhitzt. Die Elektrifizierungseinrichtung kann daher bei der Pyrolyse die Energieeffizienz gegenüber einer Heizeinrichtung wie einem Heizelement oder dergleichen verbessern. Darüber hinaus lassen sich die erzeugte Wärmemenge und die erzeugte Wasserstoffmenge leicht durch Steuern der an das Metallhydrid angelegten Spannung kontrollieren. Die Elektrifizierungseinrichtung kann während der Anfangszeit des Betriebs, wenn die Brennstoffzelle noch nicht ausreichend aufgeheizt ist, zur Pyrolyse verwendet werden oder sie kann auch als eine Heizeinrichtung verwendet werden, um Schwankungen der von der Brennstoffzelle zugeführten Wärme auszugleichen.
Es ist wünschenswert, dass der Reaktor bei der ersten Ausgestaltung mit einem Katalysator beladen ist. Aufgrund der Wirkung des Katalysators können die Reaktionsrate und die Reaktionsgeschwindigkeit verbessert werden. Der Katalysator kann ein Katalysator auf Platinbasis, auf Titanoxidbasis oder auf Rutheniumbasis sein. Unter diesen sind die beiden letztgenannten Katalysatoren wünschenswert.
Der Katalysator kann auf verschiedene Weise gehalten werden. Wenn eine Hydrolyse durchgeführt wird, ist es zum Beispiel möglich, ein Verfahren einzusetzen, bei dem der Katalysator auf einem Wabenmonolithen gehalten wird. Falls dieses Verfahren eingesetzt wird, können die Hohlräume des Wabenmonolithen als Kanäle für eine Mischflüssigkeit aus Wasser und einem Metallhydrid verwendet werden.
Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet einen Abschnitt für eine exotherme Reaktion, der durch eine exotherme Reaktion, bei der ein erstes Metallhydrid hydrolysiert wird, Wasserstoff erzeugt, einen Abschnitt für eine endotherme Reaktion, der durch Pyrolysieren eines zweiten Metallhydrids Wasserstoff erzeugt, und einen Wärmezuführungsmechanismus, der dem Abschnitt für die endotherme Reaktion zusätzliche Wärme zuführt, die von dem Abschnitt für die exotherme Reaktion erzeugt wurde. Die zweite Ausgestaltung und die erste Ausgestaltung sollen die gleichen Aufgaben lösen. Und zwar sollen wie bei der ersten Ausgestaltung die Energieeffizienz bei der Wasserstofferzeugung verbessert und die Vorrichtung verkleinert werden.
Das erste und zweite Metallhydrid können wie im Fall der ersten Ausgestaltung aus verschiedenen Substanzen gewählt werden. Die beiden Metallhydride können ein und dieselbe Substanz sein. Es ist vorzuziehen, dass das erste Metallhydrid eine Substanz ist, die sich leicht hydrolysieren lässt, und das zweite Metallhydrid eine Substanz ist, die sich leicht pyrolysieren lässt.
Gemäß der zweiten Ausgestaltung kann auch von dem Abschnitt für die endotherme Reaktion, der die von dem Abschnitt für die exotherme Reaktion erzeugte Wärme nutzt, Wasserstoff erzeugt werden, so dass das gesamte System verkleinert und effizienter gemacht werden kann. Da auch von dem Abschnitt für die endotherme Reaktion Wasserstoff erzeugt wird, kann die Wasserstoffmenge, die von dem Abschnitt für die exotherme Reaktion erzeugt werden muss, verringert werden und kann auch die Wassermenge verringert werden, die für die Hydrolyse zugeführt werden muss. Deswegen besteht ein weiterer Vorteil darin, dass der Wassertank eine geringere Kapazität haben kann.
Der Wärmezuführungsmechanismus kann zum Beispiel ein einzelner Speicherbehälter sein, den der Abschnitt für die endotherme Reaktion und der Abschnitt für die exotherme Reaktion gemeinsam haben. Diese Anordnung erlaubt eine effiziente Wärmezufuhr, während sie eine Verkleinerung ermöglicht. Der Wärmezuführungsmechanismus kann auch einen Aufbau haben, bei dem die Wärme über ein Heizmedium übertragen wird.
Der Abschnitt für die exotherme Reaktion kann von einem Wassertank mit Wasser versorgt werden. Wenn der Wasserversorgungsmechanismus jedoch Wasser zuführt, das von der Brennstoffzelle erzeugt wird, kann das System weiter verkleinert werden.
Bei der zweiten Ausgestaltung kann wie bei der ersten Ausgestaltung eine Elektrifizierungseinrichtung zur Elektrifizierung eines Metallhydrids vorgesehen werden. Ähnlich wie bei der ersten Ausgestaltung ist es dadurch möglich, unter Nutzung der Wärme, die vom Abschnitt für die exotherme Reaktion erzeugt wird, Dampf zu erzeugen oder den Abschnitt für die exotherme Reaktion mit einem Kühlmechanismus auszustatten, der auch für die Brennstoffzelle verwendet wird. Auch bei der zweiten Ausgestaltung ist es vorzuziehen, dass der Reaktionsabschnitt mit einem Katalysator versehen ist.
Eine dritte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet einen Metallionenentfernungsmechanismus, der aus einem Gas, das in einem Reaktionsabschnitt durch Hydrolysieren oder Pyrolysieren eines Metallhydrids erzeugt wird, zumindest ein Metallion entfernt. Was die Reaktion betrifft, ist es möglich, entweder den Reaktionsabschnitt der ersten Ausgestaltung, den Reaktionsabschnitt der zweiten Ausgestaltung oder den Reaktionsabschnitt nach dem Stand der Technik anzuwenden.
Bei der Zersetzungsreaktion des Metallhydrids wird gleichzeitig mit dem Wasserstoff ein metallhaltiges Produkt erzeugt. Das metallhaltige Produkt löst sich unter Bildung von Metallionen in Wasser, auch wenn die Menge gering ist. Metallionen schädigen bekanntlich Brennstoffzellen. Eine vierte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet einen Durchgang, durch den eine Mischflüssigkeit aus Wasser und einem Metallhydrid hindurchgeht, und einen Katalysator, der in dem Durchgang gehalten wird und der die Hydrolyse des Metallhydrids beschleunigt. Was den Reaktor betrifft, ist es möglich, entweder den Reaktor der ersten oder zweiten Ausgestaltung oder den Reaktor nach dem Stand der Technik anzuwenden.
Metalloxide schädigen bekanntlich Brennstoffzellen und insbesondere Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen. Dies ist ein Effekt, der allgemein als Ionenvergiftung bezeichnet wird. In einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle binden sich Sulfonatgruppen der Elektrolytmembran an den Metallionen und ist die Membran dadurch nicht mehr in der Lage, ihre Protonenleiterfunktion auszuüben. Bei einer dritten Ausgestaltung werden aus dem vom Reaktionsabschnitt erzeugten Gas Metallionen entfernt, wodurch die Ionenvergiftung vermieden werden kann.
Das Entfernen der Metallionen erfolgt zum Beispiel unter Verwendung einer durchlässigen Membran, die selektiv nur den Durchgang von Metallionen erlaubt. Metallionen können auch durch chemische Ausscheidung entfernt werden.
Darüber hinaus ist es zweckmäßig, ein Verfahren einzusetzen, bei dem über eine Wasserstofftrennmembran, die selektiv Wasserstoff durchlässt, nur Wasserstoff abgetrennt wird. Die Wasserstofftrennmembran kann zum Beispiel eine dünne Membran aus Palladium oder einer Palladiumlegierung sein, eine dünne Membran, die durch Halten eines solchen Metalls in Hohlräumen eines Grundkörpers aus einer porösen Keramik gebildet wird, usw.
Die Wasserstofftrennmembran ist eine Membran, die aufgrund des Wasserstoffpartialdifferenzdrucks über der Membran nur den Durchgang von Wasserstoff erlaubt. Die Durchgangsgeschwindigkeit erhöht sich mit der Abnahme des Wasserstoffpartialdrucks auf der Wasserstoffentnahmeseite. Um die Wasserstoffdurchgangsgeschwindigkeit zu erhöhen, kann der Entnahmeseite daher als Spülgas ein anderes Gas als Wasserstoff, zum Beispiel Wasserdampf, zugeführt werden und kann der entnommene Wasserstoff zwangsweise zur Brennstoffzelle transportiert werden. Ein solches Spülgas kann zum Beispiel Wasserdampf sein, der unter Nutzung der Wärme vom Reaktionsabschnitt erzeugt wird.
Es ist wünschenswert, außerdem einen Speicherabschnitt zum Speichern eines anderen Produkts als des Wasserstoffs, das durch die Zersetzungsreaktion des Metallhydrids erzeugt wird, und einen Reduktionsmechanismus vorzusehen, um das Produkt unter Zufuhr von Wasserstoff zum Speicherabschnitt zu einem Metallhydrid zu reduzieren. Dies erlaubt es, das Metallhydrid effizient wieder zu verwenden. Der für die Reduktion verwendete Wasserstoff kann von außen zugeführt werden oder kann überschüssiger Wasserstoff sein, der ungenutzt in der Brennstoffzelle zurückbleibt. Die Reduktionsenergie wird von außerhalb des Brennstoffgaserzeugungssystems zugeführt. Wenn das Brennstoffgaserzeugungssystem in einem mobilen Körper eingebaut ist, können zum Beispiel die verschiedenen im mobilen Körper eingebauten Energiequellen verwenden werden. Im Fall eines mobilen Körpers, der sich bewegt, indem er Strom von einem elektrischen Stromgenerator verwendet, kann als Reduktionsenergie zum Beispiel regenerative Energie verwendet werden, die beim Bremsen erzielt wird.
Das erfindungsgemäße Brennstoffgaserzeugungssystem erlaubt eine Verkleinerung und eine Verbesserung der Effizienz und ist daher insbesondere beim Einbau in einem mobilen Körper hocheffizient.
Unabhängig davon, ob eine der ersten bis vierten Ausgestaltungen Anwendung findet, muss ein Metallhydrid als Material in einem Brennstoffgaserzeugungssystem zum Erzeugen von Wasserstoff durch Hydrolysieren des Metallhydrids passend zugegeben werden. Diese Zugabe des Metallhydrids kann einfach dadurch erreicht werden, dass wie unten beschrieben eine Materialkassette verwendet wird. Eine Materialkassette enthält in Übereinstimmung mit der Erfindung einen verbindenden Öffnungsabschnitt, einen ersten Speicherabschnitt, einen zweiten Speicherabschnitt, einen Rohraufbau und ein Gehäuse, das zumindest den ersten Speicherabschnitt, den zweiten Speicherabschnitt und den Rohraufbau aufnimmt. Der verbindende Öffnungsabschnitt ist ein Mechanismus, der mit einer Rohrleitung verbunden wird, die mit einem Reaktor eines Brennstoffgaserzeugungssystems in Verbindung steht. Der erste Speicherabschnitt speichert ein Metallhydrid. Der zweite Speicherabschnitt speichert Wasser, das bei der Hydrolyse verwendet wird.
Wenn für die Hydrolyse Wasser verwendet wird, das von der Brennstoffzelle erzeugt wurde, kann die im zweiten Speicherabschnitt gespeicherte Wassermenge unter Berücksichtigung des von der Brennstoffzelle erzeugten Wassers verringert werden. Die Rohranordnung ist so aufgebaut, dass das Metallhydrid und Wasser gemischt werden und dass dieses Gemisch dazu gebracht wird, über eine verbindende Öffnung heraus zu fließen. So ist es zum Beispiel möglich, eine Bauweise zu verwenden, bei der das Metallhydrid und das Wasser jeweils dem ersten und zweiten Speicherabschnitt entnommen werden und, bevor sie dazu gebracht werden, zur verbindenden Öffnung zu fließen, zusammengebracht werden. Es ist auch zweckmäßig, eine Bauweise einzusetzen, bei der das Wasser dazu gebracht wird, vom zweiten Speicherabschnitt aus zum ersten Speicherabschnitt zu fließen, und die Mischflüssigkeit dazu gebracht wird, aus dem ersten Speicherabschnitt heraus zu fließen. In einem Brennstoffgaserzeugungssystem mit einer Bauweise, bei der wie oben angesprochen mehrere Materialkassetten vorgesehen sein können, können die Erzeugung von Wasserstoff unter Verwendung mindestens einer Materialkassette und der Austausch mindestens einer weiteren Materialkassette gleichzeitig erfolgen.
Die Erfindung lässt sich in verschiedenen anderen Formen als dem Brennstoffgaserzeugungssystem aufbauen, zum Beispiel in Form eines Brennstoffzellensystems, in Form eines mit diesem System ausgestatteten Mobils usw. Es ist auch möglich, die Erfindung in Form eines Reaktors aufzubauen, der mit einem Katalysator beladen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Vergleichsbeispielen und erfindungsgemäßen Beispielen, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen gleiche Zeichen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustellen. Es zeigen
1 schematisch die Bauweise eines Brennstoffgaserzeugungssystems als ein nicht erfindungsgemäßes erstes Beispiel;
2 ein Kühlsystem des Brennstoffgaserzeugungssystems;
3 schematisch den Aufbau eines Trennmechanismus 2A;
4 schematisch die Bauweise eines Brennstoffgaserzeugungssystems als eine erste Abwandlung des ersten Beispiels;
5 ein Ablaufschema einer Brennstoffzellenstartsteuerung;
6 ein Ablaufschema einer Brennstoffzellenbetriebssteuerung;
7 schematisch die Bauweise eines Brennstoffgaserzeugungssystems als eine zweite Abwandlung des ersten Beispiels;
8 schematisch die Bauweise eines Brennstoffgaserzeugungssystem als eine dritte Abwandlung des ersten Beispiels;
9 schematisch die Bauweise eines Brennstoffgaserzeugungssystems als eine vierte Abwandlung des ersten Beispiels;
10 schematisch die Bauweise eines Brennstoffgaserzeugungssystems als ein erfindungsgemäßes zweites Beispiel;
11 schematisch die Bauweise eines Brennstoffgaserzeugungssystems als ein erfindungsgemäßes drittes Beispiel;
12 schematisch die Bauweise eines Brennstoffgaserzeugungssystems als ein nicht erfindungsgemäßes viertes Beispiel; und
13 den Aufbau einer Reaktionseinheit 71.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER BEISPIELE
Es werden nun zu jedem einzelnen der folgenden Punkte Vergleichsbeispiele und erfindungsgemäße Beispiele beschrieben. Die Vergleichsbeispiele veranschaulichen einige Gesichtspunkte oder Merkmale, die auch bei den erfindungsgemäßen Beispielen verwendet werden können.

A. Bauweise eines nicht erfindungsgemäßen ersten Beispiels, die erzeugtes Wasser verwendet:
A1. Bauweise einer ersten Abwandlung des ersten Beispiels, bei der einem Metallhydrid Elektrizität zugeführt wird.
A2. Bauweise einer zweiten Abwandlung des ersten Beispiels, die einen Reduktionsmechanismus hat.
A3. Bauweise einer dritten Abwandlung des ersten Beispiels, die ein Dampferzeugungssystem hat.
A4. Bauweise einer vierten Abwandlung des ersten Beispiels, die eine Wasserstofftrennmembran hat.
B. Zweites Beispiel
C. Drittes Beispiel
D. Viertes Beispiel

A. Bauweise einer ersten Beispiels, die erzeugtes Wasser verwendet:
1 zeigt schematisch die Bauweise eines Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Beispiel.
Bei der unten beschriebenen Bauweise gemäß dem ersten Beispiel wird Wasser, das von einer Brennstoffzelle 1 erzeugt wurde, verwendet, um durch Hydrolysieren eines als chemisches Hydrid bezeichneten Metallhydrids ein Brennstoffgas zu erzeugen. Wie in 1 gezeigt ist, enthält dieses System eine Brennstoffzelle 1, ein Brennstoffgaserzeugungssystem 20, eine Steuerungseinheit 10 und weitere Peripherievorrichtungen.
Die Brennstoffzelle 1 ist eine Einheit, die durch elektrochemische Reaktion von Wasserstoff, der einer Anode 1A zugeführt wird, und Sauerstoff aus Luft, die einer Kathode 1C zugeführt wird, elektrischen Strom erzeugt. Die Brennstoffzelle 1 entspricht in diesem Beispiel einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die eine geringe Größe und eine verhältnismäßig hohe Betriebseffizienz hat. Die Brennstoffzelle 1 kann auch verschiedenen anderen Bauarten entsprechen, zum Beispiel einer Phosphorsäurebauart, einer Karbonatschmelzenbauart, einer Festelektrolytbauart, einer Alkalibauart, usw.
Das Brennstoffgaserzeugungssystem 20 enthält einen Speicher 21 zum Speichern einer Masse eines auch als chemisches Hydrid bezeichneten Metallhydrids, einen Feinpulverisiermechanismus 22, der die Masse des Metallhydrids zu Pulver zerkleinert, einen Reaktor 23 und eine Einspritzdüse 3 zum Einspritzen von Wasser. Das in diesem Beispiel verwendete Metallhydrid ist NaBH₄. Diese Substanz produziert beim Hydrolysieren bekanntlich gemäß der folgenden Gleichung Wasserstoff: NaBH₄ + 2H₂O → NaBO₂ + 4H₂
Das Metallhydrid kann auch verschiedenen anderen Substanzen entsprechen, die beim Hydrolysieren Wasserstoff produzieren. Für die oben genannten Substanzen sind NaH, NaBH₄, NaAlH₄, LiAlH₄, LiBH₄, LiH, CaH₂, AlH₃, MgH₂ usw, bekannt.
Der Feinpulverisiermechanismus 22 ist ein Mechanismus, der die Form des Metallhydrids allmählich in feine Teilchen umwandelt, indem er über einen Motor oder dergleichen eine Feile mit einer das Metallhydrid berührenden rauen Oberfläche antreibt. Anstatt den Feinpulverisiermechanismus 22 vorzusehen, ist es auch zweckmäßig, ein vorpulverisiertes Metallhydrid zu speichern. Der Feinpulverisiermechanismus 22 kann auch durch eine Anordnung ersetzt werden, die auf das Metallhydrid direkt einen Wasserstrahl abgibt.
In dem Reaktor 23 wird die durch die oben genannte Gleichung ausdrückte Hydrolyse ausgelöst, indem dem zu feinen Teilchen umgewandelten Metallhydrid von der Einspritzdüse 3 aus Wasser zugeführt wird. Bei der Erfindung kann der Wasserzuführungsmechanismus für die Einspritzdüse 3 ein Mechanismus sein, der Wasser in Form einer Flüssigkeit einsprüht, oder ein Mechanismus, der Wasser in Form von Dampf zuführt. In diesem Beispiel wird für das dem Metallhydrid zuzuführende Wasser von der Brennstoffzelle 1 erzeugtes Wasser verwendet. In der Brennstoffzelle 1 wandelt sich Wasserstoff, der der Anode 1A zugeführt wird, in Wasserstoffionen um. Die Wasserstoffionen bewegen sich dann durch eine Elektrolytmembran zur Seite der Kathode 1C und reagieren mit Sauerstoff aus der Luft, die der Kathode 1C zugeführt wird, wodurch Wasser erzeugt wird. Das Kathodenabgas ist daher ein Gas, das eine große Menge des auf diese Weise erzeugten Wassers enthält. Das auf diese Weise erzeugte Wasser wird in diesem Beispiel dem Reaktor zugeführt und für die Hydrolyse darin verwendet. Das Kathodenabgas kann zwar dem Reaktor 23 direkt zugeführt werden, doch wird das Wasser in diesem Beispiel durch einen Kondensator 2 vom Kathodenabgas getrennt und dann dem Reaktor 23 zugeführt. Diese Art von Wasserzuführung verhindert, dass in den Reaktor andere Komponenten als Wasser eingespeist werden, und verhindert dadurch ungewünschte chemische Reaktionen solcher Komponenten im Reaktor. Darüber hinaus wird eine im Großen und Ganzen Eins-Zu-Eins-Entsprechung zwischen der eingespritzten Wassermenge und der der Reaktion unterliegenden Wassermenge sichergestellt, so dass sich die eingespritzte Wassermenge verhältnismäßig leicht entsprechend der erzeugten Wasserstoffmenge steuern lässt.
Der Reaktor 23 kann mit einem Katalysator versehen sein, der die Hydrolyse beschleunigt. Der Katalysator kann zum Beispiel ein Katalysator auf Platinbasis, ein Katalysator auf Rutheniumbasis oder ein Katalysator auf Titanoxidbasis sein. Der Katalysator kann zum Beispiel durch ein Verfahren bereitgestellt werden, bei dem in dem Reaktor 23 ein Träger wie ein Wabenmonolith oder dergleichen vorgesehen wird und der Träger mit dem Katalysator beladen wird. Es ist auch zweckmäßig, eine Bauweise einzusetzen, bei der in dem Speicher 21 ein Gemisch aus dem Metallhydrid und dem Katalysator gespeichert ist und dieses Gemisch dem Reaktor 23 zugeführt wird.
Auf dem Boden des Reaktors 23 sammelt sich ein Produkt 24, das durch die Hydrolyse erzeugt wird, d.h. NaBO₂.
Der erzeugte Wasserstoff wird der Anode 1A der Brennstoffzelle 1 über eine Rohrleitung zugeführt. Auf halbem Weg der Rohrleitung befinden sich ein Gasströmungssensor 4 zum Erfassen der Gasströmungsmenge und ein Ventil 12 zum Einstellen der Strömungsmenge. Der Reaktor 23 ist mit einem Wasserstoffdrucksensor 11 ausgestattet. Auf Basis des von dem Wasserstoffdrucksensor 11 erfassten Werts kann die in dem Reaktor 23 erzeugte Wasserstoffmenge erfasst werden.
Der Betrieb des Brennstoffzellensystems wird durch die Steuerungseinheit 10 gesteuert. Die Steuerungseinheit 10 ist als ein Mikrocomputer mit einer CPU und einem Speicher darin ausgebildet. Um den Betrieb zu steuern, erlaubt die Steuerungseinheit 10 den Eingang von Erfassungssignalen vom Wasserstoffdrucksensor 11, vom Gasströmungssensor 4 usw. Auf Basis dieser Signale steuert die Steuerungseinheit 10 die von der Einspritzdüse 3 eingespritzte Wassermenge und den Öffnungsgrad des Ventils 12, damit der Brennstoffzelle 1 die Wasserstoffmenge zugeführt wird, die zur Erzeugung einer angeforderten Leistung benötigt wird. Auch wenn dies in den Zeichnungen fehlt, werden von der Steuerungseinheit 10 Signale zur Steuerung der Betriebszustände der Brennstoffzelle 1, des Kondensators und verschiedener anderer (nicht gezeigter) Einheiten eingelesen und ausgelesen.
2 zeigt ein Kühlsystem des Brennstoffzellensystems. Da die Hydrolyse des Metallhydrids eine exotherme Reaktion ist, nimmt das Brennstoffgaserzeugungssystem 20 eine hohe Temperatur ein. Die Temperatur während der Reaktion hängt von der Art des Metallhydrids, seiner Reaktionsrate usw. ab. Es ist festgestellt worden, dass die Temperatur während der Reaktion bei Verwendung von NaBH₄ den Bereich 200°C bis 800°C erreicht. Der Reaktor 23 wird in diesem Beispiel, wie in 2 angegeben ist, von einem Kühlsystem gekühlt, das auch zum Kühlen der Brennstoffzelle 1 verwendet wird. Das Kühlsystem enthält eine Rohrleitung 7 und eine Pumpe 8 zum Umwälzen eines Kühlmittels über die Brennstoffzelle 1 und den Reaktor 23 sowie einen Wärmeableiter 9, der Wärme vom Kühlmittel frei gibt. Das Kühlmittel wird über die Brennstoffzelle 1, den Reaktor 23 und den Wärmeableiter 9 in dieser Reihenfolge umgewälzt. Nach der Wärmeableitung kühlt das auf einer niedrigen Temperatur T0 befindliche Kühlmittel die Brennstoffzelle 1 und wird daher auf eine Temperatur T1 erhitzt. Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 1 beträgt im Fall einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle etwa 80°C bis etwa 100°C. Die Temperatur T1 entspricht daher grob dieser Temperatur. Das Kühlmittel kühlt den Reaktor 23 und wird daher auf eine Temperatur T2 erhitzt. Danach gibt das Kühlmittel im Ableiter 9 Wärme ab und wird dann wieder der Brennstoffzelle zugeführt.
Wie oben erwähnt wurde, besteht eine große Differenz zwischen der Temperatur der Brennstoffzelle 1 und der Temperatur des Reaktors 23. Daher kann das Kühlmittel, selbst nachdem es die Brennstoffzelle 1 gekühlt hat und daher erhitzt wurde, ausreichend effektiv zum Kühlen des Reaktors 23 verwendet werden. Was das umzuwälzende Kühlmittel betrifft, reicht die Wahl einer Flüssigkeit, die dazu in der Lage ist, ausreichend Wärme vom Reaktor 23 zu absorbieren. In diesem Beispiel wird ein einziges Kühlsystem gemeinsam für die Brennstoffzelle 1 und den Reaktor 23 verwendet, wobei der Vorteil der großen Temperaturdifferenz zwischen diesen genutzt wird. Daher kann das Kühlsystem verkleinert und im Aufbau vereinfacht werden. In diesem Beispiel ist die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 1 niedriger als die des Reaktors 23. Wenn jedoch die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 1 höher als die des Reaktors 23 ist, kann dennoch für sowohl die Brennstoffzelle 1 als auch den Reaktor 23 ein einziges Kühlsystem verwendet werden, wenn eine Bauweise eingesetzt wird, bei der die Kühlung über den Reaktor 23 und die Brennstoffzelle 1 in dieser Reihenfolge geschaltet ist.
In dem oben beschriebenen Brennstoffgaserzeugungssystem 20 des ersten Beispiels wird zur Wasserstofferzeugung das Metallhydrid verwendet, das eine hervorragende Energiedichte hat, so dass der Speicher 21 verkleinert werden kann. Da der Wasserstoff durch Hydrolyse erzeugt wird, kann der Aufbau des Reaktors 23 außerdem vorteilhafter Weise verhältnismäßig einfach gehalten werden. Da das Brennstoffgaserzeugungssystem 20 von der Brennstoffzelle 1 erzeugtes Wasser als Wasser verwendet, das für die Hydrolyse zugeführt wird, kann der Versorgungswassertank wegfallen oder verkleinert werden. Es ist nicht länger nötig, öfters Wasser zuzugeben, damit die Brennstoffzelle 1 arbeitet. Diese Vorteile sind effektiv, wenn das Brennstoffzellensystem in Fahrzeugen oder andere Arten von mobilen Körpern eingebaut wird. Bei Fahrzeugen oder anderen mobilen Körpern sind die räumlichen Einschränkungen beim Einbau eines Brennstoffzellensystems schwerwiegend und besteht ein hoher Bedarf, die Häufigkeit der Wasserzugabe oder dergleichen zu verringern.
Bevor die Brennstoffzelle 1 gestartet wird, kann der Reaktor 23 nicht ausreichend mit erzeugtem Wasser versorgt werden. Daher ist es vorzuziehen, dass das System des ersten Beispiels einen Wasserstoffspeicherabschnitt zum Speichern von Wasserstoff für den Start der Brennstoffzelle 1 oder einen Inbetriebnahmewassertank zur Zufuhr von Wasser zum Reaktor 23 vor der Inbetriebnahme enthält. Der Wasserstoffspeicherabschnitt kann zum Beispiel eine Wasserstoffspeicherlegierung oder ein luftdichter Behälter sein. Es ist auch möglich, den Reaktor als Wasserstoffspeicherabschnitt zu verwenden. Was den Wasserstoffspeicherabschnitt und den Inbetriebnahmewassertank betrifft, reicht es, nur einen davon vorzusehen.
Im ersten Beispiel wird durch den Kondensator 2 Wasser vom Kathodenabgas getrennt. Allerdings kann die Wassertrennung vom Kathodenabgas auch durch verschiedene andere Mechanismen als dem Kondensator erfolgen, zum Beispiel durch ein Molekularsieb, das von einem porösen Material gebildet wird, oder dergleichen. 3 zeigt schematisch den Aufbau eines Trennmechanismus 2A als ein bestimmtes Beispiel für den Gas-Wasser-Trennmechanismus. 3 stellt einen Aufbau dar, der dem Kondensator 2 in diesem Beispiel entspricht. Der Trennmechanismus 2A trennt Wasser vom Kathodenabgas, indem es Wasser verwendet. Wie in 3 gezeigt ist, wird der Trennmechanismus 2A von einem Behälter zum Speichern von Wasser gebildet. Dieser Behälter hat einen ersten Behälter 2B, in den das Kathodenabgas eingeleitet wird, einen zweiten Behälter 2D zum Speichern von Wasser für die Hydrolyse und einen verbindenden Wasserkanal 2C, der die beiden Behälter verbindet. Sauerstoff und dergleichen, der in dem Kathodenabgas enthalten ist, das in den Trennmechanismus 2A eingeleitet wird, bildet in dem ersten Behälter 2B Blasen und wird daher entfernt. Dadurch bleibt nur der Wasseranteil des Kathodenabgases zurück. Das auf diese Weise zurückgewonnene Wasser wird von einer Pumpe 3P aus dem zweiten Behälter 2D gepumpt und dann für die Hydrolyse des Metallhydrids verwendet. Da der Sauerstoff wie oben beschrieben aus dem Kathodenabgas entfernt wird, kann die Oxidation des Metallhydrids in ein metallhaltiges Produkt und Wasser verringert werden. Daher kann die Wasserstoffproduktion durch die Hydrolyse des Metallhydrids effizient und stabil durchgeführt werden. Das erste Beispiel setzt eine Bauweise ein, bei der der erste Behälter 2B und der zweite Behälter 2D durch den verbindenden Wasserkanal 2C verbunden sind, um das Einmischen von Wasserblasen aus dem Kathodenabgas in das Wasser zu vermeiden, wenn das Wasser von der Pumpe 3P hoch gepumpt wird. Allerdings kann die Funktion des ersten Behälters 2B und des zweiten Behälters 2D auch durch einen einzigen Behälter realisiert werden.
Die Trennung in dem Trennmechanismus 2A wird dadurch realisiert, dass das Kathodenabgas in Wasser eingespeist wird. Daher muss der Wasserpegel im Trennmechanismus 2A höher als der Öffnungsabschnitt des Kathodenabgasversorgungsrohrs gehalten werden. In diesem bestimmten Beispiel ist eine Steuerungseinheit zum Halten des Wasserpegels vorgesehen. Um den Wasserpegel zu halten, treibt die Steuerungseinheit 10 passend eine Pumpe 2P an, um dem Trennmechanismus Wasser von einem Wassertank 2T zuzuführen. Diese Steuerung erfolgt auf Basis von Ausgangssignalen von Wasserpegelsensoren 2E, 2F, die im Trennmechanismus 2A vorgesehen sind. Der Wasserpegelsensor 2E erfasst die Untergrenze des Wasserpegels im Trennmechanismus 2A. Der Wasserpegelsensor 2F erfasst die Obergrenze des Wasserpegels im Trennmechanismus 2A. Falls der Wasserpegel unter den Wasserpegelsensor 2E fällt, gibt die Steuerungseinheit 10 Wasser zu. Die Wasserzugabe wird beendet, wenn der Wasserpegel den Wasserpegelsensor 2F erreicht. Auf diese Weise wird der Wasserpegel im Trennmechanismus 2A zwischen den Wasserpegelsensoren 2E, 2F gehalten. In 3 befindet sich der Wasserpegel sensor 2E an einer Position, die höher als die Position des Öffnungsabschnitts des Kathodenabgasversorgungsrohrs ist und die angesichts der Möglichkeit, dass über den verbindenden Wasserkanal 2C Luft in den zweiten Behälter 2D eingemischt wird, die gleiche Höhe wie der oberste Abschnitt des verbindenden Wasserkanals 2C hat. Allerdings kann der Wasserpegelsensor 2E auch von der oben genannten Höhe auf eine Höhe abgesenkt werden, die im Großen und Ganzen der Höhe des Öffnungsabschnitts des Versorgungsrohrs entspricht.
A1. Bauweise einer ersten Abwandlung des ersten Beispiels, bei der einem Metallhydrid Elektrizität zugeführt wird.
4 zeigt schematisch die Bauweise eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Abwandlung des ersten Beispiels. Diese Abwandlung unterscheidet sich von dem oben beschriebenen ersten Beispiel dadurch, dass ein Speicher 21A eines Brennstoffgaserzeugungssystems 20A eine Schaltung für die Zufuhr eines elektrischen Stroms zu einem Metallhydrid CH hat. Die übrige Anordnung ist ansonsten im Wesentlichen die gleiche wie im ersten Beispiel.
Die Schaltung wird von einer elektrischen Leitung, die mit dem Metallhydrid verbunden ist, einer Batterie 30 als Stromquelle und einem Relais 31 zum An- und Ausschalten der Elektrifizierung gebildet. Von der Steuerungseinheit 10 wird der Einschalt- und Ausschaltzustand des Relais 31 gesteuert. Wenn das Relais 31 eingeschaltet wird, fließt durch das Metallhydrid CH ein Strom. Demzufolge wird das Metallhydrid aufgrund. seines Innenwiderstands erhitzt. Die erzeugte Wärmemenge ändert sich in Übereinstimmung mit der Menge der Elektrifizierung oder der zugeführten Elektrizität. Da die gesamte durch die Elektrifizierung erzeugte Wärmemenge dem Metallhydrid CH zugeführt wird, kann das Metallhydrid sehr effizient erhitzt werden. Das Metallhydrid CH wird pyrolysiert, so dass Wasserstoff produziert wird. Indem das Ein- und Ausschalten des Relais 31 gesteuert wird, kann daher die dem Metallhydrid CH zugeführte Elektrizitätsmenge gesteuert werden und kann daher die durch die Pyrolyse erzeugte Wasserstoffmenge gesteuert werden.
Die Elektrifizierung des Metallhydrids lässt sich effektiv zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle 1 nutzen. Und zwar kann sogar bei der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle 1, wenn dem Reaktor 23 kein von der Brennstoffzelle 1 erzeugtes Wasser zugeführt werden kann, das Metallhydrid CH durch Elektrifizieren des Metallhydrids CH pyrolysiert werden, um Wasserstoff zu produzieren. Die Elektrifizierungssteuerung bei der Inbetriebnahme kann zum Beispiel durch den folgenden Prozess realisiert werden.
5 zeigt das Ablaufschema einer Brennstoffzellenstartsteuerung. Die Brennstoffzellenstartsteuerung wird von der Steuerungseinheit 10 ausgeführt. Wenn dieser Prozess beginnt, stellt die Steuerungseinheit 10 fest, ob die Inbetriebnahme der Brennstoffzelle 1 befohlen worden ist (Schritt S1). Diese Feststellung kann zum Beispiel auf Basis des Ein-/Ausschaltzustands eines Startschalters der Brennstoffzelle 1 erfolgen, wenn ein solcher Schalter vorgesehen ist, oder auf Basis des Werts der angeforderten elektrischen Leistung, der separat in die Steuerungseinheit 10 eingegeben wurde.
Wenn die Inbetriebnahme der Brennstoffzelle 1 nicht befohlen worden ist, beendet die Steuerungseinheit 10 den Brennstoffzellenstartvorgang, ohne irgendeine weitere Verarbeitung vorzunehmen. Wenn die Inbetriebnahme der Brennstoffzelle 1 befohlen worden ist, stellt die Steuerungseinheit 10 fest, ob von der Brennstoffzelle 1 eine Wassermenge erzeugt wird, die die Hydrolyse erlaubt (Schritt S2). Falls die erzeugte Wassermenge unzureichend ist, elektrifiziert die Steuerungseinheit 10 das Metallhydrid CH durch Steuerung des Relais 31 (Schritt S3). Die Elektrifizierung erfolgt durch Ein- und Ausschalten des Relais 31, um so eine voreingestellte Spannung aufzubringen. Die Feststellung, ob die Hydrolyse durchführbar ist, kann zum Beispiel durch Ausgabe eines Befehls an die Einspritzdüse 3 erfolgen, eine vorbestimmte Wassermenge einzuspritzen, und durch Erfassen des Wasserstoffdrucks in Antwort darauf. Und zwar ändert sich der Wasserstoffdruck in Übereinstimmung mit der Wassermenge, die der Einspritzdüse 3 zugeführt wird. Es ist auch zweckmäßig, die Brennstoffzelle 1 oder den Kondensator 2 mit einem Sensor auszustatten, der dazu in der Lage ist, die erzeugte Wassermenge zu erfassen.
Wenn in Schritt S2 festgestellt wird, dass die Hydrolyse durchführbar ist, beendet die Steuerungseinheit 10 die Elektrifizierung durch Steuerung des Relais 31 (Schritt S4) und startet die Hydrolyse durch Zufuhr des erzeugten Wassers (Schritt S5). Die Elektrifizierung kann zwar ungeachtet der Durchführbarkeit der Hydrolyse fortgesetzt werden, doch verringert die Beendigung der Elektrifizierung den Stromverbrauch und kann daher die Energieeffizienz des gesamten Brennstoffzellensystems verbessern.
Die Elektrifizierung des Metallhydrids CH lässt sich nicht nur bei der Inbetriebnahme, sondern auch während des Betriebs der Brennstoffzelle 1 effektiv nutzen. Die von der Brennstoffzelle 1 erzeugte Wassermenge ändert sich entsprechend der angeforderten elektrischen Leistung, so dass es nicht immer möglich ist, die für die Hydrolyse benötigte Wassermenge stabil zuzuführen. Allerdings kann die Elektrifizierung des Metallhydrids CH die fehlende zugeführte Wassermenge ausgleichen und stabilisiert daher die Menge des produzierten Wasserstoffs. Diese Art der Elektrifizierungssteuerung kann zum Beispiel durch den folgenden Prozess erreicht werden.
6 zeigt das Ablaufschema einer Brennstoffzellenbetriebssteuerung. Diese Steuerung ist ein Prozess, der von der Steuerungseinheit 10 ausgeführt wird. In diesem Prozess liest die Steuerungseinheit 10 eine angeforderte Wasserstoffmenge, die zur Erzeugung der elektrischen Leistung benötigt wird, in Form eines befohlenen Werts für die angeforderte Leistung ein (Schritt S10) und stellt dann fest, ob die von der Brennstoffzelle 1 erzeugte Wassermenge ausreicht (Schritt S11). Diese Feststellung kann auf Basis von Schwankungen des Wasserstoffdrucks im Reaktor 23 erfolgen. Wenn die erzeugte Wassermenge unzureichend ist, setzt die Steuerungseinheit 10 die Hydrolyse fort, indem sie weiter das erzeugte Wasser zuführt (Schritt S12), und nimmt dann durch die Elektrifizierung eine Ausgleichssteuerung für die fehlende Wasserstoffmenge vor (Schritt S13). Die Steuerungseinheit 10 regelt die an das Metallhydrid CH angelegte Spannung, indem sie den Arbeitszyklus des Relais 31 so ändert, dass der Wasserstoffdruck gleich einem der angeforderten Wasserstoffmenge entsprechenden Wert wird.
Wenn in Schritt S11 festgestellt wird, dass die erzeugte Wassermenge ausreicht, beendet die Steuerungseinheit 10 die Elektrifizierung (Schritt S14) und führt dann durch Steuerung der eingespritzten Wassermenge die Hydrolyse durch (Schritt S15).
Eine ähnliche Steuerung wie die oben beschriebene Steuerung lässt sich realisieren, wenn im Steuerungsprozess von 6 die Feststellungsverarbeitung von Schritt S10 und die Verarbeitung der Schritte S14, S15 weggelassen werden und nur die Hydrolyse (Schritt S12) und der Ausgleich durch Elektrifizierung (Schritt S13) ausgeführt werden. Es kann angebracht sein, für eine Gestaltung zu sorgen, bei der die Elektrifizierungsmenge auf Null eingestellt wird, wenn durch die Hydrolyse eine ausreichende Wasserstoffmenge hergestellt wird, d.h. wenn der Wasserstoffdruck zumindest dem der angeforderten Wasserstoffmenge entsprechenden Wert entspricht.
Das oben beschriebene System der ersten Abwandlung erreicht neben den Vorteilen des ersten Beispiels die folgenden Vorteile. Erstens kann Wasserstoff durch sowohl die Elektrifizierung wie auch das von der Brennstoffzelle 1 erzeugte Wasser erzeugt werden, so dass die maximale Wasserstoffmenge, die das Brennstoffgaserzeugungssystem erzeugen kann, erhöht werden kann. Zweitens kann die Brennstoffzelle durch Steuern der Elektrifizierung bei der Inbetriebnahme gestartet werden, obwohl weder ein Wasserstoffspeicherabschnitt, noch ein Wassertank für die Inbetriebnahme vorhanden sind. Drittens kann durch Steuern der Elektrifizierung während des Betriebs der Brennstoffzelle 1 eine Schwankung der Wassererzeugung ausgeglichen werden, weswegen eine stabile Wasserstofferzeugung erreicht werden kann. Mit einer Elektrifizierungsvorrichtung zum Elektrifizieren eines Metallhydrids wird das Metallhydrid außerdem, wenn es elektrifiziert wird, aufgrund seines Innenwiderstands wie in der ersten Abwandlung erhitzt. Daher verbessert die Elektrifizierungsvorrichtung verglichen mit einer Heizvorrichtung wie einem Heizelement oder dergleichen die Energieeffizienz bei der Pyrolyse. Noch ein weiterer Vorteil ist der, dass sich durch Steuern der an das Metallhydrid angelegten Spannung die erzeugte Wärmemenge und daher die Menge des produzierten Wasserstoffs steuern lässt.
A2. Bauweise einer zweiten Abwandlung des ersten Beispiels, die einen Reduktionsmechanismus hat:
7 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Abwandlung des ersten Beispiels. Ein Brennstoffgaserzeugungssystem 20B dieser Abwandlung unterscheidet sich von dem System des ersten Beispiels wie folgt. Ein Reaktor 23 hat eine Wasserstoffzuführungsöffnung 25. Auf halbem Weg einer Rohrleitung zur Zufuhr von Wasserstoff, der durch den Reaktor 23 erzeugt wird, zu einer Anode 1A befindet sich ein Umschaltventil 5, damit der Wasserstoff der Wasserstoffzuführungsöffnung 25 zugeführt werden kann. Ein Anodenabgas von der Brennstoffzelle 1 kann durch ein Umschaltventil 6 selektiv zu einem Auslass in die Atmosphäre oder zur Wasserstoffzuführungsöffnung 25 geleitet werden.
Auf dem Boden des Reaktors 23 sammelt sich ein Produkt 24, das durch die Hydrolyse des Metallhydrids produziert wird. Falls als Metallhydrid NaBH₄ verwendet wird, ist das Produkt NaBO₂. Dieses Produkt kann wieder zum Metallhydrid reduziert werden, indem ihm Wasserstoff zugeführt wird. Im Fall von NaBO₂ findet zum Beispiel eine Reduktionsreaktion statt, die durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird. NaBO₂ + 4H₂ → NaBH₄ + 2H₂O
Diese Reaktion ist eine endotherme Reaktion von etwa 1300 kJ/Mol. Die für die Reaktion benötigte Wärme kann zum Beispiel durch Elektrifizieren eines Heizelements zugeführt werden, das sich am Reaktor 23 befindet. Wenn das Brennstoffgaserzeugungssystem der zweiten Abwandlung in mobilen Körpern wie Fahrzeugen oder dergleichen eingebaut wird, können für das System die verschiedenen in den mobilen Körpern eingebauten Energiequellen genutzt werden. Im Fall eines mobilen Körpers, der sich durch den von einem elektrischen Generator erzeugten Strom bewegt, kann für das System zum Beispiel regenerative Energie verwendet werden, die beim Bremsen erzielt wird.
Durch Schalten der Umschaltventile 5, 6 kann in dem Brennstoffgaserzeugungssystem 20B dem Produkt 24 eine überschüssige Menge des vom Reaktor 23 produzierten Wasserstoffs und eine überschüssige Menge des nicht von der Brennstoffzelle 1 verbrauchten Wasserstoffs zugeführt werden. Das Produkt 24 kann daher zurück zum Metallhydrid reduziert werden, das wieder verwendet werden kann. Dadurch kann Metallhydridabfall vermieden werden.
In der zweiten Abwandlung wird dem Produkt 24 zwar überschüssiger Wasserstoff zugeführt, doch es ist auch zweckmäßig, Wasserstoff von einem separat vorgesehen externen Wasserstofftank zuzuführen.
A3. Bauweise einer dritten Abwandlung des ersten Beispiels, die ein Dampferzeugungssystem hat:
8 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten Abwandlung des ersten Beispiels. Die dritte Abwandlung hat anstelle von oder zusätzlich zu dem in 2 als Beispiel dargestellten Kühlsystem des ersten Beispiels ein Dampferzeugungssystem. In 8 wurde ein Teil der Anordnung aus Darstellungsgründen weggelassen, um eine komplizierte Darstellung zu vermeiden.
In einem Wassertank 13 gespeichertes Wasser wird durch eine Pumpe 13P dazu gebracht, durch eine Rohrleitung zu fließen. Diese Rohrleitung verläuft durch einen Reaktor 23 und ist mit einer Rohrleitung zum Zuführen eines Brennstoffgases zu einer Anode 1A verbunden. Das Wasser in der Rohrleitung wird durch die Wärme vom Reaktor 23 verdampft, so dass es Dampf bildet. Der Dampf wird zusammen mit dem Brennstoffgas der Brennstoffzelle 1 zugeführt und dient dazu, eine Elektrolytmembran zu befeuchten.
Bei der dritten Abwandlung kann die durch den Reaktor 23 erzeugte Wärme effektiv zur Erzeugung von Dampf genutzt werden. Daher wird keine zusätzliche Energie benötigt, um die Brennstoffzelle 1 zu befeuchten, so dass die Energieeffizienz des Systems insgesamt vorteilhaft verbessert werden kann. Ein Teil des von der Brennstoffzelle 1 erzeugten Wassers kann als Befeuchtungswasser verwendet werden.
Es ist auch zweckmäßig, einen Modus einzusetzen, bei dem die Hydrolyse herbeigeführt wird, indem Dampf verwendet wird, der unter Nutzung der Reaktionswärme des Reaktors durch die Verdampfung von Wasser aus der Brennstoffzelle 1 erzielt wurde, anstatt direkt in den Reaktor 23 Wasser einzuspritzen, das vom Kondensator 2 produziert wurde. Aufgrund des Diffusionsvermögens von Dampf kann die Reaktionsrate im Reaktor 23 vorteilhaft verbessert werden.
A4. Bauweise einer vierten Abwandlung des ersten Beispiels, die eine Wasserstofftrennmembran hat:
9 zeigt schematisch die Bauweise eines Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten Abwandlung des ersten Beispiels. Die vierte Abwandlung hat eine auf der Bauweise des ersten Beispiels basierende Bauweise, bei der sich stromabwärts von einem Reaktor 23 eine Wasserstofftrenneinrichtung 50 befindet. In 9 fehlt ein Teil der Darstellung wie die Steuerungseinheit 10 und dergleichen, um eine komplizierte Darstellung zu vermeiden.
Die Wasserstofftrenneinrichtung 50 hat auf einer Seite einer Wasserstofftrennmembran 52 eine Versorgungskammer 53 und auf ihrer anderen Seite eine Entnahmekammer 51. die Versorgungskammer 53 wird mit einem im Reaktor 23 erzeugten Gas versorgt. Dieses Gas ist ein Mischgas aus Sauerstoff und Verunreinigungen. Die Verunreinigungen schließen Wasser und ein metallhaltiges Produkt ein, das bei der Hydrolyse eines Metallhydrids gebildet wird.
Die Wasserstofftrennmembran 52 ist eine dünne Membran, die unter Nutzung der Wasserstoffpartialdifferenzdrucks zwischen der Versorgungskammer 53 selektiv nur den Durchgang von Wasserstoff erlaubt. Die Wasserstofftrennmembran 52 kann zum Beispiel eine dünne Membran aus Palladium oder einer Palladiumlegierung sein, ein dünner Film, der durch Halten des oben genannten Metalls in Poren eines porösen Körpers gebildet wurde, usw.
Der Wasserstoff in dem in die Versorgungskammer 53 eingespeisten Mischgas wird aufgrund der Funktion der Wasserstofftrennmembran 52 zur Entnahmekammer 51 abgezogen. Das nach der Wasserstofftrennung zurück bleibende Restgas wird aus der Wasserstofftrenneinrichtung 50 abgeführt. Der oben beschriebene Aufbau kann außerdem einen Behälter zur Wiedergewinnung von Wasser und dem metallhaltigen Produkt enthalten, die im Austrag enthalten sind.
Um die Wasserstoffdurchgangsrate durch die Wasserstofftrennmembran 52 zu verbessern, ist es vorzuziehen, in der Entnahmekammer 51 einen niedrigen Wasserstoffpartialdruck zu halten. Zu diesem Zweck ist es ratsam, der Entnahmeseite ein anderes Gas als Wasserstoff zuzuführen. Diese Anordnung erreicht auch den Vorteil, dass der Wasserstoff von der Entnahmeseite zwangsweise abgeführt wird. In die Entnahmekammer 51 wird bei der vierten Abwandlung Dampf eingespeist. Dann werden der abgetrennte Wasserstoff und der Dampf aus der Entnahmekammer 51 abgeführt und als Brennstoffgas der Anode 1A zugeführt. Der Dampf wird erzeugt, indem Wasser im Wassertank 13 unter Nutzung der Wärme vom Reaktor 23 wie im Fall der dritten Abwandlung verdampft wird. Es ist auch zweckmäßig, einen Teil des in der Brennstoffzelle 1 erzeugten Wassers zu verwenden, um Dampf zu erzeugen. Es kann zwar ein Verdampfer verwendet werden, um Dampf zu erzeugen, doch erreicht die Nutzung der Wärme vom Reaktor 23 eine höhere Energieeffizienz.
Bei der vierten Abwandlung kann der Brennstoffzelle 1 Wasserstoff zugeführt werden, nachdem er von Verunreinigungen wie dem metallhaltigen Produkt und dergleichen befreit wurde. Das metallhaltige Produkt löst sich unter Bildung von Metallionen in Wasser und schädigt dadurch die Brennstoffzelle. Insbesondere im Fall einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle wie der Brennstoffzelle 1 führt das metallhaltige Produkt zu einer Ionenvergiftung der Elektrolytmembran, was ihre Protonenleitfunktion senkt. Bei der vierten Abwandlung kann die Ionenvergiftung jedoch durch die Funktion der Wasserstofftrenneinrichtung 50 vermieden werden.
Bei der vierten Abwandlung wird unter Verwendung der Wasserstofftrennmembran 52 Wasserstoff abgetrennt. Soll die Ionenvergiftung verhindert werden, ist es auch angebracht, Metallionen aus dem Brennstoffgas zu entfernen, indem eine Durchgangsmembran, die selektiv den Durchgang von Ionen erlaubt, ein Molekularsieb, das Metallionen abtrennt, usw. verwendet wird. Darüber hinaus kann das Entfernen von Metallionen auch durch chemische Ausscheidung der Metallionen erreicht werden. Die vierte Abwandlung kann zusammen mit der zweiten Abwandlung eingesetzt werden.
B. Erfindungsgemäßes zweites Beispiel:
10 zeigt schematisch die Bauweise eines Brennstoffzellensystems gemäß dem erfindungsgemäßen zweiten Beispiel. Ein Brennstoffgaserzeugungssystem 20C des zweiten Beispiels unterscheidet sich von dem System des ersten Beispiels dadurch, dass an zwei Stellen Metallhydride vorgesehen sind, und zwar in einem ersten Speicher 21 und einem zweiten Speicher 26. Die übrige Anordnung ist ansonsten im Wesentlichen die gleiche wie im ersten Beispiel. Der erste Speicher 21 speichert ein Metallhydrid zur Hydrolyse. Der zweite Speicher 26 speichert ein Metallhydrid zur Pyrolyse. Der zweite Speicher 26 ist ein Bodenabschnitt eines Reaktors 23C, d.h. der zweite Speicher 26 ist kein zugeordneter separater Behälter oder dergleichen. Indem der erste Speicher 21 und der zweite Speicher 26 auf diese Weise in einem einzelnen Speicherbehälter ausgebildet werden, lassen sich sowohl eine Verkleinerung als auch eine effiziente Wärmeversorgung erreichen.
Das im ersten Speicher 21 gespeicherte Metallhydrid und das im zweiten Speicher 26 gespeicherte Metallhydrid können zwar der gleichen Art entsprechen, doch entsprechen sie im zweiten Ausführungsbeispiel verschiedenen Arten. Das heißt, es werden zwei Arten von Metallhydriden eingesetzt, die jeweils für die Hydrolyse und Pyrolyse geeignet sind. Genauer gesagt speichert der erste Speicher 21 NaBH₄ und der zweite Speicher 26 LiH. Es ist bekannt, dass sich LiH thermisch zersetzt, um Wasserstoff zu produzieren, wie durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird. LiH → Li + 1/2H₂
Der zweite Speicher 26 kann anstelle von LiH jedes andere Metallhydrid speichern, das sich unter Produktion von Wasserstoff thermisch zerlegt.
Wenn von einer Einspritzdüse 3 Wasser in den Reaktor 23C eingespeist wird, wird das vom ersten Speicher 21 zugeführte Metallhydrid hydrolysiert, um im Reaktor 23C Wasserstoff zu produzieren. Diese Reaktion ist eine exotherme Reaktion. Der auf diese Weise erzeugte Wasserstoff wird der Brennstoffzelle 1 zugeführt, wobei sich das Produkt 24 auf dem LiH im zweiten Speicher 26 sammelt. Da das LiH im Reaktor 23C gespeichert ist, wird die durch die Hydrolyse erzeugte Wärme auf das LiH übertragen.
Das LiH im zweiten Speicher 26 zersetzt sich thermisch unter Aufnahme der Wärme, um Wasserstoff zu produzieren. Der erzeugte Wasserstoff wird dann der Brennstoffzelle 1 zugeführt.
Bei dem Brennstoffgaserzeugungssystem des zweiten Beispiels kann dank der Zersetzung von zwei Arten Metallhydriden rasch eine große Menge Wasserstoff erzeugt werden. Da die durch die Hydrolyse erzeugte Wärme für die Pyrolyse im zweiten Speicher 26 verwendet wird, wird eine effiziente Wasserstofferzeugung realisiert, ohne Energie zu verschwenden. Demzufolge kann eine Verkleinerung und eine Effizienzverbesserung des Systems insgesamt erreicht werden. Darüber hinaus sind in dem Brennstoffgaserzeugungssystem 20C des zweiten Beispiels innerhalb eines einzigen Reaktors 23C ein Abschnitt für die endotherme Reaktion und ein Abschnitt für die exotherme Reaktion vorgesehen, so dass eine effiziente Wärmezufuhr vom Abschnitt für die exotherme Reaktion zum Abschnitt für die endotherme Reaktion erreicht werden kann, während eine Verkleinerung erreicht wird.
Es ist alles in allem nicht notwendig, den zweiten Speicher 26 innerhalb des Reaktors 23C vorzusehen. Und zwar kann der zweite Speicher 26 irgendwo im Brennstoffgaserzeugungssystem 20C angeordnet werden, solange die durch die Hydrolyse erzeugte Wärme für die Pyrolyse genutzt werden kann. So ist es zum Beispiel zweckmäßig, eine Bauweise einzusetzen, bei der der zweite Speicher 26 als ein vom Reaktor 23C separater Behälter ausgebildet und mit diesem in Kontakt gebracht wird, so dass die durch die Hydrolyse erzeugte Wärme über die Wärmeleitung durch die Elemente der beiden Behälter hindurch im zweiten Speicher 26 genutzt werden kann. Es ist auch zweckmäßig, eine Bauweise einzusetzen, bei der die im Reaktor 23C erzeugte Wärme durch einen Mechanismus, der ein Heizmedium umwälzt, zum zweiten Speicher 26 transportiert wird.
Im zweiten Beispiel sind Abwandlungen ähnlich wie bei der ersten Abwandlung (4) und der zweiten Abwandlung (7) des ersten Beispiels möglich. Wenn wie bei der zweiten Abwandlung (7) ein Metallhydrid reduziert wird, indem ihm Wasserstoff zugeführt wird, ist es wünschenswert, eine Bauweise einzusetzen, bei der den Produkten der Hydrolyse und der Pyrolyse Wasserstoff zugeführt werden kann.
Im zweiten Beispiel wird dem Reaktor 23C Wasser zugeführt, das von der Brennstoffzelle 1 erzeugt wird. Diese Bauweise erlaubt eine weitere Verkleinerung des Systems gegenüber einer Bauweise, die einen Wassertank hat. Allerdings ist es auch zweckmäßig, eine Bauweise einzusetzen, bei der dem Reaktor 23C statt von der Brennstoffzelle 1 erzeugtes Wasser, Wasser von einem separat vorgesehenen Wassertank zugeführt wird. Falls im zweiten Beispiel diese Bauweise zum Einsatz kommt, kann der Wassertank aus dem folgenden Grund eine geringere Kapazität haben. Und zwar wird im zweiten Beispiel auch im zweiten Speicher 26 Wasserstoff erzeugt, so dass die Wasserstoffmenge, die im ersten Speicher 21 erzeugt werden muss, verringert werden kann und daher die Wassermenge, die für die Hydrolyse zugeführt werden muss, verringert werden kann. Im zweiten Beispiel kann wie bei der ersten Abwandlung des ersten Beispiels eine Elektrifizierungsvorrichtung vorgesehen werden. Des Weiteren kann die durch die exotherme Reaktion im Reaktor 23C erzeugte Wärme wie im ersten Beispiel dazu verwendet werden, Dampf zu erzeugen. Darüber hinaus kann die durch die exotherme Reaktion erzeugte Wärme wie im ersten Beispiel durch einen Kühlmechanismus entfernt werden.
C. Erfindungsgemäßes drittes Beispiel:
11 zeigt schematisch eine Bauweise eines Brennstoffzellensystems gemäß dem erfindungsgemäßen dritten Beispiel. Im dritten Beispiel wird ein Metallhydrid pyrolysiert, indem Wärme genutzt wird, die von einer Brennstoffzelle 1 erzeugt wurde. Die Bauweise eines Brennstoffgaserzeugungssystems 20D des dritten Beispiels unterscheidet sich von der Bauweise des Systems des ersten Beispiels in den folgenden Merkmalen. Zunächst gibt es einen Umwälzmechanismus zum Umwälzen eines Heizmediums zwischen der Brennstoffzelle und einem Reaktor 23D. Der Umwälzmechanismus wird hauptsächlich von einer Rohrleitung 41, durch die das Heizmedium fließt, und einer Pumpe 40 gebildet, die das Heizmedium zum Fließen bringt. Der Betrieb der Pumpe 40 wird durch eine Steuerungseinheit 10 gesteuert. Das Heizmedium ist in diesem Beispiel Wasser. Das dritte Beispiel setzt zwar den Mechanismus zum Umwälzen des Heizmediums ein, doch ist der Heizmediumumwälzmechanismus keine Vorraussetzung. So reicht auch jeder andere Mechanismus, solange der Mechanismus Wärme von der Brennstoffzelle 1 zum Reaktor 23D transportieren kann.
Ein erster Speicher 21 speichert wie im Fall des ersten Beispiels ein Metallhydrid. Es kann jedes Metallhydrid verwendet werden, das Wasserstoff produzieren kann. Im dritten Beispiel wird NaAlH₄ verwendet, das dafür bekannt ist, sich bei relativ geringer Temperatur thermisch zu zersetzen. Es ist bekannt, dass sich NaAlH₄ mit einem geeigneten Katalysator bei 100°C oder weniger thermisch zersetzt, um wie in der folgenden Gleichung Wasserstoff zu produzieren. NaAlH₄ → NaH + Al + 3/2H₂
Wenn die Steuerungseinheit 10 die Pumpe 40 betätigt, wird durch das Heizmedium Wärme von der Brennstoffzelle 1 zum Reaktor 23D transportiert. Dann zersetzt sich das Metallhydrid thermisch, das im Reaktor 23D in Form von feinen Teilchen vorliegt, um Wasserstoff zu produzieren. Es ist vorzuziehen, dass der Reaktor 23D zur Beschleunigung der Pyrolyse einen Katalysator enthält. Der erzeugte Wasserstoff wird der Anode 1A zugeführt. In einem Bodenabschnitt des Reaktors 23D sammelt sich ein durch die Pyrolyse gebildetes Produkt 24. Der Reaktor 23D kann auch mit einem Heizmechanismus wie einem Heizelement oder dergleichen versehen sein. Wird wie oben beschrieben das Heizelement verwendet, kann der Freiheitsgrad bei der Anordnung des Brennstoffgaserzeugungssystems 20D und der Brennstoffzelle erhöht werden.
Bei dem Brennstoffgaserzeugungssystem des dritten Beispiels kann Wasserstoff erzeugt werden, indem die von der Brennstoffzelle 1 erzeugte Wärme genutzt wird. Daher kann der Heizmechanismus zum Erhitzen des Metallhydrids wegfallen oder verkleinert werden. Da Abwärme von der Brennstoffzelle 1 verwendet wird, kann der Heizenergieverbrauch verringert werden und kann die Energieeffizienz des Systems insgesamt verbessert werden.
Im dritten Beispiel werden als Metallhydrid und Heizmedium jeweils NaAlH₄ und Wasser verwendet. Das Metallhydrid und das Heizmedium müssen unter der Bedingung gewählt werden, dass die für die Hydrolyse des Metallhydrids benötigte Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 1 und der Maximaltemperatur liegt, die das Heizmedium effektiv transportieren kann. Da die Betriebstemperatur der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 1 etwa 100°C bis 150°C beträgt, muss das Metallhydrid ein Metallhydrid sein, das sich bei dieser Temperatur pyrolysieren lässt. Beispiele für ein solches Metallhydrid schließen NaAlH₄, LiAlH₄ usw. ein. Wenn eine Brennstoffzelle mit einer verhältnismäßig hohen Betriebstemperatur wie eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle oder dergleichen verwendet wird, können mehr Metallhydridarten einschließlich NaBH₄ und dergleichen verwendet werden. In diesem Fall muss ein Heizmedium gewählt werden, dessen Siedepunkt höher als die Temperatur der Pyrolyse ist.
Bei dem dritten Beispiel sind ebenfalls verschiedene Abwandlungen wie die erste Abwandlung (4) und die dritte Abwandlung (7) des ersten Beispiels möglich. Das dritte Beispiel kann auch mit dem zweiten Beispiel kombiniert werden. Und zwar kann der Umwälzmechanismus im dritten Beispiel im zweiten Beispiel als ein Zusatzmechanismus zum Erhitzen des zweiten Speichers 26 verwendet werden. Es ist auch zweckmäßig, eine Bauweise einzusetzen, bei der die Brennstoffzelle 1 und der Reaktor 23D als ein Beispiel des Reaktionsabschnitts der Erfindung dicht nebeneinander liegen und Wärme weitergeleitet wird, ohne ein Heizmedium zu verwenden.
D. Nicht erfindungsgemäßes viertes Beispiel:
12 zeigt schematisch die Bauweise eines Brennstoffgaserzeugungssystems gemäß dem vierten Beispiel. Im vierten Beispiel wird ein mit einem Katalysator ausgestatteter Reaktor mit Wasser und einem Metallhydrid versorgt, die sich in einem gemischten Zustand befinden.
Wie in 12 angegeben ist, werden das Wasser und das Metallhydrid, die zur Hydrolyse verwendet werden, von Materialkassetten 60A bis 60D zugeführt. Die Anzahl der Materialkassetten kann geeignet entsprechend den Kapazitäten der Tanks in den Kassetten und der Wasserstoffmenge, die erzeugt werden muss, gewählt werden.
Es wird nun der Innenaufbau der Materialkassette 60A beschrieben. Die Materialkassette 60A hat in ihrem Gehäuse 65 einen Wassertank 61, der Wasser für die Hydrolyse speichert, und einen Metallhydridtank 63, der Metallhydrid speichert. Diese Tanks sind durch eine Rohrleitung verbunden. Die Rohrleitung ist so gestaltet, dass Wasser im Wassertank 61 in den Metallhydridtank 63 strömt und eine Mischflüssigkeit aus Wasser und dem Metallhydrid über eine Verbindungsöffnung 64 heraus fließt. Die Rohrleitung ist mit Ventilen 62A, 62B versehen, um jeweils den Ausfluss der Flüssigkeit aus den Tanks einzustellen.
Das Brennstoffgaserzeugungssystem hat ein Versorgungsrohr 73, um die Mischflüssigkeit einem Reaktor 70 zuzuführen. Die Materialkassette 60A ist an der Verbindungsöffnung 64 mit dem Versorgungsrohr 73 verbunden. Das Versorgungsrohr 73 ist mit einem Ventil 66 versehen, um ein Herauslaufen der Mischflüssigkeit zu verhindern, wenn die Materialkassette 60A entfernt wird. Die anderen Materialkassetten 60B bis 60D haben jeweils im Großen und Ganzen den gleichen Aufbau.
Die Mischflüssigkeit wird dem Reaktor 70 über ein Ventil 72 zugeführt. Der Reaktor 70 ist mit einer Reaktionseinheit 71 ausgestattet. Die Reaktionseinheit 71 trägt einen Katalysator für die Hydrolyse.
13 zeigt den Aufbau der Reaktionseinheit 71. Die Reaktionseinheit 71 wird von einem Wabenmonolithen gebildet. Im unteren Teil von 13 ist eine vergrößerte Schnittansicht der Reaktionseinheit 71 dargestellt. Der Wabenmonolith ist ein Strukturkörper mit einer Vielzahl von Zellen 71C. Die Zellen 71C dienen als Kanäle für die Mischflüssigkeit. Die Reaktionseinheit 71 ist mit katalytischen Schichten 71S versehen, die auf Zellenoberflächenabschnitten ausgebildet sind. Die katalytischen Schichten 71S können durch Abscheidung aus der Dampfphase (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD) usw. aufgebracht werden. Da der Innendruck der Reaktionseinheit 71 durch die Hydrolyse sehr hoch wird, hat der Wabenmonolith vorzugsweise eine Festigkeit, die einem solchen hohen Innendruck widersteht.
Die Mischflüssigkeit wird dann dem Reaktor 70 zugeführt und geht durch die Zellen 71C der Reaktionseinheit 71, wobei die Mischflüssigkeit aufgrund der Wirkung des gehaltenen Katalysators rasch der Hydrolyse unterliegt. Der Reaktor 70 gibt eine Mischung aus Wasserstoff, einem metallhaltigen Produkt und Wasser ab.
Die Mischung wird über ein Ventil 74 einer Trenneinrichtung 80 zugeführt. Das Gas wird vorübergehend in der Trenneinrichtung 80 gespeichert, sodass Verunreinigungen, die hauptsächlich aus dem metallhaltigen Produkt bestehen, herunterfallen und sich auf einem Bodenabschnitt sammeln. Da Wasserstoffgas ein leichtgewichtiges Gas ist, fließt das Gas von einer in einem oberen Abschnitt der Trenneinrichtung 80 ausgebildeten Ablassöffnung 81 in einen Kühler 90. Der Kühler 90 ist zur natürlichen Luftkühlung mit Kühllamellen ausgestattet. Durch die Kühlung kondensiert Dampf oder Wasserdampf in dem Gas und wird durch eine Wasserrückgewinnungsvorrichtung 91 zurückgewonnen. Das nach der Wasserabtrennung erzielte Wasserstoffgas wird über eine Ablassöffnung 92 abgelassen und der Brennstoffzelle zugeführt. Das von der Wasserrückgewinnungs vorrichtung 91 zurückgewonnene Wasser kann für die Hydrolyse oder die Befeuchtung der Brennstoffzelle genutzt werden.
Indem die Mischflüssigkeit aus Wasser und dem metallhaltigen Produkt im vierten Beispiel durch den Katalysator hindurch gelassen wird, werden die folgenden Vorteile erreicht. Erstens erlaubt die Verwendung der Mischflüssigkeit verglichen mit einem System, in dem mit einem Metallhydrid in Form eines Feststoffs umgegangen wird, vorteilhafter Weise, dass das Metallhydrid leicht und präzise transportiert wird. Zweitens lässt sich, da die Reaktion während des Durchgangs der Mischflüssigkeit durch den Reaktor 70 beschleunigt werden kann, leichter ein Kontakt zwischen der Mischflüssigkeit und dem Katalysator sicherstellen. Ein weiterer Vorteil ist der, dass bei dieser Bauweise effektiver ein Verlust des Katalysators verhindert werden kann als bei einer Bauweise, bei der einem Reaktor ein Katalysator zusammen mit einem Metallhydrid zugeführt wird.
Im vierten Beispiel werden das Metallhydrid und das für die Hydrolyse benötigte Wasser in Materialkassetten bereitgestellt. Es besteht daher der Vorteil einer einfachen Zugabe des Metallhydrids. Da außerdem mehrere Materialkassetten parallel vorgesehen sind, können einige Kassetten ausgetauscht werden, während zumindest eine andere Kassette für die Wasserstofferzeugung genutzt wird. Das vierte Beispiel ist daher in mobilen Körpern und insbesondere in Fahrzeugen effektiv, bei denen der Bedarf für eine kürzere Brennstoffaustauschzeit hoch ist. Natürlich kann das vierte Ausführungsbeispiel auch bei stationären Brennstoffzellen Anwendung finden.
Das Verfahren der Zufuhr von Wasser und Metallhydrid ist nicht auf das oben genannte Kassettenverfahren beschränkt. So kann die Mischflüssigkeit zum Beispiel auch in einem einzigen Tank gespeichert werden. In diesem Fall ist vorzuziehen, dass die Umgebungsbedingungen wie die Temperatur, pH usw. in einem Zustand geringer Reaktionsgeschwindigkeit gehalten werden, damit ein Fortschreiten der Hydrolyse im Tank verhindert wird.
Das Wasser für die Hydrolyse kann Wasser sein, das von der Brennstoffzelle erzeugt wird. In diesem Fall ist es zweckmäßig, eine Bauweise einzusetzen, bei der von der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser einem Metallhydridtank zugeführt wird und dem Reaktor 70 eine Mischflüssigkeit aus Wasser und dem Metallhydrid zugeführt wird, oder bei der dem Versorgungsrohr 73 separat Wasser und Metallhydrid zugeführt wird und während des Versorgungsvorgangs eine Mischflüssigkeit gebildet wird. Es ist auch möglich, eine Bauweise einzusetzen, bei der in Kombination Wasser in der Materialkassette und von der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser verwendet werden. Darüber hinaus kann die Wasserstoffzufuhrvorrichtung des vierten Beispiels auch bei anderen Systemen als Brennstoffzellen oder dergleichen Anwendung finden.
Es wurden zwar einige erfindungsgemäße Beispiele beschrieben, doch versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten erfindungsgemäßen Beispiele oder Bauweisen beschränkt ist. Vielmehr soll die Erfindung verschiedene Abwandlungen und äquivalente Anordnungen abdecken, ohne dass vom Schutzumfang der Ansprüche abgewichen wird. So kann zum Beispiel ein System gebildet werden, bei dem die Bauweisen des ersten bis vierten Beispiels kombiniert werden. Ein Beispiel wäre, einen Mechanismus zum Einspritzen von Wasser in einen Reaktor (erstes Beispiel) und einen Umwälzmechanismus zum Erhitzen (drittes Beispiel) zu kombinieren, wobei die beiden Mechanismen selektiv in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand der Brennstoffzelle 1 oder dergleichen verwendet werden. Die in Verbindung mit dem ersten Beispiel beschriebenen Anordnungen wie das Kühlsystem (2), der Gas-Wasser-Trennmechanismus (3), der Dampferzeugungsmechanismus (8), die Wasserstofftrenneinrichtung (9) usw. sind auch in den anderen Beispielen anwendbar. Im zweiten bis vierten Beispiel kann der im Reaktor vorgesehene Katalysator wie im ersten Beispiel ein Katalysator auf Platinbasis, ein Katalysator auf Titanoxidbasis oder ein Katalysator auf Rutheniumbasis sein. Ein Katalysator auf Titanoxidbasis und ein Katalysator auf Rutheniumbasis sind besonders zu bevorzugen.
Eine erste Bauweise eines Brennstoffgaserzeugungssystems zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Brennstoffgases für eine Brennstoffzelle enthält erfindungsgemäß einen Reaktionsabschnitt, der Wasserstoff durch Pyrolyse eines Metallhydrids erzeugt, und einen Versorgungsmechanismus, der den Reaktionsabschnitt mit Wärme versorgt, die von der Brennstoffzelle erzeugt wurde.
Was das Metallhydrid betrifft, ist es möglich, verschiedene Substanzen zu verwenden, die unter Erzeugung von Wasserstoff pyrolysiert werden, einschließlich der oben genannten Substanzen wie NaBh₄ und NaAlH₄. Diese Bauweise ermöglicht es, für die Zersetzungsreaktion von der Brennstoffzelle erzeugte Wärme zu verwenden. Indem auf diese Weise von der Brennstoffzelle erzeugte Wärme verwendet wird, ist es möglich, eine Energiequelle für die Pyrolyse wegzulassen oder sie ausreichend zu verkleinern. Somit kann das gesamte System verkleinert werden.
Der Zuführungsmechanismus kann ein Heizmittelumwälzmechanismus sein, der ein vorgegebenes Heizmedium auf wärmetauschende Weise zwischen der Brennstoffzelle und dem Reaktor umwälzt. Es ist auch zweckmäßig, eine Bauweise einzusetzen, bei der die Brennstoffzelle und der Reaktionsabschnitt nahe beieinander liegen, sodass die Wärme ohne Verwendung eines Heizmediums übertragen werden kann. Die Bauweise, die das Heizmedium einsetzt, hat den Vorteil eines höheren Freiheitsgrads bei der räumlichen Anordnung des Reaktionsabschnitts und der Brennstoffzelle. Das Heizmedium kann zum Beispiel ein Kühlwasser zum Kühlen der Brennstoffzelle sein. Es kann ratsam sein, das Heizmedium und den Katalysator für die Pyrolyse entsprechend der Hydrolysetemperatur des Metallhydrids zu wählen. Wenn zum Beispiel das Kühlwasser als Heizmedium verwendet wird, beträgt die maximale Heiztemperatur 100°C, sodass es ratsam ist, ein Metallhydrid und einen Katalysator zu wählen, die eine Pyrolyse innerhalb eines solchen Temperaturbereichs erlauben.
Bei einer ersten Bauweise kann eine Elektrifizierungseinrichtung zum Elektrifizieren eines Metallhydrids vorgesehen sein. Das Metallhydrid erhitzt sich aufgrund des Innenwiderstands des Metallhydrids während der Elektrifizierung. Daher kann die Elektrifizierungseinrichtung die Energieeffizienz bei der Pyrolyse gegenüber einer Heizeinrichtung wie einem Heizelement oder dergleichen verbessern. Darüber hinaus lassen sich durch Steuern der an das Metallhydrid angelegten Spannung leicht die erzeugte Wärmemenge und die erzeugte Wasserstoffmenge kontrollieren. Die Elektrifizierungseinrichtung kann während der Anfangszeit des Betriebs, wenn die Brennstoffzelle noch nicht ausreichend aufgeheizt ist, zur Pyrolyse verwendet werden oder sie kann auch als eine Heizeinrichtung verwendet werden, um Schwankungen der von der Brennstoffzelle zugeführten Wärme auszugleichen.
Es ist auch ratsam, den Reaktionsabschnitt ungeachtet dessen, ob die durch die Hydrolyse erzeugte Wärme effektiv genutzt werden kann, mit einem Kühlmechanismus auszustatten, um ein Überhitzen zu vermeiden. Der Kühlmechanismus kann zum Beispiel ein Aufbau sein, der den Reaktionsabschnitt unter Verwendung eines Kühlmittels kühlt, nachdem das Kühlmittel die Brennstoffzelle gekühlt hat, d. h. ein Aufbau, bei dem ein Kühlmechanismus für die Brennstoffzelle und ein Kühlmechanismus für den Reaktionsabschnitt zu einem Mechanismus vereint sind. Aufgrund dieser Vereinigung kann eine Verkleinerung des Kühlmechanismus erreicht werden. In einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle wie einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, beträgt die Betriebstemperatur höchstens etwa 100°C, während die Temperatur des Reaktionsabschnitts während der Hydrolyse in einigen Fällen in den Bereich von 200°C bis 800°C steigt. Daher kann das Kühlmittel, selbst nachdem es die Brennstoffzelle gekühlt hat, ausreichen, um den Reaktionsabschnitt zu kühlen.
Es ist wünschenswert, dass der Reaktionsabschnitt bei der ersten Bauweise mit einem Katalysator beladen ist. Durch die Wirkung des Katalysators lassen sich die Reaktionsrate und die Reaktionsgeschwindigkeit verbessern. Der Katalysator kann ein Katalysator auf Platinbasis, Titanoxidbasis oder Rutheniumbasis sein. Unter diesen sind die beiden letztgenannten Katalysatoren wünschenswert. Der Katalysator kann durch verschiedene Verfahren gehalten werden.
Eine zweite Bauweise der Erfindung enthält einen Abschnitt für eine exotherme Reaktion, der Wasserstoff durch eine exotherme Reaktion erzeugt, bei der ein erstes Metallhydrid hydrolysiert wird, einen Abschnitt für eine endotherme Reaktion, der Wasserstoff durch Pyrolysieren eines zweiten Metallhydrids erzeugt, und einen Wärmezuführungsmechanismus, der dem Abschnitt für die endotherme Reaktion zusätzliche Wärme zuführt, die durch den Abschnitt für die exotherme Reaktion erzeugt wurde. Der zweite Aufbau und der erste Aufbau sollen die gleichen Aufgaben lösen. Und zwar soll auch das zweite Beispiel die Energieeffizienz bei der Wasserstofferzeugung verbessern und die Größe der Vorrichtung verringern.
Das erste und zweite Metallhydrid können wie im Fall des ersten Beispiels aus verschiedenen Substanzen gewählt werden. Die beiden Metallhydride können ein und dieselbe Substanz sein. Es ist vorzuziehen, dass das erste Metallhydrid eine Substanz ist, die sich leicht hydrolysieren lässt, und das zweite Metallhydrid eine Substanz ist, die sich leicht pyrolysieren lässt.
Bei der zweiten Bauweise kann auch durch den Abschnitt für die endotherme Reaktion, der die von dem Abschnitt für die exotherme Reaktion erzeugte Wärme nutzt, Wasserstoff erzeugt werden, sodass das gesamte System verkleinert und effizienter gemacht werden kann. Da auch von dem Abschnitt für die endotherme Reaktion Wasserstoff erzeugt wird, kann die Wasserstoffmenge, die von dem Abschnitt für die exotherme Reaktion erzeugt werden muss, verringert werden und kann auch die Wassermenge, die für die Hydrolyse zugeführt werden muss, verringert werden.
Demzufolge besteht ein weiterer Vorteil darin, dass eine geringere Kapazität des Wassertanks möglich ist.
Der Wärmeversorgungsmechanismus kann zum Beispiel ein einzelner Speicherbehälter sein, den der Abschnitt für die endotherme Reaktion und der Abschnitt für die exotherme Reaktion gemeinsam haben. Diese Anordnung erlaubt eine effiziente Wärmeversorgung, während eine Verkleinerung möglich ist. Der Wärmeversorgungsmechanismus kann auch einen Aufbau haben, bei dem Wärme über ein Heizmedium übertragen wird.
Der Abschnitt für die exotherme Reaktion kann mit Wasser von einem Wassertank versorgt werden. Wenn jedoch ein Wasserzuführungsmechanismus zur Zufuhr von durch die Brennstoffzelle erzeugtem Wasser vorgesehen wird, kann das System weiter verkleinert werden.
Bei der zweiten Bauweise kann wie bei der ersten Bauweise eine Elektrifizierungseinrichtung zum Elektrifizieren eines Metallhydrids vorgesehen werden. Außerdem ist es ähnlich wie bei der ersten Bauweise möglich, unter Nutzung von Wärme, die von dem Abschnitt für die exotherme Reaktion erzeugt wird, Dampf zu erzeugen, oder den Abschnitt für die exotherme Reaktion mit einem Kühlmechanismus zu versehen, der auch für die Brennstoffzelle verwendet wird. Auch bei der zweiten Bauweise ist es vorzuziehen, dass der Reaktionsabschnitt mit einem Katalysator ausgestattet ist.
Eine dritte Bauweise der Erfindung enthält einen Metallionenentfernungsmechanismus, der aus einem Gas, das in einem Reaktionsabschnitt durch Hydrolysieren oder Pyrolysieren eines Metallhydrids erzeugt wird, zumindest ein Metallion entfernt. Was die Reaktion betrifft, ist es möglich, entweder den Reaktionsabschnitt der ersten Bauweise, den Reaktionsabschnitt der zweiten Bauweise oder den Reaktionsabschnitt nach dem Stand der Technik anzuwenden.
Bei der Zersetzungsreaktion des Metallhydrids wird gleichzeitig mit dem Wasserstoff ein metallhaltiges Produkt erzeugt. Das metallhaltige Produkt löst sich unter Bildung von Metallionen in Wasser, auch wenn die Menge gering ist. Metallionen schädigen bekanntlich Brennstoffzellen. Eine vierte Bauweise der Erfindung beinhaltet einen Durchgang, durch den eine Mischflüssigkeit aus Wasser und einem Metallhydrid hindurchgeht, und einen Katalysator, der in dem Durchgang gehalten wird und der die Hydrolyse des Metallhydrids beschleunigt. Was den Reaktor betrifft, ist es möglich, entweder den Reaktor der ersten oder zweiten Bauweise oder den Reaktor nach dem Stand der Technik anzuwenden.
Metalloxide schädigen bekanntlich Brennstoffzellen und insbesondere Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen. Dieser Effekt wird allgemein als Ionenvergiftung bezeichnet. In einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle binden sich Sulfonatgruppen der Elektrolytmembran an Metallionen, sodass die Membran nicht mehr in der Lage ist, ihre Protonenleiterfunktion auszuüben. Bei einer dritten Bauweise werden Metallionen aus dem Gas entfernt, das durch den Reaktionsabschnitt erzeugt wird, sodass die Ionenvergiftung vermieden werden kann.
Die Entfernung der Metallionen kann zum Beispiel unter Verwendung einer durchlässigen Membran erfolgen, die selektiv nur den Durchlass von Metallionen erlaubt. Die Metallionen können auch durch chemische Ausscheidung entfernt werden. Darüber hinaus ist es zweckmäßig, ein Verfahren einzusetzen, in dem über eine Wasserstofftrennmembran, die selektiv Wasserstoff durchlässt, nur Wasserstoff abgetrennt wird. Die Wasserstofftrennmembran kann zum Beispiel eine dünne Membran aus Palladium oder einer Palladiumlegierung, eine dünne Membran, die durch Halten eines solchen Metalls in Hohlräumen eines Grundkörpers einer porösen Keramik gebildet wird, usw. sein.
Die Wasserstofftrennmembran ist eine Membran, die aufgrund des Wasserstoffpartialdifferenzdrucks über die Membran nur den Durchgang von Wasserstoff erlaubt. Die Durchgangsgeschwindigkeit erhöht sich mit Abnahme des Wasserstoffpartialdrucks auf der Wasserstoffentnahmeseite. Um die Wasserstoffdurchgangsgeschwindigkeit zu erhöhen, kann der Entnahmeseite daher als Spülgas ein anderes Gas als Wasserstoff, zum Beispiel Wasserdampf, zugeführt werden und kann der entnommene Wasserstoff zwangsweise zur Brennstoffzelle transportiert werden. Ein solches Spülgas kann zum Beispiel Wasserdampf sein, der unter Nutzung der Wärme vom Reaktionsabschnitt erzeugt wird.
Es ist wünschenswert, außerdem einen Speicherabschnitt zum Speichern eines anderen Produkts als dem Wasserstoff, das durch die Zersetzungsreaktion des Metallhydrids erzeugt wird, und einen Reduktionsmechanismus vorzusehen, der das Produkt zu einem Metallhydrid reduziert, indem es dem Speicherabschnitt Wasserstoff zuführt. Dies erlaubt eine effiziente Wiederverwendung des Metallhydrids. Der für die Reduktion verwendete Wasserstoff kann von außen zugeführt werden oder kann überschüssiger Wasserstoff sein, der ungenutzt in der Brennstoffzelle zurückbleibt. Die Reduktionsenergie wird von außerhalb des Brennstoffgaserzeugungssystems zugeführt. Wenn das Brennstoffgaserzeugungssystem zum Beispiel in einem mobilen Körper eingebaut ist, können die verschiedenen in den mobilen Körper eingebauten Energiequellen verwendet werden. So kann zum Beispiel im Fall eines mobilen Körpers, der sich bewegt, indem er Strom von einem elektrischen Stromgenerator verwendet, als Reduktionsenergie regenerative Energie verwendet werden, die beim Bremsen erzielt wird.
Das Brennstoffgaserzeugungssystem der Erfindung erlaubt eine Verkleinerung und eine Effizienzverbesserung und ist daher insbesondere dann hocheffektiv, wenn es in einem mobilen Körper eingebaut wird.
Ungeachtet dessen, ob die erste, zweite, dritte oder vierte Bauweise Anwendung findet, muss ein Metallhydrid als Material im Brennstoffgaserzeugungssystem zum Erzeugen von Wasserstoff durch Hydrolysieren des Metallhydrids passend zugegeben werden. Diese Zugabe des Metallhydrids lässt sich einfach dadurch erreichen, dass wie unten beschrieben eine Materialkassette verwendet wird. Die erfindungsgemäße Materialkassette enthält einen verbindenden Öffnungsabschnitt, einen ersten Speicherabschnitt, einen zweiten Speicherabschnitt, einen Rohraufbau und ein Gehäuse, das zumindest den ersten Speicherabschnitt, den zweiten Speicherabschnitt und den Rohraufbau aufnimmt. Der verbindende Öffnungsabschnitt ist ein Mechanismus, der mit einer Rohrleitung verbunden wird, die mit einem Reaktor eines Brennstoffgaserzeugungssystems in Verbindung steht. Der erste Speicherabschnitt speichert ein Metallhydrid. Der zweite Speicherabschnitt speichert Wasser, das bei der Hydrolyse verwendet wird.
Wenn für die Hydrolyse Wasser verwendet wird, das in der Brennstoffzelle erzeugt wird, kann die im zweiten Speicherabschnitt gespeicherte Wassermenge unter Berücksichtigung des von der Brennstoffzelle erzeugten Wassers verringert werden. Die Rohranordnung ist so aufgebaut, dass das Metallhydrid und das Wasser gemischt werden und dieses Gemisch dazu gebracht wird, über eine verbindende Öffnung heraus zu fließen. So ist es zum Beispiel möglich, eine Bauweise zu verwenden, bei der das Metallhydrid und das Wasser jeweils aus dem ersten und zweiten Speicherabschnitt entnommen werden und, bevor sie dazu gebracht werden, zur verbindenden Öffnung zu fließen, zusammengebracht werden. Es ist auch zweckmäßig, eine Bauweise einzusetzen, bei der das Wasser dazu gebracht wird, vom zweiten Speicherabschnitt aus zum ersten Speicherabschnitt zu fließen, und die Mischflüssigkeit dazu gebracht wird, aus dem ersten Speicherabschnitt heraus zu fließen. In einem Brennstoffgaserzeugungssystem mit einer Bauweise, bei der wie oben angesprochen mehrere Materialkassetten vorgesehen sein können, können die Erzeugung von Wasserstoff unter Verwendung mindestens einer Materialkassette und der Austausch mindestens einer weiteren Materialkassette gleichzeitig erfolgen.
Die Erfindung kann auch in verschiedenen anderen Formen als dem Brennstoffgaserzeugungssystem aufgebaut werden, zum Beispiel in Form eines Brennstoffzellensystems, in Form eines mit dem System ausgestatteten Mobils usw. Es ist auch möglich, die Erfindung in Form eines Reaktors aufzubauen, der mit einem Katalysator beladen ist.
Falls Wasserstoff wie in der ersten Abwandlung des ersten Beispiels und im dritten Beispiel unter Nutzung der Pyrolyse eines Metallhydrids erzeugt wird, kann es darüber hinaus ratsam sein, das Metallhydrid und den Katalysator für die Pyrolyse des Metallhydrids entsprechend der Temperatur eines Heizmediums zum Erhitzen des Metallhydrids oder dergleichen zu wählen. Das Brennstoffgaserzeugungssystem der Erfindung erlaubt eine Verkleinerung und eine Effizienzverbesserung und ist daher insbesondere dann hocheffektiv, wenn es in einem mobilen Körper, zum Beispiel in einem Fahrzeug, eingebaut wird.
Falls Wasserstoff durch Hydrolyse und Pyrolyse erzeugt wird, ist es zweckmäßig, dem Reaktionsabschnitt von der Brennstoffzelle erzeugte Wärme zuzuführen oder den Reaktionsabschnitt mit von der Brennstoffzelle erzeugtem Wasser und von der Brennstoffzelle erzeugter Wärme zu versorgen.
Der Ausdruck „wasserstoffreich" bedeutet bei dieser Erfindung, dass Wasserstoff in einem durch eine Zersetzungsreaktion eines Metallhydrids erzeugten Brennstoffgas unter den Gasbestandteilen des Brennstoffgases den höchsten Anteil hat.

Claims

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (1) und einem Brennstoffgaserzeugungssystem (20D) zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Brennstoffgases für die Brennstoffzelle (1) unter Verwendung eines Metallhydrids, wobei das Brennstoffgaserzeugungssystem Folgendes umfasst: einen Reaktor (23D) zur Erzeugung von Wasserstoff durch Pyrolyse des Metallhydrids; und einen Versorgungsmechanismus (40, 41) zur Versorgung des Reaktors (23D) mit Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungsmechanismus (40, 41) Wärme zuführt, die von der Brennstoffzelle (1) erzeugt wurde.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem der Versorgungsmechansimus (40, 41) ein Heizmediumumwälzmechanismus ist, der ein vorgegebenes Heizmedium auf wärmetauschende Weise zwischen der Brennstoffzelle (1) und dem Reaktor (23D) umwälzt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, bei dem das Heizmedium ein Kühlmittel ist, das die Brennstoffzelle (1) gekühlt hat.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 3, bei dem der Reaktor mit einem Abschnitt für eine exotherme Reaktion, der durch eine exotherme Reaktion, bei der ein erstes Metallhydrid hydrolysiert wird, Wasserstoff erzeugt, und mit einem Abschnitt für eine endotherme Reaktion versehen ist, der durch Pyrolysieren eines zweiten Metallhydrids Wasserstoff erzeugt, und das Brennstoffgaserzeugungssystem außerdem einen Wärmezuführungsmechanismus umfasst, der dem Abschnitt für die endotherme Reaktion zusätzliche Wärme zuführt, die von dem Abschnitt für die exotherme Reaktion erzeugt wurde.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, bei dem der Wärmezuführungsmechanismus ein einzelner Behälter ist, der dem Abschnitt für die endotherme Reaktion und dem Abschnitt für die exotherme Reaktion gemeinsam ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das Brennstoffgaserzeugungssystem außerdem einen Wasserversorgungsmechanismus umfasst, der den Abschnitt für die exotherme Reaktion mit Wasser versorgt, das von der Brennstoffzelle erzeugt wurde.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das außerdem eine Elektrifizierungseinrichtung zur Elektrifizierung des Metallhydrids umfasst.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 3, bei dem das Brennstoffgaserzeugungssystem außerdem einen Metallionenentfernungsmechanismus umfasst, der aus einem von dem Reaktor erzeugten Gas zumindest ein Metallion entfernt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, bei der der Metallionenentfernungsmechanismus eine Wasserstofftrennmembran enthält, die selektiv Wasserstoff hindurchlässt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Brennstoffgaserzeugungssystem (20D) außerdem Folgendes umfasst: einen Sammelabschnitt, der ein durch die Pyrolyse erzeugtes Produkt sammelt; und einen Reduktionsmechanismus, der das Produkt zu einem Metallhydrid reduziert, indem er dem Sammelabschnitt Wasserstoff zuführt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Metallhydrid NaBH₄ und/oder NaAlH₄ ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Brennstoffzellensystem in einem mobilen Körper eingebaut ist.
Brennstoffgaserzeugungsverfahren zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Brennstoffgases für eine Brennstoffzelle (1) unter Verwendung eines Metallhydrids, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Zersetzungsreaktion des Metallhydrids Wasserstoff erzeugt wird, indem das Metallhydrid mit Wärme versorgt wird, die von der Brennstoffzelle (1) erzeugt wurde.
Brennstoffgaserzeugungsverfahren nach Anspruch 13, bei dem die Zersetzungsreaktion Folgendes umfasst: Hydrolysieren eines ersten Metallhydrids, um Wasserstoff zu erzeugen; und Pyrolysieren eines zweiten Metallhydrids, um Wasserstoff zu erzeugen, indem das zweite Metallhydrid mit zusätzlicher Wärme versorgt wird, die in dem Hydrolysierungsschritt erzeugt wurde.
Brennstoffgaserzeugungsverfahren nach Anspruch 13, das außerdem den Schritt Entfernen zumindest eines Metallions aus einem durch die Pyrolyse des Metallhydrids erzeugten Gas umfasst.