WO2005116299A2 - Solarbetriebene elektrolysevorrichtung zur erzeugung von wasserstoff und verfahren zum betreiben einer solchen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff mittels mindestens einer Solarzelle, wobei die Solarzelle (1) räumlich mindestens einer einen Elektrolyten beinhaltenden Elektrolysezelle (2) zugeordnet und mit stark gebündeltem Sonnenlicht (3) betreibbar ist. Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, dass die Solarzelle (1) durch den die Elektrolysezelle (2) durchströmenden Elektrolyten kühlbar ausgebildet ist, wodurch die Solarzelle wirtschaftlicher betreibbar ist.

Description

Solarbetriebene Elektrolysevorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und Verfahren zum Betreiben einer solchen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff mittels mindestens einer Solarzelle, wobei die Solarzelle räumlich mindestens einer einen Elektrolyten beinhaltenden Elektrolysezelle zugeordnet ist.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff mittels mindestens einer Solarzelle, wobei die Solarzelle räumlich mindestens einer einen Elektrolyten beinhaltenden Elektrolysezelle zugeordnet ist.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung wird von der JP 2000192275 A beschreiben. Die dort beschriebene Vorrichtung zur Elektrolyse von Wasser besitzt eine Solarzelle, deren Rückseite flächig auf einer Elektrolysezelle aufliegt. Die Elektrolysezelle besitzt zwei durch eine permeable Wand voneinander getrennte Kammern. In jede der beiden Kammern ragt eine mit der Anode bzw. Kathode der Solarzelle verbundene Elektrode. Die von der Solarzelle in elektrische umgewandelte Sonnenenergie soll durch Elektrolyse das in der Elektrolysezelle befindliche Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff dissoziieren. Wasserstoff und Sauerstoff können in einem Tank gespeichert werden.

Die DE 20308393 UI beschreibt ein Solarkraftwerk, bei dem das Solarkraftwerk mit einer Elektrolysevorrichtung verbunden ist, die es ermöglicht, Sauerstoff und Wasserstoff herzustellen, um die erzeugte Energie zu speichern.

Die DE 19528681 C2 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Speichern und Nutzbar machen, insbesondere von Solarenergie. Mittels Solarenergie sollen dort Hydroxide erwärmt und elektrolytisch zerlegt werden, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Der gebildete Wasserstoff kann in einer Wärmekraftmaschine wieder verbrannt werden.

Die DE 2851225 C2 befasst sich mit einem Verfahren zum Speichern von Sonnenenergie in Form eines elektrochemisch erzeugten und brennbaren Stoffes, wozu die Sonnenstrahlung zunächst in elektrischen Strom umgewandelt wird und dann einer Elektrode bzw. Kathode zugeführt wird, welche in einen Elektrolyten getaucht sind, um Ameisensäure herzustellen.

Die DE 4332789 befasst sich mit einem Verfahren zum Speichern von Energie, wobei eine Mischung von Wasserstoff und Kohlendioxid in einem Reaktor in Methan und/oder Methanol umgesetzt wird.

Aus der DE 4302089 AI ist der Vorschlag zu entnehmen, mit Hilfe von Sonnenstrahlung Wasserdampf auf Temperaturen um 3000 Kelvin zu überhitzen, damit es teilweise dissoziiert.

Die DE 19523939 C2 und DE 10027549 A 1 beschreiben solarbeschriebene Systeme zur Gewinnung von Wasserstoff bei der Solarzellen und Elektrolysezellen verwendet werden.

In der WO 2004/050961 AI wird eine Photoelektrochemische Zelle vorgestellt, bei der eine Photovoltaische Elektrode in einem Container mit transparenter Front der Strahlung ausgesetzt und betrieben wird. In US 4841731 A wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Elektrolyse von Wasser mit Hilfe von Sonnenenergie beschrieben. Dabei soll die Wärme der separat betriebenen Solarzellen eventuell der Elektrolyse zugeführt werden und diese gegebenenfalls unterstützen. Wasserstoff und Sauerstoff werden bei Bedarf in einer zum System gehörenden Wärmekraftmaschine umgesetzt, um elektrische Energie bereit zu stellen.

Die EP 0670915 Bl beschreibt ein Verfahren zur Bereitung von Wasserdampf mittels konzentrierter Solarstrahlung, bei der der entstandene Wasserdampf anschließend mittels Elektrolyse in der Gasphase in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Die notwendige elektrische Energie soll mittels separat betriebener Solarzellen bereitgestellt werden.

Ausgehend von der EP 0670915 Bl als gattungsbildendem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung bzw. ein gattungsgemäßes Verfahren mit dem Ziel einer besseren wirtschaftlichen Nutzung weiter zu bilden.

Gelöst wird die Aufgabe durch den in Patentanspruch 1 beanspruchten Gegenstand. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Solarzelle durch einen eine Elektrolysezelle durchströmenden Elektrolyten kühlbar ist.

Vorteilhafterweise dient der Elektrolyt dabei nicht nur dem Abtransport der durch Elektrolyse entstandenen Gase, sondern in besonderem Maße der Kühlung, also der Abfuhr von der in der Solarzelle absorbierten Wärme, wodurch die beanspruchte Vorrichtung wirtschaftlicher betreibbar ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Solarzelle zunächst und im Wesentlichen mit stark gebündeltem Sonnenlicht betreibbar ist, also insbesondere im Brennpunkt einer Lichtbündelungseinrichtung angeordnet ist. Bei dieser Lichtbündelungseinrichtung kann es sich um einen Reflektor oder auch um ein Linsensystem handeln. Vorzugsweise wird als Lichtbündelungseinrichtung ein Parabolspiegel verwendet. Der Parabolspiegel kann einen Lichteinfangquerschnitt, also insbesondere eine Fläche aufweisen, die mindestens 200 mal bevorzugt mindestens 1000 mal so groß ist, wie die belichtete Fläche der Solarzelle. Um die elektrischen Verluste zu minimieren, ist es vorteilhaft, wenn die Elektrolysezelle so dicht wie möglich der Solarzelle benachbart ist. Die Solarzelle wird vorzugsweise von einer Elektrolysezelle getragen.

Zur Abfuhr der von der Solarzelle absorbierten Wärme ist es von Vorteil, wenn die Rückseite der Solarzelle im Wesentlichen ganzflächig thermisch leitend mit einem gut thermisch leitenden Gehäuseabschnitt der Elektrolysezelle verbunden ist. Vorzugsweise besteht dieser Gehäuseabschnitt der Elektrolysezelle aus einem gut thermisch leitenden Metall. Die Leitverbindung zwischen der Rückseite der Solarzelle und der entsprechenden Oberfläche dieses thermisch gut leitenden Gehäuseabschnitts kann über ein Silberlot oder ein anderes und insbesondere auch elektrisch leitfahiges Material erzeugt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt die Elektrolysezelle eine oder mehrere Zuflussöfftiungen für den Elektrolyten und eine oder mehrere Abflussöfftiungen für den Elektrolyten und den im Elektrolyt gelösten Wasserstoff/Sauerstoff. Dies hat den Vorteil, dass zeitgleich Elektrolyt und im Elektrolyt gelöste Reaktionsprodukte und auf den Elektrolyten übertragene Wärme aus dieser bzw. diesen Abflussöffnungen austreten können. Vorzugsweise besitzt die Elektrolysezelle getrennte Zulassöff ungen für getrennte Kammern. Die beiden Kammern der Elektrolysezelle sind durch eine permeable Wand voneinander getrennt. In einer der Kammern befindet sich die Anode. In der anderen Kammer befindet sich die Kathode. Hierdurch ist sichergestellt, dass Wasserstoff und Sauerstoff in voneinander verschiedenen Kammern erzeugt werden. Dies hat zur Folge, dass der Wasserstoff in Lösungen durch die eine Abflussöffhung und der Sauerstoff in Lösungen in der anderen Abflussöffnung aus der Elektrolysezelle abtransportiert wird. Die Anode und die Kathode sind aus geeignetem Material gefertigt. Es kann sich hierbei um reine Metalle oder geeignete Komposita mit Metallen handeln. Die Anode bzw. die Kathode kann zusätzlich mechanisch strukturiert und/oder mit geeigneten Katalysatoren beschichtet sein. Die beiden Kammern der Elektrolysezelle sind durch eine permeable Wand voneinander getrennt. Diese Wand kann sowohl eine rein passive und eher mechanisch wirkende Wand sein, die zwar den Austausch von Ionen nicht aber der durch Elektrolyse entstehenden Gase erlaubt. Sie kann aber auch aus einem Festkörper Elektrolyt wie bei einer PEM-Elektrolyse-Zelle bestehen und damit als Ionenquelle den Stromfluss erst ermöglichen. Innerhalb der Elektrolysezelle befindet sich dann reines Wasser. Anode und Kathode sind dann aber elektrisch leitend mit dem Festkörperelektrolyten verbunden.

Dabei ist die Erfindung nicht auf diese beiden bekannten permeablen Wandtypen beschränkt. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der gut thermisch leitende Gehäuseabschnitt die Kontaktfläche zum Elektrolyt erhöhende Strukturen ausbildet. Insbesondere ist vorgesehen, dass aus den Wänden beider Kammern der Elektrolysezelle derartige die Kontaktfläche zum Elektrolyt erhöhende Strukturen ragen. Diese Strukturen können beispielsweise Zapfen oder Stifte sein. In Folge der erhöhten Kontaktfläche wird nicht nur der chemische Massenumsatz, sondern auch die Wärmeableitung in den Elektrolyten erhöht. Bei dem Elektrolyt kann es sich um verdünnte Natronlauge oder verdünnte Kalilauge oder eine andere geeignete chemische Substanz handelt. Wesentlich ist jedoch das Vorhandensein von Wasser, welches in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden soll. Besitzt die Elektrolysezelle mehrere Kammern, so ist vorgesehen, dass jeder Kammer ein eigener Elektrolytkreislauf zugeordnet ist. Vorzugsweise besitzt die Vorrichtung zwei Elektrolytkreisläufe, wobei jeder Elektrolytkreislauf eine Pumpe, einen Gasabscheider und einen Wärmetauscher aufweist. Mit der Pumpe wird der Elektrolyt durch den Kreislauf gefördert, wobei vorzugsweise innerhalb der Elektrolysezelle Drücke zwischen 70 und 120 bar erzeugt werden. In dem Gasabscheider wird jeweils der aus der Elektrolysezelle heraus transportierte Wasserstoff bzw. Sauerstoff der Elektrolyseflüssigkeit entnommen.

Die Solarzelle liefert beispielsweise durch zusätzliche Verwendung des thermoelektrischen Effektes eine Spannung, die ausreicht, um Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Die dabei erzeugte Spannung liegt etwa zwischen 1,3 und 3,3 Volt. Dadurch erübrigt sich eine fertigungstechnisch aufwendigere Reihenschaltung mehrerer Solarzellen.

Vorzugsweise wird auch die zufolge eines thermoelektrischen Effektes zwischen heißer und gekühlter Fläche der Solarzelle entstandene Thermospannung genutzt. Die mit dem stark gebündelten Sonnenlicht beaufschlagte aktive Oberfläche der Solarzelle kann sich auf Temperaturen von 400 bis 450 Grad aufheizen. Die gekühlte Rückseite der Solarzelle besitzt eine Temperatur, die erheblich niedriger ist. Diese Temperatur kann zwischen 100 und 200 Grad betragen. Insbesondere wenn die Anordnung bei Drücken über dem Normaldruck betrieben wird, lässt sich für den wässrigen Elektrolyten eine erhöhte Temperatur nutzen, ohne dass es zum Sieden des Elektrolyten kommt. Die Spannung zur Dissoziation von Wasser bei erhöhter Temperatur verringert sich. Die Ausbeute des Prozesses kann steigen. Zufolge dieser Temperaturdifferenz kann die Spannung zwischen Anode und Kathode um einen ergänzenden thermoelektrischen Effekt (Seebeck-Effekt) erhöht werden. Bei geeigneten Materialien kann diese zusätzliche Spannung beträchtliche Werte oberhalb von 100 mV annehmen. Die Solarzelle wird dann zu einem kombinierten Foto-und thermoelektrischen Bauelement. Es ist ferner vorgesehen, dass mehrere Solarzellen in Reihe gestellt werden, um die Gesamtspannung zu erhöhen. Diese Solarzellen können nebeneinander derartig platziert werden, dass sie in geeigneter Weise vom stark gebündelten Sonnenlicht beaufschlagt werden. Auch bei dieser Lösung ist vorgesehen, dass die Elektrolyse in räumlich unmittelbarer Nähe der Solarzelle erfolgt. Auch hier wird die von der Solarzelle absorbierte Wärme vom Elektrolyt abgeführt. Bei dieser Vorrichtung sind vorzugsweise mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Elektrolysezellen vorgesehen. Um mit lediglich einem p - n - Übergang, die für die Dissoziation von Wasser erforderliche Spannung zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Halbleiterschichten der Solarzelle aus einem III- V- Komponentenmaterial bestehen. Die erforderliche Spannung dieser einen einzigen pn-Übergang aufweisenden Solarzelle wird durch ein entsprechendes Band-Gap- Engineering erreicht, bei dem die Zusammensetzung der Halbleiterschichten aus jeweils III-V-Komponenten (AI, Ga, In, P, As, N) in entsprechender Weise gewählt werden. Die Rückseite der Solarzelle kann elektrisch leitend mit einer metallischen Gehäusehälfte verbunden sein. Auf der Oberfläche können ein oder mehrere Kontakte angeordnet sein, die elektrisch leitend mit einer zweiten Gehäusehälfte verbunden sein. Dabei sind die beiden Gehäusehälften voneinander elektrisch isoliert und bilden jeweils die Anode bzw. Kathode aus.

Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff mittels einer Solarzelle gelöst. Die Vorteile dieses Verfahrens entsprechen den oben mit Bezug auf die beanspruchte Vorrichtung genannten Vorteilen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau einer Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff mittels einer Solarzelle,

Fig. 1 a in schematischer Darstellung den Aufbau einer Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff mittels einer Solarzelle in einer abgewandelten Form,

Fig. 2 in schematischer Darstellung den Aufbau einer erfindungsge- mässen unmittelbar mit einer Solarzelle verbundenen Elektrolysezelle,

Fig. 3 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer Elektrolysezelle mit integrierter Solarzelle in einer Draufsicht,

Fig. 4 ein Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 3 und

Fig. 5 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel eines mehrerer einzelner Elektrolysezellen aufweisenden Apparates zur Erzeugung von Wasserstoff mit integrierter Solarzellenanordnung.

Die Fig. 1 zeigt einen Parabolspiegel 4. Dieser Reflektor reflektiert das Sonnenlicht 3 und bündelt es auf einen im Brennpunkt des Reflektors 4 angeordneten Wandler. Dieser Wandler besitzt eine Solarzelle 1, die innig mit einer Elektrolysezelle 2 verbunden ist. Es handelt sich dabei um eine Kombination einer oder mehrerer Solarzellen mit einer oder mehreren Elektrolysezellen so, dass beide Komponenten mit hoher Synergie so betrieben werden können, dass Wasserstoff oder auch andere Elektrolyseprodukte direkt mittels der Energie der Sonne bereitgestellt werden können.

Die Elektrolysezelle 1 wird, von dem Elektrolyt durchströmt. Die Fig. 1 zeigt zwei Elektrolytkreisläufe 19, 20. Jeder Elektrolytkreislauf 19, 20 beinhaltet eine Pumpe 15, einen Gasabscheider 16 und einen Wärmetauscher 17. Die Pumpe 15 pumpt den Elektrolyten in eine Zuleitung 19', 20'. Die Zuleitung 19', 20' leitet den Elektrolyten in von einer permeablen Wand 11 getrennte Kammern 12, 13 der Elektrolysezelle 2. Durch Elektrolyse entsteht innerhalb der Kammer 12 Wasserstoff und innerhalb der Kammer 13 Sauerstoff. Sauerstoff und Wasserstoff werden von dem durch die Ableitungen 19', 20' fließenden Elektrolyt abtransportiert, um ggf. weiter komprimiert und gespeichert zu werden. In Strömungsrichtung vor oder nach einem Wärmetauscher 17 kann sich in jedem der Elektrolytkreisläufe 19, 20 ein Gasabscheider 16 befinden, mittels welchem aus dem Elektrolyt der Sauerstoff bzw. der Wasserstoff getrennt wird, um komprimiert und gespeichert zu werden. Die Abnahme der Wärmetauscher 17 kann anderweitig genutzt werden.

Zur Folge dieser Ausgestaltung ist es möglich, die Solarzelle (1) aufgrund der sehr guten Kühlung durch den Elektrolyten mit konzentriertem Sonnenlicht bei hohen Konzentrationsfaktoren zu betreiben. Durch die direkte Produktion von Wasserstoff als Energieträger werden die bekannten tages- und jahreszeitlichen Schwankungen im "Primärenergieangebot" des Sonnenscheins überbrückt, damit Wasserstoff ein leicht zu speichernder Energieträger vorhanden ist. Aufgrund der hohen möglichen Konzentrationsfaktoren des Sonnenlichtes besteht ein enormes wirtschaftliches Potential zur preiswerten Produktion von Wasserstoff auch zur energetischen Nutzung. Die Anwendung ist nicht auf die Produktion von Wasserstoff durch Elektrolyse beschränkt. Prinzipiell ist auf ihrer Basis jede gewünschte Elektrolyse mittels Energie der Sonne möglich. Insbesondere sind Kombinationskraftwerke möglich, die es erlauben, auf der einen Seite See- oder Brackwasser zu Trinkwasser aufzuarbeiten und auf der anderen Seite Wasserstoff als Energieträger herzustellen. Der in der Fig. 1 a dargestellte Aufbau unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau im Wesentlichen dadurch, dass beide Kammern der Elektrolysezelle 2 von einer Pumpe 5 gespeist werden. Demzufolge ist auch nur eine Zuleitung 19 erforderlich, die sich nur unmittelbar vor der Elektrolysezelle 2 teilt. Dies hat den Vorteil, dass in beiden Kammern der Elektrolysezelle 2 ein gleicher Druck herrscht und die permeable Wand zwischen den beiden Kammern minimal belastet wird.

Den Aufbau einer eine Solarzelle 1 aufweisende Elektrolysezelle 2 beschreibt prinzipiell die Fig. 2. Dort besitzt die Elektrolysezelle 2 zwei Kammern, die von einer permeablen Wand 11, durch welche ein Ionenaustausch stattfinden kann, getrennt sind. Die Kammer 12 besitzt eine elektrisch leitende Kammerwand 21, die eine Kathode bildet. Im wesentlichen spiegelbildlich zur Kammer 12 aufgebaute Kammer 13 bildet ebenfalls eine elektrisch leitende Kammerwand 22 aus, die die Anode bildet. Die Kammer 21 besitzt darüber hinaus eine hohe thermische Leitfähigkeit und ist großflächig mit der Rückseite 1 "einer Solarzelle 1 verbunden. Auf der aktiven Oberfläche 1' der Solarzelle 1 befinden sich Kontakte 18, die über eine elektrische Leitverbindung 23 mit der Anode 22 verbunden sind. In die Kammer 12 mündet eine Zuleitung 7, durch welche H₂O und gegebenenfalls KOH in die Kammer 2 eingeleitet wird. Auch die Kammer 13 besitzt eine Zuleitung 8, durch welche H₂O und gegebenenfalls KOH in die Kammer 13 eingeleitet wird. In der Kammer 12 entsteht durch Elektrolyse Wasserstoff. Dieser Wasserstoff wird zusammen mit dem H₂O bzw. dem gegebenenfalls vorhandenen KOH durch eine Ableitung 9 abgeleitet. In der Kammer 13 entsteht durch Elektrolyse Sauerstoff. Dieser wird durch die Ableitung 10 zusammen mit dem Wasser abgeleitet.

Die Oberfläche 1' der Solarzelle 1 wird mit konzentriertem Sonnenlicht beaufschlagt. Hierdurch entsteht in der Solarzelle, die aus einer n-Schicht 24 und einer p-Schicht 25 gebildet wird, elektrischer Strom, der die Elektrolyse betreibt. Zusätzlich wird in der Solarzelle 1 Wärme absorbiert. Diese Wärme wird über die Kathode 21 in den Elektrolyten, der sich in der Kammer 12 befindet, abgegeben. Die Durchströmung der Kammer 12 bewirkt den Wärmeabtransport. Die Anordnung der Kathode und der Anode im Ausführungsbeispiel ist rein willkürlich gewählt. Sie können auch vertauscht werden. Die Oberfläche 1' der Solarzelle 1 kann sich auf über 400 Grad aufheizen. Zur Folge der Kühlung beträgt die Temperatur an der Rückseite 1' lediglich 100 bis 200 Grad Celsius. Zur Folge des Seebeck-Effektes tritt zwischen den beiden Oberflächen 1, 1' bei geeigneten Materialien eine zusätzliche thermoelektrische Spannung auf. Diese kann deutlich über 100 mV betragen. Somit ist es je nach Wahl des Materials der Solarzelle, der gewählten Polarität des Substrates der Solarzelle und bei geeigneter Montage der Solarzelle 1 auf der Elektrolysezelle 2 möglich, dass dieser thermoelektrische Effekt in Temperaturgradienten zwischen den beiden Oberflächen der Solarzelle zum Gesamtwirkungsgrad der Anordnung erheblich beiträgt.

Erfindungsgemäß können Solarzellen jeglicher Art verwendet werden. Es ist nicht unbedingt erforderlich, III-V-Solarzellen zu verwenden. Es können auch IV- Komponenten-Solarzellen beispielsweise aus Silizium verwendet werden. Es können Techniken verwandt werden, bei denen der Halbleiter der einen Polarität, der zusammen mit einem Halbleiter der andern Polarität eine Solarzelle so formt, dass mindestens eine Seite direkt als Elektrode einer Elektrolysezelle dient. Diese Methode wird in der Literatur mit den Namen Photolyse, Photo-Splitting oder Photoelektrolyse benannt.

Wesentlich ist die direkte Montage der Solarzelle 1 und die direkte elektrische Verbindung der Solarzelle 1 mit einer zugehörenden Elektrolysezelle 2, so dass die elektrische Energie aus der Solarzelle 1 direkt zur Elektrolyse herangezogen wird und der thermische Kontakt zwischen der Solarzelle 1 und der Elektrolysezelle 2 zu einer effektiven Kühlung der Solarzelle 1 fuhrt. Anstelle einer Solarzelle 1 können selbstverständlich auch mehrere Solarzellen 1 nebeneinander verwendet werden.

In der Praxis werden für die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff Spannungen zwischen 1,3 V und 3,3 V benötigt. Es wird eine Solarzelle verwendet, die insbesondere unter zusätzlicher Verwendung des obengenannten thermoelektrischen Effektes diese Spannung erzeugt. Es ist aber auch möglich, mehrere Solarzellen in Reihenschaltung zu schalten, um die erforderliche Spannung zu erreichen. So ist es möglich, eine Reihenschaltung von 4 bis 8 klassischen Siliziumsolarzellen auf der sonnenzugewandten Seite der Elektrolysezelle zu montieren und in entsprechender Form elektrisch miteinander zu verbinden.

Die aktive Kühlung der Solarzelle sorgt nicht nur für einen hohen Synergieeffekt im Betrieb der beiden Komponenten Solarzelle und Elektrolysezelle. Sie sorgt auch für die Nutzbarmachung des thermoelektrischen Effektes. Dabei wird durch die thermodynamische Ausgangssituation insbesondere in Bezug auf den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik eine hohe Ausbeute der Elektrolyse erreicht.

Es ist auch vorgesehen, hocheffiziente "Multijunction-Solarzellen" oder Tandem- Solarzellen einzusetzen. Diese Bauelemente liefern je nach Aufbau eine Ausgangsspannung von über 3 V und werden häufig auf Germaniumsubstraten hergestellt. Auch hier kann bei geeigneter Polarität des Substrates der gewünschte thermoelektrische Effekt unter konzentriertem Sonnenlicht auftreten.

In den Fig. 3 und 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Elektrolysezelle 2 dargestellt, die aus zwei als Drehteilen gefertigten Halbschalen 5, 6 besteht. Diese beiden Gehäusehälften 5,6 bestehen aus einem elektrisch und thermisch gut leitenden Material. Insbesondere die die Solarzelle 1 tragende Gehäusehälfte 5 kann aus Platin bestehen.

Die Gehäusehälfte 5 besitzt eine Ebene, kreisrunde von einem Rand gefasste Oberfläche 29, auf welcher die Solarzelle 1 aufgebracht ist. Mittels eines geeigneten elektrisch leitenden und thermisch leitenden Mediums ist die Rückseite 1' der Solarzelle 1 ganzflächig mit der Fläche 29 verbunden. Die Gehäusehälfte 5 besitzt in ihrer Symmetrieachse eine kreisrunde Öffnung. Die Solarzelle 1 besitzt eine formangepasste Öffnung, die sie mit dieser Öffnung fluchtet.

Die mit der Gehäusehälfte 1 fest verbundene Gehäusehälfte 6 besitzt einen zentralen Kontaktstift 28, der durch die obengenannte Öffnung ragt. Die Öffnung ist von einem Keramikrohr 27 ausgekleidet, so dass die beiden Kammern 12 und 13 nach außen hin abgedichtet sind.

Der Kontaktstift 28 ist mit einem entsprechend der aufzutretenden Ströme dimensionierten Leiter 23 mit einem Kontakt 18 der Solarzelle 1 verbunden, so dass die Gehäusehälfte 5 die Kathode und die Gehäusehälfte 6 die Anode (oder umgekehrt) ausbilden.

Zur Isolation der beiden insbesondere aus Metall bestehenden Gehäusehälften 5, 6 voneinander ist eine Trennebene zwischen den Gehäusehälften 5, 6 eine Isolationsschicht vorgesehen, die insbesondere von einer permeablen Wand 11 gebildet sein kann. Diese permeable Wand 11 trennt die beiden Kammern 12, 13 derart voneinander, dass das in der Kammer 12 erzeugte Wasserstoffgas nicht oder nur unwesentlich in die Kammer 13 eindringen kann. Selbiges gilt für das in der Kammer 13 erzeugte Sauerstoffgas in Bezug auf die Kammer 12.

Zur Erhöhung der wärme- und stromleitenden Oberfläche der Kammerwandungen 13, 14 bildet die Kammerwandung parallel zueinander verlaufende Zapfen 14 aus, die sich quer zur Erstreckungsrichtung der permeablen Wand 11 erstrecken. Die Stirnenden der Zapfen 14 können in berührender Anlage an der permeablen Wand 11 liegen, so dass die Lage der permeablen Wand 11 durch die Zapfen 14 stabilisiert ist. Insbesondere erlaubt der direkte elektrische Kontakt zwischen Membran und Elektroden den Einsatz einer ionenliefernden PEM-Membran als Elektrolyten und die Nutzung von reinem Wasser als Wasserquelle.

Auch bei diesem Ausfuhrungsbeispiel besitzt jede der beiden Kammern 12, 13 eine individuelle Zuleitung 7, 8 bzw. eine individuelle Ableitung 9, 10.

Wie insbesondere der Fig. 3 zu entnehmen ist, sind auf der Oberfläche 1' der Solarzelle 1 zwei kreisförmige Kontakte 18', 18 angeordnet, die mit Leiterbahnen 26 miteinander verbunden sind.

Das in der Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Apparat, der eine aus mehreren Einzelsolarzellen 30 bestehende Solarzellenanordnung 1 aufweist. Die Einzelsolarzellen 30 sind elektrisch hintereinander in Reihe geschaltet, so dass am Kontakt 18 eine Summenspannung anliegt. Hier liegt die Solarzellenanordnung 1 in elektrisch isolierter aber thermisch leitender Anlage an der Kathode 21, die mit einem Pol der Solarzellenanordnung 1 leitverbunden ist. Der andere Pol 18 ist über einen Leiter 23 mit der Anode 22 verbunden. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind mehrere, elektrisch in Reihe geschaltete Einzelelektrolysezellen über-einander angeordnet, die insgesamt eine Elektrolysezellenanordnung 2 ausbilden. Jede der Einzelelektrolysezellen besitzt eine Kammer 12 und eine Kammer 13 mit separaten Zuleitungen 7, 8, wobei die in die jeweiligen Kammern 12 und die jeweiligen Kammern 13 mündenden Zuleitungen 7, 8 untereinander verbunden sind. Selbiges gilt für die Ableitungen 9, 10 der einzelnen Kammern 12, 13, die in der oben beschriebenen Weise durch eine permeable Wand 11 voneinander getrennt sind. Die Böden 31 der jeweiligen Einzelelektrolysezellen bilden elektrische Leitverbindungen zwischen den übereinander angeordneten Elektrolysezellen aus. Sie bilden einseitig die Anode und anderseitig die Kathode aus. Die Anzahl der Einzelsolarzellen 30 bzw. der Einzelelektrolysezellen sind so aufeinander abgestimmt, dass die Summenspannung der Solarzellenanordnung 1 optimal für die Dissoziation von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff ist.

Die erfindungsgemäße Solarzelle kann bei Kleinanlagen unter Normal-druck betrieben werden. Bei mittleren Anlagen ist es vorgesehen, bei höheren Flüssigkeitsdrücken zu arbeiten, beispielsweise bei Drücken von ca. 20 bar. Bei Großanlagen ist es von Vorteil, bei Flüssigkeitsdrücken von 70 - 120 bar zu arbeiten. Bei derartig hohen Drücken kann eine nachfolgende Kompression des erzeugten Wasserstoffs bzw. des erzeugten Sauerstoffs entfallen. Zufolge der Verwendung von stark gebündeltem Sonnenlicht können Ströme im Bereich zwischen 300 und 3000 Ampere erzeugt werden. Die Solarzelle kann einen p-n-Übergang oder einen n-p- Übergang aufweisen. Es ist aber auch möglich, thermoelektrische Solarzellen zu verwenden. Insbesondere bei hohen Flüssigkeitsdrücken kann die dort erreichbare Spannung ausreichen, Wasser zu dissoziieren.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff mittels mindestens einer Solarzelle (1), wobei die Solarzelle (1) räumlich mindestens einer einen Elektrolyten beinhaltenden Elektrolysezelle (2) zugeordnet und mit stark gebündeltem Sonnenlicht (3) betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (1) durch den die Elektrolysezelle (2) durchströmenden Elektrolyten kühlbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (1) im Brennpunkt einer Lichtbündelungseinrichtung, insbesondere eines Reflektors (4) angeordnet ist, dessen Lichteinfangquerschnitt mindestens 200 mal bevorzugt mindestens 1000 mal so groß ist, wie die Solarzellenfläche (1').

3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der lichtbeaufschlagbaren aktiven Oberfläche (1') der Solarzelle (1) gegenüberliegende Rückseite (1") im wesentlichen ganzflächig thermisch leitend mit einem gut thermisch leitenden Gehäuseabschnitt (5) der Elektrolytzelle (2) verbunden ist oder diesen bildet.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytzelle (2) eine oder mehrere Zuflussöffnungen (7, 8) für den Elektrolyten und eine oder mehrere Abflussöffhungen (9, 10) für den Elektrolyten und den im Elektrolyt gelösten Wasserstoff/ Sauerstoff aufweist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytzelle (2) zwei durch eine permeable Wand (11) getrennte Kammern (12, 13) ausbildet, wobei jede Kammer (12, 13) ihre zugeordnete Zuflussöffhung (7, 8) und Abflussöffhung (9, 10) aufweist, wobei die Anode (23) in der einen und die Kathode (21) in der anderen Kammer (12, 13) angeordnet sind.

Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die permeable Wand (11) eine PEM-Membran oder eine andere Ionen bereitstellende Membran ist, die über ihre Ionenbereitstellung und Ionenleitfahigkeit den Stromfluss ermöglicht, so dass reines Wasser eingesetzt werden kann.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gut thermisch leitende Gehäuseabschnitt (5) die Kontaktfläche zum Elektrolyt erhöhende Strukturen (14) ausbildet.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Elektrolytkreisläufe (19, 20), mit je einer Pumpe (15), einem Gasabscheider (16) und gegebenenfalls einem Wärmetauscher (17).

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Nutzung des thermoelektrischen Effektes zwischen der heißen, dem gebündelten Sonnenlicht (3) ausgesetzten aktiven Oberfläche (1') und der rückwärtigen, gekühlten Seite (1") der Solarzelle (1).

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine thermische Nutzung der Abwärme des Wärmetauschers (17).

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die mindestens eine Solarzelle (1) ausgebildet ist, vorzugsweise durch zusätzliche Ausnutzung des thermoelektrischen Effektes, elektrische Spannungen in einer Höhe bereitzustellen, wie sie die für die Dissoziation von Wasser erforderlich sind, insbesondere in Höhen von 1,3 bis 3,3 V.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Elektrolysezelle (2) für beide Kammern oder für eine Kammer und die permeable Trennwand als Druckgefass ausgeführt ist, um mit einem Elektrolytdruck von über 70 bar bevorzugt mit einem Druck zwischen 70 und 120 bar betrieben werden zu können.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere, elektrisch in Reihe geschaltete Einzelsolarzellen (30) in räumlich unmittelbarer Zuordnung zu mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Elektrolysezellen (2).

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Solarzelle mindestens eine III-V-Halbleiterschicht aufweist.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Rückseite (1") der Solarzelle (1) elektrisch leitend mit einer ersten elektrisch leitenden Gehäusehälfte (5) verbunden ist und ein oder mehrere auf der sonnenlichtbeaufschlagten Oberfläche (1') der Solarzelle (1) angeordnete Kontakte (18) mit einer zweiten elektrisch leitenden Gehäusehälfte (6) verbunden ist, wobei die beiden Gehäusehälften (5, 6) gegeneinander isoliert sind.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Solarzelle(n) zur Klasse der sogenannten Tandemoder Multijunctionssolarzellen gehört bzw. gehören.

17. Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff mittels mindestens einer Solarzelle (1), wobei die Solarzelle (1) räumlich mindestens einer einen Elektrolyten beinhaltenden Elektrolysezelle (2) zugeordnet ist und die aktive Fläche (1^!) der Solarzelle (1) mit stark gebündeltem Sonnenlicht (3) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle (2) zur Kühlung mit dem Elektrolyt durchströmt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch mindestens einen Elektrolysekreislauf (19, 20) aufweisend eine Pumpe (15) und einen Gasabscheider (16) sowie einen Wärmetauscher (17), dessen Abwärme genutzt wird.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Effekt zwischen der heißen, von der Sonne beschienen Oberfläche (l¹) und der gekühlten Rückseite (1") der Solarzelle (1) genutzt wird, um die für die Dissoziation von Wasser erforderliche Spannung zu liefern oder eine thermoelektrische Spannung zu einer photoelektrischen Spannung zu addieren.

20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Elektrolysezelle (2) ein Elektrolytdruck von über 70 bar, bevorzugt ein Druck zwischen 70 und 120 bar aufgebaut wird.

21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein anderer Elektrolyseprozess als die elektrolytische Zerlegung von Wasser abläuft.