Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie und von chemischer Energie in elektrische Energie mit chemischer Zwischenspeicherung in Verbindung mit einer Energiewandlung und Stoffwandlung mittels pyrokatalytisch wirksamer Materialien unter Nutzung von Rest- oder Abwärme, wobei einerseits in einem Fluidreservoir durch einen extern verfügbaren (Ab-)Wärmestrom oder andererseits aus internen Tempe- raturfluktuationen aus einem Fluid, also einer Flüssigkeit oder einem Gas, durch die pyrokatalytische Wirksamkeit am pyrokatalytisch wirksamen Material Wasserstoff erzeugt wird, welcher seinerseits über einen Gasdiffusionskanal einer Brennstoffzelleneinheit zugeführt wird und für die Brennstoffzellenreaktion zur Verfügung steht, in deren Folge Wasser gebildet wird und so die Brennstoffzelle einen elektri- sehen Strom generiert. Die Erfindung kann in verschiedenen Bereichen angewendet werden. Das entscheidende Kriterium besteht in der Nutzung von anfallender Abwärme. In Frage kommen besonders die zentrale und dezentrale bzw. autarke Erzeugung elektrischer Energie (Kraftwerke und Solar- bzw. Geothermie), sämtliche Prozesse im Chemie- und Anlagenbau (Industrieanlagen), in der Grundstoffindustrie (z. B. Stahl- und Schwerindustrie) sowie gewerbliche Einrichtungen verschiedener Branchen (z. B. Bäckereien, Kühlhäuser, Textilwäschereien, Rechenzentren) und Eigenheime. Eine Nutzung der Erfindung für Brennstoffzellen, die bei Temperaturen oberhalb von etwa Raumtemperatur betrieben werden, stellt eine weitere mögliche Anwen- dungsoption dar.

Nach Schätzungen verschiedener Energieagenturen und Institutionen gehen heute weltweit mehr als 50 % des für die technische Nutzung gewandelten Energieaufkommens in Form von Abwärme verloren. Die Entwicklung technisch und wirt- schaftlich vertretbarer Verfahren zur Nutzbarmachung von Niedertemperaturabwärme ist demnach in großer Breite von entscheidender Bedeutung für die Erhöhung der Prozesswirkungsgrade und somit auch der Energieeffizienz. Ziel der Erfindung ist es, diese Abwärme - insbesondere in Form von in herkömmlichen Anlagen nicht mehr arbeitsfähiger Niedertemperaturabwärme - nutzbar zu machen. Bedingt durch die absehbare Verknappung des fossilen Rohstoffs Erdöl und die drohende Änderung des Weltklimas, sind neue Ansätze im Energiesektor und in den Industriebranchen mit hohem Bedarf an Energie notwendig. Die Verluste nutzbarer Energie in Form von Niedertemperaturabwärme treten außerhalb der bedeutsamen Erzeugung elektrischer Energie in ganz vielfältigen Zusammenhängen auf. Dies betrifft etwa Kraftwerke, Fahrzeugmotoren oder die Schwerindustrie, elektrochemische Speicher, insbesondere auch Brennstoffzellen, wobei die beim Auf- und Entladen erzeugte Abwärme eine der wesentlichsten Formen nicht nutzbarer Energieanteile darstellt, oder die Materialsynthese und Materialaufreinigung (z. B. von Stahl und Chemikalien) bis hin zu Rechenzentren und mobilen technischen Gerä- ten. Die elektrische Energie ist neben der Wärmeenergie eine der bedeutendsten Energieformen, die der Mensch nutzt. Sie kann in Form von Elektrizität auch über große Entfernungen einfach bereitgestellt und übertragen werden. Eine zunehmend an Bedeutung gewinnende Quelle elektrischer Energie stellt die Stromerzeugung aus sogenannten nichtfossilen, regenerativen Energieträgern dar. Diese Energieträger sind in erster Linie Sonnenstrahlung und Wind. Aufgrund ihres natürlich bedingten schwankenden Angebots liefern sie keine kontinuierliche elektrische Energie und sind damit nicht grundlastfähig. Werden diese regenerativen Energieträger zu Lasten etablierter, meist jedoch weniger umweltfreundlicher Energieträger, verstärkt ausgebaut und genutzt, muss die fehlende Grundlastfähigkeit kompensiert werden. Dies kann durch Speicherung erfolgen. Eine Möglichkeit stellt die Umwandlung in andere Energieformen (mechanische, elektrische, chemische und thermische) und ihre darauffolgende Stabilisierung dar. Die Umsetzung ist bisher noch nicht ausreichend erfolgt. Sie ist verlustbehaftet und erfordert die Kombination komplexer Ma- terialien. Die hier vorgestellte Erfindung, die zum verlängerten Betrieb eines speziellen Energiewandlers/Energiespeichers, einer Brennstoffzelle, genutzt werden kann und überhaupt thermische Energie in chemische Energie sowie diese chemische Energie dann in elektrische Energie umwandelt, möchte dies lösen.

Die Notwendigkeit der Zwischenspeicherung ergibt sich auch daher, dass die in das Stromnetz eingespeiste elektrische Energie meist nicht der aktuell entnommenen entspricht, welche selbst Schwankungen unterliegt. Zwischen Angebot und Nachfrage muss kontinuierlich ein Gleichgewicht herrschen. Das Netz selbst kann Überschüsse oder Defizite nicht auffangen, daher ist eine Zwischenspeicherung im Sekundenbereich bis hin zur Langzeitspeicherung erforderlich. Unter den oben genannten Aspekten sind daher Systeme von besonderem Reiz, die sowohl thermische Energie, vorzugsweise aus Niedertemperaturabwärme, über chemische Energie zur Erzeugung von elektrischer Energie nutzen, als auch die chemische Energieform zur Zwischenspeicherung verwenden. Im Bereich der Elektroenergieerzeugung aus Niedertemperaturabwärme existieren lediglich der Organic-Rankine-Cycle (ORC) Prozess und der Stirling-Motor als kommerziell verfügbare Verfahren. Beim ORC-Prozess werden für den Betrieb einer Dampfturbine organische Arbeitsmittel herangezogen, die einen geringeren Siedepunkt als Wasser besitzen. Somit kann die Wärmezufuhr in diesem thermo- dynamischen Kreislauf insgesamt auf niedrigerem Niveau erfolgen. Abwärmeströme unterhalb von 120°C lassen sich mit diesem Prozess jedoch nicht wirtschaftlich nutzen sowie die thermische Energie nicht speichern. Bei entsprechender Bauweise eines Stirling-Motors (z. B. Flachplatten-Stirling-Motor) wird dessen Betrieb schon bei geringen Temperaturdifferenzen von einigen Kelvin zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ermöglicht. Nachteil eines Stirling-Motors ist, dass keine Energie gespeichert werden kann.

Andere Verfahren, z. B. auf Basis von thermoelektrischen Materialien, sind insbesondere für geringe Temperaturdifferenzen, wie sie im Bereich der Niedertempera- turabwärme existieren, nicht kommerziell verfügbar und können die anfallende thermische Energie ebenfalls nicht speichern.

Die Brennstoffzelle ist ein Energiekonverter, welcher chemische in elektrische E- nergie wandelt. Sie besteht aus einem Elektrolyten und den beiden angrenzenden Elektroden. Die Anode wird im einfachsten Fall kontinuierlich mit Wasserstoff und die Luft-Kathode mit Sauerstoff versorgt. Die Erzeugung elektrischen Stroms aus chemischer Energie wird durch die Oxidation des Wasserstoffs und die Reduktion des Sauerstoffs gewährleistet. Wie in der Druckschrift A. Kirubakaran et al.: A re- view on fuel cell technologies and power electronic interfaces, Renewable and Sustainable Energy Reviews 13(9), 2430 (2009), beschrieben, existieren verschie- dene Typen von Brennstoffzellen, die sich u. a. in ihren Brennstoffen, Elektrolyten, ihrer Arbeitstemperatur bzw. Leistungsdichte unterscheiden.

Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC) arbeiten bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 100°C, können Leistungsdichten im Bereich von 3,8 bis 6,5 kW/m ³ erreichen und verwenden Wasserstoff und Sauerstoff als chemische Energieträger. Ei- ne feste Polymermembran (z. B. Nation) dient als Elektrolyt. Vorteile dieser Technologie sind die hohe Leistungsdichte, ein nicht korrosiver Festkörperelektrolyt und die kurzen Anfahrzeiten. Nachteilig sind hingegen die hohen Kosten für den notwendigen Platin katalysator und die hohe Sensitivität auf Verunreinigungen der Brennstoffe, wie z. B. CO oder H ₂ S.

Alkalische Brennstoffzellen (AFC) arbeiten im Temperaturbereich zwischen 50 und 200°C und erreichen Leistungsdichten von ca. 1 kW/m ³ . Die Generierung elektrischer Energie erfolgt ebenfalls aus den Gasen Wasserstoff und Sauerstoff mit flüssigem Kaliumhydroxid als Elektrolyt. Vorteilig sind hier ebenfalls die hohe Leis- tungsdichte und die kurzen Anfahrzeiten. Die teuren Platinkatalysatoren und die Sensitivität gegenüber Brennstoffverunreinigungen wie CO, C0 ₂ , CH ₄ oder H ₂ S gehören ebenfalls zu den Nachteilen.

Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) besitzen eine Arbeitstemperatur von ca. 200°C und erreichen Leistungsdichten zwischen 0,8 und 1 ,9 kW/m ³ . Auch diese Technologie nutzt die Gase Wasserstoff und Sauerstoff als chemische Energieträger sowie Phosphorsäure (H ₃ P0 ₄ ) als Elektrolyt.

Schmelzcarbonat-Brennstoffzellen (MCFC) arbeiten bei ca. 650°C und weisen Leistungsdichten im Bereich von 1 ,5 bis 2,6 kW/m ³ auf. Als chemische Energieträger werden auf Kathodenseite Sauerstoff und auf Anodenseite Wasserstoff, CO, CH ₄ oder andere Kohlenwasserstoffe verwendet. Lithium- oder Kalium-Carbonate dienen als Elektrolyte. Vorteilig sind die hohe Effizienz und der Verzicht auf Metallkatalysatoren. Zu den Nachteilen gehören die großen Anfahrzeiten, korrosive Flüssig- elektrolyte, vergleichsweise hohe Kosten und die Intoleranz gegenüber Schwefeleintrag. Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) arbeiten bei Temperaturen im Bereich von 800 bis 1000°C, erreichen Leistungsdichten im Bereich zwischen 0,1 und 1 ,5 kW/m ³ und nutzen kathodenseitig Sauerstoff und anodenseitig Wasserstoff, CO, CH oder andere Kohlenwasserstoffe als chemische Energieträger. Vorteile bilden der Festkör- perelektrolyt (keine flüssigen Komponenten, die auslaufen könnten) und die hohe Effizienz. Nachteilig sind die hohen Investitionskosten, der hohe Grad an Abwärme, die großen Anfahrzeiten und die Intoleranz gegenüber Schwefel.

Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) arbeiten im Temperaturbereich von 60 bis 200°C, weisen Leistungsdichten im Bereich von ca. 0,6 kW/m ³ auf und nutzen ka- thodenseitig Sauerstoff und anodenseitig Methanol als chemische Energieträger. Der Elektrolyt besteht aus einer festen Polymermembran. Als Vorteil kann der Betrieb der Zelle ohne Brennstoff-Reformer angesehen werden, womit eine Kostenreduktion verbunden ist. Nachteilig beim Betrieb wirken sich die geringe Effizienz und Leistungsdichte aus.

Viele der genannten Ausführungsvarianten basieren auf der Bereitstellung von Brennstoffen, insbesondere von Wasserstoff, dessen Gewinnung über verschiedene Prozesse erfolgen kann: thermische Verfahren, solarthermische Verfahren oder Elektrolyse. Neuerdings lassen sich, wie in WO 2012/110352 A1 oder WO 2012/110354 A1 beschrieben, auch Pyroelektrika zur Wasserstofferzeugung einsetzen.

Pyroelektrische Materialien reagieren in einem bestimmten Temperaturbereich bis hin zu einer Grenztemperatur, der Curie-Temperatur T _c , auf Temperaturänderungen mit der Bereitstellung elektrischer Ladungen auf der Oberfläche und der Aus- bildung starker elektrischer Felder bei Spannungen bis in den Megavolt- Bereich. Damit sind sie für Anwendungen prädestiniert, die eine Umwandlung thermischer Energie in andere Energieformen, wie elektrische oder chemische, fordern.

Einerseits kann eine Spaltung des Wassers direkt auf der pyrokatalytisch aktiven Oberfläche erfolgen, wie in WO 2012/110352 A1 beschrieben. Nachteil dieser Lö- sung ist jedoch, dass die Gastrennung effektiv nur für einen Heiz- oder einen Kühlzyklus erfolgen kann. Wenn organische Pyroelektrika verwendet werden, kann sich ihr Polarisationsvektor infolge des Temperaturwechsels umpolen bzw. können unterschiedlich gerichtete Polarisierungen gleichzeitig vorliegen, sodass dann keine eindeutige Trennung der Gase mehr erfolgt. Andererseits können die auf der Oberfläche pyroelektrischer Materialien entstehenden Ladungen zum Betrieb einer E- lektrolysezelle genutzt werden, wie es in WO 2012/110354 A1 dargelegt ist. Nachteil dieser Lösung ist jedoch, dass durch die Übertragung der Ladungen (des gene- rierten elektrischen Stroms) ohmsche Verluste sowie Verluste durch Übergangswiderstände auftreten.

Die Energiewandlung, also die Wandlung der thermischen Energie in elektrische Energie, kann auch direkt durch das pyroelektrische Material erfolgen. Ein Beispiel ist in der Druckschrift US 4620262 A dargelegt. Pyroelektrische Materialien werden bereits im Bereich der Sensorik als thermische Detektoren kommerziell eingesetzt, beispielsweise als Bewegungsmelder, wie in WO 2009/083181 A1 beschrieben. Hierbei lassen sie sich für das Abzählen von Menschen bei Ein- und Austritt aus Gebäuden verwenden. Weitere Anwendungen betreffen nicht-dispersive Infrarotsensoren zur Detektion von Gas oder Feuer. Ein- gesetzt werden diese z. B. im medizinischen Bereich, in der Industrie, bei Öl- und Gasförderung sowie in der Luft- und Raumfahrt.

Weitere Anwendungen nutzen neuerdings auch die pyrokatalytische Wirksamkeit der Materialien, wie in der Druckschrift E. Gutmann et al.: Pyroelectrocatalytic Di- sinfection Using the Pyroelectric Effect of Nano- and Microcrystalline LiNb0 ₃ and LiTa0 ₃ Particles, The Journal of Physical Chemistry C 116 (9), 5383 (2012) beschrieben ist, welche die Beeinflussung und Regelung von Biotransformationspro- zessen (DE 10 2008 032 829 A1), eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Desinfektion einer Klimaanlage (DE 10 201 1 085 790 A1), ein Verfahren für enzymkatalysierten Synthese zur Optimierung biotechnologischer und biosensorischer Prozes- se und zur Regeneration von Kofaktoren (DE 10 2008 030 036 B4) sowie eine O- berflächenbeschichtung mit eisabweisenden Eigenschaften (DE 10 2012 208 653 A1) betrifft. Auch die Nutzung der Pyroelektrika für Anwendungen im Bereich der Röntgen- strahlerzeugung werden beschrieben (WO 2009/127187 A3).

Pyroelektrische Materialien lassen sich also zur Energiewandlung und Stoffwandlung auf Basis ungenutzter thermischer Energie einsetzen. So kann Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden. Diese und andere chemische Energieträger lassen sich als Eingangsstoffe für die Brennstoffzelle einsetzen.

In der Druckschrift Zhao et al.: A high energy density all solid-state tungsten-air bat- tery, Chemical Communications 49, 5357 (2013) wird das Konzept zur Kombination einer regenerativen Festoxidbrennstoffzelle (RSOFC) mit einer redoxaktiven, zyklierbaren Energiespeichereinheit (RCU) beschrieben. Das in der Brennstoffzelle anodenseitig entstehende Wasser dient zur Oxidation einer Metalloberfläche (hier Wolfram zu Wolframoxid - RCU). Ein weiteres Reaktionsprodukt ist der Wasserstoff, welcher der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung wieder zugeführt wird. Der Prozess läuft so lange ab, bis die Metalloberfläche vollständig reagiert hat. Danach wird durch eine externe Stromquelle die Reaktion durch Elektrolyse umgekehrt, wodurch das Wolframoxid wieder zu Wolfram reduziert wird. Die Regeneration der in der Brennstoffzelle verbrauchten chemischen Energieträger kann damit als eine Weiterentwicklung der Brennstoffzelle hinsichtlich Zyklierbarkeit und Ressourceneffizienz angesehen werden. Die Druckschrift Xu et al.: A novel solid oxide redox flow battery for grid energy sto- rage, Energy & Environmental Science 4, 4942 (2011) enthält ein Konzept zur Kombination einer regenerativen elektrochemischen Festoxidzelle (RSOEC) mit einer redoxaktiven, zyklierbaren Energiespeichereinheit. Bei Kontakt des Metalls (hier Eisen) der RCU mit Wasser kommt es zur Bildung von Wasserstoff, welcher dann der Brennstoffzelle (SOEC) zugeführt wird und in Verbindung mit Sauerstoff zur Erzeugung von Strom zur Verfügung steht. Nach der vollständigen Oxidation des Metalls zu Metalloxid kommt die Reaktion zum Erliegen und die elektrochemische Zelle muss durch Elektrolyse wieder geladen (regeneriert) werden. Die Nachteile der genannten Verfahren sind, dass entweder Abwärme nicht genutzt oder diese nicht gespeichert werden kann oder eine Stoffwandlung bzw. Energierückgewinnung nur mit geringer Effizienz erfolgt oder eine Regeneration unter Nutzung hochwertiger elektrischer Energie durchgeführt wird. Brennstoffzellen als Ter- tiärelemente arbeiten unter externer Zufuhr von chemischen Energieträgern kontinuierlich und verbrauchen diese somit permanent. Es werden die chemischen E- nergieträger in einer exothermen Reaktion verbraucht und gehen somit verloren. Hinsichtlich einer Rückgewinnung der Brennstoffe bzw. der Realisierung eines Kreisprozesses bei gleichzeitiger Nutzung von (Niedertemperatur-) Abwärme wird das Potential nicht vollständig ausgeschöpft. Weiterhin wird die bei der Verbrennung frei werdende Wärmemenge nur teilweise innerhalb des Prozesses genutzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie und von chemischer Energie in elektrische Energie mit chemischer Zwischenspeicherung anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass eine effiziente Energiewandlung und Stoffwandlung sowie die Nutzung von Abwärme möglich werden.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 36 gelöst.

Die Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie in chemische Energie und von chemischer Energie in elektrische Energie mit chemischer Zwischenspeicherung,

besteht gemäß Patentanspruch 1 zumindest aus

- einer Brennstoffzelleneinheit,

zu der zumindest gehören

- eine Anode aus einem ersten gaspermeablen Stromkollektor

und einem anodenseitigen Katalysator,

- eine Kathode aus einem zweiten gaspermeablen Stromkollektor

und einem kathodenseitigen Katalysator

- ein zwischen Anode und Kathode befindlicher Elektrolyt,

wobei sich zumindest die Anode, die Kathode und der Elektrolyt in einer Kammer befinden, und

- ein Sauerstoff-Zugang zur Kammer für eine Zufuhr von Sauerstoff oder Sauerstoffgemisch wie Luft an den kathodenseitigen Katalystor,

- einem Fluidreservoir,

zu dem zumindest gehören

- ein pyrokatalytisch wirksames Material mit mindestens einer polaren Achse,

- ein erster thermischer Energieträger mit hoher Temperatur T _Hl

- ein zweiter thermischer Energieträger mit niedriger Temperatur T _K , und

- einem Gasdiffusionskanal,

wobei die Kammer der Brennstoffzelleneinheit mit dem Fluidreservoir über den Gasdiffusionskanal in Verbindung steht,

wobei das Fluidreservoir zumindest das pyrokatalytisch wirksame Material enthält, das zeitlichen Temperaturänderungen LT/M ausgesetzt ist, wobei die Temperaturänderung ΔΤ/Δί durch einen alternierenden Wärmeübertrag über einen ersten thermischen Energieträger mit hoher Temperatur T _H und einen zweiten thermischen Energieträger mit niedriger Temperatur T _K am pyrokataly- tisch wirksamen Material zur Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie realisiert wird, wobei bei hoher Temperatur T _H eine einstellbare Maximaltemperatur T _Hma x des pyrokatalytisch wirksamen Materials unterhalb dessen Curie-Temperatur T _c liegt,

wobei am pyrokatalytisch wirksamen Material eine Reduktion bzw. Oxidation eines Fluids (z. B. Wasser oder Wasserdampf) im Fluidreservoir zu zumindest Wasserstoff als chemischer Energieträger stattfindet, wobei zumindest der Wasserstoff im Gasdiffusionskanal vom Fluidreservoir aus zum anodenseitigen Katalysator strömt, an dem zur Umwandlung der chemischen Energie in elektrische Energie eine Oxidation des Wasserstoffs stattfindet, und

wobei zumindest im Gasdiffusionskanal, als Teil einer Anordnung zur Zwischenspeichern ng, eine chemische Zwischenspeicherung möglich ist. Der erste thermische Energieträger und der zweite thermische Energieträger können identisch sein, wobei der zweite thermische Energieträger dann thermisch fluktuiert. Als pyrokatalytisch wirksames Material mit mindestens einer polaren Achse können Materialien mit ionischen (z. B. Triglycinsulfat) oder kovalenten Bindungen, Übergangsmetalloxide (z. B. LiTa0 ₃ , LiNb0 ₃ , BaTi0 ₃ , PZT, PMNPT), Silikate (Turmalin- gruppe) oder Polymere (z. B. Polyvinylidenfluorid) eingesetzt werden. Im Folgenden wird das eingesetzte pyrokatalytisch wirksame Material auch kurz als Pyroe- lektrikum beschrieben.

An den beiden gaspermablen Stromkollektoren von Anode und Kathode kann jeweils zumindest eine Verbindungsleitung angeschlossen sein, die zu einem elektrischen Energieverbraucher führt.

Es kann eine Schalt-/Steuereinheit vorhanden sein, die in einer der beiden Verbindungsleitungen zur Abschaltung oder Zuschaltung des elektrischen Energieverbrauchers eingebracht ist, wobei der elektrische Energieverbraucher weitere e- lektrische Bauteile (Diode, Kondensator, Widerstand, Transformator) zur Formung eines elektrischen Stromes beinhalten kann.

Der erste thermische Energieträger mit hoher Temperatur T _H und der zweite thermische Energieträger mit niedriger Temperatur T _K können über ein Wegeventil mit Steuer-/Schalteinheit mit einer Durchflusseinheit verbunden sein.

Mit dem Wegeventil kann mittels der Steuer-/Schalteinheit der Zufluss des ersten thermischen Energieträgers mit hoher Temperatur T _H und des zweiten thermischen Energieträgers mit niedriger Temperatur T _K gesteuert bzw. geregelt werden, wobei die Steuer-/Schalteinheit auch mit einer Temperatursteuer- Temperaturkontroll- einheit verbunden sein kann. Das Pyroelektrikum kann zumindest im Kontakt mit der Durchflusseinheit stehen, wobei die zeitlichen Temperaturänderungen AT/At in der Durchflusseinheit zeitliche Temperaturänderungen AT/At im Pyroelektrikum verursachen. An das Fluidreservoir kann ein Druckausgleichsbehälter angebracht sein, der mit einem Absperrventil mit Entlüftung verbunden ist.

Im Fluidreservoir kann ein Fluid (Flüssigkeit oder Gas, z. B. Wasser oder Wasserdampf) vorhanden sein, das zumindest eine fluide Komponente mit kovalent oder ionisch gebundenem Wasserstoff enthält.

Das Fluid kann durch das Absperrventil geleitet werden, wobei das Fluid den Druckausgleichbehälter passiert und in das Fluidreservoir übergeht. Das Absperrventil kann den Zufluss des Fluids steuern oder regeln, wobei das Absperrventil wahlweise mit einer Steuer-/Kontrolleinheit verbunden ist.

Das Absperrventil kann den Druck im Druckausgleichsbehälter durch Entlüftung steuern bzw. regeln, wobei das Absperrventil wahlweise mit einer Steuer- /Kontrodeinheit verbunden ist.

Ein Sauerstoff-Zugang kann Sauerstoff oder ein Sauerstoffgemisch wie Luft in die Brennstoffzelleneinheit bringen, wobei der Sauerstoff am kathodenseitigen Katalysator reduziert wird.

Der Sauerstoff-Zugang kann aus einer gasförmigen Umgebung oder aus anderen Quellen, z. B. Gasverflüssigung oder aus kommerziellem Erwerb, kommen, wobei der Sauerstoff-Zugang wahlweise über die Steuer-/Kontrolleinheit gesteuert bzw. geregelt wird. Am Gasdiffusionskanal kann optional ein Absperrventil angebracht sein, wobei das Absperrventil den Druck zwischen Fluidreservoir und Brennstoffzelleneinheit oder im Gasdiffusionskanal steuert oder regelt, wobei das Absperrventil wahlweise mit einer Steuer-/Kontrolleinheit verbunden ist.

Am Gasdiffusionskanal kann des Weiteren optional ein Absperrventil angebracht sein, wobei über das Absperrventil der Wasserstoff aus dem Gasdiffusionskanal entnehmbar ist, wobei das Absperrventil wahlweise mit einer Steuer-/Kontrolleinheit verbunden ist.

Zwischen Gasdiffusionskanal und Fluidreservoir kann optional eine Gastrennungseinheit angebracht sein.

Die Gastrennungseinheit kann Gasanteile des Fluids auftrennen, wobei Wasser- stoff in den Gasdiffusionskanal übertritt und andere fluide Stoffe im Fluidreservoir zurückgehalten werden.

An der Gastrennungseinheit kann optional ein Absperrventil zur Abführung des im Fluidreservoir optional entstehenden Sauerstoffs angebracht sein.

Der in der Gastrennungseinheit aufgetrennte Sauerstoff kann über das Absperrventil in einer Rück-/Abführleitung zur Sauerstoffzufuhrleitung oder in die Umgebung oder in optionale Behälter geleitet werden, wobei die Rück-/Abführleitung am Absperrventil angebracht sein kann.

Im Fluidreservoir können der thermische Energieträger mit hoher Temperatur T _H in Form eines ersten Behälters und der thermische Energieträger mit niedriger Temperatur T _K in Form eines zweiten Behälters räumlich voneinander getrennt sein. Mittels eines äußeren Wärmestroms kann der im ersten Behälter befindliche thermische Energieträger mit hoher Temperatur T _H erwärmt werden, wobei bei hoher Temperatur T _H die einstellbare Maximaltemperatur T _Hm ax des eingesetzten pyroka- talytisch wirksamen Materials, kurz: Pyroelektrikum, unterhalb dessen Curie- Temperatur T _c liegt. Die Trennung des thermischen Energieträgers mit hoher Temperatur T _H vom thermischen Energieträgers mit niedriger Temperatur T _K kann behälterbedingt durch einen thermischen Isolator erfolgen, wobei der thermische Isolator eine geringe Wärmekapazität besitzt und eine Wärmeleitung zwischen dem thermischen Energieträger mit hoher Temperatur T _H und dem thermischen Energieträger mit niedri- ger Temperatur T« unterdrückt.

Im thermischen Isolator kann optional zumindest eine Dichtung eingebracht sein, wobei die Dichtung einen Temperaturausgleich zwischen dem thermischen Energieträger mit hoher Temperatur T _H und dem thermischen Energieträger mit niedri- ger Temperatur T« unterdrückt und wobei die Dichtung einen regel-/steuerbaren Materialdurchgang ermöglicht.

Das Pyrolelektrikum kann als Schicht auf einem verformbaren Trägermaterial auf- gebracht sein.

Der mit dem Pyroelektrikum beschichtete Pyroelektrikum-Träger kann durch Band- führungselemente durch den thermischen Energieträger mit hoher Temperatur T _H und den thermischen Energieträger mit niedriger Temperatur T _K geführt werden, wobei die gerichtete Bewegung zeitliche Temperaturänderungen ΔΤ/At im Pyroelektrikum verursacht.

Der mit dem Pyroelektrikum beschichtete Pyroelektrikum-Träger kann ausschließlich durch Dichtungen hindurch im thermischen Isolator geführt sein, wobei der mit dem Pyroelektrikum beschichtete Pyroelektrikum-Träger auch ausschließlich entlang des thermischen Isolators geführt sein kann, wobei der mit dem Pyroelektri- kum beschichtete Pyroelektrikum-Träger entweder durch Dichtungen hindurch im thermischen Isolator oder entlang des thermischen Isolators geführt sein kann.

Das Pyroelektrikum kann auf einem rotationssymmetrischen Körper aufgebracht sein.

Der mit dem Pyroelektrikum beschichtete rotationssymmetrische Körper kann mit einer externen Bewegungseinheit in Verbindung stehen und in Rotation versetzt werden.

Zwischen dem mit dem Pyroelektrikum beschichteten rotationssymmetrischen Körper und der räumlichen Begrenzung des Fluidreservoirs können Dichtungen angebracht sein. Die Dichtungen und der mit dem Pyroelektrikum beschichtete rotationssymmetrische Körper können eine räumliche Trennung des thermischen Energieträgers mit hoher Temperatur T _H und des thermischen Energieträgers mit niedriger Temperatur T _K realisieren, wobei die Dichtungen einen Temperaturausgleich zwischen dem thermischen Energieträger mit hoher Temperatur T _H und dem thermischen Energie- träger mit niedriger Temperatur T« unterdrücken.

Wahlweise kann die Energie zur Aufrechterhaltung der Bewegung des rotationssymmetrischen Körpers oder die Energie zur Aufrechterhaltung der Bandführungselemente oder die Energie zur Versorgung des Wegeventils mit Schalt- /Steuereinheit aus dem elektrischen Energieverbraucher entnehmbar sein.

Das Pyroelektrikum kann auch stationär bzw. fixiert im Fluidreservoir angeordnet sein, wobei die Temperaturänderung für die pyrokatalytische Wirksamkeit durch Fluktuationen der Brennstoffzelleneinheit selbst bereitgestellt wird.

In einer speziellen Ausführung kann die Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie in chemische Energie und von chemischer Energie in elektrische Energie mit chemischer Zwischenspeicherung zumindest bestehen aus - einer zylinderartig mehrschichtig aufgebauten Brennstoffzelleneinheit, zu der zumindest gehören

- eine hohlzylinderförmige Anode aus einem ersten gaspermeablen

Stromkollektor und einem anodenseitigen Katalysator,

- eine hohlzylinderförmige Kathode aus einem zweiten gaspermeablen Stromkollektor und einem kathodenseittgen Katalysator, wobei die

Anode von der Kathode umgeben ist,

- ein zwischen der hohlzylinderförmigen Anode und der hohlzylinderförmi- gen Kathode befindlicher hohlzylinderförmig angeordneter Elektrolyt, wobei sich zumindest die Anode, die Kathode und der Elektrolyt

in einer hohlzylindrischen Kammer befinden und

- ein Sauerstoff-Zugang zur hohlzylindrischen Kammer für eine Zufuhr von Sauerstoff oder Sauerstoffgemisch an den anodenseitigen Katalysator,

- einem hohlzylinderartigen Fluidreservoir,

zu dem zumindest gehören

- ein axial mittig angeordnetes pyrokatalytisch wirksames Material mit mindestens einer polaren Achse, das von dem hohlzylindrischen Fluidreservoir umgeben ist,

- ein erster thermischer Energieträger mit hoher Temperatur T _H ,

- ein zweiter thermischer Energieträger mit niedriger Temperatur T _K , und

- einem Gasdiffusionskanal, der als Freiraum das Fluidreservoir umgibt,

wobei die hohlzylinderförmige Kammer der Brennstoffzelleneinheit mit dem Fluidreservoir über dem Gasdiffusionskanal in Verbindung steht,

wobei das Fluidreservoir zumindest das axial mittig angeordnete, stabförmige pyrokatalytisch wirksame Material enthält, das zeitlichen Temperaturänderungen ΔΤ/At des durch das Fluidreservoir strömenden Fluids abwechselnd ausgesetzt ist, wobei die Temperaturänderung ΔΤ/At durch den alternierenden Wärmeübertrag über einen ersten thermischen Energieträger mit hoher Tempe- ratur T _H und einen zweiten thermischen Energieträger mit niedriger Temperatur T _K am pyrokatalytisch wirksamen Material zur Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie realisiert wird, wobei bei hoher Temperatur T _H eine einstellbare Maximaltemperatur T _Hm ax des pyrokatalytisch wirksamen Ma- terials (13) unterhalb dessen Curie-Temperatur T _c liegt,

wobei am pyrokatalytisch wirksamen Material eine Reduktion bzw. Oxidation des Fluids im Fluidreservoir zu zumindest Wasserstoff als chemischem Energieträger stattfindet, wobei zumindest der Wasserstoff über eine wasserstoffdurchlässige und wasserabweisende hohlzylindrische Membran in den Gasdif- fusionskanal vom Fluidreservoir aus zum kathodenseitigen Katalysator strömt, wobei zur Umwandlung der chemischen Energie in elektrische Energie eine O- xidation des Wasserstoffs am anodenseitigen Katalysator der Brennstoffzelleneinheit stattfindet, und

wobei zumindest im Gasdiffusionskanal eine chemische Zwischenspeicherung möglich ist.

Das Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie und von chemischer Energie in elektrische Energie mit chemischer Zwischenspeicherung mittels einer vorgenannten Vorrichtung,

wird gemäß dem Patentanspruch 34 mit folgenden Schritten durchgeführt:

- Zuführung von fluktuierender thermischer Energie an ein pyrokatalytisch wirksames Material mit mindestens einer polaren Achse mittels eines ersten thermischen Energieträgers mit hoher Temperatur TH und mittels eines zweiten thermischen Energieträgers mit niedriger Temperatur T _K , wobei bei hoher Tempera- tur T _H eine einstellbare Maximaltemperatur T _Hm ax unterhalb der Curie- Temperatur T _c des pyrokatalytisch wirksamen Materials liegt, zur Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie,

- Herstellung von die chemische Energie tragendem Wasserstoff durch Reaktion fluider Stoffe an dem pyrokatalytisch wirksamen Material zu einer möglichen chemischen Zwischenspeicherung in einem Gasdiffusionskanal und - Reaktion des hergestellten, in dem Gasdiffusionskanal befindlichen und zu einer Brennstoffzelleneinheit geführten Wasserstoffs in der Brennstoffzelleneinheit zur Generierung von elektrischem Strom. Der am pyrokatalytisch wirksamen Material generierte Wasserstoff kann im Gasdiffusionskanal aufgefangen und zu einer chemischen Zwischenspeicherung aufkonzentriert werden, wobei der Wasserstoff optional mittels einer Gasentnahmeeinheit entnehmbar ist. In dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung werden pyrokatalytisch wirksame Materialien mit hoher spezifischer Oberfläche eingesetzt, um eine hohe pyrokatalytische Wirksamkeit zu erzielen, sodass eine effiziente E- nergiewandlung und Stoffwandlung möglich werden. Das pyroelektrisch wirksame Material wird mit Hilfe von Wärmeströmen auf unterschiedlichen Temperaturni- veaus einer zeitlichen Temperaturänderung ΔΤ/At unterzogen. Durch die resultierende pyrokatalytische Wirksamkeit soll ein Fluid zu zumindest Wasserstoff gespalten werden.

Die hier beschriebene Erfindung ermöglicht die Nutzung von Niedertemperaturabwärme zur Stoffwandlung und Energiewandlung von thermischer Energie in chemi- sehe Energie sowie deren Speicherung und Nutzung zur Erzeugung von elektrischer Energie auf Basis pyrokatalytisch wirksamer Materialien und der Brennstoffzellentechnologie.

Die Stoffwandlung soll durch die pyrokatalytische Wirksamkeit der Materialien erfolgen, um Wasserstoff aus einem Fluid, z. B. Wasser oder Wasserdampf, zu er- zeugen, welcher in Brennstoffzellen elektrisch verströmt werden kann.

Die Energiewandlung kann durch die zweistufige Umwandlung von thermischer Energie in chemische, durch die pyrokatalytische Wirksamkeit erzeugte Energie und die anschließende Umwandlung der in Form eines oder mehrerer reaktiver Gase gespeicherten chemischen Energie in elektrische Energie erfolgen (durch Nutzung der oben beschriebenen erzeugten Energieträger in einer Brennstoffzelle). Allerdings muss die Abfolge der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie über chemische Energie nicht unbedingt kontinuierlich sein, sondern kann mit der Zwischenspeicherung der chemischen Energie in Form von Wasserstoff diskontinuierlich erfolgen. Im Folgenden werden die Eigenschaften des erfindungsgemäß eingesetzten Materials beschrieben:

Die Struktur des verwendeten pyrokatalytisch wirksamen Materials weist mindestens eine polare Achse auf, ferner auch bis zu drei, welche zu einer permanenten elektrischen Polarisation führt. Das Material weist eine sehr geringe elektronische Leitfähigkeit auf und besitzt demnach eine große elektronische Bandlücke (E _g > 2,0 eV). Eine geringe Wärmekapazität und eine hohe Wärmeleitfähigkeit sind weitere notwendige Charakteristika für eine gute thermische Zyklierbarkeit des pyrokatalytisch wirksamen Materials. Das pyrokatalytisch wirksame Material kann dabei einkristallin, teilkristallin oder auch polykristallin in Form eines Pulvers vorliegen bzw. auf ein Trägermaterial in einer Matrix aufgebracht werden. Eine Beschichtung eines Trägermaterials ist ebenfalls möglich.

Gemäß den oben genannten Anforderungen ergeben sich somit folgende Materialklassen: Materialien mit ionischen (z. B. Triglycinsulfat) oder kovalenten Bindungen, Übergangsmetalloxide (z. B. LiTa0 ₃ , LiNb0 ₃ , BaTi0 ₃ , PZT, PMNPT), Silikate (Tur- malingruppe) oder Polymere (z. B. Polyvinylidenfluorid).

Das Wesentliche der Erfindung besteht in der Regeneration der chemischen Energieträger einer Brennstoffzelle, indem die Oberfläche des pyrokatalytisch wirksa- men Materials verwendet wird, um Wasserelektrolyse zu betreiben. Dazu muss die pyrokatalytische Oberfläche des pyrokatalytisch wirksamen Materials maximiert werden. Um dies zu realisieren, können einerseits pyroelektrische Folien (diese können auch aufgeraut sein), andererseits Kristallbruch sowie pyroelektrische Schichten (u. a. hergestellt durch Atomlagenabscheidung, Sol-Gel-Synthese, phy- sikalische Gasphasenabscheidung oder Langmuir-Blodgett-Technik) oder von vorn herein als Mikro- oder Nanopartikel synthetisierte pyroelektrische Partikel z. B. auf einem Trägermaterial mit großer Oberfläche aufgebracht werden. Es können ebenso poröse Materialen (z. B. Keramiken oder Schäume) eingesetzt werden, die mit einem pyroelektrischen Material beschichtet sind oder selbst aus einem pyrokataly- tisch wirksamen Material bestehen.

Die Trägermaterialien dienen sowohl zur Verringerung der nötigen Menge an Ak- tivmaterial als auch zur Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche. Dies kann durch den Einsatz von Lamellen beliebiger Orientierung, porösen Stoffen (lose oder zusammenhängend) oder gewickelten Folien (als Trägerstruktur oder als Aktivmateri- al) realisiert werden. Die erwähnten Trägermaterialvarianten sowie die Haftvermittler weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Wärmekapazität auf. Die Trägerstrukturen mit den pyrokatalytisch wirksamen Materialien können ausgewechselt werden. Somit ist ein einfacher Austausch im Fall einer Degradation des Aktivmaterials möglich. Durch den Einsatz von heterogenen Phasengemischen und polykristallinen Stoffen mit unterschiedlichen Curie-Temperaturen T _c ist es zusätzlich möglich, Umsatzsteigerungen zu erzielen. Die pyrokatalytisch wirksamen Materialien können so angebracht sein, dass ihre Curie-Temperatur Tc gestaffelt ist, sodass die Arbeitspunkte auf den Temperaturgradienten des Wassers in der Reaktionszone eingestellt sind. Die Arbeitsweise erfolgt derart, dass unterhalb der Curie-Temperatur T _c gearbeitet wird, diese also nicht überschritten wird, um so den größtmöglichen pyroelektrischen Koeffizienten, der die pyrokatalytische Wirksamkeit repräsentiert, zu nutzen.

Ein Vorteil gegenüber dem Stand der Technik bildet die Möglichkeit, eine Brenn- Stoffzelleneinheit autark, also ohne Anbindung an eine Wasserstoffinfrastruktur, und effizient, das heißt z. B. ohne zusätzliche Übergangswiderstände und kostensparend, wobei leicht verfügbare Materialien genutzt werden können, zu betreiben. Mit einer möglichen Nutzung von Wasserdampf wird der Energiebedarf zur Wasserspaltung reduziert. Ein Ladeprozess mittels thermischer Energie anstatt elektrischer Energie, wie bei den meisten elektrochemischen Energiespeichern, die als Sekundärelemente arbeiten, kann als weiterer Vorteil für die hier vorgestellte Erfindung angeführt werden.

Außerdem sorgt die Rückgewinnung des Energieträgers für Nachhaltigkeit und eine Steigerung des Wirkungsgrads. Durch die Regeneration des chemischen Energieträgers durch nicht toxische, leicht verfügbare Pyroelektrika, steht die hier vorgestellte Erfindung für Umweltfreundlichkeit und Ressourceneffizienz. Der erfindungsgemäße Aufbau der Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer und chemischer Energie sowie der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie ist in ihrer Form beliebig auslegbar und skalierbar.

Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Un- teransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird mittels mehrerer Ausführungsbeispiele anhand mehrerer Zeichnungen erläutert:

Es zeigen: Fig. 1 eine schematische schnittartige Darstellung einer erfindungsgemäßen ersten Anordnung und einer ersten Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie und chemischer Zwischen- speicherung mithilfe eines pyrokatalytisch wirksamen Materials zur elektrischen Stromerzeugung, die kontinuierlich oder diskontinuierlich betrie- ben werden kann, wobei mittels alternierender Erwärmung und Abkühlung durch die thermischen Energieträger hoher Temperatur und niedriger Temperatur das pyrokatalytisch wirksame Material einer zeitlichen Temperaturänderung ΔΤ/At unterzogen und dadurch Wasserstoff gebildet wird, der in einer Brennstoffzelleneinheit in elektrische Energie umgewan- delt wird, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen zweiten Anordnung und einer zweiten Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie und chemischer Zwischenspeicherung mit- hilfe eines pyrokatalytisch wirksamen Materials zur elektrischen Stromerzeugung, die kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden kann, wobei mittels einer gerichteten Bewegung eines Pyroelektrikum-Bandes durch die thermischen Energieträger hoher Temperatur und niedriger Temperatur das pyrokatalytisch wirksame Material einer zeitlichen Tem- peraturänderung ΔΤ/At unterzogen und dadurch Wasserstoff gebildet wird, der in einer Brennstoffzelleneinheit in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei

Fig. 2a eine perspektivische Darstellung der zweiten Vorrichtung und Fig. 2b eine vergrößerte Schnittdarstellung der Bandführung der zweiten Vorrichtung

zeigen,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen dritten Anordnung und einer dritten Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer E- nergie in chemische Energie und chemischer Zwischenspeicherung mithil- fe eines pyrokatalytisch wirksamen Materials zur elektrischen Stromerzeugung, die kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden kann, wobei mittels einer gerichteten Bewegung eines Pyroelektrikum-Bandes durch die thermischen Energieträger hoher Temperatur und niedriger Temperatur das pyrokatalytisch wirksame Material einer zeitlichen Temperaturänderung ΔΤ/At unterzogen und dadurch Wasserstoff gebildet wird, der in einer Brennstoffzelleneinheit in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei

Fig. 3a eine perspektivische Darstellung der dritten Vorrichtung und Fig. 3b eine vergrößerte Schnittdarstellung der Bandführung der dritten

Vorrichtung zeigen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen vierten Anordnung und einer vierten Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer E- nergie in chemische Energie und chemischer Zwischenspeicherung mithil- fe eines pyrokatalytisch wirksamen Materials zur elektrischen Stromerzeugung, die kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden kann, wobei mittels einer Drehung des rotationssymmetrischen Trägerkörpers mit pyrokatalytisch wirksamer Oberfläche durch die thermischen Energie- träger hoher Temperatur und niedriger Temperatur hindurch das pyrokatalytisch wirksame Material einer zeitlichen Temperaturänderung ΔΤ/Δί unterzogen und dadurch Wasserstoff gebildet wird, der in einer Brennstoffzelleneinheit in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei

Fig. 4a eine perspektivische Darstellung der vierten Vorrichtung und Fig. 4b eine Schnittdarstellung des Fluidreservoirs mit rotationssymmetrischem Körper der vierten Vorrichtung

zeigen,

und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen fünften Anord- nung und einer fünften Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer E- nergie in chemische Energie und chemischer Zwischenspeicherung mithil- fe eines pyrokatalytisch wirksamen Materials zur elektrischen Stromerzeugung, die kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden kann, wobei mittels alternierender Erwärmung und Abkühlung durch die thermi- sehen Energieträger hoher Temperatur und niedriger Temperatur das pyrokatalytisch wirksame Material einer zeitlichen Temperaturänderung ΔΤ/Δί unterzogen und dadurch Wasserstoff gebildet wird, der in einer Brennstoffzelleneinheit in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei Fig. 5a eine perspektivische Darstellung der fünften Vorrichtung und Fig. 5b eine vergrößerte Schnittdarstellung der fünften Anordnung bzw. fünften Vorrichtung zeigen.

Ausführungsbetspiel 1

In Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen ersten Vorrichtung 20 zur Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie und chemischer Zwischenspeicherung mithilfe eines pyrokatalytisch wirksamen Materials 13 zur elektrischen Stromerzeugung gezeigt, die kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden kann, wobei mittels alternierender Erwärmung und Abkühlung durch die thermischen Energieträger 24 hoher Temperatur T _H und Energieträger 25 niedriger Temperatur T _K das pyrokatalytisch wirksame Material 13 einer zeitlichen Temperaturänderung ΔΤ/Δί unterzogen und dadurch Wasserstoff gebildet wird, der in einer Brennstoffzelleneinheit in elektrische Energie umgewandelt wird.

Die erste Vorrichtung 20 zur Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie und von chemischer Energie in elektrische Energie mit chemischer Zwischenspeicherung gemäß Fig. 1 besteht zumindest aus

- einer Brennstoffzelleneinheit 19,

zu der zumindest gehören

- eine Anode 21 aus einem ersten gaspermeablen Stromkollektor 2 und einem anodenseitigen Katalysator 1 ,

- eine Kathode 22 aus einem zweiten gaspermeablen Stromkollektor 4 und einem kathodenseitigen Katalysator 5,

- ein zwischen Anode 21 und Kathode 22 befindlicher Elektrolyt 3, wobei sich zumindest die Anode 21 , die Kathode 22 und der Elektrolyt 3 in einer Kammer 47 befinden, und

- ein Sauerstoff-Zugang 23 zur Kammer 47 für eine Zufuhr von Sauerstoff oder Sauerstoffgemisch an den kathodenseitigen Katalysator 5,

- einem Fluidreservoir 17,

zu dem zumindest gehören

- ein pyrokatalytisch wirksames Material 13 mit mindestens einer polaren

Achse, - ein erster thermischer Energieträger 24 mit hoher Temperatur T _H;

- ein zweiter thermischer Energieträger 25 mit niedriger Temperatur Τκ, und

- einem Gasdiffusionskanal 18,

wobei die Kammer 47 der Brennstoffzelleneinheit 19 mit dem Fluidreservoir 17 über den Gasdiffusionskanal 18 in Verbindung steht,

wobei das Fluidreservoir 17 zumindest das pyrokatalytisch wirksame Material 13 enthält, das zeitlichen Temperaturänderungen ΔΤ/At ausgesetzt ist, wobei die Temperaturänderung ΔΤ/At durch einen alternierenden Wärmeübertrag ü- ber einen ersten thermischen Energieträger 24 mit hoher Temperatur TH und einen zweiten thermischen Energieträger 25 mit niedriger Temperatur T« am pyrokatalytisch wirksamen Material (Pyroelektrikum) 13 zur Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie realisiert wird, wobei bei hoher Temperatur T _H die einstellbare Maximaltemperatur T _Hma x am pyrokatalytisch wirksamen Material 13 unterhalb der Curie-Temperatur T _c des pyrokatalytisch wirksamen Materials 13 liegt,

wobei am Pyroelektrikum 13 eine Reduktion bzw. Oxidation eines Fluids 12 im Fluidreservoir 17 zu zumindest Wasserstoff als chemischem Energieträger stattfindet, wobei zumindest der Wasserstoff im Gasdiffusionskanal 18 vom Flu- idreservoir 17 aus zum anodenseitigen Katalysator 1 strömt, wobei zur Umwandlung der chemischen Energie in elektrische Energie eine Oxidation des Wasserstoffs am anodenseitigen Katalysator 1 der Brennstoffzelleneinheit 19 stattfindet, und

wobei zumindest im Gasdiffusionskanal 18 eine chemische Zwischenspeiche- rung möglich ist.

An den beiden gaspermeablen Stromkollektoren 2 bzw. 4 von Anode 21 bzw. Kathode 22 kann jeweils zumindest eine Verbindungsleitung 26 bzw. 27 angeschlossen werden, die zu einem elektrischen Energieverbraucher 6 führt. Es ist eine Schal /Steuereinheit 28 vorhanden, die in einer der beiden Verbindungsleitungen 26, 27 zur Abschaltung oder Zuschaltung des elektrischen Energieverbrauchers 6 eingebracht ist wobei der elektrische Energieverbraucher 6 weitere elektrische Bauteile, z.B. Diode, Kondensator, Widerstand, Transformator, zur Formung eines elektrischen Stromes beinhalten kann.

Der erste thermische Energieträger 24 mit hoher Temperatur T _H und der zweite thermische Energieträger 25 mit niedriger Temperatur T _K sind über ein Wegeventil 48 mit einer Steuer-/Schalteinheit oder Regeleinheit 11 mit einer Durchflusseinheit 14 verbunden.

Mit dem Wegeventil 48 kann mittels der Steuer-/Schalteinheit/Regeleinrichtung 11 der Zufluss des ersten thermischen Energieträgers 24 mit hoher Temperatur T _H und des zweiten thermischen Energieträgers 25 mit niedriger Temperatur T _K gesteuert bzw. geregelt werden, wobei die Steuer-/Schalteinheit 11 auch mit einer Tempera- tursteuer-/T emperaturkontrolleinheit verbunden ist.

Das Pyrolelektrikum 13 steht in Verbindung mit der Durchflusseinheit 14, wobei die zeitlichen Temperaturänderungen ΔΤ/Δί in der Durchflusseinheit 14 zeitliche Tem- peraturänderungen ΔΤ/Δί im Pyroelektrikum 13 verursachen.

An das Fluidreservoir 17 ist ein Druckausgleichsbehälter 10 angebracht, der mit einem Absperrventil 9 zur Entlüftung verbunden ist. Im Fluidreservoir 17 ist ein Fluid 12 vorhanden, wobei das Fluid 12 zumindest eine fluide Komponente mit kovalent gebundenen Wasserstoff oder ionisch gebundenen Wasserstoff enthält und das Fluid eine Flüssigkeit oder ein Gas sein kann.

Das Fluid 12 wird durch das Absperrventil 9 geleitet, wobei das Fluid 12 den Druckausgleichsbehälter 10 passiert und in das Fluidreservoir 17 übergeht. Das Absperrventil 9 steuert oder regelt den Zufluss des Fluids 12, wobei das Absperrventil 9 wahlweise mit einer Steuer-/Kontrolleinheit verbunden ist.

Das Absperrventil 9 steuert oder regelt auch den Druck im Druckausgleichsbehälter 10 durch Entlüftung, wobei das Absperrventil 9 wahlweise mit einer Steuer- ZKontrolleinheit verbunden ist.

Ein Sauerstoff-Zugang 23 bringt Sauerstoff oder ein Sauerstoffgemisch in die Brennstoffzelleneinheit 19, wobei der Sauerstoff am kathodenseitigen Katalysator 5 reduziert wird.

Der Sauerstoff-Zugang 23 liefert Sauerstoff oder das Sauerstoffgemisch aus einer gasförmigen Umgebung und/oder aus anderen Quellen wie Gasverflüssigung oder aus kommerziellem Erwerb, wobei der Sauerstoff-Zugang 23 wahlweise über die Steuer-/Kontrolleinheit gesteuert bzw. geregelt wird.

Am Gasdiffusionskanal 18 kann optional ein Absperrventil 16 angebracht sein, wobei das Absperrventil 16 den Druck zwischen Fluidreservoir 17 und Brennstoffzelleneinheit 19 oder im Gasdiffusionskanal 18 steuert oder regelt, wobei das Ab- Sperrventil 16 wahlweise mit einer Steuer-/Kontrolleinheit verbunden ist.

Am Gasdiffusionskanal 18 kann optional ein Absperrventil 16 angebracht sein, wobei über das Absperrventil 16 der Wasserstoff aus dem Gasdiffusionskanal 18 entnehmbar ist, wobei das Absperrventil 16 wahlweise mit einer Steuer-/Kontrolleinheit verbunden ist.

Zwischen Gasdiffusionskanal 18 und Fluidreservoir 17 ist optional eine Gastrennungseinheit 15 angebracht. Die Gastrennungseinheit 15 trennt Gasanteile des Fluids 12, wobei Wasserstoff als chemischer Energieträger in den Gasdiffusionskanal 18 übertritt und andere fluide Stoffe im Fluidreservoir 17 zurückbehält An der Gastrennungseinheit 15 ist optional ein Absperrventil 7 zur Abführung des im Fluidreservoir 17 entstehenden Sauerstoffs angebracht.

Der in der Gastrennungseinheit 15 aufgetrennte Sauerstoff wird über das Absperrventil 7 in einer Rück-/Abführleitung 8, wobei die Rück-/Abführleitung 8 am Ab- Sperrventil 7 angebracht ist, zur Sauerstoffzufuhrleitung 23 oder in die Umgebung oder in optionale Behälter geleitet.

Dabei wird ein pyrokatalytisch wirksames Material 13, z. B. ein dünner LiNb0 ₃ - Einkristall, welcher sich in einem Fluidreservoir 17 befindet, über eine Steuer- und Schalteinheit 11 , die gepulst abwechselnd den thermischen Energieträger 24 hoher Temperatur T _H und den thermischen Energieträger 25 tiefer Temperatur T durch ein an das Pyroelektrikum 13 anliegendes, als Durchflusseinheit 14 ausgebildetes Rohr strömen lässt, einer Temperaturänderung ΔΤ unterzogen. Der erforderliche elektrische Strom für eine Pumpe 11 zur Förderung der thermischen Energieträger kann z. B. direkt über den Abnehmer 6 der ersten Vorrichtung 20 entnommen werden. Eine vorgegebene zeitliche Temperaturänderung ΔΤ/Δί kann beispielsweise durch eine lineare Zunahme oder Abnahme oder die Modulation einer linearen Zunahme oder Abnahme mit einer Sinus-/Cosinusfunktion oder komplexere Verläufe durch Überlagerung von harmonischen Funktionen oder komplexeren mathematf- sehen Funktionen sein. Die zeitliche Temperaturänderung ΔΤ/At kann mittels einer Regeleinrichtung 11 geregelt werden, dass die Arbeitsweise unterhalb der Curie- Temperatur T _c des eingesetzten pyrokatalytisch wirksamen Materials 13 erfolgt. Dies hat zur Folge, dass im Pyroelektrikum 13 bzw. an der pyrokatalytisch wirksamen Oberfläche infolge der Spaltung eines Fluids (z. B. Wasser oder Wasser- dampf) Wasserstoff gebildet wird, z. B. durch folgende Redoxreaktionen: Generation von Wasserstoff H ₂ an der pyrokatalytisch wirksamen Oberfläche des Pyroelektrikums 13 im Fluidreservoir 17 als Aufladungsvorgang:

Redoxreaktionen: 2 H ₂ 0 -» 2H ₂ + 0 ₂ , oder 2 H ₂ 0 -» H ₂ + H ₂ 0 ₂ , bzw. H ₂ 0 ₂ ^■ * H ₂ + 0 ₂ , wobei der Wasserstoff H ₂ anschließend der Brennstoffzelleneinheit 19 zugeführt werden kann. Der dabei entstehende Wasserstoff H ₂ gelangt über den Gasdiffusionskanal 18, der mit einem Gas (z. B. Inertgas, N ₂ , H ₂ ) gefüllt sein kann, in die Brennstoffzelleneinheit 19. Der Gasdiffusionskanal 18 kann bei keiner elektrischen Stromentnahme als Zwischenspeicher für den chemischen Energieträger Wasserstoff dienen. Bei Anschluss eines elektrischen Verbrauchers 6, d. h. bei elektrischer Stromentnahme, erfolgt die Oxidation des Wasserstoffs an der Anode 21 und die Reduktion des Sauerstoffs an der Luft-Kathode 22, und es wird elektrischer Strom nach folgenden möglichen Redoxreaktionen erzeugt:

Verbrennung von Wasserstoff H ₂ in der Brennstoffzelleneinheit 19 als Entladungsvorgang

Anode: 2H ₂ -» 4H ⁺ + 4e

Kathode: 0 ₂ + 4H ⁺ + 4e ^" -» 2H ₂ 0

Redoxreaktion: 2H ₂ + 0 ₂ -» 2 H ₂ 0 , oder

Kathode 0 ₂ + 4e- 20 ² ·

Anode: 20 ² · + 2H ₂ -» 2H ₂ 0 + 4e

Redoxreaktion: 2H ₂ + 0 ₂ -» 2 H ₂ 0

Optional können mittels einer Gastrennungseinheit 15 der bei der Spaltung von Wasser am Pyroelektrikum 13 ebenfalls auftretende Sauerstoff 0 ₂ oder auch andere Reaktionsprodukte vom Wasserstoff abgetrennt und abgeleitet bzw. über eine selektive Rück-/Abführleitung 8 zur Kathode 22 zurück bzw. abgeleitet werden. Optional kann auch über eine Wasserstoffentnahmeeinheit 16 der generierte Wasser- stoff der ersten Anordnung 42 entnommen werden, wobei die erste Anordnung zumindest den Gasdiffusionskanal 18 enthält. Im Falle des Einbaus der integrierten Gastrennungseinheit 15 und bei Entstehung von Wasser H ₂ 0 auf Seiten des Gasdiffusionskanals 18 kann optional die Wasserrück-Aabführung über eine Wasser- rückführ-/-abführleitung 32 gewährleistet werden.

Analog könnte das pyrokatalytisch wirksame Material 13 auch polykristallin in Form eines Pulvers auf ein Trägermaterial in einer Matrix aufgebracht sein. Eine Be- schichtung des Trägermaterials wäre ebenfalls denkbar. Ausführungsbeispiel 2

Die erfindungsgemäße zweite Vorrichtung 29 wird als zweites Ausführungsbeispiel in Fig. 2 mit Fig. 2a und Fig. 2b gezeigt, wobei die Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen zweiten Vorrichtung 29 zur Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie und chemischer Zwischenspeicherung mithilfe eines pyrokatalytisch wirksamen Materials 13 zur elektrischen Stromerzeugung zeigt, die kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden kann, wobei mittels einer gerichteten Bewegung eines Pyroelektrikum- Bandes 35 durch die thermischen Energieträger hoher Temperatur T _H und niedriger Temperatur T« das pyrokatalytisch wirksame Material 13 einer zeitlichen Temperaturänderung AT/At unterzogen und dadurch Wasserstoff gebildet wird, der in einer Brennstoffzelleneinheit in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die Fig. 2a eine perspektivische Darstellung der zweiten Vorrichtung 29 und Fig. 2b eine vergrößerte Schnittdarstellung der Bandführung zeigen, Die zweite Vorrichtung 29 besteht wie die erste Vorrichtung 20 zumindest auch aus den drei Einheiten Fluidreservoir 17, Gasdiffusionskanal 18 und Brennstoffzelleneinheit 19.

Im Fluidreservoir 17 sind der thermische Energieträger 24 mit hoher Temperatur T _H in Form eines ersten Behälters und der thermische Energieträger 25 mit niedriger Temperatur Τκ in Form eines zweiten Behälters räumlich voneinander getrennt. Mittels eines äußeren Wärmestroms 31 wird der im ersten Behälter 24 befindliche thermische Energieträger mit hoher Temperatur T _H erwärmt, wobei bei hoher Temperatur T _H die einstellbare Maximaltemperatur T _Hm ax des pyrokatalytisch wirksamen Materials 13 unterhalb dessen Curie-Temperatur T _c liegt.

Die Trennung des thermischen Energieträgers 24 mit hoher Temperatur T _H vom thermischen Energieträger 25 mit niedriger Temperatur T _K erfolgt behälterbedingt durch einen thermischen Isolator 33, wobei der thermische Isolator 33 eine geringe Wärmekapazität besitzt und eine Wärmeleitung zwischen dem thermischen Ener- gieträger 24 mit hoher Temperatur T _H und dem thermischen Energieträger 25 mit niedriger Temperatur T _K unterdrückt.

Hierbei besteht das Fluidreservoir 17 zumindest aus zwei Behältern 24, 25; jeweils einem ersten Behälter 24 für den thermischen Energieträger hoher T _H und einem zweiten Behälter 25 für den thermischen Energieträger niedriger Temperatur T _K , die über einen thermischen Isolator 33 entkoppelt sind. Dabei wird die hohe Temperatur T _H des thermischen Energieträgers 24 über einen Wärmestrom 31 von außen realisiert. Das pyrokatalytisch wirksame Material 13, z. B. ein LiNb0 ₃ -Pulver, ist auf einem Pyroelektrikum-Band/-Träger 35 aufgebracht oder bildet dieses selbst und durchläuft mittels Bandführungselementen 30 zyklisch die beiden Behälter 24, 25 mit den unterschiedlichen thermischen Energieträgern, und wird dadurch einer ständig wechselnden Temperatur innerhalb einer ständigen Temperaturänderung ΔΤ unterzogen. Der erforderliche elektrische Strom für die Bandführungselemente 30 kann z. B. direkt über den Abnehmer 6 der Vorrichtung 29 entnommen werden. Die Temperatur des thermischen Energieträgers hoher Temperatur T _H wird mittels einer Regeleinrichtung 11 , entsprechend wie in Fig. 1 , geregelt, sodass die Arbeitsweise unterhalb der Curie-Temperatur T _c des pyrokatalytisch wirksamen Materials 13 erfolgt. Dies hat zur Folge, dass im Pyroelektrikum 13 bzw. an der pyrokatalytisch wirksamen Oberfläche des Pyroelektrikums 13 infolge der Spaltung des Fluids, z. B. Wasser oder Wasserdampf, Wasserstoff gebildet wird, z. B. durch folgende Redoxreaktionen: Generierung von Wasserstoff H ₂ an der pyrokatalytisch wirksamen Oberfläche im Fluidreservoir 17 als Aufladungsvorgang: Redoxreaktionen: 2 H ₂ 0 - 2H ₂ + 0 ₂ , oder

2 H ₂ 0 - H ₂ + H ₂ 0 ₂ , bzw. H ₂ 0 ₂ - H ₂ + 0 ₂ , wobei der Wasserstoff H ₂ anschließend der Brennstoffzelleneinheit 19 zugeführt werden kann. Der dabei entstehende Wasserstoff H ₂ gelangt über einen Gasdiffusionskanal 18, der mit einem Gas (z. B. Inertgas, N ₂ , H ₂ ) gefüllt sein kann, in die Brennstoffzelleneinheit 19. Der Gasdiffusionskanal 18 kann dabei als Zwischenspeicher für den chemischen Energieträger dienen. Bei Anschluss eines elektrischen Verbrauchers 6 erfolgt die Oxidation des Wasserstoffs an der Anode 21 und die Reduktion des Sauerstoffs an der Luft-Kathode 22 und es wird elektrischer Strom nach folgenden möglichen Redoxreaktionen erzeugt:

Verbrennung von Wasserstoff H ₂ in der Brennstoffzelleneinheit

Entladungsvorgang

Anode: 2H ₂ 4H ⁺ + 4e

Kathode: 0 ₂ + 4H ⁺ + 4e ^" 2H ₂ 0

Redoxreaktion: 2H ₂ + 0 ₂ - 2 H ₂ 0 , oder

Kathode 0 ₂ + 4e 20 ^2~

Anode: 20 ² + 2H ₂ - 2H ₂ 0 + 4e ^"

Redoxreaktion: 2H ₂ + 0 ₂ ^ 2 H ₂ 0

Optional können mittels einer Gastrennungseinheit 15 in Form eines Membrankontraktors der bei der Spaltung eines Fluids (z. B. Wasser oder Wasserdampf) am pyrokatalytisch wirksamen Material 13 ebenfalls auftretende Sauerstoff oder auch andere Reaktionsprodukte vom Wasserstoff H ₂ abgetrennt und abgeleitet bzw., wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, über eine selektive Rück /Abführleitung 8 zur Kathode zurück bzw. abgeleitet werden. Optional kann auch, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, über eine Wasserstoffentnahmeeinheit 16 der generierte Wasserstoff der zweiten Vorrichtung 29 entnommen werden. Im Falle der integrierten Gastrennungseinheit 15 und bei Entstehung von H ₂ O auf Seiten des Gasdiffusionskanals 18 kann optional, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, die Wasserrück-/-abführung über eine Wasserrück-/- abführleitung 32 gewährleistet werden.

Ausführungsbeispiel 3

Die erfindungsgemäße dritte Vorrichtung 36 wird als drittes Ausführungsbeispiel in Fig. 3 mit Fig. 3a und Fig. 3b gezeigt, wobei Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen dritten Vorrichtung 36 zur Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie und chemischer Zwischenspeichern ng mithilfe eines pyrokatalytisch wirksamen Materials 13 zur elektrischen Stromerzeugung zeigt, die kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden kann, wobei mittels einer gerichteten Bewegung eines Pyroelektrikum-Bandes 35 durch die thermischen Energieträger hoher Temperatur T _H und niedriger Temperatur T _K das pyrokatalytisch wirksame Material 13 einer zeitlichen Temperaturänderung ΔΤ/At unterzogen und dadurch Wasserstoff gebildet wird, der in einer Brennstoffzelleneinheit in elektri- sehe Energie umgewandelt wird, wobei Fig. 3a eine perspektivische Darstellung der dritten Vorrichtung 36 und Fig. 3b eine Schnittdarstellung der dritten Anordnung 44 der dritten Vorrichtung 36 zeigen.

Die dritte Vorrichtung 36 besteht wie die erste Vorrichtung 20 und die zweite Vor- richtung 29 zumindest aus den drei Einheiten Fluidreservoir 17, Gasdiffusionskanal 18 und Brennstoffzelleneinheit 19.

Eine Trennung des thermischen Energieträgers 24 mit hoher Temperatur T _H und des thermischen Energieträgers 25 mit niedriger Temperatur T _K erfolgt in Fig. 3 behälterbedingt durch einen thermischen Isolator 33, wobei der thermische Isolator 33 eine geringe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit besitzt und eine Wärmelei- tung zwischen dem thermischen Energieträger 24 mit hoher Temperatur T _H und dem thermischen Energieträger 25 mit niedriger Temperatur T _K unterdrückt.

Im thermischen Isolator 33 ist optional zumindest eine Dichtung 37 eingebracht, wobei die Dichtung 37 einen Temperaturausgleich zwischen dem thermischen E- nergieträger 24 mit hoher Temperatur T _H und dem thermischen Energieträger 25 mit niedriger Temperatur Τ unterdrückt und wobei die Dichtung 37 einen regel- /steuerbaren Materialdurchgang ermöglicht.

Das Pyrolelektrikum 13 ist als Schicht auf einem verformbaren Trägermaterial 35 aufgebracht.

Der mit dem Pyroelektrikum 13 beschichtete Pyroelektrikum-Träger 35 wird durch Bandführungselemente 30 durch den thermischen Energieträger 24 mit hoher Temperatur TH und den thermischen Energieträger 25 mit niedriger Temperatur T _K geführt, die als Behälter ausgebildet sein können, wobei die gerichtete Bewegung zeitliche Temperaturänderungen ΔΤ/At im Pyroelektrikum 3 verursacht. Der mit dem Pyroelektrikum 3 beschichtete Pyroelektrikum-Träger 35 wird ausschließlich durch Dichtungen 37 hindurch im thermischen Isolator 33 geführt, wobei der mit dem Pyroelektrikum 13 beschichtete Pyroelektrikum-Träger 35 auch ausschließlich entlang des thermischen Isolators 33 geführt werden kann, wobei der mit dem Pyroelektrikum 13 beschichtete Pyroelektrikum-Träger 35 entweder im thermischen Isolator 33 durch die Dichtungen 37 oder entlang des thermischen Isolators 33 geführt werden kann.

Hierbei besteht das Fluidreservoir 17 zumindest aus zwei Behältern 24, 25; jeweils einem für den thermischen Energieträger hoher T _H und den thermischen Energie- träger niedriger Temperatur T _K , die über einen thermischen Isolator 33 entkoppelt sind. Dabei wird die hohe Temperatur T _H des thermischen Energieträgers 24 über einen Wärmestrom 31 von außen realisiert. Das pyrokatalytisch wirksame Material 13, z. B. ein LiNb0 ₃ -Pulver. ist auf einem Pyroelektrikum-Band/-Träger 35 aufgebracht oder bildet dieses selbst und durchläuft über eine von Bandführungselementen 30 definierte Bandführung zyklisch die beiden thermischen Energieträger- Behälter 24, 25, und wird dadurch einer ständigen Temperaturänderung zwischen hoher Temperatur T _H und niedrigerer Temperatur T« unterzogen. Hierbei leiten die Bandführungselemente 30 das Pyroelektrikum-Band 35 durch den Isolator 33, wobei über Dichtungen 37 der Fluidaustausch der thermischen Energieträger 24, 25 unterdrückt wird. Der erforderliche Strom für die Bandführungselemente 30 kann z. B. direkt über den Abnehmer 6 der Anordnung 44 entnommen werden. Die Temperatur des thermischen Energieträger-Behälters 24 hoher Temperatur T _H wird mittels einer Regeleinrichtung 11 , wie in Fig. 1 , geregelt, so dass die Arbeitsweise unterhalb der Curie-Temperatur des pyrokatalytisch wirksamen Materials 13 erfolgt. Dies hat zur Folge, dass im Pyroelektrikum 13 bzw. an der pyrokatalytisch wirksa- men Oberfläche infolge der Spaltung eines Fluids (z. B. Wasser oder Wasserdampf) Wasserstoff gebildet wird, z. B. durch folgende Redoxreaktionen:

Generierung von Wasserstoff H ₂ an der pyrokatalytisch wirksamen Oberfläche im Fluidreservoir 17 als Aufladungsvorgang.

Redoxreaktionen: 2 H ₂ 0 - 2H ₂ + 0 ₂ , oder

2 H ₂ 0 - H ₂ + H ₂ 0 ₂ , bzw. H ₂ 0 - H ₂ + 0 ₂ ,

Der dabei entstehende Wasserstoff H ₂ gelangt über einen Gasdiffusionskanal 18, der mit einem Gas, z. B. Inertgas, N ₂ oder H , gefüllt sein kann, in die Brennstoff- zelleneinheit 19. Der Gasdiffusionskanal 18 als Teil der Anordnung 44 kann dabei als Zwischenspeicher für den chemischen Energieträger dienen. Bei Anschluss eines elektrischen Verbrauchers 6 erfolgt die Oxidation des Wasserstoffs an der A- node 21 und die Reduktion des Sauerstoffs an der Luft-Kathode 22 und es wird e- lektrischer Strom nach folgender möglicher Redoxreaktionen erzeugt: Verbrennung von Wasserstoff H ₂ in der Brennstoffzelleneinheit 19 als Entladungsvorgang:

Anode: 2H ₂ -> 4H ⁺ + 4e ^"

Kathode: 0 ₂ + 4H ⁺ + 4e -» 2H ₂ 0

Redoxreaktion: 2H ₂ + 0 ₂ -> 2 H ₂ 0 , oder

Kathode 0 ₂ + 4e ^" -» 20 ²

Anode: 20 ^2" + 2H ₂ -> 2H ₂ 0 + 4e ^"

Redoxreaktion: 2H ₂ + 0 ₂ -» 2 H ₂ 0

Optional können mittels einer Gastrennungseinheit 15 der bei der Spaltung von Wasser am Pyroelektrikum 13 ebenfalls auftretende Sauerstoff oder auch andere Reaktionsprodukte vom Wasserstoff abgetrennt und abgeleitet bzw., wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, über eine selektive Rück-/Abführleitung 8 zur Kathode 22 zurück- bzw. abgeleitet werden. Optional kann auch über eine Wasserstoffentnahmeeinheit 16 der generierte Wasserstoff der dritten Anordnung 44 entnommen werden. Im Falle der integrierten Gastrennungseinheit 15 und bei Entste- hung von Wasser H ₂ 0 auf Seiten des Gasdiffusionskanals 18 kann optional die Wasserrück-Aabführung über eine Wasserrück-Aabführleitung 32 gewährleistet werden.

Ausführungsbeispiel 4

Die erfindungsgemäße vierte Vorrichtung 38 wird als viertes Ausführungsbeispiel in Fig. 4 mit Fig. 4a und Fig. 4b gezeigt, wobei die Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen vierten Vorrichtung 38 zur Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie und chemischer Zwischenspeicherung mithilfe eines pyrokatalytisch wirksamen Materials 13 zur elektrischen Stromerzeugung zeigt, die kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden kann, wobei mittels einer Drehung des rotationssymmetrischen Trägerkörpers 41 mit pyrokatalytisch wirksamer Oberfläche 13 durch die thermischen Energieträger 24, 25 hoher Tem- peratur und niedriger Temperatur hindurch das pyrokatalytisch wirksame Material 13 einer zeitlichen Temperaturänderung ΔΤ/At unterzogen und dadurch Wasserstoff gebildet wird, der in der Brennstoffzelleneinheit 19 in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei Fig. 4a eine perspektivische Darstellung der vierten Vorrich- tung 38 und Fig. 4b eine Schnittdarstellung der vierten Anordnung 45 der vierten Vorrichtung 38 zeigen.

Die vierte Vorrichtung 38 besteht wie die erste Vorrichtung 20 und die zweite Vorrichtung 29 und die dritte Vorrichtung 36 zumindest aus den drei Einheiten Fluidre- servoir 17, Gasdiffusionskanal 18 und Brennstoffzelleneinheit 19. Das Pyroelektrikum 13 ist auf einem rotationssymmetrischen Körper 41 aufgebracht.

Der mit dem Pyroelektrikum 13 beschichtete rotationssymmetrische Körper 41 kann mit einer externen Bewegungseinheit 49 in Rotation versetzt werden.

Zwischen dem mit Pyroelektrikum 13 beschichteten rotationssymmetrischen Körper 41 und der räumlichen Begrenzung des Fluidreservoirs 17 sind Dichtungen 37 angebracht. Die Dichtungen 37 und der mit dem Pyroelektrikum 13 beschichtete rotationssymmetrische Körper 41 realisieren eine räumliche Trennung des thermischen Energieträgers 24 mit hoher Temperatur T _H vom thermischen Energieträgers 25 mit niedriger Temperatur T , wobei die Dichtungen 37 einen Temperaturausgleich zwischen dem thermischen Energieträger 24 mit hoher Temperatur T _H und dem thermischen Energieträger 25 mit niedriger Temperatur T _K unterdrücken.

Hierbei besteht das Fluidreservoir 17 zumindest aus zwei Behältern 24, 25; jeweils einen ersten Behälter 24 für den thermischen Energieträger hoher T _H und einem zweiten Behälter 25 für den thermischen Energieträger niedriger Temperatur T«, die durch einen rotationssymmetrischen, drehbar gelagerten Körper 41 , wobei eine Strukturierung des Körpers 41 entlang der Rotationsrichtung zur Optimierung bzw. Maximierung großer Oberfläche einstellbar ist mit pyrokatalytisch wirksamer Oberfläche 13 _; z. B. ein LiNb0 ₃ -Pulver und eine thermisch isolierende Dichtung 37 zur Außenwand des Fluidreservoirs 17 voneinander entkoppelt sind. Dabei wird die hohe Temperatur T _H des thermischen Energieträgers 24 über einen Wärmestrom 31 von außen realisiert. Das pyrokatalytisch wirksame Material 13, z. B. ein LiN- bOa-Pulver, durchläuft während der Drehung des rotationssymmetrischen Körpers 41 zyklisch die beiden thermischen Energieträger-Behälter 24, 25, und wird dadurch einer ständigen Temperaturänderung unterzogen. Der erforderliche elektrische Strom für die Drehung des rotationssymmetrischen Körpers 41 kann z. B. di- rekt über den Abnehmer 6 der Anordnung entnommen werden. Die Temperatur des thermischen Energieträger-Behälters 24 hoher Temperatur T _H wird mittels einer Regeleinrichtung 11 , wie in Fig. 1 , geregelt, sodass die Arbeitsweise unterhalb der Curie-Temperatur T _c des pyrokatalytisch wirksamen Materials 13 erfolgt. Dies hat zur Folge, dass im Pyroelektrikum 13 bzw. an der pyrokatalytisch wirksamen Ober- fläche infolge der Spaltung eines Fluids (z. B. Wasser oder Wasserdampf) Wasserstoff gebildet wird, z. B. durch folgende Redoxreaktionen:

Generierung von Wasserstoff H ₂ an der pyrokatalytisch wirksamen Oberfläche im Fluidreservoir 17 als Aufladungsvorgang:

Redoxreaktionen. 2 H ₂ 0 - 2H ₂ + 0 ₂ , oder

2 H ₂ 0 - H ₂ + H ₂ 0 ₂ , bzw. H ₂ 0 ₂ - H ₂ + 0 ₂ , wobei der Wasserstoff H ₂ anschließend der Brennstoffzelleneinheit 19 zugeführt werden kann. Der dabei entstandene Wasserstoff gelangt über einen Gasdiffusi- onskanal 18, der mit einem Gas, z. B. Inertgas, N ₂ , H ₂ , gefüllt sein kann, in die Brennstoffzelleneinheit 19. Der Gasdiffusionskanal 18 als Teil der vierten Anordnung 45 kann dabei als Zwischenspeicher für den chemischen Energieträger dienen. Bei Anschluss eines elektrischen Verbrauchers 6 erfolgt die Oxidation des Wasserstoffs an der Anode 21 und die Reduktion des Sauerstoffs an der Luft- Kathode 22 und es wird elektrischer Strom nach folgenden möglichen Redoxreaktionen erzeugt:

Verbrennung von Wasserstoff H ₂ in der Brennstoffzelleneinheit 19 als

Entladungsvorgang

Anode: 2H ₂ 4H ⁺ + 4e

Kathode: 0 ₂ + 4H ⁺ + 4e ^" -> 2H ₂ 0

Redoxreaktion: 2H ₂ + 0 ₂ - 2 H ₂ 0 , oder

Kathode 0 ₂ + 4e ^" 20 ^2"

Anode: 20 ² - + 2H ₂ 2H ₂ 0 + 4e ^'

Redoxreaktion: 2H ₂ + O ₂ - 2 H ₂ 0

Optional können mittels einer Gastrennungseinheit 15 der bei der Spaltung eines Fluids (z. B. Wasser) am Pyroelektrikum 13 ebenfalls auftretende Sauerstoff O ₂ o- der auch andere Reaktionsprodukte vom Wasserstoff abgetrennt und abgeleitet über eine selektive Rück-/Abführleitung 8 zur Kathode 22 zurück bzw. abgeleitet werden. Optional kann auch, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, über eine Wasserstoffentnahmeeinheit 16 der generierte Wasserstoff H ₂ der vierten Anordnung 45 entnommen werden. Im Falle der integrierten Gastrennungseinheit 15 und bei Entstehung von Wasser auf Seiten des Gasdiffusionskanals 18 kann optional die Wasserrück-/-abführung über eine Wasserrück-/-abführleitung 32 gewährleistet werden.

Ausführungsbeispiel 5

Die erfindungsgemäße fünfte Vorrichtung 40 wird als fünftes Ausführungsbeispiel in Fig. 5 mit Fig. 5a und Fig. 5b gezeigt, wobei die Fig. 5 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen fünften Vorrichtung 40 zur Umwandlung von thermi- scher Energie in chemische Energie und chemischer Zwischenspeicherung mithilfe eines pyrokatalytisch wirksamen Materials 13 zur elektrischen Stromerzeugung zeigt, die kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden kann, wobei mittels alternierender Erwärmung und Abkühlung durch die thermischen Energieträger hoher Temperatur T _H und niedriger Temperatur T _K das pyrokatalytisch wirksame Material 13 einer zeitlichen Temperaturänderung ΔΤ/At unterzogen und dadurch Was- serstoff gebildet wird, der in einer zylinderartig mehrschichtig aufgebauten Brennstoffzelleneinheit in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei Fig. 5a eine perspektivische Darstellung der fünften Vorrichtung 40 und Fig. 5b eine Schnittdarstellung der fünften Anordnung 46 der fünften Vorrichtung 40 zeigen. Die fünfte Vorrichtung 40 besteht wie die vordem genannten Vorrichtungen 20, 29, 36, 38 ebenfalls zumindest aus den drei Einheiten Fluidreservoir 17, Gasdiffusionskanal 18 und Brennstoffzelleneinheit 19.

Die fünfte Vorrichtung 40 zum Umwandeln von thermischer Energie in chemische Energie und von chemischer Energie in elektrische Energie mit chemischer Zwi- schenspeicherung,

besteht zumindest aus

- einer zylinderartig mehrschichtig aufgebauten Brennstoffzelleneinheit 19, zu der zumindest gehören

- eine hohlzylinderförmige Anode 21 aus einem ersten gaspermeablen

Stromkollektor 2 und einem anodenseitigen Katalysator 1 ,

- eine hohlzylinderförmige Kathode 22 aus einem zweiten gaspermeablen Stromkollektor 4 und einem kathodenseitigen Katalysator 5

- ein zwischen der hohlzylinderförmigen Anode 21 und der hohlzylinder förmigen Kathode 22 befindlicher hohlzylinderförmig angeordneter Elektrolyt 3,

wobei sich zumindest die Anode 21 , die Kathode 22 und der Elektrolyt 3 in einer hohlzylindrischen Kammer 47 befinden, und

- ein Sauerstoff-Zugang 23 zur hohlzylindrischen Kammer 47 für eine Zu- fuhr von Sauerstoff oder Sauerstoffgemisch an den kathodenseitigen Katalysator 5, - einem hohlzylinderartigen Fluidreservoir 17 _:

zu dem zumindest gehören

- ein axial mittjg angeordnetes Pyroelektnkum 13, das von dem hohlzylindrischen Fluidreservoir 17 umgeben ist

- ein erster thermischer Energieträger 24 mit hoher Temperatur T _H:

- ein zweiter thermischer Energieträger 25 mit niedriger Temperatur T _Ks und

- ein Gasdiffusionskanal 18, der als Freiraum das Fluidreservoir 17 umgibt,

wobei die hohizylinderförmige Kammer 47 der Brennstoffzelleneinheit 19 mit dem Fluidreservoir 17 über dem Gasdiffusionskanal 18 in Verbindung steht wobei das Fluidreservoir 17 zumindest das axial mittig angeordnete, stabförmi- ge Pyroelektnkum 13 enthält das zeitlichen Temperaturänderungen ΔΤ/At des durch das Fluidreservoir 17 strömenden Fluids abwechselnd ausgesetzt ist, wobei die Temperaturänderung ΔΤ/At durch den alternierenden Wärmeüber- trag über einen ersten thermischen Energieträger 24 mit hoher Temperatur T _H und einen zweiten thermischen Energieträger 25 mit niedriger Temperatur T« am Pyroelektnkum 13 zur Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie realisiert wird, wobei bei hoher Temperatur T _H die einstellbare Maxi- maltemperatur T _Hm ax des pyrokatalytisch wirksamen Materials 13 unterhalb dessen Curie-Temperatur T _c liegt,

wobei am Pyroelektnkum 13 eine Reduktion bzw. Oxidation des Fluids 12 im Fluidreservoir 17 zu zumindest Wasserstoff als chemischem Energieträger stattfindet, wobei zumindest der Wasserstoff über eine wasserstoff- durchlässige und wasserabweisende hohlzylindrische Membran 39 in den Gasdiffusionskanal 18 vom Fluidreservoir 17 aus zum anodenseitigen Katalysator 1 strömt, wobei zur Umwandlung der chemischen Energie in elektrische Energie eine Oxidation des Wasserstoffs am anodenseitigen Katalysator 1 der Brennstoffzelleneinheit 19 stattfindet, und

wobei zumindest im Gasdiffusionskanal 18 eine chemische Zwischenspeiche- rung möglich ist. Dabei wird ein Pyroelektrikum 13, z. B. ein dünner stabförmiger LiNb0 ₃ -Einkristali oder ein auf einen stabförmtg ausgebildeten Träger 35 aufgebrachtes LiNbCV Pulver, wobei der Pyroelektrikum-Träger 35 sich zentral axial mittig im hohlzylin- derartig umgebenden Fluidreservoir 17 befinden kann und zur Optimierung bzw. Maximierung großer pyrokatalytischer Oberfläche strukturiert sein kann, über eine Steuer- und Schafteinheit 11, die gepulst abwechselnd die thermischen Energieträger 24 hoher T _H bzw. 25 tiefer Temperatur T« durch das Fluidreservoir 17 strömen fässt, einer ständigen Temperaturänderung unterzogen. Der erforderliche elektri- sehe Strom für eine Pumpe zum abwechselnden Einströmen von Fluid zweier unterschiedlicher Temperaturen T _H und Τκ kann z. B. direkt über den Abnehmer 6 der Vorrichtung 40 entnommen werden. Eine vorgegebene zeitliche Temperaturänderung ΔΤ/At kann beispielsweise durch eine lineare Zu- oder Abnahme oder die Modulation einer linearen Zunahme oder Abnahme mit einer Sinus-/Cosinusfunktion oder komplexere Verläufe durch Überlagerung von harmonischen Funktionen oder komplexeren mathematischen Funktionen sein. Die zeitliche Temperaturänderung wird mittels einer Regeleinrichtung (nicht eingezeichnet) geregelt, so dass die Arbeitsweise unterhalb der Curie-Temperatur T _c des pyrokatalytisch wirksamen Materials 13 erfolgt. Dies hat zur Folge, dass im Pyroelektrikum 13 bzw. an der pyroka- talytisch wirksamen Oberfläche infolge der Spaltung eines Fluids (z. B. Wasser o- der Wasserdampf) Wasserstoff als chemischer Energieträger gebildet wird, z. B. durch folgende Redoxreaktionen:

Generierung von Wasserstoff H ₂ an der pyrokatalytisch wirksamen Oberfläche im Fluidreservoir 17 als Aufladungsvorgang:

Redoxreaktionen: 2 H ₂ 0 -> 2H ₂ + 0 ₂ , oder

2 H ₂ 0 -> H ₂ + H ₂ 0 ₂ bzw. H ₂ 0 ₂ -> H ₂ + 0 ₂ .

Der dabei durch Umwandlung von thermischer Energie in chemische Energie entstehende Wasserstoff gelangt über die wasserstoff-durchlässige wasserabweisen- de, das Fluidreservoir 17 hohlzylinderförmig umgebende Membran 39, die das Fluidreservoir 17 umschließt, in den umgebenden Gasdiffüsionskanal 18, der mit einem Gas, z. B. Inertgas, N ₂ , H ₂ , gefüllt sein kann, und weiter in die umgebende Brennstoffzelleneinheit 19, die in hohizylindriger Form den inneren Aufbau der Kammer 47 umschließt. Der Gasdiffusionskanal 18 als Teil der Anordnung 46 kann, falls keine elektrische Stromentnahme erfolgt, dabei als Zwischenspeicher für den chemischen Energieträger dienen. Bei Anschluss eines elektrischen Verbrauchers 6 an Anode 21 und Kathode 22 erfolgt die Oxidation des Wasserstoffs an der Anode 21 und die Reduktion des Sauerstoffs an der Luft-Kathode 22 als Entladungs- Vorgang und es wird elektrischer Strom durch die Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie nach folgender möglicher Redoxreaktionen erzeugt:

Verbrennung von Wasserstoff H ₂ in der Brennstoffzelleneinheit 19 als Entladungsvorgang:

Anode. 2H ₂ - 4H ⁺ + 4e ^~

Kathode: 0 ₂ + 4H ⁺ + 4e 2H ₂ 0

Redoxreaktion: 2H ₂ + 0 ₂ ^ 2 H ₂ 0 , oder

Kathode 0 ₂ + 4e ^" -» 20 ^2"

Anode. 20 ² ~ + 2H ₂ -> 2H ₂ 0 + 4e ^"

Redoxreaktion: 2H ₂ + 0 ₂ -» 2 H ₂ 0

Optional kann auch über eine Wasserstoffentnahmeeinheit 16 der generierte Wasserstoff der fünften Anordnung 46 für eine mögliche erweiterte chemische Zwi- schenspeicherung entnommen werden.

In der Anordnung des Pyroelektrikums 13 zur Brennstoffzelleneinheit 19 gibt es in den Ausführungsbeispielen zumindest einen wesentlichen Unterschied:

Im ersten bis vierten Ausführungsbeispiel befindet sich das Fluidreservoir 17 mit dem Pyroelektikum 13 außerhalb der Brennstoffzelleneinheit 19. Im fünften Ausfüh- rungsbeispiel ist das Fluidreservoir 17 mit dem Pyroelektrikum 13 innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 19 angeordnet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Prinzip alle kommerziell erhältlichen Brennstoffzellen in der Brennstoffzelleneinheit nutzbar und das Wasser als Reaktionsprodukt der Verbrennung des Wasserstoffs in der Brennstoffzelle sowohl katho- den- als auch anodenseitig entstehen kann, wobei das Wasser je nach Ausbildung der Brennstoffzelleneinheit flüssig oder als Dampf abgeführt werden kann.

Bezugszeichenliste

1 anodenseitiger Katalysator

2 erster gaspermeabler Stromkollektor

3 Elektrolyt

4 zweiter gaspermeabler Stromkollektor

5 kathodenseitiger Katalysator

6 Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch

7 optionales Absperrventil

8 optionale Sauerstoffrück-/Abführleitung

9 Absperrventil mit Entlüftung

10 Druckausgleichsbehälter

11 Steuer-/Schalteinheit/Regeleinrichtung

12 Fluid / Wasser

13 pyrokatalytisch wirksames Material/Pyroelektrikum

14 Durchflusseinheit

15 optionale Gastrennungseinheit/Membrankontaktor

16 optionale Gasentnahmeeinheit

17 Fluidreservoir

18 Gasdiffusionskanal

19 Brennstoffzelleneinheit

20 erste Vorrichtung

21 Anode

22 Kathode

23 Sauerstoffzugang

24 erster thermischer Energieträger mit hoher Temperatur T _H

25 zweiter thermischer Energieträger mit niedriger Temperatur T _K

26 erste Verbindungsleitung

27 zweite Verbindungsleitung

28 Schalt-/Steuereinrichtung

29 zweite Vorrichtung

30 Bandführungselement/Rolle 31 Wärmestrom

32 optionale WasserrückVAbführleitung

33 thermischer Isolator

35 Pyroelektrikum-Band/-Träger

36 dritte Vorrichtung

37 Dichtungen

38 vierte Vorrichtung

39 wasserstoff-durchlässige wasserabweisende Membran

40 fünfte Vorrichtung

41 rotationssymmetrischer Körper

42 erste Anordnung zur Zwischenspeicherung

43 zweite Anordnung zur Zwischenspeicherung

44 dritte Anordnung zur Zwischenspeicherung

45 vierte Anordnung zur Zwischenspeicherung

46 fünfte Anordnung zur Zwischenspeicherung

47 Kammer

48 Wegeventil

49 Rotationseinrichtung

ΔΤ Temperaturänderung

ΔΤ/Δί zeitliche Temperaturänderung

T _H hohe Temperatur

THmax Maximaltemperatur

T _K niedrige Temperatur