AT528010B1

AT528010B1 - Vorrichtung zur elektrochemischen Kompression mit poröser Transportschicht

Info

Publication number: AT528010B1
Application number: ATA50729/2024A
Authority: AT
Inventors: Richter Dipl -Ing Michael; Trattner Dr Alexander
Original assignee: Hycenta Res Gmbh
Priority date: 2024-09-09
Filing date: 2024-09-09
Publication date: 2025-09-15
Also published as: AT528010A4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur elektrochemischen Kompression und/oder Aufreinigung von Wasserstoff, die Vorrichtung (1) umfassend eine erste Halbzelle (2), eine zweite Halbzelle (3) und eine, die erste Halbzelle (2) und die zweite Halbzelle (3) trennende Membran (5), wobei die Membran (5) eine, der ersten Halbzelle (2) nächstliegende semipermeable erste Membranschicht (10) und eine poröse Transportschicht (11) zum Transport von Wasser mittels Kapillareffekt umfasst, wobei die poröse Transportschicht (11) mittels einer Transportstruktur (12) mit einem Wasserreservoir (14) fluidisch gekoppelt ist, sodass die erste Membranschicht (10) mit Wasser aus dem Wasserreservoir (14) befeuchtbar ist.

Description

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur elektrochemischen Kompression und/oder Aufreinigung von Wasserstoff.

[0002] Vorrichtungen zur elektrochemischen Kompression von Wasserstoff nach dem Stand der Technik weisen wenigstens zwei durch eine elektrolytgefüllte Membran getrennte Elektroden auf, wobei jede Elektrode in einer Halbzelle aufgenommen ist, wobei über die Membran ein Ladungsaustausch stattfindet. Um die Prozesssicherheit und Standzeit einer Vorrichtung zur elektrochemischen Kompression nicht negativ zu beeinflussen, muss die Befeuchtung der Membran mittels Wasser sichergestellt sein, sodass eine Beschädigung durch Austrocknung vermeidbar ist und weiterhin die Effektivität der Kompression bzw. Aufreinigung gewährleistet ist. Bei Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist es daher bislang immer erforderlich, entweder eine hohe Wassermenge in die Halbzellen, bzw. insbesondere in die Halbzelle eines Halbzellenpaares, welche einen höheren Druck als die andere Halbzelle aufweist, einzubringen, beispielsweise durch Flutung der Halbzelle mit Wasser in die Halbzelle mit geringerem Druck, oder eine Fördervorrichtung zur gezielten Förderung von Wasser in die Halbzelle mit geringerem Druck, die beispielsweise eine Pumpe umfasst, direkt an oder in die Membran zu verwenden, oder durch Befeuchtung des einzubringenden Wasserstoffgases. Ein Betrieb der Fördervorrichtung, beispielsweise der Pumpe, oder auch die aktive Befeuchtung des zur Kompression bzw. Aufreinigung vorgesehenen Wasserstoffgases erfordert einen zusätzlichen apparativen Aufwand und einen zusätzlichen Energieaufwand. Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels derer eine sichere und effiziente Kompression von Wasserstoff ermöglicht ist.

[0003] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.

[0004] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrochemischen Kompression und/oder Aufreinigung von Wasserstoff umfasst eine erste Halbzelle, eine zweite Halbzelle und eine, die erste Halbzelle und die zweite Halbzelle trennende Membran, wobei in der ersten Halbzelle eine erste Elektrode angeordnet ist und in der zweiten Halbzelle eine zweite Elektrode angeordnet ist, wobei die erste Elektrode, die Membran und die zweite Elektrode eine Membran-Elektroden-Einheit MEE ausbilden, wobei die erste Halbzelle, die zweite Halbzelle und die MEE eine erste elektrochemische Zelle ausbilden, und wobei die Membran eine, der ersten Halbzelle nächstliegende erste semipermeable Membranschicht und eine poröse Transportschicht zum Transport von Wasser mittels Kapillareffekt umfasst, wobei die poröse Transportschicht mittels einer Transportstruktur mit einem Wasserreservoir fluidisch gekoppelt ist, sodass die erste Membranschicht mit Wasser aus dem Wasserreservoir befeuchtbar ist.

[0005] Es kann dabei vorgesehen sein, dass die poröse Transportschicht selbst die Transportstruktur ausbildet. Beispielsweise kann das Wasserreservoir in einem Teilbereich der zweiten Halbzelle ausgebildet sein. So kann im Betrieb der Vorrichtung Wasser in diesem Teilbereich der zweiten Halbzelle angeordnet sein. Die poröse Transportschicht kann dabei, bei entsprechender räumlicher Anordnung der Vorrichtung, Wasser aus dem Wasserreservoir durch dessen Fähigkeit für einen Kapillareffekt aufnehmen und so die erste Membranschicht mit Wasser benetzen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Transportstruktur als Teil der porösen Transportschicht ausgebildet ist, wobei sich die Transportstruktur ausschließlich über einen Bereich der ersten Membranschicht erstreckt, der jedenfalls im Betrieb der Vorrichtung im Bereich des Wasserreservoirs positioniert ist, sodass die Transportstruktur vollständig mit Wasser benetzt ist. Dadurch wird vermieden, dass Wasserstoff aus der zweiten Halbzelle mit höherem Druck als in der ersten Halbzelle zu einem überwiegenden Teil an Stelle von Wasser in die Transportstruktur eindringen kann.

[0006] Insbesondere ist von der Erfindung eine Ausführungsform umfasst, bei der die Membran ausschließlich aus der ersten semipermeablen Membranschicht und der porösen Transport-

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schicht besteht.

[0007] Jedenfalls wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung erreicht, dass einerseits ein prozessbedingtes Überfluten bzw. Fluten der zweiten Halbzelle mit Wasser verhindert wird, und dass andererseits die Membran bzw. die erste Membranschicht vor Austrocknung durch Befeuchtung mittels der porösen Transportschicht geschützt wird. Dadurch wird einerseits die Betriebssicherheit der Vorrichtung verbessert, die Effizienz durch ständige Befeuchtung der Membran erhöht und somit andererseits auch in weiterer Folge die Standzeit der Vorrichtung erhöht. Zusätzlich wird so die erste Halbzelle vor einer Austrocknung derselben geschützt.

[0008] Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, wenn die Membran eine zweite Membranschicht umfasst, wobei die poröse Transportschicht zwischen der ersten semipermeablen Membranschicht und der zweiten Membranschicht angeordnet ist. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die zweite Membranschicht als semipermeable Membranschicht ausgebildet ist. Die poröse Transportschicht ist somit zwischen den beiden vorzugsweise semipermeablen Membranschichten eingebettet, wobei weiterhin eine fluidische Kopplung der porösen Transportschicht mit der Transportstruktur besteht.

[0009] Ferner kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine dritte Halbzelle mit einer dritten Elektrode und eine vierte Halbzelle mit einer vierten Elektrode umfasst, wobei die dritte Halbzelle und die vierte Halbzelle mit einer weiteren Membran mit einer porösen Transportschicht getrennt sind, wobei die poröse Transportschicht der weiteren Membran mit der Transportstruktur fluidisch gekoppelt ist, wobei die weitere Membran insbesondere baugleich der Membran zwischen der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle ist. Dritte Halbzelle, vierte Halbzelle mit entsprechenden Elektroden und dazwischenliegender weiterer Membran bilden eine zweite elektrochemische Zelle, wobei die zweite Halbzelle der ersten elektrochemischen Zelle und die dritte Halbzelle der zweiten elektrochemischen Zelle fluidisch gekoppelt sind, sodass Wasserstoff von der zweiten Halbzelle in die dritte Halbzelle transportierbar ist Prozessbedingt ergibt sich, dass in einer jeweilige Halbzelle eines Halbzellenpaares mit höherem Druck als in der anderen Halbzelle eine erhöhte Ansammlung von Wasser auftritt. Weiters kann bei einer Vorrichtung zur elektrochemischen Kompression ohnedies vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass mehrere Zellen in Serie angeordnet sind, um das Druckniveau des Produktgases entsprechend bestimmungsgemäß herstellen zu können. So ergibt sich aus vorliegender Maßnahme vorteilhafterweise, dass Wasser jeweils mittels der Transportstruktur in den porösen Transportschichten bereitgestellt wird, sodass einerseits ein Fluten einzelner Halbzellen verhindert wird und andererseits eine jeweilige Membran befeuchtet wird. Zwei nächstliegende Zellen können insbesondere mittels einer Bipolarplatte getrennt sein, wobei weiterhin eine fluidische Kopplung zwischen, der Bipolarplatte nächstliegenden Halbzellen zweiter Zellen bereitgestellt ist.

[0010] Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Transportstruktur ein Fluidkanal ist. Durch diese einfache Maßnahme kann Wasser von jedwedem Wasserreservoir bereitgestellt werden. Weiters kann auch eine mehrzellige Vorrichtung, die mehr als zwei Halbzellen umfasst, derart einfach aufgebaut werden, sodass jede poröse Transportschicht auf einfache Weise mit Wasser versorgbar ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Fluidkanal aus porösem Material ausgebildet ist oder damit ausgefüllt ist. So kann der Fluidkanal selbst eine Kapillarwirkung aufweisen, sodass ein jeweils höheres Druckniveau einer Halbzelle den Wassertransport in Wirkverbindung mit dem Kapillareffekt des porösen Materials begünstigt. Somit kann die Vorrichtung auch bei einer mehrzelligen Ausbildung mit mehr als zwei Halbzellen im Speziellen pumpenfrei ausgebildet sein.

[0011] Vorteilhaft ist auch eine Ausprägung, gemäß welcher vorgesehen sein kann, dass die Transportstruktur von wenigstens einem Durchbruch durch die zweite Membranschicht ausgebildet ist, wobei ein Sammelbereich für Wasser in der zweiten Halbzelle als Wasserreservoir ausgebildet ist oder respektive in der zweiten Halbzelle und in der vierten Halbzelle jeweils als Wasserreservoir ausgebildet ist. Durch einen derartigen Durchbruch ist Wasser von der porösen Transportschicht aufnehmbar. Es kann in diesem Zusammenhang auch noch vorgesehen sein, dass der Durchbruch mit porösem Material ausgefüllt ist. Jedenfalls kann sinnvollerweise auch

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vorgesehen sein, dass ein derartiger Durchbruch unterhalb eines Wasserspiegels im Wasserreservoir ausgebildet ist, sodass gewährleistet ist, dass im Betrieb der Vorrichtung Wasser zu jedem Zeitpunkt mittels der porösen Transportstruktur aufnehmbar ist.

[0012] Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, dass der wenigstens eine Durchbruch mit einem diffusionsdurchlässigen oder einem, einen Kapillareffekt ermöglichenden porösen Schaum oder mittels Hohlfasern aus Polyethersulfon PESU gefüllt ist. Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn die poröse Transportschicht aus Polyethersulfon PESU ausgebildet ist, wobei die poröse Transportschicht insbesondere Hohlfasern aus PESU umfasst. Alternative Materialien zu PoIlyethersulfon für poröse Kapillaren in Elektrolyseanwendungen sind Polysulfon, Polyimid, mesoporöses Siliziumdioxid und mesoporöser Kohlenstoff. Polysulfonmaterialien, insbesondere wenn sie mit Polyimiden gemischt werden, bieten neuartige makro- und mesoporöse Strukturen mit einstellbaren Porengrößen, wodurch sie als poröse Transportschicht oder Füllmaterial für die Transportstruktur geeignet sind. Darüber hinaus haben sich mesoporöses Siliziumdioxid (MCM41) und mesoporöser Kohlenstoff (CMK-3) als wirksame Adsorbentien mit ausgeprägten Porenmerkmalen erwiesen, die für die Entfernung spezifischer Verbindungen wie Dibenzothiophen und seiner Sulfon-Derivate von Vorteil sind, was ihre Vielseitigkeit in Adsorptions- und Filtrationsprozessen zeigt und somit ebenfalls für die Verwendung als poröse Transportschicht oder Füllmaterial für die Transportstruktur geeignet sind. Die Kombination aus hoher Oberfläche, einstellbaren Porengrößen und chemischer Stabilität macht diese Materialien zu vielversprechenden Alternativen zu PESU für den Einsatz in porösen Kapillaren. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die semipermeable Membranschicht als Protonen-Austausch-Membran PEM oder als AnionenAustausch-Membran AEM ausgebildet ist, wobei die Membran durch Verkleben, Verschweißen oder Laminieren der einzelnen Schichten als einstückige Membran ausgebildet ist. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Elektroden aus, für Wasser diffusionsdurchlässigem Material, insbesondere aus porösem Metallschaum ausgebildet sind.

[0013] Die Erfindung betrifft auch noch ein Verfahren zum Betrieb einer ersten elektro-chemischen Zelle zur elektrochemischen Kompression von Wasserstoff mit einer Membran mit einer, einer ersten Halbzelle der elektrochemischen Zelle nächstliegenden ersten semipermeablen Membranschicht und einer porösen Transportschicht, wobei die erste elektrochemische Zelle zusätzlich zur ersten Halbzelle eine, mittels der Membran von der ersten Halbzelle getrennte zweite Halbzelle umfasst, wobei von der porösen Transportschicht mittels einer, mit der porösen Transportschicht fluidisch gekoppelten Transportstruktur Wasser aus einem Wasserreservoir durch einen Kapillareffekt der porösen Transportschicht aufgenommen wird und die erste semipermeable Membranschicht mit aufgenommenen Wasser befeuchtet wird. Wiederum ergeben sich dadurch die vorteilhaften Wirkungen, dass die zweite Halbzelle vor einer Flutung derselben durch den Abtransport des Wassers schützbar ist, sofern das Wasserreservoir in der zweiten Halbzelle ausgebildet ist oder wenigstens damit fluidisch gekoppelt ist, und dass die erste Membranschicht mit eben diesem abtransportiertem bzw. von der Transportstruktur aufgenommenem Wasser befeuchtbar ist.

[0014] Gemäß einer besonderen Ausprägung ist es möglich, dass aufgenommenes Wasser mittels einer, die poröse Transportschicht und die erste Halbzelle fluidisch koppelnde weiteren Transportstruktur durch den Kapillareffekt der porösen Transportschicht in die erste Halbzelle eingebracht wird. Dadurch wird neben der ersten Membranschicht auch die erste Halbzelle befeuchtet.

[0015] Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass Wasser aus einem Teilbereich der zweiten Halbzelle als Wasserreservoir von der porösen Transportschicht durch den Kapillareffekt derselben direkt aufgenommen wird, wobei die Transportstruktur von der porösen Transportschicht selbst gebildet wird. Dabei kann im Speziellen vorgesehen sein, dass die Transportstruktur derart ausgebildet ist, dass diese jedenfalls im Betrieb der Vorrichtung vollständig mit Wasser aus dem Wasserreservoir bedeckt bzw. benetzt ist, um nach Möglichkeit das Eindringen von Wasserstoff in die Transportstruktur zu verhindert bzw. zu unterbinden.

[0016] Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn Wasser aus einem Teilbereich der zweiten

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Halbzelle als Wasserreservoir von der porösen Transportschicht durch den Kapillareffekt derselben über einen, die poröse Transportschicht und das Wasserreservoir fluidisch koppelnden Fluidkanal oder über einen, eine zweite Membranschicht durchbrechenden Durchbruch aufgenommen wird, wobei die Transportstruktur von dem Durchbruch gebildet wird.

[0017] Ferner kann vorgesehen sein, dass die Aufnahme von Wasser aus dem Wasser-reservoir mittels der porösen Transportschicht und die Befeuchtung der ersten semipermeablen Membranschicht ausschließlich vom Kapillareffekt der porösen Transportschicht und/oder von einem Druckunterschied zwischen der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle in Richtung der ersten semipermeablen Membranschicht getrieben wird, wobei die poröse Transportschicht aus PoIyethersulfon PESU ausgebildet ist, wobei die poröse Transportschicht insbesondere Hohlfasern aus PESU umfasst.

[0018] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0019] Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:

[0020] Fig. 1 einen Querschnitt durch eine mögliche erste Ausführungsform der Vorrichtung zur elektrochemischen Kompression;

[0021] Fig. 2 einen Querschnitt durch eine mögliche zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur elektrochemischen Kompression.

[0022] Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

[0023] In der Fig. 1 ist ein Querschnitt einer erste mögliche Ausführungsform der Vorrichtung 1 in stark vereinfachter, schematischer Darstellung gezeigt. Die Vorrichtung 1 ist vorwiegend zur elektrochemischen Kompression von Wasserstoff geeignet und kann auch zur Aufreinigung, also der Erhöhung des Reinheitsgrades des Wasserstoffes, oder zur gleichzeitigen Kompression und Aufreinigung von Wasserstoff eingesetzt werden. Die Vorrichtung 1 umfasst eine erste Halbzelle 2 und eine zweite Halbzelle 3. Die erste Halbzelle 2 und die zweite Halbzelle 3 sind durch eine Membran 5 getrennt. In jeder der Halbzelle 2, 3 ist eine Elektrode ausgebildet. Eine erste Elektrode 6 ist in der ersten Halbzelle 2 ausgebildet und eine zweite Elektrode 7 ist in der zweiten Halbzelle 3 ausgebildet. Die Vorrichtung 1 kann weiters auch noch eine dritte Halbzelle 4 mit einer dritten Elektrode 8 und eine vierte Halbzelle 18 mit einer vierten Elektrode 19 umfassen, wobei die dritte Halbzelle 4 und die vierte Halbzelle 18 mittels einer weiteren Membran 9 getrennt sein können. Die Membran 5 bildet mit den umliegenden Elektroden 6 und 7 eine Baugruppe, die als Membran-Elektroden-Einheit MEE bezeichnet werden kann. Gleichermaßen können die vierte Halbzelle 18 und die dritte Halbzelle 4 mittels der weiteren Membran 9 voneinander getrennt sein, wobei die vierten Elektrode 19 und die dritte Elektrode 8 gemeinsam mit der weiteren Membran 9 eine Membran-Elektroden-Einheit MEE bilden oder eine Baugruppe aus diesen Komponenten jedenfalls so bezeichnet werden kann. Somit bilden die erste Halbzelle 2, die zweite Halbzelle 3 und die zugehörige MEE eine erste elektrochemische Zelle 17. Weiters bilden die dritte Halbzelle 4, die vierte Halbzelle 18 und deren zugehörige MEE eine zweite elektrochemische Zelle 20. Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass jegliche Membrane, also sowohl die Membran 5 als auch die weitere Membran 9 zueinander baugliche ausgebildet sein können. Unter einer Membran kann in diesem Sinne auch ein Diaphragma verstanden werden. Jedenfalls kann die Membran 5 als auch die weitere Membran 9 jeweils eine Anionen-Austauscher-Membran AEM oder eine Protonen-Austauscher-Membran PEM sein. Die in Fig. 1 dargestellte mögliche erste Ausführungsform der Vorrichtung 1 ist nicht auf die gezeigte Anzahl an Halbzellen oder Zellen beschränkt. Vielmehr ist es zweckdienlich, dass eine Vorrichtung 1 eine Vielzahl an aneinanderge-

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reihten und jeweils durch eine Membran getrennten Halbzellen umfasst. Aneinandergereihte Zellen können in einem Zellstapel von Bipolarplatten getrennt sein. Somit kann eine Bipolarplatte zwischen zwei Halbzellen von zwei Zellen ausgebildet sein. Jedenfalls kann gewährleistet sein, dass zwei, einer jeweiligen Bipolarplatte nächstliegende Halbzellen oder eben zwei nächstliegende Halbzellen zweier Zellen fluidisch gekoppelt sind. So kann Wasserstoff von einer Halbzelle einer ersten elektrochemischen Zelle 17 zu einer nächstliegenden Halbzelle einer zweiten elektrochemischen Zelle 20 transportiert werden, sodass eine mehrstufige elektrochemische Kompression ermöglicht ist.

[0024] Die Membran 5 weist eine, der ersten Halbzelle 2 nächstliegende semipermeable erste Membranschicht 10 und eine poröse Transportschicht 11 auf. Die erste Membranschicht 10 ist vorzugsweise eine Anionen-Austaucher-Membran oder eine Protonen-Austauscher-Membran aus Nafion oder SPEEK. Die poröse Transportschicht 11 ist zum Transport von Wasser durch Kapillareffekt geeignet und ist zu diesem Zweck vorzugsweise aus Hohlfasern oder mit einer schaumartigen, aber festen Struktur ausgebildet und im Speziellen aus Polyethersulfon PESU ausgebildet.

[0025] Die Vorrichtung 1 kann weiters noch eine zweite Membranschicht 13 umfassen, sodass die poröse Transportschicht 11 sandwichartig zwischen der ersten Membranschicht 10 und der zweiten Membranschicht 13 aufgenommen ist. Die zweite Membranschicht 13 kann dabei aus dem gleichen Material wie die erste Membranschicht 10 ausgebildet sein und die gleichen elektrochemischen Eigenschaften aufweisen.

[0026] Die Vorrichtung 1 umfasst weiters noch eine Transportstruktur 12, wobei die Transportstruktur 12 bei vorliegender möglicher ersten Ausführungsform der Vorrichtung 1 durch einen Fluidkanal gebildet sein kann, wobei der Fluidkanal bzw. respektive die Transportstruktur 12 mit der porösen Transportschicht 11 und mit einem Wasserreservoir 14 fluidisch gekoppelt ist. Das Wasserreservoir 14 kann vorzugsweise in einem Teilbereich 15 der zweiten Halbzelle 3 gebildet sein. Alternativ oder auch gegebenenfalls zusätzlich dazu kann die Möglichkeit bestehen, dass das Wasserreservoir 14 innerhalb des Fluidkanals also innerhalb der Transportstruktur 12 oder durch diese Komponenten selbst ausgebildet ist. Somit kann von der porösen Transportschicht 11 Wasser über die Transportstruktur 12 aus dem Wasserreservoir 14 durch Kapillareffekt aufgenommen werden und in der porösen Transportschicht 11 zur Befeuchtung der ersten Membranschicht 10 bereitgestellt werden. Gleichermaßen kann in der vierten Halbzelle 18 ein weiters Wasserreservoir ausgebildet sein, wobei vorgesehen sein kann, dass jedes Wasserreservoir einer elektrochemischen Zelle 17 bzw. 20 jeweils mit der Transportstruktur 12 fluidisch gekoppelt ist.

[0027] Dieses Grundprinzip ist auf jedes weitere Paar an Halbzellen bzw. auf jede weitere elektrochemische Zelle der Vorrichtung 1 anwendbar. So kann gleichermaßen ein weiteres Wasserreservoir in einem weiteren Teilbereich der vierten Halbzelle 18 mittels der Transportstruktur 12 in fluidischer Kopplung mit einer porösen Transportschicht der weiteren Membran 9 sein, um so eine erste Membranschicht der weiteren Membran 9 mittels der porösen Transportschicht der weiteren Membran 9 zu befeuchten. Die treibende Kraft neben dem Kapillareffekt für eine aktive Befeuchtung der jeweiligen ersten Membranschicht 10 einer Membran 5 bzw. respektive auch einer weiteren Membran 9 ist die Druckdifferenz zwischen zwei benachbarten Halbzellen. Die Vorrichtung 1 ist zur elektrochemischen Kompression von Wasserstoff ausgebildet, sodass in der ersten Halbzelle 2 ein geringerer Druck als in der zweiten Halbzelle 3 vorherrscht. Dieser Druckgradient setzt sich mit jeder weiteren angereihten Zelle fort.

[0028] In der Fig. 2 ist ein Querschnitt durch eine weitere und gegebenenfalls für sich ei-genständige Ausführungsform der Vorrichtung 1 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in der vorangegangenen Fig. 1 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung der vorangegangenen Fig. 1 hingewiesen bzw. darauf Bezug genommen.

[0029] Bei der möglichen zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 1 kann vorgesehen sein, dass die Transportstruktur 12 von einem Durchbruch 16 gebildet ist, wobei der Durchbruch 16

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die zweite Membranschicht 13 durchbricht, sodass Wasser aus dem Wasserreservoir 14 mittels der porösen Transportschicht 11 zur Befeuchtung der ersten Membranschicht 10 zuführbar ist.

[0030] Es ist auch noch eine weitere Ausführungsform denkbar, bei welcher keine zweite Membranschicht 13 vorgesehen ist. Bei dieser Ausführungsform kann die Membran ausschließlich aus der semipermeablen ersten Membranschicht 10 und der porösen Transportschicht 11 bestehen. Die poröse Transportschicht 11 fungiert dabei wenigstens abschnittweise bzw. bereichsweise im Teilbereich der zweiten Halbzelle 3 als Transportstruktur 12, sodass Wasser aus dem Wasserreservoir 14 mittels der porösen Transportschicht 11 durch deren Kapillareffekt aufgenommen wird und zur Befeuchtung der ersten Membranschicht 10 bereitgestellt wird, indem das aufgenommenen Wasser durch den Kapillareffekt in der porösen Transportschicht 11 verteilt wird.

[0031] Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.

[0032] Der Schutzbereich ist durch die Ansprüche bestimmt. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können für sich eigenständige erfinderische Lösungen darstellen. Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.

[0033] Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1, oder 5,5 bis 10.

[0034] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.

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BEZUGSZEICHENLISTE

1 Vorrichtung

2 Erste Halbzelle

3 Zweite Halbzelle

4 Dritte Halbzelle

5 Membran

6 Erste Elektrode

7 Zweite Elektrode

8 Dritte Elektrode

9 Weitere Membran

10 Erste Membranschicht 11 Transportschicht

12 Transportstruktur

13 Membranschicht

14 Wasserreservoir

15 Teilbereich

16 Durchbruch

17 Erste elektrochemische Zelle 18 Vierte Halbzelle

19 Vierte Elektrode

20 Zweite elektrochemische Zelle

Claims

A ‚hes AT 528 010 B1 2025-09-15 Ss N Patentansprüche

1. Vorrichtung (1) zur elektrochemischen Kompression und/oder Aufreinigung von Wasserstoff umfassend eine erste Halbzelle (2), eine zweite Halbzelle (3) und eine, die erste Halbzelle (2) und die zweite Halbzelle (3) trennende Membran (5), wobei in der ersten Halbzelle (2) eine erste Elektrode (6) und in der zweiten Halbzelle (3) eine zweite Elektrode (7) angeordnet ist, wobei die erste Elektrode (6), die Membran (5) und die zweite Elektrode (7) eine Membran-Elektroden-Einheit MEE ausbilden, wobei die erste Halbzelle (2), die zweite Halbzelle (3) und die MEE eine erste elektrochemische Zelle (17) ausbilden, und wobei die Membran (5) eine, der ersten Halbzelle (2) nächstliegende semipermeable erste Membranschicht (10) und eine poröse Transportschicht (11) zum Transport von Wasser mittels Kapillareffekt umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Transportschicht (11) mittels einer Transportstruktur (12) mit einem Wasserreservoir (14) fluidisch gekoppelt ist, sodass die erste Membranschicht (10) mit Wasser aus dem Wasserreservoir (14) befeuchtbar ist.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) eine zweite Membranschicht (13) umfasst, wobei die poröse Transportschicht (11) zwischen der semipermeablen ersten Membranschicht (10) und der zweiten Membranschicht (13) angeordnet ist.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine dritte Halbzelle (4) mit einer dritten Elektrode (8) und eine vierte Halbzelle (18) mit einer vierten Elektrode (19) umfasst, wobei die dritte Halbzelle (4) und die vierte Halbzelle (18) mit einer weiteren Membran (9) mit einer porösen Transportschicht (11) getrennt sind, wobei die dritte Halbzelle (4) und die vierte Halbzelle (18) mit entsprechenden Elektroden (8) und (19) sowie mit der weiteren Membran (9) eine zweite elektrochemische Zelle (20) ausbilden, wobei die zweite Halbzelle (3) und die dritte Halbzelle (4) fluidisch gekoppelt sind, und wobei die poröse Transportschicht (11) der weiteren Membran (9) mit der Transportstruktur (12) fluidisch gekoppelt ist.

4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportstruktur (12) ein Fluidkanal ist.

5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportstruktur (12) von wenigstens einem Durchbruch (16) durch die zweite Membranschicht (13) ausgebildet ist, wobei ein Sammelbereich für Wasser in der zweiten Halbzelle (3) als Wasserreservoir (14) ausgebildet ist oder respektive in der zweiten Halbzelle (3) und in der vierte Halbzelle (18) jeweils als Wasserreservoir (14) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Durchbruch (16) mit einem diffusionsdurchlässigen oder einem, einen Kapillareffekt ermöglichenden porösen Schaum oder mit Hohlfasern aus Polyethersulfon PESU oder Materialien mit ähnlichen technischen Eigenschaften gefüllt ist.

7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Transportschicht (11) aus Polyethersulfon PESU ausgebildet ist, wobei die poröse Transportschicht (11) insbesondere Hohlfasern aus PESU umfasst.

8. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable erste Membranschicht (10) als Protonen-Austausch-Membran PEM oder als Anionen-Austausch-Membran AEM ausgebildet ist, wobei die Membran (5) durch Verkleben, Verschweißen oder Laminieren der einzelnen Schichten als einstückige Membran (5) ausgebildet ist.

9. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (6, 7 bzw. 8) aus, für Wasser diffusionsdurchlässigem Material, insbesondere aus porösem Metallschaum ausgebildet sind.

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10. Verfahren zum Betrieb einer ersten elektrochemischen Zelle (17) zur elektrochemischen Kompression von Wasserstoff mit einer Membran (5) mit einer, einer ersten Halbzelle (2) der elektrochemischen Zelle nächstliegenden semipermeablen ersten Membranschicht (10) und einer porösen Transportschicht (11), wobei die erste elektrochemische Zelle (17) zusätzlich ersten Halbzelle (2) eine, mittels der Membran (5) von der ersten Halbzelle (2) getrennte zweite Halbzelle (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass von der porösen Transportschicht (11) mittels einer, mit der porösen Transportschicht (11) fluidisch gekoppelten Transportstruktur (12) Wasser aus einem Wasserreservoir (14) durch den Kapillareffekt der porösen Transportschicht (11) aufgenommen wird und die semipermeable erste Membranschicht (10) mit aufgenommenen Wasser befeuchtet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass aufgenommenes Wasser mittels einer, die poröse Transportschicht (11) und die erste Halbzelle (2) fluidisch koppelnde Transportstruktur (12) durch den Kapillareffekt der porösen Transportschicht (11) in die erste Halbzelle (2) eingebracht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser aus einem Teilbereich (15) der zweiten Halbzelle (3) als Wasserreservoir (14) von der porösen Transportschicht (11) durch den Kapillareffekt derselben direkt aufgenommen wird, wobei die Transportstruktur (12) von der porösen Transportschicht (11) selbst gebildet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser aus einem Teilbereich (15) der zweiten Halbzelle (3) als Wasserreservoir (14) von der porösen Transportschicht (11) durch den Kapillareffekt derselben über einen, die poröse Transportschicht (11) und das Wasserreservoir (14) fluidisch koppelnden Fluidkanal oder über einen, eine zweite Membranschicht (13) durchbrechenden Durchbruch (16) aufgenommen wird, wobei die Transportstruktur (12) von dem Durchbruch (16) gebildet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme von Wasser aus dem Wasserreservoir (14) mittels der porösen Transportschicht (11) und die Befeuchtung der semipermeablen ersten Membranschicht (10) ausschließlich vom Kapillareffekt der porösen Transportschicht (11) und/oder von einem Druckunterschied zwischen der ersten Halbzelle (2) und der zweiten Halbzelle (3) in Richtung der semipermeablen ersten Membranschicht (10) getrieben wird, wobei die poröse Transportschicht (11) aus PoIyethersulfon PESU ausgebildet ist, wobei die poröse Transportschicht (11) insbesondere Hohlfasern aus PESU umfasst.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen