AT528134B1

AT528134B1 - Vorrichtung zur elektrochemischen Kompression mit PEM und AEM

Info

Publication number: AT528134B1
Application number: ATA50730/2024A
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: 2025-10-15
Also published as: AT528134A4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur elektrochemischen Kompression und/oder Aufreinigung von Wasserstoff umfassend einen ersten Zellstapel (2) mit einer ersten elektrochemischen Zelle (3) mit einer ersten Halbzelle (4) und einer zweiten Halbzelle (5), wobei die erste Halbzelle (4) und die zweite Halbzelle (5) mittels einer ersten Membran (6) voneinander getrennt sind, wobei die erste Membran (6) eine, der ersten Halbzelle (4) nächstliegende semipermeable erste Membranschicht (9a) eine, der zweiten Halbzelle (5) nächstliegende semipermeable zweite Membranschicht (10a) und eine, sandwichartig zwischen der ersten Membranschicht (9a) und der zweiten Membranschicht (10a) aufgenommene poröse Transportschicht (11a) zum Transport von Wasser mittels Kapillareffekt umfasst, wobei die poröse Transportschicht (11) mittels einer Transportstruktur (12) mit einem Wasserreservoir fluidisch gekoppelt ist, sodass die erste Membranschicht (9) mit Wasser aus dem Wasserreservoir befeuchtbar ist.

Description

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 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.

[0003] 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.

[0004] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen gelöst.

[0005] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrochemischen Kompression und/oder Aufreinigung von Wasserstoff umfasst einen ersten Zellstapel mit einer ersten elektrochemischen Zelle mit einer ersten Halbzelle und einer zweiten Halbzelle, wobei die erste Halbzelle und die zweite Halbzelle mittels einer ersten Membran voneinander getrennt sind, wobei in der ersten Halbzelle eine erste Elektrode aufgenommen ist und in der zweiten Halbzelle eine zweite Elektrode aufgenommen ist, wobei die erste Membran eine, der ersten Halbzelle nächstliegende semipermeable erste Membranschicht eine, der zweiten Halbzelle nächstliegende semipermeable zweite Membranschicht und eine, sandwichartig zwischen der ersten Membranschicht und der zweiten Membranschicht aufgenommene 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.

[0006] Unter einem Wasserreservoir kann dabei im Sinne der Erfindung sowohl ein, zur Vorrichtung extern positioniertes Wasserreservoir, beispielsweise einer Wasserversorgungsvorrichtung, als auch ein innerhalb der Vorrichtung bzw. der Vorrichtung zuordenbares Wasserreservoir wie beispielsweise ein Bereich einer Halbzelle oder insbesondere der zweiten Halbzelle oder der, der zweiten Membranschicht nächstliegenden Halbzelle verstanden werden.

[0007] Jedenfalls wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung erreicht, dass 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. Ist das Wasserreservoir in einem Teilbereich der, der zweiten Membranschicht nächstliegenden Halbzelle ausgebildet und ist somit dieser Teilbereich der Halbzelle mit der porösen Transportschicht fluidisch gekoppelt, wird so die erste Halbzelle vor einer Austrocknung geschützt, sodass der, der ersten Halbzelle zuzuführende Wasserstoff nicht zusätzlich befeuchtet werden muss oder der ersten Halbzelle durch entsprechende technische Vorrichtungen zusätzlich Feuchte oder Feuchtigkeit zuge-

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führt werden muss. Gleichzeitig wird ein prozessbedingtes Fluten der, der zweiten Membranschicht nächstliegenden Halbzelle verhindert. Bei der elektrochemischen Kompression von Wasserstoff kann es nämlich vorkommen, dass Wasser durch die Membran von der Anode, also der, der ersten Membranschicht nächstliegenden Elektrode, zur Kathode, also der, der zweiten Membranschicht nächstliegenden Elektrode, und respektive in diese Halbzelle transportiert wird. So würde ohne weitere Maßnahmen die anodenseitige Halbzelle austrockenen und ggf. die kathodenseitige Halbzelle geflutet werden. Dies ist mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung verhindert.

[0008] Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, wenn der erste Zellstapel eine zweite elektrochemische Zelle mit einer dritten Halbzelle und einer vierten Halbzelle umfasst, wobei die dritte Halbzelle und die vierte Halbzelle mittels einer zweiten Membran voneinander getrennt sind, wobei in der dritten Halbzelle eine dritte Elektrode aufgenommen ist und in der vierten Halbzelle eine vierte Elektrode aufgenommen ist, wobei die zweite Membran eine, der dritten Halbzelle nächstliegende semipermeable erste Membranschicht eine, der vierten Halbzelle nächstliegende semipermeable zweite Membranschicht und eine, sandwichartig zwischen der ersten Membranschicht und der zweiten Membranschicht aufgenommene poröse Transportschicht zum Transport von Wasser mittels Kapillareffekt umfasst, wobei die erste Membran eine Anionen-AustauscherMembran AEM ist, und wobei die zweite Membran eine Protonen-Austauscher-Membran PEM ist. Es kann auch noch vorgesehen sein, dass die zweite Halbzelle und die dritte Halbzelle mittels eines Transportkanals für Wasserstoff fluidisch gekoppelt sind, sodass Wasserstoff in der ersten elektrochemischen Zelle als erste Kompressionsstufe und in der zweiten elektrochemischen Zelle als zweite Kompressionsstufe komprimierbar ist. Durch die fluidische Kopplung der jeweiligen porösen Transportschicht der Membranen mit der Transportstruktur kann ein Ausgleich im Wasserhaushalt zwischen den beiden elektrochemischen Zellen geschaffen werden, sodass weder die zweite Halbzelle noch die vierte Halbzelle austrockenen und die jeweilige erste Membranschicht der Membranen stets befeuchtet ist.

[0009] Ferner kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einen zweiten Zellstapel mit einer dritten elektrochemischen Zelle mit einer fünften Halbzelle und einer sechsten Halbzelle umfasst, wobei die fünfte Halbzelle und die sechste Halbzelle mittels einer dritten Membran voneinander getrennt sind, wobei in der fünften Halbzelle eine fünfte Elektrode aufgenommen ist und in der sechsten Halbzelle eine sechste Elektrode aufgenommen ist, wobei die dritte Membran eine, der fünften Halbzelle nächstliegende semipermeable erste Membranschicht eine, der sechsten Halbzelle nächstliegende semipermeable zweite Membranschicht und eine, sandwichartig zwischen der ersten Membranschicht und der zweiten Membranschicht aufgenommene poröse Transportschicht zum Transport von Wasser mittels Kapillareffekt umfasst, wobei die erste Membran eine Anionen-Austauscher-Membran AEM ist, und wobei die dritte Membran eine Protonen-Austauscher-Membran PEM ist. Es kann auch noch vorgesehen sein, dass die zweite Halbzelle und die fünfte Halbzelle oder die sechste Halbzelle mittels eines Transportkanals für Wasserstoff fluidisch gekoppelt sind, sodass Wasserstoff im ersten Zellstapel als erste Kompressionsstufe und zweiten Zellstapel als zweite Kompressionsstufe komprimierbar ist. Durch die fluidische Kopplung der jeweiligen porösen Transportschicht der Membranen mit der Transportstruktur kann ein Ausgleich im Wasserhaushalt zwischen den elektrochemischen Zellen des ersten Zellstapels und des zweiten Zellstapels geschaffen werden, sodass weder die jeweils, der ersten Membranschicht nächstliegenden Halbzellen austrockenen und die jeweilige erste Membranschicht der Membranen stets befeuchtet ist.

[0010] Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die poröse Transportschicht aus einem, einen Kapillareffekt ermöglichenden porösen Schaum oder aus Hohlfasern, insbesondere aus PoIyethersulfon PESU, im Speziellen aus Hohlfasern aus Polyethersulfon PESU, ausgebildet ist.

[0011] Vorteilhaft ist auch eine Ausprägung, gemäß welcher vorgesehen sein kann, dass die Transportstruktur abschnittsweise als, die porösen Transportschichten bzw. jede poröse Transportschicht der Vorrichtung fluidisch koppelnder Fluidkanal ausgebildet ist, wobei der Fluidkanal mit einem, einen Kapillareffekt ermöglichenden porösen Schaum oder mit Hohlfasern, insbesondere mit Polyethersulfon PESU, im Speziellen mit Hohlfasern aus Polyethersulfon PESU, ausge-

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bildet oder befüllt ist.

[0012] Alternative Materialien zu Polyethersulfon 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 (MCM-41) 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.

[0013] Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, dass der Fluidkanal mit dem Wasserreservoir fluidisch gekoppelt ist, wobei das Wasserreservoir mittels einer zentralen Wasserversorgungvorrichtung für die Vorrichtung bereitgestellt ist. Auf diese Weise kann die Befeuchtung der ersten Membranschicht einfach dosiert werden.

[0014] Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn jede, einer zweiten Membranschicht der Membran einer elektrochemischen Zelle nächstliegende Halbzelle mit der Transportstruktur fluidisch gekoppelt ist. Dadurch wird ein Fluten eben dieser Halbzellen verhindert, obgleich in diesen Halbzellen überschüssiges Wasser durch den elektrochemischen Prozess der Wasserstoffverdichtung anfällt. So kann dieses überschüssige Wasser auch zur Befeuchtung der Membran bzw. der Membranen mittels der Transportschicht genutzt werden.

[0015] Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass jede, einer zweiten Membranschicht der Membran einer elektrochemischen Zelle nächstliegende Halbzelle mit der Transportstruktur fluidisch gekoppelt ist, wobei das Wasserreservoir ausschließlich von Teilbereichen der, mit der Transportstruktur gekoppelten Halbzellen gebildet ist. Auf diese Weise kann der Bauraum der Vorrichtung erheblich reduziert werden.

[0016] Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass mittels der Transportstruktur jeweils ausschließlich die, der zweiten Membranschicht der Membran einer elektrochemischen Zelle nächstliegende Halbzelle mit der porösen Transportstruktur derselben elektrochemischen Zelle fluidisch gekoppelt ist, wobei jeweils ausschließlich ein Teilbereich der, der zweiten Membranschicht der Membran einer elektrochemischen Zelle nächstliegenden Halbzelle als Wasserreservoir zur Befeuchtung der porösen Transportschicht der jeweiligen elektrochemischen Zelle ausgebildet ist. Dadurch werden Kanalstrukturen eingespart, die mehrere elektrochemische Zellen innerhalb eines Zellstapels oder über mehrere Zellstapel verbinden, wobei weiterhin die Vorteile der Vorrichtung erhalten bleiben, nämlich das Verhindern einer Flutung der, der ersten Membranschicht nächstliegenden Halbezelle und das Verhindern der Austrocknung der Membran. Jedenfalls wird so die Komplexität der Vorrichtung entscheidend verringert.

[0017] 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, der zweiten Membranschicht nächstliegenden Halbzelle als Wasserreservoir ausgebildet ist oder respektive in der, 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 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.

[0018] Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, dass der wenigstens eine Durchbruch mit ei-

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nem 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.

[0019] Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn Wasser aus einem Teilbereich der, der zweiten Membranschicht nächstliegenden 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, die zweite Membranschicht durchbrechenden Durchbruch aufgenommen wird, wobei die Transportstruktur von dem Durchbruch gebildet wird.

[0020] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0021] Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:

[0022] Fig. 1 einen Querschnitt durch eine mögliche erste Ausführungsform der Vorrichtung zur elektrochemischen Kompression;

[0023] Fig. 2 einen Querschnitt durch eine möglich zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur elektrochemischen Kompression.

[0024] 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.

[0025] In der Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine mögliche erste Ausführungsform der Vorrichtung 1 zur elektrochemischen Kompression und/oder Aufreinigung von Wasserstoff in stark vereinfachter, schematischer Darstellung gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen ersten Zellstapel 2 mit einer ersten elektrochemischen Zelle 3 mit einer ersten Halbzelle 4 und einer zweiten Halbzelle 5, wobei die erste Halbzelle 4 und die zweite Halbzelle 5 mittels einer ersten Membran 6 voneinander getrennt sind, wobei in der ersten Halbzelle 4 eine erste Elektrode 7 aufgenommen ist und in der zweiten Halbzelle 5 eine zweite Elektrode 8 aufgenommen ist, wobei die erste Membran 6 eine, der ersten Halbzelle 4 nächstliegende semipermeable erste Membranschicht 9a eine, der zweiten Halbzelle 5 nächstliegende semipermeable zweite Membranschicht 10a und eine, sandwichartig zwischen der ersten Membranschicht 9a und der zweiten Membranschicht 10a aufgenommene poröse Transportschicht 11a zum Transport von Wasser mittels Kapillareffekt umfasst, wobei die poröse Transportschicht 11a mittels einer Transportstruktur 12 mit einem Wasserreservoir fluidisch gekoppelt ist, sodass die erste Membranschicht 9a mit Wasser aus dem Wasserreservoir befeuchtbar ist.

[0026] Die Vorrichtung 1 kann weiters derart ausgebildet sein, dass der erste Zellstapel 2 eine zweite elektrochemische Zelle 13 mit einer dritten Halbzelle 14 und einer vierten Halbzelle 15 umfasst, wobei die dritte Halbzelle 14 und die vierte Halbzelle 15 mittels einer zweiten Membran 16 voneinander getrennt sind, wobei in der dritten Halbzelle 14 eine dritte Elektrode 19 aufgenommen ist und in der vierten Halbzelle 15 eine vierte Elektrode 20 aufgenommen ist, wobei die zweite Membran 16 eine, der dritten Halbzelle 14 nächstliegende semipermeable erste Membranschicht 9b eine, der vierten Halbzelle 15 nächstliegende semipermeable zweite Membranschicht 10b und eine, sandwichartig zwischen der ersten Membranschicht 9b und der zweiten Membranschicht 10b aufgenommene poröse Transportschicht 11b zum Transport von Wasser mittels Kapillareffekt umfasst, wobei die erste Membran 6 eine Anionen-Austauscher-Membran AEM ist, und wobei die zweite Membran 16 eine Protonen-Austauscher-Membran PEM ist, wobei die poröse Transportschicht 11b mittels der Transportstruktur 12 mit dem Wasserreservoir fluidisch gekoppelt ist, sodass die erste Membranschicht 9b mit Wasser aus dem Wasserreservoir

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befeuchtbar ist.

[0027] Die Bezugszeichen der Komponenten der zweiten Membran 16 wurden dabei bewusst mit Index „b“ versehen, obwohl sich der grundsätzliche Aufbau der zweiten Membran 16 nicht zwangsweise von der ersten Membran 6 unterscheiden muss, da die Komponenten, also die erste Membranschicht 9, die poröse Transportschicht 11 und die zweite Membranschicht 10 per se unterschiedlich ausgebildet sein können. So kann auch vorgesehen sein, dass eben die erste Membran 6 eine Anionen-Austauscher-Membran AEM ist, und wobei die zweite Membran 16 eine Protonen-Austauscher-Membran PEM ist.

[0028] In der Fig. 2 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform der Vorrichtung 1 in stark vereinfachter, schematischer Darstellung gezeigt, wobei 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] Die Vorrichtung 1 gemäß der möglichen zweiten Ausführungsform umfasst einen ersten Zellstapel 2 mit einer ersten elektrochemischen Zelle 3 mit einer ersten Halbzelle 4 und einer zweiten Halbzelle 5, wobei die erste Halbzelle 4 und die zweite Halbzelle 5 mittels einer ersten Membran 6 voneinander getrennt sind, wobei in der ersten Halbzelle 4 eine erste Elektrode 7 aufgenommen ist und in der zweiten Halbzelle 5 eine zweite Elektrode 8 aufgenommen ist, wobei die erste Membran 6 eine, der ersten Halbzelle 4 nächstliegende semipermeable erste Membranschicht 9a eine, der zweiten Halbzelle 5 nächstliegende semipermeable zweite Membranschicht 10a und eine, sandwichartig zwischen der ersten Membranschicht 9a und der zweiten Membranschicht 10a aufgenommene poröse Transportschicht 11a zum Transport von Wasser mittels Kapillareffekt umfasst, wobei die poröse Transportschicht 11a mittels einer Transportstruktur 12 mit einem Wasserreservoir fluidisch gekoppelt ist, sodass die erste Membranschicht 9a mit Wasser aus dem Wasserreservoir befeuchtbar ist.

[0030] Die Vorrichtung 1 gemäß der möglichen zweiten Ausführungsform kann weiters derart ausgebildet sein, dass die Vorrichtung 1 einen zweiten Zellstapel 21 mit einer dritten elektrochemischen Zelle 22 mit einer fünften Halbzelle 23 und einer sechsten Halbzelle 24 umfasst, wobei die fünfte Halbzelle 23 und die sechste Halbzelle 24 mittels einer dritten Membran 25 voneinander getrennt sind, wobei in der fünften Halbzelle 23 eine fünfte Elektrode 26 aufgenommen ist und in der sechsten Halbzelle 24 eine sechste Elektrode 27 aufgenommen ist, wobei die dritte Membran 25 eine, der fünften Halbzelle 23 nächstliegende semipermeable erste Membranschicht 9c eine, der sechsten Halbzelle 24 nächstliegende semipermeable zweite Membranschicht 10c und eine, sandwichartig zwischen der ersten Membranschicht 9c und der zweiten Membranschicht 10c aufgenommene poröse Transportschicht 11c zum Transport von Wasser mittels Kapillareffekt umfasst, wobei die erste Membran 6 eine Anionen-Austauscher-Membran AEM ist, und wobei die dritte Membran 25 eine Protonen-Austauscher-Membran PEM ist, wobei die poröse Transportschicht 11c mittels der Transportstruktur 12 mit dem Wasserreservoir fluidisch gekoppelt ist, Sodass die erste Membranschicht 9c mit Wasser aus dem Wasserreservoir befeuchtbar ist.

[0031] Die Bezugszeichen der Komponenten der dritten Membran 25 wurden dabei bewusst mit Index „c“ versehen, obwohl sich der grundsätzliche Aufbau der dritten Membran 25 nicht zwangsweise von der ersten Membran 6 unterscheiden muss, da die Komponenten, also die erste Membranschicht 9, die poröse Transportschicht 11 und die zweite Membranschicht 10 per se unterschiedlich ausgebildet sein können. So kann auch vorgesehen sein, dass eben die erste Membran 6 eine Anionen-Austauscher-Membran AEM ist, und wobei die dritte Membran 25 eine Protonen-Austauscher-Membran PEM ist.

[0032] Insbesondere kann vorgesehen sein bzw. wird mit der möglichen zweiten Ausführungsform nicht ausgeschlossen, dass alle Membrane des ersten Zellstapels 2 jeweils als AnionenAustauscher-Membran AEM ausgebildet sind und dass alle Membrane des zweiten Zellstapels 21 als Protonen-Austauscher-Membran PEM ausgebildet sind.

[0033] Bei beiden Ausführungsformen, wie diese in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt sind, kann vorgese-

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hen sein, dass die erste elektrochemische Zelle 3 und die zweite elektrochemische Zelle 13 als auch jede weitere elektrochemische Zelle, die weiter im ersten Zellstapels 2 angereiht wird, jeweils mittels einer Bipolarplatte 17 getrennt sind. Gleichermaßen ist dies auf die zweite Ausführungsform und die jeweiligen Zellstapel 2 bzw. 21 übertragbar.

[0034] Zum Transport von Wasserstoff zwischen zwei benachbarten bzw. nächstliegenden elektrochemischen Zellen, wie beispielsweise von der zweiten Halbzelle 4 der ersten elektrochemischen Zelle 3 zur dritten Halbzelle 14 der zweiten elektrochemischen Zelle 13, kann ein Transportkanal 18 zur fluidischen Kopplung zweier benachbarter Halbzellen zweier nächstliegender elektrochemischer Zellen eines Zellstapels vorgesehen sein. Dies ist sinngemäß auf jeden Zellstapel und entsprechende nächstliegende elektrochemischen Zellen zu übertragen, wie aus den Darstellungen in Fig. 1 und Fig. 2 für die möglichen Ausführungsformen der Vorrichtungen 1 erkennbar ist.

[0035] Wie bei beiden möglichen Ausführungsformen erkennbar, kann vorgesehen sein, dass die Transportstruktur 12 abschnittsweise als, jede poröse Transportschicht 11 der Vorrichtung 1 fluidisch koppelnder Fluidkanal 28 ausgebildet ist, wobei der Fluidkanal 28 mit einem, einen Kapillareffekt ermöglichenden porösen Schaum oder mit Hohlfasern, insbesondere mit Polyethersulfon PESU, im Speziellen mit Hohlfasern aus Polyethersulfon PESU, ausgebildet oder befüllt ist.

[0036] In Bezug auf die Befeuchtung der ersten Membranschicht 9 kann vorgesehen sein, dass die poröse Transportschicht 11 aus einem, einen Kapillareffekt ermöglichenden porösen Schaum oder aus Hohlfasern, insbesondere aus Polyethersulfon PESU, im Speziellen aus Hohlfasern aus Polyethersulfon PESU, ausgebildet ist.

[0037] Alternative Materialien zu Polyethersulfon 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 (MCM-41) 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.

[0038] In Bezug auf die Befeuchtung der ersten Membranschicht 9 kann vorgesehen sein, dass jede, einer zweiten Membranschicht 10 der Membran 6 und/oder 16 und/oder 25 einer elektrochemischen Zelle 3 und/oder 13 und/oder 22 nächstliegende Halbzelle 5 und/oder 15 und/oder 24 mit der Transportstruktur 12 fluidisch gekoppelt ist, sodass im Speziellen die jeweilige, der zweiten Membranschicht 10 der Membran 6 und/oder 16 und/oder 25 einer elektrochemischen Zelle 3 und/oder 13 und/oder 22 nächstliegende Halbzelle 5 und/oder 15 und/oder 24 oder wenigstens ein Teilbereich dieser als Wasserreservoir für die Befeuchtung der ersten Membranschicht 9 ausgebildet ist. Zur Kopplung kann dabei eine entsprechende Bohrung 29, wie diese in Fig. 2 für die mögliche zweite Ausführungsform angedeutet ist, vorgesehen sein. Somit kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Wasserreservoir ausschließlich von Teilbereichen der, mit der Transportstruktur 12 gekoppelten Halbzellen 5 und/oder 15 und/oder 24 gebildet ist.

[0039] Alternativ oder als möglich Weiterbildung der beiden bereits erwähnten Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Transportstruktur 12 von einem Durchbruch gebildet ist, wobei der Durchbruch die zweite Membranschicht 10 durchbricht, sodass Wasser aus dem Wasserreservoir mittels der porösen Transportschicht 11 zur Befeuchtung der ersten Membranschicht 9 zuführbar ist. Diese mögliche Weiterbildung ist nicht auf die mögliche erste Ausführungsform beschränkt, sondern kann gleichermaßen als mögliche Weiterbildung der möglichen zweiten Ausführungsform ausgebildet sein.

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[0040] Schließlich ist auch noch eine mögliche weitere Ausführungsform möglich, bei welcher vorgesehen sein kann, dass mittels der Transportstruktur 12 jeweils ausschließlich die, der ersten Membranschicht 9 der Membran 6 und/oder 16 und/oder 25 einer elektrochemischen Zelle 3 und/oder 13 und/oder 22 nächstliegende Halbzelle 4 und/oder 14 und/oder 23 mit der, der zweiten Membranschicht 10 der Membran 6 und/oder 16 und/oder 25 einer elektrochemischen Zelle 3 und/oder 13 und/oder 22 nächstliegende Halbzelle 5 und/oder 15 und/oder 24 fluidisch gekoppelt ist, wobei jeweils ausschließlich ein Teilbereich der, der zweiten Membranschicht 10 einer elektrochemischen Zelle 3 und/oder 13 und/oder 22 nächstliegenden Halbzelle 5 und/oder 15 und/oder 24 als Wasserreservoir zur Befeuchtung der porösen Transportschicht 11 der jeweiligen elektrochemischen Zelle 3 und/oder 13 und/oder 22 ausgebildet ist. Diese mögliche weitere Ausführungsform ist nicht in den Darstellungen gezeigt. Zum besseren Verständnis wird darauf hingewiesen, dass bei dieser möglichen weiteren Ausführungsform jeweils zwei nächstliegende Halbzellen zweiter benachbarter Zellen eines Zellstapels mit der bzw. einer Transportstruktur 12 fluidisch gekoppelt sind. Somit müssen bei dieser möglichen weiteren Ausführungsform mehrere solcher Transportstrukturen 12 vorhanden sein, nämlich zumindest eine Anzahl an Transportstrukturen 12, die der Anzahl an elektrochemischen Zellen eines Zellstapels gleich ist. In diesem Sinne kann jede elektrochemische Zelle eines Zellstapels eine ihr zugehörige Transportstruktur 12 zum fluidischen koppeln der porösen Transportstruktur und der, der zweiten Membranschicht nächstliegenden Halbzelle dieser elektrochemischen Zelle umfassen.

[0041] 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.

[0042] 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.

[0043] 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 Erster Zellstapel

3 Erste elektrochemische Zelle 4 Erste Halbzelle

5 Zweite Halbzelle

6 Erste Membran

7 Erste Elektrode

8 Zweite Elektrode

9 Erste Membranschicht 10 Zweite Membranschicht 11 Poröse Transportschicht 12 Transportstruktur

13 Zweite elektrochemische Zelle 14 Dritte Halbzelle

15 Vierte Halbzelle

16 Zweite Membran

17 Bipolarplatte

18 Transportkanal

19 Elektrode

20 Elektrode

21 Zweiter Zellstapel

22 Dritte Zelle

23 Fünfte Halbzelle

24 Sechste Halbzelle

25 Dritte Membran

26 Fünfte Elektrode

27 Sechste Elektrode

28 Fluidkanal

29 Bohrung

Claims

x bes AT 528 134 B1 2025-10-15 Ss N Patentansprüche

1. Vorrichtung (1) zur elektrochemischen Kompression und/oder Aufreinigung von Wasserstoff umfassend einen ersten Zellstapel (2) mit einer ersten elektrochemischen Zelle (3) mit einer ersten Halbzelle (4) und einer zweiten Halbzelle (5), wobei die erste Halbzelle (4) und die zweite Halbzelle (5) mittels einer ersten Membran (6) voneinander getrennt sind, wobei die erste Membran (6) eine, der ersten Halbzelle (4) nächstliegende semipermeable erste Membranschicht (9a) eine, der zweiten Halbzelle (5) nächstliegende semipermeable zweite Membranschicht (10a) und eine, sandwichartig zwischen der ersten Membranschicht (9a) und der zweiten Membranschicht (10a) aufgenommene poröse Transportschicht (11a) zum Transport von Wasser mittels Kapillareffekt umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Transportschicht (11) mittels einer Transportstruktur (12) mit einem Wasserreservoir fluidisch gekoppelt ist, sodass die erste Membranschicht (9) mit Wasser aus dem Wasserreservoir befeuchtbar ist.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zellstapel (2) eine zweite elektrochemische Zelle (13) mit einer dritten Halbzelle (14) und einer vierten Halbzelle (15) umfasst, wobei die dritte Halbzelle (14) und die vierte Halbzelle (15) mittels einer zweiten Membran (16) voneinander getrennt sind, wobei die zweite Membran (16) eine, der dritten Halbzelle (14) nächstliegende semipermeable erste Membranschicht (9b) eine, der vierten Halbzelle (15) nächstliegende semipermeable zweite Membranschicht (10b) und eine, sandwichartig zwischen der ersten Membranschicht (9b) und der zweiten Membranschicht (10b) aufgenommene poröse Transportschicht (11b) zum Transport von Wasser mittels Kapillareffekt umfasst, wobei die erste Membran (6) eine Anionen-Austauscher-Membran AEM ist, und wobei die zweite Membran (16) eine Protonen-Austauscher-Membran PEM ist.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen zweiten Zellstapel (21) mit einer dritten elektrochemischen Zelle (22) mit einer fünften Halbzelle (23) und einer sechsten Halbzelle (24) umfasst, wobei die fünfte Halbzelle (23) und die sechste Halbzelle (24) mittels einer dritten Membran (25) voneinander getrennt sind, wobei die dritte Membran (25) eine, der fünften Halbzelle (23) nächstliegende semipermeable erste Membranschicht (9c) eine, der sechsten Halbzelle (24) nächstliegende semipermeable zweite Membranschicht (10c) und eine, sandwichartig zwischen der ersten Membranschicht (9c) und der zweiten Membranschicht (10c) aufgenommene poröse Transportschicht (11c) zum Transport von Wasser mittels Kapillareffekt umfasst, wobei die erste Membran (6) eine Anionen-Austauscher-Membran AEM ist, und wobei die dritte Membran (25) eine ProtonenAustauscher-Membran PEM ist.

4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Transportschicht (11) aus einem, einen Kapillareffekt ermöglichenden porösen Schaum oder aus Hohlfasern, insbesondere aus Polyethersulfon PESU, im Speziellen aus Hohlfasern aus Polyethersulfon PESU, ausgebildet ist.

5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportstruktur (12) abschnittsweise als, jede poröse Transportschicht (11) der Vorrichtung (1) fluidisch koppelnder Fluidkanal (28) ausgebildet ist, wobei der Fluidkanal (28) mit einem, einen Kapillareffekt ermöglichenden porösen Schaum oder mit Hohlfasern, insbesondere mit Polyethersulfon PESU, im Speziellen mit Hohlfasern aus Polyethersulfon PESU, ausgebildet oder befüllt ist.

6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal (28) mit dem Wasserreservoir fluidisch gekoppelt ist, wobei das Wasserreservoir mittels einer zentralen Wasserversorgungvorrichtung für die Vorrichtung (1) bereitgestellt ist.

7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede, einer zweiten Membranschicht (10) der Membran (6 und/oder 16 und/oder 25)

einer elektrochemischen Zelle (3 und/oder 13 und/oder 22) nächstliegende Halbzelle (5 und/oder 15 und/oder 24) mit der Transportstruktur (12) fluidisch gekoppelt ist.

8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede, einer zweiten Membranschicht (10) der Membran (6 und/oder 16 und/oder 25) einer elektrochemischen Zelle (3 und/oder 13 und/oder 22) nächstliegende Halbzelle (5 und/oder 15 und/oder 24) mit der Transportstruktur (12) fluidisch gekoppelt ist, wobei das Wasserreservoir ausschließlich von Teilbereichen der, mit der Transportstruktur (12) gekoppelten Halbzellen (5 und/oder 15 und/oder 24) gebildet ist.

9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Transportstruktur (12) jeweils ausschließlich die, der zweiten Membranschicht (10) der Membran (6 und/oder 16 und/oder 25) einer elektrochemischen Zelle (3 und/oder 13 und/ oder 22) nächstliegende Halbzelle (5 und/oder 15 und/oder 24) mit der porösen Transportschicht (11) derselben elektrochemischen Zelle (3 und/oder 13 und/oder 22) fluidisch gekoppelt ist, wobei jeweils ausschließlich ein Teilbereich der, der zweiten Membranschicht (10) einer elektrochemischen Zelle (3 und/oder 13 und/oder 22) nächstliegenden Halbzelle (5 und/oder 15 und/oder 24) als Wasserreservoir zur Befeuchtung der porösen Transportschicht (11) der jeweiligen elektrochemischen Zelle (3 und/oder 13 und/oder 22) ausgebildet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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