DE10045683C2 - Elektrochemischer Sauerstoffkonzentrator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und deren Verwendung zur Abtrennung von Sauerstoff aus einem Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch.

Aus der FR 2 583 067 geht eine Anordnung zur elektrochemischen Sauerstoffgewinnung hervor mit einem harmonikaartig gefalteten Schichtverbund aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten, wobei optional ein gasdurchlässiges Metallgitter zwischen den Falten angeordnet sein kann. Weder die Ausführung von dünnen, nicht selbsttragenden Schichten noch das Merkmal von aufeinander stapelbaren elektrochemischen Zellen wird hier offenbart.

Eine weitere Vorrichtung zur Abtrennung von Sauerstoff aus Umgebungsluft ist aus der DE 197 54 213 C1 bekannt geworden. Dieser bekannte Sauerstoffkonzentrator beruht auf dem Prinzip des Ionentransports in Feststoffen und besitzt als wesentliche Komponenten einen Festelektrolyten mit daran gegenüberliegend angeordneten Elektroden. Die so entstehende elektrochemische Zelle wird auf eine Temperatur zwischen 700 und 1000 Grad Celsius aufgeheizt und an eine Ionisationsspannungsquelle angeschlossen. Die Ionisationsspannung beträgt größenordnungsmäßig etwa 1 Volt.

Leitet man das Gasgemisch, aus dem Sauerstoff abgespalten werden soll, über die Kathode, wird Sauerstoff ionisiert und durch das treibende Potenzial der an der elektrochemischen Zelle anliegenden Ionisationsspannung zur Anode transportiert, wo eine Entionisation stattfindet und reiner Sauerstoff entnommen werden kann.

Als Elektrolyt wird bei dem bekannten Sauerstoffkonzentrator Zirkondioxid verwendet, welches durch Dotierung in der kubischen Struktur stabilisiert ist. Eine Dotierung von Zirkondioxid, zum Beispiel mit Kalzium-, Yttrium-, oder Magnesium- Oxid erzeugt Sauerstoff-Ionenleerstellen, welche für die Sauerstoff-Ionenleitung maßgeblich sind. Der Anwendungsbereich von Elektrolyten auf Zirkondioxid-Basis liegt bezüglich der Temperatur üblicherweise oberhalb von 800 Grad Celsius.

Auch an das Elektrodenmaterial der bekannten elektrochemischen Zelle werden hohe Anforderungen gestellt. Neben guter elektrischer Leitfähigkeit müssen die Elektroden eine hohe Porosität besitzen, um das Reaktionsgas, im vorliegenden Fall Luft, an die Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt gelangen zu lassen. Als Elektrodenmaterialien sind sogenannte Perowskit-Materialien mit dem prinzipiellen Aufbau A_xB_yO₃ (A und B = trivalente Kationen) bekannt, die eine ausreichende Leitfähigkeit für eine Luftelektrode besitzen.

Aus der US 5,868,918 ist eine elektrochemische Zelle bekannt, bei der die Elektroden sandwichartig an dem Elektrolyten angeordnet sind und der Schichtverbund aus Elektrolyt und Elektroden durch Gehäuseplatten stabilisiert wird. Bei dieser elektrochemischen Zelle muss der Elektrolyt eine bestimmte Mindeststärke von etwa einem Millimeter besitzen, damit er noch das Elektroden­ material aufnehmen kann. Außerdem sind im Randbereich zwischen den Gehäuseplatten und dem Elektrolyten zusätzliche Dichtmaterialien erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abtrennung von Sauerstoff aus einem Gasgemisch anzugeben, die einfach und kostengünstig herstellbar ist und bei der sowohl die Elektroden und der Elektrolyt als dünne Schichten hergestellt werden können.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 für die Verwendung einer Vorrichtung zur Abtrennung von Sauerstoff aus einem Gasgemisch.

Der Vorteil der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass der Schichtverbund aus Elektroden und Elektrolyt durch eine für Sauerstoff durchlässige Trägerplatte stabilisiert wird, so dass sowohl der Elektrolyt als auch die Elektroden als dünne, nicht selbsttragende Schichten hergestellt werden können. Dieses führt einerseits zu geringem Materialverbrauch des sehr teuren Elektroden- und Elektrolytmaterials und andererseits kann die Trägerplatte, die nur zur mechanischen Stabilisierung dient, aus preiswertem Material hergestellt werden. Die Trägerplatte muss dabei so beschaffen sein, dass sie für Sauerstoffmoleküle durchlässig ist. Geeignete Materialien für die Trägerplatte sind z. B. metallische Sinterwerkstoffe.

Da sowohl die Elektroden als auch der Elektrolyt durch die darunter befindliche Trägerplatte keinen großen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, können hierfür spröde und bruchempfindliche Substanzen verwendet werden, die bisher nur mit größerer Materialstärke eingesetzt worden sind. Durch das schicht­ weise Aufbringen der Elektroden und des Elektrolyten und die Verwendung dieser Substanzen kann die Arbeitstemperatur der elektrochemischen Zelle auf einen Wert unter 500 Grad Celsius abgesenkt werden, was sich günstig auf den Energieverbrauch auswirkt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

In zweckmäßiger Weise ist die Gehäuseplatte mit sickenartigen Vertiefungen versehen. Dadurch werden Kanäle zwischen einzelnen, aufeinander gestapelten elektrochemischen Zellen gebildet, durch die das Gasgemisch, aus dem Sauerstoff abgetrennt werden soll, hindurchströmen kann. Die sickenartigen Vertiefungen führen außerdem dazu, dass die Gehäuseplatte gegenüber Biege- und Torsionsbeanspruchungen stabilisiert wird.

In vorteilhafter Weise ist die Gehäuseplatte der elektrochemischen Zelle so ausgeführt, dass sie eine die Trägerplatte topfförmig umfassende Seitenwand und einen von der Seitenwand abstehenden, parallel zur Oberseite der Trägerplatte verlaufenden Kragen aufweist. Die Höhe der Seitenwand ist dabei so bemessen, dass die Oberseite der Trägerplatte und der Kragen fluchtend zueinander verlaufen. Um die Trägerplatte leitfähig mit der Gehäuseplatte zu verbinden, werden beide Teile im Bereich der Seitenwände und der sickenartigen Vertiefungen miteinander verschweißt oder miteinander verpresst. Danach werden als Schichtaufbau die erste Elektrode, der Elektrolyt und die zweite Elektrode sowohl auf den Kragen als auch auf die Oberseite der Trägerplatte aufgebracht. Die zuoberst liegende zweite Elektrode ist dabei als Kathode dem Gasgemisch ausgesetzt.

In vorteilhafter Weise kann eine Abdichtung der Trägerplatte gegenüber der Umgebung durch einen längs ihrer Seitenfläche verlaufenden gasdichten Wandabschnitt erreicht werden.

Dieser Wandabschnitt kann beispielsweise durch Zusammenpressen der Trägerplatte längs der Seitenwände hergestellt werden. Durch das Zusammenpressen werden die Poren der Trägerplatte verschlossen. Eine alternative Möglichkeit besteht darin, längs der Seitenwände eine gasdichte Beschichtung aufzubringen. Die Abdichtung mittels eines gasdichten Wandabschnittes eignet sich für Gehäuseplatten, die keine topfförmig hochgezogenen Seitenwände besitzen.

Die Schichtdicke der ersten Elektrode, d. h. der Anode, liegt bevorzugt im Bereich um 50 Mikrometer. Die Stärke des Elektrolyten liegt bevorzugt im Bereich zwischen 10 Mikrometer und 20 Mikrometer. Die zweite Elektrode, d. h. die Kathode, hat eine bevorzugte Schichtdicke um 250 Mikrometer. Die größere Schichtdicke für die zweite Elektrode ergibt sich daraus, dass eine größere Elektroden-Oberfläche für die Ionisation des Sauerstoffs benötigt wird als für die Entionisation an der ersten Elektrode. Außerdem muss eine gleichmäßige Stromverteilung innerhalb der zweiten Elektrode vorliegen, da die zweite Elektrode nur punktuell durch die darüberliegende Gehäuseplatte einer benachbarten elektrochemischen Zelle kontaktiert wird.

Zweckmäßigerweise ist der Elektrolyt im Bereich des Kragens als die erste Elektrode überlappend ausgebildet. Hierdurch wird eine verbesserte Abdichtung im Bereich des Kragens erreicht, da der Sauerstoff nicht mehr durch die poröse erste Elektrode seitlich austreten kann.

Der Elektrolyt besteht bevorzugt aus gadoliniumdotiertem Ceroxyd, Ce_0,8Gd_0,2O_1,9 (CGO).

Das Elektrodenmaterial ist La-Perowskit, La_0,6Sr_0,4Co_0,2Fe_0,8O_3-x (LSCF).

Sowohl die Gehäuseplatte als auch die Trägerplatte sind aus vergleichsweise preiswerten Materialien hergestellt, wie hochchromige Stähle mit einem Chrom­ gehalt größer 20%. Die Gehäuseplatte besteht dabei bevorzugt aus hochchromigem, ferritischem Stahl und die Trägerplatte ist bevorzugt aus hochchromigen Stahlpartikeln zusammengesintert.

Zur Erzeugung eines für praktische Anwendungen ausreichenden Sauerstoff­ flusses werden elektrochemische Zellen in Form eines Schichtaufbaus aufein­ andergestapelt. Die Kontaktierung zwischen benachbarten Zellen erfolgt jeweils zwischen der Unterseite der Gehäuseplatte einer Zelle und der zweiten Elektrode einer benachbarten Zelle. Die Ionisationsspannungsquelle wird in bekannter Weise an die Reihenschaltung der Einzelzellen angelegt. Mit einem Schichtaufbau aus 15 elektrochemischen Zellen und einer Gasaustauschfläche pro Zelle von etwa 100 cm² lassen sich etwa 3 Liter pro Minute Sauerstoff erzeugen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt und im Folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Sauerstoffkonzentrators im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Schichtverbund aus zwei elektrochemischen Zellen mit einer alternativen Randabdichtung,

Fig. 3 eine perspektivische Aufsicht auf eine Gehäuseplatte,

Fig. 4 eine perspektivische Aufsicht auf eine elektro­ chemische Zelle, die längs einer Bruchlinie ausgeschnitten ist.

Fig. 1 zeigt schematisch im Längsschnitt den Aufbau eines Sauerstoffkonzentrators 1 mit einem Schichtverbund aus einer ersten elektro­ chemischen Zelle 2 und einer zweiten elektrochemischen Zelle 3 in einem Gehäuse 4 mit einem Gaseinlass 5 und einem Gasauslass 6 für Umgebungsluft. Die elektrochemischen Zellen 2, 3 sind identisch aufgebaut und bestehen jeweils aus einer mit Sicken 9, 10 versehenen Gehäuseplatte 7, 8 aus Edelstahl, einer porösen Trägerplatte 11, 12 aus gesintertem, hochchromigem Stahl, der für Sauerstoffmoleküle durchlässig ist, einer ersten Elektrode 13, 14 als Anode, einem Elektrolyten 15, 16 und einer zweiten Elektrode 17, 18 als Kathode. An dem Gehäuse 4 befindet sich eine Zellheizung 19, die die elektrochemischen Zellen 2, 3 auf eine Betriebstemperatur von ca. 500 Grad Celsius bringt und auch auf dieser Betriebstemperatur hält. Die elektrochemischen Zellen 2, 3 sind in bekannter Weise an eine Ionisationsspannungsquelle 100 angeschlossen. Der erzeugte Sauerstoff sammelt sich in der Trägerplatte 11, 12 und in Gaskanälen 20, 21, die durch Sicken 9, 10 in der Trägerplatte 11, 12 gebildet werden und wird dann durch eine in der Fig. 1 nicht näher dargestellte Abströmöffnung zu einem in der Figur ebenfalls nicht dargestellten Verbraucher geleitet. Der Gaseinlass 5 und der Gasauslass 6 sind so angeordnet, dass sie fluchtend mit den Sicken 9, 10 verlaufen, so dass die Umgebungsluft durch die zwischen den Sicken befindlichen Kanäle hindurch strömt. In der Fig. 1 sind demgegenüber, der besseren Übersicht wegen, der Gaseinlass 5 und der Gasauslass 6 um 90 Grad in die Zeichenebene gedreht worden.

Die Gehäuseplatten 7, 8 besitzen topfförmig abgewinkelte Seitenwände 22, 23, die den porösen Träger 11, 12 umfassen und einen umlaufenden Kragen 24, 25, der parallel zu dem aus den Elektroden 13, 14, 17, 18 und dem Elektrolyten 15, 16 gebildeten Schichtaufbau verläuft. Im Bereich des Kragens 24, 25 wird die erste Elektrode 13, 14 mit der Gehäuseplatte 7, 8 verbunden.

Bei der ersten elektrochemischen Zelle 2 befinden sich die Elektroden 13, 17 und der Elektrolyt 15 im Bereich des Kragens 24 schichtförmig übereinander. Die zweite elektrochemische Zelle 2 zeigt eine alternative Ausführungsform im Bereich der Randabdichtung, bei der in einem Randbereich 205 die erste Elektrode 14 durch den Elektrolyten 16 überlappt wird. Die verbesserte Abdichtung ergibt sich dadurch, dass die in der Trägerplatte 12 befindlichen Sauerstoffmoleküle nicht mehr durch die ebenfalls poröse erste Elektrode 14 austreten können.

Die Elektroden 13, 14, 17, 18 bestehen aus La-Perowskite, La_0,6Sr_0,4Co_0,2Fe_0,8O_3-x (LSCF) und der Elektrolyt 15, 16 aus gadoliniumdotiertem Ceroxyd, Ce_0,8Gd_0,2O_1,9 (CGO). Die Schichtdicke der ersten Elektrode 13, 14 beträgt 50 Mikrometer, die Schichtdicke des Elektrolyten 15, 16 liegt im Bereich zwischen 10 Mikrometer und 20 Mikrometer und die zweite Elektrode 17, 18 hat eine Stärke von 250 Mikrometer.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführung zweiter elektrochemischer Zellen 27, 28 mit Gehäuseplatten 29, 30, porösen Trägerplatten 31, 32 und ersten Elektroden 33, 34, bei denen die Abdichtung der Trägerplatten 31, 32 gegenüber der Umgebung durch einen gasdichten Wandabschnitt 35, 36 hergestellt wird. Der Wandabschnitt (35, 36) wird durch Verpressen der Trägerplatte 31, 32 längs der Seitenwand erzeugt. Oberhalb des Elektrolyten 37, 38 befinden sich die zweiten Elektroden 39, 40.

Fig. 3 veranschaulicht in perspektivischer Darstellung eine Aufsicht auf die Gehäuseplatte 8 der zweiten elektrochemischen Zelle 3. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern der Fig. 1 versehen. In der Mitte der Gehäuseplatte 8 befindet sich eine Abströmöffnung 41 für den erzeugten Sauerstoff.

Fig. 4 zeigt in perspektivischer Ansicht schematisch den Aufbau der zweiten elektrochemischen Zelle 3. Der besseren Übersicht wegen sind die Gehäuse­ platte 8, die Trägerplatte 12, die Elektroden 14, 18 und der Elektrolyt 16 längs einer Bruchlinie 42 aufgeschnitten, da zusätzlich zur Gehäuseplatte 8 auch die Trägerplatte 12, die Elektroden 14, 18 und der Elektrolyt 16 eine Abströmöffnung für Sauerstoff 43 besitzen, die fluchtend zur Abströmöffnung 41 verläuft. Sofern mehrere elektrochemische Zelten 2, 3, wie in der Fig. 1 veranschaulicht, im Schichtaufbau übereinandergestapelt werden, bilden die fluchtend verlaufenden Abströmöffnungen 41, 43 eine gasführende Verbindung zwischen den Abströmöffnungen benachbarter elektrochemischer Zellen, so dass der erzeugte Sauerstoff aus der Mitte der Zellen heraus abgeführt werden kann.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Abtrennung von Sauerstoff aus einem Gasgemisch, welches Sauerstoff als Teilkomponente enthält, mit
übereinander stapelbaren elektrochemischen Zellen (2, 3), enthaltend jeweils
eine poröse, gaspermeable, metallische Trägerplatte (11, 12) für einen Schichtverbund mit einer ersten Elektrode (13, 14), einem Elektro­ lyten (15, 16) und einer dem Gasgemisch ausgesetzten zweiten Elek­ trode (17, 18), die übereinander liegend, als dünne, nicht selbsttragende Schichten auf die Trägerplatte (11, 12) aufgebracht sind und
eine dichtend mit der Trägerplatte (11, 12) verbundene Gehäuseplatte (7, 8), welche zur Trägerplatte (11, 12) hin Strömungskanäle (20, 21) zur Aufnahme des erzeugten Sauerstoffs besitzt und eine Abströmöffnung (41) zur Ableitung des Sauerstoffs aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseplatte (7, 8) eine Vielzahl von sickenartigen Vertiefungen (9, 10) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseplatte (7, 8) eine die Trägerplatte (11, 12) topfförmig umfassende Seitenwand (22, 23) und einen von der Seitenwand (22, 23) abstehenden, parallel zum Schichtverbund verlaufenden Kragen (24, 25) besitzt, welcher mit der ersten Elektrode (13, 14) elektrisch leitfähig verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerplatte (31, 32) einen längs ihrer Seitenfläche verlaufenden gasdichten Wandabschnitt (35, 36) hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandabschnitt (35, 36) durch Zusammenpressen der Trägerplatte (31, 32) im Bereich der Seitenfläche hergestellt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandabschnitt (35, 36) eine Beschichtung aus gasdichtem Material ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (13, 14, 17, 18, 33, 34, 39, 40) und der Elektrolyt (15, 16, 37, 38) als dünne Schichten auf die Trägerplatte (11, 12, 31, 32) aufgebracht sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bevorzugte Schichtdicke der ersten Elektrode (13, 14, 33, 34) im Bereich um 50 Mikrometer liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bevorzugte Schichtdicke des Elektrolyten (15, 16, 37, 38) zwischen 10 Mikrometer und 20 Mikrometer liegt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die bevorzugte Schichtdicke der zweiten Elektrode (17, 18, 39, 40) im Bereich um 250 Mikrometer liegt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass im Bereich des Kragens (25) der Elektrolyt (16) als die erste Elektrode (14) überlappend ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (15, 16, 37, 38) aus gadoliniumdotiertem Ceroxyd, Ce_0,8 Gd_0,2O_1,9 (CGO) besteht.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (13, 14, 17, 18, 33, 34, 39, 40) aus La-Perowskiten, La_0,6 Sr_0,4Co_0,2Fe_0,8O_3-x (LSCF) bestehen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseplatte (7, 8, 29, 30) aus hochchromigem, ferritischem Stahl besteht.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (11, 12, 31, 32) aus gesinterten, hochchromigen Stahlpartikeln besteht.

16. Verwendung einer porösen, gaspermeablen, metallischen Träger­ platte (11, 12), auf welche im Schichtverbund eine erste Elektrode (13, 14), ein Elektrolyt (15, 16) und eine zweite Elektrode (17, 18) über­ einander liegend als dünne, nicht selbsttragende Schichten aufgebracht sind, in übereinander stapelbaren elektrochemischen Zellen (2, 3) zur Ab­ trennung von Sauerstoff aus einem Gasgemisch.