DE102009047839A1

DE102009047839A1 - Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem auf Protonenaustauschmembran-Basis

Info

Publication number: DE102009047839A1
Application number: DE102009047839A
Authority: DE
Inventors: David B. Torrance Ouwerkerk; Nelson A. Sterling Heights Kelly; Thomas L. Utica Gibson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2010-04-29
Also published as: CN101724855A; US20100089747A1; US9255333B2; CN101724855B

Abstract

Ein Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem auf Protonenaustauschmembran-Basis, das eine Reihe von Protonenaustauschmembranzellen (PEM-Zellen) enthalten kann, die elektrisch miteinander gekoppelt sein können und mit einer Protonenaustauschmembran gekoppelt sein können, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden, die spiralförmig auf einen leitenden Mittelstab gewickelt ist, wobei eine innerste PEM-Zelle der MEA mit dem leitenden Mittelstab oder der Mittelelektrode elektrisch verbunden sein kann und wobei eine äußere PEM-Zelle der MEA mit einem Druckgefäßzylinder oder mit einer Außenelektrode elektrisch gekoppelt sein kann. Jede PEM-Zelle kann einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt enthalten, die durch einen Abschnitt der PEM-Membran getrennt sind. Außerdem kann auch eine undurchlässige Trennschicht spiralförmig um den leitenden Mittelstab gewickelt sein, wobei sie die gewickelten Abschnitte des PEM-Kerns trennt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das Gebiet, auf das sich die Offenbarung allgemein bezieht, enthält Elektrolyseure und insbesondere ein Hochdruck-Elektrolyseursystem auf Protonenaustauschmembran-Basis.
HINTERGRUND
Elektrolyseure wandeln häufige Chemikalien durch den Durchgang von Elektrizität, normalerweise, indem Verbindungen in Elemente oder einfachere Produkte zersetzt werden, in wertvollere um. Ein Wasserelektrolyseur auf Protonenaustauschmembran-Basis (oder Wasserelektrolyseur auf PEM-Basis) ist ein System, in dem Wasser bei einer Sauerstoffelektrode oder Zellenanode oxidiert wird, um Sauerstoffgas zu erzeugen, wobei Wasserstoffionen oder Protonen und Elektronen freigesetzt werden. Die Wasserstoffionen wandern unter der Wirkung des elektrischen Felds, das über die Zelle aufgebracht ist, durch einen Festpolymerelektrolyten von der Zellenanode zu der Zellenkathode oder Wasserstoffelektrode, während die Elektronen durch eine Gleichstrom-Leistungsquelle (DC-Leistungsquelle) zu der Kathode übertragen werden. Bei der Zellenkathode rekombinieren die Protonen und Elektronen, um Wasserstoff zu erzeugen. Sauerstoff und Wasserstoff werden in einem stöchiometrischen Verhältnis – zwei Volumeneinheiten Wasserstoff für je eine Sauerstoff – mit einer Rate, die proportional zu dem angelegten Zellenstrom ist, erzeugt. Ein Hochdruck-Wasserelektrolyseur kann Wasserstoff- und Sauerstoffgas bei Drücken, die ohne die Notwendigkeit einer mechanischen Verdichtung für die Lagerung ausreichen (bis zu oder mehr als 10.000 Pfund pro Quadratzoll), erzeugen.
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Ein Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem auf Protonenaustauschmembran-Basis in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform kann enthalten: eine Außenelektrode mit einem Innengebiet und mit einem Wassereinlass; einen Gasauslass, der innerhalb eines anderen Abschnitts der Außenelektrode gekoppelt ist; eine Mittelelektrode, die innerhalb des Innengebiets gekoppelt ist und die über eine Gleichstrom-Leistungsquelle mit der Außenelektrode elektrisch gekoppelt ist; eine Membranelektodenanordnung mit einer Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen, die innerhalb des Innengebiets spiralförmig um die Mittelelektrode gewickelt ist, wobei eine innerste der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen mit der Mittelelektrode elektrisch gekoppelt sein kann und wobei eine äußerste der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen mit der Außenelektrode elektrisch gekoppelt sein kann; und ein Nichtleiter-Trennelement, das um die Mittelelektrode gewickelt ist und mit der Mittelelektrode und mit der Außenelektrode gekoppelt ist, wobei die Nichtleiter-Trennmembran den elektrischen Kontakt zwischen der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen verhindert. Die Mittelelektrode kann eine Anode sein, wenn die Außenelektrode eine Kathode ist, oder alternativ kann die Mittelelektrode eine Kathode sein, wobei die Außenelektrode eine Anode ist.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann das im Wesentlichen wie oben beschriebene Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem auf Protonenaustauschmembran-Basis außerdem eine zusätzliche Struktur enthalten, die dabei hilft, das in dem Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem auf Protonenaustauschmembran-Basis erzeugte Wasserstoff- und Sauerstoffgas über Schwerkraftschichtung zu trennen, bevor es das System verlässt.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung gehen aus der im Folgenden gegebenen ausführlichen Beschreibung hervor. Selbstverständlich sind die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele, obgleich sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zur Erläuterung bestimmt und sollen den Umfang der Erfindung nicht einschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden umfassender verständlich aus der ausführlichen Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine teilweise geschnittene Darstellung eines Hochdruck-Wasserelektrolyseursystems auf Protonenaustauschmembran-Basis in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform ist;
2 eine Schnittansicht des Gefäßes aus 1 längs der Linie 2-2 ist;
3 eine perspektivische Ansicht der Membranelektrodenanordnung aus 2 in einer aufgerollten und ungefalteten Lage ist;
4 eine teilweise geschnittene Darstellung eines Hochdruck-Wasserelektrolyseursystems auf Protonenaustauschmembran-Basis in Übereinstimmung mit einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist;
5 eine Draufsicht eines Elektrofahrzeugs ist, das ein Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem auf Protonenaustauschmembran-Basis entweder in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform von 1 oder mit der von 4 enthält.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen) ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft (veranschaulichend) und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
Zunächst anhand von 1–3 kann ein Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem 10 auf Protonenaustauschmembran-Basis in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform einen Druckgefäßzylinder oder eine Außenelektrode 12 mit einem Wassereinlass 14 und mit einem Gasauslass 16 enthalten. Innerhalb des Gefäßes 10 kann außerdem ein Wasserpegelsensor 19 gekoppelt sein, der den Wasserpegel in dem Innenabschnitt 20 der Außenelektrode 12 angibt. Der Wasserpegelsensor 19 kommuniziert mit einem Rückschlagventilabschnitt des Wassereinlasses 14, um ihn zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung zu bewegen, um Wasser durch den Wassereinlass 14 in den Innenabschnitt eintreten zu lassen, wenn der Sensor 19 angibt, dass der Wasserpegel innerhalb des Innenabschnitts 20 zu niedrig ist.
Das System 10 kann außerdem einen leitenden Mittelstab oder eine Mittelelektrode 18 enthalten, der/die teilweise innerhalb des Innenabschnitts 20 der Außenelektrode 12 enthalten ist und sich durch einen isolierten Durchführungsabschnitt 22 außerhalb des Systems 10 erstreckt. Die Außenelektrode 12 und die Mittelelektrode 18 können entweder eine Anodenelektrode oder eine Kathodenelektrode sein, wobei die Außenelektrode 12 eine Anodenelektrode ist, wenn die Mittelelektrode 18 eine Kathodenelektrode ist, und wobei die Außenelektrode 12 eine Kathodenelektrode ist, wenn die Mittelelektrode 18 eine Anodenelektrode ist. Die Außenelektrode 12 und die Mittelelektrode 18 können jeweils über eine Gleichstrom-Leistungsquelle (DC-Leistungsquelle) 11 elektrisch miteinander gekoppelt sein. Somit bilden die Außenelektrode 12 und die Mittelelektrode 18 den positiven Anschluss und den negativen Anschluss der DC-Leistungsquelle 11.
Wie am besten in 2 gezeigt ist, kann um die Mittelelektrode 18 innerhalb des Innern 20 der Außenelektrode 12 eine Membranelektrodenanordnung oder MEA 38 gewickelt sein. Ebenfalls am besten in 2 gezeigt ist eine undurchlässige Trennschicht 40, die innerhalb des Innern 20 der Außenelektrode getrennt um die Mittelelektrode 18 gewickelt sein kann und die sowohl mit der Mittelelektrode 18 als auch mit der Außenelektrode 12 gekoppelt sein kann. Die undurchlässige Trennschicht 40 kann dabei helfen, den elektrischen Kontakt zwischen entfernten Abschnitten der MEA 38, die spiralförmig gewickelt und somit in nächster Nähe dazu ist, zu verhindern. Außerdem kann die undurchlässige Trennschicht 40 infolgedessen das Fließen von Wasser oder Sauerstoffgas oder Wasserstoffgas oder Wasserstoffionen dadurch im Wesentlichen verhindern.
Obgleich das Wickeln sowohl der MEA 38 als auch der undurchlässigen Trennschicht 40 in 2 in einer Drehung entgegen der Uhrzeigerrich tung von der Mittelelektrode 18 zu der Außenelektrode 12 gezeigt ist, kann eine Drehung in Uhrzeigerrichtung von der Mittelelektrode 18 zu der Außenelektrode 12 ebenfalls genutzt werden.
Wie am besten in 3 gezeigt ist, kann die MEA 38 aus einer Reihe elektrisch verbundener Protonenaustauschmembranzellen (PEM-Zellen) 30 gebildet sein, die auf abwechselnde Weise an den gegenüberliegenden Seiten 23, 33 einer PEM-Membran 36 gekoppelt sind. Jede PEM-Zelle 30 kann eine Anodenelektrode 32 und eine Kathodenelektrode 34 enthalten, die durch einen Zwischenraum 27 von einander getrennt sind.
Jede PEM-Zelle 30 ist von einer benachbarten PEM-Zelle 30 auf einer Seite 23 oder auf der anderen Seite 33 der Membran 36 durch einen Zwischenraum 43 getrennt. Außerdem kann jede PEM-Zelle 30 über eine elektrische Verbindung 25, die den Zwischenraum 43 überquert, mit einer benachbarten PEM-Zelle 30, die sich auf derselben Seite 23 oder 33 der PEM-Membran 36 befindet, elektrisch gekoppelt sein.
Wenn die Mittelelektrode 18 wie in 3 gezeigt eine Anodenelektrode ist, ist die Anodenelektrode 34A der innersten PEM-Zelle 30 mit der Mittelelektrode 18 elektrisch gekoppelt und ist die Kathodenelektrode 32B der äußersten PEM-Zelle 30 mit der Außenelektrode 12 (die eine Kathodenelektrode ist) elektrisch gekoppelt, um den Stromkreis zu schließen.
Wenn umgekehrt in der entgegengesetzten Anordnung, die hier nicht gezeigt ist, aber betrachtet wird, die Mittelelektrode 18 eine Kathodenelektrode ist und die Außenelektrode 12 eine Anodenelektrode ist, ist die Kathodenelektrode 32 der innersten PEM-Zelle 30 mit der Mittelelektrode 18 elektrisch gekoppelt, während die Anodenelektrode 34 der äußersten PEM-Zelle 30 mit der Außenelektrode 12 elektrisch gekoppelt ist, um den Stromkreis zu schließen.
Die Elektroden (sowohl die Kathodenelektroden 32, 32B als auch die Anodenelektroden 34, 34A) können Katalysatorschichten sein, die Katalysatorpartikel und ein ionenleitendes Material wie etwa ein protonenleitendes Ionomer, das mit den Partikeln vermischt ist, enthalten können. Das protonenleitende Material kann ein Ionomer wie etwa ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer sein. Die Katalysatormaterialien können Metalle wie etwa Platin, Palladium und Gemische von Metallen wie etwa Platin und Molybdän, Platin und Cobalt, Platin und Ruthenium, Platin und Nickel, Platin und Zinn, andere Platin-Übergangsmetall-Legierungen und andere im Gebiet bekannte Brennstoffzellen-Elektrokatalysatoren enthalten. Auf Wunsch können die Katalysatormaterialien fein verteilt sein.
In Ausführungsformen der Erfindung können eine Vielzahl verschiedener Typen von Membranen verwendet werden. Die in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung nutzbare Festpolymer-Elektrolytmembran kann ein ionenleitendes Material sein. Beispiele geeigneter Membranen sind in den US-Patenten Nr. 4,272,353 und 3,134,689 und in dem Journal of Power Sources, Bd. 28 (1990), S. 367–387, offenbart. Solche Membranen sind ebenfalls als Ionenaustausch-Harzmembranen bekannt. Die Harze enthalten Ionengruppen in ihrer Polymerstruktur; eine Ionenkomponente, die durch die Polymermatrix festgehalten oder gehalten ist, und wenigstens eine andere Ionenkomponente, die bewegliche, austauschbare Ionen sind, die der festen Komponente elektrostatisch zugeordnet sind. Die Fähigkeit der beweglichen Ionen, unter geeigneten Bedingungen durch andere Ionen ersetzt zu werden, verleiht diesen Materialien Ionenaustauscheigenschaften.
Die Ionenaustauschharze können durch Polymerisieren eines Gemischs von Bestandteilen vorbereitet werden, von denen einer einen Ionenbestandteil enthält. Eine breite Klasse von Kationenaustausch-Protonenleitungsharzen ist das sogenannte Sulfonsäure-Kationenaustauschharz. In den Sulfonsäuremembranen sind die Kationenaustauschgruppen Sulfonsäuregruppen, die an dem Polymerhauptstrang befestigt sind.
Die Bildung dieser Ionenaustauschharze zu Membranen ist dem Fachmann auf dem Gebiet gut bekannt. Der bevorzugte Typ ist der perfluorierte Sulfonsäurepolymerelektrolyt, in dem die gesamte Membranstruktur Ionenaustauscheigenschaften aufweist. Diese Membranen sind kommerziell verfügbar, wobei ein typisches Beispiel einer kommerziellen Sulfon-Perfluorkohlenstoff-Protonenleitungsmembran von E. I. DuPont de Nemours & Company unter der Handelsbezeichnung Nafion^® vertrieben wird. Andere solche Membranen sind von der Asahi Glass and Asahi Chemical Company verfügbar. Die Verwendung anderer Typen von Membranen wie etwa, aber nicht beschränkt auf, perfluorierter Kationenaustauschmembranen, kohlenwasserstoffbasierter Kationenaustauschmembranen sowie Anionenaustauschmembranen liegt ebenfalls im Umfang der Erfindung.
Im Betrieb der in 1–3 gezeigten beispielhaften Ausführungsform (in der die Mittelelektrode 18 (d. h. der positive Anschluss der DC-Leistungsquelle 11) eine Anodenelektrode ist, die mit der Anode 34A elektrisch gekoppelt ist, und die Außenelektrode 12 (d. h. der negative Anschluss der DC-Leistungsquelle 11) eine Kathodenelektrode ist, die mit der Kathodenelektrode 32B elektrisch gekoppelt ist), wird durch den Wassereinlass 14 Wasser in das Innengebiet 20 eingeleitet, wenn ein Wasserpegelsensor 19 angibt, dass der Wasserpegel zu niedrig ist. Der Wasserpegelsensor 19 lenkt den Rückschlagventilabschnitt des Wassereinlasses 14 in eine offene Stellung, um die Einleitung von Wasser zuzulassen.
Das Reaktantenwasser ist in nächster Nähe der innersten Anodenelektrode 34A, wo eine chemische Reaktion zur Bildung des Wasserstoffgases (O₂-Gases), der Elektronen und der Wasserstoffionen (Protonen) stattfindet. Die chemische Reaktion kann dadurch ermöglicht werden, dass der positive Anschluss (hier die Mittelelektrode 18) einer DC-Leistungsquelle 11 mit der innersten Anodenelektrode 34A verbunden wird, und dadurch, dass ein negativer Anschluss (hier die Außenelektrode 18) der DC-Leistungsquelle 11 mit der äußersten Kathodenelektrode 32B verbunden wird.
Die an der Anodenelektrode 34A erzeugten Elektronen laufen zu der Mittelelektrode 18 und daraufhin zu der DC-Leistungsquelle 11. Das Wasserstoffgas wird entladen, während die in dieser Reaktion erzeugten Wasserstoffionen durch die PEM-Membran 36 von der ersten Seite 23 zu der zweiten Seite 33 wandern und mit Elektronen an der jeweiligen Kathodenelektrode 32 kombinieren (die Elektronen werden von der benachbarten Anodenelektrode 34 zugeführt), um Wasserstoffgas (H₂-Gas) zu erzeugen.
Eine ähnliche Reaktion findet bei jeder der anderen Anodenelektroden 34 und Kathodenelektroden 32 statt, um Sauerstoffgas bzw. Wasserstoffgas zu erzeugen. Die bei der Anodenelektrode 34 erzeugten Elektronen können über die elektrische Verbindung 25 an die jeweiligen Kathodenelektroden 32 geliefert werden, die sich auf einer Seite 23 oder 33 befinden. Wasserstoffionen, die bei der Anodenelektrode 34 erzeugt werden, können durch Wanderung durch die PEM-Membran 36 an die jeweilige Kathodenelektrode 32 geliefert werden. Überschusselektronen laufen von dem negativen Anschluss der DC-Leistungsquelle 11 zu der Außenelektrode 12 und laufen daraufhin zu der äußersten Kathodenelektrode 32B, um den Stromkreis zu schließen.
In dem System 10 werden Sauerstoffgas und Wasserstoffgas mit einer Rate, die proportional zu dem angelegten Zellenstrom ist, in einem stöchiometrischen Verhältnis – zwei Volumeneinheiten Wasserstoffgas für je eine Sauerstoffgas – erzeugt.
Die Zellenspannung, die notwendig ist, um die Elektrolyse auszuführen, ist eine Funktion der Anzahl der PEM-Zellen 30, die in Reihe geschaltet sind, um die MEA 38 zu bilden. Für eine herkömmliche Einzelleneinheit kann eine DC-Leistungsquelle 11 mit einer Spannung von näherungsweise 1,6–2,4 Volt ausreichen, um Wasser zu zersetzen, um Sauerstoff- und Wasserstoffgas zu erzeugen. Für eine Zwölf-PEM-Zellen-30-Einheit, wie sie etwa in den beispielhaften Ausführungsformen aus 3 gezeigt ist, sollte die Spannung der DC-Leistungsquelle 11 mit zwölf multipliziert werden, sodass eine DC-Leistungsquelle 11 erforderlich sein kann, die eine Mindestspannung von etwa 19,2–24 Volt liefert. Der Strom über die Reihe der PEM-Zellen, häufig ein PEM-Stapel genannt, hängt von den physikalischen Abmessungen des PEM-Stapels und von anderen Eigenschaften ab, sodass die oben beschriebenen Spannungen variieren können, um die gewünschte Wasserstoffproduktionsrate zu erreichen.
In 4 ist eine alternative beispielhafte Ausführungsform gezeigt, in der ein Gastrennbereich oder ein zweiter Innenabschnitt 45 in das Gefäß 10 eingeführt sein kann, um das H₂ und O₂ trennen und getrennt über Schwerkrafttrennung abziehen zu können.
Somit kann das Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem 10 auf Protonenaustauschmembran-Basis ferner einen Sauerstoffauslass 15 und einen Wasserstoffauslass 17, der den Gasauslass 16 ersetzt, enthalten, um das Wasserstoff- und das Sauerstoffgas, im Gegensatz zur Trennung des Sauerstoff- und Wasserstoffgases nach der Entfernung aus dem Gefäß 10 in 1–3, getrennt von dem Innenabschnitt 20 zu entfernen.
In dieser beispielhaften Ausführungsform kann der Innenabschnitt 20 ferner in einen ersten Innenabschnitt 35 und in einen zweiten Innenabschnitt 45 geteilt sein, die durch einen Siebabschnitt 55 getrennt sind, wobei die MEA 38 und der Wassereinlass 14 in dem ersten Innenabschnitt 35 enthalten sind und wobei der Sauerstoffauslass 15, der Wasserstoffauslass 17, ein Wasserpegelsensor 19 und ein Wasserstoff/Sauerstoff-Grenzflächensensor 21 in dem zweiten Innenabschnitt 45 enthalten sind. Der in den ersten Innenabschnitt 35 eintretende Wasserpegel (wie er durch den durch den Wasserpegelsensor 19 erfassten Wasserpegel bestimmt wird) kann mit einer Hochdruck-Wassereinspritzpumpe ununterbrochen eingestellt werden und das Wasserstoff- und Sauerstoffgas kann durch den Wasserstoffauslass 17 und durch den Sauerstoffauslass 15 abgeleitet werden, um die Wasserstoff/Sauerstoff-Gas-Grenzfläche über dem Wasserstoff/Sauerstoff-Grenzflächensensor 21 zentriert zu halten.
Ferner können innerhalb des zweiten Innenabschnitts 45 eine Mehrzahl nicht leitender Kugeln 65 enthalten sein. Die Kugeln 65 können dabei helfen, das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas über Größenausschluss (zusätzlich zur Schwerkrafttrennung) weiter zu trennen.
Die obigen beispielhaften Ausführungsformen offenbaren ein Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem 10 auf Protonenaustauschmembran-Basis, das in verschiedenen Anwendungen genutzt werden kann, um Hoch druckwasserstoff- und -sauerstoffgas zu erzeugen. Eine beispielhafte Anwendung für das Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem 10 auf Protonenaustauschmembran-Basis einer beispielhaften Ausführungsform ist zur Verwendung zum Liefern von Wasserstoffgas zur Verwendung in einer Brennstoffzelle 80 eines Elektrofahrzeugs 85, wie in 5 gezeigt ist.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft, sodass Abweichungen davon nicht als Abweichung vom Erfindungsgedanken und vom Umfang der Erfindung anzusehen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 4272353 [0022]
- US 3134689 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Journal of Power Sources, Bd. 28 (1990), S. 367–387 [0022]

Claims

Produkt, das ein Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem auf Protonenaustauschmembran-Basis umfasst, wobei das Produkt umfasst: eine Außenelektrode mit einem Innengebiet und mit einem Wassereinlass; einen Gasauslass, der innerhalb eines anderen Abschnitts der Außenelektrode gekoppelt ist; eine Mittelelektrode, die innerhalb des Innengebiets gekoppelt ist, wobei die Mittelelektrode über eine Gleichstrom-Leistungsquelle mit der Außenelektrode elektrisch gekoppelt ist; eine Membranelektodenanordnung, die innerhalb des Innengebiets spiralförmig um die Mittelelektrode gewickelt ist, wobei die Membranelektodenanordnung eine Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen enthält, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei jede der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen mit einer Protonenaustauschmembran gekoppelt ist, wobei eine innerste der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen mit der Mittelelektrode elektrisch gekoppelt sein kann und wobei eine äußerste der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen mit der Außenelektrode elektrisch gekoppelt sein kann; und ein Nichtleiter-Trennelement, das um die Mittelelektrode gewickelt ist und mit der Mittelelektrode und mit der Außenelektrode gekoppelt ist, wobei die Nichtleiter-Trennmembran den elektrischen Kontakt zwischen der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen verhindert.
Produkt nach Anspruch 1, bei dem die Mittelelektrode eine Kathodenelektrode umfasst und bei dem die Außenelektrode eine Anodenelektrode umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, bei dem die Mittelelektrode eine Anodenelektrode umfasst und bei dem die Außenelektrode eine Kathodenelektrode umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, bei dem jede der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen eine Kathodenelektrode und eine Anodenelektrode umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, bei dem der Innenabschnitt durch ein Drahtsieb in einen ersten Innenabschnitt und in einen zweiten Innenabschnitt getrennt ist, wobei die Membranelektrodenanordnung vollständig innerhalb des ersten Innenabschnitts enthalten ist; und wobei der zweite Innenabschnitt eine Mehrzahl nicht leitender Kugeln enthalten kann.
Produkt nach Anspruch 5, bei dem der Gasauslass einen Sauerstoffgasauslass und einen Wasserstoffgasauslass umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, das ferner umfasst: ein Rückschlagventil, das mit dem Wassereinlass gekoppelt ist, um das Fließen des Wassers in den Innenabschnitt zu steuern, wobei das Rückschlagventil aus einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung beweglich ist; und einen Wasserpegelsensor zum Messen von Wasserpegeln innerhalb des Innenabschnitts, wobei der Wasserpegelsensor mit dem Rückschlagventil gekoppelt ist und die Positionierung des Rück schlagventils zwischen der offenen Stellung und der geschlossenen Stellung steuert.
Produkt nach Anspruch 1, bei dem die Protonenaustauschmembran eine Sulfon-Perfluorkohlenstoff-Protonenleitungsmembran umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, das ferner eine Brennstoffzelle umfasst, die mit dem Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem auf Protonenaustauschmembran-Basis gekoppelt ist.
Produkt nach Anspruch 1, das ferner ein Elektrofahrzeug umfasst, das das Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem auf Protonenaustauschmembran-Basis umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, das ferner ein Elektrofahrzeug umfasst, das eine Brennstoffzelle umfasst, die mit dem Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem auf Protonenaustauschmembran-Basis aus Anspruch 1 gekoppelt ist.
Spiralförmig gewickelte Membranelektrodenanordnung zur Verwendung in einem Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem auf Protonenaustauschmembran-Basis, wobei die spiralförmig gewickelte Membranelektrodenanordnung umfasst: eine Protonenaustauschmembran; eine erste Protonenaustauschmembranzelle, die mit einer ersten Seite der Protonenaustauschmembran gekoppelt ist, wobei die erste Protonenaustauschmembranzelle eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode aufweist; eine zweite Protonenaustauschmembranzelle, die mit einer zweiten Seite der Protonenaustauschmembran gekoppelt ist und über die Protonenaustauschmembran mit der ersten Protonenaustauschmembranzelle elektrisch gekoppelt ist, wobei die zweite Protonenaustauschmembranzelle eine zweite Anodenelektrode und eine zweite Kathodenelektrode aufweist; wobei die erste Seite der Protonenaustauschmembran der zweiten Seite der Protonenaustauschmembran gegenüberliegt, und eine dritte Protonenaustauschmembranzelle, die mit der ersten Seite der Protonenaustauschmembran gekoppelt ist und über die Protonenaustauschmembran mit der zweiten Protonenaustauschmembranzelle elektrisch gekoppelt ist, wobei die dritte Protonenaustauschmembranzelle eine dritte Anodenelektrode und eine dritte Kathodenelektrode aufweist; wobei die dritte Protonenaustauschmembranzelle entlang der ersten Seite durch einen Zwischenraum von der ersten Protonenaustauschmembranzelle getrennt ist; und wobei die dritte Protonenaustauschmembranzelle durch einen Draht, der den Zwischenraum durchquert, mit der ersten Protonenaustauschmembranzelle elektrisch gekoppelt ist.
Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas aus Wasser, wobei das Verfahren umfasst: (a) Bilden eines Hochdruck-Wasserelektrolyseursystems auf Protonenaustauschmembran-Basis, das umfasst: eine Außenelektrode mit einem Innengebiet; einen Wassereinlass, der mit einem Abschnitt der Außenelektrode gekoppelt ist; einen Gasauslass, der mit einem anderen Abschnitt der Außenelektrode gekoppelt ist; eine Mittelelektrode, die mit dem Innengebiet gekoppelt ist, wobei die Mittelelektrode über eine Gleichstrom-Leistungsquelle mit der Außenelektrode elektrisch gekoppelt ist; eine Membranelektrodenanordnung, die innerhalb des Innengebiets spiralförmig um die Mittelelektrode gewickelt ist, wobei die Membranelektrodenanordnung eine Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen enthält, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei jede der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen mit einer Protonenaustauschmembran gekoppelt ist, wobei eine innerste der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen mit der Mittelelektrode elektrisch gekoppelt sein kann und wobei eine äußerste der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen mit der Außenelektrode elektrisch gekoppelt sein kann; und ein Nichtleitertrennelement, das um die Mittelelektrode gewickelt und mit der Mittelelektrode und mit der Außenelektrode gekoppelt ist, wobei die Nichtleitertrennmembran den elektrischen Kontakt zwischen der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen verhindert; (b) Einführen einer ersten Menge Wasser in das Innengebiet von dem Wassereinlass; (c) Aktivieren der Gleichstrom-Leistungsquelle zum Liefern einer Spannung über die Mittelelektrode und die Außenelektrode, wobei die Spannung ausreicht, um zu veranlassen, dass die erste Menge Wasser reagiert, um eine erste Menge Sauerstoffgas und eine erste Menge Wasserstoffgas zu erzeugen; und (d) Entfernen der ersten Menge Sauerstoffgas und der ersten Menge Wasserstoffgas durch den Gasauslass.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Mittelelektrode eine Kathodenelektrode umfasst und bei dem die Außenelektrode eine Anodenelektrode umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Mittelelektrode eine Anodenelektrode umfasst und bei dem die Außenelektrode eine Kathodenelektrode umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst: Trennen des Innengebiets in ein erstes Gebiet und in ein zweites Gebiet unter Verwendung eines Drahtsiebs, wobei sich die Membranelektrodenanordnung innerhalb des ersten Gebiets befindet; und Einführen einer Mehrzahl nicht leitender Kugeln in das erste Gebiet, um beim Trennen der ersten Menge Sauerstoffgas von der ersten Menge Wasserstoffgas zu helfen.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem (d) das Entfernen der ersten Menge Sauerstoffgas und der ersten Menge Wasserstoffgas durch den Gasauslass umfasst: (d) Entfernen der ersten Menge Sauerstoffgas durch einen Sauerstoffgasauslass; und (e) Entfernen der ersten Menge Wasserstoffgas durch einen Wasserstoffgasauslass.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner umfasst: Koppeln eines Wasserstoff/Sauerstoff-Grenzflächensensors innerhalb eines Abschnitts des zweiten Gebiets zwischen den Wasserstoffauslass und den Sauerstoffauslass; Bestimmen einer Wasserstoffgas- und Sauerstoffgas-Grenzfläche innerhalb des zweiten Gebiets; und Entfernen eines Teils der ersten Menge Sauerstoffgas durch den Sauerstoffauslass oder Entfernen eines Teils der ersten Menge Wasserstoffgas durch den Wasserstoffauslass, um die Wasserstoffgas- und Sauerstoffgas-Grenzfläche als den Sauerstoff/Wasserstoff-Grenzflächensensor näherungsweise zentriert zu halten.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner umfasst: Bestimmen einer Menge des innerhalb des Innengebiets enthaltenen Wassers; Einführen einer weiteren Menge Wasser in das Innengebiet, wenn die bestimmte Menge Wasser unter einen vorgegebenen Schwellenpegel fällt.
Elektrofahrzeug, das umfasst: ein Hochdruck-Wasserelektrolyseursystem auf Protonenaustauschmembran-Basis, das umfasst: eine Außenelektrode mit einem Innengebiet; einen Wassereinlass, der mit einem Abschnitt der Außenelektrode gekoppelt ist; einen Gasauslass, der mit einem anderen Abschnitt der Außenelektrode gekoppelt ist; eine Mittelelektrode, die mit dem Innengebiet gekoppelt ist, wobei die Mittelelektrode über eine Gleichstrom-Leistungsquelle mit der Außenelektrode elektrisch gekoppelt ist; eine Membranelektrodenanordnung, die innerhalb des Innengebiets spiralförmig um die Mittelelektrode gewickelt ist, wobei die Membranelektrodenanordnung eine Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen enthält, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei jede der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen mit einer Protonenaustauschmembran gekoppelt ist, wobei eine innerste der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen mit der Mittelelektrode elektrisch gekoppelt sein kann und wobei eine äußerste der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen mit der Außenelektrode elektrisch gekoppelt sein kann; und ein Nichtleitertrennelement, das um die Mittelelektrode gewickelt und mit der Mittelelektrode und mit der Außenelektrode gekoppelt ist, wobei die Nichtleitertrennmembran den elektrischen Kontakt zwischen der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen verhindert; und eine Brennstoffzelle, die über den Gasauslass fluidtechnisch mit dem Hochdruck-Wasserstoffgasgenerator gekoppelt ist.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 20, bei dem die Mittelelektrode eine Kathodenelektrode umfasst und bei dem die Außenelektrode eine Anodenelektrode umfasst.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 20, bei dem die Mittelelektrode eine Anodenelektrode umfasst und bei dem die Außenelektrode eine Kathodenelektrode umfasst.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 20, bei dem jede der Mehrzahl von Protonenaustauschmembranzellen eine Kathodenelektrode und eine Anodenelektrode umfasst.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 20, bei dem der Innenabschnitt unter Verwendung eines Drahtsiebs in einen ersten Innenabschnitt und in einen zweiten Innenabschnitt getrennt ist, wobei die Memb ranelektrodenanordnung vollständig innerhalb des ersten Innenabschnitts enthalten ist; und wobei der zweite Innenabschnitt eine Mehrzahl nicht leitender Kugeln enthalten kann.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 24, bei dem der Gasauslass einen Sauerstoffgasauslass und einen Wasserstoffgasauslass umfasst, die getrennt mit der Außenelektrode gekoppelt sind und in Fluidverbindung mit dem zweiten Innenabschnitt stehen.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 20, das ferner umfasst: ein Rückschlagventil, das mit dem Wassereinlass gekoppelt ist, um das Fließen von Wasser in den Innenabschnitt zu steuern, wobei das Rückschlagventil aus einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung beweglich ist; und einen Wasserpegelsensor zum Messen von Wasserpegeln innerhalb des Innenabschnitts, wobei der Wasserpegelsensor mit dem Rückschlagventil gekoppelt ist und das Positionieren des Rückschlagventils zwischen der offenen Stellung und der geschlossenen Stellung steuert.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 20, bei dem die Protonenaustauschmembran eine Sulfon-Perfluorkohlenstoff-Protonenleitungsmembran umfasst.