-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die Erfindung betrifft eine Hochdruck Wasserelektrolysevorrichtung für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug, in das eine derartige Hochdruck-Wasserelektrolysevorrichtung angeordnet ist.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Zur Erzeugung von Sauerstoff und Wasserstoff, beispielsweise als Antriebsstoffe für einen Raumflugkörper oder andere Systeme, können Elektrolyseure eingesetzt werden. Wasser kann zu einer Anode, an der bei der Elektrolyse Sauerstoff anfällt, oder zu der Anode und einer Kathode, an der bei der Elektrolyse Wasserstoff anfällt, zugeführt werden. Es sind Elektrolyseure bekannt, die eine Hochdruckwasserelektrolyse durchführen können.
-
Es sind alkalische Elektrolyseure bekannt, die einen fixierten flüssigen Elektrolyten einsetzen. Auch hier wird an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff gebildet. Bei der Wasserelektrolyse kann es zu geringfügigen Vermischungen der produzierten Gase kommen, welche bei hohen Betriebsdrücken zunehmen. Es ist bekannt, zur Vermeidung der Entstehung explosionsfähiger Gemische Reinigungsverfahren einzusetzen. Insbesondere die Reinheit des Wasserstoffs kann dadurch erhöht werden. Der Wasserstoff wird üblicherweise stromabwärts des Elektrolyseurs katalytisch gereinigt, indem eine katalytische Rekombination mit Sauerstoff zu Wasser erfolgt, das anschließend durch geeignete Trocknungseinheiten abgeführt wird. Für die Reinigung des generierten Sauerstoffs sind jedoch keine geeigneten Verfahren bekannt. Eine Gasaufbereitungsanlage dieser Art ist allerdings relativ aufwendig und kann ein hohes Gewicht aufweisen, da die Vorrichtungen für einen entsprechenden Druck ausgelegt sein müssen.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Es könnte sich für die mobile Anwendung einer Wasserelektrolysevorrichtung anbieten, ein möglichst geringes Gewicht zu realisieren und gleichzeitig beide gelieferten Gase wirkungsvoll mit einer hohen Reinheit bereitzustellen, was sich positiv auf die Sicherheit beispielsweise eines Fahrzeugs auswirkt. Eine hierzu vorgesehene Vorrichtung sollte allerdings eine sehr hohe Zuverlässigkeit aufweisen, als auch ein besonders geringes Gewicht.
-
Die Aufgabe der Erfindung liegt demzufolge in der Schaffung einer alternativen, zuverlässigen Hochdruck-Wasserelektrolysevorrichtung für eine mobile Anwendung, die eine hohe Reinheit der generierten Gase ermöglicht, ein geringes Gewicht aufweist und möglichst einfach aufgebaut ist.
-
Die Aufgabe wird durch eine Hochdruck-Wasserelektrolysevorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
-
Es wird eine Hochdruck-Wasserelektrolysevorrichtung vorgeschlagen, aufweisend einen alkalischen Elektrolyten, eine Anode, eine Kathode, und mindestens einen Rekombinationskatalysator, wobei die Anode und die Kathode den Elektrolyten umschließen, wobei dem Elektrolyten Wasser zur Elektrolyse zuführbar ist, wobei der mindestens eine Rekombinationskatalysator zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, eine Rekombination von Sauerstoff und Wasserstoff in dem Elektrolyten zu initiieren.
-
Ein Elektrolyseur auf Basis eines alkalischen Elektrolyten kann mit hohen Drücken betrieben werden und ist demzufolge in der Lage, die Produktgase für Anwendungen bei hohem Druck ohne weitere Komprimierung bereitzustellen. Der Elektrolyt kann als eine wässrige, alkalische Lösung realisiert werden. Die Versorgung des Elektrolyseurs mit Wasser könnte daher durch Einleiten des Wassers in den Elektrolyten erfolgen. Durch den Kontakt der Anode und der Kathode mit dem Elektrolyten kann das Wasser als Ausgangsstoff den Elektroden zugeführt werden. Der Aufbau der Elektrolysevorrichtung ist folglich sehr einfach.
-
Die durch die Elektrolyse abgeschiedenen Gase entstehen an den Kontaktflächen zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten. Eine Phasentrennung zwischen dem Elektrolyten und den abgeschiedenen Gasen erfolgt also innerhalb der Elektroden. Es kann sich anbieten, die Elektroden gitterförmig oder porös auszubilden, so dass die in den Elektroden vorliegenden Hohlräume bzw. Ausschnitte zur Entnahme der Gase nutzbar sind. Unter anderem kann durch die Porosität die Größe der wirksamen Oberfläche beeinflusst werden. Ein steigendes Flächenmaß der Oberfläche kann den Wirkungsgrad des Elektrodenprozesses positiv beeinflussen.
-
Im Hochdruckbetrieb könnten durch Überströmen zwischen den Elektroden die Gase dennoch zu einem geringen Teil in dem Elektrolyten gelöst werden. Die Konzentration von Sauerstoff, der an der Anode produziert und durch den Hochdruckbetrieb teilweise in dem Elektrolyten gelöst wird, könnte an der Anode ein Maximum aufweisen und in Richtung der Kathode hin abnehmen. Analog dazu könnte die Wasserstoffkonzentration indes an der Kathode ihr Maximum aufweisen und in Richtung der Anode hin abnehmen. Die gelösten Gase sind unerwünscht, da durch die Konzentrationsdifferenzen von gelöstem Sauerstoff bzw. Wasserstoff eine Diffusion von Anode zu Kathode des gelösten Sauerstoffs und von Kathode zu Anode des gelösten Wasserstoffs stattfindet und so an den Elektroden eine Durchmischung der beiden Gase erfolgen könnte. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass direkt innerhalb des Elektrolyten ein Rekombinationskatalysator vorhanden ist, der unmittelbar und direkt innerhalb des Elektrolyten die Rekombination der dort gelösten Gase initiiert. Die gelösten Gase werden demnach unmittelbar nach ihrem Entstehen wieder zu Wasser rekombiniert, das in dem Elektrolyten anfällt und wieder für die Elektrolyse bereitsteht. Folglich ist stromabwärts der Anode und der Kathode keine separate Gasreinigungsvorrichtung notwendig und der Aufbau der Elektrolysevorrichtung kann sich dadurch deutlich vereinfachen. Für die Realisierung des Rekombinationskatalysators kommen verschiedene Varianten in Betracht, die weiter nachfolgend ausgeführt werden. Neben heterogenen Ausführungen sind auch homogene Ausführungen möglich.
-
Die Anode und die Kathode können jeweils bereits für ihre eigentliche Funktion eine katalytisch aktive Beschichtung aufweisen, die für die Durchführung der Elektrolyse erforderlich sein kann. Es ist denkbar, dass die Elektroden jeweils einen elektrisch leitfähigen Träger aufweisen, auf denen jeweils auf einer Seite und gegebenenfalls auf beiden Seiten die katalytisch aktive Beschichtung aufgebracht ist. Es bieten sich insbesondere Edelmetalle, Nickel und andere Metalle oder Legierungen, teilweise auch Metalloxide oder Graphit, an.
-
Das Umschließen des Elektrolyten kann das Vorsehen einer entsprechenden Kammer oder einer Einrichtung zum Halten oder Fixieren des Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden vorsehen. Es könnte hierfür ein Gehäuse verwendet werden, das die beiden Elektroden trägt und eine Kammer zum Aufnehmen des Elektrolyten definiert, die in Fluidverbindung mit einem Wassereingang bringbar ist. Allerdings könnte es aufgrund der Kapillarkräfte auch denkbar sein, bei genügend geringem Abstand den Elektrolyten durch die Elektroden zu fixieren, wenn diese beispielsweise porös ausgeführt sind.
-
Die erfindungsgemäße Hochdruck-Wasserelektrolysevorrichtung kann eine Zelle eines übergeordneten, aus mehreren Zellen bestehenden Systems sein. Mehrere dieser Zellen können in wechselnder Polarität als Stapel ausgeführt und durch dazwischen angeordnete Bipolarplatte elektrisch miteinander verbunden werden. Die Anordnung als Stapel ist eine zuverlässige und einfache technische Lösung, um durch Wahl der Anzahl der Zellen eine wirksame Elektrodenfläche zu vergrößern und folglich bei einem Elektrolyseur die produzierbare Gasmenge zu erhöhen. Dadurch ergibt sich eine elektrische Reihenschaltung von mehreren Zellen, die bedarfsweise durch Hinzufügen weiterer Zellen und Bipolarplatten ergänzbar ist. Da ein alkalischer Elektrolyt bevorzugt flüssig ist, könnte eine Kühlung auf einer Zirkulation des Versorgungswassers und/oder des Elektrolyten basieren.
-
Insgesamt weist die erfindungsgemäße Wasserelektrolysevorrichtung einen besonders einfachen Aufbau auf, kann dennoch Gase mit einer hohen Reinheit bereitstellen und weist aufgrund der fehlenden, nachgeschalteten Gasreinigungsvorrichtung ein besonders geringes Gewicht auf.
-
Bevorzugt weist der mindestens eine Rekombinationskatalysator mindestens ein Platinmetall und/oder ein Edelmetall auf. Ein einzelnes Platinmetall oder mehrere Platinmetalle, d.h. Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium oder Platin, in Kombination können eingesetzt werden. Ein oder mehrere Edelmetalle können einzeln oder in Kombination, auch mit einem oder mehreren der Platinmetalle verwendet werden. Je nach Ausführung der Vorrichtung kann das ausgewählte katalytisch aktive Material auf Trägerpartikel aufgebracht werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das katalytisch aktive Material direkt auf die Anode und/oder die Kathode oder andere in der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnete Komponenten als Beschichtung aufgebracht werden. Als Trägerpartikel eignen sich Kohlenstoffpartikel mit großer Oberfläche, etwa Ruß, oder Oxidpartikel, wie etwa Partikel aus Ti02 oder Zeolithe.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Elektrolyt in einer Membranmatrix fixiert. Die Membranmatrix kann sehr dünn ausgeführt sein und beispielsweise eine Dicke von einem halben Millimeter aufweisen. Die Membranmatrix kann ein- oder mehrschichtig ausgeführt sein, insbesondere aus einem Kunststoff. Durch die Struktur der Membranmatrix können Kapillarkräfte begünstigt werden, die dazu ausreichen könnten, um den Elektrolyten zu fixieren. Durch eine besonders geringe Dicke können weiterhin die in der Elektrolysevorrichtung auftretenden elektrischen Widerstände minimiert werden.
-
Es ist vorteilhaft, wenn die Membranmatrix eine Schaum- oder Gitterstruktur aufweist. Die Membranmatrix könnte etwa aus einem durchlässigen Kunststoffschaum oder einem gitterförmigen, dreidimensionalen Gewebe realisiert sein. Die Kapillarkräfte können durch günstige Dimensionierung der Zwischenräume positiv beeinflusst werden, so dass die Fixierung des Elektrolyten verbessert wird.
-
Es könnte vorteilhaft sein, wenn die Membranmatrix den mindestens einen Rekombinationskatalysator aufweist. Die Membranmatrix könnte beispielsweise an Gitterknoten oder an inneren und äußeren Oberflächen mit einem ausgewählten katalytisch aktiven Material beschichtet sein. Diese Beschichtung kann als Mikro- oder Nanobeschichtung ausgeführt sein. Der Rekombinationskatalysator könnte demnach ein heterogener Rekombinationskatalysator sein, der als Feststoff an der Membranmatrix angeordnet ist.
-
Es ist ferner auch denkbar, dass die Membranmatrix mehrschichtig aufgebaut ist und eine Zwischenschicht besitzt, die den mindestens einen Rekombinationskatalysator aufweist. Die Zwischenschicht kann ein diskreter Abschnitt der Membranmatrix sein und kann an einer vorteilhaften Stelle innerhalb der Membranmatrix platziert sein. Es bietet sich besonders an, die Zwischenschicht in einem gleichmäßigen Abstand zu den Elektroden anzuordnen. Sind beide Elektroden parallel zueinander, könnte die Zwischenschicht parallel zu den Elektroden verlaufen. Dadurch könnte an einem diskreten Flächenabschnitt in der Membranmatrix die Rekombination durchgeführt werden.
-
Besonders bevorzugt ist die Zwischenschicht mittig in der Membranmatrix angeordnet. Die mittige Anordnung ist insbesondere als eine Erstreckung in einer Haupterstreckungsebene der Membranmatrix zu verstehen, in einem gleichmäßigen Abstand zu der Anode und Kathode. Die Zwischenschicht könnte folglich in einer Symmetrieebene der Membranmatrix vorgesehen sein. Dort ist eine mittlere Konzentration des gelösten Wasserstoffs und des gelösten Sauerstoffs zu erwarten, wie weiter vorangehend dargestellt. Die Rekombination an dieser Stelle wird folglich positiv beeinflusst. Die Zwischenschicht könnte dieselbe Flächenerstreckung aufweisen wie die Membranmatrix.
-
Der mindestens eine Rekombinationskatalysator kann bei der Verwendung einer Zwischenschicht oder allgemein der Membranmatrix als mindestens eine Beschichtung mit einem katalytisch aktiven Material ausgebildet sein.
-
Der mindestens eine Rekombinationskatalysator könnte weiterhin auch homogen in dem Elektrolyten gelöst sein. Dann ist der Rekombinationskatalysator als ein homogener Katalysator ausgeführt und es findet kein Phasenübergang zwischen dem Elektrolyten und dem Rekombinationskatalysator statt.
-
Allerdings könnte der mindestens eine Rekombinationskatalysator auch in dem Elektrolyten suspendiert sein. Damit wird eine gleichmäßige Konzentration des Rekombinationskatalysators in dem Elektrolyten erreicht, wobei ein Phasenübergang zwischen dem Elektrolyten und dem Rekombinationskatalysator erfolgt. Dann können insbesondere Festkörper als Katalysatoren dienen.
-
In einer weiter vorteilhaften Variante ist der mindestens eine Rekombinationskatalysator als eine Beschichtung an einer Innenseite der Anode und/oder der Kathode ausgebildet.
-
Der Elektrolyt könnte Kaliumhydroxid aufweisen. Diese Ausführung ist vorteilhaft, da eine wässrige Kaliumhydroxidlösung leicht Wasser aufnehmen kann, um die Elektrolyse durchzuführen. Rekombinierte Gase fallen überdies als Wasser an, so dass dieses unmittelbar zur weiteren Trennung direkt in dem Elektrolyten bereitsteht.
-
Schließlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, in das mindestens eine vorangehend genannte Hochdruck-Wasserelektrolysevorrichtung angeordnet ist.
-
Figurenliste
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
- 1 bis 4 zeigen unterschiedliche Varianten einer Hochdruck-Wasserelektrolysevorrichtung im Seitenschnitt.
-
DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER
-
AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1 zeigt eine Hochdruck Wasserelektrolysevorrichtung 2 in einer schematischen Schnittdarstellung. Die Vorrichtung 2 weist eine Anode 4, eine Kathode 6 und einen alkalischen Elektrolyten 8 auf. Die Anode 4 und die Kathode 6, die weiter nachfolgend auch vereinfacht als Elektroden bezeichnet werden, weisen jeweils exemplarisch einen elektrischen leitfähigen Träger auf, der eine Gitterstruktur oder eine poröse, beispielsweise geschäumte, Struktur besitzt. Sowohl die Anode 4 als auch die Kathode 6 können jeweils mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen sein, die für die Durchführung der eigentlichen Elektrolyse erforderlich sind. Eine solche Beschichtung kann insbesondere ein Edelmetall aufweisen.
-
Zwischen der Anode 4 und der Kathode 6 ist eine Membranmatrix 10 angeordnet, welche ebenso insbesondere einer poröse Struktur aufweist und durch Kapillarkräfte den Elektrolyten 8 fixiert. Aufgrund der porösen Struktur der Anode 4 und der Kathode 6 kann eine Fluidverbindung zwischen dem Elektrolyten 8, der Anode 4 und der Kathode 6 erreicht werden. Beispielhaft ist der Elektrolyt 8 als eine wässrige Kaliumhydroxid-Lösung ausgeführt, so dass das Versorgungswasser über den Elektrolyten 8 an die Elektroden 4 und 6 geführt werden kann.
-
Bei der Durchführung der Elektrolyse bei hohem Druck kann ein Überströmen der generierten Gase zwischen den Elektroden 4 und 6 erfolgen. Ein geringer Teil des Wasserstoffs, der an der Kathode 6 generiert wird, könnte in dem Elektrolyten 8 gelöst werden, wobei die Konzentration des Wasserstoffs 12 von der Kathode 6 zu der Anode 4 hin beispielsweise abnimmt. Sauerstoff, der an der Anode 4 anfällt, könnte ebenso teilweise in dem Elektrolyten 8 gelöst werden. Die Konzentration 14 nimmt von der Anode 4 zu der Kathode 6 hin ab. Folglich könnten beide generierten Gase gleichzeitig in dem Elektrolyten 8 gelöst sein, um an beiden Elektroden 4 und 6 auszutreten, was zur Entstehung von Gasgemischen führen kann. Dies wird allerdings erfindungsgemäß unmittelbar verhindert.
-
In der erfindungsgemäßen Wasserelektrolysevorrichtung 2 ist ein Rekombinationskatalysator 16 vorhanden, der in dem gezeigten Beispiel als eine Beschichtung der Anode 4 an einer zu der Kathode 6 hin weisenden Seite sowie als eine Beschichtung der Kathode 6 auf einer zu der Anode 4 hin weisenden Seite ausgeführt ist. Der Rekombinationskatalysator 16 ist dazu ausgebildet, eine Rekombination von Sauerstoff und Wasserstoff in dem Elektrolyten 8 zu initiieren. Dies bedeutet, dass die darin gelösten Gase direkt innerhalb des Elektrolyten 8 bereits wieder zu Wasser kombiniert werden, so dass sie auch nicht aus den Elektroden 4 und 6 austreten können.
-
Folglich wird das aufgrund des Überdrucks gelöste Gas in dem Elektrolyten 8 unmittelbar wieder zu Wasser umgesetzt, das sich in der beispielhaft wässrigen Kaliumhydroxid-Lösung wieder anreichert und folglich sofort für die Elektrolyse wieder zur Verfügung steht. Aus diesem Grunde ist eine Nachbehandlung der generierten Gase nicht notwendig, es fällt kein Gas außerhalb des Elektrolyten 8 an, das nicht für die jeweilige Elektrode 4 oder 6 vorgesehen ist. Eine separate Nachbehandlung der an den Elektroden 4 und 6 anfallenden Gase ist nicht erforderlich. Die Wasserelektrolysevorrichtung 2 ist folglich sehr einfach aufgebaut, stellt eine hohe Gasreinheit bereit und weist weiterhin ein sehr geringes Gewicht nebst einer geringen Baugröße auf.
-
2 zeigt eine weitere Variante einer Hochdruck-Wasserelektrolysevorrichtung 18. Hier ist eine Zwischenschicht 20 vorgesehen, die beispielhaft mittig in dem Elektrolyten 8 bzw. der Membranmatrix 10 vorgesehen ist. Dort ist im Wesentlichen ein Gleichgewicht zwischen der Konzentration des Sauerstoffs und des Wasserstoffs anzunehmen, wenn keine Behandlung des Elektrolyten 8 erfolgt. An dieser Stelle, die beispielsweise eine Symmetrieebene der Membranmatrix 10 darstellt, kann eine ideale Bedingung für die Rekombination vorzufinden sein. Die Zwischenschicht 20 als Rekombinationskatalysator weist eine geeignete, katalytisch aktive Beschichtung auf. Die Zwischenschicht 20 könnte in Form einer Beschichtung zweier separater Matrixmembrane 10 vorgesehen sein, die aneinander liegen und auf den zueinander gewandten Seiten beschichtet sind. Andererseits kann auch eine separate Schicht, beispielsweise ein katalytisch aktiv beschichtetes Textil, oder eine Anordnung von katalytisch aktivem Material in einer Mittelebene der Membranmatrix 10 vorgesehen sein.
-
3 zeigt eine weitere Variante in Form einer Hochdruck-Wasserelektrolysevorrichtung 22, bei der ein Rekombinationskatalysator 24 als eine homogene Lösung in dem Elektrolyten 8 ausgeführt ist.
-
Schließlich zeigt 4 eine Hochdruck-Wasserelektrolysevorrichtung 26, bei dem ein Rekombinationskatalysator 28 in Form suspendierter Partikel 30 vorgesehen ist.
-
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Hochdruck Wasserelektrolysevorrichtung
- 4
- Anode
- 6
- Kathode
- 8
- Elektrolyt
- 10
- Membranmatrix
- 12
- Wasserstoff-Konzentration
- 14
- Sauerstoff-Konzentration
- 16
- Rekombinationskatalysator (Elektrodenbeschichtung)
- 18
- Hochdruck Wasserelektrolysevorrichtung
- 20
- Rekombinationskatalysator (Zwischenschicht)
- 22
- Hochdruck-Wasserelektrolysevorrichtung
- 24
- Rekombinationskatalysator (homogene Lösung)
- 26
- Hochdruck-Wasserelektrolysevorrichtung
- 28
- Rekombinationskatalysator (Suspension)
- 30
- Partikel
