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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrochemischen Separation von Sauerstoff aus zugeführter sauerstoffenthaltender Umgebungsluft, mit der die Möglichkeit besteht, zumindest nahezu reinen Sauerstoff mit bis zu 100 % relativer Feuchte aus Umgebungsluft bereit zu stellen. Es besteht auch die Möglichkeit, eine Sauerstoffanreicherung eines bereits Sauerstoff enthaltenden Gasgemisches durchzuführen und dabei den Sauerstoffpartialdruck in einem Gasgemisch zu erhöhen. Der separierte Sauerstoff oder ein mit Sauerstoff angereichertes Gasgemisch kann u.a. für den notfallmedizinischen (z.B. bei akutem Lungenversagen, kurz ARDS), medizinischen, pflegerischen und häuslichen Gebrauch bereitgestellt werden.
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Geräte zur Abgabe von nahezu reinem Sauerstoff basieren bisher entweder auf einer kosten- und wartungsintensiven Drucksauerstoff- oder Flüssigsauerstoff-Versorgung oder auf energieintensiven Druckwechsel-Adsorptions-Kolonnen, die Sauerstoff aus der Luft lediglich anreichern, oder auf schlecht steuerbaren chemischen Reaktionen, beispielsweise der Freisetzung von Sauerstoff aus Chloraten. Diese genannten O2-Erzeugerprinzipien liefern i.d.R. trockenen Sauerstoff, der zusätzlich angefeuchtet werden muss, damit er z.B. für die menschliche Atmung geeignet ist. Alternativ kann über Elektrolyse von Wasser reiner, aber feuchter Sauerstoff unter Einsatz von Wasser und elektrischer Energie unmittelbar und leicht gewonnen werden. Allerdings bilden Elektrolyseure zwingend auch Wasserstoffgas als zweites Produkt, was wegen der potentiellen Bildung explosiver Gasgemische wiederum sehr hohe Sicherheitsanforderungen an solche Systeme stellt und eine EXgeschützte und überwachte Abführung des ungewünschten Wasserstoffs an die Außenluft erforderlich macht, so dass für die allermeisten Anwendungen die elektrolytische Erzeugung von Sauerstoff keine sinnvolle Option ist.
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Folgende Sauerstoff-Generator-Prinzipien sind prinzipiell bekannt:
- • Sauerstoffgenerator, in dem mittels einer Wechseladsorptions-Kolonne von Molsieben die Anreicherung von O2 aus der Luft erfolgt
- • Kryogene Flüssigsauerstoff-Generation durch Luftzerlegungsanlagen bei sehr niedrigen Temperaturen
- • Sauerstoffgenerator, der eine chemische Sauerstoffträgersubstanz (Tablette) durch elektromagnetisches Heizen zersetzt
- • Sauerstoffgenerator, in dem H2O2 katalytisch zersetzt wird
- • Elektrolyse-basierter Sauerstoffgenerator, der gleichzeitig H2 und O2 frei setzt
- • Elektrochemischer Sauerstoffgenerator, der mittels O2--leitfähiger Festelektrolytmembran, die bei sehr hoher Temperatur betrieben wird, Sauerstoff frei setzt.
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Außerdem ist in
DE 101 56 349 A1 eine Vorrichtung zur Dosierung von Sauerstoff beschrieben, die bei hohen Temperaturen betrieben wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten für eine effektive Freisetzung von Sauerstoff aus der Umgebungsluft bzw. Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks in einem Gasgemisch anzugeben, bei der kein Wasserstoff frei gesetzt wird und mit der ein gewisses Mindestmaß an relativer Luftfeuchte im Sauerstoff erreicht werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zwischen einer Elektrode, die als Kathode mit dem negativen Pol und einer weiteren Elektrode, die als Anode mit dem positiven Pol einer elektrischen Gleichspannungsquelle verbunden ist, eine anionenleitende Membran angeordnet. An die Kathoden-Membran-Grenzfläche ist feuchte Umgebungsluft oder ein feuchtes Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch zuführbar und von der Anoden-Membran-Grenzfläche ein mit Sauerstoff angereichertes Gasgemisch oder zumindest nahezu reiner Sauerstoff mit einer relativen Feuchte von mindestens 50 % abführbar. Dabei ist elektrochemisch an der Kathodenseite eine Sauerstoffreduktion mit Hydroxidionenbildung und an der Anodenseite eine Oxidation der bei der Sauerstoffreduktion gebildeten Hydroxidionen erreichbar.
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Die Elektroden und die Membran sollten kraftschlüssig miteinander verbunden sein.
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Unter zumindest nahezu reinem Sauerstoff sollen mindestens 90 Vol.-% Sauerstoff verstanden werden.
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Wird Umgebungsluft oder ein bereits sauerstoffenthaltendes Gasgemisch zugeführt, sollte die Luft oder das Gasgemisch angefeuchtet werden. Dazu kann die zugeführte Umgebungsluft oder ein Gasgemisch durch ein Wasserbad strömen, bevor es in die Vorrichtung eingeführt wird. Es kann der zugeführten Umgebungsluft oder einem Gasgemisch, aber auch Wasser zugegeben werden, was beispielsweise durch Eindüsen von Wasser in den Gasstrom erreicht werden kann.
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Die Membran soll anionenleitfähig sein und kann aus einem Polymergerüst funktionalisiert mit Kationen wie z.B. Ammonium-oder Phosphoniumsalze bestehen oder damit gebildet sein. Kommerzielle entsprechende Produkte wären z.B. AEMION™, AlkaMem™, Sustainion®, Fumasep oder Tokuyama A201.
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An der Kathodenseite kann als katalytisch wirkende Komponente Silber, Platin, Mangan, Kupfer und/oder Nickel enthaltende chemische Verbindungen und/oder an der Anodenseite als katalytisch wirkende Komponente eine Nickel, eine Mangan, ein Iridium, eine Platin, eine Palladium und/oder eine Ruthenium enthaltende chemische Verbindung vorhanden sein.
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Die chemische Verbindung kann ein Oxid, metallisch und/oder eine Legierung dieser chemischen Elemente sein.
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Die mindestens eine Elektroden-Membraneinheit kann in einem gasdichten Gehäuse angeordnet sein, an dem eine Zuführung für feuchte Umgebungsluft, Umgebungsluft und Wasser oder ein feuchtes Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch sowie eine Abführung für freigesetzten zumindest nahezu reinen Sauerstoff oder einem Gasgemisch, in dem ein erhöhter Sauerstoffpartialdruck enthalten ist, und Wasser vorhanden sind.
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Im Gehäuse sollten die kathodenseitigen und die anodenseitigen Hohlräume fluiddicht für Flüssigkeiten und Gase voneinander getrennt sein. Dadurch ist einmal eine sichere Trennung der unterschiedlichen Medien möglich. Zum anderen kann in den Hohlräumen ein unterschiedlicher Innendruck eingehalten werden. Man kann beispielsweise im anodenseitigen Hohlraum einen höheren Innendruck erreichen, so dass eine Verdichtung des frei gesetzten Saustoffs oder von Sauerstoff mit erhöhtem Sauerstoffpartialdruck gegenüber dem an der Kathodenseite vorhandenen Sauerstoffanteil erreichbar ist.
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Es besteht außerdem die Möglichkeit, in einem Gehäuse mit entsprechend geeigneter Abdichtung mehrere Elektroden-Membraneinheiten nebeneinander anzuordnen, wie dies auch bei vielen elektrochemischen Zellen der Fall ist. Elektroden benachbarter Elektroden-Membraneinheiten können dann als Bipolarplatten fungieren.
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Die beiden Elektroden sollten jeweils im direkten berührenden Kontakt mit der Membran stehen und die Elektroden so ausgeführt sein, dass die jeweilige Elektroden-Membran Grenzfläche so ausgebildet ist, dass Umgebungsluft, Sauerstoff und Wasser oder ein Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch mit den Oberflächen der Elektroden und der Membran in Kontakt steht.
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Die beiden Elektroden können jeweils als Gasdiffusionselektrode ausgebildet sein und auf deren Oberfläche oder der der jeweiligen Elektrode zugewandt angeordneten Oberflächen der Membran kann mindestens eine katalytisch wirkende Komponente vorhanden sein, wobei Oberflächen der Elektroden mit der Oberfläche der Membran in direktem berührenden Kontakt stehen.
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Zwischen den beiden Elektroden und der Membran einer Elektroden-Membraneinheit kann auch jeweils ein für eine Gasdiffusion geeignetes Element und/oder an den Oberflächen der Elektroden, die der Membran zugewandt angeordnet sind, und/oder an den Oberflächen der Membran, die den Elektroden zugewandt sind, kann eine Oberflächenstrukturierung so ausgebildet sein, dass Umgebungsluft, Sauerstoff und Wasser oder ein Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch an die Oberflächen der Elektroden und der Membran in Kontakt steht. Eine Oberflächenstrukturierung kann beispielsweise mit Kanälen, die zumindest in Richtung der Membran offen sein sollten, gebildet sein. Auch bei einer solchen Ausführungsform sollen zumindest Oberflächenbereiche der Elektroden jeweils mit Oberflächenbereichen der Membran in direktem Kontakt stehen.
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Gasdiffusionselektroden oder ein für eine Gasdiffusion geeignetes Element können/kann ein poröser Körper, ein Netzwerk aus Fasern, ein Schaum, ein Sieb oder ein ähnliches Element sein, der/das bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere metallisch, wie beispielsweise aus Nickel oder Edelstahl gebildet sein kann. An der Anodenseite sollte Nickel bei der Verwendung des Sauerstoffs für medizinische Zwecke vermieden werden.
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Mindestens eine der bereits genannten katalytisch wirkenden Komponenten kann an einem solchen Element aber auch an der jeweiligen Elektrode vorhanden sein.
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Die mindestens eine Vorrichtung sollte mit einer möglichst konstanten elektrischen Spannung im Bereich 0,1 V bis 1 V und damit unterhalb der Zersetzungsspannung von Wasser bei Standardbedingung betrieben werden. Dabei kann der elektrische Strom in Abhängigkeit der jeweils gewünschten Menge an zumindest nahezu reinem Sauerstoff oder eines gewünschten zu erreichenden Sauerstoffpartialdrucks im Bereich 0,01 A bis 1 A geregelt werden. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Elektrolyse wird weniger Energie benötigt.
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Bei der Erfindung werden lediglich einfache und ubiquitär verfügbare Betriebsmittel (Wasser, Umgebungsluft, elektrischer Strom, O2) benötigt bzw. sie müssen gehandhabt werden.
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Die Vorrichtung stellt für die menschliche Atmung geeigneten feuchten Sauerstoff bereit, der u.U. nicht zusätzlich befeuchtet werden muss. Die Vorrichtung emittiert keine nennenswerten Geräusche, Vibrationen und weitere Gase, insbesondere keinen Wasserstoff.
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Die Vorrichtung kann kompakt aufgebaut sein und ist für stationäre als auch mobile Einsatzgebiete, z.B. Notfallmedizin oder Pflege, geeignet.
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Es besteht die Möglichkeit, Luftsauerstoff aufzureinigen, was z.B. für Anwendungen in einer Brennstoffzelle ggf. förderlich ist.
Es kann eine Druckdifferenz zwischen Kathoden- und Anodenseite aufgebaut werden, wobei auf der Anodenseite ein gegenüber der Kathodenseite erhöhter Druck von reinem Sauerstoff erhalten werden kann, wenn z.B. Sauerstoff an der Kathodenseite zugeführt wird.
Es kann ggf. auch auf Edelmetalle als Katalysator verzichtet werden.
Bei der Erfindung kann eine Anionenaustauscher-Membran genutzt werden.
Es ist lediglich erforderlich, auf der Kathodenseite ein sauerstoffhaltiges und angefeuchtetes Gas zuzuführen.
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Die Erfindung kann zur Sauerstoff-Freisetzung, zur Aufreinigung von Umgebungsluft für die Anwendung in einer Brennstoffzelle, zur Sauerstoff-Bereitstellung für die menschliche Atmung, u.a. für den notfallmedizinischen (z.B. bei akutem Lungenversagen, kurz ARDS), medizinischen, pflegerischen und häuslichen Gebrauch, für die Lebensmittelindustrie, für die chemische Industrie, für die metallurgische Industrie, für Antriebe und Verbrennungsprozesse eingesetzt werden.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Erzeugung eines Differenzdrucks zwischen dem Kathoden- und Anodenraum, so dass eine Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks erreicht werden kann.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigt:
- 1 in schematischer Form ein Beispiel einer bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einsetzbaren Elektroden-Membraneinheit.
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Mit 1 soll schematisch eine Möglichkeit zur Bereitstellung von gasförmigem zumindest nahezu reinen Sauerstoff (~100 Vol.-% O2) mittels einer Elektroden-Membraneinheit 100, der aus Umgebungsluft gewonnen werden kann, verständlich gemacht werden. Dabei wird der Elektroden-Membran-Einheit 100 auf der Kathodenseite (links in 1) Luftsauerstoff (ca. 21 Vol.-% O2-Anteil) mit Wasser zugeführt und bei an den Elektroden anliegender elektrischer Gleichspannung werden in einer Gasphase vorliegendes Wasser und Sauerstoff zu Hydroxidionen reduziert. Die dabei gebildeten Hydroxidionen wandern durch die anionenleitfähige Membran 1 entlang des elektrischen Feldgradienten auf die Anodenseite (rechts in 1) und werden dort zu Sauerstoff und Wasser oxidiert.
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Die Wahl der Katalysatoren für die Sauerstoffreduktion 2 (ORR - oxygen reduction reaction) und die Hydroxidoxidation 3 (HyOR - hydroxid oxidation reaction) sind vorzugsweise für die ORR Silber, Platin, Mangan, Kupfer und/oder Nickel enthaltende chemische Verbindungen, und für die OER 3 vorzugsweise eine Nickel, eine Mangan, ein Iridium, eine Platin, eine Palladium und/oder eine Ruthenium enthaltende chemische Verbindung zu wählen. Getrieben wird die Reaktion durch eine äußere elektrische Gleichspannungsquelle 4, die mit einem Pol an eine Elektrode als Kathode 5 und dem anderen Pol an eine zweite Elektrode als Anode 6 angeschlossen ist, zwischen denen die Membran 1 angeordnet ist.
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Weitere Reduktionsreaktionen von in der Umgebungsluft enthaltenen Bestandteilen, wie die Reduktion von Stickstoff zu NxHy-Derivaten und die Reduktion von CO2 zu Kohlenstoff-Derivaten sollte durch die Selektivität des Kathodenmaterials für die ORR und die HyOR somit verhindert werden. Durch die Selektivität auf der Kathodenseite für die ORR und der Anodenseite für die HyOR kommt es zu einer selektiven Freisetzung von Sauerstoff und somit zu einer Aufkonzentration im Anodenraum, was einem selektiven Pumpen von Sauerstoff durch die Membran-Elektroden-Einheit 100, also einem Verdichten entspricht. Die Vorrichtung kann in dem Sinne auch genutzt werden, um den Sauerstoffpartialdruck auf der Anodenseite zu erhöhen, indem reiner Sauerstoff, Luftsauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch der Kathode 5 zugeführt wird und durch das Pumpen auf der Anodenseite der Sauerstoffpartialdruck aufgebaut wird.
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Eine Einzel-Zelle, in der die oben beschriebene Reaktion abläuft, besteht zusätzlich zu der in 1 gezeigten Elektroden-Membraneinheit 100 auf beiden Elektrodenseiten aus Gasdiffusionslagen (z.B. einer gradierten porösen metallischen Struktur) als für die Gasdiffusion geeignetes Element, auf beiden Seiten der Membran 1, aus elektrisch leitfähigen Endplatten auf beiden Seiten, die in Richtung der Elektroden 5 und 6 mit einem von Gas durchströmbaren Element oder einer Oberflächenstruktur Flussfeld versehen sind, die für die Zu- und Abführung von Umgebungsluft, Sauerstoff, Wasser oder einem Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch und die Abführung von Sauerstoff und Wasser geeignet sind. Zusätzlich können Dichtungen zwischen Elektroden-Membraneinheit 100 und den Elektroden auf beiden Seiten vorhanden sein. Zusätzlich können ein Zellrahmen, elektrische Anschlüsse zu den Elektroden und Mediendurchführungen für Gase und einen wässrigen Elektrolyt vorhanden sein.
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Technisch kann eine Vorrichtung nach dem oben beschriebenem Wirkprinzip in Analogie zu einem Membranelektrolyseur aufgebaut sein, der aus einem Stapel mehrerer Einzelzellen, die elektrisch in Reihe verschaltet und über Bolzen verspannt sind, gebildet sein, so dass ein Betrieb auch unter einem zur Umgebung erhöhtem Druck, z.B. zwischen 1,5 barabs und 40 barabs, direkt möglich ist. Im Falle eines Stapels mehrerer Einzelzellen, die jeweils mit Elektroden-Membraneinheiten 100 gebildet sind, können die die Elektroden 5 und 6 bildenden Platten zwischen den einzelnen Zellen in bipolarer Funktion ausgeführt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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