DE102021102535A1 - Device for providing a gas component and vehicle with such a device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Bereitstellung einer Gaskomponente (11, 12). Die Vorrichtung (10) umfasst eine Elektrolyseeinheit (20) mit einer ersten Kammer (21) und einer zweiten Kammer (22), wobei die erste Kammer (21) durch eine Trenneinheit (23) von der zweiten Kammer (22) getrennt ist. Die erste Kammer (21) ist dazu ausgeführt, einen Elektrolyten (13) aufzunehmen und eine erste Gaskomponente (11) bereitzustellen und die zweite Kammer (22) ist dazu ausgeführt, eine zweite Gaskomponente (12) bereitzustellen. Ein Druck innerhalb der zweiten Kammer (22) ist größer ist als ein Druck innerhalb der ersten Kammer (21), wobei ein Elektrolytfluss des Elektrolyten (13) lediglich in der ersten Kammer (21) erfolgt und ein Durchlass des Elektrolyten (13) in die zweite Kammer (22) unterbunden ist, um somit die bereitgestellte zweite Gaskomponente (12) von dem Elektrolyten (13) getrennt zu halten. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Phasenseparierungseinheit (30), die dazu ausgeführt ist, die erste Gaskomponente (11) von dem Elektrolyten (13) zu trennen, um somit die erste Gaskomponente (11) bereitzustellen. Die Erfindung betrifft ferner ein Luftfahrzeug (100) oder ein Raumfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung (10).The invention relates to a device (10) for providing a gas component (11, 12). The device (10) comprises an electrolysis unit (20) with a first chamber (21) and a second chamber (22), the first chamber (21) being separated from the second chamber (22) by a separating unit (23). The first chamber (21) is designed to accommodate an electrolyte (13) and to provide a first gas component (11), and the second chamber (22) is designed to provide a second gas component (12). A pressure within the second chamber (22) is greater than a pressure within the first chamber (21), with an electrolyte flow of the electrolyte (13) taking place only in the first chamber (21) and a passage of the electrolyte (13) into the second chamber (22) is prevented in order to keep the provided second gas component (12) separated from the electrolyte (13). The device also includes a phase separation unit (30) which is designed to separate the first gas component (11) from the electrolyte (13) in order to thus provide the first gas component (11). The invention also relates to an aircraft (100) or a spacecraft with such a device (10).
Description
Gebiet der Erfindungfield of invention
Die vorliegende Erfindung betrifft Elektrolysesysteme mit asymmetrischer Zirkulation, die unter Hochdruckbedingungen betreibbar sind. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.The present invention relates to asymmetric circulation electrolysis systems operable under high pressure conditions. In particular, the invention relates to a device for providing a gas component and a vehicle with such a device.
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
Hochdruckgasspeicher sind ein wesentlicher Bestandteil für die Nutzung wasserstoffbetriebener Systeme. Gewöhnliche Elektrolysesysteme zur Bereitstellung von Wasserstoff werden bei maximalen Drücken von bis zu 40 bar betrieben, wobei für die anschließende Speicherung des Wasserstoffs eine zusätzliche Druckbeaufschlagung erforderlich ist, um den Wasserstoff effektiv speichern zu können. Dies führt zu einer Verringerung der Effizienz und der Zuverlässigkeit sowie einer Erhöhung der Masse und des Volumens der wasserstoffbetriebenen Systeme. Darüber hinaus werden in der Regel komplexe Zufuhrpumpen benötigt, um ein Edukt für die Elektrolyse bereitzustellen, was wiederum zu einem höheren Gewicht bzw. einer verringerten Systemzuverlässigkeit führen kann. Ebenso können bestehende Elektrolysesysteme nicht unter Mikrogravitationsbedingungen betrieben werden, was die Einsatzmöglichkeiten solcher Systeme einschränkt.High-pressure gas storage is an essential component for the use of hydrogen-powered systems. Conventional electrolysis systems for supplying hydrogen are operated at maximum pressures of up to 40 bar, with the subsequent storage of the hydrogen requiring additional pressurization in order to be able to store the hydrogen effectively. This leads to a reduction in efficiency and reliability and an increase in mass and volume of hydrogen-powered systems. In addition, complex feed pumps are usually required to provide an educt for the electrolysis, which in turn can lead to higher weight or reduced system reliability. Likewise, existing electrolysis systems cannot be operated under microgravity conditions, which limits the possible uses of such systems.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effizienz von Systemen zur elektrolytischen Bereitstellung von Gaskomponenten zu verbessern.It is an object of the present invention to improve the efficiency of systems for the electrolytic provision of gas components.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.This object is solved by the subject matter of the independent claim. Exemplary embodiments result from the dependent claims and the following description.
Gemäß einem Aspekt ist eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst eine Elektrolyseeinheit mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer, wobei die erste Kammer durch eine Trenneinheit von der zweiten Kammer getrennt ist. Die erste Kammer ist dazu ausgeführt, einen Elektrolyten aufzunehmen, zum Beispiel zusammen mit einem Edukt in Form von Wasser, und eine erste Gaskomponente, beispielsweise Wasserstoff, bereitzustellen. Die zweite Kammer ist dazu ausgeführt, eine zweite Gaskomponente, beispielsweise Sauerstoff, bereitzustellen. Ein Druck innerhalb der zweiten Kammer ist dabei größer als ein Druck innerhalb der ersten Kammer, wobei ein Elektrolytfluss des Elektrolyten lediglich in der ersten Kammer erfolgt und ein Durchlass des Elektrolyten in die zweite Kammer unterbunden ist, um somit die bereitgestellte zweite Gaskomponente von dem Elektrolyten getrennt zu halten. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Phasenseparierungseinheit, die dazu ausgeführt ist, die erste Gaskomponente von dem Elektrolyten zu trennen, um somit die erste Gaskomponente, beispielsweise in Reinform, bereitzustellen. Die erste Gaskomponente kann nach dem Trennen beispielsweise einem Speicher oder einem Verbraucher zugeführt werden, wobei der Elektrolyt nach dem Trennen wieder zur Elektrolyseeinheit zurückgeführt werden kann. Ebenso kann auch die zweite Gaskomponente nach der Bereitstellung einem Speicher oder einem Verbraucher zugeführt werden.According to one aspect, a device for providing a gas component is provided. The device comprises an electrolysis unit with a first chamber and a second chamber, the first chamber being separated from the second chamber by a separating unit. The first chamber is designed to accommodate an electrolyte, for example together with an educt in the form of water, and to provide a first gas component, for example hydrogen. The second chamber is designed to provide a second gas component, for example oxygen. A pressure within the second chamber is greater than a pressure within the first chamber, with the electrolyte only flowing in the first chamber and the passage of the electrolyte into the second chamber being prevented in order to separate the second gas component provided from the electrolyte to keep. The device also includes a phase separation unit which is designed to separate the first gas component from the electrolyte in order to thus provide the first gas component, for example in pure form. After the separation, the first gas component can be fed to a store or a consumer, for example, it being possible for the electrolyte to be fed back to the electrolysis unit after the separation. Likewise, the second gas component can also be fed to a storage facility or a consumer after it has been made available.
Die oben genannte Vorrichtung mitsamt Elektrolyseeinheit kann bei hohen Drücken von beispielsweise über 50 bar oder sogar über 100 bar betrieben werden, wodurch eine zusätzliche Druckbeaufschlagung vor einer Speicherung der bereitgestellten Gaskomponenten vermieden oder vereinfacht wird. Ebenso kann eine sehr hohe Gasqualität bzw. Gasreinheit sowohl für die bereitgestellte erste Gaskomponente als auch für die bereitgestellte zweite Gaskomponente erreicht werden. Bei der Elektrolyse möglicherweise auftretender Wasserdampf kann ebenso reduziert werden.The device mentioned above, together with the electrolysis unit, can be operated at high pressures of, for example, more than 50 bar or even more than 100 bar, as a result of which additional pressurization before storage of the gas components provided is avoided or simplified. Likewise, a very high gas quality or gas purity can be achieved both for the first gas component provided and for the second gas component provided. Water vapor that may occur during electrolysis can also be reduced.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird insbesondere eine höhere Systemeffizienz erreicht, indem zusätzliche Druckbeaufschlagungskomponenten entfallen, da die Elektrolyse selbst bereits bei dem für einen vorgesehenen Einsatz erforderlichen Druck betrieben werden kann. Mit anderen Worten kann unter Verwendung der Vorrichtung eine Phasentrennung bei der Elektrolyse unter hohem Druck vorgesehen sein. Beispielsweise kann der in flüssiger Form vorliegende Elektrolyt, welcher sich lediglich in der ersten Kammer befindet, von der sich in der zweiten Kammer befindenden zweiten Gaskomponente getrennt gehalten werden.With the device according to the invention, a higher system efficiency is achieved, in particular, in that additional pressurization components are dispensed with, since the electrolysis itself can already be operated at the pressure required for an intended use. In other words, phase separation can be provided in the electrolysis under high pressure using the device. For example, the electrolyte present in liquid form, which is only in the first chamber, can be kept separate from the second gas component in the second chamber.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist somit eine Elektrolytzirkulation lediglich innerhalb der ersten Kammer vorgesehen, wohingegen innerhalb der zweiten Kammer keine Elektrolytzirkulation stattfindet. Mit anderen Worten ist damit eine asymmetrische Elektrolytzirkulation vorgesehen. In der ersten Kammer kann ein Zweiphasenfluss aus flüssigem Elektrolyten und darin enthaltener erster Gaskomponente ausgebildet sein.With the device according to the invention, electrolyte circulation is only provided within the first chamber, whereas no electrolyte circulation takes place within the second chamber. In other words, an asymmetrical electrolyte circulation is thus provided. A two-phase flow of liquid electrolyte and the first gas component contained therein can be formed in the first chamber.
Die Elektrolyseeinheit kann in Form einer Zelle vorgesehen sein, die eine abgeschlossene Einheit mit einem Elektrolytzufluss sowie zwei Abflüssen umfasst, wobei der erste Abfluss für einen kombinierten Elektrolyt-Gaskomponenten-Abfluss und der zweite Abfluss für einen reinen Gasabfluss vorgesehen ist. Der kombinierte Elektrolyt-Gaskomponenten-Abfluss kann das Abführen des Elektrolyten zusammen mit der durch die Elektrolyse bereitgestellten ersten Gaskomponente aus der ersten Kammer umfassen. Der zweite Abfluss kann das Abführen der bereitgestellten zweiten Gaskomponente aus der zweiten Kammer umfassen. Die Elektrolyseeinheit kann eine Rahmenstruktur aufweisen, welche die beiden Kammern umgibt. Diese kann zur Aufnahme struktureller Lasten ausgeführt sein, beispielsweise um eine Art Druckgefäß zu bilden.The electrolysis unit can be provided in the form of a cell, which comprises a closed unit with an electrolyte inflow and two outflows, the first outflow being provided for a combined electrolyte-gas component outflow and the second outflow being provided for a pure gas outflow. The combined electrolyte-gas component discharge can include discharging the electrolyte together with the first gas component provided by the electrolysis from the first chamber. The second outflow can include discharging the provided second gas component from the second chamber. The electrolysis unit can have a frame structure which surrounds the two chambers. This can be designed to absorb structural loads, for example to form a type of pressure vessel.
Die Elektrolyseeinheit kann ferner zwei Elektroden aufweisen, das heißt eine Kathode und eine Anode. An den Elektroden kann jeweils eine Reaktion zur Bildung der ersten und der zweiten Gaskomponente stattfinden, um diese anschließend bereitzustellen. In der ersten Kammer kann die Kathode angeordnet sein und in der zweiten Kammer kann die Anode angeordnet sein. Dementsprechend kann die erste Kammer als Kathodenkammer und die zweite Kammer als Anodenkammer bezeichnet werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Anode in der ersten Kammer und die Kathode in der zweiten Kammer vorgesehen ist und somit der Elektrolyt auf Anodenseite vorliegt bzw. die Elektrolytzirkulation lediglich in der Anodenkammer stattfindet, während die Kathodenkammer von dem Elektrolyten freigehalten wird. Jedenfalls kann die Elektrolyseeinheit mit asymmetrischer Zirkulation betrieben, was bedeutet, dass entweder die Anodenkammer oder die Kathodenkammer frei von Elektrolyt ist und lediglich eine Gaskomponente aufweist. Mit anderen Worten zirkuliert Elektrolyt stets nur in einer von beiden Kammern, wohingegen, die andere Seite quasi „trocken“ bleibt. Für den Fall, dass die zweite Gaskomponente Sauerstoff ist, kann zum Beispiel ein Druckniveau von ca. 100 bar bereitgestellt werden, um „trockenen“ bzw. reinen Sauerstoff in der zweiten Kammer bereitzustellen.The electrolysis unit can also have two electrodes, ie a cathode and an anode. A reaction to form the first and the second gas component can take place at the electrodes in order to subsequently provide them. The cathode can be arranged in the first chamber and the anode can be arranged in the second chamber. Accordingly, the first chamber can be referred to as the cathode chamber and the second chamber as the anode chamber. However, it can also be provided that the anode is provided in the first chamber and the cathode in the second chamber and thus the electrolyte is present on the anode side or the electrolyte circulation takes place only in the anode chamber while the cathode chamber is kept free of the electrolyte. In any case, the electrolysis unit can be operated with asymmetric circulation, which means that either the anode chamber or the cathode chamber is free of electrolyte and only has a gas component. In other words, electrolyte always circulates in only one of the two chambers, while the other side remains "dry". If the second gas component is oxygen, a pressure level of approximately 100 bar can be provided, for example, in order to provide “dry” or pure oxygen in the second chamber.
Innerhalb der Elektrolyseeinheit kann ferner die Trenneinheit in Form einer Trennwand vorgesehen sein, welche die erste Kammer räumlich von der zweiten Kammer trennt. Die Trenneinheit kann eine Membranstruktur aufweisen, die dazu ausgeführt ist, den Elektrolyten in der ersten Kammer zu halten und damit die zweite Kammer frei vom Elektrolyten zu halten. Dazu wird innerhalb der zweiten Kammer ein Druck bereitgestellt, der einen Druck innerhalb der ersten Kammer übersteigt, wodurch der Elektrolytfluss des Elektrolyten lediglich in der ersten Kammer erfolgt und ein Durchlass des Elektrolyten in die zweite Kammer verhindert wird. Die Trenneinheit kann dazu ausgebildet sein, einen ionischen Ladungstransport zu gewährleisten, um die zweite Gaskomponente in der zweiten Kammer bereitstellen zu können.Furthermore, the separating unit can be provided within the electrolysis unit in the form of a dividing wall which spatially separates the first chamber from the second chamber. The separation unit can have a membrane structure which is designed to keep the electrolyte in the first chamber and thus keep the second chamber free of electrolyte. For this purpose, a pressure is provided within the second chamber which exceeds a pressure within the first chamber, as a result of which the flow of the electrolyte takes place only in the first chamber and passage of the electrolyte into the second chamber is prevented. The separating unit can be designed to ensure ionic charge transport in order to be able to provide the second gas component in the second chamber.
In der ersten Kammer wird die erste Gaskomponente durch einen Elektrolyseprozess bereitgestellt. Im Falle einer Bereitstellung von Wasserstoff H2 unter Verwendung einer Kaliumhydroxidlösung (KOH + H2O) als Elektrolyt kann folgende chemische Reaktion in der Elektrolyseeinheit auftreten: H2O → H2 + ½O2. Als zweite Gaskomponente wird in diesem Fall Sauerstoff O2 in der zweiten Kammer bereitgestellt.The first gas component is provided in the first chamber by an electrolysis process. If hydrogen H 2 is provided using a potassium hydroxide solution (KOH+H 2 O) as the electrolyte, the following chemical reaction can occur in the electrolysis unit: H 2 O→H 2 +½O 2 . In this case, oxygen O 2 is provided in the second chamber as the second gas component.
Es kann vorgesehen sein, dass die zweite Gaskomponente in reiner Form oder nahezu reiner Form aus der zweiten Kammer abgeführt wird, zur weiteren Verwendung. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die erste Gaskomponente zusammen mit einem Teil des der ersten Kammer zugeführten Elektrolyten aus der Elektrolyseeinheit abgeführt wird, wobei anschließend eine Phasentrennung des in flüssiger Form vorliegenden Elektrolyten und der in Gasform vorliegenden ersten Gaskomponente in der Phasenseparierungseinheit erfolgt. Vor dieser Phasentrennung kann die erste Gaskomponente in Blasenform innerhalb des abgeführten Elektrolyten vorliegen. Die Phasentrennung in der Phasenseparierungseinheit kann zum Beispiel durch Gravimetrie, unter Verwendung einer Zentrifuge oder aber mittels einer Membran erfolgen. Eine Phasentrennung mittels Membran wird im weiteren Verlauf noch genauer erläutert. Es sei verstanden, dass auch andere Phasentrennungstechniken zur Anwendung kommen können.It can be provided that the second gas component is discharged from the second chamber in pure form or almost pure form for further use. Provision can furthermore be made for the first gas component to be discharged from the electrolysis unit together with part of the electrolyte fed to the first chamber, with a phase separation of the electrolyte present in liquid form and the first gas component present in gaseous form subsequently taking place in the phase separation unit. Before this phase separation, the first gas component can be present in the form of bubbles within the discharged electrolyte. The phase separation in the phase separation unit can be carried out, for example, by gravimetry, using a centrifuge or by means of a membrane. A phase separation by means of a membrane will be explained in more detail below. It is understood that other phase separation techniques can also be used.
Die in der Phasenseparierungseinheit von dem Elektrolyten getrennte erste Gaskomponente kann anschließend zur weiteren Verwendung einem Speicher oder einem Verbraucher zugeführt werden. Im Falle von Wasserstoff als erste Gaskomponente kann dieser dann zum Beispiel als Energieträger oder Treibstoff für eine Antriebseinheit dienen. Das sehr hohe in der Elektrolyseeinheit und in der Separierungseinheit bereitstellbare Druckniveau, das zum Beispiel größer als 50 bar sein kann, kann für die Speicherung vorteilhaft genutzt werden, da keine oder lediglich eine geringe weitere Druckerhöhung erforderlich wäre, um die erste Gaskomponente nach ihrer Bereitstellung effektiv speichern zu können.The first gas component separated from the electrolyte in the phase separation unit can then be fed to a store or a consumer for further use. In the case of hydrogen as the first gas component, this can then be used, for example, as an energy carrier or fuel for a drive unit. The very high pressure level that can be provided in the electrolysis unit and in the separation unit, which can be greater than 50 bar, for example, can be used advantageously for storage, since no or only a small further increase in pressure would be required to make the first gas component effective after it has been made available to be able to save.
Es ist möglich, mehrere Elektrolyseeinheiten, wie sie zuvor und nachfolgend beschrieben ist, in der Vorrichtung vorzusehen. Dabei können die mehreren Elektrolyseeinheiten zum Beispiel in einer parallelen Anordnung in einem Elektrolytkreislauf der Vorrichtung vorgesehen werden.It is possible to provide several electrolysis units, as described above and below, in the device. In this case, the plurality of electrolysis units can be provided, for example, in a parallel arrangement in an electrolyte circuit of the device.
Gemäß einer Ausführungsform bewirkt ein über die Trenneinheit erzeugter Druckunterschied zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer, dass sich der Elektrolyt in einem Betriebszustand der Elektrolyseeinheit lediglich in der ersten Kammer befindet und die zweite Kammer keinen Elektrolyten umfasst.According to one embodiment, a pressure difference between the first chamber and the second chamber generated via the separating unit causes the electrolyte to be located only in the first chamber when the electrolysis unit is in an operating state and the second chamber contains no electrolyte.
Mit anderen Worten kann ein kontinuierlicher Überdruck der zweiten Gaskomponente gegenüber der ersten Gaskomponente vorgesehen sein. Der Druckunterscheid zwischen den beiden Kammern kann beliebig sein, wobei strukturelle Eigenschaften der Elektrolyseeinheit, insbesondere der Trenneinheit einen Einfluss auf die jeweils vorgesehenen Drücke haben können. Ebenso ist der Druckunterschied so gewählt, dass die Trennung von Elektrolyt in der ersten Kammer und der zweiten Gaskomponente in der zweiten Kammer sichergestellt ist, um eine Verunreinigung der zweiten Gaskomponente zu gewährleisten. Es kann vorgesehen sein, dass folgende Druckeigenschaft für die Elektrolyseeinheit gilt, wobei p den Druck angibt:
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung bei einem Druck von wenigstens 50 bar betreibbar.According to one embodiment, the device is operable at a pressure of at least 50 bar.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die gesamte Vorrichtung einschließlich der Elektrolyseeinheit und der Phasenseparierungseinheit bei einem Druck von wenigstens 50 bar betreibbar ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Elektrolyseeinheit zusammen mit der Phasenseparierungseinheit bei einem Druck von wenigstens 50 bar betreibbar ist. Der Druck, bei dem die Vorrichtung betreibbar ist, kann ferner wenigstens 60 bar, wenigstens 80 bar oder wenigstens 100 bar betragen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung bei einer erhöhten Temperatur betrieben werden kann, welche beispielsweise größer als Raumtemperatur ist. Eine Temperaturspanne für mögliche Betriebstemperaturen kann 20°C bis 200°C betragen.It can be provided that the entire device, including the electrolysis unit and the phase separation unit, can be operated at a pressure of at least 50 bar. In particular, it can be provided that the electrolysis unit can be operated together with the phase separation unit at a pressure of at least 50 bar. The pressure at which the device can be operated can also be at least 60 bar, at least 80 bar or at least 100 bar. Provision can also be made for the device to be able to be operated at an elevated temperature which, for example, is greater than room temperature. A temperature range for possible operating temperatures can be 20°C to 200°C.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Trenneinheit eine Membranstruktur mit Poren auf.According to one embodiment, the separation unit has a membrane structure with pores.
Mit anderen Worten kann die Trenneinheit, welche die erste von der zweiten Kammer trennt, eine Membran aufweisen. Hierfür kann ein Gewebe aus Polyphenylensulfid mit einer Beschichtung aus Polymer und Zirkonoxid vorgesehen sein. Beispielsweise handelt es sich um Zirfon Perl® UTP 500. Die Membran kann eine Dicke von 500 Mikrometer, eine Porosität von 55 Prozent sowie eine Porengröße von kleiner als 0,05 Mikrometer aufweisen. Ein Blasendruck in der Membran kann bei 2 bar liegen. Dieser Blasendruck kann abhängig von der Porengröße in der Membran sein. Größere Blasendrücke werden beispielsweise erreicht, wenn kleinere Poren vorgesehen werden, wodurch ein größerer Druckunterschied zwischen der ersten und zweiten Kammer eingestellt werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass der Druckunterschied zwischen der ersten und zweiten Kammer, der über die Membran ausgebildet wird, nicht größer als der Blasendruck ist.In other words, the separating unit, which separates the first from the second chamber, can have a membrane. A fabric made of polyphenylene sulfide with a coating of polymer and zirconium oxide can be provided for this purpose. For example, it is Zirfon Perl ® UTP 500. The membrane can have a thickness of 500 microns, a porosity of 55 percent and a pore size of less than 0.05 microns. A bubble pressure in the membrane can be 2 bar. This bubble pressure can depend on the pore size in the membrane. Greater bubble pressures are achieved, for example, when smaller pores are provided, as a result of which a greater pressure difference can be set between the first and second chambers. It can be provided that the pressure difference between the first and second chambers, which is formed across the membrane, is not greater than the bladder pressure.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Trenneinheit alternativ eine Membranstruktur ohne Poren auf, welche dazu ausgeführt ist, einen Transport einer Flüssigkeit zu ermöglichen und einen Transport einer Gaskomponente zu unterbinden.According to one embodiment, the separation unit alternatively has a membrane structure without pores, which is designed to enable transport of a liquid and prevent transport of a gas component.
Mit anderen Worten handelt es sich in diesem Fall um eine gasdichte Membran, die jedoch die Fähigkeit besitzt, Flüssigkeit zu transportieren. Diese Membran kann eine hohe Ionenleitfähigkeit, beispielsweise für OH--Ionen aufweisen. Zum Beispiel handelt es sich um eine Ionomr Aemion®-Membran. Die Membran kann eine Dicke von 50 Mikrometer aufweisen. Auch für diese Alternative können die Drücke in der ersten und der zweiten Kammer frei gewählt werden, solange dadurch die Stabilität der zwischen den Kammern liegenden Membran, über welche der Druckunterschied ausgebildet wird, nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere kann eine solche Art von geschlossener Membran ohne Poren vorgesehen sein, sodass kein Druckunterschied notwendig ist, um den Elektrolyten auf einer Seite, das heißt in einer der beiden Kammern, zu halten.In other words, in this case it is a gas-tight membrane which, however, has the ability to transport liquid. This membrane can have a high ion conductivity, for example for OH - ions. For example, it is an Ionomr Aemion ® membrane. The membrane may have a thickness of 50 microns. For this alternative, too, the pressures in the first and the second chamber can be chosen freely, as long as this ensures the stability of the pressure between the chambers lowing membrane, over which the pressure difference is formed, is not affected. In particular, such a type of closed membrane without pores can be provided, so that no pressure difference is necessary to keep the electrolyte on one side, ie in one of the two chambers.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Trenneinheit bzw. die Membran Versteifungselemente aufweist, wodurch der erreichbare Druckunterschied zwischen der ersten und der zweiten Kammer erhöht werden kann.Provision can furthermore be made for the separating unit or the membrane to have stiffening elements, as a result of which the achievable pressure difference between the first and the second chamber can be increased.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Phasenseparierungseinheit eine Membranstruktur auf, die dazu ausgeführt ist, die erste Gaskomponente von dem Elektrolyten zu trennen, um somit die erste Gaskomponente bereitzustellen, so dass die erste Gaskomponente anschließend einer Speichereinheit oder einem Verbraucher zuführbar ist.According to one embodiment, the phase separation unit has a membrane structure that is designed to separate the first gas component from the electrolyte in order to thus provide the first gas component, so that the first gas component can then be fed to a storage unit or a consumer.
Wie zuvor erwähnt, kann der Abfluss aus der Elektrolyseeinheit in Form einer Kombination von Elektrolyt und erster Gaskomponente erfolgen, wobei die erste Gaskomponente gelöst und in Form von Blasen im flüssigen Elektrolyt enthalten ist. Die Phasenseparierungseinheit kann nun die erste Gaskomponente vollständig vom Elektrolyten trennen, so dass reiner Elektrolyt in den Kreislauf und damit in die Elektrolyseeinheit zurückgeführt werden kann. Die Phasentrennung erfolgt dabei durch eine Membranstruktur, z.B. Hohlfasermembranstruktur, was die Vorrichtung zur Verwendung unter Mikrogravitationsbedingungen geeignet macht. Darüber hinaus kann dadurch ein Verlust an Elektrolyt bei der Phasentrennung reduziert werden.As previously mentioned, the effluent from the electrolysis unit may be in the form of a combination of electrolyte and first gas component, the first gas component being dissolved and contained in the liquid electrolyte in the form of bubbles. The phase separation unit can now completely separate the first gas component from the electrolyte, so that pure electrolyte can be returned to the circuit and thus to the electrolysis unit. The phase separation is carried out by a membrane structure, e.g. hollow fiber membrane structure, which makes the device suitable for use under microgravity conditions. In addition, a loss of electrolyte during phase separation can be reduced as a result.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung unter Mikrogravitationsbedingungen betreibbar, so dass bei Auftreten eines Mikrogravitationszustandes das Trennen der ersten Gaskomponente von dem Elektrolyten in der Phasenseparierungseinheit gewährleistet ist, um somit die erste Gaskomponente bereitzustellen.According to one embodiment, the device can be operated under microgravity conditions, so that when a microgravity condition occurs, the separation of the first gas component from the electrolyte in the phase separation unit is ensured, in order to thus provide the first gas component.
Mit anderen Worten kann die Phasenseparierungseinheit sicherstellen, dass ein Trennen der ersten Gaskomponente von dem Elektrolyten auch bei Schwerelosigkeit möglich ist, wodurch sich die Vorrichtung insbesondere für den Einsatz in Raumfahrzeugen eignet. Um dies zu erreichen, kann die Phasenseparierungseinheit eine Membran aufweisen, durch welche die erste Gaskomponente von dem Elektrolyten getrennt werden kann.In other words, the phase separation unit can ensure that the first gas component can be separated from the electrolyte even in weightlessness, which makes the device particularly suitable for use in space vehicles. In order to achieve this, the phase separation unit can have a membrane, through which the first gas component can be separated from the electrolyte.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner einen Elektrolytkreislauf und eine Zufuhreinheit auf, wobei die Zufuhreinheit dazu ausgeführt ist, dem Elektrolytkreislauf ein Edukt unter Verwendung von Osmose bereitzustellen.According to one embodiment, the device also has an electrolyte circuit and a supply unit, the supply unit being designed to provide the electrolyte circuit with a starting material using osmosis.
Dadurch kann die Verwendung einer Pumpe zur Bereitstellung des Edukts, das heißt zur Zuführung des Edukts in den Elektrolysekreislauf, vermieden werden. Dies ist von Vorteil, da bei Verwendung einer Pumpe ein im Kreislauf vorhandener hoher Druck, wie zuvor beschrieben, erst durch die Pumpe aufgebracht werden müsste. Dieses Aufbringen eines hohen Druckes von beispielsweise 100 bar durch eine Pumpe kann somit vermieden werden. Bei der Verwendung von Osmose wird ein Druckunterschied innerhalb der Zufuhreinheit dadurch erzeugt, dass ein Unterschied in der Elektrolytkonzentration auf unterschiedlichen Seiten einer Membran der Zufuhreinheit eingestellt wird. Dies wird in der Figurenbeschreibung noch genauer erläutert. Das Edukt kann zum Beispiel Wasser sein.As a result, the use of a pump to provide the educt, that is to say to feed the educt into the electrolysis circuit, can be avoided. This is advantageous because when using a pump, a high pressure present in the circuit, as described above, would first have to be applied by the pump. This application of a high pressure of, for example, 100 bar by a pump can thus be avoided. When using osmosis, a pressure difference is created within the supply unit by setting a difference in electrolyte concentration on different sides of a membrane of the supply unit. This is explained in more detail in the description of the figures. The educt can be water, for example.
Es sei jedoch angemerkt, dass anstatt einer Verwendung von Osmose eine Pumpe als Eduktzufuhreinheit möglich ist.However, it should be noted that instead of using osmosis, a pump is possible as the educt supply unit.
Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Gaskomponente Wasserstoff H2 und/oder die zweite Gaskomponente ist Sauerstoff O2. Es sei jedoch verstanden, dass auch andere geeignete Gaskomponenten unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden können. Dies kann abhängig von der Auswahl des zugeführten Edukts sein.According to one embodiment, the first gas component is hydrogen H 2 and/or the second gas component is oxygen O 2 . However, it should be understood that other suitable gas components can also be generated using the device according to the invention. This can depend on the selection of the reactant supplied.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Elektrolyseeinheit eine Rahmenstruktur auf, wobei die Phasenseparierungseinheit in die Rahmenstruktur der Elektrolyseeinheit integriert ist.According to one embodiment, the electrolysis unit has a frame structure, with the phase separation unit being integrated into the frame structure of the electrolysis unit.
Eine Rahmenstruktur kann beispielswiese ein Mantel oder sonstige Strukturelemente umfassen, die geeignet sind, eine abgeschlossene Form der Elektrolyseeinheit zu bilden oder zumindest teilweise zu bilden. Beispielsweise grenzt die Phasenseparierungseinheit mit einer Außenwand direkt an eine Außenwand der Elektrolyseeinheit an. Eine Integration der Phasenseparierungseinheit in die Elektrolyseeinheit ermöglicht Vorteile hinsichtlich Platzeinsparung, Gewichtseinsparung, etc. Beispielsweise kann auf diese Weise die Verwendung von Rohrleitungen und anderen hydraulischen Komponenten verringert oder sogar ganz vermieden werden. Eine Skalierung hinsichtlich der Anzahl der eingesetzten Elektrolysezellen wird dadurch ermöglicht. Ein wesentlicher Vorteil dieser strukturellen Integration ist es aber auch, dass dadurch sämtliche Vorrichtungseinheiten, das heißt u.a. die Elektrolyseeinheit, die Phasenseparierungseinheit, etc., und etwaige Zubehörkomponenten wie Leitungselemente, in einer abgeschlossenen Hochdruckumgebung eingesetzt werden können.A frame structure can include, for example, a jacket or other structural elements that are suitable for forming or at least partially forming a closed form of the electrolysis unit. For example, the phase separation unit with an outer wall is directly adjacent to an outer wall electrolysis unit. An integration of the phase separation unit into the electrolysis unit enables advantages in terms of saving space, saving weight, etc. For example, the use of pipelines and other hydraulic components can be reduced or even completely avoided in this way. This enables scaling in terms of the number of electrolytic cells used. However, a major advantage of this structural integration is that all the device units, ie the electrolysis unit, the phase separation unit, etc., and any accessory components such as line elements can be used in a closed high-pressure environment.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner einen Wärmetauscher auf, welcher in die Elektrolyseeinheit integriert ist.According to one embodiment, the device also has a heat exchanger which is integrated into the electrolysis unit.
Dadurch ergeben sich ebenfalls die zuvor bereits genannten Vorteile der strukturellen Integration. Zusätzlich ergibt sich hier der Vorteil, dass Wärme aus der Elektrolyseeinheit besser ausgetragen werden kann, wenn auch der Wärmetauscher in die Elektrolyseeinheit integriert ist. Eine strukturelle Integration kann dabei bedeuten, dass die jeweiligen Komponenten über maximal eine weitere Komponente, wie beispielsweise eine Zwischenwand, voneinander getrennt sind. Beispielsweise grenzt der Wärmetauscher mit einer Außenwand direkt an eine Außenwand der Elektrolyseeinheit an. Über den Wärmetauscher kann eine thermische Steuerung der Vorrichtung, insbesondere eine Steuerung der Temperatur im Elektrolytkreislauf ermöglicht werden.This also results in the previously mentioned advantages of structural integration. In addition, there is the advantage here that heat can be better removed from the electrolysis unit if the heat exchanger is also integrated into the electrolysis unit. Structural integration can mean that the respective components are separated from one another by a maximum of one additional component, such as an intermediate wall. For example, the heat exchanger directly adjoins an outer wall of the electrolysis unit with an outer wall. Thermal control of the device, in particular control of the temperature in the electrolyte circuit, can be made possible via the heat exchanger.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit der zuvor und nachfolgend beschriebenen Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente angegeben.According to one aspect of the invention, a vehicle is provided with the device for providing a gas component described above and below.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Fahrzeug ein Luftfahrzeug mit der zuvor und nachfolgend beschriebenen Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente. Das Luftfahrzeug kann ein bemanntes oder ein unbemanntes Luftfahrzeug sein. Das Luftfahrzeug kann ein Flugzeug, insbesondere ein Transportflugzeug bzw. ein Passagierflugzeug sein. Das Luftfahrzeug kann aber auch ein beliebiger anderer Flugkörper sein.According to one embodiment, the vehicle is an aircraft with the device for providing a gas component described above and below. The aircraft can be a manned or an unmanned aircraft. The aircraft can be an aircraft, in particular a transport aircraft or a passenger aircraft. However, the aircraft can also be any other missile.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Fahrzeug ein Raumfahrzeug mit der zuvor und nachfolgend beschriebenen Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente. Das Raumfahrzeug kann ein bemanntes oder ein unbemanntes Raumfahrzeug sein. Das Raumfahrzeug kann ein Satellit, eine Rakete oder dergleichen sein. Hinsichtlich der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Raumfahrzeug ergibt sich der Vorteil, dass wie zuvor beschrieben, eine Funktion der Vorrichtung, insbesondere der Phasenseparierungseinheit, auch unter Mikrogravitationsbedingungen, also unter Schwerelosigkeit, sichergestellt werden kann.According to one embodiment, the vehicle is a spacecraft with the device for providing a gas component described above and below. The spacecraft can be a manned or an unmanned spacecraft. The spacecraft may be a satellite, rocket, or the like. With regard to the use of the device according to the invention in a spacecraft, there is the advantage that, as described above, a function of the device, in particular of the phase separation unit, can also be ensured under microgravity conditions, ie under weightlessness.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zuvor und nachfolgend beschriebene Vorrichtung dazu ausgeführt, in einer stationären Anwendung eingesetzt zu werden. Mit anderen Worten kann eine stationäre bzw. ortsfeste Plattform mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein.According to a further embodiment, the device described above and below is designed to be used in a stationary application. In other words, a stationary or stationary platform can be provided with the device according to the invention.
Aus den zuvor aufgezeigten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich zahlreiche Vorteile. Insbesondere kann eine Gaskomponente, zum Beispiel Wasserstoff, bei sehr hohem Druck von ca. 100 bar oder sogar mehr bereitgestellt werden, was die Speicherdichte und dadurch die Systemeffizienz beispielsweise bei Wasserstoffaufbewahrungs- und Antriebssystemen deutlich verbessern kann. Ferner kann die Gasreinheit der erzeugten Gaskomponenten erhöht werden und ein möglicherweise entstehender Wasserdampfanteil reduziert werden. Zusammenfassend kann die erfindungsgemäße Vorrichtung Vorteile bieten hinsichtlich einer reduzierten Systemkomplexität, geringerer Ausfallrisiken, geringerer Energieverbräuche, geringerer Massen und Volumina aufgrund von weniger benötigten Komponenten zur Zirkulation des Elektrolyten, usw. Aufgrund der osmotischen Eduktzufuhr kann auf die Verwendung von Pumpen hierfür verzichtet werden, was wiederum die Komplexität, den Energieverbrauch sowie Ausfallrisiken des Gesamtsystems reduziert, da weniger bewegte bzw. komplexe Teile zum Einsatz kommen.Numerous advantages result from the properties of the device according to the invention which have been indicated above. In particular, a gas component, for example hydrogen, can be provided at a very high pressure of approximately 100 bar or even more, which can significantly improve the storage density and thereby the system efficiency, for example in hydrogen storage and drive systems. Furthermore, the gas purity of the gas components produced can be increased and a possibly occurring water vapor content can be reduced. In summary, the device according to the invention can offer advantages in terms of reduced system complexity, lower risk of failure, lower energy consumption, lower masses and volumes due to fewer components required for circulating the electrolyte, etc. Due to the osmotic reactant supply, the use of pumps for this can be dispensed with, which in turn The complexity, energy consumption and failure risks of the entire system are reduced because fewer moving or complex parts are used.
Figurenlistecharacter list
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1 zeigt eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel.1 shows a device for providing a gas component according to an embodiment. -
2 zeigt einen Teil der Vorrichtung von1 mit einer Eduktzufuhr unter Verwendung einer Pumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel.2 shows part of the device of FIG1 with an educt feed using a pump according to an embodiment. -
3 zeigt einen Teil der Vorrichtung von1 mit einer Eduktzufuhr unter Verwendung von Osmose gemäß einem Ausführungsbeispiel.3 shows part of the device of FIG1 with a reactant feed using osmosis according to an embodiment. -
4 zeigt eine Zufuhreinheit mit einer Osmose-Membran gemäß einem Ausführungsbeispiel.4 shows a supply unit with an osmosis membrane according to an embodiment. -
5 zeigt ein Luftfahrzeug mit der Vorrichtung von1 gemäß einem Ausführungsbeispiel.5 shows an aircraft with the device of1 according to one embodiment. -
6 zeigt eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente mit mehreren Elektrolyseeinheiten gemäß einem Ausführungsbeispiel.6 shows a device for providing a gas component with multiple electrolysis units according to an embodiment.
Detaillierte Beschreibung beispielhafter AusführungsformenDetailed description of exemplary embodiments
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Gleiche oder ähnliche Elemente können aber auch durch unterschiedliche Bezugszeichen bezeichnet sein.The representations in the figures are schematic and not to scale. If the same reference symbols are used in different figures in the following description of the figures, then these denote the same or similar elements. However, the same or similar elements can also be denoted by different reference symbols.
Der Elektrolyt 13 gelangt aus dem Kreislauf 80 in die erste Kammer 21 der Elektrolyseeinheit 20, wobei eine chemische Reaktion in der Kammer stattfindet, wodurch eine erste Gaskomponente 11 entsteht, die neben dem Elektrolyt 13 in der ersten Kammer 21 vorliegt. Mit anderen Worten findet eine Zirkulation von Elektrolyt 13 innerhalb der ersten Kammer 21 statt und durch die chemische Reaktion kann die erste Gaskomponente 11 bereitgestellt werden, welche anschließend über einen Abfluss 82 zusammen mit einer Teilmenge an Elektrolyt 13 aus der Elektrolyseeinheit 20 abgeführt wird. Die abgeführte Teilmenge an Elektrolyt 13 ist dabei kleiner als die Menge an Elektrolyt 13, welche über den Zufluss 81 der Elektrolyseeinheit 20 zugeführt wird.The
In der zweiten Kammer 22 wird durch chemische Reaktion im Bereich der Trenneinheit 23 und der Elektrode 28 eine zweite Gaskomponente 12 (in
Ein Druck innerhalb der zweiten Kammer 22 ist größer als ein Druck innerhalb der ersten Kammer 21, sodass ein Elektrolytfluss des Elektrolyten 13 lediglich in der ersten Kammer 21 erfolgt und ein Durchlass des Elektrolyten 13 in die zweite Kammer 22 unterbunden ist, um somit die bereitgestellte zweite Gaskomponente 12 von dem Elektrolyten 13 getrennt zu halten. Die Trennvorrichtung 23 verhindert sozusagen zusammen mit dem genannten Druckunterschied ein Übertreten des Elektrolyten 13 von der ersten Kammer 21 in die zweite Kammer 22. Der über die Trenneinheit 23 erzeugte Druckunterschied zwischen der ersten Kammer 21 und der zweiten Kammer 22 bewirkt also, dass sich der Elektrolyt 13 in einem Betriebszustand der Elektrolyseeinheit 20 lediglich in der ersten Kammer 21 befindet und die zweite Kammer 22 keinen Elektrolyten 13 umfasst, sondern lediglich die zweite Gaskomponente 12 mit hohem Reinheitsgrad.A pressure within the
In den Kreislauf 80 ist ferner eine Phasenseparierungseinheit 30 eingebunden, die dazu ausgeführt ist, die erste Gaskomponente 11 von dem Elektrolyten 13 zu trennen, um somit die erste Gaskomponente 11 zur weiteren Verwendung in einem Verbraucher 41 oder zur Speicherung einem Speicher 41 bei hohem Druck und in Reinform bereitzustellen. Der Druck, bei dem die Vorrichtung 10 einschließlich der Elektrolyseeinheit 20, der Phasenseparierungseinheit 30 und des Leitungskreislaufs 80 betrieben werden kann, kann in etwa bei 100 bar liegen, wobei zu beachten ist, dass der zuvor genannte Druckunterschied zwischen erster Kammer 21 und zweiter Kammer 22 eingehalten wird. Für diesen Druckunterschied kann bereits ein geringer Druckunterschied ausreichen.A
Die Elektrolyseeinheit 20 kann einen oder mehrere Rahmen 26 mit Trennblechen 25 (z.B. Bipolarplatten) aufweisen. Zusammen mit Endflanschen 27 stellen die Rahmen 26 eine Abdichtung der Elektrolyseeinheit 20 gegenüber der Umgebung, abgesehen vom Zufluss 81 und den Abflüssen 82, 83, sicher.The
Die Vorrichtung 10 umfasst darüber hinaus noch einen Wärmetauscher 60 zum Austrag von Wärme aus dem Elektrolytkreislauf 80 sowie eine Pumpe 70 zum Zirkulieren des Elektrolyten 13 innerhalb des Kreislaufs 80. Die Pumpe 70 ist dabei im Leitungskreislauf 80 angeordnet und befördert den Elektrolyten 13 in die Elektrolyseeinheit 20. Obwohl in
Als zusätzliches Ausführungsbeispiel wird in
Wie zuvor bereits erwähnt kann der Elektrolyt 13 durch eine wässrige Kaliumhydroxidlösung (KOH + H2O) gebildet werden. In diesem Fall wäre die Konzentration an Kaliumhydroxid bezogen auf den Wasseranteil auf der Zufuhrseite 53 sehr gering, wohingegen die Konzentration an Kaliumhydroxid bezogen auf den Wasseranteil auf der Kreislaufseite 80 deutlich höher wäre. In der Folge bildet sich ein auf der Zufuhrseite 53 deutlich geringerer osmotischer Druck aus als auf der Kreislaufseite 80. Die Osmose-Membran 54 ist hierfür selektiv durchlässig für Wasser, sodass der Wasseranteil der Kaliumhydroxidlösung über die Membran 54 wandern kann. Weiterhin ist der osmotische Druck der Kaliumhydroxidlösung jeweils abhängig von der Temperatur. Somit ist der osmotische Druck eine Größe, die von der Temperatur einerseits und der Konzentration an Elektrolyt 13 andererseits abhängig ist. Der zwischen der Zufuhrseite 53 und der Kreislaufseite 80 entstehende Druckunterschied, welcher durch die Osmose bewirkt wird, stellt den Unterschied zwischen dem osmotischen Druck des Elektrolyten 13 auf der Zufuhrseite 53 und dem osmotischen Druck des Elektrolyten 13 auf der Kreislaufseite 80 dar. In dem in
Es kann vorgesehen sein, dass diese in Bezug auf
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.It should also be noted that "comprising" does not exclude other elements or steps, and "a" or "an" does not exclude a plurality. Furthermore, it should be pointed out that features or steps that have been described with reference to one of the above exemplary embodiments can also be used in combination with other features or steps of other exemplary embodiments described above. Any reference signs in the claims should not be construed as limiting.
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