DE102022120497A1

DE102022120497A1 - Elektrochemische Zellenanordnung und Verfahren zum Betreiben einer solchen elektrochemischen Zellenanordnung

Info

Publication number: DE102022120497A1
Application number: DE102022120497.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kottke; Horst Weidele; Romina Weidele; Markus Wild
Original assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2022-08-12
Filing date: 2022-08-12
Publication date: 2023-08-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zellenanordnung (1), mit einem ersten Prozessraum (3), in dem eine erste Elektrode (5) angeordnet ist, wobei der erste Prozessraum (3) eingerichtet ist, um einen Elektrolyten derart aufzunehmen, dass die erste Elektrode (5) in Kontakt mit dem Elektrolyten ist, wobei die elektrochemische Zellenanordnung (1) außerdem einen zweiten Prozessraum (7) aufweist, der eingerichtet ist, um ein flüssiges Reaktionsmedium aufzunehmen, wobei die elektrochemische Zellenanordnung (1) außerdem mindestens eine zweite Elektrode (9) und eine Verlagerungsvorrichtung (11) aufweist, die eingerichtet ist, um die mindestens eine zweite Elektrode (9) zwischen dem ersten Prozessraum (3) und dem zweiten Prozessraum (7) zu verlagern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrochemische Zellenanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen elektrochemischen Zellenanordnung.
Aus Dotan, H., Landman, A., Sheehan, S.W. et al. Decoupled hydrogen and oxygen evolution by a two-step electrochemical-chemical cycle for efficient overall water splitting. Nat Energy 4, 786-795 (2019). https://doi.org/10.1038/s41560-019-0462-7 - im Folgenden als Referenz 1 bezeichnet - geht eine elektrochemische Zellenanordnung und ein Verfahren zu deren Betrieb hervor, wobei konkret ein Elektrolyseverfahren vorgestellt wird, bei dem in einem Prozessraum eine erste, als Kathode geschaltete Elektrode und eine zweite, als Anode geschaltete Elektrode angeordnet sind. In einem ersten Verfahrensschritt wird der Prozessraum mit Wasser bei Raumtemperatur (25 °C) gefüllt, und zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode wird eine Spannung angelegt, wobei in einer elektrochemischen Reaktion an der ersten Elektrode gasförmiger Wasserstoff freigesetzt wird, und wobei das Material der zweiten Elektrode chemisch mit Hydroxidionen zu einem sauerstoffangereicherten Produkt reagiert. In einem zweiten Schritt wird die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden getrennt, das kühlere Wasser in dem Prozessraum durch heißes Wasser bei 95 °C ersetzt, und in einer chemischen Reaktion wird an der zweiten Elektrode gasförmiger Sauerstoff aus dem sauerstoffangereicherten Produkt freigesetzt. Zugleich bildet sich das ursprüngliche Material der zweiten Elektrode aus dem sauerstoffangereicherten Produkt zurück. Der erste Schritt und der zweite Schritt werden zyklisch durchgeführt, wobei der Prozessraum alternierend mit kühlerem Wasser und heißem Wasser befüllt und die Elektroden alternierend mit Spannung beaufschlagt und spannungsfrei geschaltet werden. Während für die Elektrolysereaktion ein sehr hoher Wirkungsgrad von 95 % erhalten werden kann, erweist sich die zyklische Beschickung des Prozessraums als konstruktiv aufwendig und teuer, insbesondere da eine Vielzahl von Leitungen und Ventilen vorgesehen werden muss. Hinzu kommt, dass der Prozessraum stets auf die neue Temperatur eingestellt werden muss, was aufgrund der Wärmekapazität der beteiligten Komponenten zeitaufwendig ist. Für zusätzliche Komplexität sorgt ein zwischen dem ersten Schritt dem zweiten Schritt vorgesehener Spülschritt, bei dem der Prozessraum mit einem Fluid bei mittlerer Temperatur gespült wird. Weiterhin wirkt sich das wechselnde Temperaturniveau in dem Prozessraum nachteilig auf die Dauerfestigkeit der verwendeten Materialien aus. Schließlich ist die Effizienz des Verfahrens aufgrund der diskontinuierlichen Prozessführung verbesserungsfähig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrochemische Zellenanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen elektrochemischen Zellenanordnung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest reduziert sind, vorzugsweise nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten bevorzugten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Elektrochemische Zellenanordnung geschaffen wird, die einen ersten Prozessraum aufweist, in dem eine erste Elektrode angeordnet ist. Der erste Prozessraum ist eingerichtet, um einen Elektrolyten derart aufzunehmen, dass die erste Elektrode in Kontakt mit dem Elektrolyten ist. Die elektrochemische Zellenanordnung weist außerdem einen zweiten Prozessraum auf, der eingerichtet ist, um ein flüssiges Reaktionsmedium aufzunehmen. Außerdem weist die elektrochemische Zellenanordnung mindestens eine zweite Elektrode und eine Verlagerungsvorrichtung auf, wobei die Verlagerungsvorrichtung eingerichtet ist, um die mindestens eine zweite Elektrode zwischen dem ersten Prozessraum und dem zweiten Prozessraum zu verlagern. Vorteilhaft kann auf diese Weise bei einer zweistufigen Reaktion - wie beispielsweise oben in Referenz 1 beschrieben - eine Prozessführung erreicht werden, bei der auf eine alternierende Prozessraumfüllung verzichtet werden kann. Vielmehr kann der Elektrolyt in dem ersten Prozessraum verbleiben, und das flüssige Reaktionsmedium kann in dem zweiten Prozessraum verbleiben, wobei es selbstverständlich möglich ist, die Medien bei Verbrauch zumindest teilweise in Intervallen oder auch kontinuierlich auszutauschen oder nachzufüllen. Insbesondere ist es vorteilhaft zugleich möglich, dass der erste Prozessraum eine konstante erste Temperatur aufweist, wobei der zweite Prozessraum eine konstante zweite Temperatur aufweist. Auf diese Weise werden vorteilhaft schwankende Temperaturen in den Prozessräumen vermieden, was sich insbesondere positiv auf die Dauerfestigkeit der verwendeten Materialien auswirkt, und wobei weiterhin Aufheiz- oder Abkühlzeiten entfallen. Nicht zuletzt aber schafft die Aufteilung auf zwei Prozessräume die Möglichkeit, das Verfahren auch kontinuierlich zu führen und somit dessen Effizienz nochmals deutlich zu verbessern. Zugleich profitiert die elektrochemische Zellenanordnung bei einer Durchführung insbesondere des oben beschriebenen Verfahrens von dessen hohem Wirkungsgrad.
Insbesondere ist die elektrochemische Zellenanordnung eingerichtet, um eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anzulegen, wenn die zweite Elektrode in dem ersten Prozessraum angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist hierzu dem ersten Prozessraum eine Spannungsquelle zugeordnet, die mit der ersten Elektrode verbunden und angeordnet und eingerichtet ist, um die zweite Elektrode elektrisch zu kontaktieren, wenn die zweite Elektrode in dem ersten Prozessraum angeordnet ist.
Insbesondere ist die elektrochemische Zellenanordnung eingerichtet, um die erste Elektrode in dem ersten Prozessraum als Kathode zu schalten. Die elektrochemische Zellenanordnung ist weiterhin insbesondere eingerichtet ist, um die zweite Elektrode in dem ersten Prozessraum als Anode zu schalten.
Insbesondere ist die elektrochemische Zellenanordnung eingerichtet, um die zweite Elektrode derart in dem ersten Prozessraum anzuordnen, dass auch die zweite Elektrode in Kontakt mit dem Elektrolyten ist. Insbesondere ist die Verlagerungsvorrichtung eingerichtet, um die zweite Elektrode in dem ersten Prozessraum in Kontakt mit dem Elektrolyten zu bringen.
Dass eine Elektrode in Kontakt mit dem Elektrolyten ist, bedeutet im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere, dass die Elektrode in den Elektrolyten eintaucht, oder dass der Elektrolyt die Elektrode zumindest an einer Seite berührt.
Insbesondere ist die elektrochemische Zellenanordnung eingerichtet, um in einer elektrochemischen Reaktion in dem ersten Prozessraum ein erstes Produktgas freizusetzen, wenn die zweite Elektrode in dem ersten Prozessraum angeordnet und eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegt ist. Insbesondere wird in der elektrochemischen Reaktion zugleich an der zweiten Elektrode ein - chemisches - Produkt gebildet, welches an der zweiten Elektrode angelagert wird oder zumindest bereichsweise das Material der zweiten Elektrode bildet.
Die elektrochemische Zellenanordnung ist insbesondere eingerichtet, um die zweite Elektrode in dem zweiten Prozessraum in Kontakt mit dem flüssigen Reaktionsmedium anzuordnen. Insbesondere ist die Verlagerungsvorrichtung eingerichtet, um die zweite Elektrode in dem zweiten Prozessraum in Kontakt mit dem flüssigen Reaktionsmedium zu bringen. Dass die zweite Elektrode in Kontakt mit dem flüssigen Reaktionsmedium ist, bedeutet im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere, dass die zweite Elektrode in das flüssige Reaktionsmedium eintaucht, oder dass das flüssige Reaktionsmedium die zweite Elektrode zumindest an einer Seite berührt.
In einer Ausführungsform ist die zweite Elektrode plattenförmig oder stabförmig ausgebildet. Es ist aber auch möglich, dass die zweite Elektrode als eine Ansammlung eines Schüttguts, insbesondere in Pulver- oder Kugelform, ausgebildet ist, wobei das Schüttgut insbesondere in einem Käfig oder einer Gitterstruktur angeordnet sein kann. Vorteilhaft hat das Material der zweiten Elektrode dann eine besonders große Oberfläche.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem zweiten Prozessraum eine Heizvorrichtung zugeordnet ist. Die Heizvorrichtung ist insbesondere angeordnet und eingerichtet, um das flüssige Reaktionsmedium in dem zweiten Prozessraum zu heizen, oder um das bereits erhitzte flüssige Reaktionsmedium auf einer insbesondere vorbestimmten Temperatur zu halten, insbesondere bei einer Temperatur von 85 °C bis 100 °C, insbesondere bei einer Temperatur von 90 °C bis 98 °C, insbesondere bei 95 °C.
Insbesondere ist die elektrochemische Zellenanordnung eingerichtet, um in dem zweiten Prozessraum eine bei erhöhter Temperatur ablaufende chemische Reaktion durchzuführen, bei der ein zweites Produktgas aus dem an der zweiten Elektrode angelagerten oder zumindest bereichsweise das Material der zweiten Elektrode bildenden Produkt freizusetzen, das insbesondere in der elektrochemischen Reaktion in dem ersten Prozessraum gebildet wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verlagerungsvorrichtung eingerichtet ist, um die mindestens eine zweite Elektrode abwechselnd in den ersten Prozessraum und in den zweiten Prozessraum zu verlagern. Dies stellt eine besonders einfache und kostengünstige realisierbare Ausgestaltung der elektrochemischen Zellenanordnung und insbesondere der Verlagerungsvorrichtung dar. Insbesondere ist es möglich, dass die mindestens eine zweite Elektrode mittels einer verlagerbaren Stange, insbesondere einer Schubstange und/oder Zugstange, zwischen dem ersten Prozessraum und dem zweiten Prozessraum verlagert wird. Dabei können insbesondere flexible Dichtlippen oder ein Schleusensystem vorgesehen sein, um den ersten Prozessraum und den zweiten Prozessraum derart zu dichten, dass trotz der Möglichkeit, die zweite Elektrode zwischen den Prozessräumen zu verlagern, weder Elektrolyt noch flüssiges Reaktionsmedium entweichen kann. Alternativ ist es möglich, dass die Verlagerungsvorrichtung eine Hebevorrichtung aufweist, mittels der die zweite Elektrode aus dem ersten Prozessraum herausgehoben und in den zweiten Prozessraum abgesenkt werden kann - und umgekehrt. Dies erweist sich aufgrund der nötigen Hebe- und Absenkvorgänge als zeitaufwendiger als eine Realisierung mittels einer Stange, jedoch bedarf es vorteilhaft keiner aufwändigen Abdichtungsmaßnahmen. Der Energieaufwand kann minimal gehalten werden, wenn eine Rekuperation beim Absenkvorgang vorgesehen wird.
In einer Ausführungsform weist die elektrochemische Zellenanordnung mindestens vier zweite Elektroden auf, wobei die Verlagerungsvorrichtung eingerichtet ist, um die Verlagerung der zweiten Elektroden derart zu steuern, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens eine erste zweite Elektrode in dem ersten Prozessraum, mindestens eine zweite zweite Elektrode in dem zweiten Prozessraum, mindestens eine dritte zweite Elektrode zwischen dem zweiten Prozessraum und dem ersten Prozessraum auf ihrem Weg in den ersten Prozessraum, insbesondere in einer Wärmetransportvorrichtung, und mindestens eine vierte zweite Elektrode zwischen dem ersten Prozessraum und dem zweiten Prozessraum auf ihrem Weg in den zweiten Prozessraum, insbesondere in der Wärmetransportvorrichtung, angeordnet sind. Diese Ausgestaltung kann auch mit einer Mehrzahl an ersten und zweiten Prozessräumen verwirklicht werden. Insbesondere kann auf diese Weise eine kontinuierliche Prozessführung erreicht werden, bei der zu jedem Zeitpunkt sowohl die elektrochemische Reaktion in dem ersten Prozessraum als auch die chemische Reaktion in dem zweiten Prozessraum ablaufen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrochemische Zellenanordnung eine Mehrzahl an zweiten Elektroden als die mindestens eine zweite Elektrode aufweist, die in einer ringförmig geschlossenen Anordnung miteinander verbunden sind, wobei die Verlagerungsvorrichtung eingerichtet ist, um die zweiten Elektroden zyklisch durch den ersten Prozessraum und den zweiten Prozessraum zu transportieren. Diese Ausgestaltung erlaubt vorteilhaft insbesondere eine kontinuierliche oder zumindest quasi-kontinuierliche Prozessführung, da stets in jedem der Prozessräume eine zweite Elektrode angeordnet sein kann. Insbesondere ist die Verlagerungsvorrichtung eingerichtet, um die zweiten Elektroden entlang einer geschlossenen Bahn mit konstanter Umlaufrichtung durch die Prozessräume zu transportieren.
In einer Ausführungsform sind die zweiten Elektroden entlang einer geschlossenen Kette in Umlaufrichtung hintereinander angeordnet, insbesondere vorteilhaft getrennt durch elektrisch - und optional zusätzlich thermisch - isolierende Abstandshalter. Insbesondere bilden die zweiten Elektroden und die jeweils zwischen zwei zweiten Elektroden angeordneten Abstandshalter Kettenglieder einer geschlossenen Elektrodenkette, wobei die Verlagerungsvorrichtung eingerichtet ist, um die Elektrodenkette mit konstanter Umlaufrichtung entlang der geschlossenen Bahn zu fördern und damit zugleich die zweiten Elektroden durch die Prozessräume zu transportieren. Der Transport zwischen den beiden Prozessräumen kann in vertikaler Richtung erfolgen, wobei die Prozessräume insbesondere übereinander angeordnet sein können. Dabei können insbesondere flexible Dichtlippen oder ein Schleusensystem vorgesehen sein, um den ersten Prozessraum und den zweiten Prozessraum derart zu dichten, dass trotz der Möglichkeit, die zweiten Elektroden zwischen den Prozessräumen zu verlagern, weder Elektrolyt noch flüssiges Reaktionsmedium entweichen kann. Alternativ kann der Transport zwischen den beiden Prozessräumen in horizontaler Richtung erfolgen, insbesondere über Wandungen der Prozessräume hinweg, insbesondere mittels einer geeigneten Hebevorrichtung. Vorteilhaft können bei dieser Ausgestaltung Abdichtungsmaßnahmen entfallen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrochemische Zellenanordnung eine Mehrzahl an zweiten Elektroden als die mindestens eine zweite Elektrode aufweist, wobei die zweiten Elektroden in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse verteilt an einem Rotationskörper der Verlagerungsvorrichtung angeordnet sind, wobei der erste Prozessraum und der zweite Prozessraum derart relativ zu dem Rotationskörper angeordnet sind, dass stets mindestens eine erste zweite Elektrode der zweiten Elektroden dem ersten Prozessraum und zugleich mindestens eine zweite zweite Elektrode der zweiten Elektroden dem zweiten Prozessraum zugeordnet ist, wobei die Verlagerungsvorrichtung eingerichtet ist, um den Rotationskörper um die Rotationsachse zu drehen, sodass die zweiten Elektroden zwischen dem ersten Prozessraum und dem zweiten Prozessraum verlagert werden. Auch auf diese Weise ist vorteilhaft insbesondere eine kontinuierliche Prozessführung möglich.
Dass eine zweite Elektrode einem Prozessraum zugeordnet ist, bedeutet im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere, dass die zweite Elektrode mit einem Inneren des Prozessraums, insbesondere mit dem in dem Prozessraum angeordneten Medium, das heißt dem Elektrolyten oder dem flüssigen Reaktionsmedium, in Kontakt ist.
Insbesondere sind die zweiten Elektroden an dem Rotationskörper - insbesondere durch Abstandselemente - elektrisch voneinander isoliert. Zusätzlich oder alternativ sind die Elektroden an dem Rotationskörper - insbesondere durch die Abstandselemente - voneinander thermisch isoliert.
In einer Ausführungsform sind entlang eines Umfangs des Rotationskörpers eine Mehrzahl an ersten Prozessräumen und eine Mehrzahl an zweiten Prozessräumen angeordnet, insbesondere entlang des Umfangs alternierend.
In einer Ausführungsform weist die elektrochemische Zellenanordnung eine Mehrzahl an Rotationskörpern und eine Mehrzahl an ersten und zweiten Prozessräumen auf. Dabei ist insbesondere jedem Rotationskörper eine Mehrzahl der ersten Prozessräume und eine Mehrzahl der zweiten Prozessräume zugeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist zumindest einem ersten Prozessraum der Mehrzahl erster Prozessräume eine Mehrzahl der Rotationskörper zugeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist zumindest einem zweiten Prozessraum der zweiten Prozessräume eine Mehrzahl der Rotationskörper zugeordnet.
In einer Ausführungsform weist die elektrochemische Zellenanordnung genau einen ersten Prozessraum und genau einen zweiten Prozessraum auf, wobei dem ersten Prozessraum und dem zweiten Prozessraum eine Mehrzahl an Rotationskörpern zugeordnet sind. In einer Ausführungsform ist in dem ersten Prozessraum genau eine erste Elektrode angeordnet. In einer anderen Ausgestaltung ist jedem Rotationskörper eine separate erste Elektrode in dem ersten Prozessraum zugeordnet.
In einer Ausführungsform sind die Rotationskörper insbesondere parallel zueinander, insbesondere entlang einer Reihe, zwischen den Prozessräumen angeordnet. Die Prozessräume sind dabei insbesondere nebeneinander angeordnet.
In einer anderen Ausführungsform umgreift ein äußerer Prozessraum der Prozessräume, ausgewählt aus dem ersten Prozessraum und dem zweiten Prozessraum, einen Innenbereich entlang einer geschlossenen, gedachten Umfangslinie, wobei der andere, innere Prozessraum, ausgewählt aus dem zweiten Prozessraum und dem ersten Prozessraum, in dem Innenbereich angeordnet ist. Die Rotationskörper sind entlang der gedachten Umfangslinie um den inneren Prozessraum herum angeordnet.
In einer Ausgestaltung, bei der eine der zweiten Elektroden zeitweise gleichzeitig bereichsweise dem ersten Prozessraum und bereichsweise dem zweiten Prozessraum zugeordnet sein kann, weist die elektrochemische Zellenanordnung insbesondere eine Schaltvorrichtung auf, die eingerichtet ist, um die jeweilige zweite Elektrode nur dann mit Spannung zu beaufschlagen, wenn sie eindeutig und allein dem ersten Prozessraum zugeordnet ist. Demgegenüber ist die Schaltvorrichtung eingerichtet, um die zweite Elektrode spannungslos zu schalten, sobald sie mit dem zweiten Prozessraum in Kontakt ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft vermieden werden, dass eine mit Spannung beaufschlagte zweite Elektrode mit dem flüssigen Reaktionsmedium in Kontakt kommt; insbesondere kann vorteilhaft vermieden werden, dass eine mit Spannung beaufschlagte zweite Elektrode gleichzeitig mit dem Elektrolyten und mit dem flüssigen Reaktionsmedium in Kontakt kommt.
Der Rotationskörper ist insbesondere als Zylinder ausgebildet, der die zweiten Elektroden segmentweise an seiner äußeren Umfangsfläche aufweist, insbesondere paarweise voneinander getrennt durch jeweils mindestens ein elektrisch und/oder thermisch isolierendes Abstandselement.
In einer Ausführungsform ist der Rotationskörper als Vollzylinder ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform ist der Rotationskörper als Hohlzylinder ausgebildet. In einer Ausführungsform sind die zweiten Elektroden als Zylindersegmente ausgebildet. Bei einer anderen Ausführungsform bilden die zweiten Elektroden einerseits und die Abstandselemente andererseits eine Zylinderwandung. Insbesondere sind die zweiten Elektroden einerseits und die Abstandselemente andererseits in einer Ausführungsform ringförmig um einen von der Zylinderwandung umschlossenen, hohlen Innenraum des Hohlzylinders angeordnet.
In einer Ausführungsform bildet der Rotationskörper oder bilden die zweiten Elektroden jeweils bewegliche Wandungen der Prozessräume aus, die mit insbesondere elastischen Dichtungen gegenüber starren Wandungen der Prozessräume abgedichtet sind.
In einer Ausführungsform weisen der erste Prozessraum und der zweite Prozessraum ein identisches Volumen auf; insbesondere greift der mindestens eine Rotationskörper gleich tief einerseits in den ersten Prozessraum und andererseits in den zweiten Prozessraum ein. In einer anderen Ausführungsform weisen der erste Prozessraum und der zweite Prozessraum verschiedene Volumina auf, und insbesondere greift der mindestens eine Rotationskörper in denjenigen Prozessraum, ausgewählt aus dem ersten Prozessraum und den zweiten Prozessraum, der das größere Volumen aufweist, tiefer ein als in den anderen Prozessraum, ausgewählt aus dem zweiten Prozessraum und dem ersten Prozessraum. Diese letztgenannte Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich die Reaktionsgeschwindigkeiten in den Prozessräumen stark unterscheiden. Selbst bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit des Rotationskörpers kann dann eine längere Verweilzeit der zweiten Elektroden in demjenigen Prozessraum gewährleistet werden, der das größere Volumen aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Reaktionsgeschwindigkeit in dem zweiten Prozessraum durch Variation der Temperatur des flüssigen Reaktionsmediums variiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrochemische Zellenanordnung eine Mehrzahl an zweiten Elektroden als die mindestens eine zweite Elektrode und außerdem eine Wärmetransportvorrichtung aufweist, wobei die Wärmetransportvorrichtung eingerichtet ist, um Wärme zwischen einer ersten zweiten Elektrode der Mehrzahl an zweiten Elektroden und einer zweiten zweiten Elektrode der Mehrzahl an zweiten Elektroden zu transportieren, insbesondere wenn die erste zweite Elektrode aus dem zweiten Prozessraum in Richtung des ersten Prozessraums und die zweite zweite Elektrode aus dem ersten Prozessraum in Richtung des zweiten Prozessraums verlagert wird. Auch eine zeitversetzte Wärmeübertragung ist möglich. Vorteilhaft kann mittels der Wärmetransportvorrichtung zum einen aus dem zweiten Prozessraum ausgetragene thermische Energie zurückgewonnen werden, zum anderen kann ein Wärmeverlust aus dem zweiten Prozessraum an die hineinverlagerte, aus dem ersten Prozessraum kommende, kältere zweite zweite Elektrode reduziert werden, und zugleich kann ein Wärmeeintrag in den ersten Prozessraum durch die in diesen hineinverlagerte, aus dem zweiten Prozessraum kommende, wärmere erste zweite Elektrode reduziert werden. Der Prozess kann auf diese Weise besonders effizient geführt werden, und es ist besonders einfach und kostengünstig möglich, die Temperaturniveaus in den Prozessräumen konstant zu halten. Wird ein Prozess wie der in Referenz 1 beschriebene durchgeführt, kann außerdem vorteilhaft eine Gefahr der Freisetzung von Sauerstoff in dem ersten Prozessraum vermieden werden, indem die zweite Elektrode in der Wärmetransportvorrichtung gekühlt wird, bevor sie in den ersten Prozessraum eingebracht wird; hierdurch wird insbesondere die Gefahr einer Knallgasreaktion reduziert.
In einer Ausführungsform umgreift die Wärmetransportvorrichtung die erste zweite Elektrode und die zweite zweite Elektrode. In einer anderen Ausführungsform ist die Wärmetransportvorrichtung zwischen der ersten zweiten Elektrode und der zweiten zweiten Elektrode angeordnet. Insbesondere ist es in einer Ausführungsform, in der der Rotationskörper als Hohlzylinder ausgebildet ist, möglich, dass die Wärmetransportvorrichtung in dem Innenraum des Hohlzylinders starr oder drehfest, das heißt gegenüber dem rotierenden Hohlzylinder ruhend, angeordnet ist und insbesondere jeweils momentan diametral einander gegenüberliegend angeordnete zweite Elektroden thermisch miteinander verbindet.
In einer Ausführungsform weist die elektrochemische Zellenanordnung eine gerade Anzahl an zweiten Elektroden auf. Dies erleichtert die Wärmeübertragung zwischen jeweils zwei zweiten Elektroden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Elektrode Nickel aufweist oder aus Nickel besteht. Insbesondere weist die zweite Elektrode eine Nickellegierung auf oder besteht aus einer Nickellegierung. Insbesondere weist die zweite Elektrode zumindest bereichsweise an ihrer Oberfläche eine Nickel-Hydroxid-Verbindung, insbesondere mit der Summenformel Ni(OH)₂, auf. Insbesondere bei dieser Ausgestaltung kann ein Elektrolyseverfahren durchgeführt werden, wie es in Referenz 1 beschrieben wird, wobei - insbesondere bei Verwendung von Wasser sowohl als dem Elektrolyten als auch als dem flüssigen Reaktionsmedium - an der zweiten Elektrode in dem ersten Prozessraum bei Raumtemperatur, insbesondere 25 °C, die folgende elektrochemische Reaktion abläuft: (Ni(OH)₂ + OH^- → NiOOH + H₂O + e^-) × 4, (1) wobei zugleich an der ersten Elektrode in dem ersten Prozessraum die folgende elektrochemische Reaktion abläuft: 4 H₂O + 4 e^- → 4 OH^- + 2 H₂. (2)
In dem zweiten Prozessraum läuft an der zweiten Elektrode bei erhöhter Temperatur, insbesondere bei 95 °C, die folgende chemische Reaktion ab: 4 NiOOH + 2 H₂O → 4 Ni(OH)₂ + O₂. (3)
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellenanordnung oder einer elektrochemischen Zellenanordnung nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen geschaffen wird, wobei in einem ersten Schritt die mindestens eine zweite Elektrode in dem ersten Prozessraum in Kontakt mit dem Elektrolyten angeordnet wird, wobei eine elektrische Spannung zwischen der ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode angelegt wird, wobei in einem zweiten Schritt die mindestens eine zweite Elektrode aus dem ersten Prozessraum in den zweiten Prozessraum überführt wird, wobei die zweite Elektrode in dem zweiten Prozessraum in Kontakt mit dem flüssigen Reaktionsmedium gebracht wird, wobei insbesondere der erste Schritt und der zweite Schritt zyklisch wiederholt werden. In Zusammenhang mit dem Verfahren verwirklichen sich insbesondere diejenigen Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der elektrochemischen Zellenanordnung beschrieben wurden.
Insbesondere wird die zweite Elektrode in dem ersten Prozessraum elektrisch kontaktiert.
Insbesondere wird in dem ersten Prozessraum ein erstes Produktgas freigesetzt, wenn die zweite Elektrode in dem ersten Prozessraum angeordnet und eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegt ist. Insbesondere wird zugleich an der zweiten Elektrode ein - chemisches - Produkt gebildet, welches an der zweiten Elektrode angelagert wird oder zumindest bereichsweise das Material der zweiten Elektrode bildet.
Insbesondere wird in dem zweiten Prozessraum ein zweites Produktgas aus dem an der zweiten Elektrode angelagerten oder zumindest bereichsweise das Material der zweiten Elektrode bildenden Produkt freigesetzt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das flüssige Reaktionsmedium in dem zweiten Prozessraum geheizt wird.
Insbesondere wird das flüssige Reaktionsmedium in dem zweiten Prozessraum auf 90 °C bis 100 °C geheizt, insbesondere auf 95 °C.
Insbesondere wird der Elektrolyt in dem ersten Prozessraum bei Normaltemperatur, insbesondere bei 25 °C, gehalten.
Insbesondere wird in dem ersten Prozessraum eine Elektrolysereaktion durchgeführt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als der Elektrolyt und als das flüssige Reaktionsmedium Wasser verwendet wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem ersten Prozessraum - als das erste Produktgas - Wasserstoff und in dem zweiten Prozessraum - als das zweite Produktgas - Sauerstoff freigesetzt werden.
Insbesondere wird ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durchgeführt, wie es in Referenz 1 beschrieben ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 schematische Darstellungen verschiedener Ausgestaltungen eines ersten Ausführungsbeispiels einer elektrochemischen Zellenanordnung;
2 schematische Darstellungen verschiedener Ausgestaltungen eines zweiten Ausführungsbeispiels einer elektrochemischen Zellenanordnung;
3 schematische Darstellungen verschiedener Ausgestaltungen eines dritten Ausführungsbeispiels einer elektrochemischen Zellenanordnung;
4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer elektrochemischen Zellenanordnung;
5 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer elektrochemischen Zellenanordnung, und
6 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer elektrochemischen Zellenanordnung in verschiedenen Funktionsstellungen.

1 zeigt schematische Darstellungen verschiedener Ausgestaltungen eines ersten Ausführungsbeispiels einer elektrochemischen Zellenanordnung 1.
Die elektrochemische Zellenanordnung 1 weist einen ersten Prozessraum 3 auf, in dem eine erste Elektrode 5 angeordnet ist. Der erste Prozessraum 3 ist eingerichtet, um einen Elektrolyten derart aufzunehmen, dass die erste Elektrode 5 in Kontakt mit dem Elektrolyten ist. Die elektrochemische Zellenanordnung 1 weist außerdem einen zweiten Prozessraum 7 auf, der eingerichtet ist, um ein flüssiges Reaktionsmedium aufzunehmen. Schließlich weist die elektrochemische Zellenanordnung 1 außerdem mindestens eine zweite Elektrode 9 und eine Verlagerungsvorrichtung 11 auf, wobei die Verlagerungsvorrichtung 11 eingerichtet ist, um die mindestens eine zweite Elektrode 9 zwischen dem ersten Prozessraum 3 und dem zweiten Prozessraum 7 zu verlagern.
Es ist möglich, dass der erste Prozessraum 3 mehr als eine erste Elektrode 5 aufweist. Insbesondere wenn der erste Prozessraum 3 im Verhältnis zu der zweiten Elektrode 9 sehr groß oder eingerichtet ist, um eine Mehrzahl zweiter Elektroden 9 gleichzeitig aufzunehmen, können eine Mehrzahl erster Elektroden 5 in dem ersten Prozessraum 3 angeordnet sein, insbesondere derart, dass jeder in dem ersten Prozessraum 3 gleichzeitig angeordneten zweiten Elektrode 9 jeweils eine separate erste Elektrode 5 zugeordnet ist. Grundsätzlich genügt es aber für die Durchführung des hier vorgeschlagenen Verfahrens, wenn in dem ersten Prozessraum 3 genau eine erste Elektrode 5 angeordnet ist.
Dem zweiten Prozessraum 7 ist insbesondere eine Heizvorrichtung 13 zugeordnet, die angeordnet und eingerichtet ist, um das flüssige Reaktionsmedium in dem zweiten Prozessraum 7 zu heizen. Insbesondere kann die Heizvorrichtung 13 in dem zweiten Prozessraum 7 angeordnet sein.
Die Verlagerungsvorrichtung 11 ist insbesondere eingerichtet, um die mindestens eine zweite Elektrode 9 abwechselnd in den ersten Prozessraum 3 und in den zweiten Prozessraum 7 zu verlagern.
Dem ersten Prozessraum 3 ist insbesondere eine Spannungsquelle 15 zugeordnet, die angeordnet und eingerichtet ist, um eine Spannung zwischen der ersten Elektrode 5 und der mindestens einen zweiten Elektrode 9 anzulegen, wenn die mindestens eine zweite Elektrode 9 in dem ersten Prozessraum 3 angeordnet ist.
Insbesondere ist es möglich, dass die elektrochemische Zellenanordnung 1 eine Mehrzahl an zweiten Elektroden 9 aufweist.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind mehrere zweite Elektroden 9 in einer ringförmig geschlossenen Anordnung miteinander verbunden. Die Verlagerungsvorrichtung 11 ist eingerichtet, um die zweiten Elektroden 9 zyklisch durch den ersten Prozessraum 3 und den zweiten Prozessraum 7 zu transportieren.
Insbesondere sind die zweiten Elektroden 9 entlang einer geschlossenen Elektrodenkette 17 in Umlaufrichtung hintereinander angeordnet, insbesondere getrennt durch elektrisch und vorzugsweise zusätzlich thermisch isolierende Abstandshalter 19. Insbesondere bilden die zweiten Elektroden 9 und die jeweils zwischen zwei zweiten Elektroden 9 angeordneten Abstandshalter 19 die Kettenglieder der geschlossenen Elektrodenkette 17. Die Verlagerungsvorrichtung 11 ist eingerichtet, um die Elektrodenkette 17 mit konstanter Umlaufrichtung entlang der geschlossenen Bahn zu fördern und damit zugleich die zweiten Elektroden 9 durch die Prozessräume 3, 7 zu transportieren.
Bei der in 1 bei a) dargestellten Ausgestaltung erfolgt der Transport zwischen den beiden Prozessräumen 3, 7 in vertikaler Richtung, wobei die Prozessräume 3, 7 insbesondere übereinander angeordnet sind. Dabei können insbesondere hier nicht dargestellte flexible Dichtlippen oder ein ebenfalls nicht dargestelltes Schleusensystem vorgesehen sein, um den ersten Prozessraum 3 und den zweiten Prozessraum 7 derart zu dichten, dass trotz der Möglichkeit, die zweiten Elektroden 9 zwischen den Prozessräumen 3, 7 zu verlagern, weder Elektrolyt noch flüssiges Reaktionsmedium entweichen kann.
Bei der in 1 bei b) dargestellten Ausgestaltung erfolgt der Transport zwischen den beiden Prozessräumen 3, 7 in horizontaler Richtung, insbesondere über Wandungen 21 der Prozessräume 3, 7 hinweg. Bei dieser Ausgestaltung können Abdichtungsmaßnahmen entfallen.
Die zweiten Elektroden 9 weisen insbesondere Nickel auf oder bestehen aus Nickel. Insbesondere weisen die zweiten Elektroden 9 eine Nickellegierung auf oder bestehen aus einer Nickellegierung. Insbesondere weisen die zweiten Elektroden 9 zumindest bereichsweise an ihrer Oberfläche eine Nickel-Hydroxid-Verbindung, insbesondere mit der Summenformel Ni(OH)₂, auf. Insbesondere bei dieser Ausgestaltung kann ein Elektrolyseverfahren durchgeführt werden, wie es in Referenz 1 beschrieben wird, wobei insbesondere die Reaktionen gemäß den Gleichungen (1) bis (3) in den Prozessräumen 3, 7 ablaufen.
Die Heizvorrichtung 13 ist insbesondere eingerichtet, um das flüssige Reaktionsmedium in dem zweiten Prozessraum auf 90 °C bis 100 °C, insbesondere auf 95 °C, zu heizen.
Im Rahmen eines Verfahrens zum Betreiben der elektrochemischen Zellenanordnung 1 wird in einem ersten Schritt die mindestens eine zweite Elektrode 9 in dem ersten Prozessraum 3 in Kontakt mit dem Elektrolyten angeordnet und insbesondere elektrisch kontaktiert, wobei mittels der Spannungsquelle 15 eine elektrische Spannung zwischen der ersten Elektrode 5 und der mindestens einen zweiten Elektrode 9 angelegt wird, wobei in einem zweiten Schritt die mindestens eine zweite Elektrode 9 mittels der Verlagerungsvorrichtung 11 aus dem ersten Prozessraum 3 in den zweiten Prozessraum 7 überführt wird, wo die zweite Elektrode 9 in Kontakt mit dem - insbesondere auf 90 °C bis 100 °C, insbesondere auf 95 °C, geheizten - flüssigen Reaktionsmedium gebracht wird. Insbesondere werden der erste Schritt und der zweite Schritt zyklisch wiederholt. Der Elektrolyt in dem ersten Prozessraum 3 wird insbesondere bei Normaltemperatur, insbesondere bei 25 °C, gehalten. Insbesondere wird als der Elektrolyt und als das flüssige Reaktionsmedium Wasser verwendet. Insbesondere wird in dem ersten Prozessraum 3 Wasserstoff und in dem zweiten Prozessraum 7 Sauerstoff freigesetzt.
2 zeigt schematische Darstellungen verschiedener Ausgestaltungen eines zweiten Ausführungsbeispiels der elektrochemischen Zellenanordnung 1.
Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die zweiten Elektroden 9 in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse A verteilt an einem Rotationskörper 23 der Verlagerungsvorrichtung 11 angeordnet, wobei der erste Prozessraum 3 und der zweite Prozessraum 7 derart relativ zu dem Rotationskörper 23 angeordnet sind, dass stets mindestens eine erste zweite Elektrode 9.1 der zweiten Elektroden 9 dem ersten Prozessraum 3 und zugleich mindestens eine zweite zweite Elektrode 9.2 der zweiten Elektroden 9 dem zweiten Prozessraum 7 zugeordnet ist. Die Verlagerungsvorrichtung 11 ist eingerichtet, um den Rotationskörper 23 um die Rotationsachse A zu drehen, sodass die zweiten Elektroden 9 zwischen dem ersten Prozessraum 3 und dem zweiten Prozessraum 7 verlagert werden.
Die elektrochemische Zellenanordnung 1 weist insbesondere eine Schaltvorrichtung 25 auf, die eingerichtet ist, um die jeweilige zweite Elektrode 9 nur dann mit Spannung zu beaufschlagen, wenn sie eindeutig und allein dem ersten Prozessraum 3 zugeordnet ist. Demgegenüber ist die Schaltvorrichtung 25 eingerichtet, um die zweite Elektrode 9 spannungslos zu schalten, sobald sie mit dem zweiten Prozessraum 7 in Kontakt ist. Die Schaltvorrichtung 25 kann einen Schalter 27 aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Schaltvorrichtung 25 einen in 3 erstmals dargestellten Schleifkontakt 29 aufweisen oder in besonders einfacher Weise als solcher Schleifkontakt 29 ausgebildet sein.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rotationskörper 23 als Vollzylinder ausgebildet. Die zweiten Elektroden 9 sind als Zylindersegmente des Vollzylinders ausgebildet und paarweise voneinander durch jeweils mindestens ein elektrisch und vorzugsweise zusätzlich thermisch isolierendes Abstandselement 31 getrennt.
In der bei a) dargestellten Ausgestaltung sind genau zwei zweite Elektroden 9 an dem Rotationskörper 23 angeordnet.
In der bei b) dargestellten Ausgestaltung sind genau vier zweite Elektroden 9 an dem Rotationskörper 23 angeordnet. Außerdem weist die elektrochemische Zellenanordnung 1 eine Wärmetransportvorrichtung 33 auf, die eingerichtet ist, um Wärme zwischen der ersten zweiten Elektrode 9.1 und der zweiten zweiten Elektrode 9.2 zu transportieren, wenn die erste zweite Elektrode 9.1 aus dem zweiten Prozessraum 7 in den ersten Prozessraum 3 und die zweite zweite Elektrode 9.2 aus dem ersten Prozessraum 3 in den zweiten Prozessraum 7 verlagert wird. Insbesondere umgreift hier die Wärmetransportvorrichtung 33 die erste zweite Elektrode 9.1 und die zweite zweite Elektrode 9.2, insbesondere als ein Wärmetauscher-Block oder ein mit einer Wärmetauscher-Flüssigkeit gefülltes Becken.
In der bei c) dargestellten Ausgestaltung sind entlang eines Umfangs des Rotationskörpers 23 eine Mehrzahl an ersten Prozessräumen 3 und eine Mehrzahl an zweiten Prozessräumen 7 angeordnet, insbesondere entlang des Umfangs alternierend.
In der bei d) dargestellten Ausgestaltung weist die elektrochemische Zellenanordnung 1 eine Mehrzahl an Rotationskörpern 23 und eine Mehrzahl an ersten und zweiten Prozessräumen 3, 7 auf. Dabei ist insbesondere jedem Rotationskörper 23 eine Mehrzahl der ersten Prozessräume 3 und eine Mehrzahl der zweiten Prozessräume 7 zugeordnet. Insbesondere wenn die Rotationskörper 23 zueinander phasenverschoben gedreht werden, kann eine kontinuierliche Prozessführung erreicht werden.
3 zeigt schematische Darstellungen verschiedener Ausgestaltungen eines dritten Ausführungsbeispiels der elektrochemischen Zellenanordnung 1.
Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel bilden die zweiten Elektroden 9 einerseits und die Abstandselemente 31 andererseits eine - gedachte oder reale - Zylinderwandung 35.
In der bei a) dargestellten Ausgestaltung ist der Rotationskörper 23 als Vollzylinder ausgebildet. Insbesondere ist es bei einem Ausführungsbeispiel möglich, dass die zweiten Elektroden 9 in den als Isolator ausgebildeten Rotationskörper 23 eingelassen sind; der Rotationskörper 23 bildet dann selbst die zwischen den zweiten Elektroden 9 angeordneten Abstandselemente 31 einteilig aus. Insbesondere bei diesem Ausführungsbeispiel, aber auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2, kann die Verlagerungsvorrichtung 11 einen Nabenmotor 36 aufweisen.
In der bei b) dargestellten Ausgestaltung ist der Rotationskörper 23 als Hohlzylinder ausgebildet, wobei die zweiten Elektroden 9 einerseits und die Abstandselemente 31 andererseits ringförmig um einen von der Zylinderwandung 35 umschlossenen, hohlen Innenraum 37 des Hohlzylinders angeordnet sind.
Die Wärmetransportvorrichtung 33 ist bei der bei b) dargestellten Ausgestaltung zwischen der sich aus dem zweiten Prozessraum 7 in den ersten Prozessraum 3 bewegenden ersten zweiten Elektrode 9.1 und der sich aus dem ersten Prozessraum 3 in den zweiten Prozessraum 7 bewegenden zweiten zweiten Elektrode 9.2 angeordnet. Insbesondere ist die Wärmetransportvorrichtung 33 in dem Innenraum 37 drehfest, das heißt gegenüber dem rotierenden Hohlzylinder ruhend, angeordnet und verbindet jeweils die einander momentan diametral gegenüberliegenden ersten und zweiten Elektroden 9.1, 9.2 thermisch miteinander. Insbesondere kann die Wärmetransportvorrichtung 33 als ein wärmeleitender Stab oder eine Heatpipe ausgebildet sein. Die Wärmetransportvorrichtung 33 kann auch eine Mehrzahl, insbesondere ein Bündel, an Stäben oder Heatpipes aufweisen. Auch eine Anordnung mehrerer hintereinandergeschalteter Heatpipes ist möglich.
Alternativ zu der bei b) dargestellten Anordnung kann die Wärmetransportvorrichtung 33 auch außen um den Umfang des Rotationskörpers 33 herumgreifen und auf diese Weise die erste zweite Elektrode 9.1 mit der zweiten zweiten Elektrode 9.2 thermisch verbinden.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der elektrochemischen Zellenanordnung 1.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist dem ersten Prozessraum 3 und dem zweiten Prozessraum 7 jeweils eine Mehrzahl an Rotationskörpern 23 zugeordnet. Dabei sind vorzugsweise Wärmetransportvorrichtungen 33 jeweils zwischen den Rotationskörpern 23 angeordnet und verbinden auf diese Weise die jeweilige erste zweite Elektrode 9.1 thermisch mit der jeweiligen zweiten zweiten Elektrode 9.2. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, dass die Wärmetransportvorrichtungen 33 eingerichtet und angeordnet sind, wie dies für das dritte Ausführungsbeispiel gemäß 3 bei b) dargestellt ist, das heißt in dem jeweiligen Innenraum 37 des jeweiligen Rotationskörpers 23.
Die Rotationskörper 23 rotieren insbesondere gleichsinnig und insbesondere auch mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit, beispielsweise gemäß der Darstellung von 4 alle im Uhrzeigersinn, oder alle gegen den Uhrzeigersinn.
Insbesondere sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel jedem Rotationskörper 23 eine separate Spannungsquelle 15 und eine separate erste Elektrode 5 zugeordnet. Alternativ ist es möglich, dass jedem Rotationskörper 23 eine separate erste Elektrode 5 zugeordnet ist, wobei jedoch alle ersten Elektroden 5 und zweiten Elektroden 9 der Rotationskörper 23 durch eine gemeinsame Spannungsquelle 15 beaufschlagt werden. Auch ist es möglich, dass in dem ersten Prozessraum 3 nur eine erste Elektrode 5 angeordnet ist, die dann allen Rotationskörpern 23 gemeinsam zugeordnet ist.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der elektrochemischen Zellenanordnung 1.
Bei diesem fünften Ausführungsbeispiel umgreift der erste Prozessraum 3 als ein äußerer Prozessraum einen Innenbereich 39 entlang einer geschlossenen, gedachten Umfangslinie. Der zweite Prozessraum 7 ist als ein innerer Prozessraum in dem Innenbereich 39 angeordnet. Mehrere Rotationskörper 23 sind entlang der gedachten Umfangslinie um den zweiten Prozessraum 7 herum angeordnet. In hier nicht explizit dargestellter Weise kann die Wärmetransportvorrichtung 33 insbesondere zwischen den Rotationskörpern 23 angeordnet sein, analog zu der Darstellung gemäß 4. Es ist aber auch eine andere Anordnung oder Ausgestaltung der Wärmetransportvorrichtung 33 möglich.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels der elektrochemischen Zellenanordnung 1 in verschiedenen Funktionsstellungen.
Bei dem sechsten Ausführungsbeispiel weist die elektrochemische Zellenanordnung 1 mindestens vier, hier insgesamt sechs zweite Elektroden 9 auf, wobei die nicht eigens dargestellte, vorzugsweise mit den zweiten Elektroden 9 mechanisch verbundene, verlagerbare Schubstangen umfassende Verlagerungsvorrichtung 11 eingerichtet ist, um die Verlagerung der zweiten Elektroden 9 derart zu steuern, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens eine der zweiten Elektroden 9 in dem ersten Prozessraum 3, mindestens eine andere der zweiten Elektroden 9 in dem zweiten Prozessraum 7, mindestens eine weitere der zweiten Elektroden 9 zwischen dem zweiten Prozessraum 7 und dem ersten Prozessraum 3 auf ihrem Weg in den ersten Prozessraum 3, insbesondere in der Wärmetransportvorrichtung 33, und noch mindestens eine weitere der zweiten Elektroden 9 zwischen dem ersten Prozessraum 3 und dem zweiten Prozessraum 7 auf ihrem Weg in den zweiten Prozessraum 7, insbesondere in der Wärmetransportvorrichtung 33, angeordnet sind. Insbesondere kann auf diese Weise eine kontinuierliche Prozessführung erreicht werden, bei der zu jedem Zeitpunkt sowohl die elektrochemische Reaktion in dem ersten Prozessraum als auch die chemische Reaktion in dem zweiten Prozessraum ablaufen.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind der erste Prozessraum 3 und der zweite Prozessraum 7 jeweils in horizontaler Richtung durchgehend ausgebildet, wobei die eingezeichneten gestrichelten Linien zur gedanklichen Unterteilung in gedachte Teil-Kompartimente für ein besseres Verständnis der Funktionsweise dienen. In einer anderen Ausgestaltung kann die elektrochemische Zellenanordnung 1 aber auch eine Mehrzahl an ersten und zweiten Prozessräumen 3, 7 aufweisen, wobei dann beispielsweise die gestrichelten Linien durch Trennwände zu ersetzen wären. Insbesondere kann die elektrochemische Zellenanordnung 1 auch als eine Zusammenschaltung einer Mehrzahl einzelner Stacks ausgebildet sein, die insbesondere zueinander phasenverschoben oder antizyklisch betrieben werden können. Der erste Prozessraum 3 ist von der Wärmetransportvorrichtung 33 durch eine erste Schleuse 41 getrennt. Der zweite Prozessraum 7 ist von der Wärmetransportvorrichtung 33 durch eine zweite Schleuse 43 getrennt. Die zweiten Elektroden 9 können jeweils durch die Schleusen 41, 43 hindurch zwischen den Prozessräumen 3, 7 verlagert werden, wobei sie dabei die Wärmetransportvorrichtung 33 passieren. Die Wärmetransportvorrichtung 33 kann beispielsweise als ein Materialblock - insbesondere mit hoher Wärmeleitfähigkeit und/oder hoher Wärmekapazität - ausgestaltet sein, der Kanäle oder Durchgangsbohrungen zur Durchführung der zweiten Elektroden 9 aufweist. Alternativ kann die Wärmetransportvorrichtung 33 auch als ein mit einer Wärmetauscher-Flüssigkeit gefülltes Becken ausgebildet sein.
Bei a) ist eine erste Funktionsstellung der elektrochemischen Zellenanordnung 1 dargestellt. Dabei sind eine erste zweite Elektrode 9.1 und eine sechste zweite Elektrode 9.6 in dem ersten Prozessraum 3 angeordnet; gleichzeitig sind eine dritte zweite Elektrode 9.3 und eine vierte zweite Elektrode 9.4 in der Wärmetransportvorrichtung 33 angeordnet, wobei sich die dritte zweite Elektrode 9.3 auf ihrem Weg von dem zweiten Prozessraum 7 in den ersten Prozessraum 3 befindet, und wobei sich die vierte zweite Elektrode 9.4 auf ihrem Weg von dem ersten Prozessraum 3 in den zweiten Prozessraum 7 befindet, schließlich sind eine zweite zweite Elektrode 9.2 und eine fünfte zweite Elektrode 9.5 in dem zweiten Prozessraum 7 angeordnet.
Bei b) ist eine zweite Funktionsstellung der elektrochemischen Zellenanordnung 1 dargestellt. Dabei sind die erste zweite Elektrode 9.1 und die zweite zweite Elektrode 9.2 sowie die fünfte zweite Elektrode 9.5 und die sechste zweite Elektrode 9.6 in der Wärmetransportvorrichtung 33 angeordnet, wobei sich die erste zweite Elektrode 9.1 und die sechste zweite Elektrode 9.6 auf ihrem Weg von dem ersten Prozessraum 3 in den zweiten Prozessraum 7 befinden, und wobei sich die zweite zweite Elektrode 9.2 und die fünfte Elektrode 9.5 auf ihrem Weg von dem zweiten Prozessraum 7 in den ersten Prozessraum 3 befinden; die dritte zweite Elektrode 9.3 ist in dem ersten Prozessraum 3 angeordnet; gleichzeitig ist die vierte zweite Elektrode 9.4 in dem zweiten Prozessraum 7 angeordnet.
Bei c) ist eine dritte Funktionsstellung der elektrochemischen Zellenanordnung 1 dargestellt. Dabei sind die zweite zweite Elektrode 9.2 und die fünfte zweite Elektrode 9.5 in dem ersten Prozessraum 3 angeordnet; gleichzeitig sind die dritte zweite Elektrode 9.3 und die vierte zweite Elektrode 9.4 wiederum in der Wärmetransportvorrichtung 33 angeordnet, wobei sich die dritte zweite Elektrode 9.3 auf ihrem Weg von dem ersten Prozessraum 3 in den zweiten Prozessraum 7 befindet, und wobei sich die vierte zweite Elektrode 9.4 auf ihrem Weg von dem zweiten Prozessraum 7 in den ersten Prozessraum 3 befindet; schließlich sind die erste zweite Elektrode 9.1 und die sechste zweite Elektrode 9.6 in dem zweiten Prozessraum 7 angeordnet.
Bei d) ist eine vierte Funktionsstellung der elektrochemischen Zellenanordnung 1 dargestellt. Dabei sind die erste zweite Elektrode 9.1 und die zweite zweite Elektrode 9.2 sowie die fünfte zweite Elektrode 9.5 und die sechste zweite Elektrode 9.6 in der Wärmetransportvorrichtung 33 angeordnet, wobei sich die erste zweite Elektrode 9.1 und die sechste zweite Elektrode 9.6 auf ihrem Weg von dem zweiten Prozessraum 7 in den ersten Prozessraum 3 befinden, und wobei sich die zweite zweite Elektrode 9.2 und die fünfte Elektrode 9.5 auf ihrem Weg von dem ersten Prozessraum 3 in den zweiten Prozessraum 7 befinden, die dritte zweite Elektrode 9.3 ist in dem zweiten Prozessraum 7 angeordnet; gleichzeitig ist die vierte zweite Elektrode 9.4 in dem ersten Prozessraum 3 angeordnet.
Damit ist ein vollständiger Zyklus des hier dargestellten Ausführungsbeispiels des Verfahrens abgeschlossen, und der nächste Zyklus beginnt vorzugsweise wiederum mit der bei a) dargestellten ersten Funktionsstellung. Insbesondere wiederholen sich die vier Funktionsstellungen zyklisch in der hier beschriebenen Reihenfolge.
Anhand der vier Funktionsstellungen wird deutlich, dass in jeder Funktionsstellung und damit insbesondere auch zu jedem Zeitpunkt sowohl die elektrochemische Reaktion in dem ersten Prozessraum 3 als auch die chemische Reaktion in dem zweiten Prozessraum 7 stattfinden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Dotan, H., Landman, A., Sheehan, S.W. et al. Decoupled hydrogen and oxygen evolution by a two-step electrochemical-chemical cycle for efficient overall water splitting. Nat Energy 4, 786-795 (2019 [0002]

Claims

Elektrochemische Zellenanordnung (1), mit einem ersten Prozessraum (3), in dem eine erste Elektrode (5) angeordnet ist, wobei der erste Prozessraum (3) eingerichtet ist, um einen Elektrolyten derart aufzunehmen, dass die erste Elektrode (5) in Kontakt mit dem Elektrolyten ist, wobei die elektrochemische Zellenanordnung (1) außerdem einen zweiten Prozessraum (7) aufweist, der eingerichtet ist, um ein flüssiges Reaktionsmedium aufzunehmen, wobei die elektrochemische Zellenanordnung (1) außerdem mindestens eine zweite Elektrode (9) und eine Verlagerungsvorrichtung (11) aufweist, die eingerichtet ist, um die mindestens eine zweite Elektrode (9) zwischen dem ersten Prozessraum (3) und dem zweiten Prozessraum (7) zu verlagern.
Elektrochemische Zellenanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei dem zweiten Prozessraum (7) eine Heizvorrichtung (13) zugeordnet ist, die angeordnet und eingerichtet ist, um das flüssige Reaktionsmedium in dem zweiten Prozessraum (7) zu heizen.
Elektrochemische Zellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verlagerungsvorrichtung (11) eingerichtet ist, um die mindestens eine zweite Elektrode (9) abwechselnd in den ersten Prozessraum (3) und in den zweiten Prozessraum (7) zu verlagern.
Elektrochemische Zellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrochemische Zellenanordnung (1) eine Mehrzahl an zweiten Elektroden (9) als die mindestens eine zweite Elektrode (9) aufweist, die in einer ringförmig geschlossenen Anordnung miteinander verbunden sind, wobei die Verlagerungsvorrichtung (11) eingerichtet ist, um die zweiten Elektroden (9) zyklisch durch den ersten Prozessraum (3) und den zweiten Prozessraum (7) zu transportieren.
Elektrochemische Zellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Mehrzahl an zweiten Elektroden (9) als der mindestens einen zweiten Elektrode (9), wobei die zweiten Elektroden (9) in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse (A) verteilt an einem Rotationskörper (23) der Verlagerungsvorrichtung (11) angeordnet sind, wobei der erste Prozessraum (3) und der zweite Prozessraum (7) derart relativ zu dem Rotationskörper (23) angeordnet sind, dass stets mindestens eine erste zweite Elektrode (9.1) der zweiten Elektroden (9) dem ersten Prozessraum (3) und zugleich mindestens eine zweite zweite Elektrode (9.2) der zweiten Elektroden (9) dem zweiten Prozessraum (7) zugeordnet ist, wobei die Verlagerungsvorrichtung (11) eingerichtet ist, um den Rotationskörper (23) um die Rotationsachse (A) zu drehen, sodass die zweiten Elektroden (9) zwischen dem ersten Prozessraum (3) und dem zweiten Prozessraum (7) verlagert werden.
Elektrochemische Zellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Mehrzahl an zweiten Elektroden (9) als der mindestens einen zweiten Elektrode (9) und einer Wärmetransportvorrichtung (33), die eingerichtet ist, um Wärme zwischen einer ersten zweiten Elektrode (9.1) und einer zweiten zweiten Elektrode (9.2) zu transportieren, wenn die erste zweite Elektrode (9.1) aus dem zweiten Prozessraum (7) in den ersten Prozessraum (3) und die zweite zweite Elektrode (9.2) aus dem ersten Prozessraum (3) in den zweiten Prozessraum (7) verlagert wird.
Elektrochemische Zellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (9) Nickel aufweist oder aus Nickel besteht.
Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Zellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in einem ersten Schritt die mindestens eine zweite Elektrode (9) in dem ersten Prozessraum (3) in Kontakt mit dem Elektrolyten angeordnet wird, wobei eine elektrische Spannung zwischen der ersten Elektrode (5) und der mindestens einen zweiten Elektrode (9) angelegt wird, wobei in einem zweiten Schritt die mindestens eine zweite Elektrode (9) aus dem ersten Prozessraum (3) in den zweiten Prozessraum (7) überführt wird, wobei die zweite Elektrode (9) in dem zweiten Prozessraum (7) in Kontakt mit dem flüssigen Reaktionsmedium gebracht wird, wobei insbesondere der erste Schritt und der zweite Schritt zyklisch wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das flüssige Reaktionsmedium in dem zweiten Prozessraum (7) geheizt wird, insbesondere auf 90 °C bis 100 °C, insbesondere auf 95 °C, wobei insbesondere der Elektrolyt in dem ersten Prozessraum (3) bei Normaltemperatur, insbesondere bei 25 °C, gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei als der Elektrolyt und als das flüssige Reaktionsmedium Wasser verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei in dem ersten Prozessraum (3) Wasserstoff und in dem zweiten Prozessraum (7) Sauerstoff freigesetzt werden.