-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Gewinnung von Sauerstoff aus Wasser, mit einer Protonenaustauschmembran
und mit auf beiden Seiten der Protonenaustauschmembran angeordneten Flächenelektroden
zur Ausbildung einer Anode einerseits und einer Kathode andererseits,
wobei auf der Anodenseite ein Raum für das Wasser vorgesehen ist,
der einen Auslass für
den gewonnenen Sauerstoff aufweist und an seinen nicht von der Protonenaustauschmembran
abgedeckten Seiten bis auf Leitungsanschlüsse abgedichtet ist, und wobei
die Kathodenseite für
Umgebungssauerstoff zugänglich ist.
-
STAND DER
TECHNIK
-
Eine Vorrichtung zur Gewinnung von
Sauerstoff der eingangs beschriebenen Art ist aus der
DE 101 11 749 A1 bekannt.
Die Protonenaustauschmembran der bekannten Vorrichtung ist eine
Polymerelektrolytmembran (PEM), wie sie auch bei der Erfindung regelmäßig zur
Anwendung kommen wird. An der Anode der Vorrichtung wird Wasser
in gasförmigen
Sauerstoff, Elektronen und N
+-Ionen aufgespalten.
Die Elektronen werden über
die Anode abgeführt
und die H
+-Ionen (Protonen) wandern durch die
PEM zur Kathode. Dort reagieren sie katalytisch unter Wiederzufuhr
der Elektronen über
einen äußeren Leiterkreis
mit Umgebungssauerstoff zu Wasser. Dieser Gesamtvorgang weist einen
elektrische Energiebilanz auf, die günstiger ist, als die Aufspaltung von
Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff, weil durch die erneute Bildung
von Wasser aus den Protonen gegenüber der Ausbildung von Wasserstoff
auf der Kathodenseite elektrische Energie eingespart wird. Der gewonnene
Sauerstoff wird gemäß der
DE 101 11 749 A1 für medizinische
Zwecke verwendet. Außer
in Bezug auf die Protonenaustauschmembran enthält die
DE 101 11 749 A1 keine
Materialangaben und Details zu dem Aufbau der Vorrichtung.
-
Eine weitere Vorrichtung zur Gewinnung
von Sauerstoff der eingangs beschriebenen Art ist aus der WO 02/34970
A2 bekannt. Über
die Offenbarung der
DE
101 11 749 A1 hinaus sind hier nähere Angaben über den
Detailaufbau der Vorrichtung vorhanden. Die auf der Anodenseite
der PEM angeordnet Flächenelektrode
wird als poröse
Anode aus einem Platingruppen-Metall beschrieben, vorzugsweise aus Iridium.
Die poröse
Anode soll über
den Anodenraum mit Wasser gefüllt
werden. Die Flächenelektrode
auf der Kathodenseite ist demgegenüber als poröse Luftkathode beschrieben,
die aus einem Platingruppenmetall/Kohlenstoff-Verbund gebildet ist,
wobei das Platingruppenmetall vorzugsweise Platin ist. An die Luftkathode
grenzt ein Kathodenraum an, durch den Luft hindurchgeführt wird.
Zur Vergrößerung der
Leistung sollen mehrere dieser Vorrichtungen gestapelt und bezüglich der
Gas-, Wasser- und Stromführung zu
einem Stack zusammengefügt
werden, wobei die Stapelung so erfolgt, dass die Zellen über Bipolarplatten
elektrisch miteinander in Kontakt stehen und die Anodenräume und
Kathodenräume
mittels Dichtrahmen gegeneinander abgedichtet sind. Hierdurch ergibt
sich ein recht komplexer, störungsanfälliger Aufbau,
und auch die Gas-, Wasser- und Stromversorgung ist relativ kompliziert.
-
Aus der
DE 199 16 240 A1 ist ein
Hydrolyseur bekannt der sich von der eingangs beschriebenen Art
dadurch unterscheidet, dass ein Wasserraum für das Wasser auf der Kathodenseite
vorgesehen ist und die Anodenseite für Umgebungssauerstoff zugänglich ist.
Konkret begrenzt eine Polymerelektrolytenmembran, die beidseitig
von Diffuserschichten bedeckt ist, welche von durchbrochenen Flächenelektroden
rückwärtig abgestützt werden,
den Wasserraum nach unten. Mit dem bekannten Hydrolyseur wird das
Wasser, welches durch die Polymerelektrolytenmembran an die Anodenseite
diffundiert, dort in Sauerstoff, Elektronen und Protonen aufgespalten. Die
Protonen wandern zurück
durch die Polymerelektrolytenmembran und bilden an der Kathodenseite unter
Wiederzuführung
der Elektronen Wasserstoff, der über
den Wasserraum aufgefangen wird. Der an der Anodenseite gewonnene
Sauerstoff wird in die Umgebung abgelassen. Bei einer aus der
DE 199 16 240 A1 bekannten
alternativen Ausführungsform
des Hydrolyseurs sind auf beiden Seiten einer vertikal ausgerichteten
Polymerelektrolytenmembran Räume für Wasser
vorgesehen, über
die einerseits der Sauerstoff und andererseits der Wasserstoff abgezogen werden,
welche durch die elektrolytische Zersetzung des Wassers gewonnen
werden.
-
Aus der
EP 0 493 331 A1 ist eine
Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon durch elektrolytische Zersetzung
von Wasser bekannt. Das Wasser wird auf der Kathodenseite eines Festelektrolyts
zugeführt. Über das
Wasser wird Wasserstoff abgezogen. Das gewünschte Ozon fällt zusammen
mit Sauerstoff auf der Anodenseite an.
-
Aus der WO 94/05051 ist eine rohrförmige Brennstoffzelle
bekannt, bei der eine rohrförmige
Kathode auf einem porösen
Trägerrohr
angeordnet ist. Auf der rohrförmigen
Kathode ist eine rohrförmige Polymerelektrolytmembran
angeordnet. Hierauf wiederum ist eine rohrförmige Kathode angeordnet. Auf die
Kathode ist ein Filament gewickelt, um eine Anpresskraft zwischen
den Elektroden und der Polymerelektrolytmembran aufzubringen. Eine
solche Anpresskraft ist wichtig, um einen möglichst geringen Innenwiderstand
einer Brennstoffzelle bereitzustellen. An ihren axialen Enden ist
der Schichtaufbau der bekannten rohrförmigen Brennstoffzelle in Endkappen
eingefasst, die eine Abdichtung der Anodenseite gegenüber der
Kathodenseite bereitstellen. Über
die Endkappen wird Sauerstoff in den Innenraum der bekannten Brennstoffzelle
eingebracht, der an der Anode in Protonen und Elektronen zerlegt
wird. Die Protonen wandern durch die Polymerelektrolytmembran und
werden an der Kathode mit Umgebungssauerstoff unter Wiederzuführung der
Elektronen zu Wasser oxidiert. Die dabei über einen äußeren Leiterkreis geführten Elektronen
können
elektrische Arbeit verrichten. D.h., mit der Brennstoffzelle wird
elektrische Energie gewonnen.
-
AUFGABE DER
ERFINDUNG
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen konstruktiven Aufbau für
eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, bei
dem die Gas-, Wasser- und Stromführung
besonders einfach realisierbar ist und der gleichzeitig besonders wirtschaftlich
herstellbar ist.
-
LÖSUNG
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine
Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff aus Wasser mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der neuen Vorrichtung
sind in den Unteransprüchen 2 bis 23 beschrieben.
-
BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Bei der neuen Vorrichtung umgibt
die Protonenaustauschmembran den Wasserraum zylindermantelabschnittförmig. Obwohl
dies nicht zwingend bedeutet, dass sich die Protonenaustauschmembran in
einem geschlossenen Ring um den Wasserraum herum erstreckt, wird
der Wasserraum auf diese Weise im Wesentlichen durch die Protonenaustauschmembran
begrenzt. Mit anderen Worten ist die Wandung des Wasserraums im
Wesentlichen eine aktive Wandung in Form der Protonenaustauschmembran, durch
die Sauerstoff aus Wasser gewonnen wird. Zugleich stellt die Protonenaustauschmembran
eine Führung
für das
Wasser und auch für
den auf der Anodenseite gewonnenen, d.h. ebenfalls im Wasserraum
vorliegenden Sauerstoff bereit. Von außen betrachtet, ist die Tatsache,
dass der Wasserraum im Wesentlichen durch die Protonenaustauschmembran
begrenzt wird, insoweit von Vorteil, als dass eine große Außenoberfläche der
Vorrichtung für
den Zugang des Umgebungssauerstoff zu der Kathodenseite der Protonenaustauschmembran
bereitgestellt ist.
-
Wie bereits angedeutet wurde, kann
dass die zylindermantelabschnittförmig Protonenaustauschmembran
ringförmig
um den Wasserraum herum geschlossen ausgebildet ist. Es kann aber
auch vorteilhaft sein, wenn die zylindermantelabschnittförmig Protonenaustauschmembran
den Wasserraum über weniger
als 360° umgibt.
Protonenaustauschmembranen stehen in der Regel als bogenförmiges Material
zur Verfügung.
Zur Ausbildung eines ringförmig
geschlossenen Zylindermantelabschnitts muss daher ein Nahtbereich
geschlossen werden. Dieses Problem wird bei einer nicht ringförmig geschlossenen Protonenaustauschmembran
auf die anderweitige Abdichtung des Wasserraums verlagert.
-
Für
die Funktion der neuen Vorrichtung ist es nicht zwingend, aber vorteilhaft,
wenn eine Zylinderachse des Wasserraums vertikal ausgerichtet ist. Zum
einen besteht in diesem Fall eine geringe Gefahr, dass aktive Bereiche
der Vorrichtung nicht mehr mit Wasser versorgt werden, wenn der
Wasserspiegel in dem Wasserraum leicht abfällt. Vielmehr beschränkt sich
der Abfall des Wasserspiegels in der Regel auf inaktive Endbereiche
der Vorrichtung. Zum anderen kann der Sauerstoff bei vertikaler
Ausrichtung des Wasserraums allein aufgrund seiner geringeren Dichte
als das Wasser aus dem Wasserraum heraus abgeführt werden. Bei einem horizontal
ausgerichteten Wasserraum ist hierzu meist eine Zwangsdurchströmung mit
Wasser zwingend erforderlich. Auch die Versorgung der Vorrichtung
auf ihrer Außenseite
mit Umgebungssauerstoff ist in der Regel gleichmäßiger, wenn die Zylinderachse
des Wasserraums vertikal ausgerichtet ist. Dies gilt sowohl dann,
denn die Sauerstoffversorgung allein auf Luftkonvektion beruht,
als auch bei einer ungeführten vertikalen
Luftanströmung
der Vorrichtung mit einem Gebläse.
-
Vorzugsweise ist der Schichtaufbau
der neuen Vorrichtung aus den Flächenelektroden
und der dazwischenliegenden Protonenaustauschmembran, die in der
Regel eine Polymerelektrolytenmembran (PEM) sein wird, auf einem
Rohrkörper
angeordnet, der für
das Wasser in dem aktiven Bereich der Vorrichtung für das Wasser
durchlässig
und an seinen beiden nicht von der Protonenaustauschmembran abgedeckten
Enden abgedichtet ist. Dieser Rohrkörper kann grundsätzlich auch
aus porösem
Material bestehen. In diesem Fall sind jedoch mit der Abdichtung
des Wasserraums an seinen beiden nicht von der Protonenaustauschmembran
abgedeckten Enden Schwierigkeiten verbunden. Bevorzugt ist es daher,
wenn ein Rohrkörper
mit einem Mittelbereich und zwei Endbereichen vorgesehen ist, wobei
der Rohrkörper
in seinem Mittelbereich mit Durchbrechungen versehen ist, die in
den Endbereichen nicht vorhanden sind, und wenn die Protonenaustauschmembran über dem
durchbrochenen Mittelbereich des Rohrkörpers angeordnet und gegenüber den
Endbereichen des Rohrkörpers
abgedichtet ist.
-
Wenn die Protonenaustauschmembran
nicht ringförmig
geschlossen ist, versteht es sich, dass der Mittelbereich mit den
Durchbrechungen nur innerhalb der Protonenaustauschmembran vorzusehen
ist und dass die Protonenaustauschmembran auch an ihren Enden in
Umfangsrichtung gegenüber
dem Rohrkörper
abzudichten ist Die Durchbrechungen in dem Rohrkörper sollten eine möglichst
ganzflächige
Versorgung des aktiven Bereichs der Vorrichtung mit Wasser ermöglichen.
Einfach praktizierbar und effektiv kann der Rohrkörper in
seinem Mittelbereich mit durchgehenden Schlitzen und dazu quer verlaufenden
Kanälen
in seiner Außenoberfläche versehen sein,
so dass ein gitterförmiges
Netz von wasserführenden
Ausnehmungen an der Außenoberfläche des Rohrkörpers vorliegt.
Dabei können
die durchgehenden Schlitze in axialer Richtung oder auch wendelförmig um
die Zylinderachse verlaufen. Hieraus resultieren jeweils unterschiedliche
Auswirkungen auf die Formstabilität des Rohrkörpers in seinem Mittelbereich.
-
Beispielsweise resultiert aus axial
verlaufenden Schlitzen in dem Rohrkörper eine radiale Weichheit
des Rohrkörpers.
Dies kann nachteilig sein, wenn eine größere Anpresskraft der Flächenelektroden
gegen die Protonenaustauschmembran aufgebracht werden soll, um den
Innenwiderstand der neuen Vorrichtung klein zu halten. Daher können zum Ausgleich
Abstützringe
in dem Rohrkörper
angeordnet werden, um diese Anpresskräfte abzustützen. Mindestens ist ein solcher
Abstützring
in dem Rohrkörper
anzuordnen, wobei der Abstützring
starr oder elastisch sein kann. Mit einem elastischen Abstützring kann
die gewünschte
Anpresskraft für
die Flächenelektroden
an die Protonenaustauschmembran bei der neuen Vorrichtung als Gegenkraft
zu einer elastischen Verformung des Abstützrings aufgebracht werden.
Ein starrer Abstützring
kann nur eine anderweitig aufgebrachte Anpresskraft abstützen.
-
Ein starrer Abstützring kann beispielsweise mit
einer oberhalb der Flächenelektrode
auf der Kathodenseite vorgesehenen Bewicklung aus einem zugelastischen
und vorgespannten Material kombiniert werden. In diesem Fall bringt
diese Bewicklung die Anpresskraft zum Anpressen der Flächenelektroden
an die Protonenaustauschmembran auf. Eine Bewicklung aus einem nicht-zugelastischen
Material kann demgegenüber
mit einem elastischen Abstützring
kombiniert werden. Es ist auch sowohl eine Bewicklung aus einem
zugelastischen Material als auch die Anordnung von elastischen Abstützringen
in dem Rohrkörper
möglich.
Selbst die Kombination starrer Abstützringe und einer Bewicklung
aus nicht-zugelastischem Material kann funktionsfähig sein,
wenn die Anpresskraft anderweitig aufgebracht wird, beispielsweise
durch eine elastische Zwischenlage des Schichtaufbaus der neuen
Vorrichtung. In jedem Fall ist die Bewicklung so auszubilden, dass
ihre Windungen auf Abstand zueinander verlaufen, damit der Zugang
des Umgebungssauerstoffs zu der Kathodenseite der neuen Vorrichtung
nicht behindert wird.
-
Um einerseits eine ganzflächige Versorgung der
neuen Vorrichtung auf ihrer Anodenseite mit Wasser sicherzustellen
und andererseits an der Flächenelektrode
auf der Anodenseite konzentriert auf die Sauerstofferzeugung Wasser
in Form von Dampf zur Verfügung
zu stellen, um den Wasserverbrauch der neuen Vorrichtung zu begrenzen,
kann auf der der Protonenaustauschmembran abgekehrten Innenseite
dieser Flächenelektrode
eine mikroporöse Schicht
angeordnet sein.
-
Sowohl die Flächenelektrode auf der Anodenseite
als auch die Flächenelektrode
auf der Kathodenseite kann bei der neuen Vorrichtung aus Metall
ausgebildet sein. Konkret ist die Ausbildung der Flächenelektroden
auf der Basis von Titanstreckmetall bevorzugt. Die Verwendung von
Flächenelektroden
auf der Basis von Titanstreckmetall ist im Übrigen nicht nur bei der neuen
Vorrichtung von Vorteil. Mit ihr kann auch der Aufbau von Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen
und -hydrolyseuren grundsätzlich
verbessert werden. Bekannt ist die Verwendung von Flächenelektroden
auf der Basis von Titanstreckmetall bei der Chloralkalielektrolyse.
Hier wird in der Regel platiniertes Titanstreckmetall eingesetzt. Bei
der neuen Vorrichtung ist es bevorzugt, wenn die Flächenelektrode
auf der Anodenseite aus flachgepresstem und platiniertem Titanstreckmetall
besteht. Aufgrund seiner Herstellung aus zunächst gelochtem und dann gestreckten
Metallblechen weist Titanstreckmetall eine dreidimensionale Struktur
auf. Diese ist für
die Ausbildung der Flächenelektrode
auf der Anodenseite der neuen Vorrichtung in der Regel nicht bevorzugt,
weil beim Eindrücken
der dreidimensionalen Struktur in die Protonenaustauschmembran die Protonenaustauschmembran
verletzt werden kann. Diese Verletzungsgefahr kann durch Flachpressen des
Titanstreckmetalls beseitigt werden. Die Platinierung der Flächenelektrode
auf der Anodenseite dient dem Schutz der Flächenelektrode vor Oxidation durch
den dort nascierenden Sauerstoff. Die Platinierung kann elektrolytisch
erfolgen und wird vorzugsweise nach dem Flachpressen vorgenommen.
-
Auf der Kathodenseite kann die Flächenelektrode
ebenfalls aus flachgepresstem und platiniertem Streckmetall ausgebildet
sein. Aus Kostengründen kann
aber auch unmittelbar Titanstreckmetall für diese Flächenelektrode verwendet oder
zumindest einer der Bearbeitungsschritte eingespart werden. Auf
der Kathodenseite besteht in der Regel keine Gefahr der Beschädigung der
Protonenaustauschmembran, weil zumindest zwischen der Flächenelektrode
auf der Kathodenseite und der Protonenaustauschmembran eine Diffusionsschicht
angeordnet ist.
-
Bei dem hier angesprochenen Titanstreckmetall
für die
Flächenelektroden
handelt es sich um eine solches mit einer Lochgröße von ungefähr 1 × 2 mm bei
einer Dicke der dreidimensionalen Ausgangsstruktur von etwa 0,5
bis 1 mm. Durch das Flachpressen reduziert sich diese Dicke auf
etwa 0,3 bis 0,6 mm, und auch die Lochgrößen werden etwas kleiner. Die
Stärke
der aufzutragenden Platinschicht liegt typischerweise im Bereich
von 0,5 bis 5 μm.
-
Auch zwischen der Flächenelektrode
auf der Kathodenseite und der Protonenaustauschmembran kann mindestens
eine mikroporöse
Schicht vorgesehen sein. Wenn hier auch eine elektrisch besonders gut
leitende sowie Wasser- und gasdurchlässige Diffusionsschicht vorgesehen
ist, kann die zusätzliche mikroporöse Schicht
innerhalb und/oder außerhalb dieser
rohrförmigen
Diffusionsschicht angeordnet sein.
-
Es wurde bereits angesprochen, dass
bei allen Schichtaufbauten mit einer zentralen Protonenaustauschmembran,
insbesondere mit einer Polymerelektrolytmembran, der Innenwiderstand
ein wichtiges Kriterium ist. Dies gilt auch für die neue Vorrichtung. Dabei
wird der Innenwiderstand des Schichtaufbaus nicht nur durch den
Widerstand zwischen den Flächenelektroden
beiderseits der Protonenaustauschmembran bestimmt, sondern sogar insbesondere
durch den Kontaktwiderstand von elektrischer Zuleitungen zu den
Flächenelektroden.
Das Problem dieser Kontaktwiderstände wird bei der neuen Vorrichtung
dadurch gelöst,
dass die Flächenelektroden
durch Spannringe elektrisch kontaktiert werden. Die Spannringe liegen über ihren
gesamten Umfang an den Flächenelektroden
an. Dabei kann die Breite des Kontaktbereichs relativ groß gewählt werden.
Es können
auch relativ große
Kontaktkräfte
zur Anwendung kommen, da diese Spannringe idealer Weise in den Endbereichen
eines Rohrkörpers
angeordnet sind, in denen dieser eine hohe Verformungsstabilität gegenüber Durchmesserreduzierungen
aufweist. Vorzugsweise wird jede der zwei Flächenelektroden der neuen Vorrichtung
durch einen oberen und einen unteren Spannring elektrisch kontaktiert und
hierdurch auch mechanisch gehalten. Auf diese Weise wird eine sehr
homogene Stromzuleitung gewährleistet.
-
Die Kontaktierung von Flächenelektroden durch
Spannringe kann auch bei einer rohrförmigen Brennstoffzelle vorteilhaft
angewandt werden.
-
Zudem können die Spannringe zur Kontaktierung
der Flächenelektrode
auf der Kathodenseite auch dazu genutzt werden, um über die
Flächenelektrode
auf der Kathodenseite eine Dichtkraft zur Abdichtung zwischen der
Protonenaustauschmembran und dem Endbereich des Rohrkörpers aufzubringen. Die
Flächenelektrode
auf der Anodenseite liegt zwischen dem Endbereich des Rohrkörpers und
der Protonenaustauschmembran. Wenn dabei Durchbrechungen in diesem
Bereich der Flächenelektrode
auf der Anodenseite vorgesehen sind, müssen sie mit einem Dichtmaterial
ausgefüllt
werden. Hierzu kann beispielsweise Teflonband oder zähflüssiges Silikon verwendet
werden, von dem umgeben die Flächenelektrode
auf der Anodenseite zwischen dem Rohrkörper und der Protonenaustauschmembran
angeordnet wird und das in die Durchbrechungen fließt.
-
Auch die Enden in Umfangsrichtung
einer nicht ringförmig
geschlossenen Protonenaustauschmembran können mit Hilfe von Spannringen,
die beispielsweise einen Druckbalken endseitig an dem Rohrkörper abstützen, gegenüber dem
Rohrkörper abgedichtet
sein.
-
Eine Vorrichtung zur Gewinnung von
Sauerstoff aus Wasser des hier beschriebenen Typs arbeitet mit einer
Betriebsspannung im Bereich von typischerweise 0,6 bis 1,3 Volt,
weil durch die neuerliche Reaktion der durch die Protonenaustauschmembran gewanderten
Protonen mit Umgebungssauerstoff zu Wasser nicht die volle Potentialdifferenz
von 1,4 Volt benötigt
wird, ab der eine elektrolytische Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff
und Sauerstoff möglich ist.
Umgekehrt stellt der Betrieb der neuen Vorrichtung bei einer Betriebsspannung
von maximal 1,3 Volt sicher, dass kein Wasserstoffgas an der Kathodenseite
anfällt,
das ein Knallgasgemisch bilden könnte.
Zur Vermeidung der unbeabsichtigten Bildung eines Knallgasgemisches
ist es bei der neuen Vorrichtung daher bevorzugt, wenn die Flächenelektrode
auf der Anodenseite und der Kathodenseite über eine Spannungsbegrenzungseinrichtung
miteinander verbunden sind, die die Spannung zwischen den Flächenelektroden
auf einen wert von 0,6 bis 1,3 Volt begrenzt. Bei dieser Spannungsbegrenzungseinrichtung
kann es sich um eine entsprechend abgestimmte Zener-Diode handeln.
-
Der Wasserraum der neuen Vorrichtung kann
ein Ringraum sein. D.h., der Wasserraum muss keine volle Zylinderform
haben. Wenn der Wasserraum ein Ringraum ist, kann seine innere Begrenzung
grundsätzlich
den umgekehrten Schichtaufbau aufweisen, um zusätzliche aktive Bereiche für die Gewinnung
von Sauerstoff aus Wasser auszubilden. Aufgrund der dort kleineren
Oberfläche
ist dies aber nicht bevorzugt. Vielmehr grenzt der Ringraum an seiner
axialen Innenseite vorzugsweise an eine Kühleinrichtung an, um bei dem
Betrieb der neuen Vorrichtung anfallende Wärmeenergie abzuführen. Dabei
kann es sich um einfache Kühlrippen
an der axialen Innenseite des Ringraums handeln, an denen ein Kühlfluidum
durch einen von dem Ringraum umschlossenen Innenräumen entlang
geführt
wird. Dieses Kühlfluidum
kann Kühlluft
oder auch eine Kühlflüssigkeit,
wie beispielsweise Wasser, sein.
-
Eine Kühlung der neuen Vorrichtung
kann auch dadurch bewirkt werden, dass ein den Wasserraum umfassender
Wasserkreislauf vorgesehen ist, der weiterhin eine Pumpeinrichtung
und einen Sauerstoffabscheider aufweist. Mit dem in Wasserkreislauf geführten Wasser
wird der gewonnene Sauerstoff aus dem Wasserraum abgeführt. Gleichzeitig
wird die dort von dem Wasser aufgenommene Wärmeenergie mitgenommen und
sie kann in einem Wärmetauscher
an ein Kühlmedium
abgegeben werden.
-
Die neue Vorrichtung kann unter Überdruck betrieben
werden, um insbesondere das Gasvolumen des auf der Anodenseite gewonnenen
Sauerstoffs einzuengen. Hierzu ist auf der Kathodenseite ein Überdruckraum
vorzusehen ist, in den der Umgebungssauerstoff mit einem Verdichter
einzubringen ist. Der Überdruck
auf der Anodenseite ist durch die dort Erfolgende Sauerstoffgewinnung
aufbaubar. Um eine Beschädigung
der Protonenaustauschmembran durch einen Differenzdruck zwischen
ihrer Anoden- und ihrer Kathodenseite zu verhindern ist weiterhin eine
Differenzdruckbegrenzungseinrichtung für den Differenzdruck zwischen
dem Wasserraum und dem Druckraum vorzusehen. Ein geeignetes Differenzdrucksicherheitsventil
ist in der
DE 100
53 609 A1 beschrieben.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand
von zwei in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen
weiter erläutert
und beschrieben.
-
1 zeigt
eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform
der neuen Vorrichtung und
-
2 zeigt
eine teilweise geschnittene zweite Ausführungsform der neuen Vorrichtung.
-
FIGURENBESCHREIBUNG
-
1 zeigt
eine erste Ausführungsform
einer Vorrichtung 20 zur Gewinnung von Sauerstoff aus Wasser 16,
das der Vorrichtung 20 über
Leitungsanschlüsse 10 von
unten zugeführt
wird. Die Leitungsanschlüsse 10 führen durch
einen unteren Deckel 9 eines Rohrkörpers 1, der an seinem
unteren Ende ansonsten durch den Deckel 9 verschlossen ist.
An seinem oberen Ende wird der Rohrkörper 1 durch einen
Deckel 31 verschlossen, durch den über Leitungsanschlüsse 27 ein
Wasser- und Sauerstoffgemisch 17 aus der Vorrichtung 20 austritt.
Der Sauerstoff wird in der Vorrichtung 20 durch Aufspaltung des
Wassers 16 in Sauerstoff, Elektronen und Protonen an einer
Flächenelektrode 2 erreicht,
die rohrförmig
auf dem Rohrkörper 1 angeordnet
ist. Die Gegenelektrode zu der mit hier nicht dargestellten Durchbrechungen
versehenen Flächenelektrode 2 ist eine
ebenfalls durchbrochene Flächenelektrode 6, die
den Rohrkörper 1 ebenfalls
rohrförmig
umgibt. Zwischen den Flächenelektroden 2 und 6 sind
dabei eine innere Diffusionsschicht 3, eine als Polymerelektrolytmembran
(PEM) ausgebildete Protonenaustauschmembran 4 und eine äußere Diffusionsschicht 5 angeordnet.
Die Flächenelektrode 2 liegt
bei der Vorrichtung 20 auf der Anodenseite 22 der
Protonenaustauschmembran 4, während die Flächenelektrode 6 auf
deren Kathodenseite angeordnet ist. Die Elektronen von der Aufspaltung
des Wassers werden über
einen hier nicht dargestellten äußeren Stromkreislauf
unter Verrichtung von elektrischer Arbeit von der Flächenelektrode 2 Anodenseite 22 zu
der Flächenelektrode 6 auf
der Kathodenseite 23 transportiert. Die Protonen gelangen
durch die Protonenaustauschmembran 4 von der Anodenseite 22 auf
die Kathodenseite 23. Dorf reagieren sie mit Umgebungssauerstoff 18,
für den
die Kathodenseite 23 zugänglich ist, und den über den äußeren Stromkreislauf
geführten
Elektronen zu Wasser, wobei ein Teil der für die Hydrolyse des Wassers 16 verwendeten elektrischen
Energie zurückgewonnen
wird. Dieser Vorgang läuft
daher bei einer Spannung zwischen der Anodenseite 22 und
der Kathodenseite 23 im Bereich von typischerweise 0,6
bis 1,3 Volt ab. Bei dieser Spannung ist keine direkte Hydrolyse
von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff möglich. Das auf der Kathodenseite 23 gebildete
Wasser kann durch die Diffusionsschichten 5 und 3 sowie
die Protonenaustauschmembran in gewissem Umfang auf die Anodenseite 22 zurückdiffundieren.
Zu einem anderen Teil tritt es gasförmig in die Umgebung der Vorrichtung 20 über. Insbesondere
wenn die Vorrichtung 20 mit Luft angeblasen wird, um sie
mit Umgebungssauerstoff 18 zu versorgen, erfolgt hierbei
eine automatische Abfuhr von überschüssigem Wasser.
Der Schichtaufbau der Vorrichtung 20 aus den Flächenelektroden 2 und 6,
den Diffusionsschichten 3 und 5 und der Protonenaustauschmembran 4 wird
von dem Rohrkörper 1 abgestützt, und
er ist gegenüber
dem Rohrkörper 1 abgedichtet.
Der Rohrkörper 1 umschließt in seinem
Inneren einen Wasserraum 24 für Wasser 16, der sich
durch Schlitze 21 in dem Rohrkörper 1 bis an die
Flächenelektrode 2 erstreckt.
D.h., der Wasserraum 24 ist auf der Anodenseite der Protonenaustauschmembran 4 vorgesehen.
Durch die Schlitze 21 in dem Rohrkörper 1, die parallel
zu dessen Zylinderachse 19 verlaufen, ist die Steifigkeit
des Rohrkörpers 1 in
seinem Mittelbereich 25 geschwächt. Um den Schichtaufbau 2 bis 6 dennoch
so fest abzustützen,
dass eine Anpresskraft zwischen den Flächenelektroden 2 und 6 aufgebracht
werden kann, sind Abstützringe 11 im
Inneren des Rohrkörpers 1 und
dessen Mittelbereich 25 angeordnet. Die Abstützringe 11 stützen hier
eine Anpresskraft ab, die durch eine äußere Bewicklung 13 aus
einem zugelastischen Material auf die Flächenelektrode 6 auf
der Kathodenseite 23 aufgebracht wird. Durch die Anpresskraft
zwischen den Flächenelektroden 2 und 6, den
Diffusionsschichten 3 und 5 und der Protonenaustauschmembran 4 wird
ein elektrischer Innenwiderstand des Schichtaufbaus 2 bis 6 in
Grenzen gehalten. Die Abdichtung des Schichtaufbaus 2 bis 6 erfolgt
gegenüber
den Endbereichen 26 des Rohrkörpers 1, in denen
keine Schlitze 21 vorgesehen sind. Hier sind umlaufende
Dichtungen 7 vorgesehen, die die Protonenaustauschmembran 4 einschließen und durch
die Flächenelektrode 2 auf
der Anodenseite 22 gegenüber dem Rohrkörper 1 abdichten.
Die Abdichtkraft wird unabhängig
von der Bewicklung 13 über
Spannringe 8 aufgebracht, die die Flächenelektrode 6 oberhalb
der Dichtungen 7 umschließen und die mit Spannschrauben 29 anziehbar
sind. Soweit auch oberhalb der Endbereiche 26 des Rohrkörpers 1 Durchbrechungen
in der Flächenelektrode 2 vorgesehen
sind, werden diese von der Dichtung 7 verschlossen und
die Dichtung 7 dichtet die Protonenaustauschmembran 4 unmittelbar
gegenüber
dem Rohrkörper 1 ab.
Soweit die Durchbrechungen in der Flächenelektrode 2 sich
nicht bis in die Endbereiche 26 des Rohrkörpers 1 erstrecken,
reicht eine Abdichtung der Protonenaustauschmembran 4 gegenüber der
Flächenelektrode 2 aus,
die dann aber ihrerseits gegenüber
dem Rohrkörper 1 abzudichten
ist. Die Spannringe 8 haben neben der Bereitstellung einer Dichtkraft
eine weitere wesentliche Funktion in der Vorrichtung 20, indem sie
für eine
Stromanschluss für die
Flächenelektrode 6 mit
geringem Kontaktwiderstand zur Verfügung stehen. Zu diesem Zweck
ist an mindestens einem der Spannringe 8 ein Kathodenanschluss 14 vorgesehen.
Bei Kathodenanschlüssen 14 an
beiden Spannringen 8 kann eine besonders homogene Verteilung
der Stromzuführung
zu der Flächenelektrode 6 sichergestellt
werden. Natürlich
wird mit den Spannringen 8 bzw. den Spannschrauben 29 auch
eine mechanische Grundsicherung des Schichtaufbaus 2 bis 6 an
dem Rohrkörper 1 erreicht. Für eine Stromabführung von
der Flächenelektrode 2 auf
der Anodenseite 22 sind ebenfalls Spannringe 28 vorgesehen,
die mit Spannschrauben 30 beaufschlagbar sind und die in
Richtung der Zylinderachse 19 des Rohrkörpers 1 oberhalb und
unterhalb des Schichtaufbaus 2 bis 6 an der Flächenelektrode
anliegen. Die Spannschrauben 30 dienen primär der Reduzierung
des Kontaktwiderstands zwischen den Spannringen 28 und
der Flächenelektrode 2.
Sie können
aber auch zusätzliche
Dichtkräfte
zwischen dem Randbereich der Flächenelektrode 2 und
den Endbereichen 26 des Rohrkörpers 1 aufbringen.
Auch hier ist es wieder bevorzugt, wenn an beiden Spannringen 28 Anodenanschlüsse 15 vorgesehen
sind. Die Flächenelektroden 2 und 6 sind
in jedem Fall über dem
Mittelbereich 25 des Rohrkörpers 1 mit Durchbrechungen
versehen, um zum einen den Durchtritt von Wasser 16 bzw.
Protonen auf der Anodenseite 22 und auf der anderen Seite
die Reaktion von Umgebungssauerstoff 18 mit den Protonen
auf der Kathodenseite 23 zu ermöglichen. Dabei ist auf der
Anodenseite 22 eine hohe chemische Widerstandsfähigkeit
gegen den dort nascierenden Sauerstoff notwendig. Sowohl auf der
Anodenseite 22 als auch auf der Kathodenseite 23 ist
es darüber
hinaus bevorzugt, die jeweiligen chemischen Prozesse katalytisch zu
unterstützen.
Als besonders gut geeignetes Material für die Flächenelektrode 2 auf
der Anodenseite 22 hat sich Titanstreckmetall herausgestellt,
welche flachgepresst und anschließend platiniert wurde. Auf der
Kathodenseite 23 kann Titanstreckmetall unmittelbar, d.h.
ohne Flachdrücken
oder Platinieren für die
Flächenelektrode 6 eingesetzt
werden. Durch eine vertikale Ausrichtung des Rohrkörpers 1,
d.h. seiner Zylinderachse 19 entweicht der in der Vorrichtung 20 gewonnene
Sauerstoff aufgrund seiner geringeren Dichte als das Wasser 16 automatisch
durch die Leitungsanschlüsse 27 nach
oben aus dem von dem Rohrkörper 1 umschlossenen
Wasserraum 24. Es kann aber auch eine Zwangsdurchströmung des Rohrkörpers 1 vorgesehen
sein, mit der gleichzeitig eine Kühlung der Vorrichtung 20 realisierbar
ist, in der immer ein Teil der zugeführten elektrischen Energie
auch in Wärme
umgesetzt wird.
-
Die in 2 gezeigte
Ausführungsform
der neuen Vorrichtung unterscheidet sich von derjenigen in 1 durch eine andere Form
der Aufbringung der Anpresskraft auf den Schichtaufbau 2 bis 6,
d.h. zwischen den die Diffusionsschichten 3 und 5 und
die Protonenaustauschmembran 4 einschließenden Flächenelektroden 2 und 6.
Gemäß 2 wird eine elastische Anpresskraft
auf den Schichtaufbau 2 bis 6 von innen, d.h. über den
Rohrkörper 1 aufgebracht. Abgestützt wird
diese elastische Anpresskraft von außen, indem die Bewicklung 13 hier
aus nicht zugelastischem Material ausgebildet ist. Aufgebracht wird die
elastische Anpresskraft durch hier geschlitzte Abstützringe 11 im
Inneren des Rohrkörpers 1,
die durch Federringe 12 elastisch aufgeweitet werden und
somit ihrerseits den geschlitzten Mittelbereich 25 des
Rohrkörpers 1 elastisch
aufweiten. Ansonsten sind keine grundsätzlichen Unterschiede zwischen dem
Aufbau der Vorrichtung 20 gemäß 1 und 2 gegeben.
Es ist auch anzumerken, dass bei der Vorrichtung 20 die
Anpresskraft auf den Schichtaufbau 2 bis 6 sowohl
elastisch von außen über eine
zugelastische Bewicklung 13 als auch von innen über elastische
Abstützringe 11 aufgebraucht werden
könnte.
-
Weiterhin ist festzustellen, dass
die in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen
der Vorrichtung 20 grundsätzlich auch als Brennstoffzellen
oder Hydrolyseure zur hydrolytischen Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff
und Wasserstoff vorteilhaft einsetzbar wären. Bei einer Brennstoffzelle würde der
Wasserraum 24 nicht für
die Zufuhr von Wasser sondern beispielsweise für die Versorgung der Brennstoffzelle
mit Wasserstoff verwendet werden.
-
Besonders gut sind die hier beschriebenen konstruktiven
Aufbauten auch für
Vorrichtungen geeignet, die in Ihrer Funktion zwischen einer Brennstoffzelle
und einem Hydrolyseur umschaltbar sind, um wechselweise elektrische
Energie unter Verbrauch von Wasserstoff bereitzustellen und elektrische
Energie in Form von Wasserstoff zu speichern. Dazu sind die Aufbauten
mit Einrichtungen zu kombinieren, die Ihren Gas- und Wasserhaushalt
beispielsweise mit Hilfe von durch eine elektronische Steuerung
schaltbaren Magnetventilen sowie ihren Stromhaushalt managen.
-
- 1
- Rohrkörper
- 2
- Flächenelektrode
- 3
- Diffusionsschicht
- 4
- Protonenaustauschmembran
- 5
- Diffusionsschicht
- 6
- Flächenelektrode
- 7
- Dichtung
- 8
- Spannring
- 9
- Deckel
- 10
- Leitungsanschluss
- 11
- Abstützring
- 12
- Federring
- 13
- Bewicklung
- 14
- Kathodenanschluss
- 15
- Anodenanschluss
- 16
- Wasser
- 17
- Wasser
+ Sauerstoff
- 18
- Umgebungssauerstoff
- 19
- Zylinderachse
- 20
- Vorrichtung
- 21
- Schlitz
- 22
- Anodenseite
- 23
- Kathodenseite
- 24
- Wasserraum
- 25
- Mittelbereich
- 26
- Endbereich
- 27
- Leitungsanschluss
- 28
- Spannring
- 29
- Spannschraube
- 30
- Spannschraube
- 31
- Deckel