DE2918116A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die elektrolytische trennung der bestandteile eines gasgemisches - Google Patents

Verfahren und vorrichtung fuer die elektrolytische trennung der bestandteile eines gasgemisches

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Description

U. Mai 19/»
Giner, Inc.
Waltham, Mass., V.St.A.
Verfahren und Vorrichtung für die elektrolytische Trennung der Bestandteile eines Gasgemisches
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die elektrolytische Trennung der Bestandteile eines Gasgemisches. Insbesondere betrifft die Erfindung eine passive oder autoelektrolytische Gasübertragungsvorrichtung, die keine äußere Ansteuer-Stromquelle benötigt.
Derzeit besteht ein Bedürfnis für die Entwicklung von Energiequellen, die zuverlässig, umweltfreundlich und wirtschaftlich sind. Ein nicht ganz neuer Vorschlag bezieht sich auf die Vergasung von Kohle. Insbesondere in einem Sauerstoffeinblas-Vergaser wird Kohle einer Oxydation entsprechend folgender Gleichung unterworfen:
C1CKi 1 I O2 ■ H2 co2 - I- CO H
CO + co + H2 + C°2 .
H2O h °2
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Bei Vergasern mit Lufteinblasung enthält der Gasstrom neben CO2 + H2 große Mengen an Stickstoff. In vielen Fällen ist es nötig, die gasförmigen Bestandteile des gebildeten Gemisches zu trennen. Für die Gastrennung sind verschiedene Verfahren bekannt, einschließlich der Führung des Gasgemisches entlang einer Schranke oder Sperre, etwa einer für Sauerstoff selektiv durchlässigen Palladium-Silber-Membran, oder der Kontaktierung des Gasgemisches mit einem Stoff, etwa Alkanolamin, der selektiv Kohlendioxid absorbiert. Weiterhin sind elektrolytische Pumpen bekannt, wobei die Bestandteile eines Wasserstoff-Kohlendioxid-Stroms zur Anode einer Brennstoffzelle gefördert werden und reiner Sauerstoff zur Rückgewinnung zur Kathode der Brennstoffzelle übertragen wird.
Obgleich die genannten Verfahren sämtlich erfolgreich angewandt werden können, sind sie sämtlich mit Problemen behaftet. Beispielsweise sind die genannten Palladium-Silber-Abscheider, bedingt durch die Kosten und den Fertigungsaufwand für die Palladium-Silber-Membran, teuer. Um wirksam zu sein, müssen die Membranen zudem sehr dünn sein, so daß sie für Durchlöcherung anfällig sind und Verunreinigungsgase durchlassen können. Zeitweilig werden die Membranen durch im Gasgemisch enthaltene Verunreinigungen verschmutzt. Die Trennung von Kohlendioxid durch Kontaktierung mit einem Alkanolamin ist unwirtschaftlich und erfordert eine komplexe Anlage. Außerdem vermögen Anlagen zur Trennung von CO2 vom Gasstrom nicht den Stickstoff aus dem rückgewonnenen Wasserstoff abzutrennen. Bei diesen Anlagen ist daher die Verwendung von Vergasern mit Wind- bzw. Lufteinblasung unmöglich, so daß mit reinem Sauerstoff arbeiten-
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de Vergaser eingesetzt werden müssen. Obgleich mit den erwähnten elektrolytischen Pumpen einige Probleme vermieden werden können, erfordern sie eine äußere Stromquelle für den Betrieb der Brennstoffzelle, so daß der Gesamtwirkungsgrad entsprechend niedrig ist,
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung für die Trennung der Bestandteile eines Gasgemisches, die sicher, zuverlässig und wirksam bzw. wirtschaftlich sein sollen.
Die Erfindung bezweckt auch die Schaffung eines elektroIytischen Separators bzw. Abscheiders, der passiv ist, d.h. keine äußere Stromquelle benötigt, und einen verbesserten Gesamtwirkungsgrad besitzt.
Die genannte Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Maßnahmen und Merkmale gelöst.
Der erfindungsgemäße Gasseparator umfaßt eine elektrolytische Vorrichtung, die im wesentlichen eine Elektrolysezelle mit zwei nicht-verzehrenden Elektroden, nämlich einer Anode und einer Kathode, ist, sowie ein die Anode und die Kathode voneinander trennendes Ionenübertragungs- bzw. -austauschmedium (ion-transfer medium). Im Gegensatz zu der bisher für die elektrolytische Spaltung von Gasen benutzten elektrolytischen Pumpe benötigt der passive elektrolytische Separator keine äußere Stromquelle. .Vielmehr ist dabei die Elektrolysezelle kurzgeschlossen, d.h. Anode und Kathode sind elektronisch verbunden; und die Treibkraft für die Vorrichtung wird von einem Partialdruckunterschied gewonnen, der zwischen oder über Anode und Kathode der Zelle besteht.
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Obgleich der erfindungsgemäße Separator auf noch zu beschreibende Weise für die Trennung der Bestandteile verschiedener Gasgemische eingesetzt werden kann, einschließlich wasserstofffreier Gemische, ist die Erfindung der Einfachheit halber zunächst anhand einer passiven elektrolytischen Wasserstoffaustausch- oder -übertragungsvorrichtung beschrieben, die in Kurzschlußkonfiguration beschrieben wird, wobei die Treibkraft für die Vorrichtung vom Wasserstoff-Partialdruckunterschied zwischen Anode und Kathode gewonnen wird. Die Größe der Treibkraft bestimmt sich durch den Potentialunterschied zwischen Anode und Kathode, welcher gemäß folgender Nernstscher Gleichung auf die Wasserstoff-Partialdrücke bezogen ist:
in £
worin P, den Partialdruck des Wasserstoff liefernden Systems (Strom mit hohem H2-Partialdruck oder Anodenstrom) und P= den Partialdruck des den Wasserstoff
Cl
aufnehmenden Systems oder Stroms (Strom mit niedrigem Wasserstoff-Partialdruck oder Kathodenstrom) bedeuten.
Die Größe der Wasserstoffübertragung (pro Flächeneinheit) wird üblicherweise durch die Stromdichte i ausgedrückt, die bezogen auf ΔE (und P-, und P ) gemäß
et a
einer ersten Näherung
ι = RT Pd
r 2 ρ in p~
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ist, worin r einen Widerstand bedeutet, welcher den ohmschen Widerstand und einen Elektrodenpolarisationswiderstand einschließt.
Ein für die Gewährleistung einer Gastrennung ausreichender Partialdruckunterschied wird dadurch erreicht, daß mit einem Wasserstoff liefernden Strom mit höherem Absolutdruck als dem des wasserstoffaufnehmenden Stroms gearbeitet und/oder in letzterem Strom ein Inertgas, z.B. (Wasser-)Dampf oder Stickstoff, verwendet und/oder die Kathode bzw. Akzeptorseite zur Lieferung eines niedrigeren Partialdrucks gespült (sweeping) wird. Genauer gesagt: bei einer auf 1500C befindlichen Zelle mit Gegenstrom-Gasfluß, bei welcher die Anodeneinlauf-EL·-Konzentration 0,75 Atmosphären (P-.) und die Kathodenaustritt-H--Konzentration 0,1 Atmosphären (P ) betragen, beträgt das maximale
Potential 37 mV. Wenn die Anoden-H.,-Konzentration bei 0,05 Atmosphären H2 am Kathodeneinlauf auf 0,2 Atmosphären abfallen kann, beträgt der Potentialunterschied auf der anderen Seite der Zelle 25,6 mV. Wenn die Anoden-H2-Konzentration bei 0,05 Atmosphären am Kathodeneinlauf weiter auf 0,1 Atmosphären absinken kann, verringert sich das Potential auf der anderen Seite der Zelle auf 12,8 mV.
Die oben angegebenen Potentialunterschiede gewährleisten eine Wasserstofferzeugung an der Kathode entsprechend einem Druck von 50 - 60 iriA/cm2 bei Verwendung von Elektroden mit niedriger Pt-Last (<O,25 mg/cm2) und bei einem sauren Elektrolyten. Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung können so angepaßt
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und abgewandelt werden, daß eine wirksame Trennung von Wasserstoff aus einem Gasgemisch, einschließlich der bei der Vergasung von Kohle anfallenden Gase, gewährleistet wird.
Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit der Trennung von Wasserstoff von einem Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid beschrieben ist, kann der erfindungsgemäße Gasseparator auch für die Trennung anderer Gase von einem Gasgemisch benutzt werden. Beispielsweise sind das Verfahren und die Vorrichtung auch für die Trennung von Sauerstoff von einem Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff oder zur Trennung eines Chlorgasgemisches von Stickstoff einsetzbar. Der passive elektrolytische Separator gemäß der Erfindung kann effektiv für die Abtrennung eines beliebigen Gases - das an einer reversiblen elektrochemischen Reaktion an Anoden- und Kathodenflächen einer Elektrolysezelle teilnimmt - von einem Gasgemisch herangezogen werden, wobei der Partialdruck des reaktionsfähigen Gases so gesteuert oder stabilisiert werden kann, daß eine Treibkraft zwischen Anoden- und Kathodenflächen gewährleistet wird.
Obgleich die passive elektrolytische Übertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung die üblicherweise bei einer Brennstoffzelle vorgesehenen Elektroden- und Elektrolytmatrixkonfigurationen benutzen kann, wird vorzugsweise eine vereinfachte Konstruktion vorgesehen. Da die beiden Elektroden tatsächlich über ihre Gesamtfläche hinweg im größtmöglichen Ausmaß kurzgeschlossen sein müssen, ist keine Notwendigkeit für elektronische Isolierung zwischen den Elektroden gegeben; vorzugsweise
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stehen die Elektroden in elektronischem Kontakt miteinander oder mit einem Teil der elektrolytischen Ionenaustauschmatrix. Brauchbare Elektrolysezellenkonstruktionen sind folgende:
1. Eine poröse, elektronisch leitende Matte mit
für die Aufnahme eines Elektrolyten ausreichender Porosität, wie Graphitpapier, oder eine Gespinst- bzw. Vliesmatte (nonwoven mat) aus einem Gemisch aus Polymerfasern und leitenden Graphitfasern. Auf beiden Seiten der porösen, leitfähigen.Matrix werden poröse Gasdiffusionselektroden angeordnet. Die Elektroden können katalytische Schichten oder Lagen sein, die einen einheitlichen Teil der porösen, leitfähigen Matrix bilden. In diesem Fall erfolgt die elektronische Kontaktierung größtenteils über die Matrix.
2. Eine mit einer Säure, wie Phosphorsäure, imprägnierte, poröse, elektronisch isolierende Matrix. Durch Polytetrafluoräthylen gebundene Kohlenstoffelektroden, mit kleinen Mengen an Platin imprägniert, werden auf beiden Seiten der Matrix angeordnet. Zwischen jeder Elektrode und einer leitfähigen Stütz- oder Gehäuseplatte des Zellengehäuses wird ein Gasraum gebildet. Der Kontakt zwischen den Elektroden wird über die Stützplatte, das Gehäuse oder äußere Verdrahtung hergestellt.
3. Eine Konstruktion, ähnlich der unter 2. beschriebenen, bei welcher die Matrix jedoch eine Protonen leitende, feste Polymer-Elektrolytmatrix ist, z.B. fluorierte Sulfonsäure auf einem Polystyrolträger oder
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eine perfluorierte Sulfonsäure im Gemisch mit PoIytetrafluoräthylen, wobei zwei dünne, poröse Platinelektroden auf beiden Seiten der Matrix angeordnet sind. Der Kontakt wird, wie im Fall 2., über die Stützplatte, das Gehäuse oder eine äußere Verdrahtung hergestellt.
4. Eine polymere, Protonen leitende Matrix, wie unter 3. beschrieben, bei welcher jedoch der elektronische Kurzschluß intern über den Separator hergestellt ist.
5. Eine kompakte Keramikmatrix, die säurefest sein und/oder Elektronenleitfähigkeit besitzen kann. Falls Chlorgas (chlorine) von einem Gasgemisch abgetrennt werden soll, kann eine säurefeste Matrix, beispielsweise eine Matrix aus Siliziumoxid, mit Säure imprägniert, verwendet werden. Wenn Sauerstoff von einem Gasgemisch abgetrennt werden soll, kann eine Sauerstoff leitende Matrix, etwa eine solche aus Zirkonoxid oder Zer (metall)-oxid, gewählt werden. Einer Matrix aus einem Material, das nicht säurebeständig ist und/oder Elektronenleitfähigkeit besitzt, können die entsprechenden Eigenschaften nach an sich bekannten Verfahren verliehen werden. Der Kurzschluß der Matrix kann über die elektronisch leitende Matrix oder im anderen Fall mit Hilfe äußerer Mittel erfolgen.
Die vorstehend umrissene Zellenkonstruktion kann auf die bei Brennstoffzellen übliche Weise in Stapelform ausgeführt oder in der Konfiguration spiralig gewickelt werden, wie sie in der Trenntechnik, etwa für Ultrafiltration, Blutdialyse o.dgl., üblich ist.
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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines passiven elektrolytischen Separators bzw. Abscheiders gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 2 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung eines passiven elektrolytischen Separators mit bevorzugter Konstruktion,
Nachstehend ist die Erfindung in Beispielen näher beschrieben.
Beispiel 1
Es wird ein passiver elektrolytischer Separator bzw. Abscheider der Art gemäß Fig. 1 mit einem Ionenübertragungs- bzw. -austauschmaterial 12 in Form einer porösen, hydrophilen Graphitpapiermatrix hergestellt- Die Matrix wird mit wässrigem HoPO. imprägniert. Eine Anode 14 und eine Kathode 16 bestehen jeweils aus einem Gemisch aus PoIytetrafluoräthylen und einem von Kohlenstoff getragenen Platinkatalysator. An der Rückseite von Anode 14 und Kathode 16 wird in engem Kontakt damit je eine Elektronenleitfähigkeit besitzende Matrix 13 bzw. 15 aus Graphitfasern angeordnet. Das Zellengehäuse 18 bildet dabei in Verbindung mit der Matrix 13 einen Gasraum an der Anode und zusammen mit der Matrix 15 einen Gasraum 18 an der Kathode. Der anodenseitige Gasraum weist einen Einlaß 22 und einen Auslaß 24 auf, während der kathodenseitige Gasraum 26 einen Einlaß 28 und einen Auslaß 30 aufweist. Die beiden Matrizes 13 und 15 sind
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- 16 durch eine elektrische Leitung 32 kurzgeschlossen.
Ein durch Vergasung von Kohle hergestelltes, Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltendes Gasgemisch wird über den Einlaß 22 in den Gasraum 20 eingeführt, wobei die Zelle auf 150 0C gehalten wird. Am Auslaß 24 wird ein Gasausfluß erhalten, der hauptsächlich CO2 und etwas H2 enthält. Der Partialdruck des Wasserstoffs des Gasgemisches an der Anode wird auf 10 Atmosphären gehalten. Aufgrund des Kurzschlusses der Zelle erfolgt ein Wasserstoffübertritt zur Kathodenseite der Zelle entsprechend folgenden Gleichungen:
Anodenseite H2 £ 2H+ + 2e~
Kathodenseite 2H+ + 2e~ -> H3.
Der Partialdruck an der Kathodenseite wird durch Spülen dieser Seite mit einem Inertgas auf 1 bar gehalten,
Am Auslaß 30 wird Wasserstoff gewonnen, der gemäß Analyse kein Kohlendioxid enthält.
Beispiel 2
Es wird eine praktisch der in Beispiel 1 beschriebenen und in Fig. 1 gezeigten Zelle entsprechende Zelle hergestellt, bei welcher jedoch die Ionenaustauschmatrix eine nicht-poröse Matrix aus oder mit stabilisiertem Zirkonoxid ist. Sauerstoffionen treten durch die Gitter der Zirkonoxidkristalle in der Matrix hindurch. Anoden- und Kathodenflächen sind auf die dargesteile Weise kurzgeschlossen. Die Zelle wird kathodenseitig mit einem Gasgemisch aus Sauerstoff und Stick-
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stoff gespeist. Wenn die Zelle bei etwa 1OOO°C arbeitet, wird an der Anodenseite Sauerstoff gemäß folgenden Gleichungen gewonnen:
Kathodenseite O2 + 4e > 20"
Anodenseite 2 0 ^ 0„ + 4e
Eine Analyse des gewonnen Sauerstoffs ergibt keine Spur von Stickstoff.
Im Fall einer nicht-porösen oder im wesentlichen unporösen Ionenaustauschmatrix aus einem festen Elektrolyten, z.B. mit stabilisiertem Zirkonoxid oder Zeroxid, wird die Matrix vorzugsweise zur Optimierung der Ionenleitfähigkeit mit einem entsprechenden Material dotiert bzw. behandelt. Durch die Dotierung wird die Matrix außerdem elektronenleitfähig, wodurch ein Kurzschließen einer Zelle erreicht wird, bei welcher Anode und Kathode auf die in Fig. 2 schematisch dargestellte Weise an der Oberfläche der Matrix anliegen bzw. mit dieser verbunden sind, ohne daß die externe Verdrahtung nötig ist. Vorzugsweise werden Dotierungsmaterial und -bedingungen so gewählt bzw. gesteuert, daß die Ionen- und Elektronenleitfähigkeit in größtmöglichem Maß erhöht und eine Matrix erhalten wird, bei welcher Ionenleitfähigkeit und Elektronenleitfähigkeit dieselbe Größe besitzen.
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Beispiel 3
Es wird eine Zelle im wesentlichen entsprechend Beispiel 1 und Fig. 1 hergestellt, nur mit dem Unterschied, daß die Ionenaustauschmatrix aus Siliziumoxid, mit wässriger Chlorwasserstoff- bzw. Salzsäure imprägniert, besteht. In die Anodenkammer 20 wird ein Gasgemisch aus Chlorgas (chlorine) und Stickstoff eingeführt. An der Anodenkammer wird Chlorgas entsprechend folgenden Gleichungen gewonnen:
Kathodenseite 1/2 Cl2 + e > Cl
Anodenseite Cl > 1/2 Cl2 + e
Eine Analyse des gewonnenen Chlorgases läßt keine Stickstoffspuren erkennen.
Beispiel 4
Es wird ein in Fig. 2 schematisch dargestellter elektrolytischer Separator bzw. Abscheider hergestellt. Die elektronisch leitende Ionenaustauschmatrix 12 besteht dabei aus mit wässriger Phosphorsäure imprägnierten Graphitfasern. Anode 14 und Kathode 16, die mit dieser Matrix in unmittelbarer Berührung stehen, bestehen jeweils aus einem Gemisch aus Polytetrafluoräthylen und Platinkatalysator auf Kohlenstoff. Wie in Beispiel 1 wird das durch Vergasung von Kohle hergestellte Gasgemisch bei einer Zeilentemperatur von 120°C über den Einlaß 22 in die Kammer 20 eingeleitet. Die Partialdrücke im Anodengasraum und im Kathodengasraum betragen 10 bar bzw. 1 bar. Der am Auslaß 30 gewonnene Wasserstoff enthält It. Anlayse kein Kohlendioxid.
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Gemäß den beschriebenen Beispielen können somit die Elektroden entsprechend dem jeweiligen Verwendungszweck abgewandelt und angepaßt werden, wobei herkömmliche Brennstoffzellen-Elektroden zum Einsatz kommen können. Ebenso kann auch die Matrix für die jeweilige Umgebung und den vorgesehenen Verwendungszweck abgewandelt und angepaßt werden. Beispielsweise können für die Ionenaustauschmatrizes erfindungsgemäß die üblicherweise bei Brennstoffzellen vorgesehenen Matrizes benutzt werden. Die Elektronen leitende Matrix gewährleistet bei Kontaktierung mit den Elektroden 14 und 16 den erforderlichen Kurzschluß. Weiterhin können die Betriebsbedingungen der Zelle zur Optimierung der Ionenleitfähigkeit und der Elektronenleitfähigkeit gewählt und gesteuert werden.
Ersichtlicherweise können darüber hinaus die elektrolytischen Separatoren oder Abscheider wie bei herkömmlichen Brennstoffzellen oder Gasabscheiderkonstruktionen stapelartig zusammengesetzt werden. Neben der Erzeugung von reinem Wasserstoff läßt sich die Erfindung offensichtlich auch auf die Anreicherung eines Qasstroms mit Wasserstoff für die spätere Verwendung anwenden.
Zusammenfassend werden also mit der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung für die passive elektrolytische Trennung der Bestandteile eines Gasgemisches geschaffen, wobei die Vorrichtung ein Ionenaustauschmedium mit Anoden- und Kathodenflächen, Mitteln zum elektronischen Kurzschließen dieser Flächen und Mitteln zur Steuerung und Stabilisierung des Partialdrucks eines Gases an Anode und Kathode aufweist. Im Betrieb wird ein Gasgemisch mit einem Gas, das an einer reversiblen elektrochemischen Reaktion an Anoden- und Kathodenflächen
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der elektrolytischen Zelle teilnimmt, und Inertgasen zur Anode des Separators geleitet, während Anoden- und Kathodenflächen kurzgeschlossen sind. Der Druck des Gasgemisches wird eingestellt, um den Partialdruck des aus dem Gasgemisch abzutrennenden Gases an der Anode auf einem höheren Wert zu halten als an der Kathode. Aufgrund des Kurzschlusses des Separators bewirkt der Partialdruckunterschied einen Fluß des abzutrennenden reaktionsfähigen Gases von der Anodenseite zur Kathodenseite der Zelle, wo es gewonnen wird. Im speziellen Fall der Sauerstoffübertragung und der Verwendung eines festen Elektrolyten als Ionenaustauschmedium wird die Ionenaustauschmatrix vorzugsweise dotiert bzw. entsprechend behandelt, um sowohl Ionenleitfähigkeit als auch Elektronenleitfähigkeit zu optimieren, wobei beide Leitfähigkeiten vorteilhaft dieselbe Größe besitzen. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung gewährleisten eine passive elektrolytische Trennung von Gasen mit hohem Gesamtwirkungsgrad.
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Claims (1)

  1. Henkel, Kern, Feiler & Hanzel Patentanwälte
    Möhlstraße 37 Girier, Inc. D-8000München
    Waltham, Mass., V.St.A. Tel.: 089/982085-87
    Telex: 0529802 hnkld
    Telegramme: ellipsoid
    f. Ma/
    case 1240
    Patentansprüche
    Verfahren zur passiven elektrolytischen Trennung eines Gases von einem Gasgemisch, dadurch gekennzeichnet, daß eine passive elektrolytische Zelle mit zwei Elektroden und einem zwischengefügten Ionenaustauschmaterial sowie Mitteln zum Kurzschließen der Zelle vorgesehen wird, daß unter Aufrechterhaltung des Kurzschlußzustands der Zelle ein Gasgemisch zur ersten Elektrode der passiven elektrolytischen Zelle zugeführt wird, daß in dem vom Gasgemisch zu trennenden Gas über die Elektroden der Zelle ein solcher Partialdruckunterschied eingestellt wird, daß an der ersten Elektrode ein höherer Partialdruck besteht als an der zweiten Elektrode, und daß das zu trennende Gas aus der Zelle abgezogen wird«,
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruckunterschied durch Einstellung des Partialdrucks über die Elektroden der Zelle aufrechterhalten wird, um an der ersten Elektrode einen hohen und an der zweiten Elektrode einen niedrigen Partialdruck einzustellen.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruckunterschied durch Verdünnung des abzutrennenden Gases mit einem kondensierbaren Inertgas eingestellt wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruckunterschied durch Wegspülen (sweeping) des abgetrennten Gases von der Fläche der zweiten
    Elektrode eingestellt wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur ersten Elektrode geleitete Gasgemisch ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid ist und daß das zu gewinnende Gas Wasserstoff ist.
    6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrolytische Zelle mindestens eine Elektrode aufweist, die aus einem Geraisch aus Platin und Polytetrafluoräthylen besteht,, und daß als Ionenübertragungs- bzw. -austauschmaterial eine mit einem sauren Elektrolyten imprägnierte leitfähige Kohlenstoffmatrix verwendet wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den sauren Elektrolyten Phosphorsäure verwendet
    wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden jeweils ein Gemisch aus Polytetrafluoräthylen und einem mit Platin aktivierten porösen Kohlenstoff sind.
    9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mit dem lonenaustauschmaterial einheitlich ausgebildet sind.
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    10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch Chlorgas (chlorine) enthält und daß das abzutrennende Gas Chlorgas (chlorine) ist.
    11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Ionenaustauschmaterial eine säurebeständige Matrix verwendet wird.
    12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die säurebeständige Matrix Siliziumoxid enthält.
    13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die säurebeständige Matrix elektronisch leitend ist.
    14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch Sauerstoff und Stickstoff enthält, daß das abzutrennende Gas Sauerstoff ist und daß das Ionenaus tauschmaterial des Elektrolyten eine Sauerstoffionen leitende Keramikmatrix ist.
    15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffionen leitende Keramikmatrix Zirkonoxid enthält.
    16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffionen leitende Keramikmatrix Zeroxid enthält.
    17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffionen leitende Matrix elektronisch leitend ist.
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    ORIGINAL INSPECTED
    18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionenaustauschmaterial eine Sauerstoffionen leitende Matrix aus Zirkonoxid oder Zeroxid enthält, die mit einem Material zur Verbesserung der Ionen- und Elektronenleitfähigkeit dotiert ist.
    19. Passiver elektrolytischer Separator bzw. Abscheider
    zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine elektrolytische bzw. Elektrolysezelle mit zwei Elektroden (14, 16), ein zwischen den Elektroden angeordnetes Ionenübertragungs- bzw. -austauschmaterial (12), Mittel (z.B. 32) zur elektronischen Verbindung der Elektroden zum Kurzschließen der Zelle, Mittel (22) zur Zufuhr eines Gasgemisches zur ersten Elektrode und Mittel (30) zum Abziehen eines Gasstroms von der zweiten Elektrode aufweist und daß die genannten Mittel (22, 3O) eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung eines Partialdruckunterschieds zwischen den Elektroden umfassen.
    20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionenaustauschmaterial eine Sauerstoffionen leitende Matrix aus Zirkonoxid oder Zeroxid enthält, die mit einem Material zur Verbesserung der Ionen- und Elektronenleitfähigkeit dotiert ist.
    21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionenaustauschmaterial eine poröse Matrix aufweist.
    22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden einstückig oder materialeinheitlich mit der Matrix geformt ist.
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    23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix leitfähige Graphitfasern aufweist.
    24. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Matrix Graphitfasern aufweist und daß die Elektroden jeweils aus einem Gemisch aus Polytetrafluoräthylen und von Kohlenstoff getragenem Platin bestehen.
    25. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix säurebeständig ist.
    26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die säurebeständige Matrix Siliziumoxid enthält.
    27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix mit wässriger Chlorwasserstoff- bzw.
    Salzsäure imprägniert ist.
    28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix Elektronenleitfähigkeit besitzt.
    29. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt.
    30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffionen leitende Matrix Zirkonoxid
    enthält.
    31. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffionen leitende Matrix Zeroxid
    enthält.
    32. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix Elektronenleitfähigkeit besitzt.
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    33. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur elektronischen Verbindung der Elektroden ein Elektronenleitfähigkeit besitzendes Ionenaustauschmaterial ist, das in unmittelbarem elektronischen Kontakt mit jeder Elektrode steht.
    909846/0754
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016218806A1 (de) 2016-09-29 2018-03-29 Robert Bosch Gmbh Gasseparatorvorrichtung

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2529651A1 (fr) * 1982-07-05 1984-01-06 Inst Francais Du Petrole Production de froid et/ou de chaleur par utilisation de reactions electrochimiques
FR2583067B1 (fr) * 1985-06-07 1990-11-02 Air Liquide Procede de transfert selectif d'oxygene et application de ce transfert a la production d'oxygene
FR2577562B1 (fr) * 1985-02-15 1988-07-08 Air Liquide Compositions solides a base de superoxydes a conduction ionique elevee, leur procede de preparation de materiaux a base de ces compositions
US4620914A (en) * 1985-07-02 1986-11-04 Energy Research Corporation Apparatus for purifying hydrogen
US4824528A (en) * 1985-07-19 1989-04-25 Allied-Signal Inc. Gas detection apparatus and method with novel electrolyte membrane
US4639306A (en) * 1985-09-20 1987-01-27 Bacharach, Inc. Electrochemical gas sensor
JPS62172257A (ja) * 1986-01-27 1987-07-29 Figaro Eng Inc プロトン導電体ガスセンサ
US4751151A (en) * 1986-12-08 1988-06-14 International Fuel Cells Corporation Recovery of carbon dioxide from fuel cell exhaust
US5358553A (en) * 1991-07-05 1994-10-25 Texaco Inc. Membrane and separation process
JP3483644B2 (ja) * 1995-03-07 2004-01-06 松下電器産業株式会社 プロトン伝導体およびプロトン伝導体を用いた電気化学素子
US5618405A (en) * 1995-06-07 1997-04-08 Georgia Tech Research Corporation Removal and recovery of hydrogen halides using an electrochemical membrane
US5562754A (en) * 1995-06-07 1996-10-08 Air Products And Chemicals, Inc. Production of oxygen by ion transport membranes with steam utilization
US5837125A (en) * 1995-12-05 1998-11-17 Praxair Technology, Inc. Reactive purge for solid electrolyte membrane gas separation
US5820655A (en) * 1997-04-29 1998-10-13 Praxair Technology, Inc. Solid Electrolyte ionic conductor reactor design
US5888272A (en) * 1997-06-05 1999-03-30 Praxair Technology, Inc. Process for enriched combustion using solid electrolyte ionic conductor systems
US5965010A (en) * 1997-07-15 1999-10-12 Niagara Mohawk Power Corporation Electrochemical autothermal reformer
US5964922A (en) * 1997-11-18 1999-10-12 Praxair Technology, Inc. Solid electrolyte ionic conductor with adjustable steam-to-oxygen production
US20040112741A1 (en) * 2002-12-17 2004-06-17 Murdoch Karen E. Method and system for producing dry gas
US7569128B2 (en) * 2004-12-14 2009-08-04 Mocon, Inc. Coulometric water vapor sensor
GB0502227D0 (en) * 2005-02-03 2005-03-09 Thermal Energy Systems Ltd Gas separation and compresssion device
BR112012006823A2 (pt) * 2009-09-30 2019-09-24 Koninl Philips Electronics Nv disposição de concentração de gás, sistema de concentração de gás e bomba de gás para bombeamento de gás
US9963792B2 (en) 2015-12-15 2018-05-08 Hamilton Sundstrand Corporation Electrochemical gas separator for combustion prevention and suppression
WO2018026519A1 (en) * 2016-08-04 2018-02-08 Exxonmobil Research And Engineering Company Separation of gases using reactive adsorbents and membranes
CN114824385B (zh) * 2022-04-19 2023-10-20 佛山仙湖实验室 燃料电池供氢系统及控制方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1073099A (en) * 1965-06-10 1967-06-21 Kent Ltd G Improvements in or relating to electro-chemical gas measuring system
US3400054A (en) * 1966-03-15 1968-09-03 Westinghouse Electric Corp Electrochemical method for separating o2 from a gas; generating electricity; measuring o2 partial pressure; and fuel cell
US3546086A (en) * 1968-10-30 1970-12-08 Westinghouse Electric Corp Device for oxygen measurement

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016218806A1 (de) 2016-09-29 2018-03-29 Robert Bosch Gmbh Gasseparatorvorrichtung

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