WO2002034970A2 - Portabler elektrochemischer sauerstoffgenerator - Google Patents

Portabler elektrochemischer sauerstoffgenerator Download PDF

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Barbara Roth
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Definitions

  • the invention relates to a portable electrochemical oxygen generator for the low-noise generation of oxygen from air by means of electricity in an electrochemical cell, and to a method for generating oxygen using the oxygen generator.
  • oxygen can be obtained from air by fractional distillation of liquid air. This is a large-scale, stationary process.
  • oxygen in air can be enriched up to 50% by binding the nitrogen in the air to molecular sieves by pressure swing adsorption. This requires a vacuum pump and vacuum valve control technology.
  • oxygen can be obtained from air by electrochemical "pumping" using a gas-tight ceramic oxide ion conductor membrane heated to 800 ° C.
  • the disadvantage is the heating time of the ceramic membrane and its sensitivity to breakage.
  • the invention is therefore based on the object of providing a device and a method for producing oxygen which overcomes the disadvantages of the prior art and in particular enables the production of pure oxygen suitable for medical technology by means of a portable device , Summary of the invention
  • the invention thus relates to a portable electrochemical oxygen generator, comprising
  • a cathode gas condensate separator which is connected to the anode compartment via a condensate line and a pump in order to bide a water / coolant circuit
  • a control unit for controlling / regulating the generation of oxygen, the air supply and the temperature of the PEM cell.
  • the electrochemical cell is a PEM cell of the type known from a fuel cell.
  • Platinum group metals are particularly suitable for the anode, with iridium being preferred.
  • a platinum group metal / carbon composite is suitable for the cathode, the platinum group metal preferably being platinum (Pt-C).
  • a plurality of PEM cells are preferably stacked and combined to form a stack with regard to the gas flow and water flow and the current flow, the stacking taking place in such a way that the cells are in electrical contact with one another via bipolar plates and the anode spaces and cathode spaces are sealed off from one another by means of sealing frames are. The stacking is done in a simple manner by pressing the individual cells using end plates and bolts / nuts.
  • the method according to the invention for generating oxygen by means of the oxygen generator according to the invention comprises the following steps
  • the PEM cell which works according to the method according to the invention, mainly consists according to the invention of a proton-conducting membrane, an anode filled with liquid water, on which gaseous oxygen is developed and water is consumed, and an air cathode, on which air-oxygen is consumed and water is developed, which condenses and the Anode is supplied.
  • Anodic water consumption and cathodic water production are of the same size.
  • the current flow through the PEM cell is generated by applying a low cell voltage, for example 0.8 V, which corresponds to the method according to the invention and which only has to overcome the electrolyte resistance of the membrane and the polarization resistance mainly of the air cathode that the high electrical energy consumer water electrolysis is avoided because the equilibrium cell voltage of the PEM cell is only 0.02 V for 0 2 / air compared to 1.22 V for the 0 2 / H 2 cell, which reduces energy consumption to less than approx. 50% of the water electrolysis drops.
  • a low cell voltage for example 0.8 V
  • the generation of oxygen is regulated via the pressure in the anode space, which decreases when oxygen is removed from the generator.
  • the pressure difference to the target pressure controls fiction, according to the electric current that causes the oxygen evolution until the target pressure in the anode compartment, which is preferably kept at 0.4 bar, is reached again.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a preferred embodiment of an oxygen generator according to the invention.
  • the oxygen generator according to the invention comprises a stack of 10 PEM cells, which are combined into a PEM-0 2 stack so that the water-filled anodes 2 are in press contact with a gas-tight bi-polar plate and the air. Cathode 3 of the next cell.
  • the common 0 2 and air routing of all PEM cells is ensured by channels in sealing frames that seal the anode and cathode spaces against each other.
  • the cathodes each have an inlet / outlet, the anodes a 0 2 outlet, and an H 2 0 access to the common H 2 0 channel, which by means of pump 8, preferably a membrane pump, of the H 2 0 condensate is fed from the condensate separator 7 of the cathode product water, in order to create a water-coolant circuit to build. This allows the oxygen generator to be kept at the desired operating temperature.
  • the method according to the invention of the preferred embodiment of the PEM-0 2 stack produces, for example, 100 Nl / h pure oxygen when a direct voltage from the direct current source 4 of 8.0 V and a current of 40 A is applied and thereby enriches the supplied 1000 Nl / h air to 10% oxygen content.
  • the 150 ml / h H 2 O collected in the cathode-air condensate cutter 7 are to be pumped by means of a membrane pump 8 into the common H 2 ⁇ channel and thus into the anode spaces 6 of the PEM-0 2 stack.
  • a refill container 12 with deionized H 2 O, which is integrated in the condensate line upstream of the diaphragm pump, is used to compensate for 10% to 20% H 2 0 losses with the exhaust air.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine portabler elektrochemischer Sauerstoffgenerator, umfassend: eine protonenleitende Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)(1); eine wassergefüllte, poröse Anode (2) mit einem Anodenraum (6); eine poröse Luft-Kathode (3) mit einem Kathodenraum (5), wobei die PEM, die Anode und die Kathode eine PEM-Zelle bilden; eine Gleichstromquelle (4); einen Kathodengas-Kondensatabscheider (7), welcher über eine Kondensatleitung und über eine Pumpe (8) mit dem Anodenraum in Verbindung steht, um einen Wasser-Kühlmittelkreislauf zu bilden; einen Vorratsbehälter mit Reduzierventil (9) für den erzeugten Sauerstoff, und eine Steuer-/Regeleinheit (11) zur Steuerung/Regelung der Sauerstofferzeugung, der Luftzufuhr und der Temperatur der PEM-Zelle.

Description

Pσrtabler elektrochemischer Sauerstoffgetterator
1
Die Erfindung betrifft einen portablen elektrochemischen Sauerstoffgenerator zur geräuscharmen Erzeugung von Sauerstoff aus Luft mittels Strom in einer elektrochemischen Zelle, sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff unter Verwendung des Sauerstoffgenerators.
Stand der Technik:
Bekannt, daß man Sauerstoff aus Luft gewinnen kann, indem man flüssige Luft fraktioniert destilliert. Hierbei handelt es sich um ein großtechnisches, stationäres Verfahren.
Weiter bekannt ist, daß man Sauerstoff in Luft bis zu 50 % anreichern kann, indem man durch Druckwechsel-Adsorption den Stickstoff der Luft an Molekularsiebe bindet. Hierbei benötigt man eine Vakuum-Pumpe und Vakuum- Ventil-Steuerungstechnik.
Bekannt ist weiter, daß man Sauerstoff aus Luft durch elektrochemisches "Pumpen" mittels auf 800 °C erhitzter gasdichter keramischer Oxidionenleiter-Membran gewinnen kann. Der Nachteil besteht in der Anheizzeit der kera- mischen Membran und ihrer Bruchempfindlichkeit.
Bekannt ist auch, daß man reinen Sauerstoff und Wasserstoff durch Was- serelekrolyse erzeugen kann. Nach dem Zdansky-Lonza- Verfahren wird hierbei KOH-haltiges destilliertes Wasser unter einem Druck von 30 bar mit 6600A zerlegt. Der Nachteil hierbei besteht im hohen Elektro-Energiever - brauch für den Sauerstoff, wenn der Wasserstoff als Abprodukt fungiert, wie es z. B. bei einem portablen Sauerstoffgenerator für die Medizin technik der Fall ist.
Ziel der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff zur Verfügung zu stellen, die bzw. das die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere die Erzeugung von reinem, für die Medizintechnik geeigneten Sauerstoff mittels einer portablen Vorrichtung ermöglicht. Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen portablen elektrochemischen Sauerstoffgenerator gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff gemäß Anspruch 5. Vorteilhafte und bevorzugte
Ausführungsformen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein portabler elektrochemischer Sauer - stoffgenerator, umfassend
- eine protonenleitende Polymer -Elektroly -Membran (PEM),
- eine wasser gefüllte, poröse Anode mit einem Anodenraum,
- eine poröse Luft-Kathode mit einem Kathodenraum, wobei die PEM, die Anode und die Kathode eine PEM-Zelle bilden, - eine Gleichstromquelle,
- einen Kathodengas-Kondensatabscheider, welcher über eine Kondensatleitung und über eine Pumpe mit dem Anodenraum in Verbindung steht, um einen Wasser -Kühlmittelkreislauf zu biden,
- einen Vorratsbehalter mit Reduzierventil für den erzeugten Sau- er stoff, und
- eine Steuer -/Regeleinheit zur Steuerung/ Regelung der Sauerstofferzeugung, der Luftzufuhr und der Temperatur der PEM-Zelle.
Detailierte Beschreibug der Erfindung
Gemäß der Erfindung hat sich gezeigt, daß es möglich ist, unter Zuhilfenahme einer elektrochemischen Zelle mittels Strom aus Luft bei Temperaturen von 20 bis 70 °C ohne Anheizzeit und ohne elektrochemisches Pumpen sowie ohne den hohen Energieverbrauch der Wasserelektrolyse, reinen Sauerstoff zu erzeugen, welcher nicht nur für technische, sondern insbesondere für medizinische Zwecke geeignet ist.
Bei der elektrochemischen Zelle handelt es sich um eine PEM-Zelle, wie sie de Aufbau nach aus einer Brennstoffzelle bekannt ist. Für die Anode eignen sich insbesondere Platingruppen-Metalle, wobei Iridium bevorzugt ist. Für die Kathode eignet sich ein Platingruppen-Metall /Kohlenstoff- Verbund, wobei das Platingruppen-Metall vorzugsweise Platin ist (Pt-C). Vorzugsweise sind mehrere PEM-Zellen gestapelt und bezüglich der Gasführung und Wasserführung sowie der Stromführung zu einem Stack zusammengefügt, wobei die Stapelung so erfolgt, daß die Zellen über Bi-Polarplatten elektrisch miteinander in Kontakt stehen und die Anodenräume und Katho- denräume mittels Dichtrahmen gegeneinander abgedichtet sind. Die Stapelung erfolgt in einfacher Weise durch Pressen der einzelnen Zellen mittels Endplatten und Bolzen/Muttern.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff mittels des erfindungsgemäßen Sauerstoffgenerators umfaßt folgende Schritte
- Zufuhr/Abfuhr von Luft in/aus den Kathodenräumen der PEM-Zelle bzw. des PEM-Stacks,
- Entnahme und Abfuhr von erzeugtem Sauerstoff aus den Anodenräumen, - Regelung des elektrischen Stroms durch die PEM-Zelle bzw. den PEM-
Stack mittels einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) mit der Druckabnahme bei Sauerstoffentnahme,
- Kondensierenlassen von Wasserdampf aus der Abluft der Kathodenräume der PEM-Zelle bzw. des PEM-Stacks, und - Abpumpen des Wasserdampfkondensats nach Kühlen und Zuführen dieses Kondensats in die Anodenräume der PEM-Zelle bzw. des PEM-Stacks.
Bei Stromfluss an den Elektroden und in der PEM-Zelle finden folgende Reak- tionen statt:
Anode: H2Oι< *J /2 02 (reinst) + 2 H+ (Membran) + 2e" (Anode)
Kathode: 1 /2 02 (Luft) + 2H+ (Membran) + 2e" (Kathode)^ H2Oι
Stromkreis: 2e" (Anode)- _*2e" (Kathode)
Zelle: 1 / 2 02 (Luft) fr 1 / 2 Q2 (reinst)
Die PEM-Zelle, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, besteht hauptsächlich erfindungsgemäß aus einer protonenleitenden Membran, einer mit flüssigen Wasser gefüllten Anode, an der gasförmiger Sauerstoff entwickelt und Wasser verbraucht wird und einer Luft-Kathode, an der Luft-Sauerstoff verbraucht und Wasser entwickelt wird, welches kondensiert und der Anode zugeführt wird. Anodischer Wasserverbrauch und kathodische Wasser - erzeugung sind dabei von gleicher Größe.
Der Stromfluß durch die PEM-Zelle wird erzeugt, indem an diese eine dem er- findungsgemäßen Verfahren entsprechend niedrige Zellspannung von beispielsweise 0,8 V angelegt wird, die nur den Elektrolytwiderstand der Membran und den Polarisationswiderstand hauptsächlich der Luft-Kathode zu überwinden hat, so daß der hohe Elektroenergie-Verbraucher Wasserelektrolyse vermieden wird, weil die Gleichgewichts-Zellspannung der PEM-Zelle nur 0,02 V für 02/Luft gegenüber 1 ,22 V der 02/H2-Zelle beträgt, wodurch der Energieverbrauch auf weniger als ca. 50 % der Wasserelektrolyse sinkt.
Die Regelung der Sauerstofferzeugung erfolgt erfindungsgemäß über den Druck im Anodenraum, welcher sinkt, wenn Sauerstoff dem Generator ent- nommen wird. Die Druckdifferenz zum Solldruck steuert erfindungs gemäß den elektrischen Strom, der so lange die Sauerstoff-Entwicklung bewirkt, bis der Soll-Druck im Anodenraum, welcher vorzugsweise bei 0,4 bar gehalten wird, wieder erreicht ist.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei
Figur 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sauerstoffgenerators zeigt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der erfindungsgemäße Sauerstoffgenerator einen Stapel von 10 PEM-Zellen, die zu einem PEM-02-Stack so ensembelt werden, daß die was s er gefüllten Anoden 2 in Presskontakt mit jeweils einer gasdichten Bi-Polarplatte und der Luft-Kathode 3 der nächsten Zelle stehen. Die gemeinsame 02-und Luft-Führung aller PEM-Zellen wird durch Kanäle in Dichtrahmen gewährleistet, die die Anodenräume und Kathodenräume gegeneinander abdichten. Zu den Kanälen haben die Kathoden jeweils einen Zu /Abgang, die Anoden einen 02-Abgang, sowie einen H20-Zugang zum gemeinsamen H20-Kanal, der mittels Pumpe 8, vorzugsweise einer Membranpumpe, vom H20-Kondensat aus dem Kondensatabscheider 7 des Kathoden-Produktwassers gespeist wird, um so einen Wasser -Kühlmittelkreislauf zu bilden. Hierdurch kann der Sauerstoffgenerator bei der erwünschten Betriebstemperatur gehalten werden.
Zur Gewährleistung des elektrischen Kontaktes aller PEM-Elektroden sind in die Anodenräume 6 poröse korrosionsbeständige Metall-Schwammplatten und in die Kathodenräume Graphit-Filze mit eingeprägtem sogenannten "flow field" für die Luft eingelegt worden. Der Stapel wird durch 2 Endplatten und 2 Stromableiterplatten mit außenliegenden Bolzen/Muttern so zusammenge- fasst, daß sowohl homogener elektrischer Kontakt der Zellen untereinander und zu den Stromableiterplatten entsteht und die Anpresskraft zur Abdichtung der Anoden /Kathodenräume mit den Dichtrahmen ausreicht. Um die beim Anziehen der Muttern auftretende geringe elastische Verformung der Endplatten zu kompensieren, können zwischen den Endplatten und den Stromableiterplatten mittig 0,2 mm bis 0,5 mm starke Kompensationsbleche eingelegt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren der bevorzugten Ausführungsform des PEM- 02-Stacks produziert bei Anlegen einer Gleichspannung aus der Gleichstromquelle 4 von 8,0 V und einem Strom von 40 A beispielsweise 100 Nl/h reinen Sauerstoff und reichert dabei die zugeführten 1000 Nl/h Luft auf 10 % Sauerstoffgehalt ab. Dabei sind die im Kathoden-Luft-Kondensatabschneider 7 angesammelten 150 ml/h H2O mittels Membranpumpe 8 in den gemeinsamen H2θ-Kanal und damit in die Anodenräume 6 des PEM-02-Stacks zu pumpen. Zum Ausgleich von 10 % bis 20 % H20-Verlusten mit der Abluft dient ein Nachfüllbehälter 12 mit deionisiertem H2O, der in die Kondensatleitung vor der Membranpumpe eingebunden ist.

Claims

Patentansprüche
1. Portabler elektrochemischer Sauerstoffgenerator, umfassend
- eine protonenleitende Polymer -Elektrolyt-Membran (PEM) (1), - eine wasser gefüllte, poröse Anode (2) mit einem Anodenraum (6),
- eine poröse Luft-Kathode (3) mit einem Kathodenraum (5), wobei die PEM, die Anode und die Kathode eine PEM-Zelle bilden,
- eine Gleichstromquelle (4),
- einen Kathodengas-Kondensatabscheider (7), welcher über eine Kon- densatleitung und über eine Pumpe (8) mit dem Anodenraum in Verbindung steht, um einen Wasser -Kühlmittelkreislauf zu bilden,
- einen Vorratsbehalter mit Reduzierventil (9) für den erzeugten Sauerstoff, und
- eine Steuer- /Regeleinheit ( 1 1) zur Steuerung /Regelung der Sauerstoff - erzeugung, der Luftzufuhr und der Temperatur der PEM-Zelle.
2. Sauerstoffgenerator nach Anspruch 1 , wobei die Anode aus einem Platingruppen-Metall gebildet ist, vorzugsweise aus Iridium.
3. Sauerstoffgenerator nach Anspruch 1 und/oder 2, wobei die Kathode aus einem Platingruppen-Metall/Kohlenstoff-Verbund gebildet ist, wobei das Platingruppen-Metall vorzugsweise Platin ist.
4. Sauerstoffgenerator nach mindestens einem der vorangehenden Ansprü- ehe, wobei mehrere PEM-Zellen gestapelt und bezüglich der Gasführung und
Wasserführung sowie der Stromführung zu einem Stack zusammengefügt sind, wobei die Stapelung so erfolgt, daß die Zellen über Bi-Polarplatten elektrisch miteinander in Kontakt stehen und die Anodenräume und Kathodenräume mittels Dichtrahmen gegeneinander abgedichtet sind.
5. Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff unter Verwendung des in den Ansprüchen 1-4 beschriebenen Sauer Stoffgenerators, umfassend die folgenden Schritte
- Zufuhr /Abfuhr von Luft in/aus den Kathodenräumen der PEM-Zelle bzw. des PEM-Stacks,
- Entnahme und Abfuhr von erzeugtem Sauerstoff aus den Anodenräu- men,
Regelung des elektrischen Stroms durch die PEM-Zelle bzw. den PEM- Stack mittels einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) mit der Druckabnahme bei Sauerstoffentnahme,
Kondensierenlassen von Wasserdampf aus der Abluft der Kathodenräume der PEM-Zelle bzw. des PEM-Stacks, und
Abpumpen des Wasserdampfkondensats nach Kühlung und Zuführen dieses Kondensats in die Anodenräume der PEM-Zelle bzw. des PEM-Stacks.
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