WO2022167143A1 - Device for providing a gas component and vehicle comprising such a device - Google Patents

Device for providing a gas component and vehicle comprising such a device Download PDF

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WO2022167143A1
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chamber
electrolyte
gas component
unit
pressure
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PCT/EP2021/087783
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Sebastian Markgraf
Fabian Fremdling
Hans Reuck
Walter Jehle
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Airbus Defence and Space GmbH
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    • C25B9/77Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to asymmetric circulation electrolysis systems operable under high pressure conditions.
  • the invention relates to a device for providing a gas component and a vehicle with such a device.
  • High-pressure gas storage is an essential component for the use of hydrogen-powered systems.
  • Conventional electrolysis systems for supplying hydrogen are operated at maximum pressures of up to 40 bar, with the subsequent storage of the hydrogen requiring additional pressurization in order to be able to store the hydrogen effectively. This leads to a reduction in efficiency and reliability and an increase in mass and volume of hydrogen-powered systems.
  • complex feed pumps are usually required to provide an educt for the electrolysis, which which in turn can result in increased weight or reduced system reliability.
  • existing electrolysis systems cannot be operated under microgravity conditions, which limits the possible uses of such systems.
  • EP 2 463 407 B1 and US 2013/0 313 126 A1 describe an electrolysis method with an electrode-membrane-electrode arrangement which comprises two porous electrodes with a porous intermediate membrane or with an ion exchange membrane. The liquid electrolyte is fed directly into the electrode-membrane-electrode assembly.
  • a device for providing a gas component comprises an electrolysis unit with a first chamber and a second chamber, the first chamber being separated from the second chamber by a separating unit.
  • the first chamber is designed to accommodate an electrolyte, for example together with an educt in the form of water, and to provide a first gas component, for example hydrogen.
  • the second chamber is designed to provide a second gas component, for example oxygen.
  • a pressure within the second chamber is greater than a pressure within the first chamber, with the electrolyte only flowing in the first chamber and the passage of the electrolyte into the second chamber being prevented in order to separate the second gas component provided from the electrolyte to keep.
  • the device also includes a phase separation unit, which is designed to to separate the first gas component from the electrolyte, in order thus to provide the first gas component, for example in pure form.
  • a phase separation unit which is designed to to separate the first gas component from the electrolyte, in order thus to provide the first gas component, for example in pure form.
  • the first gas component can be fed to a store or a consumer, for example, it being possible for the electrolyte to be fed back to the electrolysis unit after the separation.
  • the second gas component can also be fed to a storage facility or a consumer after it has been made available.
  • the device mentioned above, together with the electrolysis unit, can be operated at high pressures of, for example, more than 50 bar or even more than 100 bar, as a result of which additional pressurization before storage of the gas components provided is avoided or simplified. Likewise, a very high gas quality or gas purity can be achieved both for the first gas component provided and for the second gas component provided. Water vapor that may occur during electrolysis can also be reduced.
  • the device according to the invention a higher system efficiency is achieved, in particular, in that additional pressurization components are dispensed with, since the electrolysis itself can already be operated at the pressure required for an intended use.
  • phase separation can be provided in the electrolysis under high pressure using the device.
  • the electrolyte present in liquid form, which is only in the first chamber, can be kept separate from the second gas component in the second chamber.
  • electrolyte circulation is only provided within the first chamber, whereas no electrolyte circulation takes place within the second chamber.
  • an asymmetrical electrolyte circulation is thus provided.
  • a two-phase flow of liquid electrolyte and the first gas component contained therein can be formed in the first chamber.
  • the electrolysis unit can be provided in the form of a cell, which comprises a closed unit with an electrolyte inflow and two outflows, the first outflow being provided for a combined electrolyte-gas component outflow and the second outflow being provided for a pure gas outflow.
  • the combined electrolyte-gas component discharge can include discharging the electrolyte together with the first gas component provided by the electrolysis from the first chamber.
  • the second outflow can include discharging the provided second gas component from the second chamber.
  • the electrolysis unit can have a frame structure which surrounds the two chambers. This can be designed to absorb structural loads, for example to form a type of pressure vessel.
  • the electrolysis unit can also have two electrodes, ie a cathode and an anode.
  • a reaction to form the first and the second gas component can take place at the electrodes in order to subsequently provide them.
  • the cathode can be arranged in the first chamber and the anode can be arranged in the second chamber.
  • the first chamber can be referred to as the cathode chamber and the second chamber as the anode chamber.
  • the anode is provided in the first chamber and the cathode in the second chamber and thus the electrolyte is present on the anode side or the electrolyte circulation takes place only in the anode chamber while the cathode chamber is kept free of the electrolyte.
  • the electrolysis unit can be operated with asymmetric circulation, which means that either the anode chamber or the cathode chamber is free of electrolyte and only has a gas component.
  • electrolyte always circulates in only one of the two chambers, while the other side remains "dry”.
  • the second gas component is oxygen
  • a pressure level of approximately 100 bar can be provided, for example, in order to provide “dry” or pure oxygen in the second chamber.
  • the separating unit can be provided within the electrolysis unit in the form of a dividing wall which spatially separates the first chamber from the second chamber.
  • the Separation unit can have a membrane structure designed to keep the electrolyte in the first chamber and thus keep the second chamber free of electrolyte.
  • a pressure is provided within the second chamber which exceeds a pressure within the first chamber, as a result of which the flow of the electrolyte takes place only in the first chamber and passage of the electrolyte into the second chamber is prevented.
  • the separating unit can be designed to ensure ionic charge transport in order to be able to provide the second gas component in the second chamber.
  • the first gas component is provided in the first chamber by an electrolysis process. If hydrogen EL is provided using a potassium hydroxide solution (KOH + H2O) as the electrolyte, the following chemical reaction can occur in the electrolysis unit: H2O - H2 + V2O2. In this case, oxygen O2 is provided in the second chamber as the second gas component.
  • KOH + H2O potassium hydroxide solution
  • the second gas component is discharged from the second chamber in pure form or almost pure form for further use. Provision can furthermore be made for the first gas component to be discharged from the electrolysis unit together with part of the electrolyte fed to the first chamber, with a phase separation of the electrolyte present in liquid form and the first gas component present in gaseous form subsequently taking place in the phase separation unit. Before this phase separation, the first gas component can be present in the form of bubbles within the discharged electrolyte.
  • the phase separation in the phase separation unit can take place, for example, by gravimetry, using a centrifuge or by means of a membrane. A phase separation by means of a membrane will be explained in more detail below. It is understood that other phase separation techniques can also be used.
  • the first gas component separated from the electrolyte in the phase separation unit can then be fed to a store or a consumer for further use.
  • this can then be used, for example, as an energy carrier or fuel for a drive unit.
  • the very high pressure level that can be provided in the electrolysis unit and in the separation unit which can be greater than 50 bar, for example, can be used advantageously for storage, since no or only a small further increase in pressure would be required to make the first gas component effective after it has been made available to be able to save.
  • the plurality of electrolysis units can be provided, for example, in a parallel arrangement in an electrolyte circuit of the device.
  • a pressure difference between the first chamber and the second chamber generated via the separating unit causes the electrolyte to be located only in the first chamber when the electrolysis unit is in an operating state and the second chamber contains no electrolyte.
  • a continuous overpressure of the second gas component compared to the first gas component can be provided.
  • the pressure difference between the two chambers can be arbitrary, with structural properties of the electrolysis unit, in particular the separating unit, having an influence on the pressures provided in each case.
  • the pressure difference is selected such that the separation of the electrolyte in the first chamber and the second gas component in the second chamber is ensured in order to ensure contamination of the second gas component. It can be provided that the following pressure property applies to the electrolysis unit, where p indicates the pressure: p(second gas component)>p(electrolyte circuit)>p(first gas component) p(environment)
  • the device is operable at a pressure of at least 50 bar.
  • the entire device can be operated at a pressure of at least 50 bar.
  • the electrolysis unit can be operated together with the phase separation unit at a pressure of at least 50 bar.
  • the pressure at which the device can be operated can also be at least 60 bar, at least 80 bar or at least 100 bar. Provision can also be made for the device to be able to be operated at an elevated temperature which, for example, is greater than room temperature. A temperature range for possible operating temperatures can be 20°C to 200°C.
  • the separation unit has a membrane structure with pores.
  • the separating unit which separates the first from the second chamber, can have a membrane.
  • a fabric made of polyphenylene sulfide with a coating of polymer and zirconium oxide can be provided for this purpose.
  • the membrane can have a thickness of 500 microns, a porosity of 55 percent and a pore size of less than 0.05 microns.
  • a bubble pressure in the membrane can be 2 bar. This bubble pressure can depend on the pore size in the membrane. Greater bubble pressures are achieved, for example, when smaller pores are provided, as a result of which a greater pressure difference can be set between the first and second chambers. It can be provided that the pressure difference between the first and second chambers, which is formed across the membrane, is not greater than the bladder pressure.
  • the separation unit alternatively has a membrane structure without pores, which is designed to enable transport of a liquid and prevent transport of a gas component.
  • this membrane is a gas-tight membrane which, however, has the ability to transport liquid.
  • This membrane can have a high ion conductivity, for example for OH′ ions.
  • it is a lonomr Aemion® membrane.
  • the membrane may have a thickness of 50 microns.
  • the pressures in the first and second chambers can also be freely selected for this alternative, as long as this does not impair the stability of the membrane located between the chambers, across which the pressure difference is formed.
  • such a type of closed membrane without pores can be provided, so that no pressure difference is necessary to keep the electrolyte on one side, ie in one of the two chambers.
  • the phase separation unit has a membrane structure that is designed to separate the first gas component from the electrolyte in order to thus provide the first gas component, so that the first gas component can then be fed to a storage unit or a consumer.
  • the effluent from the electrolysis unit may be in the form of a combination of electrolyte and first gas component, the first gas component being dissolved and contained in the liquid electrolyte in the form of bubbles.
  • the phase separation unit can now completely separate the first gas component from the electrolyte, so that pure electrolyte can be returned to the circuit and thus to the electrolysis unit.
  • the phase separation is carried out by a membrane structure, for example a hollow-fiber membrane structure, which makes the device suitable for use under microgravity conditions.
  • a loss of electrolyte during phase separation can be reduced as a result.
  • the device can be operated under microgravity conditions, so that when a microgravity condition occurs, the separation of the first gas component from the electrolyte in the phase separation unit is ensured, in order to thus provide the first gas component.
  • the phase separation unit can ensure that the first gas component can be separated from the electrolyte even in weightlessness, which makes the device particularly suitable for use in space vehicles.
  • the phase separation unit can have a membrane, through which the first gas component can be separated from the electrolyte.
  • the device also has an electrolyte circuit and a supply unit, the supply unit being designed to provide the electrolyte circuit with a starting material using osmosis.
  • the use of a pump to provide the educt that is to say to feed the educt into the electrolysis circuit, can be avoided.
  • a high pressure present in the circuit, as described above would first have to be applied by the pump.
  • This application of a high pressure of, for example, 100 bar by a pump can thus be avoided.
  • a pressure difference is created within the supply unit by setting a difference in electrolyte concentration on different sides of a membrane of the supply unit. This is explained in more detail in the description of the figures.
  • the educt can be water, for example.
  • the first gas component is hydrogen EE and/or the second gas component is oxygen O2.
  • suitable gas components can be generated using the device according to the invention. This can depend on the selection of the reactant supplied.
  • the electrolysis unit has a frame structure, with the phase separation unit being integrated into the frame structure of the electrolysis unit.
  • a frame structure can include, for example, a jacket or other structural elements that are suitable for forming or at least partially forming a closed form of the electrolysis unit.
  • the phase separation unit directly adjoins an outer wall of the electrolysis unit with an outer wall.
  • the device also has a heat exchanger which is integrated into the electrolysis unit.
  • Structural integration can mean that the respective components are separated from one another by a maximum of one additional component, such as an intermediate wall.
  • the heat exchanger directly adjoins an outer wall of the electrolysis unit with an outer wall.
  • the Heat exchangers can allow thermal control of the device, in particular control of the temperature in the electrolyte circuit.
  • a vehicle is provided with the device for providing a gas component described above and below.
  • the vehicle is an aircraft with the device for providing a gas component described above and below.
  • the aircraft can be a manned or an unmanned aircraft.
  • the aircraft can be an aircraft, in particular a transport aircraft or a passenger aircraft. However, the aircraft can also be any other missile.
  • the vehicle is a spacecraft with the device for providing a gas component described above and below.
  • the spacecraft can be a manned or an unmanned spacecraft.
  • the spacecraft may be a satellite, rocket, or the like.
  • the device described above and below is designed to be used in a stationary application.
  • a stationary or stationary platform can be provided with the device according to the invention.
  • a gas component for example hydrogen
  • a very high pressure of approx. 100 bar or even more, which affects the storage density and thus the system efficiency, for example can significantly improve hydrogen storage and propulsion systems.
  • the gas purity of the gas components produced can be increased and a possibly occurring water vapor content can be reduced.
  • the device according to the invention can offer advantages in terms of reduced system complexity, lower risk of failure, lower energy consumption, lower masses and volumes due to fewer components required for circulating the electrolyte, etc. Due to the osmotic reactant supply, the use of pumps for this can be dispensed with, which in turn The complexity, energy consumption and failure risks of the entire system are reduced because fewer moving or complex parts are used.
  • FIG. 1 shows a device for providing a gas component according to an embodiment.
  • FIG. 2 shows part of the device from FIG. 1 with an educt supply using a pump according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 3 shows part of the device from FIG. 1 with feed of educt using osmosis according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 4 shows a feed unit with an osmosis membrane according to an embodiment.
  • FIG. 5 shows an aircraft with the device from FIG. 1 according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 6 shows a device for providing a gas component with a plurality of electrolysis units according to an exemplary embodiment. Detailed description of exemplary embodiments
  • the device comprises an electrolysis unit 20 with a first chamber 21 and a second chamber 22, the first chamber 21 being separated from the second chamber 22 by a separating unit 23.
  • An electrode 28 and a flow field 29 are located in each of the chambers 21, 22.
  • the separating unit 23 can be designed in the form of a porous or non-porous membrane.
  • An electrolyte 13 is supplied to the electrolysis unit 20 via a line circuit 80 .
  • the electrolyte 13 may be an aqueous solution such as a potassium hydroxide solution.
  • the electrolyte 13 flows within the line circuit 80 , with an educt 14 consumed during the electrolysis, for example water, being introduced from an educt supply unit 53 via a feed unit 50 into the electrolyte 13 already in the circuit 80 . In this way it is ensured that a sufficient quantity of educt 14 can always be supplied to the electrolyte 13 and thus to the electrolysis unit 20 .
  • the electrolyte 13 passes from the circuit 80 into the first chamber 21 of the electrolysis unit 20, with a chemical reaction taking place in the chamber, as a result of which a first gas component 11 is formed, which is present in the first chamber 21 alongside the electrolyte 13.
  • electrolyte 13 circulates within first chamber 21 and the first gas component 11 can be provided by the chemical reaction, which is then discharged from electrolysis unit 20 via a drain 82 together with a portion of electrolyte 13 .
  • the discharged partial amount of electrolyte 13 is smaller than the amount of electrolyte 13 which is supplied to the electrolysis unit 20 via the inflow 81 .
  • a second gas component 12 (not shown in FIG.
  • This second gas component 12 is generated in the second chamber 22 by a chemical reaction in the region of the separating unit 23 and the electrode 28 .
  • This second gas component 12 is in turn discharged from the electrolysis unit 23 via the further outflow 83 and is made available for further use in a consumer 40 or for storage in a storage unit 40 at high pressure and in pure form.
  • a pressure within the second chamber 22 is greater than a pressure within the first chamber 21, so that an electrolyte flow of the electrolyte 13 takes place only in the first chamber 21 and a passage of the electrolyte 13 into the second chamber 22 is prevented, in order to thus provide the second To keep gas component 12 separated from the electrolyte 13.
  • the pressure difference between the first chamber 21 and the second chamber 22 generated by the separating unit 23 causes the electrolyte to 13 is in an operating state of the electrolysis unit 20 only in the first chamber 21 and the second chamber 22 includes no electrolyte 13, but only the second gas component 12 with a high degree of purity.
  • a phase separation unit 30 is also integrated into the circuit 80, which is designed to separate the first gas component 11 from the electrolyte 13 in order to thus use the first gas component 11 for further use in a consumer 41 or for storage in a reservoir 41 at high pressure and to be provided in its pure form.
  • the pressure at which the device 10 including the electrolysis unit 20, the phase separation unit 30 and the line circuit 80 can be operated can be around 100 bar, whereby it should be noted that the aforementioned pressure difference between the first chamber 21 and the second chamber 22 is complied with. A small pressure difference can already be sufficient for this pressure difference.
  • the electrolysis unit 20 can have one or more frames 26 with separating plates 25 (for example bipolar plates). Together with end flanges 27, the frames 26 provide a Sealing of the electrolysis unit 20 from the environment, apart from the inflow 81 and the outflows 82, 83 safe.
  • separating plates 25 for example bipolar plates
  • the device 10 also includes a heat exchanger 60 for removing heat from the electrolyte circuit 80 and a pump 70 for circulating the electrolyte 13 within the circuit 80.
  • the pump 70 is arranged in the line circuit 80 and conveys the electrolyte 13 into the electrolysis unit 20
  • the phase separation unit 30 and/or the heat exchanger 60 can be integrated into the electrolysis unit 20.
  • FIG. 6 An electrolysis cell arrangement 90 with three electrolysis units 20 or electrolysis cells 20 is shown in FIG. 6 as an additional exemplary embodiment. It should be understood that the number of electrolytic cells 20 present in the assembly 90 can be chosen at will.
  • FIG. 2 shows a part of the device 10 from FIG. 1, a starting material supply 50 using a pump 51 being provided.
  • the pump 51 is fed with educt 14 from an educt supply 53 .
  • the pump 51 increases a pressure of the electrolyte 13 circulating in the line circuit 80 to the desired system pressure.
  • the pump 70 which conveys the electrolyte 13 in the circuit 80 or moves the electrolyte 13 into the electrolysis unit 20 .
  • FIG. 3 shows part of the device 10 from FIG. 1 with a reactant feed 50 using osmosis and thus an alternative to the configuration shown in FIG. In FIG. 3, therefore, an osmosis reactant supply 52 is provided instead of the pump supply 51 used in FIG.
  • the pressure of 100 bar, for example, desired for the circuit 80 is provided via an osmotic process in the osmosis reactant supply 52 . It can thus be provided that the pump 70 is the only pump within the device 10 .
  • FIG. 4 shows the osmosis reactant supply 52 from FIG. 3 in a schematic detailed view.
  • the osmosis reactant feed 52 has a membrane 54, which can also be referred to as an osmosis membrane.
  • the pressure of the electrolyte 13 present in the circuit 80 is achieved by a concentration difference in the electrolyte concentration between the supply side 53 and the circuit side 80. This difference in concentration is formed via a concentration gradient across the osmosis membrane 54 .
  • the concentration of electrolyte 13 on the feed side 53 is significantly lower than on the circuit side 80 or this concentration is zero, which would mean that pure educt 14 is present on the feed side 53 . In one example, this creates a pressure of about one bar on the supply side 53, while a pressure of about 100 bar develops on the circuit side 80.
  • the electrolyte 13 can be formed by an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH + H2O).
  • KOH + H2O potassium hydroxide
  • the concentration of potassium hydroxide based on the proportion of water on the feed side 53 would be very low, whereas the concentration of potassium hydroxide based on the proportion of water on the circuit side 80 would be significantly higher.
  • a significantly lower osmotic pressure forms on the supply side 53 than on the circulation side 80.
  • the osmosis membrane 54 is selectively permeable to water for this purpose, so that the water content of the potassium hydroxide solution can migrate across the membrane 54.
  • the osmotic pressure of the potassium hydroxide solution is dependent on the temperature.
  • the osmotic pressure is thus a variable that is dependent on the temperature on the one hand and the concentration of electrolyte 13 on the other.
  • the pressure difference arising between the supply side 53 and the circuit side 80, which is caused by osmosis, represents the difference between the osmotic pressure of the electrolyte 13 on the supply side 53 and the osmotic pressure of the electrolyte 13 on the circuit side 80.
  • the osmotic pressure on the circuit side 80 is significantly higher than on the supply side 53.
  • the osmotic pressure of the electrolyte 13 on the circuit side 80 is about 100 bar and the osmotic pressure of the electrolyte 13 on the supply side 53 is about one bar or ambient pressure.
  • this osmosis reactant supply 52 which is described with reference to FIG to be able to provide at high pressure. Provision can also be made for the area of the osmosis membrane 54, ie the area of the membrane 54 relevant to the mass transfer, to be sufficiently large that sufficient electrolyte 13 and educt 14 can always be made available for the electrolysis unit 20.
  • FIG. 5 shows an aircraft 100, in particular an airplane, with the device 10 from FIG.

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Abstract

The invention relates to a device (10) for providing a gas component (11, 12). The device (10) comprises an electrolysis unit (20) having a first chamber (21) and a second chamber (22), the first chamber (21) being separated from the second chamber (22) by a separating unit (23). The first chamber (21) is configured to receive an electrolyte (13) and to provide a first gas component (11), and the second chamber (22) is configured to provide a second gas component (12). A pressure inside the second chamber (22) is greater than a pressure inside the first chamber (21), wherein an electrolyte flow of the electrolyte (13) only occurs in the first chamber (21) and a passage of the electrolyte (13) into the second chamber (22) is prevented in order to thereby keep the provided second gas component (12) separate from the electrolyte (13). The device further comprises a phase separation unit (30) which is designed to separate the first gas component (11) from the electrolyte (13) in order to thereby provide the first gas component (11). The invention further relates to an aircraft (100) or a spacecraft comprising such a device (10).

Description

Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente sowie Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung Device for providing a gas component and vehicle with such a device
Gebiet der Erfindung field of invention
Die vorliegende Erfindung betrifft Elektrolysesysteme mit asymmetrischer Zirkulation, die unter Hochdruckbedingungen betreibbar sind. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung. The present invention relates to asymmetric circulation electrolysis systems operable under high pressure conditions. In particular, the invention relates to a device for providing a gas component and a vehicle with such a device.
Hintergrund der Erfindung Background of the Invention
Hochdruckgasspeicher sind ein wesentlicher Bestandteil für die Nutzung wasserstoffbetriebener Systeme. Gewöhnliche Elektrolysesysteme zur Bereitstellung von Wasserstoff werden bei maximalen Drücken von bis zu 40 bar betrieben, wobei für die anschließende Speicherung des Wasserstoffs eine zusätzliche Druckbeaufschlagung erforderlich ist, um den Wasserstoff effektiv speichern zu können. Dies führt zu einer Verringerung der Effizienz und der Zuverlässigkeit sowie einer Erhöhung der Masse und des Volumens der wasserstoffbetriebenen Systeme. Darüber hinaus werden in der Regel komplexe Zufuhrpumpen benötigt, um ein Edukt für die Elektrolyse bereitzustellen, was wiederum zu einem höheren Gewicht bzw. einer verringerten Systemzuverlässigkeit führen kann. Ebenso können bestehende Elektrolysesysteme nicht unter Mikrogravitationsbedingungen betrieben werden, was die Einsatzmöglichkeiten solcher Systeme einschränkt. High-pressure gas storage is an essential component for the use of hydrogen-powered systems. Conventional electrolysis systems for supplying hydrogen are operated at maximum pressures of up to 40 bar, with the subsequent storage of the hydrogen requiring additional pressurization in order to be able to store the hydrogen effectively. This leads to a reduction in efficiency and reliability and an increase in mass and volume of hydrogen-powered systems. In addition, complex feed pumps are usually required to provide an educt for the electrolysis, which which in turn can result in increased weight or reduced system reliability. Likewise, existing electrolysis systems cannot be operated under microgravity conditions, which limits the possible uses of such systems.
EP 2 463 407 Bl und US 2013 / 0 313 126 Al beschreiben ein Elektrolyseverfahren mit einer Elektroden-Membran-Elektroden-Anordnung, die zwei poröse Elektroden mit einer porösen Zwischenmembran oder mit einer lonenaustauschmembran umfasst. Der flüssige Elektrolyt wird dabei direkt in die Elektroden-Membran-Elektroden-Anordnung geführt. EP 2 463 407 B1 and US 2013/0 313 126 A1 describe an electrolysis method with an electrode-membrane-electrode arrangement which comprises two porous electrodes with a porous intermediate membrane or with an ion exchange membrane. The liquid electrolyte is fed directly into the electrode-membrane-electrode assembly.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the Invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effizienz von Systemen zur elektrolytischen Bereitstellung von Gaskomponenten zu verbessern. It is an object of the present invention to improve the efficiency of systems for the electrolytic provision of gas components.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. This object is solved by the subject matter of the independent claim. Exemplary embodiments result from the dependent claims and the following description.
Gemäß einem Aspekt ist eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst eine Elektrolyseeinheit mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer, wobei die erste Kammer durch eine Trenneinheit von der zweiten Kammer getrennt ist. Die erste Kammer ist dazu ausgeführt, einen Elektrolyten aufzunehmen, zum Beispiel zusammen mit einem Edukt in Form von Wasser, und eine erste Gaskomponente, beispielsweise Wasserstoff, bereitzustellen. Die zweite Kammer ist dazu ausgeführt, eine zweite Gaskomponente, beispielsweise Sauerstoff, bereitzustellen. Ein Druck innerhalb der zweiten Kammer ist dabei größer als ein Druck innerhalb der ersten Kammer, wobei ein Elektrolytfluss des Elektrolyten lediglich in der ersten Kammer erfolgt und ein Durchlass des Elektrolyten in die zweite Kammer unterbunden ist, um somit die bereitgestellte zweite Gaskomponente von dem Elektrolyten getrennt zu halten. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Phasenseparierungseinheit, die dazu ausgeführt ist, die erste Gaskomponente von dem Elektrolyten zu trennen, um somit die erste Gaskomponente, beispielsweise in Reinform, bereitzustellen. Die erste Gaskomponente kann nach dem Trennen beispielsweise einem Speicher oder einem Verbraucher zugeführt werden, wobei der Elektrolyt nach dem Trennen wieder zur Elektrolyseeinheit zurückgeführt werden kann. Ebenso kann auch die zweite Gaskomponente nach der Bereitstellung einem Speicher oder einem Verbraucher zugeführt werden. According to one aspect, a device for providing a gas component is provided. The device comprises an electrolysis unit with a first chamber and a second chamber, the first chamber being separated from the second chamber by a separating unit. The first chamber is designed to accommodate an electrolyte, for example together with an educt in the form of water, and to provide a first gas component, for example hydrogen. The second chamber is designed to provide a second gas component, for example oxygen. A pressure within the second chamber is greater than a pressure within the first chamber, with the electrolyte only flowing in the first chamber and the passage of the electrolyte into the second chamber being prevented in order to separate the second gas component provided from the electrolyte to keep. The device also includes a phase separation unit, which is designed to to separate the first gas component from the electrolyte, in order thus to provide the first gas component, for example in pure form. After the separation, the first gas component can be fed to a store or a consumer, for example, it being possible for the electrolyte to be fed back to the electrolysis unit after the separation. Likewise, the second gas component can also be fed to a storage facility or a consumer after it has been made available.
Die oben genannte Vorrichtung mitsamt Elektrolyseeinheit kann bei hohen Drücken von beispielsweise über 50 bar oder sogar über 100 bar betrieben werden, wodurch eine zusätzliche Druckbeaufschlagung vor einer Speicherung der bereitgestellten Gaskomponenten vermieden oder vereinfacht wird. Ebenso kann eine sehr hohe Gasqualität bzw. Gasreinheit sowohl für die bereitgestellte erste Gaskomponente als auch für die bereitgestellte zweite Gaskomponente erreicht werden. Bei der Elektrolyse möglicherweise auftretender Wasserdampf kann ebenso reduziert werden. The device mentioned above, together with the electrolysis unit, can be operated at high pressures of, for example, more than 50 bar or even more than 100 bar, as a result of which additional pressurization before storage of the gas components provided is avoided or simplified. Likewise, a very high gas quality or gas purity can be achieved both for the first gas component provided and for the second gas component provided. Water vapor that may occur during electrolysis can also be reduced.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird insbesondere eine höhere Systemeffizienz erreicht, indem zusätzliche Druckbeaufschlagungskomponenten entfallen, da die Elektrolyse selbst bereits bei dem für einen vorgesehenen Einsatz erforderlichen Druck betrieben werden kann. Mit anderen Worten kann unter Verwendung der Vorrichtung eine Phasentrennung bei der Elektrolyse unter hohem Druck vorgesehen sein. Beispielsweise kann der in flüssiger Form vorliegende Elektrolyt, welcher sich lediglich in der ersten Kammer befindet, von der sich in der zweiten Kammer befindenden zweiten Gaskomponente getrennt gehalten werden. With the device according to the invention, a higher system efficiency is achieved, in particular, in that additional pressurization components are dispensed with, since the electrolysis itself can already be operated at the pressure required for an intended use. In other words, phase separation can be provided in the electrolysis under high pressure using the device. For example, the electrolyte present in liquid form, which is only in the first chamber, can be kept separate from the second gas component in the second chamber.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist somit eine Elektrolytzirkulation lediglich innerhalb der ersten Kammer vorgesehen, wohingegen innerhalb der zweiten Kammer keine Elektrolytzirkulation stattfindet. Mit anderen Worten ist damit eine asymmetrische Elektrolytzirkulation vorgesehen. In der ersten Kammer kann ein Zweiphasenfluss aus flüssigem Elektrolyten und darin enthaltener erster Gaskomponente ausgebildet sein. Die Elektrolyseeinheit kann in Form einer Zelle vorgesehen sein, die eine abgeschlossene Einheit mit einem Elektrolytzufluss sowie zwei Abflüssen umfasst, wobei der erste Abfluss für einen kombinierten Elektrolyt-Gaskomponenten-Abfluss und der zweite Abfluss für einen reinen Gasabfluss vorgesehen ist. Der kombinierte Elektrolyt-Gaskomponenten- Abfluss kann das Abführen des Elektrolyten zusammen mit der durch die Elektrolyse bereitgestellten ersten Gaskomponente aus der ersten Kammer umfassen. Der zweite Abfluss kann das Abführen der bereitgestellten zweiten Gaskomponente aus der zweiten Kammer umfassen. Die Elektrolyseeinheit kann eine Rahmenstruktur aufweisen, welche die beiden Kammern umgibt. Diese kann zur Aufnahme struktureller Lasten ausgeführt sein, beispielsweise um eine Art Druckgefäß zu bilden. With the device according to the invention, electrolyte circulation is only provided within the first chamber, whereas no electrolyte circulation takes place within the second chamber. In other words, an asymmetrical electrolyte circulation is thus provided. A two-phase flow of liquid electrolyte and the first gas component contained therein can be formed in the first chamber. The electrolysis unit can be provided in the form of a cell, which comprises a closed unit with an electrolyte inflow and two outflows, the first outflow being provided for a combined electrolyte-gas component outflow and the second outflow being provided for a pure gas outflow. The combined electrolyte-gas component discharge can include discharging the electrolyte together with the first gas component provided by the electrolysis from the first chamber. The second outflow can include discharging the provided second gas component from the second chamber. The electrolysis unit can have a frame structure which surrounds the two chambers. This can be designed to absorb structural loads, for example to form a type of pressure vessel.
Die Elektrolyseeinheit kann ferner zwei Elektroden aufweisen, das heißt eine Kathode und eine Anode. An den Elektroden kann jeweils eine Reaktion zur Bildung der ersten und der zweiten Gaskomponente stattfinden, um diese anschließend bereitzustellen. In der ersten Kammer kann die Kathode angeordnet sein und in der zweiten Kammer kann die Anode angeordnet sein. Dementsprechend kann die erste Kammer als Kathodenkammer und die zweite Kammer als Anodenkammer bezeichnet werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Anode in der ersten Kammer und die Kathode in der zweiten Kammer vorgesehen ist und somit der Elektrolyt auf Anodenseite vorliegt bzw. die Elektrolytzirkulation lediglich in der Anodenkammer stattfindet, während die Kathodenkammer von dem Elektrolyten freigehalten wird. Jedenfalls kann die Elektrolyseeinheit mit asymmetrischer Zirkulation betrieben, was bedeutet, dass entweder die Anodenkammer oder die Kathodenkammer frei von Elektrolyt ist und lediglich eine Gaskomponente aufweist. Mit anderen Worten zirkuliert Elektrolyt stets nur in einer von beiden Kammern, wohingegen, die andere Seite quasi „trocken“ bleibt. Für den Fall, dass die zweite Gaskomponente Sauerstoff ist, kann zum Beispiel ein Druckniveau von ca. 100 bar bereitgestellt werden, um „trockenen“ bzw. reinen Sauerstoff in der zweiten Kammer bereitzustellen. The electrolysis unit can also have two electrodes, ie a cathode and an anode. A reaction to form the first and the second gas component can take place at the electrodes in order to subsequently provide them. The cathode can be arranged in the first chamber and the anode can be arranged in the second chamber. Accordingly, the first chamber can be referred to as the cathode chamber and the second chamber as the anode chamber. However, it can also be provided that the anode is provided in the first chamber and the cathode in the second chamber and thus the electrolyte is present on the anode side or the electrolyte circulation takes place only in the anode chamber while the cathode chamber is kept free of the electrolyte. In any case, the electrolysis unit can be operated with asymmetric circulation, which means that either the anode chamber or the cathode chamber is free of electrolyte and only has a gas component. In other words, electrolyte always circulates in only one of the two chambers, while the other side remains "dry". If the second gas component is oxygen, a pressure level of approximately 100 bar can be provided, for example, in order to provide “dry” or pure oxygen in the second chamber.
Innerhalb der Elektrolyseeinheit kann ferner die Trenneinheit in Form einer Trennwand vorgesehen sein, welche die erste Kammer räumlich von der zweiten Kammer trennt. Die Trenneinheit kann eine Membranstruktur aufweisen, die dazu ausgeführt ist, den Elektrolyten in der ersten Kammer zu halten und damit die zweite Kammer frei vom Elektrolyten zu halten. Dazu wird innerhalb der zweiten Kammer ein Druck bereitgestellt, der einen Druck innerhalb der ersten Kammer übersteigt, wodurch der Elektrolytfluss des Elektrolyten lediglich in der ersten Kammer erfolgt und ein Durchlass des Elektrolyten in die zweite Kammer verhindert wird. Die Trenneinheit kann dazu ausgebildet sein, einen ionischen Ladungstransport zu gewährleisten, um die zweite Gaskomponente in der zweiten Kammer bereitstellen zu können. Furthermore, the separating unit can be provided within the electrolysis unit in the form of a dividing wall which spatially separates the first chamber from the second chamber. the Separation unit can have a membrane structure designed to keep the electrolyte in the first chamber and thus keep the second chamber free of electrolyte. For this purpose, a pressure is provided within the second chamber which exceeds a pressure within the first chamber, as a result of which the flow of the electrolyte takes place only in the first chamber and passage of the electrolyte into the second chamber is prevented. The separating unit can be designed to ensure ionic charge transport in order to be able to provide the second gas component in the second chamber.
In der ersten Kammer wird die erste Gaskomponente durch einen Elektrolyseprozess bereitgestellt. Im Falle einer Bereitstellung von Wasserstoff EL unter Verwendung einer Kaliumhydroxidlösung (KOH + H2O) als Elektrolyt kann folgende chemische Reaktion in der Elektrolyseeinheit auftreten: H2O - H2 + V2O2. Als zweite Gaskomponente wird in diesem Fall Sauerstoff O2 in der zweiten Kammer bereitgestellt. The first gas component is provided in the first chamber by an electrolysis process. If hydrogen EL is provided using a potassium hydroxide solution (KOH + H2O) as the electrolyte, the following chemical reaction can occur in the electrolysis unit: H2O - H2 + V2O2. In this case, oxygen O2 is provided in the second chamber as the second gas component.
Es kann vorgesehen sein, dass die zweite Gaskomponente in reiner Form oder nahezu reiner Form aus der zweiten Kammer abgeführt wird, zur weiteren Verwendung. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die erste Gaskomponente zusammen mit einem Teil des der ersten Kammer zugeführten Elektrolyten aus der Elektrolyseeinheit abgeführt wird, wobei anschließend eine Phasentrennung des in flüssiger Form vorliegenden Elektrolyten und der in Gasform vorliegenden ersten Gaskomponente in der Phasenseparierungseinheit erfolgt. Vor dieser Phasentrennung kann die erste Gaskomponente in Blasenform innerhalb des abgeführten Elektrolyten vorliegen. Die Phasentrennung in der Phasenseparierungseinheit kann zum Beispiel durch Gravimetrie, unter Verwendung einer Zentrifuge oder aber mittels einer Membran erfolgen. Eine Phasentrennung mittels Membran wird im weiteren Verlauf noch genauer erläutert. Es sei verstanden, dass auch andere Phasentrennungstechniken zur Anwendung kommen können. It can be provided that the second gas component is discharged from the second chamber in pure form or almost pure form for further use. Provision can furthermore be made for the first gas component to be discharged from the electrolysis unit together with part of the electrolyte fed to the first chamber, with a phase separation of the electrolyte present in liquid form and the first gas component present in gaseous form subsequently taking place in the phase separation unit. Before this phase separation, the first gas component can be present in the form of bubbles within the discharged electrolyte. The phase separation in the phase separation unit can take place, for example, by gravimetry, using a centrifuge or by means of a membrane. A phase separation by means of a membrane will be explained in more detail below. It is understood that other phase separation techniques can also be used.
Die in der Phasenseparierungseinheit von dem Elektrolyten getrennte erste Gaskomponente kann anschließend zur weiteren Verwendung einem Speicher oder einem Verbraucher zugeführt werden. Im Falle von Wasserstoff als erste Gaskomponente kann dieser dann zum Beispiel als Energieträger oder Treibstoff für eine Antriebseinheit dienen. Das sehr hohe in der Elektrolyseeinheit und in der Separierungseinheit bereitstellbare Druckniveau, das zum Beispiel größer als 50 bar sein kann, kann für die Speicherung vorteilhaft genutzt werden, da keine oder lediglich eine geringe weitere Druckerhöhung erforderlich wäre, um die erste Gaskomponente nach ihrer Bereitstellung effektiv speichern zu können. The first gas component separated from the electrolyte in the phase separation unit can then be fed to a store or a consumer for further use. In the case of hydrogen as the first gas component this can then be used, for example, as an energy carrier or fuel for a drive unit. The very high pressure level that can be provided in the electrolysis unit and in the separation unit, which can be greater than 50 bar, for example, can be used advantageously for storage, since no or only a small further increase in pressure would be required to make the first gas component effective after it has been made available to be able to save.
Es ist möglich, mehrere Elektrolyseeinheiten, wie sie zuvor und nachfolgend beschrieben ist, in der Vorrichtung vorzusehen. Dabei können die mehreren Elektrolyseeinheiten zum Beispiel in einer parallelen Anordnung in einem Elektrolytkreislauf der Vorrichtung vorgesehen werden. It is possible to provide several electrolysis units, as described above and below, in the device. In this case, the plurality of electrolysis units can be provided, for example, in a parallel arrangement in an electrolyte circuit of the device.
Gemäß einer Ausführungsform bewirkt ein über die Trenneinheit erzeugter Druckunterschied zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer, dass sich der Elektrolyt in einem Betriebszustand der Elektrolyseeinheit lediglich in der ersten Kammer befindet und die zweite Kammer keinen Elektrolyten umfasst. According to one embodiment, a pressure difference between the first chamber and the second chamber generated via the separating unit causes the electrolyte to be located only in the first chamber when the electrolysis unit is in an operating state and the second chamber contains no electrolyte.
Mit anderen Worten kann ein kontinuierlicher Überdruck der zweiten Gaskomponente gegenüber der ersten Gaskomponente vorgesehen sein. Der Druckunterscheid zwischen den beiden Kammern kann beliebig sein, wobei strukturelle Eigenschaften der Elektrolyseeinheit, insbesondere der Trenneinheit einen Einfluss auf die jeweils vorgesehenen Drücke haben können. Ebenso ist der Druckunterschied so gewählt, dass die Trennung von Elektrolyt in der ersten Kammer und der zweiten Gaskomponente in der zweiten Kammer sichergestellt ist, um eine Verunreinigung der zweiten Gaskomponente zu gewährleisten. Es kann vorgesehen sein, dass folgende Druckeigenschaft für die Elektrolyseeinheit gilt, wobei p den Druck angibt: p(zweite Gaskomponente) > p(Elektrolytkreislauf) > p(erste Gaskomponente)
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p(Umgebung) Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung bei einem Druck von wenigstens 50 bar betreibbar.
In other words, a continuous overpressure of the second gas component compared to the first gas component can be provided. The pressure difference between the two chambers can be arbitrary, with structural properties of the electrolysis unit, in particular the separating unit, having an influence on the pressures provided in each case. Likewise, the pressure difference is selected such that the separation of the electrolyte in the first chamber and the second gas component in the second chamber is ensured in order to ensure contamination of the second gas component. It can be provided that the following pressure property applies to the electrolysis unit, where p indicates the pressure: p(second gas component)>p(electrolyte circuit)>p(first gas component)
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p(environment) According to one embodiment, the device is operable at a pressure of at least 50 bar.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die gesamte Vorrichtung einschließlich der Elektrolyseeinheit und der Phasenseparierungseinheit bei einem Druck von wenigstens 50 bar betreibbar ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Elektrolyseeinheit zusammen mit der Phasenseparierungseinheit bei einem Druck von wenigstens 50 bar betreibbar ist. Der Druck, bei dem die Vorrichtung betreibbar ist, kann ferner wenigstens 60 bar, wenigstens 80 bar oder wenigstens 100 bar betragen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung bei einer erhöhten Temperatur betrieben werden kann, welche beispielsweise größer als Raumtemperatur ist. Eine Temperaturspanne für mögliche Betriebstemperaturen kann 20°C bis 200°C betragen. It can be provided that the entire device, including the electrolysis unit and the phase separation unit, can be operated at a pressure of at least 50 bar. In particular, it can be provided that the electrolysis unit can be operated together with the phase separation unit at a pressure of at least 50 bar. The pressure at which the device can be operated can also be at least 60 bar, at least 80 bar or at least 100 bar. Provision can also be made for the device to be able to be operated at an elevated temperature which, for example, is greater than room temperature. A temperature range for possible operating temperatures can be 20°C to 200°C.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Trenneinheit eine Membranstruktur mit Poren auf. According to one embodiment, the separation unit has a membrane structure with pores.
Mit anderen Worten kann die Trenneinheit, welche die erste von der zweiten Kammer trennt, eine Membran aufweisen. Hierfür kann ein Gewebe aus Polyphenylensulfid mit einer Beschichtung aus Polymer und Zirkonoxid vorgesehen sein. Beispielsweise handelt es sich um Zirfon Perl® UTP 500. Die Membran kann eine Dicke von 500 Mikrometer, eine Porosität von 55 Prozent sowie eine Porengröße von kleiner als 0,05 Mikrometer aufweisen. Ein Blasendruck in der Membran kann bei 2 bar liegen. Dieser Blasendruck kann abhängig von der Porengröße in der Membran sein. Größere Blasendrücke werden beispielsweise erreicht, wenn kleinere Poren vorgesehen werden, wodurch ein größerer Druckunterschied zwischen der ersten und zweiten Kammer eingestellt werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass der Druckunterschied zwischen der ersten und zweiten Kammer, der über die Membran ausgebildet wird, nicht größer als der Blasendruck ist. In other words, the separating unit, which separates the first from the second chamber, can have a membrane. A fabric made of polyphenylene sulfide with a coating of polymer and zirconium oxide can be provided for this purpose. For example, it is Zirfon Perl® UTP 500. The membrane can have a thickness of 500 microns, a porosity of 55 percent and a pore size of less than 0.05 microns. A bubble pressure in the membrane can be 2 bar. This bubble pressure can depend on the pore size in the membrane. Greater bubble pressures are achieved, for example, when smaller pores are provided, as a result of which a greater pressure difference can be set between the first and second chambers. It can be provided that the pressure difference between the first and second chambers, which is formed across the membrane, is not greater than the bladder pressure.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Trenneinheit alternativ eine Membranstruktur ohne Poren auf, welche dazu ausgeführt ist, einen Transport einer Flüssigkeit zu ermöglichen und einen Transport einer Gaskomponente zu unterbinden. Mit anderen Worten handelt es sich in diesem Fall um eine gasdichte Membran, die jedoch die Fähigkeit besitzt, Flüssigkeit zu transportieren. Diese Membran kann eine hohe lonenleitfähigkeit, beispielsweise für OH' -Ionen aufweisen. Zum Beispiel handelt es sich um eine lonomr Aemion®-Membran. Die Membran kann eine Dicke von 50 Mikrometer aufweisen. Auch für diese Alternative können die Drücke in der ersten und der zweiten Kammer frei gewählt werden, solange dadurch die Stabilität der zwischen den Kammern liegenden Membran, über welche der Druckunterschied ausgebildet wird, nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere kann eine solche Art von geschlossener Membran ohne Poren vorgesehen sein, sodass kein Druckunterschied notwendig ist, um den Elektrolyten auf einer Seite, das heißt in einer der beiden Kammern, zu halten. According to one embodiment, the separation unit alternatively has a membrane structure without pores, which is designed to enable transport of a liquid and prevent transport of a gas component. In other words, in this case it is a gas-tight membrane which, however, has the ability to transport liquid. This membrane can have a high ion conductivity, for example for OH′ ions. For example, it is a lonomr Aemion® membrane. The membrane may have a thickness of 50 microns. The pressures in the first and second chambers can also be freely selected for this alternative, as long as this does not impair the stability of the membrane located between the chambers, across which the pressure difference is formed. In particular, such a type of closed membrane without pores can be provided, so that no pressure difference is necessary to keep the electrolyte on one side, ie in one of the two chambers.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Trenneinheit bzw. die Membran Versteifungselemente aufweist, wodurch der erreichbare Druckunterschied zwischen der ersten und der zweiten Kammer erhöht werden kann. Provision can furthermore be made for the separating unit or the membrane to have stiffening elements, as a result of which the achievable pressure difference between the first and the second chamber can be increased.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Phasenseparierungseinheit eine Membranstruktur auf, die dazu ausgeführt ist, die erste Gaskomponente von dem Elektrolyten zu trennen, um somit die erste Gaskomponente bereitzustellen, so dass die erste Gaskomponente anschließend einer Speichereinheit oder einem Verbraucher zuführbar ist. According to one embodiment, the phase separation unit has a membrane structure that is designed to separate the first gas component from the electrolyte in order to thus provide the first gas component, so that the first gas component can then be fed to a storage unit or a consumer.
Wie zuvor erwähnt, kann der Abfluss aus der Elektrolyseeinheit in Form einer Kombination von Elektrolyt und erster Gaskomponente erfolgen, wobei die erste Gaskomponente gelöst und in Form von Blasen im flüssigen Elektrolyt enthalten ist. Die Phasenseparierungseinheit kann nun die erste Gaskomponente vollständig vom Elektrolyten trennen, so dass reiner Elektrolyt in den Kreislauf und damit in die Elektrolyseeinheit zurückgeführt werden kann. Die Phasentrennung erfolgt dabei durch eine Membranstruktur, z.B. Hohlfasermembranstruktur, was die Vorrichtung zur Verwendung unter Mikrogravitationsbedingungen geeignet macht. Darüber hinaus kann dadurch ein Verlust an Elektrolyt bei der Phasentrennung reduziert werden. Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung unter Mikrogravitationsbedingungen betreibbar, so dass bei Auftreten eines Mikrogravitationszustandes das Trennen der ersten Gaskomponente von dem Elektrolyten in der Phasenseparierungseinheit gewährleistet ist, um somit die erste Gaskomponente bereitzustellen. As previously mentioned, the effluent from the electrolysis unit may be in the form of a combination of electrolyte and first gas component, the first gas component being dissolved and contained in the liquid electrolyte in the form of bubbles. The phase separation unit can now completely separate the first gas component from the electrolyte, so that pure electrolyte can be returned to the circuit and thus to the electrolysis unit. The phase separation is carried out by a membrane structure, for example a hollow-fiber membrane structure, which makes the device suitable for use under microgravity conditions. In addition, a loss of electrolyte during phase separation can be reduced as a result. According to one embodiment, the device can be operated under microgravity conditions, so that when a microgravity condition occurs, the separation of the first gas component from the electrolyte in the phase separation unit is ensured, in order to thus provide the first gas component.
Mit anderen Worten kann die Phasenseparierungseinheit sicherstellen, dass ein Trennen der ersten Gaskomponente von dem Elektrolyten auch bei Schwerelosigkeit möglich ist, wodurch sich die Vorrichtung insbesondere für den Einsatz in Raumfahrzeugen eignet. Um dies zu erreichen, kann die Phasenseparierungseinheit eine Membran aufweisen, durch welche die erste Gaskomponente von dem Elektrolyten getrennt werden kann. In other words, the phase separation unit can ensure that the first gas component can be separated from the electrolyte even in weightlessness, which makes the device particularly suitable for use in space vehicles. In order to achieve this, the phase separation unit can have a membrane, through which the first gas component can be separated from the electrolyte.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner einen Elektrolytkreislauf und eine Zufuhreinheit auf, wobei die Zufuhreinheit dazu ausgeführt ist, dem Elektrolytkreislauf ein Edukt unter Verwendung von Osmose bereitzustellen. According to one embodiment, the device also has an electrolyte circuit and a supply unit, the supply unit being designed to provide the electrolyte circuit with a starting material using osmosis.
Dadurch kann die Verwendung einer Pumpe zur Bereitstellung des Edukts, das heißt zur Zuführung des Edukts in den Elektrolysekreislauf, vermieden werden. Dies ist von Vorteil, da bei Verwendung einer Pumpe ein im Kreislauf vorhandener hoher Druck, wie zuvor beschrieben, erst durch die Pumpe aufgebracht werden müsste. Dieses Aufbringen eines hohen Druckes von beispielsweise 100 bar durch eine Pumpe kann somit vermieden werden. Bei der Verwendung von Osmose wird ein Druckunterschied innerhalb der Zufuhreinheit dadurch erzeugt, dass ein Unterschied in der Elektrolytkonzentration auf unterschiedlichen Seiten einer Membran der Zufuhreinheit eingestellt wird. Dies wird in der Figurenbeschreibung noch genauer erläutert. Das Edukt kann zum Beispiel Wasser sein. As a result, the use of a pump to provide the educt, that is to say to feed the educt into the electrolysis circuit, can be avoided. This is advantageous because when using a pump, a high pressure present in the circuit, as described above, would first have to be applied by the pump. This application of a high pressure of, for example, 100 bar by a pump can thus be avoided. When using osmosis, a pressure difference is created within the supply unit by setting a difference in electrolyte concentration on different sides of a membrane of the supply unit. This is explained in more detail in the description of the figures. The educt can be water, for example.
Es sei jedoch angemerkt, dass anstatt einer Verwendung von Osmose eine Pumpe als Eduktzufuhreinheit möglich ist. However, it should be noted that instead of using osmosis, a pump is possible as the educt supply unit.
Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Gaskomponente Wasserstoff EE und/oder die zweite Gaskomponente ist Sauerstoff O2. Es sei jedoch verstanden, dass auch andere geeignete Gaskomponenten unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden können. Dies kann abhängig von der Auswahl des zugeführten Edukts sein. According to one embodiment, the first gas component is hydrogen EE and/or the second gas component is oxygen O2. However, it should be understood that others suitable gas components can be generated using the device according to the invention. This can depend on the selection of the reactant supplied.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Elektrolyseeinheit eine Rahmenstruktur auf, wobei die Phasenseparierungseinheit in die Rahmenstruktur der Elektrolyseeinheit integriert ist. According to one embodiment, the electrolysis unit has a frame structure, with the phase separation unit being integrated into the frame structure of the electrolysis unit.
Eine Rahmenstruktur kann beispielswiese ein Mantel oder sonstige Strukturelemente umfassen, die geeignet sind, eine abgeschlossene Form der Elektrolyseeinheit zu bilden oder zumindest teilweise zu bilden. Beispielsweise grenzt die Phasenseparierungseinheit mit einer Außenwand direkt an eine Außenwand der Elektrolyseeinheit an. Eine Integration der Phasenseparierungseinheit in die Elektrolyseeinheit ermöglicht Vorteile hinsichtlich Platzeinsparung, Gewichtseinsparung, etc. Beispielsweise kann auf diese Weise die Verwendung von Rohrleitungen und anderen hydraulischen Komponenten verringert oder sogar ganz vermieden werden. Eine Skalierung hinsichtlich der Anzahl der eingesetzten Elektrolysezellen wird dadurch ermöglicht. Ein wesentlicher Vorteil dieser strukturellen Integration ist es aber auch, dass dadurch sämtliche Vorrichtungseinheiten, das heißt u.a. die Elektrolyseeinheit, die Phasenseparierungseinheit, etc., und etwaige Zubehörkomponenten wie Leitungselemente, in einer abgeschlossenen Hochdruckumgebung eingesetzt werden können. A frame structure can include, for example, a jacket or other structural elements that are suitable for forming or at least partially forming a closed form of the electrolysis unit. For example, the phase separation unit directly adjoins an outer wall of the electrolysis unit with an outer wall. An integration of the phase separation unit into the electrolysis unit enables advantages in terms of saving space, saving weight, etc. For example, the use of pipelines and other hydraulic components can be reduced or even completely avoided in this way. This enables scaling in terms of the number of electrolytic cells used. However, a major advantage of this structural integration is that all the device units, i.e. the electrolysis unit, the phase separation unit, etc., and any accessory components such as line elements can be used in a closed high-pressure environment.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner einen Wärmetauscher auf, welcher in die Elektrolyseeinheit integriert ist. According to one embodiment, the device also has a heat exchanger which is integrated into the electrolysis unit.
Dadurch ergeben sich ebenfalls die zuvor bereits genannten Vorteile der strukturellen Integration. Zusätzlich ergibt sich hier der Vorteil, dass Wärme aus der Elektrolyseeinheit besser ausgetragen werden kann, wenn auch der Wärmetauscher in die Elektrolyseeinheit integriert ist. Eine strukturelle Integration kann dabei bedeuten, dass die jeweiligen Komponenten über maximal eine weitere Komponente, wie beispielsweise eine Zwischenwand, voneinander getrennt sind. Beispielsweise grenzt der Wärmetauscher mit einer Außenwand direkt an eine Außenwand der Elektrolyseeinheit an. Über den Wärmetauscher kann eine thermische Steuerung der Vorrichtung, insbesondere eine Steuerung der Temperatur im Elektrolytkreislauf ermöglicht werden. This also results in the previously mentioned advantages of structural integration. In addition, there is the advantage here that heat can be better removed from the electrolysis unit if the heat exchanger is also integrated into the electrolysis unit. Structural integration can mean that the respective components are separated from one another by a maximum of one additional component, such as an intermediate wall. For example, the heat exchanger directly adjoins an outer wall of the electrolysis unit with an outer wall. On the Heat exchangers can allow thermal control of the device, in particular control of the temperature in the electrolyte circuit.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit der zuvor und nachfolgend beschriebenen Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente angegeben. According to one aspect of the invention, a vehicle is provided with the device for providing a gas component described above and below.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Fahrzeug ein Luftfahrzeug mit der zuvor und nachfolgend beschriebenen Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente. Das Luftfahrzeug kann ein bemanntes oder ein unbemanntes Luftfahrzeug sein. Das Luftfahrzeug kann ein Flugzeug, insbesondere ein Transportflugzeug bzw. ein Passagierflugzeug sein. Das Luftfahrzeug kann aber auch ein beliebiger anderer Flugkörper sein. According to one embodiment, the vehicle is an aircraft with the device for providing a gas component described above and below. The aircraft can be a manned or an unmanned aircraft. The aircraft can be an aircraft, in particular a transport aircraft or a passenger aircraft. However, the aircraft can also be any other missile.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Fahrzeug ein Raumfahrzeug mit der zuvor und nachfolgend beschriebenen Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente. Das Raumfahrzeug kann ein bemanntes oder ein unbemanntes Raumfahrzeug sein. Das Raumfahrzeug kann ein Satellit, eine Rakete oder dergleichen sein. Hinsichtlich der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Raumfahrzeug ergibt sich der Vorteil, dass wie zuvor beschrieben, eine Funktion der Vorrichtung, insbesondere der Phasenseparierungseinheit, auch unter Mikrogravitationsbedingungen, also unter Schwerelosigkeit, sichergestellt werden kann. According to one embodiment, the vehicle is a spacecraft with the device for providing a gas component described above and below. The spacecraft can be a manned or an unmanned spacecraft. The spacecraft may be a satellite, rocket, or the like. With regard to the use of the device according to the invention in a spacecraft, there is the advantage that, as described above, a function of the device, in particular of the phase separation unit, can also be ensured under microgravity conditions, ie under weightlessness.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zuvor und nachfolgend beschriebene Vorrichtung dazu ausgeführt, in einer stationären Anwendung eingesetzt zu werden. Mit anderen Worten kann eine stationäre bzw. ortsfeste Plattform mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein. According to a further embodiment, the device described above and below is designed to be used in a stationary application. In other words, a stationary or stationary platform can be provided with the device according to the invention.
Aus den zuvor aufgezeigten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich zahlreiche Vorteile. Insbesondere kann eine Gaskomponente, zum Beispiel Wasserstoff, bei sehr hohem Druck von ca. 100 bar oder sogar mehr bereitgestellt werden, was die Speicherdichte und dadurch die Systemeffizienz beispielsweise bei Wasserstoffaufbewahrungs- und Antriebssystemen deutlich verbessern kann. Ferner kann die Gasreinheit der erzeugten Gaskomponenten erhöht werden und ein möglicherweise entstehender Wasserdampfanteil reduziert werden. Zusammenfassend kann die erfindungsgemäße Vorrichtung Vorteile bieten hinsichtlich einer reduzierten Systemkomplexität, geringerer Ausfallrisiken, geringerer Energieverbräuche, geringerer Massen und Volumina aufgrund von weniger benötigten Komponenten zur Zirkulation des Elektrolyten, usw. Aufgrund der osmotischen Eduktzufuhr kann auf die Verwendung von Pumpen hierfür verzichtet werden, was wiederum die Komplexität, den Energieverbrauch sowie Ausfallrisiken des Gesamtsystems reduziert, da weniger bewegte bzw. komplexe Teile zum Einsatz kommen. Numerous advantages result from the properties of the device according to the invention which have been indicated above. In particular, a gas component, for example hydrogen, can be provided at a very high pressure of approx. 100 bar or even more, which affects the storage density and thus the system efficiency, for example can significantly improve hydrogen storage and propulsion systems. Furthermore, the gas purity of the gas components produced can be increased and a possibly occurring water vapor content can be reduced. In summary, the device according to the invention can offer advantages in terms of reduced system complexity, lower risk of failure, lower energy consumption, lower masses and volumes due to fewer components required for circulating the electrolyte, etc. Due to the osmotic reactant supply, the use of pumps for this can be dispensed with, which in turn The complexity, energy consumption and failure risks of the entire system are reduced because fewer moving or complex parts are used.
Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel. 1 shows a device for providing a gas component according to an embodiment.
Fig. 2 zeigt einen Teil der Vorrichtung von Fig. 1 mit einer Eduktzufuhr unter Verwendung einer Pumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel. FIG. 2 shows part of the device from FIG. 1 with an educt supply using a pump according to an exemplary embodiment.
Fig. 3 zeigt einen Teil der Vorrichtung von Fig. 1 mit einer Eduktzufuhr unter Verwendung von Osmose gemäß einem Ausführungsbeispiel. FIG. 3 shows part of the device from FIG. 1 with feed of educt using osmosis according to an exemplary embodiment.
Fig. 4 zeigt eine Zufuhreinheit mit einer Osmose-Membran gemäß einem Ausführungsbeispiel. 4 shows a feed unit with an osmosis membrane according to an embodiment.
Fig. 5 zeigt ein Luftfahrzeug mit der Vorrichtung von Fig. 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. FIG. 5 shows an aircraft with the device from FIG. 1 according to an exemplary embodiment.
Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente mit mehreren Elektrolyseeinheiten gemäß einem Ausführungsbeispiel. Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen FIG. 6 shows a device for providing a gas component with a plurality of electrolysis units according to an exemplary embodiment. Detailed description of exemplary embodiments
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Gleiche oder ähnliche Elemente können aber auch durch unterschiedliche Bezugszeichen bezeichnet sein. The representations in the figures are schematic and not to scale. If the same reference symbols are used in different figures in the following description of the figures, then these denote the same or similar elements. However, the same or similar elements can also be denoted by different reference symbols.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Bereitstellung einer Gaskomponente 11, 12. Die Vorrichtung umfasst eine Elektrolyseeinheit 20 mit einer ersten Kammer 21 und einer zweiten Kammer 22, wobei die erste Kammer 21 durch eine Trenneinheit 23 von der zweiten Kammer 22 getrennt ist. In den Kammern 21, 22 befinden sich jeweils eine Elektrode 28 und ein Strömungsfeld 29. Die Trenneinheit 23 kann in Form einer porösen oder nicht porösen Membran ausgebildet sein. Ein Elektrolyt 13 wird über einen Leitungskreislauf 80 der Elektrolyseeinheit 20 zugeführt. Der Elektrolyt 13 kann beispielsweise eine wässrige Lösung sein, z.B. eine Kaliumhydroxidlösung. Der Elektrolyt 13 fließt innerhalb des Leitungskreislaufs 80, wobei ein bei der Elektrolyse verbrauchtes Edukt 14, beispielsweise Wasser, aus einer Eduktversorgungseinheit 53 über eine Zufuhreinheit 50 in den bereits im Kreislauf 80 befindlichen Elektrolyten 13 eingebracht wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass stets eine ausreichende Menge an Edukt 14 dem Elektrolyt 13 und somit der Elektrolyseeinheit 20 zugeführt werden kann. 1 shows a device 10 for providing a gas component 11, 12. The device comprises an electrolysis unit 20 with a first chamber 21 and a second chamber 22, the first chamber 21 being separated from the second chamber 22 by a separating unit 23. An electrode 28 and a flow field 29 are located in each of the chambers 21, 22. The separating unit 23 can be designed in the form of a porous or non-porous membrane. An electrolyte 13 is supplied to the electrolysis unit 20 via a line circuit 80 . For example, the electrolyte 13 may be an aqueous solution such as a potassium hydroxide solution. The electrolyte 13 flows within the line circuit 80 , with an educt 14 consumed during the electrolysis, for example water, being introduced from an educt supply unit 53 via a feed unit 50 into the electrolyte 13 already in the circuit 80 . In this way it is ensured that a sufficient quantity of educt 14 can always be supplied to the electrolyte 13 and thus to the electrolysis unit 20 .
Der Elektrolyt 13 gelangt aus dem Kreislauf 80 in die erste Kammer 21 der Elektrolyseeinheit 20, wobei eine chemische Reaktion in der Kammer stattfindet, wodurch eine erste Gaskomponente 11 entsteht, die neben dem Elektrolyt 13 in der ersten Kammer 21 vorliegt. Mit anderen Worten findet eine Zirkulation von Elektrolyt 13 innerhalb der ersten Kammer 21 statt und durch die chemische Reaktion kann die erste Gaskomponente 11 bereitgestellt werden, welche anschließend über einen Abfluss 82 zusammen mit einer Teilmenge an Elektrolyt 13 aus der Elektrolyseeinheit 20 abgeführt wird. Die abgeführte Teilmenge an Elektrolyt 13 ist dabei kleiner als die Menge an Elektrolyt 13, welche über den Zufluss 81 der Elektrolyseeinheit 20 zugeführt wird. In der zweiten Kammer 22 wird durch chemische Reaktion im Bereich der Trenneinheit 23 und der Elektrode 28 eine zweite Gaskomponente 12 (in Fig. 1 nicht dargestellt) erzeugt. Diese zweite Gaskomponente 12 wird wiederum über den weiteren Abfluss 83 aus der Elektrolyseeinheit 23 abgeführt und zur weiteren Verwendung in einem Verbraucher 40 oder zur Speicherung in einer Speichereinheit 40 bei hohem Druck und in Reinform bereitgestellt. The electrolyte 13 passes from the circuit 80 into the first chamber 21 of the electrolysis unit 20, with a chemical reaction taking place in the chamber, as a result of which a first gas component 11 is formed, which is present in the first chamber 21 alongside the electrolyte 13. In other words, electrolyte 13 circulates within first chamber 21 and the first gas component 11 can be provided by the chemical reaction, which is then discharged from electrolysis unit 20 via a drain 82 together with a portion of electrolyte 13 . The discharged partial amount of electrolyte 13 is smaller than the amount of electrolyte 13 which is supplied to the electrolysis unit 20 via the inflow 81 . A second gas component 12 (not shown in FIG. 1) is generated in the second chamber 22 by a chemical reaction in the region of the separating unit 23 and the electrode 28 . This second gas component 12 is in turn discharged from the electrolysis unit 23 via the further outflow 83 and is made available for further use in a consumer 40 or for storage in a storage unit 40 at high pressure and in pure form.
Ein Druck innerhalb der zweiten Kammer 22 ist größer als ein Druck innerhalb der ersten Kammer 21, sodass ein Elektrolytfluss des Elektrolyten 13 lediglich in der ersten Kammer 21 erfolgt und ein Durchlass des Elektrolyten 13 in die zweite Kammer 22 unterbunden ist, um somit die bereitgestellte zweite Gaskomponente 12 von dem Elektrolyten 13 getrennt zu halten. Die Trennvorrichtung 23 verhindert sozusagen zusammen mit dem genannten Druckunterschied ein Übertreten des Elektrolyten 13 von der ersten Kammer 21 in die zweite Kammer 22. Der über die Trenneinheit 23 erzeugte Druckunterschied zwischen der ersten Kammer 21 und der zweiten Kammer 22 bewirkt also, dass sich der Elektrolyt 13 in einem Betriebszustand der Elektrolyseeinheit 20 lediglich in der ersten Kammer 21 befindet und die zweite Kammer 22 keinen Elektrolyten 13 umfasst, sondern lediglich die zweite Gaskomponente 12 mit hohem Reinheitsgrad. A pressure within the second chamber 22 is greater than a pressure within the first chamber 21, so that an electrolyte flow of the electrolyte 13 takes place only in the first chamber 21 and a passage of the electrolyte 13 into the second chamber 22 is prevented, in order to thus provide the second To keep gas component 12 separated from the electrolyte 13. The separating device 23, together with the pressure difference mentioned, prevents the electrolyte 13 from passing from the first chamber 21 into the second chamber 22. The pressure difference between the first chamber 21 and the second chamber 22 generated by the separating unit 23 causes the electrolyte to 13 is in an operating state of the electrolysis unit 20 only in the first chamber 21 and the second chamber 22 includes no electrolyte 13, but only the second gas component 12 with a high degree of purity.
In den Kreislauf 80 ist ferner eine Phasenseparierungseinheit 30 eingebunden, die dazu ausgeführt ist, die erste Gaskomponente 11 von dem Elektrolyten 13 zu trennen, um somit die erste Gaskomponente 11 zur weiteren Verwendung in einem Verbraucher 41 oder zur Speicherung einem Speicher 41 bei hohem Druck und in Reinform bereitzustellen. Der Druck, bei dem die Vorrichtung 10 einschließlich der Elektrolyseeinheit 20, der Phasenseparierungseinheit 30 und des Leitungskreislaufs 80 betrieben werden kann, kann in etwa bei 100 bar liegen, wobei zu beachten ist, dass der zuvor genannte Druckunterschied zwischen erster Kammer 21 und zweiter Kammer 22 eingehalten wird. Für diesen Druckunterschied kann bereits ein geringer Druckunterschied ausreichen. A phase separation unit 30 is also integrated into the circuit 80, which is designed to separate the first gas component 11 from the electrolyte 13 in order to thus use the first gas component 11 for further use in a consumer 41 or for storage in a reservoir 41 at high pressure and to be provided in its pure form. The pressure at which the device 10 including the electrolysis unit 20, the phase separation unit 30 and the line circuit 80 can be operated can be around 100 bar, whereby it should be noted that the aforementioned pressure difference between the first chamber 21 and the second chamber 22 is complied with. A small pressure difference can already be sufficient for this pressure difference.
Die Elektrolyseeinheit 20 kann einen oder mehrere Rahmen 26 mit Trennblechen 25 (z.B. Bipolarplatten) aufweisen. Zusammen mit Endflanschen 27 stellen die Rahmen 26 eine Abdichtung der Elektrolyseeinheit 20 gegenüber der Umgebung, abgesehen vom Zufluss 81 und den Abflüssen 82, 83, sicher. The electrolysis unit 20 can have one or more frames 26 with separating plates 25 (for example bipolar plates). Together with end flanges 27, the frames 26 provide a Sealing of the electrolysis unit 20 from the environment, apart from the inflow 81 and the outflows 82, 83 safe.
Die Vorrichtung 10 umfasst darüber hinaus noch einen Wärmetauscher 60 zum Austrag von Wärme aus dem Elektrolytkreislauf 80 sowie eine Pumpe 70 zum Zirkulieren des Elektrolyten 13 innerhalb des Kreislaufs 80. Die Pumpe 70 ist dabei im Leitungskreislauf 80 angeordnet und befördert den Elektrolyten 13 in die Elektrolyseeinheit 20. Obwohl in Fig. 1 nicht dargestellt, kann die Phasenseparierungseinheit 30 und/oder der Wärmetauscher 60 in die Elektrolyseeinheit 20 integriert sein. The device 10 also includes a heat exchanger 60 for removing heat from the electrolyte circuit 80 and a pump 70 for circulating the electrolyte 13 within the circuit 80. The pump 70 is arranged in the line circuit 80 and conveys the electrolyte 13 into the electrolysis unit 20 Although not shown in Figure 1, the phase separation unit 30 and/or the heat exchanger 60 can be integrated into the electrolysis unit 20.
Als zusätzliches Ausführungsbeispiel wird in Fig. 6 eine Elektrolysezellenanordnung 90 mit drei Elektrolyseeinheiten 20 bzw. Elektrolysezellen 20 gezeigt. Es sei verstanden, dass die Anzahl der in der Anordnung 90 vorhandenen Elektrolysezellen 20 beliebig gewählt werden kann. An electrolysis cell arrangement 90 with three electrolysis units 20 or electrolysis cells 20 is shown in FIG. 6 as an additional exemplary embodiment. It should be understood that the number of electrolytic cells 20 present in the assembly 90 can be chosen at will.
Fig. 2 zeigt einen Teil der Vorrichtung 10 von Fig. 1, wobei eine Eduktzufuhr 50 unter Verwendung einer Pumpe 51 vorgesehen ist. Die Pumpe 51 wird mit Edukt 14 aus einer Eduktversorgung 53 gespeist. Die Pumpe 51 erhöht einen Druck des in dem Leitungskreislauf 80 zirkulierenden Elektrolyten 13 auf den gewünschten Systemdruck. Ebenso dargestellt ist die Pumpe 70, welche den Elektrolyten 13 im Kreislauf 80 befördert, bzw. den Elektrolyten 13 in die Elektrolyseeinheit 20 bewegt. FIG. 2 shows a part of the device 10 from FIG. 1, a starting material supply 50 using a pump 51 being provided. The pump 51 is fed with educt 14 from an educt supply 53 . The pump 51 increases a pressure of the electrolyte 13 circulating in the line circuit 80 to the desired system pressure. Also shown is the pump 70 which conveys the electrolyte 13 in the circuit 80 or moves the electrolyte 13 into the electrolysis unit 20 .
Fig. 3 zeigt einen Teil der Vorrichtung 10 von Fig. 1 mit einer Eduktzufuhr 50 unter Verwendung von Osmose und somit eine Alternative zur in Fig. 2 dargestellten Konfiguration. In Fig. 3 ist also eine Osmose-Eduktzufuhr 52 anstatt der in Fig. 2 verwendeten Pumpenzufuhr 51 vorgesehen. Der für den Kreislauf 80 gewünschte Druck von beispielsweise 100 bar wird dabei über einen osmotischen Prozess in der Osmose- Eduktzufuhr 52 bereitgestellt. Damit kann vorgesehen sein, dass die Pumpe 70 die einzige Pumpe innerhalb der Vorrichtung 10 ist. Fig. 4 zeigt die Osmose-Eduktzufuhr 52 aus Fig. 3 in einer schematischen Detailansicht. Die Osmose-Eduktzufuhr 52 weist eine Membran 54 auf, welche auch als Osmose- Membran bezeichnet werden kann. Der Druck des im Kreislauf 80 (vgl. Fig. 3) vorhandenen Elektrolyten 13 wird durch einen Konzentrationsunterschied in der Elektrolytkonzentration zwischen der Zufuhrseite 53 und der Kreislauf Seite 80 erreicht. Dieser Konzentrationsunterschied wird über einen Konzentrationsgradienten über die Osmose-Membran 54 ausgebildet. Dabei ist die Konzentration an Elektrolyt 13 auf der Zufuhrseite 53 deutlich geringer als auf der Kreislauf seite 80 oder diese Konzentration beträgt null, was bedeuten würde, dass auf der Zufuhrseite 53 reines Edukt 14 vorliegt. In einem Beispiel entsteht dadurch auf der Zufuhrseite 53 ein Druck von etwa einem bar, während sich auf der Kreislauf seite 80 ein Druck von ca. 100 bar ausbildet. FIG. 3 shows part of the device 10 from FIG. 1 with a reactant feed 50 using osmosis and thus an alternative to the configuration shown in FIG. In FIG. 3, therefore, an osmosis reactant supply 52 is provided instead of the pump supply 51 used in FIG. The pressure of 100 bar, for example, desired for the circuit 80 is provided via an osmotic process in the osmosis reactant supply 52 . It can thus be provided that the pump 70 is the only pump within the device 10 . FIG. 4 shows the osmosis reactant supply 52 from FIG. 3 in a schematic detailed view. The osmosis reactant feed 52 has a membrane 54, which can also be referred to as an osmosis membrane. The pressure of the electrolyte 13 present in the circuit 80 (cf. FIG. 3) is achieved by a concentration difference in the electrolyte concentration between the supply side 53 and the circuit side 80. This difference in concentration is formed via a concentration gradient across the osmosis membrane 54 . The concentration of electrolyte 13 on the feed side 53 is significantly lower than on the circuit side 80 or this concentration is zero, which would mean that pure educt 14 is present on the feed side 53 . In one example, this creates a pressure of about one bar on the supply side 53, while a pressure of about 100 bar develops on the circuit side 80.
Wie zuvor bereits erwähnt kann der Elektrolyt 13 durch eine wässrige Kaliumhydroxidlösung (KOH + H2O) gebildet werden. In diesem Fall wäre die Konzentration an Kaliumhydroxid bezogen auf den Wasseranteil auf der Zufuhrseite 53 sehr gering, wohingegen die Konzentration an Kaliumhydroxid bezogen auf den Wasseranteil auf der Kreislaufseite 80 deutlich höher wäre. In der Folge bildet sich ein auf der Zufuhrseite 53 deutlich geringerer osmotischer Druck aus als auf der Kreislauf seite 80. Die Osmose-Membran 54 ist hierfür selektiv durchlässig für Wasser, sodass der Wasseranteil der Kaliumhydroxidlösung über die Membran 54 wandern kann. Weiterhin ist der osmotische Druck der Kaliumhydroxidlösung jeweils abhängig von der Temperatur. Somit ist der osmotische Druck eine Größe, die von der Temperatur einerseits und der Konzentration an Elektrolyt 13 andererseits abhängig ist. Der zwischen der Zufuhrseite 53 und der Kreislauf seite 80 entstehende Druckunterschied, welcher durch die Osmose bewirkt wird, stellt den Unterschied zwischen dem osmotischen Druck des Elektrolyten 13 auf der Zufuhrseite 53 und dem osmotischen Druck des Elektrolyten 13 auf der Kreislaufseite 80 dar. In dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel ist der osmotische Druck auf der Kreislaufseite 80 wesentlich höher als auf der Zufuhrseite 53. In einem Beispiel beträgt der osmotische Druck des Elektrolyten 13 auf der Kreislaufseite 80 etwa 100 bar und der osmotische Druck des Elektrolyten 13 auf der Zufuhrseite 53 beträgt etwa einen bar bzw. Umgebungsdruck. Es kann vorgesehen sein, dass diese in Bezug auf Fig. 4 beschriebene Osmose-Eduktzufuhr 52 mit einer nicht dargestellten Speichereinheit auf der Kreislaufseite 80 kombiniert wird, wobei die Speichereinheit als Reservoir für den Elektrolyten 13 dient, um somit stets ausreichend Elektrolyt 13 im Kreislauf 80 bei hohem Druck bereitstellen zu können. Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Fläche der Osmose-Membran 54, das heißt die für den Stoffübergang relevante Fläche der Membran 54, ausreichend groß ist, dass stets ausreichend Elektrolyt 13 und Edukt 14 für die Elektrolyseeinheit 20 zur Verfügung gestellt werden kann. As previously mentioned, the electrolyte 13 can be formed by an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH + H2O). In this case, the concentration of potassium hydroxide based on the proportion of water on the feed side 53 would be very low, whereas the concentration of potassium hydroxide based on the proportion of water on the circuit side 80 would be significantly higher. As a result, a significantly lower osmotic pressure forms on the supply side 53 than on the circulation side 80. The osmosis membrane 54 is selectively permeable to water for this purpose, so that the water content of the potassium hydroxide solution can migrate across the membrane 54. Furthermore, the osmotic pressure of the potassium hydroxide solution is dependent on the temperature. The osmotic pressure is thus a variable that is dependent on the temperature on the one hand and the concentration of electrolyte 13 on the other. The pressure difference arising between the supply side 53 and the circuit side 80, which is caused by osmosis, represents the difference between the osmotic pressure of the electrolyte 13 on the supply side 53 and the osmotic pressure of the electrolyte 13 on the circuit side 80. In the in 4, the osmotic pressure on the circuit side 80 is significantly higher than on the supply side 53. In one example, the osmotic pressure of the electrolyte 13 on the circuit side 80 is about 100 bar and the osmotic pressure of the electrolyte 13 on the supply side 53 is about one bar or ambient pressure. It can be provided that this osmosis reactant supply 52, which is described with reference to FIG to be able to provide at high pressure. Provision can also be made for the area of the osmosis membrane 54, ie the area of the membrane 54 relevant to the mass transfer, to be sufficiently large that sufficient electrolyte 13 and educt 14 can always be made available for the electrolysis unit 20.
Fig. 5 zeigt ein Luftfahrzeug 100, insbesondere ein Flugzeug mit der Vorrichtung 10 von Fig. 1. Die Vorrichtung 10 kann dabei einen Teil eines Antriebs systems des Luftfahrzeugs 10 bilden, insbesondere das Antriebssystem mit einem Treibstoff, beispielsweise Wasserstoff, versorgen. FIG. 5 shows an aircraft 100, in particular an airplane, with the device 10 from FIG.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen. It should also be noted that "comprising" does not exclude other elements or steps, and "a" or "an" does not exclude a plurality. Furthermore, it should be pointed out that features or steps that have been described with reference to one of the above exemplary embodiments can also be used in combination with other features or steps of other exemplary embodiments described above. Any reference signs in the claims should not be construed as limiting.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Vorrichtung (10) zur Bereitstellung einer Gaskomponente (11, 12), aufweisend: eine Elektrolyseeinheit (20) mit einer ersten Kammer (21) und einer zweiten Kammer (22), wobei die erste Kammer (21) durch eine Trenneinheit (23) von der zweiten Kammer (22) getrennt ist; wobei die erste Kammer (21) dazu ausgeführt ist, einen Elektrolyten (13) aufzunehmen und eine erste Gaskomponente (11) bereitzustellen; wobei die zweite Kammer (22) dazu ausgeführt ist, eine zweite Gaskomponente (12) bereitzustellen; wobei ein Druck innerhalb der zweiten Kammer (22) größer ist als ein Druck innerhalb der ersten Kammer (21); wobei ein Elektrolytfluss des Elektrolyten (13) lediglich in der ersten Kammer (21) erfolgt und ein Durchlass des Elektrolyten (13) in die zweite Kammer (22) unterbunden ist, um somit die bereitgestellte zweite Gaskomponente (12) von dem Elektrolyten (13) getrennt zu halten; eine Phasenseparierungseinheit (30), die dazu ausgeführt ist, die erste Gaskomponente (11) von dem Elektrolyten (13) zu trennen, um somit die erste Gaskomponente (11) bereitzustellen. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei ein über die Trenneinheit (23) erzeugter Druckunterschied zwischen der ersten Kammer (21) und der zweiten Kammer (22) bewirkt, dass sich der Elektrolyt (13) in einem Betriebszustand der Elektrolyseeinheit (20) lediglich in der ersten Kammer (21) befindet und die zweite Kammer (22) keinen Elektrolyten (13) umfasst. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) bei einem Druck von wenigstens 50 bar betreibbar ist. 4. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trenneinheit (23) eine Membranstruktur mit Poren aufweist; oder wobei die Trenneinheit (23) eine Membranstruktur ohne Poren aufweist, welche dazu ausgeführt ist, einen Transport einer Flüssigkeit zu ermöglichen und einen Transport einer Gaskomponente zu unterbinden. Patent claims Device (10) for providing a gas component (11, 12), comprising: an electrolysis unit (20) with a first chamber (21) and a second chamber (22), the first chamber (21) being separated by a separating unit (23) separated from the second chamber (22); wherein the first chamber (21) is designed to receive an electrolyte (13) and to provide a first gas component (11); wherein the second chamber (22) is designed to provide a second gas component (12); wherein a pressure within the second chamber (22) is greater than a pressure within the first chamber (21); wherein an electrolyte flow of the electrolyte (13) takes place only in the first chamber (21) and a passage of the electrolyte (13) into the second chamber (22) is prevented, in order to thus the provided second gas component (12) from the electrolyte (13) to keep separate; a phase separation unit (30) which is designed to separate the first gas component (11) from the electrolyte (13) in order to thus provide the first gas component (11). Device (10) according to claim 1, wherein a pressure difference between the first chamber (21) and the second chamber (22) generated via the separating unit (23) causes the electrolyte (13) in an operating state of the electrolysis unit (20) only is located in the first chamber (21) and the second chamber (22) comprises no electrolyte (13). Device (10) according to any one of the preceding claims, wherein the device (10) is operable at a pressure of at least 50 bar. 4. Device (10) according to any one of the preceding claims, wherein the separation unit (23) has a membrane structure with pores; or wherein the separating unit (23) has a membrane structure without pores, which is designed to enable transport of a liquid and to prevent transport of a gas component.
5. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phasenseparierungseinheit (30) eine Membranstruktur aufweist, die dazu ausgeführt ist, die erste Gaskomponente (11) von dem Elektrolyten (13) zu trennen, um somit die erste Gaskomponente (11) bereitzustellen, so dass die erste Gaskomponente (11) einer Speichereinheit (41) oder einem Verbraucher (41) zuführbar ist. 5. Device (10) according to one of the preceding claims, wherein the phase separation unit (30) has a membrane structure which is designed to separate the first gas component (11) from the electrolyte (13) in order to thus separate the first gas component (11) provide, so that the first gas component (11) of a storage unit (41) or a consumer (41) can be supplied.
6. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) unter Mikrogravitationsbedingungen betreibbar ist, so dass bei Auftreten eines Mikrogravitationszustandes das Trennen der ersten Gaskomponente (11) von dem Elektrolyten (13) in der Phasenseparierungseinheit (30) gewährleistet ist, um somit die erste Gaskomponente (11) bereitzustellen. 6. Device (10) according to one of the preceding claims, wherein the device (10) can be operated under microgravity conditions, so that when a microgravity state occurs, the separation of the first gas component (11) from the electrolyte (13) in the phase separation unit (30) is ensured is, so as to provide the first gas component (11).
7. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend: einen Elektrolytkreislauf (80) und eine Zufuhreinheit (50), wobei die Zufuhreinheit (50) dazu ausgeführt ist, dem Elektrolytkreislauf (80) ein Edukt (14) unter Verwendung von Osmose bereitzustellen. 7. Device (10) according to one of the preceding claims, comprising: an electrolyte circuit (80) and a supply unit (50), wherein the supply unit (50) is designed to the electrolyte circuit (80) a reactant (14) using osmosis to provide.
8. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Gaskomponente (11) Wasserstoff ist und die zweite Gaskomponente (12) Sauerstoff ist. 8. Device (10) according to any one of the preceding claims, wherein the first gas component (11) is hydrogen and the second gas component (12) is oxygen.
9. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrolyseeinheit (20) eine Rahmenstruktur (24) aufweist, wobei die Phasenseparierungseinheit (30) in die Rahmenstruktur (24) der Elektrolyseeinheit (20) integriert ist. Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, aufweisend: einen Wärmetauscher (60), welcher in die Elektrolyseeinheit (20) integriert ist. Fahrzeug (100) mit einer Vorrichtung (10) zur Bereitstellung einer Gaskomponente (11, 12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 9. Device (10) according to any one of the preceding claims, wherein the electrolysis unit (20) has a frame structure (24), wherein the phase separation unit (30) is integrated into the frame structure (24) of the electrolysis unit (20). Apparatus (10) according to claim 9, comprising: a heat exchanger (60) which is integrated into the electrolysis unit (20). Vehicle (100) with a device (10) for providing a gas component (11, 12) according to one of the preceding claims.
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