WO2023135315A2 - Membran-elektroden-assembly - Google Patents

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WO2023135315A2
WO2023135315A2 PCT/EP2023/050924 EP2023050924W WO2023135315A2 WO 2023135315 A2 WO2023135315 A2 WO 2023135315A2 EP 2023050924 W EP2023050924 W EP 2023050924W WO 2023135315 A2 WO2023135315 A2 WO 2023135315A2
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Definitions

  • the present invention relates to a membrane electrode assembly (MEA), which can be used both to produce hydrogen and oxygen from water vapor using electricity and to produce electricity using hydrogen and oxygen, as well as the corresponding methods.
  • MEA membrane electrode assembly
  • methane is reformed with water to form CO and hydrogen.
  • the CO is then converted with water to CO2 and hydrogen.
  • methane is oxidized to carbon dioxide and water at temperatures of 580 °C to 675 °C.
  • the object on which the present invention is based is therefore achieved by a membrane electrode assembly which has at least one cathode, at least one anode and an electrolyte, the electrolyte having a 3-dimensional spatial extent and the cathode one surface connected to the electrolyte and the anode connected to the electrolyte on the opposite side, the electrolyte comprising lithiated iron oxide (LiFeO x ) and at least one carbonate.
  • a membrane electrode assembly which has at least one cathode, at least one anode and an electrolyte, the electrolyte having a 3-dimensional spatial extent and the cathode one surface connected to the electrolyte and the anode connected to the electrolyte on the opposite side, the electrolyte comprising lithiated iron oxide (LiFeO x ) and at least one carbonate.
  • the MEA makes it possible for the first time to produce oxygen and hydrogen in separate product streams by means of a redox reaction.
  • the reaction takes place at the Surface of the membrane takes place and the membrane is used for ion transport.
  • the membrane separates 2 rooms from each other. Hydrogen and oxygen are produced separately from each other in these spaces.
  • water or water vapor does not have to be introduced into the membrane or the electrolyte, because the reaction takes place on the surface. 1 shows this schematically.
  • the object on which the present invention is based is achieved by a process for the production of hydrogen and oxygen, which is characterized in that
  • the object on which the present invention is based is achieved by an electrolytic cell or fuel cell comprising the MEA as described above for carrying out the method described above.
  • the object on which the present invention is based is achieved by an electrolysis cell stack or fuel cell stack comprising two, three or more electrolysis cells or fuel cells as described above.
  • An electrolytic cell or fuel cell is a cell, ie a closed space in which the MEA according to the invention separates two areas from one another, so that there is no exchange of substances between these areas.
  • a stack is the combination of two, three or more cells.
  • a membrane within the meaning of the present invention is therefore a three-dimensional body which has an electrolyte or consists of this.
  • the membrane therefore has at least two surfaces that face each other.
  • An electrode, which serves as an anode, is now applied to a first surface.
  • an electrode which serves as a cathode is also located on an opposite second surface of the membrane.
  • the function of the cathode or anode relates to the splitting of water into hydrogen and oxygen, but does not mean that the electrodes are incapable of being used in the reverse reaction (production of electricity from hydrogen and oxygen).
  • the electrolyte can be solid or liquid.
  • a solid electrolyte structure is not possible.
  • a reaction also takes place in a solid electrolyte, which in principle allows the use of the MEA according to the invention even at temperatures below 300°C.
  • the electrolyte is preferably liquid, since a more effective reaction takes place at higher temperatures.
  • the membrane can consist of the electrolyte. If the electrolyte is liquid, the membrane further includes a support structure to hold the electrolyte in the desired position.
  • the membrane has oxygen-ion conductivity both in the solid state and in the liquid state. This makes it possible, for example, to operate the membrane at lower temperatures of more than 100 °C.
  • a higher voltage higher than the thermoneutral voltage
  • the thermoneutral voltage can be applied, which leads to more thermal power dissipation in order to heat the cell through the membrane itself to the preferred temperature of at least 350° C. or more, in particular at least 400° C. This makes cell heating during operation unnecessary.
  • the voltage can be lowered to allow operation over a constant temperature range.
  • thermoneutral voltage is the voltage that would arise if the entire reaction enthalpy were converted into electrical energy. Accordingly, in an electrolytic cell, it is the voltage at which the energy of the voltage flows completely into the reaction enthalpy, i.e. water is split into hydrogen and oxygen with virtually no losses. At lower voltages, the response is less effective. At higher voltages, heat is generated, i.e. a loss of energy. However, as already described, this heat can be used to temper the electrolyte without the need for additional heating.
  • Effective electron transport is possible in particular at temperatures of 350° C. or more.
  • the MEA according to the invention is therefore operated in particular at temperatures of 300° C. or more, in particular at 350° C. or more, preferably at 390° C. or more.
  • the MEA according to the invention makes it possible to work effectively even at temperatures below 800.degree. C., in particular below 750.degree. C., preferably below 650.degree. This enables safe working.
  • the membrane is designed in such a way that it does not conduct electricity. According to the invention, it is also designed in such a way that you can separate an anode compartment and a cathode compartment from one another in an electrolysis cell or fuel cell, so that no short circuit occurs. About it In addition, oxygen and hydrogen can be generated and discharged separately. There are thus two separate mass flows, which ensures that hydrogen and oxygen do not react with each other in an uncontrolled manner. In addition, they can be collected and used separately from each other. Furthermore, the MEA according to the invention allows water vapor to come into contact with the surface of the membrane and thus with the electrolyte. The water vapor therefore does not have to be dissolved in the electrolyte and the reaction (splitting of water vapor into hydrogen and oxygen) takes place in a cell and not in the electrolyte itself.
  • the membrane comprises at least one carbonate and lithiated iron oxide, which are present as a uniform melt or as a uniform solid.
  • the lithiated iron oxide can first be melted and a carbonate dissolved therein, or a melt of a carbonate is first produced, in which the lithiated iron oxide is then dissolved. It is also possible according to the invention that carbonate and lithiated iron oxide are first mixed and then melted together.
  • the electrolyte comprises at least one carbonate.
  • a carbonate of an alkali metal or an alkaline earth metal can also be used according to the invention. Mixtures of carbonates are particularly preferred since they can form a eutectic with particularly low melting temperatures.
  • the present invention relates to a process for the production of hydrogen and oxygen (electrolysis), which is characterized in that
  • the present invention relates to a method for producing electricity from hydrogen and oxygen (fuel cell), characterized in that
  • the basic idea of the method according to the invention is therefore the reaction of gaseous water (steam) with iron, as a result of which iron oxide is formed. This is dissolved in the electrolyte, which also contains lithium ions, so that a lithium iron oxide is formed.
  • the method is also shown schematically in FIG.
  • the solution of the lithium iron oxide in a eutectic is particularly advantageous because this carbonate mixture has a significantly lower melting point than the pure carbonate materials.
  • temperatures above 350.degree. C., in particular above 390.degree. C., preferably above 400.degree. C. can be used in particular.
  • the invention thus relates to a method and a membrane in an MEA and an associated electrolysis cell or electrolysis stack Production of hydrogen and oxygen from water vapor using electrical energy and/or an associated fuel cell or fuel cell stack for producing electrical energy using hydrogen and oxygen using a redox reaction of lithiated iron oxide-iron mixture dissolved in an alkali carbonate.
  • the membrane according to the invention in the MEA according to the invention for splitting water vapor into hydrogen and oxygen comprises and in particular consists of a novel lithiated iron oxide dissolved in an alkali metal carbonate salt mixture. Dissolving the lithiated iron oxide in the alkali carbonate salt mixture results in an electrically non-conductive electrolyte. Lithiated iron oxide alone is electrically conductive and can therefore not be used as an electrolyte, since the electrical conductivity would lead to a short circuit in the cell.
  • the lithiated iron oxide for example LiFeCh
  • the membrane which consists of a mixture of carbonate salts and LiFeCh
  • the iron oxide can be dissolved in any form. As the simplest form as FeO.
  • the electrolyte can preferably be contained in a heat-resistant, non-conductive matrix, for example made of lithium aluminate, for example LiAIC>2, and/or another heat-resistant material, in particular with Capillary action are involved.
  • a heat-resistant, non-conductive matrix for example made of lithium aluminate, for example LiAIC>2, and/or another heat-resistant material, in particular with Capillary action are involved.
  • the novel and liquid electrolyte which comprises the liquid carbonate salt and lithiated iron oxide dissolved therein, is formed by capillary action in the matrix maintained, so that this unit forms a membrane that can be realized with an anode side and cathode side and a distributor structure for the supply and removal of the input media water vapor, hydrogen and oxygen for the electrochemical reaction without these discharging the electrolyte.
  • the MEA according to the invention can be used both in electrolysis and in a fuel cell.
  • the most important electrolyte types are known from the literature and, according to the current state of the art, are mainly alkali, molten carbonate, phosphoric acid, proton exchange membrane (PEM) and solid oxides.
  • the first three are liquid electrolytes; the last two are solids.
  • the novel membrane on the other hand, can be operated both in the liquid and in the solid state.
  • Molten alkali metal carbonates are preferably used as the liquid in the MEA and/or electrolysis cell and/or electrolysis stack and/or fuel cell and/or fuel cell stack according to the invention.
  • lithium carbonate U2CO3, potassium carbonate K2CO3 and/or sodium carbonate Na2COs and/or mixtures thereof are used in the alkali metal carbonate melt.
  • Lithiated iron oxide is dissolved in this carbonate melt.
  • the iron-lithium iron oxide redox reaction is combined with the carbonate melt, since the lithiated iron oxides can be dissolved in the carbonate melt and the mixture thus becomes liquid at lower temperatures than lithiated iron oxides alone, such as LiFeCh in pure form.
  • LiFeCh is electrically conductive in its pure form and is therefore not suitable as a membrane material.
  • iron oxide can be dissolved in the carbonate melt, regardless of its present form (exact stoichiometric composition), and forms a lithiated iron oxide electrolyte with the lithium oxide in the carbonate melt. Through this dissolving of iron oxide in the presence of lithium oxide in the carbonate melt at temperatures around 400 °C, the iron redox reaction also takes place at temperatures below 400 °C.
  • the cathode reaction in which the water vapor reacts to form hydrogen and iron oxide, is similar to the well-known "steam-iron reaction", which is in equilibrium at around 550 °C. Therefore, no additional catalyst is required on the cathode side for the electrical energy supply.
  • the reactions at the anode and cathode are initiated. In this process, oxygen is generated on the anode side with the release of electrons from the lithiated iron oxide, with the iron oxide being converted into iron.
  • the iron oxide can be present in the melt and in the individual reactions in its different forms as iron(II) oxide FeO, as iron(II,III) oxide FesCL, and/or as iron(III) oxide Fe2Ü3.
  • the iron in the carbonate melt is again brought into contact with the water vapor introduced at the cathode in the electrolyte membrane and associated cell/stack according to the invention, and iron oxide and hydrogen are produced at the cathode again, absorbing electrons.
  • the electrons and the necessary voltage potential are provided via a standard external circuit.
  • the iron oxide in turn dissolves with the lithium compounds back into lithiated iron oxide, which is then broken down again by the electrons provided and the necessary voltage potential.
  • the advantage of the solution according to the invention is that, in contrast to conventional molten carbonate systems, whether as a fuel cell and/or electrolysis application, no CO2 circuit is required to generate the electrochemical To operate reactions and thus the costly CO2 separation and recirculation is eliminated.
  • the process of the electrolyte membrane according to the invention and the associated cell/stack can also be operated at lower temperatures from around 400°C. Overall, due to the lower operating temperatures than comparable molten carbonate electrolytic cells and the elimination of CO2 provision and/or circulation, this process can produce hydrogen much more energy-efficiently than with currently known systems and material issues at higher temperatures can be avoided
  • Molten carbonates include alkali carbonates such as lithium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, and mixtures of two or more of the foregoing alkali carbonates. Mixtures of alkali metal carbonates can be advantageous due to lower melting points.
  • LiojNao.gsCOa has a melting point of 499 °C
  • Lio,85Nao,6iKo,54C03 has a melting point of 393 °C.
  • the targeted mixture results in ideal operating temperatures at which the mixture is liquid and can absorb iron oxide.
  • the reaction of iron oxide with steam is particularly beneficial in the temperature range below 570°C.
  • the electrolyte membrane and associated cell/stack according to the invention is characterized in that it consists of at least one cathode, one anode and one matrix, in particular with a nanoporous, non-conductive ceramic structure, for example made of lithium aluminate UAIO2, which is used to fix the molten electrolyte, which contains at least one carbonate salt and includes lithiated iron oxide, is used and which has a capillary effect, so that there is no discharge of the electrolyte on the anode side and cathode side and the two sides electrically through the membrane according to the invention are separated.
  • different catalysts can be used for the respective reaction on the anode and/or cathode side. These are not necessary according to the invention, so that no catalysts are used in a preferred embodiment.
  • the anode comprises a porous metal foam structure, for example a nickel or zinc foam structure, and consists in particular of this structure.
  • the cathode comprises a porous structure made of a metal or a mixture of 2 or more metals, in particular it comprises a porous nickel oxide-lithium mixture, particularly preferably it consists of it.
  • FeO x is formed from water vapor and iron, hydrogen and iron oxide.
  • the iron oxide formed dissolves in the molten carbonate in turn to form lithiated iron oxide in the membrane, which in turn is converted into iron at the anode in the boundary layer between the membrane and the anode and generates oxygen molecules with the release of electrons.
  • the electrolyte membrane according to the invention and the associated cell/stack can also be used in the opposite mode of operation as a fuel cell for the controlled generation of electricity from hydrogen and oxygen.
  • FIG. 1 shows the basic design using the example of an electrolyte membrane according to the invention and associated cell/stack for the production of hydrogen and oxygen without the need for a CO2 circuit and/or Provision, which works according to the electrolytic cell method according to the invention.
  • the electrolyte membrane according to the invention and associated cell/stack consists of at least one cathode 4 and at least one anode 5 and at least one electrolyte membrane 8, which embeds the liquid novel electrolyte in a stable matrix and thereby acts as a membrane and separates the two sides of the anode and cathode from each other separates.
  • Water and/or water vapor is supplied to the cathode side 4 via a water vapor supply 1 .
  • a voltage is applied to the system via an external energy source 9 .
  • the lithiated iron oxide decomposes on the anode side 5 with the release of electrons to form oxygen, iron and lithium oxide.
  • the electrons are guided to the cathode side 5 via a power line 11 via the energy source 9 and the electron feed line 10 .
  • the iron in the electrolyte melt reacts with the supplied water/steam and the electrodes to form lithiated iron oxide, thereby generating hydrogen.
  • the invention is not restricted to the embodiment variant shown in FIG.
  • the electrolyte membrane according to the invention and associated electrolyzer cell/electrolyzer stack or fuel cell/fuel cell stack can be constructed and/or interconnected from a plurality of chambers and/or arrangements and/or geometric shapes, resulting in a stack, for example.
  • the electrolyte membrane according to the invention and the associated cell/stack can in particular also be operated as a fuel cell in which hydrogen and oxygen/air are supplied to the respective side.
  • An alkali metal carbonate melt was produced.
  • lithium carbonate U2CO3, potassium carbonate K2CO3 and sodium carbonate Na2COs were mixed with one another and melted so that a carbonate melt Lio.85Nao.6iKo.54C03 was obtained.
  • LiOH and Fe2Ü3 were added to this melted carbonate, so that an electrolyte according to the invention was obtained.
  • This was incorporated into a membrane (a ceramic matrix was used). The membrane was connected to a cathode and an anode.
  • This MEA was brought into contact with water vapor in a cell and the current-voltage curve was measured at different voltages. The measurements were carried out at temperatures of 150 °C, 200 °C, 250 °C, 300 °C, 350 °C and 650 °C. The results are shown in Fig.2.
  • the curve shows a clear drop in current density at temperatures of 350 °C and 300 °C. In this area, the electrolyte becomes solid. Since a current density could still be measured, this shows that the electrolyte can also be used in its solid form, but that more effective water splitting or energy generation is possible in liquid form.
  • the method according to the invention is therefore preferably carried out at temperatures between 350.degree. C. and 700.degree. C., in particular between 400.degree. C. and 650.degree. C., preferably between 450.degree. C. and 600.degree. At higher temperatures, there is an additional energy requirement without the reaction becoming significantly more effective.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Elektrolyt Membran und zugehörige Elektrolyse-Zelle beziehungsweise Elektrolyse-Stack zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasserdampf mit Hilfe von elektrischer Energie und/oder einer zugehörigen Brennstoffzelle beziehungsweise Brennstoffzellen-Stack zur Herstellung von elektrischer Energie mit Hilfe von Wasserstoff und Sauerstoff unter Verwendung einer Redoxreaktion von in einem flüssigen Alkalicarbonatsalz gelösten lithiierten Eisenoxid - Eisen. Die Membran zur Spaltung von Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff, besteht in der erfindungsgemäßen Ausführung aus einem neuartigen lithiiertes Eisenoxid Elektrolyten der in einer flüssigen Alkalicarbonatsalz-Mischung allgemein auch Carbonatschmelze genannt, in der sich unter anderem Lithiumcarbonat befindet, gelöst ist. Der Elektrolyt und das flüssige Carbonatsalz werden in einer hitzefesten nicht leitenden Matrix beispielsweise aus Lithiumaluminat LiAIO2 und/oder einem anderen hitzebeständigen Material mit Kapillarwirkung eingebunden. Der neuartige und flüssige Elektrolyt und das flüssige Carbonatsalz wird dabei durch die Kapillarwirkung in der Matrix gehalten, so dass diese Einheit eine Membran bildet die mit einer Anodenseite und Kathodenseite und einer Verteilerstruktur für die Zuführung und Abführung der Einsatzmedien Wasserdampf, Wasserstoff und Sauerstoff für die elektrochemische Reaktion realisiert werden kann ohne, dass diese den Elektrolyten austragen.

Description

MEMBRAN-ELEKTRODEN-ASSEMBLY
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Membran-Elektroden-Assembly (MEA), welches sowohl zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasserdampf mit Hilfe von Strom als auch zur Herstellung von Strom mit Hilfe von Wasserstoff und Sauerstoff genutzt werden kann, ebenso wie die entsprechenden Verfahren.
Wasserstoff und die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom wird als Schlüsseltechnologie für die Energiewende angesehen. So kann Wasserstoff beispielsweise als Speicher für regenerative Energien genutzt werden.
Eine energieeffiziente Wasserstoffherstellung eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten kohlenwasserstoffbasierte Prozesse zu eliminieren. Umgekehrt kann die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zur Herstellung von (elektrischer) Energie genutzt werden, wobei die Herausforderung in der kontrollierten Reaktion besteht.
Die elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff ist hinlänglich bekannt und wird beispielsweise in US 2021/0313606 A1 beschrieben. Dabei sind jedoch häufig hohe Temperaturen notwendig. Die hohen Temperaturen sind energetisch betrachtet zu vermeiden, da die Stoffströme alle erhitzt und abgekühlt werden müssen, was einen hohen apparativen Aufwand bedeutet und zudem die Energieeffizienz reduziert, Zudem wird in einer flüssigen Phase gearbeitet. Die Löslichkeit von Wasser(-dampf) in einer Flüssigkeit ist jedoch gering. Zudem tritt Wasserstoff und Sauerstoff gasförmig auf, was, insbesondere bei den beschriebenen hohen Temperaturen ein Sicherheitsrisiko darstellt.
Eine Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff ist zudem in einer Flüssigkeit schwierig, so dass dieses in einem nachfolgenden Schritt erfolgen muss. Bei Schmelzkarbonatbrennstoffzellen erfolgt eine Reformierung von Methan mit Wasser zu CO und Wasserstoff. Das CO wird dann mit Wasser zu CO2 und Wasserstoff umgewandelt. Im Gesamtprozess wir damit Methan zu Kohlendioxid und Wasser bei Temperaturen von 580 °C bis 675 °C oxidiert.
Es besteht daher Bedarf an verbesserten Verfahren, welche umweltfreundlich und effizienter arbeiten. Zudem soll das Verfahren sicher sein und kein Risiko für den Menschen darstellen. CO2 soll bei dem Verfahren möglichst nicht entstehen, wodurch ein weiterer Stoffkreislauf nicht benötigt wird.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass es mit Hilfe einer speziellen Membran möglich ist auch bei geringeren Temperaturen ab ca. 400 °C, katalysatorfrei Wasser zu spalten und Wasserstoff zu erhalten. Dabei werden Wasserstoff und Sauerstoff in getrennten Produktströmen erhalten. In einer ersten Ausführungsform wird die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe daher gelöst durch ein Membran-Elektroden-Assembly, welches zumindest eine Kathode, zumindest eine Anode und einen Elektrolyten aufweist, wobei der Elektrolyt eine 3-Dimensionale räumliche Ausdehnung aufweist und die Kathode auf einer Oberfläche mit dem Elektrolyten verbunden und die Anode auf der gegenüberliegenden Seite mit dem Elektrolyten verbunden ist, wobei der Elektrolyt lithiiertes Eisenoxid (LiFeOx) und wenigstens ein Carbonat aufweist.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass es mit Hilfe einer solchen Membran in einem entsprechenden Membran-Elektroden-Assembly (MEA) möglich ist, Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasserdampf mittels elektrischer Energiezufuhr zu gewinnen. Es ist jedoch auch möglich, in umgekehrter Reaktion elektrischen Strom durch Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff zu gewinnen. Das erfindungsgemäße MEA ermöglicht erstmals die Herstellung von Sauerstoff und Wasserstoff in getrennten Produktströmen durch eine Redoxreaktion. Die Reaktion findet an der Oberfläche der Membran statt und die Membran dient dem lonentransport. Durch die Membran werden 2 Räume voneinander getrennt. In diesen Räumen entsteht getrennt voneinander Wasserstoff und Sauerstoff. Gleichzeitig muss Wasser bzw. Wasserdampf nicht in die Membran bzw. den Elektrolyten eingeleitet werden, denn die Reaktion findet an der Oberfläche statt. Fig. 1 zeigt dies schematisch.
In einer weiteren Ausführungsform wird die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
• in einem ersten Schritt Wasserdampf mit dem erfindungsgemäßen Elektrolyten in Kontakt gebracht wird,
• durch Anlegen einer Spannung der Wasserdampf mit dem Elektrolyten reagiert, wodurch das lithiierte Eisenoxid oxidiert wird und Wasserstoff im Bereich der Kathode entsteht,
• im Bereich der Anode das lithiierte Eisenoxid reduziert wird, so dass Sauerstoff entsteht.
In einer weiteren Ausführungsform wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch eine Elektrolysezelle oder Brennstoffzelle umfassend die MEA wie zuvor beschrieben zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens. In einer noch weiteren Ausführungsform wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Elektrolysezellen-Stack oder Brennstoffzellen-Stack umfassend zwei, drei oder mehr Elektrolysezellen oder Brennstoffzellen wie zuvor beschrieben.
Eine Elektrolysezelle oder Brennstoffzelle ist dabei eine Zelle, also ein geschlossener Raum, in welchem die erfindungsgemäße MEA zwei Bereiche voneinander trennt, so dass es zwischen diesen Bereichen zu keinem Stoffaustausch kommt. Ein Stack ist die Kombination von zwei, drei oder mehr Zellen. Diese Ausführungsformen werden nachfolgend ausführlich beschrieben. Werden Merkmale in Bezug auf eine Ausführungsform erläutert so gilt dies entsprechend auch für alle Ausführungsformen, soweit anwendbar. Alle Merkmale können in beliebiger Art und Weise miteinander kombiniert werden.
Eine Membran im Sinne der vorliegenden Erfindung ist somit ein drei-Dimensionaler Körper, der einen Elektrolyten aufweist oder aus diesem besteht. Die Membran weist daher wenigstens zwei Oberflächen auf, die sich einander gegenüberstehen. An einer ersten Oberfläche ist nunmehr eine Elektrode aufgebracht, die als Anode dient. An einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der Membran befindet sich ebenfalls eine Elektrode, welche als Kathode dient. Die Funktion der Kathode bzw. Anode bezieht sich auf die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, soll jedoch nicht bedeuten, dass die Elektroden nicht in der Lage sind, bei der Rückreaktion (Gewinnung von Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff) eingesetzt zu werden.
Der Elektrolyt kann erfindungsgemäß fest oder flüssig sein. Bisher ist man davon ausgegangen, dass eine feste Elektrolytstruktur nicht möglich ist. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass eine Reaktion auch an einem festen Elektrolyten stattfindet, was die Verwendung des erfindungsgemäßen MEA auch bei Temperaturen unterhalb von 300 °C prinzipiell ermöglicht. Bevorzugt ist der Elektrolyt flüssig, da bei höheren Temperaturen eine effektivere Reaktion erfolgt. Ist der Elektrolyt fest, kann die Membran aus dem Elektrolyten bestehen. Ist der Elektrolyt flüssig, so umfasst die Membran weiterhin eine Trägerstruktur, um den Elektrolyten an der gewünschten Position zu halten.
Die Membran weist erfindungsgemäß sowohl eine Sauerstoff-Ionen-Leitfähigkeit im festen als auch im flüssigen Zustand auf. Dadurch ist es beispielsweise möglich die Membran schon bei niedrigeren Temperaturen größer 100 °C zu betreiben. Dabei kann beispielsweise eine höhere Spannung (größer der thermoneutralen Spannung) angelegt werden, welche zu mehr thermischer Verlustleistung führt, um die Zelle durch die Membran selbst auf die bevorzugte Temperatur von wenigstens 350 °C oder mehr, insbesondere von wenigstens 400 °C aufzuheizen. Dadurch wird eine Zellheizung im Betrieb unnötig. Ist eine gewünschte Betriebstemperatur erreicht, kann die Spannung herabgesenkt werden, um in einem konstanten Temperaturbereich einen Betrieb zu ermöglichen.
Die thermoneutrale Spannung ist in einer Brennstoffzelle dabei die Spannung, die sich einstellen würde, wenn die gesamte Reaktionsenthalpie in elektrische Energie umgewandelt werden würde. Entsprechend ist es in einer Elektrolysezelle die Spannung, bei der die Energie der Spannung vollständig in die Reaktionsenthalpie einfließt, also Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff quasi ohne Verluste gespalten wird. Bei geringeren Spannungen ist die Reaktion weniger effektiv. Bei höheren Spannungen entsteht Wärme, also ein Energieverlust. Allerdings kann dies Wärme, wie bereits beschrieben, genutzt werden, um den Elektrolyten zu temperieren, ohne dass es einer zusätzlichen Heizung bedarf.
Ein effektiver Elektronentransport ist insbesondere bei Temperaturen von 350 °C oder mehr möglich. Daher wird das erfindungsgemäße MEA insbesondere bei Temperaturen von 300 °C oder mehr, insbesondere bei 350 °C oder mehr, vorzugsweise bei 390 °C oder mehr betrieben. Gleichzeitig ermöglicht das erfindungsgemäße MEA ein effektives Arbeiten auch bei Temperaturen unterhalb von 800 °C, insbesondere unterhalb 750 °C, vorzugsweise unterhalb 650 °C. Dies ermöglicht ein sicheres Arbeiten.
Die Membran ist erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass Sie elektrischen Strom nicht leitet. Sie ist erfindungsgemäß weiterhin so ausgestaltet, dass Sie in einer Elektrolyse- oder Brennstoffzelle einen Anodenraum und einem Kathodenraum voneinander trennen kann, so dass es zu keinem Kurzschluss kommt. Darüber hinaus kann dadurch Sauerstoff und Wasserstoff getrennt erzeugt und abgeführt werden. Es gibt somit zwei voneinander getrennte Massenströme, wodurch sichergestellt ist, dass Wasserstoff und Sauerstoff nicht unkontrolliert miteinander reagieren. Zudem können diese gut getrennt voneinander gesammelt und verwendet werden. Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße MEA, dass Wasserdampf mit der Oberfläche der Membran und damit mit dem Elektrolyten in Kontakt kommt. Der Wasserdampf muss somit nicht im Elektrolyten gelöst werden und die Reaktion (Spaltung von Wasserdampf zu Wasserstoff und Sauerstoff) findet in einer Zelle und nicht im Elektrolyten selbst statt.
Die Membran umfasst erfindungsgemäß zumindest ein Carbonat und lithiiertes Eisenoxid, welche als einheitliche Schmelze oder als einheitlichen Feststoff vorliegen. Dabei kann zunächst das lithiierte Eisenoxid geschmolzen werden und ein Carbonat darin gelöst werden oder es wird zunächst eine Schmelze eines Carbonats hergestellt, in welcher dann das lithiierte Eisenoxid gelöst wird. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, dass zunächst Carbonat und lithiiertes Eisenoxid gemischt und anschließend zusammen geschmolzen werden.
Der Elektrolyt umfasst erfindungsgemäß zumindest ein Carbonat. Insbesondere ein Carbonat eines Alkalimetalls oder eines Erdalkalimietalls. Auch Mischungen aus zwei, drei oder mehr Carbonaten können erfindungsgemäß verwendet werden. Mischungen aus Carbonaten sind besonders bevorzugt, da diese ein Eutektikum mit besonders geringen Schmelztemperaturen ausbilden können.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff (Elektrolyse), das dadurch gekennzeichnet ist, dass
• in einem ersten Schritt Wasserdampf mit dem erfindungsgemäßen Elektrolyten in Kontakt gebracht wird, • durch Anlegen einer Spannung der Wasserdampf mit dem Elektrolyten reagiert, wodurch das lithiierte Eisenoxid oxidiert wird und Wasserstoff im Bereich der Kathode entsteht,
• im Bereich der Anode das lithiierte Eisenoxid reduziert wird, so dass Sauerstoff entsteht.
In einer noch weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff (Brennstoffzelle), dadurch gekennzeichnet, dass
• im Bereich der Kathode Sauerstoff mit der Elektrode in Kontakt gebracht wird und mit Eisen und U2O unter Aufnahme von Elektronen zu LiFeCh reagiert,
• in einem weiteren Schritt Wasserstoff an der Anode mit LiFeCh reagiert wodurch Wasserdampf H2O, Eisen und U2O unter Abgabe von Elektronen entstehen, wobei die Elektronen von der Anode zur Kathode fließen.
Die Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht somit in der Reaktion von gasförmigem Wasser (Wasserdampf) mit Eisen, wodurch Eisenoxid entsteht. Dieses befindet sich gelöst im Elektrolyten, in welchem auch Lithium-Ionen vorhanden sind, so dass ein Lithium-Eisen-Oxid entsteht. Auch das Verfahren ist in Fig. 1 schematisch dargestellt.
Besondere vorteilhaft ist die Lösung des Lithium-Eisen-Oxid in einem Eutektikum, denn diese Carbonat Mischung weist eine wesentlich geringere Schmelztemperatur als die reinen Carbonat Materialien auf. Hierdurch kann insbesondere bei Temperaturen ab 350 °C, insbesondere ab 390 °C, vorzugsweise ab 400 °C gearbeitet werden.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren und eine Membran in einem MEA sowie eine zugehörige Elektrolyse-Zelle beziehungsweise Elektrolyse-Stack zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasserdampf mit Hilfe von elektrischer Energie und/oder einer zugehörigen Brennstoffzelle beziehungsweise Brennstoffzellen-Stack zur Herstellung von elektrischer Energie mit Hilfe von Wasserstoff und Sauerstoff unter Verwendung einer Redoxreaktion von in einem Alkalicarbonat gelösten lithiierten Eisenoxid-Eisen-Gemisch.
Die erfindungsgemäße Membran im erfindungsgemäßen MEA zur Spaltung von Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff, umfasst und insbesondere besteht in der erfindungsgemäßen Ausführung aus einem neuartigen in einer Alkalicarbonatsalzmischung gelösten lithiiertem Eisenoxid. Das Lösen des lithiierten Eisenoxid in der Alkalicarbonatsalz Mischung führt zu einem nicht elektrisch leitfähigen Elektrolyten. Lithiiertes Eisenoxid allein ist elektrisch leitfähig und kann deshalb nicht als Elektrolyt genutzt werden, da die elektrische Leitfähigkeit zu einem Kurzschluss der Zelle führen würde. Durch das Lösen des lithiierten Eisenoxid, beispielsweise des LiFeCh, in dem Eutektikum/der Lösung bestehend aus Carbonatsalz(en) verflüssigt sich das lithiierte Eisenoxid früher als in Reinform und deshalb kann die Elektrolysezelle bzw. Brennstoffzelle bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden. Darüber hinaus kann die Membran, die aus einer Mischung von Carbonatsalzen und LiFeCh besteht, auch im festen Zustand als Elektrolyt genutzt werden. Das Eisenoxid kann dabei in jeglicher Erscheinungsform gelöst sein. Als einfachste Form als FeO.
Um den neuartigen Elektrolyten in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle und/oder Brennstoffzelle zwischen zumindest einer Anodenseite und zumindest einer Kathodenseite zu stabilisieren, kann der Elektrolyt bevorzugt in einer hitzefesten nichtleitenden Matrix beispielsweise aus Lithiumaluminat, beispielsweise LiAIC>2, und/oder einem anderen hitzebeständigen Material insbesondere mit Kapillarwirkung eingebunden werden. Der neuartige und flüssige Elektrolyt, welcher das flüssige Carbonatsalz und darin gelöst lithiiertes Eisenoxid umfasst, wird in einer bevorzugten Ausführungsform durch die Kapillarwirkung in der Matrix gehalten, so dass diese Einheit eine Membran bildet, die mit einer Anodenseite und Kathodenseite und einer Verteilerstruktur für die Zuführung und Abführung der Einsatzmedien Wasserdampf, Wasserstoff und Sauerstoff für die elektrochemische Reaktion realisiert werden kann ohne, dass diese den Elektrolyten austragen. Die erfindungsgemäße MEA kann dabei sowohl bei der Elektrolyse als auch in einer Brennstoffzelle eingesetzt werden.
Aus der Literatur sind die wichtigsten Elektrolyttypen bekannt und nach heutigem Stand überwiegend Alkali, geschmolzenes Karbonat, Phosphorsäure, Protonenaustauschmembran (PEM) und Festoxide. Die ersten drei sind flüssige Elektrolyte; die letzten beiden sind Feststoffe. Die neuartige Membran kann dahingegen sowohl im flüssigen als auch im festen Zustand betrieben werden.
In der erfindungsgemäßen MEA und/oder Elektrolysezelle und/oder Elektrolyse- Stack und/oder Brennstoffzelle und/oder Brennstoffzellen-Stack werden vorzugsweise schmelzflüssige Alkalicarbonate als Flüssigkeit eingesetzt. Hierbei kommen in der Alkalicarbonatschmelze beispielsweise Lithiumcarbonat U2CO3, Kaliumcarbonat K2CO3 und/oder Natriumcarbonat Na2COs und/oder deren Gemische zum Einsatz. In dieser Carbonatschmelze wird lithiiertes Eisenoxid gelöst.
Im erfindungsgemäßen Ansatz wird die Eisen-Lithiumeisenoxid-Redoxreaktion mit der Carbonatschmelze kombiniert, da die lithiierten Eisenoxide in der Carbonatschmelze gelöst werden können und somit die Mischung bei geringeren Temperaturen flüssig wird als lithiierte Eisenoxide alleine, wie beispielsweise LiFeCh in Reinform. Darüber hinaus ist LiFeCh in Reinform elektrisch leitfähig und somit nicht als Membranmaterial geeignet. Mit Hilfe des Lithiumoxid kann Eisenoxid unabhängig von seiner vorliegenden Form (genaue stöchiometrische Zusammensetzung) in der Carbonatschmelze gelöst werden und bildet mit dem Lithiumoxid in der Carbonatschmelze einen lithiierten Eisenoxid-Elektrolyt. Durch dieses Lösen von Eisenoxid unter Anwesenheit von Lithiumoxid in der Carbonatschmelze bei Temperaturen um 400 °C findet auch die Eisen- Redoxreaktion bereits bei Temperaturen kleiner 400 °C statt.
Die Kathodenreaktion, bei der der Wasserdampf zu Wasserstoff und Eisenoxid reagiert, ist ähnlich wie die seit langem bekannte „Dampf-Eisen-Reaktion“, die bei ca. 550 °C im Gleichgewicht ist. Zu der elektrischen Energiezufuhr wird daher kein zusätzlicher Katalysator auf der Kathodenseite benötigt. Sobald in der Elektrolysemembran ausreichend Spannung anliegt, werden die Reaktionen an der Anode und Kathode initiiert. Dabei wird auf der Anodenseite unter Abgabe von Elektronen aus dem lithiiertem Eisenoxid, Sauerstoff erzeugt, wobei das Eisenoxid in Eisen umgewandelt wird. Das Eisenoxid kann dabei in der Schmelze und in den einzelnen Reaktionen in seine unterschiedlichen Erscheinungsformen Eisen(ll)-Oxid FeO, als Eisen(ll,lll)-Oxid FesCL, und/oder als Eisen(lll)-Oxid Fe2Ü3 vorliegen.
Für den Fall der Verwendung zur Elektrolyse wird in der erfindungsgemäßen Elektrolyt Membran und zugehörige Zelle /Stack das Eisen in der Carbonatschmelze wiederum mit dem an der Kathode eingebrachten Wasserdampf in Kontakt gebracht und es entsteht an der Kathode wiederum Eisenoxid und Wasserstoff unter Aufnahme von Elektronen. Die Elektronen und das notwendige Spannungspotential werden über einen üblichen äußeren Stromkreislauf bereitgestellt.
Das Eisenoxid wiederum löst sind mit dem Lithiumverbindungen wieder in lithiiertes Eisenoxid, welches dann wieder durch die bereitgestellten Elektronen und dem notwendigen Spannungspotential zerlegt werden.
Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass man im Gegensatz zu herkömmlichen Schmelzcarbonatsystemen, sei es als Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseanwendung keinen CO2 Kreislauf benötigt, um die elektrochemischen Reaktionen zu betreiben und somit die aufwendige CO2 Abtrennung und Rezirkulation entfällt.
Darüber hinaus kann der Prozess der erfindungsgemäßen Elektrolyt Membran und zugehörige Zelle /Stack auch bei geringeren Temperaturen ab ca. 400 °C betrieben werden. Insgesamt kann mit diesem Verfahren aufgrund der geringeren Betriebstemperaturen als vergleichbare Schmelzcarbonat Elektrolysezellen sowie der Wegfalls einer CO2 Bereitstellung und/oder Kreislaufführung, wesentlich energieeffizienter Wasserstoff produzieren werden als mit derzeit bekannten Systemen sowie Materialthemen bei höheren Temperaturen vermieden werden
Geschmolzene Carbonate umfassen Alkalicarbonate wie Lithiumcarbonat, Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat und Gemische von zwei oder mehr der vorstehenden Alkalicarbonate. Mischungen von Alkalicarbonaten können aufgrund niedrigerer Schmelzpunkte vorteilhaft sein. Zum Beispiel hat LiojNao.gsCOa einen Schmelzpunkt von 499 °C und Lio,85Nao,6iKo,54C03 hat einen Schmelzpunkt von 393 °C. Verglichen mit Schmelzpunkten von der einzelnen Alkalicarbonaten wie U2CO3 mit 723 °C, Na2COs mit 851 °C und/oder K2CO3 891 °C ergeben sich durch die gezielte Mischung ideale Betriebstemperaturen, bei denen die Mischung flüssig ist und Eisenoxid aufnehmen kann.
Die Reaktion von Eisenoxid mit Dampf ist besonders vorteilhaft in dem Temperaturbereich unter 570 °C. Die erfindungsgemäße Elektrolyt Membran und zugehörige Zelle /Stack zeichnet sich dadurch aus, dass Sie zumindest aus einer Kathode, einer Anode und einer Matrix insbesondere mit einer nanoporösen nicht leitenden Keramikstruktur beispielsweise aus Lithiumaluminat UAIO2, welche zur Fixierung des geschmolzen Elektrolyten, der zumindest ein Carbonatsalz und lithiiertes Eisenoxid umfasst, dient und welche über eine Kapillarwirkung verfügt, besteht, so dass möglichst keine Austragung des Elektrolyten an der Anodenseite und Kathodenseite entsteht und die beiden Seiten auch elektrisch durch die erfindungsgemäße Membran getrennt werden. Bei Bedarf können unterschiedliche Katalysatoren für die jeweilige Reaktion auf der Anoden- und/oder Kathodenseite eingesetzt werden. Diese sind erfindungsgemäß nicht notwendig, so dass in einer bevorzugten Ausführungsform keine Katalysatoren verwendet werden.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Anode eine poröse Metallschaumstruktur, beispielsweise einer Nickel- oder Zinkschaumstruktur, und besteht insbesondere aus dieser Struktur.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Kathode eine poröse Struktur aus einem Metall oder einer Mischung aus 2 oder mehr Metallen, insbesondere umfasst sie eine poröse Nickeloxid Lithium Mischung, besonders bevorzugt besteht sie daraus.
In der Grenzschicht zwischen der erfindungsgemäßen Membran und der Kathode bildet sich aus Wasserdampf und Eisen, Wasserstoff und Eisenoxid FeOx. Das gebildete Eisenoxid löst sich in dem Schmelzcarbonat wiederum zu lithiiertem Eisenoxid in der Membran, welches wiederum an der Anode in der Grenzschicht zwischen der Membran und der Anode in Eisen umgewandelt wird und unter Abgabe von Elektronen Sauerstoffmoleküle erzeugt.
Die erfindungsgemäße Elektrolyt Membran und zugehörige Zelle /Stack kann auch in umgekehrter Betriebsweise als Brennstoffzelle zur kontrollierten Stromerzeugung aus Wasserstoff und Sauerstoff genutzt werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung, die schematisch eine Ausführungsvarianten enthält, näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 die prinzipielle Ausführung am Beispiel einer erfindungsgemäßen Elektrolyt Membran und zugehörige Zelle /Stack zur Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff ohne Notwendigkeit eines CO2 Kreislaufes und/oder Bereitstellung, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Elektrolysezelle Verfahren arbeitet.
Die erfindungsgemäße Elektrolyt Membran und zugehörige Zelle /Stack besteht aus zumindest einer Kathode 4 und zumindest einer Anode 5 und zumindest einer Elektrolyt Membran 8, welche den flüssigen neuartigen Elektrolyten in einer stabilen Matrix einbettet und dabei als Membran fungiert und die beiden Seiten Anode und Kathode voneinander trennt. Der Kathodenseite 4 wird über eine Wasserdampfzuführung 1 Wasser und/oder Wasserdampf zugeführt. Über eine externe Energiequelle 9 wird eine Spannung auf das System gegeben.
Das lithiierte Eisenoxid zersetzt sich dabei auf der Anodenseite 5 unter Abgabe von Elektronen zu Sauerstoff, Eisen und Lithiumoxid. Die Elektronen werden über eine Stromleitung 11 über die Energiequelle 9 und der Elektronenzuleitung 10 auf die Kathodenseite 5 geführt. Dort reagiert das Eisen in der Elektrolytschmelze mit dem zugeführten Wasser/Wasserdampf und den Elektroden wieder zu lithiierten Eisenoxid und erzeugt dabei Wasserstoff.
Die Erfindung ist nicht auf die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsvariante eingeschränkt. Die erfindungsgemäßen Elektrolyt Membran und zugehörige Elektrolyseurzelle / Elektrolyseurstack beziehungsweise Brennstoffzelle / Brennstoffzellenstack kann aus mehreren Kammern und/oder Anordnungen und/oder geometrischen Formen aufgebaut und/oder verschaltet werden, so dass sich beispielsweise ein Stack ergibt. Die erfindungsgemäße Elektrolyt Membran und zugehörige Zelle /Stack kann insbesondere auch als Brennstoffzelle betrieben werden in dem Wasserstoff und Sauerstoff/Luft der jeweiligen Seite zugeführt wird.
Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird die vorliegende Erfindung in nicht limitierender Weise weiter erläutert. Es wurde eine Alkalicarbonatschmelze hergestellt. Hierfür wurden Lithiumcarbonat U2CO3, Kaliumcarbonat K2CO3 und Natriumcarbonat Na2COs miteinander vermischt und geschmolzen, so dass eine Carbonatschmelze Lio,85Nao,6iKo,54C03 erhalten wurde. In diese Carbonatschmieze wurden LiOH und Fe2Ü3 gegeben, so dass ein Elektrolyt gemäß der Erfindung erhalten wurde. Dieser wurde in eine Membran eingebracht (es wurde eine keramische Matrix verwendet). Die Membran wurde mit einer Kathode und einer Anode in Verbindung gebracht.
Diese MEA wurde in einer Zelle mit Wasserdampf in Kontakt gebracht und die Strom-Spannungskurve wurde bei unterschiedlichen Spannungen gemessen. Die Messungen erfolgten jeweils bei Temperaturen von 150 °C, 200 °C, 250 °C, 300 °C, 350 °C und 650 °C. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 gezeigt.
Die Kurve zeigt einen deutlichen Abfall der Stromdichte bei Temperaturen von 350 °C und 300 °C. In diesem Bereich wird der Elektrolyt fest. Da dennoch eine Stromdichte gemessen werden konnte, zeigt dies, dass der Elektrolyt auch in seiner festen Form eingesetzt werden kann, in flüssiger Form jedoch eine effektivere Wasserspaltung bzw. Energiegewinnung möglich ist. Daher erfolgt das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 350 °C und 700 °C, insbesondere zwischen 400 °C und 650 °C, bevorzugt zwischen 450 °C und 600 °C. Bei hören Temperaturen besteht ein zusätzlicher Energiebedarf, ohne dass die Reaktion deutlich effektiver würde.
Für eine wirtschaftliche Reaktion und einen wirtschaftlichen Betrieb ist auf die Möglichkeit der anzulegenden Spannung und Verfahrenstemperatur abzustellen, welche je nach Gegebenheiten und Bedarf eingestellt werden können. BEZUGSZEICHENLISTE
1 Wasser/Wasserdampf Zufuhr
2 Wasserstoff Abfuhr 3 Sauerstoff Abfuhr
4 Kathode
5 Anode
6 Reaktionszone Kathodenseite
7 Reaktionszone Anodenseite 8 Elektrolyt Membran mit stabiler Matrix, Trennung der beiden Reaktionsseiten
9 Energiequelle
10 Elektronenzufuhr
11 Elektronenabfuhr

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Membran-Elektroden-Assembly (MEA), welches zumindest eine Kathode, zumindest eine Anode und einen Elektrolyten aufweist, wobei der Elektrolyt eine 3- Dimensionale räumliche Ausdehnung aufweist und die Kathode auf einer Oberfläche mit dem Elektrolyten verbunden und die Anode auf der gegenüberliegenden Seite mit dem Elektrolyten verbunden ist, wobei der Elektrolyt lithiiertes Eisenoxid (LiFeOx) und wenigstens ein Carbonat aufweist.
2. Membran-Elektroden-Assembly nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt nicht elektrisch leitfähig ist.
3. Membran-Elektroden-Assembly nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Membran zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasserdampf mittels elektrischer Energiezufuhr und/oder eine Membran zur Erzeugung von Strom durch Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff ist.
4. Membran-Elektroden-Assembly nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt in einer festen Trägermatrix eingebettet ist, wobei die Trägermatrix insbesondere eine keramische nicht leitfähige Oxidstruktur aufweist.
5. Membran-Elektroden-Assembly nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägermatrix eine poröse Struktur aus Lithiumaluminat umfasst und insbesondere daraus besteht.
6. Membran-Elektroden-Assembly nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode Nickeloxid umfasst und insbesondere daraus besteht.
7. Elektrolysezelle oder Brennstoffzelle umfassend ein Membran-Elektroden- Assembly nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Elektrolyse-Stack oder Brennstoffzellen-Stack umfassend zwei oder mehrere der Elektrolysezellen oder Brennstoffzellen gemäß Anspruch 7.
9. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasserdampf mittels eines Membran-Elektroden-Assembly gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6 oder mittels einer Elektrolysezelle gemäß Anspruch 7 oder mittels einem Elektrolyse-Stack gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
• in einem ersten Schritt Wasserdampf mit dem erfindungsgemäßen Elektrolyten in Kontakt gebracht wird,
• durch Anlegen einer Spannung der Wasserdampf mit dem Elektrolyten reagiert, wodurch das lithiierte Eisenoxid oxidiert wird und Wasserstoff im Bereich der Kathode entsteht,
• im Bereich der Anode das lithiierte Eisenoxid reduziert wird, so dass Sauerstoff entsteht.
10. Verfahren zur Herstellung von Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff mittels eines Membran-Elektroden-Assembly gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6 oder mittels einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 7 oder mittels einem Brennstoffzellen-Stack gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
• im Bereich der Kathode Sauerstoff mit der Elektrode in Kontakt gebracht wird und mit Eisen und U2O unter Aufnahme von Elektronen zu LiFeCh reagiert,
• in einem weiteren Schritt Wasserstoff an der Anode mit LiFeCh reagiert wodurch Wasserdampf H2O, Eisen und U2O unter Abgabe von Elektronen entstehen, wobei die Elektronen von der Anode zur Kathode fließen. 18
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ohne Anwesenheit eines Katalysators erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch zumindest einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren sowohl im flüssigen als auch im festen
Zustand der Membran funktioniert.
13. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ab einer Temperatur von 100 °C im festen Zustand oder, insbesondere ab einer Temperatur von 400 °C oder mehr im flüssigen Zustand durchgeführt wird.
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