Gebiet der Erfindung

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.

Hintergrund der Erfindung

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.

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.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effizienz von Systemen zur elektrolytischen Bereitstellung von Gaskomponenten zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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) p(Umgebung) Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung bei einem Druck von wenigstens 50 bar betreibbar.

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.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Trenneinheit eine Membranstruktur mit Poren auf.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Es sei jedoch angemerkt, dass anstatt einer Verwendung von Osmose eine Pumpe als Eduktzufuhreinheit möglich ist.

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.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Elektrolyseeinheit eine Rahmenstruktur auf, wobei die Phasenseparierungseinheit in die Rahmenstruktur der Elektrolyseeinheit integriert ist.

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.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner einen Wärmetauscher auf, welcher in die Elektrolyseeinheit integriert ist.

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.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit der zuvor und nachfolgend beschriebenen Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente angegeben.

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.

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.

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.

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.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 zeigt einen Teil der Vorrichtung von Fig. 1 mit einer Eduktzufuhr unter Verwendung einer Pumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 3 zeigt einen Teil der Vorrichtung von Fig. 1 mit einer Eduktzufuhr unter Verwendung von Osmose gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 4 zeigt eine Zufuhreinheit mit einer Osmose-Membran gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 5 zeigt ein Luftfahrzeug mit der Vorrichtung von Fig. 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer Gaskomponente mit mehreren Elektrolyseeinheiten gemäß einem Ausführungsbeispiel. Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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. 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.

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.

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.

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.