DE10354219A1

DE10354219A1 - Transportvorrichtung und -verfahren für ein Gas sowie Nachweiseinrichtung für ein Gas

Info

Publication number: DE10354219A1
Application number: DE2003154219
Authority: DE
Inventors: Hans Juergen Pauling
Original assignee: Individual
Current assignee: Recat De GmbH
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2023-11-21
Also published as: DE10354219B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transportvorrichtung für Gase mit einer ersten Elektrode mit einem ersten Katalysator, an der aus einer Umgebungsatmosphäre der ersten Elektrode aufgenommene Teilchen eines zu transportierenden Gases zumindest zu Ionen einer ersten Ionenspezies umsetzbar sind, mit einer zweiten Elektrode mit einem zweiten Katalysator, an der die Ionen der ersten Ionenspezies zumindest zu Teilchen des zu transportierenden Gases, die in eine Umgebungsatomosphäre der zweiten Elektrode abgebbar sind, umsetzbar sind, mit einem Elektrolyten, der zumindest für die Ionen der ersten Ionenspezies leitfähig ist und der mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in Kontakt steht, und mit einer Spannungsquelle, die mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode verbunden ist, zur Bereitstellung der für die elektrochemischen Umsetzungen an der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erforderlichen elektrischen Ladungen und zur Bereitstellung eines elektrischen Felds im Elektrolyten zum Transport der Ionen. In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ein Transportverfahren für Gase und eine Nachweiseinrichtung für Gase.

Description

Die Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt eine Transportvorrichtung und ein Transportverfahren für ein Gas sowie in einem zweiten Aspekt eine Nachweiseinrichtung für ein Gas.

Für zahlreiche Anwendungen ist es nötig oder erwünscht, den spezifischen Anteil eines Gases, z. B. von Sauerstoff, in einer Atmosphäre zu verändern.

Es ist seit längerem bekannt, dass Umgebungsluft mit einem erhöhten Sauerstoffgehalt förderlich für das Wohlbefinden ist und Heilungsprozesse begünstigen bzw. positiv beeinflussen kann.

Im klinischen Betrieb werden bei schweren Erkrankungen oder nach Operationen Patienten in einer Atmosphäre mit erhöhtem Sauerstoffgehalt untergebracht, bis hin zu einer Beatmung mit stark sauerstoffangereicherter Luft, beispielsweise in einem Sauerstoff-Zelt. Dies erleichert die Atmung erheblich, stabilisiert den Kreislauf und trägt zur Steigerung der Vitalfunktion bei.

Seit einiger Zeit werden solche Verfahren auch im ambulanten Bereich eingesetzt, etwa bei Sauerstoff-Therapien. Gerade für ältere Menschen, Patienten mit Beschwerden im Atmungsbereich, mit Herz-Kreislauf-Beschwerden und bei speziellen Allergien konnten hier Erfolge erzielt werden.

Bei allen erfolgreichen Einsätzen von Sauerstoff im klinischen und ambulanten Bereich und bei Wellness-Anwendungen, sind die praktischen Probleme und damit die Kosten bei der Arbeit mit Sauerstoff bisher erheblich.

Zum einen sind die Kostenaufwendungen zu berücksichtigen. Im Normalfall wird der Sauerstoff bei den Anwendungen in Form von Druckflaschen angeliefert. Die Verteilung des Sauerstoffs erfordert dann eine Infrastruktur aus Anschluss-Stellen, Leitungsnetzen, Druckminderern und Verteilstationen. Die Errichtung einer solchen Infrastruktur ist mit erheblichen Investitionskosten verbunden.

Zur Wiederbeschaffung des Einsatzstoffes "Sauerstoff" ist ein Abtransport der Druckflaschen, ein Wiederbefüllen und ein erneuter Antransport der Druckflaschen notwendig. Für den Anwender bedeutet dies erhebliche Handlingkosten.

Für größere Anwender, z.B. Kliniken, ist alternativ der Einsatz von Flüssigsauerstoff möglich. Hier sind zwar die laufenden Kosten geringer, aber die Investitionskosten deutlich höher.

Neben dem hohen Kostenaufwand gilt es auch den Sicherheitsaspekt zu berücksichtigen. Zum einen ist das Handling mit Druckflaschen nicht trivial und nur durch speziell geschultes Personal möglich. Zum anderen gehört Sauerstoff zu den am höchsten brandfördernden Substanzen überhaupt. Die Auflagen an die entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen und die damit verbundenen Kosten sind entsprechend hoch.

Die Alternative zu dem bisherigen Konzept des Handlings von Sauerstoff ist die Herstellung des benötigten Materials "Sauerstoff" vor Ort. Dadurch würden die gesamte Logistik und die damit verbundenen Kosten vollständig entfallen. Auf einen Transport des Sauerstoffs und die Speicherung und Abfüllung in Druckflaschen könnte vollständig verzichtet werden. Ebenso auf die bisher notwendige Infrastruktur. Die Kostenersparnis wäre erheblich.

Bisher wurde lediglich eine lokale Wasser-Elektrolyse vor Ort in Betracht gezogen. Diese Alternative wurde richtigerweise aber nicht weiter verfolgt, da gleichzeitig mit dem Sauerstoff auch Wasserstoff entwickelt würde. Das Gefahrenpotenzial dieser Kombination ist gerade in den sensitiven Lokalitäten nicht beherrschbar.

Zur lokalen Erzeugung von Sauerstoff wurden außerdem modifizierte Brennstoffzellen mit protonenleitenden Membranen eingesetzt. Dies ist aber ebenfalls mit erheblichen Kosten verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Transportvorrichtung und ein Transportverfahren für ein Gas zu schaffen, bei denen ein gewünschtes Gas selektiv, gefahrlos und kostengünstig transportiert werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine besonders empfindliche Nachweiseinrichtung für ein Gas zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Transportvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch das Transportverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und durch die Nachweiseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Transportvorrichtung und der Nachweisvorrichtung sowie bevorzugte Weiterbildungen des Transportverfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Transportvorrichtung weist folgende Komponenten auf: eine erste Elektrode mit einem ersten Katalysator, an der aus einer Umgebungsatmosphäre der ersten Elektrode aufgenommene Teilchen eines zu transportierenden Gases zumindest zu Ionen einer ersten Ionenspezies umsetzbar sind, eine zweite Elektrode mit einem zweiten Katalysator, an der die Ionen der ersten Ionenspezies zumindest zu Teilchen des zu transportierenden Gases, die in eine Umgebungsatmosphäre der zweiten Elektrode abgebbar sind, umsetzbar sind, einen Elektrolyt, der zumindest für die Ionen der ersten Ionenspezies leitfähig ist und der mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in Kontakt steht und eine Spannungsquelle, die mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode verbunden ist, zur Bereitstellung der für die elektrochemischen Umsetzungen an der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erforderlichen elektrischen Ladungen und zur Bereitstellung eines elektrischen Felds im Elektrolyten zum Transport der Ionen.

Bei dem erfindungsgemäßen Transportverfahren werden aus einer Umgebungsatmosphäre einer ersten Elektrode Teilchen eines zu transportierenden Gases aufgenommen und an der ersten Elektrode katalytisch zumindest zu Ionen einer ersten Ionenspezies umgesetzt. Die Ionen der ersten Ionenspezies bewegen sich in einem Elektrolyten, der mit der ersten Elektrode und mit der zweiten Elektrode in Kontakt steht, unter dem Einfluss eines elektrischen Felds von der ersten Elektrode zur zweiten Elektrode und die Ionen der ersten Ionenspezies werden an der zweiten Elektrode katalytisch zumindest zu Teilchen des zu transportierenden Gases, die in eine Umgebungsatmosphäre der zweiten Elektrode austreten, umgesetzt.

Als Kerngedanke der Erfindung kann angesehen werden, zum Transport eines Gases, insbesondere von Sauerstoff, eine elektrochemische Transportvorrichtung vorzusehen.

Hierdurch werden als wesentliche Vorteile eine hohe Selektivität für ein gewünschtes Gas, eine sehr hohe Effizienz, insbesondere unter Energiegesichtspunkten, sowie ein praktisch völlig fehlender mechanischer Verschleiß erreicht.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Transportvorrichtung und des erfindungsgemäßen Transportverfahrens handelt es sich bei dem zu transportierenden Gases um Sauerstoff und bei der ersten Ionenspezies um Hydroxidionen. Der Sauerstoff wird dann an der ersten Elektrode mit Wasser zu Hydroxidionen umgesetzt und die Hydroxidionen werden an der zweiten Elektrode zu Sauerstoff und Wasser umgesetzt.

Als weitere Grundidee der Erfindung im Hinblick auf den Transport von Sauerstoff kann demnach angesehen werden, die Wasserstoff-Produktion an der negativen Elektrode dadurch zu vermeiden, dass eine Sauerstoff verbrauchende Elektrode eingesetzt wird.

Die Vorteile einer solchen Sauertofftransportvorrichtung, die auch als Sauerstoff-Pumpe bezeichnet werden kann, liegen hauptsächlich in seinem einfachen prinzipiellen Aufbau. Das System besitzt keine beweglichen Teile und ist damit keinem mechanischen Verschleiß unterworfen.

Da das Funktionsprinzip im Unterschied zu dem klassischen Linde-Verfahren, nicht auf der thermodynamischen Kraft-Wärme-Kopplung beruht, ist die Effektivität nicht durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt. Es können deswegen auch Wirkungsgrade von über 75% im praktischen Betrieb erreicht werden. Dies ist nicht nur entscheidend für die Betriebskosten, sondern auch für die Umweltbilanz und die gesamte CO₂ -Emission.

Die eingesetzten Materialien sind kostengünstig herzustellen und/oder einzukaufen. Damit sind die Investitionskosten einer solchen Sauerstoff-Pumpe deutlich unter denen von herkömmlichen Geräten zur Sauerstoff-Aufkonzentration.

Da das System keine beweglichen Teile aufweist, tritt auch im Betrieb keinerlei Geräuschbelästigung auf. Dies ist insbesondere in empfindlichen Bereichen, wie beispielsweise dem klinischen Betrieb, von erheblicher Bedeutung und ein wichtiger Vorteil.

Bei der zweiten Elektrode kann es sich ganz allgemein um eine Sauerstoff-Entwicklungselektrode handeln. Beispielsweise kann eine Nickel-Elektrode eingesetzt werden, die eine hinreichende Korrosionsbeständigkeit aufweist. Auch der Einsatz einer Platin-Elektrode ist möglich.

Als Elektrolyt können prinzipiell alle Materialien einege- setzt werden, die eine Ionenleitfähigkeit für die entsprechenden Ionen, beispielsweise also für Hydroxidionen, besitzen. Die Variationsbreite ist dabei sehr groß. Neben ionenleitenden Festelektrolyten können organische Materialien und auch wässrige Lösungen eingesetzt werden. Im einfachsten und kostengünstigsten Fall kann eine wässrige Salzlösung verwendet werden.

Eine An- oder Abreicherung eines gewünschten Gases kann besonders effektiv erfolgen, wenn zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine Trenneinrichtung zum Vermeiden eines Gasaustauschs zwischen der Umgebungsatmosphäre der ersten Elektrode und der Umgebungsatmosphäre der zweiten Elektrode vorgesehen ist. Bei der Trenneinrichtung kann es sich beispielsweise um eine einfache Wand oder auch, etwa für den Einsatz bei tragbaren Geräten für die häusliche Pflege, um einen Schlauch mit einer Beatmungsmaske handeln.

Wird die Transportvorrichtung, beispielsweise die Sauerstoff-Pumpe, räumlich so platziert, dass beispielsweise eine kathodische Zell-Seite der Außenluft und entsprechend eine anodische Zell-Seite dem Innenraum zugewandt ist, wird ein gewünschtes Gas, beispielsweise Sauerstoff, von außen selektiv in den Innenraum transportiert. Dort steigt dann die Konzentration dieses Gases, beispielsweise also die Sauerstoffkonzentration, so lange an, wie durch die Transportvorrichtung, beispielsweise die Sauerstoff-Pumpe, ein elektrischer Strom fließt. Falls es sich um einen geschlossenen Raum handelt, wird sich mit dem Partialdruck des entsprechenden Gases auch der Gesamtdruck erhöhen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Transportvorrichtung ist die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode als Gasdiffusionselektrode ausgebildet. Hierbei handelt es sich um hochfunktionale Elektroden, die die Aufnahme von Reaktionsedukten aus der Gasphase oder aus einem Elektrolyten, die Zuführung dieser Edukte zu einem Reaktionsbereich und die anschließende Ableitung von eventuellen Reaktionsprodukten in einen Elek- trolyten oder in die Gasphase ermöglichen.

Bevorzugt weist eine solche Gasdiffusionselektrode daher zumindest einen gasdurchlässigen Bereich, einen Katalysatorbereich und einen flüssigkeitsdurchlässigen Bereich auf.

Besonders zweckmäßig kann eine solche Struktur erreicht werden, wenn die Gasdiffusionselektrode als Gasdiffusionsmembran mit einer Schichtstruktur ausgebildet ist. Bei besonderen Ausführungsformen solcher Gasdiffusionselektroden sind der Katalysatorbereich und der flüssigkeitsdurchlässige Bereich integral, insbesondere in einer Schicht, ausgebildet.

Die Funktionalität der elektrochemischen Zelle der erfindungsgemäßen Transportvorrichtung kann weiter erhöht werden, wenn die erste Elektrode und die zweite Elektrode so ausgebildet sind, dass sie, abhängig von einer Polarität der angelegten Spannung, jeweils als Kathode und als Anode wirken können.

Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, wenn die erste Elektrode und die zweite Elektrode darüber hinaus so ausgebildet sind, dass die Richtung der elektrochemischen Reaktion durch einen Wechsel der Polarität der an die erste Elektrode und die zweite Elektrode angelegten Spannung umkehrbar ist.

Beispielsweise kann eine Sauerstoff-Pumpe nach dem oben beschriebenen Prinzip in beide Richtungen betrieben werden. Durch Umkehrung des Stromflusses kann also der Sauerstoff auch aus einem geschlossenen Raum oder einem geschlossenen Behältnis nach außen in die Umgebung oder in einen anderen geschlossenen Raum gefördert werden. Dadurch lassen sich Räume oder Behältnisse nahezu vollständig von Sauerstoff befreien. Dies ist in der chemischen Industrie von großer Bedeutung, da dort viele Reaktionen unter Sauerstoff-Abschluss stattfinden müssen. Auch zum Korrosionsschutz wird häufig mit sauerstofffreien, in den meisten Fällen mit reinen Stickstoff-Atmosphären gearbeitet, da der wichtigste Korrosionsgrund eine Reaktion des entsprechenden Gegenstands mit Sauerstoff aus der Luft ist.

Prinzipiell können mit der erfindungsgemäßen Transportvorrichtung beliebige Gase transportiert werden sofern geeignete Elektroden und Elektrolyten zur Verfügung stehen. Beispielsweise ist auch ein Transport von SO₂ oder SO₃ möglich.

Die erfindungsgemäße Nachweiseinrichtung für ein Gas weist folgende Komponenten auf: eine erste, als Sensor ausgebildete Elektrode mit einem ersten Katalysator, an der aus einer Umgebungsatmosphäre der ersten Elektrode aufgenommene Teilchen eines nachzuweisenden Gases zumindest zu Ionen einer ersten Ionenspezies umsetzbar sind, eine zweite Elektrode mit einem zweiten Katalysator, an der die Ionen der ersten Ionenspezies und/oder Ionen einer weiteren Ionenspezies umsetzbar sind, einen Elektrolyten, in dem zumindest die Ionen der ersten Ionenspezies löslich sind und der mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in Kontakt steht, eine Spannungsquelle, die mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode verbunden ist, zur Bereitstellung der für die elektrochemischen Umsetzungen an der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erforderlichen elektrischen Ladungen und zur Bereitstellung eines elektrischen Felds im Elektrolyten zum Transport der Ionen und eine Messeinrichtung zum Messen des von der Spannungsquelle an die erste Elektrode und die zweite Elektrode gelieferten Stroms und/oder zum Messen der an der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anliegenden Spannung.

Als Kerngedanke der erfindungsgemäßen Nachweiseinrichtung kann angesehen werden, dass sich eine erfindungsgemäße Transportvorrichtung für ein Gas, beispielsweise eine Sauerstoff-Pumpe, auch als hochempfindlicher und dabei kostengünstiger Gas-Sensor, beispielsweise als Sauerstoff-Sen sor nutzen lässt. Bei geeigneter Beschaltung der elektrochemischen Zelle kann ein Stromfluss nur erfolgen, wenn die erste Elektrode, die beispielsweise als Kathode geschaltet ist, in Kontakt mit dem nachzuweisenden Gas, z.B. Sauerstoff, gerät. Ohne die entsprechenden Gasteilchen fehlt der Reaktionspartner und es ist somit keine Reaktion möglich. Weiterhin ist die Reaktionsgeschwindigkeit über das Ficksche Gesetz direkt proportional zur Konzentration bzw. zum Partialdruck des entsprechenden Gases, beispielsweise also des Sauerstoffs.

Legt man also eine konstante Spannung an die Transportvorrichtung oder die Sauerstoff-Pumpe an, ist der Stromfluss direkt proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs auf der Kathodenseite. Mit dem Strom erhält man so eine einfache Messgröße für den Partialdruck des nachzuweisenden Gases, beispielsweise also des Sauerstoffs, der normalerweise nur sehr aufwändig und teuer zu messen ist.

Mit der erfindungsgemäßen Nachweisvorrichtung können prinzipiell beliebige Gase, insbesondere auch organische Substanzen, wie beispielsweise Phenol, nachgewiesen werden.

Bevorzugt ist zumindest die erste Elektrode der Nachweiseinrichtung als Gasdiffusionselektrode oder Gasdiffusionsmembran, wie oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Transporteinrichtung beschrieben, ausgebildet.

Abhängig von den eingesetzten Elektroden und dem verwendeten Elektrolyten muss zum Nachweis und/oder Transport eines Gases jeweils eine für dieses Gas spezifische Mindestspannung an die Elektroden angelegt werden. Das bedeutet, dass bei sehr hoher angelegter Spannung eine Mehrzahl von Gas spezies transportiert bzw. nachgewiesen wird. In der Praxis wird somit mit Hilfe der Spannungsquelle, die für das jeweils gewünschte Gas spezifische Spannung eingestellt und dann der fließende Strom, der ein Maß für die Zahl der umgesetzten Gasteilchen ist, gemessen.

Bevorzugt ist daher die Spannungsquelle so ausgeführt, dass die Spannung verändert werden kann.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Nachweiseinrichtung ist also dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem nachzuweisenden Gas um Sauerstoff und bei der ersten Ionenspezies um Hydroxidionen handelt, dass der Sauerstoff an der ersten Elektrode mit Wasser zu Hydroxidionen umsetzbar ist und dass die Hydroxidionen an der zweiten Elektrode zu Sauerstoff und Wasser umsetzbar sind.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen Transportvorrichtung, des erfindungsgemäßen Transportverfahrens und der erfindungsgemäßen Nachweiseinrichtung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Figuren beschrieben.
Darin zeigt:
1: eine schematische Ansicht einer Gasdiffusionselektrode;
2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Transportvorrichtung und
3: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Nachweiseinrichtung.
Ein Beispiel einer als Sauerstoff-Pumpe ausgebildeten erfindungsgemäßen Transportvorrichtung 10 ist in 2 schematisch dargestellt. In einem Gehäuse 24 ist ein Elektrolyt 20 aufgenommen, bei dem es sich beispielsweise um eine wässrige Salzlösung handeln kann. An den Randbereichen des Gehäuses 24 sind eine erste Elektrode 12 und eine zweite Elektrode 16 so angeordnet, dass Sauerstoffmoleküle aus einer Umgebungsatmosphäre 14, 18 in die Elektroden 12, 16 eindringen und umgekehrt Sauerstoffmoleküle aus den Elektroden 12, 16 in die Umgebungsatmosphären 14, 18 austreten können.
Die erste Elektrode 12 und die zweite Elektrode 16 sind jeweils als Gasdiffusionsmembranen ausgebildet. Die Funktionsweise dieser Gasdiffusionsmembranen wird unten im Zusammenhang mit 1 beschrieben.
Zum Bereitstellen der für die elektrochemischen Reaktionen an den Elektroden 12, 16 notwendigen elektrischen Ladungen ist eine Spannungsquelle 22 vorgesehen, die mit der ersten Elektrode 12 über eine Anschlussleitung 23 und mit der zweiten Elektrode 16 über eine Anschlussleitung 25 verbunden ist.
Im gezeigten Beispiel ist die erste Elektrode 12 negativ polarisiert, d.h. als Kathode geschaltet, während die zweite Elektrode 16 positiv polarisiert ist, d.h. als Anode geschaltet ist. Diese Polarisierung wird dabei einfach mit Hilfe der Spannungsquelle 22 durch das Anlegen einer äußeren Spannung von etwa 1,0 V erreicht.
Es ist aber auch eine umgekehrte Beschaltung möglich, wobei sich dann eine umgekehrte Richtung der elektrochemischen Reaktion ergibt.
Bei der gezeigten Verschaltung der erfindungsgemäßen Transportvorrichtung 10 ergibt sich folgende Funktionsweise. Aus der Umgebungsatmosphäre 14 der ersten Elektrode 12 werden Sauerstoffmoleküle aufgenommen. Die Bewegungsrichtung dieser Sauerstoffmoleküle ist in 2 durch den Pfeil 38 angedeutet. An der ersten Elektrode 12 werden die Sauerstoffmoleküle zusammen mit Wassermolekülen, die aus dem Elektrolyt 20 bereitgestellt werden, unter Aufnahme von Elektronen, die von der Spannungsquelle 22 geliefert werden, elektrochemisch zu Hydroxidionen umgesetzt. An der Kathode werden also die von außen eindiffundierenden Sauerstoff-Moleküle elektrochemisch zu Hydroxidionen reduziert. Die Hydroxidionen werden in das Innere der Zelle abgegeben und dort von dem Elektrolyten 20 aufgenommen.
Unter dem Einfluss eines elektrischen Felds in dem Elektrolyten, das aufgrund des unterschiedlichen, an die erste Elektrode 12 und die zweite Elektrode 16 angelegten elektrischen Potenzials entsteht, wandern die einfach negativ geladenen Hydroxidionen von der negativ geladenen ersten Elektrode 12 zur positiv geladenen zweiten Elektrode 16. Die Bewegungsrichtung der Hydroxidionen ist in 2 durch den Pfeil 40 angedeutet. An der zweiten Elektrode 16, d.h. der Anode dringen die Hydroxidionen in die Membran ein und werden unter Abgabe von Elektronen, die in die Spannungsquelle 22 zurückfließen, wieder elektrochemisch zu Wasser und molekularem Sauerstoff umgesetzt. Der Sauerstoff tritt dabei in die Umgebungsatmosphäre 18 der zweiten Elektrode 16 aus. Der Sauerstoffgehalt der Umgebungsatmosphäre 14 der ersten Elektrode 12, wobei es sich insbesondere um Außen luft mit einem Anteil von etwa 20 Sauerstoff und 80% Stickstoff handeln kann, wird also durch die Wirkung der erfindungsgemäßen Transportvorrichtung 10 reduziert. Entsprechend wird der Sauerstoffanteil der Umgebungsatmosphäre der zweiten Elektrode, insbesondere der Innenluft, erhöht.
Da andere Gase, wie beispielsweise der Luft-Stickstoff, für die der Katalysator nicht aktiv ist, an der Reaktion nicht teilnehmen, werden diese Gase auch nicht durch die Zelle transportiert. Der Transport erfolgt also selektiv für Sauerstoff.
Die Reduktionsreaktion und die Oxidationsreaktion laufen nach folgendem Schema ab: O₂ + 2HO₂ + 4e^– ↔ 4OH^-
Zur Umwandlung von 1 mol molekularem Sauerstoff in Hydroxid und zurück werden also 4 mol Elektronen umgesetzt, d.h. von der Kathode zur Anode transportiert. Diese Elektronen müssen von der Spannungsquelle 22 bereitgestellt werden. Nach der Faraday-Konstante F = 96500 As/mol entsprechen diese 4 mol Elektronen einer Kapazität von 386.000 As oder 107 Ah. Da die Spannung etwa 1,0 V beträgt, entspricht dies einem Energieumsatz von 107 Wh oder etwa 0,1 kWh.
Aus grundlegenden Untersuchungen und der entsprechenden Fachliteratur geht hervor, dass die Nebenreaktionen bei der katalytischen Umsetzung von Sauerstoff zu Hydroxid (und deren Rückreaktion) in der Membran vernachlässigt werden können. Als worst-case Wert kann hierfür eine Überführungszahl, die dem Wirkungsgrad entspricht, von 0,9 angesetzt werden. Die praktischen Werte übertreffen diese 90% mit hoher Wahrscheinlichkeit.
Da nach den Gasgesetzen das Volumen eines mol Gases bei Normalbedingungen etwa V = 22,4 Liter beträgt, können durch den Einsatz von 0,1 kWh an elektrischer Energie etwa 90% von 22,4 Litern, d.h. etwa 20 Liter reiner Sauerstoff von der Umgebungsluft in einen Innenraum gepumpt werden.
Für das Überführen oder Pumpen von 1000 Liter Sauerstoff vom Außen- in einen Innenbereich ist demnach lediglich eine Energie von 5 kWh einzusetzen. Bei einem Energiepreis von 0,12 EUR/kWh entspricht dies einem Kostenfaktor von 0,60 EUR.
Im Vergleich dazu enthält bei einem klassischen Verfahren, d.h, beim Antransport von Sauerstoff über Druckflaschen, eine große Druckflasche mit einem Volumen von 50 Litern bei einem Betriebsdruck von 200 bar im maximalen Fall einen nutzbaren Gasinhalt von 10.000 Litern Sauerstoff. Allein das Nachfüllen einer solchen Druckflasche kostet den Nutzer erheblich mehr als die zuvor kalkulierten Betriebskosten der Sauerstoff-Pumpe von etwa 6 EUR für diese Gasmenge. Dazu kommen aber noch die Kosten für den Transport, die Flaschenmiete und die Infrastruktur für den Druck-Sauerstoff.
Die prinzipielle Funktion der Sauerstoff-Pumpe ist nicht auf das Gas Sauerstoff beschränkt. Alternativ zu Sauerstoff können auch andere Gase von einer Seite der Pumpe elektrochemisch auf die andere Seite gefördert werden. Dazu ist es lediglich notwendig, den Katalysator in der kathodisch wirkenden Elektrode oder Gasdiffusionsmembran so zu modifizieren, dass auf der kathodischen Seite der Gas-Pumpe eine Redox-Reaktion des Gases zu entsprechenden Ionen stattfindet. Weiterhin muss der Elektrolyt so gewählt werden, dass er einen Transport der genannten Ionen zulässt und der Ka talysator in der anodisch wirkenden Gasdiffusionsmembran ist so zu wählen, dass auf der anodischen Seite der Gas-Pumpe eine Redox-Reaktion der Ionen zu dem zugehörigen Gas stattfindet.
Die Sauerstoff-Pumpe ist prinzipiell wie eine elektrochemische Zelle aufgebaut. Als Elektroden dienen auf beiden Seiten der Zelle sogenannte Gasdiffusions-Elektroden. Unter Gasdiffusions-Elektroden versteht man Membranen, die einerseits elektrisch leiten und gleichzeitig gasdurchlässig sind, z.B. für Luftsauerstoff. Je nach Bauart dieser Membranen sind diese jedoch dicht gegenüber Flüssigkeiten. In der Regel sind die Gasdiffusions-Elektroden auch noch mit einem Katalysator versehen, so dass in den Elektroden eine elektrochemische Reaktion ausgelöst werden kann, während das Gas durch die Membran hindurchtritt. Die Art und Richtung der Reaktion kann in diesem Fall durch das Potenzial, d.h. durch die elektrische Spannung, gesteuert werden, das von außen an die Membran angelegt wird. Gasdiffusions-Membranen nach dem oben genannten Aufbau wurden bisher hauptsächlich zum Betrieb von Zink-Sauerstoff-Elementen kommerziell genutzt. In der Sauerstoff-Pumpe werden jedoch im Gegensatz zu den genannten Brennstoffzellen-Anwendungen zwei Gasdiffusions-Membranen eingebaut und keine Metallelektrode. Da die Richtung der elektrochemischen Reaktion umkehrbar ist, spricht man in diesem Fall auch von bifunktionale– Gasdiffusionsmembranen.
Eine Gasdiffusionsmembran 30, wie sie als erste Elektrode 12 und zweite Elektrode 16 in dem im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel eingesetzt wird, ist schematisch in 1 dargestellt.
Die Gasdiffusionsmembran 30 weist einen schichtartigen Aufbau mit einem gasdurchlässigen Bereich 32, einem Katalysatorbereich 34 und einem flüssigkeitsdurchlässigen Bereich 36 auf. Aus der Umgebungsatmosphäre 14, 18 der Gasdiffusionsmembran 30, wobei es sich insbesondere um Luft, also im Wesentlichen um ein Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch, handeln kann, können Gasteilchen, beispielsweise Sauerstoff-Moleküle, in die Gasdiffusionsmembran 30 über den gasdurchlässigen Bereich 32 eindringen. Die Bewegungsrichtung der Sauerstoffmoleküle ist dabei durch den Pfeil 38 gekennzeichnet.
An dem Katalysatorbereich 34 erfolgt dann eine elektrochemische Umsetzung, beispielsweise also eine Umsetzung der Sauerstoff-Moleküle zusammen mit Wassermolekülen, die über die flüssigkeitsdurchlässige Schicht 36 aus einem Elektrolyten 20 an den Katalysatorbereich 34 herangeleitet werden, zu Hydroxidionen. Die Hydroxidionen können anschließend über den flüssigkeitsdurchlässigen Bereich 36 in den Elektrolyten 20 eindringen und dort unter der Wirkung eines elektrischen Felds zu einer weiteren Elektrode wandern.
Die elektrochemische Reaktionsgleichung der beispielhaft erläuterten elektrochemischen Umsetzung von Sauerstoff mit Wasser zu Hydroxidionen ist ebenfalls in 1 gezeigt.
In 3 ist eine erfindungsgemäße Nachweiseinrichtung 50 für ein Gas schematisch dargestellt, die im Hinblick auf die wesentlichen Komponenten der elektrochemischen Zelle der in 2 dargestellten Transportvorrichtung 10 entspricht. Ein Elektrolyt 60 ist dabei in einem Gehäuse 65 aufgenommen, an dessen Randbereichen eine erste Elektrode 52 und eine zweite Elektrode 56 angeordnet sind. Mit Hilfe von Anschlussleitungen 63, 65 sind die Elektroden 52, 56 mit einer Spannungsquelle 62 verbunden. Wie bei dem in 2 gezeigten Beispiel ist die erste Elektrode 52 oder Gasdiffusionsmembran als Kathode geschaltet, d.h. negativ geladen. Die Nachweiseinrichtung wird, beispielsweise zum Nachweis von Sauerstoff-Molekülen, so angeordnet, dass die erste Elektrode 52 in dem Bereich positioniert ist, wo der Nachweis der SauerstoffMoleküle erfolgen soll. Treffen nun Sauerstoff-Moleküle auf die erste Elektrode 52 oder Gasdiffusionsmembran aus einer Umgebungsatmosphäre 54 auf, wie dies durch den Pfeil 66 veranschaulicht ist, kann an der ersten Elektrode 52, wie oben erläutert, eine elektrochemische Umsetzung zu Hydroxidionen erfolgen. Dabei fließen Elektronen von der Spannungsquelle 62 in die erste Elektrode 52. Die in den Elektrolyten 60 austretenden Hydroxidionen wandern, ebenfalls wie bereits vorstehend im Zusammenhang mit 2 beschrieben, unter dem Einfluss des elektrischen Felds zu der als Anode geschalteten zweiten Elektrode 56. Dort erfolgt unter Abgabe von Elektronen die entsprechende Rückreaktion zu Wasser und Sauerstoff, der in eine Umgebungsatmosphäre 58 der zweiten Elektrode 56 austritt. Die Bewegungsrichtung dieser Sauerstoff-Moleküle ist durch den Pfeil 70 gekennzeichnet.
Mit der vorstehend beschriebenen Erfindung wird eine selektive elektrochemische Transportvorrichtung für Gase und ein selektives elektrochemisches Transportverfahren vorgeschlagen, als deren wesentliche Vorteile eine deutliche Reduzierung der Kosten im Vergleich zu konventionellen Lösungen und die Einfachheit und Zuverlässigkeit des Aufbaus anzusehen sind. Bei dieser neuartigen Alternative werden neue Materialien und Werkstoffe eingesetzt. Die Vorteile einer Sauerstoff-Produktion vor Ort werden dabei voll ausge schöpft, ohne dass die Nachteile einer gleichzeitigen Wasserstoff-Produktion auftreten. Weitere Vorteile ergeben sich unter Gesichtspunkten des Umweltschutzes und bezüglich der praktisch vollständig fehlenden Geräuschbelästigung, da keinerlei mechanisch bewegliche Teile vorhanden sind.
Mit der erfindungsgemäßen Nachweiseinrichtung wird ein hoch empfindlicher Gassensor bereitgestellt, mit dem im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen der Partialdruck von Gasen erheblich kostengünstiger zu messen ist.

Claims

Transportvorrichtung für ein Gas, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 oder 12, – mit einer ersten Elektrode (12) mit einem ersten Katalysator, an der aus einer Umgebungsatmosphäre (14) der ersten Elektrode (12) aufgenommene Teilchen eines zu transportierenden Gases zumindest zu Ionen einer ersten Ionenspezies umsetzbar sind, – mit einer zweiten Elektrode (16) mit einem zweiten Katalysator, an der die Ionen der ersten Ionenspezies zumindest zu Teilchen des zu transportierenden Gases, die in eine Umgebungsatmosphäre (18) der zweiten Elektrode (16) abgebbar sind, umsetzbar sind, – mit einem Elektrolyten (20), der zumindest für die Ionen der ersten Ionenspezies leitfähig ist und der mit der ersten Elektrode (12) und der zweiten Elektrode (16) in Kontakt steht, und – mit einer Spannungsquelle (22), die mit der ersten Elektrode (12) und der zweiten Elektrode (16) verbunden ist, zur Bereitstellung der für die elektrochemischen Umsetzungen an der ersten Elektrode (12) und der zweiten Elektrode (16) erforderlichen elektrischen Ladungen und zur Bereitstellung eines elektrischen Felds im Elektrolyten (20) zum Transport der Ionen.
Transportvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass es sich bei dem zu transportierenden Gas um Sauerstoff und bei der ersten Ionenspezies um Hydroxidionen handelt, – dass der Sauerstoff an der ersten Elektrode (12) mit Wasser zu Hydroxidionen umsetzbar ist und – dass die Hydroxidionen an der zweiten Elektrode (16) zu Sauerstoff und Wasser umsetzbar sind.
Transportvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (20) eine wässrige Lösung, insbesondere eine wässrige Salzlösung, ist.
Transportvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (20) wenigstens teilweise aus einem organischem Material besteht und/oder wenigstens teilweise als Festkörperelektrolyt ausgebildet ist.
Transportvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Elektrode (12) und der zweiten Elektrode (16) eine Trenneinrichtung zum Vermeiden eines Gasaustauschs zwischen der Umgebungsatmosphäre (14) der ersten Elektrode (12) und der Umgebungsatmosphäre (18) der zweiten Elektrode (16) vorgesehen ist.
Transportvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (12) und/oder die zweite Elektrode (16) als Gasdiffusionselektrode ausgebildet ist.
Transportvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionselektrode oder die Gasdiffusionselektroden zumindest einen gasdurchlässigen Bereich (32), einen Katalysatorbereich (34) und einen flüssigkeitsdurchlässigen Bereich (36) aufweist bzw. aufweisen.
Transportvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionselektrode oder die Gasdiffusionselektroden als Gasdiffusionsmembran (30) mit einer Schichtstruktur ausgebildet ist bzw. sind.
Transportvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (12) und die zweite Elektrode (16) so ausgebildet sind, dass sie, abhängig von einer Polarität der angelegten Spannung, jeweils als Kathode und als Anode wirken können.
Transportvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (12) und die zweite Elektrode (16) so ausgebildet sind, dass die Richtung der elektrochemischen Reaktion durch einen Wechsel der Polarität der an die erste Elektrode (12) und die zweite Elektrode (16) angelegten Spannung umkehrbar ist.
Transportverfahren für ein Gas, – bei dem aus einer Umgebungsatmosphäre (14) einer ersten Elektrode (12) Teilchen eines zu transportierenden Gases aufgenommen werden und an der ersten Elektrode (12) katalytisch zumindest zu Ionen einer ersten Ionenspezies umgesetzt werden, – bei dem die Ionen der ersten Ionenspezies sich in einem Elektrolyten (2d), der mit der ersten Elektrode (12) und mit einer zweiten Elektrode (16) in Kontakt steht, unter dem Einfluss eines elektrischen Felds von der ersten Elektrode (12) zur zweiten Elektrode (16) bewegen und – bei dem die Ionen der ersten Ionenspezies an der zweiten Elektrode (16) katalytisch zumindest zu Teilchen des zu transportierenden Gases, die in eine Umgebungsatmosphäre (18) der zweiten Elektrode (16) austreten, umgesetzt werden.
Transportverfahren für ein Gas nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, – dass es sich bei dem zu transportierenden Gas um Sauerstoff und bei der ersten Ionenspezies um Hydroxidionen handelt, – dass der Sauerstoff an der ersten Elektrode (12) mit Wasser zu Hydroxidionen umgesetzt wird und – dass die Hydroxidionen an der zweiten Elektrode (16) zu Sauerstoff und Wasser umgesetzt werden.
Nachweiseinrichtung für ein Gas, – mit einer ersten, als Sensor ausgebildeten Elektrode (5) mit einem ersten Katalysator, an der aus einer Umgebungsatmosphäre (54) der ersten Elektrode (52) aufgenommene Teilchen eines nachzuweisenden Gases zumindest zu Ionen einer ersten Ionenspezies umsetzbar sind, – mit einer zweiten Elektrode (56) mit einem zweiten Katalysator, an der die Ionen der ersten Ionenspezies und/oder Ionen einer weiteren Ionenspezies umsetzbar sind, – mit einem Elektrolyten (60), in dem zumindest die Ionen der ersten Ionenspezies löslich sind und der mit der ersten Elektrode (52) und der zweiten Elektrode (56) in Kontakt steht, – mit einer Spannungsquelle (62), die mit der ersten Elektrode (52) und der zweiten Elektrode (56) verbunden ist, zur Bereitstellung der für die elektrochemischen Umsetzungen an der ersten Elektrode (52) und der zweiten Elektrode (56) erforderlichen elektrischen Ladungen und zur Bereitstellung eines elektrischen Felds im Elektrolyten (60) zum Transport der Ionen und – mit einer Messeinrichtung (64) zum Messen des von der Spannungsquelle (62) an die erste Elektrode (52) und die zweite Elektrode (56) gelieferten Stroms und/oder zum Messen der an der ersten Elektrode (52) und der zweiten Elektrode (56) anliegenden Spannung.
Nachweiseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, – dass es sich bei dem nachzuweisenden Gas um Sauerstoff und bei der ersten Ionenspezies um Hydroxidionen handelt, – dass der Sauerstoff an der ersten Elektrode (52) mit Wasser zu Hydroxidionen umsetzbar ist und – dass die Hydroxidionen an der zweiten Elektrode (56) zu Sauerstoff und Wasser umsetzbar sind.