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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrochemisches System. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Spülen eines solchen elektrochemischen Systems.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Erzeugen von Wasserstoff, beispielsweise durch Elektrolyse von Flüssigkeit, bekannt. Hierfür wird eine elektrolytische Zelle verwendet, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist. Der Anodenraum ist mit Flüssigkeit oder einer wässrigen Lösung, beispielsweise einem Elektrolyten, gefüllt. Der Anodenraum und der Kathodenraum werden durch eine Membran voneinander getrennt, welche beidseitig mit Elektroden versehen sind. Die dem Anodenraum zugewandte Seite weist eine Anodenelektrode und dem Kathodenraum zugewandte Seite weist eine Kathodenelektrode auf.
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Wird nun eine elektrische Gleichspannung zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode angelegt, so erfolgt eine katalytische Spaltung der Flüssigkeit auf der Anodenseite. Im Beispiel der PEM-Elektrolyse diffundieren die Protonen, H+-Ionen, durch die Membran auf die Kathodenseite und reagieren dort mit Elektronen zu Wasserstoff.
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Solch elektrolytische Zellen, die mit einer sogenannten Proton Exchange Membrane (PEM) arbeiten, sind beispielsweise aus der
DE 10 2014 217 462 A1 bekannt.
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Ein Stapel solcher elektrolytischer Zellen wird auch als Zellstapel bzw. Stack bezeichnet. Ein Elektrolysesystem umfasst mindestens einen Stack, welcher mindestens eine elektrolytische Zelle umfasst.
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Elektrolyseure weisen eine semipermeable Membran auf, die für bestimmte Ionen leitfähig ist, aber gleichzeitig elektrisch nicht leitend. Bei PEM-Elektrolyseuren ist die Membran für Protonen durchlässig, wohingegen auch andere Elektrolyse-Typen existieren, bei denen die Membran beispielsweise für Anionen durchlässig ist, die sogenannten AEM-Elektrolyseure (Anion Exchange Membran-Elektrolyseure).
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Eine semipermeable Membran weist jedoch auch eine gewisse Durchlässigkeit für andere Stoffe auf, insbesondere für Wasserstoffmoleküle (H2). Gelangen diese beispielsweise nach Abschaltung der elektrolytischen Zelle in den Anodenraum, so bildet sich dort eine Mischung aus Sauerstoff und Wasserstoff. Diese kann je nach Mischung explosionsfähig werden. Diese Rückdiffusion tritt insbesondere mit Differenzdruckbetrieb verstärkt auf. Daher wird der Kathodenraum nach Abschaltung der elektrolytischen Zelle beispielsweise mit chemisch inertem Gas gespült, um den Wasserstoff aus dem Kathodenraum zu spülen.
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Das Spülen mit chemisch inertem Gas führt jedoch zu einer Fremdverunreinigung des Produktgases und reduziert so den Wasserstoff-Ertrag der gesamten Elektrolyse-Anlage.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße elektrochemische System weist demgegenüber den Vorteil auf, dass bei Austausch des Spülmediums von chemisch inertem Gas zu einer Flüssigkeit, welche bereits im elektrochemischen System vorhanden ist, eine höhere Reinheit des produzierten Wasserstoffs erzielt wird.
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Dazu weist das elektrochemische System einen Stack auf, welcher Stack mindestens einen Funktionsraum aufweist, der mit einem Funktionspfad verbunden ist. Weiterhin weist das elektrochemische System eine Spülleitung auf, die mittels dem Funktionspfad mit dem Funktionsraum fluidisch verbindbar ist. Darüber hinaus ist die Spülleitung mit einem Flüssigkeitseinlass zum Spülen des Funktionsraums und/oder der Funktionsleitung mit Flüssigkeit verbindbar.
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So kann in einfacher Weise die Flexibilität des Spülvorgangs und die Sicherheit des gesamten elektrochemischen Systems erhöht werden. Weiterhin wird durch die Verwendung von Flüssigkeit als Spülmedium die Reinheit des produzierten Wasserstoffs erhöht, da kein Eintrag von Fremdmedium (z.B. Stickstoff) beim Spülen stattfindet.
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In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass am Flüssigkeitseinlass in der Spülleitung eine Fördereinrichtung, vorzugsweise mit einem nachgelagerten Filter, angeordnet ist, durch welche Fördereinrichtung die Flüssigkeit zum Spülen des Funktionsraums einspeisbar ist. So kann in einfacher Weise die Flüssigkeit in den Funktionspfad in Richtung des Funktionsraums gefördert werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitseinlass eine Flüssigkeit umfasst, welche bereits in dem elektrochemischen System vorhanden ist. Vorteilhafterweise umfasst die Flüssigkeit DI-Wasser (deionisiertes Wasser).
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das elektrochemische System ein Elektrolysesystem ist, vorzugsweise ein PEM-Elektrolysesystem oder ein AEM-Elektrolysesystem.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Funktionspfad einen Kathodenpfad des Elektrolysesystems und der Funktionsraum einen Kathodenraum des Stacks umfasst. So kann der Kathodenpfad des Elektrolysesystems und der Kathodenraum des Stacks in einfacher Weise mit Flüssigkeit durchgespült werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Funktionspfad einen Anodenpfad des Elektrolysesystems und der Funktionsraum einen Anodenraum des Stacks umfasst. So kann der Anodenpfad des Elektrolysesystems und der Anodenraum des Stacks in einfacher Weise mit Flüssigkeit durchgespült werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass ein erstes Ventil, ein zweites Ventil, ein drittes Ventil und ein viertes Ventil jeweils elektrisch ansteuerbar und derartig schaltbar sind, dass ein Spülen des Funktionsraums und/oder der Funktionsleitung mit Flüssigkeit möglich ist.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Funktionspfad eine Funktionsleitung aufweist, welche mittels des ersten Ventils mit der Spülleitung verbindbar ist, wobei in der Funktionsleitung ein Rückschlagventil angeordnet ist, das das Einströmen von Gas aus der Funktionsleitung in die Spülleitung verhindert.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Funktionsraum des Stacks einen ersten Funktionsraumauslass und einen zweiten Funktionsraumauslass aufweist, welcher erste Funktionsraumauslass an einem ersten Bypassknoten und welcher zweite Funktionsraumauslass an einem zweiten Bypassknoten in die Funktionsleitung münden. Vorteilhafterweise weist die Funktionsleitung zwischen dem ersten Bypassknoten und dem zweiten Bypassknoten einen Bypasskanal auf, in welchem Bypasskanal das zweite Ventil angeordnet ist.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Funktionsleitung stromabwärts einen dritten Bypassknoten aufweist, welcher dritte Bypassknoten in einen ersten Flüssigkeitsauslasskanal für Niederdruck und einen zweiten Flüssigkeitsauslasskanal für Hochdruck mündet. So kann in konstruktiv einfacher Weise ein Spülen bei Niederdruck und bei Hochdruck erfolgen. Außerdem wird durch die Ausleitung auf zwei unterschiedliche Drucklevels die Einbindung an die Systemperipherie vereinfacht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem ersten Flüssigkeitsauslasskanal das dritte Ventil zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen der Funktionsleitung und dem ersten Flüssigkeitsauslasskanal angeordnet ist.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in dem zweiten Flüssigkeitsauslasskanal das vierte Ventil zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen der Funktionsleitung und dem zweiten Flüssigkeitsauslasskanal angeordnet ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Spülen eines solchen elektrochemischen Systems, mit den folgenden Schritten:
- a. Schließen des zweiten Ventils und des vierten Ventils und Öffnen des ersten Ventils und des dritten Ventils;
- b. Einleiten von Flüssigkeit, welche auf einem Druck geringer als der Betriebsdruck ist, aus der Spülleitung in die Funktionsleitung, so dass die Flüssigkeit über den ersten Funktionsraumauslass den Funktionsraum des Stacks durchströmt und diese über den zweiten Funktionsraumauslass wieder verlässt und über das dritte Ventil in Richtung des ersten Flüssigkeitsauslasskanals strömt.
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Auf diese Weise wird mittels der Flüssigkeit das Gas aus der Funktionsleitung und dem Funktionsraum gespült. So kann die Effizienz und die Reinheit der Wasserstoff-Produktion gesteigert, aber auch beispielsweise ein Diffundieren des Wasserstoffs von dem Kathodenraum über die Membran in den Anodenraum verhindert werden. Dies verhindert auch ein Reagieren des diffundierten Wasserstoffs mit dem Sauerstoff im Anodenraum zu einem möglichen Knallgas-Gemisch.
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Das Spülen erhöht die Sicherheit des elektrochemischen Systems und erhöht die Flexibilität des Spülvorgangs mit Flüssigkeit. Dies führt zu einer verbesserten Verfügbarkeit des gesamten elektrochemischen Systems.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 ein mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Systems in schematischer Ansicht,
- 2 ein mögliches Ausführungsbeispiel eines Clusters von einer Anzahl x von elektrochemischen System-Modulen in schematischer Ansicht.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Systems 1 in schematischer Ansicht. Das elektrochemische System 1 weist einen Stack 10 mit einem Funktionsraum 81 auf. Der Funktionsraum 81 ist mit einem Funktionspfad 80 verbunden. Der Stack 10 umfasst mindestens eine elektrochemische Zelle, wobei typischerweise eine Stapelung mehrerer elektrochemischer Zellen als Stack bezeichnet wird. Weiterhin kann es sich bei dem Stack 10 beispielsweise um einen PEM-Stack oder AEM-Stack handeln. In dieser Ausführung handelt es sich um einen PEM-Stack.
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Der Stack 10 weist einen Anodenraum 102 und einen Kathodenraum 101 auf, welche durch eine semipermeable Membran 103 voneinander getrennt sind. Die Membran 103 ist anodenseitig mit einer Anodenelektrode 106 und kathodenseitig mit einer Kathodenelektrode 105 versehen.
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Der Funktionspfad 80 ist beispielsweise als Kathodenpfad 300 oder Anodenpfad 1020 ausgebildet.
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In diesem Ausführungsbeispiel entspricht der Funktionspfad 80 dem Kathodenpfad 300 des Elektrolysesystems 1 und der Funktionsraum 81 dem Kathodenraum 101 des Stacks 10.
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In einer alternativen Ausführung entspricht der Funktionspfad 80 dem Anodenpfad 1020 des Elektrolysesystems 1 und der Funktionsraum 81 dem Anodenraum 102 des Stacks 10.
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Der Funktionspfad 80, hier Kathodenpfad 300, weist eine Funktionsleitung 3 auf, die mittels eines ersten Ventils 23 mit einer Spülleitung 2 verbindbar ist. Die Spülleitung 2 ist mit einem Flüssigkeitseinlass 200 verbunden. Weiterhin sind in der Spülleitung 2 eine Fördereinrichtung 21, beispielsweise als Pumpe ausgeführt, und ein nachgelagerter Filter 22 angeordnet, wodurch Flüssigkeit zum Spülen des Funktionsraums 81 in die Funktionsleitung 3 einspeisbar ist. Der Flüssigkeitseinlass 200 ist mit einem Flüssigkeitsspeicher 20, vorzugsweise unter Druck, fluidisch verbunden, wobei die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsspeicher 20 deionisierte Flüssigkeit ist.
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In der Funktionsleitung 3 ist außerdem ein Rückschlagventil 24 angeordnet, das das Einströmen von Gas aus der Funktionsleitung 3 in die Spülleitung 2 verhindert.
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Das erste Ventil 23 in der Spülleitung 2 ist elektrisch ansteuerbar und stromlos offen.
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Der Funktionsraum 81 des Stacks 10 weist einen ersten Funktionsraumauslass 7 und einen zweiten Funktionsraumauslass 8 auf. Der erste Funktionsraumauslass 7 mündet an einem ersten Bypassknoten 82 und der zweite Funktionsraumauslass 8 an einem zweiten Bypassknoten 83 in die Funktionsleitung 3.
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Zwischen dem ersten Bypassknoten 82 und dem zweiten Bypassknoten 83 weist die Funktionsleitung 3 eine Bypassleitung 3a auf, in der ein zweites Ventil 25 angeordnet ist. Das zweite Ventil 25 ist elektrisch ansteuerbar und stromlos geschlossen.
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Weiterhin weist die Funktionsleitung 3 stromabwärts einen dritten Bypassknoten 300 auf, der in einen ersten Flüssigkeitsauslasskanal 5 für Niederdruck und einen zweiten Flüssigkeitsauslasskanal 6 für Hochdruck mündet. Als Hochdruck wird hier der Betriebsdruck des Stacks 10 angenommen, welcher beispielsweise einen Bereich von 0.5 bar bis 100 bar umfasst. Als Niederdruck wird ein Druck nahe dem atmosphärischen Druck angenommen oder alternativ das Druckniveau des Anodenraums 102, d.h. Niederdruck entspricht einer Druckentlastung des Kathodenraums 101.
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In dem ersten Flüssigkeitsauslasskanal 5 ist ein drittes Ventil 27 zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen der Funktionsleitung 3 und dem ersten Flüssigkeitsauslasskanal 5 angeordnet. Der erste Flüssigkeitsauslasskanal 5 mündet weiterhin in einen Abfluss 30. Das dritte Ventil 27 ist elektrisch ansteuerbar und stromlos offen.
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In dem zweiten Flüssigkeitsauslasskanal 6 ist ein viertes Ventil 26 zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen der Funktionsleitung 3 und dem zweiten Flüssigkeitsauslasskanal 6 angeordnet. Der zweite Flüssigkeitsauslasskanal 6 führt stromabwärts zu einem Gas-Flüssigkeits-Separator 54. Das vierte Ventil 26 ist elektrisch ansteuerbar und stromlos geschlossen.
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Weiterhin ist in 1 ein elektrochemisches System-Modul 100 mit einer Anzahl n von Stacks 10, 10', 10" des oben beschriebenen elektrochemischen Systems 1 gezeigt. Diese sind hydraulisch parallel geschaltet, so dass für ein elektrochemisches System-Modul 100 Flüssigkeit über die Spülleitung 2 mittels dieser einen in der Spülleitung 2 angeordneten Fördereinrichtung 21 in den Funktionsraum 81 der n Stacks 10, 10', 10" geleitet wird und diese gespült werden. Hierbei kann vorteilhafterweise an jedem Zulauf der n Stacks 10, 10', 10" ein hier nicht gezeigtes Regelventil angeordnet sein, um einen gleichmäßigen Flüssigkeitsvolumenstrom auf die n Stacks 10, 10', 10" in dem elektrochemischen System-Modul 100 zu gewährleisten.
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In einer alternativen Ausführung ist auch eine Fördereinrichtung 21 pro Stack 10, 10', 10" möglich.
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Im Betriebsfall ist das erste Ventil 23 geschlossen, so dass aus der Spülleitung 2 keine Flüssigkeit in Richtung des Funktionspfads 80 und des Funktionsraums 81 des Stacks 10 bzw. der Stacks 10, 10', 10" strömt. Weiterhin sichert das Rückschlagventil 24 während der Produktion des Wasserstoffs ein Rückströmen in die Spülleitung 2 und in Richtung des Flüssigkeitseinlasses 200 sowie in Richtung der parallel geschalteten Stacks 10, 10', 10" des Elektrolysesystem-Moduls 100. Das zweite Ventil 25 in der Bypassleitung 3a wird während der Produktion von Wasserstoff im Betriebsfall elektrisch angesteuert und in einer offenen Position gehalten. So strömt produzierter Wasserstoff aus dem ersten Funktionsraumauslass 7 über den ersten Bypassknoten 82 und aus dem zweiten Funktionsraumauslass 8 über den zweiten Bypassknoten 83 in die Funktionsleitung 3 über das offene vierte Ventil 26 in den zweiten Flüssigkeitsauslasskanal 6 in Richtung des Gas-Flüssigkeits-Separators 54. Der Gas-Flüssigkeits-Separator 54 trennt üblicherweise den produzierten Wasserstoff von mitgezogenem DI-Wasser.
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Bei bestimmten Betriebszuständen, beispielsweise einem System-Aus, einem Not-Aus oder einem Standby wird das elektrochemische System 1 bzw. das elektrochemische System-Modul 100, insbesondere die Funktionsleitung 3 und der Funktionsraum 81 der Stacks 10, 10', 10" mit Flüssigkeit gespült, um ein Austragen der Gase, insbesondere Wasserstoff bzw. Sauerstoff, zu gewährleisten. Dies wird auch als flüssigkeitsbasierte Inertisierung bzw. Spülung bezeichnet. Die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitseinlass 200 umfasst eine Flüssigkeit, welche bereits in dem elektrochemischen System vorhanden ist. In dieser Ausführung handelt es sich um ein PEM-Elektrolysesystem, so dass die Flüssigkeit DI-Wasser umfasst.
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In alternativen Ausführungen beispielsweise bei einem AEM-Elektrolysesystem wird als Flüssigkeit KOH Lauge oder eine flüssig alkalische Elektrolytlösung oder beliebige Verdünnungen der Elektrolytlösung verwendet.
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Für die Spülung wird eine Ansteuerstrategie des elektrochemischen Systems 1 bzw. des elektrochemischen System-Moduls 100 verwendet, wodurch das zweite Ventil 25 und das vierte Ventil 26 schließen und das erste Ventil 23 und das dritte Ventil 27 geöffnet werden. Mittels der Fördereinrichtung 21 strömt nun Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsspeicher 20, vorzugsweise unter Druck, in Richtung der Funktionsleitung 3 der n Stacks 10, 10', 10". Da die Bypassleitung 3a aufgrund des geschlossenen zweiten Ventils 25 nicht passierbar ist, strömt die Flüssigkeit über den ersten Funktionsraumsauslass 7 in den Funktionsraum 81 des Stacks 10, 10', 10" und über den zweiten Funktionsraumauslass 8 wieder aus dem Stack 10, 10', 10" zurück in die Funktionsleitung 3. Über den dritten Bypassknoten 300 wird die Flüssigkeit mittels des dritten Ventils 27 in den ersten Flüssigkeitsauslasskanal 5 in Richtung des Abflusses 30 abgelassen.
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So kann in einfacher Weise, hier in dieser Ausführung der Wasserstoff, durch die Flüssigkeit aus dem Funktionsraum 81, der Kathodenraum 101, gespült werden und mittels des Gas-Flüssigkeits-Separators 54 von der Flüssigkeit wieder getrennt werden. Das erhöht einerseits die Effizienz der Wasserstoffproduktion und andererseits minimiert es die Möglichkeit, dass der Wasserstoff über die Membran 103 aus dem Kathodenraum 101 in den Anodenraum 102 diffundiert und dies dort in Kombination mit dem Sauerstoff zu einer Knallgas-Reaktion führt.
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In einer alternativen Ausführung wird durch die Flüssigkeit nicht der Wasserstoff aus dem Funktionsraum 81, Kathodenraum 101, gespült, sondern der Sauerstoff aus dem Anodenraum 102.
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2 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel eines Clusters 1000 von einer Anzahl x von elektrochemischen System-Modulen 100, 100', 100'' in schematischer Ansicht. Die elektrochemischen System-Module 100, 100', 100'' weisen jeweils einen Abfluss 30, 30', 30" auf, in der Flüssigkeit aus dem elektrochemischen System-Modul 100, 100', 100" über den ersten Flüssigkeitsauslasskanal 5, 5', 5'' geleitet werden kann.
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Weiterhin weisen die elektrochemischen System-Module 100, 100', 100'' jeweils den zweiten Flüssigkeitsauslasskanal 6, 6', 6'' auf, welche in einen gemeinsamen Gas-Flüssigkeits-Separator 54 münden. Jedes elektrochemische System-Modul 100, 100', 100'' umfasst einen hier nicht gezeigten separaten und individuellen Flüssigkeitseinlass.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 2014 217 462 A1 [0004]