DE-102024210652-A1 - Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Zelle sowie Steuergerät

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Zelle zur Gasabscheidung. Bei dem Verfahren wird während eines Gasabscheidungsvorgangs der elektrochemischen Zelle ein das abzuscheidende Gas enthaltendes Gasgemisch zugeführt und an die elektrochemische Zelle eine elektrische Spannung angelegt. Während eines Gasfreisetzungsvorgangs der elektrochemischen Zelle wird das abgeschiedene Gas durch Änderung der elektrischen Spannung wieder freigesetzt. Erfindungsgemäß wird bzw. werden zu Beginn eines Gasabscheidungsvorgangs die für die Gasabscheidung benötigte elektrische Ladungsmenge berechnet wird und zur Optimierung des Gasabscheidevorgangs, insbesondere zur Senkung des Energieverbrauchs während des Gasabscheidungsvorgangs anliegende elektrische Spannung und/oder die elektrische Stromdichte unter Zuhilfenahme mehrerer Kalibrierkurven dynamisch angepasst. Dabei beschreiben die Kalibrierkurven die sich aus der anliegenden elektrischen Spannung ergebende Stromdichte in Abhängigkeit von mindestens einem weiteren Betriebsparameter, beispielsweise dem aktuellen Beladungszustand der elektrochemischen Zelle und/oder der aktuellen Zusammensetzung des Gasgemischs. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren oder einzelne Schritte eines Verfahrens durchzuführen.

Inventors

• Dirk Wolf
• Roman Ritter
• Taleb Janbein
• Bernd Schumann
• Franz Sebastian Krueger
• Celine Kopp

Assignees

• Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241106

Claims (10)

1. Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Zelle zur Gasabscheidung, bei dem während eines Gasabscheidungsvorgangs der elektrochemischen Zelle ein das abzuscheidende Gas enthaltendes Gasgemisch zugeführt wird und an die elektrochemische Zelle eine elektrische Spannung angelegt wird und bei dem während eines Gasfreisetzungsvorgangs der elektrochemischen Zelle das abgeschiedene Gas durch Änderung der elektrischen Spannung wieder freigesetzt wird, dadurch gekennzeichnet , dass zu Beginn eines Gasabscheidungsvorgangs die für die Gasabscheidung benötigte elektrische Ladungsmenge berechnet wird und zur Optimierung des Gasabscheidevorgangs, insbesondere zur Senkung des Energieverbrauchs während des Gasabscheidungsvorgangs, die anliegende elektrische Spannung und/oder die elektrische Stromdichte unter Zuhilfenahme mehrerer Kalibrierkurven dynamisch angepasst wird bzw. werden, wobei die Kalibrierkurven die sich aus der anliegenden elektrischen Spannung ergebende Stromdichte in Abhängigkeit von mindestens einem weiteren Betriebsparameter, beispielsweise - dem aktuellen Beladungszustand der elektrochemischen Zelle und/oder - der aktuellen Zusammensetzung des Gasgemischs, beschreiben.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die zur Gasabscheidung benötigte elektrische Ladungsmenge aus einer vorgegebenen Menge an abzuscheidendem Gas berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass Kalibrierkurven verwendet werden, die vor Inbetriebnahme der elektrochemischen Zelle jeweils bei einem definierten Wert des mindestens einen Betriebsparameters ermittelt wurden.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass für jede Kalibrierkurve ein Wertepaar aus anliegender elektrischer Spannung und/oder elektrischer Stromdichte bestimmt wird, das im Vergleich zu allen anderen Wertepaaren der jeweiligen Kalibrierkurve den Energieverbrauch pro benötigter Ladungsmenge am stärksten senkt.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass aus den mehreren Kalibrierkurven mindestens eine Kalibrierkurve zur dynamischen Anpassung der anliegenden elektrischen Spannung und/oder der elektrischen Stromdichte ausgewählt wird, die bei einem Wert des mindestens einen Betriebsparameters ermittelt worden ist, der dem aktuellen Wert des mindestens einen Betriebsparameters am nächsten kommt.
6. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , dass bei Auswahl mehrerer Kalibrierkurven diejenige zur Anpassung der anliegenden elektrischen Spannung und/oder der elektrischen Stromdichte verwendet wird, deren Wertepaar den Energieverbrauch pro benötigter Ladungsmenge am stärksten senkt.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass während eines Gasfreisetzungsvorgangs zur Senkung des Energieverbrauchs pro benötigter Ladungsmenge die während des Gasfreisetzungsvorgangs anliegende elektrische Spannung und/oder die elektrische Stromdichte unter Zuhilfenahme mehrerer Kalibrierkurven dynamisch angepasst wird bzw. werden, wobei die mindestens eine Kalibrierkurve, die sich aus der anliegenden elektrischen Spannung ergebende Stromdichte in Abhängigkeit von der Gasfreisetzungsrate und dem aktuellen Beladungszustand der elektrochemischen Zelle beschreibt.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass mindestens eine der mehreren Kalibrierkurven neu ermittelt wird, wobei der Betrieb der elektrochemischen Zelle zur Ermittlung der mindestens einen Kalibrierkurve unterbrochen wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass anhand der Kalibierkurven und/oder der Veränderung der Kalibrierkurven über die Zeit ein Zustand, insbesondere ein Alterungszustand der elektrochemischen Zelle ermittelt wird.
10. Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren oder einzelne Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Zelle zur Gasabscheidung, insbesondere zur Kohlenstoffdioxidabscheidung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das zur Durchführung des Verfahrens oder einzelner Schritte des Verfahrens geeignet ist. Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung sind elektrochemische Systeme bzw. Anlagen zur Kohlenstoffdioxidabscheidung. Stand der Technik Elektrochemische Zellen, welche zur Gasabscheidung, insbesondere zur Kohlenstoffdioxidabscheidung, genutzt werden, weisen in der Regel zwei Elektroden auf, welche elektrisch verschaltet und durch einen Separator getrennt sind. Sowohl der Separator als auch die Elektroden sind üblicherweise mit einem Elektrolyten getränkt bzw. von einem Elektrolyten umgeben, welcher den Ladungsausgleich innerhalb der elektrochemischen Zelle sicherstellt. An einer kathodenseitigen ersten Elektrode wird das abzuscheidende Gas, beispielsweise Kohlenstoffdioxid, aus einem Gasstrom durch einen elektrochemischen Prozess abgeschieden und gebunden. Die Gasabscheidung wird in der Regel durch eine Änderung der elektrischen Spannung initiiert. Der Abscheidungsprozess ist reversibel, das heißt, dass ein Entfernen oder Umpolen der Spannung eine kontrollierte Freisetzung des zuvor abgeschiedenen und gebundenen Gases bewirkt. Eine anodenseitige zweite Elektrode fungiert bei diesem Prozess als Elektronendonor und stellt die für die Abscheidungsreaktion notwendigen Elektronen zur Verfügung. Der das abzuscheidende Gas enthaltene Gasstrom stammt üblicherweise aus Verbrennungsprozessen oder anderen Produktionsprozessen, bei denen Gasgemische als Abgas entstehen. Häufig sind diese Gasgemische kohlenstoffdioxidhaltig. In elektrochemischen Zellen ist die elektrische Spannung mit der elektrischen Stromdichte gekoppelt. Das heißt, dass sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine korrespondierende Stromdichte bzw. bei Anlegen einer elektrischen Stromdichte eine korrespondierende Spannung an der elektrochemischen Zelle einstellt. Die Abhängigkeit zwischen elektrischer Spannung und der Stromdichte wird dabei typischerweise als Spannungs-Stromdichte-Kurve ausgedrückt. Typischerweise wird die anliegende elektrische Spannung variiert, um die elektrische Stromdichte einzustellen. Die anliegende elektrische Spannung und die sich daraus ergebende Stromdichte (bzw. umgekehrt) haben einen erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad und die Dauer der Gasabscheidung und damit auf den Energieverbrauch der elektrochemischen Zelle. In der Praxis wird oft eine Differenz zwischen der theoretischen Spannung und der tatsächlich benötigten Spannung bei der Gasabscheidung mittels elektrochemischer Zellen beobachtet. Diese sogenannten Überspannungen beruhen auf diversen Energieverlusten innerhalb der elektrochemischen Zellen. Die Energieverluste können beispielsweise durch den Widerstand des Elektrolyten oder durch die Aktivierungsenergie der elektrochemischen Reaktion verursacht werden. Sie erhöhen kumulativ die zur Erzeugung einer definierten Stromdichte benötigte elektrische Spannung. Die Größe der jeweiligen Überspannungen ist nicht konstant, sondern abhängig von der jeweiligen Zelle und dem Wert der anliegenden elektrischen Spannung bzw. Stromdichte. Aufgrund dessen ergibt sich eine nicht lineare und daher komplexe Abhängigkeit zwischen der elektrischen Spannung und der sich daraus ergebenden elektrischen Stromdichte. Zusätzlich ist die Spannungs-Stromdichte-Kurve von weiterten Betriebsparametern, wie beispielsweise dem Beladungszustand der elektrochemischen Zelle, der Konzentration des abzuscheidenden Gases im Gasstrom oder dem Alterungszustand der Zelle abhängig. Eine Vorhersage der Korrelation aus elektrischer Spannung und Stromdichte wird dadurch erschwert. Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, den Gasabscheidevorgang zu optimieren, insbesondere im Hinblick auf den Energieverbrauch, der Vermeidung von Überspannungen und/oder der Erhöhung der Effizienz. Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Des Weiteren wird ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens oder von einzelnen Schritten des Verfahrens angegeben. Offenbarung der Erfindung Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Zelle zur Gasabscheidung. Bei dem Verfahren wird während eines Gasabscheidungsvorgangs der elektrochemischen Zelle ein das abzuscheidende Gas enthaltendes Gasgemisch zugeführt und an die elektrochemische Zelle eine elektrische Spannung angelegt. Während eines Gasfreisetzungsvorgangs der elektrochemischen Zelle wird das abgeschiedene Gas durch Änderung der elektrischen Spannung wieder freigesetzt. Erfindungsgemäß wird bzw. werden zu Beginn eines Gasabscheidungsvorgangs die für die Gasabscheidung benötigte elektrische Ladungsmenge berechnet wird und zur Optimierung des Gasabschei