DE102011053142B4

DE102011053142B4 - Elektrolyseur und Elektrolyseur-Anordnung

Info

Publication number: DE102011053142B4
Application number: DE102011053142.4A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Löffler Joachim; Dr.-Ing. Schicke Rolf
Original assignee: Kumatec Sondermaschb & Kunststoffverarbeitung GmbH; Kumatec Sondermaschinenbau & Kunststoffverarbeitung GmbH
Current assignee: Avx/kumatec Hydrogen & Co Kg De GmbH
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2031-09-01
Also published as: DE102011053142A1

Abstract

Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus der elektrochemischen Zersetzung von Wasser mit einem Gehäuse (1) mit stehend angeordneten, an die Pole einer Gleichstromversorgungsquelle anschließbaren Elektroden (2, 3), die durch mindestens ein Diaphragma (4) voneinander getrennt sind, wobei der durch das mindestens eine Diaphragma (4) und die anstoßenden Wände des Gehäuses (1) abgegrenzte Raum jeweils eine Elektrolysehalbzelle (5, 6) bildet und oberhalb der Elektrolysehalbzellen (5, 6) jeweils eine Gasabscheidekammer (7, 8) zur Abtrennung des Sauerstoffes (O2) oder des Wasserstoffes (H2) von einem mit Elektrolyt versetzten Gasflüssigkeitsgemisch vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, – dass oberhalb jeder Gasabscheidekammer (7, 8) in dem Gehäuse (1) mindestens je eine weitere, durch Trennwände (39) und die Wände (1a, 1b, 1c) des Gehäuses (1) gebildete Kammer (9, 10) mit einem Demister (11) zur zusätzlichen Reinigung des Wasser- (H2) oder Sauerstoffes (O2) vorgesehen ist, die vertikal von dem jeweiligen Gasflüssigkeitsgemisch anströmbar ist, wobei als Demister (11) Nickelfasern oder Nickeldrähte oder andere Katalysatorträger in Form von keramischen Fasern oder porösen keramischen Körpern mit aufgebrachten Katalysatoren, in die Kammern (9, 10) eingebracht sind, – dass alle Gasabscheidekammern (7, 8) und die weiteren Kammern (9, 10) in vertikaler Anordnung durch horizontale Trennwände (13, 14) mit Durchtrittsöffnungen (15, 16) mindestens für das Gasflüssigkeitsgemisch und für die Abtropfflüssigkeit hierfür vorgesehen sind und die Trennwände (13, 14) in horizontaler Richtung gas- und wasserdicht mit der Wand (1, 1a, 1b) des Gehäuses (1) verbunden sind und zusammengefügt eine Einheit bilden, wobei – obenseitig in einem Deckel (17) Abgänge (18, 19) für den gereinigten gasförmigen Wasserstoff (H2) und den Sauerstoff (O2), untenseitig in der Bodenwand (20) der Elektrolysehalbzellen (5, 6) Zuführöffnungen (21, 22) und Ableitungen für das Wasser und die Elektrolyte vorgesehen sind, und – dass in den Abscheidekammern (7, 8) mindestens je eine Rohrleitung (23) mündet, die mindestens bis in das Gemisch aus Wasser und Elektrolyt in den Elektrolysehalbzellen (5, 6) für die Rückführung der Abtropfflüssigkeit reicht, ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus der elektrochemischen Zersetzung von Wasser mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Ein Elektrolyseur der gattungsgemäßen Art, auch Elektrolysegerät genannt, ist aus der DE 20 2007 005 963 U1 bekannt. In dem Elektrolyseur werden unter Verwendung eines Elektrolyten unter Aufschaltung eines Gleichstroms die Gase Wasser- und Sauerstoff aus Wasser erzeugt. Das Gerät umfasst ein elektrolytisches Bad, das als abgeschlossener Aufnahmeraum ausgeführt ist und einen Ausgang sowie einen Eingang zur Zuführung des Elektrolyten und Wassers, sowie zwei Ausgänge für die beiden erzeugten Gase Wasserstoff bzw. Sauerstoff. Ferner ist eine Vorrichtung vorgesehen, an deren Außenschicht eine erste Elektrodenplatte angeordnet ist, die durch Sintermetallurgie hohlförmig hergestellt ist und eine erste Elektrode bildet. In dieser ersten hülsenförmigen Elektrode ist eine zweite runde Elektrodenplatte angeordnet, die ebenfalls durch Sintermetallurgie hergestellt ist. Zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenplatte ist ein Isolierkörper angeordnet, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Das umgebende Gehäuse ist zylinderförmig ausgebildet. Der Isolierkörper ist aus atmungsaktivem Melamin hergestellt und bildet das notwendige Diaphragma. Die Elektrodenplatten können auch aus Eisen- und Nickellegierungen hergestellt sein. Die zweite Elektrodenplatte kann auch aus rostfreiem Stahl, sogenannten Edelstahl, durch Sintermetallurgie unter Beigabe von Platin oder Palladium hergestellt sein. Über einen obenseitig vorgesehenen Auslass wird das Wasser-/Sauerstoffgemisch abgeleitet und einem über eine Anschlussleitung angeschlossenen Separator zugeführt, über den das Gas von dem Elektrolyt getrennt wird.
Aus der DE 10 2009 025 887 B3 ist ein Elektrolysegerät zum Erzeugen eines oder mehrerer Gase aus Wasser zur Förderung der Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsraum bekannt, welchem ein mit dem Gas angereicherter Brennstoff zuführbar ist. Das Elektrolysegerät weist ein Gehäuse mit stehend angeordneten Elektroden, einem Einlass für den Elektrolyten und/oder für das Wasser, einen Auslass für das durch Elektrolyse gewonnene Gas und einen oberhalb der Elektrodenanordnung vorgesehenen Schaumraum und eine angeschlossene Filteranordnung zum Verhindern des Durchtritts des bei der Elektrolyse entstehenden Schaums und/oder Elektrolytrückstände auf. Damit die Elektrolytflüssigkeit nicht in den Motor gelangen kann, ist in dem Auslass eine Filteranordnung angeordnet, die eine Membranfunktion aufweist, die das durch die Elektrolyse erzeugte Gas hindurchtreten lässt, Feuchtigkeit und Schaum jedoch zurückhält, wobei der Auslass unmittelbar in dem Schaumraum mündet.
US 2005/0006228 A1 offenbart eine Elektrolyseeinrichtung für brownsches Gas, wobei die Elektrolyseeinrichtung aus einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Elektrodenplatten und einer darüber angeordneten Wasserspritzschutzschicht sowie einem darüber angeordneten Demister aufgebaut ist. Der Demister dient zur Kühlung des erzeugten brownschen Gases, wobei die in dem brownschen Gas enthaltene Feuchtigkeit herausgefiltert und zurückgeführt werden kann und dem Demister das gesamte brownsche Gas zugeführt wird.
US 2,494,264 A offenbart einen Elektrolyseur, wobei dieser spiralförmige positive und negative Elektroden und zwischen Elektroden angeordnete Diaphragmen aufweist.
Es ist ferner bekannt, für die elektrochemische Wasserelektrolyse die Elektrolyseure modular aufzubauen. Dies kann in einem Gehäuse durch Parallelanordnung von plattenförmigen Kathoden und Anoden unter Zwischenfügen von Diaphragmen geschehen oder aber auch durch Ineinanderschachteln von hülsenförmigen Elektroden, wobei jeweils eine Elektrode eine Kathode und die andere eine Anode ist und beide über ein Diaphragma getrennt sind.
Zur Erhöhung der Effizienz solcher Elektrolyseure ist es bekannt, den Druck in dem Elektrolyseur zu erhöhen. Dabei können Betriebsdrücke von 15 bar bis > 200 bar erreicht werden, was voraussetzt, dass das Gehäuse druckfest ausgeführt ist. Um auch beim Anlauf des Elektrolyseprozesses eine Effizienzsteigerung zu erreichen, ist es ferner bekannt, den Elektrolyten vorzuheizen. Es ist ferner bekannt, unterschiedliche Diaphragmen einzusetzen. Es können z. B. NiO- oder ZrO₂-Diaphragmen zum Einsatz kommen.
Ausgehend vom dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Elektrolyseur so auszubilden, dass er zusammen mit den nachgeschalteten Reinigungsstufen für das Gas eine geschlossene Einheit bildet, die ein definiertes Gasmengenvolumen zu erzeugen vermag, und mit parallel angeordneten Elektrolyseuren gleicher Bauart auf einfache Weise verbindbar ist, wobei der Wasserstoff und der Sauerstoff mit einem hohen Reinheitsgrad erzeugt werden soll und durch den Aufbau eine Explosionsgefahr ausgeschlossen ist.
Die Aufgabe löst die Erfindung durch Aufbau des Elektrolyseurs gemäß der im Anspruch 1 angegebenen technischen Lehre, wonach oberhalb jeder Gasabscheidekammer in dem Gehäuse mindestens je eine weitere, durch Trennwände und den Wänden des Gehäuses gebildete Kammer mit einem Demister zur zusätzlichen Abtrennung von Elektrolyt in Form von kleinen Tröpfchen von den erzeugten Gasen Wasser- (H₂) und Sauerstoff (O₂) vorgesehen ist, die vertikal von dem jeweiligen Gasflüssigkeitsgemisch anströmbar ist, alle Gasabscheidekammern und die weiteren Kammern in vertikaler Anordnung durch horizontale Trennwände mit Durchtrittsöffnungen mindestens für das Gasflüssigkeitsgemisch und für die Abtropfflüssigkeit hierfür vorgesehen sind und die Trennwände in horizontaler Richtung gas- und wasserdicht mit der Wand des Gehäuses verbunden sind und zusammengefügt eine Einheit bilden, wobei obenseitig in einem Deckel Abgänge für den trockeneren gasförmigen Wasserstoff (H₂) und den Sauerstoff (O₂) untenseitig in der Bodenwand der Elektrolysehalbzellen Zuführöffnungen und Ableitungen für die Elektrolyseflüssigkeit vorgesehen sind, und in den Abscheidekammern mindestens je eine Rohrleitung mündet, die mindestens bis in die Elektrolyseflüssigkeit in den Elektrolysehalbzellen für die Rückführung der Abtropfflüssigkeit reicht.
Erfindungsgemäß ist also bei der an sich bekannten Abscheidekammer, bei der das Gasflüssigkeitsgemisch über ein gebogenes Rohr auf schräge Leitbleche trifft, auf denen die Flüssigkeitstropfen ablaufen, während das Gas nach oben steigt, zusätzlich je eine Kammer mit einem Demister nachgeschaltet, also aufgesetzt angeordnet, wobei das Gas, das vermindert immer noch mit Elektrolyt mindestens in Dampfform behaftet ist, gereinigt wird. Diese zusätzlichen Kammern sind oberhalb der Gasabscheidekammern angeordnet und über Durchbrüche in den Trennwänden hiermit verbunden. Durch die Anordnung der Elektroden wird automatisch in einer Abscheidekammer Sauerstoff und in der zugehörigen anderen Kammer Wasserstoff abgeschieden. Die entsprechenden, das gleiche Gas führenden Kammern, können also unmittelbar miteinander baulich vereint sein. Ebenso können die Volumina der Kammern unterschiedlich groß sein, um den gewünschten Reinigungseffekt, nämlich die Abtrennung der Flüssigkeitsmoleküle, zu erreichen.
Um den Rest an Elektrolyttröpfchen abtropfen lassen zu können, hat sich ein Demister aus Nickelfasern in gewebter oder lose gebündelter Struktur als besonders vorteilhaft erwiesen. Andere Demister können aber auch zur Anwendung kommen, wie beispielsweise Kunststofffasern mit oder ohne katalytischer oder metallisierter Oberfläche. Dem Demister kommt also zum einen eine Trocknungsfunktion und zum anderen eine Reinigungsfunktion zu, so dass die nach oben entweichenden, getrennten Gase, nämlich Sauerstoff und Wasserstoff, über Ableitungen aus den Kammern abgeleitet werden können und als gereinigte Gase zur Verfügung stehen.
Es ist weiter vorgesehen, dass der Reinigungsstufe im Elektrolyseur jeweils eine zusätzliche Nachreinigungsstufe, also jeweils mindestens eine weitere Kammer, hinzugefügt ist, die jeweils darüber liegend angeordnet ist und durch eine Trennwand mit Durchbrüchen von den jeweils darunter angeordneten Kammern abgesetzt ist. Die eingebrachten Demister bewirken eine zusätzliche Reinigung. Diese zusätzlichen Kammern sind vorgesehen, wenn eine einzige Nachreinigung nicht ausreichend ist, um in gewünschter Weise H₂ und O₂ in gereinigter Form zu erhalten.
Der so erzeugte Wasserstoff kann beispielsweise verdichtet oder in flüssiger Form gespeichert werden und in kleineren Tanks in Kraftfahrzeugen für die Speisung einer Brennstoffzelle verwendet werden, um damit den Elektroantrieb eines Kraftfahrzeuges zu ermöglichen; alternativ kann der Wasserstoff auch für einen gasmotorischen Antrieb genutzt werden.
Der Sauerstoff kann in mannigfaltiger Weise ebenfalls industriell oder für Gesundheitszwecke unverdichtet oder verdichtet oder verflüssigt verwendet werden.
Um die ausreichenden Mengen bereitzustellen, ist es nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass parallel eine Vielzahl von Elektrolyseuren nach der Erfindung zu einem Gebinde zusammengefasst werden, das beispielsweise auf einer Palette angeordnet sein kann und über gemeinsame Zuleitungen mit Wasser und Elektrolyt speisbar ist und über gemeinsamen Wasserstoff- und Sauerstoffableitungen mit den nachgeschalteten Verarbeitungsstufen verbindbar ist. Die einzelnen Elektrolyseure können dabei als Hochdruck-Elektrolyseure etwa 1 m lang sein und weisen ein Gehäuse auf, das druckfest ausgelegt ist. Ein 1-KW-Elektrolyseur weist beispielsweise eine Hohe von ca. 1 m bei einem Außendurchmesser von maximal 100 mm bei einer zylinderförmigen Anordnung der Elektroden und des Diaphragmas auf. Eine solche Anordnung lässt sich leicht herstellen, indem nämlich ein Rohr verwendet wird und die einzelnen Kammern übereinander durch Trennelemente darin eingebaut und gegeneinander abgedichtet werden. Solche Elektrolyseure lassen sich preiswert herstellen.
Anstelle der bekannten Ableitbleche in dem Gasabscheider können selbstverständlich auch bekannte Wendelstrukturen von Blechen zur Anwendung kommen. Sowohl im Gasabscheideraum als auch in den Reinigungskammern abgeschiedene Flüssigkeit, beispielsweise eine Kalium-Hydroxid-Lösung, kann dem Bad unmittelbar wieder zugeführt werden. Hierzu muss eine entsprechende Durchgangsöffnung oder ein Rohr zwischen Abscheidekammer und den Elektrolythalbzellen installiert sein, über die Flüssigkeit dem Elektrolytbad zugeführt wird.
Der zusätzlichen Nachreinigungsstufe kann selbstverständlich noch eine weitere aufgesetzt werden, die entweder baugleich mit den vorherigen Kammern ausgeführt ist oder andere Volumina und Formen in den einzelnen Kammern aufweist. Sie kann auch mit einem Demister versehen sein und/oder zusätzlich mit einem Katalysator. Anstelle einer weiteren aufgesetzten Kammer kann selbstverständlich auch die mindestens eine nach der Erfindung vorgesehene Kammer eine entsprechende Höhe oder ein entsprechendes Volumen aufweisen, so dass darin ein voluminöser Demister eingesetzt werden kann oder auch ein Demister und zusätzlich Material mit katalytischer Wirkung, um eine Gasreinigung hierüber zu bewirken und nicht nur eine Abtrennung des Wassergehaltes.
Wenn das jeweilige Gas, nämlich Sauerstoff oder Wasserstoff, mit dem jeweils anderen Gas belastet ist, kann sich Knallgas bilden, was zu einer Explosion führen könnte. Das Diaphragma ist gewöhnlich nicht hundertprozentig dicht, so dass über das Diaphragma im Wasserstoff Sauerstoff enthalten sein kann und umgekehrt. Um die untere Explosionsgrenze, die bei ca. 4% liegt, d. h., dass der Sauerstoffgehalt im Wasserstoff nicht höher als ca. 4% sein darf, einzuhalten, sind die Reinigungsstufen vorgesehen und können einen oder mehrere Katalysatoren enthalten, die eine Umsetzung der jeweiligen geringfügigen Fremdgasanteile bewirken, die dann ausgeschwemmt werden. Die erzeugten Gase, Wasserstoff und Sauerstoff, weisen dann hohe Reinheitsgrade auf.
Bei der Elektrolyse ist in der Regel auch das Problem gegeben, dass über die Höhe einer Elektrodenanordnung durch den Verbrauch der Elektrolyseflüssigkeit bzw. dessen Anbindung an das erzeugte Gas ein Mischgefälle von unten nach oben gegeben ist. Pumpen können zwar zu einer gleichmäßigen Verteilung des Elektrolyten, einem Gemisch aus dissoziiertem KOH und Wasser, beitragen und auch die Beimengung der durch den Abscheider zurückgeführten Flüssigkeit optimieren, sind aber aufwändig und möglichst zu vermeiden. Eine Durchmischung des Elektrolyten durch natürliche Konvektion hat sich als vorteilhaft erwiesen. Ferner können die Elektroden in der Höhe geringer ausgeführt sein als das Diaphragma, das die Zonenunterteilung bewirkt, wodurch die natürliche Mischung überraschenderweise gefährdet wird.
Durch die mit der Zellreaktion verbundenen Stofftransportprozesse durch das Diaphragma kann es in den getrennten Anoden- und Kathodenkreisläufen zu einer Verarmung an einer Ionensorte, beispielsweise Hydroxidionen, auf der einen Seite und zur Anreicherung auf der anderen Seite kommen, da der Transport physikalisch im Elektrolyten gelöster Gase durch das Diaphragma sich grundsätzlich nicht verhindern lässt, wenn man einen guten Ionentransport sicherstellen will. Dies ist z. B. durch die Verwendung eines porösen Trennmediums/Diaphragmas zwangsläufig beim Transport von Flüssigkeit/Elektrolyt durch Diaphragma gegeben. Eine solche Vermischung hat darüber hinaus den Nachteil, dass dann, wenn der Elektrolyseur abgeschaltet wird, praktisch alle Elektrolytzellen mit Stickstoff inertisiert werden müssen, was zu einem Wirkungsgradverlust durch die unterschiedliche Anreicherung in den beiden Kammern führt. Dieses gleicht nun die Anordnung mit dem überstehenden Diaphragma aus. Über die unmittelbare Zugänglichkeit der großen Flächen des Diaphragmas, das aus Keramik bestehen kann, können sich die angereicherten Ionen (OH-) in den beiden Kammern/Halbzellen der Anordnung austauschen. Die überstehende Fläche des Diaphragmas dient also zum Konzentrationsausgleich der Ionen.
Um einen Ausgleich zwischen den beiden Seiten einer Elektrode steuern zu können, ist in anderer oder ergänzender Ausgestaltung ein Sperrschieber in Form eines Lochbleches vorgesehen. Über die (geöffneten) Löcher wird der normale Betriebszustand (Diaphragma geöffnet) hergestellt und bei Abschaltung der Stromzufuhr durch Schließen der Löcher die Durchmischung von Anolyt und Katholyt verhindert, da diese in gewissen Mengen die Gase H₂ und O₂ in physikalisch gelöster Form enthalten und es ohne Sperre zu einem Durchtritt der gelösten Gase zwischen Anoden- und Kathodenraum kommen kann. Über ein solches Lochblech lässt sich mittels eines anliegenden relativ verschiebbaren oder verdrehbaren Sperrschieber mit gleicher Lochung eine Oberflächenanpassung vornehmen, so dass bedarfsweise eine große Durchlassfläche gegeben ist und im anderen Fall eine Sperre. Auch hierüber lässt sich praktisch die Trennung einstellen. Beispielsweise kann ein dünnes Stahlblech mit Löchern auch als Sperrschieber benutzt werden. Die Einstellung, also die gegenseitige relative Verschiebung oder Verdrehung des Sperrschiebers, lässt sich in vorteilhafter Weise über Piezo-Kristalle elektrisch steuern, die den beweglichen Sperrschieber gegenüber dem unbeweglichen Teil verschieben. Hierüber kann der Durchtritt von Elektrolyt zwischen Anoden- und Kathodenraum mit gebildetem Gas gänzlich vermieden werden.
Eine Steuerung ist grundsätzlich erforderlich, da im Betriebsfall die Schieber auf „offen” stehen müssen und lediglich bei Abschaltung auf „geschlossen”; weitere Regelungen sind hier überflüssig. Eine Steuerung kann jedoch auch über Sensoren erfolgen, die den Anteil des Fremdgases, also beispielsweise des Sauerstoffs im Wasserstoff misst und davon abhängig die Aktuatoren, z. B. die Piezokristalle, steuern. Des Weiteren ist festgestellt worden, dass der Elektrolyseur bei der elektrochemischen Zersetzung von Wasser Wärme erzeugt. In der Anfahrphase reicht diese Wärme aber zur optimalen Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff nicht aus. Es ist deshalb in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, eine Zusatzheizung an der Elektrode anzubringen, beispielsweise eine Folienheizung mit Durchlöcherung. Diese Heizung bewirkt während der Anfahrphase eine Aufwärmung der Elektrode, so dass eine optimale Temperatur gegeben ist. Eine solche Heizung mit Löchern kann in Verbindung mit einem zuvor beschriebenen Sperrschieber ebenfalls angeordnet sein, so dass auch hierüber zusätzlich die aktive Fläche der Elektrode, und damit des Diaphragmas, steuerbar ist. Die Anbringung dieser Mittel ist sowohl einseitig als auch beidseitig an den Elektroden möglich. Dies hängt von der Bauart ab. Bei runden Elektroden versteht es sich von selbst, dass hier durch Drehung eines Sperrschiebers gegenüber dem Lochblech der gleiche Effekt erzielt werden kann bzw. ein Sperrschieber in Form eines Lochbleches gegenüber einer auf der Elektrode aufgebrachten Heizung verdreht werden kann. Die Löcher sind zum einen dabei kongruent angeordnet und zum anderen werden sie durch die Zwischenrippen jeweils verdeckt bzw. teilverdeckt oder sind durchgängig angeordnet. Die Heizfolie muss alkali- und temperaturbeständig sein. Es kann aber auch eine zusätzliche Isolierungsfolie zwischengefügt sein, die allerdings eine Membranfunktion aufweisen muss. Über die angegebenen Mittel lässt sich auch der Druck innerhalb des Elektrolyseurs regeln, so dass bei gleichzeitiger optimaler Temperatureinstellung und Druckeinstellung eine hohe Effizienz gegeben ist.
Grundsätzlich können die Elektroden parallele Plattenelektroden oder röhrenförmige Elektroden sein. Sie können aber auch ovale Verlegungsformen aufweisen. Die Anschlüsse an die die Kathode bildende Elektrode und die die Anode bildende Elektrode werden von außen in die Elektrolysekammer geführt und werden mit den Elektroden verbunden.
Um die Trennung des Flüssigkeitsgemisches von den erzeugten Gasen weiterhin zu verbessern, können in den Durchgängen von den Kammern Filteranordnungen mit einer Membranfunktion vorgesehen sein, beispielsweise aus einem Feinsieb bestehend, das mit einem Silikonelastomer versehen ist, wie es aus der DE 10 2009 025 887 B3 bekannt ist. Hierdurch wird verhindert, dass schädliche Flüssigkeitsanteile nach außen mittransportiert werden können und es ist ein noch höherer Reinheitsgrad des Wasserstoffs und Sauerstoffs gegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele ergänzend erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 den prinzipiellen Aufbau eines Elektrolyseurs mit einem Aufbau nach der Erfindung,
2 einen unteren Teilbereich des Elektrolyseurs mit in der Bodenwand eingesetzten Rohrverbindungsleitungen,
3 eine durch eine metallische Beschichtung eines porösen Grundkörpers erzeugte Elektrodenanordnung,
4 eine Elektrodenanordnung mit Isolierschichten und Heizelement,
5 eine Elektroden-Plattenanordnung mit Isolierschicht und Heizelement,
6 eine zylinderförmige Elektrodenanordnung mit Isolierschicht und Heizelement,
7 eine Anordnung aus ineinandergesteckten hülsenförmigen Elektroden mit außenseitig aufgebrachtem Sperrschieber,
8 eine plattenförmige Elektrodenanordnung mit einem Sperrschieber,
9 ein Gebinde aus einer Vielzahl von Elektrolyseuren nach der Erfindung in der Vorderansicht,
10 das Gebinde nach 9 in der Seitenansicht,
11 das Gebinde gemäß den 9 und 10 in der Draufsicht und
12 die elektrische Verbindung der Elektroden der sowie die Anschlussleitungen auf der Unterseite.
In den Zeichnungen sind schematisch verschiedene Ausführungsformen eines Elektrolyseurs nach der Erfindung dargestellt.
1 zeigt einen Elektrolyseur in einem schematischen Längsschnitt, der aus einem druckfesten Gehäuse 1, 1a, 1b, 1c besteht, das aus einzelnen Teilen insgesamt zusammengesetzt und z. B. mittels Schrauben verschraubt ist. Das Gehäuse kann aber auch aus einem durchgehenden Rohr bestehen, das obenseitig von einem Deckel 17 und untenseitig von einer Bodenwand 20 verschlossen ist. Der Verschluss und die Wandstärken müssen druckfest ausgeführt werden, da, je nach Ausführungsform, Arbeitsdrücke in den Innenräumen von 15 bar bis 200 bar gefahren werden können. Das Gehäuse 1, 1a, 1b, 1c sollte also aus einem Stahlrohr bestehen, das Wandstärken zwischen 5 mm und 10 mm bei einem Gesamtdurchmesser von ca. 100 mm aufweist. Der Elektrolyseur unterteilt sich in vier Bereiche. In dem unteren Bereich befinden sich Elektrolysehalbzellen 5, 6. Diese werden durch zwei zylinderförmige, konzentrisch ineinander gestellte Elektroden gebildet, wobei die innere Elektrode 2 die Anode und die äußere Elektrode 3 die Kathode ist.
Beide Elektroden 2 und 3 sind durch ein Diaphragma 4 voneinander getrennt. Als Diaphragma 4 kann beispielsweise ein NiO-Diaphragma oder Zirkondioxid-Diaphragma eingesetzt werden. An die Anode wird eine positive Spannung einer Gleichspannungsquelle angelegt und an die Kathode der negative Pol der Spannungsquelle. Die Leistungsaufnahme richtet sich grundsätzlich nach der Bauart und Größe und ist auch abhängig von dem Betriebsdruck und der Temperatur, die gefahren wird. Das Diaphragma ist abgedichtet in oder an der oberen Trennwand 27 und in oder an der Bodenwand 20 befestigt, es sollte bis zur ersten Trennwand, der oberen Abdeckung des Elektrolytraums 13, reichen. Ebenso sind die Elektroden 2 und 3 fixiert, so dass ein zylinderförmiger Innenraum gegeben ist und ein äußerer, sich an der Kathode anschließender und bis zum röhrenförmigen Gehäuse 1 verlaufender Raum. Diese Räume sind die Elektrolysehalbzellen 5, 6. Durch die Trennung wird erreicht, dass in der einen Halbzelle Sauerstoff entsteht und in der anderen Halbzelle Wasserstoff (H₂), was aus 1 ersichtlich ist. Dazu wird über die Zuführöffnung 21 neben den alkalischen Elektrolyten, einer KOH-Lösung, Wasser entsprechend dem Verbrauch eingeleitet. Über die zentrische Zuführöffnung 22 wird diese Mischung zugeführt. Die Zuleitungen sind nicht dargestellt. Die Anode kann beispielsweise eine Ni/Co/Fe-aktivierte und die Kathode eine Ni/Co/Pt-aktivierte Elektrode sein. Durch Anschließen der Elektroden an eine nicht dargestellte Gleichstromversorgungsquelle wird der elektrochemische Zersetzungsprozess des Wassers ausgelöst.
Der erzeugte Wasserstoff H₂ bzw. der gelöste Sauerstoff O₂ nehmen beim Aufsteigen Flüssigkeitspartikel mit. Dieses Gasflüssigkeitsgemisch tritt durch die in der Trennwand 13 vorgesehenen Durchtrittsöffnungen 15 und 16 hindurch. Die Gasabscheidekammern 7, 8 sind im Übrigen seitlich begrenzt durch eine innere ringförmige Trennwand 38, die oberhalb des Diaphragmas 4 verlaufend angebracht ist, ferner durch die Gehäusewand 1a. Mit den Durchtrittsöffnungen 15, 16 sind U-förmig abgebogene Rohre verbunden, die in einer Gasabscheidekammer 7 und 8 verlaufen und oberhalb von Ableitblechen 36, 37 münden, die das Gas nach oben strömen und die Flüssigkeit abtropfen lassen. Diese Flüssigkeit wird über Rohrleitungen 23 wieder der jeweiligen Elektrolysehalbzelle 5, 6 zugeführt. Die Rohrleitungen 23 enden im Bereich der Bodenwand 20, so dass durch eine natürliche Umwälzung die Flüssigkeit in die Elektrolysehalbzellen 5, 6 wieder eintritt.
Erfindungswesentlich ist nun, dass oberhalb dieser Gasabscheidekammern 7 und 8 weitere Kammern 9 und 10 angeordnet sind, die wiederum durch Trennwände 14 in vertikaler Richtung begrenzt sind. In diesen Trennwänden sind ebenfalls Durchbrüche 15, 16 eingearbeitet, so dass das Gasflüssigkeitsgemisch nach oben steigen kann. Die Kammern 9, 10 sind ebenfalls durch eine innere ringförmige Trennwand 39 in horizontaler Erstreckung sowie durch die äußere Gehäusewand 1b begrenzt. In die Kammern 9, 10 ist zur Tropfenabscheidung ein Demister 11 eingesetzt, beispielsweise ein Nickelgewebe. Dieses reinigt den Wasser- und den Sauerstoff und lässt die noch vorhandenen Flüssigkeitsanteile abtropfen, die durch die Durchbrüche 15, 16 in die Gasabscheidekammern 7, 8 hineintropfen.
Damit dem Wasser- und Sauerstoffgas noch vorhandene Flüssigkeitsanteile entzogen werden können, sind weitere Nachreinigungskammern oberhalb der Trennwand 27 angeordnet, die durch eine innere rohrförmige Trennwand 40 einerseits und der Gehäusewand 1c andererseits und dem Deckel 17 gebildet werden. Auch in diesen Kammern ist ein Demister 11 eingesetzt, vorzugsweise ein katalytischer Demister, der zumindest aus dem Wasserstoff den noch verbleibenden Sauerstoffanteil reduziert, so dass über den Abgang 18 Wasserstoff mit höherem Reinheitsgrad entnehmbar ist, ebenso Sauerstoff, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist. Da die Kammer 24 ringförmig verläuft, ist nur ein einziger Auslass für den Wasserstoff notwendig. Die zentrische Kammer 25 wird von dem Sauerstoff durchströmt.
2 zeigt einen anderen Aufbau der Elektrolysehalbzellen 5, 6, der die Rückführung der Flüssigkeit durch Abscheidung aus der gasgetrennten KOH-Lösung, der alkalischen Elektrolyselösung, begünstigt. Abweichend vom Ausführungsbeispiel in 1 sind hier die konzentrisch durch ein Diaphragma 4 getrennten Elektrolysehalbzellen 5, 6 durch eine innere Diaphragma-Hülse 4 ringförmig ausgebildet. Eine weitere ringförmige Kammer 41 ist außenseitig zur Wand des Gehäuses 1 gegeben. In den zusätzlichen Kammern befindet sich eine KOH-Lösung. Des Weiteren weisen die Gasabscheidekammern 7, 8 ebenso solche Rückführungskammern 41 auf, in denen die abgebogenen Enden der Rohre 35 münden. Die Rohre 35 sind in der Trennwand 14 eingebettet. Zusätzlich zu den Durchtrittsöffnungen 15, 16, an denen die Rohre 35 angeschlossen sind, sind in diesem Ausführungsbeispiel Durchbrüche 43 zur Rückführung des abgeschiedenen Elektrolyten eingebracht. Die Kammern des Gasabscheiders sind durch die ringförmigen Trennwände 42 definiert. Auch hier ist zwischen den Abschnitten eine Dichtung vorgesehen.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Elektroden auf ein poröses, ein Diaphragma 4 bildendes Grundmaterial durch Metallisierung aufgebracht sind. Auf der Innenseite sind die Anoden 2 aufgebracht und auf den Außenseiten die Kathoden 3. Die Elektroden sind durchlöchert, um den Zutritt von Elektrolyt zum Diaphragma zu ermöglichen. Hierdurch kann auch eine Verringerung der Verlustspannung der Kathode/Anode erreicht werden, zugleich ist eine bessere Gasdurchlässigkeit gegeben. Natürlich kann eine solche Elektrode auch aus einer gasdurchlässigen Lochblechelektrode, Streckblechelektrode oder aus einer anderen, z. B. aus Metallschaum gebildete Elektrode, realisiert werden. Die Kathode kann z. B. ein Ni-Blech+Carbonyl, die Anode ein Ni-Blech+Fe+Co sein Solche Ausbildungen sind bekannt, besitzen allerdings in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung fertigungstechnische Vorteile, da in Serienfertigung solche Elektroden-Diaphragmenanordnungen einfach hergestellt und eingesetzt werden können.
Das Ausführungsbeispiel in 4 zeigt einen Auszug aus der Elektrolytzellenanordnung mit einer ringförmigen Struktur der Elektroden 2 und 3, wobei die Anode 2 von der Kathode 3 durch ein zwischengefügtes ringförmiges Diaphragma 4 getrennt ist. Als Besonderheit ist hier vorgesehen, dass auf die mit Löchern durchsetzte Elektrode 3 eine Isolierschicht 32 mit Löchern aufgebracht ist und dass ein Flächenheizelement 33 hierauf aufgebracht ist, das konturengleiche Löcher aufweist. Außenseitig ist eine weitere Isolationsschicht 32 aufgebracht. Eine solche Anordnung befindet sich auch innenseitig, also an der Anode. Die Lochanordnung 31 stellt dabei sicher, dass die Elektrolyte bis an das Diaphragma gelangen können, um den elektrochemischen Prozess zu bewirken, die in den Elektrolysehalbzellen 5, 6 die durch die Zerlegung des Wassers freigesetzten Gase H₂ und O₂ nach oben befördern.
In 5 ist eine Abwandlung dargestellt. Hier sind die Elektroden 2 und 3, nämlich die Anode 2 und die Kathode 3, aus parallelen Platten gebildet. Zwischen diesen Platten sind Isolierschichten 32 mit Löchern vorgesehen, die ein Flächenheizelement 33 mit kongruenten Durchgangslöchern 34 einbettet. Seitlich an dieser Heizanordnung sind die Diaphragmen 4 vorgesehen, um die beiden Elektrolysehalbzellen 5 und 6 auf Abstand zu halten. Auch diese Anordnung ist von einem Gehäuse 1 umschlossen. Wenn gerade Platten zur Anwendung kommen, sollten die Gehäuse 1 eine rechteckige oder quadratische oder ovale Querschnittsform aufweisen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 6 dargestellt. Hier sind seitlich an einem zentralen Diaphragma 4 in Plattenform Anoden 2 und Kathoden 3 vorgesehen. Auf diesen sind mit Durchgangslöchern 34 versehene Isolierschichten 32 aufgebracht, die ein Flächenheizelement 33 einschließen. Dieses Flächenheizelement 33 wird fallweise an eine Stromquelle angeschlossen. Die Anode 2 und die Kathode 3 sind zur Erzeugung des Wasserstoffes H₂ und des Sauerstoffes O₂ ständig an die Gleichstromquelle angeschlossen.
In den 7 und 8 sind Beispiele von Elektroden 2 und 3, die durch ein Diaphragma getrennt sind, dargestellt, bei denen außenseitig oder parallel zu einer Platte Lochbleche 28 vorgesehen sind. Diese bestehen aus einem gelochten Mantel, über den verschiebbar ein gelochter Sperrschieber 30 angebracht ist, der in Pfeilrichtung verschiebbar ist. Dieser Sperrschieber 30 ist beweglich angeordnet und kann beispielsweise über piezoelektrische Aktuatoren verschoben werden, um die Lochanordnung 31 mit den Durchbrüchen 29 in dem Lochblech 28 in eine kongruente Lage oder in eine verschobene Lage zu verbringen, wodurch sich der wirksame Öffnungsquerschnitt vergrößert oder verkleinert.
In 8 ist ein Beispiel einer Plattenanordnung einer Elektrode in Verbindung mit einem Lochblech 28 und einem Sperrschieber 30 dargestellt, der die gleiche Wirkung entfaltet wie die Anordnung nach 7.
Die 9, 10 und 11 zeigen in der Vorderansicht, in der Seitenansicht und in der Draufsicht eine Anordnung aus einer Vielzahl von Elektrolyseuren, die nach der Erfindung aufgebaut und zu einem Gebinde 44 zusammengefasst sind. Das Gebinde 44 besteht insgesamt, wie aus 11 ersichtlich ist, aus 12 × 5 Elektrolyseuren, also 60 Stück, deren Abgänge entsprechend miteinander verbunden sind, um den generierten Wasserstoff H₂ und den generierten Sauerstoff O₂ abführen zu können, was aus 9 ersichtlich ist. Die Zuleitung des Wassers H₂O und des Elektrolyts (wässrige KOH) erfolgt über die bodenseitigen Zuleitungen. Die Anzahl der parallel angeordneten Elektrolyseure kann den Bedürfnissen angepasst werden.
12 zeigt das Anschlussschema der Anoden (+) und Kathoden (–) der einzelnen Elektrolysegeräte eines Gebindes 44 nach 9 bis 11 sowie angedeutet die Ableitungen für H₂ und O₂.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
1a: Gehäusewand
1b: Gehäusewand
1c: Gehäusewand
2: Elektrode/Anode
3: Elektrode/Kathode
4: Diaphragma
5: Elektrolysehalbzelle
6: Elektrolysehalbzelle
7: Gasabscheidekammer
8: Gasabscheidekammer
9: Kammer
10: Kammer
11: Demister
13: Trennwand
14: Trennwand
15: Durchtrittsöffnung
16: Durchtrittsöffnung
17: Deckel
18: Abgang
19: Abgang
20: Bodenwand
21: Zuführöffnung
22: Zuführöffnung
23: Rohrleitung
24: zweite Kammer
25: zweite Kammer
26: weiterer Demister
27: obere Trennwand
28: Lochblech
29: Durchbruch
30: Sperrschieber
31: Lochanordnung
32: Isolationsschicht
33: Flächenheizelement
34: Durchgangsloch
35: Rohre
36: Ableitblech
37: Ableitblech
38: Trennwand
39: innere Trennwand
40: innere Trennwand
41: Rückführungskammer
42: ringförmige Trennwände
43: Durchbruch
44: Gebinde

Claims

Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus der elektrochemischen Zersetzung von Wasser mit einem Gehäuse (1) mit stehend angeordneten, an die Pole einer Gleichstromversorgungsquelle anschließbaren Elektroden (2, 3), die durch mindestens ein Diaphragma (4) voneinander getrennt sind, wobei der durch das mindestens eine Diaphragma (4) und die anstoßenden Wände des Gehäuses (1) abgegrenzte Raum jeweils eine Elektrolysehalbzelle (5, 6) bildet und oberhalb der Elektrolysehalbzellen (5, 6) jeweils eine Gasabscheidekammer (7, 8) zur Abtrennung des Sauerstoffes (O₂) oder des Wasserstoffes (H₂) von einem mit Elektrolyt versetzten Gasflüssigkeitsgemisch vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, – dass oberhalb jeder Gasabscheidekammer (7, 8) in dem Gehäuse (1) mindestens je eine weitere, durch Trennwände (39) und die Wände (1a, 1b, 1c) des Gehäuses (1) gebildete Kammer (9, 10) mit einem Demister (11) zur zusätzlichen Reinigung des Wasser- (H₂) oder Sauerstoffes (O₂) vorgesehen ist, die vertikal von dem jeweiligen Gasflüssigkeitsgemisch anströmbar ist, wobei als Demister (11) Nickelfasern oder Nickeldrähte oder andere Katalysatorträger in Form von keramischen Fasern oder porösen keramischen Körpern mit aufgebrachten Katalysatoren, in die Kammern (9, 10) eingebracht sind, – dass alle Gasabscheidekammern (7, 8) und die weiteren Kammern (9, 10) in vertikaler Anordnung durch horizontale Trennwände (13, 14) mit Durchtrittsöffnungen (15, 16) mindestens für das Gasflüssigkeitsgemisch und für die Abtropfflüssigkeit hierfür vorgesehen sind und die Trennwände (13, 14) in horizontaler Richtung gas- und wasserdicht mit der Wand (1, 1a, 1b) des Gehäuses (1) verbunden sind und zusammengefügt eine Einheit bilden, wobei – obenseitig in einem Deckel (17) Abgänge (18, 19) für den gereinigten gasförmigen Wasserstoff (H₂) und den Sauerstoff (O₂), untenseitig in der Bodenwand (20) der Elektrolysehalbzellen (5, 6) Zuführöffnungen (21, 22) und Ableitungen für das Wasser und die Elektrolyte vorgesehen sind, und – dass in den Abscheidekammern (7, 8) mindestens je eine Rohrleitung (23) mündet, die mindestens bis in das Gemisch aus Wasser und Elektrolyt in den Elektrolysehalbzellen (5, 6) für die Rückführung der Abtropfflüssigkeit reicht, – dass oberhalb jeder weiteren Kammer (9, 10) mit einem Demister (11) zur zusätzlichen Reinigung des vertikal anströmenden Wasser- (H₂) oder Sauerstoffes (O₂) jeweils eine zweite Kammer (24, 25) mit einem weiteren Demister (26) und/oder einem Material mit katalytischer Wirkung angeordnet ist, die innerhalb des Gehäuses (1) eine Einheit bilden, wobei als Demister (26) in die zweiten Kammern (24, 25) Nickelfasern oder Nickeldrähte oder andere Katalysatorträger in Form von keramischen Fasern oder porösen keramischen Körpern mit aufgebrachten Katalysatoren, eingebracht sind.
Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untereinander angeordneten Kammern (5, 6; 7, 8; 9, 10; 24, 25) von einem hülsenförmigen Druckkörper mit Bodenwand und Deckwand umgeben sind.
Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Diaphragma (4) die Elektroden (2, 3) in der Höhe übersteht, so dass zwischen der oberen Trennwand (13) der Elektrolysehalbzellen (5, 6) und der Elektrode (2, 3) jeweils ein definierter Abstand gegeben ist und die Trennung der Elektrolysehalbzellen (5, 6) voneinander ausschließlich über das Diaphragma erfolgt.
Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Anode (2) und/oder die Kathode (3) mindestens einseitig ein Lochblech (28) mit verteilt angeordneten Durchbrüchen (29) aufgebracht ist, gegenüber dem relativ verschiebbar ein anliegender Sperrschieber (30) mit kongruenten Lochanordnungen (31) vorgesehen ist.
Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Elektrode (2, 3) eine Isolationsschicht (32) und/oder ein Flächenheizelement (33) aufgebracht ist und dass in die Isolationsschicht (32) und/oder in das Flächenheizelement (33) Durchgangslöcher (34) verteilt eingebracht sind.
Elektrolyseur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2, 3) und das Gehäuse (1) rund ausgebildet sind.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) eine ovale oder eckige Querschnittsform aufweist und die Elektroden plattenförmig ausgeführt sind.
Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Durchtrittsöffnungen (15, 16) für das Gasflüssigkeitsgemisch eine Filteranordnung mit einer Membranfunktion vorgesehen ist, die den durch die Elektrolyse erzeugten gasförmigen Sauerstoff oder Wasserstoff passieren lässt und mindestens teilweise das mitgeführte Flüssigkeitsgemisch zurückhält.
Elektrolyseur-Anordnung, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere baugleiche Elektrolyseure nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu einer Einheit zusammengefasst sind, deren Ausgänge jeweils miteinander verbunden sind und eine Zuleitung bzw. Gasableitungen angeschlossen sind.