DE102012020495A1

DE102012020495A1 - Elektrolysezelle und Einrichtung zur Zerlegung von Wasser

Info

Publication number: DE102012020495A1
Application number: DE201210020495
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-10-13
Filing date: 2012-10-13
Publication date: 2014-04-17

Abstract

Die Erfindung betrifft Elektrolysezellen und Einrichtungen zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auch in Form von Ozon. Die Elektrolysezellen zeichnen sich insbesondere durch ihre einfache Realisierung aus. Dazu weist die Elektrolysezelle einen platten-, quader-, zylinder- oder hohlzylinderförmigen Körper aus einem Metall oder einem Übergangsmetall mit einer Diamantschicht als Anode, – einen Feststoffelektrolyt als Folie oder Schicht auf der Oberfläche des Körpers, – ein Sieb auf dem Feststoffelektrolyt und – einen Lochkörper auf dem Sieb als Kathode auf. Durch das Sieb und den Lochkörper sind damit Öffnungen zum Durchfluss des Wassers vorhanden. Mittels der Elektrolysezelle wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Dabei bildet sich auch Ozon, das bekannterweise ein starkes Oxidationsmittel ist. Die Elektrolysezelle ist vorteilhafterweise ein Bestandteil einer Einrichtung zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auch in Form von Ozon.

Description

Die Erfindung betrifft Elektrolysezellen und Einrichtungen zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auch in Form von Ozon.
Durch die Druckschrift DE 203 18 754 U1 ist ein elektrochemischer Ozonerzeuger mit einer elektrochemischen Zelle mit einer Kathode und einer Anode und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten bekannt. Der Ozonerzeuger ist dazu ein mobiles von Hand handelbares und tragbares Gerät, wobei die Zelle von austauschbaren Einwegteilen gebildet ist.
Die EP 1 730 080 B1 beinhaltet eine Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Behandlung von Flüssigkeiten mit einer geringen Leitfähigkeit. Die Elektroden sind mittels einer Andruckeinrichtung gegeneinander gepresst, wobei zwischen den Elektroden ein polymerer Festelektrolyt angeordnet ist. Die Elektroden sind weiterhin so ausgebildet, dass die Anordnung von der Flüssigkeit durchströmbar ist.
Hauptaugenmerk gilt der Andruckeinrichtung, die durch eine Spanneinrichtung gebildet ist und sich unmittelbar auf den Elektroden abstützt. Eine Andruckkraft wird durch die Verspannung unmittelbar an den Elektroden selbst ausgeübt.
Ein System zur Desinfektion von Flüssigkeiten mit einer geringen Leitfähigkeit ist durch die Druckschrift DE 20 2005 003 720 U1 bekannt. Das System besteht aus einer elektrochemischen Zelle mit Elektroden, die von der Flüssigkeit durchspült oder umspült werden. An die Elektroden wird Strom zur Erzeugung von Oxidationsmittel aus der Flüssigkeit angelegt. Der Zelle ist eine Mischeinheit in Strömungsrichtung nachgeschaltet, in der die Oxydationsmittel mit der Flüssigkeit durchmischt werden.
Eine Elektrodenanordnung, die eine Diamantelektrode umfasst und durch die das Wasser gepumpt wird, beinhaltet die Druckschrift DE 10 2008 047 148 A1 . Die Erzeugung von Ozon erfolgt mittels der Diamantelektrode, so dass das Wasser in der Elektrodenanordnung mit Ozon angereichert wird. Ein Reinigen und Desinfizieren erfolgt durch Besprühen mittels einer Düsenanordnung, wobei das angereicherte Wasser für eine Zeit verweilt.
Der im Patentanspruch 1 und 7 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolysezelle zur Erzeugung von Ozon einfach zu realisieren.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 und 7 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Elektrolysezellen zur Erzeugung von Ozon aus der Zerlegung von Wasser zeichnen sich insbesondere durch ihre einfache Realisierung aus.
Dazu weist die Elektrolysezelle
einen platten-, quader-, zylinder- oder hohlzylinderförmigen Körper aus einem Metall oder einem Übergangsmetall mit einer Diamantschicht als Anode,

– einen Feststoffelektrolyt als Folie oder Schicht auf der Oberfläche des Körpers,
– ein Sieb auf dem Feststoffelektrolyt und
– einen Lochkörper auf dem Sieb als Kathode

Durch das Sieb und den Lochkörper sind damit Öffnungen zum Durchfluss des Wassers vorhanden.
Mittels der Elektrolysezelle wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Dabei bildet sich auch Ozon, das bekannterweise ein starkes Oxidationsmittel ist. Damit eignet sich dieses insbesondere zur umweltfreundlichen Oxidation unter anderem auch organischer Substanzen und zur Entkeimung. In Verbindung und gebildet aus vollentsalztem Wasser, kann dieses günstigerweise zur Desinfektion angewandt werden.
Die Elektrolysezelle weist einen Körper mit wenigstens einer geschlossenen Oberfläche auf, so dass hohe Stromdichten und daraus folgernd eine hohe Ozonbildung zu erzielen sind.
Für einen guten Stromfluss zwischen der Anode und der Kathode muss der Feststoffelektrolyt sehr gut umspült werden. Dazu ist die Kathode als Lochkörper ausgebildet. In Verbindung mit den Öffnungen des Siebes ist eine gute Spülwirkung gegeben. Das Sieb dient dabei zur weitestgehenden Vermeidung einer Aufwellung des Wassers an der Elektrolysezelle. Das trifft auch auf ein Aufwellen der Folie durch Aufquellen an der Anode und einen damit verbundenen Kontaktverlust zu. Die Diamantschicht der Anode kann günstigerweise eine Bor-dotierte Diamantschicht sein.
Der Feststoffelektrolyt ist eine Membran zwischen der Anode und der Kathode. In ihr bewegen sich die Wasserstoffionen im Elektrolysevorgang von der Anode zur Kathode.
Damit eignet sich die Elektrolysezelle insbesondere zur Entkeimung und Desinfektion des Wassers und damit zur Reinigung und/oder Spülung insbesondere von in der Medizin eingesetzten Gegenständen. Darüber hinaus kann durch den Einsatz der Elektrolysezelle auch Biofilm abgebaut werden. Günstigerweise eignet sich die Elektrolysezelle auch für Reinstwasser ohne elektrische Leitfähigkeit. Die Elektrolysezelle zeichnet sich dabei durch ihren einfachen Aufbau aus. Diese ist als Stapel realisiert, so dass auch einzelne Bestandteile der Elektrolysezelle mit beispielsweise geänderten Abmessungen oder Ausbildungen leicht ausgetauscht werden können. Damit können leicht an bestimmte Anwendungen angepasste Elektrolysezellen realisiert werden.
Der Körper ist günstigerweise eine Platte, ein Quader, ein Zylinder oder ein Hohlzylinder. Bei der Verwendung einer Platte oder eines Quaders ist der Feststoffelektrolyt, das Sieb und die Lochplatte nacheinander auf wenigstens einer ebenen Oberfläche dieses Körpers als Stapel angeordnet. Bei einem Zylinder oder einem Hohlzylinder umschließen der Feststoffelektrolyt, das Sieb und die Lochplatte diesen Körper.
Der Körper besteht beipielsweise aus Niob.
Mittels wenigstens einer bekannten Schraubenverbindung kann der Zusammenhalt der Bestandteile der Elektrolysezelle erreicht werden. Die Elektrolysezelle kann auch in einem Gehäuse angeordnet sein, wobei durch wenigstens ein Federelement zwischen Gehäusewandung und Elektrolysezelle eine feste Positionierung der Bestandteile sicherstellbar ist. Im letzteren Fall kann damit auch eine bestimmte durch das Federelement bestimmte Kraft realisiert werden.
Die Elektrolysezelle ist vorteilhafterweise ein Bestandteil einer Einrichtung zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auch in Form von Ozon. Dazu ist diese in einem Behälter für das zu behandelnde Wasser angeordnet. Die Einrichtung kann damit leicht und einfach in die verschiedensten Anlagen zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auch in Form von Ozon eingebunden werden. Eine derartige Anlage kann auch gegenüber dem Normaldruck verschiedenen Drücken arbeiten. Gleichzeitig kann diese Anlage eine in sich geschlossene Anlage sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6, 8 und 9 angegeben.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ist der Körper eine Platte, wobei auf den sich gegenüberliegenden Oberflächen der Platte jeweils nacheinander der Feststoffelektrolyt, das Sieb und der Lochkörper angeordnet sind. Der Volumenstrom des Wassers befindet sich beidseitig der Platte als Anode, so dass eine hohe Ozonausbildung zu verzeichnen ist.
Der Körper überragt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 den Feststoffelektrolyt, das Sieb und den Lochkörper wenigstens einseitig. Damit ist eine leichte Kontaktierung der Anode mit dem positiven Pol einer elektrischen Spannungsquelle gegeben. Die Elektrolysezelle ist bei Verbindung der Kathode mit dem negativen Pol der Spannungsquelle ein elektrischer Widerstand in einem elektrischen Stromkreis mit der Elektrolysezelle. Natürlich kann dazu weiterhin auch eine elektrische Sromquelle eingesetzt werden.
Das Sieb ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ein gelochtes Edelstahlblech mit planen Oberflächen.
Der Volumenstrom wird über das Sieb an den Elektrolyten geleitet, der durch seine Eigenschaften den Stromkreis schließt.
Die planen Oberflächen dienen der Vermeidung von sogenannten ”Hot-Spots”. Erhöhte Stellen führen zu einem erhöhten Stromfluss an diesen Stellen, so dass die Folie als Feststoffelektrolyt an diesen Stellen duchbrennt.
Der Lochkörper ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 günstigerweise ein Lochblech mit planer Oberfläche aus Edelstahl.
Der Feststoffelektrolyt ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 vorteilhafterweise eine aus sulfoniertem Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) bestehende Folie. Diese Folie ist eine Ionenaustauschermembran zwischen Anode und Kathode, wobei sich die Wasserstoffionen im Elektrolysevorgang in der Membran von der Anode zur Kathode bewegen.
Der Behälter besitzt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 einen Zu- und einen Abfluss. Weiterhin ist an den Zu- und/oder an den Abfluss mindestens eine Fördereinrichtung für Wasser gekoppelt, so dass bei der Behandlung Wasser durch die durch das Sieb und den Lochkörper vorhandenen Öffnungen fließt.
Im Behälter befindet sich nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 vorteilhafterweise wenigstens ein Rührwerk.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Elektrolysezelle zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auch in Form von Ozon und
2 eine Einrichtung mit einer Elektrolysezelle.
Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel werden eine Elektrolysezelle und eine Einrichtung zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auch in Form von Ozon zusammen näher erläutert.
Eine Elektrolysezelle 1 besteht im Wesentlichen aus einem plattenförmigen Körper 2 aus einem Metall oder einem Übergangsmetall mit einer Diamantschicht als Anode 2 und einer stapelförmigen Anordnung eines Feststoffelektrolyten 3, eines Siebes 4 auf dem Feststoffelektrolyten und eines Lochkörpers 5 als Kathode 5 auf dem Sieb 4. Eine stapelförmige Anordnung befindet sich jeweils auf den gegenüberliegenden Oberflächen des plattenförmigen Körpers 2.
Die 1 zeigt eine Elektrolysezelle 1 zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auch in Form von Ozon in einer prinzipiellen Darstellung.
Im Zentrum der Elektrolysezelle 1 befindet sich ein Niobblech 2 als plattenförmiger Körper 2, welches mit einer Diamantschicht in Form beispielsweise einer Bor-dotierten Diamantschicht versehen ist. Die Diamantschicht ist auf den sich gegenüberliegenden Oberflächen aufgebracht. Dieses Niobblech 2 wird mit einer positiven Kontaktierung als Anode 2 genutzt. Des Weiteren wird die Elektrolysezelle 1 als eine Baugruppe durch zwei Lochbleche 5 als Lochkörper 5 aus Edelstahl, die sich spiegelbildlich gegenüber liegen mit einem negativen Kontakt verbunden. Die Lochbleche 5 liegen sich spiegelbildlich gegenüber und sind jeweils eine Kathode 5. Zwischen Anode 2 und Kathode 5 ist jeweils der Feststoffelektrolyt 3 angeordnet. Als Feststoffelektrolyt 3 wird eine Folie 3 aus sulfoniertem Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) verwendet. Diese Folie 3 stellt eine Ionenaustauschermembran 3 dar, wobei sich die Wasserstoffionen im Elektrolysevorgang in der Membrane 3 von Anode 2 zur Kathode 5 bewegen.
Der Arbeitsbereich der Elektrolysezelle 1 liegt im Bereich zwischen Null und 150 μS, wobei höhere Leitfähigkeitwerte die Membran 3 auf Zeit zerstören würde. Damit ein guter elektrischer Stromfluss aufgebaut werden kann, müssen die Membranfolien 3 sehr gut mit vollentsalztem Wasser umspült werden. Diese sättigt sich dann stark. In der 1 ist der Volumenstrom 6 des Wassers prinzipiell gezeigt. Um einem Aufwellen entgegenzuwirken, wird diese jeweils mit dem Sieb 4 als Beilage zwischen der Membran 3 und der Kathode 5 verpresst. Die Lochung liegt im Bereich von beispielsweise 0,2 mm. Durch das Verpressen wird eine saubere plane Verbindung erreicht. Der Volumenstrom 6 des Wassers als Medium wird durch die Lochbleche 5 als Kathoden 5 sowie die Sieb 4 ermöglicht.
Die Elektrolysezelle 1 ist mittels wenigstens einer bekannten Schraubenverbindung als Stapel zusammengefügt.
Für die Einrichtung befindet sich wenigstens eine Elektrolysezelle 1 in einem Gehäuse 7 als Behälter 7. Günstigerweise befindet sich dabei zwischen den Kathoden 5 und der Gehäusewandung jeweils ein Federelement 8 aus einem elektrisch nichtleitendem Material, insbesondere einem Kunststoff. Damit ist eine kontrollierte Anpresskraft zur Anode 2 vorhanden.
Die 2 zeigt eine Einrichtung mit einer Elektrolysezelle in einer prinzipiellen Darstellung.
Der Behälter 7 besitzt einen Zufluss 9 und einen Abluss 10. An den Zufluss 9 ist eine Fördereinrichtung 11 für Wasser als Medium gekoppelt, so dass bei der Behandlung Wasser durch die durch das Sieb 4 und den Lochkörper 5 vorhandenen Öffnungen fließt.
Die Anode 2 und die Kathode 5 der Elektrolysezelle 1 sind weiterhin mit einer elektrischen Spannungsquelle U zusammengeschaltet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 20318754 U1 [0002]
EP 1730080 B1 [0003]
DE 202005003720 U1 [0005]
DE 102008047148 A1 [0006]

Claims

Elektrolysezelle (1) zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auch in Form von Ozon mit – einem platten-, quader-, zylinder- oder hohlzylinderförmigen Körper (2) aus einem Metall oder einem Übergangsmetall mit einer Diamantschicht als Anode (2), – einem Feststoffelektrolyt (3) als Folie oder Schicht auf der Oberfläche des Körpers (2), – einem Sieb (4) auf dem Feststoffelektrolyt (3) und – einem Lochkörper (5) auf dem Sieb (4) als Kathode (5), so dass durch das Sieb (4) und den Lochkörper (5) Öffnungen zum Durchfluss des Wassers vorhanden sind.
Elektrolysezelle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) eine Platte (2) ist und dass auf den sich gegenüberliegenden Oberflächen der Platte (2) jeweils nacheinander der Feststoffelektrolyt (3), das Sieb (4) und der Lochkörper (5) angeordnet sind.
Elektrolysezelle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper 2 den Feststoffelektrolyt (3), das Sieb (4) und den Lochkörper (5) wenigstens einseitig überragt.
Elektrolysezelle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sieb (4) ein gelochtes Edelstahlblech (4) mit planen Oberflächen ist.
Elektrolysezelle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochkörper (5) ein Lochblech (5) mit planer Oberfläche aus Edelstahl ist.
Elektrolysezelle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffelektrolyt (3) eine aus sulfoniertem Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) bestehende Folie (3) ist.
Einrichtung zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auch in Form von Ozon, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1 in einem Behälter (7) angeordnet ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (7) einen Zu- (9) und einen Abfluss (10) besitzt und dass an den Zu- (9) und/oder an den Abfluss (10) mindestens eine Fördereinrichtung (11) für Wasser gekoppelt ist, so dass bei der Behandlung Wasser durch die durch das Sieb (4) und den Lochkörper (5) vorhandenen Öffnungen fließt.
Einrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Behälter (7) wenigstens ein Rührwerk befindet.