DE102015111103A1

DE102015111103A1 - Elektrolysezelle und Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysezelle

Info

Publication number: DE102015111103A1
Application number: DE102015111103.9A
Authority: DE
Inventors: Samuel Stucki; Dirk Schulze
Original assignee: Innovatec Geraetetechnik GmbH
Current assignee: Innovatec Geraetetechnik GmbH
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2016-01-28
Also published as: US20160040308A1; US9624586B2

Abstract

Es wird eine Elektrolysezelle (1) vorgeschlagen, aufweisend eine Anode (5), eine Kathode (2) und eine zwischen der Anode (5) und der Kathode (2) angeordnete Membran (4), die mit der Anode (5) über eine Anodenkontaktfläche (14) und mit der Kathode (2) über eine Kathodenkontaktfläche (12) in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenkontaktfläche (12) größer als die Anodenkontaktfläche (14) ausgebildet ist und die Membran (4) eine der Kathode (2) zugewandte Oberfläche (11) aufweist, die größer als die Kathodenkontaktfläche (12) ausgebildet ist und die Elektrolysezelle (1) kathodisch polarisierte, mit dem elektrisch leitfähigen Wasser direkt in Kontakt stehende Flächen aufweist.. Außerdem werden ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysezelle in natürlichem Wasser sowie eine Verwendung einer solchen Elektrolysezelle (1) zur Desinfektion von Wasser vorgeschlagen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Elektrolysezelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Elektrolysezellen sind allgemein bekannt, wozu beispielsweise auf die DE 10 2009 004 031 A1 und die DE 34 01 637 A1 verwiesen wird. Durch Elektrolyse von Wasser können an geeignet ausgeführten Anoden Oxidationsmittel erzeugt und zur oxidativen Behandlung des Wassers bzw. zu dessen Desinfektion eingesetzt werden. Die bei der Elektrolyse von natürlichen Wasser, z. B. Leitungswasser an den Elektroden ablaufenden Prozesse sind vorwiegend die Oxidation bzw. die Reduktion von Wasser:
An der Anode: H₂O → 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^–(1)
An der Kathode: 2H₂O + 2e^– → H₂ + 2OH^–(2)
Der Strom wird im Wasser durch die gelösten Ionen transportiert. Bei einem Stromfluss baut sich in der Elektrolysezelle ein pH-Gradient auf (pH < 7 an der Anode, pH > 7 an der Kathode). Der pH-Gradient führt an der alkalischen Kathode zur Ausfällung von Erdalkali-Carbonat und/oder Erdalkali-Hydroxid (”Kalkablagerung”). Die Elektrolyse von natürlichem Wasser ist wegen der geringen Ionenkonzentrationen und der daraus resultierenden geringen Leitfähigkeit in den praktikablen Stromdichten eingeschränkt.
Durch den Einsatz einer Kationenaustauschermembran als Elektrolyt (Proton Exchange Membrane = PEM) kann die praktikable Stromdichte einer in Wasser betriebenen Elektrolysezelle um Größenordnungen erhöht und an der Anode Sauerstoff in Form von O₂ und/oder O₃ erzeugt werden. Die Membran wird dabei von den porösen Elektroden (Anode und Kathode) beidseitig ganzflächig kontaktiert. Die an den Elektroden ablaufenden Prozesse bestehen in dieser Anordnung bei hohen Stromdichten aus:
An der Anode: H₂O → 1/3O₃ + 2H⁺ + 2e^–
An der Kathode: 2H⁺ + 2e^– → H₂(3)
Der Strom wird in der Kationaustauschermembran gemäß Gleichung 1 und 3 durch Protonen (H⁺) transportiert und ist nicht durch die Ionenkonzentration im Wasser limitiert. Durch die Stromleitung mit Protonen, die in der Membran in hoher Konzentration vorliegen, entstehen primär keine pH-Gradienten. Allerdings können, da die Membran mit dem Wasser im chemischen Gleichgewicht steht, im Wasser gelöste Kationen durch Ionenaustausch mit Protonen in die Membran gelangen und dort akkumulieren. Auch wenn der Anteil des durch gelöste Kationen in einer Membranzelle transportierten Stroms weit weniger als ein Prozent ausmacht, können diese das Verhalten der Zelle erheblich beeinflussen. An der Anode austauschende Kationen erzeugen einen Protonenüberschuss (= Ansäuerung), wie in der Zelle ohne Membran. Thermodynamisch ist die Entladung von Protonen zu Wasserstoff an der Kathode die bevorzugte Reaktion; die in die Membran gelangten Metallkationen akkumulieren deshalb in Kathodennähe und können nach Erreichen einer Grenzkonzentration in der Membran an der Kathode zur Bildung von Hydroxiden führen gemäß Reaktion (2). Der Betrieb von solchen bekannten Zellen ist eingeschränkt durch die Gegenwart von im Wasser gelösten Härtebildnern, wie zum Beispiel Ca²⁺ und Mg²⁺ Ionen in der Form gelöster Hydrogencarbonate. Die Härtebildner scheiden sich an der Kathode als Carbonat und/oder Hydroxid ab und führen damit zu Deckschichten, welche den Ohm'schen Widerstand der Elektrolysezelle erhöhen und die wirtschaftlich praktikablen Betriebszeiten von solchen Zellen in natürlichem Wasser auf wenige Stunden begrenzen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um solche Elektrolysezellen in hartem Wasser (also mit einer großen Menge gelöster Härtebildner) trotzdem wirtschaftlich betreiben zu können. Aus der Druckschrift WO 2012/159 206 A1 ist bekannt, durch Umpolen der Zelle kathodisch gebildete Ablagerungen aufzulösen. Die hierfür zu verwendenden Elektroden sind in ihrer Herstellung jedoch sehr teuer und es sind nachteilig vergleichsweise große Elektrodenflächen erforderlich. Aus der Patentschrift EP 1 649 080 B1 ist eine Zelle bekannt, bei der zwischen der Kathode und der Membran eine Vorelektrode aus Drahtgeflecht angeordnet wird. Allerdings führt auch diese Zelle nachteilig nach 100 Stunden Betrieb zu einer Zellspannung höher als 20 V. Alternativ ist es bekannt, einen Teilstrom des zu behandelnden Wassers mittels gängiger Enthärter zu enthärten, was aber betriebs- und wartungstechnisch sehr aufwändig ist.
Die bekannten Lösungsversuche sind vergleichsweise aufwändig und wenig effizient. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrolysezelle zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und bei der insbesondere die Bildung einer Sperrschicht auf der Kathode verhindert werden kann, so dass die Elektrolysezelle auch bei hartem Wasser bzw bei der Anwesenheit von großen Mengen von Härtebildnern betrieben werden kann und somit zuverlässig über längere Zeiträume in natürlichem Wasser verwendet werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Elektrolysezelle gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung schlägt vor, dass die Kathodenkontaktfläche größer als die Anodenkontaktfläche ausgebildet ist und die Membran eine der Kathode zugewandte Oberfläche aufweist, die größer als die Kathodenkontaktfläche ausgebildet ist und die Elektrolysezelle kathodisch polarisierte, mit dem elektrisch leitfähigen Wasser direkt in Kontakt stehende Flächen aufweist.. Damit wird es möglich, dass zumindest ein Teil des in der Elektrolysezelle vorherrschenden Stromflusses nach dem Übertritt in die Membran zunächst entlang der Kathodenkontaktfläche unter Mitnahme von an der Kathodenkontaktfläche anhaftenden Härtebildnern geführt wird und neben der Kathode in den Elektrolyten, z. B. natürliches Wasser übertritt und von dort an die Kathode bzw. die kathodisch polarisierten, mit dem elektrisch leitfähigen Wasser direkt in Kontakt stehenden Flächen geführt wird.
Dies wird dadurch bedingt, dass die sich ansammelnden Härtbildner eine elektrische Isolation hervorrufen, die einen direkten Übertritt der Ladungsträger auf die Kathodenkontaktfläche unterbinden. Es findet insoweit eine zwangsweise Umleitung entlang der Kathodenkontaktfläche in das elektrisch leitfähige Wasser und von dort an die Kathode bzw. kathodisch polarisierte, mit dem elektrisch leitfähigen Wasser direkt in Kontakt stehende Flächen, die als Hilfskathode wirken, statt. Die Elektrolysezelle erhält dadurch eine selbstreinigende Funktion und wirkt der bislang unvermeidlichen Ansammlung der Härtebildner kontinuierlich selbsttätig entgegen.
Im Rahmen der Erfindung wurde ermittelt, dass eine gute Funktion in Wasser dann erreicht wird, wenn die Anodenkontaktfläche in mindestens einer ihrer Hauptachsenrichtungen eine Länge von maximal 10 mm aufweist.
Nach einem Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kathode derart strukturiert ausgebildet ist, dass sie mindestens einen Kontaktvorsprung aufweist, der mit einer Oberfläche der Membran über eine Kathodenkontaktteilfläche in Kontakt steht, wobei die Kathodenkontaktteilflächen gemeinsam die Kathodenkontaktfläche ausbilden und dass die Oberfläche der Membran mindestens einen Freibereich aufweist, der nicht mit dem mindestens einen Kontaktvorsprung der Kathode in Kontakt steht, sondern mit elektrisch leitfähigem Wasser.
Durch die strukturierte Ausbildung der Kathode wird der durch den Elektrolysestrom erzeugte Ionenfluss derart in zwei Teilströme aufgeteilt, dass einer der Teilströme nicht direkt über die mit der Membran in Kontakt stehende Kathodenkontaktteilfläche des Kontaktvorsprunges fließt, sondern über den über die Kathodenkontaktteilfläche herausragenden Freibereich und das leitfähige Wasser zu der Kathode abgeleitet wird. Durch diesen Ionenfluss über das Wasser bzw. die Wasserphase kann das dynamische Lösungsgleichgewicht an der Kathode durch Abtransport von Erdalkalikationen beeinflusst und die Dicke der passivierenden Schicht, d. h. der Sperr- bzw. Deckschicht, reduziert werden. An den nicht direkt mit der Membran in Kontakt stehenden Bereichen der Kathode bilden sich vorwiegend lediglich lockere Ausscheidungen aus, zum Beispiel von CaCO₃, welche erst nach längerer Betriebszeit zu Spannungsanstieg führen und bei Bedarf auf einfache Weise mechanisch entfernt werden können.
Die Aufteilung der Ströme wird durch die spezielle strukturierte Ausgestaltung der Kathode realisiert. Besonders wichtig ist dabei das Verhältnis der von den Kontaktvorsprüngen im Bereich der Kathodenkontaktteilflächen kontaktierten Fläche (im Folgenden auch Kathodenkontaktfläche genannt) der Membran zur Freifläche bzw. zur gesamten Oberfläche der Membran einerseits und die Dimensionen bzw. geometrische Ausformung des die Membran kontaktierenden mindestens einen Kontaktvorsprungs. So kann zum Beispiel die Anstiegsrate der Zellspannung in Wasser mit ca. 16 Grad deutscher Härte um das 40- bis 100-fache verringert werden. Das optimale Verhältnis von Kathodenkontaktfläche zu Membranfläche bzw. Freifläche hängt von der Konzentration der im Wasser gelösten Härtebildner ab. Härtebildner sind zum Beispiel Ca²⁺ und Mg²⁺ Ionen in der Form gelöster Hydrogencarbonate. Die Erfindung kann vorteilhaft in zahlreichen unterschiedlichen Zellenkonstruktionen technisch umgesetzt werden und ist nicht auf bestimmte Bauformen wie zum Beispiel eine kreisrunde Elektrodengeometrie beschränkt. Wesentlich ist, dass die gesamte Kathodenkontaktfläche zur Membran größer als die gesamte Anodenkontaktfläche zur Membran ausgeführt ist.
Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle kann besonders effizient zur in-situ Produktion von Oxidationsmitteln in Härtebildner enthaltendem natürlichen Wasser, insbesondere Leitungswasser verwendet werden. Bei der Membran kann es sich zum Beispiel um eine perfluorierte Kationenaustauschermembran handeln, die zum Beispiel durch eine geeignete Anpressvorrichtung zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist und durch diese kontaktiert wird.
Die Membran ist plattenförmig ausgebildet, das heißt die Membran erstreckt sich im Wesentlichen entlang einer Haupterstreckungsebene, so dass die Länge und die Breite der Membran wesentlich größer sind als die Dicke der Membran. Die Länge ist die Ausdehnung der Membran in einer so genannten Längsrichtung und die Dicke ist die Ausdehnung der Membran in einer so genannten zur Längsrichtung senkrechten Höhenrichtung. Die Breite der Membran erstreckt sich senkrecht zur Längsrichtung und zur Höhenrichtung in einer Breitenrichtung, die sich ebenso wie die Längsrichtung in der Haupterstreckungsebene erstreckt.
Im Folgenden werden mit ”unten”, ”oben” bzw. ”untere(r)”, ”obere(r)” Positionen in Bezug auf die Höhenrichtung bezeichnet. Mit ”links” und ”rechts” bzw. ”linke(r)”, ”rechte(r)” werden im Folgenden Positionen in Bezug auf die Längsrichtung bezeichnet. Wenn im Folgenden von Querschnitt die Rede ist, ist ein Schnitt in derjenigen Ebene gemeint, die durch die Höhenrichtung und die Längsrichtung aufgespannt wird und die senkrecht zur Breitenrichtung angeordnet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die genannten Orientierungen beschränkt. Der Fachmann wird vielmehr erkennen, dass auch Umkehrungen der genannten Ausrichtung und weitere Abwandlungen möglich sind.
Die Membran weist eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche auf. Die obere Oberfläche kontaktiert die Kathode bzw. den mindestens einen Kontaktvorsprung im Bereich der Kathodenkontaktfläche bzw. Der sie gemeinsam ausbildenden Kathodenkontaktteilflächen und die untere Oberfläche kontaktiert die Anode im Bereich der Anodenkontaktfläche bzw. der diese gemeinsam ausbildenden Anodenkontaktteilflächen. Die Oberflächen der Membran erstrecken sich parallel zur Haupterstreckungsebene. Die Oberflächen der Membran sind plan bzw. eben ausgebildet.
In der Höhenrichtung gesehen ist die Anode unter der Membran angeordnet. Die Anode kontaktiert mit ihrer an der Oberfläche ausgebildeten Anodenkontaktfläche die untere Oberfläche der Membran, so dass im Betrieb der Elektrolysezelle bei Anliegen einer entsprechenden geeigneten Versorgungsspannung auf bekannte Weise ein Ionenfluss erzeugt wird. Die Kathode bzw. der Kontaktvorsprung ist in der Höhenrichtung gesehen über der Membran angeordnet. Die Kathodenkontaktfläche bzw. die Kathodenkontaktteilflächen des mindestens einen Kontaktvorsprungs der Kathode sind ebenfalls plan bzw. eben ausgebildet, so dass diese Kathodenkontaktfläche parallel zur oberen Oberfläche der Membran verläuft.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Es kann in einem Ausführungsbeispiel einen zurückgezogenen bzw. überlappenden Bereich der Oberfläche der Kathode geben, der von der oberen Oberfläche der Membran beabstandet ist. Der zurückgezogene Bereich ist derart beabstandet, dass von der Oberfläche der Membran kein direkter bzw. unmittelbarer Ionenfluss in den zurückgezogenen Bereich der Oberfläche der Kathode möglich ist. Im Gegensatz zum Kontaktvorsprung besteht daher im zurückgezogenen Bereich kein Kontakt zwischen der Oberfläche der Kathode und der Oberfläche der Membran. Dieser Raum ist mit dem elektrisch leitfähigen Wasser befüllt. Daher können Ionen von der Membran nur unter Durchquerung des Wassers, das sich im Betrieb der Elektrolysezelle zwischen der Membran und dem zurückgezogenen Bereich befindet, zum zurückgezogenen Bereich der Oberfläche der Kathode gelangen.
Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Kontaktvorsprung bzw. die Kathodenkontaktfläche quaderförmig bzw. linienförmig ausgebildet ist. Linienförmig bedeutet, dass der Kontaktvorsprung länglich ausgebildet ist, zum Beispiel quaderförmig. Der Kontaktvorsprung kann auch kreuzförmig ausgebildet sein, d. h. durch sich kreuzende Linien gebildet werden.
Gemäß einer anderen beispielhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kathodenkontaktfläche kreisrund bzw. der mindestens eine Kontaktvorsprung zylindrisch ausgebildet ist. Außerdem ist es möglich, dass die Kathode eine Vielzahl an voneinander beabstandeten Kontaktvorsprüngen aufweist. Die Kontaktvorsprünge sind in der Längsrichtung und/oder Breitenrichtung voneinander beabstandet. Dadurch kann vorteilhaft ein Bilden der Deckschicht weitgehend reduziert werden. Insbesondere kann es beispielhaft vorgesehen sein, dass die Kontaktvorsprünge rasterartig angeordnet sind. Mit rasterartig ist gemeint, dass die Kontaktvorsprünge z. B. gitterförmig angeordnet sind.
Der Abstand zwischen benachbarten Kontaktvorsprüngen kann zum Beispiel mindestens 3 mm, nach einer weiteren Ausführungsform mindestens 6 mm betragen. Dadurch ist ein besonders effizienter Betrieb der Elektrolysezelle möglich, weil die Betriebsdauer der Elektrolysezelle erheblich verlängert werden kann
Entsprechend der Beabstandung und Anordnung der Kontaktvorsprünge sind auch die von diesen gebildeten Kathodenkontaktteilflächen angeordnet und beabstandet.
Gemäß einer anderen beispielhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Kontaktvorsprung aus einem porösen Material gebildet wird. Der mindestens eine Kontaktvorsprung kann aus einem anderen Material als der übrige Teil der Kathode gefertigt sein. Die Kathode bzw. der mindestens eine Kontaktvorsprung kann zum Beispiel aus einem porösen kathodisch beständigen Material (Edelstahl, Messing, Graphit usw.) gefertigt sein.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Elektrolysezelle eine bewegliche Recheneinrichtung zur mechanischen Entfernung von Kalkablagerungen an den von der Membran beabstandeten Bereichen der Kathode aufweist. Mit Recheneinrichtung ist ein Rechen mit Zinken gemeint, der von oben zwischen die Kontaktvorsprünge eingebracht wird und dessen Zinken die Ablagerungen an der Kathode entfernen. Dadurch ist vorteilhaft ein besonders einfaches Reinigen der Elektrolysezelle möglich, so dass die Lebensdauer der Elektrolysezelle erheblich verlängert werden kann.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Fläche des mindestens einen Freibereichs mindestens um einen Faktor 2 bis 4 größer ist als die Fläche des mindestens einen Kontaktbereichs. Dadurch kann vorteilhaft im Betrieb der Anstieg der Zellspannung effizient verringert werden.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Anode ebenfalls derart strukturiert ausgebildet ist, dass die Anode mindestens einen unteren Kontaktvorsprung aufweist, der mit der unteren Oberfläche der Membran über eine Anodenkontaktteilfläche in Kontakt steht, wobei die Anodenkontaktteilflächen gemeinsam die Anodenkontaktfläche bilden und dass die untere Oberfläche der Membran mindestens einen unteren Freibereich aufweist, der nicht mit dem mindestens einen unteren Kontaktvorsprung der Anode in Kontakt steht.
Durch diese strukturierte Ausbildung der Anode kann vorteilhaft eine weitere Verbesserung der Effizienz der Elektrolysezelle erreicht werden. Für den unteren Kontaktvorsprung der Anode gilt entsprechend das gleiche wie für den Kontaktvorsprung der Kathode. Daher wird für die Beschreibung der strukturierten Anode auf die Beschreibung der strukturierten Kathode verwiesen. Insbesondere kann es auch eine Vielzahl an unteren Kontaktvorsprüngen an der Anode geben.
Die Anode bzw. der untere Kontaktvorsprung kann zum Beispiel aus einem porösen anodisch beständigen Material (zum Beispiel Ventilmetall, Titan, Tantal, Niob, mit elektroaktiver Beschichtung bestehend aus PbO₂, Platinmetallen bzw. deren Oxide oder Bor-dotiertem Diamant) gefertigt sein. Der untere Kontaktvorsprung und der übrige Teil der Anode können aus einem unterschiedlichen Material gefertigt sein. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Anode bzw. der untere Kontaktvorsprung aus einem porösen passivierenden Material gefertigt ist, wobei eine elektrochemisch aktive Beschichtung auf denjenigen Bereich der Oberfläche des unteren Kontaktvorsprungs aufgebracht ist, der direkt mit der Membran in Kontakt steht. Es können auch elektrisch leitende und anodisch stabile katalytische Beschichtungen auf die Anodenkontaktfläche aufgebracht sein.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform weist die Elektrolysezelle kathodisch polarisierte mit dem elektrisch leitfähigen Wasser direkt in Kontakt stehende Flächen auf. Solche Flächen können zum Beispiel zurückgezogene Flächen oder überlappende Flächen der Kathode sein, die über den Kontaktvorsprung herausragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysezelle in natürlichem Wasser beruht darauf, die Elektrolysezelle aufweisend eine Anode, eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Membran, die mit der Anode über eine Anodenkontaktfläche und mit der Kathode über eine Kathodenkontaktfläche in Kontakt steht, in das natürliche Wasser einzutauchen und an die Anode (5) und die Kathode (2) eine elektrische Spannung anzulegen, die einen Stromfluß von der Anode (5) über die Membran (4) zur Kathode (2) erzeugt.
Um der Ablagerung der sich dann unweigerlich absetzenden Härtebildner aus dem Wasser an der Kathode entgegenzuwirken, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil des Stromflusses nach dem Übertritt in die Membran zunächst entlang der Kathodenkontaktfläche unter Mitnahme von an der Kathodenkontaktfläche anhaftenden Härtebildnern geführt wird und neben der Kathode in das natürliche Wasser übertritt und von dort an die Kathode geführt wird. Diese Führung des Tromflusses und Mitnahmeder Härtebildner stellt sich zwangsweise ein, da die sich anlagernden Härtebildner im Bereich der Kathodenkontaktfläche allmählich eine elektrische Isolationsschicht ausbilden, um die die Ladungsträger aufgrund der in der Elektrolysezelle herrschenden Potentialdifferenz zwangsweise herumgeführt werden.
Auf diese Weise reinigt sich die Elektrolysezelle selbsttätig und es kommt zu keiner nachlassenden Leistung infolge der Härtebildner, da diese nicht mehr an der Kathodenkontaktfläche abgelagert werden.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform werden die an der Anode und der Kathode sich bildenden Gase direkt im Wasser gelöst und nicht physikalisch getrennt. Alternativ ist es möglich, dass die sich an Anode und Kathode bildenden Gase durch die Membran und ggf. unterstützt durch eine geeignete Strömungsführung des Wassers physikalisch getrennt werden.
Die Elektrolysezelle wird in einem Gefäß mit Wasser bei zum Beispiel einer Stromdichte von 0,5 bis 1,5 A/cm² betrieben.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung einer Elektrolysezelle nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen zur Desinfektion von Wasser, insbesondere Quell und/oder Trinkwasser. Im Übrigen wird auf die obigen Ausführungen verwiesen. Mit der Verwendung dieser Elektrolysezelle ist es möglich, Ozon an der Anode zu erzeugen (Ozongenerator). Das erzeugte Ozon tötet zum Beispiel Keime im Wasser ab, so dass eine effiziente Desinfektion des Wassers erreicht werden kann.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen schematisch
1 eine Elektrolysezelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine Elektrolysezelle gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform und
3 ein Diagramm, in dem für verschiedene Membrandurchmesser der gemittelte Zellspannungsanstieg aufgetragen ist.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
1 zeigt schematisch eine Elektrolysezelle 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Querschnitt. Die Elektrolysezelle 1 weist eine in Höhenrichtung Z oben angeordnete Kathode 2 auf. Die Kathode 2 weist eine Kathodenoberfläche 9 auf, die einer unter der Kathode 2 angeordneten Membran 4 zugewandt ist. Auf der Kathodenoberfläche 9 ist ein poröser Kontaktvorsprung 3 angeordnet. In Längsrichtung X gesehen links und rechts von dem Kontaktvorsprung 3 weist die Kathodenoberfläche 9 einen zurückgezogenen Abstandsbereich 10 auf. Mit anderen Worten, dieser Abstandsbereich 10 ist nach oben hin im Vergleich zum Kontaktvorsprung 3 zurückgezogen und steht direkt mit dem umgebenden elektrisch leitfähigen Wasser in Kontakt.
Unter der Kathode 2 ist die flächig ausgebildete Membran 4 angeordnet. Die Membran 4 ist als Scheibe ausgebildet. Die Membran 4 weist eine obere Oberfläche 11 auf, die der Kathode 2 zugewandt ist. Die Membran 4 weist eine untere Oberfläche 13 auf, die einer Anode 5 zugewandt ist. Die Membran 4 ist derart angeordnet, dass ihre Oberflächen 11, 13 senkrecht zur Höhenrichtung Z und parallel zur Längsrichtung X angeordnet sind. Auf der oberen Oberfläche 11 steht die Membran 4 mit dem Kontaktvorsprung 3 in Kontakt bzw. in Verbindung. Dieser Kontakt besteht in einer Kathodenkontaktfläche 12 auf einer Teilfläche der Membranoberfläche.
Unter der Membran 4 ist die poröse Anode 5 angeordnet. Die Anode 5 steht mit ihrer gesamten oberen Oberfläche mit der unteren Oberfläche 13 der Membran 4 in Kontakt, wodurch eine untere Anodenkontaktfläche 14 gebildet wird. Unter der Anode 5 ist eine Anodenstromzuführung 6 angeordnet, die auf bekannte Weise der Stromzuführung für die Anode 5 dient.
Die Anodenkontaktfläche 14 und die Kathodenkontaktfläche 12 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel kreisrund ausgeführt. Man erkennt, dass die Kathodenkontaktfläche 12 etwas größer als die Anodenkontaktfläche 14 ausgeführt ist.
Wenn nun die Elektrolysezelle 1 in Betrieb genommen wird, wird über die Anodenstromzuführung 6 der Anode 5 Strom zugeführt. Die Elektrolysezelle 1 wird z. B. in einem Gefäß mit natürlichem Wasser (Leitungswasser) bei zum Beispiel einer Stromdichte von 0,5 bis 1,5 A/cm² betrieben und es ergibt sich ein Ionenfluss bzw. Stromfluss von der Anode 5 über die Anodenkontaktfläche 14 in die Membran 4 (siehe Pfeil 15). Der Ionenfluss fließt zunächst über die Kathodenkontaktfläche 12 direkt in den Kontaktvorsprung 3 der Kathode 2 (siehe Pfeil 16). Mit ansteigender Betriebsdauer lagern sich jedoch allmählich Härtebildner an der Kathodenkontaktfläche an, die als Isolationsschicht wirken. Als Folge fließt der Ionenfluss nur noch zum Teil aus der Membran 4 über die Kathodenkontaktfläche 12 direkt in den Kontaktvorsprung 3 der Kathode 2 (siehe Pfeil 16). Ein anderer Teil des Ionenflusses fließt jedoch zunächst gemäß Pfeil 17 entlang der Kathodenkontaktfläche 12 bis in einen Bereich neben dem Kontaktvorsprung 3. Von dort gelangt der Ionenfluss ausgehend von der Oberfläche 11 der Membran 4 über das zwischen dem zurückgezogenen Bereich 10 und der Membran 4 befindliche Wasser in die Kathode 2, wobei der Kontaktvorsprung 3 zumindest bereichsweise umgangen wird (siehe Pfeil 18). Dadurch kann vorteilhaft eine übermäßige Deckschichtbildung zwischen der Membran 4 und dem Kontaktvorsprung 3 verhindert bzw. abgebaut werden, da eventuell anhaftende Härtebildner auf der Kathodenkontaktfläche 12 von dem gemäß Pfeil 17 strömenden Teil-(Ionen-)strom mitgenommen und in das umgebende Wasser abgeführt wird.
2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Elektrolysezelle 1 gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform weist die Kathode 2 eine Vielzahl an porösen Kontaktvorsprüngen 3 auf, die länglich bzw. linienförmig ausgebildet sind. In der 2 sind drei Kontaktvorsprünge 3 dargestellt, die Kathode 2 kann aber noch mehr Kontaktvorsprünge aufweisen. Jeder Kontaktvorsprung 3 steht mit der Oberfläche der Membran 4 in einem Kathodenkontaktteilbereich 12.1, 12.2, 12,3 in Kontakt. Alle Kathodenkontaktteilflächen 12.1, 12.2, 12.3 bilden gemeinsam die wirksame Kathodenkontaktfläche 12 aus. Die Kontaktvorsprünge 3 sind zueinander in der Längsrichtung X beabstandet.
Unter der Membran 4 befindet sich die poröse Anode 5. In diesem Ausführungsbeispiel ist auch die Oberfläche der Anode 5 strukturiert ausgebildet und weist untere Kontaktvorsprünge 21 auf, die mit der unteren Oberfläche 13 der Membran 4 in den Anodenkontaktteilflächen 14.1, 14.2, 14.3 in Kontakt stehen. Alle Anodenkontaktteilflächen 14.1, 14.2, 14.3 bilden gemeinsam die wirksame Anodenkontaktfläche 14 aus. Die unteren Kontaktvorsprünge 21 sind ebenfalls länglich ausgebildet und so bemessen, dass die Anodenkontaktfläche 14 kleiner als die Kathodenkontaktfläche 12 ausgebildet ist. Die in der Zeichnung sichtbare Erstreckung der Kontaktvorsprünge 21 und der durch diese gebildeten Anodenkontaktteilflächen 14.1, 14.2, 14.3 in Richtung der Hauptachse X beträgt maximal 10 mm. Die unteren Kontaktvorsprünge 21 sind in der Richtung X beabstandet voneinander angeordnet. Dadurch ergeben sich Freibereiche 20 auf der unteren Oberfläche 13 der Membran 4, die nicht durch die Anode 5 kontaktiert werden. Außerdem weist die Elektrolysezelle 1 eine Stromzuführung 6 für die Anode 5 auf.
Wird nun diese Elektrolysezelle 1 in einem Behälter mit Wasser bei zum Beispiel einer Stromdichte von 0,5 bis 1,5 A/cm² betrieben, so ergibt sich entsprechend wie in 1 ein Ionenfluss von der porösen Anode 5 über die porösen unteren Kontaktvorsprünge 21 in die Membran 4. Die Ionen fließen von der Membran 4 teilweise über die Kathodenkontaktteilflächen 12.1, 12.2, 12.3 in die porösen Kontaktvorsprünge 3 der Kathode 2. Außerdem fließt ein Teil der Ionen zwischen den Kontaktvorsprüngen 3 durch das dort befindliche Wasser in Richtung des oberen Bereichs der Kontaktvorsprünge 3. Im oberen Bereich der Elektrolysezelle 1 ist ein Rechen 7 angeordnet, der senkrecht zur Höhenrichtung Z und Längsrichtung X bewegt werden kann (siehe Doppelpfeil 8), so dass seine Zinken Ablagerungen an der Kathode 2 zwischen den Kontaktvorsprüngen 3 entfernen können. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zur 1 verwiesen.
Die 3 zeigt schematisch ein Diagramm, in dem für verschiedene Membrandurchmesser D (horizontale Achse) der gemittelte Zellspannungsanstieg V/Tag (vertikale Achse) aufgetragen ist. Die 3 zeigt eine Auftragung des über jeweils eine Laufzeit von 2 bis 6 Tagen gemittelten Zellspannungsanstiegs V/Tag. In diesem Ausführungsbeispiel, welches prinzipiell dem Ausführungsbeispiel aus 1 entspricht, wurde eine kreisrund ausgeschnittene perfluorierte Kationenaustauschermembran 4 (Durchmesser D in mm) mit einer porösen kreisrunden Anode 5 aus Titan mit einem Durchmesser von 5 mm mit einer auf der Membranseite d. h. im Kontaktbereich mit PbO₂ beschichteten Fläche und einer porösen Kathode 2 aus rostfreiem Stahl (mit einem Durchmesser des kreisrunden Kontaktvorsprungs 3 von 7 mm) kontaktiert. Die dadurch gebildete Elektrolysezelle 1 wurde in einem Gefäß mit 250 ml Wasser mit einem Gehalt von mehr als 73 mg/Liter Calcium und mehr als 12 mg/Liter Magnesium bei einer Stromdichte von 1 A/Quadratzentimeter betrieben. Die Wasserzusammensetzung im Gefäß wurde durch eine kontinuierliche Zudosierung von frischem Wasser (200 ml/h) konstant gehalten. Die Zellspannung wurde als Funktion der Betriebszeit gemessen. Der Versuch wurde mit einer Reihe von Zellen 1 wiederholt, deren Aufbau bis auf die Fläche der eingesetzten kreisrunden Membran identisch war. Der Membrandurchmesser wurde in diesem Wiederholungsexperiment zwischen 7 mm und 16 mm variiert. Es zeigt sich, dass der gemittelte Zellspannungsanstieg V/Tag eine Funktion des Durchmessers D der eingesetzten Membran 4 ist.
In der 3 zeigt sich, dass bei einem Durchmesser D von 7 mm der Membran 4 der gemittelte Zellspannungsanstieg V/Tag etwa 6 V beträgt. Bei steigendem Durchmesser D verringert sich der gemittelte Zellspannungsanstieg V/Tag bis auf einen Wert kleiner 1 V, der zwischen 9 und 16 mm erreicht wird. Die Vergrößerung des Durchmessers D der Membran 4 d. h. die Vergrößerung des Freibereichs bzw. der Freifläche 19 bzw. 20 führt somit zu einem signifikanten Abfall des gemittelten Zellspannungsanstiegs V/Tag von 6 V auf weniger als 1 V.
Es soll der Vollständigkeit halber angemerkt werden, dass die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich der Illustration der Erfindung dienen; keinesfalls soll der Gegenstand der Erfindung durch die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt werden.
Bezugszeichenliste

1: Elektrolysezelle
2: Kathode
3: Kontaktvorsprung
4: Membran
5: Anode
6: Anodenstromzuführung
7: Rechen
8: Pfeil
9: Kathodenoberfläche
10: zurückgezogener Abstandsbereich
11: obere Membranoberfläche
12: Kathodenkontaktfläche
12.1, 12.2, 12,3: Kathodenkontaktteilfläche
13: untere Membranoberfläche
14: Anodenkontaktfläche
14.1, 14.2, 14.3: Anodenkontaktteilfläche
15, 16, 17, 18: Pfeil
19: Freibereich der Membran
20: unterer Freibereich
21: unterer Kontaktvorsprung
D: Achse
V: Achse
X: Längsrichtung
Z: Höhenrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009004031 A1 [0002]
DE 3401637 A1 [0002]
WO 2012/159206 A1 [0006]
EP 1649080 B1 [0006]

Claims

Elektrolysezelle (1), aufweisend eine Anode (5), eine Kathode (2) und eine zwischen der Anode (5) und der Kathode (2) angeordnete Membran (4), die mit der Anode (5) über eine Anodenkontaktfläche (14) und mit der Kathode (2) über eine Kathodenkontaktfläche (12) in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenkontaktfläche (12) größer als die Anodenkontaktfläche (14) ausgebildet ist und die Membran (4) eine der Kathode (2) zugewandte Oberfläche (11) aufweist, die größer als die Kathodenkontaktfläche (12) ausgebildet ist und die Elektrolysezelle (1) kathodisch polarisierte, mit dem elektrisch leitfähigen Wasser direkt in Kontakt stehende Flächen aufweist.
Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenkontaktfläche (14) in mindestens einer ihrer Hauptachsenrichtungen eine Länge von maximal 10 mm aufweist.
Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (2) derart strukturiert ausgebildet ist, dass die Kathode (2) mindestens einen Kontaktvorsprung (3) aufweist, der mit einer Oberfläche (11) der Membran (4) über eine Kathodenkontaktteilfläche (12.1, 12.2, 12.3) in Kontakt steht, wobei die Kathodenkontaktteilflächen (12.1, 12.2, 12.3) gemeinsam die Kathodenkontaktfläche (12) ausbilden und dass die Oberfläche (11) der Membran (4) mindestens einen Freibereich (19) aufweist, der nicht mit dem mindestens einen Kontaktvorsprung (3) der Kathode (2) in Kontakt steht.
Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kontaktvorsprung (3) quaderförmig ausgebildet ist.
Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenkontaktfläche (12) kreisrund ausgebildet ist.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (2) eine Vielzahl an voneinander beabstandeten Kontaktvorsprüngen (3) aufweist.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktvorsprünge (3) rasterartig angeordnet sind.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen benachbarten Kontaktvorsprüngen mindestens 3 mm beträgt.
Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen benachbarten Kontaktvorsprüngen mindestens 6 mm beträgt.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kontaktvorsprung (3) aus einem porösen Material gebildet wird.
Elektrolysezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle (1) einen beweglichen Rechen (7) zur mechanischen Entfernung von Kalkablagerungen an der Kathode (2) aufweist.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des mindestens einen Freibereichs (19) mindestens um einen Faktor 2 bis 4 größer ist als die Fläche des mindestens einen Kontaktbereichs (12).
Elektrolysezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (5) derart strukturiert ausgebildet ist, dass die Anode (5) mindestens einen unteren Kontaktvorsprung (21) aufweist, der mit einer unteren Oberfläche (13) der Membran (4) über eine Anodenteilkontaktfläche (14.1, 14.2, 14.3) in Kontakt steht, wobei die Anodenteilkontaktflächen (14.1, 14.2, 14.3) gemeinsam die Anodenkontaktfläche (14) ausbilden und dass die untere Oberfläche (13) der Membran (4) mindestens einen unteren Freibereich (20) aufweist, der nicht mit dem mindestens einen unteren Kontaktvorsprung (21) der Anode (5) in Kontakt steht.
Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine untere Kontaktvorsprung (21) aus einem porösen passivierenden Material gefertigt ist, wobei eine elektrochemisch aktive Beschichtung auf die Anodenteilkontaktfläche (14.1, 14.2, 14.3) aufgebracht ist.
Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine untere Kontaktvorsprung (21) aus einem Ventilstahl gefertigt ist, wobei eine elektrisch leitende und anodisch stabile katalytische Beschichtung auf die Anodenteilkontaktfläche (14.1, 14.2, 14.3) aufgebracht ist.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysezelle (1) in natürlichem Wasser, die Elektrolysezelle (1) aufweisend eine Anode (5), eine Kathode (2) und eine zwischen der Anode (5) und der Kathode (2) angeordnete Membran (4), die mit der Anode (5) über eine Anodenkontaktfläche (14) und mit der Kathode (2) über eine Kathodenkontaktfläche (12) in Kontakt steht, wobei die Elektrolysezelle in das natürliche Wasser eingetaucht wird und an die Anode (5) und die Kathode (2) eine elektrische Spannung angelegt wird, die einen Stromfluß von der Anode (5) über die Membran (4) zur Kathode (2) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle (1) kathodisch polarisierte, mit dem elektrisch leitfähigen Wasser direkt in Kontakt stehende Flächen aufweist und zumindest ein Teil des Stromflusses nach dem Übertritt in die Membran (4) zunächst entlang der Kathodenkontaktfläche (12) unter Mitnahme von an der Kathodenkontaktfläche anhaftenden Härtebildnern geführt wird und neben der Kathode (2) in das natürliche Wasser übertritt und von dort an die kathodisch polarisierten, mit dem elektrisch leitfähigen Wasser direkt in Kontakt stehenden Flächen der Kathode (2) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die sich an der Anode (5) und der Kathode (2) bildenden Gase durch die Membran (4) physikalisch getrennt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle (1) mit einer Stromdichte von 0,5 bis 1,5 A/cm² betrieben wird.
Verwendung einer Elektrolysezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Desinfektion von Wasser, insbesondere Quell- und/oder Trinkwasser.