DE102019104401A1 - Electrolyser and water splitting process - Google Patents

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Abstract

Um einen Elektrolyseur zum Aufspalten von molekularem Wasser in molekularen Wasserstoff und molekularen Sauerstoff unter Einsatz elektrischer Energie, welcher Elektrolyseur eine anodische Halbzelle mit einer Anode und eine kathodische Halbzelle mit einer Kathode umfasst, wobei die anodische Halbzelle und die kathodische Halbzelle durch einen Separator voneinander getrennt sind, wobei die anodische Halbzelle einen anodischen Elektrolyt umfasst, welcher mit der Anode in Kontakt steht, und wobei die kathodische Halbzelle einen kathodischen Elektrolyt umfasst, welcher mit der Kathode in Kontakt steht, wobei die anodische Halbzelle einen anodischen Katalysator umfasst und wobei die kathodische Halbzelle einen kathodischen Katalysator umfasst, zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die kathodische Halbzelle zur Erzeugung eines Mediator-Ions mindestens ein durch Elektronenaufnahme reduzierbares Kation enthält und dass das reduzierbare Kation und das Mediator-Ion ein Redox-Paar bilden.Ferner wird ein verbessertes Verfahren zum Aufspalten von Wasser in molekularem Wasserstoff und molekularem Sauerstoff unter Einsatz elektrischer Energie vorgeschlagen.An electrolyzer for splitting molecular water into molecular hydrogen and molecular oxygen using electrical energy, which electrolyzer comprises an anodic half cell with an anode and a cathodic half cell with a cathode, the anodic half cell and the cathodic half cell being separated from one another by a separator , wherein the anodic half cell comprises an anodic electrolyte which is in contact with the anode, and wherein the cathodic half cell comprises a cathodic electrolyte which is in contact with the cathode, wherein the anodic half cell comprises an anodic catalyst and wherein the cathodic half cell comprises one To improve cathodic catalyst, it is proposed that the cathodic half-cell for generating a mediator ion contains at least one cation that can be reduced by electron absorption and that the reducible cation and the mediator ion form a redox pair proposes an improved method for splitting water into molecular hydrogen and molecular oxygen using electrical energy.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrolyseur zum Aufspalten von molekularem Wasser in molekularen Wasserstoff und molekularen Sauerstoff unter Einsatz elektrischer Energie, welcher Elektrolyseur eine anodische Halbzelle mit einer Anode und eine kathodische Halbzelle mit einer Kathode umfasst, wobei die anodische Halbzelle und die kathodische Halbzelle durch einen Separator voneinander getrennt sind, wobei die anodische Halbzelle einen anodischen Elektrolyt umfasst, welcher mit der Anode in Kontakt steht, und wobei die kathodische Halbzelle einen kathodischen Elektrolyt umfasst, welcher mit der Kathode in Kontakt steht, wobei die anodische Halbzelle einen anodischen Katalysator umfasst und wobei die kathodische Halbzelle einen kathodischen Katalysator umfasst.The present invention relates to an electrolyzer for splitting molecular water into molecular hydrogen and molecular oxygen using electrical energy, which electrolyzer comprises an anodic half cell with an anode and a cathodic half cell with a cathode, the anodic half cell and the cathodic half cell through a separator are separated from one another, the anodic half cell comprising an anodic electrolyte which is in contact with the anode, and the cathodic half cell comprising a cathodic electrolyte which is in contact with the cathode, the anodic half cell comprising an anodic catalyst, and wherein the cathodic half cell comprises a cathodic catalyst.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Aufspalten von molekularem Wasser in molekularen Wasserstoff und molekularen Sauerstoff unter Einsatz elektrischer Energie, bei welchem Verfahren Wassermoleküle in Protonen und Hydroxidionen dissoziiert werden, bei welchem Verfahren die Hydroxidionen in einer anodischen Halbzelle mit einer Anode unter Mitwirkung eines anodischen Katalysators oxidiert werden und die Protonen in einer kathodischen Halbzelle mit einer Kathode unter Mitwirkung eine kathodischen Katalysators reduziert werden, wobei die anodische Halbzelle und die kathodische Halbzelle durch einen Separator voneinander getrennt sind, wobei die anodische Halbzelle einen anodischen Elektrolyt umfasst, welcher mit der Anode in Kontakt steht, und wobei die kathodische Halbzelle einen kathodischen Elektrolyt umfasst, welcher mit der Kathode in Kontakt steht.Furthermore, the present invention relates to a method for splitting molecular water into molecular hydrogen and molecular oxygen using electrical energy, in which method water molecules are dissociated into protons and hydroxide ions, in which method the hydroxide ions in an anodic half cell with an anode with the assistance of an anodic one Catalyst are oxidized and the protons are reduced in a cathodic half cell with a cathode with the participation of a cathodic catalyst, the anodic half cell and the cathodic half cell being separated from one another by a separator, the anodic half cell comprising an anodic electrolyte which is in contact with the anode Contact is made, and wherein the cathodic half cell comprises a cathodic electrolyte which is in contact with the cathode.

Wasserstoff als Energieträger der Zukunft hat gegenüber fossilen Energieträgern den Vorteil, dass bei seiner Verbrennung als Reaktionsprodukt lediglich Wasser entsteht und eben kein Kohlenstoffdioxid.Hydrogen as the energy source of the future has the advantage over fossil energy sources that when it is burned as a reaction product, only water is produced and no carbon dioxide.

Zur Gewinnung von Wasserstoff ist es bekannt, Elektrolyseure einzusetzen. Bei der Elektrolyse werden Wassermoleküle in molekularem Wasserstoff und molekularem Sauerstoff aufgespalten. Insbesondere kann hier elektrische Energie eingesetzt werden, die aus erneuerbaren oder regenerativen Energien als Energieträger erzeugt wird. Dadurch kann das Entstehen von Kohlenstoffdioxid komplett vermieden werden.It is known to use electrolysers to obtain hydrogen. During electrolysis, water molecules are broken down into molecular hydrogen and molecular oxygen. In particular, electrical energy that is generated from renewable or regenerative energies as an energy source can be used here. The formation of carbon dioxide can thus be completely avoided.

Bekannte Elektrolyseure haben jedoch auch Nachteile. Entweder sind sie ineffizient oder sehr teuer oder haben einen komplexen Aufbau. Dies liegt zum einen daran, dass in sauren Elektrolyten Edelmetall-Katalysatoren eingesetzt werden müssen, um das Wasser aufzuspalten.Known electrolysers also have disadvantages. They are either inefficient, very expensive or have a complex structure. On the one hand, this is due to the fact that noble metal catalysts have to be used in acidic electrolytes to break down the water.

Ein weiteres Problem sind die eingesetzten Elektrolyte. In derzeit bekannten kommerziellen Systemen müssen die Elektrolyte entweder hockalkalisch sein oder aus hochreinem Wasser bestehen. Alkalische Elektrolyte mit einem hohen pH-Wert werden durch Zugabe von Kaliumhydroxid in Wasser erreicht. Kaliumhydroxid herzustellen ist jedoch ein energieintensiver Prozess. Zudem ist Kaliumhydroxid hochgradig korrosiv. Zudem werden bei der Elektrolyse in alkalischem Milieu Hydroxidionen verbraucht, so dass ständig alkalischer Elektrolyt zugegeben werden muss. Reines Wasser verhindert zwar die Vergiftung der Katalysatoren, weist jedoch nur eine sehr geringe Leitfähigkeit auf.The electrolytes used are another problem. In currently known commercial systems, the electrolytes must either be alkaline or consist of high-purity water. Alkaline electrolytes with a high pH are achieved by adding potassium hydroxide in water. However, producing potassium hydroxide is an energy-intensive process. Potassium hydroxide is also highly corrosive. In addition, hydroxide ions are consumed in the electrolysis in an alkaline environment, so that alkaline electrolyte must be added continuously. Pure water prevents the poisoning of the catalysts, but has only a very low conductivity.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektrolyseur sowie ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu verbessern.It is therefore an object of the present invention to improve an electrolyzer and a method of the type described in the introduction.

Die Aufgabe wird bei einem Elektrolyseur der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die kathodische Halbzelle zur Erzeugung eines Mediator-Ions mindestens ein durch Elektronenaufnahme reduzierbares Kation enthält und dass das reduzierbare Kation und das Mediator-Ion ein Redox-Paar bilden.The object is achieved according to the invention in the case of an electrolyzer of the type described in the introduction in that the cathodic half-cell for generating a mediator ion contains at least one cation which can be reduced by electron absorption and that the reducible cation and the mediator ion form a redox couple.

Anders als bei bekannten Elektrolyseuren werden bei dem wie vorgeschlagenen ausgebildeten Elektrolyseur Protonen in der kathodischen Halbzelle nicht direkt mit Unterstützung eines Katalysators an der Kathode reduziert, sondern im Zusammenwirken des Mediator-Ions und des kathodischen Katalysators. Bei diesem Prozess wird das reduzierbare Kation durch Aufnahme mindestens eines Elektrons an der Kathode reduziert zur Erzeugung eines Mediator-Ions. Bei der Umsetzung von Protonen mit Unterstützung des kathodischen Katalysators gibt das Mediator-Ion das mindestens eine aufgenommene Elektron wieder ab und ermöglicht so die Reduzierung von Protonen in molekularen Wasserstoff. Dabei wird das Mediator-Ion wieder oxidiert und in das ursprüngliche reduzierbare Kation umgewandelt. Durch den Einsatz reduzierbare Kationen in der kathodischen Halbzelle wird ein elektrochemischer Prozess genutzt, nämlich die Umwandlung des Redox-Paars vom reduzierbaren Kation in das Mediator-Ion und umgekehrt. Ferner ist es insbesondere möglich, einen kathodischen Katalysator zu verwenden, welcher nicht mit der Kathode in direktem Kontakt steht, sondern beispielsweise im kathodischen Elektrolyt suspendiert ist. Auf diese Weise kann eine wirksame Oberfläche des kathodischen Katalysators in der kathodischen Halbzelle vergrößert werden. Es können also heterogene chemische Wasserstoffentwicklungskatalysatoren eingesetzt werden, die einen chemischen Prozess zur Entwicklung des Wasserstoffs unterstützen. Auf diese Weise lassen sich chemische und elektrochemische Prozesse miteinander koppeln zum Erzeugen von Wasserstoff. Der Einsatz des Mediator-Ions ermöglicht es zudem, die erforderliche Zellspannung zur Elektrolyse von Wasser zu verringern. Da die Zellspannung direkt proportional zur erforderlichen Energie zur Spaltung von Wasser ist, kann so der Energieeinsatz signifikant verringert werden, wodurch sich Betriebskosten des Elektrolyseurs, nämlich insbesondere die Kosten für die Bereitstellung elektrischer Energie zur Elektrolyse, signifikant verringern lassen.In contrast to known electrolyzers, protons in the cathodic half cell are not reduced directly with the support of a catalyst on the cathode, but rather in the interaction of the mediator ion and the cathodic catalyst in the electrolyzer designed as proposed. In this process, the reducible cation is reduced by taking up at least one electron on the cathode to generate a mediator ion. When protons are converted with the support of the cathodic catalyst, the mediator ion releases the at least one electron that has been taken up and thus enables the reduction of protons in molecular hydrogen. The mediator ion is oxidized again and converted into the original reducible cation. By using reducible cations in the cathodic half cell, an electrochemical process is used, namely the conversion of the redox pair from the reducible cation into the mediator ion and vice versa. Furthermore, it is in particular possible to use a cathodic catalyst which is not in direct contact with the cathode but is, for example, suspended in the cathodic electrolyte. In this way, an effective surface area of the cathodic catalyst in the cathodic half cell can be enlarged. So heterogeneous chemical hydrogen development catalysts can be used, which support a chemical process for the development of hydrogen. In this way, chemical and electrochemical processes can be coupled to produce hydrogen. The stake of the mediator ion also makes it possible to reduce the cell voltage required for the electrolysis of water. Since the cell voltage is directly proportional to the energy required to split water, the use of energy can be significantly reduced, as a result of which the operating costs of the electrolyzer, namely in particular the costs for providing electrical energy for electrolysis, can be significantly reduced.

Günstig ist es, wenn das reduzierbare Kation durch Elektronenaufnahme an der Kathode um mindestens eine Oxidationsstufe reduzierbar ist. Dies ermöglicht es insbesondere, dass das reduzierbare Kation an der Kathode ein oder mehrere Elektronen aufnehmen kann, um das Mediator-Ion zu bilden. Ist das Redoxpotential des reduzierbaren Kations geringer als das Redoxpotential der Wasserstoffentwicklungsreaktion, kann so die Zellspannung insgesamt erniedrigt werden.It is favorable if the reducible cation can be reduced by at least one oxidation state by electron uptake at the cathode. In particular, this enables the reducible cation on the cathode to accept one or more electrons to form the mediator ion. If the redox potential of the reducible cation is lower than the redox potential of the hydrogen evolution reaction, the cell voltage can be reduced overall.

Vorzugsweise ist das reduzierbare Kation im kathodischen Elektrolyt gelöst. Dies ermöglicht es insbesondere, die Wasserstoffreduktion im Beisein des kathodischen Katalysators an beliebiger Stelle in der kathodischen Halbzelle zu realisieren. Eine Beschränkung auf die Kathode wie bei herkömmlichen Elektrolyseuren kann so wirksam vermieden werden.The reducible cation is preferably dissolved in the cathodic electrolyte. In particular, this makes it possible to implement hydrogen reduction in the presence of the cathodic catalyst at any point in the cathodic half-cell. A limitation to the cathode as in conventional electrolysers can thus be effectively avoided.

Vorteilhaft ist es, wenn das im Elektrolyt gelöste reduzierbare Kation ein Ion aus der Gruppe der Übergangsmetalle ist. Insbesondere kann es ein Vanadium-Ion, ein Chrom-Ion oder ein Eisen-Ion sein. Beispielsweise kann ein Redox-Paar gebildet werden durch V2+/V3+-Ionen, wobei V3+ das reduzierbare Kation bildet und V2+ das Mediator-Ion, welches unter Abgabe eines Elektrons oxidierbar ist.It is advantageous if the reducible cation dissolved in the electrolyte is an ion from the group of transition metals. In particular, it can be a vanadium ion, a chromium ion or an iron ion. For example, a redox pair can be formed by V 2+ / V 3+ ions, where V 3+ forms the reducible cation and V 2+ the mediator ion, which can be oxidized by releasing an electron.

Günstig ist es, wenn das reduzierbare Kation in den kathodischen Elektrolyt durch Lösen eines Salzes eingebracht ist. Insbesondere kann es sich beim Salz um Übergangsmetall-Salz handeln, beispielsweise um ein Vanadium-Salz. Insbesondere kann das Vanadium-Salz Vanadiumoxysulfat (VOSO4) sein, das auch als Vanadylsulfat bezeichnet wird. Es kann wasserfrei als grüner Feststoff oder als Hydrat als blauer geruchloser Feststoff eingesetzt werden. Die Bereitstellung des reduzierbaren Kations ist somit auf einfache Weise möglich, nämlich durch einfaches Lösen eines geeigneten Salzes im kathodischen Elektrolyt.It is advantageous if the reducible cation is introduced into the cathodic electrolyte by dissolving a salt. In particular, the salt can be transition metal salt, for example a vanadium salt. In particular, the vanadium salt can be vanadium oxysulfate (VOSO 4 ), which is also referred to as vanadyl sulfate. It can be used anhydrous as a green solid or as a hydrate as a blue odorless solid. The provision of the reducible cation is thus possible in a simple manner, namely by simply dissolving a suitable salt in the cathodic electrolyte.

Günstigerweise ist der Separator in Form einer Bipolarmembran ausgebildet. Der Separator dient insbesondere dem Zweck, zu verhindern, dass der bei der Elektrolyse entstehende molekulare Wasserstoff direkt mit dem ebenfalls gebildeten molekularen Sauerstoff in Kontakt treten und in unerwünschter Weise ein hochreaktives Knallgas-Gemisch bilden kann. Den Separator in Form einer Bipolarmembran auszubilden hat zudem den Vorteil, dass in der kathodischen Halbzelle und in der anodischen Halbzelle unterschiedliche Milieus eingestellt werden können, beispielsweise ein saures Milieu in der kathodischen Halbzelle und ein alkalisches Milieu in der anodischen Halbzelle. Dies gestattet zudem, kathodische und anodische Katalysatoren einzusetzen, die besonders kostengünstig sind. Insbesondere kann der Einsatz von Edelmetall-Katalysatoren wie beispielsweise Platin oder Iridium vollständig vermieden werden. Auf diese Weise lassen sich deutlich kostengünstigere Elektrolyseure ausbilden. Auf diese Weise lassen sich insbesondere Investitionskosten bei der Herstellung von Elektrolyseuren minimieren.The separator is advantageously designed in the form of a bipolar membrane. The separator serves, in particular, the purpose of preventing the molecular hydrogen formed during the electrolysis from coming into direct contact with the molecular oxygen which is also formed and from forming a highly reactive oxyhydrogen mixture in an undesirable manner. Designing the separator in the form of a bipolar membrane also has the advantage that different environments can be set in the cathodic half cell and in the anodic half cell, for example an acidic environment in the cathodic half cell and an alkaline environment in the anodic half cell. This also makes it possible to use cathodic and anodic catalysts, which are particularly inexpensive. In particular, the use of precious metal catalysts such as platinum or iridium can be completely avoided. In this way, significantly cheaper electrolysers can be trained. In this way, investment costs in the manufacture of electrolysers in particular can be minimized.

Vorteilhaft ist es, wenn die Bipolarmembran eine Anionenaustauschmembran und eine Kationenaustauschmembran umfasst. Insbesondere kann die Kationenaustauschmembran in Form einer Protonenaustauschmembran ausgebildet sein. Diese Ausgestaltung der Bipolarmembran ermöglicht auf einfache Weise die Trennung von Anionen und Kationen, die bei der Dissoziation von Wasser entstehen. Protonen können durch die Protonenaustauschmembran in die kathodische Halbzelle gelangen, Hydroxidionen durch die Kationenaustauschmembran in die anodische Halbzelle.It is advantageous if the bipolar membrane comprises an anion exchange membrane and a cation exchange membrane. In particular, the cation exchange membrane can be designed in the form of a proton exchange membrane. This design of the bipolar membrane enables the separation of anions and cations that arise during the dissociation of water in a simple manner. Protons can get through the proton exchange membrane into the cathodic half cell, hydroxide ions through the cation exchange membrane into the anodic half cell.

Vorzugsweise sind die Anionenaustauschmembran und die Kationenaustauschmembran durch eine Dissoziationsschicht voneinander getrennt. In der Dissoziationsschicht können insbesondere Wassermoleküle in Hydroxidionen und Protonen aufgespalten werden. Diese können dann durch die Anionenaustauschmembran und die Kationenaustauschmembran in die anodische Halbzelle beziehungsweise in die kathodische Halbzelle gelangen.The anion exchange membrane and the cation exchange membrane are preferably separated from one another by a dissociation layer. In the dissociation layer, water molecules in particular can be split into hydroxide ions and protons. These can then pass through the anion exchange membrane and the cation exchange membrane into the anodic half cell or into the cathodic half cell.

Um das Aufspalten von Wassermolekülen in Hydroxidionen und Protonen zu erleichtern, ist es günstig, wenn die Dissoziationsschicht einen Dissoziationskatalysator enthält. Insbesondere kann dieser die Aufspaltung von Wassermolekülen in Hydroxidionen und Protonen unterstützen.In order to facilitate the splitting of water molecules into hydroxide ions and protons, it is advantageous if the dissociation layer contains a dissociation catalyst. In particular, this can support the splitting of water molecules into hydroxide ions and protons.

Die Aufspaltung von Wassermolekülen in Hydroxidionen und Protonen lässt sich insbesondere dadurch verbessern, dass der Dissoziationskatalysator Eisenoxid ist oder enthält. Insbesondere kann es sich beim Eisenoxid um Eisen(III)-Oxid (Fe2O3) handeln.The splitting of water molecules into hydroxide ions and protons can be improved in particular if the dissociation catalyst is or contains iron oxide. In particular, the iron oxide can be iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ).

Günstig ist es, wenn die Dissoziationsschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von etwa 5 nm bis etwa 500 µm aufweist. Insbesondere kann die Schichtdicke in einem Bereich von etwa 50 nm bis etwa 50 µm liegen. Insbesondere können so ungeträgerte Dissoziationsschichten ausgebildet werden. So lässt sich beispielsweise ein besonders kompakter Aufbau des Elektrolyseurs realisieren.It is favorable if the dissociation layer has a layer thickness in a range from approximately 5 nm to approximately 500 μm. In particular, the layer thickness can be in a range from approximately 50 nm to approximately 50 μm. In particular, unsupported dissociation layers can be formed in this way. For example, a particularly compact design of the electrolyzer can be realized.

Vorteilhaft ist es, wenn der kathodische Elektrolyt Wasser oder eine wässrige Lösung ist und/oder wenn der anodische Elektrolyt Wasser oder eine wässrige Lösung ist. So kann insbesondere ein kostengünstiger Elektrolyseur ausgebildet werden. Insbesondere kann in wässrigen Lösungen ein pH-Wert in gewünschter Weise eingestellt werden.It is advantageous if the cathodic electrolyte is water or an aqueous solution and / or if the anodic electrolyte is water or an aqueous solution. In particular, an inexpensive electrolyzer can be designed. In particular, a pH value can be set as desired in aqueous solutions.

Vorzugsweise weisen der anodische Elektrolyt und/oder der kathodische Elektrolyt einen pH-Wert von 7 oder im Wesentlichen 7 auf. Sie können also insbesondere einen neutralen pH-Wert aufweisen. So kann insbesondere die Gefahr einer Korrosion an Komponenten des Elektrolyseurs minimiert werden.The anodic electrolyte and / or the cathodic electrolyte preferably have a pH of 7 or essentially 7. In particular, they can have a neutral pH. In particular, the risk of corrosion on components of the electrolyzer can be minimized.

Günstig ist es, wenn sich ein pH-Wert des anodischen Elektrolyts und ein pH-Wert des kathodischen Elektrolyts unterscheiden und einen pH-Gradient definieren. Dies ermöglicht es insbesondere, in der kathodischen Halbzelle und in der anodischen Halbzelle unterschiedliche Milieus zu realisieren, beispielsweise ein saures Milieu in der kathodischen Halbzelle und ein alkalisches Milieu in der anodischen Halbzelle. Möglich sind insbesondere auch ein saures Milieu in der kathodischen Halbzelle und ein neutraler pH-Wert der anodischen Halbzelle oder ein alkalischer pH-Wert in der anodischen Halbzelle und ein neutraler pH-Wert in der kathodischen Halbzelle. Durch unterschiedliche pH-Werte des anodischen Elektrolyts und des kathodischen Elektrolyts können insbesondere sowohl in der kathodischen Halbzelle als auch in der anodischen Halbzelle kostengünstige Katalysatoren eingesetzt werden. Auf Edelmetall-Katalysatoren kann so verzichtet werden.It is favorable if a pH value of the anodic electrolyte and a pH value of the cathodic electrolyte differ and define a pH gradient. This makes it possible, in particular, to implement different environments in the cathodic half cell and in the anodic half cell, for example an acidic environment in the cathodic half cell and an alkaline environment in the anodic half cell. In particular, an acidic environment in the cathodic half cell and a neutral pH value in the anodic half cell or an alkaline pH value in the anodic half cell and a neutral pH value in the cathodic half cell are also possible. Because of the different pH values of the anodic electrolyte and the cathodic electrolyte, inexpensive catalysts can be used in particular both in the cathodic half cell and in the anodic half cell. Precious metal catalysts can thus be dispensed with.

Vorteilhaft ist es, wenn der der pH-Gradient mindestens 1 beträgt. Insbesondere kann er mindestens 3 betragen. Weiter kann er insbesondere mindestens 5 betragen. Der pH-Gradient wird vorzugsweise so eingestellt, dass sowohl in der anodischen als auch in der kathodischen Halbzelle die gewünschten Katalysatoren eingesetzt werden können.It is advantageous if the pH gradient is at least 1. In particular, it can be at least 3. Furthermore, it can be at least 5 in particular. The pH gradient is preferably set so that the desired catalysts can be used both in the anodic and in the cathodic half cell.

Vorteilhaft ist es, wenn der der anodische Elektrolyt alkalisch ist. Auf diese Weise kann insbesondere ein kostengünstiger anodischer Katalysator für die Sauerstoffentwicklungsreaktion eingesetzt werden.It is advantageous if the anodic electrolyte is alkaline. In this way, in particular, an inexpensive anodic catalyst can be used for the oxygen evolution reaction.

Vorteilhaft ist es, wenn der der kathodische Elektrolyt sauer ist. Dies ermöglicht es insbesondere, einen kostengünstigen kathodischen Katalysator in der kathodischen Halbzelle einzusetzen.It is advantageous if the cathodic electrolyte is acidic. In particular, this makes it possible to use an inexpensive cathodic catalyst in the cathodic half cell.

Auf einfache Weise lässt sich der Elektrolyseur ausbilden, wenn die Anode aus dem anodischen Katalysator besteht oder aus dem anodischen Katalysator ausgebildet ist oder den anodischen Katalysator enthält oder mit dem anodischen Katalysator beschichtet ist oder mit dem anodischen Katalysator elektrisch leitend in Kontakt steht. Diese Ausgestaltungen ermöglichen eine effiziente Sauerstoffentwicklungsreaktion in der anodischen Halbzelle.The electrolyzer can be formed in a simple manner if the anode consists of the anodic catalyst or is formed from the anodic catalyst or contains the anodic catalyst or is coated with the anodic catalyst or is in electrically conductive contact with the anodic catalyst. These designs enable an efficient oxygen evolution reaction in the anodic half cell.

Auf einfache Weise lässt sich die Anode ausbilden, wenn sie massiv oder netzförmig ausgebildet ist.The anode can be formed in a simple manner if it is solid or reticulated.

Vorteilhaft ist es, wenn der anodische Katalysator Nickel, Iridium oder Cobalt ist oder Nickel, Iridium und/oder Cobalt enthält. Insbesondere kann der anodische Katalysator NiOx, NiCeOx, NiCoOx, NiCuOx, NiFeOx, NiLaOx, IrOx, CoFeOx oder CoOx sein oder enthalten.It is advantageous if the anodic catalyst is nickel, iridium or cobalt or contains nickel, iridium and / or cobalt. In particular, the anodic catalyst can be or contain NiO x , NiCeO x , NiCoO x , NiCuO x , NiFeO x , NiLaO x , IrO x , CoFeO x or CoO x .

Um die wirksame Oberfläche des kathodischen Katalysators zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn der kathodische Katalysator im kathodischen Elektrolyt suspendiert ist. Auf diese Weise kann die Reduktion von Protonen durch Elektronenaufnahme vom Mediator-Ion überall in der kathodischen Halbzelle stattfinden. Die Wasserstoffentwicklungsreaktion beschränkt sich daher nicht nur auf den Bereich um die Kathode, wie dies bei herkömmlichen Elektrolysen der Fall ist, sondern ist in der gesamten kathodischen Halbzelle möglich.In order to increase the effective surface area of the cathodic catalyst, it is advantageous if the cathodic catalyst is suspended in the cathodic electrolyte. In this way, the reduction of protons by electron uptake from the mediator ion can take place anywhere in the cathodic half cell. The hydrogen evolution reaction is therefore not limited to the area around the cathode, as is the case with conventional electrolysis, but is possible in the entire cathodic half cell.

Um eine möglichst große aktive Oberfläche des kathodischen Katalysators zu erreichen, ist es günstig, wenn eine Partikelgröße des suspendierten kathodischen Katalysators kleiner als 50 µm ist, insbesondere ist es vorteilhaft, wenn sie kleiner als 5 µm.In order to achieve the largest possible active surface area of the cathodic catalyst, it is advantageous if a particle size of the suspended cathodic catalyst is less than 50 μm, in particular it is advantageous if it is less than 5 μm.

Vorzugsweise ist oder enthält der kathodische Katalysator Mo2C, Mo2S oder NiP. Die genannten kathodischen Katalysatoren unterstützen die Wasserstoffentwicklungsreaktion im Zusammenwirken mit einem Mediator-Ion in hervorragender Weise. Zudem sind sie kostengünstig verfügbar. Ferner lassen sie sich auf einfache Weise im kathodischen Elektrolyt suspendieren.The cathodic catalyst is preferably or contains Mo 2 C, Mo 2 S or NiP. The cathodic catalysts mentioned support the hydrogen evolution reaction in cooperation with a mediator ion in an excellent way. They are also available at low cost. Furthermore, they can be easily suspended in the cathodic electrolyte.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der kathodischen Halbzelle ein Mediator-Ion aus einem reduzierbaren Kation durch Elektronenaufnahme an der Kathode gebildet wird, dass das reduzierbare Kation und das Mediator-Ion ein Redox-Paar bilden und dass Protonen durch Elektronenaufnahme von Mediator-Ionen unter Mitwirkung des kathodischen Katalysators zu molekularem Wasserstoff reduziert werden.The object stated at the outset is also achieved according to the invention in a method of the type described in the introduction in that a mediator ion is formed in the cathodic half cell from a reducible cation by electron absorption on the cathode, that the reducible cation and the mediator ion are a redox Form a pair and that protons are reduced to molecular hydrogen by electron uptake of mediator ions with the help of the cathodic catalyst.

Wie bereits oben beschrieben kann so ein elektrochemischer Prozess, nämlich die Umwandlung des reduzierbaren Kations in das Mediator-Ion durch Elektronenaufnahme, mit einem chemischen Prozess, nämlich der Wasserstoffentwicklung in Anwesenheit des kathodischen Katalysators durch Elektronenaufnahme vom Mediator-Ion, kombiniert werden. So lässt sich insbesondere eine Zellspannung des Elektrolyseurs gegenüber herkömmlichen Elektrolyseuren mit Edelmetallkatalysatoren sowohl in der anodischen Halbzelle als auch in der kathodischen Halbzelle signifikant reduzieren. Dadurch lassen sich insbesondere zum einen Betriebskosten senken, da eine geringere Zellspannung direkt mit einer geringeren elektrischen Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs verknüpft ist, sowie auch Investitionskosten, da insbesondere auch kostengünstige Katalysatoren sowohl in der anodischen Halbzelle als auch in der kathodischen Halbzelle eingesetzt werden können.As already described above, such an electrochemical process, namely the conversion of the reducible cation into the mediator Ion by electron uptake can be combined with a chemical process, namely hydrogen evolution in the presence of the cathodic catalyst by electron uptake from the mediator ion. In particular, a cell voltage of the electrolyzer can be significantly reduced compared to conventional electrolyzers with precious metal catalysts both in the anodic half cell and in the cathodic half cell. On the one hand, this allows operating costs to be reduced, since a lower cell voltage is directly linked to a lower electrical power consumption by the electrolyzer, and also investment costs, since, in particular, inexpensive catalysts can be used both in the anodic half-cell and in the cathodic half-cell.

Vorzugsweise wird das reduzierbare Kation durch Elektronenaufnahme an der Kathode um mindestens eine Oxidationsstufe reduziert. Das reduzierbare Kation kann so mindestens ein, insbesondere auch zwei oder mehr Elektronen von der Kathode aufnehmen und unter Mitwirkung des kathodischen Katalysators an Protonen zur Ausbildung von molekularem Wasserstoff abgeben. Das reduzierbare Kation dient so als Elektronenüberträger, sodass die Wasserstoffentwicklungsreaktion nicht nur an der Kathode stattfinden kann, wie dies bei herkömmlichen Elektrolyseuren der Fall ist, sondern überall in der kathodischen Halbzelle, wenn beispielsweise der kathodische Katalysator im Elektrolyt suspendiert ist.The reducible cation is preferably reduced by at least one oxidation state by electron uptake at the cathode. The reducible cation can thus take up at least one, in particular also two or more, electrons from the cathode and, with the cooperation of the cathodic catalyst, release them to protons to form molecular hydrogen. The reducible cation thus serves as an electron carrier, so that the hydrogen evolution reaction can take place not only at the cathode, as is the case with conventional electrolysers, but everywhere in the cathodic half-cell, for example if the cathodic catalyst is suspended in the electrolyte.

Auf einfache Weise lässt sich das Verfahren durchführen, wenn das reduzierbare Kation im kathodischen Elektrolyt gelöst wird. Beispielsweise lässt es sich auf einfache Weise in den kathodischen Elektrolyt durch Lösen eines Salzes einbringen.The method can be carried out in a simple manner if the reducible cation is dissolved in the cathodic electrolyte. For example, it can be introduced into the cathodic electrolyte in a simple manner by dissolving a salt.

Vorteilhaft ist es, wenn im Elektrolyt als gelöstes reduzierbares Kation ein Ion aus der Gruppe der Übergangsmetalle, insbesondere ein Vanadium-Ion, ein Chrom-Ion oder ein Eisen-Ion, eingesetzt wird. Insbesondere lassen sich so auf einfache Weise Redox-Paare ausbilden, nämlich beispielsweise V2+/V3+, Cr2+/Cr3+ beziehungsweise Fe2+/Fe3+.It is advantageous if an ion from the group of transition metals, in particular a vanadium ion, a chromium ion or an iron ion, is used as the dissolved reducible cation in the electrolyte. In particular, redox pairs can be formed in a simple manner, namely, for example, V 2+ / V 3+ , Cr 2+ / Cr 3+ or Fe 2+ / Fe 3+ .

Günstig ist es, wenn das reduzierbare Kation in den kathodischen Elektrolyt durch Lösen eines Salzes eingebracht wird. Insbesondere kann es sich dabei um ein Übergangsmetall-Salz handeln. Beispielsweise kann es sich um ein Vanadium-Salzes oder ein Chrom-Salz oder ein Eisen-Salz handeln. Insbesondere kann so eine Konzentration des reduzierbaren Kations in der kathodischen Halbzelle auf einfache Weise eingestellt werden.It is advantageous if the reducible cation is introduced into the cathodic electrolyte by dissolving a salt. In particular, it can be a transition metal salt. For example, it can be a vanadium salt or a chromium salt or an iron salt. In particular, a concentration of the reducible cation in the cathodic half cell can be set in a simple manner.

Vorzugsweise wird der Separator in Form einer Bipolarmembran ausgebildet. Eine Bipolarmembran ermöglicht es insbesondere, in der kathodischen Halbzelle und in der anodischen Halbzelle unterschiedliche Milieus mit unterschiedlichen pH-Werten zu realisieren. Dies ermöglicht insbesondere eine Optimierung der Milieus sowohl für die Wasserstoffentwicklungsreaktion als auch für die Sauerstoffentwicklungsreaktion in der kathodischen Halbzelle beziehungsweise in der anodischen Halbzelle. Insbesondere können so kostengünstige Katalysatoren eingesetzt werden. Es ist also nicht mehr erforderlich, Katalysatoren zu nutzen, die bei herkömmlichen Elektrolyseuren benötigt werden, in denen in beiden Halbzellen dasselbe Milieu herrscht.The separator is preferably designed in the form of a bipolar membrane. A bipolar membrane makes it possible in particular to realize different environments with different pH values in the cathodic half cell and in the anodic half cell. In particular, this enables the milieus to be optimized both for the hydrogen evolution reaction and for the oxygen evolution reaction in the cathodic half cell or in the anodic half cell. In particular, inexpensive catalysts can be used in this way. It is therefore no longer necessary to use catalysts which are required in conventional electrolysers in which the same environment prevails in both half cells.

Vorteilhaft ist es, wenn die Bipolarmembran mit einer Anionenaustauschmembran und einer Kationenaustauschmembran ausgebildet wird. Insbesondere kann die Kationenaustauschmembran in Form einer Protonenaustauschmembran ausgebildet werden. Eine derartige Bipolarmembran ermöglicht es auf einfache Weise, in Protonen und Hydroxidionen dissoziierte Wassermoleküle einerseits in die kathodische Halbzelle und andererseits in die anodische Halbzelle zu trennen.It is advantageous if the bipolar membrane is formed with an anion exchange membrane and a cation exchange membrane. In particular, the cation exchange membrane can be designed in the form of a proton exchange membrane. Such a bipolar membrane makes it possible in a simple manner to separate water molecules dissociated in protons and hydroxide ions on the one hand into the cathodic half cell and on the other hand into the anodic half cell.

Günstig ist es, wenn die Anionenaustauschmembran und die Kationenaustauschmembran durch eine Dissoziationsschicht voneinander getrennt werden. Insbesondere kann die Dissoziationsschicht ausgebildet sein, um Wassermoleküle in Hydroxidionen und Protonen zu dissoziieren. Dies ermöglicht es insbesondere, sowohl in der kathodischen Halbzelle als auch in der anodischen Halbzelle neutrale Elektrolyten, beispielsweise Wasser, einzusetzen. Durch die durch die Kationenaustauschmembran wandernden Protonen stellt sich in der kathodischen Halbzelle automatisch ein leicht saures Milieu ein. Durch die durch die Anionenaustauschmembran wandernden Hydroxidionen stellt sich in der anodischen Halbzelle ein leicht alkalisches Milieu ein.It is advantageous if the anion exchange membrane and the cation exchange membrane are separated from one another by a dissociation layer. In particular, the dissociation layer can be designed to dissociate water molecules in hydroxide ions and protons. This makes it possible, in particular, to use neutral electrolytes, for example water, both in the cathodic half cell and in the anodic half cell. The protons migrating through the cation exchange membrane automatically create a slightly acidic environment in the cathodic half cell. The hydroxide ions migrating through the anion exchange membrane create a slightly alkaline environment in the anodic half cell.

Um das Aufspalten von Wasser in Hydroxidionen und Protonen zu erleichtern, ist es vorteilhaft, wenn in die Dissoziationsschicht ein Dissoziationskatalysator eingebracht wird. Insbesondere kann die Dissoziationsschicht durch den Dissoziationskatalysator gebildet werden.In order to facilitate the splitting of water into hydroxide ions and protons, it is advantageous if a dissociation catalyst is introduced into the dissociation layer. In particular, the dissociation layer can be formed by the dissociation catalyst.

Vorzugsweise wird ein Dissoziationskatalysator eingesetzt, welcher Eisenoxid ist oder enthält. Insbesondere kann es sich beim Eisenoxid um Eisen(III)-Oxid (Fe2O3) handeln. Wasser spaltet sich in Anwesenheit von Eisenoxid besonders leicht in Protonen und Hydroxidionen auf.A dissociation catalyst which is or contains iron oxide is preferably used. In particular, the iron oxide can be iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ). In the presence of iron oxide, water splits particularly easily into protons and hydroxide ions.

Vorteilhaft ist es, wenn die Dissoziationsschicht mit einer Schichtdicke in einem Bereich von etwa 5 nm bis etwa 500 µm ausgebildet wird. Insbesondere kann die Schichtdicke in einem Bereich von etwa 50 nm bis etwa 50 µm vorgesehen werden. So lassen sich insbesondere geträgerte Dissoziationsschichten ausbilden, also Dissoziationsschichten, die nicht selbsttragend sind. Zudem lässt sich so eine eingesetzte Menge des Dissoziationskatalysators zu minimieren. Dies ermöglicht zudem einen kompakten Aufbau eines Elektrolyseurs.It is advantageous if the dissociation layer is formed with a layer thickness in a range from approximately 5 nm to approximately 500 μm. In particular, the layer thickness can be provided in a range from approximately 50 nm to approximately 50 μm. In particular, it can be worn Form dissociation layers, i.e. dissociation layers that are not self-supporting. In addition, the amount of dissociation catalyst used can be minimized. This also enables a compact design of an electrolyser.

Einfach handhabbar und kostengünstig ausbilden lässt sich ein Elektrolyseur, wenn als kathodischer Elektrolyt Wasser oder eine wässrige Lösung eingesetzt wird und/oder wenn als anodischer Elektrolyt Wasser oder eine wässrige Lösung eingesetzt wird. Insbesondere lassen sich pH-Werte wässriger Lösungen auf einfache Weise auf einen gewünschten Wert einstellen.An electrolyzer can be designed to be easy to handle and inexpensive if water or an aqueous solution is used as the cathodic electrolyte and / or if water or an aqueous solution is used as the anodic electrolyte. In particular, pH values of aqueous solutions can be easily adjusted to a desired value.

Vorzugsweise werden ein anodischer Elektrolyt und/oder ein kathodischer Elektrolyt mit einem pH-Wert von 7 oder im Wesentlichen 7 eingesetzt. Beispielsweise kann als anodischer Elektrolyt und/oder als kathodischer Elektrolyt hierfür Wasser eingesetzt werden.An anodic electrolyte and / or a cathodic electrolyte with a pH of 7 or essentially 7 are preferably used. For example, water can be used as the anodic electrolyte and / or as the cathodic electrolyte.

Um die Wasserstoffentwicklungsreaktion in der kathodischen Halbzelle und die Sauerstoffentwicklungsreaktion in der anodischen Halbzelle zu optimieren, ist es günstig, wenn ein anodischer Elektrolyt und ein kathodischer Elektrolyt mit sich unterscheidenden pH-Werten eingesetzt werden und einen pH-Gradient definieren. Insbesondere ermöglicht es dies, kathodische und anodische Katalysatoren einzusetzen, die die Wasserstoffentwicklungsreaktion beziehungsweise die Sauerstoffentwicklungsreaktion optimal unterstützen. Zudem können Katalysatoren eingesetzt werden, bei denen es sich nicht um Edelmetalle handelt. So lassen sich insbesondere Investitionskosten zur Ausbildung von Elektrolyseuren minimieren.In order to optimize the hydrogen evolution reaction in the cathodic half cell and the oxygen evolution reaction in the anodic half cell, it is expedient if an anodic electrolyte and a cathodic electrolyte are used with differing pH values and define a pH gradient. In particular, this makes it possible to use cathodic and anodic catalysts which optimally support the hydrogen evolution reaction or the oxygen evolution reaction. In addition, catalysts can be used that are not precious metals. In particular, investment costs for the training of electrolyzers can be minimized.

Vorteilhaft ist es, wenn anodische und kathodische Elektrolyten eingesetzt werden, so dass der pH-Gradient mindestens 1 beträgt. Insbesondere kann er mindestens 3 betragen. Weiter insbesondere kann der pH-Gradient mindestens 5 betragen. Der pH-Gradient wird vorzugsweise so gewählt oder eingestellt, dass die Wasserstoffentwicklungsreaktion und die Sauerstoffentwicklungsreaktion optimal ablaufen.It is advantageous if anodic and cathodic electrolytes are used, so that the pH gradient is at least 1. In particular, it can be at least 3. More particularly, the pH gradient can be at least 5. The pH gradient is preferably selected or set so that the hydrogen evolution reaction and the oxygen evolution reaction proceed optimally.

Günstigerweise wird ein alkalischer anodischer Elektrolyt eingesetzt. Auf diese Weise kann insbesondere die Sauerstoffentwicklungsreaktion in der anodischen Halbzelle optimiert werden.An alkaline anodic electrolyte is advantageously used. In this way, the oxygen evolution reaction in the anodic half cell in particular can be optimized.

Vorteilhafterweise wird ein saurer kathodischer Elektrolyt eingesetzt. Dies ermöglicht es insbesondere, die Wasserstoffentwicklungsreaktion in der kathodischen Halbzelle zu optimieren.An acidic cathodic electrolyte is advantageously used. In particular, this makes it possible to optimize the hydrogen evolution reaction in the cathodic half cell.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Anode ausgebildet wird derart, dass sie aus dem anodischen Katalysator besteht oder aus dem anodischen Katalysator ausgebildet ist oder den anodischen Katalysator enthält oder mit dem anodischen Katalysator beschichtet ist oder mit dem anodischen Katalysator elektrisch leitend in Kontakt steht. Die Anode derart auszubilden, kann insbesondere sicherstellen, dass die Sauerstoffentwicklungsreaktion in gewünschter Weise in der anodischen Halbzelle ablaufen kann.According to a preferred embodiment of the invention it can be provided that an anode is formed such that it consists of the anodic catalyst or is formed from the anodic catalyst or contains the anodic catalyst or is coated with the anodic catalyst or electrically conductive with the anodic catalyst is in contact. Forming the anode in this way can in particular ensure that the oxygen evolution reaction can proceed in the desired manner in the anodic half cell.

Günstig ist es, wenn die Anode massiv oder netzförmig ausgebildet wird. Dies ermöglicht es insbesondere, die Anode auf einfache Weise auszubilden.It is expedient if the anode is made solid or reticulated. In particular, this makes it possible to form the anode in a simple manner.

Eine besonders effiziente Sauerstoffentwicklungsreaktion kann erreicht werden, wenn ein anodischer Katalysator eingesetzt wird, welcher Nickel, Iridium oder Cobalt ist oder Nickel, Iridium und/oder Cobalt enthält. Insbesondere kann der anodische Katalysator NiOx, NiCeOx, NiCoOx, NiCuOx, NiFeOx, NiLaOx, IrOx, CoFeOx oder CoOx sein oder enthalten.A particularly efficient oxygen evolution reaction can be achieved if an anodic catalyst is used which is nickel, iridium or cobalt or contains nickel, iridium and / or cobalt. In particular, the anodic catalyst can be or contain NiO x , NiCeO x , NiCoO x , NiCuO x , NiFeO x , NiLaO x , IrO x , CoFeO x or CoO x .

Günstigerweise wird der kathodische Katalysator im kathodischen Elektrolyt suspendiert. Auf diese Weise ist der kathodische Katalysator nicht nur an der Kathode, sondern in der gesamten kathodischen Halbzelle verfügbar. Die Wasserstoffentwicklungsreaktion kann so überall in der kathodischen Halbzelle stattfinden, wo der kathodische Katalysator, mindestens ein Mediator-Ion und mindestens zwei Protonen zusammentreffen. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Wasserstoffentwicklung in der kathodischen Halbzelle.The cathodic catalyst is advantageously suspended in the cathodic electrolyte. In this way, the cathodic catalyst is available not only at the cathode but in the entire cathodic half cell. The hydrogen evolution reaction can thus take place anywhere in the cathodic half cell where the cathodic catalyst, at least one mediator ion and at least two protons meet. This enables a particularly efficient hydrogen development in the cathodic half cell.

Um eine besonders große reaktive Oberfläche zu erhalten, ist es günstig, wenn der suspendierte kathodische Katalysator mit einer Partikelgröße eingesetzt wird, welche kleiner als 50 µm ist. Insbesondere kann die Partikelgröße kleiner als 5 µm sein. Auf diese Weise lässt sich eine Oberfläche des kathodischen Katalysators im Vergleich zu herkömmlichen Elektrolyseuren, bei denen die Oberfläche der Kathode mit dem kathodischen Katalysator beschichtet ist, signifikant erhöhen.In order to obtain a particularly large reactive surface, it is expedient if the suspended cathodic catalyst is used with a particle size which is smaller than 50 μm. In particular, the particle size can be less than 5 μm. In this way, a surface area of the cathodic catalyst can be significantly increased in comparison to conventional electrolysers in which the surface of the cathode is coated with the cathodic catalyst.

Ferner wird die Verwendung eines der oben beschriebenen Elektrolyseure zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren vorgeschlagen. So lässt sich insbesondere Wasserstoff einfach und kostengünstig mit hoher Effizienz erzeugen.Furthermore, the use of one of the electrolysers described above for carrying out one of the methods described above is proposed. In particular, hydrogen can be produced easily and inexpensively with high efficiency.

Die vorstehende Beschreibung umfasst somit insbesondere die nachfolgend in Form durchnummerierter Sätze definierten Ausführungsformen von Elektrolyseuren sowie Verfahren zum Aufspalten von molekularem Wasser in molekularen Wasserstoff und molekularen Sauerstoff:

  • 1. Elektrolyseur (110) zum Aufspalten von molekularem Wasser (112) in molekularen Wasserstoff (114) und molekularen Sauerstoff (116) unter Einsatz elektrischer Energie, welcher Elektrolyseur (110) eine anodische Halbzelle (122) mit einer Anode (140) und eine kathodische Halbzelle (124) mit einer Kathode (134) umfasst, wobei die anodische Halbzelle (122) und die kathodische Halbzelle (124) durch einen Separator (126) voneinander getrennt sind, wobei die anodische Halbzelle (122) einen anodischen Elektrolyt (128) umfasst, welcher mit der Anode (140) in Kontakt steht, und wobei die kathodische Halbzelle (124) einen kathodischen Elektrolyt (129) umfasst, welcher mit der Kathode (134) in Kontakt steht, wobei die anodische Halbzelle (122) einen anodischen Katalysator (146) umfasst und wobei die kathodische Halbzelle (124) einen kathodischen Katalysator (144) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Halbzelle (124) zur Erzeugung eines Mediator-Ions (164) mindestens ein durch Elektronenaufnahme reduzierbares Kation (160) enthält und dass das reduzierbare Kation (160) und das Mediator-Ion (164) ein Redox-Paar bilden.
  • 2. Elektrolyseur nach Satz 1, dadurch gekennzeichnet, dass das reduzierbare Kation (160) durch Elektronenaufnahme an der Kathode (134) um mindestens eine Oxidationsstufe reduzierbar ist.
  • 3. Elektrolyseur nach Satz 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das reduzierbare Kation (160) im kathodischen Elektrolyt (129) gelöst ist.
  • 4. Elektrolyseur nach Satz 3, dadurch gekennzeichnet, dass das im kathodischen Elektrolyt (129) gelöste reduzierbare Kation (160) ein Ion aus der Gruppe der Übergangsmetalle ist, insbesondere ein Vanadium-Ion, ein Chrom-Ion oder ein Eisen-Ion.
  • 5. Elektrolyseur nach Satz 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das reduzierbare Kation (160) in den kathodischen Elektrolyt (129) durch Lösen eines Salzes, insbesondere eines Übergangsmetall-Salzes, weiter insbesondere eines Vanadium-Salzes, eingebracht ist.
  • 6. Elektrolyseur nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (126) in Form einer Bipolarmembran (148) ausgebildet ist.
  • 7. Elektrolyseur nach Satz 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarmembran (148) eine Anionenaustauschmembran (150) und eine Kationenaustauschmembran (152), insbesondere in Form einer Protonenaustauschmembran (156), umfasst.
  • 8. Elektrolyseur nach Satz 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anionenaustauschmembran (150) und die Kationenaustauschmembran (152) durch eine Dissoziationsschicht (154) voneinander getrennt sind.
  • 9. Elektrolyseur nach Satz 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dissoziationsschicht (154) einen Dissoziationskatalysator, insbesondere zum Aufspalten von Wassermolekülen (112) in Hydroxidionen (158) und Protonen (130), enthält.
  • 10. Elektrolyseur nach Satz 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dissoziationskatalysator Eisenoxid, insbesondere Eisen(III)-Oxid (Fe2O3), ist oder enthält.
  • 11. Elektrolyseur nach einem der Sätze 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dissoziationsschicht (154) eine Schichtdicke in einem Bereich von etwa 5 nm bis etwa 500 µm aufweist, insbesondere in einem Bereich von etwa 50 nm bis etwa 50 µm.
  • 12. Elektrolyseur nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der kathodische Elektrolyt (129) Wasser oder eine wässrige Lösung ist und/oder dass der anodische Elektrolyt (128) Wasser oder eine wässrige Lösung ist.
  • 13. Elektrolyseur nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der anodische Elektrolyt (128) und/oder der kathodische Elektrolyt (129) einen pH-Wert von 7 oder im Wesentlichen 7 aufweisen.
  • 14. Elektrolyseur nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein pH-Wert des anodischen Elektrolyts (128) und ein pH-Wert des kathodischen Elektrolyts (129) unterscheiden und einen pH-Gradient definieren.
  • 15. Elektrolyseur nach Satz 14, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Gradient mindestens 1, insbesondere mindestens 3, weiter insbesondere mindestens 5, beträgt.
  • 16. Elektrolyseur nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der anodische Elektrolyt (128) alkalisch ist.
  • 17. Elektrolyseur nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der kathodische Elektrolyt (129) sauer ist.
  • 18. Elektrolyseur nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (140) aus dem anodischen Katalysator (146) besteht oder aus dem anodischen Katalysator (146) ausgebildet ist oder den anodischen Katalysator (146) enthält oder mit dem anodischen Katalysator (146) beschichtet ist oder mit dem anodischen Katalysator (146) elektrisch leitend in Kontakt steht.
  • 19. Elektrolyseur nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (140) massiv oder netzförmig ausgebildet ist.
  • 20. Elektrolyseur nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der anodische Katalysator (146) Nickel, Iridium oder Cobalt ist oder Nickel, Iridium und/oder Cobalt enthält, insbesondere in der Form NiOx, NiCeOx, NiCoOx, NiCuOx, NiFeOx, NiLaOx, IrOx, CoFeOx oder CoOx.
  • 21. Elektrolyseur nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der kathodische Katalysator (144) im kathodischen Elektrolyt (129) suspendiert ist.
  • 22. Elektrolyseur nach Satz 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Partikelgröße des suspendierten kathodischen Katalysators (144) kleiner als 50 µm ist, insbesondere kleiner als 5 µm.
  • 23. Elektrolyseur nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der kathodische Katalysator (144) Mo2C, Mo2S oder NiP ist oder enthält.
  • 24. Verfahren zum Aufspalten von molekularem Wasser (112) in molekularen Wasserstoff (114) und molekularen Sauerstoff (116) unter Einsatz elektrischer Energie, bei welchem Verfahren Wassermoleküle (112) in Protonen (130) und Hydroxidionen (158) dissoziiert werden, bei welchem Verfahren die Hydroxidionen (158) in einer anodischen Halbzelle (122) mit einer Anode (140) unter Mitwirkung eines anodischen Katalysators (146) oxidiert werden und die Protonen (130) in einer kathodischen Halbzelle (124) mit einer Kathode (134) unter Mitwirkung eines kathodischen Katalysators (144) reduziert werden, wobei die anodische Halbzelle (122) und die kathodische Halbzelle (124) durch einen Separator (126) voneinander getrennt sind, wobei die anodische Halbzelle (122) einen anodischen Elektrolyt (128) umfasst, welcher mit der Anode (140) in Kontakt steht, und wobei die kathodische Halbzelle (124) einen kathodischen Elektrolyt (129) umfasst, welcher mit der Kathode (134) in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass in der kathodischen Halbzelle (124) ein Mediator-Ion (164) aus einem reduzierbaren Kation (160) durch Elektronenaufnahme an der Kathode (134) gebildet wird, dass das reduzierbare Kation (160) und das Mediator-Ion (164) ein Redox-Paar bilden und dass Protonen (130) durch Elektronenaufnahme von Mediator-Ionen (164) unter Mitwirkung des kathodischen Katalysators (144) zu molekularem Wasserstoff (114) reduziert werden.
  • 25. Verfahren nach Satz 24, dadurch gekennzeichnet, dass das reduzierbare Kation (160) durch Elektronenaufnahme an der Kathode (134) um mindestens eine Oxidationsstufe reduziert wird.
  • 26. Verfahren nach Satz 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass das reduzierbare Kation (160) im kathodischen Elektrolyt (129) gelöst wird.
  • 27. Verfahren nach Satz 26, dadurch gekennzeichnet, dass im kathodischen Elektrolyt (129) als gelöstes reduzierbares Kation (160) ein Ion aus der Gruppe der Übergangsmetalle, insbesondere ein Vanadium-Ion, ein Chrom-Ion oder ein Eisen-Ion, eingesetzt wird.
  • 28. Verfahren nach Satz 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass das reduzierbare Kation (160) in den kathodischen Elektrolyt (129) durch Lösen eines Salzes, insbesondere eines Übergangsmetall-Salzes, weiter insbesondere eines Vanadium-Salzes, eingebracht wird.
  • 29. Verfahren nach einem der Sätze 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (126) in Form einer Bipolarmembran (148) ausgebildet wird.
  • 30. Verfahren nach Satz 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarmembran eine Anionenaustauschmembran und eine Kationenaustauschmembran umfasst.
  • 31. Verfahren nach Satz 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Anionenaustauschmembran (150) und die Kationenaustauschmembran (152) durch eine Dissoziationsschicht (154) voneinander getrennt werden.
  • 32. Verfahren nach Satz 31, dadurch gekennzeichnet, dass in die Dissoziationsschicht (154) ein Dissoziationskatalysator, insbesondere zum Aufspalten von Wassermolekülen (112) in Hydroxidionen (158) und Protonen (130), eingebracht wird.
  • 33. Verfahren nach Satz 32, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dissoziationskatalysator eingesetzt wird, welcher Eisenoxid, insbesondere Eisen(III)-Oxid (Fe2O3), ist oder enthält.
  • 34. Verfahren nach einem der Sätze 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Dissoziationsschicht (154) mit einer Schichtdicke in einem Bereich von etwa 5 nm bis etwa 500 µm ausgebildet wird, insbesondere mit einer Schichtdicke in einem Bereich von etwa 50 nm bis etwa 50 µm.
  • 35. Verfahren nach einem der Sätze 24 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass als kathodischer Elektrolyt (129) Wasser oder eine wässrige Lösung eingesetzt wird und/oder dass als anodischer Elektrolyt (128) Wasser oder eine wässrige Lösung eingesetzt wird.
  • 36. Verfahren nach einem der Sätze 24 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass ein anodischer Elektrolyt (128) und/oder ein kathodischer Elektrolyt (129) mit einem pH-Wert von 7 oder im Wesentlichen 7 eingesetzt werden.
  • 37. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass ein anodischer Elektrolyt (128) und ein kathodischer Elektrolyt (129) mit sich unterscheidenden pH-Werten eingesetzt werden und einen pH-Gradient definieren.
  • 38. Verfahren nach Satz 37, dadurch gekennzeichnet, dass anodische und kathodische Elektrolyten (129) eingesetzt werden, so dass der pH-Gradient mindestens 1, insbesondere mindestens 3, weiter insbesondere mindestens 5, beträgt.
  • 39. Verfahren nach einem der Sätze 24 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass ein alkalischer anodischer Elektrolyt (128) eingesetzt wird.
  • 40. Verfahren nach einem der Sätze 24 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass ein saurer kathodischer Elektrolyt (129) eingesetzt wird.
  • 41. Verfahren nach einem der Sätze 24 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anode (140) ausgebildet wird derart, dass sie aus dem anodischen Katalysator (146) besteht oder aus dem anodischen Katalysator (146) ausgebildet ist oder den anodischen Katalysator (146) enthält oder mit dem anodischen Katalysator (146) beschichtet ist oder mit dem anodischen Katalysator (146) elektrisch leitend in Kontakt steht.
  • 42. Verfahren nach einem der Sätze 24 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (140) massiv oder netzförmig ausgebildet wird.
  • 43. Verfahren nach einem der Sätze 24 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass ein anodischer Katalysator (146) eingesetzt wird, welcher Nickel, Iridium oder Cobalt ist oder Nickel, Iridium und/oder Cobalt enthält, insbesondere in der Form NiOx, NiCeOx, NiCoOx, NiCuOx, NiFeOx, NiLaOx, IrOx, CoFeOx oder CoOx.
  • 44. Verfahren nach einem der Sätze 24 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass der kathodische Katalysator (144) im kathodischen Elektrolyt (129) suspendiert wird.
  • 45. Verfahren nach Satz 44, dadurch gekennzeichnet, dass der suspendierte kathodische Katalysator (144) mit einer Partikelgröße eingesetzt wird, welche kleiner als 50 µm ist, insbesondere kleiner als 5 µm.
  • 46. Verfahren nach einem der Sätze 24 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass der kathodische Katalysator (144) Mo2C, Mo2S oder NiP ist oder enthält.
  • 47. Verwendung eines Elektrolyseurs (110) nach einem der Sätze 1 bis 23 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Sätze 24 bis 46.
The above description thus includes, in particular, the embodiments of electrolysers defined below in the form of numbered sentences and methods for splitting molecular water into molecular hydrogen and molecular oxygen:
  • 1. electrolyser ( 110 ) to split molecular water ( 112 ) in molecular hydrogen ( 114 ) and molecular oxygen ( 116 ) using electrical energy, which electrolyzer ( 110 ) an anodic half cell ( 122 ) with an anode ( 140 ) and a cathodic half cell ( 124 ) with a cathode ( 134 ), the anodic half cell ( 122 ) and the cathodic half cell ( 124 ) by a separator ( 126 ) are separated from each other, the anodic half cell ( 122 ) an anodic electrolyte ( 128 ), which with the anode ( 140 ) is in contact, and the cathodic half cell ( 124 ) a cathodic electrolyte ( 129 ) which is connected to the cathode ( 134 ) is in contact, the anodic half cell ( 122 ) an anodic catalyst ( 146 ) and the cathodic half cell ( 124 ) a cathodic catalyst ( 144 ), characterized in that the cathodic half cell ( 124 ) to create a mediator ion ( 164 ) at least one cation that can be reduced by electron absorption ( 160 ) contains and that the reducible cation ( 160 ) and the mediator ion ( 164 ) form a redox pair.
  • 2. Electrolyser according to sentence 1, characterized in that the reducible cation ( 160 ) by electron uptake on the cathode ( 134 ) can be reduced by at least one oxidation state.
  • 3. electrolyser according to sentence 1 or 2, characterized in that the reducible cation ( 160 ) in the cathodic electrolyte ( 129 ) is solved.
  • 4. electrolyser according to sentence 3, characterized in that in the cathodic electrolyte ( 129 ) reducible cation ( 160 ) is an ion from the group of transition metals, in particular a vanadium ion, a chromium ion or an iron ion.
  • 5. electrolyser according to sentence 3 or 4, characterized in that the reducible cation ( 160 ) in the cathodic electrolyte ( 129 ) is introduced by dissolving a salt, in particular a transition metal salt, more particularly a vanadium salt.
  • 6. Electrolyser according to one of the preceding sentences, characterized in that the separator ( 126 ) in the form of a bipolar membrane ( 148 ) is trained.
  • 7. electrolyser according to sentence 6, characterized in that the bipolar membrane ( 148 ) an anion exchange membrane ( 150 ) and a cation exchange membrane ( 152 ), especially in the form of a proton exchange membrane ( 156 ).
  • 8. electrolyser according to sentence 7, characterized in that the anion exchange membrane ( 150 ) and the cation exchange membrane ( 152 ) through a dissociation layer ( 154 ) are separated from each other.
  • 9. electrolyser according to sentence 8, characterized in that the dissociation layer ( 154 ) a dissociation catalyst, especially for splitting water molecules ( 112 ) in hydroxide ions ( 158 ) and protons ( 130 ), contains.
  • 10. Electrolyzer according to sentence 9, characterized in that the dissociation catalyst is iron oxide, in particular iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ), or contains.
  • 11. Electrolyser according to one of the sentences 8 to 10, characterized in that the dissociation layer ( 154 ) has a layer thickness in a range from approximately 5 nm to approximately 500 μm, in particular in a range from approximately 50 nm to approximately 50 μm.
  • 12. Electrolyser according to one of the preceding sentences, characterized in that the cathodic electrolyte ( 129 ) Is water or an aqueous solution and / or that the anodic electrolyte ( 128 ) Is water or an aqueous solution.
  • 13. Electrolyser according to one of the preceding sentences, characterized in that the anodic electrolyte ( 128 ) and / or the cathodic electrolyte ( 129 ) have a pH of 7 or essentially 7.
  • 14. Electrolyser according to one of the preceding sentences, characterized in that a pH of the anodic electrolyte ( 128 ) and a pH value of the cathodic electrolyte ( 129 ) differentiate and define a pH gradient.
  • 15. Electrolyser according to sentence 14, characterized in that the pH gradient is at least 1, in particular at least 3, further in particular at least 5.
  • 16. Electrolyser according to one of the preceding sentences, characterized in that the anodic electrolyte ( 128 ) is alkaline.
  • 17. Electrolyser according to one of the preceding sentences, characterized in that the cathodic electrolyte ( 129 ) is acidic.
  • 18. Electrolyser according to one of the preceding sentences, characterized in that the anode ( 140 ) from the anodic catalyst ( 146 ) consists of or the anodic catalyst ( 146 ) is formed or the anodic catalyst ( 146 ) contains or with the anodic catalyst ( 146 ) is coated or with the anodic catalyst ( 146 ) is in electrically conductive contact.
  • 19. Electrolyser according to one of the preceding sentences, characterized in that the anode ( 140 ) is solid or reticulated.
  • 20. Electrolyser according to one of the preceding sentences, characterized in that the anodic catalyst ( 146 ) Is nickel, iridium or cobalt or contains nickel, iridium and / or cobalt, in particular in the form of NiO x , NiCeO x , NiCoO x , NiCuO x , NiFeO x , NiLaO x , IrO x , CoFeO x or CoO x .
  • 21. Electrolyser according to one of the preceding sentences, characterized in that the cathodic catalyst ( 144 ) in the cathodic electrolyte ( 129 ) is suspended.
  • 22. Electrolyser according to sentence 21, characterized in that a particle size of the suspended cathodic catalyst ( 144 ) is less than 50 µm, in particular less than 5 µm.
  • 23. Electrolyser according to one of the preceding sentences, characterized in that the cathodic catalyst ( 144 ) Mo 2 C, Mo 2 S or NiP is or contains.
  • 24.Molecular water splitting process ( 112 ) in molecular hydrogen ( 114 ) and molecular oxygen ( 116 ) using electrical energy, in which process water molecules ( 112 ) in protons ( 130 ) and hydroxide ions ( 158 ) dissociate, in which method the hydroxide ions ( 158 ) in an anodic half cell ( 122 ) with an anode ( 140 ) with the help of an anodic catalyst ( 146 ) are oxidized and the protons ( 130 ) in a cathodic half cell ( 124 ) with a cathode ( 134 ) with the help of a cathodic catalyst ( 144 ) are reduced, the anodic half cell ( 122 ) and the cathodic half cell ( 124 ) by a separator ( 126 ) are separated from each other, the anodic half cell ( 122 ) an anodic electrolyte ( 128 ), which with the anode ( 140 ) is in contact, and the cathodic half cell ( 124 ) a cathodic electrolyte ( 129 ) which is connected to the cathode ( 134 ) is in contact, characterized in that in the cathodic half cell ( 124 ) a mediator ion ( 164 ) from a reducible cation ( 160 ) by electron uptake on the cathode ( 134 ) that the reducible cation ( 160 ) and the mediator ion ( 164 ) form a redox pair and that protons ( 130 ) by electron uptake of mediator ions ( 164 ) with the participation of the cathodic catalyst ( 144 ) to molecular hydrogen ( 114 ) can be reduced.
  • 25. The method according to sentence 24, characterized in that the reducible cation ( 160 ) by electron uptake on the cathode ( 134 ) is reduced by at least one oxidation state.
  • 26. The method according to sentence 24 or 25, characterized in that the reducible cation ( 160 ) in the cathodic electrolyte ( 129 ) is solved.
  • 27. The method according to sentence 26, characterized in that in the cathodic electrolyte ( 129 ) as a dissolved reducible cation ( 160 ) an ion from the group of transition metals, in particular a vanadium ion, a chromium ion or an iron ion, is used.
  • 28. The method according to sentence 26 or 27, characterized in that the reducible cation ( 160 ) in the cathodic electrolyte ( 129 ) by dissolving a salt, in particular a transition metal salt, more particularly a vanadium salt.
  • 29. The method according to one of the sentences 24 to 28, characterized in that the separator ( 126 ) in the form of a bipolar membrane ( 148 ) is trained.
  • 30. The method according to sentence 29, characterized in that the bipolar membrane comprises an anion exchange membrane and a cation exchange membrane.
  • 31. The method according to sentence 30, characterized in that the anion exchange membrane ( 150 ) and the cation exchange membrane ( 152 ) through a dissociation layer ( 154 ) be separated from each other.
  • 32. The method according to sentence 31, characterized in that in the dissociation layer ( 154 ) a dissociation catalyst, especially for splitting water molecules ( 112 ) in hydroxide ions ( 158 ) and protons ( 130 ) is introduced.
  • 33. The method according to sentence 32, characterized in that a dissociation catalyst is used which is or contains iron oxide, in particular iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ).
  • 34. Method according to one of the sentences 31 to 33, characterized in that the dissociation layer ( 154 ) is formed with a layer thickness in a range from approximately 5 nm to approximately 500 μm, in particular with a layer thickness in a range from approximately 50 nm to approximately 50 μm.
  • 35. Method according to one of the sentences 24 to 34, characterized in that the cathodic electrolyte ( 129 ) Water or an aqueous solution is used and / or that as an anodic electrolyte ( 128 ) Water or an aqueous solution is used.
  • 36. Method according to one of the sentences 24 to 35, characterized in that an anodic electrolyte ( 128 ) and / or a cathodic electrolyte ( 129 ) with a pH of 7 or essentially 7.
  • 37. Method according to one of the preceding sentences, characterized in that an anodic electrolyte ( 128 ) and a cathodic electrolyte ( 129 ) with different pH values and define a pH gradient.
  • 38. The method according to sentence 37, characterized in that anodic and cathodic electrolytes ( 129 ) are used so that the pH gradient is at least 1, in particular at least 3, furthermore in particular at least 5.
  • 39. Method according to one of the sentences 24 to 38, characterized in that an alkaline anodic electrolyte ( 128 ) is used.
  • 40. Method according to one of the sentences 24 to 39, characterized in that an acidic cathodic electrolyte ( 129 ) is used.
  • 41. Method according to one of the sentences 24 to 40, characterized in that an anode ( 140 ) is formed such that it consists of the anodic catalyst ( 146 ) consists of or the anodic catalyst ( 146 ) is formed or the anodic catalyst ( 146 ) contains or with the anodic catalyst ( 146 ) is coated or with the anodic catalyst ( 146 ) is in electrically conductive contact.
  • 42. Method according to one of the sentences 24 to 41, characterized in that the anode ( 140 ) is solid or network-shaped.
  • 43. The method according to one of the sentences 24 to 42, characterized in that an anodic catalyst ( 146 ) is used, which is nickel, iridium or cobalt or contains nickel, iridium and / or cobalt, in particular in the form NiO x , NiCeO x , NiCoO x , NiCuO x , NiFeO x , NiLaO x , IrO x , CoFeO x or CoO x .
  • 44. Method according to one of the sentences 24 to 43, characterized in that the cathodic catalyst ( 144 ) in the cathodic electrolyte ( 129 ) is suspended.
  • 45. The method according to sentence 44, characterized in that the suspended cathodic catalyst ( 144 ) is used with a particle size which is smaller than 50 µm, in particular smaller than 5 µm.
  • 46. Method according to one of the sentences 24 to 45, characterized in that the cathodic catalyst ( 144 ) Mo 2 C, Mo 2 S or NiP is or contains.
  • 47. Using an electrolyser ( 110 ) according to one of the sentences 1 to 23 for carrying out a method according to one of the sentences 24 to 46.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:

  • 1: eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels eines Elektrolyseurs, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist;
  • 2: eine schematische Darstellung Elektrodenpotentialdifferenz der Wasserspaltungsreaktion in saurem und alkalischem Medium;
  • 3: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Elektrolyseurs gemäß der Erfindung;
  • 4: eine schematische Darstellung der Elektrodenpotentialdifferenz unter Verwendung eines Mediator-Ions als Teil eines V2+/V3+ Redox-Paars; und
  • 5: eine Übersicht der Reaktionsgleichungen in der Dissoziationsschicht der Bipolarmembran (1), an der Kathode (2) und (3) sowie an der Anode (4).
The following description of preferred embodiments of the invention serves in conjunction with the drawings for a more detailed explanation. Show it:
  • 1 : A schematic representation of the structure of an embodiment of an electrolyzer, as is known from the prior art;
  • 2nd : a schematic representation of the electrode potential difference of the water splitting reaction in acidic and alkaline medium;
  • 3rd : a schematic representation of an embodiment of an electrolyzer according to the invention;
  • 4th : a schematic representation of the electrode potential difference using a mediator ion as part of a V 2+ / V 3+ redox pair; and
  • 5 : an overview of the reaction equations in the dissociation layer of the bipolar membrane (1), at the cathode (2) and (3) and at the anode (4).

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines aus dem Stand der Technik bekannten Elektrolyseurs 10 zum Zerlegen von Wasser 12 in Wasserstoff 14 und Sauerstoff 16 unter Einsatz von elektrischer Energie, die durch Spannungsquelle 18 bereitgestellt wird, schematisch dargestellt.In 1 is an embodiment of an electrolyzer known from the prior art 10th for disassembling water 12th in hydrogen 14 and oxygen 16 using electrical energy generated by voltage source 18th is provided, shown schematically.

Der Elektrolyseur 10 umfasst eine Elektrolysezelle 20, welche eine anodische Halbzelle 22 und eine kathodische Halbzelle 24 umfasst. Die beiden Halbzellen 22 und 24 sind durch einen Separator 26 voneinander getrennt.The electrolyzer 10th comprises an electrolytic cell 20 which is an anodic half cell 22 and a cathodic half cell 24th includes. The two half cells 22 and 24th are through a separator 26 separated from each other.

Die beiden Halbzellen 22 und 24 sind mit einem Elektrolyt 28 befüllt. Ist der Separator 26 in Form einer Protonenaustauschmembran (PEM) ausgebildet, weist der Elektrolyt 28 einen pH-Wert im neutralen Bereich auf, definiert also ein neutrales Milieu, und zwar sowohl in der anodischen Halbzelle 22 als auch in der kathodischen Halbzelle 24. Die Protonenaustauschmembran ist ausschließlich für Protonen 30, also H+-Ionen, permeabel.The two half cells 22 and 24th are with an electrolyte 28 filled. Is the separator 26 formed in the form of a proton exchange membrane (PEM), the electrolyte 28 has a pH value in the neutral range, i.e. defines a neutral milieu, both in the anodic half cell 22 as well as in the cathodic half cell 24th . The proton exchange membrane is only for protons 30th , i.e. H + ions, permeable.

In die kathodische Halbzelle 24 taucht eine Elektrode 32 in Form einer Kathode 34 ein, die elektrisch leitend mit dem Minuspol 36 der Spannungsquelle 18 verbunden ist.In the cathodic half cell 24th dips an electrode 32 in the form of a cathode 34 one that is electrically conductive with the negative pole 36 the voltage source 18th connected is.

In die anodische Halbzelle 22 taucht eine Elektrode 38 in Form einer Anode 40 ein, die elektrisch leitend mit dem Pluspol 42 der Spannungsquelle 18 verbunden ist. In the anodic half cell 22 dips an electrode 38 in the form of an anode 40 one that is electrically conductive with the positive pole 42 the voltage source 18th connected is.

Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Elektrolyseurs 10 ist die Kathode 34 aus einem elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel Edelstahl oder Kohlenstoff, ausgebildet, und mit einem kathodischen Katalysator 44 beschichtet. Bei dem kathodischen Katalysator 44 handelt es sich um Platin.At the in 1 illustrated embodiment of the electrolyzer 10th is the cathode 34 made of an electrically conductive material, for example stainless steel or carbon, and with a cathodic catalyst 44 coated. The cathodic catalyst 44 it is platinum.

Die Anode 40 ist ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet, welches oxidationsbeständig sein muss, beispielsweise aus Titan, und mit einem anodischen Katalysator 46 beschichtet. Bei diesem handelt es sich um Iridium.The anode 40 is also made of an electrically conductive material, which must be resistant to oxidation, for example titanium, and with an anodic catalyst 46 coated. This is iridium.

In 2 sind die zugehörigen elektrochemischen Potentiale des Elektrolyseurs 10 schematisch dargestellt. Die erforderliche Zellspannung zur Zersetzung von Wasser 12 in Wasserstoff 14 und Sauerstoff 16 beträgt etwa 1,23 Volt. Weist der Elektrolyt 28 einen sauren pH-Wert auf, bewegen sich in der anodischen Halbzelle 22 erzeugte Protonen 30 durch den Separator 26 zur Kathode 34 hin und werden dort, unterstützt durch den kathodischen Katalysator 44, nach Aufnahme von Elektronen (e-) zu molekularem Wasserstoff 14 reduziert.In 2nd are the associated electrochemical potentials of the electrolyzer 10th shown schematically. The cell voltage required to decompose water 12th in hydrogen 14 and oxygen 16 is about 1.23 volts. Has the electrolyte 28 acidic pH, move in the anodic half cell 22 generated protons 30th through the separator 26 to the cathode 34 there and there, supported by the cathodic catalyst 44 , after taking up electrons (e - ) to molecular hydrogen 14 reduced.

Die aus Wassermolekülen dissoziierten Hydroxidionen (OH-) bewegen sich zur Anode 40 hin und werden unter Abgabe von Elektronen in molekularen Sauerstoff 16 und Wasser 12 umgewandelt. Weist der Elektrolyt 28 einen neutralen pH Wert auf, entstehen in der anodischen Halbzelle 22 durch die Oxidation von Wasser 12 am anodischen Katalysator 46 molekularer Sauerstoff und Protonen 30. Die Protonen 30 bewegen sich aufgrund der gegensätzlichen Ladung durch den Separator 26 zur Kathode 34.The hydroxide ions (OH - ) dissociated from water molecules move towards the anode 40 back and forth, releasing electrons into molecular oxygen 16 and water 12th transformed. Has the electrolyte 28 have a neutral pH value in the anodic half cell 22 through the oxidation of water 12th on the anodic catalyst 46 molecular oxygen and protons 30th . The protons 30th move through the separator due to the opposite charge 26 to the cathode 34 .

Ersetzt man den Separator 26 durch eine Anionenaustauschmembran, die für Hydroxidionen permeabel ist, und wählt einen alkalischen Elektrolyt 28, so bleibt die für die Elektrolyse erforderliche Zellspannung erhalten, wie sich dies schematisch aus 2 ergibt.If you replace the separator 26 through an anion exchange membrane that is permeable to hydroxide ions and selects an alkaline electrolyte 28 , the cell voltage required for electrolysis is retained, as can be seen schematically 2nd results.

Betreibt man den Elektrolyseur 10 im alkalischen Milieu können als anodischer Katalysator 46 Nickel und als anodische Katalysatoren 44 Cobalt und/oder Mangan eingesetzt werden. Der Nachteil eines alkalischen Elektrolyts 28 ist jedoch, dass ständig Hydroxidionen nachgeliefert werden müssen. Zudem sind stark alkalische Elektrolyten 28 hochgradig korrosiv.One operates the electrolyzer 10th in an alkaline environment can act as an anodic catalyst 46 Nickel and as anodic catalysts 44 Cobalt and / or manganese can be used. The disadvantage of an alkaline electrolyte 28 is, however, that hydroxide ions have to be supplied constantly. There are also strong alkaline electrolytes 28 highly corrosive.

3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Elektrolyseurs 110 gemäß der Erfindung. Auch er dient dazu, Wasser 112 in molekularen Wasserstoff 114 und molekularen Sauerstoff 116 zu zerlegen. Auch hierfür wird elektrische Energie eingesetzt, die durch eine Spannungsquelle 118 bereitgestellt wird. 3rd shows schematically an embodiment of an electrolyzer 110 according to the invention. It also serves water 112 in molecular hydrogen 114 and molecular oxygen 116 disassemble. For this, too, electrical energy is used by a voltage source 118 provided.

Der Elektrolyseur 110 umfasst eine Elektrolysezelle 120 mit einer anodischen Halbzelle 122 und einer kathodischen Halbzelle 124. Die Halbzellen 122 und 124 sind durch einen Separator 126 voneinander getrennt.The electrolyzer 110 comprises an electrolytic cell 120 with an anodic half cell 122 and a cathodic half cell 124 . The half cells 122 and 124 are through a separator 126 separated from each other.

Die anodische Halbzelle 122 ist mit einem anodischen Elektrolyt 128 befüllt, die kathodische Halbzelle 124 mit einem kathodischen Elektrolyt 129.The anodic half cell 122 is with an anodic electrolyte 128 filled, the cathodic half cell 124 with a cathodic electrolyte 129 .

In den kathodischen Elektrolyt 129 der kathodischen Halbzelle 124 taucht eine Elektrode 132 in Form eine Kathode 134 ein. Die Kathode 134 ist elektrisch leitend mit dem Minuspol 136 der Spannungsquelle 118 verbunden.In the cathodic electrolyte 129 the cathodic half cell 124 dips an electrode 132 in the form of a cathode 134 a. The cathode 134 is electrically conductive with the negative pole 136 the voltage source 118 connected.

In den anodischen Elektrolyt 128 der anodischen Halbzelle 122 taucht eine Elektrode 138 in Form einer Anode 140 ein. Die Anode 140 ist elektrisch leitend mit dem Pluspol 142 der Spannungsquelle 118 verbunden.In the anodic electrolyte 128 the anodic half cell 122 dips an electrode 138 in the form of an anode 140 a. The anode 140 is electrically conductive with the positive pole 142 the voltage source 118 connected.

Die Anode 140 besteht bei einem Ausführungsbeispiel des Elektrolyseurs aus dem anodischen Katalysator 146. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Anode 140 aus dem anodischen Katalysator 146 ausgebildet. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält die Anode 140 den anodischen Katalysator 146. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Anode 140 mit dem anodischen Katalysator 146 beschichtet. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel steht die Anode 140 elektrisch leitend mit dem anodischen Katalysator 146 in Kontakt.The anode 140 in one embodiment of the electrolyzer consists of the anodic catalyst 146 . In another embodiment, the anode is 140 from the anodic catalyst 146 educated. In another embodiment, the anode contains 140 the anodic catalyst 146 . In another embodiment, the anode 140 with the anodic catalyst 146 coated. In a further embodiment, the anode is standing 140 electrically conductive with the anodic catalyst 146 in contact.

Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anode 140 massiv ausgebildet. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Anode 140 netzförmig ausgebildet.At the in 3rd The illustrated embodiment is the anode 140 massively trained. In another embodiment, the anode 140 reticulated.

Der anodische Katalysator 146 ist bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel Nickel. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der anodische Katalysator 146 Iridium oder Cobalt oder enthält Nickel, Iridium und/oder Cobalt. Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist oder enthält der anodische Katalysator NiOx, NiCeOx, NiCoOx, NiCuOx, NiFeOx, NiLaOx, IrOx, CoFeOx oder CoOx.The anodic catalyst 146 is with the in 3rd illustrated embodiment nickel. In another embodiment, the anodic catalyst 146 Iridium or cobalt or contains nickel, iridium and / or cobalt. In further exemplary embodiments, the anodic catalyst is or contains NiO x , NiCeO x , NiCoO x , NiCuO x , NiFeO x , NiLaO x , IrO x , CoFeO x or CoO x .

Die Kathode 34 ist bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel aus Kohlenstoff ausgebildet.The cathode 34 is with the in 3rd illustrated embodiment formed from carbon.

Der kathodische Katalysator 144 ist im kathodischen Elektrolyt 129 suspendiert. Die Partikelgröße des suspendierten kathodischen Katalysators 144 ist kleiner als 50 µm. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Partikelgröße kleiner als 5 µm.The cathodic catalyst 144 is in the cathodic electrolyte 129 suspended. The particle size of the suspended cathodic catalyst 144 is less than 50 µm. In a further exemplary embodiment, the particle size is less than 5 μm.

Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der kathodische Katalysator 144 Molybdenkarbid Mo2C. Eingesetzt wurde Mo2C der Firma Sigma-Aldrich® mit der Produktnummer 399531 in Pulverform mit einer Partikelgröße ≤ 45 µm.At the in 3rd The illustrated embodiment is the cathodic catalyst 144 Molybdenum carbide Mo 2 C. Mo 2 C from Sigma-Aldrich ® with the product number was used 399531 in powder form with a particle size ≤ 45 µm.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist der kathodische Katalysator Mo2S oder NiP oder enthält eine dieser beiden Verbindungen.In further exemplary embodiments, the cathodic catalyst is Mo 2 S or NiP or contains one of these two compounds.

Der Separator 126 ist in Form einer Bipolarmembran 148 ausgebildet. Sie umfasst eine Anionenaustauschmembran 150 sowie eine Kationenaustauschmembran 152. Die Anionenaustauschmembran 150 und die Kationenaustauschmembran 152 sind durch eine Dissoziationsschicht 154 voneinander getrennt. Die Kationenaustauschmembran 152 ist in Form einer Protonenaustauschmembran 156 ausgebildet.The separator 126 is in the form of a bipolar membrane 148 educated. It includes an anion exchange membrane 150 as well as a cation exchange membrane 152 . The anion exchange membrane 150 and the cation exchange membrane 152 are through a dissociation layer 154 separated from each other. The cation exchange membrane 152 is in the form of a proton exchange membrane 156 educated.

Die Dissoziationsschicht 154 enthält einen Dissoziationskatalysator oder ist aus diesem ausgebildet. Der Dissoziationskatalysator unterstützt die Aufspaltung von Wassermolekülen in Hydroxidionen 158 und Protonen 130.The dissociation layer 154 contains or is formed from a dissociation catalyst. The dissociation catalyst supports the splitting of water molecules into hydroxide ions 158 and protons 130 .

Der Dissoziationskatalysator ist bei dem Ausführungsbeispiel der 3 Eisenoxid oder enthält Eisenoxid in der Form Eisen(III)-Oxid (Fe2O3).The dissociation catalyst is in the embodiment of the 3rd Iron oxide or contains iron oxide in the form of iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ).

Eine Schichtdicke der Dissoziationsschicht 154 liegt in einem Bereich von etwa 5 nm bis etwa 500 µm. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel liegt die Schichtdicke der Dissoziationsschicht 154 in einem Bereich von etwa 50 nm bis etwa 50 µm.A layer thickness of the dissociation layer 154 is in a range from about 5 nm to about 500 µm. In a further exemplary embodiment, the layer thickness of the dissociation layer is 154 in a range from about 50 nm to about 50 µm.

Der Dissoziationskatalysator in der Dissoziationsschicht 154 spaltet Wassermoleküle in Hydroxidionen 158 und Protonen 130 auf. Die Protonen 130 wandern im elektrischen Feld der Elektrolysezelle 120 durch die Kationenaustauschmembran 152 in die kathodische Halbzelle 124.The dissociation catalyst in the dissociation layer 154 splits water molecules into hydroxide ions 158 and protons 130 on. The protons 130 migrate in the electric field of the electrolytic cell 120 through the cation exchange membrane 152 into the cathodic half cell 124 .

Anders als bei dem Ausführungsbeispiel des Elektrolyseurs 10 erfolgt die Reduktion der Protonen 130 nicht an der Kathode 134. Beim Elektrolyseur 110 wird ein anderer Mechanismus genutzt. Hierfür ist in dem kathodischen Elektrolyt 128 ein reduzierbares Kation 160 gelöst. Bei dem reduzierbaren Kation 160 handelt es sich um V3+-Ionen, die durch Aufnahme eines Elektrons 162 an der Kathode 134 zu V2+-Ionen reduziert werden, die als Mediator-Ionen 164 für die Wasserstoffentwicklungsreaktion dienen.Different from the embodiment of the electrolyzer 10th the protons are reduced 130 not on the cathode 134 . At the electrolyser 110 another mechanism is used. For this is in the cathodic electrolyte 128 a reducible cation 160 solved. With the reducible cation 160 it is V 3+ ions, which take up an electron 162 on the cathode 134 reduced to V 2+ ions, which act as mediator ions 164 serve for the hydrogen evolution reaction.

Das reduzierbare Kation 160 wird durch Lösen eines Salzes in den kathodischen Elektrolyt 129 eingebracht. Bei dem Ausführungsbeispiel des Elektrolyseurs 110 wird Vanadylsulfat (VOS4) eingesetzt, und zwar von der Firma Sigma-Aldrich® mit der Produktnummer 233706. Es handelt sich dabei um blaues Pulver oder blaue Kristalle, die eingelagertes Wasser enthalten.The reducible cation 160 is done by dissolving a salt in the cathodic electrolyte 129 brought in. In the embodiment of the electrolyzer 110 Vanadyl sulfate (VOS 4 ) is used by Sigma-Aldrich ® with the product number 233706 . It is blue powder or blue crystals that contain stored water.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen werden als reduzierbare Kationen Cr3+ und/oder Fe3+ eingesetzt, die mit Mediator-Ionen Cr2+ beziehungsweise Fe2+ Redox-Paare in der Form Cr3+/Cr2+ beziehungsweise Fe3+/Fe2+ bilden.In further exemplary embodiments, Cr 3+ and / or Fe 3+ are used as reducible cations, those with mediator ions Cr 2+ or Fe 2+ redox pairs in the form Cr 3+ / Cr 2+ or Fe 3+ / Fe 2 + form.

Diese alternativen Redox-Paare können in den kathodischen Elektrolyt 129 durch Lösen entsprechender Salze eingebracht werden, also insbesondere durch Lösen von Chrom- oder Eisensalzen.These alternative redox pairs can be in the cathodic electrolyte 129 be introduced by dissolving appropriate salts, in particular by dissolving chromium or iron salts.

Die Reduktion der Protonen 130 zu molekularem Wasserstoff 114 erfolgt durch Übertragung von Elektronen der Mediator-Ionen 164 im Beisein des kathodischen Katalysators 144 im kathodischen Elektrolyt 129. Bei diesem chemischen Reaktionsweg wird das Mediator-Ion 164 wieder in das reduzierbare Kation 160 oxidiert.The reduction of protons 130 to molecular hydrogen 114 is done by transferring electrons from the mediator ions 164 in the presence of the cathodic catalyst 144 in the cathodic electrolyte 129 . In this chemical reaction path, the mediator ion 164 back into the reducible cation 160 oxidized.

Der kathodische Elektrolyt 129 weist einen pH-Wert im sauren Bereich auf. Der anodische Elektrolyt 128 weist einen pH-Wert im alkalischen Bereich auf.The cathodic electrolyte 129 has a pH in the acidic range. The anodic electrolyte 128 has a pH in the alkaline range.

Den Vorteil der Verwendung des reduzierbaren Kations 160, das mit dem Mediator-Ion 164 ein Redox-Paar bildet, ergibt sich direkt aus 4. Das Redox-Potential des Redox-Paars V2+/V3+ in saurer Umgebung beträgt etwa 0,26 Volt. Die Halbzellspannung für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) in alkalischem Milieu beträgt etwa 0,4 Volt. Daraus ergibt sich eine Zellspannung von ungefähr 0,66 Volt. Diese ist somit nur halb so groß wie die Zellspannung herkömmlicher Elektrolyseure 10, die wie oben beschrieben etwa 1,23 Volt beträgt.The advantage of using the reducible cation 160 that with the mediator ion 164 forms a redox pair results directly from 4th . The redox potential of the redox pair V 2+ / V 3+ in an acidic environment is approximately 0.26 volts. The half cell voltage for the oxygen evolution reaction (OER) in an alkaline environment is about 0.4 volts. This results in a cell voltage of approximately 0.66 volts. This is only half the cell voltage of conventional electrolysers 10th which is approximately 1.23 volts as described above.

Das Ausführungsbeispiel des Elektrolyseurs 110 hat somit den Vorteil, dass er mit deutlich geringerer Zellspannung betrieben werden kann. Da die Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs 10 beziehungsweise 110 definiert wird durch das Produkt aus Strom und Spannung und die Eingangsleistung direkt korreliert ist mit der Umwandlung von Wasser 112 zu Wasserstoff 114 und Sauerstoff 116, bedeutet die Absenkung der Zellspannung, dass die Eingangsleistung verringert wird und somit die Betriebskosten, insbesondere für elektrische Energie, im Vergleich zu herkömmlichen Elektrolyseuren 10 beim Elektrolyseur 110 deutlich verringert sind.The embodiment of the electrolyzer 110 has the advantage that it can be operated with a significantly lower cell voltage. Because the power consumption of the electrolyzer 10th respectively 110 is defined by the product of current and voltage and the input power is directly correlated with the conversion of water 112 to hydrogen 114 and oxygen 116 , the lowering of the cell voltage means that the input power is reduced and thus the operating costs, in particular for electrical energy, in comparison to conventional electrolysers 10th at the electrolyser 110 are significantly reduced.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können sowohl der kathodische Elektrolyt 129 als auch der anodische Elektrolyt 128 Wasser sein. Durch die Dissoziation von Wassermolekülen in der Dissoziationsschicht 154 stellt sich nach kurzer Zeit in der anodischen Halbzelle 122 ein alkalischer pH-Wert ein, in der kathodischen Halbzelle 124 ein saurer pH-Wert.In a further embodiment, both the cathodic electrolyte 129 as well as the anodic electrolyte 128 Be water. Through the Dissociation of water molecules in the dissociation layer 154 turns up after a short time in the anodic half cell 122 an alkaline pH in the cathodic half cell 124 an acidic pH.

In 5 sind die Reaktionsgleichungen des Elektrolyseurs 110 schematisch dargestellt. Gleichung (1) beschreibt die Zersetzung von Wasser 112 in Protonen 130 und Hydroxidionen 158.In 5 are the reaction equations of the electrolyzer 110 shown schematically. Equation (1) describes the decomposition of water 112 in protons 130 and hydroxide ions 158 .

Gleichung (2) beschreibt die Reduktion des reduzierbaren Kations V3+ durch Aufnahme eines Elektrons in das Mediator-Ion V2+.Equation (2) describes the reduction of the reducible cation V 3+ by incorporating an electron into the mediator ion V 2+ .

Die Gleichung (3) beschreibt die chemische Umwandlung von Protonen 158 im Zusammenwirken mit Mediator-Ionen 164, die im Beisein des kathodischen Katalysators 144 Elektronen (e+) abgeben und somit wieder zum reduzierbaren Kation 160 oxidiert werden unter Ausbildung von molekularem Wasserstoff 114.Equation (3) describes the chemical conversion of protons 158 in cooperation with mediator ions 164 in the presence of the cathodic catalyst 144 Release electrons (e + ) and thus again to the reducible cation 160 are oxidized with the formation of molecular hydrogen 114 .

Gleichung (4) beschreibt die Sauerstoffentwicklungsreaktion der anodischen Halbzelle 122. Hydroxidionen 158 werden unter Abgabe von Elektronen (e+) in molekularem Sauerstoff 116 und Wasser 112 umgewandelt.Equation (4) describes the oxygen evolution reaction of the anodic half cell 122 . Hydroxide ions 158 are emitting electrons (e + ) in molecular oxygen 116 and water 112 transformed.

Die vorgeschlagene Ausbildung des Elektrolyseurs 110 ermöglicht insbesondere den Einsatz kostengünstiger Katalysatoren 144 und 146 sowohl für die anodische Halbzelle 122 als auch für die kathodische Halbzelle 124. Zudem kann als Elektrolyt 128 beziehungsweise 129 Wasser eingesetzt werden. Die Gefahr von Korrosionen des Elektrolyseurs 110 kann dadurch minimiert werden. Auch der Einsatz schwach saurer kathodischer Elektrolyte 129 und schwach alkalischer anodischer Elektrolyte 128 ist möglich.The proposed training of the electrolyzer 110 enables in particular the use of inexpensive catalysts 144 and 146 both for the anodic half cell 122 as well as for the cathodic half cell 124 . It can also act as an electrolyte 128 respectively 129 Water can be used. The risk of corrosion of the electrolyser 110 can be minimized. Also the use of weakly acidic cathodic electrolytes 129 and weakly alkaline anodic electrolytes 128 is possible.

Durch den beschriebenen Elektrolyseur 110 können die Nachteile herkömmlicher Elektrolyseure 10 überwunden werden.By the electrolyser described 110 can overcome the disadvantages of conventional electrolysers 10th be overcome.

Der Elektrolyseur 110 kann insbesondere dafür eingesetzt werden, um Wasserstoff 114 aus elektrischer Energie, die durch erneuerbare Energien bereitgestellt wird, aus Wasser 112 zu erzeugen. Es sind deutlich geringere Anforderungen hinsichtlich der Kosten und der Sicherheit als bei Elektrolyseuren 10 nach dem Stand der Technik erforderlich. Zudem kann Wasserstoff 114 mit einem Reinheitsgrad erzeugt werden.The electrolyzer 110 can be used in particular to hydrogen 114 from electrical energy provided by renewable energies, from water 112 to create. There are significantly lower requirements in terms of costs and safety than for electrolysers 10th required according to the state of the art. In addition, hydrogen can 114 be produced with a degree of purity.

Berücksichtigt man, dass der globale Bedarf an Wasserstoff bei etwa 60 Millionen pro Jahr liegt und ständig zunimmt, wird mit derzeitigen Elektrolyseuren 10 eine Gesamtmenge von etwa 330 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid zur Ausbildung des Wasserstoffs an die Atmosphäre abgegeben, wenn fossile Energieträger zur Bereitstellung der elektrischen Energie eingesetzt werden.Taking into account that the global demand for hydrogen is around 60 million a year and is constantly increasing, with current electrolyzers 10th emits a total of approximately 330 million tons of carbon dioxide into the atmosphere to produce hydrogen when fossil fuels are used to provide the electrical energy.

Die Erzeugung von Kohlenstoffdioxid kann durch Einsatz elektrischer Energie aus erneuerbaren Energien auf Null reduziert werden. Dies ist grundsätzlich auch bei Elektrolyseuren 10 denkbar.The production of carbon dioxide can be reduced to zero by using electrical energy from renewable energies. This is basically also the case with electrolysers 10th conceivable.

In jedem Fall sind die Anschaffungs- und Betriebskosten für den Elektrolyseur 110 im Vergleich zum Elektrolyseur 10 deutlich geringer und somit die Kosten für die Herstellung von Wasserstoff 114 ebenfalls geringer. Der vorgeschlagene Elektrolyseur 110 ermöglicht es - andersherum ausgedrückt - mit demselben Aufwand an Kosten und Energie mehr Wasserstoff 114 für neue Antriebstechnologien bereitzustellen und trotzdem CO2-Emissionen signifikant zu verringern.In any case, the purchase and operating costs for the electrolyzer 110 compared to the electrolyzer 10th significantly lower and thus the cost of producing hydrogen 114 also lower. The proposed electrolyzer 110 In other words, it enables more hydrogen with the same effort and cost 114 for new drive technologies and still significantly reduce CO 2 emissions.

Die beschriebenen Elektrolyseure 110 lassen sich insbesondere zur Elektrolyse von Wasser 112, also insbesondere zur Herstellung von Wasserstoff 114 sowie zur Speicherung elektrischer Energie nutzen.The electrolysers described 110 can be used in particular for the electrolysis of water 112 , in particular for the production of hydrogen 114 as well as for storing electrical energy.

BezugszeichenlisteReference list

1010th
ElektrolyseurElectrolyser
1212th
Wasserwater
1414
Wasserstoffhydrogen
1616
Sauerstoffoxygen
1818th
SpannungsquelleVoltage source
2020
ElektrolysezelleElectrolytic cell
2222
anodische Halbzelleanodic half cell
2424th
kathodische Halbzellecathodic half cell
2626
Separatorseparator
2828
Elektrolytelectrolyte
3030th
Protonproton
3232
Elektrodeelectrode
3434
Kathodecathode
3636
MinuspolNegative pole
3838
Elektrodeelectrode
4040
Anodeanode
4242
PluspolPositive pole
4444
kathodischer Katalysatorcathodic catalyst
4646
anodischer Katalysatoranodic catalyst
110110
ElektrolyseurElectrolyser
112112
Wasserwater
114114
Wasserstoffhydrogen
116116
Sauerstoffoxygen
118118
SpannungsquelleVoltage source
120120
ElektrolysezelleElectrolytic cell
122122
anodische Halbzelleanodic half cell
124124
kathodische Halbzellecathodic half cell
126126
Separatorseparator
128128
anodischer Elektrolytanodic electrolyte
129129
kathodischer Elektrolytcathodic electrolyte
130130
Protonproton
132132
Elektrodeelectrode
134134
Kathodecathode
136136
MinuspolNegative pole
138138
Elektrodeelectrode
140140
Anodeanode
142142
PluspolPositive pole
144144
kathodischer Katalysatorcathodic catalyst
146146
anodischer Katalysatoranodic catalyst
148148
BipolarmembranBipolar membrane
150150
AnionenaustauschmembranAnion exchange membrane
152152
KationenaustauschmembranCation exchange membrane
154154
DissoziationsschichtDissociation layer
156156
ProtonenaustauschmembranProton exchange membrane
158158
HydroxidionHydroxide ion
160160
reduzierbares Kationreducible cation
162162
Elektronelectron
164164
Mediator-IonMediator ion

Claims (20)

Elektrolyseur (110) zum Aufspalten von molekularem Wasser (112) in molekularen Wasserstoff (114) und molekularen Sauerstoff (116) unter Einsatz elektrischer Energie, welcher Elektrolyseur (110) eine anodische Halbzelle (122) mit einer Anode (140) und eine kathodische Halbzelle (124) mit einer Kathode (134) umfasst, wobei die anodische Halbzelle (122) und die kathodische Halbzelle (124) durch einen Separator (126) voneinander getrennt sind, wobei die anodische Halbzelle (122) einen anodischen Elektrolyt (128) umfasst, welcher mit der Anode (140) in Kontakt steht, und wobei die kathodische Halbzelle (124) einen kathodischen Elektrolyt (129) umfasst, welcher mit der Kathode (134) in Kontakt steht, wobei die anodische Halbzelle (122) einen anodischen Katalysator (146) umfasst und wobei die kathodische Halbzelle (124) einen kathodischen Katalysator (144) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Halbzelle (124) zur Erzeugung eines Mediator-Ions (164) mindestens ein durch Elektronenaufnahme reduzierbares Kation (160) enthält und dass das reduzierbare Kation (160) und das Mediator-Ion (164) ein Redox-Paar bilden.Electrolyser (110) for splitting molecular water (112) into molecular hydrogen (114) and molecular oxygen (116) using electrical energy, which electrolyzer (110) has an anodic half cell (122) with an anode (140) and a cathodic half cell (124) with a cathode (134), the anodic half cell (122) and the cathodic half cell (124) being separated from one another by a separator (126), the anodic half cell (122) comprising an anodic electrolyte (128), which is in contact with the anode (140), and wherein the cathodic half cell (124) comprises a cathodic electrolyte (129) which is in contact with the cathode (134), the anodic half cell (122) comprising an anodic catalyst (146 ) and wherein the cathodic half cell (124) comprises a cathodic catalyst (144), characterized in that the cathodic half cell (124) for generating a mediator ion (164) has at least one electr contains the reducible cation (160) and that the reducible cation (160) and the mediator ion (164) form a redox pair. Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das reduzierbare Kation (160) durch Elektronenaufnahme an der Kathode (134) um mindestens eine Oxidationsstufe reduzierbar ist.Electrolyser after Claim 1 , characterized in that the reducible cation (160) can be reduced by at least one oxidation state by electron acceptance at the cathode (134). Elektrolyseur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das reduzierbare Kation (160) im kathodischen Elektrolyt (129) gelöst ist.Electrolyser after Claim 1 or 2nd , characterized in that the reducible cation (160) is dissolved in the cathodic electrolyte (129). Elektrolyseur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass a) das im kathodischen Elektrolyt (129) gelöste reduzierbare Kation (160) ein Ion aus der Gruppe der Übergangsmetalle ist, insbesondere ein Vanadium-Ion, ein Chrom-Ion oder ein Eisen-Ion und/oder b) das reduzierbare Kation (160) in den kathodischen Elektrolyt (129) durch Lösen eines Salzes, insbesondere eines Übergangsmetall-Salzes, weiter insbesondere eines Vanadium-Salzes, eingebracht ist.Electrolyser after Claim 3 , characterized in that a) the reducible cation (160) dissolved in the cathodic electrolyte (129) is an ion from the group of transition metals, in particular a vanadium ion, a chromium ion or an iron ion and / or b) the reducible cation (160) is introduced into the cathodic electrolyte (129) by dissolving a salt, in particular a transition metal salt, more particularly a vanadium salt. Elektrolyseur nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (126) in Form einer Bipolarmembran (148) ausgebildet ist.Electrolyser according to one of the preceding claims, characterized in that the separator (126) is designed in the form of a bipolar membrane (148). Elektrolyseur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarmembran (148) eine Anionenaustauschmembran (150) und eine Kationenaustauschmembran (152), insbesondere in Form einer Protonenaustauschmembran (156), umfasst.Electrolyser after Claim 5 , characterized in that the bipolar membrane (148) comprises an anion exchange membrane (150) and a cation exchange membrane (152), in particular in the form of a proton exchange membrane (156). Elektrolyseur nach 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anionenaustauschmembran (150) und die Kationenaustauschmembran (152) durch eine Dissoziationsschicht (154) voneinander getrennt sind.Electrolyser according to 6, characterized in that the anion exchange membrane (150) and the cation exchange membrane (152) are separated from one another by a dissociation layer (154). Elektrolyseur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dissoziationsschicht (154) a) einen Dissoziationskatalysator, insbesondere zum Aufspalten von Wassermolekülen (112) in Hydroxidionen (158) und Protonen (130), enthält, wobei insbesondere der Dissoziationskatalysator Eisenoxid, insbesondere Eisen(III)-Oxid (Fe2O3), ist oder enthält, und/oder b) eine Schichtdicke in einem Bereich von etwa 5 nm bis etwa 500 µm aufweist, insbesondere in einem Bereich von etwa 50 nm bis etwa 50 µm.Electrolyser after Claim 7 , characterized in that the dissociation layer (154) a) contains a dissociation catalyst, in particular for splitting water molecules (112) into hydroxide ions (158) and protons (130), the dissociation catalyst in particular iron oxide, in particular iron (III) oxide ( Fe 2 O 3 ), is or contains, and / or b) has a layer thickness in a range from approximately 5 nm to approximately 500 μm, in particular in a range from approximately 50 nm to approximately 50 μm. Elektrolyseur nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) der kathodische Elektrolyt (129) Wasser oder eine wässrige Lösung ist und/oder dass der anodische Elektrolyt (128) Wasser oder eine wässrige Lösung ist und/oder b) der anodische Elektrolyt (128) und/oder der kathodische Elektrolyt (129) einen pH-Wert von 7 oder im Wesentlichen 7 aufweisen und/oder c) sich ein pH-Wert des anodischen Elektrolyts (128) und ein pH-Wert des kathodischen Elektrolyts (129) unterscheiden und einen pH-Gradient definieren, wobei insbesondere der pH-Gradient mindestens 1, insbesondere mindestens 3, weiter insbesondere mindestens 5, beträgt, und/oder d) der anodische Elektrolyt (128) alkalisch ist und/oder e) der kathodische Elektrolyt (129) sauer ist und/oder f) die Anode (140) aus dem anodischen Katalysator (146) besteht oder aus dem anodischen Katalysator (146) ausgebildet ist oder den anodischen Katalysator (146) enthält oder mit dem anodischen Katalysator (146) beschichtet ist oder mit dem anodischen Katalysator (146) elektrisch leitend in Kontakt steht.Electrolyser according to one of the preceding claims, characterized in that a) the cathodic electrolyte (129) is water or an aqueous solution and / or that the anodic Electrolyte (128) is water or an aqueous solution and / or b) the anodic electrolyte (128) and / or the cathodic electrolyte (129) have a pH of 7 or essentially 7 and / or c) a pH Distinguish the value of the anodic electrolyte (128) and a pH value of the cathodic electrolyte (129) and define a pH gradient, the pH gradient in particular being at least 1, in particular at least 3, more particularly at least 5, and / or d ) the anodic electrolyte (128) is alkaline and / or e) the cathodic electrolyte (129) is acidic and / or f) the anode (140) consists of the anodic catalyst (146) or is formed from the anodic catalyst (146) or contains the anodic catalyst (146) or is coated with the anodic catalyst (146) or is in electrically conductive contact with the anodic catalyst (146). Elektrolyseur nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Anode (140) massiv oder netzförmig ausgebildet ist und/oder b) der anodische Katalysator (146) Nickel, Iridium oder Cobalt ist oder Nickel, Iridium und/oder Cobalt enthält, insbesondere in der Form NiOx, NiCeOx, NiCoOx, NiCuOx, NiFeOx, NiLaOx, IrOx, CoFeOx oder CoOx, und/oder c) der kathodische Katalysator (144) im kathodischen Elektrolyt (129) suspendiert ist, wobei insbesondere eine Partikelgröße des suspendierten kathodischen Katalysators (144) kleiner als 50 µm ist, insbesondere kleiner als 5 µm, und/oder d) der kathodische Katalysator (144) Mo2C, Mo2S oder NiP ist oder enthält.Electrolyser according to one of the preceding claims, characterized in that a) the anode (140) is solid or reticulated and / or b) the anodic catalyst (146) is nickel, iridium or cobalt or contains nickel, iridium and / or cobalt, in particular in the form NiO x , NiCeO x , NiCoO x , NiCuO x , NiFeO x , NiLaO x , IrO x , CoFeO x or CoO x , and / or c) the cathodic catalyst (144) is suspended in the cathodic electrolyte (129) , in particular a particle size of the suspended cathodic catalyst (144) being less than 50 μm, in particular less than 5 μm, and / or d) the cathodic catalyst (144) is or contains Mo 2 C, Mo 2 S or NiP. Verfahren zum Aufspalten von molekularem Wasser (112) in molekularen Wasserstoff (114) und molekularen Sauerstoff (116) unter Einsatz elektrischer Energie, bei welchem Verfahren Wassermoleküle (112) in Protonen (130) und Hydroxidionen (158) dissoziiert werden, bei welchem Verfahren die Hydroxidionen (158) in einer anodischen Halbzelle (122) mit einer Anode (140) unter Mitwirkung eines anodischen Katalysators (146) oxidiert werden und die Protonen (130) in einer kathodischen Halbzelle (124) mit einer Kathode (134) unter Mitwirkung eines kathodischen Katalysators (144) reduziert werden, wobei die anodische Halbzelle (122) und die kathodische Halbzelle (124) durch einen Separator (126) voneinander getrennt sind, wobei die anodische Halbzelle (122) einen anodischen Elektrolyt (128) umfasst, welcher mit der Anode (140) in Kontakt steht, und wobei die kathodische Halbzelle (124) einen kathodischen Elektrolyt (129) umfasst, welcher mit der Kathode (134) in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass in der kathodischen Halbzelle (124) ein Mediator-Ion (164) aus einem reduzierbaren Kation (160) durch Elektronenaufnahme an der Kathode (134) gebildet wird, dass das reduzierbare Kation (160) und das Mediator-Ion (164) ein Redox-Paar bilden und dass Protonen (130) durch Elektronenaufnahme von Mediator-Ionen (164) unter Mitwirkung des kathodischen Katalysators (144) zu molekularem Wasserstoff (114) reduziert werden.Process for splitting molecular water (112) into molecular hydrogen (114) and molecular oxygen (116) using electrical energy, in which process water molecules (112) are dissociated into protons (130) and hydroxide ions (158), in which process the Hydroxide ions (158) are oxidized in an anodic half cell (122) with an anode (140) with the help of an anodic catalyst (146) and the protons (130) in a cathodic half cell (124) with a cathode (134) with the help of a cathodic Catalyst (144) are reduced, the anodic half cell (122) and the cathodic half cell (124) being separated from one another by a separator (126), the anodic half cell (122) comprising an anodic electrolyte (128) which is connected to the anode (140) is in contact, and wherein the cathodic half cell (124) comprises a cathodic electrolyte (129) which is in contact with the cathode (134), characterized thereby t that in the cathodic half cell (124) a mediator ion (164) is formed from a reducible cation (160) by electron acceptance at the cathode (134), that the reducible cation (160) and the mediator ion (164) form a redox pair and that protons (130) are reduced to molecular hydrogen (114) by electron acceptance of mediator ions (164) with the cooperation of the cathodic catalyst (144). Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass a) das reduzierbare Kation (160) durch Elektronenaufnahme an der Kathode (134) um mindestens eine Oxidationsstufe reduziert wird und/oder b) das reduzierbare Kation (160) im kathodischen Elektrolyt (129) gelöst wird wobei insbesondere im kathodischen Elektrolyt (129) als gelöstes reduzierbares Kation (160) ein Ion aus der Gruppe der Übergangsmetalle, insbesondere ein Vanadium-Ion, ein Chrom-Ion oder ein Eisen-Ion, eingesetzt wird und/oder das reduzierbare Kation (160) in den kathodischen Elektrolyt (129) durch Lösen eines Salzes, insbesondere eines Übergangsmetall-Salzes, weiter insbesondere eines Vanadium-Salzes, eingebracht wird.Procedure according to Claim 11 , characterized in that a) the reducible cation (160) is reduced by at least one oxidation state by electron acceptance at the cathode (134) and / or b) the reducible cation (160) is dissolved in the cathodic electrolyte (129), in particular in the cathodic one Electrolyte (129) as dissolved reducible cation (160) is an ion from the group of transition metals, in particular a vanadium ion, a chromium ion or an iron ion, and / or the reducible cation (160) is used in the cathodic electrolyte (129) by dissolving a salt, in particular a transition metal salt, more particularly a vanadium salt. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (126) in Form einer Bipolarmembran (148) ausgebildet wird.Procedure according to Claim 11 or 12th , characterized in that the separator (126) is designed in the form of a bipolar membrane (148). Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarmembran (148) mit einer Anionenaustauschmembran (150) und einer Kationenaustauschmembran (152), insbesondere in Form einer Protonenaustauschmembran (156), ausgebildet wird.Procedure according to Claim 13 , characterized in that the bipolar membrane (148) is formed with an anion exchange membrane (150) and a cation exchange membrane (152), in particular in the form of a proton exchange membrane (156). Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anionenaustauschmembran (150) und die Kationenaustauschmembran (152) durch eine Dissoziationsschicht (154) voneinander getrennt werden.Procedure according to Claim 14 , characterized in that the anion exchange membrane (150) and the cation exchange membrane (152) are separated from one another by a dissociation layer (154). Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass a) in die Dissoziationsschicht (154) ein Dissoziationskatalysator, insbesondere zum Aufspalten von Wassermolekülen (112) in Hydroxidionen (158) und Protonen (130), eingebracht wird, wobei insbesondere ein Dissoziationskatalysator eingesetzt wird, welcher Eisenoxid, insbesondere Eisen(III)-Oxid (Fe2O3), ist oder enthält, und/oder b) die Dissoziationsschicht (154) mit einer Schichtdicke in einem Bereich von etwa 5 nm bis etwa 500 µm ausgebildet wird, insbesondere mit einer Schichtdicke in einem Bereich von etwa 50 nm bis etwa 50 µm.Procedure according to Claim 15 , characterized in that a) a dissociation catalyst, in particular for splitting water molecules (112) into hydroxide ions (158) and protons (130), is introduced into the dissociation layer (154), in particular using a dissociation catalyst which is iron oxide, in particular iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ), is or contains, and / or b) the dissociation layer (154) is formed with a layer thickness in a range from approximately 5 nm to approximately 500 μm, in particular with a layer thickness in a range from approximately 50 nm to approximately 50 μm. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass a) als kathodischer Elektrolyt (129) Wasser oder eine wässrige Lösung eingesetzt wird und/oder dass als anodischer Elektrolyt (128) Wasser oder eine wässrige Lösung eingesetzt wird und/oder b) ein anodischer Elektrolyt (128) und/oder ein kathodischer Elektrolyt (129) mit einem pH-Wert von 7 oder im Wesentlichen 7 eingesetzt werden und/oder c) ein anodischer Elektrolyt (128) und ein kathodischer Elektrolyt (129) mit sich unterscheidenden pH-Werten eingesetzt werden und einen pH-Gradient definieren, wobei insbesondere anodische und kathodische Elektrolyten (129) eingesetzt werden, so dass der pH-Gradient mindestens 1, insbesondere mindestens 3, weiter insbesondere mindestens 5, beträgt, und/oder d) ein alkalischer anodischer Elektrolyt (128) eingesetzt wird und/oder e) ein saurer kathodischer Elektrolyt (129) eingesetzt wird.Procedure according to one of the Claims 11 to 16 , characterized in that a) water or an aqueous solution is used as the cathodic electrolyte (129) and / or that water or an aqueous solution is used as the anodic electrolyte (128) and / or b) an anodic electrolyte (128) and / or a cathodic electrolyte (129) with a pH of 7 or essentially 7 and / or c) an anodic electrolyte (128) and a cathodic electrolyte (129) with different pH values are used and a pH Define gradient, anodic and cathodic electrolytes (129) being used in particular, so that the pH gradient is at least 1, in particular at least 3, more particularly at least 5, and / or d) an alkaline anodic electrolyte (128) is used and / or e) an acidic cathodic electrolyte (129) is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anode (140) ausgebildet wird derart, dass sie aus dem anodischen Katalysator (146) besteht oder aus dem anodischen Katalysator (146) ausgebildet ist oder den anodischen Katalysator (146) enthält oder mit dem anodischen Katalysator (146) beschichtet ist oder mit dem anodischen Katalysator (146) elektrisch leitend in Kontakt steht.Procedure according to one of the Claims 11 to 17th , characterized in that an anode (140) is formed such that it consists of the anodic catalyst (146) or is formed from the anodic catalyst (146) or contains the anodic catalyst (146) or with the anodic catalyst (146) is coated or is in electrically conductive contact with the anodic catalyst (146). Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Anode (140) massiv oder netzförmig ausgebildet wird und/oder b) ein anodischer Katalysator (146) eingesetzt wird, welcher Nickel, Iridium oder Cobalt ist oder Nickel, Iridium und/oder Cobalt enthält, insbesondere in der Form NiOx, NiCeOx, NiCoOx, NiCuOx, NiFeOx, NiLaOx, IrOx, CoFeOx oder CoOx, und/oder c) der kathodische Katalysator (144) im kathodischen Elektrolyt (129) suspendiert wird, wobei insbesondere der suspendierte kathodische Katalysator (144) mit einer Partikelgröße eingesetzt wird, welche kleiner als 50 µm ist, insbesondere kleiner als 5 µm, und/oder d) der kathodische Katalysator (144) Mo2C, Mo2S oder NiP ist oder enthält.Procedure according to one of the Claims 11 to 18th , characterized in that a) the anode (140) is solid or reticulated and / or b) an anodic catalyst (146) is used which is nickel, iridium or cobalt or contains nickel, iridium and / or cobalt, especially in the form NiO x , NiCeO x , NiCoO x , NiCuO x , NiFeO x , NiLaO x , IrO x , CoFeO x or CoO x , and / or c) the cathodic catalyst (144) is suspended in the cathodic electrolyte (129), whereby in particular the suspended cathodic catalyst (144) with a particle size which is smaller than 50 μm, in particular smaller than 5 μm, and / or d) the cathodic catalyst (144) is or contains Mo 2 C, Mo 2 S or NiP . Verwendung eines Elektrolyseurs (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 19.Use of an electrolyser (110) according to one of the Claims 1 to 10th to carry out a method according to one of the Claims 11 to 19th .
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112921341B (en) * 2021-01-25 2022-06-21 北京化工大学 Efficient reaction system for coupling small molecular catalytic oxidation and hydrogen production

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070012578A1 (en) * 2005-06-30 2007-01-18 Akzo Nobel N.V. Chemical process
WO2013068754A1 (en) * 2011-11-08 2013-05-16 The University Court Of The University Of Glasgow Apparatus and methods for the electrochemical generation of oxygen and/or hydrogen
WO2014035919A2 (en) * 2012-08-27 2014-03-06 Sun Catalytix Corporation Gas sparging for transport of dissolved species through a barrier
US20180265995A1 (en) * 2017-03-17 2018-09-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Electrochemical reaction device and method of manufacturing anode for electrochemical reaction device

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201017421D0 (en) * 2010-10-14 2010-12-01 Acal Energy Ltd Cell
CN104272513B (en) * 2012-03-05 2017-07-18 Eos控股公司 Redox flow batteries for hydrogen manufacturing
KR101586769B1 (en) * 2013-12-23 2016-01-20 상명대학교 천안산학협력단 Manufacturing Method of Thin Ion Exchange Membrane Using High Molecular Support
GB201416062D0 (en) * 2014-09-11 2014-10-29 Univ The Glasgow Hydrogen generation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070012578A1 (en) * 2005-06-30 2007-01-18 Akzo Nobel N.V. Chemical process
WO2013068754A1 (en) * 2011-11-08 2013-05-16 The University Court Of The University Of Glasgow Apparatus and methods for the electrochemical generation of oxygen and/or hydrogen
WO2014035919A2 (en) * 2012-08-27 2014-03-06 Sun Catalytix Corporation Gas sparging for transport of dissolved species through a barrier
US20180265995A1 (en) * 2017-03-17 2018-09-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Electrochemical reaction device and method of manufacturing anode for electrochemical reaction device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020133775A1 (en) 2020-12-16 2022-06-23 Forschungszentrum Jülich GmbH Process and device for electrolysis
DE102020133773A1 (en) 2020-12-16 2022-06-23 Forschungszentrum Jülich GmbH Process and device for electrolysis

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