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 1oder 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 3oder 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 7oder 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 7oder 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 derSätze 1 bis 23 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Sätze 24bis 46.
- 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
1 or 2, characterized in that the reducible cation (sentence 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
3 or 4, characterized in that the reducible cation (sentence 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 thesentences 1 to 23 for carrying out a method according to one of thesentences 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).
-
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
Der Elektrolyseur
Die beiden Halbzellen
In die kathodische Halbzelle
In die anodische Halbzelle
Bei dem in
Die Anode
In
Die aus Wassermolekülen dissoziierten Hydroxidionen (OH-) bewegen sich zur Anode
Ersetzt man den Separator
Betreibt man den Elektrolyseur
Der Elektrolyseur
Die anodische Halbzelle
In den kathodischen Elektrolyt
In den anodischen Elektrolyt
Die Anode
Bei dem in
Der anodische Katalysator
Die Kathode
Der kathodische Katalysator
Bei dem in
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
Die Dissoziationsschicht
Der Dissoziationskatalysator ist bei dem Ausführungsbeispiel der
Eine Schichtdicke der Dissoziationsschicht
Der Dissoziationskatalysator in der Dissoziationsschicht
Anders als bei dem Ausführungsbeispiel des Elektrolyseurs
Das reduzierbare Kation
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
Die Reduktion der Protonen
Der kathodische Elektrolyt
Den Vorteil der Verwendung des reduzierbaren Kations
Das Ausführungsbeispiel des Elektrolyseurs
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können sowohl der kathodische Elektrolyt
In
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
Gleichung (4) beschreibt die Sauerstoffentwicklungsreaktion der anodischen Halbzelle
Die vorgeschlagene Ausbildung des Elektrolyseurs
Durch den beschriebenen Elektrolyseur
Der Elektrolyseur
Berücksichtigt man, dass der globale Bedarf an Wasserstoff bei etwa 60 Millionen pro Jahr liegt und ständig zunimmt, wird mit derzeitigen Elektrolyseuren
Die Erzeugung von Kohlenstoffdioxid kann durch Einsatz elektrischer Energie aus erneuerbaren Energien auf Null reduziert werden. Dies ist grundsätzlich auch bei Elektrolyseuren
In jedem Fall sind die Anschaffungs- und Betriebskosten für den Elektrolyseur
Die beschriebenen Elektrolyseure
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
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