DE102019122464B4

DE102019122464B4 - Elektrolysezelle und Verwendung der Elektrolysezelle in einem Trinkwasserspender

Info

Publication number: DE102019122464B4
Application number: DE102019122464.0A
Authority: DE
Inventors: Volker Fischer; Uwe Hellstern
Original assignee: INNOWATECH GmbH
Current assignee: INNOWATECH GmbH
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2023-06-07
Anticipated expiration: 2039-08-22
Also published as: DE102019122464A1

Abstract

Elektrolysezelle (10) zum Reinigen von Fluiden, umfassend ein rundes erstes Bauteil (12) mit einer ersten Elektrode (20), ein rundes zweites Bauteil (14) mit einer zweiten Elektrode (32), einen Befestigungsring (16) mit einem kreisringförmigen Halteabschnitt (48), und eine Membran (42) zur Trennung eines ersten Elektrodenraums (50) von einem zweiten Elektrodenraum, wobei das erstes Bauteil (12), das zweites Bauteil (14), der Befestigungsring (16) und die Membran (42) senkrecht zu einer Zylinderachse (15) der Elektrolysezelle (10) verlaufend angeordnet sind,wobei das erste Bauteil (12) eine Aufnahme (18) für die Membran (42) aufweist,wobei das zweite Bauteil (14) entlang der Zylinderachse (15) in die Aufnahme (18) eingesetzt ist, und wobei der Befestigungsring (16) am ersten Bauteil (12) so angeordnet ist, dass der kreisringförmige Halteabschnitt (48) das zweite Bauteil (14) am Randbereich übergreift, um das zweite Bauteil (14) am ersten Bauteil (12) verliersicher zu halten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle. Die Erfindung betrifft ferner einen Trinkwasserspender in dem eine Elektrolysezelle Verwendung findet.
Die Elektrolyse ist ein Verfahren, bei dem eine chemische Verbindung unter Einwirkung von elektrischem Strom in ihre Bestandteile aufgespalten oder zu neuen Verbindungen umgesetzt wird. Bei der Elektrolyse wird eine an sich stabile Verbindung zersetzt, indem man von außen eine elektrische Spannung anlegt, welche hoch genug ist, um die Verbindungen in oxidierte bzw. reduzierte Formen zu überführen. Auf diesen Zwang hin entstehen reaktive Spezies, die eine starke Tendenz zur Rückreaktion haben und so insbesondere als Oxidations- bzw. Reduktionsmittel wirken können.
Elektrolysezellen sind meist vergleichsweise komplex aufgebaut mit Befestigungsmitteln, wie beispielsweise Schrauben, zum dichten Verschließen der Elektrolysezelle. Eine Wartung bzw. ein verschleißbedingter Austausch von Bestandteilen der Elektrolysezelle ist somit regelmäßig aufwendig und schwierig.
Aus dem US Patent US 8 236 147 B2 ist eine röhrenförmige Elektrolysezelle bekannt. Weitere ähnliche Vorrichtungen werden in WO 2014/113178 A1 und CN 108 486 598 A gezeigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den genannten Nachteilen des Standes der Technik Abhilfe zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Elektrolysezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach wird eine Elektrolysezelle, insbesondere zum Reinigen von Wasser, vorgeschlagen, welche ein rundes erstes Bauteil mit einer ersten Elektrode, ein rundes zweites Bauteil mit einer zweiten Elektrode, einen Befestigungsring, und eine Membran zur Trennung eines ersten Elektrodenraums von einem zweiten Elektrodenraum umfasst. Dabei weist das erste Bauteil eine Aufnahme auf, in der das zweite Bauteil anordnungsbar ist. Ferner ist der Befestigungsring am ersten Bauteil anordnungsbar, um das zweite Bauteil am ersten Bauteil verliersicher zu halten.
Die Elektrolysezelle kann eine kreiszylindrische oder im Wesentlichen kreiszylindrische Außenkontur aufweisen. Insbesondere kann die Elektrolysezelle insgesamt eine runde scheibenartige Außenkontur aufweisen. Dadurch lässt sich die Elektrolysezelle besonders kompakt ausführen. Ferner ist diese besonders einfach aufgebaut. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Befestigungsring das einzige Befestigungsmittel ist, um das zweite Bauteil am ersten Bauteil verliersicher zu halten. Bei einem Verschleiß, beispielsweise bei einem Membranverschleiß, kann folglich die Elektrolysezelle vergleichsweise einfach geöffnet werden, in dem lediglich der Befestigungsring vom ersten Bauteil entfernt werden muss, um sodann das zweite Bauteil vom ersten Bauteil zu lösen und daraufhin beispielsweise die Membran auszutauschen. Wird die Elektrolysezelle zum Reinigen von Wasser verwendet, was unten stehend näher erläutert werden wird, so kann im Zuge des Reinigungsprozesses von Wasser insbesondere eine Entkeimung bzw. eine Desinfektion des Wassers stattfinden. Bei dem Wasser kann es sich insbesondere um Leitungswasser, weiter insbesondere um Trinkwasser, handeln.
Insgesamt wird folglich eine kompakte, vergleichsweise einfach aufgebaute, sowie vergleichsweise einfach zu wartende Elektrolysezelle bereitgestellt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste Bauteil einen Fluideinlass und einen Fluidauslass in bzw. aus dem ersten Elektrodenraum aufweist und das zweite Bauteil einen Fluideinlass und einen Fluidauslass in bzw. aus dem zweiten Elektrodenraum aufweist. Der erste Elektrodenraum kann folglich von Fluid durchströmt werden, welches durch den Fluideinlass am ersten Bauteil in den ersten Elektrodenraum einströmt und durch den Fluidauslass am ersten Bauteil die Elektrolysezelle verlässt. Gleichermaßen kann der zweite Elektrodenraum von Fluid durchströmt werden, welches durch den Fluideinlass am zweiten Bauteil in den Elektrodenraum einströmt und durch den Fluidauslass am zweiten Bauteil den zweiten Elektrodenraum wieder verlässt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich der jeweilige Fluideinlass und Fluidauslass senkrecht zur Haupterstreckung der Bauteile durch die Bauteile hindurch in den jeweiligen Elektrodenraum erstreckt. Der jeweilige Fluideinlass und Fluidauslass der beiden Bauteile kann sich folglich insbesondere parallel zur Zylinderachse der Elektrolysezelle mit kreiszylindrischer oder im Wesentlichen kreiszylindrischer Außenkontur erstrecken. Dadurch ergibt sich ebenfalls ein vergleichsweise einfacher und kompakter Aufbau der Elektrolysezelle.
Vorteilhaft ist auch, wenn zwischen der ersten Elektrode und der Membran ein erstes Fluidleitungselement zur Leitung von Fluid vom Fluideinlass zum Fluidauslass innerhalb des ersten Elektrodenraums vorgesehen ist. Zusätzlich oder alternativ kann zwischen der zweiten Elektrode und der Membran ein zweites Fluidleitungselement zur Leitung von Fluid vom Fluideinlass zum Fluidauslass innerhalb des zweiten Elektrodenraums vorgesehen ist. Dadurch kann eine geordnete Strömung von Fluid durch den jeweiligen Elektrodenraum bereitgestellt werden. Ferner kann sichergestellt werden, dass das Fluid eine vergleichsweise große Elektrodenoberfläche beim Durchgang durch den Elektrodenraum passiert.
Besonders bevorzugt ist, wenn das erste Fluidleitungselement und/oder das zweite Fluidleitungselement scheibenförmig ausgebildet sind/ist, mit Durchbrüchen zur mäanderförmigen Fluidleitung. Die Fluidleitungselemente können folglich zusammen mit der Membran und den Elektroden den jeweiligen Elektrodenraum begrenzen. Durch die mäanderförmige Fluidleitung kann sichergestellt werden, dass das Fluid eine vergleichsweise große Oberfläche der Elektroden beim Durchgang durch den Elektrodenraum passiert. Die Fluidleitungselemente können aus einem Gummimaterial bestehen oder ein solches Material umfassen.
Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass das erste Fluidleitungselement und/oder das zweite Fluidleitungselement mit der Membran in einer Kassette angeordnet sind. Dadurch kann ein einfacher Austausch der Membran zusammen mit den Fluidleitungselementen ermöglicht werden.
Insgesamt kann die Elektrolysezelle insbesondere einen gestapelten Aufbau aufweisen, wobei in der Aufnahme des ersten Bauteils zunächst das erste Fluidleitungselement lösbar anordnungsbar ist. Auf dem ersten Fluidleitungselement kann sodann die Membran lösbar anordnungsbar sein. Darauf kann das zweite Fluidleitungselement lösbar anordnungsbar sein. Sodann kann das zweite Bauteil in der Aufnahme angeordnet werden und mittels des Befestigungsrings schließlich gegen das erste Bauteil verliersicher gesichert werden. Bei einem Verschleiß eines Fluidleitungselements und/oder der Membran kann folglich vergleichsweise einfach ein Austausch der Komponenten stattfinden.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode kreisförmig ausgebildet sind/ist. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang, wenn die Elektroden einander gegenüberliegend angeordnet sind. Hierdurch kann ein schichtförmiger Aufbau der Elektrolysezelle vergleichsweise einfach bereitgestellt werden.
Vorteilhafterweise ist der jeweilige Fluideinlass und Fluidauslass der beiden Bauteile radial außerhalb der jeweiligen Elektrode angeordnet ist. Der jeweilige Fluideinlass und Fluidauslass können dabei einander gegenüberliegend um 180° versetzt zueinander angeordnet sein.
Auch hierdurch kann sichergestellt werden, dass das Fluid eine möglichst große Oberfläche der jeweiligen Elektrode im Elektrodenraum passiert.
Vorzugsweise weist der Befestigungsring einen Gewindeabschnitt zur Anordnung an einem komplementären Gewindeabschnitt am ersten Bauteil auf. Der Befestigungsring weist jedenfalls einen kreisringförmigen Halteabschnitt zur verliersicheren Halterung des zweiten Bauteils am ersten Bauteil auf. Dadurch wird eine besonders einfache Möglichkeit geschaffen, die Elektrolysezelle kompakt und einfach wartbar aufzubauen. Die Außenkontur des Befestigungsrings kann dabei der Außenkontur des ersten Bauteils im Wesentlichen entsprechen, so dass hierdurch insgesamt eine kreiszylindrische Außenkontur der Elektrolysezelle bereitstellbar ist.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich daraus, dass sich ein erster Elektrodenanschluss von der ersten Elektrode senkrecht zur Haupterstreckung des ersten Bauteils durch das erste Bauteil erstreckt, und/oder dass sich ein zweiter Elektrodenanschluss von der zweiten Elektrode senkrecht zur Haupterstreckung des zweiten Bauteils durch das zweite Bauteil erstreckt. Die Elektrodenanschlüsse können sich folglich insbesondere durch die Zylinderachse der insgesamt kreiszylindrischen Elektrolysezelle erstrecken. Auch dies trägt zu einem kompakten und einfachen Aufbau der Eletrolysezelle bei.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil kreissymmetrisch ausgebildet sind/ist. Die Symmetrieachse kann dabei insbesondere mit der Zylinderachse der Elektrolysezelle zusammenfallen.
Der Durchmesser der Außenkontur des zweiten Bauteils kann insbesondere komplementär oder im Wesentlichen komplementär zum Innendurchmesser der Aufnahme des ersten Bauteils ausgebildet sein, so dass das zweite Bauteil formschlüssig oder im Wesentlichen formschlüssig in der Aufnahme des ersten Bauteils anordenbar ist.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das erste bzw. zweite Bauteil wenigstens ein Codiermittel aufweist, wobei das zweite bzw. erste Bauteil wenigstens eine komplementäre Codieraufnahmen zur positionsgetreuen und/oder formschlüssigen Anordnung des ersten Bauteils am zweiten Bauteil aufweist. Das Codiermittel kann dabei als ein oder mehrere Haltestifte ausgebildet sein. Denkbar ist in diesem Zusammenhang insbesondere, dass das erste Fluidleitungselement, die Membran sowie das zweite Fluidleitungselement zunächst auf den Haltestift aufgesteckt werden und sodann das zweite Bauteil auf den Haltestift aufgesteckt wird. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher und dennoch sicherer Aufbau der Elektrolysezelle.
Als Codiermittel sind auch denkbar zwei seitlich von der Kreisform abweichende, beispielsweise halbrunde Ausbuchtungen denkbar oder anstelle der halbrunde Ausbuchtungen auch jede andere Form, z.B. Einbuchtungen, Ecken, Noppen oder dergleichen, welche im zweiten Bauteil eingebrachten komplementären Codieraufnahmen entsprechen. Hiermit können die beiden Halterungsteile ebenfalls eindeutig positioniert werden. Vorteil der Alternative ist, dass die Fluidführungen und die Membran keine passgenauen Bohrungen benötigen, was den Aufbau der Zelle weiter vereinfacht.
Vorteilhafterweise sind die Elektroden umpolbar. Folglich können die erste Elektrode und die zweite Elektrode entweder als Kathode oder Anode genutzt werden. Dadurch können insbesondere Ablagerungen metallischer Elemente, insbesondere auf der im Regelbetrieb als Kathode genutzten Elektrode, entfernt werden. Insbesondere bei der unten stehend erläuterten Elektrolyse von Leitungswasser können sich Spuren von Nebengruppenmetallen, wie beispielsweise Eisen, Kupfer und/oder Mangan an der Kathode abscheiden. Durch die Umpolung können diese wieder in wässrige Lösung übergehen.
Vorzugsweise ist wenigstens eine der beiden Elektroden aus inertem Metall wie z.B. Titan oder Tantal hergestellt. Die Elektroden können dabei unbeschichtet oder insbesondere beschichtet sein. Besonders bevorzugt ist, wenn wenigstens eine der beiden Elektroden mit einer insbesonderen Mischoxid-Beschichtung beschichtet ist. Insbesondere ist hier an Beschichtungen, welche die aktiven Komponenten IrOx oder/und RuOx enthalten, gedacht. Daneben können als stabilisierende Beschichtungsbestandteile auch TiOx und Ta2Ox enthalten sein.
Insbesondere können die Elektroden aus Titan hergestellt sein und dann mit einer Beschichtung aus IrOx/RuOx/TiOx beschichtet sein. Bei der Elektrolyse von Wasser kann dadurch insbesondere die Sauerstoffentwicklung einer stattfindenden Wasserzersetzung als auch die Chlor- und/oder Bromentwicklung einer möglichen Halogenoxidation über eine längere Betriebsdauer ohne Materialabgabe an das Wasser zugelassen werden. Ferner können die Elektroden insbesondere sowohl für den anodischen als auch für den kathodischen Betrieb ausgebildet sein, um so Metallspuren so zu binden, dass sie bei der Umpolung wieder in Lösung gehen.
Die Membran kann insbesondere aus Kunststoff und/oder Keramik bestehen. Die Membran ist insbesondere selektiv ionenpermeabel. Derartige Materialien haben sich als besonders geeignet erwiesen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass Fluid vom Fluideinlass des ersten bzw. zweiten Elektrodenraums zum Fluidauslass des ersten bzw. zweiten Elektrodenraums leitbar ist, und wobei Fluid sodann weiter zum Fluideinlass des zweiten bzw. ersten Elektrodenraums und weiter zum Fluidauslass des zweiten bzw. ersten Elektrodenraums leitbar ist. Folglich kann eine besonders kompakt und einfach aufgebaute Durchflusselektrolysezelle bereitgestellt werden. Bei dem Fluid kann es sich insbesondere um Wasser handeln. Mittels der Durchflusselektrolyse kann, wie unten stehend erläutert werden wird, insbesondere eine Entkeimung des Wassers bereitgestellt werden.
Ferner kann bei einem Verschleiß von beispielsweise der Membran, diese besonders einfach ausgetauscht werden, indem lediglich der Befestigungsring abgenommen werden muss und das zweite Bauteil aus der Aufnahme im ersten Bauteil entfernt werden muss.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Elektrolysezelle gestapelt aufgebaut ist, wobei in der Aufnahme des ersten Bauteils zunächst das erste Fluidleitungselement, dann die Membran, dann das zweite Fluidleitungselement und sodann das zweite Bauteil anordnungsbar ist. Schließlich kann das zweite Bauteil mittels des Befestigungsrings am ersten Bauteil gesichert werden.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch gelöst durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle in einem Trinkwasserspender, wobei Trinkwasser vor der Entnahme durch die Elektrolysezelle hindurchgeleitet wird oder hindurchleitbar ist. Trinkwasserspender weisen insbesondere das Problem auf, dass sich Keime im Wasser bilden können. Wie unten stehend noch detailliert erläutert werden wird, kann das Trinkwasser durch die Elektrolysezelle im Durchfluss durch die beiden Elektrodenräume hindurchgeleitet werden. Dabei können insbesondere Hyperchlorid-Ionen entstehen, die Keime im Trinkwasser abtöten können bzw. eine reinigende und/oder desinfizierende Wirkung auf das Wasser haben können. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die an der Elektrolysezelle angelegte Spannung je nach Chloridkonzentration im Trinkwasser veränderbar ist, um die Elektrolysezelle an lokale Gegebenheiten des Trinkwassers anzupassen.
Unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle kann ein Verfahren zum Reinigen von Wasser folgende Schritte umfassen:

a. Einleiten des Leitungswassers in den ersten bzw. zweiten Elektrodenraum;
b. Weiterleiten des Leitungswassers aus dem ersten bzw. zweiten Elektrodenraum in den zweiten bzw. ersten Elektrodenraum; und
c. Zuführen des Leitungswassers an einen Verbraucher.

Bei dem Leitungswasser kann es sich insbesondere um Trinkwasser handeln. Mittels des Verfahrens kann folglich Wasser gereinigt werden. Die Reinigung kann dabei insbesondere eine Entkeimung und/oder eine Desinfektion umfassen. Dabei wird die erfindungsgemäße Elektrolysezelle im Durchfluss betrieben, so dass das Wasser zunächst durch den ersten bzw. zweiten Elektrodenraum und sodann durch den zweiten bzw. ersten Elektrodenraum fließt, bevor das Wasser einem Verbraucher zugeführt wird. Dabei ist die erste bzw. zweite Elektrode als Anode geschaltet und die zweite bzw. erste Elektrode dementsprechend als Kathode. Das Wasser fließt dabei zunächst durch den kathodenseitigen Elektrodenraum (Kathodenraum) und sodann durch den anodenseitigen Elektrodenraum (Anodenraum).
Dabei können im Zuge der Elektrolyse insbesondere folgende Reaktionen an Anode und Kathode stattfinden:

An der Kathode findet insbesondere nicht die Abscheidung des im Leitungswasser etwaig vorhandenen Metalls Natrium (Na⁺) statt, da vorher das Wasser der wässrigen Lösung zersetzt werden kann: 2 H₂O + 2 Me⁺(aq) + 2 e^- → 2 MeOH(aq) + H₂ (1)

Bei den Me⁺-Ionen kann es sich beispielsweise um Natrium- und/oder Kaliumionen handeln. Hierbei kann folglich das Wasser, welches selber ein oxidiertes Produkt des Wasserstoffs ist, zu diesem zurückreduziert werden. Wasserstoff ist im Wasser bis ca. 8 mg/l löslich und kann als stark reduktive Spezies das Redoxpotential des Wassers bis weit ins Negative absenken.
Die so entstandene wässrige Lösung wird sodann aus dem Kathodenraum abgeführt und dem Anodenraum zugeführt. Kathodenraum und Anodenraum sind folglich seriell durchflossen.
Falls im Wasser keine leicht oxidierbaren Ionen oder hohe Konzentrationen an Chloridionen durch Salzauflösung vorhanden sind, so kann auf der Anodenseite zunächst Wasser zersetzt werden: 3 H₂O → ½ O₂ + 2 H₃O⁺ + 2 e^- (2)
Diese Reaktion ist sauer, daher entsteht auf der Anodenseite ein saures oxidierendes Milieu.
Im Falle der Gegenwart von Chlorid kann Chlor entstehen, welches im neutralen Bereich zu verschiedenen Formen von freiem Chlor weiter reagieren kann.
Der erste Reaktionsschritt an der Anode kann in diesem Fall die Chlorbildung sein: 2 Cl^- → Cl₂ + 2 e^- (3)
Liegt man in der an die Elektrodengrenzschicht angrenzenden Flüssigkeit im neutralen oder alkalischen Bereich, so kann das Chlor sofort in hypochlorige Säure und Chlorid disproportionieren: Cl₂ + 2 H₂O → HOCl + Cl^- + H₃O⁺ (4,5 < pH < 11) oder Cl₂ + 2 Na⁺ + 2 OH^- → OCl^- + Cl^- + 2 Na⁺ + H₂O (pH > 11) .
Danach kann ein Gleichgewicht vorliegen: HOCl + OH^- + Na⁺ ⇋ Na⁺ + OCl^- + H₂O (4,5 < pH < 11)
Die Disproportionierung des Chlors ist eine saure Reaktion, die im neutralen und alkalischen pH-Bereich sofort beim Verlassen der Anodenoberfläche passieren kann.
Eigentlich kann auch auf der Anodenseite die Wasserzersetzung unter Sauerstoffbildung die erste Reaktion sein. Allerdings wird durch die rasch zunehmende Überspannung für diese Reaktion bei Anwesenheit von Chlorid im Wasser vergleichsweise schnell Reaktion (3) die Hauptreaktion.
Ist wenig Chlorid, wie in vielen Trink- bzw. Leitungswässern der Fall, vorhanden, so kann die Elektrolyse auf dem normalen Wasserzersetzungspfad weiter laufen bzw. die Reaktionen (2) und (1) können parallel stattfinden.
Ist genügend Sauerstoff vorhanden und die Umgebung nicht zu sauer, so kann eine Weiterreaktion bis zum Wasserstoffperoxid erfolgen: O₂ + 2 OH^- → H₂O₂ + 2 e
Im Zuge dieses Elektrolyseprozesses kann Wasser gereinigt, insbesondere entkeimt bzw. desinfiziert, werden. Insbesondere das Hypochloridanion (OCL^-), welches im anodenseitigen Elektrodenraum (Anodenraum) entsteht, trägt dabei zur Reinigung, insbesondere Entkeimung und/oder Desinfizierung, bei.
Dabei findet der Ladungstransport zwischen dem ersten Elektrodenraum und dem zweiten Elektrodenraum insbesondere durch Ionenmigration durch die semipermeable Membran, angetrieben durch das elektrische Feld zwischen den Elektroden, statt.
Die in vielen Trink- bzw. Leitungswässern befindlichen Alkali- und Erdalkalimetallionen können in wässriger Lösung insbesondere nicht an den Elektroden abgeschieden werden, da die benötigte Spannung hierfür über dem Wert liegen kann, bei der die Wasserzersetzung (Gleichungen (2) und (1)) einsetzt.
Gelegentlich können sich jedoch Spuren von Nebengruppenmetallen, wie Eisen, Kupfer und/oder Mangan, im Wasser befinden, welche vor der Wasserzersetzung an der Kathode abgeschieden werden: Me²⁺ + 2 e^- → Me (auf Kathode) (4) oder Me⁺ + e^- → Me (auf Kathode)
Diese Reaktion (4) ist unerwünscht, da sie den Charakter und die elektrochemischen Eigenschaften der Kathode verändern kann. Sie kann aber rückgängig gemacht werden, indem man die Kathode und die Anode regelmäßig vertauscht (umpolt), so dass nachfolgende Reaktion ablaufen kann: Me (auf Kathode) → Me²⁺ + 2 e^- (5) oder Me (auf Kathode) → Me⁺ + e^-
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer die in den Figuren dargestellte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:

1 perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Elektrolysezelle;
2 schematische Querschnittsdarstellung der Elektrolysezelle gemäß 1;
3 perspektivische Darstellung der Elektrolysezelle gemäß 1 mit entferntem Befestigungsring und entferntem zweiten Bauteil; und
Fugur 4 die zwischen den Fluidleitungselementen angeordnete Membran der Elektrolysezelle gemäß 1

1 zeigt insgesamt eine Elektrolysezelle 10 in Form einer Durchflusselektrolysezelle. Dabei umfasst die Elektrolysezelle 10 zunächst ein erstes Bauteil 12, ein zweites Bauteil 14 und einen Befestigungsring 16, mit dem das zweite Bauteil 10 am ersten Bauteil 12 befestigbar ist. Insgesamt weist die Elektrolysezelle 10 im Wesentlichen eine kreiszylindrische Außenkontur auf. Die Elektrolysezelle 10 weist dabei eine Zylinderachse 15 auf (vgl. 2).
Wie in 3 gut ersichtlich ist, umfasst das erste Bauteil 12 eine topfförmige Aufnahme 18. Am Boden 19 der Aufnahme 18 weist das erste Bauteil 12 eine kreisförmige Elektrode 20 auf, durch deren Mittelpunkt die Zylinderachse 15 verläuft.
Wie in den 2 und 3 ersichtlich ist, erstrecken sich radial außerhalb der ersten Elektrode 20 ein Fluideinlass 22 und ein Fluidauslass 24 parallel zur Zylinderachse 15 durch das erste Bauteil 12 hindurch. Entlang der Zylinderachse 15 erstreckt sich zudem ein stiftförmiger Elektrodenanschluss 26 durch das erste Bauteil 12 hindurch. Vom Boden 19 der Aufnahme 18 erstrecken sich zudem Codiermittel in Form von vier Haltestifte 28 weg in dem von der Aufnahme eingenommenen Raum. Die Codiermittel können dabei als korrespondierende Kodier-Noppen und/oder Aufnahmen ausgebildet sein, die ebenfalls den Zweck der eindeutigen Anordnung der beiden Teile zueinander erfüllen. An der Außenseite der Aufnahme 18 ist ein Gewindeabschnitt 30 vorgesehen.
Das zweite Bauteil 14 weist ebenfalls eine kreisförmige zweite Elektrode 32 auf, durch deren Mittelpunkt ebenfalls die Zylinderachse 15 verläuft (vgl. insb. 2). Radial außerhalb davon erstreckt sich gleichermaßen ein Fluideinlass 34 und ein Fluidauslass 36 durch das zweite Bauteil 14 hindurch. Weiterhin verläuft durch die Zylinderachse ein zweiter Elektrodenanschluss 38 zur zweiten Elektrode 32.
Wie in den 2 und 3 ersichtlich ist, ist auf die Haltestifte 28 ein erstes Fluidleitungselement 40 aufgesteckt. Dieses weist Führungsabschnitte 43 und dazwischenliegende Ausnehmungen 45auf, um Fluid mäanderförmig vom Fluideinlass 22 zum Fluidauslass 24 zu leiten. Wie in 2 und 4 ersichtlich ist, ist auf dem ersten Fluidleitungselement 40 eine Membran 42 angeordnet, die an ihrem radialen Rand von einer Zwischendichtung 47 umrandet sein kann. Die Membran 42 ist selektiv ionenpermeabel und kann aus einem Kunststoff und/oder einer Keramik bestehen. Auf der Membran 42 ist ein zweites Fluidleitungselement 44 angeordnet, das gleichermaßen wie das erste Fluidleitungselement 40 Führungsabschnitte 43 und dazwischenliegende Ausnehmungen 45 zur mäanderförmigen Fluidleitung vom Fluideinlass 34 zum Fluidauslass 36 aufweist und ebenfalls auf die Haltestifte 28 aufgesteckt ist. Dabei ist das zweite Fluidleitungselement 44 ebenfalls auf die Haltestifte 28 aufgesteckt. Aus 4 deutlich wird, sind die beiden Führungsabschnitte 43 der jeweiligen Fluidleitungselemente 40 und 44 im montierten Zustand jeweils im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufend angeordnet bzw. kreuzen sich unter einem Winkel von ca. 90°.
Die beiden Fluidleitungselemente 40 und 44 und die Membran 42 können dabei als Einzelteile in Elektrolysezelle 10 eingelegt sein. Vorteilhafterweise sind dir Fluidleitungselemente 40 und 44 und die Membran 42 allerdings in oder an einer austauschbaren Kassette angeordnet, wodurch ein Wechsel der Membran 42 zusammen mit den Fluidleitungselementen 40 und 44 auf einfache Art und Weise ermöglicht wird.
Wie aus 2 ferner ersichtlich ist, ist der Durchmesser des zweiten Bauteils 14 im Wesentlichen komplementär zum Innendurchmesser der Aufnahme 18, so dass das zweite Bauteil 14 im Wesentlichen formschlüssig im ersten Bauteil 12 angeordnet ist. Um das zweite Bauteil 14 verliersicher am ersten Bauteil 12 zu halten, ist der Befestigungsring 16 auf das erste Bauteil 12 aufgeschraubt. Hierzu weist der Befestigungsring 16 einen dem Gewindeabschnitt 30 komplementären Gewindeabschnitt 46 auf. Weiterhin umfasst der Befestigungsring 16 einen kreisringförmigen Halteabschnitt 48, der, wie in 2 ersichtlich ist, das zweite Bauteil 14 am Randbereich übergreift und so formschlüssig gegen das erste Bauteil 12 sichert. Wie in 2 ebenfalls ersichtlich ist, ist der Außendurchmesser des Befestigungsrings 16 im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des ersten Bauteils 12, so dass die Außenkontur des Befestigungsrings 16 im Wesentlichen bündig zur Außenkontur es ersten Bauteils 12 im seitlichen Bereich ist. Insgesamt weist die Elektrolysezelle 10 damit eine kreiszylindrische Außenkontur auf.
Die Membran 42 trennt einen ersten Elektrodenraum 50 von einem zweiten Elektrodenraum 51. Wie in 1 ersichtlich ist, sind am Fluideinlass 34 ein Fluidanschluss 52 sowie am Fluidauslass 36 ein Fluidanschluss 54 angeordnet, wobei an die Fluidanschlüsse 52, 54 Fluidleitungen anschließbar sind.
Durch die als Durchflusselektrolysezelle ausgebildete Elektrolysezelle 10 können beispielsweise 40 bis 150 1/h, insbesondere 60 bis 120 1/h, Wasser hindurchfließen.
Die Elektrolysezelle 10 kann insbesondere zur Reinigung von Leitungswasser, insbesondere von Trinkwasser, verwendet werden. Dabei kann das Wasser insbesondere entkeimt und/oder desinfiziert werden. Hierzu kann die Elektrode 20 als Kathode geschaltet werden, während die Elektrode 32 als Anode geschaltet werden kann. Im Betrieb kann sodann eine Spannung über die Elektrodenanschlüsse 26, 38 and die Elektroden 20, 32 angelegt werden. Daraufhin kann zu reinigendes Wasser zunächst durch den Fluideinlass 22 hindurch dem ersten Elektrodenraum 50 der Elektrolysezelle 10 zugeführt werden. Das so zugeführte Trinkwasser strömt sodann entlang der Elektrode 20 zum Fluidauslass 24. Daraufhin strömt das Trinkwasser seriell weiter über den Fluideinlass 34 in den zweiten Elektrodenraum und entlang der Elektrode 32 zum Fluidauslass 36. Wasser fließt also zunächst durch den kathodenseitigen Elektrodenraum (Kathodenraum) und sodann durch den anodenseitigen Elektrodenraum (Anodenraum). Selbstverständlich könnte die Schaltung von Anode und Kathode auch umgekehrt sein, sodass in diesem Fall zunächst der zweite Elektrodenraum (wäre in diesem Fall der Kathodenraum) durchflossen werden würde und sodann der erste Elektrodenraum (wäre in diesem Fall der Anodenraum) durchflossen werden würde.
Dabei können im als Kathodenraum ausgebildeten ersten Elektrodenraum 50 sowie im nicht gezeigten als Anodenraum ausgebildeten zweiten Elektrodenraum die folgenden Reaktionen stattfinden:

Bei den Me⁺-Ionen kann es sich beispielsweise um Natrium- und/oder Kaliumionen handeln. Hierbei kann folglich das Wasser, welches selber ein oxidiertes Produkt des Wasserstoffs ist, zu diesem zurückreduziert werden. Wasserstoff ist im Wasser bis ca. 8 mg/l löslich und kann als stark reduktive Spezies das Redoxpotential des Wassers bis weit ins Negative absenken (insbesondere deutlich unter -200 mV) in einen Bereich der ebenfalls keimtötend wirkt.
Die so entstandene wässrige Lösung wird sodann aus dem Kathodenraum 50 abgeführt und dem Anodenraum zugeführt. Kathodenraum und Anodenraum sind folglich seriell durchflossen.
Falls im Wasser keine leicht oxidierbaren Ionen oder hohe Konzentrationen an Chloridionen durch Salzauflösung vorhanden sind, so kann auf der Anodenseite zunächst Wasser zersetzt werden: 3 H₂O → ½ O₂ + 2 H₃O⁺ + 2 e^- (2)
Diese Reaktion ist sauer, daher entsteht auf der Anodenseite ein saures oxidierendes Milieu.
Im Falle der Gegenwart von Chlorid kann Chlor entstehen, welches im neutralen Bereich zu verschiedenen Formen von freiem Chlor weiter reagieren kann.
Der erste Reaktionsschritt an der Anode kann in diesem Fall die Chlorbildung sein: 2 Cl^- → Cl₂ + 2 e^- (3)
Liegt man in der an die Elektrodengrenzschicht angrenzenden Flüssigkeit im neutralen oder alkalischen Bereich, so kann das Chlor sofort in hypochlorige Säure und Chlorid disproportionieren: Cl₂ + 2 H₂O → HOCl + Cl^- + H₃O⁺ (4,5 < pH < 11) oder Cl₂ + 2 Na⁺ + 2 OH^- → OCl^- + Cl^- + 2 Na⁺ + H₂O (pH > 11) .
Danach kann ein Gleichgewicht vorliegen: HOCl + OH^- + Na⁺ ⇋ Na⁺ + OCl^- + H₂O (4,5 < pH < 11)
Die Disproportionierung des Chlors ist eine saure Reaktion, die im neutralen und alkalischen pH-Bereich sofort beim Verlassen der Anodenoberfläche passieren kann.
Eigentlich kann auch auf der Anodenseite die Wasserzersetzung unter Sauerstoffbildung die erste Reaktion sein. Allerdings wird durch die rasch zunehmende Überspannung für diese Reaktion bei Anwesenheit von Chlorid im Wasser vergleichsweise schnell Reaktion (3) die Hauptreaktion.
Ist wenig Chlorid, wie in vielen Trink- bzw. Leitungswässern der Fall, vorhanden, so kann die Elektrolyse auf dem normalen Wasserzersetzungspfad weiter laufen bzw. die Reaktionen (2) und (1) können parallel stattfinden.
Ist genügend Sauerstoff vorhanden und die Umgebung nicht zu sauer, so kann eine Weiterreaktion bis zum Wasserstoffperoxid erfolgen: 0₂ + 2 OH^- → H₂O₂ + 2 e Im Zuge dieses Elektrolyseprozesses kann Wasser gereinigt, insbesondere entkeimt bzw. desinfiziert, werden. Insbesondere das Hypochloridanion (OCL^-), welches im anodenseitigen Elektrodenraum (Anodenraum) entsteht, trägt dabei zur Reinigung, insbesondere Entkeimung und/oder Desinfizierung, bei.
Dabei findet der Ladungstransport zwischen dem ersten Elektrodenraum 50 und dem zweiten Elektrodenraum insbesondere durch Ionenmigration durch die semipermeable Membran 42, angetrieben durch das elektrische Feld zwischen den Elektroden 20, 32, statt.
Die in vielen Trink- bzw. Leitungswässern befindlichen Alkali- und Erdalkalimetallionen können in wässriger Lösung insbesondere nicht an den Elektroden abgeschieden werden, da die benötigte Spannung hierfür über dem Wert liegen kann, bei der die Wasserzersetzung (Gleichungen (2) und (1)) einsetzt.
Gelegentlich können sich jedoch Spuren von Nebengruppenmetallen, wie Eisen, Kupfer und/oder Mangan, im Wasser befinden, welche vor der Wasserzersetzung an der Kathode abgeschieden werden: Me²⁺ + 2 e^- → Me (auf Kathode) (4) oder Me⁺ + e^- → Me (auf Kathode)
Diese Reaktion (4) ist unerwünscht, da sie den Charakter und die elektrochemischen Eigenschaften der Kathode verändern kann. Sie kann aber rückgängig gemacht werden, indem man die Kathode und die Anode regelmäßig vertauscht (umpolt), so dass nachfolgende Reaktion ablaufen kann: Me (auf Kathode) → Me²⁺ + 2 e^- (5) oder Me (auf Kathode) → Me⁺ + e^-
In einem Trinkwasserspender kann Trinkwasser folglich vor dem Verbrauch durch einen Konsumenten dadurch gereinigt werden, dass das Trinkwasser zunächst durch den Fluideinlass 22 hindurch dem ersten Elektrodenraum 50 der Elektrolysezelle 10 zugeführt wird. Das so zugeführte Trinkwasser strömt sodann entlang der Elektrode 20 zum Fluidauslass 24. Daraufhin strömt das Trinkwasser weiter über den Fluideinlass 34 in den zweiten Elektrodenraum, entlang der Elektrode 32 zum Fluidauslass 36. Sodann kann das gereinigte Trinkwasser einer Entnahmestelle des Trinkwasserspenders zugeführt werden und schließlich von einem Verbraucher entnommen und konsumiert werden. Wie anhand der oben stehenden Reaktionsgleichungen aufgezeigt ist, kann das Trinkwasser beim Durchtritt durch die Elektrolysezelle gereinigt werden. Dabei kann insbesondere die Keimbelastung des Trinkwassers des Trinkwasserspenders reduziert werden, was der Gesundheit der Konsumenten zuträglich ist. In einem kontinuierlichen Durchflussprozess wird dabei eine wässrige Lösung hergestellt, die Hypochloridionen enthält und insbesondere der Trinkwasserverordnung genügt, sodass die wässrige Lösung bedenkenlos von einem Verbraucher konsumierbar ist. Trinkwasser in einem Trinkwasserspender kann folglich unmittelbar durch durchströmen der Elektrolysezelle 10 gereinigt werden, ohne dass eine Reinigungslösung dem Trinkwasser zugeführt wird. Vielmehr wird durch die Elektrolyse des Trinkwassers selbst eine Reinigung, insbesondere eine Desinfizierung und/oder Entkeimung, bereitgestellt.
Insgesamt wird eine besonders einfache Möglichkeit zur Reinigung, insbesondere Entkeimung, von Wasser, insbesondere Leitungswasser, weiter insbesondere Trinkwasser, bereitgestellt. Ferner wird eine besonders kompakt und einfach aufgebaute Elektrolysezelle 10 bereitgestellt, die zudem besonders einfach zu warten ist. Beispielsweise kann die Membran 42 bei einem Verschleiß und/oder einer Verkalkung besonderes einfach ausgetauscht werden.

Claims

Elektrolysezelle (10) zum Reinigen von Fluiden, umfassend ein rundes erstes Bauteil (12) mit einer ersten Elektrode (20), ein rundes zweites Bauteil (14) mit einer zweiten Elektrode (32), einen Befestigungsring (16) mit einem kreisringförmigen Halteabschnitt (48), und eine Membran (42) zur Trennung eines ersten Elektrodenraums (50) von einem zweiten Elektrodenraum, wobei das erstes Bauteil (12), das zweites Bauteil (14), der Befestigungsring (16) und die Membran (42) senkrecht zu einer Zylinderachse (15) der Elektrolysezelle (10) verlaufend angeordnet sind, wobei das erste Bauteil (12) eine Aufnahme (18) für die Membran (42) aufweist, wobei das zweite Bauteil (14) entlang der Zylinderachse (15) in die Aufnahme (18) eingesetzt ist, und wobei der Befestigungsring (16) am ersten Bauteil (12) so angeordnet ist, dass der kreisringförmige Halteabschnitt (48) das zweite Bauteil (14) am Randbereich übergreift, um das zweite Bauteil (14) am ersten Bauteil (12) verliersicher zu halten.
Elektrolysezelle (10) nach Anspruch 1, wobei das erste Bauteil (12) einen Fluideinlass (22) in und einen Fluidauslass (24) aus dem ersten Elektrodenraum (50) aufweist und das zweite Bauteil (14) einen Fluideinlass (34) in und einen Fluidauslass (36) aus dem zweiten Elektrodenraum aufweist.
Elektrolysezelle (10) nach Anspruch 2, wobei sich der jeweilige Fluideinlass (22, 34) und Fluidauslass (24, 36) senkrecht zur Haupterstreckung der Bauteile (12, 14) durch die Bauteile (12, 14) hindurch in den jeweiligen Elektrodenraum erstreckt.
Elektrolysezelle (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei zwischen der ersten Elektrode (20) und der Membran (42) ein erstes Fluidleitungselement (40) zur Leitung von Fluid vom Fluideinlass (22) zum Fluidauslass (24) innerhalb des ersten Elektrodenraums (50) vorgesehen ist, und/oder wobei zwischen der zweiten Elektrode (32) und der Membran (42) ein zweites Fluidleitungselement (44) zur Leitung von Fluid vom Fluideinlass (34) zum Fluidauslass (36) innerhalb des zweiten Elektrodenraums vorgesehen ist.
Elektrolysezelle (10) nach Anspruch 4, wobei das erste Fluidleitungselement (40) und/oder das zweite Fluidleitungselement (44) scheibenförmig ausgebildet sind/ist, mit Durchbrüchen zur mäanderförmigen Fluidleitung.
Elektrolysezelle (10) nach Anspruch 3 oder 4, wobei das erste Fluidleitungselement (40) und/oder das zweite Fluidleitungselement (44) mit der Membran (42) in einer Kassette angeordnet sind.
Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (20) und/oder die zweite Elektrode (32) kreisförmig ausgebildet sind/ist.
Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (20, 32) einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Elektrolysezelle (10) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der jeweilige Fluideinlass (22, 34) und Fluidauslass (24, 36) der beiden Bauteile (12, 14) radial außerhalb der jeweiligen Elektrode (20, 32) angeordnet ist.
Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Befestigungsring (16) einen Gewindeabschnitt (46) zur Anordnung an einem komplementären Gewindeabschnitt (30) am ersten Bauteil (12) aufweist, und wobei der Befestigungsring (16) den kreisringförmigen Halteabschnitt (48) zur verliersicheren Halterung des zweiten Bauteils (14) am ersten Bauteil (12) aufweist.
Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich ein erster Elektrodenanschluss (26) von der ersten Elektrode (20) senkrecht zur Haupterstreckung des ersten Bauteils (12) durch das erste Bauteil (12) erstreckt, und/oder wobei sich ein zweiter Elektrodenanschluss (38) von der zweiten Elektrode (32) senkrecht zur Haupterstreckung des zweiten Bauteils (14) durch das zweite Bauteil (14) erstreckt.
Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Bauteil (12) und/oder das zweite Bauteil (14) kreissymmetrisch ausgebildet sind/ist.
Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Bauteil wenigstens Codiermittel (28) und das zweite Bauteil wenigstens eine komplementäre Codieraufnahme aufweist, oder wobei das zweite Bauteil wenigstens Codiermittel (28) und das erste Bauteil wenigstens eine komplementäre Codieraufnahme aufweist, und wobei die Codieraufnahme zur positionsgetreuen und/oder formschlüssigen Anordnung des ersten Bauteils (12) am zweiten Bauteil (14) ausgebildet ist.
Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (20, 32) umpolbar ausgebildet sind.
Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der beiden Elektroden (20, 32) aus Titan hergestellt ist.
Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der beiden Elektroden (20, 32) mit einer Beschichtung aus IrO_x/RuO_x beschichtet ist.
Elektrolysezelle (10) nach einem der Ansprüche 2-16, wobei Fluid vom Fluideinlass (22) der ersten Elektrode (20) zum Fluidauslass (24) der ersten Elektrode (20) leitbar ist, und wobei Fluid sodann weiter zum Fluideinlass (34) der zweiten Elektrode (32) und weiter zum Fluidauslass (36) der zweiten Elektrode (32) leitbar ist oder wobei Fluid vom Fluideinlass (34) der zweiten Elektrode (32) zum Fluidauslass (36) der zweiten Elektrode (32) leitbar ist, und wobei Fluid sodann weiter zum Fluideinlass (22) der ersten Elektrode (20) und weiter zum Fluidauslass (24) der ersten Elektrode (20) leitbar ist.
Verwendung einer Elektrolysezelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, in einem Trinkwasserspender, wobei Trinkwasser vor der Entnahme durch die Elektrolysezelle (10) hindurchgeleitet wird oder hindurchleitbar ist.