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Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere zum Testen von unterschiedlichen Materialien in der Elektrolysezelle, wobei die Elektrolysezelle zwei Halbzellen aufweist, wobei jede Halbzelle als Material mindestens eine Katalysatorstruktur aufweist und die beiden Halbzellen mittels eines Trennelementes voneinander getrennt sind, und die Elektrolysezelle eine Verpress- und/oder Halteeinheit zum Aufbringen einer definierten Anpressraft und/oder zum Verpressen und/oder Halten der Materialien der Halbzellen aufweist oder die Verpress- und/oder Halteeinheit der Elektrolysezelle zugeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Elektrolysetestsystem und einen Teststand zum Testen von dichtungsfreien Elektrolysezellen und/oder Elektrolysetestsystemen.
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Bei der Wasserelektrolyse, beispielsweise der klassischen alkalischen Elektrolyse (AEL), der alkalischen Elektrolytmembran (AEM)- und der Polyelektrolytmembran (PEM)-Elektrolyse, wird Wasser mittels thermischer und elektrischer Energie in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Dies wird in zwei räumlich voneinander getrennten Halbzellen durchgeführt, wobei an der Anodenseite Sauerstoff und auf der Kathodenseite Wasserstoff gebildet werden.
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Um in der Forschung und Entwicklung elektrolytische Prozesse grundlegend zu untersuchen, Elektrolysezellen zu optimieren und/oder die Eignung und Beständigkeit von Materialien unter Elektrolysebedingungen zu untersuchen, werden üblicherweise Teststände und Testzellen eingesetzt.
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Eine übliche Elektrolysezelle, und somit auch Testzelle, weist normalerweise zwei Halbzellen (Anode und Kathode) auf, welche mittels einer Membran und/oder einem Separator getrennt sind. Jede Halbzelle weist üblicherweise ein Flussfeld, poröse Transportschichten und eine Katalysatorschicht auf. Des Weiteren weist jede Halbzelle üblicherweise einen Eingang auf, um der Halbzelle Wasser und/oder Elektrolyt zuzuführen, sowie einen Ausgang, um das Wasser und/oder Elektrolyt sowie die erzeugten Gase (Wasserstoff-/Sauerstoff) aus der Halbzelle abzutransportieren. Hierbei sind die Halbzellen der Testzelle üblicherweise gegenüber der Umgebung und/oder Atmosphäre abgedichtet, um einen Austritt der produzierten Wasserstoff-/Sauerstoff-Gase und des Wassers und/oder Elektrolyten zu verhindern.
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Seit Jahrzenten besteht die Auffassung, dass die Verwendung von Dichtungen in Elektrolysezellen zum Abdichten nach außen erforderlich sind und folglich das verwendete Dichtungskonzept entscheidend für den Betrieb und die Leistungsfähigkeit einer Elektrolysezelle ist. Zudem dürfen die Dichtungen die Verpressung der Materialien der Halbzellen nicht negativ beeinflussen, da eine homogene, definierte und reproduzierbare Verpressung der Materialien wichtige leistungsspezifische Parameter der Wasserelektrolyse beeinflusst. Aus diesen Gründen werden standardmäßig hohe Anforderungen an die Verpressung und Dichtungen in Elektrolysezellen gestellt und diese als dringend erforderlicher Bestandteil einer Elektrolysezelle angesehen und stets in dieser verwendet.
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Bei Elektrolysezellen und Testzellen nach dem Stand der Technik wird die Anpresskraft auf die jeweilige Dichtung und die aktive Fläche der Zelle aufgeteilt, wodurch eine präzise, homogene und reproduzierbare Verpressung nur schwer realisierbar ist. Gerade an Testzellen werden hierbei erhöhte Anforderungen gestellt, da diese zusätzlich sehr flexibel einsetzbar sein müssen, um beispielsweise unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Dicken zu testen, aber dennoch Untersuchungen mit den gleichen Anpresskräften durchführen zu können. Folglich muss nach dem Stand der Technik das jeweilige Dichtungssystem angepasst werden, indem beispielsweise mit unterschiedlichen Dichtungsdicken und/oder Dichtungsmaterialien gearbeitet wird. Dies führt jedoch aufgrund der oben genannten Einflussgrößen häufig zu nicht vergleichbaren Ergebnissen der getesteten unterschiedlichen Materialien.
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Eine Verbesserung stellt beispielsweise eine Testzelle für die Charakterisierung von Elektrolysezellen dar, bei der das Dichtungssystem und die Verpressung der aktiven Fläche voneinander getrennt sind und somit die Anpresskraft kontrolliert auf die aktive Fläche aufbringbar ist. Nachteilig bei derartigen Testzellen ist, dass diese sehr teuer sind und deshalb im Hochschul- und Entwicklungsbereich sowie bei niedrigwertschöpfenden Anwendungen, wie in der Wasseraufbereitung, nicht verwendet werden.
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In der
DE 10 2017 217 364 B4 sind die Notwendigkeit der Abdichtung von Elektrolysezellen und die hohen Anforderungen an ausreichende Vorspannkräfte und eine robuste, zuverlässige Dichtheit beschrieben. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wird eine Elektrolysezelle mit zwei einander abdichtenden Halbschalen, einer an einem sich in radialer Richtung erstreckenden Flanschabschnitt der Halbschalen abdichtend montierbaren Vorspannkupplung und einer damit funktionsfähig vorspannbaren Dichtung vorgeschlagen, bei der ein Spannmittel zum Vorspannen zweier Kupplungsteile der Vorspannkupplung fluchtend mit dem oder lateral versetzt zum sich radial erstreckenden Flanschabschnitt an der Vorspannkupplung oder mittels der Vorspannkupplung angeordnet ist. Nachteilig ist hier, die zusätzlich notwendige Vorspannkupplung und eine entsprechende große Baugröße.
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Ebenso wie eine Testzelle selbst, ist auch ein entsprechender Teststand nach dem Stand der Technik aufwändig aufgebaut. Üblicherweise weist ein Teststand für beide Seiten der Halbzellen jeweils Fluid-Kreisläufe auf, um die Testzellen mit Wasser/Elektrolyt und/oder Gasen zu versorgen. Die entstehenden Gase (Wasserstoff und Sauerstoff) werden weiterhin getrennt voneinander geführt. Eine oder mehrere Testzellen werden im Arbeitsbereich des Teststandes aufgebaut und entsprechend mit Hin- und -rückläufen für die Fluide verbunden. Des Weiteren wird über Peripheriegeräte des Teststandes üblicherweise auch die Temperaturregelung der Fluide der Testzelle und eine Druckregelung der beiden Halbzellen realisiert. Zudem sind in den zwei Fluidkreisläufen jeder Testzelle üblicherweise diverse Sensoren, wie beispielsweise Drucksensoren, Temperatursensoren, Gasanalyse (Messung des Gasflusses, der Volumenkonzentration, etc.) verbaut. Auch sind weitere verfahrenstechnische Geräte, wie beispielsweise Gas-Flüssigkeit-Abscheider, Wärmeübertrager und ähnliches erforderlich. Häufig bedarf ein Teststand auch weitere Messtechnik, wie beispielsweise Strom- und Spannungsmessungen von den Testzellen und Impedanz-Messgeräte. Folglich sind bekannte Teststände je nach Ausstattung sehr teuer, kompliziert und fehleranfällig. Des Weiteren ist die Messkapazität an einem derartigen Teststand sehr gering, da dieser üblicherweise nur für eine bestimmte Testzelle geeignet und verwendbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Elektrolysezelle, insbesondere zum Testen von unterschiedlichen Materialien in der Elektrolysezelle, wobei die Elektrolysezelle zwei Halbzellen aufweist, wobei jede Halbzelle als Material mindestens eine Katalysatorstruktur aufweist und die beiden Halbzellen mittels eines Trennelementes voneinander getrennt sind, und die Elektrolysezelle eine Verpress- und/oder Halteeinheit zum Aufbringen einer definierten Anpresskraft und/oder zum Verpressen und/oder Halten der Materialien der Halbzellen aufweist oder die Verpress- und/oder Halteeinheit der Elektrolysezelle zugeordnet ist, wobei die Elektrolysezelle frei von einer Dichtung ist, sodass mittels der Verpress- und/oder Halteeinheit ein direktes Verpressen und/oder Halten der Materialien der Halbzellen homogen und reproduzierbar realisierbar ist.
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Somit wird eine dichtungsfreie Elektrolysezelle und insbesondere dichtungsfreie Testzelle bereitgestellt, bei der ein Verpressen der aktiven Katalysatorstruktur und weiterer Materialien präzise, reproduzierbar und homogen einstellbar ist oder sind, ohne dass es zu einer Beeinflussung durch eine Dichtung und/oder Interferenzen zwischen einer Dichtung und dem Verpressen kommt.
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Folglich wird eine offene, jedoch gezielt verpressbare Testzelle ohne Dichtung bereitgestellt, welche dadurch preiswerter und flexibler einsetzbar ist. Vor allem sind unterschiedliche Materialien in der Testzelle untersuchbar, ohne dass eine Anpassung eines jeweiligen Dichtungssystems an die unterschiedlichen Materialien erforderlich ist. Somit erlaubt die offene, dichtungsfreie Testzelle eine homogene, direkte Verpressung ohne negative Beeinflussung durch Dichtungen.
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Dadurch, dass die Materialien der Elektrolysezelle direkt miteinander verpresst werden und somit die Kontakt- und Verpressflächen direkt aneinander, ohne dazwischen angeordneter Dichtung, anliegen, wird eine optimale Flächenpressung mittels der Verpress- und/oder Halteeinheit realisiert. Aufgrund der direkten Presswirkung kann zudem die Anpresskraft gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden, um die gezielten Anpressdrücke in einem Bereich zwischen 0,5 und 30 MPa, insbesondere zwischen 3,0 und 10 MPa, zu erreichen. Die homogenere Verpressung durch den dichtungsfreien Aufbau kann auch eine Reduzierung des notwendigen Anpressdruckes ermöglichen.
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In der einfachsten Ausführungsform besteht die Elektrolysezelle aus der Katalysatorstruktur der ersten Halbzelle und der Katalysatorstruktur der zweiten Halbzelle und dem dazwischen angeordneten Trennelement, welche verpresst und frei von einer Halteeinheit sind.
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Folglich wird eine Elektrolysezelle bereitgestellt, welche, insbesondere für die Forschung und Entwicklung, eine einfache und kostengünstige Überprüfung und Qualitätskontrolle von diversen Komponenten und Materialien, wie Katalysatoren, Membranen, Elektroden, Flussfelder, poröse Transportschichten und weitere, ermöglicht.
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Selbstverständlich ist die Elektrolysezelle nicht nur für Testzwecke, sondern für eine Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise auch als Brennstoffzelle, nutzbar.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, eine Elektrolysezelle gerade frei von einer Dichtung, insbesondere an den aktiven Flächen der beiden Katalysatorstrukturen der beiden Halbzellen, auszugestalten, sodass mittels der Verpress- und/oder Halteeinheit ein direktes Verpressen und/oder Halten der Katalysatorstrukturen und/oder weiteren Materialien der Halbzellen homogen und reproduzierbar erfolgt. Somit wird durch Ausbilden der Elektrolysezelle frei von einer Dichtung gerade eine Interferenz zwischen der Dichtung und dem Verpressen vermieden. Diese Ausbildung frei von einer Dichtung ist gerade nicht naheliegend, da Jahrzehnte lang die Ansicht bestand, dass eine Elektrolysezelle gegenüber der Umgebung abgedichtet werden muss. Somit wird mit der Erfindung ein lange bestehendes Vorurteil überwunden.
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Folgendes Begriffliche sei erläutert:
- Eine „Elektrolysezelle“ ist insbesondere eine Vorrichtung, in welcher mithilfe elektrischen Stroms eine elektrochemische Reaktion und somit eine Stoffumwandlung bewirkt wird. Bei einer Elektrolysezelle kann es sich insbesondere um eine Zelle für eine Wasser-Elektrolyse oder Chlor-Alkali-Elektrolyse handeln. Zudem kann die Elektrolysezelle für eine klassische alkalische Elektrolyse (AEL), alkalische Elektrolytmembran(AEM)-Elektrolyse, saure Elektrolyse und/oder Protonen-Austausch-Membran(PEM)-Elektrolyse ausgebildet sein. Des Weiteren kann es sich bei einer Elektrolysezelle auch um eine Brennstoffzelle handeln, bei der Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser reagieren. Bevorzugt handelt es sich bei der Elektrolysezelle um eine Testzelle. Eine Elektrolysezelle weist insbesondere zwei Halbzellen und somit einen jeweils offenen Anodenraum und Kathodenraum auf. Bei der Wasser-Elektrolyse entsteht im Anodenraum (Anodenseite) durch Oxidation Sauerstoff und im Kathodenraum (Kathodenseite) durch Reduktion Wasserstoff.
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Eine „Halbzelle“ ist insbesondere Bestandteil eines galvanischen Elementes und/oder der Elektrolysezelle. Die Elektrolysezelle weist insbesondere zwei Halbzellen auf, wobei eine Halbzelle die Anode und die andere Halbzelle die Kathode der Elektrolysezelle aufweist. Somit bildet die eine Halbzelle den Anodenraum und die andere Halbzelle den Kathodenraum aus. Da es sich erfindungsgemäß jedoch um eine dichtungsfreie Elektrolysezelle handelt, sind die beiden Halbzellen insbesondere offen in demselben Wasser und/oder Elektrolyten angeordnet. Somit bezieht sich die Halbzelle hier lediglich auf die unterschiedliche Katalysatorstruktur und/oder Elektrode der beiden Halbzellen, da bis auf Diffusions- und/oder Strömungsgradienten beide Halbzellen im selben Wasser und/oder Elektrolyt vorliegen.
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Bei dem „Material“ oder den „Materialien“ einer Elektrolysezelle handelt es sich insbesondere um dasjenige Material, welches aufeinander gestapelt innerhalb der Elektrolysezelle verpresst und/oder gehalten wird. Hierzu weist die Elektrolysezelle mindestens für jede Halbzelle eine Katalysatorstruktur (Elektrode) und ein dazwischen angeordnetes Trennelement (Membran/Separator) auf. Weitere Materialien können beispielsweise eine Endplatte, ein Stromkollektor, ein Flussfeld, eine poröse Transportschicht oder ein anderes zu testendes Material sein. Die Materialien der Testzelle müssen insbesondere bei dem verwendeten Drücken beständig sein und entsprechend der verwendeten Temperaturen, wie beispielsweise bei der Niedertemperaturelektrolyse 20 bis 100 °C, aber auch für Elektrolyseanwendungen bei mittleren Temperaturen von bis zu 300 °C, beständig sein. Des Weiteren müssen die Materialien insbesondere bei den verwendeten Elektrolyten, beispielsweise deionisiertes Wasser, Kalilauge und ähnliches, chemisch und thermodynamisch stabil sein.
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Bei einer „Katalysatorstruktur“ (auch „Elektrode“ genannt) handelt es sich insbesondere um einen oder mehrere Feststoffe, welche insbesondere als sogenannten Kontakt eine heterogene Katalyse mit den in einer unterschiedlichen Phase vorliegenden Gasen und/oder Flüssigkeiten ermöglicht. Die Katalysatorstruktur weist insbesondere eine hohen Ionen-(Protonen/Hydroxidion) und/oder Elektronenleitfähigkeit und hohe Aktivitäten bezüglich Oxidations- und/oder Reduktionsreaktionen auf. In der einfachsten Form kann es sich bei einer Katalysatorstruktur um zumindest eine Katalysatorschicht oder mehrere Katalysatorschichten handeln. Bevorzugt ist die Katalysatorstruktur insbesondere eine poröse Katalysatorstruktur, welche ein poröses Material oder mehrere verbundene poröse Materialien aufweist, welche jeweils eine definierte Porengröße und/oder einen definierten Porenraum aufweisen. Durch die Poren der insbesondere porösen Katalysatorstruktur ist insbesondere das Sauerstoffproduktgas, der gebildete Wasserstoff und/oder auch Wasser strömbar. Bevorzugt weist die poröse Katalysatorstruktur eine gleichmäßige Struktur und/oder einen gleichmäßig verteilten Porenraum auf. Jedoch kann die poröse Katalysatorstruktur auch ungeordnete Porenräume aufweisen. Die Katalysatorstruktur kann auch eine poröse Transportschicht aufweisen. Die Katalysatorstruktur kann auch zusätzlich aus elektrisch leitfähigen Trägermaterialien für die Katalysatoren, wie beispielweise Kohlenstoff und Titan, bestehen. Die Katalysatorstruktur ist insbesondere mit einer elektrischen Kontaktierung verbunden, welche einen externen Stromkreis und somit einen Elektronenfluss zwischen der Katalysatorstruktur der ersten Halbzelle und der Katalysatorstruktur der zweiten Halbzelle ermöglicht. Die Katalysatorstruktur weist insbesondere einen Katalysator, wie beispielweise Platin oder Iridium auf.
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Bei einem „Trennelement“ (auch „Separator“ oder „Membran“ genannt) handelt es sich insbesondere um ein Bauteil und/oder ein Material der Elektrolysezelle, welches die beiden Halbzellen und somit die jeweiligen Katalysatorstrukturen der beiden Halbzellen voneinander trennt. Bei dem Trennelement handelt es sich insbesondere um eine dünne trennende Membran. Diese Membran kann insbesondere halbdurchlässig sein und beispielsweise einen Durchtritt von Wasserstoffionen von der einen Halbzelle in die andere Halbzelle ermöglichen. Ebenso kann die Membraneigenschaft derart gewählt werden, dass ein Transport von OH--Ionen über die Membran möglich ist. Das Trennelement und/oder die Membran ist jedoch bevorzugt gasdicht, sodass ein Durchtritt von Sauerstoff und/oder gebildetem Wasserstoffgas durch die Membran nicht möglich oder gering ist. Bei dem Trennelement kann es sich beispielsweise um einen protonendurchlässige Polymermembran oder um eine alkalische Elektrolytmembran handeln.
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Eine „Verpress- und/oder Halteeinheit“ ist insbesondere eine Vorrichtung zum Aufbringen einer definierten Anpresskraft und/oder zum Verpressen und/oder Halten der Bestandteile der Elektrolysezelle und somit der Materialien der beiden Halbzellen. Die Verpress- und/oder Halteeinheit kann insbesondere als externe Vorrichtung der Elektrolysezelle zugeordnet sein oder die Elektrolysezelle weist die Verpress- und/oder Halteeinheit auf. Ebenso kann die Verpress- und/oder Halteeinheit einteilig ausgestaltet sein und sowohl ein Anpressen, Verpressen und/oder Halten der Materialien der Elektrolysezelle bewirken oder die Verpresseinheit und die Halteeinheit sind als separate Vorrichtungen ausgestaltet. Im letzteren Fall wird mittels der Verpresseinheit zunächst eine definierte Anpresskraft auf die Materialien der Halbzellen und/oder Elektrolysezelle aufgebracht und diese aufgebrachte Anpresskraft wird mittels der separaten Halteeinheit dann während der Verwendung der Elektrolysezelle beständig gehalten und gewährleistet. Bei einer Verpress- und/oder Halteeinheit kann es sich auch um eine Verschraub-, Klemm- und/oder Spannvorrichtung handeln.
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Eine „Dichtung“ ist insbesondere ein Element oder eine Konstruktion, mit dem oder der ungewollte Stoffübergänge von einem Ort zu einem anderen verhindert oder begrenzt werden. In Elektrolysezellen nach dem Stand der Technik wird eine Dichtung oder werden mehrere Dichtungen insbesondere eingesetzt, um einen Austritt von Gasen und/oder Wasser/Elektrolyt aus den Halbzellen und/oder der Elektrolysezelle in die Umgebung und/oder Atmosphäre zu verhindern.
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Unter „Verpressen“ und/oder „Anpressen“ wird insbesondere ein Fügen durch Herstellung einer Pressung und somit einer Ausbildung einer Pressverbindung verstanden. Beim Verpressen wird insbesondere eine definierte Anpresskraft und/oder ein definierter Anpressdruck aufgebracht. Hierbei sollten die Materialien insbesondere nicht gas- und/oder wasserdicht verpresst werden, um einen Hin- und Abtransport von Wasser, Elektrolyt und Gas zu ermöglichen.
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Eine „Anpresskraft“ (auch „Andruckkraft“) ist insbesondere eine Kraft, die gegen einen anderen Körper und/oder ein anderes Material drückt. Bei gleichmäßig verteilter Belastung ergibt sich die Anpresskraft insbesondere aus dem Anpressdruck multipliziert mit der Fläche. Gegenüber dem bekannten Stand der Technik wird insbesondere weniger Anpresskraft für die Elektrolysezelle benötigt, da wegen der Dichtungsfreiheit keine Anpresskraft auf eine Dichtung aufgebracht werden muss. Jedoch soll der Anpressdruck insbesondere auf die aktive Fläche nicht reduziert sein.
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Unter „Halten“ wird insbesondere das Zusammenhalten der beiden Halbzellen und/oder der Materialien der Elektrolysezelle verstanden. Beim Halten wird insbesondere die definierte aufgebrachte Anpresskraft mittels der Presseinheit durch die Halteeinheit und/oder die kombinierte Verpress- und Halteeinheit im Wesentlichen aufrechterhalten.
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In einer weiteren Ausführungsform der Elektrolysezelle weist die erste Halbzelle oder weisen die Halbzellen jeweils eine Endplatte auf, sodass die Verpress- und/oder Halteeinheit auf eine Außenseite der jeweiligen Endplatte einwirkt, und/oder weist oder weisen eine poröse Transportschicht zum Anströmen der Katalysatorstruktur auf.
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Somit können alle Materialien der Elektrolysezelle zwischen den endständigen beiden Endplatten und/oder den porösen Transportschichten verpresst und/oder während der Elektrolyse definiert gehalten werden. Es ist besonders vorteilhaft, dass die Endplatten hierzu mit einer größeren Materialdicke als die anderen Materialien der Halbzellen, insbesondere der Katalysatorstruktur, ausgebildet sein kann. Dadurch können die Endplatten gezielt druckbeständig ausgelegt werden.
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Zudem kann durch eine poröse Transportschicht außen an der Katalysatorstruktur jeder Halbzelle und/oder zwischen der Katalysatorstruktur und der Endplatte jeder Halbzelle eine verbesserte und definierte Anströmung mit Wasser/Elektrolyt und/oder Abströmen von Gas von der jeweiligen Katalysatorstruktur erzielt werden.
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Eine „Endplatte“ ist insbesondere eine Platte, welche endständig und/oder außen eine Halbzelle abschließt. Eine Endplatte kann insbesondere eine oder mehrere Bohrungen zur Durchführung einer oder mehrerer Gewindestangen aufweisen.
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Eine „poröse Transportschicht“ ist insbesondere ein poröses Material oder mehrere verbundene poröse Materialien, welche jeweils eine definierte Porengröße und/oder einen definierten Porenraum aufweisen. Durch die Poren der porösen Transportschicht ist insbesondere das Wasser und/oder der Elektrolyt sowie das Sauerstoffgas und der gebildete Wasserstoff strömbar.
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Um eine Anpresskraft definiert aufzubringen und/oder die Anpresskraft als Haltekraft oder eine vorgegebene Haltekraft zu halten, weist die Verpress- und/oder Halteeinheit mindestens eine Gewindestange, mindestens eine Mutter und/oder ein Halteelement auf.
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Somit kann eine offene Testzelle mittels einer Gewindestange definiert verpresst werden, welche beispielsweise in der oberen Endplatte verschraubt ist und auf der gegenüberliegenden Seite an einem Träger der Verpress- und/oder Halteeinheit mittels mindestens einer Mutter verspannbar ist. Ebenso kann mittels beispielsweise vier Gewindestangen, welche durch die obere und untere Endplatte an jeder Ecke geführt sind, eine eingestellte Verpressung gehalten werden. Anstelle eines Verschraubens der Endplatten mittels der Gewindestange und zugehöriger Mutter, kann jedoch auch ein separates Halteelement, wie beispielsweise gegenüberliegende haltende Platten, verwendet werden, welche die Endplatten der Elektrolysezelle seitlich einspannen.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Elektrolysetestsystem aufweisend ein Gehäuse, mindestens eine Elektrolysezelle und ein Wasser- und/oder Elektrolytbad mit Wasser und/oder einem Elektrolyten in dem Gehäuse, wobei die mindestens eine Elektrolysezelle eine zuvor beschriebene Elektrolysezelle ist und in dem Wasser- und/oder Elektrolytbad angeordnet ist.
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Dadurch wird ein Elektrolysetestsystem bereitgestellt, bei dem die mindestens eine Testzelle in ein Wasser-/Elektrolytbad innerhalb des Gehäuses eingelegt ist und gegenüber von Teststandsystemen nach dem Stand der Technik gerade nicht mit Hin- und Rückläufen angeschlossen ist. Somit wird die Testzelle direkt mit Wasser, Elektrolyt und/oder Gas versorgt. Dadurch, dass die Testzelle dichtungsfrei und somit offen ist, gelangt das Wasser und/oder der Elektrolyt direkt in die Testzelle innerhalb des Wasser- und/oder Elektrolytbades hinein und die produzierten Gase strömen nach oben aus der Testzelle hinaus.
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Durch die Ausbildung des Elektrolysetestsystems mit einem Wasser- und/oder Elektrolytbad ist die Peripherie des Teststandes im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduzierter ausgestaltbar und somit günstiger, einfacher und weniger fehleranfällig. Da die offene Testzelle keine Anschlüsse für die Ein- und Ausgänge zur Zuführung des Wassers und/oder Elektrolyten benötigt, ist es sogar möglich beim Elektrolysetestsystem entsprechend auch keine Pumpe und andere Peripheriegeräte, wie Wärmeaustauscher, zur Zuführung und Parametereinstellung des Wassers und/oder Elektrolyten zu verwenden.
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Folglich wird ein einfacheres, zuverlässiges, wartungsärmeres und benutzerfreundlicheres Elektrolysetestsystem zur Charakterisierung einer oder mehrerer Elektrolysezellen bereitgestellt.
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Um die Messkapazität des Elektrolysetestsystems zu erhöhen, ist oder sind eine zweite Elektrolysezelle, eine dritte Elektrolysezelle, eine vierte Elektrolysezelle, eine fünfte Elektrolysezelle und/oder eine weitere Elektrolyszelle in dem Wasser- und/oder Elektrolytbad angeordnet.
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Dadurch kann durch die Verwendung von mehreren Zellen in einem einzigen Wasser-/Elektrolytbad die Test- und Messkapazität deutlich erhöht und das Testsystem effizienter ausgestaltet werden.
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Eine „zweite, dritte, vierte, fünfte und/oder weitere Elektrolysezelle“ entspricht in ihrem Aufbau und ihrer Funktion einer oben definierten Elektrolysezelle. Bei den zeitgleich in dem Wasser- und/oder Elektrolytbad eingelegten Elektrolysezellen kann es sich um eine gleiche und/oder um unterschiedliche Elektrolysezellen handeln, sodass beispielsweise die Reproduzierbarkeit einer bestimmten Elektrolysezellenart oder unterschiedliche Elektrolysezellenarten und/oder unterschiedliche Materialien unter den gleichen Betriebsbedingungen getestet werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform des Elektrolysetestsystems ist das Wasser- und/oder Elektrolytbad frei von einer aktiven Strömung des Wassers und/oder des Elektrolyten.
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Dadurch kann auf einen zusätzlichen Energieaufwand zum Erzeugen einer aktiven Strömung und die entsprechenden Geräte verzichtet werden, da die Elektrolysezelle oder -zellen im Wasser- und/oder Elektrolytbad direkt mit Wasser und/oder dem Elektrolyten versorgt werden.
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Unter einer „aktiven Strömung“ wird insbesondere eine Strömung verstanden, welche unter Energieaufwand und/oder -eintrag erzeugt wird. Bei einer aktiven Strömung handelt es sich insbesondere um eine Strömung des Wassers und/oder Elektrolyten durch Wirkung einer Pumpe, Rührers und/oder eines Mischers. Unter eine aktive Strömung fällt nicht eine passive Strömung, welche aufgrund von Diffusion, Konzentrationsgradienten und/oder Gasbildung bewirkt wird. Somit liegt bei dieser Ausführungsform nur eine passive Strömung des Wassers und/oder Elektrolyten zur Versorgung der Katalysatorschicht/-struktur mit den Reaktionspartnern vor.
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Um gezielt den Antransport des Wassers und/oder Elektrolyten und den Stoffübergang an den Katalysatorschichten/-strukturen zu untersuchen, weist das Elektrolysetestsystem eine Pumpe und/oder einen Mischer zum Erzeugen einer aktiven Strömung des Wassers und/oder des Elektrolyten auf.
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Folglich kann mittels einer Pumpe, eines Mischers und/oder eines Rührers eine gezielte Anströmung des Wassers und/oder des Elektrolyten in die Halbzellen und folglich der Katalysatorstrukturen eingestellt werden.
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Zudem kann mittels der Pumpe ein Umwälzen und/oder mittels des Mischers eine Homogenisierung des Wassers und/oder Elektrolyten erfolgen, um Konzentrationsgradienten zu vermeiden. Zudem kann über eine Pumpe, bevorzugt in einem externen Kreislauf, eine Temperatureinstellung und/oder eine angeschlossene zusätzliche Wasseraufbereitung zum Reinhalten des Wassers und/oder Elektrolyten im Elektrolysetestsystem durchgeführt werden. Hierzu ist herauszustellen, dass dazu nur ein einziger Kreislauf und somit ein Eingang und ein Ausgang zum Elektrolysetestsystem notwendig ist, während nach dem Stand der Technik jede einzelne Testzelle jeweils einen Eingang und einen Ausgang und dementsprechend jeweils einen eigenen Kreislauf aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Elektrolysetestsysteme eine Nachbehandlungseinheit zum Behandeln eines bei der Elektrolyse entstehenden Wasserstoff-/Gas-Gemisches, eine Spüleinheit zum Verdünnen von entstehendem Wasserstoff mit einem Spülgas und/oder eine Rekombinationseinheit zur Rekombination von entstehendem Wasserstoff auf.
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Durch diese Ausführungsformen kann die Bildung eines explosionsfähigen Gemisches aus circa zwei Drittel Wasserstoff und einem Drittel Sauerstoff vermieden werden, da die produzierten Gase sich prinzipiell oberhalb der offenen Zelle im Elektrolysetestsystem vermischen können.
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Das Elektrolysetestsystem kann hier nach ATEX-Richtlinie ausgelegt werden, um eine mögliche Zündung zu verhindern, indem hinter dem Elektrolysetestsystem eine Nachbehandlungseinheit angeordnet ist. In der Nachbehandlungseinheit kann das Wasserstoff-/SauerstoffGemisch beispielsweise kontrolliert verbrannt oder durch eine Abluftbehandlung ausreichend verdünnt werden. Alternativ oder ergänzend dazu kann eine Spüleinheit verwendet werden, bei der durch Einbringen von Spülgas, beispielsweise Stickstoff oder Luft, in das Gehäuse des Elektrolysetestsystems und somit in den Raum oberhalb des Wassers/Elektrolyten und/oder in das Wasser-/Elektrolytbad ein Verdünnen der Wasserstoffkonzentration unterhalb der explosionsfähigen Grenze erfolgt, sodass die Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre verhindert wird. Ergänzend und/oder alternativ zu den oben beschriebenen Maßnahmen kann zudem eine Rekombinationseinheit verwendet werden, durch welche das Wasserstoff-/Sauerstoffgemisch zu Wasser rekombiniert und dadurch kontrolliert abreagiert.
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Um gebildeten Wasserstoff sicher innerhalb des Gehäuses des Elektrolysetestsystems zu reduzieren, ist die Rekombinationseinheit als Rekombinationsschicht über einen gesamten Querschnitt des Wasser- und/oder Elektrolytbades ausgebildet.
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Somit reagiert der produzierte Wasserstoff, welcher aus den offenen Testzellen im Wasser-/Elektrolytbad aufsteigt, bevorzugt direkt noch innerhalb der Wasser-/Elektrolyt-Phase mit dem ebenfalls vorhandenen Sauerstoff zu Wasser nach der Gleichung 2 H2 + O2 → 2 H2O
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Bei einer „Rekombinationseinheit“ handelt es sich insbesondere um eine Katalysatorstruktur, welche die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser katalysiert. Eine Rekombinationseinheit weist beispielsweise Platin als Katalysator auf. Bevorzugt ist die Rekombinationseinheit als Rekombinationsschicht ausgebildet, welche einen gesamten Querschnitt des Räumen im inneren Gehäuse des Elektrolysetestsystems einnimmt. Bevorzugt ist die Rekombinationsschicht unter der Wasser-/Elektrolyt-Oberfläche angeordnet, sodass jeglicher gebildete Wasserstoff beim Aufsteigen mit der Rekombinationsschicht in Kontakt tritt und zusammen mit Sauerstoff zu Wasser abreagiert. Die Rekombinationsschicht ist insbesondere als poröse Struktur ausgebildet, sodass diese sowohl von Gas als auch von Wasser/Elektrolyt durchströmbar ist.
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In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Teststand zum Testen von dichtungsfreien Elektrolysezellen und/oder Elektrolysetestsystemen mit mindestens einer Pumpe zur Kreislaufführung von Wasser und/oder eines Elektrolyten aufweisend mindestens zwei Elektrolysezellen oder mindestens zwei Elektrolysetestsysteme, wobei die mindestens zwei Elektrolysezellen jeweils eine zuvor beschriebenen Elektrolysezelle und/oder die mindestens zwei Elektrolysetestsysteme jeweils ein zuvor beschriebenes Elektrolysetestsystem sind und der Teststand derart ausgebildet ist, dass die mindestens zwei Elektrolysezellen oder mindestens zwei Elektrolysetestsysteme unter gleichen oder unterschiedlichen Bedingungen, insbesondere Eigenschaften des Wassers und/oder Elektrolyten, testbar sind.
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Folglich wird ein Teststand bereitgestellt, bei dem aufgrund der Verwendung der dichtungsfreien Elektrolysezellen und/oder entsprechenden Elektrolysetestsystemen mehrere offene Elektrolysezellen in einem gleichen Kreislauf innerhalb eines Elektrolysetestsystems getestet werden können und/oder mehrere Elektrolysetestsysteme mit entsprechend mehreren Kreisläufen parallel gefahren werden. Somit können flexibel kostengünstig und wartungsarm unterschiedliche Bedingungen, wie unterschiedliche Temperaturen und/oder unterschiedliche Elektrolyten, sowohl für mehrere offene Elektrolysezellen parallel als auch für mehrere Elektrolysetestsysteme parallel getestet werden. Bevorzugt wird hier lediglich mittels der Pumpe nur ein Kreislauf für ein Elektrolysetestsystem und somit einen Testbehälter mit mehreren Zellen aufgebaut oder mehrere Elektrolysetestsysteme werden mit einem Kreislauf versorgt.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine stark schematische Schnittdarstellung eines Elektrolysetestsystems mit zwei offenen Testzellen,
- 2 eine Halteeinheit mit vertikalen Feingewindestangen einer offenen Testzelle,
- 3 eine Verpresseinheit der offenen Testzelle aus 2, und
- 4 eine alternative Halteeinheit mit Halteplatten und horizontalen Feingewindestangen der offenen Testzelle aus 2.
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In einer einfachen Ausführungsform weist eine erste offene Testzelle 107 erste Katalysatorschichten 121 und zweite Katalysatorschichten 123 auf, welche durch eine Membran 119 als Separator getrennt sind. Die ersten Katalysatorschichten 121 und die zweiten Katalysatorschichten 123 sind als poröse Struktur ausgebildet und stellen aufgrund der Trennung durch die Membran 119 zwei Halbzellen der ersten offenen Testzelle 109 dar (siehe 1).
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Eine zweite offene Testzelle 109 ist entsprechend durch erste Katalysatorschichten 121 und zweite Katalysatorschichten 123 getrennt durch eine Membran 119 ausgebildet. Die erste offene Testzelle 107 und die zweite offene Testzelle 109 sind dichtungsfrei und in einem Elektrolysetestsystem 101 eingesetzt.
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Vor Einsatz in dem Elektrolysetestsystem 101 sind die erste offene Testzelle 107 und die zweite offene Testzelle 109 mittels einer Verpresseinheit 141 durch das Verpressen der jeweiligen ersten Katalysatorschichten 121, der Membran 119 und der zweiten Katalysatorschichten 123 verfügt worden sodass diese direkt ohne Halter in dem Elektrolysetestsystem 101 eingesetzt und verwendet werden.
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Das Elektrolysetestsystem 101 weist ein Gehäuse 103 auf, in dem sich Wasser/Elektrolyt 105 befindet. Die erste offene Testzelle 107 und die zweite offene Testzelle 109 sind in das Wasser/Elektrolyt 105 eingetaucht. Die erste offene Testzelle 107 und die zweite offene Testzelle 109 sind jeweils über eine in 1 nicht gezeigte elektrische Kontaktierung mittels eines externen Stromkreises verbunden. Ebenso weist das Elektrolysetestsystem 101 weitere nicht gezeigte Peripheriegeräte zur Temperatur- und Drucksteuerung sowie Messgeräte auf.
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Des Weiteren weist das Gehäuse 103 des Elektrolysetestsystems 101 einen Eingang 115 zum Zuführen von Spülgas auf, wobei als Spülgas Stickstoff, eingesetzt wird. Entsprechend weist das Gehäuse 103 einen Ausgang 117 zum Ausströmen des in der ersten offenen Testzelle 107 und der zweiten offenen Testzelle 109 gebildeten Sauerstoff-Wasserstoff-Gemisches beim Betrieb sowie des Spülgases auf.
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Oberhalb der ersten offenen Testzelle 107 und der zweiten offenen Testzelle 109 befindet sich kurz unter einer Oberfläche 133 des Wassers/Elektrolyten 105 eine Rekombinationsschicht 113. Die Rekombinationsschicht 113 weist Platin zur katalytischen Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser auf.
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Zum Testen der ersten offenen Testzelle 107 und der zweiten offenen Testzelle 109 werden diese aufgrund der dichtungsfreien, offenen Bauweise direkt mit dem Wasser/Elektrolyt 105 beaufschlagt und aufgrund der nicht gezeigten Spannungsversorgung und der elektrolytischen Reaktionen an den jeweils ersten Katalysatorschichten 121 und den zweiten Katalysatorschichten 123 der ersten offenen Testzelle 107 und der zweiten offenen Testzelle 109 entsteht ein produziertes Gas 111 aus Sauerstoff und Wasserstoff. Das produzierte Gas 111 steigt als Sauerstoff und Wasserstoff haltige Gasblasen oberhalb der ersten offenen Testzelle 107 und der zweiten offenen Testzelle 109 auf und gelangt dadurch in die Rekombinationsschicht 113, bei der aufgrund einer katalytischen Reaktion an dem Platin der Wasserstoff und der Sauerstoff zu Wasser rekombiniert und somit kontrolliert abreagiert.
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Zusätzlich wird die Bildung eines explosionsfähigen Gemisches aus Wasserstoff und Sauerstoff dadurch verhindert, dass kontinuierlich über den Eingang 115 das Spülgas Stickstoff zugeführt und somit eine Verdünnung des produzierten Gases 111 oberhalb der Oberfläche 133 innerhalb des Gehäuses 103 erfolgt, wobei über den Ausgang 117 das so verdünnte produzierte Gas und das Spülgas aus dem Elektrolysetestsystem 101 abgeführt werden.
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In einer Alternative ist eine offene Testzelle 177 komplexer mit einer oberen Endplatte 125, gefolgt von einer oberen porösen Transportschicht 129, einer ersten Katalysatorschichten 121, einer Membran 119 als Separator, einer zweiten Katalysatorschichten 123, einer unteren porösen Transportschicht 131 und einer unteren Endplatte 127 aufgebaut (siehe 3).
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Vor einem Einsatz dieser offenen Testzelle 177 in einem Elektrolysetestsystem 101 wird die offene Testzelle 177 mit den genannten Bestandteilen in einer Verpresseinheit 141 verpresst (3). Die Verpresseinheit 141 weist ein Gestell 143 auf, wobei durch eine Oberseite des Gestells 143 eine Feingewindestange 145 geführt ist, welche auf eine Oberseite der oberen Endplatte 125 der Testzelle 177 durch ein Drehen einer Mutter 147 an der Feingewindestange 145 einwirkt. Dadurch wird eine definierte Anpresskraft 161 auf die obere Endplatte 125 aufgebracht und somit diese mit der darunter angeordneten oberen porösen Transportschicht 129, den ersten Katalysatorschichten 121, der Membran 119, den zweiten Katalysatorschichten 123, der nachfolgenden unteren porösen Transportschicht 131 und der unteren Endplatte 127 definiert verpresst und somit gefügt. Die derart verpresste offene Testzelle 177 wird anschließend entweder direkt in dem Elektrolysetestsystem 101 wie oben beschrieben eingesetzt werden, oder wird zusammen mit einer Halteeinheit 151 zum Halten der eingestellten Anpresskraft 161 in dem Elektrolysetestsystem 101 eingesetzt. In letztgenannter Alternative wird nach Aufbringen der Anpresskraft 161 mittels der Verpresseinheit 141 die Halteeinheit 151 auf die offene Testzelle 177 aufgebracht, indem durch vertikale Bohrungen durch die Endplatten 125, 127 diese mittels Feingewindestangen 155 und Muttern 157 verschraubt werden, um die Anpresskraft 161 zu halten. Hierbei weisen die obere Endplatte 125 und die untere Endplatte 127 einen größeren Durchmesser als die dazwischen angeordneten Materialien der offenen Testzelle 177 auf, sodass die Feingewindestangen 155 seitlich neben den Materialien 119, 121, 123, 129 und 131 geführt sind und die Anströmung durch Wasser/Elektrolyt nicht behindern (2).
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In einer Alternative der Halteeinrichtung 151 weist die Halteeinheit 151 zwei beidseitige Halteplatten 159 auf, wobei durch die Halteplatten 159 oben und unten jeweils eine Bohrung ausgebildet ist, durch diese Bohrungen oben und unten jeweils eine Feingewindestange 155 durch die Halteplatten 159 geführt sind und endständig mit Muttern 157 verschraubt sind (siehe 4). Bei dieser Alternative verklemmen die Innenseiten der Halteplatten 159 die äußeren Seitenflächen der oberen Endplatte 125 und der unteren Endplatte 127 durch entsprechendes Festziehen der Muttern 157 derart, dass durch seitliches Fixieren der oberen Endplatte 125 und der unteren Endplatte 127 die zuvor aufgebrachte Anpresskraft 161 gehalten wird. Die offene Testzelle 177 mit dieser Alternative der Halteeinheit 151 wird wie oben beschrieben in dem Elektrolysetestsystem 101 eingesetzt.
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Somit wird eine offene Testzelle frei von einer Dichtung bereitgestellt, in welcher kostengünstig, flexibel unterschiedliche Materialien in Elektrolysereaktionen getestet werden können, wobei ein definierter Anpressdruck einstellbar und haltbar ist, ohne dass es hier zu Interferenzen zwischen der Verpressung und einer Dichtung kommt. Zudem erlaubt die dichtungsfreie Testzelle einen unaufwändigen und effizienten Einsatz in einem entsprechenden Teststand.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Elektrolysetestsystem
- 103
- Gehäuse
- 105
- Wasser/Elektrolyt
- 107
- erste offenes Testzelle
- 109
- zweite offene Testzelle
- 111
- produziertes Gas (Sauerstoff/Wasserstoff)
- 113
- Rekombinationsschicht
- 115
- Eingang Spülgas
- 117
- Ausgang Gas und Spülgas
- 119
- Membran (Separator)
- 121
- erste Katalysatorschichten
- 123
- zweite Katalysatorschichten
- 125
- obere Endplatte
- 127
- untere Endplatte
- 129
- obere poröse Transportschicht
- 131
- untere poröse Transportschicht
- 133
- Oberfläche Wasser/Elektrolyt
- 141
- Verpresseinheit
- 143
- Gestell
- 145
- Feingewindestange
- 147
- Mutter
- 151
- Halteeinheit
- 155
- Feingewindestange
- 157
- Mutter
- 159
- Halteplatte
- 161
- Anpresskraft
- 177
- offene Testzelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017217364 B4 [0008]
