DE10306342A1 - Electrolysis arrangement for obtaining hydrogen and oxygen from water comprises an electrolysis cell having a current connection, electrolyte supplies , gas compartments, and a housing with a current feed and a gas outlets - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung, die mindestens eine Elektrolysezelle mit einem Stromanschluss, mindestens eine Elektrolytzufuhr und zwei Gasableitungen aufweist sowie ein Gehäuse mit einer Stromdurchführung und zwei Gasauslässen aufweist.The invention relates to an electrolysis device, the at least one electrolytic cell with a power connection, at least has an electrolyte supply and two gas discharge lines and one casing with a current feedthrough and two gas outlets having.
Mit Hilfe der Elektrolyse können aus Wasser oder wässrigen Lösungen hochreine Gase gewonnen werden. Bei der Elektrolyse von Wasser können Sauerstoff und Wasserstoff gewonnen werden, aus wässriger Fluoridlösung kann Fluor gewonnen werden, aus wässriger Chloridlösung kann Chlor gewonnen werden. Die so gewonnenen hochreinen Gase können z.B. in der Gaschromatographie und der Spektroskopie eingesetzt werden. Ein besonders hohes Interesse besteht außerdem an Wasserstoff als Energiespeicher, mit dem Brennstoffzellen gespeist werden können.With the help of electrolysis can Water or watery solutions high-purity gases can be obtained. When electrolysis of water can oxygen and hydrogen can be obtained from aqueous fluoride solution Fluorine can be obtained from aqueous chloride solution chlorine can be obtained. The high-purity gases obtained in this way can e.g. be used in gas chromatography and spectroscopy. There is also a particularly high level of interest in hydrogen as an energy store, with which fuel cells can be fed.
Insbesondere auf dem Gebiet der Wasserstoffgeneratoren
wird schon seit längerem
geforscht. So ist z.B. aus der
Aus der
Gemäß der
Aus der
Die
Im Wasserelektrolysesystem der
Aus der
In der
Bei dem Wasserstoff- und Sauerstoffgenerator
gemäß der
Abgesehen von der Bereitstellung hochreiner Gase für Analysezwecke steht immer mehr die Gewinnung von Wasserstoff und seine Verwendung als Energiespeicher im Vordergrund. Insbesondere im Zuge der intensivierten Nutzung regenerativer Energien wie z.B. der Wind- und Solarenergie ist es nötig, kompakte Elektrolysevorrichtungen zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe die regenerativen Energien in speicherbare Energien umgewandelt werden und gespeichert werden können, wobei die Vorrichtungen gleichzeitig dazu dienen, die gespeicherte Energie zu transportieren oder dezentral zur Verfügung zu stellen.Except for the deployment high purity gases for For the purposes of analysis, the production of hydrogen and its use as an energy storage in the foreground. Especially in Due to the intensified use of renewable energies such as of wind and solar energy it is necessary to have compact electrolysis devices to disposal with the help of the regenerative energies in storable Energies can be converted and stored, whereby the devices simultaneously serve the stored energy to be transported or made available locally.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Elektrolysevorrichtung gemäß Anspruch 1.This task is solved by an electrolysis device according to claim 1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch eine extrem kompakte Bauweise aus. Alle wichtigen Komponenten wie Elektrolysezelle, Elektrolytspeicher und Produktgasspeicher sowie die notwendigen Anschlüsse sind in einem einzigen Gehäuse integriert. Dies macht einerseits die erfindungsgemäße Vorrichtung leicht transportierbar. Indem sie die Möglichkeit bietet, sowohl einen Elektrolytvorrat als auch einen Gasspeicher aufzuweisen, kann sie in Umgebungen eingesetzt werden, in denen Wartungen nur selten möglich oder ökonomisch sinnvoll sind. Außerdem ist die Vorrichtung autark einsetzbar, da sie lediglich eine Stromquelle benötigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann überall dort angeschlossen werden, wo z.B. über regenerative Energien Strom gewonnen wird. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dieser Strom durch die Elektrolyse von Wasser in Energien chemischer Form umgewandelt und diese Energie gespeichert.The device according to the invention is characterized by an extremely compact design. All important components such as the electrolysis cell, electrolyte storage and product gas storage as well as the necessary connections are integrated in a single housing. On the one hand, this makes the device according to the invention easy to transport. By offering the possibility of having both an electrolyte supply and a gas storage device, it can be used in Environments are used in which maintenance is rarely possible or economically sensible. In addition, the device can be used independently since it only requires a power source. The device according to the invention can be connected wherever electricity is obtained, for example, from regenerative energies. With the help of the device according to the invention, this current is converted into energies of chemical form by the electrolysis of water and this energy is stored.
Vorteilhafterweise ist das Gehäuse hochdruckgeeignet. Dadurch wird gewährleistet, dass große Mengen an Produktgas gespeichert werden können. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Gehäuse um einen Druckzylinder. Und dabei kann es sich z.B. um einen herkömmlichen Druckzylinder aus Stahl handeln oder um einen Aluminiumzylinder mit Kevlarumhüllung, wie er z.B. von der Fa. Dynatec, Kanada hergestellt wird. Obwohl sie ähnlichen Drücken wie Stahlzylindern standhalten, sind sie vergleichsweise leicht. Daher eignen sich solche Druckzylinder insbesondere für Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen es auf eine einfache Transportierbarkeit ankommt. Unter hohem Druck wird hier ein Druck von 10 bar bis über 200 bar verstanden.The housing is advantageously suitable for high pressure. This ensures that great Amounts of product gas can be stored. Preferably acts the case around a pressure cylinder. And it can e.g. a conventional one Trade steel pressure cylinders or an aluminum cylinder with kevlar coating, as he e.g. is manufactured by Dynatec, Canada. Even though they resemble To press like steel cylinders, they are comparatively light. Such printing cylinders are therefore particularly suitable for applications the device according to the invention, where easy portability is important. Under high pressure a pressure of 10 bar to over 200 bar is understood here.
Indem zwar die Halbzellen der mindestens einen Elektrolysezellen mittels der mindestens einen Elektrolytzufuhr geflutet werden, wird zwar eine gasdichte Trennung der Halbzellen gewährleistet. Wegen der extrem hohen Explosivität von Knallgas wird allerdings bevorzugt, zwei getrennte Elektrolytzufuhren für den Katholyt und den Anolyt vorzusehen. Insbesondere bei Elektrolysezellenstapeln aus einer Vielzahl von Elektrolysezellen hat es sich außerdem von Vorteil erwiesen, wenn die beiden Elektrolytzufuhren so geschaltet sind, dass der Elektrolysezellenstapel im Gegenstromprinzip mit Elektrolyt beaufschlagt wird. Unter anderem wird dadurch eine homogenere Druckverteilung und Wärmeverteilung über den Elektrolysezellenstapel gewährleistet.By the half cells of at least one Electrolysis cells by means of the at least one electrolyte supply will be flooded, a gas-tight separation of the half cells guaranteed. Because of the extremely high explosiveness of oxyhydrogen, however preferably, two separate electrolyte feeds for the catholyte and the anolyte provided. Particularly in the case of electrolytic cell stacks from a large number of electrolysis cells has also proven advantageous if the two electrolyte supplies are switched so that the Electrolytic cell stack in the countercurrent principle becomes. Among other things, this creates a more homogeneous pressure distribution and heat distribution over the Ensured electrolysis cell stack.
In der mindestens einen Elektrolysezelle wird durch den Zellenwiderstand Ohm'sche Wärme produziert. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, diese Wärme mittels passiver Kühlungselemente abzuführen. Besonders bevorzugt sind dabei an der Außenwand des Gehäuses angebrachte Kühlrippen. Bei extremen Temperaturverhältnissen kann es geboten sein, zusätzlich aktive Kühlmaßnahmen beispielsweise in Form von Konvektion vorzusehen.In the at least one electrolytic cell by the ohmic cell resistance Produces heat. It has proven to be advantageous to use this heat by means of passive cooling elements dissipate. Attached to the outer wall of the housing are particularly preferred Cooling fins. In extreme temperature conditions it may be necessary, in addition active cooling measures for example in the form of convection.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der mindestens einen Elektrolytzufuhr eine Pumpe angeordnet, um den Elektrolyten in die mindestens eine Elektrolysezelle zu pumpen. Vorzugsweise handelt es sich um eine Umwälzpumpe, die keine Hohlräume aufweist, so dass innerhalb der Pumpe ein kompletter Druckausgleich gewährleistet ist. In diesem Fall muss die Umwälzpumpe nur die im Gehäuseinneren herrschende Druckdifferenz überwinden, um Elektrolyt in die mindestens eine Elektrolysezelle zu pumpen.In a preferred embodiment a pump is arranged in the at least one electrolyte supply, to pump the electrolyte into the at least one electrolysis cell. It is preferably a circulation pump that has no cavities, so that a complete pressure equalization is guaranteed within the pump is. In this case the circulation pump only those inside the case overcome the prevailing pressure difference in order to Pump electrolyte into the at least one electrolytic cell.
Der Elektrolyt wird in gewissen Betriebszyklen nachgefüllt. Gegebenenfalls kann eine Elektrolytniveaukontrolle vorgesehen werden. Es ist zu berücksichtigen, dass die mindestens eine Elektrolysezelle ihren Betrieb stoppt, sowie kein Elektrolyt mehr da ist, sondern aufgebraucht ist. Denn dann fließt im Elektrolysekreislauf kein Strom mehr.The electrolyte is in certain operating cycles refilled. If necessary, an electrolyte level control can be provided. It should be taken into consideration, that the at least one electrolysis cell stops operating, and there is no longer any electrolyte, but is used up. Because then flows no more electricity in the electrolysis circuit.
Je nach Einsatzort der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch ein kontinuierlicher Elektrolytzufluß vorgesehen sein. Dafür müsste an dem Elektrolyteinlaß des Gehäuses eine Hochdruckpumpe vorgesehen sein, die den Elektrolyten in das unter hohem Druck stehende Gehäuse transportiert.Depending on the location of the device according to the invention a continuous flow of electrolyte can also be provided. For that would have to the electrolyte inlet of the housing a high pressure pump can be provided which the electrolyte in the housing under high pressure transported.
Bei der Befüllung mit Elektrolyt muss berücksichtigt werden, dass nicht zu viel Elektrolyt in das Gehäuse gefüllt wird, da dann nur ein beschränktes Volumen als Produktgasspeicher zur Verfügung stünde. Es darf aber auch nicht zu wenig Elektrolyt eingefüllt werden, da sonst die Elektrolyse vorzeitig stoppen würde.When filling with electrolyte must be considered be careful not to put too much electrolyte in the case, because then only a limited volume available as product gas storage would. However, it is also important not to fill in too little electrolyte, otherwise electrolysis would stop prematurely.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei der mindestens einen Elektrolysezelle um eine
Dünnschichtzelle.
Dünnschichtzellen
werden z.B. in der
Als weitere Möglichkeit für Elektrolysezellen bieten sich Membranelektrodenanordnungen (MEA membrane electrode assembly) an. Diese sind z.B. aus der Brennstoffzellentechnologie bekannt. Sie weisen eine Membran auf, die mit porösem Material als Elektrode beschichtet ist.Offer another option for electrolytic cells membrane electrode assemblies (MEA membrane electrode assembly). These are e.g. known from fuel cell technology. You point a membrane with porous Material is coated as an electrode.
Als besonders vorteilhaft hat sich dabei die Verwendung von elektrisch leitfähigen Membranen in den Elektrolysezellen herausgestellt. Besonders bevorzugt werden Polymerelektrolytmembranen. Ganz besonders bevorzugt wird die Kombination aus Dünnschichtzellen mit elektrisch leitfähiger Membran.Has proven to be particularly advantageous the use of electrically conductive membranes in the electrolysis cells exposed. Polymer electrolyte membranes are particularly preferred. The combination of thin-film cells is very particularly preferred with electrically conductive Membrane.
Die Dünnschichtzellen müssen im
Vergleich zu den in der
Ein Phasenseparator besteht im Wesentlichen aus einem Behältnis, in dem sich unten der Elektrolyt absetzt und das Gas ausgast. Um den Elektrolyten möglichst intensiv nutzen zu können und um ein möglichst reines Gas zu erhalten, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, einen Phasenseparator für das zu speichernde Gas vorzusehen. Dieser Phasenseparator ist an der entsprechenden Gasableitung vor ihrer Mündung im Gehäuse anzubringen.There is essentially a phase separator from a container, in which the electrolyte settles down and the gas outgasses. Around the electrolyte if possible to be able to use it intensively and one if possible Obtaining pure gas has proven to be beneficial a phase separator for to provide the gas to be stored. This phase separator is on the corresponding gas discharge pipe in front of its mouth in the housing.
Um die Betriebszeit bei einer Elektrolytfüllung zu erhöhen, wird vorzugsweise ein weiterer Phasenseparator für das abzuführende Gas in der entsprechenden Gasableitung vorgesehen. Damit die Gase möglichst Aerosol-frei sind, kann am Ausgang des jeweiligen Phasenseparators noch eine Fritte vorgesehen sein, die zwar das Gas, aber nicht die Elektrolyttröpfchen durchlässt. Falls es sich bei dem zu speichernden Gas um Wasserstoff für Einsatz in Brennstoffzellen handelt, kann der Wasserstoff in gewissem Umfang wasserdampfhaltig sein. Der im Separator wieder gewonnene Elektrolyt wird wieder dem normalen Elektrolytvolumen zugeführt, von wo er ggf. über eine Umwälzpumpe wieder in die mindestens eine Elektrolysezelle gepumpt wird.To increase the operating time for an electrolyte fill increase, is preferably a further phase separator for the gas to be removed in the corresponding Gas discharge provided. So that the gases are as aerosol-free as possible, a frit can be provided at the output of the respective phase separator be that the gas, but not the electrolyte droplets. If the gas to be stored is hydrogen for use deals in fuel cells, the hydrogen can to some extent contain water vapor. The electrolyte recovered in the separator is returned to the normal electrolyte volume, from where it may have a circulating pump is pumped back into the at least one electrolysis cell.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist an den Gasauslässen ein Differenzdruckregler vorgesehen, der dazu dient, die Druckdifferenz innerhalb der mindestens einen Elektrolysezelle möglichst gering zu halten. Bei der Elektrolyse z.B. von Wasser entstehen bei einem Volumen Sauerstoff zwei Volumina Wasserstoff. Indem für das zu speichernde Gas ein möglichst großes Volumen vorgehalten wird und für das abzuführende Gas ein möglichst kleines Innenvolumen vorgesehen, wird gewährleistet, dass ein hinreichender Gegendruck aufgebaut wird. Über den Differenzdruckregler wird nur so viel abzuführendes Gas abgelassen, dass der Differenzdruck konstant bleibt. Insgesamt wird dadurch in der mindestens einen Elektrolysezelle an der Zwischenmembran eine Druckdifferenz von im Wesentlichen Null aufrechterhalten. Dies erhöht signifikant die Lebensdauer der Elektrolysezelle.In a particularly preferred embodiment is at the gas outlets a differential pressure regulator is provided, which serves to control the pressure difference as far as possible within the at least one electrolysis cell to keep low. In electrolysis e.g. of water arise with one volume of oxygen two volumes of hydrogen. By for the to be saved Gas one if possible great Volume is held and for the one to be discharged Gas one if possible small internal volume provided, it is ensured that a sufficient Back pressure is built up. about the differential pressure regulator is only discharged as much gas to be discharged that the differential pressure remains constant. Overall, this will result in the at least one electrolysis cell on the intermediate membrane has a pressure difference maintained from essentially zero. This increases significantly the lifespan of the electrolytic cell.
Besonders bevorzugt wegen seiner kompakten Bauart ist die Ausführungsform, bei der das Gehäuse einen Deckel aufweist, in dem Stromdurchführung, der Elektrolyteinlass und die beiden Gasauslässe integriert sind sowie an dem die mindestens eine Elektrolysezelle befestigt ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass alle wesentlichen Bestandteile leicht zugänglich und einfach ein- und ausgebaut werden können.Particularly preferred because of its compact design is the embodiment, where the housing has a lid, in the current feedthrough, the electrolyte inlet and the two gas outlets are integrated and on which the at least one electrolysis cell is attached. This embodiment has the advantage that all essential components are easily accessible and can be easily installed and removed.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als Einwegvorrichtung ausgebildet sein, die vor Gebrauch mit Elektrolyt aufgefüllt worden ist. Dieser feste Vorrat an Elektrolyt würde nicht nachgefüllt werden. Nach Gebrauch bzw. nach Entleeren des gewonnenen Produktgases könnte sie entweder entsorgt werden oder nach Öffnen des Gehäuses neu befüllt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Gehäuse einen Elektrolyteinlass auf, um die Vorrichtung schon während des Betriebes mit Elektrolyt nachfüllen zu können bzw. um auf einfache Art und Weise die Vorrichtung nach Gebrauch befüllen zu können.The device according to the invention can be used as a disposable device be trained, which were filled with electrolyte before use is. This fixed supply of electrolyte would not be replenished. After use or after the product gas obtained has been emptied, it could either disposed of or refilled after opening the housing. In a preferred embodiment points the case an electrolyte inlet to the device during the Refill operation with electrolyte to be able to or to easily the device after use fill to be able to.
Die Erfindung soll anhand der folgenden Figuren für das Beispiel der Wasserelektrolyse näher erläutert werden.The invention is based on the following Figures for the example of water electrolysis will be explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
In
Die Anordnung in
Dem Sauerstoffvolumen entsprechen
die Volumina einer Halbzelle sowie der Gasableitung
Die in
Betreibt man die Vorrichtung
Bei höherem Förderdruck kann man die Umwälzpumpe
Bei Elektrolysenzellenstapeln
Die in den
In
In
Bei der Elektrolyse von Fluor oder Chlor können die gleichen Membranen verwendet werden wie für die Wasserstoffelektrolyse. Allerdings sollte man für die Elektroden Titan verwenden. Bei Chlor sollte man sonst auch dimensionsstabile Anoden verwenden, wie sie aus der Chloralkalielektrolyse bekannt sind. Mit Hilfe der dargestellten Vorrichtung kann durch die Elektrolyse von schwerem Wasser auch Deuterium hergestellt werden. Allerdings muss bei der Stromversorgung der Elektrolysezellen berücksichtigt werden, dass schweres Wasser eine höhere Zersetzungsspannung als normales Wasser aufweist.In the electrolysis of fluorine or Chlorine can the same membranes are used as for the hydrogen electrolysis. However, one should look for use the electrodes titanium. With chlorine you should also Use dimensionally stable anodes as used in chlor-alkali electrolysis are known. With the help of the device shown can the electrolysis of heavy water can also be made deuterium. However, it must be considered when powering the electrolytic cells that heavy water has a higher decomposition voltage than normal water.
Außer Titan, das sich gut ätzen lässt, so dass eine rauhe und sehr große Oberfläche bereitgestellt werden kann, wird auch bevorzugt Edelstahl als Elektrodenmaterial eingesetzt. Denn Edelstahl ist relativ billig und leicht auf konventionelle Art zu bearbeiten. Außerdem ist es mechanisch und chemisch belastbar. Des weiteren weist Edelstahl in der Regel Nickelanteile auf, die sich positiv auf die Elektrodeneigenschaften auswirken.Except for titanium, which is easy to etch, like this that a rough and very large surface Stainless steel is also preferred as the electrode material used. Because stainless steel is relatively cheap and light on conventional Kind of edit. Moreover it is mechanically and chemically resilient. Stainless steel also shows usually nickel content, which has a positive effect on the electrode properties impact.
Zum besseren Verständnis ist
in den
Die Elektrolysezelle aus
Beispiel 1:Example 1:
Für die Wasserstoffgewinnung durch Elektrolyse von destilliertem Wasser ist ein Druckbehälter eines Volumens von 31,4 l anfänglich mit 4,7 l destilliertem Wasser befüllt worden. Diese entspricht einem Anteil von 15 % des Druckbehältervolumens. Nach der Elektrolyse verbleibt ein Restvolumen von ca. 0,5 l destilliertem Wasser im Druckbehälter.For hydrogen production by electrolysis of distilled water is a pressure vessel one Volume of 31.4 l initially with 4.7 l of distilled water. This corresponds a share of 15% of the pressure vessel volume. After electrolysis there remains a residual volume of approx. 0.5 l of distilled water in the Pressure vessel.
Die für die Elektrolyse verwendeten elektrischen Dünnschichtzellen besitzen Elektroden von 80mm Durchmesser mit je 5,3 cm2 aktiver Fläche. Kathoden und Anoden sind fluidisch durch Polymerelektrolytmembranen aus Nafion 117® der Firma DuPont de Nemours von einander getrennt. Der Zellenstapel setzt sich aus 29 bipolar geschalteten Zellen zusammen, was zu einem Bauvolumen des Zellstapels von ca. 0,7 l führt. Dabei betragen die Kathoden- und Anodenflächen je 149cm2.The electrical thin-film cells used for the electrolysis have electrodes with a diameter of 80 mm, each with an active area of 5.3 cm 2 . Cathodes and anodes are fluidly separated from each other by polymer electrolyte membranes made of Nafion 117 ® from DuPont de Nemours. The cell stack consists of 29 bipolar cells, which leads to a construction volume of the cell stack of approx. 0.7 l. The cathode and anode areas each measure 149 cm 2 .
Die Druckdifferenzen innerhalb der Zellen werden durch einen Differenzdruckmesser und -regler der Firma BRONKHORST, Niederlande, Baumuster „ELPRESS" aktiv geregelt. Die Gas-Flüssigkeits-Separatoren enthalten Vorrichtungen zur katalytischen Entfernung des in dem Anolyten gelösten Sauerstoffs an einen Platinmohr-Katalysator.The pressure differences within the Cells are powered by a company’s differential pressure meter and controller BRONKHORST, Netherlands, model "ELPRESS" actively regulated. The gas-liquid separators contain devices for the catalytic removal of the in the Anolyte dissolved oxygen to a platinum black catalyst.
Bei einem Volumen des Zellstapels von 0,7 l steht dem zu speichernden Wasserstoff somit ein Speichervolumen von 26,0 l zur Verfügung. Auf Normaltemperatur und Normaldruck umgerechnet findet die Produktion des Wasserstoffs mit einer Rate von 25 l/h statt. Dies entspricht 1,1 mol/h. Dabei beträgt die gewählte Stromdichte von 400 mA/cm2 mittels Gleichstrom, z. B. aus einer Photovoltaikanlage oder einer Windkraftanlage.With a volume of the cell stack of 0.7 l, the hydrogen to be stored has a storage volume of 26.0 l available. Converted to normal temperature and pressure, the hydrogen is produced at a rate of 25 l / h. This corresponds to 1.1 mol / h. The selected current density of 400 mA / cm 2 by means of direct current, for. B. from a photovoltaic system or a wind turbine.
In
Zu Beginn der Elektrolyse beträgt der Druck im Druckbehälter 1·105 Pa bei einem Speichervolumen von 26,0 l. Am Ende der Elektrolyse nach 210 Stunden verbleiben noch 0,5 l Wasser im Behälter und der Wasserstoffdruck ist auf 256·105 Pa angestiegen. Daher sollte der Druckbehälter bei dem anfänglichen Wasservolumen von 15% des gesamten Druckbehältervolumens für einen Maximal-Betriebsdruck 260·105 Pa ausgeführt sein.At the beginning of the electrolysis, the pressure in the pressure vessel is 1 · 10 5 Pa with a storage volume of 26.0 l. At the end of the electrolysis after 210 hours, 0.5 l of water remain in the container and the hydrogen pressure has risen to 256 · 10 5 Pa. Therefore, the pressure vessel should be designed with an initial water volume of 15% of the total pressure vessel volume for a maximum operating pressure of 260 · 10 5 Pa.
Beispiel 2Example 2
Der Druckbehälter weist ein Innenvolumen von 106 l auf. Er wird anfänglich mit 17,9 l destilliertem Wasser gefüllt, was einem Anteil von 15 % des Druckbehältervolumens entspricht. Nach der Elektrolyse verbleibt ein Restvolumen von ca. 1,6 Litern destilliertem Wasser im Druckbehälter. Dem zu speichernden Wasserstoff steht somit ein Speichervolumen von 88,5 l zur Verfügung. Umgerechnet auf Normaldruck und Normaltemperatur wird bei einer Stromdichte von 400 mA/cm2 Wasserstoff mit einer Rate 46 l/h, bzw. 2,1 mol/h produziert. Der Gleichstrom wird aus einer Photovoltaikanlage oder einer gleichgerichteten externen Stromquelle wie einer Windkraftanlage zur Verfügung gestellt.The pressure vessel has an internal volume of 106 l. It is initially filled with 17.9 l of distilled water, which corresponds to 15% of the pressure vessel volume. After the electrolysis, a residual volume of approx. 1.6 liters of distilled water remains in the pressure vessel. A storage volume of 88.5 l is thus available for the hydrogen to be stored. Converted to normal pressure and normal temperature, hydrogen is produced at a current density of 400 mA / cm 2 at a rate of 46 l / h or 2.1 mol / h. The direct current is made available from a photovoltaic system or a rectified external power source such as a wind turbine.
Wie in Beispiel 1 weisen die elektrolytischen Dünnschichtzellen Elektroden von 80 mm Durchmesser mit je 5,33 cm2 aktiver Fläche auf. Kathoden und Anoden sind ebenfalls wie im Beispiel 1 durch Polymerelektrolytmembranen aus Nafion 117® von DuPont de Nemours voneinander getrennt. Der Zellstapel setzt sich im vorliegenden Fall aus 104 bipolar geschalteten Zellen zusammen. Dies führt zu einem Bauvolumen des Zellstapels von ca. 1,1 l. Die Kathoden und Anodenfläche betragen entsprechend jedoch je 275 cm2.As in Example 1, the electrolytic thin-film cells have electrodes 80 mm in diameter, each with 5.33 cm 2 of active area. As in Example 1, cathodes and anodes are also separated from one another by polymer electrolyte membranes made from Nafion 117® from DuPont de Nemours. In the present case, the cell stack is composed of 104 bipolar cells. This leads to a construction volume of the cell stack of approx. 1.1 l. However, the cathodes and anode area are respectively 275 cm 2 .
Die Druckdifferenzen innerhalb der Zellen werden mit einem Differenzdruckmesser und -regler des Baumusters „ELPRESS" der Firma BRONKHORST, NL aktiv geregelt. Die Gas-Flüssigkeits-Separatoren enthalten Vorrichtungen zur katalytischen Entfernung des in dem Anolyten gelösten Sauerstoffs an einem Platinmohr-Katalysator.The pressure differences within the Cells are made with a differential pressure meter and controller of the "ELPRESS" model from BRONKHORST, NL actively regulated. The gas-liquid separators included Devices for the catalytic removal of the oxygen dissolved in the anolyte a platinum black catalyst.
Über die Elektrolyse kann der hier beschriebene Hochdruckwasserstoffgenerator einen konstanten Strom von 110 A ca. 380 Stunden lang speichern. Unter Annahme einer Elektrolysespannung von ca. 1,8 V pro Zelle (entspricht einer Klemmspannung des Zellstapels von 187 V), entspricht dies der Speicherung einer elektrischen Energie von 7800 kWh in einem Volumen von 17,8 m3 Wasserstoffgas (bei Normaldruck und Normaltemperatur).The high-pressure hydrogen generator described here can store a constant current of 110 A for approx. 380 hours via electrolysis. Assuming an electrolysis voltage of approx.1.8 V per cell (corresponds to a clamping voltage of the cell stack of 187 V), this corresponds to the storage of electrical energy of 7,800 kWh in a volume of 17.8 m 3 of hydrogen gas (at normal pressure and normal temperature) ,
Zu Beginn der Elektrolyse beträgt der Druck im Druckbehälter 1·101 5 Pa bei einem Speichervolumen von 106,0 l. Am Ende der Elektrolyse nach 380 h verbleiben noch 1,6 l Wasser im Behälter und der Wasserstoffdruck ist auf 247·105 Pa angestiegen.At the start of the electrolysis, the pressure in the pressure vessel is 1 · 10 1 5 Pa with a storage volume of 106.0 l. At the end of the electrolysis after 380 h, 1.6 l of water remain in the container and the hydrogen pressure has risen to 247 · 10 5 Pa.
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