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

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 Download PDF

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Abstract

Electrolysis arrangement (1) comprises an electrolysis cell (3) having a current connection, electrolyte supplies (6a, 6b), gas compartments (7a, 7b), and a housing (2) with a current feed and a gas outlets (8a, 8b). The electrolysis cell is arranged in the housing and one of the gas compartments (7b) is connected to the gas outlet (8b) and the other gas compartment (7a) ends in the inside of the housing. One of the electrolyte supplies starts in the inside of the housing so that the housing acts as an electrolyte and as a gas storage unit.

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 EP 0 055 134 A1 ein Wasserstoffgenerator bekannt, bei dem Wasserstoff auf der Basis chemischer Umsetzung von unedlen Metallen gewonnen wird. Dies ist allerdings sehr unwirtschaftlich.Research in the field of hydrogen generators has been going on for a long time. For example, from the EP 0 055 134 A1 a hydrogen generator is known in which hydrogen is obtained on the basis of chemical conversion of base metals. However, this is very uneconomical.

Aus der JP 8 176 873 A und JP 8 193 286 A sind Hochdruckwasserstoffgeneratoren bekannt, bei denen für die Wasserstoffgewinnung eine Hohlkathode eingesetzt wird. In der Hohlkathode wird der Wasserstoff komprimiert und der so aufgebaute Druck wird für die Energie bzw. Wärmegewinnung benutzt.From the JP 8 176 873 A and JP 8 193 286 A high-pressure hydrogen generators are known in which a hollow cathode is used for the production of hydrogen. The hydrogen is compressed in the hollow cathode and the pressure built up in this way is used for energy or heat generation.

Gemäß der JP 9 291 386 A sind ein Reaktionstank, in dem die Elektrolyse stattfindet, und ein Phasenseperatortank übereinander angeordnet. Aus dem Reaktionstank wird sofort der Sauerstoff abgeführt. Der Wasserstoff wird über eine Gasleitung dem Phasenseparatortank zugeführt und von dort abgeleitet.According to the JP 9 291 386 A are a reaction tank in which the electrolysis takes place and a phase separator tank are arranged one above the other. The oxygen is immediately removed from the reaction tank. The hydrogen is fed to the phase separator tank via a gas line and is discharged from there.

Aus der US 3 933 614 ist ein Hochdruckgehäuse für Wasserstoffgeneratoren bekannt. Das Gehäuse aus Metall besteht aus einem nach oben geöffneten Behältnis und einem dicht damit verbundenen Deckel. In dem Deckel sind Durchführungen für die Wasserzufuhr, und die Sauerstoff- und die Wasserstoffabfuhr vorgesehen. Das Innere des Gehäuses ist derart bemessen, dass eine Elektrolysezelle mit einer Asbestmembran zur Trennung der Halbzellen in das Gehäuse hineinpasst und von Elektrolyten umgeben ist. Die beiden Halbzellen sind gasdicht voneinander getrennt. Sowohl der Wasserstoff als auch der Sauerstoff werden direkt aus dem Gehäuse abgeführt.From the US 3,933,614 a high pressure housing for hydrogen generators is known. The metal housing consists of a container open at the top and a lid tightly connected to it. Feedthroughs for the water supply and the oxygen and hydrogen discharge are provided in the cover. The interior of the housing is dimensioned such that an electrolysis cell with an asbestos membrane for separating the half cells fits into the housing and is surrounded by electrolytes. The two half cells are separated from each other in a gas-tight manner. Both the hydrogen and the oxygen are removed directly from the housing.

Die US 3 374 158 beschreibt ein Elektrolysesystem aus einer Mehrzahl von Elektrolysezellen, bei dem ein Teil der gewonnenen Gase zur Kühlung und zum Wiederauffüllen der Elektrolytlösung dem System zurückgeführt wird. Außerdem werden die Druckverhältnisse so gesteuert, dass an der Membran die Druckdifferenz zwischen den beiden Halbzellen möglichst gering ist.The US 3,374,158 describes an electrolysis system comprising a plurality of electrolysis cells, in which a part of the gases obtained is returned to the system for cooling and for refilling the electrolyte solution. In addition, the pressure conditions are controlled so that the pressure difference between the two half cells on the membrane is as small as possible.

Im Wasserelektrolysesystem der US 6 375 812 ist für den Elektrolyten ein geschlossener Wasserkreislauf vorgesehen. Das nicht elektrolysierte Wasser wird in einem Phasenseperator aus den gewonnenen Gasen abgeschieden. Das Wasser zirkuliert einerseits mit Hilfe der Gravitation und andererseits mit Hilfe der Druckunterschiede, die dadurch entstehen, dass das Produktgas abgeführt wird.In the water electrolysis system of US 6,375,812 a closed water circuit is provided for the electrolyte. The non-electrolyzed water is separated from the gases obtained in a phase separator. The water circulates on the one hand with the help of gravitation and on the other hand with the help of the pressure differences that result from the product gas being removed.

Aus der US 6 3 303 009 ist ein Wasserstoffgenerator bekannt, bei dem Wasser mit Hilfe einer Protonenaustauschmembran elektrolysiert wird. Die Stromzufuhr für die Elektrolysereaktion von einem Computer derart kontrolliert wird, dass der Wasserstoffpartialdruck im Wesentlichen konstant bleibt, obwohl Wasserstoff abgeführt wird. Außerdem wird die Lebenszeit des Generators dadurch verlängert, dass Druckdifferenz an der Membran möglichst gering gehalten wird.From the US 6 3 303 009 a hydrogen generator is known in which water is electrolyzed using a proton exchange membrane. The power supply for the electrolysis reaction is controlled by a computer in such a way that the hydrogen partial pressure remains essentially constant even though hydrogen is removed. In addition, the lifetime of the generator is extended by keeping the pressure difference across the membrane as low as possible.

In der US 5 494 559 ist ein Elektrolysesystem beschrieben, bei dem die Elektrolyse über eine Vielzahl von Polymerperlen abläuft, die leitend beschichtet sind. Die Elektrolysezelle wird mit einer Pumpe mit Elektrolyt versorgt. Die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff werden über einen Phasenseperator abgeführt.In the US 5,494,559 describes an electrolysis system in which the electrolysis takes place over a large number of polymer beads which are conductively coated. The electrolysis cell is supplied with electrolyte by a pump. The product gases hydrogen and oxygen are removed via a phase separator.

Bei dem Wasserstoff- und Sauerstoffgenerator gemäß der US 5 690 797 ist eine Elektrolysezelle in ionisiertes Wasser getaucht. Sowohl der Sauerstoff als auch der Wasserstoff werden über Separatoren abgeführt. Über einen Difterenzdruckregler wird gewährleistet, dass der Differenzdruck im Wesentlichen konstant bleibt. Außerdem wird das Niveau des ionisierten Wassers kontrolliert und diese Information verwendet, um die Drücke zu steuern und ionisiertes Wasser nachzufüllen.In the hydrogen and oxygen generator according to the US 5 690 797 is an electrolytic cell immersed in ionized water. Both the oxygen and the hydrogen are removed via separators. A differential pressure regulator ensures that the differential pressure remains essentially constant. It also controls the level of ionized water and uses this information to control pressures and replenish ionized water.

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 DE 198 41 302 C2 beschrieben. Dünnschichtzellen sind dadurch charakterisiert, dass die beiden Elektroden einer Zelle lediglich durch einen Kapillarspalt getrennt sind. Daher weisen sie einen sehr niedrigen Ohm'schen Widerstand auf. Außerdem wird bei der Elektrolyse von Wasser kein Leitsalz benötigt. Dünnschichtzellen können sehr klein und kompakt gestaltet werden. Außerdem haben sie eine sehr hohe Effizienz durch ihr hohes Flächen-Volumenverhältnis.In a particularly preferred embodiment, the at least one electrolysis cell is a thin-film cell. Thin film cells are used, for example, in the DE 198 41 302 C2 described. Thin-film cells are characterized in that the two electrodes of a cell are only separated by a capillary gap. Therefore, they have a very low ohmic resistance. In addition, no conductive salt is required for the electrolysis of water. Thin-film cells can be made very small and compact. They also have a very high efficiency due to their high area-volume ratio.

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 DE 198 41 302 C2 dargestellten Dünnschichtzellen mit einem Flüssigkeitskanal eine etwas andere Geometrie aufweisen, da sich in den Halbzellen ein Gasflüssigkeitsgemisch befindet, das frei strömen können muss. Vorzugsweise sollten also plattenförmige Elektroden bzw. Membranen vorgesehen werden, die beispielsweise mit Hilfe von Stützpunkten oder Netzen voneinander beabstandet sind. Außerdem ist es vorteilhaft, die Elektrolysezellen nicht rechteckig sondern kreisförmig auszubilden, damit sie beim Stapeln eine zylindrische Form ergeben. Zylinder haben nämlich den Vorteil, dass weniger Dichtfläche vorhanden ist und daher sich diese Form für Hochdruckanwendungen eignet und ein Zylinder weniger Raum im Druckgehäuse benötigt.The thin film cells must be compared to those in the DE 198 41 302 C2 shown thin-layer cells with a liquid channel have a slightly different geometry, since there is a gas-liquid mixture in the half-cells, which must be able to flow freely. Plate-shaped electrodes or membranes should therefore preferably be provided, which are spaced apart, for example with the aid of support points or networks. In addition, it is advantageous not to design the electrolysis cells as rectangular, but circular, so that they form a cylindrical shape when stacked. Cylinders have the advantage that they are less tight surface is available and therefore this shape is suitable for high pressure applications and one cylinder requires less space in the pressure housing.

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:

1 eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a schematic diagram of a first embodiment of the device according to the invention;

2 eine Prinzipskizze einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 2 a schematic diagram of a further embodiment of the device according to the invention;

3a einen Schnitt durch eine Elektrolysevorrichtung; 3a a section through an electrolysis device;

3b einen Schnitt durch eine Elektrolysevorrichtung mit kontinuierlicher Elektrolytzufuhr; 3b a section through an electrolysis device with continuous electrolyte supply;

4a eine Explosionsdarstellung einer Elektrolysezelle; 4a an exploded view of an electrolytic cell;

4b die Elemente der Elektrolysezelle in Draufsicht; 4b the elements of the electrolytic cell in plan view;

5a einen Schnitt durch eine Elektrolysezelle; 5a a section through an electrolytic cell;

5b einen Schnitt durch eine weitere Elektrolysezelle; 5b a section through a further electrolytic cell;

6 die Abhängigkeit des Wasserstoffdrucks und der Zersetzungsspannung von der Elektrolysezeit. 6 the dependence of the hydrogen pressure and the decomposition voltage on the electrolysis time.

In 1 ist schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Elektrolysevorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 2, in dem eine Elektrolysezelle 3 aus zwei Halbzellen angeordnet ist. Außerdem befinden sich in dem Gehäuse 2 Elektrolyt 4, d. h. Wasser, und zu speicherndes Gas 5, d. h. Wasserstoff. Die Elektrolysezelle 3 weist zwei separate Elektrolytzufuhren 6a und 6b für jede Halbzelle auf. Außerdem weist sie zwei Gasableitungen 7a und 7b auf, wobei die Gasableitung 7a im Inneren des Gehäuses 2 endet und die Gasableitung 7b mit dem Gasauslass 8b verbunden ist. Über die Gasableitung 7b und den Gasauslass 8b wird der in der einen Halbzelle entstandene Sauerstoff direkt abgeführt. Über die Gasableitung 7a dringt der in der anderen Halbzelle hergestellte Wasserstoff in das Innere des Gehäuses 2. Dort kann er angereichert werden oder über den Gasauslass 8a abgeführt werden.In 1 is shown schematically a first embodiment of the device according to the invention. The electrolysis device 1 consists essentially of a housing 2 in which an electrolytic cell 3 is arranged from two half cells. Also located in the housing 2 electrolyte 4 , ie water, and gas to be stored 5 , ie hydrogen. The electrolytic cell 3 has two separate electrolyte feeds 6a and 6b for each half cell. It also has two gas discharges 7a and 7b on, the gas discharge 7a inside the case 2 ends and the gas discharge 7b with the gas outlet 8b connected is. About gas discharge 7b and the gas outlet 8b the oxygen generated in one half cell is removed directly. About gas discharge 7a The hydrogen produced in the other half cell penetrates inside the housing 2 , There it can be enriched or via the gas outlet 8a be dissipated.

Die Anordnung in 2 stimmt im Wesentlichen mit derjenigen in 1 überein. Zusätzlich vorhanden sind zwei Druckmessgeräte 10a und 10b sowie ein Ventil 9. Das Druckmessgerät dient dazu, den Wasserstoffpartialdruck zu messen; das Druckmessgerät 10b dient dazu, die Differenz zwischen dem Wasserstoffpartialdruck und dem Sauerstoffpartialdruck zu messen. Über das Ventil 9 kann der abgeführte Sauerstoffstrom reguliert werden.The arrangement in 2 essentially agrees with that in 1 match. There are also two pressure gauges 10a and 10b as well as a valve 9 , The pressure gauge is used to measure the hydrogen partial pressure; the pressure gauge 10b is used to measure the difference between the hydrogen partial pressure and the oxygen partial pressure. About the valve 9 the discharged oxygen flow can be regulated.

Dem Sauerstoffvolumen entsprechen die Volumina einer Halbzelle sowie der Gasableitung 7b und des Gasauslasses 8b. Dem Wasserstoffvolumen entspricht das Volumen einer Halbzelle plus dem Volumen der Gasableitung 8a zusätzlich zu dem Innenvolumen des Gehäuses minus der Volumina der Elektrolysezelle und des Wassers 4. Da bei der Elektrolyse von Wasser zwei Teile Wasserstoff auf einen Teil Sauerstoff entstehen und der Sauerstoff kontinuierlich abgeführt wird, während der Wasserstoff gespeichert wird, wird durch dieses bestimmte Volumenverhältnis gewährleistet, dass sich dennoch ein hinreichender Sauerstoffgegendruck zum Wasserstoffdruck aufbauen kann. Abweichungen werden über das Ventil 9 und das Messgerät 10b geregelt. Durch diese geregelten Druckverhältnisse wird gewährleistet, dass innerhalb der Elektrolysezelle 3, nämlich auf beiden Seiten der Membran, der gleiche Druck herrscht, also die Druckdifferenz minimal ist. Dadurch können auch Elektrolysezellen mit mechanisch weniger stabilen Membranen eingesetzt werden.The volume of a half cell and the gas discharge correspond to the volume of oxygen 7b and the gas outlet 8b , The hydrogen volume corresponds to the volume of a half cell plus the volume of the gas discharge 8a in addition to the interior volume of the housing minus the volumes of the electrolytic cell and water 4 , Since the electrolysis of water produces two parts of hydrogen per part of oxygen and the oxygen is continuously removed while the hydrogen is being stored, this certain volume ratio ensures that a sufficient oxygen back pressure can build up to the hydrogen pressure. Deviations are reported via the valve 9 and the meter 10b regulated. These regulated pressure conditions ensure that within the electrolytic cell 3 , namely on both sides of the membrane, the same pressure prevails, so the pressure difference is minimal. As a result, electrolysis cells with mechanically less stable membranes can also be used.

3a zeigt eine Elektrolyseeinrichtung 1 im Schnitt. In einem Hochdruckzylinder 26 ist ein Elektrolysenzellenstapel 20 angeordnet, der über Stromanschlüsse mit einer externen Stromversorgung 31 verbunden ist. Außerdem weist der Elektrolysenzellenstapel 20 eine Elektrolytzufuhr 35 auf, die in das Wasser 4 hineinragt und eine Umwälzpumpe 25 aufweist. Bei der Umwälzpumpe handelt es sich um eine niedere Druckpumpe für Drücke < 10 × 105 Pascal. Bei dem Elektrolysenzellenstapel 20 handelt es sich um eine bipolare Anordnung. Die einzelnen Zwischenzellen werden im elektrischen Feld zwischen Anode 21 und Kathode 22 polarisiert. Man benötigt daher keine extra Kontaktierung für jede Zelle, sondern nur eine Kontaktierung für die Anode 21 und eine Kontaktierung für die Kathode 22. An den Gasableitungen 38 und 37 ist ein Phasenseparator 23 für die Trennung der gasförmigen Elektrolyseprodukte vom Elektrolyten, d. h. Wasserstoff bzw. Sauerstoff und Wasser angeordnet. Dabei sind zwei Trenneinheiten jeweils für das eine und das andere Elektrolyseprodukt vorgesehen. Über die Ableitung 41 wird der wieder gewonnene Elektrolyt dem Elektrolytspeicher 4 zugeführt. Das zu speichernde Elektrolyseprodukt, z. B. Wasserstoff, wird über die Gasableitung 36 dem inneren Gehäuse 2 zugeführt, das andere Elektrolyseprodukt, z. B. Sauerstoff, wird über den Gasauslass 37 abgeführt. An die Gasauslässe schließt sich ein Differenzdruckmesser und Regler 24 an. Er weist einen Auslass 32 für das gespeicherte Elektrolyseprodukt und einen Auslass 33 für das nicht gespeicherte Elektrolyseprodukt auf. Die Anschlüsse sowohl für den Strom als auch die Gase sind in dem Deckel 27 integriert. Dies trägt zu einer kompakten Bauweise der gesamten Vorrichtung bei. Zur Kühlung der gesamten Vorrichtung weist sie außen an dem Gehäuse Kühlrippen 28 auf. 3a shows an electrolysis device 1 on average. In a high pressure cylinder 26 is an electrolytic cell stack 20 arranged by means of power connections with an external power supply 31 connected is. In addition, the electrolytic cell stack has 20 an electrolyte supply 35 on that in the water 4 protrudes and a circulation pump 25 having. The circulation pump is a low pressure pump for pressures <10 × 10 5 Pascal. At the electrolytic cell stack 20 it is a bipolar arrangement. The individual intermediate cells are in the electrical field between the anode 21 and cathode 22 polarized. There is therefore no need for an additional contact for each cell, but only one contact for the anode 21 and a contact for the cathode 22 , At the gas discharge lines 38 and 37 is a phase separator 23 arranged for the separation of the gaseous electrolysis products from the electrolyte, ie hydrogen or oxygen and water. Two separation units are provided for one and the other electrolysis product. About the derivative 41 the recovered electrolyte becomes the electrolyte storage 4 fed. The electrolysis product to be stored, e.g. B. hydrogen, is via the gas discharge 36 the inner case 2 supplied the other electrolysis product, e.g. B. Oxygen, is through the gas outlet 37 dissipated. A differential pressure meter and controller are connected to the gas outlets 24 on. It has an outlet 32 for the stored electrolysis product and an outlet 33 for the unsaved electrolysis product. The connections for both the electricity and the gases are in the cover 27 integrated. This contributes to a compact design of the entire device. To cool the entire device, it has cooling fins on the outside of the housing 28 on.

Die in 3b dargestellte Vorrichtung ist im Vergleich mit der in 3a dargestellten dahingehend modifiziert, dass ein externer Elektrolytvorratstank 40 vorgesehen ist, aus dem mittels einer externen Hochdruckelektrolytspeisepumpe 39 und einer externen Hochdruckelektrolytzuführung 38 kontinuierlich Elektrolyt 4 nachgefüllt wird.In the 3b device is compared to that in 3a Modified in such a way that an external electrolyte storage tank 40 is provided, from which by means of an external high-pressure electrolyte feed pump 39 and an external high pressure electrolyte feed 38 continuously electrolyte 4 is refilled.

Betreibt man die Vorrichtung 1 als Speicher für den Wasserstoff, muss permanent eine Umwälzpumpe 25 für den Wasserkreislauf eingesetzt werden. Denn der abgezogene Sauerstoff baut kein hinreichendes Druckgefälle auf, um das Wasser von selbst in die Elektrolysezellen 20 hochzuziehen. Speichert man den Wasserstoff nicht, sondern führt ihn ebenfalls kontinuierlich ab, benötigt man nur so lange eine Umwälzpumpe 25 bis der Elektrolysezellenstapel 20 hinreichend durchnässt ist und genügend Wasserstoff hergestellt wird, dass sich eine hinreichender Druckdifferenz beim Ablassen des Wasserstoffes aufbaut. Danach würde man die Elektrolytzuleitung 35 über einen Bypass leiten, um die Umwälzpumpe 25 zu umgehen.One operates the device 1 As a storage for the hydrogen, a circulation pump must permanently 25 be used for the water cycle. Because the extracted oxygen does not build up a sufficient pressure drop to allow the water to enter the electrolysis cells by itself 20 pull up. If you do not store the hydrogen, but also continuously discharge it, you only need a circulation pump for as long 25 until the electrolytic cell stack 20 is sufficiently wet and sufficient hydrogen is produced that a sufficient pressure difference builds up when the hydrogen is released. Then you would the electrolyte supply 35 bypass to the circulating pump 25 to get around.

Bei höherem Förderdruck kann man die Umwälzpumpe 25 auch durch eine Kolbenanordnung ersetzen. Der Kolben würde dann über den sich aufbauenden Wasserstoffdruck verschoben und würde das Wasser in die Elektrolysezellen hineinpressen.With a higher discharge pressure, the circulation pump can be used 25 also replace with a piston assembly. The piston would then be displaced by the hydrogen pressure building up and would press the water into the electrolysis cells.

Bei Elektrolysenzellenstapeln 20 aus einer sehr hohen Anzahl von Elektrolysezellen sollte der Elektrolysezellenstapel 20 nach dem Gegenstromprinzip mit Elektrolyt versorgt werden, um zu verhindern, dass über den Stapel der Elektrolytdruck zu stark abfällt.With electrolysis cell stacks 20 the electrolytic cell stack should consist of a very large number of electrolytic cells 20 are supplied with electrolyte according to the countercurrent principle in order to prevent the electrolyte pressure from dropping too much via the stack.

Die in den 3a und 3b dargestellte Vorrichtung ist darauf ausgelegt, bei bis zu 200 bar betrieben zu werden.The in the 3a and 3b The device shown is designed to be operated at up to 200 bar.

In 4a ist der Aufbau einer Dünnschichtelektrolysezelle zu sehen, die speziell für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung angepasst wurde. Sie setzt sich zusammen aus zwei bipolaren Platten 11, einer Kanalplatte 13 für die Kathode 22 und einer Kanalplatte 14 für die Anode 21. Zwischen den einzelnen Platten 11, 13, 14 sind Dichtungen 12 angeordnet. Zwischen den Kanalplatten 13, 14 ist eine ionenleitfähige Polymermembran 17 gasdicht mit einer Dichtung 12 angeordnet. Darauf befindet sich eine poröse Elektrode 16, die in dem vorliegenden Fall aus porösem Nickel auf Nickelgewebe besteht. Als Abstandshalter zwischen Elektrode 10 bzw. leitfähiger Membran 17 und den bipolaren Platten 11 ist außerdem noch ein Spacer 15 aus einem Gewebe vorgesehen. Dieses Gewebe kann elektrisch isolierend oder leitfähig sein. Wenn es elektrisch isolierend ist, dann muss die Elektrode 16 über einen separaten Kontakt mit der entsprechenden Platte 11 verbunden werden.In 4a the structure of a thin-film electrolysis cell can be seen, which was specially adapted for use in the electrolysis device according to the invention. It is composed of two bipolar plates 11 , a channel plate 13 for the cathode 22 and a channel plate 14 for the anode 21 , Between the individual plates 11 . 13 . 14 are seals 12 arranged. Between the channel plates 13 . 14 is an ion-conductive polymer membrane 17 gastight with a seal 12 arranged. There is a porous electrode on it 16 , which in the present case consists of porous nickel on nickel fabric. As a spacer between the electrodes 10 or conductive membrane 17 and the bipolar plates 11 is also a spacer 15 provided from a fabric. This fabric can be electrically insulating or conductive. If it is electrically insulating, then the electrode must 16 via a separate contact with the corresponding plate 11 get connected.

In 4b sind diese eben erklärten Elemente in der Draufsicht zu sehen. Die Membran 17 sollte elektrisch leitfähig und mechanisch stabil sein. Daher verwendet man gerne Kompositmembranen, z.B. aus Kevlar der Fa. Dupont. Die Membranen können mit einem isolierten Verstärkungsgewebe verstärkt sein. Eventuell ist auch dieses Verstärkungsgewebe aus Kevlar. Handelt es sich um eine Polymerelektrolytmembran, kann sie auch aus einem Polytetrafluorethylen mit Sulfongruppen bestehen, z.B. aus Nafion der Fa. Dupont. Verwendet man wie im vorliegenden Beispiel eine Membranelektrodenanordnung, kann die poröse Elektrode 16 auch aus Russ bestehen, das mit Polytetrafluorethylen aufgeklebt ist. Eine weitere als 16a dargestellte Elektrode besteht aus Fasermaterial, wie z.B. Graphitfilz. Der Spacer 15 muss nicht nur als Gewebe ausgeführt sein. Es kann sich auch, wie als 15a dargestellt, um einen Spacer mit Fluidführung handeln.In 4b the elements just explained can be seen in the top view. The membrane 17 should be electrically conductive and mechanically stable. Therefore, one likes to use composite membranes, for example made of Kevlar from Dupont. The membranes can be reinforced with an insulated reinforcing fabric. This reinforcing fabric is also possible made of kevlar. If it is a polymer electrolyte membrane, it can also consist of a polytetrafluoroethylene with sulfone groups, for example from Nafion from Dupont. If, as in the present example, a membrane electrode arrangement is used, the porous electrode can be used 16 also consist of soot, which is glued with polytetrafluoroethylene. Another than 16a electrode shown consists of fiber material such as graphite felt. The spacer 15 doesn't just have to be fabric. It can also look like how 15a shown to act as a spacer with fluid guidance.

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 5a und b ein Schnitt durch zwei Elektrolysezellen dargestellt. Bei der Elektrolysezelle gemäß 5a werden durch eine elektrisch leitfähige Membran 17, die zwischen zwei bipolaren Platten 11 angeordnet ist, zwei Halbzellen gebildet. Die leitfähige Membran 17 ist auf beiden Seiten mit einer porösen Elektrode versehen. In der kathodischen Halbzelle handelt es sich um eine poröse Elektrode 16a aus Graphitfilz mit Katalysatorbelegung, z. B. Platin. Alternativ könnte eine poröse Elektrode 16 aus porösem Nickel auf Nickelgewebe vorgesehen sein. In der anodische Halbzelle handelt es sich um eine poröse Elektrode 16 aus porösem Nickel auf Nickelgewebe. Als Abstandhalter zwischen der Membran 17 mit den Elektroden 16 und 16a sowie den Platten 11, die als Anode oder Kathode dienen, sind Abstandshalter 15 aus Gewebe angeordnet. Die Abstandshalter sind notwendig, damit es unter dem Einfluss des hohen Innendruckes innerhalb des Gehäuses 2 nicht zu Kurzschlüssen kommt. Dennoch erlauben sie es dem Gas-Flüssigkeitsgemisch in den Halbzellen möglichst ungestört zur strömen.For better understanding is in the 5a and b a section through two electrolytic cells. According to the electrolytic cell 5a through an electrically conductive membrane 17 between two bipolar plates 11 is arranged, two half cells formed. The conductive membrane 17 has a porous electrode on both sides. The cathodic half cell is a porous electrode 16a made of graphite felt with catalyst covering, e.g. B. platinum. Alternatively, a porous electrode could be used 16 be made of porous nickel on nickel fabric. The anodic half cell is a porous electrode 16 made of porous nickel on nickel fabric. As a spacer between the membrane 17 with the electrodes 16 and 16a as well as the plates 11 that serve as an anode or cathode are spacers 15 arranged from fabric. The spacers are necessary so that it is under the influence of the high internal pressure inside the housing 2 there are no short circuits. Nevertheless, they allow the gas-liquid mixture in the half cells to flow as undisturbed as possible.

Die Elektrolysezelle aus 5b unterscheidet sich von derjenigen in 5a dahingehend, dass die elektrisch leitfähige Membran 17 nur auf einer Seite mit einer porösen Elektrode 16a aus Fasermaterial versehen ist. In der anderen Halbzelle ist die Platte 11 mit einer porösen Oberfläche belegt. Insbesondere Anoden aus chemisch beständigen Materialien wie Titan können nämlich durch ätztechnische Aufrauhung und ähnlichen Verfahren zur Oberflächenmodifikation aus Vollmaterial hergestellt werden.The electrolytic cell 5b differs from that in 5a in that the electrically conductive membrane 17 only on one side with a porous electrode 16a is made of fiber material. The plate is in the other half cell 11 covered with a porous surface. In particular, anodes made of chemically resistant materials such as titanium can be produced from solid material by etching, roughening and similar methods for surface modification.

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 6 ist der berechnete Verlauf des Anstiegs des Wasserstoffdrucks mit fortschreitender Analysedauer dargestellt. Es wird demnach ein Wasserstoffdruck von 200·105 Pa nach ca. 170 h erreicht. Gleichzeitig mit der Zunahme des Gasdrucks steigt die theoretische Zersetzungsspannung in den einzelnen Zellen von 1,23 V auf 1,33 V. Die Druckabhängigkeit der Zersetzungsspannung wurde mit der Nernst'schen Gleichung für Wasserstoff als reales Gas mit Hilfe der Van-der-Waals Gleichung berechnet. Über die Elektrolyse kann der hier beschriebene Hochdruckwasserstoffgenerator einen konstanten Strom von ca. 60 A ca. 211 h lang speichern. Unter Annahme einer Elektrolysespannung von ca. 1,8 V pro Zelle (entspricht einer Klemmspannung des Zellstapels von 52 V), entspricht das der Speicherung einer elektrischen Energie von 655 kWh in einem Volumen von 5,3 m3 Wasserstoffgas bei Normaltemperatur und Normaldruck.In 6 the calculated course of the increase in the hydrogen pressure is shown with the progress of the analysis. Accordingly, a hydrogen pressure of 200 · 10 5 Pa is reached after approx. 170 h. At the same time as the gas pressure increases, the theoretical decomposition voltage in the individual cells increases from 1.23 V to 1.33 V. The pressure dependence of the decomposition voltage was determined using the Nernst equation for hydrogen as a real gas using the Van der Waals equation calculated. The high-pressure hydrogen generator described here can store a constant current of approx. 60 A for approx. 211 h via electrolysis. Assuming an electrolysis voltage of approx. 1.8 V per cell (corresponds to a clamping voltage of the cell stack of 52 V), this corresponds to the storage egg electrical energy of 655 kWh in a volume of 5.3 m 3 hydrogen gas at normal temperature and pressure.

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.

Claims (13)

Elektrolysevorrichtung (1), aufweisend mindestens eine Elektrolysezelle (3) mit einem Stromanschluss, mindestens einer Elektrolytzufuhr (6a, b) und zwei Gasableitungen (7a, b) sowie ein Gehäuse (2) mit einer Stromdurchführung und zwei Gasauslässen (8a, b), wobei die mindestens eine Elektrolysezelle (3) in dem Gehäuse (2) angeordnet ist, eine der Gasableitungen (7b) mit einem der Gasauslässe (8b) verbunden ist, die andere Gasableitung (7a) im Gehäuseinneren endet und die mindestens eine Elektrolytzufuhr (6a, b) im Gehäuseinneren beginnt, so dass das Gehäuse (2) sowohl als Elektrolyt- als auch als Gasspeicher dient.Electrolysis device ( 1 ), having at least one electrolysis cell ( 3 ) with a power connection, at least one electrolyte supply ( 6a . b ) and two gas discharge lines ( 7a . b ) and a housing ( 2 ) with a feedthrough and two gas outlets ( 8a . b ), the at least one electrolytic cell ( 3 ) in the housing ( 2 ) is arranged, one of the gas discharge lines ( 7b ) with one of the gas outlets ( 8b ) is connected, the other gas discharge ( 7a ) ends inside the housing and the at least one electrolyte supply ( 6a . b ) begins inside the housing so that the housing ( 2 ) serves both as an electrolyte and as a gas storage. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) hochdruckgeeignet ist.Device according to claim 1, characterized in that the housing ( 2 ) is suitable for high pressure. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gehäuse (2) um einen Druckzylinder (26) handelt.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the housing ( 2 ) around a pressure cylinder ( 26 ) acts. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (2) passive Kühlmittel (28) vorgesehen sind.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that on the housing ( 2 ) passive coolant ( 28 ) are provided. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Elektrolytzufuhren (6a, b) vorgesehen sind, wobei eine als Katholytzufuhr (6a), die andere als Anolytzufuhr (6b) dient.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that two electrolyte supplies ( 6a . b ) are provided, one as a catholyte supply ( 6a ) other than the anolyte supply ( 6b ) serves. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen Elektrolytzufuhr (6a, b) eine Pumpe (25) angeordnet ist.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the at least one electrolyte supply ( 6a . b ) a pump ( 25 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der mindestens einen Elektrolysezelle (3) um eine Dünnschichtzelle handelt.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the at least one electrolytic cell ( 3 ) is a thin-film cell. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der mindestens einen Elektrolysezelle (3) um eine Anordnung mit elektrisch leitfähiger Membran handelt.Device according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the at least one electrolysis cell ( 3 ) is an arrangement with an electrically conductive membrane. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Phasenseperator (23) für das zu speichernden Gas (5) vorsieht.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that it has a phase separator ( 23 ) for the gas to be stored ( 5 ) provides. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Phasenseperator (23) für das andere Gas vorgesehen ist.Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that a further phase separator ( 23 ) is intended for the other gas. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an den Gasauslässen ein Differenzdruckregler (24) vorgesehen ist, um die Druckdifferenz innerhalb der mindestens einen Elektrolysezelle (3) möglichst gering zu halten.Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that a differential pressure regulator ( 24 ) is provided to measure the pressure difference within the at least one electrolytic cell ( 3 ) to be kept as low as possible. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) einen Deckel (27) aufweist, in dem die Stromdurchführung, der Elektrolyteinlass (38) und die beiden Gasauslässe (8a, b) integriert sind.Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the housing ( 2 ) a lid ( 27 ) in which the current feedthrough, the electrolyte inlet ( 38 ) and the two gas outlets ( 8a . b ) are integrated. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) einen Elektrolyteinlass (35) aufweist.Device according to claims 1 to 12, characterized in that the housing ( 2 ) an electrolyte inlet ( 35 ) having.
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