DE10306342B4 - electrolyzer - Google Patents
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Abstract
Elektrolysevorrichtung
(1), aufweisend mindestens eine Elektrolysezelle (3) mit einem Stromanschluss,
mit zwei Elektrolytzufuhren (6a, b, 35), wobei eine als Katholytzufuhr
(6a) und die andere als Anolytzufuhr (6b) dient, und zwei Gasableitungen
(7a, b) sowie ein hochdruckgeeignetes Gehäuse (2) mit einer Stromdurchführung und
zwei Gasauslässe
(8a, b), wobei die mindestens eine Elektrolysezelle (3) in dem Gehäuse (2)
angeordnet ist und mindestens eine Elektrolytzufuhr (6a, b, 35)
im Gehäuseinnern
beginnt, so dass das Gehäuse
(2) als Elektrolytspeicher dient, dadurch gekennzeichnet,
dass
eine der Gasableitungen (7b) mit einem der Gasauslässe (8b)
zur Abführung
von Sauerstoff verbunden ist und die andere Gasableitung (7a) im
Gehäuseinnern
zum Einleiten von Wasserstoff endet, so dass das Gehäuse (2)
als Wasserstoffspeicher dient, und
dass an den Gasauslässen (8a,
b) ein Differenzdruckregler (24) vorgesehen ist, um die Druckdifferenz
innerhalb der mindestens einen Elektrolysezelle (3) möglichst
gering zu halten.Electrolysis apparatus (1), comprising at least one electrolysis cell (3) with a power connection, with two electrolyte feeds (6a, b, 35), one serving as catholyte supply (6a) and the other as anolyte supply (6b), and two gas discharges (7a, b) and a high pressure suitable housing (2) with a current feedthrough and two gas outlets (8a, b), wherein the at least one electrolysis cell (3) in the housing (2) is arranged and at least one electrolyte supply (6a, b, 35) in the housing interior begins, so that the housing (2) serves as an electrolyte reservoir, characterized
that one of the gas discharges (7b) is connected to one of the gas outlets (8b) for discharging oxygen and the other gas discharge (7a) inside the housing ends for introducing hydrogen, so that the housing (2) serves as a hydrogen storage, and
a differential pressure regulator (24) is provided at the gas outlets (8a, b) in order to minimize the pressure difference within the at least one electrolysis cell (3).
Description
Die Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung, die eine Elektrolysezelle mit einem Stromanschluss, mit zwei Elektrolytzufuhren aufweist, wobei eine als Katholytzufuhr und die andere als Anolytzufuhr dient, und zwei Gasableitungen sowie ein hochdruckgeeignetes Gehäuse mit einer Stromdurchführung und zwei Gasauslässe aufweist, wobei die mindestens eine Elektrolysezelle in dem Gehäuse angeordnet ist und mindestens eine Elektrolytzufuhr im Gehäuseinnern beginnt, so dass das Gehäuse als Elektrolytspeicher dient.The The invention relates to an electrolysis apparatus comprising an electrolytic cell having a power connection, having two electrolyte feeds, wherein one serves as Katholytzufuhr and the other as anolyte supply, and two gas outlets as well as a high pressure suitable housing with a current feedthrough and two gas outlets wherein the at least one electrolytic cell is arranged in the housing is and at least one electrolyte feed begins inside the housing, so that the housing serves as an electrolyte store.
Eine
solche Elektrolysevorrichtung ist aus der
Der
Innenraum des Gehäuses
ist durch ein Diaphragma in zwei Räume unterteilt, wobei im getrennten
Raum Sauerstoff und im anderen Raum Wasserstoff gesammelt und abgezogen
wird. Inwieweit eine Sammlung von Wasserstoff stattfindet ohne diesen
gleichzeitig abzuziehen, also eine Speicherung von Wasserstoff vorgesehen
ist, geht aus der
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 Help the electrolysis can from water or aqueous solutions high-purity gases are obtained. In the electrolysis of water can oxygen and hydrogen can be recovered from aqueous fluoride solution Fluorine can be obtained from aqueous chloride solution Chlorine can be recovered. The high purity gases thus obtained can be e.g. used in gas chromatography and spectroscopy. There is also a great deal of interest in hydrogen as energy storage, can be fed with the fuel cell.
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.apart the provision of high purity gases for analysis is always available more the extraction of hydrogen and its use as energy storage in the foreground. Especially in the course of intensified use regenerative energies such as wind and solar energy is it necessary, To provide compact electrolysis devices, with their Help transform the regenerative energies into storable energies be and can be stored the devices simultaneously serve to store the stored energy transport or decentralized.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Elektrolysevorrichtung gemäß Anspruch 1.These Task is solved by an electrolytic apparatus 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 inventive device is characterized by an extremely compact design. All important Components such as electrolysis cell, electrolyte storage and product gas storage as well as the necessary connections are in a single housing integrated. On the one hand, this makes the device according to the invention easily transportable. By offering the opportunity, both one It can be used to store electrolyte as well as a gas storage be used in environments where maintenance is rarely possible or economical are meaningful. Furthermore the device is self-sufficient, as they only a power source needed. The device according to the invention can be everywhere be connected where, e.g. about renewable energy electricity is won. With the help of the device according to the invention this is Electricity converted by the electrolysis of water into energies of chemical form and saved that energy.
Dadurch, dass das Gehäuse hochdruckgeeignet ist, 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. 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.Thereby, that the case high pressure is ensured, that big Amounts of product gas can be stored. Preferably it is the case around a printing cylinder. And it can be e.g. a conventional one Steel impression cylinders act or around an aluminum cylinder with kevlar cladding. Although they are similar To press like steel cylinders, they are comparatively light. Therefore, such pressure cylinders are particularly suitable for applications the device according to the invention, where it depends on easy transportability. Under high pressure is understood here a pressure of 10 bar to over 200 bar.
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 doing Although the half-cells of at least one electrolysis cells by means are flooded at least one electrolyte supply, although ensures a gas-tight separation of the half-cells. Because of the extreme high explosiveness however, oxyhydrogen gas is preferred, two separate electrolyte feeds for the Provide catholyte and the anolyte. Especially with electrolysis cell stacks from a variety of electrolysis cells, it has also from Advantage proven when the two electrolyte feeds switched so are that the electrolytic cell stack in countercurrent principle with Electrolyte is applied. Among other things, this is a more homogeneous Pressure distribution and heat distribution over the Ensured electrolytic 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 is affected by the cell resistance Ohmic heat produced. It has proved to be advantageous, this heat by means of passive cooling elements dissipate. Particularly preferred are attached to the outer wall of the housing Cooling fins. In extreme temperature conditions it may be necessary, in addition active cooling measures to provide for example in the form of convection.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist in jeder 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 In each electrolyte supply, a pump is arranged around the electrolyte to pump into the at least one electrolysis cell. Preferably it is a circulating pump, the no cavities has, so that within the pump, a complete pressure equalization guaranteed is. In this case, the circulation pump only the inside of the housing overcome the prevailing pressure difference, to pump electrolyte into the at least one electrolysis 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.Of the Electrolyte is refilled in certain operating cycles. Possibly An electrolyte level control may be provided. It's closed consider, that the at least one electrolysis cell stops its operation, and no electrolyte is there anymore, but is used up. Because then flows in the electrolysis cycle no more power.
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.ever according to the location of the device according to the invention can also be be provided continuous electrolyte inflow. For that would have to the electrolyte inlet of the housing a high-pressure pump may be provided which contains the electrolyte in the high pressure housings 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, it must be taken into consideration that not too much electrolyte is filled into the housing, because then only a limited volume would be available as product gas storage. But it must not be filled too little electrolyte, otherwise the electrolysis stop prematurely would pen.
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.When another possibility for electrolysis cells offer membrane electrode assemblies (MEA membrane electrode assembly). These are e.g. from the fuel cell technology known. They point a membrane that 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.When In this case, the use of electrical has particularly advantageous conductive Membranes exposed in the electrolysis cells. Especially preferred become polymer electrolyte membranes. Very particularly preferred the combination of thin-film cells 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.One Phase separator consists essentially of a container, in the electrolyte settles down and outgas the gas. To the electrolyte preferably to be able to use intensively and one as possible To obtain pure gas, it has been found to be advantageous a phase separator for to provide the gas to be stored. This phase separator is on the appropriate gas discharge before its mouth in the housing to install.
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.Around to increase the operating time with an electrolyte filling is preferably a further phase separator for the gas to be discharged in the corresponding Gas discharge provided. So that the gases are as aerosol-free as possible, can still frit provided at the output of the respective phase separator which lets through the gas, but not the electrolyte droplets. If it is the gas to be stored to hydrogen for use in fuel cells, the hydrogen can to some extent be water vapor. The recovered electrolyte in the separator is returned to the normal electrolyte volume, from where he possibly has 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 provided a differential pressure regulator, which serves to the pressure difference within the at least one electrolytic cell possible to keep low. In electrolysis e.g. arising from water for one volume of oxygen, two volumes of hydrogen. By acting for the Gas one as possible great Volume is held up and for the to be discharged Gas one as possible Small internal volume, ensures that a sufficient Counterpressure is built up. about the differential pressure regulator is drained only so much gas to be discharged that the differential pressure remains constant. Altogether thereby becomes in the at least one electrolysis cell at the intermediate membrane a pressure difference maintained at substantially zero. This increases significantly the life 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.Especially preferred because of its compact design is the embodiment, at the case having a lid in the current feedthrough, the electrolyte inlet and the two gas outlets are integrated and at which the at least one electrolysis cell is attached. This embodiment has the advantage that all essential components are easily accessible and easy to install and remove.
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 inventive device can be designed as a disposable device with before use Electrolyte filled has been. This solid supply of electrolyte would not be refilled. After use or after emptying the recovered product gas, it could either be disposed of or refilled after opening the housing. In a preferred embodiment shows the case an electrolyte inlet to the device already during the Refill the operation with electrolyte to be able to or in a simple way, 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 be explained in more detail.
Es zeigen:It demonstrate:
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.at The electrolysis of fluorine or chlorine can be the same membranes be used as for the hydrogen electrolysis. However, one should for the electrodes Use titanium. Otherwise chlorine should be dimensionally stable Use anodes as known from chloralkali electrolysis. With the help of the illustrated device can by the electrolysis heavy water can also be used to produce deuterium. Indeed must be considered in the power supply of the electrolysis cells be that heavy water has a higher decomposition stress than has 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, that will etch well leaves, so that's a rough and very big one surface Stainless steel is also preferably used as the electrode material used. Because stainless steel is relatively cheap and easy on conventional Kind of edit. Furthermore it is mechanically and chemically resilient. Furthermore, stainless steel 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 liters initially filled with 4.7 liters of distilled water. This corresponds a proportion of 15% of the pressure vessel volume. After the electrolysis Remains a residual volume of about 0.5 l of distilled water in Pressure vessel.
Die für die Elektrolyse verwendeten elektrischen Dünnschichtzellen besitzen Elektroden von 80 mm Durchmesser mit je 5,3 cm2 aktiver Fläche. Kathoden und Anoden sind fluidisch durch Polymerelektrolytmembranen aus Nafion 117® 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 149 cm2.The thin-film electrical cells used for the electrolysis have electrodes of 80 mm diameter, each with 5.3 cm 2 active area. Cathodes and anodes are fluidly separated by a polymer electrolyte membranes made of Nafion 117 ® from each other. The cell stack consists of 29 bipolar connected cells, resulting in a construction volume of the cell stack of about 0.7 l. The cathode and anode areas are each 149 cm 2 .
Die Druckdifferenzen innerhalb der Zellen werden durch einen Differenzdruckmesser und -regler 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 measured by a differential pressure gauge and controller actively regulated. The gas-liquid separators contain devices for the catalytic removal of the dissolved oxygen in the anolyte 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, a storage volume of 26.0 l is thus available to the hydrogen to be stored. Converted to normal temperature and atmospheric pressure, the production of hydrogen takes place at a rate of 25 l / h. This corresponds to 1.1 mol / h. In this case, the selected current density of 400 mA / cm 2 by means of direct current, for example 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 the initial water volume of 15% of the total pressure vessel volume for a maximum operating pressure of 260 x 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 Stromqelle wie einer Windkraftanlage zur Verfügung gestellt.The pressure vessel has an internal volume of 106 l. It is initially filled with 17.9 liters of distilled water, which corresponds to 15% of the pressure vessel volume. After electrolysis, a residual volume of about 1.6 liters of distilled water remains in the pressure vessel. The hydrogen to be stored is thus a storage volume of 88.5 l available. 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 DC power is provided 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® 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 of 80 mm diameter, each with 5.33 cm 2 active area. Cathodes and anodes are also separated by a polymer electrolyte membranes made of Nafion 117 ® from each other as in the example. 1 In the present case, the cell stack is composed of 104 bipolar cells. This leads to a construction volume of the cell stack of about 1.1 l. However, the cathodes and anode area are 275 cm 2 each.
Die Druckdifferenzen innerhalb der Zellen werden mit einem Differenzdruckmesser und -regler aktiv geregelt. Die Gas-Flüssigkeits-Separatoren enthalten Vorrichtungen zur katalytischen Entfernung des in dem Anolyten gelösten Sauerstoffs an einem Platinrohr-Katalysator.The pressure differences within the cells are actively controlled by a differential pressure gauge and regulator. The gas-liquid separators include catalytic removal devices of the dissolved oxygen in the anolyte on a platinum tube 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).About the electrolysis, the high pressure hydrogen generator described here can store a constant current of 110 A for about 380 hours. Assuming an electrolysis voltage of about 1.8 V per cell (corresponds to a terminal voltage of the cell stack of 187 V), this corresponds to the storage of an electrical energy of 7800 kWh in a volume of 17.8 m 3 of hydrogen gas (at atmospheric pressure and normal temperature) ,
Zu Beginn der Elektrolyse beträgt der Druck im Druckbehälter 1·105 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 beginning of the electrolysis, the pressure in the pressure vessel is 1 × 10 5 Pa with a storage volume of 106.0 l. At the end of electrolysis to 380 h was 1.6 l of water remain in the container, and the hydrogen pressure is increased to 247 · 10 5 Pa.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10306342A DE10306342B4 (en) | 2003-02-06 | 2003-02-10 | electrolyzer |
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