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).

Figure 00000001
Figure 00000001

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 DE 101 50 557 C1 bekannt. Die Elektrolysezelle ist sowohl an ein Katholyt- als auch an einen Anolytkreislauf angeschlossen und verfügt daher auch über zwei Elektrolytzufuhren und zwei Gasableitungen, wobei mindestens eine Elektrolytzufuhr im Gehäuseinnern beginnt, so dass das Gehäuse auch als Elektrolytspeicher dient.Such an electrolysis device is known from DE 101 50 557 C1 known. The electrolytic cell is connected to both a catholyte and an anolyte circuit and therefore also has two electrolyte feeders and two gas outlets, wherein at least one electrolyte feed begins inside the housing, so that the housing also serves as an electrolyte reservoir.

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 DE 101 50 557 C1 nicht hervor.The interior of the housing is divided by a diaphragm into two spaces, wherein in the separate room oxygen and in the other room hydrogen is collected and withdrawn. To what extent a collection of hydrogen takes place without deducting it at the same time, ie a storage of hydrogen is provided, goes out of the DE 101 50 557 C1 not apparent.

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 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.Especially in the field of hydrogen generators has been researched for some 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 hydrogen production. In the hollow cathode, the hydrogen is compressed and the pressure thus built up is used for energy or heat.

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 For example, a reaction tank in which electrolysis takes place and a phase separator tank are stacked. From the reaction tank, the oxygen is removed immediately. The hydrogen is supplied via a gas line to the phase separator tank and derived 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 is a high-pressure housing for hydrogen generators known. The metal housing consists of an upwardly open container and a tightly connected lid. In the lid are provided for the supply of water, and the oxygen and hydrogen removal. The interior of the housing is dimensioned such that an electrolytic cell with an asbestos membrane for separating the half-cells fits into the housing and is surrounded by electrolytes. The two half-cells are gas-tight separated from each other. Both the hydrogen and the oxygen are discharged 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 of a plurality of electrolytic cells in which a portion of the recovered gases for cooling and refilling the electrolyte solution is returned to the system. In addition, the pressure conditions are controlled so that the pressure difference between the two half-cells is as small as possible on the membrane.

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 is provided for the electrolyte, a closed water cycle. The non-electrolyzed water is separated in a phase separator from the recovered gases. The water circulates on the one hand with the help of gravity and on the other hand with the help of the pressure differences, which result from the fact that the product gas is led away.

Aus der US 6 303 009 B1 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 Pat. No. 6,303,009 B1 a hydrogen generator is known in which water is electrolyzed by means of a proton exchange membrane. The power supply for the electrolysis reaction is controlled by a computer such that the hydrogen partial pressure remains substantially constant, although hydrogen is removed. In addition, the lifetime of the generator is extended by the fact that pressure difference is kept as low as possible on the membrane.

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 is described an electrolysis system in which the electrolysis takes place via a plurality of polymer beads, which are coated conductive. The electrolysis cell is supplied with a pump with electrolyte. 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 Differenzdruckregler 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 case of the hydrogen and oxygen genera gate according to US 5,690,797 an electrolysis cell is 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. In addition, the level of ionized water is controlled and this information is used to control the 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.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 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-layer cell. Thin-film cells are used eg in the DE 198 41 302 C2 described. Thin-film cells are characterized in that the two electrodes of a cell are separated only by a capillary gap. Therefore, they have a very low ohmic resistance. In addition, no electrolyte salt is needed in the electrolysis of water. Thin-film cells can be made very small and compact. In addition, they 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.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 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-film cells with a liquid channel have a slightly different geometry, since in the half-cells, a gas liquid mixture is located, which must be able to flow freely. Preferably, therefore, plate-shaped electrodes or membranes should be provided, which are spaced apart, for example, by means of support points or nets. In addition, it is advantageous to form the electrolytic cells not rectangular but circular so that they give a cylindrical shape when stacked. Cylinders have the advantage that there is less sealing surface and therefore this form is suitable for high pressure applications and a 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.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:

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 another embodiment of the device according to the invention;

3a einen Schnitt durch eine Elektrolysevorrichtung; 3a a section through an electrolyzer;

3b einen Schnitt durch eine Elektrolysevorrichtung mit kontinuierlicher Elektrolytzufuhr; 3b a section through a electrolytic 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 another electrolysis 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 ein Elektrolyt 4, d. h. Wasser, und ein 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 schematically a first embodiment of the device according to the invention is shown. The electrolysis device 1 consists essentially of a housing 2 in which an electrolysis cell 3 is arranged from two half-cells. They are also in the case 2 an electrolyte 4 ie water, and a 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 outlets 7a and 7b on, with the gas discharge 7a inside the case 2 ends and the gas discharge 7b with the gas outlet 8b connected is. About the gas discharge 7b and the gas outlet 8b the oxygen produced in one half-cell is directly removed. About the gas discharge 7a The hydrogen produced in the other half cell penetrates into the interior of 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 is essentially consistent with the one in 1 match. In addition, there are 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 serves 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 oxygen corresponds to the volumes of a half cell and the gas discharge 7b and the gas outlet 8b , The volume of hydrogen corresponds to the volume of a half cell plus the volume of the gas discharge 8a in addition to the internal volume of the housing minus the volumes of the electrolysis cell and the water 4 , Since in the electrolysis of water two parts of hydrogen to a part of oxygen and the oxygen is continuously removed while the hydrogen is stored, is ensured by this certain volume ratio, that nevertheless a sufficient oxygen back pressure can build up to the hydrogen pressure. Deviations are via the valve 9 and the meter 10b regulated. This regulated pressure conditions ensures 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, it is also possible to use electrolysis cells with mechanically less stable membranes.

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 36 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 electrolyzer 1 on average. In a high pressure cylinder 26 is an electrolysis cell stack 20 arranged via power connectors with an external power supply 31 connected is. In addition, the electrolysis cell stack points 20 an electrolyte feed 35 on that in the water 4 protrudes and a circulation pump 25 having. The circulating pump is a low pressure pump for pressures <10 × 10 5 Pascals. At the electrolysis cell stack 20 it is a bipolar arrangement. The individual intermediate cells are in the electric field between the anode 21 and cathode 22 polarized. It therefore requires no extra contact for each cell, but only one contact for the anode 21 and a contact for the cathode 22 , At the gas outlets 36 and 37 is a phase separator 23 arranged for the separation of gaseous electrolysis products from the electrolyte, ie hydrogen or oxygen and water. In this case, two separation units are provided for each one and the other electrolysis product. About the derivation 41 the recovered electrolyte becomes the electrolyte reservoir 4 fed. The electrolysis product to be stored, eg hydrogen, is via the gas discharge 36 the inner housing 2 supplied, the other electrolysis product, for example oxygen, is via the gas outlet 37 dissipated. The gas outlets are followed by a differential pressure gauge and regulator 24 at. He 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 lid 27 integrated. This contributes to a compact design of the entire device. To cool the entire device, it has outside of the housing cooling fins 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 shown device is compared with the in 3a illustrated modified in that an external electrolyte reservoir tank 40 is provided, from the means of an external Hochdruckelektrolytspeisepumpe 39 and an external high pressure electrolyte supply 38 continuous 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.Do you operate the device 1 as a storage for the hydrogen, it must be permanently a circulating pump 25 be used for the water cycle. Because the extracted oxygen does not build up a sufficient pressure gradient to the water by itself in the electrolysis cells 20 pull up. If you do not store the hydrogen, but also remove it continuously, you only need a circulating pump for so long 25 until the electrolysis cell stack 20 sufficiently wetted and enough hydrogen is produced that builds up a sufficient pressure difference when releasing the hydrogen. Then you would the electrolyte supply 35 lead via a bypass to the circulation 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.At higher delivery pressure you can use the circulation pump 25 also replace with a piston assembly. The piston would then move over the building up hydrogen pressure 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.For electrolytic cell stacks 20 From a very large number of electrolysis cells should the electrolysis cell stack 20 be supplied with electrolyte according to the countercurrent principle, to prevent over the stack of the electrolyte pressure drops too much.

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 shows the construction of a thin-layer electrolysis cell, which has been 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 gas-tight with a seal 12 arranged. On it is a porous electrode 16 , which in the present case consists of porous nickel on nickel fabric. As a spacer between electrode 10 or conductive membrane 17 and the bipolar plates 11 is also a spacer 15 made of a fabric. This tissue may be electrically insulating or conductive. If it is electrically insulating, then the electrode must be 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. 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. 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 these just explained elements are to be seen in the plan view. The membrane 17 should be electrically conductive and mechanically stable. Therefore one likes to use composite membranes, eg made of Kevlar. The membranes can be reinforced with an insulated reinforcement fabric. Maybe this reinforcing fabric is made of kevlar. If it is a polymer electrolyte membrane, it can also consist of a polytetrafluoroethylene with sulfone groups, for example of Nafion. If, as in the present example, a membrane electrode assembly is used, the porous electrode can be used 16 also consist of soot, which is glued with polytetrafluoroethylene. Another than 16a shown electrode consists of fiber material, such as graphite felt. The spacer 15 does not have to be just fabric. It may also, like as 15a shown to act a spacer with fluid guide.

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 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 zu strömen.For better understanding is in the 5a and Figure b shows a section through two electrolysis cells. In the electrolytic cell according to 5a be through an electrically conductive membrane 17 between two bipolar plates 11 is arranged, two half-cells formed. The conductive membrane 17 is provided on both sides with a porous electrode. The cathodic half-cell is a porous electrode 16a made of graphite felt with catalyst coating, eg platinum. Alternatively, a porous electrode could be used 16 be provided from 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 , which serve as an anode or cathode, are spacers 15 arranged from tissue. The spacers are necessary to keep it under the influence of high internal pressure within the housing 2 does not come to 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 off 5b is different from the one in 5a in that the electrically conductive membrane 17 only on one side with a porous electrode 16a made of fiber material. In the other half cell is the plate 11 covered with a porous surface. In particular, anodes made of chemically resistant materials such as titanium can namely be produced by etching roughening and similar processes for surface modification of solid material.

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 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 hydrogen pressure is shown as the analysis progresses. It is therefore reached a hydrogen pressure of 200 · 10 5 Pa after about 170 h. 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 calculated using the Nernst equation for hydrogen as the real gas using the van der Waals equation calculated. About the electrolysis of the high-pressure hydrogen generator described here can store a constant current of about 60 A for about 211 h. Assuming an electrolysis voltage of about 1.8 V per cell (corresponding to a terminal voltage of the cell stack of 52 V), which corresponds to the storage of electric energy of 655 kWh in a volume of 5.3 m 3 hydrogen gas at normal temperature and normal 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 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)

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 device ( 1 ), comprising at least one electrolytic cell ( 3 ) with a power connection, with two electrolyte feeds ( 6a , b, 35 ), one as catholyte supply ( 6a ) and the other as anolyte supply ( 6b ), and two gas discharges ( 7a , b) and a high-pressure housing ( 2 ) with a current feedthrough and two gas outlets ( 8a , b), wherein the at least one electrolytic cell ( 3 ) in the housing ( 2 ) and at least one electrolyte feed ( 6a , b, 35 ) inside the housing begins, so that the housing ( 2 ) serves as an electrolyte reservoir, characterized in that one of the gas discharges ( 7b ) with one of the gas outlets ( 8b ) is connected to the discharge of oxygen and the other gas discharge ( 7a ) in the housing interior for the introduction of hydrogen ends, so that the housing ( 2 ) serves as a hydrogen storage, and that at the gas outlets ( 8a , b) a differential pressure regulator ( 24 ) is provided to the pressure difference within the at least one electrolytic cell ( 3 ) as small as possible. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gehäuse (2) um einen Druckzylinder (26) handelt.Apparatus according to claim 1, characterized in that it is in the housing ( 2 ) around a printing cylinder ( 26 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (2) passive Kühlmittel (28) vorgesehen sind.Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that on the housing ( 2 ) passive coolants ( 28 ) are provided. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Elektrolytzufuhr (6a, b) eine Pumpe (25) angeordnet ist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that in each electrolyte supply ( 6a , b) a pump ( 25 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der mindestens einen Elektrolysezelle (3) um eine Dünnschichtzelle handelt.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that it is in the at least one electrolysis cell ( 3 ) is a thin-film cell. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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 5, characterized in that it is in the at least one electrolytic cell ( 3 ) is an arrangement with an electrically conductive membrane. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Phasenseparator (23) für das zu speichernde Gas (5) vorsieht.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises a phase separator ( 23 ) for the gas to be stored ( 5 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Phasenseparator (23) für das andere Gas vorgesehen ist.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that a further phase separator ( 23 ) is provided for the other gas. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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 8, characterized in that the housing ( 2 ) a lid ( 27 ), in which the current leadthrough, the electrolyte inlet ( 38 ) and the two gas outlets ( 8a , b) are integrated. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) einen Elektrolyteinlass (38) aufweist.Apparatus according to claim 1 to 9, characterized in that the housing ( 2 ) an electrolyte inlet ( 38 ) having.
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