DE1592296A1 - Verfahren zur Wasserelektrolyse - Google Patents

Description

• Verfahren zur Wasserelektrolyse Gegenstard der vorliegenden :l;rfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur L,rzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch t,iasßerelektrolyse.
• Aus der deutschen Patentschrift 1.241.812 sind bereits sogenannte Ventilelektroden bekannt, und es wird dort eine Vorrichtung zur Erzeugung von hochreinem Wasserstoff und hochreinem Sauerstoff unter Druck durch Wasserelektrolyse beschrieben.
• Die porösen Ventilelektroden enthalten eine elektrolytseitige feinporöse Deckschicht und eine gasseitige .Schicht mit einem größeren mittleren forendurohmesf@er.
• Der Kapillardruck der @lektrolytfli!ssigkeit in vier feinpoxigen Deckschicht ist höher als der zulässige Detriebadruck des Gaoes.

  Es l1:ßt sich ohne :;chwierigiceiten ein Betriebsdruck zwiochen

  0,2 und 3 kp/cm2 einstellen; durch Druck rückkoprlung von der

  Gas: ei te Jer Abscheidungse' ektr-)de auf die E' ektrolytseite ge-

  lingt es, noch höhere Gasdrucke zu erreichen. Um zu vermeiden, !.

  daß eine Gaeabacheidtang an der Deckschicht erfolgt, beeteht

  diese feinporige elektrolytseitige Schicht aus einem Material,

  welches fier .'an umzueetzende Gas eine höhere Überspannung als die

  gr-obpordee gaeueitige ;:chicht besitzt. An diese Schicht kann

  gaeeeitig noch eine grobporöse Gaeleitechicht argeschlossen nein.

  Bei einer doprelseitig arbeitenden AueführungeformAieser Ventil-

  elektroden sind an die In der Mitte liegende grobporöse

  Gasleitschicht zu beiden Seiter. Arbeitsschichten und darauf folgende Deckschichten urgeschlossen. Bei der Abscheiclung der bei der Elektrolyse E:rreugten Gase unter Druck sind eine Reihe von Sicherheitsvorkehrungen erforderlich, um Betriebsstörungen zu vermeiden und die Erzeugung hochreiner .@lektrolysegase zu ge-. w(ährleisten.

  Es ergab sich czaher die Aufgabe, unter Verwendung der bekarnten

  Ventilelektronen un0 bekarnter Mess- und Regeleinrichtungen

  ein Verfahren zur '-Erzeugung von V'raaserstoff und Sauerstoff unter

  Druck durch Wassereiektrolyse zu finden. .

  Diese Aufgabe Y. ird durch Glas erfindungsgem:ße Verfahren zur Her-

  stellung von 1Jasserstoffgas un0 Sauerstoffgas durch Elektrolyse

  von,wässrigen Elektrolyten in einer Elektrflly:evorrichtungi be-

  stehend aus einem ütz-omversorgungsger,ilt, ci.nem Llektrolytversor-

  gungsteil, Steuer-, Regel- und b')icher#@e.itseinrichtungen und einer

  Batterie von .lektrolysezellen gelöst. Dabei enthalten die Qas-

  diffusionselektroden der Elektrolyeezellen eine poröse katalytisch

  aktive Arbeitsse@iicht und eine feinporöse elektzolytsei.tige Deck-

  schicht mit höherer Oberspannung fi:r (las abzuscheidende Gas. Die

  Gase werden aus den Gasräumen unter l'ruek er: tnommen. Das erfin-

  duni-sgemiiße Verfsvirer iot dadurch gekernzeichnet, daß Gier Be-

  triebsdruck mindestens eines Gases mittels eines Drucksch;llters

  eingestellt und bei Uberschreiten des Betriebsdruckes der l-;lektro-

  lysestrom durch den Druckacrialter unterbrochen wird und bei Über-

  schreiten des höch::t zul"i:sigen Druckes ein Ventil betätigt wird,

  durch das die ilberschüaeige Gasmenge abgelasi-en wird, unci daß das

  in die Leitungesyateme eingedrungene ";Vaaser bzw. Elektrolyt

  über eine feinporöse Trennwand in das r;lektrolytleitungeaystem

  zurückgeführt wird.

  Bei einer vorzugsweisen Form des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Unterschreiten einer bestimmten 'l-lE:ktrdlytmenge in dem Elektrolytsystem infolge des bei c?er Elektrolyse verbrauchten 1.Yassers der Elektrolysestrom durch eine bekannte Gicherheitsachaltung unterbrochen. Besonders zweckmäßig ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung, bei der die Auslaßleitung des, Elektrolytbehälters in einer solchen Höhe angeordnet ist, daß eine höchste zulässige hlektrolytkon$entration nicht überschritten wird. Bei einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens befindet eich in dem Leitungssystem für das erzeugte Wasserstoff- bzw. Sauerstoffgas ein Druckschalter zur Abschaltung des Elektrolysestroms bei sehr geringer Über- schreitung des Betriebsdruckes und ein Sicherheitsventil für den Gasauslaß, welches bei Ausfallen des Druckschalters oder bei Überschreiten des höchst zulässigen Betriebsdruckes öffnet.
• Die Gasleitungen zur Abführung der Elektrolysegase aus den Elektroden der einzelnen Elektrolysezellen der Batterie enthalten eine poröse Gcheibe, die als Trennwand zwischen einem Teil des j:leki rol,#,.,tsyE;-tems und des betreffenden Gaeleitungasystems angeordnet ist. Die Poren der Scheibe weisen dabei einen Kapillardurchmesser auf, bei dem der Kapillardurck der Elektrolytfliissigkeit in den Poren höher'ist, als der höchste zulässige Betriebedruck des Elektrolysegasee. In Verbindung mit einer Vorrichtung zur Messung der verbrauchten Elektrolytmenge i,:t in der Elektrolysevorrichtung eine Sicherheitssehaltung zur Unterbrechung der ::tromzutuhr zu den Elektroden der L:lektrolysebatterie bei Überschreiten eines bestimmten Waeeerverbrauche angeordnet. In den Gasleitungen sind hinter den Bereichen mit der porösen Geheibe Ventile angebracht zur Erzeugung eines Druckausgleichs zwischen Gas und Llektrolytraum bei Nichtbetrieb der Gesamtvorrichtung.
• Um eine Versorgung der erfindungsgemäßen flektrolysevorriehtung mit Wasser zu gewährleisten, ist bei einer vorteilhaften form der Vorrichtung-das Elektrolytleitungssystem mit. einem Wasserentsalzer_zur Auffüllung des verbrauchten Elektrolytwassers verbunden und*in der Verbindungsleitung ist ein Magnetventil zur Steuerung der Wasserzuführung angeordnet. Zur Messung der Leitfähigkeit der blektrolytflUssigkeit zwecks Bestimmung der verbrauchten Wassermenge ist in dem Elektrolytraum eine bekannte Vorrichtung angeordnet, welche mit einer bekannten Regeleinrichtung.zur Bettigung des Sicherheitsschalters verbunden ist. Bei einer arderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Llektrolysevorrichtung ist in dem blektrolytraum eine an sich bekannte Vorrichtung zur Messung des opezifischen Gewichtes des Elektrolyten zwecks Bestimmung der verbrauchten Wassermenge angeordnet, welche mit einer bekannten Regeleinrichtung zur Betätigung des Sicherheitsschalters verbunden ist. Bei einer anderen Ausflhrungsform der erfindungegemüßen ilektrolysevorrichtu.ng ist in dem lektrolytrnum eine beknr nte Vorrichtung zur.I3eosung der Fillstandshdhe des Elektrolyten angeordnet, welche zur Destimmung der verbrauchten lassurmenge c#ient und mit einer bekannten hege; einrichtung zur Betätigung des Sicherheiteechalters verbunden ist.

  Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfinaungsgemäße

  iaE:ktrolysevorrichtung. Die Batterie der Elektrolysezellen 1

  wird aus dem i.lektrolytvoi-ratsbehil.lter 2 mittels einer Pumpe 3

  mit ::lektrolyt versorgt. Dabei sorgt die Pumpe für eine gleich-.

  mäßize Konzentration, cla bei der Zlektrolyse der i:lektrolyt durch

  die fVasserzersetzung in der Elektrolysebatterie aufkonzentriert

  wird. Di.e entstehenden Gase Wasseistoff und Sauerstoff werden auf

  der Gasseite der illektroc! en der Llektrolysezellen entnommen und zu

  den Wasserabscheidern 4 und 5 geführt. Die Abscheider 4 und 5 haben

  die Aufgabe,. die zu Beginn der Elektrolyse in c?en .@.lektrolysegasen

  mitgefi.ihrte @lektrolytmenge aufzufangen, bis sich ein Gaedruck aufgebaut hat, der den i@lektrolyten aus den Poren der Arbeiteachieht der Elektrode hera.;s und in die Elektrolytkammern zurüekdrilckt. Außerdem enthalten die abgeschiedenen Gase noch Wasserdampf, der durch Auskondensation entfernt wird. Die in den Abscheidern 4 und@5 anfallende Elektrolyt- bzw. Wassermenge muß in den i;lektrolytvorratsbehälter 2 zurUckgeführt werden. Das geschieht dadurch, daD die Abscheider 4 und 5 poröse Seheiben enthalten, deren Porensystem

  so ausgebildet ist, daß der Kapillardruok des Elektrolyten bzw.

  des i,nssers größer @iat als der Gasdruck. Die Scheibe dient als

  Druckschleuse zwischen dein unter flberciruck otehenden Gas und den

  unter Normaldruck stehender. i,-lektrolytkammern, durch die die an-

  f(illende ElE? ktrolyt- bzw. i°ias;i(-r-menge in die L»-ltiktrolytkammern

  zurückbefördert wird..

  In Fig. 2 icit onn Oberteil des Abecheiders, (las so ausgebildet ist, ()aß die in denn an der ::lektrode entnommenen Gas enthaltend Flüsoigkeit auakondensiert wird, und daß das aus dem Oberteil 21

  ausströmei.de Gas nicht die auskonc!ensierte Fliiasigkeit mit sich

  tragt. Das zuskoncensierte tiasder bzw, der '_;le'ktrolyt wird mit

  der in dem Rahmen 22 enthaltenen porösen Scheibe 24 in Berührung

  gebracht und in das Unterteil 23 beförc'ert, von wo es in c'ie

  hlektrolytka--riern bzw. in ('en i-Jlektrolytvorrratsbehälter zuri.iek-

  fließt. Die Anordnung der Abscheider 4 und 5 beziiglieh des

  1;lektrolytvorratsbehäl-ters ist so gewühlt, daß die porösen

  Scheiben 24 auch bei längerem, ;.tillstand der l:lektrolysevor-

  richtung nicht austrocknen, so dar die Funktionstüchtigkeit

  der Druckschleusen gewähzleistet ist.

  Der zulässige Betriebsdruck der Gase wird durch die Druckschalter

  6 und 'j in Pig. 1 eingestellt. Hei ;jrreichen des zulässigen Be-

  triebsdrucks wird die Strohzufuhr aus dem Gtromversorgungagerät

  16 und damit die ,:lEaktr-olyse unterbrochen, so caß kein Gas mehr

  entstehen kann. Die Manometer ß und 9 zeigen den Druck des

  entsprechenden Gases an. Die .-icherhE itsventile 10 und 11 sorgen

  dafür, daß bei einer geringen aberschreitung des zulässigen

  Drucks d:as Gas durch das en tsprechende Ventil entweichen kann.

  Die Absperrhähne 12 und 13 dienen zum Absperren der Gasableitung.

  In vielen Fällen ist es erwiinscht, nur eines der b(eii)en i@lekti@o-

  lysegasE.- ',iasserstoff- und Lauerstoffgas zu verwenden. In diesem

  F;:11 geschieht cie i,ir:stellung c'es Betriebaorucks an dem l'ruck-

  ;sehalter, der sich in der Gaswjitung des verwendeten Gases be-

  findet. Das nicht verwendete Gas entwicht darin durch c?as Sicher-

  heitsventil.

  Bei Verv;endung beider L-.lektrolysegase werden die Druckschalter

  6 und 7 elektrisch parallel 1-eschaltet. Die Kontakte der Druck-

  schalter 6 und 7 sinc? so gewählt, c?aß sie beim Lrreiehen des

  zulässigen Druckes die Gtronsufuhr von de_n ätromversorgungsgerät

  16 unterbrechen. i.'rreicht jetzt z,-B. der Druck des Wasserstoff.-

  gares den zulis:igen Druck und liegt der.Druek des Lliauerctoff-

  gasen noch unter dem zulässigen Druck, co öffnet zwar der Druck-

  echalter in der Wasserstoffleitung, die Stromzufuhr geschieht aber über den DruekF-chalter in der Sauerstoffleitung so lange, bis auch derkauerstoff den zulassigen Druck erreicht hat. Erst dann unterbricht der Schalter in der Sauerstoffleitung die j:lektrolyee. Seit dem Ze.tpunkt des Üffnens des Druckschalters auf der üasserstoffoleite entsteht hier aufgrund der fortbestehenden Elektrolyse wegen der Stromzufuhr über den Druckschalter in der Gaucrstoffleitung weiterhin Waseerstoffgasi der Druck des Nasaeretoffgases überst-cigt den zulzisigen Betriebsdruck. Jetzt tritt das Sicherheitsventil 11 in Tätigkeit, das so ausgelegt iet, daß nicht mehr als die entstehende Gasmenge entweichen kann.
• Bedingt durch die i'=asserzersetzung bei der Elektrolyse wird die Konzentration des Elektrolyten erhöht. Damit verbunden ist eine Abnahme der elektrischen Zeitfähigkeit der Elektrolytfliissigkeit. Beim Vercünnen des hochkonzentrierten Elektrolyten mit tYasser besteht außerdem eine Unfallgefahr. Deswegen ist eine Uchaltung 18 vorgesehen, die bei einer zulässigen oberen Elektrolytkonzentration die :j-lektrolyse unterbricht. Als Meßgröße dienen entweder die elektrische Leitfähiikeit, die ',-tandhöhe im Vorratsbehälter oder das spei. Gewicht des Llektrolyten. i'ieiterhin ist der. Stutzen 17 an dem Elektrolytbehälter 2 in einer solchen Höhe angebracht, daß selbst bei Versagen der Schaltung 18 immer noch eine zulässige obere Konzentration nicht überschritten wird.
• Die Schaltung 18 bewirkt außerdem noch, daß bei, einer zulässigen oberen Konzentration des Elektrolyten über ein Ventil 19 Wasser aus einer Wasserentealzungsanlage 20 so lange nachfließen kann, bis eine zulässige untere Konzentration im i@lektrolytvor-rate-. behälter 2 erreicht ist. Ale Meßgröße für diesen Vorgang dienen die Zeitfähigkeit, die Standhöhe im Vorratsbehälter oder das epea. Gewicht des Elektrolyten. Da in den meisten Fällen die Elektrolytbatterie aus mehreren Zellen besteht, die einen ge-meinsamen Elektrolytraüm haben und die elektrisch in Reihe geschaltet sind, fließen im Betrieb und auch im Stillstand zwischen den einzelnen elektrisch in Reihe geschalteten Zellen Ausgleichsströme. Diese Auegleicheetröme. machen-eich insbesondere bei län-geren Still*tandzeiten nachteilig bemerkbar, indem sie cis noch in den Zeitungen und sonstigen Räumen vorhandenen Gase verbrauchen. Da die Abecheidungselektroden poröse hydrophile Körper sind, dringt der Elektrolyt über die Gasräume in die Geräte und Instru-mente auf der Gasseite ein. Um diesen zu verhindern, wird bei Abschalten der Netaepannung mittels der beiden Ventile 14 und 15 (3ie Basseite geöffnet, so daß hier der Druckauƒgleich.erfolgen kann. Der I.'lcktrolyt aus .dem.Vorratebehälter dringt dann auf der Gasseite nur so weit vor, wie es das Gesetz der kommunizierenden-Röhren zuläßt.

Claims (1)

1. P a t e n t a n a p r ü e h e 1. Verfahren zur Herstellung von '@'laaseratoffgas und Sauerstoffgas durch Elektrolyse von w;l:asrigen E1ekt'rolyten in einer Elektro# lyaevorrichtung, bestehend aus einem Stromveraorgung®gerät, einem Elektrolytversorgungateil, Steuer-, Regel- und Sicher- heitseinrichtungen und einer Batterie von Elektrolyaezellen, deren Gaediffueioneelektroden eine poröse katalytisch aktive Arbeitaachicht und eine feinporöse elektrolyteeitige Deck- Schicht mit höherer Uberapannung für das abzuscheidende Gas aufweisen, wobei die Gase aus den Gasräumen der Elektrode unter Druck entnommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Be- triebsdruck mindestens eines Gases mittels einen Druckschaltern eingestellt wird und bei Überschreiten des 13etriebadrucke,duroh den Druckschalter der Elektrolyeeetrom unterbrochen wird, und bei Uberochreiten des höchst zulässigen Drucke ein Ventil be- tätigt wird, durch welchen die iiberechiishige Gasmenge abge- lassen wird, und daß das in die 1e itungssysteme für die Gase eingedrungene Wasser bxw. Elektrolyt über eine feinporöse Trennwand in das @aektrolytleitungsayatem zuriickgefUhrt wird. 2. Verfahren nah Anspruch 1 , gekennzeichnet, daß beim Unteroehreiten einer bestimmten Zlektrolytmenge infolge der verbrauchten Wassermenge der Elektrolyseatrom durch eine be- kannte Licherheiteschaltung unterbrochen wird. 3. Vorrichtung zur Druckelektrolyse nach Anspruch 3.-dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßleitung des Elektrolytbehälters in einer solchen Höhe angeordnet ist, daß eine höchste zu- lässige Elektrolytkonzentration nicht 'iberschritten wird, 4, LlektrolyaevorrichtunE@zur :;rzeugung von @aescrstoffgas und Sauerstöffgas unter Druck durch 'r`asserelektrolyse nach dem Verfahren des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zeitungeeystem für das erzeugte Wasserstoff- bzw, Saüerstoff- gas ein Druckschalter zur Abschaltung des Elektrolysestrome bei sehr geringer Überschreitung des Betriebsdrucks und ein Sicherheitsventil für der. Gßsauslaß bei Ausfall des-Druck- schalt ere oder bei Obereehreiten des höchstzulässigen Be. triebedruckse angeordnet ist und die Gasleitungen zur Abfüh- rung der Elektrolysegaee aua den Elektroden der einzelnen Elektrolysezellen der Batterie eine poröse Scheibe enthaltene die als Trennwand zwischen einem Teil des Blektroly°t'srnteme .und des betreffenden Gaaleitüngssystems angeordnet ist, wobei die poröse :ichoibe einen Kapillardurchmesser aufweist, bei dem der Kapillardruck der Elektrolytflüsuigkeit in den Poren höher ist als der höchste zulässige Betriebsdruck und in-Verbindung mit einer Vorrichtung zur Messung der verbrauchten Elektrolytmenge eine Sicherheitsschaltung zur Unterbrechung der Strom-zufuhr zu den Elektroden der.Elektrolysebatterie bei Überschreiten eines bestimmten Wasserverbraucha angeordnet ist und in den Gasleitungen hinter den Bereichen mit der porösen Scheibe Ventile angebracht sind zur Erzeugung einen Druckausgleiche zwischen Gas und Llektrolytraum bei Nichtbetrieb der GeBamtnorrichtung. 5, Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ieichnet, daß das Lleittrolyteystem mit einem l#Iaseerent- " salzer zur Auffüllung des verbrauchten Elektrolytwaesere verbunden ist und in der Verbindungsleitung ein Magnetventil zur &Steuerung der Wasserzuführung angeordnet. ist, 6, Elektroly$evorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekonnzeichnet, daß in dem Elektrolytraum eine bekennte Vorrichtung zur Messung der Leitfähigkeit der Elektrolytflsissigkeit zwecks Bestimmung der verbrauchten Wassermenge angeordnet ist, welche mit einer bekannten Regeleinrichtung zur Betätigung des Sicherheitsschalters verbunden ist, 7, Llektrolysevorrichtung räch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Llektrolytraum eine bekannte Vorrichtux@g zur Messung des spezifischen Gewichts des Elektrolyten zwecks Bestimmung der verbrauchten Nassermenge angeordnet ist, welche mit einer bekannten Regeleinrichtung zur Betätigung des Sicherheitsschalters verbunden ist. 8, Elektrolyeevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- riet, daß in dem ##lektrolytraum eine bekannte Vorrichtung zur Messung der Fülletandehöhe des Elektrolyten zwecke 8estimmurig der verbrauchten Naseermenge angeordnet ist, welche mit einer bekannten Regeleinrichtung zur Betätigung des Sicherheitsschalters verbunden ist:,