DE1667366B2 - Verfahren zur erzeugung von wasserstoff und sauerstoff durch elektrolyse von wasser - Google Patents
Verfahren zur erzeugung von wasserstoff und sauerstoff durch elektrolyse von wasserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse von
Wasser in einer elektrisch gespeisten Elektrolysezelle mit einer ersten porösen Elektrode, die von einer zweiten
porösen Elektrode durch ein mit einem wäßrigen Elektrolyten gesättigtes Diaphragma getrennt ist, bei
Elektrolysezellen dieser Art sind relativ kompakt aufgebaut und benötigen im Vergleich zu Elektrolysezellen
vom Tanktyp bei gleicher Produktionsleistung weniger Raum.
Ein Nachteil der vorstehend beschriebenen bipolaren Elektrolysezellen besteht darin, daß zur Speisung der
Zelle mit der Elektrolytlösung und zur Trennung der Gase von dieser sogenannte Dualsysteme erforderlich
sind, die den Raumbedarf und die Kosten dieser Zellen erhöhen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch
Elektrolyse von Wasser zu schaffen, durch das sich die Trennung der Gase von der Elektrolytlösung und die
IS Zuführung der Elektrolytlösung zu der Elektrolysezelle
vereinfachen läßt
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst
daß der frische Elektrolyt nur einer der Kammern zugeführt unii in der anderen Kammer das erzeugte Gas
auf einem Druck gehalten wird, der verhindert, daß durch die dieser Kammer zugeordnete poröse Elektrode
Elektrolyt in diese eindringt Das erfindungsgemäße Verfahren v.irkt sich kostensparend aus, da die frische
Elektrolytflüssigkeit nur einer der beiden Kammern zugeführt und nur das in dieser Kammer erzeugte Gas
von der Elektrolytflüssigkeit getrennt werden muß, während sich das andere Gas in der von Elektrolytflüssigkeit
freien Kammer sammelt.
Aus der CH-PS 1 20 793 sind Elektrolysezellen bekannt deren Kammern, die sich beidseits der Elektroden
befinden, mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt sind. Bei diesen bekannten Elektrolysefällen ist lediglich ein
Gasraum vorhanden, in dem sich ein Gasdruck aufbaut, der den durch die Flüssigkeitsspiegel in den Zellen und
den Behältern für die Ergänzungsflüssigkeit be-
stimmten Flüssigkeitssäulen das Gleichgewicht hält. Die bekannte Vorrichtung stellt somit lediglich eine
Einrichtung zur Erhaltung und Steuerung des Flüssig-
dem kontinuierlich frischer Elektrolyt dem Diaphragma 4° keitsstandes in den Elektrolytzellen dar, der sich erfinzugeführt
und durch die Zelle zirkuliert wird und die dungsgemäße Merkmale nicht entnehmen lassen.
Weiterbildungen des erfindungsgemä-
erzeugtem Gase durch die jeweilige Elektrode in zwei Kammern diffundieren, aus denen sie abgeführt werden.
Bei der Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff wird ein Gleichstrom durch
einen wäßrigen Elektrolyten geschickt, und zwar üblicherweise durch eine Lösung von Ätznatron oder
Ätzkali. Dabei wird an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff abgeschieden. Eine besonders geeignete
Elektrolysezelle zur Elektrolyse von Wasser ist der Bipolar- oder Filterpreßtyp. Diese Zellenart besteht
aus einer Mehrzahl dünner poröser Elektroden, die durch ein poröses, üblicherweise aus Asbest bestehendes
Diaphragma, das im folgenden als Membran bezeichnet wird, getrennt sind. Der an den Elektroden
erzeugte Sauerstoff und Wasserstoff wird durch diese Membran getrennt gehalten. Der Elektrolyt wird kontinuierlich
zugeführt, um die bei der Elektrolyse verbrauchte Lösung nachzufüllen und um eine optimale
Konzentration des Elektrolyten aufrecht zu erhalten, d. h. eine Konzentration etwa zwischen 15 bis 45% Kalium-
oder Natriumhydroxyd. Der von der Elektrolysezelle erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff bewegt sich
durch die Elektroden und wird an der Rückseite der Elektroden frei und gelangt in die Elektrolytlösung. Aus
der umlaufenden Elektrolytlösung werden die Gase sodann durch geeignete Separatoren ausgeschieden.
Vorteilhafte
ßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen näher beschrieben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur der Zeichnung stellt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer
Elektrolysenzelleneinheit gemäß der Erfindung dar.
Nach der Zeichnung besteht die Zelle 10 aus einem Paar gasdurchlässiger Elektroden, nämlich der Kathode
11 und der Anode 12, die in direktem Kontakt mit den gegenüberliegenden Seiten einer mit einem wäßrigen
Elektrolyt gesättigten Elektrolytmatrix 13 stehen und mittels Leitungen 15 und 16 mit einer Gleichstromquelle
14 verbunden sind. Die Elektrolytmatrix 13 ist eine poröse Membran aus Asbestfasern oder einem anderen
Material, das von einer Ätzkalilösung oder einem anderen Elektrolyt nicht angegriffen werden kann. Die
relative Dicke der Elektroden 11 und 12 und der Matrix
13 ist in der Figur übertrieben groß dargestellt, um ejne möglichst klare Beschreibung zu ermöglichen. In der
gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform kann die Dicke der Elektroden und der Matrix etwa einige
0,025 mm betragen, wobei diese Abmessung nicht kritisch ist. Die Elektroden 11 und 12 und die Elektrolytmatrix
13 sind in einem Gehäuse 17 angebracht, das mit der Kathode 11 eine Gaskammer 18 und mit der Anode
12 eine Elektrolytkammer 19 bildet In der Elektrolytkammer
19 ist ein wäßriger Elektrolyt 20 vorhanden.
Die mit einem wäßrigen Elektrolyt gesättigte Elektrolytmatrix
13 über eine doppelte Punktion aus. Die Matrix 13 hält einen innigen Kontakt zwischen der
Grenzschicht des Elektrolyten und der gasdurchlässigen Elektroden 11 und 12 aufrecht und dient ebenso als
Gassperre tür Verhinderung der Vermischung der
Gasprodukte.
Durch dem Elektrolytlösungsumlauf vom Separator 22 zur Elektrolytkammer 19 mittels der Pumpe 23
durch Leitungen 24,25 und 26 wird der Zelle Elektrolyt zugeführt Das an der an die Elektrolytkammer 19 angrenzenden
Elektrode 12 erzeugte Gas wird von der umlaufenden Elektrolytlösung aus der Elektrolytkammer
abgeführt
Während des Betriebs der Zelle wird die durch die Antriebskraft der in ihr vorhandenen Gasblasen angetriebene
Elektrolytlösung 20 von der Elektrolytkammer 19 durch eine Leitung 24 zu dem Elektrolytseparator 22
geführt, in dem das an der Elektrode 12 erzeugte und von der Elektrolytlösung 20 mitgenommene Gas abgeschieden
und von der umlaufenden Elektrolytlösung getrennt wird. Einzelheiten des Aufbaues des Separators
22 sind nicht dargestellt, da Separatoren dieser Art all- it,
gemein bekannt sind. Das bei der Elektrolyse verbrauchte Wasser wird mittels einer Wasserspeichereinrichtung
30 ersetzt, von der dem Separator 22 über eine Leitung 31 kontrollierte Mengen an Wasser zugeführt
werden, um den Elektrolyten auf einer optimalen Konzentration zu halten. Ein Ventil 32 regelt die Zufügung
von Wasser zu der Elektrolytlösung in dem Separator 22, und zwar in einem derart festgelegten Maße,
daß das bei der Elektrolyse verbrauchte Wasser ersetzt wird.
Das an der Elektrode 12 erzeugte Gas wird vom oberen Teil des Separators abgezogen und über eine
Leitung 33 zu einem Speicher 34 geführt. Der entgaste Elektrolyt gelangt aus dem Separator 22 über eine Leitung
25 zur Pumpe 23 und wird durch diese über eine Leitung 26 zurück in die Elektrolytkammer 19 geführt.
Das an der Elektrode 11 erzeugte Gas wird in die Gaskammer 18 ausgeschieden, und diese Kammer wird
durch Regulierung des Ausströmens von Gas aus der Kammer unter Druck gehalten. Das aus der Gaskammer
18 ausgeführte Gas wird durch eine Leitung 36 in einen Speicher 37 geführt. Wenn bei Beginn ein elektrisches
Gleichstrompotential an Kathode 11 und Anode 12 der Vorrichtung gelegt wird, so wird das an der
Elektrode U erzeugte Gas in der Kammer 18 so lange gesammelt, bis der Gasdruck in der Kammer 18 den
Druck des an der Elektrode 12 erzeugten Gases überschreitet. Dies geschieht in einer relativ kurzen Zeitspanne,
und falls in der Kammer 18 Elektrolyt vorhanden ist, so wird er durch die Kapillarmatrix in die Kammer
19 gedrückt
Ein Differentialdruck-Steuerventil 40 in der Leitung 36 hält eine vorgegebene Druckdifferenz zwischen dem
Gasdruck in der Gaskammer 18 und dem Druck des aus dem Separator 22 abgezogenen Gases aufrecht,
wobei dieser Druck mittels einer Leitung 41 von dem Ventil 40 kontrolliert wird Wenn der Druck des an der
Elektrode 12 erzeugten Gases steigt oder fällt, so öffnet oder schließt das Ventil 40 abhängig von diesem
Druck, so daß eine Zunahme oder Abnahme des Gasdruckes in der Kammer 18 gewährleistet ist und damit
ein konstanter Differenzdruck über der Zelle aufrechterhalten wird. Dieser hat zur Folge, daß ein Ein
dringen der Elektrolytlösung durch die Matrix 13 in die Kammer 18 verhindert wird. Ein Differenzdruck von
etwa 0,0175 bis 0,70 kg/cm2 über der Zeile ist ausreichend, und vorzugsweise wird ein Differenzdruck von
etwa 0,07 bis 0,14 kg/cm2 (1 bis 2 Psi) verwendet Auf diese Weise wird der Elektrolyt in der an die Elektrode
11 angrenzenden Elektrolytmatrix 13 ständig mit Elektrolytlösung nachgefüllt Da das an der Elektrode 11
erzeugte Gas nicht in dem Elektrolyt abgeführt wird, ist eine Separatoreinheit zur Ausscheidung des Gases aus
dem Elektrolyten nicht erforderlich.
Die in der Elektrolysiszelle gemäß der Erfindung verwendeten Elektroden müssen porös sein, so daß die
an den Elektroden erzeugten Gasprodukte abgeführt werden können und frische Elektrolytlösung durch die
Elektrolytmatrix diffundieren kann. Die bei der erfindungsgemäßen Elektrolysiszelle verwendeten Elektroden
bestehen vorzugsweise aus gesinterten Nickelelektroden mit einer Porosität von etwa 80%. Falls gewünscht,
können die Elektroden, und insbesondere die zur Erzeugung des Wasserstoffes verwendete poröse
Elektrode katalysiert werden, und zwar durch eine Ablagerung von Platin, Iridium, Palladium, Rhodium oder
anderen aus der Gruppe VIII des periodischen Systems
gewählten Metallen auf der Elektrodenoberfläche.
Die Elektrolytmatrix besteht vorzugsweise aus einem Fasermaterial mit einem hohen Kapillarpotential,
das höher als das der Elektrode 11 und der Elektrode 12 ist. Ein derartiges Fasermaterial kann gesponnenes,
faseriges Polypropylen oder Asbest sein, wobei Asbest das bevorzugte Fasermaterial ist Nach dem Zusammenbau
wird die Elektrolytmatrix 13 dichtend gegen die Elektroden 11 und 12 gepreßt.
In der Elektrolytmatrix 13 befindet sich ein Elektrolyt 20. Geeignete Elektrolyte schließen die wäßrigen
Lösungen anorganischer Säuren, wie Schwefelsäure, oder Basen, wie Alkalihydroxyde, und ihre Salze ein.
Die Konzentrationen des Elektrolyten ändern sich gemäß dem speziell verwendeten Elektrolyten. Elektrolytlösungen
mit 15 bis 45 Gew.% an Alkalihydroxyd, wie Natriumhydroxyd oder Kaliumhydroxyd, sind bevorzugt.
Die Elektrolysiszellen können bei Temperaturen im Bereich von -17,78 bis 121,11 "C betrieben werden.
Betriebstemperaturen von 60 bis 82,220C sind bevorzugt,
wenn Elektrolytlösungen verwendet werden, die Alkalihydroxyde enthalten.
Die Elektrolysiszellen können bei Umgebungsdruck oder bei höheren Drucken verwendet werden, aber es
muß unabhängig von dem verwendeten Druck über die Zelle eine Druckdifferenz von etwa 0,0175 bis 0,70-kg/cm2
aufrechterhalten werden, um zu verhindern, daß zuviel Elektrolyt durch die an die Gaskammer angrenzende
poröse Elektrode dringt.
Für den Fachmann ist offensichtlich, daß eine Mehrzellenvorrichtung
aus nrehreren erfindungsgemäßen Einheitszellen in Reihe geschaltet und entsprechend
einer gemeinsamen Achse einander gegenüberliegend zusammengefaßt werden können, um ein Zellenpaket
zu bilden. Bei kommerzieller Anwendung werden derartige Anordnungen zur wirksamen und mengenmäßig
ergiebigen Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff verwendet.
Bei einem zur Erläuterung der Erfindung dienenden Beispiel wurde eine 25%-ige KOH-Lösung in einem
Zellenpaket elektrolysiert, das aus 70 Einzelzellen der in der Zeichnung dargestellten Art bestand, wobei an
die Elektroden des Zellenpakets unter Verwendung
einer üblichen Gleichstromquelle eine Gleichstromspannung gelegt wurde, um etwa 1,3608 kg/Stunde
Sauerstoff und 0,1724 kg/Stunde Wasserstoff zu erzeugen.
Dabei wurden dem Zellenpaket bei 110 Volt 65 Ampere zugeführt. Die Zellenelektroden bestanden aus gesinterten,
porösen Nickelelektroden mit einer Porosität von 80%, und sie waren durch eine mit ihnen in Kontakt
stehende Asbestmatrix getrennt, die mit einer 25%-igen KOH-Lösung gesättigt war. Die Elektroden
waren kreisförmig ausgebildet und hatten einen Durchmesser von 19,37 cm und eine Dicke von 0,711 mm. Die
Zelle wurde bei einer Temperatur von 82,22° C und einem Druck von 21 kg/cm2 betrieben. Über die Zelle
wurde eine Druckdifferenz von 0,07 bis 0,14 kg/cm2 aufrechterhalten. Der Sauerstoff wurde an der Anode
bei Umgebungsdruck von einer 25%igen KOH-Lösung abgeführt, die durch die an die Anode angrenzende
Elektrodenkammer aufgrund der Wirkung des entstehenden Sauerstoffes in Umlauf versetzt wurde.
Hierzu 1 Blait Zeichnungen
Claims (3)
1. Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser in einer
elektrisch gespeisten Elektrolysezelle mit einer ersten porösen Elektrode, die von einer zweiten porösen Elektrode durch ein mit einem wäßrigen Elektrolyten
gesättigtes Diaphragma getrennt ist, bei dem kontinuierlich frischer Elektrolyt dem Diaphragma
zugeführt und durch die Zelle zirkuliert wird und die erzeugten Gase durch die jeweilige
Elektrode in zwei Kammern diffundieren, aus denen sie abgeführt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß der frische Elektrolyt nur einer der Kammern zugeführt und in der anderen Kammer
das erzeugte Gas auf einem Druck gehalten wird, der verhindert, daß durch die dieser Kammer
zugeordnete poröse Elektrode Elektrolyt in diese eindringt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der frische Elektrolyt durch die Kammer
geführt wird, die den erzeugten Sauerstoff aufnimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der von Elektrolyt freien
Kammer ein Gasdruck aufrecht erhalten wird, der um 0,07 bis 0,14 kg/cm2 höher ist als der Gasdruck
über der anderen Kammer.
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