DE1792802C2 - Verfahren zur Gewinnung reinen Wasserstoffs - Google Patents
Verfahren zur Gewinnung reinen WasserstoffsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung
reinen Wasserstoffs mit Hilfe eines Brennstoffelementes mit katalytisch aktiven Elektroden, zwischen denen eine
Spannung angelegt wird.
Aus »Chemical Engineering«, 16. September 1973, Selten 69 und 7i 1st es bereits bekannt, mit Hilfe eines
Brennstoffelementes aus einem Wasserstoff enthaltenden Gasstrom reinen Wasserstoff abzutrennen. Indem zwischen
den katalytisch aktiven Elektroden des Brennstoffelementes eine Spannung angelegt und die eine Elektrode
mit dem Wasserstoff enthaltenden Gasstrom beaufschlagt wird, während von der anderen Elektrode reiner
Wasserstoff abgezogen wird. In der Literaturstelle finden sich keine Hinwelse aber die Zusammensetzung des
Elektrolyten Im verwendeten Brennstoffelement. Es wird speziell darauf hingewiesen, daß ein nicht näher genanntes
Dichtungsmittel zum Versiegeln der Elektroden wesentlich Ist.
Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zu schaffen, mit dem In besoi. Jers wirtschaftlicher
Weise reiner Wasserstoff gewonnen werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das erflndungsgemäß dadurch
gekennzeichnet Ist, daß ein Brennstoffelement verwendet wird, dessen Elektrolyt aus einer Ionenaustauschermembran
besteht, die eine Elektrode mit einer Wasserstoff enthaltenden Verbindung beaufschlagt wird, aus der
durch katalytlsche Zersetzung Wasserstoff freigesetzt wird, und reiner Wasserstoff von der anderen Elektrode
entfernt wird.
Mit dem Verfahren nach der Erfindung kann mit einem außerordentlich günstigen Wirkungsgrad reiner
Wasserstoff aus einer Wasserstoff enthaltenden Verbindung gewonnen werden, aus der durch katalytische Zersetzung
Wasserstoff freigesetzt werden kann. Als Wasserstoff enthaltende Verbindung kann beispielsweise
Wasser verwendet werden.
Das Verfahren nach der Erfindung wird nun naher anhand der Zeichnung erläutert, die Im Schnitt ein
Brennstoffelement zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung zeigt.
Der Elektrolyt des In der Zeichnung dargestellten Brennstoffelementes besteht aus einer Ionenaustauschermembran
1, die zwischen katalytisch aktiven Elektroden 2 und 3 liegt und elektrischen Kontakt damit hat. Über
die mit der Elektrode 2 in Verbindung stehende Leitung
4 sowie über die mit der Elektrode 3 In Verbindung
stehende Leitung S wird von einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle eine Gleichspannung zwischen
den Elektroden angelegt. Eine Wasserstoff enthaltende Verbindung, aus der durch katalytlsche Zersetzung Wasserstoff
freisetzbar Ist, wird über eine Zuleitung 6 der vor
der Elektrode 2 vorgesehenen Kammer 7 zugeführt, aus der entstehende Nebenprodukte Ober eine mit einem
Ventil versehene Auslaßleitung 8 abgeführt werden können. Der gewonnene Wasserstoff wird aus der vor der
s Elektrode 3 vorgesehenen Kammer 9 über eine Auslaßleitung 10 entfernt.
Die Ionenaustauschermembran kann aus Irgendeinem bekannten Kationen- oder Anlonenaustauschermaterial
gebildet sein. Beispielsweise können KaUonenaustauschermembrane
aus PhenolaldehydsulforsäUve, PoIystyrol-Divlnyl-Benzolsulfonsäure
und Phenolaldehydcarbonsäure verwendet wenden. Als Anlonenaustauschermaterial können z. B. quaternäres Chlormethyl-Polystyrol
und Amln-Chlormethyl-Polystyrol verwendet
werden.
Die Dicke der verwendeten Membrane Ist nicht kritisch
und kann ungefähr 0,05 bis S mm und mehr betragen.
Aus wirtschaftlichen Gründen sind die Membranen jedoch so dünn wie möglich, z. B. 0,05 bis 0,75 mm.
Für ein zur Wasserstoffgewinnung eingesetztes Brennstoffelement
sind eine Reihe von verschiedenartigen Elektroden geeignet. Solche Elektroden sollten Leiter
sein, die die Fähigkeit besitzen, den Wasserstoff zu absorbieren und als Katalysatoren für die Reaktion an
den Elektroden dienen. Geeignete Materialien für die Elektroden sind zum Beispiel Metalle der Gruppe VIII
des periodischen Systems, darunter Rhodium, Palladium, indium und Platin. Weitere geeignete Metalle sind Nikkei
und Kupfer. Darüber hinaus können die Elektroden aus Platinmohr oder Palladiummohr bestehen, das auf
einem Basismetall, z. B. rostfreiem Stahl, Elsen oder Nickel abgeschieden ist. Ferner können geeignete Elektroden
aus Metalloxiden gebildet sein oder aus Kohlenstoff, der mit Platin oder Palladium oder Elsen-, Magneslum-
oder Kobaltcxlden aktiviert Ist. Diese Materlallen können In Folienform oder in Form von Sieben,
Maschengeweben oder anderen Arten von porösen Körpern verwendet werden. Die Dicke der Elektrode ist
nicht kritisch. Elektroden In der Größe von 0,025 bis 5 mm oder mehr arbeiten zufriedenstellend. Die Elektroden
können außerdem aus Legierungen gebildet sein, die ein Edelmetall, Titan und ein Mateüal, wie z. B. Tantal,
enthalten.
Die als Elektrolyt dienenden Ionenaustauschermembrane haben eine Gasdurchlässigkeit in der Größenordnung von 10"5bis lO'cc.-cm/sec. -atm.-cm2. Der Durchsatz kann durch Anlegen einer Spannung wesentlich verbessert werden. Der Durchsatz des Gases Ist Im wesentlichen proportional zu der zwischen Kathode und Anode liegenden Spannung-.
Die als Elektrolyt dienenden Ionenaustauschermembrane haben eine Gasdurchlässigkeit in der Größenordnung von 10"5bis lO'cc.-cm/sec. -atm.-cm2. Der Durchsatz kann durch Anlegen einer Spannung wesentlich verbessert werden. Der Durchsatz des Gases Ist Im wesentlichen proportional zu der zwischen Kathode und Anode liegenden Spannung-.
Bei der Gewinnung von Wasserstoff erfolgen die DIssoziatlons-
und Rekombinationsreaktionen nahezu reversibel, so daß der Energiebedarf sehr gering Ist. Der
Durchsatz bleibt Im wesentlichen proportional zu der angelegten Spannung.
Bei der Wasserstoffgewinnung wird der durch katalytlsche
Zersetzung aus der Wasserstoff enthaltenden Verbindung gebildete Wasserstoff an der Anode zu Wasserstoffionen
dissoziiert, die durch die lonenaustauschermembran wandern und an der Anode zu molekularem
Wasserstoff rekombiniert werden.
Es wurde festgestellt, daß Überspannungen von ungefähr 10 Millivolt mit Stromstärken von ungefähr
100 Milliampere pro cm2 verbunden sind. Diese Überspannungen
sind bei der Kathoden- wie bei der Anodenreaktion Identisch. Versuchsmessungen ergaben, daß der
H2-Durchsatz bei oder In Nähe des theoretischen Durchsatzes
von 0,116 cc./sec. amp. bei 0° C lagen. Der Was-
serstolTstrom kann sich entweder von hohem zu niedrigem
oder von niedrigem zu hohem Druck bewegen. Das letzlere wurde durch Versuche belegt, wobei Druckunterschiede
von 350 mm Hg angewendet wurden.
Die bei der Wasserstoffgewinnung mit dem Brennstoffelement erforderliche Gesamtenergie kann durch die
folgende Formel ausgedrückt werden:
ET = E1 + Ec + IR1
ET = E1 + Ec + IR1
wobei ET = die erforderliche Gesamtenergie ist, E„ die
Polarisationsspannung der Anode, Ec die Polarisationsspannung der Kathode, I die Stromstärke und R1 der
Innere Widerstand des Elementes. Es wurde durch Versuche festgestellt, daß bei Wasserstoff Ea = Et. ist, so daß
E1 = E5 + IR1
wobei Ee die Polarisationsspannung sowoh! der Anode als
auch der Kathode ist. Es wurde festgestellt, aaß ungefähr 0,080 Volt für den Wasserstofflrainsport bei einer
Geschwindigkeit, die 150 Mllllamp./cm2 entspricht,
erforderlich sind. Da ein Ampere einen Transport von
0,11 cc./sec. bewirkt, entspricht dies einem Durchsatz
von 0,0174 cc./sec. cm2. Dies entspricht dem sehr geringen
Energiebedarf von 1,9 kWh pro m3.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Gewinnung reinen Wasserstoffs mit Hilfe eines Brennstoffelementes mit katalytisch aktiven Elektroden, zwischen denen eine Spannung angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brennstoffelement verwendet wird, dessen Elektrolyt aus einer Ionenaustauschermembran besteht, die eine Elektrode mit einer Wasserstoff enthaltenden Verbindung beaufschlagt wird, und reiner Wasserstoff von der anderen Elektrode entfernt wird.
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