DE19934080C1

DE19934080C1 - Elektrolsysegerät, insbesondere für Experimentiermodelle

Info

Publication number: DE19934080C1
Application number: DE19934080A
Authority: DE
Inventors: Matthias Bronold; Henrik Colell; Frank Mai; Manfred Becker
Original assignee: Heliocentris Energiesysteme GmbH
Current assignee: Heliocentris Energiesysteme GmbH
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2000-09-07
Anticipated expiration: 2019-07-16
Also published as: JP2001076744A; GB2353292A; GB0017407D0

Abstract

Bei einem Elektrolysegerät oder einer wahlweise als Brennstoffzelle oder Elektrolysegerät betreibbaren reversiblen Brennstoffzellle ist der Gasspeicher (6a, 6b) als ein- oder zweiteiliger, rohrförmiger, oben offener Hohlkörper ausgebildet, der durch einen Trennstopfen mit durch diesen hindurchgeführtem, nach unten gerichtetem Tauchrohr (10) in einen Speicherraum (6a', 6b') und einen Ausgleichsraum (6a'', 6b'') geteilt ist. Die Gasspeicher sind im Bereich des Speicherraums jeweils direkt an den Endplatten (4a, 4b) angebracht oder einstückig mit diesen ausgebildet, wobei die jeweiligen Halbzellen (2a, 2b) mit dem jeweiligen Speicherraum bzw. der in diesen befindliche Elektrolyt jeweils über Kanäle in der Endplatte und Öffnungen (7) im jeweiligen Gasspeicher verbunden sind. Die mit einem derart ausgebildeten und integrierten Gasspeicher ausgeführten Elektrolysegeräte bzw. Brennstoffzellen sind robust und platzsparend ausgebildet, leicht handhabbar und kostengünstig herstellbar (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektrolysegerät, insbesondere für Experimentiermodelle, das aus mindestens einer einen Elektrolyten aufnehmenden Elektrolysezelle besteht, die durch eine Membran in zwei jeweils mit einer Anode bzw. Kathode ausgestattete Halbzellen geteilt und an zwei ge genüberliegenden Außenseiten durch Endplatten begrenzt ist, und deren Halbzellen jeweils mit einem aus einem teilweise mit Elektrolyt gefüllten Speichergefäß und ei nem Ausgleichsgefäß mit in das Speichergefäß ragendem Tauchrohr gebildeten Gasspeicher zur Zwischenspeicherung und Weiterleitung der erzeugten Gase zu einer Brennstoff zelle verbunden sind. Die Erfindung bezieht sich glei chermaßen auf an einen Gasspeicher angeschlossene rever sible Brennstoffzellen, die aufgrund der Verwendung be stimmter Katalysatoren sowohl als Elektrolysegerät (Elektrolyseur) als auch alternativ als Brennstoffzelle betrieben werden können.

Elektrolysegeräte werden beispielsweise für Experimen tiermodelle zur Demonstration der Wasserstofftechnologie in Verbindung mit einer Brennstoffzelle und einem von dieser mit Energie versorgten Verbraucher oder für auf der Grundlage der Wasserstofftechnologie angetriebene Fahrzeugmodelle und dergleichen eingesetzt. Die bei der Elektrolyse erzeugten Gase werden in einem Gasscheider zunächst vom Elektrolyten getrennt und anschließend über Rohr- und Schlauchleitungen in einen separat angeordneten Gasspeicher geleitet.

Die DE 298 01 668.0 beschreibt ein Elektrolysegerät mit an dessen Elektrolysezelle angeschlossenen Gasscheidern, die unter Bildung einer einstückigen Baueinheit über eine als Gasscheiderboden dienende Querwand mit jeweils ersten Öffnungen zum Austragen der gebildeten Gase und jeweils zweiten Öffnungen zur Rückführung der abgetrennten Elek trolytlösung - oder alternativ mit jeweils einer gemein samen Gasaustrags- und Elektrolytrückführungsöffnung - unmittelbar an die Elektrolysekammer angeschlossen sind. Die den Gasscheider verlassenden Gase werden anschließend beispielsweise in einem entsprechend der DE 298 01 669.9 als Rohrleitung ausgebildeten Gasspeicher aufgenommen und bei Bedarf der Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt.

Ein anderer bekannter Gasspeicher ist als mit einer Flüs sigkeit gefüllter Behälter mit einem zur Umgebung offenen Ausgleichsgefäß versehen, aus dem in den Speicherbehälter ein Rohr ragt. Das dem Speicherbehälter zugeführte Gas drückt das Wasser zum Ausgleich des Gasvolumens in den Ausgleichsbehälter. Aufgrund des durch das Anheben der Wassersäule bewirkten hydrostatischen Druckes kann das gespeicherte Gas über eine im oberen Speicherbereich vor gesehene Gasauslaßöffnung zur Brennstoffzelle strömen.

Die für Modelle verwendeten bekannten Elektrolysegeräte mit den entsprechenden Speichereinrichtung haben jedoch einen erheblichen Platzbedarf und sind auch wegen ihres komplizierten Aufbaus und der notwendigen Rohrverbindun gen nicht leicht zu handhaben und zudem nur mit erhebli chem Kostenaufwand herstellbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Elek trolysegerät der eingangs erwähnten Art anzugeben, das platzsparend und einfach aufgebaut ist und somit leicht zu handhaben ist und mit geringem Fertigungsaufwand her gestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gattungsgemä ßen, an einen Gasspeicher angeschlossenen Elektrolysege rät gelöst, das gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht zum einen darin, daß das Speichergefäß und das Ausgleichsgefäß aus einem im wesentlichen rohrförmigen Hohlkörper ausgebildet sind, der durch ein Trennstück in einen unteren Speicherraum und einen darüberliegenden Ausgleichsraum unterteilt ist. Ein in einer Bohrung des Trennstücks gehaltenes Tauchrohr ragt in den im Speicherraum befindlichen Elektrolyten. Der Speicherraum des jeweiligen Gasspeichers für Wasser stoff bzw. Sauerstoff steht in unmittelbarer Verbindung mit der betreffenden Halbzelle (Kathodenraum bzw. Anoden raum) des Elektrolysegerätes und dem darin vorhandenen Elektrolyten, wobei der Hohlkörper im Bereich seines Speicherraums unmittelbar an der jeweiligen Endplatte be festigt bzw. angeformt ist.

Ein derart ausgebildetes Elektrolysegerät zeichnet sich in seiner einstückigen Ausführung, und zwar sowohl hin sichtlich der Gasspeicher als auch deren Verbindung mit der Elektrolysezelle, durch einen kompakten und robusten Aufbau aus, so daß es platzsparend angeordnet und einfach gehandhabt werden kann. Der Speicherraum des Gasspeichers hat gleichzeitig die Funktion eines Gasscheiders. Die mit den erfindungsgemäßen Merkmalen erzielte einstückige Aus bildung ist gegenüber den bekannten Geräten mit Gasspei chern zudem mit einer deutlichen Verringerung der Ferti gungskosten verbunden.

Aus den Unteransprüchen sowie der weiter unten wiederge gebenen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbil dungen der Erfindung.

So ist der Gasspeicher als einfaches Rohrelement ausge bildet, das lediglich durch Einbringen eines elastischen Stopfens mit einer Bohrung zur Aufnahme des Tauchrohres in den Speicherraum und den Ausgleichsraum geteilt ist.

Bei der zweiteiligen Ausbildung des Hohlkörpers ist des sen den Ausgleichsraum bildender Teil an dem Trennstück lösbar angebracht, indem es entweder auf das Trennstück aufgesteckt ist oder mit einem angeformten Tauchrohr in einer Bohrung des Trennstücks gehalten ist. Der den Spei cherraum bildende Teil des Hohlkörpers ist fest an der jeweiligen Endplatte angebracht bzw. in diese integriert. Die zweiteilige Ausbildung des Hohlkörpers, das heißt des vom an der Endplatte angebrachten Speicherraum abnehmba ren Ausgleichsraums kann bei der Verpackung des Elektro lysegerätes in einem Experimentierbaukasten vorteilhaft sein.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Gas speicher in die Endplatte integriert und bildet mit die ser ein einziges Bauteil, um dadurch die Montage des Elektrolysegerätes weiter zu vereinfachen.

Die Gasabführung aus dem Gasspeicher kann entweder über eine Gasaustrittsöffnung in der Wand des Speicherraums oder über ein durch den Trennstopfen und den Ausgleichs raum nach außen geführtes Gasaustrittsrohr erfolgen.

Die vorgeschlagene Lösung kann nicht nur bei einem Elek trolysegerät, sondern auch bei einer Brennstoffzelle und insbesondere einer reversiblen Brennstoffzelle, die bei entsprechender Umpolung wahlweise als Brennstoffzelle oder als Elektrolyseur betreibbar ist, angewendet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Elektrolysegerätes mit an dessen Endplatten angebrachten Gasspeichern;

Fig. 2 eine Seitenansicht nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Vorderansicht einer anderen Ausführungsva riante des Elektrolysegerätes nach Fig. 1; und

Fig. 4 eine Seitenansicht nach Fig. 3.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Elektrolysegerät umfaßt eine mit Wasser gefüllte Elektrolysezelle, die durch eine Membran-Elektroden-Einheit 1 in zwei Halbzel len, nämlich einen Anodenraum 2a und einen Kathodenraum 2b, geteilt ist. Die Anode und die Kathode der Membran- Elektroden-Einheit 1 sind über Stromleiter 3a, 3b an eine Stromquelle, zum Beispiel ein Solarmodul (nicht darge stellt), angeschlossen. An den zwei gegenüberliegenden Außenseiten ist die Elektrolysezelle mit Endplatten 4a, 4b abgedeckt, die mit Hilfe von Schraubenbolzen 5 zusam mengehalten werden und zwischen denen und der Membran- Elektroden-Einheit 1 sowie einem Rahmen 15 die Halbzellen gebildet sind. Die beiden Endplatten 4a, 4b sind jeweils mit einem röhrenförmigen Gasspeicher 6a, 6b für Sauer stoff bzw. Wasserstoff verbunden. Die beiden teilweise mit Wasser gefüllten Gasspeicher 6a, 6b sind über Öffnun gen 7 im Gasspeicher und Kanäle 7' in den Endplatte un mittelbar, das heißt ohne Zwischenschaltung von Rohr- oder Schlauchleitungen, mit der jeweiligen Halbzelle 2a, 2b verbunden. In den an der oberen Seite offenen Gasspei chern ist jeweils ein mit einer Bohrung 8 versehener Trennstopfen 9 angebracht. In der jeweiligen Bohrung 8 ist ein in das Wasser im Gasspeicher ragendes Tauchrohr 10 angeordnet.

Die beim Anlegen einer Spannung an die Stromleiter 3a, 3b in den Halbzellen erzeugten Wasserstoff- und Sauerstoff gase gelangen über die Öffnungen 7, 7' in den Speicher raum 6a', 6b'. Mit dem sich vergrößernden Gasvolumen oberhalb des Flüssigkeitsspiegels wird das Wasser im Speicherraum über das Tauchrohr 10 in den oberhalb des Trennstopfens befindlichen Ausgleichsraum 6a", 6b" ver drängt. Eine unterhalb des Trennstopfens 9 in dem jewei ligen Speicherraum vorgesehene Gasaustrittsöffnung 11 bleibt während des Speichervorgangs geschlossen. Beim Öffnen der Gasaustrittsöffnung wird das gespeicherte Gas aufgrund des von der Wassersäule ausgehenden hydrostati schen Druckes aus dem Gasspeicher verdrängt, während der Flüssigkeitsstand im Ausgleichsraum 6a", 6b" wieder sinkt.

Bei der Ausführunsvariante gemäß den Fig. 3 und 4, in denen gleiche Bauteile wie in den Fig. 1 und 2 durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind, sind die Gas speicher in die Endplatten integriert, das heißt, ein Gasspeicher und eine Endplatte bilden jeweils ein ein stückig hergestelltes gemeinsames Bauteil 12a, 12b. Da durch werden die Fertigungskosten weiter verringert und das Elektrolysegerät ist insgesamt noch kompakter als in der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 ausgebildet. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß der Gasaustritt aus dem Speicherraum 12a', 12b' über ein in einer weite ren Bohrung 13 im Trennstopfen 9' angeordnetes und durch den Ausgleichsraum 12a", 12b" nach oben geführtes Gas austrittsrohr 14 erfolgt.

Bezugszeichenliste

1

Membran-Elektroden-Einheit

2

a Anodenraum (Halbzelle)

2

b Kathodenraum (Halbzelle)

3

a,

3

b Stromleiter

4

a,

4

b Endplatten

5

Schraubenbolzen

6

a Gasspeicher f. Sauerstoff

6

b Gasspeicher f. Wasserstoff

6

a',

6

b' Speicherraum

6

a",

6

b" Ausgleichsraum

7

Öffnung in Gasspeicher

7

' Kanal in Endplatte

8

Bohrung in

9

Trennstopfen, Trennstück

10

Tauchrohr

11

Gasaustrittsöffnung

12

a,

12

b einstückiges Bauteil (Gasspeicher + End platte)

12

a',

12

b' Speicherraum

12

a",

12

b" Ausgleichsraum

13

Bohrung in

9

'

14

Gasaustrittsrohr

15

Rahmen

Claims

1. Elektrolysegerät, insbesondere für Experimentiermo delle, das aus mindestens einer einen Elektrolyten aufnehmenden Elektrolysezelle besteht, die durch eine Membran in zwei jeweils mit einer Anode bzw. Kathode ausgestattete Halbzellen geteilt und an zwei gegen überliegenden Außenseiten durch Endplatten begrenzt ist, und deren Halbzellen jeweils mit einem aus einem teilweise mit Elektrolyt gefüllten Speichergefäß und einem Ausgleichsgefäß mit in das Speichergefäß ragen dem Tauchrohr gebildeten Gasspeicher zur Zwischen speicherung und Weiterleitung der erzeugten Gase zu einer Brennstoffzelle verbunden sind, dadurch gekenn zeichnet, daß der jeweilige Gasspeicher (6a, 6b) als ein- oder zweiteiliger Hohlkörper ausgebildet ist, der durch ein Trennstück (9, 9') in einen Speicher raum (6a', 6b'; 12a', 12b') und einen Ausgleichsraum (6a", 6b"; 12a", 12b") geteilt sind, wobei das Tauchrohr (10) in dem Trennstück (9, 9') gehalten und der jeweilige Gasspeicher im Bereich seines Speicher raums unmittelbar an der jeweiligen Endplatte (4a, 4b) angebracht ist.

2. Elektrolysegerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein zweiteilig ausgeführter Hohlkörper im Bereich des Trennstückes geteilt ist.

3. Elektrolysegerät nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das den Ausgleichsraum bildende separate Teil auf das Trennstück aufgesteckt ist.

4. Elektrolysegerät nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das den Ausgleichsraum bildende separa te Teil mit einem an diesem angeformten Tauchrohr in dem Trennstück gehalten ist.

5. Elektrolysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (die Hohl körperteile) im wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist (sind).

6. Elektrolysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennstück zur Tei lung des rohrförmigen Gasspeichers ein elastischer Trennstopfen (9, 9') ist.

7. Elektrolysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Gasaustritt aus dem Speicherraum unterhalb des Trennstopfens (9) eine Gasaustrittsöffnung (11) vorgesehen ist.

8. Elektrolysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Gasaustritt aus dem Speicherraum ein in einer Bohrung (13) des Trennstopfens gehaltenes und durch den Ausgleichsraum nach oben geführtes Gasaustrittsrohr (14) angeordnet ist.

9. Elektrolysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Gasspeicher in die jeweilige Endplatte (4a, 4b) integriert oder an diese angeformt ist, so daß beide ein einstückiges Bauteil (12a, 12b) bilden, wobei die gegenüberliegen den Bauteile durch Schraubenbolzen (5) miteinander verspannt sind.

10. Elektrolysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es als reversible Brenn stoffzelle ausgeführt ist und bei entsprechender Um polung der Stromleiter (3a, 3b) wahlweise zur Gas erzeugung oder als Brennstoffzelle mit integriertem Gasspeicher betreibbar ist.