DE29718733U1

DE29718733U1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Sauerstoff bzw. Ozon-Sauerstoffgemisch

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Description

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Beschreibung Dirk Schulze Wolfgang Beyer

53113 Bonn

Vorrichtung zur Erzeugung von Sauerstoff bzw. Ozon-Sauerstoffgemisch

Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Sauerstoff bzw. von Ozon-Sauerstoffgemisch aus Reinstwasser mittels einer elektrochemischen Zelle mit in einem mehrteiligen Gehäuse angeordneten Aktivteil, umfassend eine Anode, eine Kathode und eine die Anode von der Kathode trennende Feststoffelektrolyt-Membran, sowie eine Zuführleitung für das Reinstwasser und eine Abflußleitung für das Reinstwasser und den erzeugten Sauerstoff bzw. das Ozon-Sauerstoffgemisch und eine Abfuhrleitung für Medien aus dem Kathodenraum und mit einer Stromversorgungseinrichtung umfassend einen Trafo und eine Leistungselektronik.

Ozon als eines der stärksten Oxidationsmittel eignet sich vorzüglich zur Desinfektion, Entfärbung, Desodorierung und zu Oxidationsprozessen allgemein. Ein Spezialgebiet der Ozonanwendung betrifft die Reinstwassertechnik. Für diese Applikationen ist elektrolytisch mit einer Elektrolysezelle, enthaltend eine Feststoffelektrolytmembran, produziertes Ozon besonders gut geeignet, weil im Reinstwasser außer Ozon und Sauerstoff praktisch keine weiteren Stoffe entstehen und nicht verbrauchtes Ozon nach kurzer Zeit zerfällt. Deshalb wird in Reinstwasserkreisläufen meistens die desinfizierende Wirkung des Ozon ausgenutzt.

Elektrolysezellen auf der Basis von direkt mit Elektroden kontaktierten Ionenaustauschermembranen, wobei die Elektroden aus einem porösen Material bestehen oder damit beschichtet sind, zeichnen sich durch die Fähigkeit zum Betrieb bei hohen Stromdichten und damit hohen Umsätzen aus. Die Ionenaustauschermembran übernimmt dabei als Feststoffelektrolytmembran gleichzeitig die Funktion des Separators von Anoden- und Kathodenraum und des Elektrolyten.

Zellen dieser Bauweise sind seit längerer Zeit bekannt, wobei hydratisierte, perfluorierte Kationenaustauschermembrane verwendet werden, welche eine elektrochemische Stabilität gegenüber der reduzierenden bzw. oxidierenden Wirkung der Elektroden aufweisen (unbeschichtete oder beschichtete Nafion 117-Membran, s.S. Stucki: "Reaktion- und Prozeßtechnik der Membrel-Wasser-Elektrolyse", Dechema Monographien Verlag Chemie 94(1983)211).

Des weiteren wird auch auf das Handbook of Water Purification, 2, Auflage, Walter Lorch/Ellis Horwood Ltd. 1987, Seite 513 bis 52 9 verwiesen, sowie auf das Sonderheft Swiss Chem 8 (1986) Nr. 10a, Seiten 31 bis 33, "Funktionsweise und Einsatzgebiete eines elektrochemischen Ozonerzeugers" von Baumann, Stucki.

Der Betrieb solcher Zellen ist grundsätzlich in Medien mit geringem Leitwert, wie z.B. chemisch reinem Wasser, möglich. Die elektrochemischen Reaktionen an den Elektroden führen beim Betrieb in Reinstwasser zu Wasserstoff und Sauerstoff; bei Verwendung besonderer Anodenmaterialien kann dabei auch an Stelle von reinem Sauerstoff ein Gemisch von Sauerstoff und Ozon entstehen.

Darüber hinaus ist die elektrochemische Energieumwandlung in Brennstoffzellen bekannt, bei der in Umkehrung des Elektrolyseprozesses elektrische Energie in Form niedergespannten Gleichstromes produziert wird. Hierbei erzeugt die elektrochemische, sogenannte kalte Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff in einer Brennstoffzelle

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entsprechende Zellspannungen, siehe Aufsatz von Hartmut Wendt und Wolfgang Jenseit "Elektrochemische Energieumwandlung in Brennstoffzellen" aus Chem.-Ing.-Tech. 60 (1988) Nr. 3, Seite 180-186.

Es ist auch bereits versucht worden, die für die elektrochemische Energieumwandlung in Brennstoffzellen eingesetzten Gasdiffusionskathoden in Zellen für die elektrochemische Erzeugung eines Ozon-Sauerstoffgemisches zu verwenden, wozu auf die Publikation von M. Katoh, Y.Nishiki, S. Nakamatsu "Polymer Electrolyte Type - Electrochemical Ozon Generator with an Oxygene Cathode" in Journal of Applied Electrochemistry 24(1994), Seiten 489-494 verwiesen wird.

Elektrochemische Zellen mit ß-Bleidioxid als Katalysatorbeschichtung der Anode und mit einer perfluorierten Ionenaustauscher-Membran als Elektrolyt haben sich für die Erzeugung von Ozon zur Desinfektion und oxidativen Behandlung von Reinstwassersystemen bewährt. Reinstwasser ist in diesen Anwendungen zugleich der Ausgangsstoff für die Ozonproduktion, das zu behandelnde Medium und auch das Kühlmedium für die Abfuhr der bei der Elektrolyse anfallenden Abwärme. Das Ozon in solchen Anlagen wird direkt in das zu behandelnde Wasser eingetragen. Der als Nebenprodukt an der Kathode solcher 5 Ozongeneratoren entstehende Wasserstoff wird abgeführt.

Die Produktion gasförmiger Ozon-Sauerstoffgemische in elektrochemischen Zellen muß aus technischen Gründen ebenfalls von voll entsalztem Wasser als Ausgangsstoff ausgehen. Da für 0 Anwendungen von gasförmigem Ozon in der Regel keine großen Mengen an ,Reinstwasser zur Verfügung stehen, muß dieses für den Betrieb bereitgestellt werden. Da die Aufbereitung großer Mengen von Leitungswasser zu der erforderlichen Reinstwasserqualität mit Aufwand verbunden ist, muß der Wasserverbrauch möglichst auf die zur chemischen Umsetzung in der Elektrolyse notwendige Menge beschränkt werden. Durch die Kreislaufführung des Anodenwassers und des bei der Elektrolyse die Membran zur Kathode permeierenden Wassers besteht jedoch

die Gefahr, daß sich Spurenstoffe im Reinstwasser anreichern, welche zu einer die Stromausbeute für die Ozonerzeugung beeinträchtigenden Vergiftung führen können. Zudem kann die Abwärme der Zelle bei minimiertem Wassereinsatz nicht über das Reinstwasser aus dem System abgeführt werden, sondern muß über einen Wärmetauscher mit Kühlwasser abgeführt werden.

Die Leistungselektronik, welche für die Gleichrichtung des Netzstromes in Gleichstrom geeigneter Spannung für den Betrieb der elektrochemischen Zelle benötigt wird, erzeugt ebenfalls Verlustleistung, welche nach gängiger Praxis dadurch abgeführt wird, daß die Komponenten der Leistungselektronik direkt auf Kühlprofile aus Aluminium, welche mittels eines Gebläses mit Umgebungsluft überströmt werden, montiert werden.

Aufgabe der vorliegenden Neuerung ist, den Verbrauch an Reinstwasser für den Betrieb der elektrochemischen Zelle auf eine notwendige Mindestmenge zu beschränken und eine Vergiftung des Reinstwassers zu vermeiden sowie des weiteren die Kühlung der Leistungselektronik und der elektrochemischen Zelle in einem Kühlsystem zu kombinieren. Ziel der Neuerung ist es, des weiteren eine kompakte Vorrichtung mit einer elektrochemischen Zelle zur Erzeugung von Sauerstoff bzw. eines Ozon-Sauerstoffgemisches zu schaffen, das auch gut transportierbar und handhabbar ist und ein einfaches Kühlsystem aufweist.

Die Neuerung löst die gestellte Aufgabe in Weiterbildung einer Vorrichtung gemäß Gattungsbegriff dadurch, daß ein Kühlkörper, 0 umfassend eine Tragplatte und an der Tragplatte auf einer Seite angeformte Kühlrippen, vorgesehen ist, und an der den Kühlrippen abgewandten Seite der Tragplatte zumindest die elektrochemische Zelle und die Leistungselektronik angebracht ist. Der erfindungsgemäße Kühlkörper ermöglicht sowohl die 5 Abfuhr der erzeugten Wärme als auch deren Umverteilung und bildet zugleich den Tragkörper oder Montagekörper für die einzelnen Gerätebestandteile der Anlage, nämlich die Zelle, Leistungselektronik, Trafo, Anschlüsse für die Zu- und

Ableitung der verschiedenen Medien. Insbesondere erfolgt die Wärmeabfuhr mittels Konvektion an den Kühlrippen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, ein Puffergefäß für das Reinstwasser vorzusehen und auf der Tragplatte des Kühlkörpers anzubringen. So ist es möglich, auch das Reinstwasser zu temperieren mit Hilfe des tragenden Kühlkörpers. Eine bevorzugte Anordnung der Geräteteile sieht vor, daß die Zelle im unteren Bereich der Tragplatte und das Puffergefäß oberhalb der Zelle auf der Tragplatte angebracht ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Neuerung wird vorgeschlagen, das Reinstwasser über eine Wasserleitung in das Puffergefäß einzuspeisen und das Reinstwasser aus dem Puffergefäß in den Anodenraum der elektrochemischen Zelle über die Zufuhrleitung zu führen und die Abflußleitung aus dem Anodenraum, enthaltend Sauerstoff bzw. Ozon und Sauerstoff sowie Reinstwasser, in das Puffergefäß zu leiten und von dem Puffergefäß eine Speiseleitung für den Sauerstoff bzw. Ozon-Sauerstoffgemisch gegebenenfalls mit Zusatz von Reinstwasser zu einem Verbraucher zu führen.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche entnehmbar.

Da die elektrochemische Zelle stets mit ausreichend Reinstwasser versorgt sein muß, ist bisher eine aufwendige Steuerung und Regelung mittels Flußwächtern erforderlich 0 gewesen, um dies sicherzustellen. Mit dem erfindungsgemäßen Einsatz eines Puffergefäßes für das Reinstwasser für die Versorgung der elektrochemischen Zellen wird es möglich, in einfacher Weise jeweils nur so viel Reinstwasser der Zelle zuzuführen, wie es stöchiometrisch benötigt wird. Des weiteren ergibt sich der Vorteil, daß der erzeugte Sauerstoff bzw. Sauerstoff-Ozongemisch und das wieder aus dem Anodenraum der Zelle abgeführte Reinstwasser in das Puffergefäß zurückgeführt wird, wodurch insgesamt eine zweifache Entkopplung dergestalt

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erreicht wird, daß keine Verunreinigungen in den Reinstwasserkreislauf gelangen können. Das Ozon-Sauerstoff gemisch bzw. der Sauerstoff kann dann aus dem Puffergefäß über eine Speiseleitung einem Verbraucher zugeführt werden, wobei die Speiseleitung oberhalb oder unterhalb des Wasserspiegels in dem Puffergefäß abgehend angeordnet sein kann.

Erfindungsgemäß ist ein Kreislauf für das Reinstwasser mittels des eingesetzten Puffergefäßes gebildet, dergestalt, daß der Anodenraum der elektrochemischen Zelle über die Zufuhrleitung und die Abflußleitung mit dem Puffergefaß verbunden ist.

Bevorzugt wird die Abflußleitung, die das aus dem Anodenraum der Zelle rücklaufende Wasser einschließlich Sauerstoff bzw. Ozon-Sauerstoffgemisch in das Puffergefäß führt, im bzw. nahe dem Bodenbereich des Puffergefäßes eingeleitet. Durch die in der Abflußleitung zwischen dem Anodenraum und dem Puffergefaß aufsteigenden Gasblasen wird das Reinstwasser im Kreislauf in Zirkulation versetzt. Für den Fall, daß möglichst gasförmiges Ozon-Sauerstoffgemisch dem Verbraucher zugeführt wird, wird die Speiseleitung vom Puffergefäß abgehend im oberen Bereich oberhalb des Wasserspiegels ausgebildet.

Die Zufuhr von Reinstwasser in das Puffergefäß, um dieses auf einen gewünschten Level zu füllen, erfolgt über eine Wasserleitung, die mit einem Absperrventil ausgerüstet ist.

Um Verunreinigungen des Reinstwasserkreislaufes durch die elektrochemische Zelle zu vermeiden, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Zufuhrleitung zwischen Puffergefäß und Anodenraum für das Reinstwasser einen Bypass aufweist, in dem sich eine Filtervorrichtung befindet, die die Akkumulation von Spurenstoffen im Wasser verhindert. Die Filtervorrichtung besteht beispielsweise aus einer Patrone mit einem einen Katalysator enthaltenden Festbett zum Abbau von gelöstem Ozon und einem nachfolgenden Ionenaustauscher-Mischbett zur Entfernung ionogener Stoffe. Die Ozonzerstörung

ist notwendig, um die oxidative Zerstörung der Ionenaustauscherharze zu vermeiden. Der über das Filter geführte Anteil des in Zirkulation gesetzten Reinstwassers kann durch die Dimensionierung der Zufuhrleitung und den Druckabfall über das Filter eingestellt werden.

Eine weitere Möglichkeit des Vermeidens von Verunreinigungen bzw. der Vergiftung des Reinstwassers, mit dem die elektrochemische Zelle versorgt wird, sieht nach einem Vorschlag der Erfindung vor, daß in der Wasserleitung, die das Reinstwasser in das Puffergefäß einspeist, ein Regelventil eingebaut ist, um einen vorgegebenen Füllgrad des Puffergefäßes einzuhalten oder eine geringfügig größere Wassermenge als dem erforderlichen Füllgrad entspricht, zuzuführen. Zusätzlich ist eine mit einem Absperrventil ausgestattete Abzweigleitung von der Zufuhrleitung für das Wasser in den Anodenraum vor dem Eintritt in die Zelle vorgesehen, über die überschüssiges Reinstwasser aus dem Puffergefäß abführbar ist, so daß einerseits die Zelle stets mit der stöchiometrisch notwendigen Menge an Reinstwasser bedient wird und andererseits sich durch den ständigen Austausch einer gewissen Menge an Reinstwasser im Puffergefäß keine Ionen akkumulieren können.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, daß in der aus dem Puffergefäß herausgeführten Speiseleitung ein Rückschlagventil angeordnet ist.

Sofern erwünscht ist, nur ein gasförmiges Ozon-0 Sauerstoffgemisch aus dem Puffergefäß abzuführen und einem Verbraucher zuzuführen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in der Speiseleitung einen Filter vorzusehen, der nur Dämpfe und Gase durchläßt, um so ein mit Sicherheit nur gasförmiges und von Wasser befreites Ozon-Sauerstoffgemisch für die 5 Weiterleitung an den Verbraucher zu erhalten.

Um ein kompaktes transportables Gerät für die Erzeugung eines Ozon-Sauerstoffgemisches gemäß der Erfindung zu erhalten, wird

für die Kühlung ein als Tragplatte ausgebildeter Kühlkörper vorgesehen, wobei auf dem Kühlkörper die elektrochemische Zelle, das Puffergefäß und die Stromversorgungseinrichtung mit Leistungselektronik und gegebenenfalls Trafo montiert wird. Erfindungsgemäß wird so ein einziger Kühlblock vorgesehen, der beispielsweise mit Kühlrippen ausgestattet ist und auf dem sowohl die Zelle, die Wärme erzeugt, als auch die Stromversorgungseinrichtung, die Wärme erzeugt, montiert sind, so daß diese mit nur einer Kühleinrichtung kühlbar sind.

Ebenso wird das Reinstwasser, das im Kreislauf geführt wird, im Bereich des Puffergefäßes gekühlt. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Kühlkörpers sind den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 21 bis 2 5 entnehmbar. Insbesondere kann der Kühlkörper wirtschaftlich als Strangpreßprofil zum Beispiel aus Aluminium- oder Aluminiumlegierung hergestellt werden und dann auf die für die jeweilige Anlage gewünschte Länge abgelängt werden.

Nach einem Vorschlag der Neuerung ist auf der Tragplatte des 0 Kühlkörpers im unteren Bereich bei vertikaler Anordnung der Tragplatte horizontal von der Tragplatte vorstehend die elektrochemische Zelle oberhalb der Zelle das Puffergefäß zwischen Zelle und Puffergefäß die Leistungselektronik und gegebenenfalls der Trafo auf der Tragplatte angeordnet. Eine weitere Verbesserung der Kühlung wird erreicht, wenn zum Beispiel auf der Zelle und/oder dem Puffergefäß Kühlbleche angeordnet sind. Besonders vorteilhaft kann neuerungsgemäß die Zelle mit einem Kathodenkühlkörper ausgerüstet sein, der in den Kühlkörper integriert ist. Bevorzugt ist das Puffergefäß 0 auf seiner der Tragplatte abgewandten Seite mit einem Kühlrippen aufweisenden Kühlkörper verbunden.

Des weiteren wird vorgeschlagen, das Puffergefäß mit einer Niveau-Steuerung für die Höhe des Wasserspiegels auszurüsten, 5 umfassend ein Magnetventil und eine Pumpe in der Zuführleitung für das Reinstwasser sowie ein auf die Pumpe und das Magnetventil einwirkenden LC-Steuergerät.

Die neuerungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen eines Ozon-Sauerstoffgemisches kann mit einer elektrochemischen Zelle unter Einsatz eines Puffergefäßes für den Reinstwasserkreislauf gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 16 oder 17 aufgebaut sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Sauerstoff kann mit einer elektrochemischen Zelle gemäß den kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 18 oder 19 ausgerüstet sein.

Die Kühltechnik der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mit Vorteil durch den Einsatz einer Gasdiffusionselektrode als poröse Kathode in dem Prozeß der Ozonherstellung oder Sauerstoffherstellung mittels elektrochemischer Zelle verbessert werden, da durch die Beströmung der porösen Kathode mit Luft zusätzlich auch eine Kühlwirkung der Luft neben der Bindung des Wasserstoffes bewirkt wird.

An, Stelle einer Wasserstoff entwickelnden Kathode wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, die Zelle mit einer Gasdiffusionselektrode als Kathode auszurüsten. Hierbei wird die Zelle dann direkt so auf die als Kühlkörper ausgebildete Tragplatte montiert, daß die Gasdiffusionskathode von deren 5 Rückseite her über eingelassene Rillen mit Luft versorgt wird. An Stelle der Wasserstoffentwicklung, wie bei herkömmlichen elektrochemischen Zellen für die Sauerstoff/Ozonerzeugung wird bei ausreichender Beströmung mit Luft an der Gasdiffusionselektrode elektrochemisch Luft-Sauerstoff zu Wasser reduziert. Die Luftströmung wird mittels eines Kühlgebläses sichergestellt. Die an der Gasdiffusionselektrode vorbeiströmende Luft kühlt wirksam den elektrochemisch aktiven Teil der Zelle, das Membran-Elektrodenpaket. Diese Kühlung erfolgt einerseits durch Erwärmung der an der Kathode vorbeiströmenden Luft - fühlbare Wärme - andererseits in wirksamer Weisung durch Verdampfung des an der Kathode durch elektrochemische Reaktion und Membran-Wassertransport anfallende Wasser - latente Wärme. Die erfindungsgemäße

Kombination eines Puffergefäßes für die Reinstwasserversorgung der Zelle und der Einsatz einer Gasdiffusionselektrode als Kathode erfüllt gleichzeitig den Zweck der Vermeidung der Wasserstoffbildung sowie den einer wirksamen Wärmeabfuhr. 5

Bei den Elektroden der elektrochemischen Zelle für die Sauerstoff-Ozongemischerzeugung werden zumindest die Anode mit Platin oder Platinmetallen beschichtet, wobei die Schicht beispielsweise galvanisch aufgebracht wird. Für die Erzeugung von Ozon wird zudem die Anode mit ß-Bleidioxid als Katalysator galvanisch beschichtet. Nur mit Platin oder Platinmetallen beschichtete Elektroden einer elektrochemischen Zelle der vorangehend beschriebenen Aufbauten können für die Erzeugung nur von Sauerstoff verwendet werden. Bei gleichem Aufbau unterscheidet sich eine Sauerstoff erzeugende Zelle von einer Ozon und Sauerstoff erzeugenden Zelle nur durch die fehlende Katalysatorschicht, beispielsweise ß-Bleidioxid.

In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, daß eine aus Reinstwasser Sauerstoff erzeugende elektrochemische Zelle vorgesehen ist und mit der Ozon-Sauerstoffgemisch erzeugenden elektrochemischen Zelle in Reihe geschaltet ist, dergestalt, daß über das Puffergefäß beide elektrochemischen Zellen mit Reinstwasser gespeist werden und sowohl der erzeugte Sauerstoff als auch das erzeugte Ozon-Sauerstoff gemisch von jeweiligen Zellen in das Puffergefäß zurückgeführt werden und das Reinstwasser im Kreislauf geführt ist. Bevorzugt werden der erzeugte Sauerstoff bzw. das erzeugte Ozon-Sauerstoffgemisch in dasselbe Puffergefäß zurückgeführt, wodurch es möglich ist, die Konzentration des Ozons im Ozon-Sauerstoffgemisch durch eine entsprechende zusätzliche Menge von Sauerstoff aus der nur Sauerstoff erzeugenden Zelle zu variieren.

Der erfindungsgemäße Einsatz von zwei elektrochemischen Zellen im wesentlichen gleichen Aufbaus, von denen die eine Sauerstoff erzeugt und die andere ein Ozon-Sauerstoffgemisch erzeugt, in Verbindung mit einem gemeinsamen Puffergefäß für

den Kreislauf des Reinstwassers ermöglicht, daß die Konzentration des aus dem Puffergefäß über die Speiseleitung abgeführten in der Ozon-Sauerstoffgemisch erzeugenden Zelle erzeugten Ozons mittels der in der Sauerstoff erzeugenden elektrochemischen Zelle erzeugbaren Sauerstoffmenge steuerbar, d.h. veränderbar und einstellbar ist.

Nach einem weiteren Vorschlag der Neuerung ist eine Recyclinganlage für Trinkwasser und/oder permeierendes Wasser aus der Kathode zu Reinstwasser für den Reinstwasserkreislauf der Zelle vorgesehen.

Insbesondere in Verbindung mit einer Gasdiffusionselektrode wird vorgeschlagen, daß ein Aufbereitungsbehälter vorgesehen wird, der sowohl von einer Trinkwasserabteilung als auch von dem aus der Zelle aus dem Kahtodenraum abgeführten permeierenden Wasser speisbar ist, und das Wasser aus dem Aufbereitungsbehälter einer Ionenaustauschanlage zuführbar ist, und von hier als gereinigtes Reinstwasser dem Puffergefäß zuführbar ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen

Fig. 1-3 verschiedene Reinstwasserversorgungskreisläufe mit

Puffergefäß für eine elektrochemische Zelle, bei der Wasserstoff als Nebenprodukt anfällt und abgeführt wird für die Ozon-Sauerstoffgemischerzeugung

Fig. 4-6 Reinstwasserversorgungskreise mit Puffergefäß für eine elektrochemische Zelle, die als Kathode eine Gasdiffusionselektrode aufweist Fig. 7 Schema der Versorgung von zwei in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen mit einem

Reinstwasserkreislauf mit Puffergefäß zur Erzeugung von Ozon-Sauerstoffgemisch und Sauerstoff

Fig. 8 Reinstwasserkreislauf mit Zelle für Sauerstofferzeugung.

Fig. 9 Schema eines Reinstwasserversorgungskreies für' eine elektrochemische Zelle zur Erzeugung eines Ozon-Sauerstoffgemisches mit Wasser-Recycling

Fig. 10 schematische Darstellung eines Querschnites einer elektrochemischen Zelle für die Erzeugung eines

Ozon-Sauerstoffgemisches, bei der an der Kathode Wasserstoff entsteht gemäß Stand der Technik

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Querschnittes einer elektrochemischen Zelle zur Erzeugung eines

Ozon-Sauerstoffgemisches mit einer

Gasdiffusionselektrode als Kathode gemäß Stand der Technik

Fig. 12a-c Gerät zur Erzeugung eines Ozon-Sauerstoffgemisches

in kompakter Bauweise mit elektrochemischer Zelle, Puffergerät, Stromversorgung und Kühlblock in drei Ansichten

Fig. 13a-d eine Variante des Gerätes nach Fig. 12a-c in

verschiedenen Ansichten.

In der Fig. 10 ist schematisch eine elektrochemische Zelle 1 mit beispielsweise mittels Schrauben miteinander fest und abgedichteten verbundenen Gehäuseteilen 10, 11 dargestellt, mit einem zentralen Aktivteil 12, umfassend eine Kathode K, eine Feststoffelektrolyt-Membran F, eine Anode A, einen Anodenraum 13 mit Zufuhrleitung 20 für Reinstwasser und Abflußleitung 21 für das Reinstwasser einschließlich Ozon-Sauerstoffgemisch, sowie einen Kathodenraum 14 mit einer Abfuhrleitung 22 für den als Nebenprodukt in geringen Mengen anfallenden Wasserstoff und permeierendes Wasser. Eine konstruktive Ausführung einer solchen Elektrolysezelle ist

beispielsweise in dem DE-GM 295 04 323 beschrieben. Als Katalysatorschicht ist hierbei für die Ozonerzeugung eine galvanisch aufgebrachte ß-Bleidioxidschicht auf einer der Elektroden, hier Anode, vorgesehen, wobei die Elektroden mit Platin oder Platinmetallen vorbeschichtet sind. Ohne ß-Bleidioxidbeschichtung kann diese elektrochemische Zelle nur für eine Sauerstofferzeugung eingesetzt werden. Es wird dann kein Ozon erzeugt.

In der Fig. 11 ist beispielhaft eine elektrochemische Zelle zur Erzeugung von Ozon bzw. Ozon-Sauerstoffgemisch dargestellt, bei der als poröse Kathode K eine Gasdiffusionselektrode vorgesehen ist. Gasdiffusionselektroden sind bekannt, wie eingangs beschrieben. Eine solche Gasdiffusionselektrode kann ein Trägermaterial aus planarem gewebtem Kohlenstoffasergewebe, beispielsweise 116 g/m² bei einer Dicke von 0,36 mm, aufweisen. Die fertige katalysierte Elektrode hat dann eine etwas größere Dicke im Bereich von 0,4 bis 0,5 mm entsprechend der Katalysatorbeladung. Der Ausschluß vqn flüssigem Wasser von den gasseitigen Poren wird mittels einer hydrophoben Fluorkohlenstoff/Kohlenstoffschicht erreicht. Der Katalysator wird nur auf einer Seite aufgebracht, beispielsweise auf Basis von Platin. Derartige Gasdiffusionselektroden sind handelsüblich erhältlich. Die poröse Anode ist analog wie bei der Zelle gemäß Fig. 10 aufgebaut. Auch ein Aufbau der elektrochemischen Zelle, wie in dem Journal of Applied Electrochemistry 24, 1994, Seite 489-4 94 beschrieben kann für die Erfindung eingesetzt werden. Wesentlich ist im Vergleich zu der Zelle gemäß Fig. 10, daß mit dem Einsatz einer Gasdiffusionselektrode als poröse Kathode K zusätzlich ein Luftzuführungskanal 23 zur Kathode bzw. dem Kathodenraum 14 vorgesehen wird, so daß die Kathode mit Luft beströmt wird und auf der der Zufuhrseite der Luft gegenüberliegenden Seite die Luft sowie der elektrochemisch zu Wasser reduzierte Luft-Sauerstoff über die Abfuhrleitung 22 wieder herausgeführt werden. Durch die ständige Beblasung mit Luft über die Zufuhrleitung 23 werden die Kathode und der Kathodenstromkollektor Kl gleichzeitig gekühlt. Auf der

Anodenseite A hingegen wird das Reinstwasser H₂O über die Zufuhrleitung 2 0 zugeführt und das entstandene Ozon-Sauerstoff gemisch 03, 02 zusammen mit dem Reinstwasser H₂O auf der gegenüberliegenden Seite über die Abflußleitung 21 wieder aus dem Anodenraum 13 herausgeführt. Wenn eine nicht mit ß-Bleidioxid beschichtete Anode eingesetzt ist, wird mit dieser Zelle nur Sauerstoff erzeugt, jedoch kein Ozon.

In der Fig. 1 ist eine elektrochemische Zelle 1 gemäß dem in Fig. 10 erläuterten Aufbau für die Ozon-Sauerstoff gemischerzeugung vorgesehen. Für die Versorgung der Zelle 1 mit Reinstwasser ist ein Puffergefäß 3 vorgesehen, von dem die Zufuhrleitung 20 für das Reinstwasser zum Anodenraum der Zelle 1 abgeht. Die Abflußleitung 21 aus dem Anodenraum der Zelle für das Reinstwasser einschließlich Ozon-Sauerstoffgemisch wird in das Puffergefäß 3 zurückgeführt. Auf diese Weise ist ein Kreislauf für das Reinstwasser zur Versorgung der Zelle gebildet und sichergestellt, daß die Zelle stets mit ausreichender Menge Reinstwasser versorgt wird. Das Puffergefäß 3 ist mit Reinstwasser bis zu dem Füllungsgrad, Wasserspiegel 35, gefüllt. Diese Füllmenge ist so bemessen, daß die stets notwendige gleichmäßige Versorgung der Zelle 1 in stöchiometrischer Menge des Reinstwassers über die Zufuhrleitung 20 gewährleistet ist. Die Befüllung des Puffergefäßes 3 erfolgt über die Wasserleitung 31, die mit einem Absperrventil 3 3 ausgestattet ist. Die Wasserleitung 31 wiederum kann von einer Verbraucherleitung 4 für Reinstwasser abgezweigt sein. Aus dem Puffergefäß 3 wird einem Verbraucher über die Speiseleitung 32 ein Reinstwasser-Sauerstoff-0 Ozongemisch zugeführt, beispielsweise der Verbraucherleitung für die Ozonbehandlung. In der Speiseleitung ist des weiteren ein Rückschlagventil 3 6 angeordnet. Der an der Kathode K der Zelle 1 entstehende Wasserstoff sowie das permeierende Wasser werden über die Abfuhrleitung 22 aus der Zelle 1 abgeleitet.

In der Fig. 4 ist eine Versorgung einer elektrochemischen Zelle zur Ozonerzeugung mit einem Puffergefäß 3 dargestellt, die sich lediglich durch den Einsatz einer gemäß Fig. 11

ausgebildeten elektrochemischen Zelle 1 unterscheidet. Hierbei weist die elektrochemische Zelle 1 eine Gasdiffusionselektrode als poröse Kathode K auf, die über die Luftleitung 23 mit Luft beströmt wird und wobei auf der Kathodenseite über die Abfuhrleitung 22 Luft und über den Stromfluß durch die Membran F transportiertes Wasser wieder abgeführt wird. Gemäß Fig. 1 und 4 ist mittels des Puffergefäßes 3 die gleichmäßige ständige Versorgung der Zelle 1 mit Reinstwasser gewährleistet, wobei durch den ständigen Abfluß von Reinstwasser über die Speiseleitung 32 ein stets erneuter Zufluß von Reinstwasser über die Wasserleitung 33 in das Puffergefäß 3 gegeben ist, so daß eine Akkumulation von Ionen im Puffergefäß vermieden wird. Gemäß diesem Vorschlag der Erfindung wird sowohl eine ständige gleichmäßige Versorgung der elektrochemischen Zelle 1 mit Reinstwasser gewährleistet und zugleich eine Vergiftung dieses Reinstwassers im Kreislauf vermieden.

Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag gemäß Fig. 2 bzw. 5 für eine Versorgung mit Reinstwasser einer elektrochemischen Zelle 1 wird zusätzlich zu dem in Fig. 1 bzw. 4 dargestellten Kreislauf in der Zufuhrleitung 20 des Reinstwassers aus dem Puffergefäß 3 in die Zelle 1 ein Bypass 6 vorgesehen, in dem eine Filtervorrichtung 5 angeordnet ist. Die Filtervorrichtung besteht aus einem einen Katalysator enthaltenden Festbett 50 zum Abbau von in dem Reinstwasser gelöstem Ozon und einem nachfolgenden Ionenaustauschermischbett 51 zur Entfernung ionogener Stoffe aus dem Reinstwasser.

Des weiteren ist beispielhaft bei der Anlage nach Fig. 2 vorgesehen, daß die Speiseleitung 32 oberhalb des Wasserspiegels 35 des Wasserreservoirs aus dem Puffergefäß 3 abgeht, so daß möglichst nur gasförmiges Ozon-Sauerstoffgemisch abgeführt und einem Verbraucher zugeführt wird. Zusätzlich ist hierbei in der Speiseleitung 32 beispielhaft ein Filter 7 vorgesehen, um möglichst nur gasförmiges Ozon und Sauerstoff zu erhalten. Bei der Anlage nach Fig. 2 ist als elektrochemische Zelle 1 eine solche gemäß

Fig. 10 in Aufbau und Wirkungsweise eingesetzt, ebenso wie in Fig. 1. Auch die dargestellte Reinstwasserversorgung einer elektrochemischen Zelle 1 zur Ozonversorgung gemäß Fig. 2 kann für eine elektrochemische Zelle gemäß Fig. 10 mit einer Gasdiffusionselektrode als poröser Kathode benutzt werden, wie die beispielhafte Darstellung nach Fig. 5 zeigt. Der Kreislauf des Reinstwassers über das Puffergefäß 3 zur Zelle 1 und zurück zum Puffergefäß mit Zufuhr der Wasserleitung und Ableitung des hergestellten Ozon-Sauerstoffgemisches über die Speiseleitung verläuft analog wie bei Fig. 2 erläutert.

In der Fig. 3 ist eine weitere Variante der Versorgung der elektrochemischen Zelle zur Ozonerzeugung mit Reinstwasser dargestellt, wobei ein Puffergefäß 3 vorgesehen ist, von dem die Anode über die Zufuhrleitung 2 0 gespeist wird und das erzeugte Ozon-Sauerstoffgemisch mit Reinstwasser über die Abfuhrleitung 21 aus dem Anodenraum der Zelle 1 wieder in das Puffergefäß 3 zurückgeführt wird. Die Zufuhr von Reinstwasser in das Puffergefäß 3 erfolgt über die Wasserleitung 31, die zusätzlich mit einem Regelventil 34 versehen ist. Das Ozon-Sauerstoffgemisch wird mit einer Speiseleitung 32 aus dem Puffergefäß 3 abgeführt, die oberhalb des Wasserspiegels 35 abgeht. Mit Hilfe des Regelventils 34 ist es möglich, den Wasserspiegel 3 5 des Reinstwassers in dem Puffergefäß 3 konstant auf gleicher Höhe zu halten, so daß stets so viel Reinstwasser über die Wasserleitung 31 in das Puffergefäß 3 nachgefüllt wird, wie verlorengeht. Gleichzeitig wird damit auch sichergestellt, daß die Zelle stets mit ausreichender stöchiometrischer Menge von Reinstwasser versorgt wird. Es ist aber auch möglich, stets etwas mehr Wasser als benötigt wird über das Regelventil 34 in das Puffergefäß 3 über die Wasserleitung 31 einzuführen, wenn wie vorgeschlagen dafür Sorge getragen wird, daß die überfällige Menge wieder abgeführt wird. Hierzu ist vorgesehen, an der Zufuhrleitung von dem Puffergefäß 3 zu dem Anodenraum der Zelle 1 eine Abzweigleitung 27 anzuordnen, die mit einem Absperrventil versehen ist. So ist es möglich, zuviel über die Leitung 31 in das Puffergefäß zugeführtes Wasser an der Abzweigleitung 27

wieder abzuleiten, so daß eine ständige Erneuerung des Reinstwassers im Kreislauf der Versorgung der Zelle 1 erfolgt und sich keine Ionen in dem Puffergefäß 3 ansammeln können. Eine Anlage gemäß Fig. 3 kann mit einer elektrochemischen Zelle im Aufbau gemäß Fig. 10 und auch mit einer elektrochemischen Zelle im Aufbau gemäß Fig. 11, siehe analoge Anlage Fig. 6, ausgerüstet werden.

In der Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer Anlage zur Erzeugung eines Ozon-Sauerstoffgemisches auf der Basis von zwei in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen 1, la dargestellt, wobei die erste Zelle 1 ein Ozon-Sauerstoffgemisch erzeugt - Ozon-Generator - und die zweite Zelle la nur Sauerstoff erzeugt.
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Die beiden elektrochemischen Zellen 1, la können im wesentlichen den gleichen Aufbau mit Anode, Feststoffelektrolystmembran und Kathode, beispielsweise einer Luftkathode oder Gasdiffusionselektrode, wie vorangehend beschrieben, aufweisen, wobei sie sich dann nur noch durch die aktive Katalysatorbeschichtung der Elektroden unterscheiden. Bei der Ozon erzeugenden Zelle 1 ist als Katalysatorbeschichtung zusätzlich zu einer Platin und Platinmetallbeschichtung eine ß-Bleidioxidbeschichtung auf der 5 Anode vorgesehen.

Die Reinstwasserversorgung der beiden Zellen 1, la erfolgt über das Puffergefäß 3, aus dem die Zufuhrleitung 20 mit einem Zweig in den Anodenraum der ersten Zelle 1 zur Erzeugung des Ozon-Sauerstoffgemisches führt und der Abzweig 20a in den Anodenraum der Sauerstoff erzeugenden elektrochemischen Zelle la führt. Das in der Zelle 1 erzeugte Ozon-Sauerstoffgemisch wird dann über die Abflußleitung 21 zusammen mit Reinstwasser wieder in das Puffergefäß 3 zurückgeführt, ebenso der erzeugte 5 Sauerstoff in der Zelle la zusammen mit dem Reinstwasser über die Abflußleitung 21a zurück in das Puffergefäß 3. Durch Variation der in der Zelle 1 produzierten Gasmengen, nämlich Sauerstoff, kann die Konzentration des Ozon-

Sauerstoffgemisches, das in der ersten Zelle produziert wird, durch Zusammenführen in dem Puffergefäß variiert werden, so daß über die Speiseleitung 3 2 ein in seiner Zusammensetzung variables bzw. einstellbares Ozon-Sauerstoffgemisch dem Verbraucher zugeführt werden kann.

In der Fig. 9 ist das Fließschema für einen Reinstwasserversorgungskreis einer elektrochemischen Zelle zur Erzeugung eines Ozon-Sauerstoffgemisches, das zusätzlich ein Recycling für das in den Kathodenraum permeierende Wasser und dessen Rückführung in den Reinstwasserkreislauf umfaßt.

Es wird von einer elektrochemischen Zelle 1 mit einer Gasdiffusionselektrode als poröser Kathode, siehe beispielsweise den Reinstwasserkreislauf gemäß Fig. 5, ausgegangen. Das Puffergefäß 3 für das Reinstwasser wird, ausgehend von Wasser aus dem Trinkwassernetz, versorgt. Das Trinkwasser aus dem Trinkwassernetz wird über die Leitung 31b mit Rückschlagventil 33a einem Aufbereitungsbehälter 3 7 zugeführt. Aus diesem Aufbereitungsbehälter 37 wird das Wasser über eine Leitung 31a mit Pumpe 3 8 einem Ionenaustauscher 5a zugeführt, aus dem es als Reinstwasser über die Leitung 31 mit einem magnetischen Rückschlagventil 3 3 dem Puffergefäß 3 zugeführt wird. Das Magnetventil 33 und die Pumpe 3 8 werden mittels einer LC-Steuerung betätigt. Die Pumpe 38 kann auch zwischen Ionenaustauscher 5a und Puffergefäß 3 in der Leitung 31 angeordnet sein. Für den Fall, daß die Gasphase des Ozon-Sauerstoff gemisches, die aus dem Puffergefäß 3 über die Leitung 32 abgeführt wird, nicht als Gasphase abgetrennt wird, ist es auch möglich, das Magnetventil 33 entfallen zu lassen.

Aus dem Puffergefäß 3 wird über die Leitung 20 das Reinstwasser dann der elektrochemischen Zelle 1, wie vorangehend beschrieben, in den Anodenraum A zugeführt. Reinstwasser, Ozon und Sauerstoff werden dann aus dem Anodenraum über die Leitung 21 wieder dem Puffergefäß 3 zugeführt. Bei einer Gasdiffusionselektrode als Kathode K wird der Kathodenraum über die Leitung 23 mit Luft beströmt, wobei

in dieser Luftleitung ein Gebläse 24 angeordnet ist. Auf der gegenüberliegenden Seite wird die Luft über die Leitung 22 aus dem Kathodenraum abgeführt. Das aus dem Anodenraum in den Kathodenraum permeierende Wasser wird aus dem Kathodenraum über die Leitung 25 abgeführt und dem Aufbereitungsbehälter 3 zugeführt. Hier wird das rückgeführte Wasser zusammen mit dem Frischwasser aus dem Trinkwassernetz der Wiederaufbereitung und dem Ionenaustauscher 5a zugeführt und dann in den Kreislauf über das Puffergefäß 3 zurückgeführt.

In der Fig. 12a ist in Draufsicht, in der Fig. 12b in schematisierter Seitenansicht A nach Fig. 12a und in der Fig. 12c in schematisierter Seitenansicht B nach Fig. 12a der prinzipielle Aufbau eines kompakten Gerätes zur Erzeugung eines Ozon-Sauerstoffgemisches bzw. von Sauerstoff gemäß den in den vorangegangenen Fig. 1 bis 9 erläuterten Verfahrenskreisläufen dargestellt. Wesentlich ist, daß die Kühlung sowohl der Zelle 1 als auch der Stromversorgung der Zelle zumindest bezüglich der Leistungselektronik und des Puffergefäßes mittels eines einzigen Kühlkörpers 8, der zugleich als Tragkörper mit Tragplatte 81 sowie Kühlrippen ausgebildet ist, erfolgt. Der Kühlkörper 8 weist an der Unterseite der Tragplatte 81 angeformte Kühlrippen 80 auf und kann zusätzlich mittels eines nicht dargestellten Gebläses beblasen werden. Die Tragplatte 81 erstreckt sich in der Anordnung des Gerätes vertikal, die Rippen verlaufen ebenfalls parallel zueinander in der Vertikalen. Auf der Tragplatte 81 des Kühlkörpers 8 ist die elektrochemische Zelle 1 unten und darüber das Puffergefäß 3 für die Reinstwasserversorgung und 0 an einem geeigneten Platz die Stromversorgung mit Leistungselektronik 91 und gegebenenfalls Trafo 90 montiert. Die Leitungen für die Reinstwasserversorgung des Puffergefäßes 3, nämlich die Wasserleitung 31, die Zufuhrleitung 20 vom Puffergefäß zu der Zelle 1 und die Abflußleitung 21 aus der Zelle 1 in das Puffergefäß 3 sowie die Speiseleitung 32 aus dem Puffergefäß 3 für einen Verbraucher für das Ozon-Sauerstoff gemisch sind schematisch in der Draufsicht in Fig. 12a dargestellt. Des weiteren ist die Zelle 1 mindestens mit

einer Abfuhrleitung 22 für Wasserstoff und Wasser bzw. Luft und Wasser sowie im Falle einer Gasdiffusionselektrode als Kathode noch mit einer zusätzlichen Luftzuführleitung 23 und gegebenenfalls einer Luftabfuhrleitung 25 ausgerüstet. Die Zelle 1 sowie das Puffergefäß 3 können oberseitig mit Kühlblechen 101, 102 abgedeckt sein, siehe Fig. 12b. Der in den Fig. 12a,b,c dargestellte Aufbau eines Gerätes zur Ozon-Sauerstofferzeugung ist nur ein Beispiel von möglichen Anordnungen von Zelle, Puffergefäß und Stromversorgung auf dem Kühlkörper. Wesentlich ist die Ausbildung eines Kühlkörpers sowohl als Tragkörper für mindestens die elektrochemische Zelle 1, ein Puffergefäß 3 für Reinstwasser und die Leistungselektronik für die Zelle 1. Der für die Stromversorgung benötigte Trafo 90 kann ebenfalls auf der Tragplatte 81 des Kühlkörpers 8 befestigt werden. Er kann auch getrennt hiervon aufgestellt werden. Der Kühlkörper 8 kann in wirtschaftlicher Weise beispielsweise als Strangpreßprofil aus Metall hergestellt werden und dient der Abfuhr der von der Zelle 1 und der Leistungselektronik 91 erzeugten Wärme. Bei hohen abzuführenden Wärmemengen kann auch zusätzlich ein Gebläse vorgesehen sein, um die Luftströmung zwischen den Kühlrippen 8 0 des Kühlkörpers entsprechend zu erhöhen.

Die Erfindung ermöglicht die Schaffung eines kompakten Gerätes für die Ozon-Sauerstofferzeugung mit einem wirksamen einfachen Kühlsystem und Kühlkörper und einer sicheren Versorgung mit Reinstwasser in einer relativ geringen Menge unter Einsatz eines Puffergefäßes, wobei eine Vergiftung des Reinstwassers mit einfachen Mittel vermeidbar ist. 30

In der Fig. 13a ist die Frontansicht eines kompakten Gerätes zur Erzeugung eines Ozon-Sauerstoffgemisches mit einem Kühlkörper 8, der zugleich der Tragkörper ist, einer elektrochemischen Zelle 1, Leistungselektronik 91 und Puffergefäß 3 in einer weiteren Variante dargestellt. Die Fig. 13b stellt den Längsschnitt EE durch Fig. 13a dar, Fig. 13c die Ansicht der Elektrolysezelle in Schnittrichtung CC nach Fig. 13a und die Fig. 13d die Ansicht D gemäß Fig. 13b auf die

Elektrolysezelle von der Kathodenseite her. Auch bei dem Gerät gemäß Fig. 13a-d ist ein Kühlkörper 8, der zugleich Tragkörper ist, vorgesehen, der eine Tragplatte 81 mit angeformten Längsrippen 80 aufweist, wobei die Standposition des Kühlkörpers dergestalt ist, daß die Tragplatte 81 wie in der Fig. 13b vertikal verläuft. An der Tragplatte auf der den Kühlrippen 80 gegenüberliegenden Seite ist im unteren Bereich die elektrochemische Zelle 1 und im oberen Bereich das Puffergerät 3 angeordnet. Der Kühlkörper 8 ist aus einem gut wärmeleitenden Metall gefertigt, beispielsweise als Stranggußprofil. Zusätzlich zur Wärmeabfuhr kann noch ein Gebläse vorgesehen sein, das jedoch hier nicht dargestellt ist.

Die Elektrolysezelle, die einen beispielsweise gemäß Fig. 10 oder 11 erläuterten prinzipiellen Aufbau aufweisen kann, ist ebenfalls mit Kühlkörpern für eine gute Wärmeableitung durch Luftströmung ausgebildet. Wie auch aus der Ansicht gemäß Fig. 13c ersichtlich, weist der Anodenkörper AK auf seiner Außenseite ebenfalls einen mit Kühlrippen ausgestalteten Anodenkühlkörper AKK auf. Auch auf der Kathodenseite ist ein Kathodenkühlkörper KKK mit Rippen vorgesehen. Wie aus dem Schnitt nach Fig. 13b ersichtlich, ist die Elektrolysezelle mit Anodenkörper und Kathodenkörper in die Tragplatte 81 des Kühlkörpers 8 eingesetzt, so daß die im Bereich der elektrochemischen Zelle erzeugte Wärme unmittelbar auch auf den Kühlkörper 8 abgeleitet werden kann. Der Anschluß der Rückleitung 21 für Reinstwasser einschließlich Sauerstoff und Ozon von der Zelle 1 zu dem Puffergefäß 3 ist ebenfalls dargestellt. Auf der Kathodenseite der Zelle 1 ist, wie aus Fig. 13d ersichtlich, im Bereich des Kathodenkühlkörpers KKK der Kühlkörper 8 von Rippen 80 ausgenommen.

Auch das Puffergefäß 3 ist auf seiner der Tragplatte 81 des Kühlkörpers 8 abgewandten Seite mit einem zusätzlichen mit Rippen versehenen Kühlkörper 300 abgedeckt. Auf diese Weise ist ebenfalls eine Temperierung des in dem Puffergefäß 3 enthaltenen Reinstwassers möglich. In den Kühlkörper 300 des

Puffergefäßes ist der Ausgang für die Leitung 32 für das Ozon-Sauerstoff gemisch in Richtung Verbraucher vorgesehen. Des weiteren ist in dem Kühlkörper 3 00 des Puffergefäßes 3 eine Ausnehmung für das Steuergerät 39 für das Ventil 33, wie bei Fig. 9 erläutert, vorgesehen.

Zwischen Puffergefäß 3 und Zelle 1 ist an der Tragplatte 81 die Leistungselektronik 91 untergebracht. Auch diese ist auf der den Rippen 80 des Kühlkörpers 8 abgewandten Seite angeordnet, dergestalt, daß ein guter wärmeleitender Kontakt zwischen Leistungselektronik 91 und Kühlkörper 8 hergestellt ist, um die Verlustwärme der Leistungselektronik abzuführen.

Weitere Anschlußmöglichkeiten für die Leitungen sind ebenfalls bei dem Gerät gemäß Fig. 13a-d vorgesehen, jedoch hier nicht näher dargestellt.

Das Steuergerät 3 9 für das Magnetventil 33 umfaßt auch eine Niveau-Steuerung für das Puffergefäß.

Des weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung der elektrochemischen Zelle 1 und des Puffergefäßes 3 auf dem Kühlkörper 8 die Verdampfungsenthalpie auch zur Kühlung zu nutzen. Eine kompakte Bauweise der gesamten Anlage ist 5 möglich. Darüber hinaus kann der Kathodenkühlkörper in den Kühlkörper integriert werden.

Während bei bekannten Anlagen die Kühlung abhängig vom Durchfluß und Betrieb der elektrochemischen Zelle war und höchstens eine zusätzliche Luftkühlung mittels Gebläse ermöglicht wurde, wird erfindungsgemäß eine Basiskühlung durch den Kühlkörper vorgesehen und nur bei hohen Leistungen ist eine zusätzliche Luftkühlung mittels eines Gebläses erforderlich.

Insbesondere ermöglicht die Erfindung bei Einsatz von Gasdiffusionselektroden für die Kathode, die an der Kathode freigesetzte Verdampfungsenthalpie zur Kühlung der

Leistungselektronik zu nutzen. Auch das Puffergefäß kann auf diese Weise auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden, da die Verdampfungsenthalpie an der Kathodenseite über die Wärmeleitung durch den Kühlkörper genutzt werden kann. 5

In der Fig. 8 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Puffergefäß 3 analog zu Fig. 1 dargestellt, wobei eine nur Sauerstoff erzeugende elektrochemische Zelle la eingesetzt ist und kein Ozon erzeugt wird. Die mit dem Reinstwasserkreislauf durch das Puffergefäß 3 erzielten Vorteile gelten genauso wie beim Einsatz einer Zelle zur Erzeugung eines Ozon-Sauerstoff gemisches .

Claims

G 96 134i Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Sauerstoff bzw. von Ozon-Sauerstoffgemisch aus Reinstwasser mittels einer elektrochemischen Zelle mit in einem Gehäuse angeordneten Aktivteil, umfassend eine Anode, eine Kathode und eine die Anode von der Kathode trennende Feststoffelektrolyt-Membran, sowie eine Zuführleitung für das Reinstwasser und eine Abflußleitung für das Reinstwasser und den erzeugten Sauerstoff bzw. das Ozon-Sauerstoffgemisch und eine Abfuhrleitung für Medien aus dem Kathodenraum und mit einer Stromversorgungseinrichtung umfassend einen Trafo und eine Leistungselektronik, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlkörper (8) umfassend eine Tragplatte (81) und an der Tragplatte (81) auf einer Seite angeformte Kühlrippen

(80) vorgesehen ist, und an der den Kühlrippen (80) abgewandten Seite der Tragplatte (81) zumindest die elektrochemische Zelle (1) und die Leistungselektronik (91) angebracht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Puffergefäß für das Reinstwasser vorgesehen und auf der Tragplattte (81) angebracht ist.

0

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (1) im unteren Bereich der Tragplatte (81) und das Puffergefäß (3) oberhalb der Zelle (1) auf der Tragplatte angebracht ist.

5

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Reinstwasser über eine Wasserleitung in das Puffergefäß (3) einspeisbar ist und das Reinstwasser aus dem Puffergefäß in den die Anode

einseitig begrenzenden Anodenraum (13) der elektrochemischen Zelle (la, 1) über die Zufuhrleitung

(20) einspeisbar ist und die Abflußleitung (21) aus dem Anodenraum (13), enthaltend Sauerstoff bzw. Ozon und Sauerstoff sowie Reinstwasser, in das Puffergefäß (3) geführt ist und von dem Puffergefäß (3) eine Speiseleitung

(32) für den Sauerstoff bzw. Ozon-Sauerstoffgemisch gegebenenfalls mit Zusatz von Reinstwasser zu einem Verbraucher abgeht.
10

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenraum (13) der elektrochemischen Zelle (1, la) über die Zufuhrleitung (20) und die Abflußleitung (21) mit dem Puffergefäß (3) verbunden ist und ein Kreislauf für das Reinstwasser gebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,

dadurch gekennzeichnet, daß in der Wasserleitung (31) , die , das Reinstwasser in das Puffergefäß (3) einspeist, ein Absperrventil (33) eingebaut ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (20) zwischen Puffergefäß (3) und Anodenraum (13) der elektrochemischen Zelle (1,1a) einen Bypass (6) aufweist, in dem sich eine Filtervorrichtung (5) befindet, die die Akkumulation von Spurenstoffen (Ionen) im Wasser verhindert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Filtervorrichtung aus einer Patrone mit einem einen Katalysator (50) enthaltenden Festbett zum Abbau von in dem Wasser gelösten Ozon und einem nachfolgenden Ionenaustauscher-Mischbett (51) zur Entfernung ionogener Stoffe besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des über den Bypass (6) geführten Reinstwassers entsprechend der Dimension der Zufuhrleitung (20) und dem erfaßbaren Druckabfall über die Filtervorrichtung (5) einstellbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß in der Wasserleitung (31) , die das Reinstwasser in das Puffergefäß (3) einspeist, ein Regelventil (34) eingebaut ist, um einen vorgegebenen Füllgrad (35) des Puffergefäßes einzuhalten oder eine geringfügig größere Wassermenge als dem erforderlichen Füllgrad entspricht zuzuführen und eine mit einem Absperrventil (26) ausgestattete Abzweigleitung (27) von der Zufuhrleitung (20) für das Reinstwasser in den Anodenraum vorgesehen ist, über die überschüssiges Reinstwasser aus dem Puffergefäß (3) abführbar ist, so daß sich im Puffergefäß keine Ionen akkumulieren können.

H₁. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der aus dem Puffergefäß (3) herausgeführten Speiseleitung (32) ein Rückschlagventil (3 6) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der aus dem Puffergefäß herausgeführten Speiseleitung (32) ein Filter (7) eingebaut ist, der nur Dämpfe und Gase durchläßt, um ein gasförmiges von Wasser befreites Ozon-Sauerstoffgemisch 0 für die Weiterleitung an den Verbraucher zu erhalten.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (36) in der Speiseleitung (32) in Flußrichtung dem Filter (7) nachgeordneter Position vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11,

dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung (32) aus dem Puffergefäß (3) an einer Stelle herausgeführt ist, die unterhalb des Wasserspiegels (35) des gefüllten Puffergefäßes (3) liegt.
5

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung (32) aus dem Puffergefäß (3) an einer Stelle herausgeführt ist, die oberhalb des Wasserspiegels (35) des befüllten Puffergefäßes (3) liegt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15,

dadurch gekennzeichnet, daß als elektrochemische Zelle (1) zur Erzeugung eines Ozon-Sauerstoffgemisches eine Zelle mit einem Aktivteil (12), umfassend eine perfluorierte Ionenaustauscher-Membran (F) als Feststoffelektrolyt, eine poröse Anode (A) mit Rutheniumdioxid, Platin, Platinmetallen, Platinoxide oder Iridiumdioxid als Anodenmaterial mit einer Katalysatorbeschichtung aus ; beispielsweise ß-Bleidioxid und eine poröse Kathode (K) aus Graphit mit einem Platin oder Platinmetalle enthaltenden Katalysator, oder aus gesinterter Bronze oder aus gesintertem Kupfer vorgesehen ist, wobei an der Kathode als Nebenprodukt entstehender Wasserstoff über die Abfuhrleitung (22) aus dem Kathodenraum (14) zusammen mit permeierendem Wasser ableitbar ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15,

dadurch gekennzeichnet, daß als elektrochemische Zelle (1) zur Erzeugung eines Ozon-Sauerstoffgemisches eine Zelle mit einem Aktivteil (12), umfassend eine perfluorierte Ionenaustauscher-Membran (F) als Feststoffelektrolyt, eine poröse Anode (A) mit Rutheniumdioxid, Platin, Platinmetalle, Platinoxide oder Iridiumdioxid als Anodenmaterial mit einer Katalysatorbeschichtung aus beispielsweise ß-Bleidioxid und eine als Gasdiffusionselektrode ausgebildete poröse Kathode (K) vorgesehen ist, wobei ein LuftZuführungskanal (23) in den

• ·

Kathodenraum (14) der elektrochemischen Zelle (1) vorgesehen ist, um die Kathode mit Luft zu beströmen, wodurch an der Kathode elektrochemisch Luft-Sauerstoff mit dem entstandenen Wasserstoff zu Wasser reduziert und das Wasser und die restliche Luftmenge aus dem Kathodenraum (14) über die Abfuhrleitung (22) ableitbar ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrochemische Zelle eine Zelle (la) zur Erzeugung von Sauerstoff mit einem Aktivteil (12), umfassend eine perfluorierte Ionenaustauscher-Membran (F) als Feststoffelektrolyt, eine poröse Anode (A) enthaltend Platin oder Platinmetalle als Anodenmaterial und eine poröse Kathode (K) aus Graphit mit einem Platin oder Platinmetalle enthaltenden Katalysator, oder aus gesinterter Bronze oder aus gesintertem Kupfer vorgesehen ist und an der Kathode als Nebenprodukt entstehender Wasserstoff über die Abfuhrleitung (22) aus dem Kathodenraum (14) zusammen mit permeierendem Wasser , ableitbar ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrochemische Zelle eine Zelle (la) mit einem Aktivteil (12), umfassend eine perfluorierte Ionenaustauscher-Membran (F) als Feststoffelektrolyt, eine poröse Anode (A), enthaltend Platin oder Platinmetalle als Anodenmaterial, und eine als Gasdiffusionselektrode ausgebildete poröse Kathode (K) vorgesehen ist, wobei ein Luftzuführungskanal (23) in den Kathodenraum (14) der elektrochemischen Zelle (1) vorgesehen ist, um die Kathode mit Luft zu beströmen, wodurch an der Kathode elektrochemisch Luft-Sauerstoff mit dem entstandenen Wasserstoff zu Wasser reduziert und das Wasser und die restliche Luftmenge aus dem Kathodenraum

(14) über die Abfuhrleitung (22) ableitbar ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste aus Reinstwasser Sauerstoff erzeugende elektrochemische Zelle (la) vorgesehen ist und mit einer Ozon-Sauerstoffgemisch erzeugenden zweiten elektrochemischen Zelle (1) in Reihe geschaltet ist, und ein Puffergefäß (3) vorgesehen ist, dergestalt, daß beide elektrochemischen Zellen mit Reinstwasser aus dem Puffergefäß (3) gespeist werden und sowohl der erzeugte Sauerstoff als auch das erzeugte Ozon-Sauerstoffgemisch aus den beiden Zellen in das Puffergefäß zusammen mit dem Reinstwasser geführt werden, wobei das Reinstwasser im Kreislauf geführt ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ozon-Konzentration in dem aus dem Puffergefäß (3) über die Speiseleitung (32) abgeführten in der Ozon-Sauerstoffgemisch erzeugenden Zelle (1) erzeugten Ozon-Sauerstoffgemisches mittels der in der Sauerstoff erzeugenden elektrochemischen Zelle (la) 0 , erzeugbaren Sauerstoffmenge veränderbar, d.h. einstellbar ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Tragplatte (81) des 5 Kühlkörpers (8) im unteren Bereich bei vertikaler Anordnung der Tragplatte horizontal von der Tragplatte (81) vorstehend die elektrochemische Zelle (1) oberhalb der Zelle (1) das Puffergefäß (3) und zwischen Zelle (1) und Puffergefäß (3) die Leistungselektronik (91) und gegebenenfalls der Trafo (90) angeordnet ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21,

dadurch, gekennzeichnet, daß auf der Zelle (1) und/oder dem Puffergefäß (3) Kühlbleche (101, 102) angeordnet sind. 35

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22,

dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (1) mit einem Kathodenkühlkörper (KKK) ausgerüstet ist, der in den Kühlkörper (8) integriert ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Puffergefäß (3) auf seiner der Tragplatte (81) abgewandten Seite mit einem Kühlrippen aufweisenden Kühlkörper (300) verbunden ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Puffergefäß (3) mit einer Niveau-Steuerung für die Höhe des Wasserspiegels ausgerüstet ist, umfassend ein Magnetventil (3) und eine Pumpe (3 8) in der Zufuhrleitung (31) für das Reinstwasser sowie ein LC-Steuergerät.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß bei mit Luft auf der Kathodenseite durchströmten Zellen (1) zwei &igr; Abfuhrleitungen (22, 25) für Medien aus dem Kathodenraum vorgesehen sind, wobei eine Abfuhrleitung (2) für die Luft und die zweite Abfuhrleitung (25) für das permeierende Wasser vorgesehen ist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß eine Recyclinganlage (37, 5a) für Trinkwasser und/oder permeierendes Wasser aus der Kathode zu Reinstwasser für den Reinstwasserkreislauf der Zelle vorgesehen ist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (8) als Strangpreßpohl aus Metall hergestellt ist.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufbereitungsbehälter (37) vorgesehen ist, der sowohl von einer Trinkwasserabteilung (31b) als auch von dem aus der Zelle aus dem Kahtodenraum

abgeführten permeierenden Wasser speisbar ist, und das Wasser aus dem Aufbereitungsbehälter (37) einer Ionenaustauschanlage (5a) zuführbar ist, und von hier als gereinigtes Reinstwasser dem Puffergefäß (3) zuführbar ist.