EP4573233A2 - Elektrolysevorrichtung mit naturumlauf - Google Patents

Elektrolysevorrichtung mit naturumlauf

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EP4573233A2
EP4573233A2 EP23768116.8A EP23768116A EP4573233A2 EP 4573233 A2 EP4573233 A2 EP 4573233A2 EP 23768116 A EP23768116 A EP 23768116A EP 4573233 A2 EP4573233 A2 EP 4573233A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cell
cathodic
membrane
electrolysis device
alkaline solution
Prior art date
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Pending
Application number
EP23768116.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bianca GRABNER
Marie-Gabrielle MACHERHAMMER
Matthias RANZ
Michael Richter
Alexander TRATTNER
Bernd CERMENEK
Philipp Schneider
Dietmar Neubacher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
H2i GreenHydrogen GmbH
Original Assignee
H2i GreenHydrogen GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by H2i GreenHydrogen GmbH filed Critical H2i GreenHydrogen GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the object of the present invention was to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a device and a method by means of which particularly advantageous effects with regard to the operational safety and effectiveness of the device can be achieved. This task is solved by a device and a method according to the claims.
  • the membrane or the membrane-electrode unit is not seen as an active means of generating flow.
  • the input of electrical energy to the electrodes and the outgassing or production of products of the electrochemical reaction and the flow induced by the products in the half cells are also not seen as active means of generating flow.
  • the process of electrolysis results in mass transport through the membrane at the membrane-electrode unit due to diffusion processes, which mass transport occurs as a passive effect of the electrochemical reaction or the concentration difference between the anodic half-cell and the cathodic half-cell of the respective solutions or liquids or .Electrolytes in the half cells and the resulting osmotic pressure.
  • Normal operation means an operating state in which a product such as molecular hydrogen is continuously produced by means of an electrochemical reaction. Operating states such as maintenance, flushing and the like are therefore not to be understood as normal operation.
  • the electrolysis device can comprise a cathode inlet and a cathode outlet, wherein the cathode inlet and the cathode outlet can be fluidically coupled to the cathodic half cell.
  • the cathode inlet and the cathode outlet can also be fluidically coupled.
  • the transport of the OH ions can be ensured from the cathodic half cell to the anodic half cell using H2O carrier molecules.
  • H2O carrier molecules Through osmosis or the attempt to equalize the concentration of the system, since the initial filling quantity of electrolytes in the cathodic half-cell is not changed by active agents in normal operation, ultrapure water or water molecules are transported from the anodic half-cell to the cathodic half-cell through the membrane in normal operation . Ultrapure water or water molecules can therefore be provided as a starting material for the production of molecular hydrogen in the cathodic half-cell exclusively via diffusion processes through the membrane. Subsequently, during normal operation of the electrolysis device, the ultrapure water required for the production of hydrogen is supplied exclusively to the anodic half cell.
  • the initial filling quantity of alkaline solution can be accommodated in the cathodic half-cell and in a fluid channel and/or fluid tank fluidically coupled to the cathodic half-cell, whereby a receiving volume is defined, with the alkaline solution in the receiving volume being im Normal operation of the electrolysis device no forced circulation, no forced circulation and / or no forced movement, except for the movement that occurs itself due to the electrochemical reaction.
  • the supply of educts for the electrochemical reaction in the cathodic half cell can be provided exclusively by diffusion processes of the educts through the membrane-electrode unit.
  • the structural design of the electrolysis device is therefore simplified, since fresh water or ultrapure water must be supplied to the electrolysis device exclusively via the anodic half cell during normal operation.
  • the electrolysis device can be manufactured more economically, especially if it is intended for cathode-side printing operation, since fewer components or pressure-safe components are necessary.
  • the cathodic electrode and/or a cathode-side surface of the membrane is/are designed to be hydrophilic. This promotes the diffusion processes already described or the entire process of the electrochemical reaction in the electrolysis device, which increases the effectiveness and subsequently the economy of the electrolysis device.
  • the anodic electrode and/or the cathodic electrode is or are formed by applying catalytically active materials to the membrane and/or by applying catalytically active materials to porous support structures contacted with the membrane.
  • a porous carrier material such as a metal foam or the like improves the diffusion or transport processes of the educts and products of the electrochemical reaction in the electrolysis device.
  • a differential pressure between the anodic half cell and the cathodic half cell can be recorded by the membrane-electrode unit, the differential pressure being in the range between 0 bar and 100 bar, or in particular between 5 bar and 30 bar.
  • the advantage here is that the intended pressure of the electrolysis product does not have to be generated using another means, since the electrolysis device is already operated under pressure. This is advantageous in relation to the overall efficiency of the electrolysis device when integrated into a generation system for hydrogen, for example.
  • the electrolysis device according to the invention in which Since the half cells are completely flooded with electrolyte, this is an advantage because the gas volume in the half cells is particularly small and the electrolysis device can therefore be operated quickly and dynamically.
  • an electrolysis cell stack which electrolysis cell stack comprises several anodic half-cells, cathodic half-cells and membrane electrode units arranged in a row in accordance with the functional design of the electrolysis device according to the invention in the sense of the electrochemical reaction.
  • the cathodic half-cells can be fluidically coupled by means of at least one flow channel, the cathodic half-cells and the at least one flow channel forming a cathode volume, wherein during operation of the electrolysis cell stack, an initial filling amount of alkaline solution in the cathode volume exclusively through diffusion processes through the membrane electrode units and /or can be changed by electrochemical reaction of educts or the alkaline solution in the membrane-electrode units.
  • the advantage here is that the cathode volume can be made available as a combination of all cathodic half-cells of the electrolysis cell stack to accommodate the alkaline solution. As a result, particularly when the individual electrolysis devices have a high output, transient effects are dampened when they are started up into normal operation. This increases the safety of the electrolysis process.
  • an electrolysis system which electrolysis system comprises several electrolysis cell stacks according to the invention.
  • the electrolysis system comprises at least one connecting line, wherein the cathode volumes of the electrolysis cell stacks can be fluidically coupled by means of the connecting line, the electrolysis system comprising a gas separation device, the gas separation device being fluidically coupled to the cathode volumes and being set up to do so. in order to separate the product produced by means of an electrochemical reaction from the alkaline solution, whereby the discharge of the alkaline solution from the cathode volumes can be prevented by means of the gas separation device.
  • the advantage here is that the fluidically coupled cathode volumes can be provided as a combination of all cathodic half cells of the electrolysis system to accommodate the alkaline solution. As a result, particularly when the electrolysis system has a high output, transient effects are dampened when it is started up into normal operation. This increases the safety of the electrolysis process.
  • the use of the electrolysis system according to the invention is particularly advantageous if the product is molecular hydrogen.
  • a process for producing hydrogen by electrochemical reaction from an aqueous, alkaline solution comprises the following process steps:
  • the electrolysis device comprises an anodic half-cell and a cathodic half-cell, the anodic half-cell and the cathodic half-cell being separated by means of a membrane and the cathodic half-cell being permeable by the alkaline solution and the anodic half-cell by an aqueous, alkaline solution or ultrapure water, the anodic half cell comprising an anodic electrode and the cathodic half cell comprising a cathodic electrode, the anodic electrode, the cathodic electrode and the membrane forming a membrane-electrode unit;
  • the initial filling amount of alkaline solution in the cathodic half cell during normal operation of the electrolysis device or when voltage is applied between the anodic electrode and the cathodic electrode is determined exclusively by diffusion processes through the membrane-electrode unit or through the membrane and / or through electrochemical reaction of the alkaline solution in the membrane-electrode unit is changed.
  • an anion exchange membrane is used as the membrane.
  • the advantage here is that by completely filling the cathodic half cells with the alkaline solution during normal operation, a natural flame barrier is present for the hydrogen produced during hydrogen electrolysis.
  • a further advantage is that during normal operation the membrane is completely wetted with the alkaline solution at all times, so that the membrane is not at risk of drying out and is therefore exposed to local overloads due to overheating, thus improving the service life of the membrane used.
  • the process according to the invention can further comprise the following process step:
  • an operating liquid in the anodic half cell the operating liquid being ultrapure water and/or an aqueous, alkaline solution, the operating liquid being supplied exclusively to the anode side during normal operation of the electrolysis device.
  • the anodic half cell initially contains an alkaline electrolyte or an alkaline solution with a first molar concentration that corresponds at most to the second molar concentration of the electrolyte in the cathodic half cell. It is also conceivable that the anodic half cell can be operated with ultrapure water.
  • Gas separation from the cathodic half cell and differential pressure The product gas is removed from the system at the highest point of the cathode volume.
  • the constructive design or by means of the separation device or the gas separation device prevents the alkaline solution from being discharged from the cathode volume.
  • the hydrogen gas or the entire cathode volume can be kept under pressure using external pressure maintaining devices. The penetration of higher external system pressures into the cathode volume when starting up the electrolysis device can be prevented by a check valve in the gas line.
  • Self-regulating system In contrast to known systems, this difference in substance concentration and mass between the anodic half cell and the cathodic half cell is not compensated for by pumps or pipes, but rather is brought about in a targeted manner.
  • the differential pressure between the anodic half-cell and the cathodic half-cell is established depending on the applied electrical power and the prevailing differential pressure a certain liquid level or filling quantity or an electrolyte concentration in the cathodic half cell.
  • the alkaline liquid in the cathode volume is replaced at regular maintenance intervals. To do this, all of the liquid is drained at the lowest point and the cathode volume is then refilled.
  • the alkaline liquid in the anodic half cell is processed or exchanged centrally in an electrolysis system according to the invention.
  • FIG. 1 shows an electrolysis device with an anodic half cell and a cathodic half cell
  • FIG. 2 shows an electrolysis cell stack comprising several electrolysis devices
  • 3 shows an electrolysis system comprising several electrolysis cell stacks
  • the cathodic half cell 3 and the anodic half cell 2 are separated from each other by means of a membrane 4.
  • the anodic half cell 2 comprises an anodic electrode 5, wherein the anodic electrode 5 can be arranged adjacent to the anode-side surface of the membrane 4.
  • the cathodic half cell 3 comprises a cathodic electrode 6, wherein the cathodic electrode 6 can be arranged adjacent to the cathode-side surface of the membrane 4.
  • the anodic electrode 5, the cathodic electrode 6 and the membrane 4 together form a membrane-electrode unit 7, which membrane-electrode unit 7 can include further elements.
  • the anodic half cell 3 is separated from the cathodic half cell 2 by means of the membrane 4, whereby the membrane 4 can be designed as an anion exchange membrane.
  • the anodic electrode 5 and the cathodic electrode 6 can be formed by a porous metallic conductor such as a metal foam or can be applied directly to the membrane 4.
  • the anodic half cell 2 can be flooded with an aqueous, alkaline solution or ultrapure water during operation of the electrolysis device 1.
  • the cathodic half cell 3 can be flooded with an aqueous, alkaline solution during operation of the electrolysis device 1.
  • the cathodic half cell 3 is filled with an initial amount of alkaline solution.
  • no further alkaline solution is actively supplied to or removed from the cathodic half cell 3.
  • an alkaline solution can be used for the electrolysis process.
  • ultrapure water can also be used in the anodic half cell 2, in particular with a correspondingly adapted membrane 4 or membrane-electrode unit 7.
  • a membrane 4 is to be understood as meaning a separating but electrolytically conductive partition in the electrolysis device 1, which is essentially an electrochemical cell.
  • the diaphragm for example, can be seen as synonymous with membrane 4.
  • the separation of the half cells 2, 3 by the membrane 4 allows operation with different concentrations of the alkaline solution or with different liquids or electrolytes in the half cells 2, 3.
  • the membrane 4 can be designed to be so robust that a differential pressure in the range between 0 bar and 100 bar can be present between the anodic half cell 2 and the cathodic half cell 3.
  • filling both half cells 2, 3 with an electrolyte or with ultrapure water or an alkaline solution promotes the absorption of such differential pressures.
  • the safety of the electrolysis device 1 is improved by filling both half cells 2, 3, since a flame barrier is formed by means of the filling when producing products that are flammable in the open atmosphere.
  • Diffusion processes are understood to mean all those transport processes through the membrane 4 or through the membrane-electrode unit 7, which include gas diffusion, water transport mechanisms, gas permeation or the diffusion of other educts or products of the electrochemical reaction of the electrolysis device 1.
  • the membrane 4 or the membrane-electrode unit 7 is not seen as an active means of generating flow.
  • the input of electrical energy to the electrodes 5, 6 and the outgassing or production of products of the electrochemical reaction and the flow induced by the products in the half cells 2, 3 are also not seen as active means of generating flow.
  • the process of electrolysis creates a mass transport through the membrane 4 on the membrane-electrode unit 7 due to diffusion processes, which mass transport occurs as a passive effect of the electrochemical reaction or the concentration difference between the anodic half-cell 2 and the cathodic half-cell 3 Solutions or liquids in the half cells 2, 3 and a resulting osmotic pressure.
  • Normal operation here means an operating state in which a product such as molecular hydrogen is continuously produced by means of an electrochemical reaction. Operating states such as maintenance, flushing and the like are therefore not to be understood as normal operation.
  • the separation device 10 can be fluidically coupled to the fluid channel 8. By means of the separation device 10 can It can be ensured that a product or product gas resulting from the electrolysis process can be removed without the alkaline solution being discharged from the receiving volume 9.
  • Electrolysis device anodic half cell cathodic half cell membrane anodic electrode cathodic electrode

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung (1) zur Herstellung von Wasserstoff durch elektrochemische Reaktion aus einer wässrigen, alkalischen Lösung, wobei die Elektrolysevorrichtung (1) eine anodische Halbzelle (2) und eine kathodische Halbzelle (3) umfasst. Die anodische Halb zelle (2) und die kathodische Halbzelle (3) sind mittels einer Membran (4) getrennt und die kathodische Halbzelle (3) ist von der alkalischen Lösung durchflutbar. Die anodische Halbzelle (2) umfasst eine anodische Elektrode (5) und die kathodische Halbzelle (3) umfasst eine kathodische Elektrode (6), wobei die anodische Elektrode (5), die kathodische Elektrode (6) und die Membran (4) eine Membran-Elektroden-Einheit (7) bilden. Weiters ist eine initiale Füllmenge an alkalischer Lösung in der kathodischen Halbzelle (3) im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung (1) ausschließlich durch Diffusionsvorgänge durch die Membran-Elektroden-Einheit (7) und/oder durch elektrochemische Reaktion der alkalischen Lösung in der Membran-Elektroden-Einheit (7) veränderbar.

Description

ELEKTROLYSEVORRICHTUNG MIT NATURUMLAUF
Die Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff durch elektrochemische Reaktion aus einer wässrigen, alkalischen Lösung.
Die EP3831986A1 beschreibt eine Gaserzeugungsvorrichtung, umfassend ein Elektrolysegefäß, umfassend eine Anodenkammer, eine Kathodenkammer und eine ionendurchlässige Trennmembran, die die Anodenkammer und die Kathodenkammer trennt, wobei die Anodenkammer eine Anode aufnimmt, und Sauerstoffgas erzeugt, die Kathodenkammer eine Kathode aufnimmt und Wasserstoffgas erzeugt. Die Gaserzeugungsvorrichtung umfassend weiters ein erstes Elektrolytzirkulationssystem, ein zweites Elektrolytzirkulationssystem und ein Elektrolyttauscher. Das erste Elektrolytzirkulationssystem umfasst einen ersten Umwälztank, der einen aus der Anodenkammer au sströmenden ersten Elektrolyten aufnimmt und speichert und eine erste Umwälzpumpe, die den in dem ersten Umwälztank gespeicherten ersten Elektrolyten der Anodenkammer zuführt. Das zweite Elektrolytzirkulationssystem umfasst einen zweiten Umwälztank, der einen aus der Kathodenkammer ausströmenden zweiten Elektrolyten aufnimmt und speichert; und eine zweite Umwälzpumpe, die den in dem zweiten Umwälztank gespeicherten zweiten Elektrolyten der Kathodenkammer zuführt. Der Elektrolytaustauscher überführt einerseits einen Teil des im ersten Elektrolytkreislauf vorhandenen ersten Elektrolyten in den zweiten Elektrolytkreislauf und überführt andererseits einen Teil des im zweiten Elektrolytkreislauf vorhandenen zweiten Elektrolyten in den ersten Elektrolytkreislauf.
Weiters beschreibt die W02011004343A1 eine Vorrichtung zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff aus einer alkalischen, wässrigen Lösung, ausgehend von der trockenen Kathode, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
- zwei Halbzellen, eine anodische und eine kathodische, die durch eine Anionenaustauschermembran getrennt sind, deren mit der kathodischen Halbzelle in Kontakt stehende Oberfläche eine Membran-Elektroden-Einheit MEA ist, und
- wobei die alkalische Lösung nur in der anodischen Halbzelle vorhanden ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels welcher insbesondere vorteilhafte Effekte im Hinblick auf die Betriebssicherheit und die Effektivität der Vorrichtung erzielt werden. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.
Im Unterschied zur Gaserzeugungsvorrichtung, die aus der EP3831986A1 bekannt geworden ist, kann die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung ohne aktive Mittel zur Strömungserzeugung bzw. Umwälzung betrieben werden. Dies hat mehrere Vorteile und insbesondere überraschende Effekte, die in folgender Beschreibungseinleitung näher erläutert werden.
Konträr zur Vorrichtung der WO2011004343A1 wird die erfindungsgemäße Elektrolysevor- richtung derart betrieben, dass im Betrieb der Elektrolysevorrichtung sowohl in der anodischen Halbzelle als auch in der kathodischen Halbzelle der Vorrichtung ein Elektrolyt vorhanden ist. Dies hat wiederum mehrere Vorteile, die im Folgenden beschrieben werden.
Die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff durch elektrochemische Reaktion aus einer wässrigen, alkalischen Lösung, umfasst eine anodische Halbzelle und eine kathodische Halbzelle. Die anodische Halbzelle und die kathodische Halbzelle sind mittels einer Membran getrennt und die kathodische Halbzelle ist von der alkalischen Lösung durchflutbar. Die anodische Halbzelle umfasst eine anodische Elektrode und die kathodische Halbzelle umfasst eine kathodische Elektrode, wobei die anodische Elektrode, die kathodische Elektrode und die Membran eine Membran-Elektroden-Einheit bilden. Eine initiale Füllmenge an alkalischer Lösung in der kathodischen Halbzelle ist im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung ausschließlich durch Diffusionsvorgänge durch die Membran-Elektro- den-Einheit und/oder durch elektrochemische Reaktion der alkalischen Lösung in der Memb- ran-Elektroden-Einheit veränderbar.
In der anodischen Halbzelle kann, wie auch in der kathodischen Halbzelle eine alkalische Lösung für den Prozess der Elektrolyse verwendet werden. Es ist jedoch denkbar, dass auch Reinstwasser in der anodischen Halbzelle verwendet werden kann, insbesondere mit einer entsprechend adaptierten Membran bzw. einer adaptierten Membran-Elektroden-Einheit.
Unter einer Membran ist in vorliegender Beschreibung eine trennende, aber doch elektrolytisch leitende Scheidewand in der Elektrolysevorrichtung, welche Elektrolysevorrichtung im Wesentlichen eine elektrochemische Zelle ist, zu verstehen. Synonym zur Membran kann im weitesten Sinne in der Elektrochemie beispielsweise das Diaphragma gesehen werden. Die Trennung der Halbzellen durch die Membran erlaubt den Betrieb mit jeweils unterschiedlichen Konzentrationen der alkalischen Lösung oder mit jeweils unterschiedlichen Flüssigkeiten bzw. Elektrolyten in den Halbzellen.
Unter Diffusionsvorgängen sind all jene Transportvorgänge durch die Membran bzw. durch die Membran-Elektroden-Einheit zu verstehen, welche Gasdiffusion, Wassertransportmechanismen, Gaspermeation oder die Diffusion anderer Edukte oder Produkte der elektrochemischen Re-aktion der Elektrolysevorrichtung umfassen.
In diesem Sinne wird die Membran bzw. die Membran-Elektroden-Einheit nicht als aktives Mittel zur Strömungserzeugung gesehen. Auch der Eintrag von elektrischer Energie an den Elektroden und das Ausgasen bzw. das Herstellen von Produkten der elektrochemischen Reaktion und die durch die Produkte induzierte Strömung in den Halbzellen werden nicht als aktive Mittel zur Strömungserzeugung gesehen.
Durch den Prozess der Elektrolyse entsteht an der Membran-Elektroden-Einheit ein Stofftransport durch die Membran auf Grund von Diffusionsvorgängen, welcher Stofftransport sich als passiver Effekt der elektrochemischen Reaktion bzw. der sich zwischen anodischer Halbzelle und kathodischen Halbzelle einstellenden Konzentrationsdifferenz der jeweiligen Lösungen oder Flüssigkeiten bzw. Elektrolyten in den Halbzellen und einem daraus resultierenden osmotischen Druck ergibt.
Unter Normalbetrieb ist ein Betriebszustand zu verstehen, bei welchem kontinuierlich ein Produkt wie beispielsweise molekularer Wasserstoff mittels elektrochemischer Reaktion hergestellt wird. Somit sind Betriebszustände wie beispielsweise Wartung, Spülung und dergleichen nicht als Normalbetrieb zu verstehen.
Die Elektrolysevorrichtung kann einen Kathoden-Zulauf und einen Kathoden- Ablauf umfassen, wobei der Kathoden-Zulauf und der Kathoden- Ablauf mit der kathodischen Halbzelle fluidisch koppelbar sind. Der Kathoden-Zulauf und der Kathoden- Ablauf können ebenfalls fluidisch koppelbar sein.
Der Kathodenkreislauf der Elektrolysevorrichtung kann initial mit einem alkalischen Elektrolyten bzw. einer wässrigen, alkalischen Lösung gefüllt werden und dadurch wird die kathodi- sche Halbzelle geflutet. In der anodischen Halbzelle kann die gleiche alkalische Lösung oder einer alkalischen Lösung mit gleich hoher, höherer oder geringerer Stoffmengenkonzentration oder Reinstwasser gefüllt sein.
Im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung kann kathodenseitig Wasser in Wasserstoff und OH-Ionen aufgespalten werden und die OH-Ionen können durch die Membran in die anodische Halbzelle transportiert werden. Dadurch wird im laufenden Normalbetrieb kathodenseitig die Stoffmengenkonzentration der alkalischen Lösung erhöht und es entsteht ein chemischer Gradient zwischen dem anodenseitigen Elektrolyten und dem kathodenseitigen Elektrolyten.
Der Transport der OH-Ionen kann mittels H2O-Trägermolekülen von der kathodischen Halbzelle zur anodischen Halbzelle gewährleistet sein. Durch Osmose bzw. das Trachten nach einem Konzentrationsausgleich des Systems, da die initiale Füllmenge an Elektrolyten in der kathodischen Halbzelle im Normalbetrieb nicht durch aktive Mittel verändert wird, wird im Normalbetrieb Reinstwasser bzw. werden Wassermoleküle von der anodischen Halbzelle zur kathodischen Halbzelle durch die Membran transportiert. Somit kann Reinstwasser bzw. können Wassermoleküle als Edukt für die Herstellung von molekularem Wasserstoff in der kathodischen Halbzelle ausschließlich über Diffusionsvorgänge durch die Membran bereitgestellt werden. In weiterer Folge wird im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung das für die Herstellung von Wasserstoff notwendige Reinstwasser ausschließlich der anodischen Halbzelle zugeführt.
Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung, dass in der kathodischen Halbzelle im Normalbetrieb eine gegenüber der anodischen Halbzelle erhöhte Stoffmengenkonzentration des Elektrolyten vorliegt, wodurch die Leitfähigkeit des Elektrolyten in der kathodischen Halbzelle und damit der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung verbessert sind. Des Weiteren reguliert sich die Elektrolysevorrichtung bei einer Veränderung der beaufschlagten Leistung an den Elektroden selbständig durch einen Angleich der Stoffmengenkonzentrationsdifferenz zwischen dem anodenseitigen Elektrolyten und dem kathodenseitigen Elektrolyten, was in weiterer Folge einen sich selbständig regulierenden Bedarf an Reinstwasser in der kathodischen Halbzelle bewirkt. Damit kann die Zufuhr von Reinstwasser in die ka- thodische Halbzelle auf einfache und robuste Weise gesteuert bzw. geregelt werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung ist, dass mittels der vollständigen Füllung der kathodischen Halbzellen mit der alkalischen Lösung im Normalbetrieb eine natürliche Flammsperre für den erzeugten Wasserstoff bei einer Wasserstoff-Elektrolyse vorhanden ist. Weiters ist von Vorteil, dass die Membran im Normalbetrieb zu jedem Zeitpunkt vollständig mit der alkalischen Lösung benetzt ist, sodass die Membran nicht der Gefährdung einer Austrocknung oder lokalen Überlastung durch Überhitzung ausgesetzt ist und somit die Lebensdauer der eingesetzten Membran verbessert ist.
Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, wenn die Membran als eine Anionenaustauschermembran ausgebildet ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die initiale Füllmenge an alkalischer Lösung in der katho- dischen Halbzelle und in einem, mit der kathodischen Halbzelle fluidisch gekoppelten Fluidkanal und/oder Fluidtank aufnehmbar ist, wodurch ein Aufnahmevolumen definiert ist, wobei für die alkalische Lösung im Aufnahmevolumen im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung keine erzwungene Umwälzung, keinen erzwungenen Kreislauf und/oder keine erzwungene Bewegung, bis auf die, sich durch die elektrochemische Reaktion selbst einstellende Bewegung, erfahrbar ist.
Neben den bereits zuvor erwähnten Vorteilen ist dadurch die Effektivität bzw. der Gesamtwirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung verbessert, da keine zusätzliche Energie bereitgestellt werden muss. Es ist beispielhaft denkbar, dass der Kathoden-Zulauf und der Kathoden-Ablauf mittels dem Fluidkanal fluidisch koppelbar sind. Durch das Herstellen von Wasserstoff bei der Wasserstoff-Elektrolyse kann so bei entsprechender Positionierung der Elektrolysevorrichtung ohne aktive Mittel dennoch ein Kreislauf der alkalischen Lösung durch die kathodi- sche Halbzelle entstehen. Dadurch wird insbesondere die thermische Belastung an der Membran verringert und gleichzeitig der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung verbessert. Es kann sich ein Naturumlauf während dem Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung einstellen.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass keine, im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung aktiven Mittel zum Umwälzen und/oder zum Pumpen der kathodenseitigen alkalischen Lösung vorgesehen sind. Neben den bereits erwähnten Vorteilen ist dadurch die Effektivität der Elektrolysevorrichtung im Normalbetrieb verbessert. Auch ist dadurch die Sicherheit der Elektrolysevorrichtung im Normalbetrieb verbessert, da diese auf keine aktiven Mittel angewiesen ist und auch mögliche Fehlerquellen bzw. Fehlfunktionen minimiert werden. Vorteilhaft ist auch eine Ausprägung, gemäß welcher vorgesehen sein kann, dass das Aufnahmevolumen pumpenlos ausgebildet ist. Wiederum werden dadurch Fehlerquellen minimiert und die Effektivität der Elektrolysevorrichtung ist verbessert.
Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, dass die initiale Füllmenge der alkalischen Lösung in der kathodischen Halbzelle derart bemessen ist, dass die kathodische Halbzelle im Betrieb der Elektrolysevorrichtung zu jedem Zeitpunkt vollständig mit der alkalischen Lösung geflutet ist.
Vorteilhaft ist dabei, dass mittels der vollständigen Füllung der kathodischen Halbzellen mit der alkalischen Lösung im Normalbetrieb eine natürliche Flammsperre für den erzeugten Wasserstoff bei einer Wasserstoff-Elektrolyse vorhanden ist. Weiters ist von Vorteil, dass die Membran im Normalbetrieb zu jedem Zeitpunkt vollständig mit der alkalischen Lösung benetzt ist, sodass die Membran nicht vom Austrocken gefährdet ist und somit lokalen Überlastungen durch Überhitzung ausgesetzt ist und somit die Lebensdauer der eingesetzten Membran verbessert ist.
Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn das Aufnahmevolumen derart ausgebildet ist, dass die kathodische Halbzelle der Elektrolysevorrichtung im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung jederzeit vollständig mit alkalischer Lösung geflutet ist, wobei eine Abscheidevorrich- tung mit dem Aufnahmevolumen fluidisch koppelbar ist, sodass das Austragen der alkalischen Lösung aus dem Aufnahmevolumen beim Abtransport bzw. Abscheiden von Produktgas aus dem Aufnahmevolumen verhinderbar ist.
Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, dass die alkalische Lösung im dafür vorgesehenen Aufnahmevolumen verbleibt, wobei gleichzeitig das Produkt der elektrochemischen Reaktion mittels der Abscheidevorrichtung aus der kathodischen Halbzelle entfernbar ist. Vorteilhaft ist auch, dass dadurch ein Druckbetrieb der Elektrolysevorrichtung auf einfache Weise ermöglicht wird, sofern die Abscheidevorrichtung den Gegendruck zum Aufnahmevolumen bereitstellt. Da das Aufnahmevolumen zumindest eine bestimmte Mindestmenge an alkalischer Flüssigkeit im Normalbetrieb aufnimmt, sodass die Membran ständig damit benetzt ist, ist der Anteil an Gas im Verhältnis zur alkalischen Flüssigkeit im Aufnahmevolumen gering, wodurch der Druckbetrieb der Elektrolysevorrichtung eine verbesserte Sicherheit aufweist.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass in einem eingeschwungenen und stationären Betriebszustand der Elektrolysevorrichtung die Zufuhr von Edukten für die elektrochemische Reaktion in der kathodischen Halbzelle ausschließlich durch Diffusionsvorgänge der Edukte durch die Membran-Elektroden-Einheit bereitstellbar ist.
Somit ist die konstruktive Ausgestaltung der Elektrolysevorrichtung vereinfacht, da Frischwasser bzw. Reinstwasser im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung ausschließlich über die anodische Halbzelle zugeführt werden muss. Dadurch kann die Elektrolysevorrichtung weiters wirtschaftlicher hergestellt werden, insbesondere wenn diese für den kathodenseitigen Druckbetrieb vorgesehen ist, da weniger Bauteile bzw. drucksichere Komponenten notwendig sind.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die kathodische Elektrode und/oder eine kathoden- seitige Oberfläche der Membran hydrophil ausgebildet ist bzw. sind. Dadurch werden die bereits beschriebenen Diffusions Vorgänge bzw. der gesamte Ablauf der elektrochemischen Reaktion in der Elektrolysevorrichtung begünstigt, was die Effektivität und in weiterer Folge damit die Wirtschaftlichkeit der Elektrolysevorrichtung erhöht.
Gemäß einer besonderen Ausprägung ist es möglich, dass die anodische Elektrode und/oder die kathodische Elektrode durch Aufbringen von katalytisch aktiven Materialien auf die Membran und/oder durch Aufbringen von katalytisch aktiven Materialien auf mit der Membran kontaktierten porösen Trägerstrukturen ausgebildet ist bzw. sind.
Insbesondere durch die Verwendung eines porösen Trägermaterials wie beispielsweise einem Metallschaum oder Ähnlichem werden die Diffusions- bzw. Transportvorgänge der Edukte und Produkte der elektrochemischen Reaktion in der Elektrolysevorrichtung verbessert.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die anodische Elektrode und/oder die kathodische Elektrode edelmetallfrei ist. Dies bringt den wirtschaftlichen Vorteil mit sich, dass günstigere Materialien als Metalle auf Edelmetallbasis verwendet werden können.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn in der anodischen Halbzelle Reinstwasser oder eine Lauge mit einer ersten Stoffmengenkonzentration im Bereich zwischen 0.1 mol/1 und 2 mol/1 bzw. insbesondere zwischen 0.5 mol/1 und 1 mol/1 aufnehmbar ist.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Lauge eine Kalilauge oder eine Natronlauge ist. Weiters ist es auch denkbar, dass (Bi-) Carbonat-haltige Lösungen verwendet werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die alkalische Flüssigkeit für die initiale Füllmenge in der kathodischen Halbzelle eine Lauge mit einer zweiten Stoffmengenkonzentration ist, wobei die erste Stoffmengenkonzentration gleich hoch wie oder höher als die zweite Stoffmengenkonzentration ist.
Dadurch wirkt auch in einem Bereitschaftsbetrieb ohne angelegte Spannung an den Elektroden ein osmotischer Druck zwischen den Halbzellen. Somit kann die Elektrolysevorrichtung länger und standfest druckbehaften betrieben werden und im Bereitschaftsbetrieb bzw. beim Abschalten der Elektrolysevorrichtung wird das Diffundieren des Produktes wie beispielsweise dem molekularen Wasserstoff zumindest teilweise unterbunden bzw. einfacher unterbindbar.
Vorteilhaft ist auch eine Ausprägung, gemäß welcher vorgesehen sein kann, dass von der Membran-Elektroden-Einheit ein Differenzdruck zwischen anodischer Halbzelle und kathodi- scher Halbzelle aufnehmbar ist, wobei der Differenzdruck im Bereich zwischen 0 bar und 100 bar, bzw. insbesondere zwischen 5 bar und 30 bar liegt.
Vorteilhaft ist dabei, dass ein bestimmungsgemäßer Druck des Produktes der Elektrolyse nicht mit einem weiteren Mittel erzeugt werden muss, da die Elektrolysevorrichtung bereits druckbehaftet betrieben wird. Dies ist in Bezug auf den Gesamtwirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung beim Einbinden in einer Erzeugung sanalage für beispielsweise Wasserstoff vorteilhaft. Im Zusammenwirken mit der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung, bei welcher die Halbzellen vollständig mit Elektrolyt geflutet sind, ist dies von Vorteil, da das Gasvolu- men in den Halbzellen besonders gering ist und somit die Elektrolysevorrichtung reaktionsschnell und dynamisch betrieben werden kann.
Erfindungsgemäß wird ein Elektrolyse-Zellstapel beansprucht, welcher Elektrolyse-Zellstapel mehrere aneinandergereihte anodische Halbzellen, kathodische Halbzellen und Membran- Elektroden-Einheiten entsprechend der, im Sinne der elektrochemischen Reaktion funktionellen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung umfasst. Die kathodischen Halbzellen sind mittels zumindest einem Strömungskanal fluidisch koppelbar, wobei die kathodischen Halbzellen und der zumindest eine Strömungskanal ein Kathodenvolumen ausbilden, wobei im Betrieb des Elektrolyse-Zellstapels eine initiale Füllmenge an alkalischer Lösung im Kathodenvolumen ausschließlich durch Diffusionsvorgänge durch die Membran- Elektroden-Einheiten und/oder durch elektrochemische Reaktion von Edukten bzw. der alkalischen Lösung in den Membran-Elektroden-Einheiten veränderbar ist.
Vorteilhaft ist dabei, dass das Kathodenvolumen als Zusammenschluss aller kathodischen Halbzellen des Elektrolyse-Zellstapels zur Aufnahme der alkalischen Lösung bereitstellbar ist. Dadurch werden insbesondere bei einer hohen Leistung der einzelnen Elektrolysevorrichtungen transiente Effekte beim Hochfahren derselben in den Normalbetrieb gedämpft. Dies erhöht die Sicherheit beim Prozess der Elektrolyse.
Erfindungsgemäß wird eine Elektrolyse- Anlage beansprucht, welche Elektrolyse- Anlage mehrere erfindungsgemäße Elektrolyse-Zellstapel umfasst. Die Elektrolyse- Anlage umfasst zumindest eine Verbindungsleitung, wobei die Kathodenvolumina der Elektrolyse-Zellstapel mittels der Verbindungsleitung fluidisch koppelbar sind, wobei die Elektrolyse- Anlage eine Gas-Abscheidevorrichtung umfasst, wobei die Gas-Abscheidevorrichtung mit den Kathodenvolumina fluidisch koppelbar ist und dazu eingerichtet ist, um das mittels elektrochemischer Reaktion erzeugte Produkt aus der alkalischen Lösung abzuscheiden, wobei das Austragen der alkalischen Lösung aus den Kathodenvolumina mittels der Gas-Abscheidevorrichtung verhinderbar ist. Vorteilhaft ist dabei, dass die fluidisch koppelbaren Kathodenvolumina als Zusammenschluss aller kathodischen Halbzellen der Elektrolyse- Anlage zur Aufnahme der alkalischen Lösung bereitstellbar sind. Dadurch werden insbesondere bei einer hohen Leistung der Elektrolyse- Anlage transiente Effekte beim Hochfahren derselben in den Normalbetrieb gedämpft. Dies erhöht die Sicherheit beim Prozess der Elektrolyse.
Insbesondere ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrolyse- Anlage vorteilhaft, wenn das Produkt molekularer Wasserstoff ist.
Erfindungsgemäß wird weiters ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff durch elektrochemische Reaktion aus einer wässrigen, alkalischen Lösung, beansprucht, welches Verfahren die folgenden Verfahrens schritte umfasst:
- Bereitstellen einer Elektrolysevorrichtung, wobei die Elektrolysevorrichtung eine anodische Halbzelle und eine kathodische Halbzelle umfasst, wobei die anodische Halbzelle und die ka- thodische Halbzelle mittels einer Membran getrennt sind und die kathodische Halbzelle von der alkalischen Lösung durchflutbar ist sowie die anodische Halbzelle von einer wässrigen, alkalischen Lösung oder von Reinstwasser durchflutbar ist, wobei die anodische Halbzelle eine anodische Elektrode umfasst und die kathodische Halbzelle eine kathodische Elektrode umfasst, wobei die anodische Elektrode, die kathodische Elektrode und die Membran eine Membran-Elektroden-Einheit bilden;
- Befüllen der anodischen Halbzelle mit einer wässrigen, alkalischen Lösung oder mit Reinstwasser und Befüllen der kathodischen Halbzelle mit einer initialen Füllmenge an alkalischer Lösung, sodass die Halbzellen vollständig geflutet sind bzw. sodass die Membran-Elektroden- Einheit kathodenseitig vollständig in die alkalischer Lösung getaucht ist;
- Anlegen einer Spannung zwischen der anodischen Elektrode und der kathodischen Elektrode; dadurch gekennzeichnet, dass die initiale Füllmenge an alkalischer Lösung in der kathodischen Halbzelle im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung bzw. bei angelegter Spannung zwischen der anodischen Elektrode und der kathodischen Elektrode ausschließlich durch Diffusionsvorgänge durch die Membran- Elektroden-Einheit bzw. durch die Membran und/oder durch elektrochemische Reaktion der alkalischen Lösung in der Membran-Elektroden-Einheit verändert wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass als Membran eine Anionenaustauschermembran verwendet wird.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die initiale Füllmenge an alkalischer Lösung in der kathodischen Halbzelle und in einem, mit der kathodischen Halbzelle fluidisch gekoppelten Fluidkanal und/oder Fluidtank aufgenommen wird, wodurch ein Aufnahmevolumen definiert ist, wobei die alkalische Lösung im Aufnahmevolumen im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung keine erzwungene Umwälzung, keinen erzwungenen Kreislauf und/oder keine erzwungene Bewegung, bis auf die, sich durch die elektrochemische Reaktion selbst einstellende Bewegung, erfährt.
Neben den bereits zuvor erwähnten Vorteilen ist dadurch die Effektivität bzw. der Gesamtwirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung verbessert, da keine zusätzliche Energie bereitgestellt werden muss. Es ist beispielhaft denkbar, dass der Kathoden-Zulauf und der Kathoden-Ablauf mittels dem Fluidkanal fluidisch koppelbar sind. Durch das Herstellen von Wasserstoff bei der Wasserstoff-Elektrolyse kann so bei entsprechender Positionierung der Elektrolysevorrichtung ohne aktive Mittel dennoch ein Kreislauf der alkalischen Lösung durch die kathodi- sche Halbzelle entstehen. Dadurch wird insbesondere die thermische Belastung an der Membran verringert und gleichzeitig der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung verbessert. Es kann sich ein Naturumlauf während dem Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung einstellen.
Vorteilhaft ist auch eine Ausprägung, gemäß welcher vorgesehen sein kann, dass im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung keine aktiven Mittel zum Erzeugen einer Strömung der ka- thodenseitigen alkalischen Lösung verwendet werden, wobei die Membran-Elektroden-Ein- heit davon ausgenommen ist.
Neben den bereits erwähnten Vorteilen ist dadurch die Effektivität der Elektrolysevorrichtung im Normalbetrieb verbessert. Auch ist dadurch die Sicherheit der Elektrolysevorrichtung im Normalbetrieb verbessert, da diese auf keine aktiven Mittel angewiesen ist und auch mögliche Fehlerquellen bzw. Fehlfunktionen minimiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiters den folgenden Verfahrens schritt umfassen:
- Bemessen der kathodenseitigen alkalischen Lösung derart, dass die kathodische Halbzelle im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung zu jedem Zeitpunkt vollständig mit der alkalischen Lösung geflutet wird.
Vorteilhaft ist dabei, dass mittels der vollständigen Füllung der kathodischen Halbzellen mit der alkalischen Lösung im Normalbetrieb eine natürliche Flammsperre für den erzeugten Wasserstoff bei einer Wasserstoff-Elektrolyse vorhanden ist. Weiters ist von Vorteil, dass die Membran im Normalbetrieb zu jedem Zeitpunkt vollständig mit der alkalischen Lösung benetzt ist, sodass die Membran nicht vom Austrocken gefährdet ist und somit lokalen Überlastungen durch Überhitzung ausgesetzt ist und somit die Lebensdauer der eingesetzten Membran verbessert ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiters den folgenden Verfahrens schritt umfassen:
- Zuführen einer Betriebsflüssigkeit in der anodischen Halbzelle, wobei die Betriebsflüssigkeit Reinstwasser und/oder eine wässrige, alkalische Lösung ist, wobei die Betriebsflüssigkeit im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung ausschließlich anodenseitig zugeführt wird.
Dadurch werden die im Normalbetrieb benötigten Armaturen und Leitungen der Elektrolysevorrichtung verringert, was die Sicherheit und die Effektivität der Elektrolysevorrichtung verbessert.
Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, dass als anodische Elektrode eine edelmetallfreie Elektrode verwendet wird und/oder als kathodische Elektrode eine edelmetallfreie Elektrode verwendet wird.
Dies bringt den wirtschaftlichen Vorteil mit sich, dass günstigere Materialien als Metalle auf Edelmetallbasis verwendet werden können.
Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn in der anodischen Halbzelle Reinstwasser oder eine Lauge mit einer ersten Stoffmengenkonzentration im Bereich zwischen 0.1 mol/1 und 2 mol/1 bzw. insbesondere zwischen 0.5 mol/1 und 1 mol/1 aufgenommen wird. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass als alkalische Flüssigkeit für die initiale Füllmenge in der kathodischen Halbzelle eine Lauge mit einer zweiten Stoffmengenkonzentration verwendet wird, wobei die erste Stoffmengenkonzentration gleich hoch wie oder höher als die zweite Stoffmengenkonzentration ist.
Dadurch wirkt auch in einem Bereitschaftsbetrieb ohne angelegte Spannung an den Elektroden ein osmotischer Druck zwischen den Halbzellen. Somit kann die Elektrolysevorrichtung länger und standfest druckbehaften betrieben werden und im Bereitschaftsbetrieb bzw. beim Abschalten der Elektrolysevorrichtung wird das Rückdiffundieren des Produktes wie beispielsweise dem molekularen Wasserstoff zumindest teilweise unterbunden bzw. einfacher unterbindbar.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn als Lauge eine Kalilauge oder eine Natronlauge verwendet wird.
Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend eine beispielhafte und ausführliche Beschreibung von möglichen ablaufenden Prozessschritten des er- findungsgemäßen Verfahrens bzw. von in der Elektrolysevorrichtung möglichen ablaufenden Prozessschritten angeführt.
• Initiale Befüllung der kathodischen Halbzelle: kathodische Halbzelle und eventuelle Verbindungsleitungen oder Fluidkanäle bzw. Fluidtanks, im weiteren Verlauf als Ka- thodenvolumen bezeichnet, werden mit einer bestimmten Menge alkalischer Lösung befüllt.
• Füllmenge und Positionierung Kathodenvolumen: Eventuell vorgesehene Fluidkanäle, Fluidtanks oder Verbindungsleitungen des Kathodenvolumens befinden sich zum größten Teil über dem höchsten Füllniveaus der jeweiligen kathodischen Halbzellen. Dadurch ist auch bei minimaler Füllmenge eine vollständige kathodenseitige Benetzung der Membran gewährleistet. • Inertisierung der kathodischen Halbzelle: Die verbleibende Luft wird mittels Stickstoffs aus dem verbleibenden Kathodenvolumen gespült und das Kathodenvolumen verschlossen, was gegebenenfalls mittels der Abscheidevorrichtung bzw. der Gas-Ab- scheidevorrichtung umgesetzt werden kann. Dadurch wird sichergestellt, dass im Kathodenvolumen keine explosionsfähige Atmosphäre entstehen kann.
• Initialer Anodenzustand: In der anodischen Halbzelle befindet sich initial ein alkalischer Elektrolyt bzw. eine alkalische Lösung mit einer ersten Stoffmengenkonzentration die maximal der zweiten Stoffmengenkonzentration des Elektrolyten in der kathodischen Halbzelle entspricht. Es ist auch denkbar, dass die anodische Halbzelle mit Reinstwasser betreibbar ist.
• Anfahren der Elektrolyse: Durch Anlegen von elektrischem Strom an die Elektrolysevorrichtung bzw. an die Elektroden der Elektrolysevorrichtung wird anfänglich Eduktwasser H2O aus der kathodischen Halbzelle in H+ und OH- Ionen gespalten. Während molekularer Wasserstoff H2 gasförmig in den kathodischen Halbzelle abgeschieden wird, diffundieren OH- Ionen durch die Membran in die anodische Halbzelle. Die eingesetzte hydrophile Membran ist ausschließlich für OH- Anionen leitend und für Kationen undurchlässig. Die Membran kann auch als Anionenaustauschermembran bezeichnet werden.
• Anfängliche Verwässerung des Elektrolyten in der anodischen Halbzelle: In der anodischen Halbzelle entsteht aus dem eingetragenen OH- Ionen ein Teil O2 und * Teile H2O. Während ersteres gasförmig aus der anodischen Halbzelle abgeschieden wird, senkt H2O die Stoffmengenkonzentration des Elektrolyten bzw. in der anodischen Halbzelle. Der Elektrolyt in der anodischen Halbzelle wird so verwässert.
• Gasseparation und Elektrolytzirkulation in der kathodischen Halbzelle: Der in der kathodischen Halbzelle hergestellte molekulare Wasserstoff steigt aufgrund seiner geringen Dichte durch die ausgehende Verbindungsleitungen bzw. Strömungsleitungen am höchsten Punkt der Halbzelle im Kathodenvolumen auf und sammelt sich am höchsten Punkt bzw. kann dort abgeschieden werden, während sich die alkalische Lösung bzw. das mitgeführte KOH durch die Schwerkraft abscheidet, im Kathodenvolumen verbleibt und wieder in die Halbzelle am tiefsten Punkt einströmen kann. Somit kann eine natürliche Zirkulation bzw. ein Naturumlauf entstehen.
• Gasabscheidung aus der kathodischen Halbzelle und Differentialdruck: Am höchsten Punkt des Kathodenvolumens erfolgt die Ausleitung des Produktgases aus dem System. Durch konstruktive Ausgestaltung bzw. mittels der Abscheidevorrichtung oder der Gas-Abscheidevorrichtung wird das Ausleiten der alkalischen Lösung aus dem Kathodenvolumen verhindert. Durch externe Druckhalteeinrichtungen kann das Wasserstoffgas bzw. das gesamte Kathodenvolumen unter Druck gehalten werden. Das Eindringen von höheren externen Systemdrücken in das Kathodenvolumen beim Anfahren der Elektrolysevorrichtung kann durch ein Rückschlagventil in der Gasleitung verhindert werden.
• Anstieg des osmotischen Drucks: Im Betrieb steigt durch die Umsetzung des Eduktwassers kontinuierlich die Stoffmengenkonzentration des alkalischen Elektrolyten in der kathodischen Halbzelle, während in der anodischen Halbzelle durch den Eintrag von H2O die Stoffmengenkonzentration sinkt bzw. der Elektrolyt in der anodischen Halbzelle verwässert wird. Es stellt sich ein Stoffmengenkonzentrationsgradient zwischen den beiden Halbzellen ein, wodurch ein osmotischer Druck entsteht, welcher den Transport von Wasser durch die Membran von der anodischen Halbzelle zur kathodischen Halbzelle begünstigt.
• Erreichen des Gleichgewichtszustandes: Ist der Massentransport infolge des osmotischen Drucks exakt so groß wie der Verbrauch des Eduktwassers in der kathodischen Halbzelle, wird nur mehr Frischwasser zur Spaltung in H+ und OH- Ionen verwendet, welches durch die hydrophile Membran von der anodischen Halbzelle zur kathodischen Halbzelle transportiert wurde. Ab diesem Zeitpunkt bleibt die Füllmenge bzw. ein Füllstand an Elektrolyten in der kathodischen Halbzelle bzw. die Konzentration im Kathodenvolumen konstant. • Gleichgewichtszustand unter Differentialdruck: Sollte in der kathodischen Halbzelle molekularer Wasserstoff H2 unter Druck gehalten werden, dämpft der Druckgradient zwischen kathodischer Halbzelle und anodischer Halb zelle den Massentransport infolge des osmotischen Drucks und der Gleichgewichtszustand wird sich erst bei einer höheren Stoffmengenkonzentration des Elektrolyten in der kathodischen Halbzelle und damit bei einem geringeren Füllstand bzw. einer geringeren Füllmenge an Elektrolyt bzw. alkalischer Eösung im Kathodenvolumen einstellen.
• Konzentrationsanstieg in der anodischen Halbzelle: Ab Erreichen dieses Gleichgewichtszustandes wird ausschließlich Eduktwasser aus der anodischen Halbzelle zur Elektrolyse verwendet, wodurch die Stoffmengenkonzentration in der anodischen Halbzelle zu steigen, bzw. der Füllstand bzw. die Füllmenge an Elektrolyten in der anodischen Halbzelle zu sinken beginnt. Der Stoffmengenkonzentrationsgradient sinkt, damit sinkt auch der osmotische Druck und dies führt dazu, dass weiter Eduktwasser aus der kathodischen Halbzelle verbraucht wird und somit die Stoffmengenkonzentration des Elektrolyten bzw. der alkalischen Lösung in der kathodischen Halbzelle weiter steigt.
• Regulierung der Elektrolytkonzentration in der anodischen Halbzelle: Zur Vermeidung einer unzulässigen Stoffmengenkonzentrationserhöhung wird Frischwasser in die anodischen Halbzelle zugeführt und dadurch die Stoffmengenkonzentration des Elektrolyten in der anodischen Halbzelle konstant auf einem niedrigen Niveau gehalten. Dieses Niveau ist dabei unabhängig vom an die Elektroden angelegten Strom und dem herrschenden Druck in der kathodischen Halbzelle.
• Selbstregulierendes System: Im Gegensatz zu bekannten Systemen wird dieser Stoff- mengenkonzentrations- und Masseunterschied zwischen anodischer Halbzelle und kathodischen Halbzelle jedoch nicht mittels Pumpen oder Rohrleitungen ausgeglichen, sondern gezielt herbeigeführt. Durch das bewusste Regulieren der Elektrolytkonzentration bzw. der Stoffmengenkonzentration des Elektrolyten in der anodischen Halbzelle stellt sich je nach angelegter elektrischer Leistung und vorherrschendem Differentialdruck zwischen der anodischen Halbzelle und der kathodischen Halbzelle ein bestimmter Flüssigkeitspegel bzw. Füllmenge bzw. eine Elektrolytkonzentration in der kathodischen Halbzelle ein. Durch das Einschließen und Zirkulieren des Flüssigelektrolyten im Kathodenvolumen in Kombination mit dem geregelten Zuführen von Frischwasser in die anodische Halbzelle ist das System nahezu selbstregelnd bzw. selbststabilisierend.
• Abschalten des Systems: Sobald der angelegte Strom entfällt, wird kein weiteres Eduktwasser in der kathodischen Halbzelle verbraucht. Der osmotische Druck infolge des Stoffmengenkonzentrationsgradienten und der aufrechte Wassertransport von der anodischen Halbzelle zur kathodischen Halbzelle führt dazu, dass der Füllstand im Kathodenvolumen rasch wieder ansteigt und die Stoffmengenkonzentration des Flüssigelektrolyten sinkt. Da in der anodischen Halbzelle stets Frischwasser nachgefüllt und die Stoffmengenkonzentration in der anodischen Halbzelle konstant gehalten wurde, stellt sich ein Stoffmengenkonzentrationsausgleich zwischen anodischer Halbzelle und ka- thodischer Halbzelle im Bereich des initialen Zustandes ein. Der Füllstand bzw. die Füllmenge im Kathodenvolumen entspricht dann auch wieder maximal der initialen Füllmenge.
• Wartung und Service: In regelmäßigen Wartungsintervallen wird die alkalische Flüssigkeit im Kathodenvolumen getauscht. Hierzu wird die komplette Flüssigkeit am tiefsten Punkte abgelassen und anschließend wird das Kathodenvolumen neu befüllt. Die alkalische Flüssigkeit in der anodischen Halbzelle wird hingegen bei einer erfindungsgemäßen Elektrolyse- Anlage zentral aufbereitet bzw. getauscht.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine Elektrolysevorrichtung mit einer anodischen Halbzelle, einer kathodischen Halbzelle;
Fig. 2 einen Elektrolyse-Zellstapel umfassend mehrere Elektrolysevorrichtungen; Fig. 3 eine Elektrolyse- Anlage umfassend mehrere Elektrolyse-Zellstapel;
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
Fig. 1 zeigt eine Elektrolysevorrichtung 1 mit einer anodischen Halbzelle 2 und einer kathodi- schen Halbzelle 3 in einer stark vereinfachten, schematischen Darstellung. Die kathodische Halbzelle 3 und die anodische Halbzelle 2 sind mittels einer Membran 4 voneinander getrennt. Die anodische Halbzelle 2 umfasst eine anodische Elektrode 5, wobei die anodische Elektrode 5 an die anodenseitige Oberfläche der Membran 4 anschließend angeordnet sein kann. Die kathodische Halbzelle 3 umfasst eine kathodische Elektrode 6, wobei die kathodische Elektrode 6 an die kathodenseitige Oberfläche der Membran 4 anschließend angeordnet sein kann. Die anodische Elektrode 5, die kathodische Elektrode 6 und die Membran 4 bilden gemeinsam eine Membran-Elektroden-Einheit 7, welche Membran-Elektroden-Einheit 7 noch weitere Elemente umfassen kann. Die anodische Halbzelle 3 ist von der kathodischen Halbzelle 2 mittels der Membran 4 getrennt, wobei die Membran 4 als Anionenaustauschermembran ausgebildet sein kann. Die anodische Elektrode 5 und die kathodische Elektrode 6 können von einem porösen metallischen Leiter wie beispielsweise einem Metallschaum gebildet sein oder direkt auf der Membran 4 aufgebracht werden.
Die anodische Halbzelle 2 kann im Betrieb der Elektrolysevorrichtung 1 von einer wässrigen, alkalischen Lösung oder auch von Reinstwasser durchflutbar sein. Die kathodische Halbzelle 3 ist im Betrieb der Elektrolysevorrichtung 1 von einer wässrigen, alkalischen Lösung durchflutbar. Um den Betrieb der Elektrolysevorrichtung 1 zu ermöglichen, wird die kathodische Halbzelle 3 mit einer initialen Füllmenge an alkalischer Lösung gefüllt. Im laufenden Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung 1, das heißt, dass beispielsweise Wartung, Spülung und dergleichen ausgenommen sind, wird der kathodischen Halbzelle 3 keine weitere alkalische Lösung auf aktive Weise zugeführt oder daraus abgeführt. Die initiale Füllmenge an alkalischer Lösung in der kathodischen Halbzelle 3 ist im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung 1 ausschließlich durch Diffusionsvorgänge durch die Membran-Elekt- roden-Einheit 7 bzw. durch die Membran 4 und/oder durch elektrochemische Reaktionen der alkalischen Lösung in der Membran-Elektroden-Einheit 7 veränderbar.
In der anodischen Halbzelle 2 kann, wie auch in der kathodischen Halbzelle 3 eine alkalische Lösung für den Prozess der Elektrolyse verwendet werden. Es ist jedoch denkbar, dass auch Reinstwasser in der anodischen Halbzelle 2 verwendet werden kann, insbesondere mit einer entsprechend adaptierten Membran 4 bzw. Membran-Elektroden-Einheit 7.
Unter einer Membran 4 ist in vorliegender Beschreibung eine trennende, aber doch elektrolytisch leitende Scheidewand in der Elektrolysevorrichtung 1, welche im Wesentlichen eine elektrochemische Zelle ist, zu verstehen. Synonym zur Membran 4 kann im weitesten Sinne in der Elektrochemie beispielsweise das Diaphragma gesehen werden. Die Trennung der Halbzellen 2, 3 durch die Membran 4 erlaubt den Betrieb mit jeweils unterschiedlichen Konzentrationen der alkalischen Lösung oder mit jeweils unterschiedlichen Flüssigkeiten bzw. Elektrolyten in den Halbzellen 2, 3.
Die Membran 4 kann dabei derart robust ausgebildet sein, dass zwischen der anodischen Halbzelle 2 und der kathodischen Halbzelle 3 ein Differenzdruck im Bereich zwischen 0 bar und 100 bar anliegen kann. Insbesondere durch eine Füllung beider Halbzellen 2, 3 mit einem Elektrolyten bzw. mit Reinstwasser oder alkalischer Lösung ist die Aufnahme von derartigen Differenzdrücken begünstigt. Synergetisch dazu wird durch die Füllung beider Halbzellen 2, 3 die Sicherheit der Elektrolysevorrichtung 1 verbessert, da bei der Herstellung von unter freier Atmosphäre entflammbaren Produkten mittels der Füllung eine Flammsperre ausgebildet ist.
Unter Diffusionsvorgängen sind dabei all jene Transportvorgänge durch die Membran 4 bzw. durch die Membran-Elektroden-Einheit 7 zu verstehen, welche Gasdiffusion, Wassertransportmechanismen, Gaspermeation oder die Diffusion anderer Edukte oder Produkte der elektrochemischen Reaktion der Elektrolysevorrichtung 1 umfassen.
In diesem Sinne wird die Membran 4 bzw. die Membran-Elektroden-Einheit 7 nicht als aktives Mittel zur Strömungserzeugung gesehen. Auch der Eintrag von elektrischer Energie an den Elektroden 5, 6 und das Ausgasen bzw. das Herstellen von Produkten der elektrochemischen Reaktion und die durch die Produkte induzierte Strömung in den Halbzellen 2, 3 werden nicht als aktive Mittel zur Strömungserzeugung gesehen. Durch den Prozess der Elektrolyse entsteht an der Membran-Elektroden-Einheit 7 ein Stofftransport durch die Membran 4 auf Grund von Diffusionsvorgängen, welcher Stofftransport sich als passiver Effekt der elektrochemischen Reaktion bzw. der sich zwischen anodischer Halbzelle 2 und kathodischen Halbzelle 3 einstellenden Konzentrationsdifferenz der jeweiligen Lösungen oder Flüssigkeiten in den Halbzellen 2, 3 und einem daraus resultierenden osmotischen Druck ergibt.
Durch die Füllung beider Halbzellen 2, 3 mit Elektrolyten bzw. mit einer alkalischen Lösung oder mit Reinstwasser ist die Elektrolysevorrichtung 1 betriebsbereit. Die initiale Füllmenge an alkalischer Lösung ist in der kathodischen Halbzelle 3 und in einem, mit der kathodischen Halbzelle 3 fluidisch koppelbar Fluidkanal 8 und/oder einem Fluidtank aufnehmbar. Dadurch wird ein Aufnahmevolumen 9 definiert, welches von der initialen Füllmenge füllbar ist. Die initiale Füllmenge an alkalischer Lösung im Aufnahmevolumen 9 ist derart bemessen, dass die Membran-Elektroden-Einheit 7 kathodenseitig in einem Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung 1 zu jedem Zeitpunkt mit alkalischer Flüssigkeit benetzbar ist.
Unter Normalbetrieb ist hier ein Betriebszustand zu verstehen, bei welchem kontinuierlich ein Produkt wie beispielsweise molekularer Wasserstoff mittels elektrochemischer Reaktion hergestellt wird. Somit sind Betriebszustände wie beispielsweise Wartung, Spülung und dergleichen nicht als Normalbetrieb zu verstehen.
Die Menge an alkalischer Flüssigkeit im Aufnahmevolumen 9 erfährt im laufenden Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung 1 keine Umwälzung, keinen erzwungenen Kreislauf und/oder keine erzwungene Bewegung, welche durch aktive Mittel eingeleitet sind. Die Menge an alkalischer Flüssigkeit im Aufnahmevolumen 9 kann lediglich eine passiv induzierte Strömung erfahren, welche passiv induzierte Strömung aus der elektrochemischen Reaktion und/oder oben beschriebene Diffusionsvorgänge und/oder durch Ausgasen von Produkten der elektrochemischen Reaktion entstehen kann. In jedem Fall sind in den, das Aufnahmevolumen 9 bildenden Vorrichtungen oder Elementen keine aktiven Mittel zur Erzeugung einer Strömung während des Normalbetriebs vorgesehen. Es sei jedoch nicht ausgeschlossen, dass derartige aktive Mittel, wie beispielsweise eine Pumpe für einen anderen Betriebszustand vorgesehen sein können.
Weiters kann eine Abscheidevorrichtung 10 vorgesehen sein, welche Abscheidevorrichtung
10 mit dem Fluidkanal 8 fluidisch koppelbar ist. Mittels der Abscheidevorrichtung 10 kann gewährleistet werden, dass ein beim Prozess der Elektrolyse entstehendes Produkt bzw. Produktgas abgeführt werden kann, ohne dass die alkalische Lösung aus dem Aufnahmevolumen 9 ausgetragen wird.
Die initiale Füllmenge an alkalischer Flüssigkeit im Aufnahmevolumen 9 kann sich während dem Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung 1 durch Diffusionsvorgänge und die ablaufende elektrochemische Reaktion verändern. Im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung 1 wird dem Aufnahmevolumen 9 jedenfalls von außerhalb keine weitere alkalische Flüssigkeit zugefügt. Jedoch werden in einem eingeschwungenen und stationären Betriebszustand, welcher ebenfalls als Normalbetrieb zu verstehen ist, die Edukte bzw. wird das Edukt für die elektrochemische Reaktion zumindest zu einem Teil durch Diffusionsvorgänge durch die Membran-Elektroden-Einheit 7 bereitgestellt.
Somit entsteht die Notwendigkeit, dass zumindest ab einer gewissen Betriebsdauer der Elektrolysevorrichtung 1 auf der Seite der anodischen Halbzelle 2 im Falle von Wasserstoffelektrolyse Reinstwasser zugeführt wird. Die Diffusionsvorgänge können weiters begünstigt werden, indem die kathodische Elektrode 6 und/oder die kathodenseitige Oberfläche der Membran 4 hydrophil ausgebildet ist bzw. sind. Weiters können die Elektroden 5, 6 durch Aufbringen von katalytisch aktiven Materialien auf die Membran 4 hergestellt sein. Es ist auch denkbar, dass die Elektroden 5, 6 durch Aufbringen von katalytischen Materialien auf eine poröse Trägerstruktur wie beispielsweise ein Metallschaum hergestellt sind. Die Elektroden 5, 6 können in jedem Fall edelmetallfrei ausgebildet sein.
Die im Betrieb in der anodischen Halbzelle 2 befindliche Flüssigkeit kann wie bereits beschrieben Reinstwasser oder eine Lauge mit einer ersten Stoffmengenkonzentration im Bereich zwischen 0.1 mol/1 und 2 mol/1 sein. Als Lauge kann Natronlauge, Kalilauge oder eine andere Lauge mit ähnlichen elektrochemischen Eigenschaften verwendet werden. Die im Betrieb der Elektrolysevorrichtung 1 in der kathodischen Halbzelle 3 befindliche alkalische Lösung kann eine Lauge mit einer zweiten Stoffmengenkonzentration sein. Die erste Stoffmengenkonzentration kann gleich hoch oder höher als die zweite Stoffmengenkonzentration sein.
In der Fig. 2 ist ein Elektrolyse-Zellstapel 11 umfassend mehrere Elektrolysevorrichtungen 1 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in der vorangegangenen Fig. 1 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in der vorangegangenen Fig. 1 hingewiesen bzw. Bezug genommen.
Ein Elektrolyse-Zellstapel 11 kann mehrere aneinandergereihte anodische Halbzellen 2, ka- thodische Halbzellen 3 und Membran-Elektroden-Einheiten 7 umfassen. Die Aneinanderreihung der einzelnen beispielsweise plattenförmigen Einzelelemente kann in alternierender Reihenfolge sein, wobei jedenfalls die funktionelle Ausgestaltung von jeweils einer Elektrolysevorrichtung 1 im Verbund im Elektrolyse-Zellstapel 11 gewährleistet sein muss. Die kathodi- schen Halbzellen 3 des Elektrolyse-Zellstapels 11 können mittels zumindest einem Strömungskanal 12 fluidisch koppelbar sein. Die somit fluidisch koppelbaren kathodischen Halbzellen 3 und der zumindest eine Strömungskanal 12 definieren so ein Kathodenvolumen 13. Es kann auch vorgesehen sein, dass der zumindest eine Strömungskanal 12 mit einer weiteren Leitung oder einem Tank fluidisch koppelbar ist. Das Kathodenvolumen 13 kann so erweitert werden, um eine optimale Betriebsführung des Elektrolyse-Zellstapels zu gewährleisten, denn in jedem Fall sollte die alkalische Lösung die jeweilige Membran 4 einer kathodischen Halbzelle 3 im Normalbetrieb vollständig benetzen.
Analog zur Elektrolysevorrichtung 1 ist die initiale Füllmenge an alkalischer Lösung im Kathodenvolumen 13 ausschließlich durch Diffusionsvorgänge durch die Membran-Elektroden- Einheiten 7 und/oder durch elektrochemische Reaktion eines Edukts bzw. von Edukten bzw. der alkalischen Lösung in der Membran-Elektroden-Einheit 7 veränderbar.
In der Fig. 3 ist eine Elektrolyse- Anlage 14 umfassend mehrere Elektrolyse-Zellstapel 11 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den vorangegangenen Fig. 1 und Fig. 2 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in den vorangegangenen Fig. 1 und Fig. 2 hingewiesen bzw. Bezug genommen.
Die Elektrolyse- Anlage 14 kann eine Mehrzahl an Elektrolyse-Zellstapeln 11 umfassen, wobei die jeweiligen Kathodenvolumina 13 der einzelnen Elektrolyse-Zellstapel 11 mittels einer Verbindungsleitung 16 fluidisch koppelbar sind. Weiters sind die Kathodenvolumina 13 mit einer Gas- Abscheidevorrichtung 15 koppelbar. Die Gas-Abscheidevorrichtung 15 kann dazu eingerichtet sein, um Produktgas der Elektrolyse wie beispielsweise gasförmigen molekularen Wasserstoff abzuführen, ohne dabei die alkalische Lösung in den Kathodenvolumina 13 abzuführen. Die Kathodenvolumina 13 der Elektrolyse-Zellstapel 11 können weiters mit einem Tank fluidisch koppelbar sein. Jedenfalls gilt wiederum analog zur Elektrolysevorrichtung 1, dass die initiale Füllmenge an alkalischer Lösung in den Kathodenvolumina 13 ausschließlich durch Diffusionsvorgänge durch die Membran-Elektroden-Einheiten 7 und/oder durch elektrochemische Reaktion eines Edukts bzw. von Edukten bzw. der alkalischen Lösung in der Memb- ran-Elektroden-Einheit 7 veränderbar.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.
Der Schutzbereich ist durch die Ansprüche bestimmt. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können für sich eigenständige erfinderische Lösungen darstellen. Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1, oder 5,5 bis 10.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden. Bezugszeichenaufstellung
Elektrolysevorrichtung anodische Halbzelle kathodische Halbzelle Membran anodische Elektrode kathodische Elektrode
Membran-Elektroden-Einheit
Fluidkanal
Aufnahmevolumen
Ab Scheide vorrichtung
Elektrolyse-Zellstapel
Strömungskanal Kathodenvolumen
Elektrolyse- Anlage
Gas - Ab Scheidevorrichtung
V erbindung sleitung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Elektrolysevorrichtung (1) zur Herstellung von Wasserstoff durch elektrochemische Reaktion aus einer wässrigen, alkalischen Lösung,
— wobei die Elektrolysevorrichtung (1) eine anodische Halbzelle (2) und eine kathodische Halbzelle (3) umfasst,
— wobei die anodische Halbzelle (2) und die kathodische Halbzelle (3) mittels einer Membran (4) getrennt sind und die kathodische Halbzelle (3) von der alkalischen Lösung durchflutbar ist,
— und wobei die anodische Halbzelle (2) eine anodische Elektrode (5) umfasst und die kathodische Halbzelle (3) eine kathodische Elektrode (6) umfasst,
— wobei die anodische Elektrode (5), die kathodische Elektrode (6) und die Membran (4) eine Membran-Elektroden-Einheit (7) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass eine initiale Füllmenge an alkalischer Lösung in der kathodischen Halbzelle (3) im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung (1) ausschließlich durch Diffusionsvorgänge durch die Membran-Elektroden-Einheit (7) und/oder durch elektrochemische Reaktion der alkalischen Lösung in der Membran-Elektroden-Einheit (7) veränderbar ist.
2. Elektrolysevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) als eine Anionenaustauschermembran ausgebildet ist.
3. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die initiale Füllmenge an alkalischer Lösung in der kathodischen Halbzelle (3) und in einem, mit der kathodischen Halbzelle (3) fluidisch koppelbaren Fluidkanal (8) und/oder Fluidtank aufnehmbar ist, wodurch ein Aufnahmevolumen (9) definiert ist, wobei für die alkalische Lösung im Aufnahmevolumen (9) im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung (1) keine erzwungene Umwälzung, keinen erzwungenen Kreislauf und/oder keine erzwungene Bewegung, bis auf die, sich durch die elektrochemische Reaktion selbst einstellende Bewegung, erfahrbar ist.
4. Elektrolysevorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass keine, im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung (1) aktiven Mittel zum Umwälzen und/oder zum Pumpen der kathodenseitigen alkalischen Lösung vorgesehen sind.
5. Elektrolysevorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal (8) pumpenlos ausgebildet ist.
6. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die initiale Füllmenge der alkalischen Lösung in der kathodischen Halbzelle (3) derart bemessen ist, dass die kathodische Halbzelle (3) im Betrieb der Elektrolysevorrichtung (1) zu jedem Zeitpunkt vollständig mit der alkalischen Lösung geflutet ist.
7. Elektrolysevorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmevolumen (9) derart ausgebildet ist, dass die kathodische Halbzelle (3) der Elektrolysevorrichtung (1) im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung (1) jederzeit vollständig mit alkalischer Lösung geflutet ist, wobei eine Abscheidevorrichtung (10) mit dem Fluidkanal (8) fluidisch koppelbar ist, sodass das Austragen der alkalischen Lösung aus dem Aufnahmevolumen (9) beim Abtransport bzw. Abscheiden von Produktgas aus dem Aufnahmevolumen (9) verhinderbar ist.
8. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem eingeschwungenen und stationären Betriebszu stand der Elektrolysevorrichtung (1) die Zufuhr von Edukten für die elektrochemische Reaktion in der kathodischen Halbzelle (3) ausschließlich durch Diffusionsvorgänge der Edukte durch die Memb- ran-Elektroden-Einheit (7) bereitstellbar ist.
9. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Elektrode (6) und/oder eine kathodenseitige Oberfläche der Membran (4) hydrophil ausgebildet ist bzw. sind.
10. Elektrolysevorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Elektrode (5) und/oder die kathodische Elektrode (6) durch Aufbringen von katalytisch aktiven Materialien auf die Membran (4) und/oder durch Aufbringen von katalytisch aktiven Materialien auf mit der Membran (4) kontaktierten porösen Trägerstrukturen ausgebildet ist bzw. sind.
11. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Elektrode (5) und/oder die kathodische Elektrode (6) edelmetallfrei ist.
12. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der anodischen Halbzelle (2) Reinstwasser oder eine Lauge mit einer ersten Stoffmengenkonzentration im Bereich zwischen 0.1 mol/1 und 2 mol/1 bzw. insbesondere zwischen 0.5 mol/1 und 1 mol/1 aufnehmbar ist.
13. Elektrolysevorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die alkalische Flüssigkeit für die initiale Füllmenge in der kathodischen Halbzelle (3) eine Lauge mit einer zweiten Stoffmengenkonzentration ist, wobei die erste Stoffmengenkonzentration gleich hoch wie oder höher als die zweite Stoffmengenkonzentration ist.
14. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauge eine Kalilauge oder eine Natronlauge ist.
15. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Membran-Elektroden-Einheit (7) ein Differenzdruck zwischen anodischer Halbzelle (2) und kathodischer Halbzelle (3) aufnehmbar ist, wobei der Differenzdruck im Bereich zwischen 0 bar und 100 bar, bzw. insbesondere zwischen 5 bar und 30 bar liegt.
16. Elektrolyse-Zellstapel (11) umfassend mehrere aneinandergereihte anodische Halbzellen (2), kathodische Halbzellen (3) und Membran-Elektroden-Einheiten (7) entsprechend der, im Sinne der elektrochemischen Reaktion funktionellen Ausgestaltung der Elektrolysevorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodischen Halbzellen (3) mittels zumindest einem Strömungskanal (12) fluidisch koppelbar sind, wobei die kathodischen Halbzellen (3) und der zumindest eine Strömungskanal (12) ein Kathodenvolumen (13) ausbilden, wobei im Betrieb des Elektrolyse-Zellstapels (11) eine initiale Füllmenge an alkalischer Lösung im Kathodenvolumen (13) ausschließlich durch Diffusionsvorgänge durch die Membran-Elektroden-Einheiten (7) und/oder durch elektrochemische Reaktion eines Edukts bzw. von Edukten bzw. der alkalischen Lösung in den Membran-Elektroden-Einheiten (7) veränderbar ist.
17. Elektrolyse-Anlage (14) umfassend mehrere Elektrolyse-Zellstapel (11) gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyse-Anlage (14) zumindest eine Verbindungsleitung (16) bzw. einen Verbindungskanal umfasst, wobei die Kathodenvolumina (13) der Elektrolyse-Zellstapel (11) mittels der Verbindungsleitung (16) fluidisch koppelbar sind, wobei die Elektrolyse-Anlage (14) eine Gas-Abscheidevorrichtung (15) umfasst, wobei die Gas-Abscheidevorrichtung (15) mit den Kathodenvolumina (13) fluidisch koppelbar ist und dazu eingerichtet ist, um das mittels elektrochemischer Reaktion erzeugte Produkt aus der alkalischen Lösung abzuscheiden, wobei das Austragen der alkalischen Lösung aus den Kathodenvolumina (13) mittels der Gas-Abscheidevorrichtung (15) verhinderbar ist.
18. Elektrolyse-Anlage (14) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt molekularer Wasserstoff ist.
19. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff durch elektrochemische Reaktion aus einer wässrigen, alkalischen Lösung, umfassend die Verfahrens schritte:
- Bereitstellen einer Elektrolysevorrichtung (1), wobei die Elektrolysevorrichtung (1) eine anodische Halbzelle (2) und eine kathodische Halbzelle (3) umfasst, wobei die anodische Halbzelle (2) und die kathodische Halbzelle (3) mittels einer Membran (4) getrennt sind und die kathodische Halbzelle (3) von der alkalischen Lösung durchflutbar ist, wobei die anodische Halbzelle (2) eine anodische Elektrode (5) umfasst und die kathodische Halbzelle (3) eine kathodische Elektrode (6) umfasst, wobei die anodische Elektrode (5), die kathodische Elektrode (6) und die Membran (4) eine Membran-Elektroden-Einheit (7) bilden;
- Befüllen der anodischen Halbzelle (2) und Befüllen der kathodischen Halbzelle (3) mit einer initialen Füllmenge an alkalischer Lösung, sodass die Halbzellen (2, 3) vollständig geflutet sind bzw. sodass die Membran-Elektroden-Einheit (7) kathodenseitig vollständig in die alkalischer Lösung getaucht ist;
- Anlegen einer Spannung zwischen der anodischen Elektrode (5) und der kathodischen Elektrode (6); dadurch gekennzeichnet, dass die initiale Füllmenge an alkalischer Lösung in der kathodischen Halbzelle (3) im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung (1) bzw. bei angelegter Spannung zwischen der anodischen Elektrode (5) und der kathodischen Elektrode (6) ausschließlich durch Diffusionsvorgänge durch die Membran-Elektroden-Einheit (bzw. durch die Membran) (4) und/oder durch elektrochemische Reaktion der alkalischen Lösung in der Membran-Elektroden-Einheit (7) verändert wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Membran (4) eine Anionenaustauschermembran verwendet wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die initiale Füllmenge an alkalischer Lösung in der kathodischen Halbzelle (3) und in einem, mit der kathodischen Halbzelle (3) fluidisch gekoppelten Fluidkanal (8) und/oder Fluidtank aufgenommen wird, wodurch ein Aufnahmevolumen (9) definiert ist, wobei die alkalische Lösung im Aufnahmevolumen (9) im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung (1) keine erzwungene Umwälzung, keinen erzwungenen Kreislauf und/oder keine erzwungene Bewegung, bis auf die, sich durch die elektrochemische Reaktion selbst einstellende Bewegung, erfährt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung (1) keine aktiven Mittel zum Erzeugen einer Strömung der kathodenseitigen alkalischen Lösung verwendet werden, wobei die Membran-Elektroden-Einheit (7) davon ausgenommen ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, weiters umfassend den Verfahrensschritt:
- Bemessen der kathodenseitigen alkalischen Lösung derart, dass die kathodische Halbzelle (3) im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung (1) zu jedem Zeitpunkt vollständig mit der alkalischen Lösung geflutet wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, weiters umfassend den Verfahrensschritt:
- Zuführen einer Betriebsflüssigkeit in der anodischen Halbzelle (2), wobei die Betriebsflüssigkeit Reinstwasser und/oder eine wässrige, alkalische Lösung ist, wobei die Betriebsflüssigkeit im Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung (1) ausschließlich anodenseitig zugeführt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass als anodische Elektrode (5) eine edelmetallfreie Elektrode verwendet wird und/oder als kathodi- sche Elektrode (6) eine edelmetallfreie Elektrode verwendet wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass in der anodischen Halbzelle (2) Reinstwasser oder eine Lauge mit einer ersten Stoffmengenkonzentration im Bereich zwischen 0.1 mol/1 und 2 mol/1 bzw. insbesondere zwischen 0.5 mol/1 und 1 mol/1 aufgenommen wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass als alkalische Flüssigkeit für die initiale Füllmenge in der kathodischen Halbzelle (3) eine Lauge mit einer zweiten Stoffmengenkonzentration verwendet wird, wobei die erste Stoffmengenkonzentration gleich hoch wie oder höher als die zweite Stoffmengenkonzentration ist.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass als Lauge eine Kalilauge oder eine Natronlauge verwendet wird.
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