JP2014205914A - 電気分解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素ガスを発生させるための電気分解装置たとえば水の電気分解装置を提供する。【解決手段】少なくとも１つの電解セル（１２）と、少なくとも１つの吸着エレメント（２６）が設けられている。少なくとも１つの電解セル（１２）は、この電解セル（１２）から生成物流を導出するための少なくとも１つの生成物導出管（２０，２２）と接続されている。少なくとも１つの吸着エレメント（２６）は、生成物導出管（２０，２２）と連通ししており、電解セル（１２）の下流に配置されていて、生成物流に含まれる少なくとも１つの物質を吸着する。電解セル（１２）は、吸着エレメント（２６）によって少なくとも部分的に温度調整される。【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガスを発生させるための電気分解装置たとえば水の電気分解装置、電気分解方法ならびにそれらの使用に関する。

水素ガスは今日、多数の用途のために必要とされる。たとえば水素は、有利には工業製品の製造もしくはエネルギー産業に利用することができる。以下は限定的な例示ではないが、水素の用途として挙げられるのは、水素を出発材料として利用することで精製製品を製造すること、ディーゼルおよびガソリンの脱硫酸、ならびにオイルサンド精錬、あるいは石炭気化などである。さらに水素を、たとえば車両を駆動するための燃料電池を動作させるための燃料として利用することもできる。水素を発生させるために、たとえば水の電気分解を利用することが知られている。

たとえば文献DE 199 08 863 A1には、合成ガスを生成するための方法および装置が開示されている。この種の方法によれば、合成ガス生成のために固体電解質として繊維状の微小中空ファイバを用いて電気分解を行うことができる。この場合、微小中空ファイバの内面と外面に、アノードもしくはカソードを担持させることができる。さらに文献DE 10 2007 052 149 A1から、燃料電池ならびに燃料電池の加熱方法が公知である。この種の燃料電池によれば、電極に吸着蓄積器が設けられており、これは燃料が吸着したときに電極を加熱しようというものである。

DE 199 08 863 A1 DE 10 2007 052 149 A1

本発明の課題は、たとえば水の電気分解装置など水素ガスを発生させるための電気分解装置ならびに電気分解方法を提供することである。

本発明によればこの課題は、少なくとも１つの電解セルと、少なくとも１つの吸着エレメントが設けられており、前記少なくとも１つの電解セルは、該電解セルから生成物流を導出するための少なくとも１つの生成物導出管と接続されており、前記少なくとも１つの吸着エレメントは、前記生成物導出管と連通し前記電解セルの下流に配置され、前記生成物流に含まれる少なくとも１つの物質を吸着し、前記電解セルは、前記吸着エレメントによって少なくとも部分的に温度調整されることにより解決される。

電気分解装置とは、本発明の意図するところによれば、電気分解たとえば水の電気分解を実施可能な装置のことである。したがって電気分解装置には特に電解セルが含まれており、これは基本的にそれ自体公知にように構成することができる。基本的に電解セルとは、互いに逆極性とすることのできる２つの電極を有し、それらの電極が電解によるイオン伝導によって互いに結合されたもしくは結合可能な装置のことである。さらにこの場合、電極は導体を介して互いに導電接続されており、したがって電圧を加えることにより電気分解を行わせることができる。その際、電極、電気的な結合およびイオン伝導性の結合、もしくは電解質の詳細な構成は、要求される用途に殊に依存する。たとえば電解セルを、当業者に周知のアルカリ電解セルまたはＰＥＭ電解セルとすることができる。さらにこの場合、電解セルを１つの電解セルとしてもよいし、あるいは要求に合わせてつなげられた複数の電解セルから成るそれ自体公知のスタックとして設けることもできる。

さらに生成物導出管とは、本発明の意図するところによれば特に、たとえば管状構造物のような導管もしくは案内路のことであり、これを介して選択的に、電気分解装置により実行可能な電解の生成物を、あるいは生成物に伴って発生する物質を、電気分解装置から排出させることができる。このため生成物導出管はたとえば、電解セルもしくは電解セルのアノードチャンバおよび／またはカソードチャンバと連通している。

さらに本発明の意図するところによれば、生成物流に含まれる少なくとも１つの物質を吸着するための吸着エレメントとは特に、たとえば吸着材を有するまたは吸着材から成るエレメントを含むものであり、あるいはそのようなエレメントから成るものである。この場合、吸着材は有利には選択的に、生成物流に含まれるつまりは生成物導出管内で発生する１つまたは複数の物質を吸着する。この場合、電解生成物自体を、あるいはたとえば電気分解出発材料も、吸着エレメントによって吸着させることができる。

上述の電気分解装置により、以下のようにすることで電気分解方法を殊にダイナミックに実施することができる。すなわち上述の電気分解装置は、きわめて迅速に要求変更に整合可能であり、しかも必要とされる動作条件をきわめて迅速に遵守することができる。

この目的で既述の電気分解装置は少なくとも１つの電解セルを含んでおり、この電解セルは、そこから電解生成物を導出するための少なくとも１つの生成物導出管と接続されている。この場合、電解セルを上述のように構成することができる。これにより公知のようにして電気分解を実施可能であり、したがって特に電解水溶液から出発して電圧を加えることにより水を分解することができ、その際に電解生成物として水素ガスと酸素ガスが発生する。たとえば水素ガスと酸素ガスといった電解生成物を殊に互いに分離して、選択的にアノードチャンバおよび／またはカソードチャンバから導出できるようにする目的で、つまりは電気分解装置もしくは電解セルから案内できるようにする目的で、さらに少なくとも１つの生成物導出管が設けられている。この生成物導出管をたとえば管状構造物とすることができ、これをアノードチャンバもしくはカソードチャンバと連通させることができ、そのようにすることで電解生成物または電解生成物に伴って発生した物質を、生成物導出管を介して案内することができる。

さらに、生成物流に含まれる少なくとも１つの物質を吸着するための吸着エレメントが設けられており、これは電解セルの下流に配置されている。この吸着エレメントは、少なくとも１つの電解生成物または電解生成物に伴って発生する少なくとも１つの物質と、電気分解装置の動作中、接触状態になるように配置されている。したがって水の電気分解であれば、この事例は例示として挙げるだけであり、これに限定されるものではないが、吸着エレメントもしくは吸着エレメントの吸着材は、生成物としてたとえば水素ガスおよび／または酸素ガスを吸着することができ、生成物とともに発生する物質としてたとえば水を吸着することができる。たとえば吸着エレメントは、生成ガス排出管ないしは生成物導出管と連通しており、つまりガスを案内するようにこの導管と接触しており、この目的は特に、電解生成物または電解生成物とともに発生する物質を選択的に吸着するためである。この場合、吸着エレメントの吸着材は殊に、生成物流に含まれる少なくとも１つの物質を吸着するプロセスにおいて、吸着熱を放出するように構成されている。このようにして、少なくとも１つの電解生成物を吸着エレメントもしくは吸着エレメントの吸着材と接触状態におくことによって、吸着エレメントが規定どおりに熱を発生することができる。

そしてこのようにして放出された熱を、既述の電気分解装置において以下のように利用することができる。すなわちこの電気分解装置が、吸着エレメントによって少なくとも部分的に、つまり少なくとも局所的に制限されて、あるいは装置全体について、温度調整され、殊に加熱されるように、利用することができる。換言すれば、電気分解において発生する電解生成物または電解生物に付随して発生する物質が、吸着エレメントによって吸着されることによって、たとえば電解セルなど電気分解装置の少なくとも一部のエリアで自律的に動作する温度調整もしくは加熱を実現できるのである。

有利には既述の電気分解装置によって、要求された動作条件をきわめてダイナミックに生じさせることができる。詳しく説明すると、電気分解装置は多くのケースにおいて高温を必要とし、たとえば６０℃あるいはそれよりも高い領域の動作温度を必要とし、そのような温度は動作中、多くの場合には電気分解プロセスにおいて反応熱が発生することで、自律的に維持することができる。ただしここで問題となるのは、電気分解装置の始動であって、つまりは静止状態期間後に上述の温度まで電気分解装置を加熱することである。静止状態期間の長さ次第では、電気分解システムはスイッチオフされた後に冷えるケースも多く、その結果、電気分解システムの動作温度が損なわれ、短期間でスイッチオン状態にするのは不可能であり、もしくは電気分解装置の始動に付随して、反応温度に達するまで時間のロスが発生してしまう。

既述の電気分解装置に設けられた吸着エレメントによって、電気分解装置の加熱を著しく加速させることができる。なぜならば、電気分解装置が電気分解プロセスを開始するとただちに、この装置は反応熱によって加熱されるだけでなく、これに加えて吸着エレメントから放出される余熱によっても加熱されるからである。このようにして、電気分解装置がその動作温度に達するまでに要する時間を著しく短くすることができる。

さらにこの場合、吸着エレメントが電解セルの下流に配置されていることによって、吸着材の熱の蓄積をきわめて効果的に利用することができる。なぜならば吸着エレメントは、たとえばそれがセル自体の中に設けられている場合のように、たいていは冷たい電解質によってじかに冷却されるようなことがないからである。このため電解セルの加熱を、たとえば著しく迅速かつ効果的に進行させることができる。

その際にこのことを、付加的な加熱部材を設けることによってさらに強化できる。ただしそのような付加的な加熱部材は、著しく僅かなパワーを発生させるように構成することができる。さらにこのような加熱部材によって、吸着材により構成可能な吸着エレメントを再生させることができ、あるいは吸着エレメントの再生を加速することができる。

しかも、たとえば水の電気分解であれば、吸着エレメントによって水を吸着させることができ、ひいては、さらに別の乾燥手段が設けられていたとしても、それがまだ有利な動作点に到達していない場合でもすでに、吸着エレメントによって生成物流を洗浄することができる。

したがって、ダイナミックな始動あるいは様々な動作パラメータのダイナミックな設定が可能となるだけでなく、たとえば種々の動作態様に起因して負荷が交番したときなどに、種々の動作点をダイナミックに設定できるようになるだけでなく、断続的なプロセスも、つまり部分的に長い静止状態期間が必要とされ、あるいはそれが要求される可能性すらある電気分解プロセスも、既述の電気分解装置によって格段に改善することができる。

その際、このようは改善を、以下のような吸着材を備えた吸着エレメントを設けるだけで達成することができる。すなわち吸着材はたとえば選択的に、１つまたは複数の電解生成物を吸着するか、または電解生成物とともに生成物排出管に発生する１つまたは複数の物質を吸着し、その際に熱を放出する。この問題を取り除くための従来技術の解決手段を、ここでは省くことができる。たとえば温度調整循環路を省略することができる。そのような温度調整循環路は、殊に大きい熱慣性を得るために著しく大きいサイズの設計仕様となっており、そのようにして静止状態期間中の電気分解装置の冷却が緩慢になるようにしている。したがって、たとえば初回の始動時における加熱を、あるいは、大きな熱慣性ゆえにやはり難しくなる著しく長い静止状態期間後の始動時における加熱を、著しく迅速にすることができるとともに、これをいっそう僅かなエネルギーで行うことができる。しかも本発明による電気分解装置によれば、所要スペースを削減することができるし、さらには電気分解装置の製造時にかかるコストも、電気分解装置の動作時にかかるコストも、節約することができる。また、煩雑な熱的分離あるいは付加的な加熱システムを省くことができるし、あるいは付加的な加熱システムを、少なくとも格段に簡単に構成することができ、これによりやはりコストを下げることができる。

このため本発明による電気分解装置は、有利には分散型の使用にも適しており、つまり一例としては、燃料補給所でガソリンの代替として水素を発生させるのにも適している。

しかも既述の電気分解装置において、この種の吸着エレメントが熱によって再生可能である点を利用することができ、したがってそれらの吸着エレメントによって吸着される材料を再び脱着させることができる。つまりこの場合、電気分解プロセスにおいて発生した余熱によって、吸着材を再生することができ、たとえばこのような再生は、水の電気分解の実験的な事例であれば、吸着された水が取り除かれ、それによって吸着材が乾燥させられることによって行われる。電気分解装置を新たに始動させると、発生した水蒸気が再び加わり、これと同時に吸着材が加熱され、それによって既述のように加熱が加速される。

さらに別の利点として、適切に稼動されているかぎり過熱が発生する事態を排除できるので、煩雑な制御メカニズムが不要である点が挙げられる。それというのも、既述の吸着エレメントのエネルギー量は制限されていて、規定時間後には使い尽くされるからであり、さらに再生を実質的に自動的に行うことができるからである。

１つの実施形態によれば吸着エレメントを、温度調整媒体を案内する温度調整媒体導管と熱的に結合することができる。特にこの実施形態によれば、電気分解装置殊に電解セルの格別効果的な加熱を実現することができる。この場合、温度調整媒体導管を、特に要求された領域および電気分解に必要とされる領域を温度調整できるように構成可能である。温度調整媒体導管を備えた温度調整媒体循環路はいずれにせよ基本的に、電気分解装置を、ないしは厳密に電気分解装置のうち要求された動作温度にすべき個所を、温度調整するように構成されていることが多い。このことから、吸着エレメントを温度調整媒体導管にひいては温度調整媒体に熱的に結合することによって、吸着材の熱を電気分解装置の加熱のために簡単かつ効果的に利用することができる。この場合、熱的な結合が意味するのは殊に、吸着エレメントにおいて発生する熱を温度調整循環路の温度調整媒体に伝達可能である、ということである。例示であって限定を意図するものではないが温度調整媒体を、水を含有する温度調整媒体またはシリコーンオイルを含有する温度調整媒体としてもよいし、あるいは温度調整媒体として知られているその他の流体としてもよい。

その際、吸着エレメントが電解セルの下流に配置されていることから、効率をさらに高めることができる。その理由は、供給される電解質が電解セルの動作温度よりも低い温度であったとしても、電解セルの温度調整をたとえばそれとは無関係に、吸着材の加熱によってきわめて効果的に行うことができることによる。それというのも、吸着エレメントの加熱出力を実質的にすべて、損失なくあるいは大きな損失なく、温度調整媒体へ伝達できるからであり、つまりは電気分解装置の要求された領域に伝達できるからである。

さらに別の実施形態によれば、温度調整媒体が電解セルを動作させるための電解質を含むようにすることができる。殊にこの実施例によれば、きわめて簡単かつ有利なコストで、電解セルの加熱を実現することができる。なぜならば、殊にこの種のたとえば水性の電解質はいずれにせよ、加熱が最も効果的に行われる電解セルの中心に搬送されるからである。しかも殊に水性の電解質は、たとえば水の電気分解の場合に生じるように、殊に効果的な熱伝達媒体を成す可能性がある。さらにこの場合、殊に循環している導管において電解質が電解セルの上流で吸着エレメントによって加熱される場合に特に、電解質が電解セルに入ったとき、場合によっては冷たいあるいは冷やされた電解質によって電解セルが冷却されるような事態を、回避することができる。

さらに別の実施形態によれば、たとえば温度調整媒体導管と熱的に結合されたヒートパイプの外面を、吸着エレメントの吸着材によって被層することができる。殊にこの実施形態によれば、たとえば水素ガスまたは酸素ガスを含む生成物流を、場合によっては水とともにヒートパイプのところに、もしくはヒートパイプに沿って案内することができ、そのようにすることで、吸着エレメントもしくは吸着材を加熱するために、生成物流を吸着材と接触状態におくことができるようになる。たとえばヒートパイプを吸着材によって完全に被層することができ、少なくとも生成物流との接触領域において被層することができる。この実施形態によれば、吸着エレメントによって放出された熱を温度調整媒体へ、ひいては殊に電解セルへ、きわめて効果的に伝達することができ、このような伝達は、ヒートパイプが吸着エレメントと温度調整媒体との熱結合を成すことによって行われる。その際、吸着材により加熱されたヒートパイプは、さらに温度調整媒体をきわめて効果的に、かつごく僅かな熱損失で加熱することができるので、たとえば電解セルのような電気分解装置の加熱もきわめて効果的に行うことができる。熱パイプとも称するヒートパイプはそれ自体知られているように、気化熱を利用して高い熱流密度を生じさせる熱伝導体のことである。

さらに別の実施形態によれば、たとえば温度調整媒体導管と熱的に結合されたヒートパイプを、吸着エレメントの吸着材を有する集合体ないしは塊状物を通して案内することができる。この実施形態によれば、たとえば殊に高い熱容量を実現することができる。なぜならば、１つまたは複数の吸着材を含むか、または１つまたは複数の吸着材から成るようにすることができる集合体は、質量を要求どおりに設定可能であることから、熱容量をきわめて高くできるからである。したがってこの実施形態は、高い動作温度まで迅速に到達させるために殊に適している。本発明の意図するところによれば集合体とは殊に、固体粒子の混合物とすることができ、これは結合せずに混ぜ合わせた状態にしておいてもよいし、あるいはたとえばプレスやパッキングをするなどして、互いに結合させた状態にしておいてもよい。

さらに別の実施形態によれば、吸着エレメントを脱水装置と結合することができる。この実施形態によれば、水素を製造するという状況で電気分解装置を水の電気分解に適用する場合には殊に、電解セルをきわめて効果的に、かつきわめて高い信頼性を伴って、加熱することができる。なぜならばこの実施形態の場合、たとえばデミスタとも称する液滴分離器またはたとえばコールドトラップなどのような乾燥装置によって、生成物流から水を取り除き、それをそのまま吸着エレメントに供給することができ、そのことで殊に効果的な加熱を行うことができるからである。さらにこの場合、システムが動作温度になっていない間は、生成物流中に水はほとんど発生しない、ということに反応することができる。このためここで予期されるのは、いっそう多くの水が液滴として存在することである。したがってこの実施形態によれば、過剰な水を吸着材によって確実に捕捉することができる。システムが暖まった状態でスイッチオフされたときに可能なオプションとして、過剰な熱を乾燥に利用することが挙げられる。このようにすることによってこの実施形態では、たとえば液滴分離器などのように過剰に大きいサイズで設計された乾燥手段の設置を省くことができる。

さらに別の実施形態によれば、吸着エレメントを加熱可能な熱交換器を設けることができる。この実施形態の場合、電気分解プロセスの動特性を既述の電気分解装置によってなおいっそう改善することができる。殊に、この熱交換器によって電解セルを冷却可能であるならば、つまり電解セルの熱を受容可能であれば、たとえばガスなどの電解生成物がもはや生成されず生成物流がなくなったときに電気分解装置がスイッチオフされた後、システム中にまだ含まれている高温の熱を熱交換器が所期のように利用することができ、これによって吸着材を加熱し、ひいては吸着材再生のための条件を向上させることができる。このようにすることで、従来技術では基本的に望まれなかったプロセスすなわち静止状態期間におけるシステムの冷却を、むしろ望ましいものとすることができ、それを吸着材再生の目的で利用できるようになる。その際、別の選択肢として、あるいはこれに加えて、吸着エレメントにおける温度を所期のように高める目的で、電気分解システムもしくはシステムの温度調整循環路からの熱の供給などとともに、たとえば冷却を遮断することができる。

さらにこの実施形態によれば、吸着エレメントを温度調整するように構成された熱伝導体を設けることができる。この場合、熱伝導体はヒートパイプを有することができ、さらにヒートパイプと結合された熱伝導媒体たとえばプレート熱伝導体も有することができる。熱伝導媒体は、搬送されてきた水の熱をヒートパイプへ放出し、場合によっては、熱伝導体によって表されているように、電解セルに向けて案内する。たとえば、電気分解装置が短期間スイッチオフされて、吸着材自体が生成物流に含まれる成分との相互作用によって加熱されないときに、吸着材を加熱するために、このような熱伝導体を用いることができる。有利にはこのことを、熱伝導体が吸着エレメントから発せられたエネルギーを受容し、それを再び吸着エレメントに送出することによって実現できる。さらに熱伝導体が外部のエネルギーもしくは熱を利用して、吸着エレメントを加熱することもできる。したがってこの実施形態は殊に熱交換器とは異なるものである。なぜならば、この場合には熱を伝達するためだけに用いられ、冷却には用いられないからである。

さらに別の実施形態によれば、吸着エレメントは吸着材としてゼオライト材料を有することができる。殊にゼオライト材料は、たとえば食器洗浄機のガス体積流の湿気を取り除くために知られており、たとえばシリカゲルなどであって、有利なことにゼオライト材料は、物質が吸着したときに熱を放出させるのに適しており、それゆえこの材料は、電気分解装置の加熱に対しても非常に好ましく適したものである。しかもこの種の吸着材は、水の吸着に関して著しく効果的であり、そのためこの材料は、生成物流に含まれる水を吸着する目的で、殊に水の電気分解に適しているといえる。それというのも、水はたしかに水の電気分解の生成物ではないけれども、多くの場合には生成物流中に発生する。基本的に、要求される物質を熱を発生させながら吸着可能であり、その際にたとえば望ましい加熱に関して整合を行えるようなものとして、吸着材を選定することができる。このため吸着材の選定は基本的に、要求されているプロセスウィンドウ殊に温度範囲、圧力等に鑑みて行うことができる。

ここで明示的に述べておくと、さらに別の利点ならびに特徴に関しては、本発明による方法、使用法ならびに図面を参照しながら説明した以下の記載を参照されたい。また、本発明による電気分解装置の特徴および利点も、本発明による方法および本発明による使用法に適用できるものであり、それらは開示されたものとみなされるべきであって、その逆についてもあてはまる。また、明細書、特許請求の範囲および／または図面に開示された少なくとも２つの特徴のどのような組み合わせであっても、本発明の範囲内である。

さらに本発明は、以下のステップを有する電気分解方法にも関する。すなわち本発明による電気分解方法は、
ａ）電解セルを備えた電気分解装置を準備するステップと、
ｂ）少なくとも１つの電気分解出発材料を前記電解セルに注入するステップと、
ｃ）少なくとも１つの電解生成物を発生させながら電気分解を実施するステップと、
ｄ）生成物導出管と連通して前記電解セルの下流に配置され、生成物流に含まれる少なくとも１つの物質を吸着する吸着エレメントによって、前記電解セルを少なくとも部分的に温度調整するステップとを有する。

上述の方法によれば、たとえば水素ガスを生成するために、著しく簡単かつダイナミックな手法で電気分解を実施することができる。

このように本発明による方法は、ａ）電気分解装置を準備するステップを有している。その際、この電気分解装置は既述のように構成することができるので、この装置については対応する記載を参照されたい。

さらにステップｃ）によれば、電気分解が実施され、そのためにステップｂ）によれば、少なくとも１つの電気分解出発材料が電解セルに注入される。たとえば水素ガスを生成する目的で、ステップｃ）において水の電気分解が実施され、そのためにステップｂ）によれば、電気分解装置もしくは殊に電気分解装置の電解セルに、水が注入される。たとえば水が電解質とともに用いられ、例を挙げると濃縮された酸またはアルカリ液、たとえば水酸化カリウム水溶液または水性の硫酸などである。たとえば水の電気分解のためのパラメータには、７０℃以上９０℃以下の範囲の温度、１．９Ｖの範囲の電圧などが含まれ、このような電圧によって０．１５Ａ／ｃｍ²以上０．５Ａ／ｃｍ²以下の電流密度を生じさせることができる。なお、これらのパラメータは限定を意図するものではない。

ステップｄ）によれば、生成物流に含まれる少なくとも１つの物質を吸着するために、生成物導出管と連通し電解セルの下流に配置された吸着エレメントによって、電解セルが少なくとも部分的に温度調整される。これによって電解セルを著しく迅速かつダイナミックに、規定された動作条件たとえば規定された動作温度に向けて調整できるようになる。

その際、特に一時的につまりたとえば断続的に長い静止状態期間をもたせても、この方法を実施可能である。なぜならば既述の方法は、望ましい動作条件特に電解セルの動作温度を著しく迅速に生じさせることができる点で優れているといえるからである。

この場合、たとえば水の電気分解が行われた後でスイッチオフされたときに、１つまたは複数の電解セルを不活性ガスによって洗浄することができ、それによって酸水素ガスの形成を回避することができる。さらに吸着材の再生のために、これを用いることも可能である。

ここで明示的に述べておくと、さらに別の利点ならびに特徴に関しては、本発明による電気分解装置、使用法ならびに図面を参照しながら説明した記載を参照されたい。また、本発明による方法の特徴および利点も、本発明による電気分解装置および本発明による使用法に適用できるものであり、それらは開示されたものとみなされるべきであって、その逆についてもあてはまる。さらに明細書、特許請求の範囲および／または図面に開示された少なくとも２つの特徴のどのような組み合わせであっても、本発明の範囲内である。

さらに本発明は、既述のように構成された電気分解装置または既述のように構成された方法を、エネルギーの一時的な変換に用いる使用にも関する。

すでに述べたとおり、既述の電気分解装置もしくは既述の方法は、著しく迅速にもしくは著しくダイナミックに、要求された動作状態に到達させるためにきわめて適したものであり、もしくは電気分解装置を迅速に始動できるようにするためにきわめて適している。したがって既述の電気分解装置もしくは既述の方法は、断続的なプロセスもしくは一時的なプロセスのために特に好ましいかたちで適している。このような一時的な電気分解プロセス特に水の電気分解プロセスを、たとえばエネルギー発生もしくは電気エネルギー発生におけるエネルギーピークを捕捉するないしは受け止めるために、殊に有利に用いることができる。換言すればこのような使用法を、水素を発生させることにより電流回路から必要とされないエネルギーを変換するために用いることができる。この場合、水素をたとえば天然ガス網内に蓄積しておき、あとの時点でエネルギー源として利用することができる。

それゆえ既述の電気分解装置もしくは既述の方法は、このような使用法において殊に有利である。その理由は、とりわけ風力やソーラーエネルギーから回生型で生成される電流によって供給ピークが生じるからである。この場合、このような供給ピークを簡単かつダイナミックに、制御に対する要求を高めることなく捉えて、もしくは変換して準備することができる。ここでは特にエネルギーの変換が有利である。その理由は、電気分解装置たとえば水の電気分解装置は十分良好に設計されており、高い効率を有するからであり、これによれば定格電力の５％から１００％で水素を生成することができる。

したがって電気エネルギーの供給ピークを受け止めることによって、特にソーラーエネルギーによる電流または風力エネルギーによる電流をベースとする発電所のスイッチオンまたはスイッチオフを回避することができる。

既述の装置もしくは既述の方法は、特に分散型の利用に適しており、つまりこの場合、それらは風力発電施設またはソーラー発電施設の近くで稼動される。このことは、すでに詳しく説明したように、空間的な所要スペースを少ししかとらないという理由からもあてはまる。

なお、ここで明示的に述べておくと、さらに別の利点ならびに特徴に関しては、本発明による電気分解装置、本発明による方法ならびに図面を参照しながら説明した以下の記載を参照されたい。また、本発明による使用法の特徴および利点も、本発明による電気分解装置および本発明による方法に適用できるものであり、それらは開示されたものとみなされるべきであって、その逆についてもあてはまる。また、明細書、特許請求の範囲および／または図面に開示された少なくとも２つの特徴のどのような組み合わせであっても、本発明の範囲内である。

図面には、本発明のさらに別の利点ならびに有利な実施形態が示されており、それらについて以下で詳しく説明する。なお、図面は説明のためだけに用いるものであり、本発明を何らかの形で限定することを意図したものではないことに留意されたい。

電気分解装置の１つの実施形態を示す図 電気分解装置の別の実施形態を示す図 電気分解装置の別の実施形態を示す詳細図

図１には、直流電気槽ないしは電解槽のような電気分解装置１０の実施形態が示されている。このような電気分解装置１０は、たとえばエネルギーの一時的な変換のために利用可能であり、特に水素ガスの発生によりエネルギーピークを受け止めないしは蓄積するために利用することができる。

図１に示されている電気分解装置１０には殊に、少なくとも１つの電解セル１２が含まれており、図１による実施形態の場合であれば、セルスタック１４を成す複数の電解セル１２が含まれている。具体的には図１による実施形態の場合、６個の電解セル１２が設けられている。水の電気分解を行う目的で、これらの電解セル１２に水性電解質を充填することができ、さらにこれらの電解セル１２は電極１６，１８を有している。この場合、電圧を加えることにより、電極１６を正極つまりアノードとして、電極１８を負極つまりカソードとして接続することができる。

水の電気分解が行われると水素ガスと酸素ガスが発生し、水素ガスは生成物導出管２０を介して電解セル１２から、つまりは電気分解装置１０から導出可能である一方、酸素ガスは生成物導出管２２を介して電解セル１２から、つまりは電気分解装置１０から導出可能である。この場合、生成物導出管２０，２２はパイプ２４を有することができ、これは電解セル１２と連通しており、つまりは電解セル１２もしくはセルスタック１４のアノードチャンバおよび／またはカソードチャンバと連通している。

さらに少なくとも１つの吸着エレメント２６が設けられており、図１の実施形態によれば２つの吸着エレメント２６が設けられており、これはたとえばゼオライト材料を有しており、電気分解装置１０の動作時に生成物導出管２０，２２を通って発生する生成物流と相互作用が可能であり、それによって物質を吸着することができる。その際、吸着エレメント２６は、放出された吸着熱によって電気分解装置１０を少なくとも部分的に加熱することができる。

図１による実施形態の場合、１つまたは複数の吸着エレメント２６は、温度調整媒体を案内する温度調整媒体導管２８と熱的に結合されており、このようにして放出熱を電解セル１２内部へダイレクトに搬送することができる。たとえば温度調整媒体は、電解セル１２を動作させるための電解質を含むことができ、あるいはそのような電解質から成るようにすることができる。その際に熱的な結合は、たとえば熱伝導面などのような熱結合部３２を介して行うことができ、さらに１つまたは複数のヒートパイプ３４を介して熱交換器３６へと導かれ、そこにおいて温度調整媒体と接触させることができる。さらにこの場合、温度調整媒体を循環させるポンプ３８が、温度調整媒体循環路に含まれるように構成できる。

さらにこの図には、たとえばデミスタなどのような脱水装置４０も示されており、生成物流から水を除去するために、これを生成物導出管２０，２２のうち１つの導出管内に、または選択された導出管内に、あるいはすべての導出管内に配置することができる。その際、吸着エレメント２６を脱水装置４０と結合することができる。

図１には示されていないが、電解セル１２を冷却可能かつ吸着エレメント２６を加熱可能な熱交換器を、オプションとして設けることができる。

図２に示した電気分解装置の構成は、基本的には図１に示した実施形態に対応するので、同じ部材または同等の部材には対応する参照符号が付されている。

図２による実施形態は、図１に示した実施形態よりも簡略化されている。この場合にはたとえば温度調整媒体循環路が、特に電解質循環路が簡略化されている。その理由は、たとえばヒートパイプとして構成された熱交換器を、温度調整媒体循環路および生成物流路において省略することができるからである。この実施形態によれば、熱結合部３２が温度調整媒体循環路すなわち温度調整媒体導管２８とダイレクトに相互に作用する。このような相互作用は、たとえば温度調整媒体循環路２８を、熱結合部３２をダイレクトに通して案内することによって可能となり、これによって１つの構成ユニット内での相互作用を実現することができる。図２によればこのような構成は、吸着エレメントの蓄積能力と克服すべき熱容量とを適切な比率におくことによって行われる。そしてこのような構成は、温度調整媒体の体積が小さければ、殊にコンパクトにすることができる。

図３には、電気分解装置１０の１つの実施形態が詳しく示されている。これによれば、吸着エレメント２６この実施形態ではゼオライト蓄積器が、脱水装置４０たとえばデミスタと組み合わせられている。したがって脱水装置４０と吸着エレメント２６とによって、１つの乾燥モジュールを成している。

セルスタック１４の生成物流は、この乾燥モジュール全体を通して案内され、出口４２のところで排出される。水の電気分解による生成物流は、入口ではまだ湿っている。湿った生成物流はヒートパイプ３４に沿って案内され、ヒートパイプ３４の表面は、吸着材４４たとえばゼオライトによって被層されている。別の選択肢として、あるいはこれに加えて、たとえばゼオライトパッキンなどのように、吸着エレメント２６の吸着材４４を有する集合体ないしは塊状物を通して、ヒートパイプ３４を案内してもよい。

吸着材４４によっても受容しきれなかった過剰な水は、たとえばポンプサンプ４６において捕捉ないしは収集することができ、殊に水の電気分解の場合には、ポンプ４８を通って補助熱伝導体５０へと搬送することができる。その際、この熱伝導体５０にはヒートパイプ３４が含まれ、さらにヒートパイプ３４と結合された熱伝導媒体５２たとえばプレート熱伝導体も含まれている。熱伝導媒体５２は、搬送されてきた水の熱をヒートパイプ３４へ放出させ、場合によっては、熱伝導体５４によって表されているように、電解セル１２に向けて案内する。

１０ 電気分解装置
１２ 電解セル
１４ セルスタック
１６，１８ 電極
２０，２２ 生成物導出管
２４ パイプ
２６ 吸着エレメント
２８ 温度調整媒体導管
３２ 熱結合部
３４ ヒートパイプ
３６ 熱交換器
３８ ポンプ
４０ 脱水装置

Claims (10)

1. 水素ガスを発生させるための電気分解装置において、
   少なくとも１つの電解セル（１２）と、少なくとも１つの吸着エレメント（２６）が設けられており、
   前記少なくとも１つの電解セル（１２）は、該電解セル（１２）から生成物流を導出するための少なくとも１つの生成物導出管（２０，２２）と接続されており、
   前記少なくとも１つの吸着エレメント（２６）は、前記生成物導出管（２０，２２）と連通し前記電解セル（１２）の下流に配置され、前記生成物流に含まれる少なくとも１つの物質を吸着し、
   前記電解セル（１２）は、前記吸着エレメント（２６）によって少なくとも部分的に温度調整されることを特徴とする、
   電気分解装置。
2. 前記吸着エレメント（２６）は、温度調整媒体を案内するための温度調整媒体導管（２８）と熱的に結合されている、請求項１に記載の電気分解装置。
3. 前記温度調整媒体は、前記電解セル（１２）を動作させるための電解質を含む、請求項２に記載の電気分解装置。
4. たとえば前記温度調整媒体導管（２８）と熱的に結合されたヒートパイプ（３４）の外側が、前記吸着エレメント（２６）の吸着材（４４）によって被層されている、請求項２または３に記載の電気分解装置。
5. たとえば前記温度調整媒体導管（２８）と熱的に結合されたヒートパイプ（３４）が、前記吸着エレメント（２６）の吸着材（４４）を有する集合体を通って案内されている、請求項２から４のいずれか一項に記載の電気分解装置。
6. 前記吸着エレメント（２６）は脱水装置（４０）と結合されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の電気分解装置。
7. 熱交換器が設けられており、該熱交換器によって前記吸着エレメント（２６）を加熱可能である、請求項１から６のいずれか一項に記載の電気分解装置。
8. 前記吸着エレメント（２６）は、吸着材（４４）としてゼオライト材料を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の電気分解装置。
9. 電気分解方法において、
   ａ）電解セル（１２）を備えた電気分解装置（１０）を準備するステップと、
   ｂ）少なくとも１つの電気分解出発材料を、前記電解セル（１２）に注入するステップと、
   ｃ）少なくとも１つの電解生成物を発生させながら電気分解を実施するステップと、
   ｄ）生成物導出管（２０，２２）と連通して前記電解セル（１２）の下流に配置され、生成物流に含まれる少なくとも１つの物質を吸着する吸着エレメント（２６）によって、前記電解セル（１２）を少なくとも部分的に温度調整するステップと、
   を有することを特徴とする、電気分解方法。
10. エネルギーを一時的に変換するために使用する、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気分解装置（１０）または請求項９に記載の方法の使用。

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