DE102011002104A1

DE102011002104A1 - Elektrolyseur

Info

Publication number: DE102011002104A1
Application number: DE102011002104A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Kumatec Sondermaschb & Kunststoffverarbeitung GmbH; Kumatec Sondermaschinenbau & Kunststoffverarbeitung GmbH
Current assignee: Kumatec Sondermaschb & Kunststoffverarbeitung GmbH; Kumatec Sondermaschinenbau & Kunststoffverarbeitung GmbH
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2012-10-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur zur Erzeugung von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff mittels der Elektrolyse von Wasser. Er besteht aus einer Einzelzelle oder mehreren, elektrisch in Serie oder parallel geschalteten Einzelzellen, wobei eine Einzelzelle im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnete Zellkomponenten aufweist, wobei mindestens eine innere Elektrode, eine äußere Elektrode und eine Trennkomponente vorhanden sind. Die innere Elektrode weist eine vordefinierte geometrische Form mit Durchbrüchen, Bohrungen oder einer Perforation oder eine gasdurchlässige poröse Schicht auf. Die äußere Elektrode ist aus einer elektrisch leitenden und gasdurchlässigen Struktur aufgebaut. Die innere Elektrode wird von der äußeren Elektrode durch eine Trennkomponente, die als Diaphragma dient, abgetrennt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur zur Erzeugung von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff mittels der Elektrolyse von Wasser.
Die Erzeugung von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff mittels der elektrolytischen Zersetzung von Wasser, der Elektrolyse, ist seit langem bekannt und in der industriellen Anwendung bereits eingesetzt. Aus verschiedenen, zum Teil historisch bedingten Gründen wird in der Mehrzahl der Anlagen als Elektrolyt Kalilauge (KOH in Wasser) in einem Konzentrationsbereich von typisch etwa 25% bis 35% verwendet.
Es existieren auch seit einiger Zeit so genannte PEM (Polymerelektrolytmembran oder Proton-Exchange-Membrane)-Elektrolyseure verschiedener Hersteller.
Dieser, bekannte Stand der Technik weist verschiedene Vorteile, aber auch Nachteile auf. Ein wesentlicher Unterschied beider Verfahren ist die typische Stromdichte während des Betriebs, die im Fall der alkalischen Elektrolyseure im Bereich von etwa 0,2 bis 0,4 A/cm² und im Fall des PEM-Elektrolyseurs bis etwa 2 A/cm² betragen kann. Ein weiterer Unterschied ist die Reinheit der Produktgase, die bei der Elektrolyse entstehen.
Während im Falle des alkalischen Elektrolyseurs ein Diaphragma Anoden- und Kathodenraum voneinander trennt, ist dies im Falle des PEM-Elektrolyseurs eine ionenleitende Membran, die im Betrieb nahezu gasdicht ist, aber eine sehr gute Leitfähigkeit für Protonen und Wasser aufweist, die Anforderungen an ein Trennmaterial zwischen Anoden- und Kathodenraum daher sehr gut erfüllt.
Allerdings sind die Kosten der eingesetzten Materialien des PEM-Elektrolyseurs, vor allem die Katalysatoren sowie die eingesetzten Membranelektrolyte, im Vergleich mit den Kosten der Materialien im Falle eines alkalischen Elektrolyseurs sehr hoch, was zumindest bei stationärer Anwendung die alkalische Variante favorisiert.
Eine weitere Unterscheidung betrifft den Betriebsdruck. In der Mehrzahl der industriell installierten Anlagen handelt es sich um so genannte atmosphärische Elektrolyseure, bei denen die beiden Produktgase Sauerstoff und Wasserstoff bei nur geringem Überdruck anfallen, typischerweise etwa 20 mbar bis 50 mbar Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck. Dies bedeutet zwar in der Regel niedrigere Investitionskosten durch eine einfachere Anlagentechnik, erfordert auf der anderen Seite aber auch zusätzliche Kompressoren, sofern die Gase in verdichteter Form für die weitere Anwendung bereitgestellt werden sollen.
Aus diesem Grund werden von einigen Herstellern auch Elektrolyseure mit erhöhtem Betriebsdruck von etwa 15 bar bis 30 bar vertrieben. Diese Elektrolyseure weisen den Vorteil auf, dass zusätzliche Kompressoren zur Verdichtung der Produktgase je nach gewünschtem Entnahme- bzw. Speicherdruck ggf. nicht notwendig sind.
Der grundlegende Aufbau eines alkalischen Elektrolyseurs in der üblichen planaren Bauweise mit bipolar angeordneten Elektroden ist aus der Fachliteratur hinlänglich bekannt.
Aus der WO 2004 076 721 A2 ist ein Hochdruckelektrolyseur bekannt. Dieser Hochdruckelektrolyseur weist eine innere Elektrode in Form eines massiven Elektrodenkörpers auf. Dies hat zur Folge, dass zur Ableitung des entstehenden Produktgases an der inneren Elektrode ein ringförmiger Elektrolytraum um die innere Elektrode herum vorgesehen werden muss, in dem das entstehende Produktgas durch diesen Elektrolytraum nach oben ableitbar ist. Hierdurch kann aber eine so genannte „Zero Gap”-Anordnung mit möglichst geringem Abstand von Anode und Kathode nicht realisiert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es u. a., einen Elektrolyseur aufzuzeigen, der die vorgenannten Nachteile vermeidet, und möglichst kurze Wege für die stromtragenden Ionen zwischen den beiden Elektroden zu erreichen, was somit einen niedrigen Innenwiderstand ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei der vorliegenden Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und in vorteilhaften weiteren Ausgestaltungen durch die weiteren Patentansprüche gelöst.
Der erfindungsgemäße Elektrolyseur dient zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus der elektrochemischen Zersetzung von Wasser. Er besteht aus einer Einzelzelle oder mehreren, elektrisch in Serie oder parallel geschalteten Einzelzellen, wobei eine Einzelzelle im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnete Zellkomponenten aufweist, wobei mindestens eine innere Elektrode, eine äußere Elektrode und mindestens eine Trennkomponente vorhanden sind. Die innere Elektrode ist elektrisch gut leitend und weist eine definierte Form mit Durchbrüchen, Bohrungen oder einer andersartigen Perforation oder eine gasdurchlässige poröse Schicht oder Beschichtung eines gleichfalls gasdurchlässigen Elektrodenkörpers auf. Die äußere Elektrode ist ebenfalls aus einer elektrisch gut leitenden und gasdurchlässigen Struktur aufgebaut. Die innere Elektrode wird von der äußeren Elektrode durch die mindestens eine Trennkomponente abgetrennt.
Die definierte Form der inneren Elektrode ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vordefiniert und entspricht einer geometrischen Form.
Die äußere Elektrode nimmt in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weitgehend die Form der inneren Elektrode auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 2 ist vorgesehen, dass die innere Elektrode von der äußeren Elektrode durch die Trennkomponente getrennt angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 3 ist vorgesehen, dass die Trennkomponente als Diaphragma dient.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 4 ist vorgesehen, dass die innere Elektrode und/oder die äußere Elektrode eine nahezu identische Form haben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 5 ist vorgesehen, dass die Form der inneren Elektrode und/oder der äußeren Elektrode rohrförmig oder spiralförmig ist oder die innere Elektrode und/oder die äußere Elektrode ein Hohlkörper mit einer beliebigen Querschnittsfläche ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 6 ist vorgesehen, dass die Querschnittsfläche kreisförmig, quadratisch, rechteckförmig oder n-eckförmig ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 7 ist vorgesehen, dass die innere Elektrode die Sauerstoffelektrode ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 8 ist vorgesehen, dass die mindestens eine Trennkomponente mindestens eine elektrisch leitende Schicht oder mindestens eine nicht leitende Struktur auf einer der inneren oder äußeren Elektrode zugewandten Seite oder auf beiden Seiten aufweist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 9 ist vorgesehen, dass die Durchbrüche oder die Perforation Lochungen sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 10 ist vorgesehen, dass auf der inneren Elektrode weitere elektrisch leitende und gasdurchlässige Strukturen aufgebracht sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 11 ist vorgesehen, dass die weiteren elektrisch leitenden und gasdurchlässigen Strukturen aus Metallvlies, Drahtgewebe, Streckmetall, Carbon Cloth und/oder Metallschaum bestehen oder die weiteren elektrisch leitenden und gasdurchlässigen Strukturen durch Oberflächenmodifikationen geformt sind, wobei diese mittels katalytischen Beschichtungen oder katalytischen Aktivierungen oder Oberflächenvergrößerungen durch mechanische, chemische oder elektronische und/oder physikalische Verfahren in die Oberfläche der inneren Elektrode einbringbar sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 12 ist vorgesehen, die innere Elektrode, respektive der Körper der inneren Elektrode, aus einem rohrförmigen, gasdurchlässigen Kern aus einem elektrisch im Wesentlichen nicht leitenden Material, vorzugsweise einer porösen Keramik oder aus Kunststoff zu fertigen, welcher Durchbrüche, Bohrungen oder eine andersartige Perforation aufweist und auf der Oberfläche des rohrförmigen, gasdurchlässigen Kerns eine elektrisch gut leitende und gasdurchlässige Struktur in Form von Metalldrahtgewebe, Metallschaum, Kohlevlies, perforierter Graphitfolie, Streckmetall oder einem anderen geeigneten elektrisch gut leitenden und gasdurchlässigen Material aufweist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 13 ist vorgesehen, dass im Innern der inneren Elektrode mindestens ein im Wesentlichen stabförmiger elektrischer Leiter mit einer vorteilhaften Größe der Querschnittsfläche, so dass ein sehr geringer elektrischer Spannungsabfall entlang dieses Leiters im Betrieb des Elektrolyseurs ermöglicht wird, angeordnet ist und/oder um die äußere Elektrode mindestens ein von dieser beabstandet angeordneter äußerer elektrischer Leiter mit den o. g. Eigenschaften des Innenleiters angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 14 ist vorgesehen, dass der elektrische Leiter über Streben mit der Außenseite der inneren Elektrode elektrisch verbunden ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 15 ist vorgesehen, dass der äußere Bereich der inneren Elektrode aus einem biegsamen, elektrisch gut leitenden und gasdurchlässigen Material wie z. B. Kohlenstoffvlies, Metallvlies, einem metallischen oder kohlenstoffhaltigen Gewebe, einem Kompositwerkstoff oder Metallschaum besteht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 16 ist vorgesehen, dass die mindestens eine Trennkomponente aus einer mikro- oder nanoporösen Keramik oder einer mikro- oder nanoporösen Membran besteht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 17 ist vorgesehen, dass die Membran im Wesentlichen aus Polypropylen, PTFE, Polysulfon, Polyethersulfon oder einem anderen alkalibeständigen Material mit Porengrößen zwischen etwa 0,05 und 10 μm besteht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 18 ist vorgesehen, dass die innere Elektrode mit einem Material beschichtet oder umwickelt ist, welches als Trennmaterial zwischen Anoden- und Kathodenraum des Elektrolyseurs dient und in einem alkalischen Elektrolyseur einsetzbar ist, wozu es eine chemische Beständigkeit gegenüber dem eingesetzten Elektrolyten aufweist und zugleich eine gute Durchlässigkeit für den Elektrolyten bzw. die entsprechenden Ionen des Elektrolyten aufweist, so dass der durch den Ionentransport bestimmte Anteil des Innenwiderstandes in einem niedrigen Wertebereich liegt und eine sehr geringe Durchlässigkeit der beiden Produktgase Sauerstoff und Wasserstoff aufweist, wobei die Beschichtung mittels Tauchverfahren, Aufspritzverfahren oder Kondensationsverfahren aufbringbar ist und ein mikro- oder nanoporöses Polymer oder eine mikro- oder nanoporöse keramische Folie ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 19 ist vorgesehen, dass der elektrische Leiter im Innern der inneren Elektrode und der äußere elektrische Leiter einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand aufweisen, wodurch der elektrische Spannungsabfall entlang der äußeren Elektrode bzw. der inneren Elektrode unter den üblichen Betriebsbedingungen eines Elektrolyseurs unterhalb von 50 mV, vorzugsweise unterhalb von 20 mV, verbleibt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 20 ist vorgesehen, dass der Elektrolyseur ein druckfestes Gehäuse aufweist und bei Betriebsdrücken von mindestens 30 bar betrieben werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele und exemplarisch anhand der beigefügten Figuren 1 bis 11 näher erläutert. Diese Beschreibung der Erfindung anhand der konkreten Ausführungsbeispiele stellt keine Limitierung der Erfindung auf eines dieser konkreten Ausführungsbeispiele dar. Die Ausführungsbeispiele zeigen die Erfindung anhand diverser Ausführungsformen und zum Teil in spezifischen Ausgestaltungen.
Es zeigen:
1 bis 8 jeweils einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung einer Zelle eines Elektrolyseurs; und
9 bis 11 schematisch den Gesamtaufbau einer Zelle eines Elektrolyseurs.
Bei der Figurenbeschreibung wurden bei den Figuren, 1 bis 11, soweit möglich, für gleiche Elemente identische Bezugszeichen verwendet. Dies ermöglicht eine einfachere Darstellung und eine bessere Verständlichkeit der Erfindung.
In 1 ist der Aufbau einer Einzelzelle 100 eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs dargestellt. Die Einzelzelle 100 besteht aus einer inneren Elektrode 1. Die innere Elektrode 1 ist in der in 1 gezeigten Ausgestaltung als Lochblechrohr ausgeführt. Die Löcher 10 sind in die innere Elektrode 1 in Form von Bohrungen eingebracht. Die Einzelzelle 100 befindet sich in einem in 1 nicht dargestellten Elektrolyten.
Die innere Elektrode 1 steht mit ihrer Außenseite in unmittelbarem Kontakt mit einer als Diaphragma wirkenden Komponente 2. Diese Komponente 2 kann beispielsweise ein um das Lochblechrohr, das die innere Elektrode 1 bildet, gewickeltes Spinnvlies aus einem laugenbeständigen Material oder eine mikroporöse Membran, z. B. Polysulfon oder Polyethersulfon, sein. Die innere Elektrode 1 besteht vorzugsweise aus einem elektrisch sehr gut leitenden Material, typischerweise einem Metall, Graphit oder auch einem elektrisch sehr gut leitenden Kompositwerkstoff. Die Komponente 2 dient zugleich als Abstandshalter und Abgrenzung der inneren Elektrode 1 von der äußeren Elektrode 3. Die Komponente 2 kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung als mindestens eine Trennkomponente ausgestaltet sein. Die Trennkomponente kann sodann auch als Abstandshalter dienen.
Das beim Betrieb des Elektrolyseurs an der äußeren Oberfläche der inneren Elektrode entstehende Produktgas gelangt durch die Löcher 10 der inneren Elektrode 1 in das Innere der inneren Elektrode 1 und wird in deren Innenraum, der sich durch die Rohrform der inneren Elektrode 1 ausbildet, an das obere Ende der inneren Elektrode abgeführt. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Bohrungen oder Löcher 10 in einem zur Horizontalen abweichenden Winkel in Richtung der Oberseite der inneren Elektrode einzubringen.
Ein Aspekt des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs ist es, dass die entstehenden Produktgase bereits beim Elektrolyseprozess voneinander getrennt werden, indem das eine entstehende Gas nahezu vollständig an der Innenseite der inneren Elektrode 1 entsteht und das andere entstehende Gas an der Außenseite der äußeren Elektrode 3 entsteht. Die Gase steigen entlang der Elektroden 1, 3 im Elektrolyseur nach oben und können dort getrennt abgeleitet werden.
Die äußere Elektrode 3 besteht ebenfalls aus einem elektrisch sehr gut leitenden Material. Die äußere Elektrode 3 ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung aus einem Metalldrahtgewebe von beliebiger Webart, beispielsweise Quadratmaschengewebe, Köpertresse in verschiedenen Varianten oder ähnlichem ausgebildet. Im Weiteren ist es möglich, einen Metallschaum, ein metallisches oder auch kohlenstoffhaltiges Vlies, ein Streckmetall, eine perforierte metallische oder Graphitfolie oder auch ein dünnes perforiertes Blech einzusetzen. Diese Materialien sind von außen ebenfalls in unmittelbarem Kontakt mit der als Diaphragma wirkenden Komponente 2 angeordnet, d. h. im Wesentlichen konzentrisch um die innere Elektrode 1. Wichtige Merkmale der äußeren Elektrode 3 sind daher ebenso, wie im Fall der inneren Elektrode 1, eine gute elektrische Leitfähigkeit des verwendeten Werkstoffes, sowie eine gute Durchlässigkeit für das an dieser Elektrode 3 entstehende Produktgas, vorzugsweise für den Wasserstoff, so dass der Anteil des Produktgases, der an der dem Diaphragma 2 zugewandten Seite der Oberfläche der äußeren Elektrode 3 entsteht, leicht durch die Durchbrüche, die sich ausbilden durch die Perforation bei dünner metallischer Folie, bei Maschen im Fall des Quadratmaschengewebes, bei den Poren im Fall des metallischen Schaums usw., der äußeren Elektrodenstruktur in den angrenzenden Elektrolytraum eintritt und dort nach oben aufsteigt.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einzelzelle 100 dargestellt. Zur Vergrößerung der Elektrodenoberfläche der inneren Elektrode 1, sowie zur Verbesserung des Gasabtransportes von den Orten der Gasentstehung an der äußeren Oberfläche der inneren Elektrode 1 in den Innenraum der inneren Elektrode 1 werden um die innere Elektrode 1 Lochbleche oder weitere Materialien 101, wie beispielsweise Metallgewebe, Streckmetalle, Metallvliese, Metallschaum, kohlenstoffhaltige Vliese oder andere elektrisch gut leitende und dabei gasdurchlässige Materialien angeordnet. Hierdurch entsteht eine geringere spezifische Stromdichte bei identischen geometrischen, makroskopischen Stromdichten, d. h. eine Verbesserung des Umsetzungswirkungsgrades. Um die weiteren Materialen 101 ist wiederum die Komponente 2, die als Diaphragma wirkt, angeordnet. An die Komponente 2 ist konzentrisch die äußere Elektrode 3 angeordnet. Die innere Elektrode 1 ist wiederum als Lochblechrohr ausgeführt.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform einer Einzelzelle 100 dargestellt. Die innere Elektrode 1 besteht aus einem Kern 1a und ist von einem Metalldrahtgewebe, einem Metallvlies, einer perforierten Metall- oder Graphitfolie, einem metallischen Lochblech oder einem anderen elektrisch leitenden Material 101a umgeben. Der nicht leitende Kern 1a ist beispielsweise aus Keramik gebildet und bildet ein poröses Keramikrohr. Es kann aber auch ein mit Bohrungen oder anderen Perforationen 10a versehenes Kunststoffrohr den Kern 1a bilden. Der Kern 1a wird vom Metalldrahtgewebe, vom Metallvlies, der perforierten Metall- oder Graphitfolie, dem metallischen Lochblech oder dem elektrisch leitenden Material 101a formschlüssig umschlossen. Die Aufbringung auf den Kern 1a erfolgt zum Beispiel durch eine Umwicklung oder eine andere geeignete im Wesentlichen formschlüssige Aufbringung. Die äußere Elektrode 3 besteht wiederum aus einem elektrisch leitenden Material. Es ist wiederum die als Diaphragma arbeitende und wirkende Komponente 2 angeordnet. Die innere Elektrode 1 steht mit ihrer Außenseite in unmittelbarem Kontakt mit einer als Diaphragma wirkenden Komponente 2. Diese Komponente 2 kann beispielsweise ein um die innere Elektrode 1 gewickeltes Spinnvlies aus einem laugenbeständigen Material oder eine mikroporöse Membran, z. B. Polysulfon oder Polyethersulfon, sein. Die Komponente 2 dient zugleich als Abstandshalter und Abgrenzung der inneren Elektrode 1 von der äußeren Elektrode 3.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Einzelzelle 100 dargestellt. Die innere Elektrode 1 kann in dieser Ausführungsform aus einem porösen, elektrisch gut leitenden Material 4, wie z. B. einem Metallschaum, bestehen. Der Gasabtransport im Inneren dieser porösen Struktur findet in der Weise statt, dass das durch die Elektrolyse an der inneren Elektrode gewonnene Produktgas durch die Poren 40 oder Hohlräume im Material 4, die miteinander verbunden sind, nach oben steigt.
Die als Diaphragma wirkende Komponente 2 ist entweder in unmittelbarem Kontakt zur äußeren Oberfläche der inneren Elektrode 1 und deren porösen Struktur angeordnet oder aber es ist eine u. a. als Abstandshalter wirkende Komponente 5 auf die Oberfläche der inneren Elektrode 1 aufgebracht. Die zusätzliche Komponente 5 kann ein laugenbeständiges Kunststoffgewebe (Abstandshalter bzw. Schutz des Diaphragmas vor mechanischer Beschädigung) oder auch sehr feinmaschiges Metallgewebe (Schaffung einer glatteren Oberfläche der inneren Elektrode) sein. Die äußere Elektrode 3 besteht wiederum aus einem elektrisch sehr gut leitenden Material. Es ist außerdem die als Diaphragma wirkende Komponente 2 angeordnet.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einzelzelle 100 dargestellt. Die Ausführungsform gemäß 5 führt zu einer Verbesserung der elektrischen Volumenleitfähigkeit der inneren Elektrode 1. Zwecks Verringerung des ohmschen Spannungsabfalls zwischen der Stelle der Stromeinleitung, welche typischerweise am oberen Ende der inneren Elektrode 1 erfolgt, ist vorgesehen, dass an diversen Stellen entlang der inneren Elektrode 1 eine Stromeinleitung ermöglicht wird. Insbesondere zur Vermeidung von Spannungsabfällen von mehr als 50 mV entlang der inneren Elektrode 1 sowie zwecks Gewichtsreduktion der Gesamtanordnung ist vorgesehen, die innere Elektrode 1 mehrteilig aufzubauen. Die innere Elektrode 1 weist daher einen geometrischen Grundkörper auf, der eine quadratische, rechteckförmige, runde oder andersartige geometrische Querschnittform aufweist und innen einen Hohlraum ausbildet. Im Hohlraum der inneren Elektrode 1 ist ein Innenleiter 6 vorhanden. Der Innenleiter 6 ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung als massiver Leiter ausgebildet. Der Innenleiter 6 ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mittig in der inneren Elektrode 1 angeordnet. Der Innenleiter 6 ist mit dem restlichen Elektrodenkörper der inneren Elektrode 1 über Streben 60 elektrisch verbunden. Die Streben 60 dienen zugleich zum Führen und Stützen des Innenleiters 6 und stabilisieren diesen. Die äußere Elektrode 3 und die als Diaphragma wirkende Komponente 2 sind in der bereits beschriebenen Weise angeordnet.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einzelzelle 100 dargestellt. Das Ausführungsbeispiel gemäß 5 und die dortige Gestaltung der inneren Elektrode 1 mit dem inneren Kern 6, zwecks der Verbesserung der elektrischen Potentialverteilung entlang des Aufbaus der inneren Elektrode 1, eignet sich insbesondere für Anordnungen gemäß der Ausführungsbeispiele 2 und 3 Bei diesen Ausführungsbeispielen ist die innere Elektrode 1 im Wesentlichen aus einer relativ dünnen Schicht von metallischem Drahtgewebe oder einer anderen elektrisch gut leitenden und dabei gasdurchlässigen Struktur gebildet, deren elektrischer/ohmscher Widerstand über die Länge der gesamten inneren Elektrode 1, bei den üblichen Werten der für den Elektrolysebetrieb anzusetzenden Ströme, einen elektrischen Spannungsabfall bedingt, der durch den zusätzlichen Innenleiter 6 mit entsprechend großer Querschnittsfläche vorteilhaft verringert werden kann.
Dies ist in 6 dargestellt. Die äußere Elektrode 3 besteht wiederum aus einem elektrisch sehr gut leitenden Material. Es ist wiederum die als Diaphragma wirkende Komponente 2 angeordnet.
In 7 ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Ausgestaltung der Einzelzelle 100 nach den Ausführungen der Einzelzelle 100 gemäß 5 und 6 der Kern 1a der inneren Elektrode 1 innen hohl ausgestaltet und im Innern des Kerns ist der Innenleiter 6 angeordnet, der aus einem elektrisch gut leitenden Material, typischerweise einem beschichteten, oberflächenmodifizierten oder unbeschichteten oder nicht oberflächenmodifizierten Metall oder einer Legierung besteht. In gewissen, vorteilhaft vordefinierten Abständen, sind elektrisch sehr gut leitende Streben 60 angeordnet, welche die elektrische Verbindung zwischen den auf dem Kern 1a angeordneten Strukturen 101a und dem Innenleiter 6 herstellen. Es sind außerdem die äußere Elektrode 3, bestehend aus einem elektrisch leitenden Material, und die als Diaphragma wirkende Komponente 2 angeordnet.
In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einzelzelle 100 dargestellt. Der Kern 1a der inneren Elektrode 1 ist innen hohl ausgestaltet und im Innern des Kerns 1a ist der Innenleiter 6 angeordnet, der aus einem elektrisch sehr gut leitenden Material besteht. In gewissen, vorteilhaft vordefinierten Abständen sind elektrisch sehr gut leitende Streben 60 angeordnet, welche die elektrische Verbindung zwischen den auf dem Kern 1a angeordneten Strukturen 101a und dem Innenleiter 6 herstellen. Die im Wesentlichen aus relativ dünnen Strukturen aufgebaute äußere Elektrode 3 ist ähnlich der inneren Elektrode 1 gemäß 6 und ist elektrisch mit einem oder einer Reihe weiterer elektrischer Leiter (9) verbunden, die an die äußere Elektrode 3 angrenzen, um den Spannungsabfall entlang der äußeren Elektrode 3 zu verringern.
Dies kann z. B. durch ein um die innere Elektrode 1 sowie um die daran angrenzende und als Diaphragma wirkende Komponente 2 formschlüssig aufgebrachtes Lochblech 7 oder durch eine Reihe von elektrisch gut leitenden Bändern, z. B. Streifen von Lochblechen, realisiert werden, die ihrerseits wiederum im elektrischen Kontakt mit einem massiven zusätzlichen Leiter 9 stehen, um den Spannungsabfall zwischen dem typischerweise oben angeordneten Ort der Stromeinleitung bzw. des Stromabgriffs der äußeren Elektrode 3 und dem anderen, vorzugsweise unten angeordneten Ende der äußeren Elektrode 3 zu reduzieren, typischerweise auf Werte unterhalb von 50 mV, vorzugsweise auf Werte unterhalb von 20 mV.
In 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einzelzelle 100 dargestellt. Es ist die äußere Elektrode 3 in Form eines Lochbleches 7, eine Lochung 70 aufweisend, vorgesehen. Der Kern 1a der inneren Elektrode 1 ist innen hohl ausgestaltet und im Innern des Kerns 1a ist der Innenleiter 6 angeordnet. In gewissen vorteilhaft vordefinierten Abständen sind elektrisch sehr gut leitende Streben 60 angeordnet, welche die elektrische Verbindung zwischen den auf dem Kern 1a angeordneten Strukturen 100, 101a und dem Innenleiter 6 herstellen.
Es kann ein zusätzlicher elektrischer Leiter 9 angeordnet sein, welcher mit der äußeren Elektrode 3 elektrisch verbindbar ist. Dieser elektrische Leiter 9 ist in einem definierten Abstand zur äußeren Oberfläche der äußeren Elektrode 3 angeordnet. Der elektrische Leiter kann als metallischer Rundstab oder andersartig geformte Stange, als Rohr usw. aus einem elektrisch sehr gut leitenden Material, z. B. Kupfer oder Aluminium, welches zwecks Korrosionsvermeidung mit einer geeigneten Beschichtung, z. B. Nickel, versehen ist, ausgebildet sein.
In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einzelzelle 100 dargestellt. Es ist ein zusätzlicher elektrischer Leiter 9 angeordnet, welcher mit der äußeren Elektrode 3 elektrisch verbunden ist. Die elektrische Verbindung erfolgt mittels einer Reihe von elektrisch gut leitenden Bändern oder Streifen 8 von Lochblech, welche Löcher 80 aufweisen. Es sind der innere Leiter 6 und die innere Elektrode 1, sowie die Komponente 2 dargestellt.
Wie ausgeführt, sind in den Figuren 8 bis 10 mögliche Ausgestaltungen der äußeren Elektrode 3 bzw. der oder des zusätzlich angebrachten elektrischen Leiters 9 zur Verminderung des Spannungsabfalls entlang der äußeren Elektrode 3, sowie ein Querschnitt/Ausschnitt aus der gesamten Anordnung dargestellt.
In 11 ist der schematische Gesamtaufbau, d. h. der gesamte Aufbau und die Elektrodenanordnung dargestellt. Die Einzelzelle 100, wie in 10 dargestellt und beschrieben, ist in einem druckfesten Gehäuse 10 angeordnet. Durch die Anordnung in dem druckfesten Gehäuse 10 kann der Elektrolyseur als Hochdruckelektrolyseur betrieben werden. Die durch die Elektrolyse entstehenden Gase werden mit dem im Elektrolyseur herrschenden Innendruck aus diesem ausgeleitet und können, ggf. nach einer Nachbehandlung wie Trocknung, Feinreinigung etc. direkt in einen Gasdruckbehälter unter Druck geleitet und dort gespeichert werden. Es kann somit ein Kompressor, der die beim Elektrolyseprozess entstehenden Prozessgase vor der Speicherung in einem Gastank komprimiert, entfallen. Der Elektrolyseur ist für Drücke von mindestens 30 bar, vorzugsweise jedoch 300 bar und höhere Drücke ausgelegt.
In sämtlichen vorgenannten Ausführungsbeispielen kann zu beiden Seiten der als Diaphragma wirkenden Komponente 2 zusätzlich eine elektrisch leitende oder auch nicht leitende Komponente, z. B. ein Gewebe aus einem gegenüber dem Elektrolyten chemisch beständigen Kunststoff, eingebracht werden, zum einen um den Gasabtransport von den aktiven Metalloberflächen jeweils nach außen, d. h. in das Innere der jeweiligen Elektrolyträume, Anodenraum und/oder Kathodenraum, zu unterstützen, zum anderen aber auch um die als Diaphragma wirkende Komponente 2 vor Beschädigungen zu schützen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2004076721 A2 [0010]

Claims

Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus der elektrochemischen Zersetzung von Wasser, bestehend aus einer Einzelzelle oder mehreren, elektrisch in Serie oder parallel geschalteten Einzelzellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzelle (100) aus im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordneten Zellkomponenten (1, 1a, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 10a, 40, 60, 70, 80, 101, 101a) besteht und zumindest eine innere Elektrode (1), eine äußere Elektrode (3) und mindestens einer Trennkomponente (2) aufweist, wobei die innere Elektrode (1) elektrisch leitend ist und eine definierte Form mit Durchbrüchen (10) oder Bohrungen oder eine Perforation (10a) oder eine gasdurchlässige poröse Schicht oder eine Oberflächenstruktur aufweist und die äußere Elektrode (3) aus einer elektrisch leitenden und gasdurchlässigen Struktur aufgebaut ist.
Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Elektrode (1) von der äußeren Elektrode (3) durch die Trennkomponente (2) getrennt angeordnet ist.
Elektrolyseur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkomponente (2) als Diaphragma dient.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Elektrode (1) und die äußere Elektrode (3) eine nahezu identische Form haben.
Elektrolyseur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der inneren Elektrode (1) und/oder der äußeren Elektrode (3) rohrförmig oder spiralförmig ist oder die innere Elektrode (1) und/oder die äußere Elektrode (3) ein Hohlkörper mit einer beliebigen Querschnittsfläche ist.
Elektrolyseur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche kreisförmig, quadratisch, rechteckförmig oder n-eckförmig ist.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Elektrode (1) die Sauerstoffelektrode ist.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkomponente (2) mindestens eine elektrisch leitende Schicht oder mindestens eine nicht leitende Struktur auf einer der inneren oder äußeren Elektrode (1, 3) zugewandten Seite oder auf beiden Seiten aufweist.
Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (10) oder die Perforation (10a) Lochungen sind.
Elektrolyseur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der inneren Elektrode (1) weitere elektrisch leitende und gasdurchlässige Strukturen aufgebracht sind.
Elektrolyseur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren elektrisch leitenden und gasdurchlässigen Strukturen aus Metallvlies, Drahtgewebe, Streckmetall, Carbon Cloth und/oder Metallschaum bestehen oder die weiteren elektrisch leitenden und gasdurchlässigen Strukturen durch Oberflächenmodifikationen geformt von katalytischen Beschichtungen oder katalytischen Aktivierungen oder Oberflächenvergrößerungen durch mechanische, chemische oder elektronische und/oder physikalische Verfahren in die Oberfläche der inneren Elektrode (1) einbringbar sind.
Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) der inneren Elektrode aus einem rohrförmigen, gasdurchlässigen Kern aus einem elektrisch im Wesentlichen nicht leitenden Material, vorzugsweise einer porösen Keramik oder aus Kunststoff besteht, welcher die Durchbrüche (10), Bohrungen oder die Perforation (10a) aufweist und wobei auf der Oberfläche des rohrförmigen, gasdurchlässigen Kerns eine elektrisch gut leitende und gasdurchlässige Struktur in Form von Metalldrahtgewebe, Metallschaum, Kohlefilz, Metallvlies, Streckmetall, Kohlevlies im Wesentlichen formschlüssig aufgebracht ist.
Elektrolyseur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern der inneren Elektrode (1) mindestens ein im Wesentlichen stabförmiger elektrischer Leiter (6) mit einer vorteilhaften Größe der Querschnittsfläche, so dass ein sehr geringer elektrischer Spannungsabfall entlang dieses Leiters im Betrieb des Elektrolyseurs entsteht, angeordnet ist und/oder um die äußere Elektrode (3) mindestens ein von dieser beabstandet angeordneter äußerer elektrischer Leiter (9) angeordnet ist.
Elektrolyseur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (6) über Streben (60) mit der Außenseite der inneren Elektrode (1) elektrisch verbunden ist.
Elektrolyseur nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Bereich der inneren Elektrode (1) aus einem biegsamen, elektrisch gut leitenden und gasdurchlässigen Material wie beispielsweise Kohlenstoffvlies, Metallvlies, einem metallischen oder kohlenstoffhaltigen Gewebe, einem Kompositwerkstoff oder Metallschaum besteht.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkomponente (2) aus einer mikro- oder nanoporösen Keramik besteht oder eine mikro- oder nanoporöse Membran ist.
Elektrolyseur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran im Wesentlichen aus Polypropylen, PTFE, Polysulfon, Polyethersulfon oder einem anderen alkalibeständigen Material mit Porengrößen zwischen etwa 0,05 und 10 μm besteht.
Elektrolyseur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Elektrode (1) mit einem Material beschichtet oder umwickelt ist, welches als Trennmaterial zwischen Anoden- und Kathodenraum des Elektrolyseurs dient und in einem alkalischen Elektrolyseur einsetzbar ist, wozu es eine chemische Beständigkeit gegenüber dem eingesetzten Elektrolyten aufweist und zugleich eine gute Durchlässigkeit für den Elektrolyten bzw. die entsprechenden Ionen des Elektrolyten aufweist, so dass der durch den Ionentransport bestimmte Anteil des Ionenwiderstandes in einem niedrigen Wertebereich liegt und eine sehr geringe Durchlässigkeit bzgl. der beiden Produktgase Sauerstoff und Wasserstoff aufweist, wobei die Beschichtung mittels Tauchverfahren, Aufspritzverfahren oder Kondensationsverfahren aufbringbar ist und/oder wobei das die innere Elektrode umwickelnde Material eine Laugenbeständigkeit hat und ein mikro- oder nanoporöses Polymer oder eine mikro- oder nanoporöse keramische Folie ist.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (6) im Inneren der inneren Elektrode (1) und der äußere elektrische Leiter (9) einen niedrigen ohmschen Widerstand aufweisen, wodurch der elektrische Spannungsabfall entlang der äußeren Elektrode (3) bzw. der inneren Elektrode (1) unter den üblichen Betriebsbedingungen eines Elektrolyseurs unterhalb von 50 mV, vorzugsweise unterhalb von 20 mV, verbleibt.
Elektrolyseur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur ein druckfestes Gehäuse (10) aufweist und bei Betriebsdrücken von mindestens 30 bar betreibbar ist.