DE102011002104A1 - Electrolyzer, useful for producing hydrogen and oxygen from electrochemical decomposition of water, comprises a single cell comprising cell components, inner electrode and outer electrode, or several single cells connected in series - Google Patents

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Abstract

Electrolyzer comprises a single cell or several single cells electrically connected in series or parallel manner. The single cell comprises cell components arranged to one another in concentric manner and comprises at least one inner electrode (1), an outer electrode (3) and at least one separation component (2). The inner electrode is electrically conductive and exhibits a defined form with openings, holes, perforations, a gas-permeable porous layer, or a surface structure. The outer electrode is constructed from an electrically conductive and the gas-permeable structure.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur zur Erzeugung von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff mittels der Elektrolyse von Wasser.The invention relates to an electrolyzer for producing gaseous hydrogen and oxygen by means of the electrolysis of water.

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.The production of gaseous hydrogen and oxygen by means of the electrolytic decomposition of water, the electrolysis, has long been known and already used in industrial applications. For various reasons, some of which are historically conditioned, most of the plants use potassium hydroxide (KOH in water) as the electrolyte in a concentration range of typically about 25% to 35%.

Es existieren auch seit einiger Zeit so genannte PEM (Polymerelektrolytmembran oder Proton-Exchange-Membrane)-Elektrolyseure verschiedener Hersteller.For some time, so-called PEM (polymer electrolyte membrane or proton exchange membrane) electrolyzers from various manufacturers have existed.

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.This known prior art has various advantages, but also disadvantages. A significant difference between the two processes is the typical current density during operation, which in the case of alkaline electrolyzers can range from about 0.2 to 0.4 A / cm 2 and in the case of the PEM electrolyzer to about 2 A / cm 2 , Another difference is the purity of the product gases produced during electrolysis.

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.While in the case of the alkaline electrolyzer, a diaphragm separates the anode and cathode compartments, in the case of the PEM electrolyzer this is an ion-conducting membrane which is virtually gas-tight in operation but has a very good conductivity for protons and water, the requirements for a separating material therefore very well fulfilled between anode and cathode space.

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.However, the costs of the materials used in the PEM electrolyzer, especially the catalysts and the membrane electrolytes used are very high in comparison with the cost of materials in the case of an alkaline electrolyzer, which favors the alkaline variant, at least for stationary use.

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.Another distinction relates to the operating pressure. The majority of industrially installed plants are so-called atmospheric electrolysers in which the two product gases oxygen and hydrogen are produced with only slight overpressure, typically about 20 mbar to 50 mbar overpressure compared to the ambient pressure. Although this usually means lower investment costs through a simpler system technology, but on the other hand also requires additional compressors, if the gases are to be provided in a compacted form for further use.

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.For this reason, some manufacturers also electrolyzers with increased operating pressure of about 15 bar to 30 bar distributed. These electrolyzers have the advantage that additional compressors for compressing the product gases may not be necessary depending on the desired removal or storage pressure.

Der grundlegende Aufbau eines alkalischen Elektrolyseurs in der üblichen planaren Bauweise mit bipolar angeordneten Elektroden ist aus der Fachliteratur hinlänglich bekannt.The basic structure of an alkaline electrolyzer in the usual planar design with bipolar electrodes is well known in the literature.

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.From the WO 2004 076 721 A2 a high pressure electrolyzer is known. This high-pressure electrolyzer has an inner electrode in the form of a solid electrode body. This has the consequence that for the derivation of the resulting product gas at the inner electrode, an annular electrolyte space must be provided around the inner electrode around, in which the resulting product gas can be derived through this electrolyte space upwards. As a result, however, a so-called "zero gap" arrangement with the smallest possible distance from the anode and cathode can not be realized.

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.Object of the present invention is it u. a. To show an electrolyzer, which avoids the aforementioned disadvantages, and to achieve the shortest possible paths for the current-carrying ions between the two electrodes, thus allowing a low internal resistance.

Diese Aufgabe wird bei der vorliegenden Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und in vorteilhaften weiteren Ausgestaltungen durch die weiteren Patentansprüche gelöst.This object is achieved in the present invention by the features of claim 1 and in further advantageous embodiments by the other claims.

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.The electrolyzer according to the invention serves to generate hydrogen and oxygen from the electrochemical decomposition of water. It consists of a single cell or a plurality of individual cells connected electrically in series or in parallel, wherein a single cell has substantially cell components arranged concentrically with one another, wherein at least one inner electrode, an outer electrode and at least one separating component are present. The inner electrode is electrically conductive and has a defined shape with openings, holes or another type of perforation or a gas-permeable porous layer or coating of an equally gas-permeable electrode body. The outer electrode is also constructed of a highly electrically conductive and gas-permeable structure. The inner electrode is separated from the outer electrode by the at least one separation component.

Die definierte Form der inneren Elektrode ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vordefiniert und entspricht einer geometrischen Form. The defined shape of the inner electrode is predefined in an advantageous embodiment of the invention and corresponds to a geometric shape.

Die äußere Elektrode nimmt in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weitgehend die Form der inneren Elektrode auf.In an advantageous embodiment of the invention, the outer electrode largely takes on the shape of the inner electrode.

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 an advantageous embodiment of the invention according to claim 2 it is provided that the inner electrode is separated from the outer electrode by the separation component.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 3 ist vorgesehen, dass die Trennkomponente als Diaphragma dient.In an advantageous embodiment of the invention according to claim 3 it is provided that the separation component serves as a diaphragm.

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 an advantageous embodiment of the invention according to claim 4 it is provided that the inner electrode and / or the outer electrode have a nearly identical shape.

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 an advantageous embodiment of the invention according to claim 5 it is provided that the shape of the inner electrode and / or the outer electrode is tubular or spiral or the inner electrode and / or the outer electrode is a hollow body with an arbitrary cross-sectional area.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 6 ist vorgesehen, dass die Querschnittsfläche kreisförmig, quadratisch, rechteckförmig oder n-eckförmig ist.In an advantageous embodiment of the invention according to claim 6 it is provided that the cross-sectional area is circular, square, rectangular or n-eckförmig.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 7 ist vorgesehen, dass die innere Elektrode die Sauerstoffelektrode ist.In an advantageous embodiment of the invention according to claim 7 it is provided that the inner electrode is the oxygen electrode.

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 an advantageous embodiment of the invention according to claim 8 it is provided that the at least one separating component has at least one electrically conductive layer or at least one non-conductive structure on one of the inner or outer electrode facing side or on both sides.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 9 ist vorgesehen, dass die Durchbrüche oder die Perforation Lochungen sind.In an advantageous embodiment of the invention according to claim 9 is provided that the openings or the perforation are perforations.

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 an advantageous embodiment of the invention according to claim 10 is provided that further electrically conductive and gas-permeable structures are applied to the inner electrode.

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 an advantageous embodiment of the invention according to claim 11, it is provided that the further electrically conductive and gas-permeable structures consist of metal fleece, wire mesh, expanded metal, carbon cloth and / or metal foam or the other electrically conductive and gas-permeable structures are formed by surface modifications, which means catalytic coatings or catalytic activations or surface enlargements can be introduced by mechanical, chemical or electronic and / or physical processes in the surface of the inner electrode.

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 a further advantageous embodiment of the invention according to claim 12 is provided to manufacture the inner electrode, respectively the body of the inner electrode, from a tubular, gas-permeable core of an electrically substantially non-conductive material, preferably a porous ceramic or plastic, which Having breakthroughs, holes or another type of perforation and on the surface of the tubular, gas-permeable core has a good electrical conductivity and gas-permeable structure in the form of metal wire mesh, metal foam, carbon fiber, perforated graphite foil, expanded metal or other suitable electrically highly conductive and gas-permeable material.

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 an advantageous embodiment of the invention according to claim 13 is provided that in the interior of the inner electrode at least one substantially rod-shaped electrical conductor with an advantageous size of the cross-sectional area, so that a very small electrical voltage drop along this conductor is made possible during operation of the electrolyzer is and / or around the outer electrode at least one spaced apart from this outer electrical conductor with the above Characteristics of the inner conductor is arranged.

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 an advantageous embodiment of the invention according to claim 14 it is provided that the electrical conductor is electrically connected via struts with the outside of the inner electrode.

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 an advantageous embodiment of the invention according to claim 15 it is provided that the outer region of the inner electrode of a flexible, highly electrically conductive and gas-permeable material such. As carbon nonwoven fabric, metal fleece, a metallic or carbon-containing fabric, a composite material or metal foam.

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 an advantageous embodiment of the invention according to claim 16 it is provided that the at least one separating component consists of a microporous or nanoporous ceramic or a microporous or nanoporous membrane.

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 an advantageous embodiment of the invention according to claim 17 it is provided that the membrane consists essentially of polypropylene, PTFE, polysulfone, polyethersulfone or other alkali-resistant material with pore sizes between about 0.05 and 10 microns.

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 an advantageous embodiment of the invention according to claim 18 it is provided that the inner electrode is coated or wrapped with a material which serves as a separating material between the anode and cathode chamber of the electrolyzer and can be used in an alkaline electrolyzer, for which there is a chemical resistance to the having used electrolyte and at the same time has a good permeability to the electrolyte or the corresponding ions of the electrolyte, so that the determined by the ion transport portion of the internal resistance is in a low range and has a very low permeability of the two product gases oxygen and hydrogen, wherein the Coating can be applied by means of dipping method, spray-on method or condensation method and is a microporous or nanoporous polymer or a microporous or nanoporous ceramic film.

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 an advantageous embodiment of the invention according to claim 19 it is provided that the electrical conductor inside the inner electrode and the outer electrical conductor have a very low electrical resistance, whereby the electrical voltage drop along the outer electrode or the inner electrode under the usual operating conditions an electrolyzer below 50 mV, preferably below 20 mV remains.

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.In an advantageous embodiment of the invention according to claim 20 it is provided that the electrolyzer has a pressure-resistant housing and can be operated at operating pressures of at least 30 bar.

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.In the following, the invention will be described with reference to concrete exemplary embodiments and by way of example with reference to the attached figures 1 to 11 explained in more detail. This description of the invention with reference to the concrete exemplary embodiments does not represent a limitation of the invention to one of these concrete exemplary embodiments. The exemplary embodiments show the invention with reference to various embodiments and partly in specific embodiments.

Es zeigen:Show it:

1 bis 8 jeweils einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung einer Zelle eines Elektrolyseurs; und 1 to 8th in each case a section through an inventive arrangement of a cell of an electrolyzer; and

9 bis 11 schematisch den Gesamtaufbau einer Zelle eines Elektrolyseurs. 9 to 11 schematically the overall structure of a cell of an electrolyzer.

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 the description of the figures, in the figures, 1 to 11 Where possible, identical reference numerals are used for like elements. This allows a simpler presentation and a better understanding of the invention.

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.In 1 is the construction of a single cell 100 an electrolyzer according to the invention shown. The single cell 100 consists of an inner electrode 1 , The inner electrode 1 is in the in 1 shown embodiment designed as a perforated metal tube. The holes 10 are in the inner electrode 1 introduced in the form of holes. The single cell 100 is located in a 1 not shown electrolytes.

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.The inner electrode 1 is with its outside in direct contact with a component acting as a diaphragm 2 , This component 2 For example, one around the perforated tube, the inner electrode 1 forms, wound spunbonded from a alkali-resistant material or a microporous membrane, for. As polysulfone or polyethersulfone be. The inner electrode 1 preferably consists of a very highly electrically conductive material, typically a metal, graphite or a very good electrically conductive composite material. The component 2 at the same time serves as a spacer and delimitation of the inner electrode 1 from the outer electrode 3 , The component 2 can be configured as at least one separation component in an advantageous embodiment of the invention. The separation component can then serve as a spacer.

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.The product gas produced by the operation of the electrolyzer on the outer surface of the inner electrode passes through the holes 10 the inner electrode 1 into the interior of the inner electrode 1 and gets into its interior, which is defined by the tubular shape of the inner electrode 1 forms, discharged to the upper end of the inner electrode. It has proven particularly advantageous to drill holes or holes 10 at an angle deviating from the horizontal in the direction of the upper side of the inner electrode.

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.One aspect of the electrolyzer according to the invention is that the resulting product gases are already separated from one another during the electrolysis process, by the resulting gas being almost completely at the inner side of the inner electrode 1 arises and the other resulting gas on the outside of the outer electrode 3 arises. The gases rise along the electrodes 1 . 3 in the electrolyzer upwards and can be derived separately there.

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. The outer electrode 3 also consists of a very electrically conductive material. The outer electrode 3 is formed in an advantageous embodiment of the invention of a metal wire fabric of any weave, such as square mesh, Köpertresse in different variants or the like. Furthermore, it is possible to use a metal foam, a metallic or else carbon-containing nonwoven fabric, an expanded metal, a perforated metallic or graphite foil or even a thin perforated metal sheet. These materials are also in direct contact with the component acting as a diaphragm from the outside 2 arranged, ie substantially concentric around the inner electrode 1 , Important features of the outer electrode 3 are therefore the same as in the case of the inner electrode 1 , a good electrical conductivity of the material used, as well as a good permeability for this at this electrode 3 resulting product gas, preferably for the hydrogen, so that the proportion of the product gas attached to the the diaphragm 2 facing side of the surface of the outer electrode 3 arises easily through the apertures formed by the perforation of thin metallic foil, with meshes in the case of the square mesh, in the case of the pores in the case of metallic foam, etc., the outer electrode structure enters the adjacent electrolyte space and rises thereupon.

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 2 is another embodiment of a single cell 100 shown. To enlarge the electrode surface of the inner electrode 1 , as well as to improve gas removal from the sites of gas formation on the outer surface of the inner electrode 1 in the interior of the inner electrode 1 be around the inner electrode 1 Perforated sheets or other materials 101 , Such as metal mesh, expanded metals, metal fleeces, metal foam, carbonaceous nonwovens or other electrically highly conductive and gas permeable materials arranged. This results in a lower specific current density with identical geometric, macroscopic current densities, ie an improvement of the conversion efficiency. To the other materials 101 is again the component 2 , which acts as a diaphragm, arranged. To the component 2 is concentric the outer electrode 3 arranged. The inner electrode 1 is again designed as a perforated metal tube.

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 3 is another embodiment of a single cell 100 shown. The inner electrode 1 consists of a core 1a and is of a metal wire mesh, a metal fleece, a perforated metal or graphite foil, a metal perforated plate or other electrically conductive material 101 surround. The non-conductive core 1a For example, it is made of ceramic and forms a porous ceramic tube. It can also be one with holes or other perforations 10a provided plastic pipe the core 1a form. The core 1a is made of the metal wire mesh, the metal fleece, the perforated metal or graphite foil, the metal perforated plate or the electrically conductive material 101 enclosed in a form-fitting manner. The application to the core 1a for example, by wrapping or other suitable substantially positive application. The outer electrode 3 again consists of an electrically conductive material. Again, it is the diaphragm acting and acting component 2 arranged. The inner electrode 1 is with its outside in direct contact with a component acting as a diaphragm 2 , This component 2 for example, one around the inner electrode 1 wound spunbonded nonwoven material or a microporous membrane, e.g. As polysulfone or polyethersulfone be. The component 2 at the same time serves as a spacer and delimitation of the inner electrode 1 from the outer electrode 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.In 4 is another embodiment of a single cell 100 shown. The inner electrode 1 may in this embodiment of a porous, electrically highly conductive material 4 , such as As a metal foam exist. The gas removal inside this porous structure takes place in such a way that the product gas obtained by the electrolysis at the inner electrode through the pores 40 or voids in the material 4 that are connected to each other, goes up.

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.The component acting as a diaphragm 2 is either in direct contact with the outer surface of the inner electrode 1 and their porous structure arranged or it is a inter alia acting as a spacer component 5 on the surface of the inner electrode 1 applied. The additional component 5 may be a caustic-resistant plastic fabric (spacer or protection of the diaphragm from mechanical damage) or even very fine mesh metal fabric (creating a smoother surface of the inner electrode). The outer electrode 3 again consists of an electrically very good conductive material. It is also the component acting as a diaphragm 2 arranged.

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 5 is another embodiment of a single cell 100 shown. The embodiment according to 5 leads to an improvement in the electrical volume conductivity of the inner electrode 1 , To reduce the ohmic voltage drop between the point of current injection, which is typically at the top of the inner electrode 1 takes place, it is provided that at various points along the inner electrode 1 a power input is enabled. In particular, to avoid voltage drops of more than 50 mV along the inner electrode 1 and for the purpose of weight reduction of the overall arrangement is provided, the inner electrode 1 build up in several parts. The inner electrode 1 Therefore, has a geometric base body having a square, rectangular, round or other type of geometric cross-sectional shape and inside a cavity is formed. In the cavity of the inner electrode 1 is an inner conductor 6 available. The inner conductor 6 is formed in an advantageous embodiment of the invention as a solid conductor. The inner conductor 6 is in an advantageous embodiment of the invention in the middle in the inner electrode 1 arranged. The inner conductor 6 is with the remaining electrode body of the inner electrode 1 about striving 60 electrically connected. The aspiration 60 serve at the same time for guiding and supporting the inner conductor 6 and stabilize it. The outer electrode 3 and the component acting as a diaphragm 2 are arranged in the manner already described.

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.In 6 is another embodiment of a single cell 100 shown. The embodiment according to 5 and the local design of the inner electrode 1 with the inner core 6 in order to improve the electric potential distribution along the structure of the inner electrode 1 , is particularly suitable for arrangements according to the embodiments 2 and 3 In these embodiments, the inner electrode 1 essentially formed of a relatively thin layer of metallic wire mesh or other electrically highly conductive and thereby gas-permeable structure whose electrical / ohmic resistance over the length of the entire inner electrode 1 , at the usual values of the currents to be applied for the electrolysis operation, an electrical voltage drop caused by the additional inner conductor 6 can be advantageously reduced with a correspondingly large cross-sectional area.

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.This is in 6 shown. The outer electrode 3 again consists of an electrically very good conductive material. It is again the component acting as a diaphragm 2 arranged.

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 7 is in a preferred embodiment of the embodiment of the single cell 100 according to the statements of the single cell 100 according to 5 and 6 the core 1a the inner electrode 1 inside hollow and inside the core is the inner conductor 6 arranged, which consists of a highly electrically conductive material, typically a coated, surface-modified or uncoated or non-surface-modified metal or an alloy. In certain, advantageously predefined distances, are electrically very good conductive struts 60 arranged the electrical connection between the on the core 1a arranged structures 101 and the inner conductor 6 produce. It is also the outer electrode 3 consisting of an electrically conductive material and the component acting as a diaphragm 2 arranged.

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.In 8th is another embodiment of a single cell 100 shown. The core 1a the inner electrode 1 is hollow inside and inside the core 1a is the inner conductor 6 arranged, which consists of a highly electrically conductive material. In certain, advantageously predefined distances are electrically very good conductive struts 60 arranged the electrical connection between the on the core 1a arranged structures 101 and the inner conductor 6 produce. The outer electrode constructed essentially of relatively thin structures 3 is similar to the inner electrode 1 according to 6 and is electrically connected to one or a number of other electrical conductors ( 9 ) connected to the outer electrode 3 adjoin the voltage drop along the outer electrode 3 to reduce.

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.This can be z. B. by a to the inner electrode 1 as well as the adjacent and acting as a diaphragm component 2 positively applied perforated plate 7 or by a series of electrically conductive tapes, z. As strips of perforated plates, can be realized, which in turn in electrical contact with a massive additional conductor 9 stand to the voltage drop between the typically top of the location of the current injection and the current tap of the outer electrode 3 and the other, preferably arranged at the bottom end of the outer electrode 3 typically to values below 50 mV, preferably to values below 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.In 9 is another embodiment of a single cell 100 shown. It is the outer electrode 3 in the form of a perforated plate 7 , a perforation 70 having, provided. The core 1a the inner electrode 1 is hollow inside and inside the core 1a is the inner conductor 6 arranged. In certain advantageous predefined distances are electrically very good conductive struts 60 arranged the electrical connection between the on the core 1a arranged structures 100 . 101 and the inner conductor 6 produce.

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.It can be an additional electrical conductor 9 be arranged, which with the outer electrode 3 is electrically connectable. This electrical conductor 9 is at a defined distance from the outer surface of the outer electrode 3 arranged. The electrical conductor can be used as a metallic rod or otherwise shaped rod, as a pipe, etc. made of a highly electrically conductive material, for. As copper or aluminum, which in order Corrosion prevention with a suitable coating, eg. As nickel, is provided, be formed.

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.In 10 is another embodiment of a single cell 100 shown. It is an additional electrical conductor 9 arranged, which with the outer electrode 3 electrically connected. The electrical connection is made by means of a series of electrically good conductive bands or strips 8th of perforated metal, which holes 80 exhibit. It is the inner conductor 6 and the inner electrode 1 , as well as the component 2 shown.

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.As stated, are in the figures 8th to 10 possible embodiments of the outer electrode 3 or the or the additional attached electrical conductor 9 for reducing the voltage drop along the outer electrode 3 , as well as a cross section / section of the entire arrangement shown.

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 11 is the schematic overall structure, ie the entire structure and the electrode assembly shown. The single cell 100 , as in 10 shown and described, is in a pressure-resistant housing 10 arranged. By the arrangement in the pressure-resistant housing 10 the electrolyzer can be operated as a high-pressure electrolyzer. The resulting by the electrolysis gases are discharged with the pressure prevailing in the electrolyzer internal pressure from this and can, if necessary, after an after treatment such as drying, fine cleaning, etc. passed directly into a gas pressure vessel under pressure and stored there. Thus, a compressor which compresses the process gases produced during the electrolysis process prior to storage in a gas tank can be dispensed with. The electrolyzer is designed for pressures of at least 30 bar, but preferably 300 bar and higher pressures.

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.In all the aforementioned embodiments may be acting on both sides of the diaphragm acting as a component 2 additionally an electrically conductive or non-conductive component, for. As a fabric made of a relative to the electrolyte chemically resistant plastic, are introduced, on the one hand to the gas removal from the active metal surfaces in each case to the outside, ie in the interior of the respective electrolyte spaces, anode space and / or cathode space to support, on the other hand around the component acting as a diaphragm 2 to protect against damage.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2004076721 A2 [0010] WO 2004076721 A2 [0010]

Claims (20)

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.Electrolyzer for generating hydrogen and oxygen from the electrochemical decomposition of water, consisting of a single cell or a plurality of individual cells connected electrically in series or in parallel, characterized in that the individual cell ( 100 ) of substantially concentrically arranged cell components ( 1 . 1a . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 . 8th . 9 . 10 . 10a . 40 . 60 . 70 . 80 . 101 . 101 ) and at least one inner electrode ( 1 ), an outer electrode ( 3 ) and at least one separation component ( 2 ), wherein the inner electrode ( 1 ) is electrically conductive and a defined shape with breakthroughs ( 10 ) or holes or a perforation ( 10a ) or a gas-permeable porous layer or a surface structure and the outer electrode ( 3 ) is constructed of an electrically conductive and gas-permeable structure. Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Elektrode (1) von der äußeren Elektrode (3) durch die Trennkomponente (2) getrennt angeordnet ist.Electrolyzer according to claim 1, characterized in that the inner electrode ( 1 ) from the outer electrode ( 3 ) by the separation component ( 2 ) is arranged separately. Elektrolyseur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkomponente (2) als Diaphragma dient.Electrolyzer according to claim 1 or 2, characterized in that the separating component ( 2 ) serves as a diaphragm. 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.Electrolyzer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the inner electrode ( 1 ) and the outer electrode ( 3 ) have a nearly identical shape. 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.Electrolyzer according to claim 4, characterized in that the shape of the inner electrode ( 1 ) and / or the outer electrode ( 3 ) is tubular or spiral or the inner electrode ( 1 ) and / or the outer electrode ( 3 ) is a hollow body with an arbitrary cross-sectional area. Elektrolyseur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche kreisförmig, quadratisch, rechteckförmig oder n-eckförmig ist.Electrolyzer according to claim 5, characterized in that the cross-sectional area is circular, square, rectangular or n-eckförmig. Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Elektrode (1) die Sauerstoffelektrode ist.Electrolyzer according to one of claims 1 to 6, characterized in that the inner electrode ( 1 ) is the oxygen electrode. 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.Electrolyzer according to one of claims 1 to 6, characterized in that the separating component ( 2 ) at least one electrically conductive layer or at least one non-conductive structure on one of the inner or outer electrode ( 1 . 3 ) facing side or on both sides. Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (10) oder die Perforation (10a) Lochungen sind.Electrolyzer according to claim 1, characterized in that the openings ( 10 ) or the perforation ( 10a ) Perforations are. Elektrolyseur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der inneren Elektrode (1) weitere elektrisch leitende und gasdurchlässige Strukturen aufgebracht sind.Electrolyzer according to one of the preceding claims, characterized in that on the inner electrode ( 1 ) further electrically conductive and gas-permeable structures are applied. 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.Electrolyzer according to claim 10, characterized in that the further electrically conductive and gas-permeable structures made of metal fleece, wire mesh, expanded metal, carbon cloth and / or metal foam or the other electrically conductive and gas-permeable structures formed by surface modifications of catalytic coatings or catalytic activations or surface enlargement mechanical, chemical or electronic and / or physical processes into the surface of the inner electrode ( 1 ) can be introduced. 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.Electrolyzer according to claim 1, characterized in that the body ( 1 ) of the inner electrode consists of a tubular, gas-permeable core made of an electrically substantially non-conductive material, preferably a porous ceramic or plastic, which the openings ( 10 ), Holes or the perforation ( 10a ) and wherein on the surface of the tubular, gas-permeable core, an electrically good conductive and gas-permeable structure in the form of metal wire mesh, metal foam, carbon felt, metal fleece, expanded metal, carbon nonwoven is applied substantially positive fit. 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.Electrolyzer according to one of the preceding claims, characterized in that inside the inner electrode ( 1 ) at least one substantially rod-shaped electrical conductor ( 6 ) is arranged with an advantageous size of the cross-sectional area, so that a very small electrical voltage drop occurs along this conductor during operation of the electrolyzer, and / or around the outer electrode ( 3 ) at least one spaced apart from this outer electrical conductor ( 9 ) is arranged. Elektrolyseur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (6) über Streben (60) mit der Außenseite der inneren Elektrode (1) elektrisch verbunden ist.Electrolyzer according to claim 13, characterized in that the electrical conductor ( 6 ) about struts ( 60 ) with the outside of the inner electrode ( 1 ) is electrically connected. 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.Electrolyzer according to claim 14, characterized in that the outer region of the inner electrode ( 1 ) consists of a flexible, highly electrically conductive and gas-permeable material such as carbon fleece, metal fleece, a metallic or carbon-containing fabric, a composite material or metal foam. 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.Electrolyzer according to one of claims 1, 2, 3 or 8, characterized in that the separating component ( 2 ) from a microporous or nanoporous Ceramic or is a microporous or nanoporous membrane. 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.Electrolyzer according to claim 16, characterized in that the membrane consists essentially of polypropylene, PTFE, polysulfone, polyethersulfone or other alkali-resistant material with pore sizes between about 0.05 and 10 microns. 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.Electrolyzer according to one of the preceding claims, characterized in that the inner electrode ( 1 ) is coated or wrapped with a material which serves as a separating material between the anode and cathode compartment of the electrolyzer and can be used in an alkaline electrolyzer, for which it has a chemical resistance to the electrolyte used and at the same time a good permeability to the electrolyte or the corresponding Having ions of the electrolyte, so that the determined by the ion transport portion of the ionic resistance is in a low range and has a very low permeability with respect to the two product gases oxygen and hydrogen, wherein the coating by means of dipping method, spray or condensation method is applicable and / or the material wrapping the inner electrode has alkali resistance and is a microporous or nanoporous polymer or a microporous or nanoporous ceramic film. 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.Electrolyzer according to one of claims 13 or 14, characterized in that the electrical conductor ( 6 ) inside the inner electrode ( 1 ) and the outer electrical conductor ( 9 ) have a low ohmic resistance, whereby the electrical voltage drop along the outer electrode ( 3 ) or the inner electrode ( 1 ) under the usual operating conditions of an electrolyzer below 50 mV, preferably below 20 mV remains. 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.Electrolyzer according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolyzer a pressure-resistant housing ( 10 ) and operable at operating pressures of at least 30 bar.
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