DE1667366B2

DE1667366B2 - Verfahren zur erzeugung von wasserstoff und sauerstoff durch elektrolyse von wasser

Info

Publication number: DE1667366B2
Application number: DE1967A0054948
Authority: DE
Inventors: Lester Wilson Dayton Ohio Buechler (V.StA.)
Original assignee: AUis-Chalmers Manufacturing Co., West AUis, Wis. (V.St.A.)
Priority date: 1966-02-18
Filing date: 1967-02-17
Publication date: 1976-07-15
Also published as: GB1139614A; FR1511928A; DE1667366A1; US3410770A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser in einer elektrisch gespeisten Elektrolysezelle mit einer ersten porösen Elektrode, die von einer zweiten porösen Elektrode durch ein mit einem wäßrigen Elektrolyten gesättigtes Diaphragma getrennt ist, bei Elektrolysezellen dieser Art sind relativ kompakt aufgebaut und benötigen im Vergleich zu Elektrolysezellen vom Tanktyp bei gleicher Produktionsleistung weniger Raum.

Ein Nachteil der vorstehend beschriebenen bipolaren Elektrolysezellen besteht darin, daß zur Speisung der Zelle mit der Elektrolytlösung und zur Trennung der Gase von dieser sogenannte Dualsysteme erforderlich sind, die den Raumbedarf und die Kosten dieser Zellen erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser zu schaffen, durch das sich die Trennung der Gase von der Elektrolytlösung und die

IS Zuführung der Elektrolytlösung zu der Elektrolysezelle vereinfachen läßt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst daß der frische Elektrolyt nur einer der Kammern zugeführt unii in der anderen Kammer das erzeugte Gas auf einem Druck gehalten wird, der verhindert, daß durch die dieser Kammer zugeordnete poröse Elektrode Elektrolyt in diese eindringt Das erfindungsgemäße Verfahren v.irkt sich kostensparend aus, da die frische Elektrolytflüssigkeit nur einer der beiden Kammern zugeführt und nur das in dieser Kammer erzeugte Gas von der Elektrolytflüssigkeit getrennt werden muß, während sich das andere Gas in der von Elektrolytflüssigkeit freien Kammer sammelt.

Aus der CH-PS 1 20 793 sind Elektrolysezellen bekannt deren Kammern, die sich beidseits der Elektroden befinden, mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt sind. Bei diesen bekannten Elektrolysefällen ist lediglich ein Gasraum vorhanden, in dem sich ein Gasdruck aufbaut, der den durch die Flüssigkeitsspiegel in den Zellen und den Behältern für die Ergänzungsflüssigkeit be-

stimmten Flüssigkeitssäulen das Gleichgewicht hält. Die bekannte Vorrichtung stellt somit lediglich eine Einrichtung zur Erhaltung und Steuerung des Flüssig-

dem kontinuierlich frischer Elektrolyt dem Diaphragma 4° keitsstandes in den Elektrolytzellen dar, der sich erfinzugeführt und durch die Zelle zirkuliert wird und die dungsgemäße Merkmale nicht entnehmen lassen.

Weiterbildungen des erfindungsgemä-

erzeugtem Gase durch die jeweilige Elektrode in zwei Kammern diffundieren, aus denen sie abgeführt werden.

Bei der Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff wird ein Gleichstrom durch einen wäßrigen Elektrolyten geschickt, und zwar üblicherweise durch eine Lösung von Ätznatron oder Ätzkali. Dabei wird an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff abgeschieden. Eine besonders geeignete Elektrolysezelle zur Elektrolyse von Wasser ist der Bipolar- oder Filterpreßtyp. Diese Zellenart besteht aus einer Mehrzahl dünner poröser Elektroden, die durch ein poröses, üblicherweise aus Asbest bestehendes Diaphragma, das im folgenden als Membran bezeichnet wird, getrennt sind. Der an den Elektroden erzeugte Sauerstoff und Wasserstoff wird durch diese Membran getrennt gehalten. Der Elektrolyt wird kontinuierlich zugeführt, um die bei der Elektrolyse verbrauchte Lösung nachzufüllen und um eine optimale Konzentration des Elektrolyten aufrecht zu erhalten, d. h. eine Konzentration etwa zwischen 15 bis 45% Kalium- oder Natriumhydroxyd. Der von der Elektrolysezelle erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff bewegt sich durch die Elektroden und wird an der Rückseite der Elektroden frei und gelangt in die Elektrolytlösung. Aus der umlaufenden Elektrolytlösung werden die Gase sodann durch geeignete Separatoren ausgeschieden.

Vorteilhafte

ßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen näher beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung stellt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer Elektrolysenzelleneinheit gemäß der Erfindung dar.

Nach der Zeichnung besteht die Zelle 10 aus einem Paar gasdurchlässiger Elektroden, nämlich der Kathode 11 und der Anode 12, die in direktem Kontakt mit den gegenüberliegenden Seiten einer mit einem wäßrigen Elektrolyt gesättigten Elektrolytmatrix 13 stehen und mittels Leitungen 15 und 16 mit einer Gleichstromquelle 14 verbunden sind. Die Elektrolytmatrix 13 ist eine poröse Membran aus Asbestfasern oder einem anderen Material, das von einer Ätzkalilösung oder einem anderen Elektrolyt nicht angegriffen werden kann. Die relative Dicke der Elektroden 11 und 12 und der Matrix 13 ist in der Figur übertrieben groß dargestellt, um ejne möglichst klare Beschreibung zu ermöglichen. In der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform kann die Dicke der Elektroden und der Matrix etwa einige 0,025 mm betragen, wobei diese Abmessung nicht kritisch ist. Die Elektroden 11 und 12 und die Elektrolytmatrix 13 sind in einem Gehäuse 17 angebracht, das mit der Kathode 11 eine Gaskammer 18 und mit der Anode

12 eine Elektrolytkammer 19 bildet In der Elektrolytkammer 19 ist ein wäßriger Elektrolyt 20 vorhanden.

Die mit einem wäßrigen Elektrolyt gesättigte Elektrolytmatrix 13 über eine doppelte Punktion aus. Die Matrix 13 hält einen innigen Kontakt zwischen der Grenzschicht des Elektrolyten und der gasdurchlässigen Elektroden 11 und 12 aufrecht und dient ebenso als Gassperre tür Verhinderung der Vermischung der Gasprodukte.

Durch dem Elektrolytlösungsumlauf vom Separator 22 zur Elektrolytkammer 19 mittels der Pumpe 23 durch Leitungen 24,25 und 26 wird der Zelle Elektrolyt zugeführt Das an der an die Elektrolytkammer 19 angrenzenden Elektrode 12 erzeugte Gas wird von der umlaufenden Elektrolytlösung aus der Elektrolytkammer abgeführt

Während des Betriebs der Zelle wird die durch die Antriebskraft der in ihr vorhandenen Gasblasen angetriebene Elektrolytlösung 20 von der Elektrolytkammer 19 durch eine Leitung 24 zu dem Elektrolytseparator 22 geführt, in dem das an der Elektrode 12 erzeugte und von der Elektrolytlösung 20 mitgenommene Gas abgeschieden und von der umlaufenden Elektrolytlösung getrennt wird. Einzelheiten des Aufbaues des Separators 22 sind nicht dargestellt, da Separatoren dieser Art all- it, gemein bekannt sind. Das bei der Elektrolyse verbrauchte Wasser wird mittels einer Wasserspeichereinrichtung 30 ersetzt, von der dem Separator 22 über eine Leitung 31 kontrollierte Mengen an Wasser zugeführt werden, um den Elektrolyten auf einer optimalen Konzentration zu halten. Ein Ventil 32 regelt die Zufügung von Wasser zu der Elektrolytlösung in dem Separator 22, und zwar in einem derart festgelegten Maße, daß das bei der Elektrolyse verbrauchte Wasser ersetzt wird.

Das an der Elektrode 12 erzeugte Gas wird vom oberen Teil des Separators abgezogen und über eine Leitung 33 zu einem Speicher 34 geführt. Der entgaste Elektrolyt gelangt aus dem Separator 22 über eine Leitung 25 zur Pumpe 23 und wird durch diese über eine Leitung 26 zurück in die Elektrolytkammer 19 geführt.

Das an der Elektrode 11 erzeugte Gas wird in die Gaskammer 18 ausgeschieden, und diese Kammer wird durch Regulierung des Ausströmens von Gas aus der Kammer unter Druck gehalten. Das aus der Gaskammer 18 ausgeführte Gas wird durch eine Leitung 36 in einen Speicher 37 geführt. Wenn bei Beginn ein elektrisches Gleichstrompotential an Kathode 11 und Anode 12 der Vorrichtung gelegt wird, so wird das an der Elektrode U erzeugte Gas in der Kammer 18 so lange gesammelt, bis der Gasdruck in der Kammer 18 den Druck des an der Elektrode 12 erzeugten Gases überschreitet. Dies geschieht in einer relativ kurzen Zeitspanne, und falls in der Kammer 18 Elektrolyt vorhanden ist, so wird er durch die Kapillarmatrix in die Kammer 19 gedrückt

Ein Differentialdruck-Steuerventil 40 in der Leitung 36 hält eine vorgegebene Druckdifferenz zwischen dem Gasdruck in der Gaskammer 18 und dem Druck des aus dem Separator 22 abgezogenen Gases aufrecht, wobei dieser Druck mittels einer Leitung 41 von dem Ventil 40 kontrolliert wird Wenn der Druck des an der Elektrode 12 erzeugten Gases steigt oder fällt, so öffnet oder schließt das Ventil 40 abhängig von diesem Druck, so daß eine Zunahme oder Abnahme des Gasdruckes in der Kammer 18 gewährleistet ist und damit ein konstanter Differenzdruck über der Zelle aufrechterhalten wird. Dieser hat zur Folge, daß ein Ein dringen der Elektrolytlösung durch die Matrix 13 in die Kammer 18 verhindert wird. Ein Differenzdruck von etwa 0,0175 bis 0,70 kg/cm² über der Zeile ist ausreichend, und vorzugsweise wird ein Differenzdruck von etwa 0,07 bis 0,14 kg/cm² (1 bis 2 Psi) verwendet Auf diese Weise wird der Elektrolyt in der an die Elektrode 11 angrenzenden Elektrolytmatrix 13 ständig mit Elektrolytlösung nachgefüllt Da das an der Elektrode 11 erzeugte Gas nicht in dem Elektrolyt abgeführt wird, ist eine Separatoreinheit zur Ausscheidung des Gases aus dem Elektrolyten nicht erforderlich.

Die in der Elektrolysiszelle gemäß der Erfindung verwendeten Elektroden müssen porös sein, so daß die an den Elektroden erzeugten Gasprodukte abgeführt werden können und frische Elektrolytlösung durch die Elektrolytmatrix diffundieren kann. Die bei der erfindungsgemäßen Elektrolysiszelle verwendeten Elektroden bestehen vorzugsweise aus gesinterten Nickelelektroden mit einer Porosität von etwa 80%. Falls gewünscht, können die Elektroden, und insbesondere die zur Erzeugung des Wasserstoffes verwendete poröse Elektrode katalysiert werden, und zwar durch eine Ablagerung von Platin, Iridium, Palladium, Rhodium oder anderen aus der Gruppe VIII des periodischen Systems gewählten Metallen auf der Elektrodenoberfläche.

Die Elektrolytmatrix besteht vorzugsweise aus einem Fasermaterial mit einem hohen Kapillarpotential, das höher als das der Elektrode 11 und der Elektrode 12 ist. Ein derartiges Fasermaterial kann gesponnenes, faseriges Polypropylen oder Asbest sein, wobei Asbest das bevorzugte Fasermaterial ist Nach dem Zusammenbau wird die Elektrolytmatrix 13 dichtend gegen die Elektroden 11 und 12 gepreßt.

In der Elektrolytmatrix 13 befindet sich ein Elektrolyt 20. Geeignete Elektrolyte schließen die wäßrigen Lösungen anorganischer Säuren, wie Schwefelsäure, oder Basen, wie Alkalihydroxyde, und ihre Salze ein.

Die Konzentrationen des Elektrolyten ändern sich gemäß dem speziell verwendeten Elektrolyten. Elektrolytlösungen mit 15 bis 45 Gew.% an Alkalihydroxyd, wie Natriumhydroxyd oder Kaliumhydroxyd, sind bevorzugt.

Die Elektrolysiszellen können bei Temperaturen im Bereich von -17,78 bis 121,11 "C betrieben werden. Betriebstemperaturen von 60 bis 82,22⁰C sind bevorzugt, wenn Elektrolytlösungen verwendet werden, die Alkalihydroxyde enthalten.

Die Elektrolysiszellen können bei Umgebungsdruck oder bei höheren Drucken verwendet werden, aber es muß unabhängig von dem verwendeten Druck über die Zelle eine Druckdifferenz von etwa 0,0175 bis 0,70-kg/cm² aufrechterhalten werden, um zu verhindern, daß zuviel Elektrolyt durch die an die Gaskammer angrenzende poröse Elektrode dringt.

Für den Fachmann ist offensichtlich, daß eine Mehrzellenvorrichtung aus nrehreren erfindungsgemäßen Einheitszellen in Reihe geschaltet und entsprechend einer gemeinsamen Achse einander gegenüberliegend zusammengefaßt werden können, um ein Zellenpaket zu bilden. Bei kommerzieller Anwendung werden derartige Anordnungen zur wirksamen und mengenmäßig ergiebigen Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff verwendet.

Bei einem zur Erläuterung der Erfindung dienenden Beispiel wurde eine 25%-ige KOH-Lösung in einem Zellenpaket elektrolysiert, das aus 70 Einzelzellen der in der Zeichnung dargestellten Art bestand, wobei an die Elektroden des Zellenpakets unter Verwendung

einer üblichen Gleichstromquelle eine Gleichstromspannung gelegt wurde, um etwa 1,3608 kg/Stunde Sauerstoff und 0,1724 kg/Stunde Wasserstoff zu erzeugen.

Dabei wurden dem Zellenpaket bei 110 Volt 65 Ampere zugeführt. Die Zellenelektroden bestanden aus gesinterten, porösen Nickelelektroden mit einer Porosität von 80%, und sie waren durch eine mit ihnen in Kontakt stehende Asbestmatrix getrennt, die mit einer 25%-igen KOH-Lösung gesättigt war. Die Elektroden waren kreisförmig ausgebildet und hatten einen Durchmesser von 19,37 cm und eine Dicke von 0,711 mm. Die Zelle wurde bei einer Temperatur von 82,22° C und einem Druck von 21 kg/cm² betrieben. Über die Zelle wurde eine Druckdifferenz von 0,07 bis 0,14 kg/cm² aufrechterhalten. Der Sauerstoff wurde an der Anode bei Umgebungsdruck von einer 25%igen KOH-Lösung abgeführt, die durch die an die Anode angrenzende Elektrodenkammer aufgrund der Wirkung des entstehenden Sauerstoffes in Umlauf versetzt wurde.

Hierzu 1 Blait Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser in einer elektrisch gespeisten Elektrolysezelle mit einer ersten porösen Elektrode, die von einer zweiten porösen Elektrode durch ein mit einem wäßrigen Elektrolyten gesättigtes Diaphragma getrennt ist, bei dem kontinuierlich frischer Elektrolyt dem Diaphragma zugeführt und durch die Zelle zirkuliert wird und die erzeugten Gase durch die jeweilige Elektrode in zwei Kammern diffundieren, aus denen sie abgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der frische Elektrolyt nur einer der Kammern zugeführt und in der anderen Kammer das erzeugte Gas auf einem Druck gehalten wird, der verhindert, daß durch die dieser Kammer zugeordnete poröse Elektrode Elektrolyt in diese eindringt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der frische Elektrolyt durch die Kammer geführt wird, die den erzeugten Sauerstoff aufnimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der von Elektrolyt freien Kammer ein Gasdruck aufrecht erhalten wird, der um 0,07 bis 0,14 kg/cm² höher ist als der Gasdruck über der anderen Kammer.