DE4101420A1 - Vorrichtung zur wasserelektrolyse - Google Patents

Vorrichtung zur wasserelektrolyse

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wasserelektrolyse mit einer Elektrolysezelle, einer Gas- Flüssigkeits-Trenneinrichtung und einer Energiequelle.
Effiziente und kostengünstige Herstellung von Wasserstoff durch Wasserelektrolyse ist ein Thema von weltweiter Bedeutung. Die meisten bekannten Vorrichtungen zur Wasserelektrolyse sind nicht effizient genug und teuer. Daher ist es seit langem Ziel der Forschungen, den Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse bei industrieller Anwendung zu steigern.
Beispielsweise aus der US-PS 47 95 537 ist eine Einrichtung bekannt, die pulsierenden Gleichstrom erzeugt und auf die Elektroden einer Elektrolysezelle leitet, wodurch Wasserstoff an der Kathode erzeugt wird, wobei sich die Anode im wesentlichen passiv verhält.
Aus der chinesischen Patentanmeldung No. 8 91 01 949 ist eine Vorrichtung zur Wasserelektrolyse von geringem Baumaß bekannt, bei welcher die Effizienz der Wasserelektrolyse durch eine Energiequelle gesteigert ist, die mit hoher Frequenz pulsierenden Gleichstrom liefert. Jedoch ist der Abstand zwischen den Elektroden mit ungefähr 8 mm relativ groß, was eine weitere Steigerung der Effizienz verhindert.
Die Erfindung löst die Aufgabe, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, bei welcher unter Beibehaltung leichter Herstellbarkeit der Vorrichtung der Abstand der Elektrodenplatten verringert werden kann, wodurch eine kostengünstigere und effizientere Wasserelektrolyse ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Wasserelektrolyse mit einer Elektrolysezelle, einer Gas-Flüssigkeits-Trenneinrichtung und einer Energiequelle, wobei die Elektrolysezelle mehrere in Reihe geschalteten Elektrolysekammern aufweist; jede Elektrolysekammer mit zwei Elektrodenplatten versehen ist, die eine Anode bzw. Kathode bildenden; mit einer zwischen den Elektrodenplatten befindlichen Membraneinrichtung, die mit einem Eisensieb, einem Nickelsieb, und einem dazwischen befindlichen dünnen, durchlässigen Asbestblatt versehen ist, wobei das Eisensieb der Kathode und das Nickelsieb der Anode zugewandt ist; wobei die Kathode und das Eisensieb im Abstand zueinander unter elektrisch leitender Zwischenschaltung eines wellenförmigen Eisennetzes und die Anode und das Nickelsieb im Abstand zueinander unter elektrisch leitender Zwischenschaltung eines wellenförmigen Nickelnetzes derart angeordnet sind, daß das Eisensieb und das Nickelsieb jeweils einen Teil der Kathode bzw. Anode bilden.
Mit einer derartigen konstruktiven Gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wasserelektrolyse kann erreicht werden, daß der Abstand der Elektrodenplatten auf ein Minimum reduziert werden kann. So läßt sich ohne eine Verkomplizierung des Herstellungsprozesse der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreichen, daß der Elektrodenabstand nur 1-1,5 mm beträgt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Elektrodenplatten und die Membraneinrichtung obere Gasaustrittsöffnungen und untere Flüssigkeitseintrittsöffnungen in der Nähe des unteren bzw. oberen Endes auf.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem an die Membraneinrichtung integral angeformten Anschlußrand versehen, in welchem sich die Gasaustrittsöffnungen und Flüssigkeitsaustrittsöffnungen befinden. Über diesen Anschlußrand können mehrere Elektrolysekammern auf einfache Weise in Reihe geschaltet miteinander verbunden und nach außen angeschlossen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Energiequelle versehen, die mit hoher Frequenz pulsierenden Gleichstrom liefert.
Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Gas-Flüssigkeits-Trenneinrichtung mit Mitteln zur Gas- Flüssigkeitstrennung für Wasserstoff und für Sauerstoff versehen.
Vorteilhaft ist das durchlässige Asbestblatt 1-1,5 mm dick. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn auf beide Oberflächen des durchlässigen Asbestblattes ein Baumwoll- oder Glasfasergewebe aufgelegt ist, wobei die Gesamtdicke des durchlässigen Verbundes aus Asbest und Gewebe eine Dicke von 1-1,5 mm nicht überschreitet.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung versehen mit mindestens einem Wasserstoffauslaß, Sauerstoffauslaß und Flüssigkeitseinlaß, wobei der Wasserstoffauslaß und der Sauerstoffauslaß jeweils mit einer Gas-Flüssigkeits- Trenneinrichtung für Wasserstoff bzw. mit einer Gas- Flüssigkeits-Trenneinrichtung für Sauerstoff verbunden sind; sowie mit einer ersten Reinigungseinrichtung versehen, die mit dem Auslaß der Gas-Flüssigkeits-Trenneinrichtung für Wasserstoff über ein Gasdrucksteuerventil verbunden ist; und mit einer zweiten Reinigungseinrichtung versehen, die mit dem Auslaß der Gas-Flüssigkeits-Trenneinrichtung für Sauerstoff über ein Gasdrucksteuerventil verbunden ist; wobei der Flüssigkeitseinlaß der Elektrolysezelle mit einem Flüssigkeitsauslaß der Gas-Flüssigkeits-Trenneinrichtung für Wasserstoff und mit einem Flüssigkeitsauslaß der Gas-Flüssigkeits-Trenneinrichtung für Sauerstoff verbunden ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Elektrolysezelle;
Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt der Einzelheit I in Fig. 1;
Fig. 3 eine Draufsicht auf den Teilschnitt nach Fig. 2;
Fig. 4 eine Vorderansicht der Membraneinrichtung der in der Elektrolysezelle angeordneten Elektrolysekammer;
Fig. 5 einen Schnitt entlang Linie A-A in Fig. 4;
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Zusammenwirkens zwischen der Elektrolysezelle und der Gas-Flüssigkeits- Trenneinrichtung;
Fig. 7 den Schaltkreis der Energiequelle, die mit hoher Frequenz pulsierenden Gleichstrom liefert.
Fig. 1 zeigt einen Zusammenbau von Elektrolysekammern zu einer Elektrolysezelle 13. In Fig. 1 und 4 sind die Elektrolysekammern als Verbund mittels eines Paares korrosionsbeständiger Klemmplatten 2 und Bolzen 5 eng aneinander montiert, wodurch die Elektrolysezelle 13 gebildet wird. Eine Anzahl oberer Öffnungen 1 sind am oberen Ende der Elektrolysekammern und der Klemmplatten für den Gasaustritt vorgesehen und untere Öffnungen 7 sind am unteren Ende als Flüssigkeitseintritt vorgesehen. Die Elektrolysezelle 13 enthält mehrere Elektrodenplatten 4.
Die Gestaltung der Membraneinrichtung der Elektrolysekammer und die Verbindung zwischen der Membraneinrichtung und den Elektrodenplatten 4 ist in Fig. 2 und 3 dargestellt. Die Membraneinrichtung ist mit einem Eisensieb 53, einem Nickelsieb 9, und einem dazwischen befindlichen dünnen, durchlässigen Asbestblatt 11 sowie zwei Stück eines Baumwoll- oder Glasfasergewebes 10 versehen.
Das durchlässige Asbestblatt 11 ist aus gereinigtem und gebleichtem sowie mit etwas Bindemittel versetztem Asbest durch einen Preßvorgang hergestellt und hat eine Dicke von 0,2-0,5 mm.
Das verwendete Bindemittel reagiert chemisch nicht mit alkalischen Substanzen. Das Baumwoll- oder Glasfasergewebe 10 ist auf beide Oberflächen des durchlässigen Asbestblattes 11 aufgelegt und wird auf der einen Seite von dem Eisensieb 53 und auf der anderen Seite von dem Nickelsieb 9 angepreßt, wodurch die Membraneinrichtung gebildet wird.
Die Elektrodenplatte 4 ist aus Eisen, wobei die eine Fläche als Anode für eine erste Elektrolysekammer und als Kathode für eine zweite, benachbarte Elektrolysekammer dient. Die als Anode dienende Fläche ist dabei mit einer Nickelschicht überzogen.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist ein wellenfömiges Nickelnetz 8 zwischen der als Anode wirkenden Oberfläche der Elektrodenplatte 4 und dem Nickelsieb 9 angeordnet und derart gegen die Elektrodenplatte 4 und das Nickelsieb 9 gepreßt, daß eine elektrisch leitende Verbindung entsteht. In ähnlicher Weise ist ein wellenförmiges Eisennetz 54 zwischen der als Kathode wirkenden Oberfläche der Elektrodenplatte 4 und dem Eisensieb 53 angeordnet und derart gegen die Elektrodenplatte 4 und das Eisensieb 53 gepreßt, daß eine elektrisch leitende Verbindung entsteht. Auf diese Weise bilden das Nickelsieb 9 und das Eisensieb 53 einen Teil der Anode bzw. einen Teil der Kathode. Durch diese Maßnahmen konnte der Abstand zwischen der Anode und der Kathode wesentlich auf 1-1,5 mm verringert werden. Dadurch wird der Abstand zwischen der Anode und der Kathode wesentlich auf bis zu 1-1,5 mm verringert, wodurch der Widerstand zwischen den Elektroden und zwischen den Elektroden und Ionen wesentlich verringert wird. Dadurch wird eine Verringerung des Energiebedarfs und damit eine Steigerung des Wirkungsgrads der Elektrolyse erreicht.
Fig. 4 zeigt eine Vorderansicht der Membraneinrichtung. Die Membraneinrichtung weist Austrittsöffnung 1-1 für Wasserstoff, Austrittsöffnungen 1-2 für Sauerstoff sowie Einlaßöffnungen 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 für den Elektrolyth auf. Die Austrittsöffnung 1-1 für Wasserstoff ist mit den Einlaßöffnungen 7-2 und 7-4 des Elektrolyths verbunden. Die Austrittsöffnung 1-2 für Sauerstoff ist mit den Einlaßöffnungen 7-1 und 7-3 des Elektrolyths verbunden.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt der Membraneinrichtung nach Fig. 4.
Der schraffierte Teil stellt einen an die Membraneinrichtung integral angeformten Anschlußrand 12 dar, in welchem sich die Austrittsöffnungen 1-1 bzw. 1-2 für Wasserstoff und Sauerstoff sowie die Einlaßöffnungen 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 des Elektrolyths befinden.
Fig. 6 zeigt schematisch das Zusammenwirken der Elektrolysezelle 13 und der Gas-Flüssigkeits-Trenneinrichtung. Ein Flüssigkeitsauslaß 26 zum Herausführen des Elektrolyths aus der Elektrolysezelle 13 und ein Ventil 25 zum Steuern des Flüssigkeitsauslasses 26 sind mittels Rohren mit der Elektrolysezelle 13 verbunden. Eine Gas-Flüssigkeits- Trenneinrichtung 15 für Wasserstoff und eine Gas-Flüssigkeits- Trenneinrichtung 14 für Sauerstoff sind mit einer Umwälzpumpe 40 derart verbunden, daß die Flüssigkeit aus den Trenneinrichtungen 14 und 15 von der Umwälzpumpe 40 in den Kreislauf zurückgeführt wird. Eine Pegelmeßeinheit 20 bzw. 39 zum Anzeigen des jeweiligen Flüssigkeitsstandes ist an der Trenneinrichtung 14 bzw. 15 vorgesehen. Ein Flüssigkeitsauslaß 24 mit einem Ventil 23 zum Steuern des Flüssigkeitsauslasses 24 zweigt von einem gemeinsamen Kanal von den Trenneinrichtungen 14 und 15 zu der Umwälzpumpe 40 ab. Ein Einlaß 22 für frischen Elektrolyth mit einem Ventil zum Steuern dieses Einlasses 22 ist ebenfalls an dem vorgenannten gemeinsamen Kanal vorgesehen. Ein Rohr 19 mit einem Ventil 18 ist mit der Trenneinrichtung 14 als Auslaß für den Sauerstoff verbunden.
Entsprechend ist ein Rohr 37 mit einem Ventil 38 mit der Trenneinrichtung 15 als Auslaß für den Wasserstoff verbunden. Der Wasserstoff und Sauerstoff wird von den Trenneinrichtungen 14 bzw. 15, deren Druck von einem Manometer 17 angezeigt wird, zu den Verbrauchern über ein Drucksteuerventil 16 und Gasreinigungsvorrichtungen 29 und 34 sowie Aktivkohleabsorber 28 und 33 und schließlich Rohre 27 und 32 geleitet.
Die Energiequelle der Elektrolysezelle 13 ist in Fig. 7 dargestellt. Diese Energiequelle liefert mit hoher Frequenz pulsierenden Gleichstrom. Ein integrierter Schaltkreis 555, Widerstände R1, R2, R3 und Kondensatoren C1 und C2 sowie die Trioden BG1 und BG2 sind Bestandteile der Energiequelle, durch welche der Leistungstransistor MTM55N10 aktiviert wird, der den Gleichstrom in die Elektrolysezelle 13 einspeist. Die Energiequelle erzeugt Rechteckimpulse mit einem Zeitdauerverhältnis von 2/5-4/5 bei einer Frequenz von über 3000 Hz. Die Verwendung einer solchen mit hoher Frequenz pulsierenden Gleichstrom liefernden Energiequelle verbessert den effizienten Einsatz von Energie wesentlich.
Beispiel: Untersucht wurde eine aus 24 Elektrolysekammern gebildeten Elektrolysezelle, die vier parallelgeschaltete Gruppen mit jeweils sechs in Reihe geschalteten Elektrolysekammern aufweist. Der Elektrolyth enthielt 25-28 Gew.% Kaliumhydroxyd, einen Chlorplatinsäure-Zusatz von 20-240 ppm, vorzugsweise von 60-70 ppm; sowie eine Kobaltnitrat-Zusatz von 20-240 ppm, vorzugsweise von 60-70 ppm. Die Ergebnisse sind in nachfolgender Tabelle dargestellt:
Volumen des Elektrolyths|12 l
Spannung 11,4 V
Stromstärke 15 A
Zeit 1 min
hergestellter Wasserstoff 668,7 ml
hergestellter Sauerstoff 394,37 ml
Leistungsbedarf 172 W
Elektrolyse-Wirkungsgrad 87%

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Wasserelektrolyse mit einer Elektrolysezelle (13), einer Gas-Flüssigkeits-Trenneinrichtung (14, 15) und einer Energiequelle, wobei die Elektrolysezelle (13) mehrere in Reihe geschalteten Elektrolysekammern aufweist; jede Elektrolysekammer mit zwei Elektrodenplatten (4) versehen ist, die eine Anode bzw. Kathode bildenden; mit einer zwischen den Elektrodenplatten (4) befindlichen Membraneinrichtung, die mit einem Eisensieb (53), einem Nickelsieb (9), und einem dazwischen befindlichen dünnen, durchlässigen Asbestblatt (11) versehen ist, wobei das Eisensieb (53) der Kathode und das Nickelsieb (9) der Anode zugewandt ist; wobei die Kathode und das Eisensieb (53) im Abstand zueinander unter elektrisch leitender Zwischenschaltung eines wellenförmigen Eisennetzes (54) und die Anode und das Nickelsieb (9) im Abstand zueinander unter elektrisch leitender Zwischenschaltung eines wellenförmigen Nickelnetzes (8) derart angeordnet sind, daß das Eisensieb (53) und das Nickelsieb (9) jeweils einen Teil der Kathode bzw. Anode bilden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenplatten (4) und die Membraneinrichtung obere Gasaustrittsöffnungen (1-1, 1-2) und untere Flüssigkeitseintrittsöffnungen (7-1, 7-2, 7-3, 7-4) in der Nähe des unteren bzw. oberen Endes aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 mit einem an die Membraneinrichtung integral angeformten Anschlußrand (12), in welchem sich die Gasaustrittsöffnungen (1-1, 1-2) und Flüssigkeitseintrittsöffnungen (7-1, 7-2, 7-3, 7-4) befinden.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Energiequelle, die mit hoher Frequenz pulsierenden Gleichstrom liefert.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gas-Flüssigkeits-Trenneinrichtung (14, 15) mit Mitteln zur Gas-Flüssigkeitstrennung für Wasserstoff und für Sauerstoff versehen sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das durchlässige Asbestblatt (11) 1-1,5 mm dick ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei auf beide Oberflächen des durchlässigen Asbestblattes (11) ein Baumwoll- oder Glasfasergewebe (10) aufgelegt ist, wobei die Gesamtdicke des durchlässigen Verbundes aus Asbest und Gewebe eine Dicke von 1-1,5 mm nicht überschreitet.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit mindestens einem Wasserstoffauslaß (32), Sauerstoffauslaß (27) und Flüssigkeitseinlaß, wobei der Wasserstoffauslaß (32) und der Sauerstoffauslaß (27) jeweils mit einer Gas-Flüssigkeits- Trenneinrichtung (15) für Wasserstoff bzw. mit einer Gas-Flüssigkeits-Trenneinrichtung (14) für Sauerstoff verbunden sind; mit einer ersten Reinigungseinrichtung (31 bis 33), die mit dem Auslaß (32) der Gas-Flüssigkeits-Trenneinrichtung (15) für Wasserstoff über ein Gasdrucksteuerventil (16) verbunden ist; und mit einer zweiten Reinigungseinrichtung (28 bis 31), die mit dem Auslaß der Gas-Flüssigkeits-Trenneinrichtung (14) für Sauerstoff über ein Gasdrucksteuerventil (16) verbunden ist; wobei der Flüssigkeitseinlaß der Elektrolysezelle (13) mit einem Flüssigkeitsauslaß der Gas-Flüssigkeits-Trenneinrichtung (15) für Wasserstoff und mit einem Flüssigkeitsauslaß der Gas-Flüssigkeits-Trenneinrichtung (14) für Sauerstoff verbunden ist.
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