DE4101420A1 - Vorrichtung zur wasserelektrolyse - Google Patents
Vorrichtung zur wasserelektrolyseInfo
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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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