DE102007051230B4 - Elektrolysator - Google Patents

Abstract

Elektrolysator zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff mit einem Elektrolysezellenblock (EB) mit einer Anode und einer Kathode, wobei der Elektrolysezellenblock (EB) mit separaten Entgasungsbehältern (E1, E2) für Wasserstoff und Sauerstoff über Anschlussleitungen (AL1, AL2) verbunden ist, in denen Pumpen (P1, P2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Entgasungsbehälter (E1, E2) sowie die im Elektrolysezellenblock (EB) angeordneten Elektroden (EL1, EL2) mit Ultraschallgeneratoren (US1, US2, US3) gekoppelt sind.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Elektrolysator zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff mit einem Elektrolysezellenblock mit einer Anode und einer Kathode.
• Die Erfindung ist für die Erzeugung von Wasserstoff und dessen Speicherung einsetzbar.
• Die Verknappung der fossilen Energieträger sowie die Klimaerwärmung führen dazu, dass solare sowie thermische Energiesysteme zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie weiter an Bedeutung gewinnen. Die Speicherung dieser Energie wird aufgrund des diskontinuierlichen Anfalls derselben stark an Bedeutung gewinnen. Eine wichtige Möglichkeit der Energieerzeugung und Speicherung stellt die Elektrolyse von Wasser und die Lagerung des Wasserstoffs in Druckbehältern dar.
• Im Stand der Technik sind Elektrolysatoren in verschiedenen Ausführungen bekannt. Elektrolysatoren enthalten Elektrolysezellen, in denen die Elektrolyse technisch realisiert wird. Der aus der Aufspaltung bzw. Zersetzung von Wasser gewonnene Wasserstoff kann als Energieträger für viele Zwecke genutzt werden.
• Aus DE 101 50 557 A1 ist ein Druckelektrolysator bekannt, der einen Druckbehälter mit einem darin angeordneten Elektrolysezellenblock aufweist. Der Elektrolysezellenblock enthält ein Gehäuse, welches zwei voneinander getrennte Räume bildet, welche Bestandteil eines Laugenkreislaufsystems sind. Eine Ausgestaltung dieser Erfindung enthält zwischen dem Gehäuse des Elektrolyseurs und dem Gehäuse des Elektrolysezellenblocks Trennwände. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass die erzeugten Produkte Wasserstoff und Sauerstoff außerhalb des Druckelektrolysators komprimiert werden müssen.
• In DE 20 2005 003 934 U1 ist ein Elektrolysator beschrieben, der kompakt und mit vergleichsweise hohen Elektrolyse-Systemdrücken betreibbar ausgebildet ist. Hierzu ist vorgesehen, dass der Elektrolysator zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff ein ein- oder mehrteilig aufgebautes Gehäuse mit zumindest einem darin angeordneten und gegen das Innere des Gehäuses abdichteten Elektrolysezellenblock aufweist. Innerhalb des Elektrolysezellenblocks sind mehrere in Form eines Stapels zusammengefasste Elektrolysezellen mit Anoden und Kathoden angeordnet, wobei zur Versorgung der Anoden mit Analyten und zur Versorgung der Kathoden mit Katholyten Laugenkreisläufe vorgesehen sind. Zum Ausgasen des innerhalb der Elektrolysezellen erzeugten Sauerstoffs und des Wasserstoffs sind ein mit dem Elektrolysezellenblock gekoppelter Sauerstoff-Separationsraum sowie ein Wasserstoff-Separationsraum vorgesehen. Kennzeichnend für diese Erfindung ist, dass der den Elektrolyse-Systemdruck aufweisende Sauerstoff-Separationsraum sowie der den Elektrolyse-Systemdruck aufweisende Wasserstoff-Separationsraum innerhalb des Elektrolysezellenblocks platziert sind. Die Anordnung ist durch einen hohen Herstellungs- und Kostenaufwand nachteilig.
• Aus der DE 39 32 895 A1 ist ein Druckgas-Generator bekannt, der aus einem Flüssigkeitsbehälter und zwei damit kommunizierenden Gasauffangbehältern besteht, wobei jeder Gasauffangbehälter eine Elektrode und ein Schwimmerventil, sowie mindestens einer der Gasauffangbehälter ein Arbeits/Überdruckventil besitzt, und zwischen den Elektroden ein Trennkörper befindlich ist.
• Weiterhin ist aus der DE 854 203 B eine Regelvorrichtung für elektrolytische Druckzersetzer mit getrennten Gasabscheidern für die anodisch und kathodisch abgeschiedenen Gase bekannt, bei der die beiden Gasabscheider miteinander durch ein elektrolytgefülltes Verbindungsrohr zu einem System kommunizierender Gefäße verbunden sind und für den Gasauslaß des einen Abscheiders ein druckgeregeltes Ventil und für den Gasauslaß des anderen Gasabscheiders ein in Abhängigkeit von dessen Flüssigkeitsniveau gesteuertes Ventil vorgesehen sind.
• Die DE 135 615 A beschreibt ein Verfahren zur Darstellung von gepresstem Sauerstoff- und Wasserstoffgas durch Elektrolyse von Wasser in der Weise, dass man die durch die Elektrolyse entstehenden Gase in gesonderte Behälter leitet und durch fortgesetztes Entwickeln von Gas durch den elektrischen Strom in den gepressten Zustand überführt.
• Aus der US 5,665,211 A ist eine Elektrolysevorrichtung bekannt, bei der zur Erzeugung von Wasserstoff einer Elektrolyseflüssigkeit mit Hilfe von elektrischem Strom im Wasserstoff und Sauerstoff in einer geschlossenen druckbeaufschlagten Elektrolysezelle zersetzt wird, die innerhalb eines mit einer Flüssigkeit gefüllten Druckmantels angeordnet ist, wobei die Elektrolysezelle durch den Druck des bei der Elektrolyse erzeugten Gases druckbeaufschlagt gehalten wird und der Druckmantel mit einer, in der Elektrolysezelle erzeugten druckbeaufschlagten Sauerstoff oder Wasserstoff enthaltenden Gasquelle in Verbindung steht.
• Die bekannten Elektrolysatoren erzeugen nur einen geringen Überdruck. Der Wasserstoff muss später mit Kompressoren verdichten werden, was einen hohen Aufwand erfordert und hohe Kosten verursacht. Da der technische Aufwand sehr groß ist, sind kleine dezentrale Anlagen nur schwer zu realisieren. Ursachen hierfür sind unter anderem in der schlechten Entgasung vom Wasserstoff und Sauerstoff aus den Elektrolyten zu sehen. Deshalb muss jeweils ein Diaphragma benutzt werden, um ein Vermischen von wasserstoffhaltigen Elektrolyten mit sauerstoffhaltigen Elektrolyten zu vermeiden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektrolysator der eingangs genannten Art anzugeben, der in der Lage ist, Wasserstoffspeicher ohne zusätzlichen Verdichter zu beladen.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Elektrolysator, welcher die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in einem Unteranspruch angegeben.
• Die erfindungsgemäße Anordnung stellt einen Druckelektrolysator zur Elektrolyse von Wasser dar, der mittels des in der Anordnung erzeugten Eigendrucks in der Lage ist, Hybridspeicher zu beladen ohne zusätzliche Verdichter zu benötigen. Vorteilhaft ist da bei, dass der entstehende Sauerstoff an die Atmosphäre abgegeben werden kann. Der Elektrolyt wird in einem geschlossenen Kreislauf bewegt, wobei separate Entgasungskammern für Wasserstoff und Sauerstoff vorgesehen sind. Zur Steigerung der Effizienz und zur Entgasung werden Ultraschallschwingungen eingesetzt, die mit jeweils an den entsprechenden Entgasungsbehältern angeordneten Ultraschallgeneratoren sowie zentral an den Elektroden angeordnet sind. Die Ultraschallgeneratoren können zur Effizienzsteigerung mit unterschiedlichen Frequenzen angesteuert werden, damit über Resonanzeffekte das Gas vollständig aus der Flüssigkeit ausgetrieben werden kann.
• Da Diaphragmen einen elektrischen Widerstand im Elektrolysezweig darstellen, an dem ohmsche Leistung verloren geht, wird der Elektrolyt in zwei separaten Kreisläufen geführt, die lediglich über strömungstechnische Anordnung getrennt gehalten werden. Hierdurch können unterschiedliche Entgasungsfrequenzen sowie eventuell Temperaturen eingestellt werden. Auch ist es möglich, die Strömungsgeschwindigkeiten sowie weitere physikalische chemische Parameter getrennt zu halten.
• Damit wird ähnlich wie bei Strömungsvorhängen im Luftbereich eine laminare Strömung im Bereich der Elektroden beider Elektrolytströme erreicht und ein sehr guter elektrischer Kontakt bei geringer Durchmischung realisiert.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
• In der zugehörigen Zeichnung zeigt 1 eine schematische Darstellung der Anordnung.
• Im Elektrolysezellenblock EB befinden sich die Elektrolyseflüssigkeit sowie die Elektroden EL1 und EL2, welche die Anode und die Kathode der Elektrolyseanordnung bilden. Der Elektrolysezellenblock EB ist über die Anschlussleitung AL1 mit dem Entgasungsbehälter E1 für Wasserstoff und über die Anschlussleitung AL2 mit dem Entgasungsbehälter E2 für Sauerstoff verbunden. In den Anschlussleitung AL1 und AL2 sind Pumpen P1 und P2 angeordnet. Der Elektrolysezellenblock EB enthält ein Trennelement T, welches diesen in zwei Bereiche teilt und den Austausch der beiden Gase verhindert. Unterhalb der Entgasungsbehälter E1 und E2 sind die Ultraschallgeneratoren US1 und US2 angebracht, die die Elektrolyseflüssigkeit in Schwingungen versetzt und so den Austritt der Gase erleichtert. Ein weiterer Ultraschallgenerator US3 befindet sich unterhalb der Elektroden EL1 und EL2 am Elektrolysezellenblock EB.

EB

Elektrolysezellenblock

EL1, EL2

Elektroden

E1, E2

Entgasungsbehälter

P1, P2

Pumpen

US1, US2, US3

Ultraschallgeneratoren

AL1, Al2

Anschlussleitungen

T

Trennelement

Claims (2)

1. Elektrolysator zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff mit einem Elektrolysezellenblock (EB) mit einer Anode und einer Kathode, wobei der Elektrolysezellenblock (EB) mit separaten Entgasungsbehältern (E1, E2) für Wasserstoff und Sauerstoff über Anschlussleitungen (AL1, AL2) verbunden ist, in denen Pumpen (P1, P2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Entgasungsbehälter (E1, E2) sowie die im Elektrolysezellenblock (EB) angeordneten Elektroden (EL1, EL2) mit Ultraschallgeneratoren (US1, US2, US3) gekoppelt sind.
2. Elektrolysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallgeneratoren (US1, US2, US3) mit unterschiedlichen Frequenzen ansteuerbar sind.