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WO2018103769A1 - Elektrolysezelle sowie verfahren zum betreiben einer solchen - Google Patents

Elektrolysezelle sowie verfahren zum betreiben einer solchen Download PDF

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WO2018103769A1
WO2018103769A1 PCT/DE2017/000373 DE2017000373W WO2018103769A1 WO 2018103769 A1 WO2018103769 A1 WO 2018103769A1 DE 2017000373 W DE2017000373 W DE 2017000373W WO 2018103769 A1 WO2018103769 A1 WO 2018103769A1
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WO
WIPO (PCT)
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water
anode
electrolysis
cathode
oxygen
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/DE2017/000373
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Müller
Geert Tjarks
Denise Günther
Wiebke Lüke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of WO2018103769A1 publication Critical patent/WO2018103769A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
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    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
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    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to an electrolysis cell, in particular an electrolysis cell for generating hydrogen and oxygen from water, and preferably an electrolysis cell with a proton-conducting membrane (PEM).
  • an electrolysis cell in particular an electrolysis cell for generating hydrogen and oxygen from water, and preferably an electrolysis cell with a proton-conducting membrane (PEM).
  • PEM proton-conducting membrane
  • An electrolytic cell is basically always the same.
  • the electrolysis cell comprises two electrodes, between which an electrolyte is arranged.
  • the electrolyte consists of a proton-conducting membrane.
  • the unit of the two electrodes and the electrolyte is also referred to as MEA (Membrane Electrode Assembly).
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • media supplies in the form of flow distributor structures and corresponding manifolds are generally integrated into cells and stacks both on the anode side and on the cathode side. This regularly increases manufacturing costs and increases the cost of stacks.
  • bipolar plates The power is conducted to the individual electrolysis cells via the bipolar plates.
  • suitably structured bipolar plates simultaneously take over the functions of the electrical contacting and the media supply to the electrodes.
  • the tasks of the system components of the anodic region of an electrolytic cell consist in the supply of the electrolyzer with water and in the removal of the oxygen produced, as well as the phase separation of oxygen and entrained liquid.
  • the structure looks similar. On a water supply can be omitted.
  • the removal of the hydrogen produced also takes place via flow distributor structures. Since, during operation, water is normally drawn from the anode side through the membrane to the cathode side, a hydrogen / water mixture always forms on the cathode side, which is removed as a mixture. In a downstream separation this water is then usually separated from the hydrogen produced and optionally forwarded again for disassembly to the anode.
  • the hydrogen is generated on the anode side (negative pole) and the oxygen on the cathode side (positive pole).
  • electrolysis stack is usually arranged between two end plates, which on the one hand ensure the supply of the electrical current to the individual cells and on the other hand ensure the necessary contact pressure for sealing the individual cells.
  • the end plates are usually braced against each other.
  • gas diffusion layers are arranged on both sides of the MEAs, which are each separated by bipolar plates, which can be configured structured, for the separation of the individual electrolysis cells.
  • a gas diffusion layer is porous and serves as a distributor structure of the supply and discharge of the operating materials, or the product gases generated, hydrogen and oxygen, to or from an electrode. Normally, the mass transport in the gas diffusion layers diffusely takes place perpendicular to the membrane plane while in the medium supply it takes place as a flow parallel to the membrane plane.
  • the gas diffusion layer can simultaneously assume the function of an electrode in the areas close to the membrane and is then called a gas diffusion electrode.
  • EP 2957659 A1 discloses a PEM electrolysis cell in which the positive pole (the cathode) is fed with demineralized water, which is decomposed at the negative pole (anode) into oxygen gas and protons (H + ). The protons migrate through the proton-conducting membrane (electrolyte) to the cathode, where they recombine to form hydrogen gas.
  • the gas diffusion layers arranged adjacent to the electrodes ensure, in addition to contacting the electrodes, the optimum distribution of water and thus the wetting of the proton-conducting membrane as well as the removal of the gases produced.
  • the gas diffusion layers comprise an electrically conductive material and are made porous.
  • various variants of the operation management are conceivable. There are the classic concepts with a liquid water supply at the anode or the anode and cathode. In addition, variants with a vaporous supply of the anode are possible, and depending on the pressure level on the cathode side results there liquid or gaseous water. In the case of a cathodic overpressure, the liquid water can also be used to cool the system.
  • the object of the invention is to provide an alternative electrolysis system which, compared to the prior art, on the one hand requires less production effort and at the same time saves installation space, so that the system as a whole is more cost-effective than hitherto.
  • Another object of the invention is to provide a method of operating such an alternative electrolysis system.
  • the objects of the invention are achieved by a method for operating a PEM electrolysis cell with the features of the skin claim, by a PEM electrolysis cell according to the first additional claim and by a PEM electrolysis stack according to further independent claim.
  • the operation of an electrolytic cell for the production of hydrogen usually the anode side water is supplied, which then reacts electrochemically to hydrogen with elimination of protons.
  • the oxygen formed at the anode during the electrolysis is removed together with excess water from the anode space and fed to a gas / liquid separation. There, the oxygen is separated and the excess water usually fed back to the anode or the anode compartment.
  • electrolysis systems therefore have a separate media supply both on the anode and the cathode side and are very complex, which nachteii- lig increases the manufacturing cost in the production of electrolysis cells.
  • electrolysis systems generally also have corresponding separating devices for the generated product gases on the anode or cathode side, in order to free them from excess water.
  • the transport path of the water through the proton-conducting membrane to the anode is a kind of transport limitation in comparison with the direct supply to the anode according to the prior art and preferably results in sufficient water reaching the anode, where it is split up into oxygen and protoners but on the other hand there remains only so little excess and unreacted water that the oxygen generated and derived at the anode has significantly less water than has hitherto been customary.
  • the entrained water discharged with the oxygen does not exceed the saturation point, so that as a further advantage of the method according to the invention a subsequent gas / liquid separation unit can be dispensed with.
  • gas transport in the plane of the porous structure can now be sufficient for removing the generated oxygen.
  • the process according to the invention can be carried out under atmospheric conditions at temperatures between 10 ° C. and not more than 95 ° C. Operating temperatures between 60 ° C and 90 ° C and in particular operating temperatures around 80 ° C have proven to be advantageous. Above 95 ° C, an increased degradation of the polymers used is to be expected, so that this temperature range is permanently not meaningful. In addition, in unpressurized operation and at such high temperatures, a high heat output due to the evaporation of water is to be expected, which requires an additional heating, which reduces the efficiency.
  • the inventive method is also suitable to be carried out under pressure.
  • the water intended for decomposition can be fed to the cathode side of the electrolysis cell at pressures of from 1,000 hPa to 50,000 hPa, preferably between 2,000 hPa and 20,000 hPa bar. It can be distinguished between a constant pressure method and a differential pressure method. In Gleichschul compassion anode and cathode are kept at the same pressure level, whereas in the differential pressure operation, only the cathode side is operated under pressure. In the case of pressure-charged operation, the liquid water is brought to the cathode side by means of a pump to the desired pressure. This is advantageous under energetic considerations, since water is an incompressible medium and no volume change work is required. In the case of constant pressure operation, the generated oxygen is the anode side via a pressure control valve.
  • the method according to the invention can be operated in both modes.
  • a suitable for implementing the method according to the invention electrolytic cell differs from the prior art in that is dispensed with a separate media supply on the anode side.
  • the PEM electrolysis cell according to the invention has no supply line for water to the anode side.
  • the electrolysis cell in its interior next to a porous anode and no further separate distribution structure as a media supply.
  • the media supply thus takes place exclusively via the cathode side.
  • the diffusive water transport in the membrane is used to supply the catalyst layer lying on the anode with water.
  • a separate media supply of the anode with water is no longer necessary.
  • Separate distributor structures and manifolds for supplying and distributing the supplied water to the anode can therefore advantageously be dispensed with.
  • simple thin unstructured bipolar plates can now be used advantageously.
  • all hitherto customary polymer membranes can be used as PEM membrane.
  • NAFION ® membranes have proven to be very suitable for electrolysis cells and also for the novel process.
  • NAFION ® membranes are already ⁇ with different layer thicknesses in the range of, for example, 22 to 183 offered ⁇ .
  • the required suitable layer thickness of the PEM membrane can easily be determined by a person skilled in the art and the electrolysis cell designed accordingly.
  • the PEM membrane used, the more limiting the diffusive transport of water through the membrane.
  • the PEM membrane should not be designed as thin as desired. This is to be considered in particular in the case of the differential pressure operation, since the Membrane must withstand the mechanical stresses resulting from the differential pressure permanently.
  • anode of the PEM electrolysis cell As material for the anode of the PEM electrolysis cell according to the invention, all conventional anode materials can be used. For example, a porous titanium sintered ceramic is particularly suitable for this purpose. Conventional anodes of an electrolytic cell have layer thicknesses between 1 mm and 1.5 mm. Conceivable and suitable would be thinner anodes with thicknesses in the range of 0.2 to 1 mm.
  • the porous anode of the PEM electrolysis cell according to the invention is suitable according to the invention to dissipate the generated there during operation oxygen flow directly in the layer plane to the outside. The required sufficient porosity and layer thickness of the anode can easily be determined by a person skilled in the art and the electrolysis cell can be designed accordingly.
  • cathode for the PEM electrolysis cell also all conventional cathode materials can be used.
  • the thickness of the cathodes is in the range of 0.1 to 0.5 mm, typically 0.2 mm.
  • the catalysts used for the electrolysis according to the invention at the anode and the cathode also correspond to the hitherto conventional catalysts.
  • platinum is particularly suitable as a catalyst for the cathode and iridium as a catalyst for the anode. This results in a significant simplification for the inventive PEM electrolysis cell, which advantageously reduces the investment costs.
  • Another advantage of the PEM electrolysis cell according to the invention is that can be significantly reduced by the invention, the space required for an electrolysis cell or an electrolysis stack.
  • an unstructured thinner bipolar plate of preferably less than 1 mm used which is only responsible for the electrical contact instead of a structured, 1 to 2 mm thick bipolar plate with distribution structures, which also takes over the contact simultaneously also the function of a media supply and as it is known from the prior art, now an unstructured thinner bipolar plate of preferably less than 1 mm used which is only responsible for the electrical contact.
  • This can be According to the invention have a thickness of even less than 0.8 mm and advantageously even be configured only between 0.3 to 0.6 mm thick.
  • an electrolysis system comprising one or more electrolysis cells according to the invention also advantageously be dispensed with a hitherto conventional gas / liquid separator for the discharged oxygen, since this usually has only up to its saturation limit water.
  • the invention is based on the idea, when operating a PEM electrolysis cell or a PEM electrolysis stack completely on the anodic media supply, i. to dispense with the supply of water to the anode, and to use only the cathodic supply.
  • the water intended for decomposition is fed exclusively to the cathode.
  • a supply of water is provided exclusively to the cathode side of the electrolysis cell.
  • the hitherto customary separate anodic media distribution (distributor structure) is eliminated, which significantly reduces the installation space of a single electrolysis cell and in particular of an electrolysis stack.
  • the oxygen generated at the anode can be directly discharged to the outside via a sufficiently porous anode.
  • the cell has a PEM membrane which is arranged in a U-shape, wherein the porous cathode and the associated media supply are arranged on one side of the membrane between the arms of the membrane and the porous anode is arranged on the other side of the membrane , The contacting of the anode via at least one bipolar plate, which now extends from the anode to the cathode side and is arranged outside the arms of the PEM membrane.
  • Such a special embodiment of the invention is very advantageous, for example, for use in combination with photovoltaic cells.
  • the electrolysis cell or cells could on the back of a photovoltaic cell are arranged in such a way that the cathode side is arranged with the two contacts directed against this.
  • a contacting of both electrodes on one side of the cell is advantageous because then the current generated in the solar cell can be passed directly into the electrolysis cell without detours.
  • the opposite side (anode side) of the electrolysis cell would be free, for example, to be able to dissipate the oxygen generated there directly into the ambient air.
  • Figure 1 Schematic representation of an electrolytic cell according to the prior art.
  • FIG. 1 Schematic representation of the operation of an electrolytic cell according to
  • FIG. 3 Schematic representations of the operation of the invention
  • Figure 5 Schematic representation of an overall system with an electrolytic cell according to the prior art.
  • Figure 6 Schematic representation of an overall system with an embodiment of the
  • FIG. 7 Graphical representation of the current / voltage curve of a device according to the invention
  • FIG. 8 Special embodiment of the electrolytic cell according to the invention with contacting on the cathode side.
  • Figure 9 Schematic representation of classical modes of operation for an electrolysis (a) and a chloralkali electrolysis (b).
  • 1 bipolar plate
  • 2 anode
  • 3 membrane
  • 4 cathode
  • 6 flow distributor structure.
  • 1 shows a schematic representation of an electrolytic cell according to the prior art.
  • the center forms the PEM membrane 3 with the electrodes adjoining on both sides (anode 2 and cathode 4).
  • On both sides of the membrane-electrode assembly (2 + 3 + 4) are devices for supplying media with flow distributor structures 6 and thus formed separate media channels 5 for anodic and cathodic supply of water, as well as for the discharge of an oxygen / water mixture on the anode side and a hydrogen / water mixture on the cathode side.
  • the flow distributor structures 6 are formed here simultaneously by the bipolar plates 1, which ensure the electrical contacting of the electrolysis cell.
  • FIG. 1 The operation of an electrolytic cell according to the prior art is shown in FIG.
  • the intended for decomposition water is fed mainly to the anode.
  • some of the water is also supplied to the cathode, wherein the water supplied to the cathode is usually that separated from the discharged hydrogen / water mixture water.
  • Excess water from the anode side to the cathode side is transported through the membrane in addition to the protons.
  • the discharge of the generated product gases hydrogen and oxygen takes place.
  • the electrolysis cell shown in FIG. 2 the electrolysis cell shown in FIG.
  • FIG. 3 a) shows an electrolysis cell optimized for the operation according to the invention, in which separate media channels are dispensed with on the anode side and a simple, unstructured thin bipolar plate is now provided instead of a correspondingly structured bipolar plate (prior art).
  • FIG. 4 illustrates the difference in installation space between a conventional electrolysis stack and an embodiment of the invention.
  • electrolysis cells according to the invention were constructed and current-voltage investigations were carried out.
  • electrolytic cells of different PEM membranes were thick comprising Nafion ® used with an area of 17.84 cm, respectively.
  • the different materials and layer thicknesses of the membranes used can be taken from the table below.
  • the anode used was a catalyst layer based on an iridium catalyst in combination with a 0.2 mm thick diffusion structure. Alternatively, the use of titanium sintered metals with a porosity of about 20 vol .-% is possible.
  • the cathode used was a catalyst layer based on a platinum catalyst.
  • As a diffusion substrate a carbon fiber fleece with a layer thickness of 0.2 mm was also used here. The results of the investigations are shown in FIG.
  • the electrolyte is arranged in a U-shape with the cathode having the cathode supply between the arms of the U-shaped electrolyte and the anode on the opposite side of the PEM membrane.
  • the contacting can advantageously take place for both electrodes, while on the other side of the cell, the oxygen can be transported away directly via the porous anode.
  • such an arrangement can be ideally coupled to a photovoltaic cell in which the generated electricity can be used directly for the electrolysis and there especially for the production of hydrogen.
  • the aforementioned embodiment of the cell with the possibility of contacting on only one side of the electrolysis cell would be particularly advantageous.
  • the oxygen produced can be removed separately (not shown in FIG. 8) or else released directly to the environment via the porous anode.

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Abstract

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, bei der Elektrolyse von Sauerstoff und Wasserstoff aus Wasser auf die Medienversorgung auf der Anodenseite komplett zu verzichten. Da die Protonen leitende Membran diffusiv Wasser transportiert, hat es sich als ausreichend herausgestellt, wenn das zur Zerlegung vorgesehene Wasser ausschließlich der Kathodenseite bzw. dem Kathodenraum der Elektrolysezelle zugeführt wird. Das zur Zerlegung benötigte Wasser wird dann rein diffusiv durch die PEM-Elektrolytmembran zur Anode geleitet, um dort unter Protonenabgabe zu Sauerstoff zu reagieren. Die dort gebildeten Protonen diffundieren wieder zur Kathodenseite, wo sie zu Wasserstoff rekombinieren. Die Erfindung basiert auf der Idee, beim Betreiben einer PEM-Elektrolysezelle bzw. eines PEM-Elektrolysestacks komplett auf die anodische Medienversorgung, d.h. auf die Zufuhr von Wasser zu verzichten und lediglich die kathodische Versorgung zu nutzen. Das zur Zerlegung vorgesehen Wasser wird dabei ausschließlich der Kathode zugeführt.

Description

B e s c h r e i b u n g
Elektrolysezelle sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen
Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere eine Elektrolysezelle zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, und vorzugsweise eine Elektrolysezelle mit einer Protonen leitenden Membran (PEM).
Stand der Technik
Aus der Literatur sind zahlreiche Elektrolysezellen zur Erzeugung von Wasserstoff bekannt. Dabei wird das zugeführte Wasser anodisch mit Hilfe von elektrischem Strom in Sauerstoff, Protonen und Elektronen aufgespalten, während kathodisch die Wasserstofferzeugung er- folgt. Es kann zwischen zwei technischen Systemen unterschieden werden, die alkalische Elektrolyse und die PEM (engl. Proton-Exchange-Membrane)-Elektrolyse.
Eine Elektrolysezelle ist im Grunde immer gleich aufgebaut. Die Elektrolysezelle umfasst zwei Elektroden, zwischen denen ein Elektrolyt angeordnet ist. Bei einer PEM-Elektrolyse- zelle besteht der Elektrolyt aus einer Protonen leitenden Membran. Die Einheit aus den beiden Elektroden und dem Elektrolyten wird auch als MEA (engl. Membrane-Electrode- Assembly) bezeichnet. Beim Stand der Technik sind in der Regel sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite Medienversorgungen in Form von Strömungsverteilerstrukturen und entsprechende Manifolds in Zellen und Stacks integriert. Dies erhöht regel- mäßig den Fertigungsaufwand und treibt die Kosten von Stacks in die Höhe.
Über die Bipolarplatten wird der Strom zu den einzelnen Elektrolysezellen geleitet. In besonderen Ausgestaltungen übernehmen geeignet strukturierte Bipolarplatten gleichzeitig die Funktionen der elektrischen Kontaktierung und der Medienversorgung zu den Elektroden.
Die Aufgaben der Systembauteile des anodischen Bereichs einer Elektrolysezelle bestehen in der Versorgung des Elektrolyseurs mit Wasser und im Abtransport des erzeugten Sauerstoffs, sowie der Phasenseparation von Sauerstoff und mitgeführter Flüssigkeit. Im kathodischen Bereich sieht der Aufbau ähnlich aus. Auf eine Wasserzufuhr kann verzichtet werden. Der Abtransport des erzeugten Wasserstoffs erfolgt ebenfalls über Strömungsverteilerstrukturen. Da beim Betrieb normalerweise Wasser von der Anodenseite mit durch die Membran zur Kathodenseite gezogen wird, entsteht auf der Kathodenseite immer ein Wasserstoff/ Wassergemisch, welches als Gemisch abgeführt wird. In einem nachgeschalteten Abschei- der wird dieses Wasser dann in der Regel vom erzeugten Wasserstoff getrennt und gegebenenfalls erneut zur Zerlegung zur Anode weitergeleitet.
Während des Betriebs werden der Wasserstoff auf der Anodenseite (Minuspol) und der Sau- erstoff auf der Kathodenseite (Pluspol) generiert.
In der Regel werden mehrere Elektrolysezellen zu einem Stack zusammengebaut. Ein Elektrolysestapel ist in der Regel zwischen zwei Endplatten angeordnet, die einerseits die Zufuhr des elektrischen Stroms zu den einzelnen Zellen sicherstellen und zum anderen den not- wendigen Anpressdruck zur Abdichtung der Einzelzellen gewährleisten. Dazu werden die Endplatten üblicherweise gegeneinander verspannt.
Bei einem Elektrolysestapel werden zu beiden Seiten der MEAs Gasdiffusionsschichten angeordnet, die jeweils durch Bipolarplatten, die strukturiert ausgestaltet sein können, zur Trennung der einzelnen Elektrolysezellen voneinander getrennt sind. Eine Gasdiffusionsschicht ist porös aufgebaut und dient als Verteilerstruktur der Zu- und Ableitung der Betriebsstoffe, bzw. der erzeugten Produktgase, Wasserstoff und Sauerstoff, zu einer oder von einer Elektrode. Normalerweise erfolgt der Stofftransport in den Gasdiffusionsschichten dif- fusiv senkrecht zur Membranebene während er in der Medienversorgung als Strömung pa- rallel zur Membranebene erfolgt. Die Gasdiffusionsschicht kann je nach Ausgestaltung in den Membran-nahen Bereichen auch gleichzeitig die Funktion einer Elektrode übernehmen und wird dann Gasdiffusionselektrode genannt.
Derzeitige Elektrolysestacks weisen üblicherweise einen anodischen und kathodischen Me- dienraum für die Versorgung mit Wasser und die Abfuhr der Reaktionsprodukte auf. Eine Elektrolysezelle bzw. ein Elektrolysestack verfügt zudem über wenigstens eine Zuführungsleitung für Wasser, sowie regelmäßig über wenigstens zwei Abführungsleitungen für den generierten Wasserstoff und Sauerstoff. Aus EP 2957659 A1 ist eine PEM-Elektrolysezelle bekannt, bei der Pluspol (die Kathode) mit vollentsalztem Wasser gespeist wird, welches an dem Minuspol (Anode) in Sauerstoffgas und Protonen (H+) zerlegt wird. Die Protonen wandern durch die Protonen leitenden Membran (Elektrolyt) zur Kathode, wo sie zu Wasserstoffgas rekombinieren. Die benachbart zu den Elektroden angeordneten Gasdiffusionsschichten gewährleisten neben der Elektroden- kontaktierung die optimale Wasserverteilung und damit die Benetzung der Protonen leitenden Membran sowie den Abtragsport der erzeugten Gase. Die Gasdiffusionsschichten umfassen dazu ein elektrisch leitendes Material und sind porös ausgestaltet. In der Elektrolyse sind verschiedene Varianten der Betriebsführung denkbar. Es gibt die klassischen Konzepte mit einer flüssigen Wasserspeisung an der Anode oder der Anode und Kathode. Außerdem sind Varianten mit einer dampfförmigen Versorgung der Anode möglich, und je nach Druckniveau auf der Kathodenseite ergibt sich dort flüssiges oder gasförmiges Wasser. Im Falle eines kathodischen Überdrucks kann das flüssige Wasser auch zur Kühlung des Systems genutzt werden. In jedem Fall wird an der Anode ausreichend Wasser zur Verfügung gestellt, so dass ein Wassertransport in der Membran von der Anoden- zur Kathodenseite stattfindet. Außerdem gibt es noch die Chloralkalielektrolyse bei der die Anode mit NaCI-Lösung gespeist wird und auf der Kathodenseite flüssiges Wasser oder im Fall der Sauerstoffverzehrkathode Luft bzw. Sauerstoff eingespeist werden.
Aufgabe und Lösung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Elektrolysesystem zur Verfügung zu stellen, welches gegenüber dem bisherigen Stand der Technik einerseits weniger Fertigungsaufwand benötigt und gleichzeitig Bauraum einspart, so dass das System insgesamt kostengünstiger als bislang ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen alternativen Elektrolysesystems anzugeben.
Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer PEM- Elektrolysezelle mit den Merkmalen des Hautanspruchs, durch eine PEM-Elektrolysezelle gemäß erstem Nebenanspruch sowie durch einen PEM-Elektrolysestack gemäß weiterem Nebenanspruch.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der PEM-Elektrolysezelle, des PEM-Elektrolysestacks bzw. des Verfahrens ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen.
Gegenstand der Erfindung
Bislang wird beim Betrieb einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Wasserstoff üblicher- weise der Anodenseite Wasser zugeführt, welches dann elektro-chemisch zu Wasserstoff unter Abspaltung von Protonen reagiert. Der bei der Elektrolyse an der Anode gebildete Sauerstoff wird zusammen mit überschüssigem Wasser aus dem Anodenraum abgeführt und einer Gas/Flüssigtrennung zugeführt. Dort wird der Sauerstoff abgetrennt und das überschüssige Wasser in der Regel wieder der Anode bzw. dem Anodenraum zugeführt.
Gleichzeitig wird an der Kathode Wasserstoff gebildet. Ein Teil des der Anode zugeführten Wassers wird dabei aufgrund von Diffusionsprozessen durch die Protonen leitende Membran auch zur Kathode transportiert, wo es zusammen mit dem dort generierten Wasserstoff aus dem Kathodenraum ausgetragen und ebenfalls einer Gas/Flüssigtrennung zugeführt wird. Der zuvor generierte Wasserstoff wird abgetrennt und das überschüssige Wasser gegebenenfalls in einer Kreislaufführung wieder der Anode bzw. dem Anodenraum zugeführt.
Bisher entwickelte Elektrolysezellen besitzen daher eine separate Medienversorgung sowohl auf der Anoden- als auch der Kathodenseite und sind sehr komplex aufgebaut, was nachtei- lig den Fertigungsaufwand bei der Herstellung von Elektrolysezellen erhöht. Zudem weisen Elektrolysesysteme in der Regel neben den einzelnen Elektrolysezellen bzw. Elektrolysestapeln (Stacks) in der Regel auch entsprechende Abscheidevorrichtungen für die generierten Produktgase auf der Anoden- bzw. Kathodenseite auf, um sie von überschüssigem Wasser zu befreien.
Im Rahnen der Erfindung wird dabei unterschieden zwischen einer porösen Diffusionsstruk- tur, bei der Stofftransport in der Regel diffusiv erfolgt, und einer Medienversorgung, bei der der Transport überwiegend durch eine Strömung parallel zur Membran erfolgt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, auf die Medienversorgung auf der Anodenseite komplett zu verzichten und das zur Zerlegung vorgesehene Wasser ausschließlich der Kathode zuzuführen.
Im Rahmen der Erfindung wurde herausgefunden, dass es für den Betrieb einer PEM- Elektrolysezelle nicht zwingend notwendig ist, das zur Zerlegung vorgesehene Wasser der Anodenseite bzw. dem Anodenraum einer Elektrolysezelle zuzuführen. Da die Protonen leitende Membran diffusiv Wasser transportiert, hat es sich als ausreichend herausgestellt, wenn das zur Zerlegung vorgesehene Wasser ausschließlich der Kathodenseite bzw. dem Kathodenraum der Elektrolysezelle zugeführt wird. Das zur Zerlegung benötigte Wasser wird rein diffusiv durch die PEM-Elektrolytmembran zur Anode geleitet, um dort unter Protonenabgabe zu Sauerstoff zu reagieren. Die dort gebildeten Protonen diffundieren wieder zur Kathodenseite, wo sie zu Wasserstoff rekombinieren. Sofern das durch die Membran zur Anode transportierte Wasser nicht vollständig in Sauerstoff und Protonen zerlegt wird, kann dieses überschüssige, nicht umgesetzte Wasser auf der Anodenseite leicht mit dem generierten Sauerstoffstrom ausgetragen werden. Der Transportweg des Wassers durch die Protonen leitende Membran zur Anode stellt gegenüber der direkten Zuführung zur Anode gemäß dem Stand der Technik eine Art Trans- portlimitierung dar und führt vorzugsweise dazu, dass zwar einerseits ausreichend Wasser zur Anode gelangt, um dort in Sauerstoff und Protonern aufgespalten zu werden, anderseits aber dort nur so wenig überschüssiges und nicht umgesetztes Wasser verbleibt, dass der an der Anode generierte und abgeleitete Sauerstoff deutlich weniger Wasser aufweist, als es bislang üblich ist. In der Regel übersteigt das mit dem Sauerstoff ausgeschleuste mitgeführte Wasser den Sättigungspunkt nicht, so dass als weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine nachfolgende Gas/Flüssigtrenneinheit verzichtet werden kann. Außerdem kann nun dank der geringeren Volumenströme auch ein Gastransport in der Ebene der porö- sen Struktur ausreichend zum Abtransport des erzeugten Sauerstoffs sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann unter atmosphärischen Bedingungen bei Temperaturen zwischen 10 °C und maximal 95 °C durchgeführt werden. Als vorteilhaft haben sich dabei Betriebstemperaturen zwischen 60 °C und 90 °C und insbesondere Betriebstemperaturen um die 80 °C herausgestellt. Oberhalb von 95 °C ist mit einer verstärkten Degradation der eingesetzten Polymere zu rechnen, so dass dieser Temperaturbereich dauerhaft nicht sinnvoll ist. Außerdem ist bei drucklosem Betrieb und bei derart hohen Temperaturen mit einem hohen Wärmeaustrag infolge der Verdampfung von Wasser zu rechnen, der eine Zuheizung erforderlich macht, die die Effizienz mindert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch dazu geeignet unter Druck durchgeführt zu werden. Dazu kann das zur Zerlegung vorgesehene Wasser der Kathodenseite der Elektrolysezelle mit Drücken von 1.000 hPa bis 50.000 hPa, vorzugsweise zwischen 2.000 hPa und 20.000 hPa bar zugeführt werden. Dabei kann zwischen einem Gleichdruckverfahren und einem Differenzdruckverfahren unterschieden werden. Beim Gleichdruckverfahren werden Anode und Kathode auf dem gleichen Druckniveau gehalten, wohingegen beim Differenzdruckbetrieb nur die Kathodenseite unter Druck betrieben wird. Im Fall des druckaufgeladenen Betriebs wird das flüssige Wasser kathodenseitig mit Hilfe einer Pumpe auf den gewünschten Druck gebracht. Dies ist unter energetischen Betrachtungen vorteilhaft, da es sich bei Wasser um ein inkompressibles Medium handelt und keine Volumenänderungsarbeit anfällt. Im Falle des Gleichdruckbetriebes wird anodenseitig der generierte Sauerstoff über ein Druckregelventil abgeströmt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in beiden Betriebsweisen gefahren werden.
Eine zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Elektrolysezelle unter- scheidet sich vom bisherigen Stand der Technik dadurch, dass auf eine separate Medienversorgung auf der Anodenseite verzichtet wird. Das bedeutet, dass die erfindungsgemäße PEM-Elektrolysezelle keine Zuführungsleitung für Wasser zur Anodenseite aufweist. Zudem weist die Elektrolysezelle in ihrem Inneren neben einer porösen Anode auch keine weitere separate Verteilerstruktur als Medienversorgung auf.
Bei der hier vorgeschlagenen neuen Systemvariante einer PEM-Elektrolysezelle erfolgt die Medienversorgung somit ausschließlich über die Kathodenseite. Dabei wird der diffusive Wassertransport in der Membran genutzt, um die auf der Anode liegende Katalysatorschicht mit Wasser zu versorgen. Eine separate Medienversorgung der Anode mit Wasser ist nun nicht mehr erforderlich. Auf separate Verteilerstrukturen und Manifolds zur Zuführung und Verteilung des zugeführten Wassers an die Anode kann daher vorteilhaft verzichtet werden. Anstelle von bislang entsprechend als Verteiler strukturierten Bipolarplatten können nunmehr vorteilhaft einfache dünne unstrukturierte Bipolarplatten eingesetzt werden. Für die erfindungsgemäße Elektrolysezelle können alle bislang üblichen Polymermembranen als PEM-Membran eingesetzt werden. Insbesondere NAFION®-Membranen haben sich als sehr gut geeignet für Elektrolysezellen und auch für das erfindungsgemäße Verfahren herausgestellt. Kommerziell erhältliche NAFION®-Membranen werden bereits mit unterschiedlichen Schichtdicken im Bereich von beispielsweise 22 μΐη bis 183 μΐη angeboten. Für die erfindungsgemäße PEM-Elektrolysezelle wird eine PEM-Membran mit einer Schichtdicke zwischen 5 und 200 μΐη, insbesondere zwischen 10 und 100 μΐη und besonders bevorzugt zwischen 15 und 50 μΐη vorgeschlagen.
Je nach Betriebsweise (z.B. Druck und Temperatur) kann die erforderliche geeignete Schichtdicke der PEM-Membran von einem Fachmann leicht ermittelt und die Elektrolysezelle entsprechend ausgelegt werden.
Je größer die Dicke der eingesetzten PEM-Membran ausgewählt wird, desto limitierender wirkt sich der diffusive Wasserstransport durch die Membran aus. Auf der anderen Seite sollte aus Stabilitätsgründen die PEM-Membran jedoch nicht beliebig dünn ausgestaltet werden. Dies ist insbesondere im Falle des Differenzdruckbetriebes zu berücksichtigen, da die Membran den mechanischen Spannungen die aus dem Differenzdruck resultieren, dauerhaft widerstehen muss.
Als Material für die Anode der erfindungsgemäßen PEM-Elektrolysezelle können alle bislang üblichen Anodenmaterialien verwendet werden. Besonders geeignet ist dazu beispielsweise eine poröse Titan-Sinterkeramik. Herkömmliche Anoden einer Elektrolysezelle weisen Schichtdicken zwischen 1 mm und 1 ,5 mm auf. Denkbar und geeignet wären aber auch dünnere Anoden mit Dicken im Bereich von 0,2 bis 1 mm. Die poröse Anode der erfindungsgemäßen PEM-Elektrolysezelle ist erfindungsgemäß geeignet, den dort während des Betriebs generierten Sauerstoffstrom direkt in der Schichtebene nach außen abzuleiten. Die dazu erforderliche ausreichende Porosität und Schichtdicke der Anode kann von einem Fachmann leicht ermittelt und die Elektrolysezelle entsprechend ausgelegt werden.
Als Kathode für die erfindungsgemäße PEM-Elektrolysezelle können ebenfalls alle bislang üblichen Kathodenmaterialien eingesetzt werden. Die Dicke der Kathoden liegt dabei im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm, typischerweise bei 0,2 mm. Die für die erfindungsgemäße Elektrolyse eingesetzten Katalysatoren an der Anode und der Kathode entsprechen ebenfalls den bislang üblichen Katalysatoren. So ist beispielsweise Platin als Katalysator für die Kathode und Iridium als Katalysator für die Anode besonders geeignet. Damit ergibt sich für die erfindungsgemäße PEM-Elektrolysezelle eine deutliche Vereinfachung, die vorteilhaft die Investitionskosten reduziert. Es werden keine anderen Materialien benötigt, als bislang üblich sind. Sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite können bislang übliche Katalysatoren eingesetzt werden. Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen PEM-Elektrolysezelle ist außerdem, dass sich durch die Erfindung der Platzbedarf für eine Elektrolysezelle bzw. einen Elektrolysestack deutlich reduzieren lässt. So kann beispielsweise anstelle einer strukturierten, 1 bis 2 mm dicken Bipolarplatte mit Verteilerstrukturen, die neben der Kontaktierung auch gleichzeitig die Funktion einer Medienversorgung übernimmt und wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, nunmehr eine unstrukturierte dünnere Bipolarplatte von vorzugsweise weniger als 1 mm eingesetzt werden, die nur noch für die elektrische Kontaktierung zuständig ist. Diese kann er- findungsgemäß eine Dicke von sogar weniger als 0,8 mm aufweisen und vorteilhaft sogar nur noch zwischen 0,3 bis 0,6 mm dick ausgestaltet sein.
Neben den Systemkosten lassen sich so vorteilhaft die Kosten und die Komplexität des Stacks deutlich reduzieren, da auf eine anodische Medienversorgung (Strömungsverteiler) verzichtet werden kann.
Gegebenenfalls kann bei einem Elektrolysesystem umfassend ein oder mehrere erfindungsgemäße Elektrolysezellen auch vorteilhaft auf einen bislang üblichen Gas/Flüssigabscheider für den ausgeschleusten Sauerstoff verzichtet werden, da dieser in der Regel nur noch bis maximal zu seiner Sättigungsgrenze Wasser aufweist.
Zusammenfassend beruht die Erfindung auf der Idee, beim Betreiben einer PEM- Elektrolysezelle bzw. eines PEM-Elektrolysestacks komplett auf die anodische Medienver- sorgung, d.h. auf die Zufuhr von Wasser zur Anode, zu verzichten und lediglich die kathodische Versorgung zu nutzen. Das zur Zerlegung vorgesehen Wasser wird dabei ausschließlich der Kathode zugeführt.
Bei einer erfindungsgemäßen PEM-Elektrolysezelle ist daher eine Zufuhr von Wasser aus- schließlich zur Kathodenseite der Elektrolysezelle vorgesehen. Zudem entfällt die bislang übliche separate anodische Medienverteilung (Verteilerstruktur), was den Bauraum einer einzelnen Elektrolysezelle und insbesondere eines Elektrolysestacks deutlich verringert. Der an der Anode generierte Sauerstoff kann dabei direkt über eine ausreichend porös ausgestaltete Anode nach außen abgeleitet werden.
In einer besonderen Ausführung der erfindungsgemäßen PEM-Elektrolysezelle ist auf der Kathodenseite nicht nur die Zuführung von Wasser vorgesehen, sondern auch die elektrische Kontaktierung sowohl der Kathode als auch der Anode. Dazu weist die Zelle eine PEM- Membran auf, die U-förmig angeordnet ist, wobei die poröse Kathode und die zugehörige Medienversorgung auf der einen Seite der Membran zwischen den Armen der Membran angeordnet sind und die poröse Anode auf der anderen Seite der Membran angeordnet ist. Die Kontaktierung der Anode erfolgt über wenigstens eine Bipolarplatte, die nunmehr von der Anode bis auf die Kathodenseite reicht und außerhalb der Arme der PEM-Membran angeordnet ist.
Eine solche spezielle Ausgestaltung der Erfindung ist beispielsweise für den Einsatz in Kombination mit Photovoltaikzellen sehr vorteilhaft. Die Elektrolysezelle oder -zellen könnten an der Rückseite einer Photovoltaikzelle angeordnet werden und zwar derart, dass die Kathodenseite mit den beiden Kontakten gegen diese gerichtet angeordnet ist. In diesem Fall ist eine Kontaktierung beider Elektroden an einer Seite der Zelle vorteilhaft, weil dann der in der Solarzelle generierte Strom ohne Umwege direkt in die Elektrolysezelle geleitet werden kann. Gleichzeitig wäre die gegenüberliegende Seite (Anodenseite) der Elektrolysezelle frei, um beispielsweise den dort generierten Sauerstoff direkt in die Umgebungsluft abführen zu können.
Spezieller Beschreibungsteil
Im Weiteren wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen und einigen Figuren näher erläu tert, ohne dass dies zu einer Einschränkung des breiten Schutzumfanges führen soll.
Dabei zeigen:
Figur 1 : Schematische Darstellung einer Elektrolysezelle gemäß Stand der Technik.
Figur 2: Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Elektrolysezelle gemäß
Stand der Technik.
Figur 3: Schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Betriebsführung:
a) beim Einsatz einer Elektrolysezelle gemäß Stand der Technik
b) beim Einsatz einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle. Figur 4: Unterschiedlicher Platzbedarf für einen konventionellen Elektrolysestack und einer Ausführungsform der Erfindung
Figur 5: Schematische Darstellung eines Gesamtsystems mit einer Elektrolysezelle gemäß Stand der Technik.
Figur 6: Schematische Darstellung eines Gesamtsystems mit einer Ausführungsform der
Erfindung.
Figur 7: Graphische Darstellung der Strom/Spannungskurve einer erfindungsgemäßen
Elektrolysezelle mit kathodischer Wasserzufuhr bei erfindungsgemäßer Betriebsweise in Abhängigkeit der Dicke der eingesetzten PEM-Membran.
Figur 8: Besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle mit Kontaktierung auf der Kathodenseite.
Figur 9: Schematische Darstellung klassischer Betriebsweisen für eine Elektrolyse (a) und eine Chloralkalielektrolyse (b).
In allen Figuren bedeuten: 1 = Bipolarplatte, 2 = Anode, 3 = Membran, 4 = Kathode, 5 Medienkanal, 6 = Strömungsverteilerstruktur. Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektrolysezelle gemäß dem Stand der Technik. Das Zentrum bildet die PEM-Membran 3 mit den beidseitig angrenzenden Elektroden (Anode 2 und Kathode 4). Auf beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit (2 + 3 + 4) befinden sich Vorrichtungen zur Medienversorgung mit Strömungsverteilerstrukturen 6 und mit dadurch ausgebildeten separaten Medienkanälen 5 zur anodischen und kathodischen Zufuhr von Wasser, sowie zur Ableitung eines Sauerstoff/Wassergemisches auf der Anodenseite und eines Wasserstoff/Wassergemisches auf der Kathodenseite. Die Strömungsverteilerstrukturen 6 werden hier gleichzeitig von den Bipolarplatten 1 ausgebildet, die die elektrische Kontaktierung der Elektrolysezelle sicherstellen.
Die Funktionsweise einer Elektrolysezelle gemäß Stand der Technik ist in Figur 2 dargestellt. Das zur Zerlegung vorgesehene Wasser wird hauptsächlich der Anode zugeführt. Allerdings wird zum Teil auch der Kathode Wasser zugeführt, wobei das der Kathode zugeführte Wasser in der Regel dasjenige aus dem abgeführten Wasserstoff/Wassergemisch abgetrennte Wasser ist. Durch die Membran wird neben den Protonen auch überschüssiges Wasser von der Anodenseite zur Kathodenseite transportiert. Über die Medienversorgung auf der Anoden- und Kathodenseite erfolgt auch die Abführung der generierten Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff. Im Unterschied zur Elektolysezelle aus Figur 2 weist die in Figur 3 a) gezeigte Elektrolysezelle zwar auch auf beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit Strömungsverteilerstrukturen auf, allerdings wird während des Betriebs das zur Zerlegung vorgesehene Wasser ausschließlich der Kathodenseite zugeführt. Bei dieser erfindungsgemäßen Betriebsweise gelangt Wasser ausschließlich über Diffusionsvorgänge von der Kathodenseite durch die PEM-Membran zur Anodenseite, wo es in Sauerstoff, Protonen und Elektronen zerlegt wird. Die Figur 3 b) zeigt insofern eine an die erfindungsgemäße Betriebsführung optimierte Elektrolysezelle, bei der auf der Anodenseite auf separate Medienkanäle verzichtet wird und anstelle einer entsprechend strukturierten Bipolarplatte (Stand der Technik) nunmehr eine einfache, unstrukturierte dünne Bipolarplatte vorgesehen ist.
In Figur 4 wird der Unterschied im Bauraum zwischen einem konventionellen Elektrolysestack und einer Ausführungsform der Erfindung verdeutlicht. Durch das Weglassen bzw. Einsparen der separaten Medienkanäle jeweils auf den Anodenseiten kann der Bauraum bei einem erfindungsgemäßen Elektrolysestack deutlich reduziert werden. Dieser Vorteil bleibt selbst dann erhalten, wenn die poröse Anodenstruktur jeweils etwas dicker ausgestaltet würde, als beim bisherigen Stand der Technik. Das Gesamtsystem eines Elektrolysesystems gemäß Stand der Technik mit sich anschließenden Abtrenn- und Reinigungsstufen ist in Figur 5 schematisch dargestellt. Sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite sind jeweils Abscheidevorrichtungen zur Gas/Flüssigabscheidung der Produktgase vorgesehen. Auf der Kathodenseite schließen sich zur Aufbereitung des generierten Wasserstoffs optional zusätzlich Reinigungs- und Trocknungsschritte an, bevor der Wasserstoff gegebenenfalls noch verdichtet zur weiteren Verwendung abgeführt wird.
Im Unterschied zu Figur 5 kann bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nicht nur Bauraum bei den einzelen Elektrolysezellen sondern zusätzlich auch noch durch die Einsparung einer Gas/Flüssigabscheidung für das Produktgas Sauerstoff reduziert werden. Da der ausgeschleuste Sauerstoff bei der erfindungdgemäßen Betriebsweise regelmäßig nur wenig Wasser umfasst, kann auf eine zusätzliche Abtrennung des Wassers vom Sauerstoff in der Regel verzichtet werden. Auch dies trägt zur weiteren Kostereduzierung bei.
Ausführungsbeispiel:
Zur Überprüfung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Elektrolysezellen wurden erfindungsgemäße Elektrolysezellen aufgebaut und Strom-Spannungsuntersuchungen durch- geführt. Bei den Elektrolysezellen wurden unterschiedliche dicke PEM-Membranen umfassend Nafion® mit einer Fläche von jeweils 17,84 cm verwendet.
Die unterschiedlichen Materialien und Schichtdicken der eingesetzten Membranen können aus der nachfolgenden Tabelle entnommen werden.
Figure imgf000012_0001
Als Anode wurde eine Katalysatorschicht auf Basis eines Iridium Katalysators in Kombination mit einer 0,2 mm dicken Diffusionsstruktur eingesetzt. Alternativ ist auch der Einsatz von Titan Sintermetallen mit einer Porosität von rund 20 Vol.-% möglich. Als Kathode kam eine Katalysatorschicht auf Basis eines Platin Katalysators zu Einsatz. Als Diffusionssubstrat wurde auch hier ein Carbonvlies mit einer Schichtdicke von 0,2 mm eingesetzt. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in der Figur 7 dargestellt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Figur 8 zu sehen. Bei dieser Ausführungsform ist der Elektrolyt in U-Form angeordnet, wobei die Kathode mit der Medienver- sorgung für die Kathode zwischen den Armen des U-förmigen Elektrolyten angeordnet ist und die Anode auf der gegenüberliegenden Seite der PEM-Membran. Auf diese Weise kann auf einer Seite der Zelle (Kathodenseite) die Kontaktierung vorteilhaft für beide Elektroden erfolgen, während auf der anderen Seite der Zelle der Sauerstoff direkt über die porös ausgestaltete Anode abtransportiert werden kann.
Eine solche Anordnung kann beispielsweise ideal mit einer Photovoltaikzelle gekoppelt werden, bei der der generierte Strom direkt für die Elektrolyse und dort besonders für die Erzeugung von Wasserstoff genutzt werden kann. Hier wäre die vorgenannte Ausgestaltung der Zelle mit der Möglichkeit der Kontaktierung auf nur einer Seite der Elektrolysezelle beson- ders vorteilhaft. Der erzeugte Sauerstoff kann gesondert abgeführt (nicht in Figur 8 eingezeichnet) oder aber auch direkt über die poröse Anode an die Umgebung abgegeben werden.
In der Elektrolyse sind verschiedene Varianten der Betriebsführung denkbar. Es gibt die klassischen Konzepte mit einer flüssigen Wasserspeisung an der Anode oder der Anode und Kathode. Außerdem sind Varianten mit einer dampfförmigen Versorgung der Anode möglich, und je nach Druckniveau auf der Kathodenseite ergibt sich dort flüssiges oder gasförmiges Wasser. Im Falle eines kathodischen Überdrucks kann das flüssige Wasser auch zur Kühlung des Systems genutzt werden. (Figur 9a) In jedem Fall wird an der Anode ausreichend Wasser zur Verfügung gestellt, so dass ein Wassertransport in der Membran von der Anoden- zur Kathodenseite stattfindet.
Außerdem gibt es noch die Chloralkalielektrolyse bei der die Anode mit NaCI-Lösung gespeist wird und auf der Kathodenseite flüssiges Wasser oder im Fall der Sauerstoffverzehr- kathode Luft bzw. Sauerstoff eingespeist werden. (Figur 9b)

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser mit Hilfe einer Elektrolysezelle, umfassend eine Anode, eine Kathode sowie eine Protonen leitende Membran als Elektrolyt, bei dem an der Anode Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zur Zerlegung vorgesehene Wasser ausschließlich der Kathodenseite zugeführt wird, und dieses durch Diffusion durch die Protonen leitende Membran zur Anode transportiert und dort in Sauerstoff und Protonen zerlegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
bei dem der an der Anodenseite generierte gasförmige Sauerstoff direkt durch die poröse Anode aus der Elektrolysezelle abgeleitet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
bei dem eine Protonen leitende Membran mit einer Dicke zwischen 5 und 200 μΐτι, insbesondere zwischen 10 und 100 μηη und besonders bevorzugt zwischen 15 und 50 μΐη eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem eine Protonen leitende Membran umfassend NAFION® eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem der Wasserstoff und der Sauerstoff aus Wasser bei Temperaturen zwischen 10 °C und maximal 95 °C, vorteilhaft bei Temperaturen zwischen 60 °C und 90 °C und insbesondere bei Temperaturen um die 80 °C erzeugt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem das Wasser der Kathodenseite mit einem Betriebsdruck zwischen 1.000 hPa und 50.000 hPa, vorzugsweise zwischen 2.000 hPa und 20.000 hPa zugeführt wird.
7. Elektrolysezelle zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, umfassend zwei Elektroden, eine zwischen den Elektroden angeordnete Protonen leitende Membran als Elektrolyt, wenigstens zwei Bipolarplatten zur elektrischen Kontak- tierung der Elektrolysezelle sowie eine Medienversorgung für Wasser
dadurch gekennzeichnet,
dass die Medienversorgung für Wasser ausschließlich auf der Kathodenseite angeordnet ist.
8. Elektrolysezelle nach vorhergehendem Anspruch 7,
bei der die Protonen leitende Membran eine Dicke zwischen 5 und 200 μΐη, insbesondere zwischen 10 und 100 μιη und besonders bevorzugt zwischen 15 und 50 μηι aufweist.
9. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 8,
mit einer Protonen leitenden Membran umfassend NAFION®.
10. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9,
bei der die Bipolarplatte auf der Anodenseite keine Strukturierung aufweist und eine maximale Dicke von 1 mm, vorzugsweise von weniger als 0,8 mm und besonders vorteilhaft zwischen 0,3 und 0,6 mm aufweist.
11. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
mit einem U-förmig Elektrolyt,
wobei die Kathode und die Medienversorgung für das Wasser auf einer Seite der Protonen leitenden Membran zwischen den Armen des U-förmigen Elektrolyts angeordnet sind und die Anode auf der anderen Seite der Protonen leitenden Membran angeordnet ist, und
wobei die Bipolarplatten zur Kontaktierung beider Elektroden auf der Kathodenseite angeordnet sind.
12. Elektrolysestapel umfassend wenigstens zwei Elektrolysezellen,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektrolysestapel wenigstens eine Elektrolysezelle gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11 aufweist.
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