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In einem Elektrolyseur laufen die Elektrodenvorgänge eines galvanischen Elementes in umgekehrter Richtung ab. Das heisst, eine elektrochemische Reaktion wird durch Verrichtung elektrischer Arbeit mittels einer äusseren Spannungsquelle erzwungen.
Dabei wird im Falle der Wasserelektrolyse das Wasser an der Anode oxidiert und es entsteht Sauerstoff. An der Kathode werden die Protonen (H+) welche durch einen Separator z. B. PEM (Polymer Elektrolyt Membran) wandern zu Wasserstoff reduziert. Der Separator ist im beschriebenen Faii eine Polymerelektrolytmembran, welche protonen leitend ist. Es ist aber auch eine kationenleitende Membran (alkalischer Elektrolyt) oder eine andere Vorrichtung mit der gewünschten Wirkung denkbar. Die an den Elektroden entstehenden Gase werden über entsprechende Kanäle abtransportiert. In der Praxis wird eine bestimmte Anzahl von Elektrolysezellen gestapelt oder miteinander verschachtelt, um eine Elektrolyseeinheit zu bilden. Nach dem Stand der Technik werden diese Bipolarplatten üblicherweise entweder aus Kohlenstoff, Metall oder einem Kompositmaterial gefertigt.
Die Bipolarplatte wird üblicherweise mit einem Netzwerk von Kanälen durch mechanische Bearbeitung oder Prägung versehen. Diese Nuten oder Kanäle sorgen für die Abfuhr der Reaktionsgase von der Anode und Kathode. Dabei bildet die Bipolarplatte eine elektrische Verbindung von einer Elektrolysezelle zur nächsten und dient zur Trennung des Anodengases und des Kathodengases. Zum weiteren Halten des Elektrolyten und zur Trennung der Produktgase muss eine Dichteinrichtung wie z. B. ein O-Ring oder ähnliches vorgesehen werden.
Nach dem Stand der Technik sind heutzutage meist alkalische Elektrolyseure mit Separatoren aus diversen Geweben im Einsatz. Diese wie auch die neueren PEM - Elektrolyseure sind meist in der Filterpressenbauweise ausgeführt.
Die Einzelteile sind dabei in planarer Bauweise ausgeführt. Durch die planare Bauweise ergeben sich Probleme bei der Zufuhr des Wassers und bei der Abfuhr der Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff.
Herkömmliche PEM Elektrolyseure besitzen meist eine aufwändige Peripherie welche für die Zufuhr von Wasser und den Abtransport der Produktgase sorgen. Die bei der elektrochemischen Reaktion anfallende Wärme muss auch in geeigneter Weise mit hohem Aufwand durch ein entsprechendes Kühlsystem abtransportiert werden.
Figurenübersicht
Fig. 1 Ausführungsbeispiel eines Elektrolyseurs in bipolarer Bauweise, mit eingezeichneten
Reaktandenverläufen und Kühlungsverläufen nach dieser Erfindung.
Der Zellenblock besteht aus stapelförmig übereinander angeordneten Einheiten beste- hend aus konusförmiger Anode (14), Kathode (15), Polymermembran (16), Gasdiffusi- onsmedium (17) und Bipolarplatte (18). Den Abschluss bilden jeweils konusförmige End- platten über die die Zu- und Ableitung des elektrischen Stromes erfolgt (19). Der Stapel wird von einem druckfesten Hohlzylinder umschlossen (24). Als spezielle Ausführungs- form können die Bipolarplatten mit dem Hohlzylinder verschraubt sein.
Der Elektrolyseur wird in der zentralen Achse über die innere kleine Hohlwelle (30) mit- tels zweier Muttern (31) zusammengespannt. Die äussere kleine Hülse (32) dient zur
Dichtung zwischen den Segmenten und über geeignete Bohrungen und Nuten zur
Durchleitung des Produktgases. Der Einlass des Wassers erfolgt über eine Bohrung in der oberen Endplatte (34). Über Bohrungen durch die Bipolarplatten und den umschlie- #enden Hohlzylinder (25) erfolgt die Zu- und Ableitung des Wassers in und aus den ein- zelnen Zellsegmenten. Durch eine Bohrung in der unteren Endplatte (26a) erfolgt der
Austritt des bei der elektrochemischen Reaktion entstehenden Sauerstoffgases. Die
Flussrichtung des Wassers ausserhalb des Hohlzylinders ist nur durch Pfeile angedeutet.
Der Fluss kann entweder in Kanälen eines weiteren umschliessenden Zylinders erfolgen oder in Rohrleitungen, Schläuchen oder ähnlichem.
Der Einlass von Wasser erfolgt über Bohrungen durch die obere Endplatte (33). An- schliessend fliesst das Wasser durch eine bzw. mehrere Bohrungen durch die äussere kleine Hülse (32) weiter entlang einer Nut an der Aussenseite der inneren kleinen Hohl- welle (30) nach unten. In einer ringförmigen Nut sammelt sich das Wasser und gelangt über Bohrungen durch die äussere Hülse und durch die Bipolarplatte in das erste Zell- segment. Der Fluss des Wassers durch die einzelnen Zellsegmente folgt den Pfeilen.
Die Ableitung des entstehenden Wasserstoffgases erfolgt durch Bohrungen in der unte-
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ren Endplatte (26b).
Die Bipolarplatten sind durch Dichtungen unterschiedlicher Grösse (27,28) voneinander getrennt.
Die Flussrichtung des Kühl- oder Heizmediums ist mittels zweier Pfeile entlang der Mit- telachse angedeutet (29).
Fig. 2 Darstellung einer konischen Bipolarplatte wie sie in der Erfindung zum Einsatz kommt, in Aufriss und Seitenriss, deren Grundflächen aus einem symmetrischen 8-Eck (n=8) gebil- det werden, und deren Mantelflächen nach aussen und nach innen gewölbt sind.
Fig. 3 Schnittdarstellung durch einen Zellenblock wie er in der Erfindung zum Einsatz kommt.
Die Darstellung zeigt den prinzipiellen Aufbau des Zellenblocks allerdings noch ohne Pe- ripherie der Zu- und Ableitungen, Endplatten und Mittelstück, mit einer Detailansicht- De- tail A. Detail A zeigt Membran, Anode, Kathode und Gasdiffusionsschichten wie sie von zwei Bipolarplatten zusammengepresst.
Die Erfindung betrifft einen PEM Elektrolyseur, zur Erzeugung von gasförmigen Produkten aus einem flüssigen Elektrolyten. Ein PEM (Polymer Elektrolyt Membran) Elektrolyseur besteht üblicherweise aus einer Abfolge von Anode, Polymermembran, Kathode, Gasdiffusionsmedium und einer elektronisch leitenden Bipolarplatte. Die Anode und Kathode einer Elektrolysezelle besitzen eine katalytisch aktive Beschichtung und sind elektrisch leitend in einer Parallelschaltung, oder Serienschaltung, miteinander verbunden. Die für die Spaltung des Elektrolyten (hier Wasser) an den Elektroden notwendige Energie wird über eine externe Spannungsquelle in das System eingebracht. Durch diese eingebrachte Energie wird der Elektrolyt an der Anode oxidiert und an der Kathode reduziert. Dabei entstehen die Produkte (im Falle von Wasserelektrolyse: Wasserstoff und Sauerstoff).
Die Bipolarplatte wird üblicherweise aus einem Graphit-Kompositmaterial aus Metall oder Graphit gefertigt. Üblicherweise sind die Anode, Kathode, Bipolarplatte und Gasdiffusionsmedium planar ausgeführt und in Form einer Filterpressenanordnung, wie nach DE19607235 bekannt, angeordnet.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich grundlegend vom Stand der Technik darin, dass die Form der Bestandteile Anode, Kathode, Polymerelektrolyt, Gasdiffusionsmedium und Bipolarplatte eine konische Form aufweist, wobei die Grundflächen der Konuse ein symmetrisches oder beliebiges n-Eck darstellen, mit n zwischen 3 und unendlich (Anspruch 1). Die Form der Grundflächen der Konuse und der Neigungswinkel der Mantelflächen bestimmen die strömungstechnischen Eigenschaften massgeblich. Durch geeignete Wahl der Geometrie sollen bekannte Probleme die bei planarer Bauweise der Komponenten auftreten, vermieden werden. Die an der Anode (14) und Kathode (15) entstehenden Produktgase können durch das Gasdiffusionsmedium (17) dringen und entlang der Kanäle in den Bipolarplatten abtransportiert werden.
Der Elektrolyt (Wasser) kann selbstständig ohne zusätzliche treibende Kraft durch die Kanäle der Bipolarplatte nach unten fliessen (25). Durch die Kombination von selbstständig herabfliessendem Elektrolyten und aufsteigendem Gas ist eine stetige Erneuerung der katalytischen Oberfläche an den Elektroden gewährleistet. Dadurch ist es möglich den für den Stofftransport notwendigen Energieaufwand zu reduzieren. Aufgrund der Anordnung können die Gase in den entsprechenden Kanälen nach oben steigen und getrennt voneinander gesammelt werden.
Die Grundflächen der konusförmigen Bauteile können die Form einer beliebigen Schnittfigur aus einem symmetrischen oder beliebigen n-Eck und eines Kreises bzw. beliebigen Ellipsoids aufweisen (Anspruch 2).
Die Grundflächen der konusförmigen Bauteile können auch nur die Form eines Kreises oder beliebigen Ellipsoids aufweisen (Anspruch 5).
Für eine optimale Funktion, muss der Reaktor auf einer konstanten Betriebstemperatur gehalten werden, dies wird hier durch einen zentral laufenden Heiz- bzw. Kühlkanal (29) realisiert.
Durch Wölbung der Mantelfläche nach aussen oder nach innen wird die Reaktionsfläche im Vergleich zu geraden Flanken vergrössert. Bei Verwendung einer symmetrischen Halbkugelform ist das beste erzielbare Ergebnis hinsichtlich des verwendeten Volumens zu eingesetzter Reaktionsfläche gegeben (Anspruch 3).
Durch eine Kombination der Wölbungsrichtungen der Mantelflächen der konischen Bauteile sowohl nach innen als auch nach aussen, kann sowohl das Verhältnis von Zellvolumen zu aktiver Reaktionsoberfläche als auch das Strömungsverhalten des Reaktanden und der Produktgase
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optimiert werden. Diese Bauweise wurde als Ausführungsbeispiel in Figur 3 dargestellt. Zur besseren Übersicht wurde hier lediglich die Bipolarplatte dargestellt (Anspruch 4).
Wie in Figur 1 und Figur 2 dargestellt, erfolgt der Aufbau eines Elektrolyseurs durch das Aneinanderreihen der einzelnen Elektrolysezellen in einem Hohlzylinder (24). Die einzelnen Bauteile werden durch eine Druckkraft zusammengepresst die entweder durch eine Verschraubung der Bauteile mit dem Hohlzylinder erfolgt oder durch alternative Druckkräfte. Die Zu- und Ableitung der Reaktanden und Produkte kann über diesen Zylinder erfolgen. Der Zylinder trägt weiters die Aufgabe die Reaktanden und Produkte über Ausnehmungen an seiner Innenwand von einer Zelle zur nächsten zu leiten (Anspruch 6).
Die Zuleitungs- und Ableitungskanäle führen wie in Figur 1 (25) durch die Bipolarplatten. Die Form dieser Kanäle kann beliebig sein, ihre Anordnung erfolgt jedoch in einem strömungstechnisch gesehen optimalen Winkel. Die Zuleitung des Reaktanden kann von aussen, oder von innen durch die Bipolarplatten erfolgen (Anspruch 9).
Die Ableitung der Reaktionsprodukte kann ebenso von aussen oder innen, durch die Bipolarplatten erfolgen (Anspruch 10).
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In an electrolyzer, the electrode processes of a galvanic element take place in the opposite direction. That is, an electrochemical reaction is enforced by performing electrical work by means of an external power source.
In the case of electrolysis of water, the water at the anode is oxidized and oxygen is produced. At the cathode, the protons (H +) which by a separator z. B. PEM (polymer electrolyte membrane) migrate to hydrogen reduced. The separator in the described case is a polymer electrolyte membrane which is proton conductive. But it is also a cation-conducting membrane (alkaline electrolyte) or another device with the desired effect conceivable. The gases produced at the electrodes are transported away via corresponding channels. In practice, a certain number of electrolysis cells are stacked or nested together to form an electrolysis unit. In the prior art, these bipolar plates are usually made of either carbon, metal or a composite material.
The bipolar plate is usually provided with a network of channels by mechanical processing or embossing. These grooves or channels provide for the removal of the reaction gases from the anode and cathode. In this case, the bipolar plate forms an electrical connection from one electrolysis cell to the next and serves to separate the anode gas and the cathode gas. To further hold the electrolyte and to separate the product gases, a sealing device such. As an O-ring or the like can be provided.
The state of the art today usually alkaline electrolyzers with separators from various tissues in use. These as well as the newer PEM electrolyzers are mostly designed in filter press construction.
The individual parts are designed in a planar design. Due to the planar design, problems arise in the supply of water and in the removal of the product gases hydrogen and oxygen.
Conventional PEM electrolysers usually have a complex periphery which ensures the supply of water and the removal of the product gases. The resulting in the electrochemical reaction heat must also be removed in a suitable manner with great effort by a corresponding cooling system.
LIST OF FIGURES
Fig. 1 embodiment of an electrolyzer in bipolar design, with marked
Reaktandenverläufen and cooling progressions of this invention.
The cell block consists of stacked units consisting of cone-shaped anode (14), cathode (15), polymer membrane (16), gas diffusion medium (17) and bipolar plate (18). The conclusion is formed by cone-shaped end plates via which the supply and discharge of the electric current takes place (19). The stack is surrounded by a pressure-resistant hollow cylinder (24). As a special embodiment, the bipolar plates can be screwed to the hollow cylinder.
The electrolyzer is clamped together in the central axis via the inner small hollow shaft (30) by means of two nuts (31). The outer small sleeve (32) is used for
Seal between the segments and via suitable holes and grooves for
Passage of the product gas. The inlet of the water via a hole in the upper end plate (34). Through bores through the bipolar plates and the enclosing hollow cylinder (25), the supply and discharge of the water into and out of the individual cell segments takes place. Through a hole in the lower end plate (26 a) takes place
Exit of the oxygen gas produced during the electrochemical reaction. The
Flow direction of the water outside the hollow cylinder is indicated only by arrows.
The flow can either take place in channels of another enclosing cylinder or in pipes, hoses or the like.
The inlet of water via holes through the upper end plate (33). Subsequently, the water flows through one or more holes through the outer small sleeve (32) further along a groove on the outside of the inner small hollow shaft (30) downwards. The water collects in an annular groove and passes through holes through the outer sleeve and through the bipolar plate into the first cell segment. The flow of water through the individual cell segments follows the arrows.
The dissipation of the resulting hydrogen gas takes place through drilling in the lower
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ren end plate (26b).
The bipolar plates are separated by gaskets of different sizes (27,28).
The flow direction of the cooling or heating medium is indicated by means of two arrows along the central axis (29).
FIG. 2 a view of a conical bipolar plate as used in the invention, in elevation and side elevation, the bases of which are formed by a symmetrical 8-corner (n = 8), and whose lateral surfaces are curved outwards and inwards.
Fig. 3 sectional view through a cell block as used in the invention.
The illustration shows the basic structure of the cell block, however, without a periphery of the inlets and outlets, end plates and center piece, with a detail view- detail A. Detail A shows membrane, anode, cathode and gas diffusion layers as pressed together by two bipolar plates.
The invention relates to a PEM electrolyzer for producing gaseous products from a liquid electrolyte. A PEM (Polymer Electrolyte Membrane) electrolyzer usually consists of a sequence of anode, polymer membrane, cathode, gas diffusion medium and an electronically conductive bipolar plate. The anode and cathode of an electrolytic cell have a catalytically active coating and are electrically conductively connected in a parallel circuit, or series connection. The energy required for the splitting of the electrolyte (here water) at the electrodes is introduced into the system via an external voltage source. Due to this introduced energy, the electrolyte is oxidized at the anode and reduced at the cathode. This produces the products (in the case of electrolysis of water: hydrogen and oxygen).
The bipolar plate is usually made of a graphite composite of metal or graphite. Usually, the anode, cathode, bipolar plate and gas diffusion medium are made planar and arranged in the form of a filter press arrangement, as known from DE19607235.
The present invention differs fundamentally from the prior art in that the shape of the components anode, cathode, polymer electrolyte, gas diffusion medium and bipolar plate has a conical shape, wherein the bases of the cone represent a symmetrical or any n-corner, with n between 3 and infinite (claim 1). The shape of the base surfaces of the cone and the angle of inclination of the lateral surfaces determine the fluidic properties significantly. By a suitable choice of the geometry known problems that occur in planar construction of the components should be avoided. The product gases produced at the anode (14) and cathode (15) can penetrate through the gas diffusion medium (17) and be transported away along the channels in the bipolar plates.
The electrolyte (water) can automatically flow down through the channels of the bipolar plate without additional driving force (25). The combination of independently flowing electrolyte and rising gas ensures a constant renewal of the catalytic surface at the electrodes. This makes it possible to reduce the energy required for the mass transport energy. Due to the arrangement, the gases in the respective channels can rise upwards and be collected separately.
The bases of the cone-shaped components may have the shape of any sectional shape of a symmetrical or arbitrary n-corner and a circle or any ellipsoid (claim 2).
The bases of the cone-shaped components may also have only the shape of a circle or any ellipsoid (claim 5).
For optimum function, the reactor must be kept at a constant operating temperature, this is realized here by a central heating or cooling channel (29).
By bulging the lateral surface to the outside or to the inside, the reaction surface is enlarged in comparison to straight flanks. When using a symmetrical hemispherical shape, the best achievable result in terms of the volume used to given reaction surface is given (claim 3).
By a combination of the curvature directions of the lateral surfaces of the conical components both inwardly and outwardly, both the ratio of cell volume to active reaction surface and the flow behavior of the reactant and the product gases
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be optimized. This construction was shown as an exemplary embodiment in FIG. For a better overview, only the bipolar plate was shown here (claim 4).
As shown in Figure 1 and Figure 2, the construction of an electrolyzer by the juxtaposition of the individual electrolysis cells in a hollow cylinder (24). The individual components are pressed together by a compressive force which takes place either by screwing the components to the hollow cylinder or by alternative pressure forces. The supply and discharge of the reactants and products can be done via this cylinder. The cylinder further contributes to the task of passing the reactants and products via recesses on its inner wall from one cell to the next (claim 6).
The supply and discharge channels lead through the bipolar plates as in FIG. 1 (25). The shape of these channels can be arbitrary, but their arrangement is in an aerodynamically optimal angle. The supply of the reactant can be done from the outside, or from the inside by the bipolar plates (claim 9).
The derivation of the reaction products can also be done from the outside or inside, through the bipolar plates (claim 10).