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.

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)