Elektrolysesystem für die C02-Elektrolyse

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem für die C02-Elektrolyse .

Stand der Technik

Im Zuge der zunehmenden Nutzung erneuerbarer Energiequellen wird mitunter vorgeschlagen, elektrische Überschussleistung aus fluktuierenden Energiequellen wie Wind, Sonne oder der gleichen möglichst sinnvoll und effizient zu nutzen. Ein hierzu verfolgter Ansatz besteht darin, kohlendioxidhaltige Abgase von industriellen Kraftwerksprozessen mit Hilfe von wässriger C02-Elektrolyse in organische Wertstoffe umzuwan deln. Ein erster Schritt kann hierbei in der elektrochemi schen Erzeugung von Kohlenmonoxid und/oder CO/H2-Gemischen bestehen, die in nachfolgenden, zumindest teilweise elekt risch getriebenen Prozessen zu vorzugsweise flüssigen Produk ten weiterverarbeitet werden. Das klimaschädliche Kohlendio xid wird in diesem Ansatz gewissermaßen recycelt und zu einem Werkstoff wie beispielsweise einem Kraftstoff umgewandelt.

Ähnlich wie für die Elektrolyse von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff können auch in diesem Fall zumin dest grundsätzlich Elektrolyse-Stacks aus mehreren elektrisch und geometrisch in Reihe geschalteten Elektrolysezellen ge bildet werden, um eine vorgegebene Gesamtspannung einzustel len. Jede der Elektrolysezellen kann hierzu in der üblichen Weise mit Elektrolytkammern für die Durchleitung der verwen deten Elektrolyte ausgebildet werden, wobei jede Elektrolyt kammer jeweils über Versorgungsleitungen, d.h. Zu- und Ablei tungen, gespeist werden kann. Anders als beispielsweise bei der Elektrolyse von Wasser mit Hilfe von Polymer-Elektrolyt- Membran-Zellen, bei welcher typischerweise deionisiertes Was ser mit extrem geringer Leitfähigkeit verwendet wird, können im Falle der C02-Elektrolyse aufgrund der hohen Leitfähigkeit der typischerweise vorgeschlagenen wässrigen Elektrolyte sig nifikante Streuströme in den Versorgungsleitungen entstehen. Die lokale Stromdichte dieser Streuströme kann hierbei an den Versorgungsleitungen im Bereich der Elektroden Größenordnun gen erreichen, die zu einer beschleunigten Korrosion der Elektroden führen können. Darüber hinaus können diese Streu ströme das elektrische Potenzial über einen Elektrolyse-Stack derart verändern, dass an außen liegenden und mit den Elekt rolyten in Kontakt geratenden Bauteilen wie Pumpen, Filter etc. ebenfalls Streuströme aufgeprägt werden, die dort korro- sionsauslösend wirken können.

Die Druckschriften DE 196 07 235 CI und EP 0 656 074 Bl be schreiben Maßnahmen zur Verhinderung von Korrosion in elekt rochemischen Zellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Lösungen zur Begrenzung von potenziell kor rosiv wirkenden Streuströmen in der wässrigen C02-Elektrolyse zu finden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Elektro lysesystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Demgemäß ist ein Elektrolysesystem zur C02-Elektrolyse vorge sehen. Das Elektrolysesystem umfasst eine Vielzahl von Elekt rolysezellen, die elektrisch seriell zu einem Elektrolyse- Stack hintereinander geschaltet sind; eine Elektrolytkondi- tionierungsanlage, welche dazu ausgebildet ist, Elektrolyte für die C02-Elektrolyse bereitzustellen; einen Elektrolytver teiler, welcher dazu ausgebildet ist, die Elektrolysezellen mit den bereitgestellten Elektrolyten zu versorgen, wobei der Elektrolytverteiler für jeden Elektrolyt eine Zuleitung und eine Ableitung umfasst, an welche die Elektrolysezellen je weils parallel angeschlossen sind; und Steuerelektroden zur Aufnahme von Streuströmen, wobei jeweils eine Steuerelektrode zwischen der Elektrolytkonditionierungsanlage und einer der Zuleitungen und Ableitungen des Elektrolytverteilers ange bracht ist.

Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee be steht darin, korrosiv wirkende Streuströme in Stacks für die wässrige C02-Elektrolyse zu begrenzen, indem Steuerelektroden zwischen einem Elektrolytverteiler und einer Elektrolytkondi- tionierungsanlage angebracht werden, die die Anlagenkomponen ten schützen. In der vorliegenden Erfindung wird bewusst auf die Verwendung eines monopolaren Stacks verzichtet, um die dort entstehenden sehr hohen elektrischen Ströme und somit signifikanten Investitionskosten bezüglich Stromquellen, Zel- lableitern etc. zu vermeiden. Vielmehr können auch Spannungen im hohen kW- oder MW-Bereich erreicht werden, indem die Zel len wie vorliegend elektrisch seriell zu einem, insbesondere bipolaren, Stack aufgebaut werden. Die hierbei auftretenden Streuströme können durch die Maßnahmen der Erfindung in er heblichem Maße unterdrückt werden. Zu diesem Zweck können so wohl das Material als auch die Geometrie der vorliegend be- reitgestellten Steuerelektroden optimiert werden. Das Materi al der Steuerelektroden und deren Form sind so zu wählen, dass die Korrosionsrate niedrig bleibt und gegebenenfalls an die Elektrolyte abgegebene Korrosionsprodukte die elektroka- talytische Wirkung der Zellelektroden nicht beeinträchtigen. Ebenso können die Zuleitungen und Ableitungen des Elektrolyt- _V erteilers sowohl innerhalb des Stacks als auch zwischen dem Stack und der Elektrolytkonditionierungsanlage so ausgelegt werden, dass der Einfluss der Streuströme an den Zellelektro den in Grenzen gehalten wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.

Gemäß einer Weiterbildung können die Steuerelektroden als Elektrolytrohrleitungsabschnitte zur Verbindung des Elektro lytverteilers mit der Elektrolytkonditionierungsanlage ausge bildet sein. Die Steuerelektroden dienen somit gleichzeitig als Leitungskanäle für die Elektrolytverteilung. Anders for muliert dienen die Versorgungsleitungen der Elektrolytvertei lung gewissermaßen als Elektroden für die Begrenzung der aus diesen Leitungen in die Elektrolytkonditionierungsanlage übertretenden Streuströme.

Gemäß einer Weiterbildung können die Elektrolytrohrleitungs abschnitte einen Leitungsdurchmesser aufweisen, der im We sentlichen einem Leitungsdurchmesser der entsprechende Zulei tung oder Ableitung des Elektrolytverteilers entspricht. Die Steuerelektroden können derart beispielsweise als nahtlose Übergänge in den Versorgungsleitungen des Elektrolytvertei lers gestaltet werden, wobei die Elektrodenflächen durch eine Innenwand des jeweiligen Rohrleitungsabschnitts gebildet wer den .

Gemäß einer Weiterbildung können die Elektrolytrohrleitungs abschnitte eine Leitungslänge von zehn oder weniger Leitungs durchmessern aufweisen. Die Steuerelektroden werden somit in kosteneffizienter Weise lediglich über einen räumlich deut lich begrenzten Bereich der Leitungen ausgebildet. Gemäß einer Weiterbildung können die Elektrolytrohrleitungs abschnitte eine Wandstärke zwischen 0,1 mm und 10 mm aufwei sen. Hierdurch werden mechanische Stabilität und Standzeit der Steuerelektroden bzw. Rohrleitungen auch im Falle eines schwachen korrosiven Angriffs gewährleistet.

Gemäß einer Weiterbildung können ein Stackanschlusswiderstand von dem Elektrolyse-Stack bis zu der Steuerelektrode und/oder ein Abzweigwiderstand von Abzweigleitungen der Zuleitungen und Ableitungen des Elektrolytverteilers an die Elektrolyse zellen derart gewählt sein, dass eine lokal auftretende

Streustromdichte an Elektroden der Elektrolysezellen maximal halb so groß ist wie eine minimale Laststromdichte der Elekt rolysezellen. Prinzipiell können diese elektrischen Wider stände entsprechend gewählt werden, dass die Streustromdichte lediglich einen kleineren Bruchteil der minimalen Laststrom dichte erreicht oder sogar vernachlässigbar gegenüber dieser wird. Der elektrische Widerstand der Steuerelektrode bzw. der Leitungen kann insbesondere über die Geometrie dieser Kompo nenten konfiguriert werden. Beispielsweise können die Steuer elektroden als Rohrleitungsabschnitte ausgebildet sein. In diesem Fall können der Durchmesser und die Länge des jeweili gen Rohrleitungsabschnitts entsprechend optimiert werden. Entsprechend kann die Geometrie der Leitungen des Elektrolyt verteilers ausgelegt werden.

Gemäß einer Weiterbildung können die Steuerelektroden Silber und/oder Iridiumdioxid aufweisen. Entsprechend können die Steuerelektroden Legierungen dieser Materialien aufweisen bzw. Materialkombinationen dieser Materialien. Je nachdem welches Elektrodenmaterial in den Zellen des Elektrolyse- Stacks verwendet wird, können unterschiedliche Materialen für die Steuerelektroden sinnvoll bzw. vorteilhaft sein. Werden beispielsweise Kathoden aus Ag und Anoden mit IrCg Katalysa tor eingesetzt, so kann als bevorzugtes Katalysatormaterial für die Steuerelektroden entweder Ag (z.B. bei einseitiger Erdung des Stacks auf der negativen Seite) oder IrCg (bei einseitiger Erdung des Stacks auf der positiven Seite) Ver wendung finden.

Gemäß einer Weiterbildung können die Steuerelektroden aus Silber gefertigt oder mit Iridiumdioxid beschichtet sein. Beispielsweise können die Steuerelektroden als Vollmaterial aus Ag und/oder einer Ag-Legierung gebildet werden. Alterna tiv können elektrokatalytische IrCg-Beschichtungen vorgesehen sein, z.B. auf einem Streckmetall aus Titan. Die Zuleitungen und Ableitungen des Elektrolytverteilers sollten darüber hin aus beispielsweise aus einem (nicht leitfähigen) Kunststoff oder dergleichen ausgebildet sein, d.h. insbesondere aus ei nem Material mit vernachlässigbarer elektrischer Leitfähig keit.

Gemäß einer Weiterbildung können die Steuerelektroden geerdet sein .

Gemäß einer Weiterbildung kann der Elektrolyse-Stack einsei tig geerdet sein und von einer monopolaren Stromquelle ver sorgt werden. In dieser Weiterbildung ist das Elektrolysesys tem somit technisch einfach und dennoch wirksam ausgelegt.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierun gen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kom binationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausfüh rungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbe sondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Ver- besserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

Fig. 1 schematische Schnittansicht eines Elektrolysesys tems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 schematische Schnittansichten einer Elektrolysezel le aus dem Elektrolysesystem aus Fig. 1;

Fig. 3 Ersatzschaltbild des Elektrolysesystems aus Fig. 1;

und

Fig. 4 schematische Verläufe von Hilfsgrößen für die Be rechnung einer optimierten Streustrombegrenzung in dem Elektrolysesystem aus Fig. 1.

Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschauli chen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Be schreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Er findung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maß stabsgetreu zueinander gezeigt.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - so fern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Elektro lysesystems 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wo bei ein Ersatzschaltbild des Elektrolysesystems in Fig. 3 dargestellt ist.

Das Elektrolysesystem 1 dient der C02-Elektrolyse und umfasst eine Vielzahl von Elektrolysezellen 2, die elektrisch seriell zu einem Elektrolyse-Stack 3 hintereinander geschaltet sind. In Fig. 1 sind lediglich beispielhaft zwei Elektrolysezellen 2 aus einer Anzahl N Elektrolysezellen 2 herausgegriffen wor den, wobei eine Vielzahl von Elektrolysezellen 2 vor bzw. nach diesen beiden Elektrolysezellen 2 sowohl in positiver als auch negativer Potenzialrichtung des Elektrolyse-Stacks 3 geschaltet sein können. Darüber hinaus kann eine Vielzahl von Elektrolysezellen 2 zwischen diesen beiden Elektrolysezellen 2 angeordnet sein (angedeutet durch Punkte in der Mitte von Fig. 1) . Die Elektrolysezelle 2 links in Fig. 1 ist einem po sitiven Stack-Ende des Elektrolyse-Stacks 3 näher, während die Elektrolysezelle 2 rechts in Fig. 1 einem negativen

Stack-Ende des Elektrolyse-Stacks 3 näher liegt. Die Elektro lysezellen 2 können in einer dem Fachmann bekannten Weise ausgebildet sein. Lediglich beispielhaft und in schematischer Weise beinhalten die Elektrolysezellen 2 in Fig. 1 jeweils zwei bipolare Platten 13 (eine positive und eine negative, die sie, sofern es sich nicht um ein Ende des Elektrolyse- Stacks 3 handelt, mit der jeweiligen Nachbarzelle gemeinsam haben) , welche eine Anode 15a mit zugehöriger Anolyt-Kammer 14a, eine sich anschließende Membran 16 und eine entsprechend folgende Kathode 15b mit zugehöriger Katholyt-Kammer 14b ab schließen. Beispielsweise kann die Kathode 15b als Ag- Elektrode ausgebildet sein. Die Anode 15a kann hingegen bei spielsweise mit einem Ir02-Katalysator ausgebildet sein. Die bipolaren Platten 13 können beispielsweise Titan oder der gleichen aufweisen. Das Elektrolysesystem 1 umfasst weiterhin eine Elektrolytkon- ditionierungsanlage 4 (lediglich in Fig. 3 dargestellt), wel che dazu ausgebildet ist, Elektrolyte 5a, 5b für die C02- Elektrolyse bereitzustellen. Die Elektrolytkonditionierungs- anlage 4 kann beispielsweise Pumpen, Filter usw. beinhalten. Die Elektrolyte 5a, 5b werden über einen Elektrolytverteiler 6 von der Elektrolytkonditionierungsanlage 4 an die Elektro lysezellen 2 zugeführt und wieder von diesen zurück an die Elektrolytkonditionierungsanlage 4 abgeführt (rechts unten und oben in Fig. 1) . Der Elektrolytverteiler 6 weist für je den Elektrolyt 5a, 5b eine Zuleitung 7a, 7b und eine Ablei tung 8a, 8b auf, an welche die Elektrolysezellen 2 jeweils hintereinander (parallel) über entsprechende Abzweigleitungen 9 angeschlossen sind (der Übersicht halber lediglich bei spielhaft links in Fig. 1 mit Bezugszeichen versehen) . Somit umfasst der Elektrolytverteiler 6 eine Anolyt-Zuleitung 7a und eine Anolyt-Ableitung 8a sowie eine Katholyt-Zuleitung 7b und eine Katholyt-Ableitung 8b. Beispielsweise können

Elektrolyte 5a, 5b wie Kaliumhydrogencarbonat oder Kaliumsul fat oder andere dem Fachmann aus der C02-Elektrolyse bekannte Elektrolyte verwendet werden. Die Elektrolyte werden über die Zuleitungen 7a, 7b und davon abgehende Abzweigleitungen 9 an die Elektrolysezellen 2 zugeführt, wobei jeweils der Analyt 5a in die Anolyt-Kammeren 14a und der Katholyt 5b in die Katholyt-Kammern 14b gespült werden (unten in Fig. 1) . Von dort werden der Anolyt 5a bzw. der Katholyt 5b wiederum über entsprechende Abzweigleitungen 9 in die zugehörigen Ableitun gen 8a, 8b gespeist (oben in Fig. 1) . Jede Elektrolysezelle 2 wandelt hierbei C02 in C02 + CO + H2 um, d.h. Kohlenstoffdio- xid in Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Diese Gase bzw. Gasgemische können in nachfolgenden Prozessen zu flüssigen Produkten wie Treibstoffe, Kraftstoffe oder Alkohole usw. weiterverarbeitet werden. Wie Zellstacks für die Elektrolyse von Wasser zur Gewinnung von H2 und O2 ist auch der vorliegende Elektrolyse-Stack 3 für die C02-Elektrolyse elektrisch seriell verschaltet, so- dass sich für den Stack 3 aus N Elektrolysezellen 2 ein N- faches der Zellspannung U _z einer einzelnen Elektrolysezelle 2 ergibt (vgl. Fig. 3) . Wie in Fig. 3 zu sehen ist, ist der vorliegende Elektrolyse-Stack 3 einseitig geerdet, wobei auch die Elektrolytkonditionierungsanlage 4 mit Erde verbunden ist. Fig. 3 zeigt hierbei konkret lediglich das Ersatzschalt bild für die Anolyt-Zuleitung 7a. Entsprechend wird der

Elektrolyse-Stack 3 von einer monopolaren Stromquelle ver sorgt (nicht abgebildet) .

Die Elektrolytkammern 14a, 14b jeder Elektrolysezelle 2 sind seitens ihrer Elektrolytversorgung parallel geschaltet (siehe Fig. 1). Aufgrund einer Kurzschlusswirkung des endlichen Elektrolytwiderstandes in den Zuleitungen 7a, 7b und Ablei tungen 8a, 8b entstehen in allen diesen Leitungen Streuströme 19. Ebenso entstehen Streuströme 19a in den Abzweigleitungen 9. Alle diese Streuströme 19, 19a fließen stets in eine nega tive Potenzialrichtung entlang der Leitungen (angedeutet durch Pfeile in Fig. 1) . Dadurch wird z.B. an einer Anode 15a auf der positiven Stackseite eine lokale Laststromdichte i _E eines Laststroms I _E , 20 um eine Streustromdichte i _s des Streu stroms in den Abzweigleitungen I _s , 19a verringert und auf der negativen Stackseite entsprechend um eine Streustromdichte i _s des Streustroms I _s , 19a erhöht (vgl. entsprechende Pfeile an den Abzweigleitungen 9 in die Elektrolysezellen 2 hinein bzw. hinaus) . Die lokale Stromdichte kann deshalb in der Nähe der Zuleitungen 7a, 7b bzw. Ableitungen 8a, 8b Werte erreichen, die zur Korrosion der Elektroden führen können. Weiterhin stellt sich im Elektrolytverteiler 6 ein Potenzial ein, das sich von den Elektroden an den Stack-Enden unterscheidet, wo- durch der den Elektrolyse-Stack 3 verlassende Elektrolyt 5a, 5b ein anderes Potenzial als die auf Erdpotential liegende Elektrolytkonditionierungsanlage 4 erhält. Dadurch werden elektrisch leitenden Komponenten der Elektrolytkonditionie- rungsanlage 4, die mit dem Elektrolyt 5a, 5b in Kontakt kom men, ebenfalls Streuströme 19 aufgeprägt, die dort korrosi- onsauslösend wirken können.

Zur Begrenzung dieser Streuströme 19 umfasst das Elektrolyse system 1 Steuerelektroden 10 zur Aufnahme der Streuströme 19. Hierbei ist jeweils eine Steuerelektrode 10 zwischen der Elektrolytkonditionierungsanlage 4 und einer der Zuleitungen 7a, 7b und Ableitungen 8a, 8b es Elektrolytverteilers 6 ange bracht und/oder eingebaut. Fig. 3 zeigt hierzu beispielhaft eine Steuerelektrode 10, die außerhalb des Elektrolyse-Stacks 3 jenseits einer Stack-Grenze 11 der Elektrolytkonditionie- rungsanlage 4 vorgeschaltet und geerdet ist. Dabei besitzt die Elektrolytleitung zwischen der Stack-Grenze 11 und der Steuerelektrode 10 einen Stackanschlusswiderstand R _{P (} Die Steuerelektrode selbst hat auch einen Widerstand, den man als Steuerelektrodenwiderstand bezeichnet und der den Übergang des Stromes vom elektronischen (Zuführungsdraht) in den ioni schen (Elektrolyt) Leitungsweg charakterisiert, dessen Größe aber vernachlässigt werden kann, sofern die Elektrodenfläche groß genug ist, was durch die gewählten Dimensionen sicherge stellt werden kann) . Mit Bezug auf Fig. 2 und 4 wird im Fol genden ausführlich erläutert, wie die Steuerelektroden 10 und/oder die Zuleitungen 7a, 7b und Ableitungen 8a, 8b für eine wirksame Begrenzung der Streuströme 19 konfiguriert wer den können.

Figur 2 zeigt hierzu schematische Schnittansichten einer Elektrolysezelle 2 aus dem Elektrolysesystem 1 aus Fig. 1, links eine Übersichtsdarstellung, mittig einen Detailaus- schnitt der Darstellung links und ganz rechts eine Schnittan sicht in eine Richtung senkrecht zu den ersten beiden Dar stellungen .

Konkret zeigt Fig. 2 den Eintrittsbereich einer Anolyt-Kammer 14a der Elektrolysezelle 2. Die Streuströme 19a treffen von dem Elektrolytverteiler 6 über die Anolyt-Zuleitung 7a bzw. Anolyt-Ableitung 8a kommend über einen zellinternen Vertei lerkanal 22 in Elektrolytkanäle 18 einer Kammstruktur 17 und anschließend auf eine Elektrodenkante 21 der Anode 15a und belasten eine Elektrodenfläche dahinter bis zu einer Tiefe D4, die mit einer Kammerhöhe D3 der Anolyt-Kammer 14a ver gleichbar ist. Die Elektrolytkanäle 18 sind mit einem Abstand Dl voneinander beabstandet angeordnet, wobei die Elektroden kante 21 einen Abstand D2 von den Elektrolytkanälen 18 auf weist. Sei Is _n der Streustrom in Abzweigleitung 9 und L die Elektrodenkantelänge der Anode 15a, so ergibt sich eine

Streustromdichte zu i _S n = Isn / (L D3) . Dabei wird vorausge setzt, dass die Elektrolyteinspeisung in die Elektrolysezelle 2 durch Verteilerstrukturen, wie z.B. die in Fig. 2 gezeigten Elektrolytkanäle 18 erfolgt, die einen viel höheren Wider stand besitzen als der zellinterner Verteilerkanal 22 längs einer Zellkante der Elektrolysezelle 2, aus dem sie gespeist werden, sodass die Streuströme 19 in den einzelnen Elektro lytkanälen 18 etwa gleich groß sind. Ebenso ist in Fig. 2 Dl < D2, sodass die Elektrodenkante 21 zwischen den Öffnungen der Elektrolytkanäle 18 gleichmäßig belastet wird. Weiter wird vorausgesetzt, dass die Oberflächen metallischer Struk turen, wie beispielsweise von bipolaren Platten, durch den Kontakt mit der Anode 15a (oder allgemein der Elektroden) vor Korrosion geschützt sind, da Spannungsabfälle innerhalb der Anolyt-Kammer 14a gering sind. Sofern für die Streustromdich te i5 _n und eine Laststromdichte i _E in der Elektrolysezelle 2 Folgendes gilt: ändert sich eine effektive Gesamtstromdichte durch die Streu stromdichte is _n an der Elektrodenkante 21 nicht wesentlich. Leitungswiderstände R _s der Anolyt-Zuleitung 7a und Anolyt- Ableitung 8a sind demnach entsprechend auszulegen.

Hierzu ist in Fig. 3 das Ersatzschaltbild für das Beispiel der Anolyt-Zuleitung 7a im Elektrolyse-Stack 3 gezeichnet, wobei angenommen wird, dass der Elektrolyse-Stack 3 auf der negativen Seite geerdet ist (um eine teure bipolare Stromver sorgung zu vermeiden) . Das elektrische Ersatzschaltbild der Anolyt-Ableitung 8a sieht entsprechend aus, dasjenige der beiden Katholytleitungen 7b, 8b unterscheidet sich davon da hingehend, dass der Leitungswiderstand R _s am positiven Ende entfällt und stattdessen am negativen Ende hinzugefügt wird. Der Widerstand des Elektrolytverteilers 6 ist in Fig. 3 ver nachlässigt, wie es sich aufgrund einer erforderlichen, gleichmäßigen Elektrolytflussverteilung längs der Elektrode aus hydrodynamischen Gründen ergibt.

Die Verbindung zwischen dem Elektrolytverteiler 6 des Elekt rolyt-Stacks 3 und der Elektrolytkonditionierungsanlage 4 hat den Stackanschlusswiderstand R _P . Der aus den Streuströmen 19 resultierende Strom würde über diesen Widerstand zu der ers ten elektronisch leitenden und geerdeten Fläche der Elektro lytkonditionierungsanlage 4 fließen, die sich in Kontakt mit dem Elektrolyten 5a befindet. Um an dieser Stelle Korrosion zu verhindern, ist vor Eintritt in die Elektrolytkonditionie- rungsanlage 4 eine geerdete Steuerelektrode 10 angebracht, die die nachfolgenden Komponenten schützt. Zur Berechnung der Größe der Streuströme 19a und 19 ergibt sich aus Fig. 3 das Gleichungssystem

mit der Lösung (a ist eine Hilfsgröße)

wobei sich die Näherungen auf den für die Anwendung wesentli chen Fall N >> 1 beziehen.

Um die entsprechenden Formeln für die Kathodenseite zu erhal ten, ist in dem Gleichungssystem (2) lediglich die Indizie- rung bzw. Summation abzuändern auf n = 0 ... N - 1. Daraus folgt, dass für N >> 1 der Unterschied zwischen den Streu strömen 19 aus den Zuleitungen 7a, 7b bzw. Ableitungen 8a, 8b von Anode 15a und Kathode 15b vernachlässigbar wird. Der we sentliche Unterschied zwischen Anoden- und Kathodenseite hin- sichtlich der effektiven Stromdichte am Elektrodenrand bleibt von der Näherung N >> 1 unberührt: Für die Anode 15a addieren sich auf der positiven Stackseite Laststromdichten i _E und Streustromdichten i _Sn , während sie sich für die Kathode 15b subtrahieren. In letzterem Fall kann dies bis zur Stromdich teumkehr bei geringem Laststrom und damit zu Korrosion füh ren. Aus diesem Grund genügt es, für Anode 15a oder Kathode 15b Extremwerte der Streustromdichte i _S n mit der minimalen Laststromdichte i _E zu vergleichen, um die streustrombegren zenden Widerstände R _s und R _P auszulegen.

Um den Streustrom 19a auf die Anode 15a betragsmäßig klein zu halten, genügt es, wenn die Extremwerte I _SN und I _Si diese Be dingung erfüllen. Für diese erhält man zunächst:

Die Hilfsgrößen y(a) und z (a) sind in Fig. 4 dargestellt, wo bei die Fälle N = 10 (zl) und N = 100 (z2) berücksichtigt wurden, was alle realistischen Stack-Größen abdeckt. Offen sichtlich bleibt y stets zwischen 0.5 und 1 und z bleibt zwi schen -1 und 0.1. Folglich gilt:

Die Streustromdichte i _S n ist somit gegenüber der Lastromdich te i _E bereits dann als klein zu bezeichnen, wenn nach Glei chung (1) erfüllt ist: Für einen Elektrolyse-Stack 3 aus N = 20 Zellebenen mit 30 cm langen Elektrodenkanten 21 (L) und 0.2 cm dicken Elektrolyt kammern (D3) ergibt sich bei Betrieb der Elektrolyse-Zellen 2 mit der kritischsten, also kleinsten Laststromdichte i _E von z.B. 0.1 A/cm ² bei 3.5 V:

117 ^Q . (7)

Mit R _s = 200 Q würde die Streustromdichte i _S n am Elektroden rand 21 etwa halb so groß sein wie die kleinste Laststrom dichte i _E , was als ausreichende Vorsichtsmaßnahme gegen eine Stromumkehr betrachet werden kann (diese Umkehr tritt auf der positiven Stackseite lediglich an der Kathode 15b auf, wobei diese Unterscheidung für die Herleitung des Widerstands R _s für N >> 1 nicht notwendig ist) .

Der Stackanschlusswiderstand R _P der ElektrolytZuleitung zum Elektrolyse-Stack 3 ergibt sich, wenn man für den Strom auf die Erdungselektrode I _P = 0.2 A fordert. Ein solcher Strom ist mit leicht integrierbaren Elektrodenflächen von ca. 10 cm ² ohne weiteres realisierbar. Aus der ersten und dritten Zeile von Gleichung (3) ergibt sich:

R _P U _{ZN Rs}

21 _P N was auf R _P =169 Q führt.

Die Leitungswiderstände R _P und R _s werden über die Beziehung R _k = L _k / (o A _k ) mit k = P, S bei gegebener Elektrolytleitfähig- keit o durch eine geeignete Wahl der Leitungslängen L _k und Querschnittsflächen A _k unter Berücksichtigung hydrodynami scher Vorgaben (Elektrolyt-Volumenfluss, Druckabfall) und Raumbedarfsbeschränkungen eingestellt .

Das Material der Steuerelektroden 10 und deren Form können derart gewählt werden, dass eine Korrosionsrate niedrig ge halten wird und gegebenenfalls an den bzw. die Elektrolyten abgegebene Korrosionsprodukte die elektrokatalytische Wirkung der Zellelektroden nicht kompromittieren.

Werden in dem Elektrolyse-Stack 3 beispielsweise Kathoden 15b aus Ag und Anoden 15a mit Ir0 ₂ Katalysator eingesetzt, dann ist bei Erdung auf der negativen Seite Ag und bei Erdung auf der positiven Seite Ir0 ₂ ein bevorzugtes Katalysatormaterial für die Steuerelektroden 10. Elektrodenflächen der Steuer elektroden 10 werden beispielsweise als Rohrleitungsabschnit te mit einem Zuleitungsdurchmesser und einer Länge von höchs tens einigen Leitungsdurchmessern ausgelegt. Eine Wandstärke der Rohrleitungsabschnitte kann dabei 0.1 mm bis einige mm betragen, wodurch mechanische Stabilität und Standzeit auch im Fall eines schwachen korrosiven Angriffs gewährleistet sind. Elektroden aus Ag können als Vollmaterial ausgebildet werden. Im Falle der Verwendung von Ir0 ₂ kann dieses als elektrokatalytische Beschichtung aufgebracht werden.

In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind ver schiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Dar stellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Be schreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch be schränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alter nativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.

Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsich tigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „bein haltend" und „aufweisend" als neutralsprachliche Begrifflich- keiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend" verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein", „einer" und „eine" eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.

Bezugs zeichenliste

1 Elektrolysesystem

2 Elektrolysezelle

3 Elektrolyse-Stack

4 Elektrolytkonditionierungsanlage

5a Anolyt

5b Katholyt

6 Elektrolytverteiler

7a Anolyt-Zuleitung

7b Katholyt-Zuleitung

8a Anolyt-Ableitung

8b Katholyt-Ableitung

9 Abzweigleitung

10 Steuerelektrode

11 Stack-Grenze

12 Erdung

13 Bipolare Platte

14a Anolyt-Kammer

14b Katholyt-Kammer

15a Anode

15b Kathode

16 Membran

17 Kammstruktur

18 Elektrolytkanal

19 Streustrom in Zu-/Ableitungen

19a Streustrom in Abzweigleitung

20 Laststrom (zellinterner Anteil) 21 Elektrodenkante

22 zellinterner Verteilerkanal

Is/ 1 Sn Streustrom (in Abzweigleitung)

1 S / 1 Sn Streustromdichte (am Elektrodenrand)

IE Laststrom (zellinterner Anteil)

1E Laststromdichte Ip Steuerelektrodenstrom

U _z Zellspannung

Rp Stackanschlusswiderstand

Rs Abzweigwiderstand

N Anzahl Zellen

L Elektrodenkantenlänge

Dl Abstand Elektrolytkanäle

D2 Abstand Elektrodenkante zu Elektrolytkanäle D3 Kammerhöhe

D4 Tiefe des streustrombelasteten Bereichs y Hilfsgröße

zl Hilfsgröße

z2 Hilfsgröße

a Hilfsgröße