DE102024203048A1

DE102024203048A1 - Elektrolysezelleneinheit zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak

Info

Publication number: DE102024203048A1
Application number: DE102024203048.1A
Authority: DE
Inventors: Felix Schaefer; Sebastian Egger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2024-04-03
Filing date: 2024-04-03
Publication date: 2025-10-09

Abstract

Elektrolysezelleneinheit (1) zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak und je eine Elektrolysezelle (4) umfassend eine Anode (19) zur Erzeugung von Stickstoff an der Anode (19) an einem Anodenkanal (21) zum Durchleiten eines flüssigen Anodenelektrolyten mit Ammoniak, eine Kathode (20) zur Erzeugung von Wasserstoff an der Kathode (20) an einem Kathodenkanal (22) zum Durchleiten des Kathodenelektrolyten, eine den Anodenkanal (21) von dem Kathodenkanal (22) trennende gasdichte Membran (16) als Diaphragma (16) zur Durchleitung von Ionen, insbesondere Hydroxidionen, durch die Membran (16), wobei mehrere Elektrolysezellen (4) als ein Elektrolysezellenstack (3) aufeinander gestapelt angeordnet sind als Elektrolysezelleneinheit (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelleneinheit zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Elektrolysezellensystem zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 7 und ein Verfahren zur alkalischen elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12.
Stand der Technik
Wasserstoff wird als wichtiger Energieträger zur Substitution von fossilen Energieträgern wie Erdgas und Erdöl betrachtet. Wasserstoff soll dabei im Wesentlichen aus erneuerbaren Energien mittels Elektrolyse aus Wasser hergestellt werden. In der globalen Betrachtung gibt es jedoch Regionen mit einer guten Verfügbarkeit von erneuerbarer Energie in Form von Sonnenlicht und/oder Wind. In anderen Regionen der Welt besteht ein hoher Energiebedarf jedoch ist in diesen die erneuerbare Energie in Form von Sonnenlicht und/oder Wind in einem wesentlich geringeren Umfang vorhanden. Aus diesem vorgenannten Gründen ist es deshalb notwendig und sinnvoll, Wasserstoff in Regionen mit einer guten Verfügbarkeit von erneuerbarer Energie herzustellen und anschließend in Regionen zu transportieren mit einem hohen Energiebedarf und einer geringen Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien. Der Transport von Wasserstoff ist jedoch aus technischen Gründen aufwendig, teuer und energieintensiv. Für eine Verflüssigung von Wasserstoff ist ein sehr hoher Druck notwendig oder eine sehr niedrige Temperatur, sodass der Transport schwierig, energieintensiv und aufwendig ist. Ammoniak ist einfach zu transportieren bei einer großen Energiedichte. Aus diesem Grund kann der mit elektrochemischen Verfahren aus regenerativen Energien gewonnene Wasserstoff beispielsweise in Gegenwart von Katalysatoren mit Stickstoff aus der Luft zu Ammoniak reagieren und dieser Ammoniak wird anschließend in Regionen mit einem hohen Energiebedarf transportiert. In den Regionen mit einem hohen Energiebedarf ist ein thermisches Aufspalten (Cracken) des Ammoniaks zu Stickstoff und Wasserstoff auszuführen. Dieses thermische Cracken hat jedoch den Nachteil, dass hohe Temperaturen notwendig sind und damit ein hoher Energiebedarf und zusätzlich nach dem Cracken aus der Mischung von Stickstoff und Wasserstoff eine Abtrennung des Stickstoffs von Wasserstoff mit einem weiteren hohen Energiebedarf notwendig ist. In energetischer und verfahrenstechnischer Hinsicht ist eine elektrochemische Elektrolyse von Ammoniak in Wasserstoff und Stickstoff wesentlich vorteilhafter und besser, jedoch gibt es bisher keine effektiven Anlagen und Verfahren zur industriellen und großtechnischen elektrochemischen Elektrolyse von Ammoniak in Wasserstoff und Stickstoff.
Im Journal of Energy Chemistry, 47, Jahr 2020, 234-240 ist ein Aufsatz von Hui-Ying Sun, Guang-Rui Xu, Fu-Min Li, Qing-Ling Hong, Pu-Jun Jin, Pei Chen und Yu Chen über die Wasserstofferzeugung mit Ammoniakelektrolyse an bifunktionellen Platin-Nanowürfel-Elektrokatalysatoren angegeben.
Im Journal of The Electrochemical Society, 165 (15) J3130-J3147 im Jahr 2018 ist ein Aufsatz Nadia Mohd Adli,Hao Zhang,Shreya Mukherjee und Gang Wu des Department of Chemical and Biological Engineering, University at Buffalo, The State University of New York, Buffalo, New York 14260, USA enthalten über die alkalische elektrolytische Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak.
Die DE 10 2017 222 948 A1 offenbart ein Verfahren zur Ammoniakerzeugung, bei dem Meerwasser mittels bei Offshore-Verfahren gewonnenem Strom elektrolysiert wird, der in diesem Schritt gewonnene Wasserstoff mit Stickstoff zu Ammoniak umgesetzt wird, wobei das gesamte Verfahren auf mindestens einer schwimmenden Plattform abläuft.
Die DE 20 2018 106 745 U1 zeigt ein System mit Elektrolyse-Wasserstoffproduktion und Ammoniak-Synthese im Kohlekraftwerk, wobei es Vorrichtungen für Elektrolyse-Wasserstoffproduktion und Ammoniak-Synthese enthält.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Elektrolysezelleneinheit zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak und je eine Elektrolysezelle umfassend eine Anode zur Erzeugung von Stickstoff an der Anode an einem Anodenkanal zum Durchleiten eines flüssigen Anodenelektrolyten mit Ammoniak, eine Kathode zur Erzeugung von Wasserstoff an der Kathode an einem Kathodenkanal zum Durchleiten des Kathodenelektrolyten, eine den Anodenkanal von dem Kathodenkanal trennende gasdichte Membran als Diaphragma zur Durchleitung von Ionen, insbesondere Hydroxidionen, durch die Membran, vorzugsweise von dem Kathodenkanal in den Anodenkanal, wobei mehrere Elektrolysezellen als ein Elektrolysezellenstack aufeinander gestapelt angeordnet sind als Elektrolysezelleneinheit. In vorteilhafter Weise weist somit die Elektrolysezelleneinheit mit mehreren Elektrolysezellen aufgrund der Anordnung in dem Elektrolysezellenstapel oder Elektrolysezellenstack einen geringen Bauraumbedarf auf auch bei einer großen Anzahl von Elektrolysezellen, beispielsweise mehr als 100, 200 oder 300 Elektrolysezellen in dem Elektrolysezellenstack. Vorzugsweise ist der Kathodenkanal im Wesentlichen mit einem Gas befüllt mit einem geringen Anteil des Kathodenelektrolyt als Wasser in dem Kathodenkanal und das Wasser in dem Kathodenkanal eine Strömung als Durchleiten aufweist aufgrund der Strömung des Gases.
In einer weiteren Variante sind die in dem Elektrolysezellenstack aufeinander gestapelten Elektrolysezellen zueinander fluchtend gestapelt angeordnet. Eine fluchtend gestapelte Anordnung der Elektrolysezellen ermöglicht in vorteilhafter Weise eine geometrische Ausbildung des Elektrolysezellenstack als Quader, insbesondere als Würfel. Bei einer nicht fluchtenden Anordnung der Elektrolysezellen ist der Elektrolysezellenstack beispielsweise als ein Parallelepiped ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausführungsform sind in dem Elektrolysezellenstack die Elektrolysezellen mit stromleitenden Separatorplatten, insbesondere Bipolarplatten, fluiddicht voneinander getrennt. Separatorplatten sind im Allgemeinen aus nur einer Platte, insbesondere aus Metall, ausgebildet. Bipolarplatten sind im Allgemeinen aus zwei Platten, insbesondere aus Metall ausgebildet, mit dazwischen ausgebildeten Kanälen für eine Temperierflüssigkeit. Die Anodenkanäle und Kathodenkanäle der Elektrolysezellen sind hydraulisch und/oder pneumatisch parallel geschalten und es können keine Stoffe direkt von einer Elektrolysezelle in eine andere Elektrolysezelle strömen wegen der fluiddichten Anordnung der Separatorplatten zwischen den Elektrolysezellen ohne Berücksichtigung der Separatorplatten als Bestandteil der Elektrolysezellen. Vorzugsweise sind die schichtförmigen Komponenten der Elektrolysezellen stromleitend ausgebildet, so dass das Anlegen der elektrischen Spannung an der ersten und letzten Elektrolysezelle erfolgt.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist in den Separatorplatten je eine primäre Öffnung zum Einleiten des Anodenelektrolyten in die Anodenkanäle und je eine sekundäre Öffnung zum Ausleiten des durch die Anodenkanäle geleiteten Anodenelektrolyten und Stickstoff aus der Elektrolysezelleneinheit ausgebildet. Vorzugsweise fluchten die primären Öffnungen zum Einleiten des Anodenelektrolyten an Abdichtplatten der Separatorplatten und bilden einen Kanal zum Einleiten des Anodenelektrolyten in die Anodenkanäle. Vorzugsweise fluchten die sekundären Öffnungen zum Ausleiten des Anodenelektrolyten an Abdichtplatten der Separatorplatten und bilden einen Kanal zum Ausleiten des Anodenelektrolyten aus der Elektrolysezelleneinheit.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist in den Separatorplatten je eine primäre Öffnung zum Einleiten des Kathodenelektrolyten in die Kathodenkanäle und je eine sekundäre Öffnung zum Ausleiten des durch die Kathodenkanäle geleiteten Kathodenelektrolyten und Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit ausgebildet. Vorzugsweise fluchten die primären Öffnungen zum Einleiten des Kathodenelektrolyten an Abdichtplatten der Separatorplatten und bilden einen Kanal zum Einleiten des Kathodenelektrolyten in die Kathodenkanäle. Vorzugsweise fluchten die sekundären Öffnungen zum Ausleiten des Kathodenelektrolyten an Abdichtplatten der Separatorplatten und bilden einen Kanal zum Ausleiten des Kathodenelektrolyten aus der Elektrolysezelleneinheit.
Vorzugsweise sind die Elektrolysezellen des Elektrolysezellenstacks mit Spannelementen, insbesondere Spannplatten, und wenigstens einer Verbindungsvorrichtung, insbesondere wenigstens einen Bolzen, mit einer Druckkraft vorgespannt. Aufgrund der Vorspannung ermöglichen die elastischen Dichtungen eine fluiddichte Abdichtung und der elektrische Widerstand zwischen den schichtförmigen Komponenten der Elektrolysezellen wird verringert.
Erfindungsgemäßes Elektrolysezellensystem zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak, umfassend eine Elektrolysezelleneinheit, ein Elektrolytversorgungssystem zum Leiten wenigstens eines Elektrolyten durch die Elektrolysezelleneinheit, wobei die Elektrolysezelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung ausgebildete Elektrolysezelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Variante umfasst das Elektrolytversorgungssystem zum Leiten des flüssigen Anodenelektrolyten durch die Anodenkanäle der Elektrolysezelleneinheit eine Pumpe zum Fördern des Elektrolyten, eine Vorrichtung zum Lösen des Ammoniaks in Wasser und vorzugsweise eine Temperiervorrichtung zum Erwärmen und/oder Kühlen des durch die Elektrolysezelleneinheit geleiteten Anodenelektrolyten. Die elektrochemische Elektrolyse von Ammoniak in Wasserstoff und Stickstoff wird beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 50°C und 100 °C, insbesondere zwischen 60°C und 90°C, als Prozesstemperatur ausgeführt. Die alkalische Elektrolyse des Ammoniaks zu Wasserstoff und Stickstoff ist eine endotherme Reaktion, sodass eine Zuführung von Wärme während des Prozesses der Elektrolyse notwendig ist. Die Temperiervorrichtung ist eine Heizvorrichtung, insbesondere elektrische Widerstandsheizvorrichtung und/oder eine Verbrennungsheizvorrichtung, vorzugsweise für Wasserstoff, und/oder eine Kühlvorrichtung, insbesondere ein Wärmeübertrager zur Abgabe von Wärme an die Umgebungsluft. Auch der elektrische Widerstand des Elektrolysezellenstacks fungiert als elektrische Widerstandsheizeinrichtung.
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst das Elektrolytversorgungssystem zum Leiten des Kathodenelektrolyten durch die Kathodenkanäle der Elektrolysezelleneinheit eine Pumpe zum Fördern des Elektrolyten und vorzugsweise eine Temperiervorrichtung zum Erwärmen und/oder Kühlen des durch die Elektrolysezelleneinheit geleiteten Kathodenelektrolyten.
Insbesondere umfasst das Elektrolysezellensystem eine Abscheidungsvorrichtung zur Abtrennung von Wasserstoff von dem aus dem Kathodenkanälen geleiteten Stoffgemisches aus Wasserstoff und wenigstens einem weiteren Stoff.
In einer ergänzenden Variante ist das durch die Anodenkanäle und optional die Kathodenkanäle geleitete Wasser und/oder Elektrolyt durch eine Rücklaufleitung in einem Kreislauf wieder der Vorrichtung zum Lösen des Ammoniaks in Wasser und/oder einem Speicherbehälter für Elektrolyt zuführbar. Das Wasser und/oder Ammoniak im Elektrolyten können damit wiederverwendet werden nach dem Durchleiten durch den Elektrolysezellenstack.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur alkalischen elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak mit den Schritten: Leiten eines flüssigen alkalischen Anodenelektrolyten mit Ammoniak und Hydroxidionen durch einen Anodenkanal an eine Anode einer Elektrolysezelle, so dass an der Anode Stickstoff gebildet wird, Leiten eines Kathodenelektrolyten durch einen Kathodenkanal an eine Kathode der Elektrolysezelle, so dass an der Kathode Wasserstoff gebildet wird, Leiten von Hydroxidionen durch eine den Anodenkanal von dem Kathodenkanal trennende gasdichte Membran als Diaphragma von dem Kathodenkanal in den Anodenkanal, Herstellung von Stickstoff mit einer elektrochemischen Reaktion an der Anode indem eine elektrische Spannung an die Anode und die Kathode angelegt wird, Herstellung von Wasserstoff mit einer elektrochemischen Reaktion an der Kathode indem eine elektrische Spannung an die Anode und die Kathode angelegt wird, wobei die Hydroxidionen in dem Anodenelektrolyten mit einer Dissoziation von Ammoniak und Wasser zu Ammoniumionen und Hydroxidionen gebildet werden.
In einer ergänzenden Ausgestaltung werden die Hydroxidionen in dem Anodenelektrolyten im Wesentlichen, insbesondere zu wenigstens 70%, 80%, 90% oder 95%, mit einer Dissoziation von Ammoniak und Wasser zu Ammoniumionen und Hydroxidionen gebildet, insbesondere vor dem Einleiten des Anodenelektrolyten in die Elektrolysezelle.
In einer zusätzlichen Ausführungsform fungiert in dem Kathodenkanal als Kathodenelektrolyt im Wesentlichen, insbesondere zu wenigstens 70%, 80%, 90% oder 95%, Wasser, insbesondere im Wesentlichen, vorzugsweise zu wenigstens 70%, 80%, 90% oder 95%, durch die Membran von dem Anodenkanal in den Kathodenkanal geleitetes Wasser, insbesondere in je einer Elektrolysezelle.
Zweckmäßig ist die an die Anode und Kathode angelegte elektrische Spannung in je einer Elektrolysezelle kleiner als 0,3 V oder 0,1 V. Die minimale Spannung an einer Elektrolysezelle für die Elektrolyse von Ammoniak beträgt 0,06 V und ist deutlich kleiner als Spannung von 1,23 V für die Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, so dass keine Elektrolyse von Wasser ausführbar ist und/oder ausgeführt wird.
In einer weiteren Variante wird das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Elektrolysesystem ausgeführt.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist mit dem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Elektrolysezellensystem das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren ausführbar.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung umfassen die Elektrolysezellen als schichtförmige Komponenten Anoden, Kathoden, Membranen und vorzugsweise Separatorplatten.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Anode und/oder Kathode zwischen 0 und 70 µm.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Anode und/oder Kathode und/oder Katalysatorschicht wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus einem Nichtedelmetall, beispielsweise Nickel (Ni) und/oder Cobalt (Co) und/oder einem Edelmetall, beispielsweise Pt und/oder einem Metall, beispielsweise Ru und/oder Rh und/oder Pd und/oder Ir und/oder P und/oder Au ausgebildet.
Zweckmäßig sind die Elektrolysezellen und/oder Komponenten der elektrochemischen Zellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausführungsform spannen die schichtförmigen Elektrolysezellen und/oder die schichtförmigen Komponenten der Elektrolysezellen fiktive Ebenen auf und diese fiktiven Ebenen sind im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20°, 10°, 5° oder 3°, zueinander parallel ausgerichtet. Die Elektrolysezellen und die schichtförmigen Komponenten der Elektrolysezellen sind dabei im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Elektrolysezelleneinheit und/oder der Elektrolysezellenstack mit einer Druckkraft, insbesondere im Wesentlichen senkrecht zu den fiktiven Ebenen, vorgespannt. Im Wesentlichen senkrecht zu den fiktiven Ebenen bedeutet vorzugsweise, dass die Druckkraft mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu den fiktiven Ebenen ausgerichtet ist.
In einer weiteren Variante umfasst die Elektrolysezelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte. Der Elektrolysezellenstapel ist von dem Gehäuse und/oder der Anschlussplatte umschlossen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine perspektivische Ansicht einer Elektrolysezelleneinheit,
2 einen Längsschnitt der Elektrolysezelleneinheit gemäß 1 mit Gehäuse und Anschlussplatte,
3 einen vergrößerten Längsschnitt zweier Elektrolysezellen der Elektrolysezelleneinheit gemäß 1,
4 eine stark vereinfachte perspektivische Ansicht einer Separatorplatte für eine Elektrolysezelle der Elektrolysezelleneinheit gemäß 1
5 ein Elektrolysezellensystem mit der Elektrolysezelleneinheit in einem ersten Ausführungsbeispiel und
6 ein Elektrolysezellensystem mit der Elektrolysezelleneinheit in einem zweiten Ausführungsbeispiel.

In 1 ist eine Elektrolysezelleneinheit 1 als Elektrolysezellenstapel 3, d. h. als Elektrolysezellenstack 3, dargestellt. Die Elektrolysezelleneinheit 1 umfasst den Elektrolysezellenstack 3, ein Gehäuse 5 und eine Anschlussplatte 7. Das Gehäuse 5 begrenzt einen Innenraum 6. Die Anschlussplatte 7 fungiert auch als Gehäuse 5 und ist mit Fixierungselementen 8, insbesondere Schrauben 9 oder nicht dargestellte Bajonettverbindungen, an dem übrigen Gehäuse 5 fixiert. In dem Elektrolysezellenstapel 3 sind Elektrolysezellen 4 gestapelt und fluchtend angeordnet. Aufgrund der großen Anzahl der fluchtend gestapelten Elektrolysezellen 4 von ungefähr 300 bis 400 Elektrolysezellen 4 sind diese in 1 aus Vereinfachungsgründen nicht alle dargestellt. Das Prinzip von Elektrolysezellen 4 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion ein Elektrolyt an einer Anode 19 und einer Kathode 20 in zwei unterschiedliche Gase oder Stoffe elektrolysiert wird.
Die Elektrolysezelle 4 umfasst außerdem eine Membran 16 als ein Diaphragma 16 als Hydroxidionenaustauschermembran 17, welche zwischen der Anode 19 und der Kathode 20 als Elektroden 19, 20 angeordnet ist und durchlässig für Hydroxidionen (OH^--Ionen) ist. Die Anode 19, Kathode 20 und Membran 16 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die Kombination von Anode 19, Kathode 20 und Membran 16 wird als Membranelektrodenanordnung 23 (MEA 23) bezeichnet (3). In den Anoden 19 und Kathoden 20 als Elektroden 19, 20 sind Katalysatoren enthalten oder die Anoden 19 und/oder Kathoden 20 sind selbst aus einem Metall als Katalysator ausgebildet, beispielsweise ein Nichtedelmetall, beispielsweise Nickel (Ni) und/oder Cobalt (Co) und/oder einem Edelmetall, beispielsweise Platin (Pt) mit einer hohen Affinität zu Stickstoff und Ammoniak. In der nachfolgenden Reihe der Metalle als Material für den Katalysator und/oder eine Elektrode 19, 20 nimmt die Stärke der Stickstoffadsorption ab: Ru, Rh, Pd, Ir, P, Au. Elektroden 19, 20 aus einem Metall mit Katalysatorwirkung bilden damit zusätzlich einen Katalysator und/oder eine Katalysatorschicht 18. Die Membran 16 fungiert als Separator für die Reaktionsgase und die Elektrolyten. Die Membran 16 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 19 und Kathode 20. Die Membran 16 leitet die Hydroxidionen und sperrt andere Ionen als Hydroxidionen im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der Membran 16 für die Hydroxidionen der Ladungstransport erfolgen kann. Die Membran 16 ist für die Reaktionsgase Stickstoff N₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Stickstoff N₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Anodenkanal 21 an der Anode 19 mit Elektrolyten als Anodenelektrolyt mit Wasser mit gelöstem Stickstoff und gelösten Ammoniak sowie Hydroxidionen und Ammoniumionen und einem Kathodenkanal 22 an der Kathode 20 mit Kathodenelektrolyt mit Wasser, Wasserstoff und Hydroxidionen im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 5. Die Hydroxidionenleitfähigkeit der Membran 16 vergrößert sich mit steigender Temperatur und vorzugsweise mit steigendem Wassergehalt. Zwischen je einer Anode 19 oder Kathode 20 und einer Separatorplatte 25 als Bipolarplatte 26 ist ein Abstandhalterschicht 24 ausgebildet (3). Die Abstandhalterschicht 24 an der Anode 19 bildet den Anodenkanal 21 und die Abstandhalterschicht 24 an der Kathode bildet den Kathodenkanal 22. Die Abstandhalterschicht ist beispielsweise als eine Gitterstruktur oder Fachwerkstruktur, beispielsweise aus einem stromleitenden Metall, ausgebildet für das Durchleiten des Elektrolyten und für die Aufnahme von Druckkräften senkrecht zu einer fiktiven Ebene 27 ausgespannt von den schichtförmigen Komponenten 16, 17, 18, 19, 20, 24, 25, 26 der Elektrolysezelle 4.
In der Elektrolysezelleneinheit 1 sind die Elektrolysezellen 4 zwischen zwei Spannelementen 10 als Spannplatten 11 angeordnet. Eine obere Spannplatte 12 liegt auf der obersten Elektrolysezelle 4 auf und eine untere Spannplatte 13 liegt auf der untersten Elektrolysezelle 4 auf. Die Spannelemente 10 bringen auf die Elektrolysezellen 4 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 12 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Elektrolysezelle 4 auf und die untere Spannplatte 13 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Elektrolysezelle 4 auf. Damit ist der Elektrolysezellenstapel 3 verspannt, um die Dichtheit für den Elektrolyten und das Temperiermittel oder ein Temperierfluid, vorzugsweise als Temperierflüssigkeit, insbesondere aufgrund von elastischen Dichtungen, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Elektrolysezellenstapels 3 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Elektrolysezellen 4 mit den Spannelementen 10 sind an der Elektrolysezelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 14 als Bolzen 15 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 15 sind mit den Spannplatten 11 fest verbunden.
Die Separatorplatten 25 sind optional als Bipolarplatte 26 ausgebildet aus zwei Platten mit wenigstens einem Kanal 28, vorzugsweise mehreren Kanälen 28, zum Durchleiten zwischen den zwei Platten je einer Bipolarplatte 26. Das Temperierfluid in den Kanälen 28 dient zum Erwärmen und/oder Kühlen der Elektrolysezellenstacks 3 mit einem nicht dargestellten Temperiersystem mit einer Heizeinrichtung und/oder einem Wärmeübertrager, beispielsweise bei der Inbetriebnahme und/oder während des Betriebs. Abweichend hiervon sind die Separatorplatten 25 als Monoplatten ohne Kanäle 28 aus nur einer Platte ausgebildet (nicht dargestellt) und als Temperierfluid fungiert ein Elektrolyt.
In 4 ist stark vereinfacht eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte 26 dargestellt. In Ergänzung zu der schichtförmigen Bipolarplatte 26 ist zusätzlich auch stark vereinfacht als je eine Schicht die Abstandhalterschicht 24 für den Anodenkanal 21 und die Abstandhalterschicht 24 für den Kathodenkanal 22 dargestellt. Die Abstandhalterschicht 24 liegen auf den beiden Flachseiten der Bipolarplatte 25 auf. An einem die beiden Abstandhalterschichten 24 überragenden Teil der Bipolarplatte 26 ist diese an je einem Endbereich 38 als eine Abdichtplatte 37 ausgebildet. In diesen zwei Endbereichen 38 als den zwei Abdichtplatten 37 sind insgesamt 6 Öffnungen 29 ausgebildet. Eine primäre Öffnung 30 dient zum Einleiten des Anodenelektrolyten in die Anodenkanäle 21 und eine sekundäre Öffnung 31 für Anodenelektrolyt dient zum Ausleiten des durch die Anodenkanäle 21 geleiteten Anodenelektrolyten aus dem Elektrolysezellenstacks 3. Eine primäre Öffnung 32 dient zum Einleiten des Kathodenelektrolyten in die Kathodenkanäle 21 und eine sekundäre Öffnung 33 für Kathodenelektrolyt dient zum Ausleiten des durch die Kathodenkanäle 21 geleiteten Kathodenelektrolyten aus dem Elektrolysezellenstacks 3. Eine primäre Öffnung 34 dient zum Einleiten des Temperierfluides in die Kanäle 28 der Bipolarplatten 26 und eine sekundäre Öffnung 35 für Temperierfluid dient zum Ausleiten des durch die Kanäle 28 geleiteten Temperierfluides aus dem Elektrolysezellenstacks 3. Die entsprechenden Öffnungen 29 sind in der Elektrolysezelleneinheit 1 fluchtend angeordnet, sodass sich entsprechende Kanäle im Bereich der Abdichtplatten 37 der Elektrolysezelleneinheit 1 für die Prozessfluide Anodenelektrolyt, Kathodenelektrolyt und optionalen Temperierfluid ausbilden. Diese im Wesentlichen senkrecht zu den fiktiven Ebenen 27 ausgerichteten Kanäle sind mit entsprechenden Dichtungen (nicht dargestellt) abgedichtet und ermöglichen die entsprechende gezielte und getrennte Einleitung der Prozessfluide in die Anodenkanäle 21, die Kathodenkanäle 22 und die optionalen Kanäle 28 der Elektrolysezellen 4 des Elektrolysezellenstacks 3. Die Öffnungen 34, 35 für das Temperierfluid sind somit lediglich optional. Zwischen den Bipolarplatten 26 der Elektrolysezelleneinheit 1 ist eine vollständig in Umfangsrichtung ausgebildete umlaufende Dichtung 36 aus einem elastischen Material angeordnet für die Ablichtung des Elektrolysezellenstacks 3 bezüglich der Umgebung.
In der Anschlussplatte 7 sowie in der unteren Spannplatte 11 (2) ist eine Öffnung als erste Elektrolytleitung 48 (in 2 links dargestellt) zum Einleiten von Elektrolyten in die Anodenkanäle 21 und eine Öffnung als Anodenkanalleitung 52 zum Ausleiten des Elektrolyten aus den Anodenkanäle 21 ausgebildet. Zusätzlich sind in der Anschlussplatte 7 sowie in der Spannplatte 11 eine weitere Öffnung als zweite Elektrolytleitung 48 (in 3 rechts dargestellt) zum Einleiten des Elektrolyten in die Kathodenkanäle 22 und eine Öffnung als Kathodenkanalleitung 53 zum Ausleiten des Elektrolyten aus den Kathodenkanälen 22 ausgebildet. Optional sind in der Anschlussplatte 7 sowie in der unteren Spannplatte 11 Öffnungen als Temperierflüssigkeitsleitungen 42 zum Einleiten und Ausleiten der Temperierflüssigkeit als Temperiermedium in und aus dem Elektrolysezellenstack 3 ausgebildet.
Bei der alkalischen Elektrolyse des Ammoniaks zur Herstellung von Wasserstoff und Stickstoff laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:

Anode: 2 NH₃ + 6 OH^- ↠ N₂ + 6 H₂O + 6 e^-
Kathode: 6 H₂O + 6 e^- ↠ 3 H₂ + 6 OH^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: NH₃ → 3 H₂ + N₂

In 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Elektrolysezellensystems 2 mit der Elektrolysezelleneinheit 1 dargestellt. Die Elektrolysezelleneinheit 1 mit dem Elektrolysezellenstapel 3 mit einer großen Anzahl von Elektrolysezellen 4 ist schematisiert stark vereinfacht als nur eine Elektrolysezelle 4 dargestellt. Das Elektrolysezellensystem 2 dient zur Elektrolyse von Ammoniak (NH₃) in Stickstoff (N₂) und Wasserstoff (H₂). Eine Ammoniakquelle 44, beispielsweise ein Druckbehälter mit Ammoniak, vorzugsweise mit einem Druck von 9 bar mit flüssigem Ammoniak, führt nach einer Entspannung und Reduzierung des Druckes mit einem nicht dargestellten Expansionsventil und einer damit verbundenen Veränderung des Aggregatszustandes des Ammoniaks von flüssig in gasförmig durch eine Ammoniakleitung 45 mit einer Ammoniakfördervorrichtung 46 den gasförmigen Ammoniak einem Speicherbehälter 47 mit einem Elektrolyten zu. Der Speicherbehälter 47 ist auch mit Wasser gefüllt, sodass sich der Ammoniak nach dem Einleiten in den Speicherbehälter 47 in dem Wasser, enthalten in dem Speicherbehälter 47, löst und dadurch eine teilweise Dissoziation des Ammoniaks mit dem Wasser in Hydroxidionen (OH^-) und Ammoniumionen (NH₄ ⁺) auftritt. Die Hydroxidionen bewirken die basischen oder alkalischen Eigenschaften des Elektrolyten. Dadurch ist in dem Speicherbehälter 47 ein basischer Elektrolyt enthalten und der Speicherbehälter 47 fungiert zusätzlich als Vorrichtung 49 zum Lösen von Ammoniak in Wasser.
Die chemische Reaktionsgleichung für diese Dissoziation des Ammoniaks mit dem Wasser in dem Speicherbehälter 47 als der Vorrichtung 49 zum Lösen von Ammoniak in Wasser lautet: NH₃ + H₂O ↠ NH₄ ⁺ + OH^-
Eine Pumpe 50 für Elektrolyt fördert durch die Elektrolytleitung 48 den Elektrolyten aus dem Speicherbehälter 47 in die Anodenkanäle 21 der Elektrolysezelleneinheit 1. Die Pumpe 50 umfasst zusätzlich optional eine Temperiervorrichtung 51 zum Erwärmen und/oder Kühlen des durch die Anodenkanäle 21 geleiteten Anodenelektrolyten. Ein Elektrolytversorgungssystem 43 umfasst vorzugsweise die Pumpe 50 und den Speicherbehälter 47 für den Elektrolyten.
Ein Stromversorgungssystem 39 mit einer Stromquelle 40 und einer Stromleitung 41 beaufschlagt den Elektrolysezellenstack 3 zwischen der obersten Elektrolysezelle 4 und der untersten Elektrolysezelle 4 mit einem elektrischen Potenzial als einer Spannungsdifferenz. Die Elektrolysezellen 4 des Elektrolysezellenstacks 3 sind stromleitend miteinander verbunden, sodass in sämtlichen Elektrolysezellen 4 zwischen den Anoden 19 und den Kathoden 20 eine Spannungsdifferenz von ungefähr 0,06 V je Elektrolysezelle 4 vorhanden ist.
Während des Durchleitens des Anodenelektrolyten durch die Anodenkanäle 21 bildet sich an den Anoden 19 aufgrund der elektrochemischen Reaktion Stickstoff, welches sich in dem Anodenelektrolyten löst, sodass anschließend aus dem Elektrolysezellenstack 3 durch die Anodenkanalleitung 52 eine Mischung aus Stickstoff, Wasser und einem Rest an Ammoniak, der nicht an den Anoden 19 reagiert hat, aus dem Elektrolysezellenstack 3 ausgeleitet wird und einer Abscheidungsvorrichtung 54 für Stickstoff zugeführt wird. Die Abscheidungsvorrichtung 54 umfasst eine Gaswaschvorrichtung 55 für Stickstoff, eine Wasserzuleitung 56 zur Leitung von Wasser von einer Wasserquelle 71 in das Elektrolysezellensystem 2, eine Wasserableitung 57 zur Ableitung von einem Gemisch aus der Gaswaschvorrichtung 55 in eine Phasentrennvorrichtung 59 für Stickstoff und eine Pumpe 58 in der Wasserzuleitung 56 zum Fördern von Wasser aus der Wasserquelle 71 in die Gaswaschvorrichtung 55. In der Gaswaschvorrichtung 55 für Stickstoff wird eine Separation von Stickstoff aus dem Anodenelektrolyten mit Stickstoff, Wasser und dem Rest von Ammoniak ausgeführt, d. h. wesentlichen Ziel ist es, den Rest von Ammoniak vom Stickstoff abzutrennen. Dadurch kann an einem oberen Endbereich der Gaswaschvorrichtung 55 durch einen Stickstoffleitung 62 Stickstoff in die Umgebung abgeleitet werden. Das durch die Wasserzuleitung 56 der Gaswaschvorrichtung 55 zugeführte Wasser wird nach der Vermischung mit dem Anodenelektrolyten durch die Wasserableitung 57 aus einem unteren Endbereich der Gaswaschvorrichtung 55 ausgeleitet und in die Phasentrennvorrichtung 59 für Stickstoff zugeführt. In der Phasentrennvorrichtung 59 wird Stickstoff von Wasser abgetrennt, sodass der Stickstoff durch die Stickstoffleitung 62 von der Phasentrennvorrichtung 59 in die Umgebung abgeleitet werden kann und das Wasser mit Resten von nicht verbrauchtem Ammoniak durch eine Rücklaufleitung 60 wieder dem Speicherbehälter 47 zugeführt wird. Das Wasser wird somit in dem Elektrolysezellensystem 2 durch einen Kreislauf durch den Elektrolysezellenstack 3 geleitet und wiederverwendet, sodass in vorteilhafter Weise von der Wasserquelle 71 während des Betriebes keine oder eine nur sehr geringe Menge an Wasser benötigt wird. Überschüssiges Wasser kann optional durch eine Abwasserleitung 61 mit einem nicht darstellten Ventil abgeleitet werden.
Durch die Membran 16 als das Diaphragma 16 wird in dem in 5 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel Wasser aus den Anodenkanäle 21 in die Kathodenkanäle 22 geleitet und diese Wassermoleküle werden in einer elektrochemischen Reaktion mit Elektroden e^- aus der Kathode 20 in einer elektrochemischen Reaktion an der Kathode 20 in Wasserstoff und Hydroxidionen aufgespalten. Die Hydroxidionen wandern durch die Membranen 16 von den Kathodenkanälen 22 in die Anodenkanäle 21. In den Kathodenkanälen 20 ist somit keine vollständige Befüllung mit einem flüssigen Elektrolyten vorhanden, sondern der Elektrolyt wird von den durch die Membranen 16 gewanderten Wassermolekülen gebildet, welche sich aufgrund der Gasströmung in dem Kathodenkanal 22 bewegen als strömen. Der in den Kathodenkanälen 22 gebildete Wasserstoff wird durch die Kathodenkanalleitung 53 als eine Mischung aus Wasserstoff und Resten an Wassermolekülen der Phasentrennvorrichtung 69 für Wasserstoff zugeführt. Die Phasentrennvorrichtung 69 für Wasserstoff bildet eine Abscheidungsvorrichtung 64 für Wasserstoff. In der Phasentrennvorrichtung 69 für Wasserstoff als eine Abscheidevorrichtung für Wasser von dem Gas Wasserstoff erfolgt mit Trennung zwischen Wasser und Wasserstoff, sodass durch die Wasserstoffleitung 70 reiner Wasserstoff von der Phasentrennvorrichtung 69 einem Wasserstoffspeicher 72 zugeführt wird. Der Wasserstoffspeicher 72 ist beispielsweise ein Druckbehälter mit Wasserstoff mit Druck zwischen 100 bar und 400 bar, welches mit einem nicht dargestellten Verdichter dem Wasserstoffspeicher 72 zugeführt wird. Das Elektrolysezellensystem 2 umfasst optional auch den Wasserstoffspeicher 72 und den nicht dargestellten Verdichter.
In 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Elektrolysezellensystem 2 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 5 beschrieben. Durch die Kathodenkanäle 22 wird durch die Elektrolytleitung 48 der Kathodenelektrolyt als Elektrolyt aus dem Speicherbehälter 47 geleitet. Damit wird der identische Elektrolyt sowohl als Anodenelektrolyt durch die Anodenkanäle 21 als auch als Kathodenelektrolyt durch die Kathodenkanäle 22 geleitet. In den Anodenkanäle 21 wird analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel unter anderem Stickstoff gebildet und in den Kathodenkanälen 22 werden analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel unter anderem Wasserstoff gebildet. Da jedoch in den Kathodenkanälen 22 bereits Wasser als Elektrolyt vorhanden ist diffundieren oder wandern durch die Membranen 16 lediglich die Hydroxidionen von den Kathodenkanälen 22 in die Anodenkanäle 21 und im Wesentlichen keine Wassermoleküle. Die Membran 16 kann somit in dem zweiten Ausführungsbeispiel aus einem anderen Material mit anderen Eigenschaften ausgebildet sein. In dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist die Abscheidungsvorrichtung 64 für Wasserstoff anders ausgebildet als in dem ersten Ausführungsbeispiel, weil durch die Kathodenkanäle 22 der flüssige Elektrolyt aus dem Speicherbehälter 47 geleitet wird und dadurch durch die Kathodenkanalleitung 53 nach dem Durchleiten durch die Kathodenkanäle 22 eine Mischung aus Wasser, Wasserstoff und Ammoniak geleitet wird, von denen der Wasserstoff abzutrennen ist. Die Funktionsweise dieser Abscheidungsvorrichtung 64 für Wasserstoff entspricht der Abscheidungsvorrichtung 54 für Stickstoff gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in 5 und dem zweiten Ausführungsbeispiel in 6. Die Abscheidungsvorrichtung 64 für Wasserstoff ist von einer Gaswaschvorrichtung 65 für Wasserstoff und der Phasentrennvorrichtung 69 für Wasserstoff gebildet. Aus einer Wasserquelle 71 wird durch die Wasserzuleitung 56 Wasser der Gaswaschvorrichtung 55 für Stickstoff und der Gaswaschvorrichtung 65 für Wasserstoff zugeführt jeweils mit einer Pumpe 58. Das Gemisch aus Wasser, Wasserstoff und Ammoniak wird durch die Kathodenkanalleitung 53 der Gaswaschvorrichtung 65 zugeführt. An einem oberen Endbereich der Gaswaschvorrichtung 65 wird durch die Wasserstoffleitung 70 Wasserstoff aus der Gaswaschvorrichtung 65 ausgeleitet. An einem unteren Endbereich der Gaswaschvorrichtung 65 wird eine Mischung aus Wasser, Wasserstoff und Ammoniak ausgeleitet und in die Phasentrennvorrichtung 69 für Wasserstoff eingeleitet. In der Phasentrennvorrichtung 69 wird der Wasserstoff von den übrigen Stoffen abgetrennt und durch die Wasserstoffleitung 70 dem Wasserstoffspeicher 72 zugeführt. Die Mischung aus Wasser und Ammoniak wird durch die Rücklaufleitung 60 dem Speicherbehälter 47 zugeführt. Durch die Rücklaufleitung 60 wird somit eine Mischung aus Wasser und Ammoniak geleitet. In dieser Mischung stammt der Ammoniak als Reste von Ammoniak aus den Anodenkanälen 21 und als Ammoniak aus den Kathodenkanälen 22, sodass der nicht in den Elektrolysezellenstack 3 verbrauchte Ammoniak wieder dem Speicherbehälter 47 zugeführt werden kann für eine Wiederverwendung, um einen hohen Wirkungsgrad des Elektrolysezellensystems 2 zu erreichen.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Elektrolysezelleneinheit 1, dem erfindungsgemäßen Elektrolysezellensystem 2 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur alkalischen elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak wesentliche Vorteile verbunden. Wasserstoff kann aus Ammoniak in einfacher und preiswerter Weise in großen Mengen industriell aus Ammoniak hergestellt werden. Im Vergleich zu einem thermischen Cracken bei hohen Temperaturen ist ein wesentlich geringerer Energieaufwand notwendig. Die geringe elektrische Energie für die alkalische elektrolytische Herstellung von Wasserstoff kann beispielsweise aus regenerativen Energien mit Sonnenergie und/oder Wasserkraft gewonnen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10 2017 222 948 A1 [0005]
DE 20 2018 106 745 U1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Journal of Energy Chemistry, 47, Jahr 2020, 234-240 [0003]
Hui-Ying Sun, Guang-Rui Xu, Fu-Min Li, Qing-Ling Hong, Pu-Jun Jin, Pei Chen [0003]
Journal of The Electrochemical Society, 165 (15) J3130-J3147 im Jahr 2018 [0004]
Nadia Mohd Adli,Hao Zhang,Shreya Mukherjee und Gang Wu des Department of Chemical and Biological Engineering, University at Buffalo, The State University of New York, Buffalo, New York 14260, USA [0004]

Claims

Elektrolysezelleneinheit (1) zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak und je eine Elektrolysezelle (4) umfassend - eine Anode (19) zur Erzeugung von Stickstoff an der Anode (19) an einem Anodenkanal (21) zum Durchleiten eines flüssigen Anodenelektrolyten mit Ammoniak, - eine Kathode (20) zur Erzeugung von Wasserstoff an der Kathode (20) an einem Kathodenkanal (22) zum Durchleiten des Kathodenelektrolyten, - eine den Anodenkanal (21) von dem Kathodenkanal (22) trennende gasdichte Membran (16) als Diaphragma (16) zur Durchleitung von Ionen, insbesondere Hydroxidionen, durch die Membran (16), dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Elektrolysezellen (4) als ein Elektrolysezellenstack (3) aufeinander gestapelt angeordnet sind als Elektrolysezelleneinheit (1).
Elektrolysezelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Elektrolysezellenstack (3) aufeinander gestapelten Elektrolysezellen (4) zueinander fluchtend gestapelt angeordnet sind.
Elektrolysezelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Elektrolysezellenstack (3) die Elektrolysezellen (4) mit stromleitenden Separatorplatten (25), insbesondere Bipolarplatten (26), fluiddicht voneinander getrennt sind.
Elektrolysezelleneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Separatorplatten (25) je eine primäre Öffnung (30) zum Einleiten des Anodenelektrolyten in die Anodenkanäle (21) und je eine sekundäre Öffnung (31) zum Ausleiten des durch die Anodenkanäle (21) geleiteten Anodenelektrolyten und Stickstoff aus der Elektrolysezelleneinheit (1) ausgebildet ist.
Elektrolysezelleneinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Separatorplatten (25) je eine primäre Öffnung (32) zum Einleiten des Kathodenelektrolyten in die Kathodenkanäle (22) und je eine sekundäre Öffnung (33) zum Ausleiten des durch die Kathodenkanäle (22) geleiteten Kathodenelektrolyten und Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit (1) ausgebildet ist.
Elektrolysezelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezellen (4) des Elektrolysezellenstacks (3) mit Spannelementen (10), insbesondere Spannplatten (11), und wenigstens einer Verbindungsvorrichtung (14), insbesondere wenigstens einen Bolzen (15), mit einer Druckkraft vorgespannt sind.
Elektrolysezellensystem (2) zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak, umfassend - eine Elektrolysezelleneinheit (1), - ein Elektrolytversorgungssystem (43) zum Leiten wenigstens eines Elektrolyten durch die Elektrolysezelleneinheit (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelleneinheit (1) gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Elektrolysezellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytversorgungssystem (43) zum Leiten des flüssigen Anodenelektrolyten durch die Anodenkanäle (21) der Elektrolysezelleneinheit (1) eine Pumpe (50) zum Fördern des Elektrolyten, eine Vorrichtung (49) zum Lösen des Ammoniaks in Wasser und vorzugsweise eine Temperiervorrichtung (51) zum Erwärmen und/oder Kühlen des durch die Elektrolysezelleneinheit (1) geleiteten Anodenelektrolyten umfasst.
Elektrolysezellensystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytversorgungssystem (43) zum Leiten des Kathodenelektrolyten durch die Kathodenkanäle (22) der Elektrolysezelleneinheit (1) eine Pumpe (50) zum Fördern des Elektrolyten und vorzugsweise eine Temperiervorrichtung (51) zum Erwärmen und/oder Kühlen des durch die Elektrolysezelleneinheit (1) geleiteten Kathodenelektrolyten umfasst.
Elektrolysezellensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolysezellensystem (2) eine Abscheidungsvorrichtung (54) zur Abtrennung von Wasserstoff von dem aus dem Kathodenkanälen (22) geleiteten Stoffgemisches aus Wasserstoff und wenigstens einem weiteren Stoff umfasst.
Elektrolysezellensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Anodenkanäle (21) und optional die Kathodenkanäle (22) geleitete Wasser und/oder Elektrolyt durch eine Rücklaufleitung (60) in einem Kreislauf wieder der Vorrichtung (49) zum Lösen des Ammoniaks in Wasser und/oder einem Speicherbehälter (47) für Elektrolyt zuführbar ist.
Verfahren zur alkalischen elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak mit den Schritten: - Leiten eines flüssigen alkalischen Anodenelektrolyten mit Ammoniak und Hydroxidionen durch einen Anodenkanal (21) an eine Anode (19) einer Elektrolysezelle (4), so dass an der Anode (19) Stickstoff gebildet wird, - Leiten eines Kathodenelektrolyten durch einen Kathodenkanal (22) an eine Kathode (20) der Elektrolysezelle (4), so dass an der Kathode (20) Wasserstoff gebildet wird, - Leiten von Hydroxidionen durch eine den Anodenkanal (21) von dem Kathodenkanal (22) trennende gasdichte Membran (16) als Diaphragma (16) von dem Kathodenkanal (22) in den Anodenkanal (21), - Herstellung von Stickstoff mit einer elektrochemischen Reaktion an der Anode (19) indem eine elektrische Spannung an die Anode (19) und die Kathode (20) angelegt wird, - Herstellung von Wasserstoff mit einer elektrochemischen Reaktion an der Kathode (20) indem eine elektrische Spannung an die Anode (19) und die Kathode (20) angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydroxidionen in dem Anodenelektrolyten mit einer Dissoziation von Ammoniak und Wasser zu Ammoniumionen und Hydroxidionen gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydroxidionen in dem Anodenelektrolyten im Wesentlichen mit einer Dissoziation von Ammoniak und Wasser zu Ammoniumionen und Hydroxidionen gebildet werden, insbesondere vor dem Einleiten des Anodenelektrolyten in die Elektrolysezelle (4).
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kathodenkanal (22) als Kathodenelektrolyt im Wesentlichen Wasser fungiert, insbesondere durch die Membran (16) von dem Anodenkanal (21) in den Kathodenkanal (22) geleitetes Wasser.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Anode (19) und Kathode (20) angelegte elektrische Spannung in je einer Elektrolysezelle (4) kleiner als 0,3 V oder 0,1 V ist.