Wie Inonisatoren und H₂-Wassergeneratoren funktionieren?

Elektrolyseure werden oft auch Ionisatoren oder Wasseraktivatoren genannt. Es ist jedoch zutreffender, sie als Elektrolyseure zu bezeichnen, da dieser Name das Wesen der in den Geräten ablaufenden Prozesse widerspiegelt. Was ist der Unterschied in der Funktionsweise von Wasserionisierern und Wasserstoff-Wassergeneratoren?

Was ist ein Elektrolyseur (Ionisator oder Aktivator)? Was ist aktiviertes oder alkalisches Wasser?

Elektrolyseure werden oft auch Ionisatoren oder Wasseraktivatoren genannt. Es ist jedoch zutreffender, sie als Elektrolyseure zu bezeichnen, da dieser Name das Wesen der in den Geräten ablaufenden Prozesse widerspiegelt.

In Elektrolyseuren (Ionisatoren) wird Wasser in zwei Arten unterteilt: alkalisches Wasser mit einem pH-Wert über 8 und saures Wasser mit einem pH-Wert unter 6.

Das Funktionsprinzip von Wasserelektrolyseuren (Ionisatoren)

Ein Wasserionisator ist ein Gerät, bei dem zwei oder mehr Elektroden in eine Salzlösung in Wasser eingetaucht werden.

Wenn es 2 Elektroden gibt: Anode – positiv geladene Elektrode A(+) und Kathode C(-) – negativ geladene Elektrode, sieht das Schema des Elektrolyseurs wie folgt aus:

Im Wesentlichen sind Wasserstoff-Wassergeneratoren ohne Protonenaustauschmembran die einfachsten Wasserstoff-Wasser-Ionisatoren mit 2 Elektroden

Um die Prozesse intensiver zu gestalten, verwenden teurere Elektrolyseure mehrere Elektrodenplatten.

Welche Prozesse laufen in einem Elektrolyseur ab?

Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei dem Prozess, der in einem Elektrolyseur abläuft, um die Elektrolyse. Unter Elektrolyse versteht man die Zerlegung eines Stoffes in seine Bestandteile durch elektrischen Strom. Der Strom fließt nur sehr schwach durch chemisch reines (destilliertes oder noch reineres, entionisiertes) Wasser, daher ist die Elektrolyse von reinem Wasser schwierig. Versuchen Sie, destilliertes Wasser in einen Haushaltsionisator zu gießen. es wird nicht funktionieren.

Die Elektrolyse von gewöhnlichem Trinkwasser, das beispielsweise aus dem Wasserhahn stammt, ist gerade deshalb möglich, weil das Wasser verschiedene Salze wie Kalzium, Natrium, Magnesium usw. enthält. Damit Elektrolyseure funktionieren, ist es wichtig, dass diese in ausreichender Menge vorhanden sind Salze, für die das Wasser zusätzlich mineralisiert wird.

Im Wesentlichen handelt es sich um die Elektrolyse einer Salzwasserlösung.

Die häufigsten Salze im Trinkwasser sind Bicarbonate, Calciumsulfate, Magnesium und Natriumchlorid (Speisesalz).

Beim Auflösen in Wasser zerfallen Salze in Ionen – Teilchen mit elektrischer Ladung. Darüber hinaus dissoziieren auch die Wassermoleküle selbst teilweise in H⁺ und OH^-.

Im Trinkwasser „schwimmen“:

positiv geladenes Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, H⁺
negativ geladenes HCO₃-, SO₄^2-, Cl^-, OH^-.

Die Liste der Ionen ist immer auf den Etiketten von Wasserflaschen angegeben.

Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen sich Ionen mit der entgegengesetzten Ladung in Richtung der Elektrode, wo mit ihnen chemische Reaktionen stattfinden.

Lassen Sie uns klarstellen, dass die Elektroden inert sein müssen, das heißt, sie dienen während der Elektrolyse nur als Elektronenüberträger. Das Material solcher Elektroden nimmt nicht an Elektrodenprozessen teil (dies kann beispielsweise Pt (Platin), Ir (Iridium) sein, sodass die Elektroden selbst nicht an der Reaktion teilnehmen. Andernfalls reagiert zunächst die Elektrode selbst und reagiert zerstört (aufgelöst): Me (Metall) -> Me+ + e-, bevor andere Reaktionen beginnen. Elektroden aus Platin oder Iridium sind verständlicherweise sehr teuer, daher werden sie nur mit einer Platinbeschichtung hergestellt, und die Qualität dieser Beschichtung ist von entscheidender Bedeutung.

Da alle Metalle, deren Ionen in unserem Trinkwasser vorhanden sind – Ca, Mg, Na, K – in die elektrochemische Reihe eingeordnet werden:

Li→Cs→Rb→K→Ba→Sr→Ca→Na→Mg→Al→Ti→Mn→Zn→Cr→Fe→Cd→Co→Ni→Sn→Pb→H→Sb→Bi→Cu→Hg→Ag→Pd→Pt→Au

K(-) 2H₂O + 2e‾ → H₂ + 2OH^-

An der Anode (+) finden mehrere Reaktionen statt:

Da das Anion einer sauerstoffhaltigen Säure (SO₄^2-) vorhanden ist, kommt es zur Oxidation von Sauerstoffatomen aus Wasser zu Sauerstoffmolekülen, außerdem entstehen Wasserstoffionen H⁺:

2H₂O - 4e → O₂ + 4H⁺, Sauerstoffgas wird freigesetzt und es entsteht eine saure Umgebung – Wasserstoffionen H⁺

In unserem Fall gibt es auch das Anion einer Nichtsauerstoffsäure (Cl-). Seine Oxidation zu einer einfachen Substanz erfolgt:

Es entsteht gasförmiges Chlor

2Cl^- - 2e → Cl₂

An der negativen Elektrode entstehen also Wasserstoffgas und eine alkalische Umgebung, an der positiven Elektrode Sauerstoff- und Chlorgase sowie eine saure Umgebung. Es ist wichtig zu beachten, dass Chlor ein giftiges Gas ist.

Es ist jedoch wichtig, dass sich die Reaktionsprodukte vermischen und miteinander reagieren.

Während dieser Vermischung entsteht Hypochlorit durch folgende Reaktion:
Cl₂ + 2OH^- → Cl^- + ClO^- + H₂O

Dann entsteht bei Raumtemperatur in einer sauren Lösung Chlorat (eine Verbindung der chlorigen Säure) durch folgende Reaktion:
2HClO + ClO^- → ClO₃^- + 2H⁺ + 2Cl^-

Warum ist es für Wasserstoff-Wassergeneratoren wichtig, über eine SPE/PEM-Membran zu verfügen?

Vorteile der Protonenaustausch-SPE/PEM-Membran

Dank der PEM/SPE-Membran wird Wasserstoff von den Nebenprodukten der Elektrolyse – Sauerstoff und anderen Verunreinigungen (wie Ozon und Chlor) – getrennt. Dies bedeutet, dass der Benutzer die Wasserzusammensetzung nicht sorgfältig überwachen muss. Ohne eine Protonenaustauschmembran würde der Elektrolyseprozess bei Verwendung von Wasser mit Chlorsalzen von der Emission eines starken Chlorgeruchs begleitet sein. Die Protonenaustauschmembran fungiert als fester Polymerelektrolyt, in dem die Elektrolyse stattfindet, d. h. die Elektrolyse findet innerhalb der Membran statt und Wasser ist nicht der Elektrolyt, sondern nur mit Wasserstoff gesättigt. Dies ermöglicht die Verwendung von destilliertem Wasser oder durch Umkehrosmose gereinigtem Wasser (RO-Wasser). Bei Geräten ohne PEM/SPE-Membran wird bei Verwendung von destilliertem oder RO-Wasser kein Wasserstoff erzeugt.

Protonenaustauschmembranen werden aus festen Polymerelektrolyten (SPE) hergestellt. Diese Elektrolyte bestehen aus Materialien mit Polymerstruktur und enthalten funktionelle Gruppen, die zur Bildung von Kationen oder Anionen dissoziieren können. Die gerichtete Bewegung dieser Ionen innerhalb der Polymerstruktur verleiht ihr die Ionenleitfähigkeit.

In unseren Geräten besteht die Membran aus einem Fluorkohlenstoffpolymer mit funktionellen Sulfongruppen, die in der Lage sind, elektrostatisch gebundene Kationen (positiv geladene Teilchen wie Protonen, die Kerne von Wasserstoffatomen) mit der äußeren Umgebung auszutauschen. Die Ionenleitfähigkeit einer Protonenaustauschmembran, einer Art Festpolymerelektrolyt (SPE), beruht auf der Bewegung von Kationen, die bereits Teil ihrer Zusammensetzung sind. Bei der direkten Elektrolyse einer Salzlösung wird die Leitfähigkeit durch die Ionen dieser Salze in der Wasserlösung erleichtert.

Bei der Wasserelektrolyse in einem festen Polymerelektrolyten (SPE) beginnt der Prozess mit der Zufuhr von destilliertem Wasser zum Anodenraum des Elektrolyseurs. Das Wasser dringt durch die Poren der Anode bis zur Grenzfläche zwischen Elektrode und Membran (PEM-SPE). An dieser Grenzfläche erfährt Wasser eine Elektrooxidation, wobei Sauerstoff freigesetzt wird:
2H₂O ——► O₂ + 4H⁺ + 4e^-

Anschließend wird Sauerstoff aus der Reaktionszone entfernt. Die Protonen (H+) wandern durch die Membran zur Kathode, wo sie zu gasförmigem Wasserstoff reduziert werden:
2H⁺ + 2e^- —► H₂

Vereinfacht ausgedrückt werden in einem Wasserstoff-Wassergenerator Protonen von der Anode (positiv geladene Elektrode) zur Kathode (negativ geladene Elektrode) geleitet.

Ein Proton, das durch die Protonenaustauschmembran zur Kathode gelangt ist, erhält ein Elektron von der Kathode und wird zu einem Wasserstoffatom. Sofort verbinden sich zwei Wasserstoffatome zu einem Wasserstoffmolekül, das sich dann in Wasser auflöst.

Die Undurchlässigkeit der PEM-Membran für Sauerstoff verhindert dessen Eindringen in den Kathodenraum und somit die Bildung eines explosionsfähigen Knallgasgemisches.

Die kathodischen und anodischen Reaktionen werden durch die Einführung von Katalysatoren wie fein dispergiertem Platin und Iridiumoxid (IV) an den Elektroden/SPE-Grenzflächen erleichtert, wodurch der Elektrolyseprozess effizienter wird.

Gleichzeitig dient die Protonenaustauschmembran als Isolator für Elektronen und als Barriere für Reagenzien wie Sauerstoff, Wasserstoff, Ozon und Chlor.

Die Hauptfunktion der Protonenaustauschmembran in einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) besteht darin, Reaktanten zu trennen und Protonen über die Membran zu übertragen, während gleichzeitig der direkte Weg der Elektronen durch die Membran blockiert wird.

Der Einsatz von PEM für die Elektrolyse wurde erstmals in den 1960er Jahren von General Electric eingeführt, das diese Technologie entwickelte, um die Nachteile der alkalischen Elektrolysetechnologie zu überwinden.

Der Elektrolyseprozess mit einer Protonenaustauschmembran (PEM) hat mehrere Vorteile:

Betrieb mit hoher Stromdichte: Einer der bedeutendsten Vorteile der PEM-Elektrolyse ist ihre Fähigkeit, mit hohen Stromdichten zu arbeiten. Diese Fähigkeit ist auf die Verwendung eines Polymerelektrolyten zurückzuführen, der es dem PEM-Elektrolyseur ermöglicht, mit einer sehr dünnen Membran (ca. 100–200 Mikrometer) unter hohem Druck zu arbeiten. Dieser Aufbau führt zu geringen ohmschen Verlusten, hauptsächlich aufgrund der Protonenleitung durch die Membran (0,1 S/cm), und führt zu einer hohen Wasserstoffausbeute.

Hohe Produktreinheit: Die Polymerelektrolytmembran weist aufgrund ihrer festen Struktur eine geringe Gaspermeationsrate auf. Diese Eigenschaft trägt zur sehr hohen Reinheit des erzeugten Wasserstoffs bei. Die geringe Permeabilität gewährleistet eine minimale Kreuzkontamination von Gasen, was bei Anwendungen, bei denen hochreiner Wasserstoff erforderlich ist, von entscheidender Bedeutung ist.

Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich die PEM-Elektrolyse besonders für Szenarien, in denen eine hohe Effizienz, hohe Reinheit und eine Hochdruck-Wasserstoffproduktion erforderlich sind. Darüber hinaus ermöglicht die kompakte Bauweise des Elektrolyseurs aufgrund der dünnen Membran eine geringere Systemfläche im Vergleich zu anderen Elektrolysetechnologien.