AT527859A1 - Elektrolyseur zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse - Google Patents

Elektrolyseur zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse

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AT527859A1
AT527859A1 ATA51028/2023A AT510282023A AT527859A1 AT 527859 A1 AT527859 A1 AT 527859A1 AT 510282023 A AT510282023 A AT 510282023A AT 527859 A1 AT527859 A1 AT 527859A1
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Rechberger Andreas
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Andritz Ag Maschf
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Abstract

Elektrolyseur zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse, umfassend eine Gleichspannungsquelle, insbesondere einen Gleichrichter (1) mit einem elektrischen Plus-Pol (2) und einem elektrischen Minus-Pol (3), sowie Medienzuleitungen (4) für ein Elektrolysemedium und Medienableitungen (5) für Produktmedien, wobei zwischen dem Plus-Pol (2) und dem Minus-Pol (3) mehrere, über elektrische Verbindungsleitungen (9) in Serie geschaltete Elektrolyseblöcke (6) angeschlossen sind, wobei die Elektrolyseblöcke (6) jeweils eine Vielzahl elektrisch in Serie geschalteter und bündig mechanisch verspannter Elektrolysezellen (7) aufweisen, wobei die Medienzuleitungen (4) und die Medienableitungen (5) jeweils seriell durch die Elektrolyseblöcke (6) verlaufen und sich innerhalb jedes einzelnen Elektrolyseblocks (6) auf individuelle Zellzuleitungen (4‘, 4‘‘) und individuelle Zellableitungen (5‘, 5‘‘) der Elektrolysezellen (7) verteilen.

Description

Elektrolyseur zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse
Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse.
Aus dem Stand der Technik ist die Wasserstoffherstellung durch alkalische Elektrolyse bekannt. Bekannte alkalische Elektrolyseure sind zumeist Systeme, die unter atmosphärischem Druck bzw. leichtem Überdruck bis 1 bar betrieben werden. Solche Systeme sind oft als zusammengeschaltete Einzelzellen ausgeführt, um so leichteren Transport und Aufbau des Elektrolyseurs zu ermöglichen. Die Zufuhr von Medium, oft eine Kaliumhydroxidlösung (KOH) im Fall eines alkalischen Elektrolyseurs, erfolgt hierbei für jede Einzelzelle separat. Auch die Abfuhr von Produkt und überschüssiger KOH erfolgt für jede Einzelzelle separat. Das Problem bei einem Verfahren unter solchen Bedingungen ist, dass der Wasserstoff für die Weiterverarbeitung oder den Weitertransport komprimiert werden muss, sodass ein Verdichter benötigt wird. Der Nachteil dieser Verdichter ist jedoch deren hohe Wartungsintensität und die dadurch
entstehenden zusätzlichen Kosten.
Alkalische Elektrolyseure können auch als druckbehaftete Systeme ausgeführt sein. Hierbei werden sie in der Regel bei einem Druck von bis zu 30 bar betrieben. Druckbehaftete Elektrolyseure sind in der Regel als integrierte Elektrolyseblöcke ausgeführt, die mehrere Elektrolysezellen beinhalten. Der Nachteil dieser druckbehafteten Systeme ist, dass sie schwer zu transportieren und zusammenzubauen sind. Derartige Systeme wiegen bis zu 90 Tonnen. Auch erschwert
die druckbehaftete Ausführung eine serienmäßige Fertigung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Probleme des Standes der Technik zu überwinden und einen druckbehafteten Elektrolyseur zur Verfügung stellen, der modular einfacher transportiert, zusammengebaut und gewartet werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung kann darin gesehen werden, ein möglichst leistungsstarkes System unter geringem Materialeinsatz bereitzustellen und eine möglichst einfache
serienmäßige Produktion der Komponenten zu ermöglichen.
Diese und andere Aufgaben werden durch einen Elektrolyseur gemäß Anspruch 1
gelöst.
Ein erfindungsgemäßer Elektrolyseur ist zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse ausgeführt und umfasst eine Gleichspannungsquelle, insbesondere einen Gleichrichter mit einem elektrischen Plus-Pol und einem elektrischen Minus-Pol. Der Gleichrichter kann zum Anschluss an ein leistungsfähiges Wechselstromnetz und zur Bereitstellung einer Gleichspannung im Bereich von etwa 300 V bis etwa 1500 V, beispielsweise etwa 600V bis etwa 800V ausgebildet sein. Der Ausgangs-Gleichstrom kann dabei mehr als
etwa 600 A, vorzugsweise mehr als etwa 2000 A betragen.
Es sind Medienzuleitungen für ein Elektrolysemedium und Medienableitungen für Produktmedien vorgesehen. Das Elektrolysemedium kann eine Lauge, insbesondere eine Kalilauge (KOH) oder Natronlauge (NaOH) sein, die unter einem Druck von über 10 bar, vorzugsweise etwa 30 bar in den Elektrolyseur geleitet wird. Bei den Produktmedien kann es sich um eine, ebenfalls unter Druck stehende Mischung der Lauge mit O2 einerseits, und H2 andererseits handeln. Die Gase O2 und H2 werden als
Produkt der Elektrolyse gewonnen.
Zwischen dem Plus-Pol und dem Minus-Pol des Gleichrichters sind mehrere, über elektrische Verbindungsleitungen in Serie geschaltete Elektrolyseblöcke angeschlossen, sodass sich die Ausgangsspannung des Gleichrichters auf die einzelnen Elektrolyseblöcke aufteilt. Die Elektrolyseblöcke umfassen jeweils eine Vielzahl elektrisch in Serie geschalteter und bündig mechanisch verspannter Elektrolysezellen. Dabei kann jeder Elektrolyseblock bis zu etwa 100, gegebenenfalls
auch bis zu etwa 200 oder mehr, einzelne Elektrolysezellen umfassen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Medienzuleitungen und die Medienableitungen jeweils seriell durch die Elektrolyseblöcke verlaufen. Die Medienzuleitungen und die Medienableitungen können insbesondere über Flanschverbindungen aus den Elektrolyseblöcken herausgeführt sein, um eine einfache serielle Verbindung der Elektrolyseblöcke zu ermöglichen. Dadurch können eine beliebige Anzahl an Elektrolyseblöcken miteinander seriell verbunden werden, wobei die Medien die Elektrolyseblöcke nacheinander durchströmen. Statt Flanschverbindungen können auch andere, lösbare oder nicht lösbare Verbindungen vorgesehen sein. Insbesondere können die herausgeführten Medienzuleitungen und
Medienableitungen auch verschweißt werden.
Die Anzahl der Elektrolyseblöcke wird durch die zur Verfügung stehende Gleichspannung und die gesamte Anzahl der Elektrolysezellen begrenzt, da jede Elektrolysezelle eine Gleichspannung in Höhe von etwa 2 V benötigt. Innerhalb jedes Elektrolyseblocks verteilen sich die Medienzuleitungen und die Medienableitungen auf individuelle Zellzuleitungen und individuelle Zellableitungen der einzelnen
Elektrolysezellen.
Eine derartige Verschaltung mehrerer Elektrolyseblöcke und Verteilung der Medienzuleitungen und Medienableitungen innerhalb der Elektrolyseblöcke erlaubt einen besonders flexiblen Aufbau des Elektrolyseurs. Abhängig von der zur Verfügung stehenden Gleichspannung und der Anzahl der Elektrolysezellen können eine bestimmte Anzahl von Elektrolysezellen in einzelnen Elektrolyseblöcken kombiniert und mehrere Elektrolyseblöcke in Serie geschaltet und von einem einzigen Gleichrichter versorgt werden. Dadurch können auch bei höheren Spannungen im Bereich von etwa
300 V bis etwa 1500 V kleine und leichte Elektrolyseblöcke verwendet werden.
Zudem müssen die Medienzuleitungen und Medienableitungen nicht zu jeder einzelnen Elektrolysezelle geführt werden, da die Verteilung auf die Zellzuleitungen und Zellableitungen innerhalb der Elektrolyseblöcke erfolgt. Die Medienzuleitungen und Medienableitungen werden an die Flansche der Elektrolyseblöcke angeschlossen und die gewünschte Zahl an Elektrolyseblöcken wird in Serie geschaltet, wobei die
Endflansche verschlossen bleiben.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Medienzuleitungen und die
Medienableitungen geerdet sind.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Medienzuleitungen und Medienableitungen mit gemeinsamen und vorzugsweise geerdeten Druck-Sammelleitungen verbunden sind, sodass die Zufuhr des Elektrolysemediums und die Abfuhr der Produktmedien über die
Druck-Sammelleitungen erfolgen kann.
Es kann vorgesehen sein, dass die Druck-Sammelleitungen an einem ersten, außenliegenden Elektrolyseblock der in Serie geschalteten Elektrolyseblöcke angeschlossen sind, sodass das Elektrolysemedium und die Produktmedien ausgehend von diesem Elektrolyseblock alle weiteren Elektrolyseblöcke seriell durchlaufen. Der Plus-Pol und der Minus-Pol des Gleichrichters sind dabei jeweils an den außenliegenden Elektrolyseblöcken angeschlossen.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Elektrolyseblöcke in einer Tförmigen Anordnung um die zentralen Druck-Sammelleitungen angeordnet sind, sodass das Elektrolysemedium und die Produktmedien ausgehend von diesen beiden Elektrolyseblöcken alle weiteren Elektrolyseblöcke parallel durchlaufen. Der Plus-Pol und der Minus-Pol des Gleichrichters sind dabei jeweils an den außenliegenden Elektrolyseblöcken angeschlossen. Dadurch ergibt sich ein kontinuierlicher Spannungsabfall an den Elektrolyseblöcken und gleichzeitig eine gleichmäßige Verteilung der Medien auf die Elektrolyseblöcke. In dieser Topologie können ausgehend von zentralen Druck-Sammelleitungen zwei, vier, sechs, acht, oder mehr Elektrolyseblöcke angeordnet werden.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Elektrolyseblöcke jeweils eine identische Anzahl an Elektrolysezellen aufweisen, sodass der Spannungsabfall an jedem Elektrolyseblock gleich groß ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Elektrolyseblöcke eine unterschiedliche Anzahl an Elektrolysezellen aufweisen, sodass
der Spannungsabfall den Elektrolyseblöcken unterschiedlich ist.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Elektrolysezellen jeweils zwei, durch eine Trennschicht getrennte, elektrisch leitende Halbschalen mit jeweils einer metallischen Außenhaut aufweisen. Dadurch werden ein Anodenraum mit einer Anode und ein Kathodenraum mit einer Kathode gebildet. Die beiden Halbschalen können durch einen umlaufenden, metallischen und vorzugsweise ringförmigen Stützrahmen verbunden sein. Der Stützrahmen und die Außenhaut können vorzugsweise aus Edelstahl bestehen.
Der Stützrahmen kann Ausnehmungen, insbesondere Bohrungen, aufweisen, um die Verteilung der Medienzuleitungen und der Medienableitungen auf die Zellzuleitungen und Zellableitungen der einzelnen Elektrolysezellen zu ermöglichen. Dadurch kann eine platzsparende und effiziente Verteilung der Medien von den Medienzuleitungen und Medienableitungen auf die individuellen Zellzuleitungen und Zellableitungen der Elektrolysezellen erfolgen. Die Ausnehmungen oder Bohrungen können einen Durchmesser von wenigen Zentimetern haben, um die Stabilität des Stützrahmens nicht
zu beeinträchtigen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass zusätzlich zum Stützrahmen ein separater Verteilrahmen vorgesehen ist, der Ausnehmungen, insbesondere Bohrungen, aufweist, um die Verteilung der Medienzuleitungen und der Medienableitungen auf die individuellen Zellzuleitungen und individuellen Zellableitungen der einzelnen Elektrolysezellen zu ermöglichen. In diesem Fall ist der Stützrahmen vorzugsweise massiv, metallisch und ohne Ausnehmungen gefertigt, um dem Druck der Elektrolysezellen standzuhalten. Hingegen kann der Verteilrahmen aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein, da er keinen hohen mechanischen Druck aufnehmen muss. Dies hat den Vorteil, dass die verwendeten Medien nicht in Kontakt mit dem metallischen Stützrahmen kommen, sodass eine Korrosion des metallischen Stützrahmens vermieden werden kann. Der Verteilrahmen kann vorzugsweise laugenbeständig sein und kann vorzugsweise innerhalb des Stützrahmens, besonders bevorzugt in direktem Kontakt mit dem Anodenraum und Kathodenraum der
Elektrolysezelle, angeordnet sein.
Die Elektrolysezellen können als Zero-gap System ausgeführt sein, wobei ein direkter Kontakt der Kathode und Anode mit der isolierenden Trennschicht vorgesehen ist. Die Trennschicht kann als permeable Membran oder als Diaphragma ausgebildet sein. Als Trennschicht kann beispielsweise ein Polyphenylensulfid-gewebe, dass mit einer Mischung aus einem Polymer (z. B. Polysulfon) und Zirconiumoxid (ZrO2) beschichtet ist, vorgesehen sein. Durch Anlegen einer Gleichspannung von etwa 1,5 V bis etwa 2,5 V an die Elektrolysezelle werden im Kathodenraum H2 und OH: und im Anodenraum O2 und H2O gebildet. Das OH: kann in weiterer Folge durch die Trennschicht in den
Anodenraum diffundieren, wodurch erneut O2 und H20O gebildet werden können.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Halbschalen der Elektrolysezellen an ihren Rändern miteinander elektrisch isolierend verbunden sind, wobei die Halbschalen jeweils zumindest eine individuelle Zellzuleitung und zumindest eine individuelle Zellableitung für ein Medium umfassen, und wobei in einem Elektrolyseblock die Außenhaut des Kathodenraums jeder Elektrolysezelle an die Außenhaut des Anodenraums einer weiteren Elektrolysezelle bündig und elektrisch leitend angeordnet ist. Dadurch wird eine stack-förmige Anordnung der
Elektrolysezellen im Elektrolyseblock gebildet.
Alle Komponenten der Elektrolysezelle können im Wesentlichen laugenbeständig,
wasserstoffbeständig, sauerstoffbeständig und wasserbeständig sein.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Halbschalen ausschließlich über die Stützrahmen verbunden sind, sodass sich die beiden AuRenhäute der Halbschalen nicht berühren. Zur elektrischen Isolierung und zur Abdichtung der Stützrahmen kann eine umlaufende Kunststoffdichtung vorgesehen sein. Zur Verbindung der Stützrahmen
können vorzugsweise mehrere Schraubverbindungen vorgesehen sein.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Stützrahmen um einen Faktor von etwa 100 bis etwa 200 dicker ist als die Außenhaut und vorzugsweise eine Dicke von etwa 1 cm bis etwa 2 cm aufweist. Die Tiefe des Stützrahmens kann etwa 5 cm bis etwa 20 cm betragen. Dadurch wird ein stabiler Stützrahmen gebildet, der dazu geeignet ist, im
Inneren der Halbschalen herrschende radiale Druckkräfte aufzunehmen.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Halbschalen einen Durchmesser von etwa 1 m bis etwa 3 m und eine Dicke von etwa 1 cm bis etwa 3 cm aufweisen, sodass die Elektrolysezelle eine Dicke von etwa 2 cm bis etwa 6 cm aufweist. Dadurch kann die Stabilität der Elektrolysezelle sichergestellt werden, während der Materialaufwand niedrig ist und ein relativ geringes Gewicht von etwa 150 kg bis 250 kg für eine einzelne
Elektrolysezelle mit einer aktiven Fläche von mehreren m2 erreichbar ist.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Elektrolysezellen eines Elektrolyseblocks durch Verbindungsmittel, insbesondere Schraubverbindungen, zusammengehalten sind, wobei die Verbindungsmittel vorzugsweise gänzlich durch die Stützrahmen verlaufen und diese aneinanderpressen. Die Verbindungsmittel können ausgebildet sein, die Stützrahmen von mehreren, vorzugsweise bis zu etwa 100, seriell
angeordneten Elektrolysezellen je Elektrolyseblock zusammenzuhalten.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Elektrolysezellen eines Elektrolyseblocks zwischen Endplatten angeordnet sind, wobei die Endplatten durch vorzugsweise mehrere Zugstangen fest verspannt sind, und wobei die Endplatten auf
Isolierelementen angeordnet sind.
Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert, welche exemplarische Ausführungsbeispiele
zeigen:
Fig. 1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs; Fig. 1b zeigt eine Schnittdarstellung eines Elektrolyseblocks eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs;
Fig. 1c zeigt eine Schnittdarstellung einer Elektrolysezelle eines erfindungsgemäßen
Elektrolyseurs. Fig. 1a zeigt eine schematische, nicht maßstabsgerechte Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs zur alkalischen
Wasserstoffelektrolyse.
Der Elektrolyseur umfasst einen Gleichrichter 1 mit einem elektrischen Plus-Pol 2 und einem elektrischen Minus-Pol 3, sowie Medienzuleitungen 4 für Kalilauge KOH und Medienableitungen 5 für die Produktmedien KOH + H2 und KOH + O2. Zwischen dem Plus-Pol 2 und dem Minus-Pol 3 sind vier, über elektrische Verbindungsleitungen 9 und Elektroden 10 in Serie geschaltete Elektrolyseblöcke 6 angeschlossen. In diesem Ausführungsbeispiel teilt sich die elektrische Gleichspannung im Wesentlichen identisch
auf die vier Elektrolyseblöcke 6 auf.
Die Elektrolyseblöcke 6 beinhalten jeweils etwa 80 elektrisch in Serie geschaltete und bündig mechanisch verspannte Elektrolysezellen 7, wobei die Medienzuleitungen 4 und die Medienableitungen 5 jeweils seriell durch die Elektrolyseblöcke 6 verlaufen und sich innerhalb jedes einzelnen Elektrolyseblocks 6 auf individuelle Zellzuleitungen 4‘, 4“ und Zellableitungen 5‘, 5“ der Elektrolysezellen 7 verteilen. Die Elektrolyseblöcke 6 verfügen jeweils über fett dargestellte Elektroden 10 als Pluspole und Minuspole, über die eine elektrische Spannung an die eng aneinander liegenden Elektrolysezellen 7 angelegt
wird.
Die Medienzuleitungen 4 und die Medienableitungen 5 sind über Flanschverbindungen 8, 8‘ aus den Elektrolyseblöcken 6 herausgeführt und jeweils mit dem nächsten Elektrolyseblock 6 verbunden. Die beiden außenliegenden Elektrolyseblöcke 6 sind als Endblöcke ausgebildet und weisen verschlossene Endflansche auf. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Zufuhr des Elektrolysemediums und die Abfuhr der Produktmedien über geerdete zentrale Druck-Sammelleitungen 17, 18. Konkret sind vier Elektrolyseblöcke 6 in einer T-förmigen Anordnung um die zentralen DruckSammelleitungen 17, 18 angeordnet, sodass das Elektrolysemedium und die Produktmedien ausgehend von den beiden innenliegenden Elektrolyseblöcken 6 die
beiden außenliegenden Elektrolyseblöcke 6 parallel durchlaufen.
Die Elektrolysezellen 7 umfassen jeweils zwei durch eine Trennschicht 14 getrennte, elektrisch leitende Halbschalen mit jeweils einer metallischen Außenhaut, wobei die Halbschalen durch einen umlaufenden, metallischen und vorzugsweise ringförmigen
Stützrahmen 11 verbunden sind.
Die Stützrahmen 11 weisen (in Fig. 1a nicht dargestellte) Ausnehmungen auf, um die Verteilung der Medienzuleitungen 4 und der Medienableitungen 5 auf die (nicht dargestellten) individuellen Zellzuleitungen 4, 4‘ und individuellen Zellableitungen 5‘, 5“
der einzelnen Elektrolysezellen 7 zu ermöglichen.
Ferner sind in dieser Darstellung die massiven Endplatten 15 sichtbar, welche die Elektrolysezellen 7 eines jeden Elektrolyseblocks 6 zusammenpressen, wobei die Endplatten durch (nicht dargestellte) Zugstangen fest verspannt sind, und wobei die
Endplatten 15 auf Isolierelementen 16 angeordnet sind.
Fig. 1b zeigt eine Schnittdarstellung eines Elektrolyseblocks 6 eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs, wobei eine einzelne Elektrolysezelle 7 sichtbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Elektrolysezelle 7 im Wesentlichen kreisförmig, wobei die Medienzuleitungen 4 im unteren Bereich und die Medienableitungen 5 im oberen Bereich vorgesehen sind. Der Stützrahmen 11 umgibt die kreisförmigen Halbschalen 12, 14 der Elektrolysezelle 7 an ihrem gesamten Umfang und ist von diesen elektrisch isoliert. Die Außenflächen benachbarter Elektrolysezellen 7 sind bündig und elektrisch leitend angeordnet, sodass ein guter und vollflächiger elektrischer
Kontakt gewährleistet ist.
Durch die Druck-Sammelleitung 17 und in Folge die Medienzuleitungen 4 wird KOHLösung in die Elektrolysezelle 7 eingeführt, wobei ein Druck von bis zu 30 bar und mehr aufgebaut wird. Der Stützrahmen 11 ist so ausgebildet, dass er entstehende radiale Druckkräfte aufnimmt. Durch die angelegte Gleichspannung von etwa 1,5 bis 2,5 Volt je Zelle wird in der Elektrolysezelle 7 die Elektrolyse initiiert. Die Produktgase H2 und O2 werden durch die Medienableitungen 5 im oberen Bereich des Stützrahmens 11 aus der Elektrolysezelle 7 in die Drucksammelleitung 18 eingebracht und in Folge externen
Separatoren für die Trennung der Lauge und H2 bzw. O2 zugeführt.
Fig. 1c zeigt eine schematische, nicht maßstabsgerechte Schnittdarstellung einer Elektrolysezelle 7 eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs. Die Elektrolysezelle 7 umfasst zwei durch eine Trennschicht 14 getrennte, elektrisch leitende Halbschalen mit jeweils einer metallischen Außenhaut, sodass ein Anodenraum 12 mit einer (nicht dargestellten) Anode und ein Kathodenraum 13 mit einer (nicht dargestellten) Anode
gebildet werden.
Zwischen den beiden Elektroden ist eine elektrisch isolierende Trennschicht 14 in Form einer Membran angeordnet, die jedoch ionendurchlässig ist, wodurch OH--lonen durch die Trennschicht 14 diffundieren können und ein geschlossener Stromkreis gebildet wird. Die Trennschicht 14 besteht in dieser Ausführungsform aus einem Polyphenylensulfid-Gewebe, das mit einer Mischung aus Polysulfon und Zirconiumoxid (ZrO2) sowie gegebenenfalls Polytetrafluorethylen und anorganische Zusatzstoffe enthält. Sie ist 0,5 mm dick und weist eine Porosität von beispielhaft 55% auf. Die Anode, die Trennschicht 14 und die Kathode sind direkt aneinander angeordnet, sodass
eine Zero-Gap Anordnung entsteht.
Die Halbschalen sind durch einen umlaufenden, metallischen und ringförmigen Stützrahmen 11 verbunden, der Bohrungen aufweist, um eine Verteilung der Medienzuleitungen 4 und der Medienableitungen 5 auf die innenliegenden, radial in den Anodenraum 12 und in den Kathodenraum 13 mündenden, individuellen Zellzuleitungen 4‘, 4“ und individuellen Zellableitungen 5‘, 5‘ der einzelnen Elektrolysezellen 7 zu
ermöglichen. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf die beschriebenen
Ausführungsbeispiele, sondern umfasst sämtliche Vorrichtungen im Rahmen der
nachfolgenden Patentansprüche.
Bezugszeichenliste
1 Gleichrichter
2 Plus-Pol
3 Minus-Pol
4 Medienzuleitungen
5 Medienableitungen
6 Elektrolyseblock
7 Elektrolysezellen
8, 8‘ Flanschverbindung
9 Elektrische Verbindungsleitung
4‘, 4“ Individuelle Zellzuleitung
5‘, 5“ Individuelle Zellableitung
10 Elektrode
11 Stützrahmen
12 Anodenraum
13 Kathodenraum
14 Trennschicht
15 Endplatten
16 Isolierelement
17 Drucksammelleitung für Medienzuleitung 18 Drucksammelleitung für Medienableitung
Patentansprüche
1. Elektrolyseur zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse, umfassend
- eine Gleichspannungsquelle, insbesondere einen Gleichrichter (1) mit einem elektrischen Plus-Pol (2) und einem elektrischen Minus-Pol (3), sowie
- Medienzuleitungen (4) für ein Elektrolysemedium und Medienableitungen (5) für Produktmedien,
dadurch gekennzeichnet, dass
- zwischen dem Plus-Pol (2) und dem Minus-Pol (3) mehrere, über elektrische Verbindungsleitungen (9) in Serie geschaltete Elektrolyseblöcke (6) angeschlossen sind, wobei
- die Elektrolyseblöcke (6) jeweils eine Vielzahl elektrisch in Serie geschalteter und bündig mechanisch verspannter Elektrolysezellen (7) aufweisen, wobei
- die Medienzuleitungen (4) und die Medienableitungen (5) jeweils seriell durch die Elektrolyseblöcke (6) verlaufen und sich innerhalb jedes einzelnen Elektrolyseblocks (6) auf individuelle Zellzuleitungen (4, 4‘) und Zellableitungen (5‘, 5“) der Elektrolysezellen (7) verteilen.
2. Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienzuleitungen (4) und die Medienableitungen (5) über Flanschverbindungen (8, 8‘) aus den Elektrolyseblöcken (6) herausgeführt sind.
3. Elektrolyseur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienzuleitungen (4) und die Medienableitungen (5) geerdet sind.
4. Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Elektrolysemediums und die Abfuhr der Produktmedien über vorzugsweise geerdete, zentrale Druck-Sammelleitungen (17, 18) erfolgt.
5. Elektrolyseur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die DruckSammelleitungen (17, 18) an einem ersten, außenliegenden Elektrolyseblock (6) der in Serie geschalteten Elektrolyseblöcke (6) angeschlossen sind, sodass das Elektrolysemedium und die Produktmedien ausgehend von diesem Elektrolyseblock (6) alle weiteren Elektrolyseblöcke (6) seriell durchlaufen.
13 — 63619/AG/Andritz AG, Stattegger Strasse 18, 8045 Graz (AT)
Elektrolyseur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei, vier, sechs, acht, oder mehr Elektrolyseblöcke (6) in einer T-förmigen Anordnung um die zentralen Druck-Sammelleitungen (17, 18) angeordnet sind, sodass das Elektrolysemedium und die Produktmedien ausgehend von diesen beiden Elektrolyseblöcken (6) alle weiteren Elektrolyseblöcke (6) parallel durchlaufen.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseblöcke (6) jeweils eine identische Anzahl an Elektrolysezellen (7) aufweisen, sodass der Spannungsabfall an jedem Elektrolyseblock (6) im Wesentlichen identisch ist.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseblöcke (6) eine unterschiedliche Anzahl an Elektrolysezellen (7) aufweisen, sodass der Spannungsabfall an den Elektrolyseblöcken (6) unterschiedlich ist.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass - die Elektrolysezellen (7) jeweils zwei durch eine Trennschicht (14) getrennte, elektrisch leitende Halbschalen mit jeweils einer metallischen Außenhaut
aufweisen, sodass ein Anodenraum (12) mit einer Anode und ein Kathodenraum (13) mit einer Anode gebildet werden, wobei
- die Halbschalen durch einen umlaufenden, metallischen und vorzugsweise ringförmigen Stützrahmen (11) verbunden sind, und wobei
- der Stützrahmen (11) Ausnehmungen, insbesondere Bohrungen, aufweist, um die Verteilung der Medienzuleitungen (4) und der Medienableitungen (5) auf die individuellen Zellzuleitungen (4‘, 4‘) und individuellen Zellableitungen (5‘, 5“) der einzelnen Elektrolysezellen (7) zu ermöglichen.
Elektrolyseur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Halbschalen an ihren Rändern miteinander elektrisch isolierend verbunden sind, wobei
- die Halbschalen jeweils zumindest eine individuelle Zellzuleitung (4°) und zumindest eine individuelle Zellableitung (5°) für ein Medium umfassen, und wobei
12.
13.
14.
15.
14 — 63619/AG/Andritz AG, Stattegger Strasse 18, 8045 Graz (AT)
- eine Außenhaut des Kathodenraums (13) jeder Elektrolysezelle (7) an eine Außenhaut des Anodenraums (12) einer weiteren Elektrolysezelle (7) bündig und elektrisch leitend angeordnet ist.
Elektrolyseur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbschalen der Elektrolysezellen (7) nur über die Stützrahmen (11) verbunden sind, wobei zur elektrischen Isolierung zwischen den Stützrahmen (11) eine umlaufende Kunststoffdichtung vorgesehen ist.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolysemedium eine Kaliumhydroxidlösung (KOH) oder Natriumhydroxidlösung (NaOH) ist, die unter einem Druck von über 10 bar, vorzugsweise etwa 30 bar steht.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezellen (7) eines Elektrolyseblocks (6) durch Verbindungsmittel, insbesondere Schraubverbindungen, zusammengehalten sind, wobei die Verbindungsmittel vorzugsweise gänzlich durch die Stützrahmen (11) verlaufen und diese aneinanderpressen.
Elektrolyseur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel dazu ausgebildet sind, die Stützrahmen (11) von mehreren, vorzugsweise bis zu etwa 100, seriell angeordneten Elektrolysezellen (7) je Elektrolyseblock (6) zusammenzuhalten.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezellen (7) eines Elektrolyseblocks (6) zwischen Endplatten (15) angeordnet sind, wobei die Endplatten durch vorzugsweise mehrere Zugstangen fest verspannt sind, und wobei die Endplatten (15) auf Isolierelementen (16) angeordnet sind.

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Elektrolyseur zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse, umfassend
    - eine Gleichspannungsquelle, insbesondere einen Gleichrichter (1) mit einem elektrischen Plus-Pol (2) und einem elektrischen Minus-Pol (3), sowie
    - Medienzuleitungen (4) für ein Elektrolysemedium und Medienableitungen (5) für Produktmedien,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - zwischen dem Plus-Pol (2) und dem Minus-Pol (3) mehrere, über elektrische Verbindungsleitungen (9) in Serie geschaltete Elektrolyseblöcke (6) angeschlossen sind, wobei
    - die Elektrolyseblöcke (6) jeweils eine Vielzahl elektrisch in Serie geschalteter und bündig mechanisch verspannter Elektrolysezellen (7) aufweisen, wobei
    - die Medienzuleitungen (4) und die Medienableitungen (5) jeweils seriell durch die Elektrolyseblöcke (6) verlaufen und sich innerhalb jedes einzelnen Elektrolyseblocks (6) auf individuelle Zellzuleitungen (4, 4‘) und Zellableitungen (5‘, 5“) der Elektrolysezellen (7) verteilen.
    2. Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienzuleitungen (4) und die Medienableitungen (5) über Flanschverbindungen (8, 8‘) aus den Elektrolyseblöcken (6) herausgeführt sind.
    3. Elektrolyseur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienzuleitungen (4) und die Medienableitungen (5) geerdet sind.
    4. Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Elektrolysemediums und die Abfuhr der Produktmedien über vorzugsweise geerdete, zentrale Druck-Sammelleitungen (17, 18) erfolgt.
    5. Elektrolyseur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die DruckSammelleitungen (17, 18) an einem ersten, außenliegenden Elektrolyseblock (6) der in Serie geschalteten Elektrolyseblöcke (6) angeschlossen sind, sodass das Elektrolysemedium und die Produktmedien ausgehend von diesem Elektrolyseblock (6) alle weiteren Elektrolyseblöcke (6) seriell durchlaufen.
    ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE
    13 — 63619/AG/Andritz AG, Stattegger Strasse 18, 8045 Graz (AT)
    Elektrolyseur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei, vier, sechs, acht, oder mehr Elektrolyseblöcke (6) in einer T-förmigen Anordnung um die zentralen Druck-Sammelleitungen (17, 18) angeordnet sind, sodass das Elektrolysemedium und die Produktmedien ausgehend von diesen beiden Elektrolyseblöcken (6) alle weiteren Elektrolyseblöcke (6) parallel durchlaufen.
    Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseblöcke (6) jeweils eine identische Anzahl an Elektrolysezellen (7) aufweisen, sodass der Spannungsabfall an jedem Elektrolyseblock (6) im Wesentlichen identisch ist.
    Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseblöcke (6) eine unterschiedliche Anzahl an Elektrolysezellen (7) aufweisen, sodass der Spannungsabfall an den Elektrolyseblöcken (6) unterschiedlich ist.
    Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass - die Elektrolysezellen (7) jeweils zwei durch eine Trennschicht (14) getrennte, elektrisch leitende Halbschalen mit jeweils einer metallischen Außenhaut
    aufweisen, sodass ein Anodenraum (12) mit einer Anode und ein Kathodenraum (13) mit einer Kathode gebildet werden, wobei
    - die Halbschalen durch einen umlaufenden, metallischen und vorzugsweise ringförmigen Stützrahmen (11) verbunden sind, und wobei
    - der Stützrahmen (11) Ausnehmungen, insbesondere Bohrungen, aufweist, um die Verteilung der Medienzuleitungen (4) und der Medienableitungen (5) auf die individuellen Zellzuleitungen (4‘, 4‘) und individuellen Zellableitungen (5‘, 5“) der einzelnen Elektrolysezellen (7) zu ermöglichen.
    Elektrolyseur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Halbschalen an ihren Rändern miteinander elektrisch isolierend verbunden sind, wobei
    - die Halbschalen jeweils zumindest eine individuelle Zellzuleitung (4°) und zumindest eine individuelle Zellableitung (5°) für ein Medium umfassen, und wobei
    ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE
    12.
    13.
    14.
    15.
    14 — 63619/AG/Andritz AG, Stattegger Strasse 18, 8045 Graz (AT)
    - eine Außenhaut des Kathodenraums (13) jeder Elektrolysezelle (7) an eine Außenhaut des Anodenraums (12) einer weiteren Elektrolysezelle (7) bündig und elektrisch leitend angeordnet ist.
    Elektrolyseur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbschalen der Elektrolysezellen (7) nur über die Stützrahmen (11) verbunden sind, wobei zur elektrischen Isolierung zwischen den Stützrahmen (11) eine umlaufende Kunststoffdichtung vorgesehen ist.
    Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolysemedium eine Kaliumhydroxidlösung, KOH, oder Natriumhydroxidlösung, NaOH, ist, die unter einem Druck von über 10 bar, vorzugsweise etwa 30 bar steht.
    Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezellen (7) eines Elektrolyseblocks (6) durch Verbindungsmittel, insbesondere Schraubverbindungen, zusammengehalten sind, wobei die Verbindungsmittel vorzugsweise gänzlich durch die Stützrahmen (11) verlaufen und diese aneinanderpressen.
    Elektrolyseur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel dazu ausgebildet sind, die Stützrahmen (11) von mehreren, vorzugsweise bis zu etwa 100, seriell angeordneten Elektrolysezellen (7) je Elektrolyseblock (6) zusammenzuhalten.
    Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezellen (7) eines Elektrolyseblocks (6) zwischen Endplatten (15) angeordnet sind, wobei die Endplatten (15) durch vorzugsweise mehrere Zugstangen fest verspannt sind, und wobei die Endplatten (15) auf Isolierelementen (16) angeordnet sind.
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