DE102005011316B4

DE102005011316B4 - Elektrolyseur und Verfahren zum Betrieb des Elektrolyseurs

Info

Publication number: DE102005011316B4
Application number: DE102005011316A
Authority: DE
Inventors: Hans Kaufmann; Steffen Eisermann; Thomas Voigt
Original assignee: Kaufmann Hans Dipl-Ing (fh); Voigt Thomas Dipl-Ing
Current assignee: Kaufmann Hans Dipl-Ing (fh); Voigt Thomas Dipl-Ing
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2025-03-12
Also published as: DE102005011316A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur (1) zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff, umfassend ein ein- oder mehrteilig aufgebautes Gehäuse (2) mit zumindest einem darin angeordneten und gegen das Innere des Gehäuses (2) abgedichteten Elektrolysezellenblock (5). Der Elektrolysezellenblock (5) umfasst mehrere in Form eines Stapels zusammengefasste Elektrolysezellen (4) mit Anoden und Kathoden, wobei zur Versorgung der Anoden mit Anolyt und zur Versorgung der Kathoden mit Katholyt Laugenkreisläufe vorgesehen sind. Zum Ausgasen des innerhalb der Elektrolysezellen (4) erzeugten Sauerstoffs und Wasserstoffs sind ein mit dem Elektrolysezellenblock (5) gekoppelter Sauerstoff-Separationsraum (29) sowie ein Wasserstoff-Separationsraum (28) vorgesehen. Erfindungsgemäß sind der den Elektrolyse-Systemdruck aufweisende Sauerstoff-Separationsraum (29) sowie der den Elektrolyse-Systemdruck aufweisende Wasserstoff-Separationsraum (28) innerhalb des Elektrolysezellenblocks (5) platziert. Zur Zu- und Ableitung der an der Elektrolyse beteiligten Medien ist ein den Elektrolysezellenblock (5) mit dem Gehäuse (2) des Elektrolyseurs (1) verbindendes Koppelelement (3) vorgesehen, und der nicht vom Elektrolysezellenblock (5) eingenommene Raum im Elektrolyseur (1) ist als Pufferraum (8), welcher mit einem Pufferfluid, dessen Betriebsdruck über dem Pufferraum (8), welcher mit einem Pufferfluid, dessen Betriebsdruck über dem Elektrolyse-Systemdruck liegt, beaufschlagbar ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur, insbesondere einen alkalischen Elektrolyseur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Elektrolyseurs.
Gattungsgemäße Elektrolyseure enthalten Elektrolysezellen, in denen die Elektrolyse technisch realisiert wird. Anwendung findet die Elektrolyse bei der Aufspaltung bzw. Zersetzung von Wasser in seine Grundkomponenten Wasserstoff und Sauerstoff, bei der Abscheidung sehr reiner Metalle aus den Lösungen ihrer Salze, bei der Brennstoffzellennutzung sowie in der Galvanotechnik.
Der aus der Aufspaltung bzw. Zersetzung von Wasser gewonnene Wasserstoff kann als Energieträger für viele Zwecke genutzt werden. Durch die weltweite Verknappung der Ressourcen der fossilen Energieträger und der damit verbundenen gestiegenen Erschließungskosten sowie durch die Erhöhung des Treibhauseffektes und die Zersetzung des Ozons in der Stratosphäre durch die bei der Verbrennung der fossilen Energieträger entstehenden Spuren- bzw. Schadgase rückt auch die direkte Nutzung des Wasserstoffs, d. h. die Verbrennung des Wasserstoffs als Gasgemisch, z. B. im Verbund mit Erdgas, in Motoren, und die indirekte Nutzung des Wasserstoffs in Brennstoffzellen, nämlich zur Stromerzeugung u. a. in der Heizungstechnik, oder Automobilindustrie, in den Vordergrund der Entwicklung dieser Technologie.
Darüber hinaus gibt es weitere Anwendungsbereiche und Vorteile des Wasserstoffs. Hierzu zählen die guten Kühlungseffekte bei schnell rotierenden Teilen, wie z. B. Rotorblätter von Turbinen, die Verhinderung von Oxidationsprodukten im Kesselspeisewasser oder auch die gute Speicherfähigkeit des Wasserstoffs zum Zwecke der Verstromung zum unmittelbaren Brauchbarkeitszeitpunkt in Verbindung mit der Nutzung von erneuerbaren Energien.
Der Schwerpunkt der Entwicklung liegt dabei nicht allein auf der Seite der Verbraucher des Energieträgers Wasserstoff, sondern vielmehr auch auf der Seite der Erzeuger des Wasserstoffs, respektive den Elektrolyseuren. Zwar steht der zur Gewinnung von Wasserstoff benötigte Ausgangsstoff Wasser nahezu unbegrenzt zur Verfügung, doch muss zur Gewinnung von Wasserstoff Energie aufgewendet werden.
Aus dem Stand der Technik ist ein Druckelektrolyseur vorbekannt, der in der DE 101 50 557 A1 beschrieben ist. Der Druckelektrolyseur weist einen Druckbehälter mit einem darin angeordneten Elektrolysezellenblock auf. Der Elektrolysezellenblock umfasst ein Gehäuse, welches zusammen mit dem Gehäuse des Druckbehälters zwei voneinander getrennte Räume bildet, welche Bestandteil eines Laugenkreislaufsystems sind. Diese Räume sind durch das Gehäuse des Elektrolysezellenblocks gegen die Elektrolysezellen und durch das Gehäuse des Elektrolyseurs gegen die Umgebung abgegrenzt. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Erfindung sind zwischen dem Gehäuse des Elektrolyseurs und dem Gehäuse des Elektrolysezellenblocks Trennwände platziert. Besonders nachteilig bei dieser Erfindung ist die Tatsache, dass die erzeugten Produkte Wasserstoff und Sauerstoff außerhalb des Druckelektrolyseurs komprimiert werden müssen, um den Verbrauchern einen mit großem Druck beaufschlagten Wasserstoff bzw. Sauerstoff bereitzustellen. Dies erhöht die Bereitstellungskosten des Sauerstoffs und des Wasserstoffs signifikant. Die zum Komprimieren von Sauerstoff und Wasserstoff eingesetzten Kompressoren sind üblicherweise sehr teuer. Weiterhin erfordern die den Elektrolyseuren nachgeschalteten Kompressoren einen nicht unerheblichen Montageraum, und stellen eine nicht zu unterschätzende Lärmquelle dar, die für ausgewählte Anwendungsgebiete, wie beispielsweise eine dezentral genutzte Wasserstofftankstelle im privaten Bereich, nicht vertretbar ist.
Ein verbesserter Elektrolyseur ist auf der Webseite http://www.mitsubishicorp.com unter der Rubrik „Press Room" offenbart. Der Pressemeldung vom 16.04.2004 ist zu entnehmen, dass mittels eines High-Pressure Hydrogen Generators (HHEG) Brenngas mit verhältnismäßig hohen Drücken innerhalb des im Elektrolyseur angeordneten Brennstoffzellenblocks erzeugt werden kann. Der Elektrolyseur kann mit einem maximalen Druck von 35 MPa, welcher zum Betrieb von Brennstoffzellen für Fahrzeuge benötigt wird, betrieben werden.
In diesem Zusammenhang ist die US 2003/0141200 A1 genannt, in der ein Elektrolyseur und ein Verfahren zum Betreiben des Elektrolyseurs offenbart sind. Der Elektrolyseur weist einen Druckbehälter mit einem darin angeordneten Elektrolysezellenblock auf. Der Elektrolysezellenblock umfasst ein Gehäuse, welches zusammen mit dem Gehäuse des Druckbehälters einen gegenüber dem Elektrolysezellenblock und der Umgebung abgegrenzten Pufferraum bildet, welcher zur Separierung von dem bei der Elektrolyse erzeugten noch mit Kalilauge vermischten Wasserstoff dient. Ein wesentlicher Nachteil dieser Erfindung besteht darin, dass zusätzlich ein außerhalb des Elektrolyseurs platzierter separater Sauerstoff-Separationsbehälter zum Anlagenbetrieb benötigt wird. Dieser Sauerstoff-Separationsbehälter erfordert einen nicht unbeachtlichen Bau- und Montageraum, welcher die Anwendungsmöglichkeiten dieses Elektrolyseurs wesentlich einschränkt. Außerdem ist der Aufwand zur Gewährleistung der Anlagensicherheit, insbesondere zur Überwachung der beiden Behälter, sehr hoch.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen Elektrolyseur und ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs vorzuschlagen, der kompakt und mit vergleichsweise hohen Elektrolyse-Systemdrücken betreibbar ausgebildet ist, und mit dem eine effizientere Betriebsweise realisiert werden kann.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Elektrolyseur zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff ein ein- oder mehrteilig aufgebautes Gehäuse mit zumindest einem darin angeordneten und gegen das Innere des Gehäuses abgedichteten Elektrolysezellenblock aufweist. Innerhalb des Elektrolysezellenblocks sind mehrere in Form eines Stapels zusammengefasste Elektrolysezellen mit Anoden und Kathoden angeordnet, wobei zur Versorgung der Anoden mit Anolyt und zur Versorgung der Kathoden mit Katholyt Laugenkreisläufe vorgesehen sind. Zum Ausgasen des innerhalb der Elektrolysezellen erzeugten Sauerstoffs und des Wasserstoffs sind ein mit dem Elektrolysezellenblock gekoppelter Sauerstoff-Separationsraum sowie ein Wasserstoff-Separationsraum vorgesehen. Kennzeichnend für diese Erfindung ist, dass der den Elektrolyse-Systemdruck aufweisende Sauerstoff-Separationsraum sowie der den Elektrolyse-Systemdruck aufweisende Wasserstoff-Separationsraum innerhalb des Elektrolysezellenblocks platziert sind, wobei zur Zu- und Ableitung der an der Elektrolyse beteiligten Medien ein den Elektrolysezellenblock mit dem Gehäuse des Elektrolyseurs verbindendes Koppelelement vorgesehen ist. Der nicht vom Elektrolysezellenblock eingenommene Raum im Elektrolyseur ist dabei als Pufferraum, welcher mit einem Pufferfluid, dessen Betriebsdruck über dem Elektrolyse-Systemdruck liegt, beaufschlagbar ausgebildet.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, dass der innerhalb des Elektrolysezellenblocks platzierte Sauerstoff-Separationsraum sowie der Wasserstoff-Separationsraum in Abhängigkeit eines geringen erforderlichen Überdrucks in dem den Elektrolysezellenblock umgebenden Pufferraum mit einem beliebigen Elektrolyse-Systemdruck beaufschlagt werden kann. Die Auslegung und Dimensionierung des Gehäuses des Elektrolyseurs erfolgt dabei unter Berücksichtigung des gewünschten Elektrolyse-Systemdrucks bzw. der für den Verbraucher notwendigen Drücke des Sauerstoffs bzw. des Wasserstoffs. Somit kann auf einen aus dem Stand der Technik vorbekannten und dem Elektrolyseur nachgeschaltete Kompressor für den Sauerstoff und den Wasserstoff verzichtet werden, was zu einer hohen Kostenersparnis führt. Der erfindungsgemäße Elektrolyseur kann ferner erheblich kompakter gefertigt werden, was seine Einsatzmöglichkeiten, insbesondere in der Anwendung von Wasserstofftankstellen, deutlich erhöht.
Der gegenüber dem Elektrolysezellenblock vorherrschende geringe Überdruck in dem den Elektrolysezellenblock umgebenden Pufferraum verhindert ein ungewolltes Austreten der an der Elektrolyse beteiligten Medien im Leckagefall aus dem Gehäuse des Elektrolysezellenblocks. Bei einem derartigen Leckagefall strömt das Pufferfluid gemäß den physikalischen Gesetzmäßigkeiten des Druckausgleichs in den Elektrolysezellenblock, wodurch ein Austreten der gefährlichen Brenngase vermieden wird.
Als Pufferfluid für den Pufferraum ist ein inertes Gas, hierbei bevorzugt Stickstoff (N₂), vorgesehen.
Das zur Zu- und Ableitung der an der Elektrolyse beteiligten Medien vorgesehene Koppelelement ist vorzugsweise als Scheibe ausgebildet, kann jedoch alternativ auch eine andere beliebige Form aufweisen. Es hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn sich das scheibenförmige Koppelelement über den gesamten Querschnitt des Elektrolyseurs erstreckt und partiell von zwei benachbarten Elektrolysezellen des Elektrolysezellenblocks sandwichartig eingeschlossen ist. Das Koppelelement weist ausgehend von seiner Umfangslinie sich radial in Richtung der Längsachse des Elektrolysezellenblocks erstreckende Kanäle auf, die mit den an der Elektrolyse beteiligten Medien beaufschlagt werden. Die Kanäle münden in Öffnungen, welche im Bereich des Elektrolysezellenblocks und im Bereich des Pufferraums platziert sind.
Als Medien sind die für die Elektrolyse benötigten Ausgangsstoffe, beispielsweise das aufzuspaltende Wasser, die Kalilauge (KOH), und das Kühlwasser sowie die bei der Elektrolyse erzeugten Reaktionsprodukte, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, zu nennen.
Mittels des erfindungsgemäßen Koppelelements erfolgt nicht nur die Medienzu- und -ableitung, also die hydraulische Kopplung zwischen dem Elektrolysezellenblock und dem Gehäuse des Elektrolyseurs, sondern vielmehr auch die mechanische Kopplung bzw. Arretierung und Positionierung des Elektrolysezellenblocks innerhalb des Elektrolyseurs. Das Koppelelement erfüllt damit grundsätzlich zwei voneinander unabhängige Aufgaben.
Das scheibenartig ausgebildete Koppelelement ist erfindungsgemäß im Querschnitt aus mehreren Segmenten aufgebaut.
Das äußere, im Querschnitt ringförmige Segment dient zur Befestigung des Koppelelements am Gehäuse des Elektrolyseurs. Da die Gehäuse der Elektrolyseure aus fertigungstechnischen Gründen üblicherweise zwei – oder mehrteilig aufgebaut sind, kann das Koppelelement – für den Fall der zweiteiligen Gehäuseausführung – zwischen den beiden Gehäusehälften arretiert werden. Für diesen Zweck sind konzentrisch angeordnete Bohrungen zur lösbaren Verbindung des Koppelelements mit dem Gehäuse des Elektrolyseurs, beispielweise eine Schraubverbindung, vorgesehen.
Des Weiteren ist ein mittleres, im Querschnitt kreisförmiges Segment vorgesehen, welches ebenso wie das äußere Segment konzentrisch angeordnete Bohrungen zur lösbaren Verbindung des Koppelelements mit dem Elektrolysezellenblock aufweist. Das mittlere Segment umfasst weiterhin als Durchbruch ausgebildeter und in den Pufferraum mündende Kanalöffnung für das Pufferfluid, als Durchbrüche ausgebildete Öffnungen für den sich parallel zur Längsachse des Elektrolysezellenblocks erstreckenden Wasserstoff- Separationsraum und den Sauerstoff-Separationsraum, zwei in der Draufsicht auf die Elektrolysezelle spiegelsymmetrisch zueinander angeordnete und über Kanäle des Koppelelements gespeiste Versorgungsschlitze, die sich jeweils in Verbindung mit den das Koppelelement sandwichartig einschließenden Elektrolysezellen zu einer Versorgungsnut zur Versorgung der Anolyt-Räume mit anodenseitigem Wasser und zur Versorgung der Katholyt-Räume mit kathodenseitigem Wasser ergänzen. Das Pufferfluid wird über die Stirnseite bzw. über die Umfangslinie des Koppelelements im Bereich des Gehäuses des Elektrolyseurs in zumindest einen Kanal eingespeist und strömt über die bereits erwähnten Kanalöffnungen in den Pufferraum.
Ferner weist das segmentartig aufgebaute Koppelelement ein inneres, im Querschnitt kreisförmiges Segment auf, welches als stromleitendes Bipolarblech ausgebildet ist und sandwichartig von zwei benachbarten Elektrolysezellen des Elektrolysezellenblocks eingeschlossen wird.
Auf beiden Seiten des Koppelelements sind mehrere ringförmig ausgebildete Dichtelemente platziert. Ein erstes, im Bereich des Gehäuses des Elektrolyseurs angeordnetes Dichtelement dient dabei zur Abdichtung des mittleren Segments gegenüber der Umgebung des Elektrolyseurs. Ein zweites, im Bereich des Gehäuses des Elektrolysezellenblocks angeordnetes Dichtelement wird zur Abdichtung des Elektrolysezellenblocks gegenüber dem Pufferraum eingesetzt. Zur Abdichtung des mittleren Segments gegenüber dem als Bipolarblech ausgebildeten inneren Segment ist ein drittes, innerhalb des Elektrolysezellenblocks angeordnetes Dichtelement vorgesehen. Als Dichtungsmaterialien werden bevorzugt druck-, laugen und temperaturbeständige Elastomere.
Die in Form eines Stapels zusammengefassten Elektrolysezellen ergänzen sich gemeinsam mit dem Bipolarblech des Koppelelements zu dem bereits erwähnten elektrolytischen Prozessbereich, der sich zwischen der Anodenendplatte und der Kathodenendplatte des Elektrolysezellenblocks erstreckt.
Der elektrolytische Prozessbereich, der Wasserstoff-Separationsraum und der Sauerstoff-Separationsraum sind hingegen Bestandteile des Elektrolysezellenblocks.
Erfindungsgemäß sind der Sauerstoff-Separationsraum sowie der Wasserstoff-Separationsraum axialsymmetrisch zueinander im Elektrolysezellenblock platziert, wobei die Symmetrieachse dem vertikalen Durchmesser des mittleren Segments entspricht. In bevorzugter Aufstellposition des Elektrolyseurs, d. h. der Elektrolysezellenblock ist horizontal ausgerichtet, sind der Sauerstoff-Separationsraum sowie der Wasserstoff-Separationsraum in der oberen Hälfte des Elektrolysezellenblocks platziert, wobei sich der Füllstand der Kalilauge (KOH) im Sauerstoff-Separationsraum sowie der Füllstand der Kalilauge (KOH) im Wasserstoff-Separationsraum stets oberhalb des Kulminationspunktes des elektrolytischen Prozessbereiches befinden. Als Kulminationspunkt wird im Sinne der Erfindung derjenige höchste Punkt des elektrolytischen Prozessbereiches bezeichnet, bei welchem das Wasser – unabhängig von der Aufstellposition des Elektrolyseurs – noch elektrolytisch aufgespalten wird. Im Sauerstoff-Separationsraum befindet sich oberhalb der Kalilauge (KOH) der aus der Kalilauge (KOH) ausgegaste Sauerstoff und im Wasserstoff-Separationsraum befindet sich oberhalb der Kalilauge (KOH) der aus der Kalilauge (KOH) ausgegaste Wasserstoff. Im unteren Bereich des Sauerstoff-Separationsraums sowie des Wasserstoff-Separationsraums hingegen wird jeweils die Kalilauge (KOH) bevorratet, in welche der im Prozessbereich der Elektrolysezellen durch Aufspaltung des Wassers erzeugte Sauerstoff bzw. Wasserstoff strömt. Als Kalilauge (KOH) wird bevorzugt 30%-ige Kalilauge (KOH) eingesetzt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Sauerstoff-Separationsraum sowie der Wasserstoff-Separationsraum im Querschnitt nierenförmig mit konkaven und konvexen Flächen ausgebildet, wobei die konkaven Flächen des Sauerstoff-Separationsraums sowie die konkaven Flächen des Wasserstoff-Separationsraum den elektrolytischen Prozess-Bereich partiell umschließen, aber nicht kontaktieren.
Das zum Durchleiten des Stromes vorgesehene metallisch ausgebildete Bipolarblech des Koppelelements kontaktiert an einer Seite die anodenseitige Elektrode einer ersten Elektrolysezelle und einer anderen Seite die kathodenseitige Elektrode einer zweiten benachbarten Elektrolysezelle.
Unter Verwendung von Kontakthaltern und Distanzelementen erfolgt die exakte Positionierung des Bipolarblechs des Koppelelements zwischen den Elektrolysezellen. Der Elektrolysezellenblock besteht naturgemäß aus einer Vielzahl von Elektrolysezellen und Bipolarblechen, die alternierend angeordnet und als Block miteinander verspannt sind. Das als Bipolarblech ausgebildete innere Segment des Koppelelements entspricht im Aufbau und Wirkungsweise denen der anderen zwischen den Elektrolysezellen platzierten Bipolarblechen.
Das Koppelelement lässt sich variabel fertigen. Entweder ist das äußere Segment und das mittlere Segment als einteiliges Bauteil aufgebaut, welches aus einem Metall oder einem nichtmetallischen Werkstoff besteht, oder das äußeres Segment ist aus einem Metall und das mittlere Segment ist aus einem nichtmetallischen Werkstoff gefertigt, wobei zur Abdichtung des äußeren Segments gegenüber dem mittleren Segment sowie zur Abdichtung der radialen Kanäle gegenüber dem Pufferraum zusätzliche Dichtungselemente vorgesehen sind.
Den weiteren Ausführungen wird vorangestellt, dass es sich bei der verwendeten Bezeichnung „Demin" stets um demineralisiertes Wasser handelt.
Das hydraulisch und mechanisch mit dem Elektrolysezellenblock verbundene Koppelelement weist mehrere sich radial erstreckende Kanäle auf, die vorzugsweise gleichmäßig im Koppelelement angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist zumindest ein Kanal zur Versorgung des Pufferraums mit dem Pufferfluid, ein Kanal zur Abführung des Wasserstoffs, ein Kanal zur Abführung des Sauerstoffs, jeweils ein Kanal zur anolytischen Laugenzuführung und katholytischen Laugenzuführung sowie jeweils ein Kanal zur anodenseitigen Demin-Wasserzuleitung und kathodenseitigen Demin-Wasserzuleitung vorgesehen. Zusätzlich können weitere Kanäle im Koppelelement vorgesehen werden, beispielsweise sind hierzu jeweils ein Kanal zur Kondensatableitung der wasserhaltigen Kalilauge, des Wasserstoffs und des Sauerstoffs, ein Kanal zur anodenseitigen Kühlwasserzuleitung und zur kathodenseitigen Kühlwasserzuleitung und ein Kanal zur anodenseitigen Kühlwasserableitung und zur kathodenseitigen Kühlwasserableitung zu nennen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen sowohl der Wasserstoff-Separationsraum einen zur Kühlung des Katholyten als auch der Sauerstoff-Separationsraum einen zur Kühlung des Anolyten vorgesehenen Laugenkühler auf. Die Laugenkühler-Leitungen sind dabei mit Masse verbunden.
Das Koppelelement weist ferner Mittel zur Aufnahme von Sensoren und Schaltelementen auf, wobei die Sensoren den Betriebszustand des Elektrolyseurs überwachen und die Schaltelemente in Abhängigkeit einer ermittelten Regeldifferenz zwischen den Sollgrößen und den zugehörigen Istgrößen die entsprechenden Volumenströme der an der Elektrolyse beteiligten Medien regeln. Als Sensoren kommen Drucksensoren und Temperatursensoren zum Einsatz.
Das Kathodegehäuse und das Anodengehäuse jeder Elektrolysezelle des Elektrolysezellenblocks weist erfindungsgemäß jeweils eine zur Kathodenendplatte des Elektrolysezellenblocks weisende im Querschnitt asymmetrisch ausgebildete Dichtungsnut auf, in welche ein Elastomer als Dichtungselement eingebracht ist. Die Dichtungselemente grenzen jeweils den Anolyt-Raum vom Katholyt-Raum der Elektrolysezelle derart ab, indem einerseits das anodenseitige Dichtungselement nur den Anolyt-Raum und andererseits das kathodenseitige Dichtungselement nur den Katholyt-Raum der Elektrolysezelle einschließen. Die anodenseitige Dichtungsnut und die kathodenseitige Dichtungsnut sind in der Draufsicht auf die Elektrolysezelle spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet.
Jede Elektrolysezelle des Elektrolysezellenblocks enthält naturgemäß jeweils eine Anode, eine Kathode, ein Diaphragma, flexible Distanz- und Kontakthalter sowie Zentrier- und Dichtungselemente. Zwischen den einzelnen Elektrolysezellen ist jeweils ein Bipolarblech zum Weiterleiten des Stroms von Elektrolysezelle zu Elektrolysezelle platziert.
Der Sauerstoff-Separationsraum und jede Anode des Elektrolysezellenblocks sind zum Zwecke des Überleitens des Sauerstoffs mittels zugehörigen Bohrungen miteinander verbunden. Ebenso sind der Wasserstoff-Separationsraum und jede Kathode des Elektrolysezellenblocks zum Zwecke des Überleitens des Wasserstoffs durch zugehörige Bohrungen miteinander verbunden.
Erfindungsgemäß ist ein außerhalb des Elektrolyseurs platzierter, kathodenseitiger H₂-Wärmeübertrager vorgesehen, in welchem der bei der Elektrolyse erzeugte Wasserstoff und das für die Elektrolyse benötigte kathodenseitige Wasser einem Wärmeaustausch unterzogen werden. Dieser H₂-Wärmeübertrager ist mit einem Zulauf und einem Ablauf für den Wasserstoff sowie einem Zulauf und einem Ablauf für das kathodenseitige Wasser versehen, wobei der Zulauf für den noch ungekühlten Wasserstoff mit einem H₂-Gaswäscher, der Ablauf für den vorgekühlten Wasserstoff mit einem H₂-Gaskühler, der Zulauf für das kathodenseitige Wasser mit einer kathodenseitigen H₂-Demin-Wasserschleuse und der Ablauf für das kathodenseitige Wasser mit dem H₂-Gaswäscher gekoppelt.
Ergänzend dazu ist ein außerhalb des Elektrolyseurs platzierter, anodenseitiger O₂-Wärmeübertrager vorgesehen, in welchem der bei der Elektrolyse erzeugte Sauerstoff und das für die Elektrolyse benötigte anodenseitige Wasser einem Wärmeaustausch unterzogen werden. Dieser O₂-Wärmeübertrager weist einen Zulauf und einen Ablauf für den Sauerstoff sowie einen Zulauf und einen Ablauf für das anodenseitige Wasser auf, wobei der Zulauf für den noch ungekühlten Sauerstoff mit einem O₂-Gaswäscher, der Ablauf für den gekühlten Sauerstoff mit einem O₂-Gaskühler, der Zulauf für das anodenseitige Wasser mit einer anodenseitige O₂-Demin-Wasserschleuse und der Ablauf für das anodenseitige Wasser mit dem O₂-Gaswäscher gekoppelt ist.
Im O₂-Gaswäscher und im N₂-Gaswäscher wird Sauerstoff und der Wasserstoff jeweils von Laugenbestandteilen getrennt, wobei als Absorbens anodenseitiges Demin-Wasser bzw. kathodenseitiges Demin-Wasser eingesetzt wird.
Zur Kondensatabscheidung für den bei der Elektrolyse erzeugten Sauerstoff und Wasserstoff sind jeweils ein außerhalb des Elektrolyseurs platzierter O₂-Gaskühler und H₂-Gaskühler vorgesehen. Zum Zwecke der Rückführung des Kondensats aus den Gaskühlern in die: Laugenkreisläufe sind die Gaskühler unter Verwendung von Rohren oder Schläuchen mit dem Koppelelement des Elektrolyseurs hydraulisch gekoppelt.
Gemäß den Volumenverhältnis zwischen dem erzeugten Sauerstoff und dem erzeugten Wasserstoff beträgt das Speichervolumen der kathodenseitigen N₂- Demin-Wasserschleuse das 2-fache des Speichervolumens der anodenseitigen O₂-Demin-Wasserschleuse.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der kathodenseitigen H₂-Wasserschleuse und der anodenseitigen O₂-Wasserschleuse jeweils ein druckloser Messbehälter zur chargenweise Befüllung des Elektrolyseurs mit anodenseitigen und kathodenseitigen Demin-Wasser vorgeschaltet ist. Der H₂-Messbehälter sowie der O₂-Messbehälter umfassen jeweils zumindest einen mit einer Regel- und Steuereinrichtung gekoppelten Sensor, der zur Erfassung der Volumina der einzelnen Chargen ausgebildet ist.
Die Druckbeaufschlagung des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs wird derart durchgeführt, dass während der Inbetriebnahme, des Betriebs sowie der Außerbetriebnahme des Elektrolyseurs der Betriebsdruck des Pufferfluids stets über dem Elektrolyse-Systemdruck ausgeregelt wird. Die Druckbeaufschlagung des Elektrolysezellblocks mit einem variablen Druck erfolgt unter Verwendung von Sicherheits- und Schalteinrichtungen und ist nur von der Dimensionierung und Gestaltung des Gehäuses des Elektrolyseurs sowie der Druckbeaufschlagung des Pufferraums des Elektrolyseurs mit Pufferfluid abhängig.
Der bei der Elektrolyse gewonnene und im Sauerstoff-Separationsraum bevorratete Sauerstoff wird erfindungsgemäß unter Verwendung des Koppelelements aus dem Elektrolyseur herausgeführt und zunächst unter Verwendung eines Gaswäschers gereinigt. Nachfolgend wird er einem O₂-Wärmeübertrager zur Abkühlung und Vorwärmung von anodenseitigen Wasser zugeführt und abschließend wird er einem O₂-Gaskühler zur Abscheidung von Kondensat und zur Trocknung zugeführt.
Der bei der Elektrolyse gewonnene und im Wasserstoff-Separationsraum bevorratete Wasserstoff wird unter Verwendung des Koppelelements ebenso aus dem Elektrolyseur herausgeführt und zunächst unter Verwendung eines Gaswäschers gereinigt, nachfolgend einem H₂-Wärmeübertrager zur Abkühlung und Vorwärmung von kathodenseitigen Wasser zugeführt und abschließend einem H₂-Gaskühler zur Abscheidung von Kondensat und zur Trocknung zugeführt.
Eine praxisrelevante Betriebsführung des Elektrolyseurs wird wie folgt durchgeführt:
Zunächst werden die H₂-Demin-Wasserschleuse und die O₂-Demin-Wasserschleuse unter Verwendung des H₂-Messbehälters sowie des O₂-Messbehälters drucklos gefüllt. Bei diesem Verfahrensschritt ist zumindest ein Absperrventil zur Demin-Wasserquelle geöffnet, die Absperrventile für den Wasserstoff- und Sauerstoffpfad, zur Atmosphäre sowie zu den H₂- und O₂-Gaswäschern sind geschlossen. Anschließend wird unter Verwendung des Füllstandsreglers in der H₂-Demin-Wasserschleuse und der O₂-Demin-Wasserschleuse das Absperrventil zur Demin-Wasserquelle geschlossen und die Absperrventile zu dem Wasserstoff- und Sauerstoffpfad geöffnet, um einen Druckausgleich in der H₂-Demin-Wasserschleuse und der O₂-Demin-Wasserschleuse und dem Elektrolysezellenblock zu erzielen. Unter Verwendung von den im Koppelelement platzierten Sensoren werden bei einem unteren Laugenlevel im Wasserstoff-Separationsraum und im Sauerstoff-Separationsraum die Absperrventile zum H₂-Gaswäscher und zum O₂-Gaswäscher geöffnet. Nach einer definierbaren Zeiteinheit werden die Absperrventile zu dem Wasserstoff- und Sauerstoffpfad und zu dem H₂-Gaswäscher und dem O₂-Gaswäscher geschlossen und das Absperrventil zur Atmosphäre geöffnet. Somit sind die H₂-Demin-Wasserschleuse und die O₂-Demin-Wasserschleuse wieder drucklos. Das Absperrventil zur Demin-Wasserquelle wird hierbei ebenfalls geöffnet. Nachfolgend wird das N₂-Demin Wasser beim Durchströmen des H₂-Wärmeübertragers im Gegenstrom mit dem heißen H₂-Gas erwärmt und fließt in den H₂-Gaswäscher, wobei sich das vorhandene H₂-Demin-Wasser mit frischem H₂-Demin-Wasser vermischt und unter Verwendung eines H₂-Überlaufs und des Koppelelements dem Elektrolysezellenblock erneut zugeführt wird. Das O₂-Demin-Wasser wird beim Durchströmen des O₂-Wärmeübertragers im Gegenstrom mit dem heißen O₂-Gas erwärmt und fließt in den O₂-Gaswäscher, wobei sich das vorhandene O₂-Demin-Wasser mit frischem O₂-Demin-Wasser vermischt und unter Verwendung eines O₂-Überlaufs und des Koppelelements dem Elektrolysezellenblock erneut zugeführt wird. Bevorzugt sind dabei die Demin-Wasserquellen, der O₂-Gaswäscher, der H₂-Gaswäscher, der O₂-Wärmeübertrager, der H₂-Wärmeübertrager, der O₂-Überlauf sowie der H₂-Überlauf derart gegenüber dem Elektrolyseur platziert, dass das Demin-Wasser gemäß dem Schwerkraftprinzip ohne Hilfsenergie in den Elektrolyseur bzw. den Elektrolysezellenblock strömt.
Für den Fall, dass aus montagetechnischer Sicht eine derartige Anordnung der Anlagenbauteile nicht möglich ist, kann auch eine Pumpe eingesetzt werden.
Es ist für den Fachmann selbstverständlich, dass mittels des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs und der vor- bzw. nachgeschalteten Anlagenbauteile eine getrennte Regelung und Zuführung der zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff benötigten Medien, nämlich Demin-Wasser, Strom und Kalilauge, erfolgt. Der jeweils mit Laugenpartikel durchsetze Wasserstoff und Sauerstoff werden getrennt durch die den Sauerstoff bzw. Wasserstoff zugeordneten Kanäle des Koppelements aus dem Elektrolyseur abgeführt und dem H₂-Gaswäscher bzw. O₂-Gaswäscher derart zugeführt, dass der Wasserstoff durch das H₂-Demin-Wasser und der Sauerstoff durch das O₂-Demin-Wasser gedrückt wird und anschließend durch den H₂- bzw. O₂-Wärmeübertrager und den H₂- bzw. O₂-Kühler dem Verbraucher zugeführt werden. Bevorzugt sind im Wasserstoffkanal, im Sauerstoffkanal, im H₂-Wäscher, im O₂-Wäscher, im H₂-Wärmeübertrager sowie im O₂-Wärmeübertrager sogenannte Gestricke platziert, damit sich Flüssigkeitspartikel im jeweiligen Gas abscheiden können. Der gekühlte Wasserstoff scheidet H₂-Kondensat ab, welches über den H₂-Kondensatrücklauf und den im Koppelelement angeordneten H₂-Kondensatrücklaufkanal dem Katholyt des Elektrolyseurs zugeführt wird. Der gekühlte Sauerstoff scheidet naturgemäß O₂-Kondensat ab, welches über den O₂-Kondensatrücklauf und den im Koppelelement angeordneten O₂-Kondensatrücklaufkanal dem Anolyt des Elektrolyseurs zugeführt wird. Der O₂-Kondensatrücklauf und der H₂-Kondensatrücklauf sind dabei in Bezug auf den Querschnitt und die Formgebung derart ausgebildet, dass keine Ansaugeffekte bei einem plötzlichen Druckabfall zu verzeichnen sind. Damit ein schnelleres Erreichen der effizienten Elektrolyse-Temperatur erzeugt wird, werden dem Elektrolyseur vorgewärmtes H₂- und O₂-Demin-Wasser zugeführt, um die Anfahrphase des Elektrolyseurs so kurz wie möglich zu gestalten.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Pufferaum nicht mit einem Pufferfluid, sondern mit bei der Elektrolyse gewonnenem Wasserstoff oder Sauerstoff beaufschlagt. Dadurch, dass sich das Koppelelement über den gesamten Querschnitt des Elektrolyseurs erstreckt und zusätzlich spezielle Durchbrüche im Koppelelement vorgesehen sind, kann der Pufferraum entweder mit Sauerstoff oder mit Wasserstoff beaufschlagt werden. Das nicht im Pufferraum bevorratete Medium, also der Sauerstoff oder der Wasserstoff, wird über Kanäle und Leitungen aus dem Elektrolyseur herausgeführt.
Die signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind im Wesentlichen:

• kompakter Aufbau des Elektrolyseurs und damit besonders platzsparend,
• Anordnung des Wasserstoff-Separationsraums und des Sauerstoff-Separationsraum innerhalb des Elektrolysezellenblocks,
• Beaufschlagung des Pufferraums mit einem Pufferfluid, dessen Betriebsdruck über dem im Elektrolysezellenblock vorherrschenden Elektrolyse-Systemdruck liegt,
• die gesamte Zu- und Ableitung der an der Elektrolyse beteiligten Medien erfolgen mittels eines scheibenförmigen Koppelelements mit radialen Kanälen,
• es ist kein zusätzlicher Kompressor notwendig, da der Elektrolyse-Systemdruck die Druckstufe erzeugt,
• hoher sicherheitstechnischer Standard auf Grund des inerten Pufferfluids,
• keine geräuschverursachenden oder sich bewegenden Bauteile im Elektrolyseur,
• vorhandene lösbare Verbindungsteile sind von dem inerten Pufferfluid umgeben, so dass keine explosionsgeschützten Steuer- und Befehlsgeräte im Elektrolyseur notwendig sind und
• Elektrolysezellen älterer Baureihen können mit entsprechenden Nachrüstsätzen der erfindungsgemäßen Komponenten des Elektrolyseurs problemlos nachgerüstet werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich dem Fachmann des Weiteren aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen im Hinblick auf die anliegenden Zeichnungen; in diesen zeigen:
1: schematische Schnittdarstellung des Elektrolyseurs mit einem Koppelelement in der Draufsicht,
2: schematische Schnittdarstellung des Elektrolyseurs mit mehreren Koppelelementen in der Draufsicht,
3.1: schematische Darstellung eines Nachrüstsatzes für einen Elektrolyseur ohne Mittelflansch,
3.2: schematische Darstellung eines Nachrüstsatzes für einen Elektrolyseur mit Mittelflansch,
4: Detaildarstellung der Stromversorgung des Elektrolysezellenblocks,
5: Querschnitt des Koppelelements; Anodenseite,
6: Querschnitt des Koppelelements; Kathodenseite,
7.1: Querschnitt der Elektrolysezelle; Vorderseite des Kathodengehäuses,
7.2: Querschnitt der Elektrolysezelle; Rückseite des Kathodengehäuses,
8.1: Querschnitt der Elektrolysezelle; Vorderseite des Anodengehäuses,
8.2: Querschnitt der Elektrolysezelle; Rückseite des Anodengehäuses,
9.1: Längsschnitt einer Elektrolysezelle, kathodenseitig,
9.2: Längsschnitt einer Elektrolysezelle, anodenseitig und
10: Elektrolyseur mit vor- bzw. nachgeschalteten Bauteilen.
Die 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Elektrolyseurs 1 in der Draufsicht. Der Elektrolyseur 1 umfasst ein druckfestes zweiteiliges Gehäuse 2, wobei die im Wesentlichen spiegelbildlich ausgebildeten Gehäuseteile sich im zusammengefügtem Zustand zu einem geschlossenem Zylinder ergänzen. Im Elektrolyseur 1 sind mehrere innerhalb des Elektrolysezellenblocks 5 in Form eines Stapels zusammengefasste Elektrolysezellen 4 dargestellt. Der im Elektrolyseur 1 nicht vom Elektrolysenzellenblock 5 eingenommene Raum wird nachfolgend auch dann als Pufferraum 8 bezeichnet, wenn dieser mehrere voneinander abgegrenzte Bereiche aufweist. Der Pufferraum 8 wird mit einem inerten Pufferfluid, vorzugsweise Stickstoff, beaufschlagt, dessen Betriebsdruck stets über dem Elektrolyse-Systemdruck liegt. Der Elektrolysezellenblock 5 weist an seinem ersten axialen Ende, dem Pluspol, ein Anodenkontaktblech 11 mit einer nichtleitenden Anodenendplatte 12 und an seinem zweiten axialen Ende, dem Minuspol, ein Kathodenkontaktblech 13 mit einer nichtleitenden Kathodenendplatte 14 auf. Die Kathodenendplatte 14, die Anodenendplatte 12 und die dazwischen angeordneten Elektrolysezellen 4 sind unter Verwendung von Befestigungselementen 15 und Federelementen 16 als jeweiliger Block gegen das mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnete Koppelelement mittels elektrisch isolierter Zugstangen 17 verspannt. In der 1 besteht der Elektrolysezellenblock 5 aus zwei links und rechts vom Koppelelement 3 angeordneten Teilen, die eine gleichen Anzahl von Elektrolysezellen 4 aufweisen. Das als Scheibe ausgebildete Koppelelement 3 erstreckt sich zwischen den Gehäusewandungen des Elektrolyseurs 1, wobei die Stirnseite 9 des Koppelelements 3 bündig mit der Wandung des Gehäuses 2 des Elektrolyseurs 1 abschließt. Das Koppelelement 3 weist, die in der 3 dargestellten Kanäle auf, die zur Zu- und Ableitung der an der Elektrolyse beteiligten Medien sowie des Pufferfluids eingesetzt werden. Die Zu- und Ableitung der Medien erfolgt über die Stirnseite 9 des Koppelelements 3, wie an späterer Stelle noch ausführlich beschrieben wird. Nur angedeutet sind in der 1 jedoch zwei in den Pufferraum 8 mündende Kanalöffnungen, über die das vorzugsweise inerte Pufferfluid in den Pufferraum 8 strömt. Die Versorgung des Elektrolysezellenblocks 5 mit Strom erfolgt unter Verwendung von Stromleitungen 18, die elektrisch isoliert und druckdicht ausgebildet sind und sich zwischen den in der Gehäusewandung platzierten Stromzuführungen 19 und dem Anodenkontaktblech 11 und dem Kathodenkontaktblech 13 erstrecken. Dabei durchdringen die Stromleitungen 18 die Anodenendplatte 12 bzw. die Kathodenendplatte 14 elektrisch isoliert und druckdicht. Über die Stirnseite 9 des Koppelelement 3 sind die Laugenkühler 35 mit dem Kühlwasserzulauf 38 und dem Kühlwasserablauf 39 verbunden.
Die 2 illustriert eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs 1 mit mehreren Koppelelementen 3 in der Draufsicht. Der Grundaufbau des hier dargestellten Elektrolyseurs 1 entspricht grundsätzlich dem der 1. Die Unterschiede zum Elektrolyseur 1 gemäß 1 bestehen jedoch darin, dass das Gehäuse 2 des Elektrolyseurs 1 symmetrisch dreiteilig aufgebaut ist, wobei die Elektrolysezellenblöcke 5 jeweils mit dem mittleren Koppelelement 3 verspannt sind. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung bilden sich mehrere voneinander getrennte Pufferräume 8 aus, in denen unterschiedliche oder auch identische Fluide gepuffert werden können. Die Bedingung gemäß dem Kerngedanken der Erfindung, dass das im Pufferraum 8 befindliche Pufferfluid einen Betriebsdruck aufweist, der über dem Elektrolyse-Systemdruck liegt, steht auch nicht entgegen, wenn der Pufferraum 8 mit Wasserstoff oder mit Sauerstoff beaufschlagt wird.
Die 3.1 und 3.2 zeigen eine schematische Darstellung von erfindungsgemäßen Nachrüstsätzen für Elektrolyseure 1. Während 3.1 im Querschnitt einen Elektrolysezellenblock 5 ohne Mittelflansch illustriert, ist in 3.2 der Querschnitt eines Elektrolysezellenblocks 5 mit Mittelflansch gezeigt. Gemäß 3.1 ist das Gehäuse 2 des Elektrolyseurs 1 zweiteilig aufgebaut, wobei die beiden Gehäuseteile aber nicht identisch aufgebaut sind. Das vom Betrachter aus gesehene linke Gehäuseteil ist als Deckel gefertigt, wobei zwischen den beiden Gehäuseteilen das Koppelelement 3 mit dem daran angeschlossenen Elektrolysezellenblock 5 verspannt ist. Das Koppelelement 3 ist im Gegensatz zu dem in der 1 dargestellten Koppelelement 3 nur einseitig mit den Elektrolysezellen 4 des Elektrolysezellenblocks 5 gekoppelt. Bei dem Nachrüstsatz gemäß 3.1 wird eine anodenseitige und kathodenseitige Demin- Wasserzuleitung 36 im unteren Bereich des Kathodendeckels 55 und der bei der Elektrolyse erzeugte Wasserstoff durch einen Kanal für die Wasserstoffableitung 45 und der Sauerstoff durch einen Kanal für die Sauerstoffableitung 46 im oberen Bereich des Kathodendeckels 55 abgeführt. Der als Pufferfluid eingesetzte Stickstoff wird durch den Kanal für inertes Gas 48 im Koppelelement 3 dem Pufferraum 8 zu- bzw. abgeführt. Eine weitere, aber nicht bevorzugte Möglichkeit das Pufferfluid dem Pufferraum 8 zuzuführen bzw. aus dem Pufferraum 8 abzuführen besteht darin, über eine separate, das Gehäuse 2 durchdringende Zuführung das Pufferfluid in den Pufferraum 8 einzubringen. Gemäß 3.2 ist das Gehäuse 2 des Elektrolyseurs 1 zweiteilig aufgebaut, wobei die beiden Gehäuseteile aber identisch aufgebaut sind. Das Koppelelement 3 zwischen den beiden Gehäuseteilen sind miteinander verspannt und das Koppelelement 3 ist zum Mittelflansch des Elektrolyseurs 1 formschlüssig verbunden. Bei dem Nachrüstsatz gemäß 3.2 wird eine anodenseitige und kathodenseitige Demin- Wasserzuleitung 36 im unteren Bereich des Mittelflansches über das Koppelelement 3 zugeführt und der bei der Elektrolyse erzeugte Wasserstoff durch einen Kanal für die Wasserstoffableitung 45 und der Sauerstoff durch einen Kanal für die Sauerstoffableitung 46 im oberen Bereich des Mittelflansches über das Koppelelement 3 abgeführt. Der als Pufferfluid eingesetzte Stickstoff wird durch den Kanal für inertes Gas 48 im Koppelelement 3 dem Pufferraum 8 zugeführt bzw. aus dem Pufferraum 8 abgeführt werden, wobei auch eine separate, das Gehäuse 2 des Elektrolyseurs 1 durchdringende Zuführung möglich wäre, was jedoch im Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Koppelelement 3 aus konstruktiver Sicht nicht bevorzugt wird.
Die 4 zeigt eine Detaildarstellung der Stromversorgung des Kathodenkontaktblechs 13 des Elektrolysezellenblocks 5. Beispielhaft ist hier die Anbindung des Kathodenkontaktblechs 13 gezeigt, wobei die nachfolgend beschriebenen Bauteile gleichermaßen für den Anschluss des in der 1 dargestellten Anodenkontaktblechs 11 eingesetzt werden. Der Elektrolyseur 1 weist eine sein Gehäuse 2 durchdringende Stromzuführung 19 auf, die an die sich bis zum Kathodenkontaktblech 13 erstreckende flexible Stromleitung 18 gekoppelt ist. Die Stromleitung 18 ist mit dem Kathodenkontaktblech 13 fest verbunden und sichert somit den stromtechnischen Anschluss der Kathodenseite des Elektrolysezellenblocks 5. Die Stromzuführung 19 umfasst ein Isolationsgehäuse 20 mit einem innerhalb des Isolationsgehäuses 20 angeordneten Isolationskörper 21, einem Dichtungskörper 22 sowie einem Klemmkörper 23. Im Zusammenspiel dieser vorgenannten Bauteile kann der Strom betriebssicher und zuverlässig von der Außenseite des Elektrolyseurs 1 bis zum Elektrolysezellenblock 5 geführt werden.
Die 5 und 6 illustrieren das als Scheibe ausgebildete Koppelelement 3, wobei die 5 die Anodenseite und die 6 die Kathodenseite des Koppelelements 3 zeigen. Das scheibenartig ausgebildete Koppelelement 3 ist im Querschnitt aus mehreren voneinander abgedichteten Segmenten 24–26 aufgebaut. Das äußere ringförmige Segment 24 weist über einer Umfangslinie konzentrisch angeordnete Bohrungen zur lösbaren Befestigung des Koppelelements 3 und eine Gehäusedichtungsnut 43 mit dem in 1 dargestellten Gehäuse 2 des Elektrolyseurs 1 auf. Die Bohrungen sind aus Gründen der Montagefreundlichkeit und der zu sichernden Druckdichtheit gleichmäßig über den Umfang verteilt. Das äußere Segment 24 dient hierbei ausschließlich zur Befestigung des Koppelelements 3 mit dem Gehäuse 2 des Elektrolyseurs 1, wie in 1 dargestellt. Das sich an das äußere Segment 24 anschließende mittlere, im Querschnitt kreisförmige Segment 25 weist über einer Umfangslinie konzentrisch angeordnete Bohrungen zur lösbaren Befestigung des Koppelelements 3 mit dem Gehäuse des Elektrolysezellenblock 5, wie in 1 dargestellt, auf. Ferner ist eine als Durchbruch 30a ausgebildete in den Pufferraum 8 mündende Kanalöffnung für das Pufferfluid im mittleren Segment 25 des Koppelelementes 3 platziert. Außerdem sind im mittleren Segment 25 zwei Durchbrüche 30b für die sich parallel zur Längsachse des Elektrolysezellenblocks 5 die in der Längsachse der Elektrolysezellenblöcke 5, gemäß den 1 und 2 erstreckenden H₂- und O₂-Separationsräume 28, 29 vorgesehen. Wie weiterhin ersichtlich, weisen der Wasserstoff-Separationsraum 28 und der Sauerstoff-Separationsraum 29 einen im Wesentlichen nierenförmigen Querschnitt auf. Es bedarf keiner weiteren Erwähnung, dass die Querschnitte der Durchbrüche 30b des mittleren Segments 25 des Koppelelements 3 jeweils den H₂- und O₂-Separationsräumen entsprechen. Im unteren Bereich des Sauerstoff-Separationsraumes 29 ist ein anodenseitiger Versorgungsschlitz 52a ausgebildet. Außerdem ist ein kathodenseitiger Versorgungsschlitz 52b auf der Kathodenseite des Koppelelementes 3 im unteren Bereich des Wasserstoff-Separationsraumes 28 ausgebildet. Im unteren Bereich des mittleren Segmentes 25 ist ein Durchbruch 30c für den Kondensatablass vorgesehen. An der Stirnseite 9 des Koppelelementes 3 sind radial angeordnete Versorgungsbohrungen zur Zu- und Ableitung der an der Elektrolyse beteiligten Medien sowie des Pufferfluids, außer für die Bereitstellung des elektrischen Stromes, installiert. Diese radial angeordneten Versorgungsbohrungen, mit unterschiedlichen Längen, durchdringen das äußere Segment 24 und enden im mittleren Segment 25. Im unteren Bereich der Stirnseite 9 des Koppelelementes 3 ist radial der mit dem Durchbruch 30a verbundene Kanal für inertes Gas 48 und die mit dem Durchbruch 30c verbundene Kondensatablassleitung 40 ausgebildet. Darüber radial angeordnet sind anodenseitig und kathodenseitig die Spülleitungen für inertes Gas 41, zum An- und Abfahren des Elektrolyseurs 1, und die anodenseitige und kathodenseitige Deminwasserzuleitung 36, die über den anodenseitigen Versorgungsschlitz 52a den Sauerstoff-Separationsraum 29 und über den kathodenseitigen Versorgungsschlitz 52b den Wasserstoff-Separationsraum 28 versorgt. Weiter oberhalb der Stirnseite 9 des Koppelelementes 3 sind die anodenseitige und kathodenseitige Kühlwasserzulauf 38 und der Kühlwasserablauf 39 für die in 1 dargestellten Laugenkühler 35 sowie die Temperatursensoren 27 angeordnet. Außerdem sind in diesem Bereich der Stirnseite 9 des Koppelelementes 3 die anodenseitige und kathodenseitige Laugenzuleitungen 37 ausgebildet. Im Zenit des Koppelelementes 3 sind der Kanal für die Wasserstoffableitung 45 und der Kanal für die Sauerstoffableitung 46 ausgebildet. Das Koppelelement 3, wenn es aus dem äußeren Segment 24, dem mittleren Segment 25 und dem inneren Segment 26 bestehen, sind untereinander und zueinander mit speziellen elastomeren Dichtelementen 53 versehen. Des weiteren ist im Bereich des äußeren Segmentes 24 eine kreisförmige Gehäusenutdichtung 43 eingearbeitet, die das Koppelelement 3 mit den Gehäusen des Elektrolyseurs 2, wie in den 1 und 2 dargestellt, den Pufferraum 8 gegenüber der Atmosphäre abdichtet. Der Bereich des mittleren Segmentes 25 beinhaltet eine kreisförmige Pufferraumdichtung 49, die den Elektrolysezellenblock 5, wie in den 1 und 2 dargestellt, gegenüber dem Pufferraum 8 abdichtet und eine asymmetrisch ausgebildete Anolyt-Raum-Dichtungsnut 42a, die innerhalb den Anolyt- Raum 33 umschließt und somit ein Überströmen des Sauerstoffes verhindert. Außerdem ist noch eine kreisförmige Prozessraumdichtung 44 eingearbeitet, die ein Überströmen des Sauerstoffes oder des Wasserstoffs verhindert. Das innere, im Querschnitt kreisförmige Segment 26 ist als stromleitendes Bipolarblech 51 ausgebildet und wird sandwichartig von zwei benachbarten Elektrolysezellen 4 des Elektrolysezellenblocks 5, wie in 1 dargestellt, eingeschlossen. Das Bipolarblech 51 ergänzt sich mit der Gesamtheit der kreisförmigen Elektrolysezellen 4 zu dem elektrolytischen Prozessbereich, einschließlich dessen Kulminationspunktes 59. Das Bipolarblech 51 ist metallisch ausgebildet und zum Durchleiten des Stromes von zwei das Koppelelement 3 partiell sandwichartig einschließenden benachbarten Elektrolysezellen 4, wie in 1 dargestellt, ausgelegt. Der anodenseitige Versorgungsschlitz 52a ist hierbei in der 5 und der kathodenseitige Versorgungsschlitz 52b in der 6 dargestellt.
Die 7.1 und 7.2 zeigen die Vorderseite und die Rückseite eines Kathodengehäuses 7 einer Elektrolysezelle 4. Im unteren Bereich der Elektrolysezelle 4 ist der elektrolytische Prozessbereich angeordnet. Im oberen Bereich der Elektrolysezelle 4 sind der nierenförmige Durchbruch 30b für den Wasserstoff-Separationsraum 28 sowie der nierenförmige Durchbruch 30b für den Sauerstoff-Separationsraum 29 axialsymmetrisch um den elektrolytischen Prozessbereich platziert. Da der Wasserstoff-Separationsraum 28 und der Sauerstoff-Separationsraum 29 sich in Richtung der Längsachse des in der
1 gezeigten Elektrolysezellenblocks 5 zwischen dem Anodenkontaktblech 11 und dem Kathodenkontaktblech 13 erstrecken, muss jede einzelne Elektrolysezelle 4 des Elektrolysezellenblocks 5 diese vorgenannten Durchbrüche 30b aufweisen. Außerdem ist eine kathodenseitige Versorgungsnut 32b bis unterhalb des elektrolytischen Prozessbereiches vorgesehen, die sich zwischen einer kathodenseitiger Versorgungsbohrung 47b und dem nierenförmigen Durchbruch 30b gekrümmt erstreckt. Im untersten Teil des elektrolytischen Prozessbereichs ist die kathodenseitige Versorgungsbohrung 47b ausgebildet. Ferner sind Zentrierungen 50 vorgesehen, die einerseits eine exakte Ausrichtung des Kathodengehäuses 7 gegenüber dem in den 8.1 und 8.2 beschriebenen Anodengehäuse 6 sichern. Im oberen Bereich des elektrolytischen Prozessbereichs, dem Kulminationspunktes 59, ist der kathodenseitige Separatorkanal 31b platziert, der sich zwischen dem elektrolytischen Prozessbereich und dem Wasserstoff-Separationsraum 28 erstreckt. Die Vorderseite des Kathodengehäuses 7 gemäß 7.1 weist ergänzend eine Katholyt-Raum-Dichtungsnut 42b mit einem elastomeren Dichtelement 53 für den Katholyt-Raum 34, der sich innerhalb der Katholyt- Raum- Dichtungsnut 42b befindet, auf.
Die 8.1 und 8.2 zeigen die Vorderseite und die Rückseite eines Anodengehäuses 6 einer Elektrolysezelle 4. Im unteren Bereich der Elektrolysezelle 4 ist der elektrolytische Prozessbereich angeordnet. Im oberen Bereich der Elektrolysezelle 4 sind der nierenförmige Durchbruch 30b für den Wasserstoff-Separationsraum 28 sowie der nierenförmige Durchbruch 30b für den Sauerstoff-Separationsraum 29 axialsymmetrisch um den elektrolytischen Prozessbereich platziert. Da der Wasserstoff-Separationsraum 28 und der Sauerstoff-Separationsraum 29 sich in Richtung der Längsachse des in der 1 gezeigten Elektrolysezellenblocks 5 zwischen dem Anodenkontaktblech 11 und dem Kathodenkontaktblech 13 erstrecken, muss jede einzelne Elektrolysezelle 4 des Elektrolysezellenblocks 5 diese vorgenannten Durchbrüche 30b aufweisen. Außerdem ist eine anodenseitige Versorgungsnut 32a vorgesehen, die sich zwischen einer anodenseitigen Versorgungsbohrung 47a und dem nierenförmigen Durchbruch 30b gekrümmt erstreckt. Im unteren Bereich des elektrolytischen Prozessbereichs ist die anodenseitige Versorgungsbohrung 47a ausgebildet. Ferner sind Zentrierungen 50 vorgesehen, die einerseits eine exakte Ausrichtung des Anodengehäuses 6 gegenüber dem in den 7.1 und 7.2 beschriebenen Kathodengehäuse 7 sichern. Im oberen Bereich des elektrolytischen Prozessbereichs, dem Kulminationspunktes 59, ist der anodenseitige Separatorkanal 31a platziert, der sich zwischen dem elektrolytischen Prozessbereich und dem Sauerstoff-Separationsraum 29 erstreckt. Die Vorderseite des Anodengehäuse 6 gemäß 8.1 weist ergänzend eine Anolyt-Raum-Dichtungsnut 42a mit einem elastomeren Dichtelement 53 für den Anolyt-Raum 33, der sich innerhalb der Anolyt- Raum- Dichtungsnut 42a befindet, auf.
Der Längsschnitt einer Elektrolysezelle 4 ist detailliert in den 9.1 und 9.2 illustriert, wobei 9.1 die Kathodenseite und die 9.1 die Anodenseite der Elektrolysezelle 4 darstellen. Die Elektrolysezelle 4 umfasst eine Anode mit Anodengehäuse 6, eine Kathode mit Kathodengehäuse 7 sowie ein zwischen dem Anodengehäuse 6 und dem Kathodengehäuse 7 platziertes nicht näher dargestelltes Diaphragma. Des weiteren sind in der Elektrolysezelle 4 jeweils eine Anolyt-Raum-Dichtungsnut 42a und eine Katholyt-Raum-Dichtungsnut 42b vorgesehen, die jeweils asymmetrisch ausgebildet sind. Jede dieser Dichtungsnuten 42a und 42b weisen ein als Elastomer ausgebildetes Dichtungselement 53 auf. Die Anolyt-Raum-Dichtungsnut 42a und die Katholyt-Raum-Dichtungsnut 42b sind punktsymmetrisch zueinander angeordnet, wobei die Symmetrieachse dem vertikalen Durchmesser des mittleren Segments 25 gemäß 5 entspricht. Die Anolyt-Raum-Dichtungsnut 42a und die Katholyt-Raum-Dichtungsnut 42b grenzen in Verbindung mit dem zugehörigen Dichtelement 53 den Anolyt-Raum 33 vom Katholyt-Raum 34 der Elektrolysezelle 4 derart ab, dass einerseits das anodenseitige Dichtelement 53 nur den Anolyt-Raum 33 und andererseits das kathodenseitige Dichtelement 53 nur den Katholyt-Raum 34 der Elektrolysezelle 4 einschließt. Ergänzend dazu ist eine Abdichtung innerhalb der Elektrolysezelle 4 zwischen dem elektrolytischen Prozessbereich und dem Wasserstoff-Separationsraum 28 bzw. dem Sauerstoff-Separationsraum 29 eine Prozessraumdichtung 44 vorgesehen. Im äußeren Bereich der Elektrolysezelle 4 sind jeweils im Anodengehäuse 6 und im Kathodengehäuse 7 eine elastomere Pufferraumdichtung 49 ausgebildet. Über das Koppelelement 3, wie in der 6 dargestellt, und dessen Durchbruch 30b wird über die kathodenseitige Versorgungsbohrung 47b und der kathodenseitigen Versorgungsnut 32b der Katholyt- Raum 34 mit Demin-Wasser versorgt. Analog über das Koppelelement 3, wie in der 5 dargestellt, und dessen Durchbruch 30b wird über die anodenseitigen Versorgungsbohrung 47a und der anodenseitigen Versorgungsnut 32a der Anolyt- Raum 33 mit Demin-Wasser versorgt. Gemäß 9.1 ist innerhalb des Katholyt- Raumes 34 des Kathodengehäuses 7 zwischen dem oberen Bereich des elektrolytischen Prozessbereiches und dem Durchbruch 30b ein kathodenseitiger Separatorkanal 31b, durch welchen der erzeugte Wasserstoff innerhalb des Katholyten zum Wasserstoff-Separationsraum 28 gelangt. Gemäß 9.2 ist innerhalb des Anolyt- Raumes 33 des Anodengehäuses 6 zwischen dem oberen Bereich des elektrolytischen Prozessbereiches und dem Durchbruch 30a ein anodenseitiger Separatorkanal 31a, durch welchen der erzeugte Sauerstoff innerhalb des Anolyten zum Sauerstoff-Separationsraum 29 gelangt.
Die 10 zeigt den Elektrolyseur 1 mit vor- bzw. nachgeschalteten Bauteilen zu dessen Druckbeaufschlagung und Betriebsführung. Die dem Elektrolyseur 1 vorgeschalteten Bauteile dienen in erster Linie dem Befüllen des Elektrolyseurs 1 und die nachgeschalteten Bauteile dem Waschen, Erwärmen oder Kühlen sowie Ableiten des bei der Elektrolyse erzeugten Sauerstoffs und Wasserstoffs. Oberhalb des Elektrolyseurs 1 sind ein druckloser H₂-Messbehälter 600, ein druckloser O₂-Messbehälter 650, eine H₂-Demin-Wasserschleuse 300 mit integriertem H₂-Wärmeübertrager 500, eine O₂-Demin Wasserschleuse 350 mit integriertem O₂-Wärmeübertrager 550, ein O₂-Demin-Wasserzulauf 450, ein H₂-Demin-Wasserzulauf 400, ein O₂-Gaskühler 250, ein H₂-Gaskühler 200 sowie ein O₂-Gaswäscher 150 und ein H₂-Gaswäscher 100 platziert.
Im kathodenseitigen Wärmeübertrager 500 werden der bei der Elektrolyse erzeugte Wasserstoff und das für die Elektrolyse benötigte kathodenseitige Demin-Wasser einem Wärmeaustausch unterzogen. Der kathodenseitige Wärmeübertrager 500 umfasst einen Zulauf und einen Ablauf für den Wasserstoff sowie einen Zulauf und einen Ablauf für das kathodenseitige Demin-Wasser. Der Ablauf für den vorgekühlten Wasserstoff ist dabei mit dem H₂-Gaskühler 200 verbunden. Der Ablauf des vorgewärmten kathodenseitigen Wassers ist mit dem H₂-Gaswäscher 100 gekoppelt. Der Zulauf für den Wasserstoff ist mit dem H₂-Gaswäscher 100 verbunden. Der Zulauf für das kathodenseitige Wasser ist dabei mit einem drucklosen H₂-Messbehälter 600 gekoppelt. Der H₂-Gaswäscher 100 weist im unteren Bereich einen H₂-Überlauf 700 auf und ist dort mit dem Koppelelement 3 des Elektrolyseurs 1 verbunden. Im N₂-Gaswäscher 100 wird der erzeugte Wasserstoff mittels H₂-Demin-Wasser gereinigt, anschließend im H₂-Wärmeübertrager 500 mit H₂-Demin-Wasser einem Wärmeaustausch unterzogen und anschließend im H₂-Gaskühler 200 gekühlt und getrocknet. Das im H₂-Gaskühler 200 abgeschiedene H₂-Kondensat wird über einen separaten kathodenseitige Kondensat-Rücklauf 57 dem Elektrolyseur 1 erneut zugeführt. Der Wasserstoff wird schließlich dem Verbraucher zugeführt.
Im anodenseitigen Wärmeübertrager 550 wird der bei der Elektrolyse erzeugte Sauerstoff und das für die Elektrolyse benötigte anodenseitige Demin-Wasser einem Wärmeaustausch unterzogen. Der anodenseitige Wärmeübertrager 550 umfasst einen Zulauf und einen Ablauf für den Sauerstoff sowie einen Zulauf und einen Ablauf für das anodenseitige Demin-Wasser. Der Ablauf für den vorgekühlten Sauerstoff ist dabei mit dem O₂-Gaskühler 250 verbunden. Der Ablauf des vorgewärmten anodenseitigen Demin-Wassers ist mit dem O₂- Gaswäscher 150 gekoppelt. Der Zulauf für den Wasserstoff ist mit dem O₂-Gaswäscher 150 verbunden. Der Zulauf für das anodenseitige Demin-Wasser ist dabei mit einem drucklosen O₂-Messbehälter 650 gekoppelt. Der O₂-Gaswäscher 150 weist im unteren Bereich einen O₂-Überlauf 750 auf und ist dort mit dem Koppelelement 3 des Elektrolyseurs 1 verbunden. Im O₂-Gaswäscher 150 wird der erzeugte Wasserstoff mittels O₂-Demin-Wasser gereinigt, anschließend im O₂-Wärmeübertrager 550 mit O₂-Demin-Wasser einem Wärmeaustausch unterzogen und anschließend im O₂-Gaskühler 250 gekühlt und getrocknet. Das im O₂-Gaskühler 250 abgeschiedene O₂-Kondensat wird über einen separaten anodenseitigen Kondensatrücklauf 58 dem Elektrolyseur 1 erneut zugeführt. Der Sauerstoff wird schließlich dem Verbraucher zugeführt.

1: Elektrolyseur
2: Gehäuse des Elektrolyseurs
3: Koppelelement
4: Elektrolysezelle
5: Elektrolysezellenblock
6: Anodengehäuse
7: Kathodengehäuse
8: Pufferraum
9: Stirnseite des Koppelelements
10
11: Anodenkontaktblech
12: Anodenendplatte
13: Kathodenkontaktblech
14: Kathodenendplatte
15: Befestigungselemente
16: Federelemente
17: Zugstange
18: Stromleitung
19: Stromzuführung
20: Isolationsgehäuse
21: Isolationskörper
22: Dichtungskörper
23: Klemmkörper
24: äußeres Segment
25: mittleres Segment
26: inneres Segment
27: Temperatursensor
28: Wasserstoff-Separationsraum
29: Sauerstoff-Separationsraum
30a: Durchbruch
30b: Durchbruch
30c: Durchbruch
31a: anodenseitige Separatorbohrung
31b: kathodenseitige Separatorbohrung
32a: anodenseitige Versorgungsnut
32b: kathodenseitige Versorgungsnut
33: Anolyt- Raum
34: Katholyt- Raum
35: Laugenkühler
36: anodenseitige und kathodenseitige Demin-Wasserzuleitung
37: anodenseitige und kathodenseitige Laugenzuleitung
38: Kühlwasserzulauf
39: Kühlwasserablauf
40: Kondensatablassleitung
41: Spülleitung für inertes Gas
42a: Anolyt-Raum-Dichtungsnut
42b: Katholyt-Raum-Dichtungsnut
43: Gehäusenutdichtung
44: Prozessraumdichtung
45: Kanal für die Wasserstoffableitung
46: Kanal für die Sauerstoffableitung
47a: anodenseitige Versorgungsbohrung
47b: kathodenseitige Versorgungsbohrung
48: Kanal für inertes Gas
49: Pufferraumdichtung
50: Zentrierung
51: Bipolarblech
52a: anodenseitiger Versorgungsschlitz
52b: kathodenseitiger Versorgungsschlitz
53: Dichtelement
55: Kathodendeckel
56: Anodendeckel
57: kathodenseitiger Kondensat-Rücklauf
58: anodenseitiger Kondensat-Rücklauf
59: Kulminationspunkt des Prozessbereiches
100: H₂-Gaswäscher
150: O₂-Gaswäscher
200: H₂-Gaskühler
250: O₂-Gaskühler
300: H₂-Demin-Wasserschleuse
350: O₂-Demin-Wasserschleuse
400: H₂-Demin-Wasserzulauf
450: O₂-Demin-Wasserzulauf
500: kathodenseitiger Wärmeübertrager
550: anodenseitiger Wärmeübertrager
600: H₂-Messbehälter
650: O₂-Messbehälter
700: H2-Überlauf
750: O2-Überlauf

Claims

Elektrolyseur (1) zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff, umfassend ein ein- oder mehrteilig aufgebautes Gehäuse (2) mit zumindest einem darin angeordneten und gegen das Innere des Gehäuses (2) abgedichteten Elektrolysenzellenblock (5), sowie mehrere innerhalb des Elektrolysenzellenblocks (5) in Form eines Stapels zusammengefasste Elektrolysezellen (4) mit Anoden und Kathoden, wobei zur Versorgung der Anoden mit Anolyt und zur Versorgung der Kathoden mit Katholyt Laugenkreisläufe vorgesehen sind, und zum Ausgasen des innerhalb der Elektrolysezellen (4) erzeugten Sauerstoffs und Wasserstoffs ein mit dem Elektrolysezellenblock (5) gekoppelter Sauerstoff-Separationsraum (29) sowie ein Wasserstoff-Separationsraum (28) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der den Elektrolyse-Systemdruck aufweisende Sauerstoff-Separationsraum (29) sowie der den Elektrolyse-Systemdruck aufweisende Wasserstoff-Separationsraum (28) innerhalb des Elektrolysezellenblocks (5) platziert sind, wobei zur Zu- und Ableitung der an der Elektrolyse beteiligten Medien ein den Elektrolysezellenblock (5) mit dem Gehäuse (2) des Elektrolyseurs (1) verbindendes Koppelelement (3) vorgesehen ist, und der nicht vom Elektrolysezellenblock (5) eingenommene Raum im Elektrolyseur (1) als Pufferraum (8), welcher mit einem Pufferfluid, dessen Betriebsdruck über dem Elektrolyse-Systemdruck liegt, beaufschlagbar ausgebildet ist.
Elektrolyseur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das als Scheibe ausgebildete Koppelelement (3) über den gesamten Querschnitt des Elektrolyseurs (1) erstreckt und partiell von zwei benachbarten Elektrolysezellen (4) des Elektrolysezellenblocks (5) sandwichartig eingeschlossen ist, wobei das Koppelelement (3) ausgehend von seiner Umfangslinie sich radial in Richtung der Längsachse des Elektrolysezellenblocks (5) erstreckende Kanäle aufweist, die in Öffnungen münden, welche im Bereich des Elektrolysezellenblocks (5) sowie des Pufferraums (8) platziert sind.
Elektrolyseur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Koppelelement (3) segmentartig aufgebaut ist, wobei folgende Segmente vorgesehen sind: • ein äußeres, im Querschnitt ringförmiges Segment (24), welches konzentrisch angeordnete Bohrungen zur lösbaren Befestigung des Koppelelements (3) mit dem Gehäuse (2) des Elektrolyseurs (1) aufweist, • ein mittleres, im Querschnitt kreisförmiges Segment (25), welches – konzentrisch angeordnete Bohrungen zur lösbaren Befestigung des Koppelelements (3) mit dem Elektrolysezellenblock (5), – zumindest eine als Durchbruch (30a) ausgebildete und in den Pufferraum (8) mündende Kanalöffnung für das Pufferfluid, – als Durchbrüche (30b) ausgebildete Öffnungen für den sich parallel zur Längsachse des Elektrolysezellenblocks (5) erstreckenden Wasserstoff-Separationsraum (28) und den Sauerstoff-Separationsraum (29), – zwei axialsymmetrisch zueinander angeordnete und über Kanäle des Koppelelements (3) gespeiste anodenseitige Versorgungsschlitze (52a) und kathodenseitige Versorgungsschlitze (52b), die sich jeweils in Verbindung mit den das Koppelelement (3) sandwichartig einschließenden Elektrolysezellen (4) zu einer anodenseitigen Versorgungsnut (32a) zur Versorgung der Anolyt-Räume (33) mit anodenseitigem Demin-Wasser und zur Versorgung der Katholyt-Räume (34) über eine kathodenseitigen Versorgungsnut (32b) mit kathodenseitigem Demin-Wasser ergänzen sowie • ein inneres, im Querschnitt kreisförmiges Segment (26), welches – als stromleitendes Bipolarblech (51) ausgebildet ist und – sandwichartig von zwei benachbarten Elektrolysezellen (4) des Elektrolysezellenblocks (5) eingeschlossen wird.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten des Koppelelements (3) mehrere ringförmig ausgebildete Dichtelemente (43, 44 und 49) platziert sind, wobei: • eine erste, im Bereich des Gehäuses (2) des Elektrolyseurs (1) angeordnete Gehäusenutdichtung (43) zur Abdichtung des mittleren Segments (25) gegenüber der Umgebung des Elektrolyseurs (1), • eine zweite, im Bereich des Gehäuses (2) des Elektrolysezellenblocks (5) angeordnete Pufferraumdichtung (49) zur Abdichtung des Elektrolysezellenblocks (5) gegenüber dem Pufferraum (8) sowie • eine dritten, innerhalb des Elektrolysezellenblocks (5) angeordnete Prozessraumdichtung (44) zur Abdichtung des mittleren Segments (25) gegenüber dem als Bipolarblech (51) ausgebildeten inneren Segment (26) vorgesehen sind.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die in Form eines Stapels zusammengefassten Elektrolysezellen (4) gemeinsam mit dem Bipolarblech (51) zu dem elektrolytischen Prozessbereich ergänzen.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff-Separationsraum (29) sowie der Wasserstoff-Separationsraum (28) axialsymmetrisch zueinander im Elektrolysezellenblock (5) platziert sind, wobei die Symmetrieachse dem vertikalen Durchmesser des mittleren Segments (25) entspricht.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der in Aufstellposition des Elektrolyseurs (1) in der oberen Hälfte des Elektrolysezellenblocks (5) platzierte Sauerstoff-Separationsraum (29) sowie der Wasserstoff-Separationsraum (28) im Querschnitt nierenförmig ausgebildet sind, wobei sich der Füllstand der Kalilauge im Sauerstoff-Separationsraum (29) sowie der Füllstand der Kalilauge im Wasserstoff-Separationsraum (28) stets oberhalb des Kulminationspunktes (59) des elektrolytischen Prozessbereiches befinden.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke des Überleitens des Sauerstoffs von jeder Anode des Elektrolysezellenblocks (5) in den Sauerstoff- Separationsraum (29) und zum Zwecke des Überleitens des Wasserstoffs von jeder Kathode des Elektrolysezellenblocks (5) in den Wasserstoff-Separationsraum (28) Bohrungen vorgesehen sind.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Durchleiten des Stromes vorgesehene metallisch ausgebildete Bipolarblech (51) an einer Seite die anodenseitige Elektrode einer ersten Elektrolysezelle (4) und an der anderen Seite die kathodenseitige Elektrode einer zweiten benachbarten Elektrolysezelle (4) kontaktiert.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass • entweder das äußere Segment (24) und das mittlere Segment (25) des Koppelelements (3) als einteiliges Bauteil aufgebaut sind, welches aus einem Metall oder einem nichtmetallischen Werkstoff gefertigt ist oder • das äußere Segment (24) aus einem Metall und das mittlere Segment (25) aus einem nichtmetallischen Werkstoff gefertigt sind, wobei zur Abdichtung des äußeren Segments (24) gegenüber dem mittleren Segment (25) sowie zur Abdichtung der radialen Kanäle gegenüber dem Pufferraum (8) zusätzliche Dichtungselemente (53) vorgesehen sind.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das den Elektrolysezellenblock (5) mit dem Gehäuse (2) des Elektrolyseurs (1) koppelnde Koppelelement (3) zumindest: • einen Kanal (48) zur Versorgung des Pufferraums (8) mit dem Pufferfluid, • einen Kanal (45) zur Abführung des Wasserstoffs, • einen Kanal (46) zur Abführung des Sauerstoffs, • jeweils einen Kanal zur anodenseitigen Laugenzuführung (37) und kathodenseitigen Laugenzuführung (37) sowie • jeweils einen Kanal zur anodenseitigen Demin-Wasserzuleitung (36) und kathodenseitigen Demin-Wasserzuleitung (36) aufweist.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (3) zusätzlich: • einen Kanal zur Kondensatabieitung: i. der wasserhaltigen Kalilauge und ii. des Wasserstoffs und des Sauerstoffs und • einen Kanal zum sauerstoffseitigen Kühlwasserzulauf (38) und zum wasserstoffseitigen Kühlwasserzulauf (38) und • einen Kanal zum sauerstoffseitigen Kühlwasserablauf (39) und zum wasserstoffseitigen Kühlwasserablauf (39) aufweist.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Wasserstoff-Separationsraum (28) einen zur Kühlung des Katholyten als auch der Sauerstoff-Separationsraum (29) einen zur Kühlung des Anolyten vorgesehenen Laugenkühler (35) aufweisen.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (3) Mittel zur Aufnahme von Sensoren und Schaltelementen aufweist.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodengehäuse (7) und das Anodengehäuse (6) jeder Elektrolysezelle (4) des Elektrolysezellenblocks (5) jeweils eine zur Kathodenendplatte (14) des Elektrolysezellenblocks (5) weisende im Querschnitt asymmetrisch ausgebildete Anolyt-Raum-Dichtungsnut (42a) bzw. Katholyt-Raum-Dichtungsnut (42b) aufweisen, in welche jeweils ein elastomeres Dichtelement (53) eingebracht ist, wobei die Dichtungselemente (53) jeweils den Anolyt-Raum (33) vom Katholyt-Raum (34) der Elektrolysezelle (4) abgrenzen.
Elektrolyseur (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anolyt-Raum-Dichtungsnut (42a) und die Katholyt-Raum-Dichtungsnut (42b) in der Draufsicht auf die Elektrolysezelle (4) spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein außerhalb des Elektrolyseurs (1) platzierter kathodenseitiger Wärmeübertrager (500) vorgesehen ist, in welchem der bei der Elektrolyse erzeugte Wasserstoff und das für die Elektrolyse benötigte kathodenseitige Demin-Wasser einem Wärmeaustausch unterzogen werden.
Elektrolyseur nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (500) einen Zulauf und einen Ablauf für den Wasserstoff sowie einen Zulauf und einen Ablauf für das kathodenseitige Demin-Wasser aufweist, wobei • der Zulauf für den noch ungekühlten Wasserstoff mit einem H₂-Gaswäscher (100), • der Ablauf für den vorgekühlten Wasserstoff mit einem H₂-Gaskühler (200), wobei der H₂-Gaskühler (200) zur Kondensatabscheidung des bei der Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs vorgesehen ist, • der Zulauf für das kathodenseitige Demin-Wasser mit einer kathodenseitige H₂-Wasserschleuse (300) und • der Ablauf für das kathodenseitige Demin-Wasser mit dem H₂-Gaswäscher (100) gekoppelt sind.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein außerhalb des Elektrolyseurs (1) platzierter anodenseitiger Wärmeübertrager (550) vorgesehen ist, in welchem der bei der Elektrolyse erzeugte Sauerstoff und das für die Elektrolyse benötigte anodenseitige Demin-Wasser einem Wärmeaustausch unterzogen werden.
Elektrolyseur nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (550) einen Zulauf und einen Ablauf für den Sauerstoff sowie einen Zulauf und einen Ablauf für das anodenseitige Demin-Wasser aufweist, wobei • der Zulauf für den noch ungekühlten Sauerstoff mit einem O₂-Gaswäscher (150), • der Ablauf für den gekühlten Sauerstoff mit einem O₂-Gaskühler (250), wobei der O₂-Gaskühler (250) zur Kondensatabscheidung des bei der Elektrolyse erzeugten Sauerstoffs vorgesehen ist, • der Zulauf für das anodenseitige Demin-Wasser mit einer anodenseitigen O₂-Wasserschleuse (350) und • der Ablauf für das anodenseitige Demin-Wasser mit dem O₂-Gaswäscher (150) gekoppelt sind.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Rückführung des Kondensats aus den Gaskühlern (200, 250) in die Laugenkreisläufe die Gaskühler (200, 250) unter Verwendung von Rohren oder Schläuchen mit dem Koppelelement (3) des Elektrolyseurs (1) hydraulisch gekoppelt sind.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichervolumen der kathodenseitigen Wasserschleuse (300) das 2-fache des Speichervolumens der anodenseitigen Wasserschleuse (350) beträgt.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der kathodenseitige H₂- Wasserschleuse (300) und der anodenseitige O₂- Wasserschleuse (350) jeweils ein druckloser Messbehälter (600, 650) zur chargenweise Befüllung des Elektrolyseurs (1) mit anodenseitigen und kathodenseitigen demineralisierten Wasser vorgeschaltet ist, und jeder Messbehälter (600, 650) zumindest einen mit einer Regel- und Steuereinrichtung gekoppelten Sensor umfasst, der zur Erfassung der Volumina der einzelnen Chargen ausgebildet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs (1) unter Verwendung der Vorrichtungsmerkmale des Elektrolyseurs (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass während der Inbetriebnahme, des Betriebs sowie der Außerbetriebnahme des Elektrolyseurs (1) der Betriebsdruck des sich im Pufferraum (8) befindlichen Pufferfluids unter Verwendung von Sicherheits- und Regeleinrichtungen stets über dem Elektrolyse-Systemdruck ausgeregelt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs (1) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyse-Systemdruck unter Verwendung von Sicherheits- und Schalteinrichtungen • in Abhängigkeit der Dimensionierung des Gehäuses (2) des Elektrolyseurs (1) sowie • in Abhängigkeit der Drucksbeaufschlagung des Pufferraums (8) des Elektrolyseurs (1) mit Pufferfluid variabel einstellbar ist.
Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs (1) nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass als Pufferfiuid für den Pufferraum (8) ein inertes Gas, beispielsweise Stickstoff (N₂), vorgesehen ist.
Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs (1) nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Elektrolyse gewonnene und im Sauerstoff-Separationsraum (29) bevorratete Sauerstoff unter Verwendung des Koppelelements (3) aus dem Elektrolyseurs (1) herausgeführt wird und: • zunächst unter Verwendung des O₂-Gaswäschers (150) gereinigt wird, • nachfolgend dem O₂-Wärmeübertrager (550) zur Abkühlung und Vorwärmung von anodenseitigen Wasser zugeführt wird, und • abschließend dem O₂-Gaskühler (250) zur Abscheidung von Kondensat sowie zur Trocknung zugeführt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs (1) nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Elektrolyse gewonnene und im Wasserstoff-Separationsraum (28) bevorratete Wasserstoff unter Verwendung des Koppelelements (3) aus dem Elektrolyseur (1) herausgeführt wird und: • zunächst unter Verwendung des H₂-Gaswäschers (100) gereinigt wird, • nachfolgend dem H₂-Wärmeübertrager (500) zur Abkühlung und Vorwärmung von anodenseitigen Wasser zugeführt wird und • abschließend dem H₂-Gaskühler (200) zur Abscheidung von Flüssigkeit sowie zur Trocknung zugeführt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs (1) nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Elektrolyse erzeugte und mit Laugenbestandteilen beladene Sauerstoff im O₂-Gaswäscher (150) und der bei der Elektrolyse erzeugte und mit Laugenbestandteilen beladene Wasserstoff im H₂-Gaswäscher (100) unter Verwendung von anodenseitigen bzw. kathodenseitigen Wasser gereinigt werden.