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Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur, aufweisend einen zwischen zwei Endplatten angeordneten Zellstapel aus einer Vielzahl von Elektrolysezellen.
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Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung ist die Erzeugung von Wasserstoff.
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Stand der Technik
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Ein Elektrolyseur dient der Stoffumwandlung mit Hilfe eines elektrischen Stroms. Dieser Vorgang wird auch Elektrolyse genannt. Mit Hilfe der Elektrolyse kann beispielsweise Wasserstoff erzeugt werden.
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Die Elektrolyse findet in den Elektrolysezellen eines Elektrolyseurs statt. In der Praxis wird eine Vielzahl von Elektrolysezellen elektrisch in Reihe geschaltet und zu einem Zellstapel zusammengefasst. Der Zellstapel wird mit Hilfe von beidseits anliegenden Endplatten und randseitig angeordneten Schraubbolzen verspannt, um die den Zellstapel durchziehenden Versorgungskanäle gasdicht nach außen abzudichten. Durch das Verspannen ist ferner ein guter Flächenkontakt der einzelnen Zelllagen bzw. -schichten sichergestellt.
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Während eines Elektrolyseprozesses kommt es im Inneren eines Zellstapels eines Elektrolyseurs zu einem Druckaufbau, der dazu führen kann, dass sich die außenliegenden Endplatten biegen. Dies wiederum kann zur Folge haben, dass die Gasdichtheit des Zellstapels und/oder der Flächenkontakt der einzelnen Zelllagen bzw. -schichten nicht mehr gewährleistet ist bzw. sind.
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Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, ein Biegen der Endplatten aufgrund eines im Betrieb des Elektrolyseurs ansteigenden Innendrucks zu verhindern.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der Elektrolyseur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorgeschlagene Elektrolyseur weist einen zwischen zwei Endplatten angeordneten Zellstapel aus einer Vielzahl von Elektrolysezellen auf, die mittels Schraubbolzen mit den Endplatten verspannt sind. Auf mindestens einer Endplatte ist eine Deckplatte angeordnet, die auf ihrer der Endplatte zugewandten Seite eine mit dem Inneren des Zellstapels pneumatisch verbundene Kavität aufweist, so dass die Endplatte, unmittelbar oder mittelbar über eine Druckverteilerplatte, mit dem im Inneren des Zellstapels herrschenden Gasdruck beaufschlagbar ist.
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Im Betrieb des Elektrolyseurs liegt demnach an der mindestens einen Endplatte beidseits der gleiche Gasdruck an. Das heißt, dass die Endplatte nicht mehr auf Biegung beansprucht wird, so dass die Gefahr einer unzureichenden Gasdichtheit und/oder eines unzureichenden Flächenkontakts der einzelnen Zelllagen bzw. -schichten minimiert ist.
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Um ein unerwünschtes Biegen beider Endplatten zu verhindern, ist vorzugsweise auf beiden Endplatten jeweils eine Deckplatte angeordnet. Jede dieser Deckplatten kann unmittelbar oder mittelbar über eine Druckverteilerplatte an der jeweiligen Endplatte anliegen. Das heißt, dass der vorgeschlagene Elektrolyseur keine Druckverteilerplatte, eine Druckverteilerplatte oder zwei Druckverteilerplatten aufweisen kann.
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Sofern mindestens eine Druckverteilerplatte vorgesehen ist, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Druckverteilerplatte die in der Deckplatte ausgebildete Kavität zur Endplatte hin schließt, vorzugsweise gasdicht schließt, beispielsweise mit Hilfe einer zwischen der Druckverteilerplatte und der Deckplatte angeordneten Dichtung. Dadurch ist sichergestellt, dass der Gasdruck in der Kavität gleich hoch wie im Inneren des Zellstapels ist.
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Sofern mindestens eine Deckplatte unmittelbar an einer Endplatte anliegt, ist vorzugsweise mindestens eine Dichtung zwischen der Deckplatte und der Endplatte angeordnet, um die in der Deckplatte ausgebildete Kavität gasdicht zu umschließen.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Druckverteilerplatte -sofern vorgesehen - abschnittsweise in der Kavität der Deckplatte aufgenommen ist. Über die Kavität kann die Lage der Druckverteilerplatte in Plattenebene gesichert werden, zugleich ermöglicht die Kavität eine Bewegung der Druckverteilerplatte senkrecht zur Plattenebene relativ zur Deckplatte, so dass hierüber thermisch bedingte Ausdehnungen bzw. Bewegungen des Zellstapels ausgleichbar sind. Dehnt sich der Zellstapel aus, taucht die Druckverteilerplatte tiefer in die Kavität ein. Zieht sich der Zellstapel wieder zusammen, bewegt sich die Druckverteilerplatte aus der Kavität wieder heraus. Die Bewegungen sind so minimal, dass die mindestens eine Dichtung zum gasdichten Schließen der Kavität radial bzw. umlaufend entlang der Seitenflächen der Druckverteilerplatte angeordnet werden kann.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Schraubbolzen, mittels welcher der Zellstapel mit den Endplatten verspannt ist, durch die mindestens eine Deckplatte geführt sind. Das heißt, dass keine separaten Befestigungsmittel zur Befestigung der mindestens einen Deckplatte erforderlich sind. Die mindestens eine Deckplatte wird einfach mit dem Zellstapel und den Endplatten verspannt. Über zwischenliegende Druckfedern, beispielsweise Tellerfedern, können weiterhin thermisch bedingte Ausdehnungen bzw. Bewegungen aufgenommen werden.
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Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Schraubbolzen Verlängerungen aufweisen und die Verlängerungen der Schraubbolzen durch die mindestens eine Deckplatte geführt sind. Diese Ausführungsform besitzt den Vorteil, dass die Deckplatte nicht mit dem Zellstapel und den Endplatten verspannt werden muss. Zum Verspannen des Zellstapels mit den Endplatten können zwischen der mindestens einen Deckplatte und der Endplatte Muttern auf die Schraubbolzen aufgeschraubt werden, so dass die über die Muttern hinausragenden Endabschnitte der Schraubbolzen die Verlängerungen ausbilden, über welche dann die Deckplatte am Elektrolyseur befestigt werden kann, vorzugsweise mit Hilfe weiterer Muttern, die hierzu auf die Verlängerungen aufgeschraubt werden.
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Die Verlängerungen können demnach einteilig mit den Schraubbolzen ausgeführt sein. Zur Realisierung der einteiligen Ausführung müssen lediglich längere Schraubbolzen verwendet werden. Die Verlängerungen können aber auch durch separate Schraubbolzen ausgebildet werden, die mit den Schraubbolzen zum Verspannen des Zellstapels und der Endplatten verbunden, insbesondere verschraubt, sind.
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Wie bereits erwähnt ist vorzugsweise zwischen der mindestens einen Deckplatte und der Endplatte mindestens eine Druckfeder angeordnet. Die Druckfeder ermöglicht den Ausgleich thermisch bedingter Ausdehnungen bzw. Bewegungen des Zellstapels und der damit verspannten Endplatten. Die mindestens eine Druckfeder ist vorzugsweise eine Tellerfeder, da diese sehr platzsparend auf einem Schraubbolzen angeordnet werden kann. Bevorzugt bilden mehrere übereinanderliegende Tellerfedern ein auf einem Schraubbolzen angeordnetes, kompaktes Federpaket aus. Vorzugsweise ist auf jedem Schraubbolzen mindestens eine Druckfeder bzw. ein Federpaket angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist auf beiden Endplatten jeweils eine Deckplatte mit einer Kavität angeordnet, wobei die eine Deckplatte mittelbar über die Druckverteilerplatte und die andere Deckplatte unmittelbar auf der Endplatte aufliegt. Eine Endplatte wird demnach mittelbar über die Druckverteilerplatte von dem in der Kavität herrschenden Gasdruck beaufschlagt, die andere Endplatte unmittelbar. Der Effekt ist jedoch jeweils der gleiche. Denn unabhängig davon ob, der Gasdruck mittelbar oder unmittelbar auf die Endplatte wirkt, liegt jeweils beidseits einer Endplatte der gleiche Druck an, so dass einem Biegen der Endplatte entgegengewirkt wird. Die eine Druckverteilerplatte besitzt zudem den Vorteil, dass thermisch bedingte Ausdehnungen bzw. Bewegungen des Zellstapels und der Endplatte ausgeglichen werden können. Hierzu bedarf es lediglich einer Druckverteilerplatte, so dass andernends die Deckplatte unmittelbar an der Endplatte anliegen kann.
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Des Weiteren bevorzugt ist in zumindest einer Endplatte ein an das Innere des Zellstapels angeschlossener Gaskanal ausgebildet, der andernends über mindestens eine Gasleitung an die mindestens eine Kavität angeschlossen ist. Über den Gaskanal und die Gasleitung ist demzufolge die notwendige pneumatische Verbindung der mindestens einen Kavität mit dem Inneren des Zellstapels hergestellt. Die mindestens eine Gasleitung kann in den Elektrolyseur integriert oder außenliegend angeordnet sein.
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Vorteilhafterweise sind die Endplatten unterschiedlich dick ausgeführt und der Gaskanal ist in der dickeren der beiden Endplatten ausgebildet. Da die andere Endplatte keinen Gaskanal aufweist, kann sie vergleichsweise dünn gestaltet werden, so dass Material und Kosten eingespart werden.
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Zur Optimierung der Druckverteilung über die mindestens eine Druckverteilerplatte wird vorgeschlagen, dass diese mindestens die Hälfte der Plattenfläche der jeweiligen Endplatte abdeckt. Das heißt, dass sich der Flächenkontakt zwischen der Druckverteilerplatte und der Endplatte über mindestens die Hälfte der Plattenfläche der Endplatte erstreckt. Die Druckverteilerplatte liegt vorzugsweise in einem Bereich der Endplatte an, der dem Bereich der aktiven Flächen der Elektrolysezellen entspricht. Die über die Druckverteilerplatte zusätzlich auf die Endplatte aufgebrachte pneumatische Kraft trägt somit dazu bei, dass der Flächenkontakt der einzelnen Zelllagen bzw. -schichten insbesondere im Bereich der aktiven Flächen verbessert wird.
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Die mindestens eine Druckverteilerplatte wird vorzugsweise nur über den Gasdruck in der Kavität gegen die Endplatte gedrückt. Das heißt, dass die Druckverteilerplatte nicht mit den Endplatten und dem Zellstapel verspannt ist. Dadurch ist sichergestellt, dass sich die Druckverteilerplatte relativ zur Deckplatte bewegen kann, wenn sich der Gasdruck in der Kavität ändert. Auf diese Weise kann zudem ein Druckausgleich zwischen den beiden Kavitäten hergestellt werden.
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Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Elektrolyseur und
- 2 eine Seitenansicht auf einen zweiten erfindungsgemäßen Elektrolyseur.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist ein Elektrolyseur 1 mit einem zwischen zwei Endplatten 2, 3 angeordneten Zellstapel 4 aus einer Vielzahl an Elektrolysezellen 5 zu entnehmen. Auf beiden Endplatten 2, 3 ist jeweils eine Deckplatte 6, 7 angeordnet, die mittels randseitig angeordneter Schraubbolzen 12 mit den Endplatten 2, 3 und dem Zellstapel 4 verspannt ist. Die Spannkraft kann durch Anziehen von auf den Schraubbolzen 12 aufgeschraubten Muttern 16 eingestellt werden. Die beiden außenliegenden Deckplatten 6, 7 weisen jeweils auf ihren der jeweiligen Endplatte 2, 3 zugewandten Seiten eine Kavität 9 auf, die über Gasleitungen 15 und einen in der unteren Endplatte 3 ausgebildeten Gaskanal 14 in pneumatischer Verbindung mit dem Inneren 8 des Zellstapels 4 stehen. In den Kavitäten 9 herrscht somit der gleiche Gasdruck wie im Inneren 8 des Zellstapels 4.
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Bei der unteren Deckplatte 7, die direkt an der unteren Endplatte 3 anliegt, so dass die Endplatte 3 die in der Deckplatte 7 ausgebildete Kavität 9 schließt, wirkt der Gasdruck unmittelbar auf die Endplatte 3. Beidseits der Endplatte 3 liegt somit der gleiche Gasdruck an, so dass diese im Betrieb des Elektrolyseurs 1 nicht auf Biegung beansprucht wird.
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Die obere Deckplatte 6 ist in einem Abstand a zur oberen Endplatte 2 angeordnet und wird über Druckfedern 13, die zwischen der Deckplatte 6 und der Endplatte 2 auf den Schraubbolzen 12 angeordnet sind, in Position gehalten. Die Druckfedern 13 dienen dem Ausgleich thermisch bedingter Ausdehnungen des Zellstapels 4 im Betrieb des Elektrolyseurs 1.
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Die in der Deckplatte 6 ausgebildete Kavität 9 wird durch eine Druckverteilerplatte 10 geschlossen, die zwischen der Deckplatte 6 und der Endplatte 2 angeordnet und abschnittsweise in der Kavität 9 aufgenommen ist. Zum gasdichten Schließen der Kavität 9 ist die Druckverteilerplatte 10 von einer umlaufenden Dichtung 11 umgeben. Die obere Endplatte 2 wird demnach nicht unmittelbar, sondern mittelbar über die Druckverteilerplatte 10 mit dem in der Kavität 9 herrschenden Gasdruck beaufschlagt, wobei die Druckverteilerplatte 10 den Druck gleichmäßig über die Fläche verteilt. Da die Druckverteilerplatte 10 beweglich gegenüber der Deckplatte 6 in der Kavität 9 aufgenommen ist, ist sichergestellt, dass in beiden Kavitäten 9 der gleiche Gasdruck herrscht.
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Der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs 1 zu entnehmen. Gleiche Komponenten sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 ist die obere Deckplatte 6 über Verlängerungen 17 der Schraubbolzen 12 befestigt, so dass sie nicht mit den Endplatten 2, 3 und dem Zellstapel 4 verspannt ist. Die Verlängerungen 17 werden durch längere Schraubbolzen 12 ausgebildet, auf denen zusätzliche Muttern 18 zum Verspannen der Endplatten 2, 3 und des Zellstapels 4 aufgeschraubt sind. Die über die Muttern 18 vorstehenden Endabschnitte bilden die Verlängerungen 17 aus, auf denen die Deckplatte 6 aufgesetzt und mittels weiterer Muttern 19 gesichert ist.
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Über die Druckfedern 13, die in der 2 zwischen den Muttern 18 und der oberen Endplatte 2 angeordnet sind, können thermisch bedingte Ausdehnungen des Zellstapels 4 ausgeglichen werden. Zwischen den Muttern 18 und der oberen Deckplatte 6 können weitere Druckfedern 20 angeordnet sein, um die Deckplatte 6 in Position zu halten, wenn das System drucklos ist. Da hierzu nur geringe Kräfte notwendig sind, muss nicht auf jeder Mutter 19 eine Druckfeder 20 angeordnet sein. Die Druckfedern 20 können zudem als einfache Schraubendruckfedern ausgebildet sein.
