DE4418999C2 - Druckelektrolyseur mit einem gekapselten Zellenblock aus einzelnen Elektrolysezellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckelektrolyseur mit einem gekapseltem Zellenblock aus einzelnen Elektrolysezellen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Moderne leistungsfähige Elektrolyseure bestehen üblicherweise aus einer Vielzahl hintereinander geschalteter Elektrolysezellen, in denen der Elektrolyseprozeß stattfindet, der durch die nachfolgende Reaktions­ gleichung beschrieben werden kann:

H₂O + Energie → H₂ + ½ O₂

Die Energie wird den Elektrolysezellen in Form elektrischer Energie zugeführt, indem in die mit Wasser gefüllte Elektrolysezelle zwei platten­ förmige Elektroden getaucht werden, zwischen denen eine Potentialdifferenz von ca. 2 Volt herrscht. Bei Stromfluß entsteht an der positiven Elektrode Sauerstoff, an der negativen Elektrode entsteht Wasserstoff. Damit die beiden Gase sich nicht zu Knallgas vermischen, ist zwischen die beiden Elektroden der Elektrolysezelle ein gasundurchlässiges, aber ionendurchlässiges Diaphragma eingefügt.

Um die elektrische Leitfähigkeit des Wassers zu erhöhen - die erzeugte Gas­ menge ist proportional der Stromstärke - wird dem Wasser üblicherweise Kalilauge zugefügt.

Durch die DE 91 15 337 U1 ist ein alkalischer Druckelektrolyseur mit einem Separationsbehälter bekannt geworden, bei der der Separationsbehälter durch eine druckdichte Zwischenwand in zwei Teile zerlegt ist, wobei das eine Volumen zur Aufnahme von Wasserstoff, das andere Volumen des Separationsbehälters zur Aufnahme von Sauerstoff dient. Über Steigrohre werden die Gase in die entsprechenden Behältersegmente geführt. Der Druckbehälter ist zu zwei Drittel bis drei Viertel mit Kalilauge gefüllt.

Die bekannten Druckelektrolyseure produzieren die entstehenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff bei einem Druck von 20 bis 50 bar. Dabei werden die Gase durch Ventile nur bei einem fest eingestellten Druck, z. B. 30 bar oder mehr, abgelassen. Die die einzelnen Elektrolysezellen trennenden Zellraumringe müssen elektrisch isolierend sein und vor allen Dingen den hohen Drücken innerhalb der Elektrolysezelle standhalten. Dielektrische Kunststoffringe als Zellraumringe sind für die hohen Drücke von 30 bis 50 bar nicht geeignet. Es ist deshalb bekannt, torusförmige Metallringe als Zellraumringe einzusetzen, die mit einer dielektrischen Beschichtung versehen sind, die den hohen Drücken standhalten. Derartige dielektrische Metallringe sind allerdings extrem teuer.

Durch die EP 0 478 980 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Druck­ elektrolyseanlage bekannt geworden, bei der sich ein Elektrolysezellenblock in einer druckfesten Kapselung befindet und von einem elektrisch nicht­ leitenden Fluid, nämlich Speisewasser und Wasserstoff, umspült wird, welches unter dem Arbeitsdruck der Druckelektrolyse gehalten wird. Der Druck des Fluides wird über den Druck eines oder beider Produktgase gesteuert, beispielsweise über den Druck im Wasserstoffabscheider.

Durch die DE-AS 10 06 401 ist ein Elektrolyseur der Filterpressenbauart mit druckfesten Zersetzerzellen bekannt geworden, deren durch ein Diaphragma in zwei Elektrodenkammern unterteilter Elektrolytraum außen von den voneinander elektrisch isolierten Hälften zweier druckfester Stahlringe umschlossen und an den Seiten durch metallische Scheidewände von den benachbarten Zellen getrennt ist. Die Scheidewände bestehen aus Blechscheiben, die Erhebungen aufweisen, die die beiderseits benachbarten Elektroden berühren und hierdurch elektrisch miteinander verbinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckelektrolyseur der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei welchem preiswerte Zell­ raumringe aus Kunststoff für den Aufbau des Zellenblockes eingesetzt werden können, ohne daß die Kunststoff-Zellraumringe aufgrund der hohen Drücke innerhalb der Elektrolysezellen zerstört werden.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäße Druckelektrolyseur besitzt den Vorteil, daß bei diesem zur Trennung der einzelnen Elektrolysezellen Zellraumringe aus dielektrischem Kunststoff eingesetzt werden können, weil der Druck innerhalb und außerhalb der Elektrolysezellen gleich ist oder annähernd gleich gehalten wird, so daß die Zellraumringe radial nicht auf Druck belastet sind. Dadurch ist ein derartiger Druckelektrolyseur erheblich preiswerter als ein Druckelektrolyseur mit dielektrischen Metallringen als Zellraumringe, weil nunmehr billige Zellraumringe aus Kunststoff verwendet werden können und das zusätzliche Druckrohr preislich praktisch nicht ins Gewicht fällt. Des weiteren ist der erfindungsgemäße Druckelektrolyseur gegen äußere Beschädigungen und Beeinträchtigungen in einem sicheren Druckrohr untergebracht und sicher verkapselt. Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:

Fig. 1 einen Zellenblock aus einer Mehrzahl von hintereinander­ geschalteten Elektrolysezellen eines Elektrolyseurs in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Explosionszeichnung einer Elektrolysezelle der Fig. 1 mit bipolarem Trennblech und

Fig. 3 einen in ein Druckrohr eingebauten mehrzelligen Zellenblock gemäß der Darstellung in Fig. 1.

Bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung:
In Fig. 1 ist ein mehrzelliger, zylindrischer Hochdruck-Zellenblock schematisch dargestellt, wie er in dem erfindungsgemäßen Druckelektro­ lyseur zur Anwendung gelangt. Eine einzelne Elektrolysezelle besteht gemäß der Fig. 2 aus einem Kathodenraum K bzw. 14 und einem Anodenraum A bzw. 15, die voneinander durch ein gasundurchlässiges, aber ionendurch­ lässiges Diaphragma 4 getrennt sind. Ein gelochtes Anodenblech 3a ist von einer Seite, ein gelochtes Kathodenblech 3b von der anderen Seite auf das Diaphragma 4 gepreßt. Die Elektrolysezelle ist durch ein Trennblech 5 von der nächsten Zelle getrennt. Dabei werden die Trennbleche 5 von den beidseitig benachbarten Anodenblechen 3a sowie Kathodenblechen 3b mittels torus­ förmiger dielektrischer Zellraumringe 9 beabstandet, wobei die nächste Zelle den gleichen Aufbau hat wie die vorhergehende. Innerhalb der Zellraumringe 9 oder auf dieselben aufgesetzt können bei Bedarf Abstandshalter 7, vorzugsweise aus Kunststoff, montiert sein, die die Form von kleinen Klötzchen oder von Ringen aufweisen, und in denen sich je ein Durchtrittsloch für den Durchtritt des Elektrolyten in die Elektrolysezelle und für den Gasaustritt zusammen mit nichtverbrauchtem Elektrolyt befindet.

Die in Fig. 1 dargestellten sechs Zellen werden durch die beiden Endflansche 2 und 13 mittels Schraubenbolzen 11 und 11′ mit Unterlagscheiben 12 und Kontermuttern 16, die mittels Federringen 18 verspannt sind, zusammengepreßt. Der Endflansch 2 wird mit dem positiven Pol, der Endflansch 13 mit dem negativen Pol einer Gleichstromquelle verbunden, wobei die Endflansche 2, 13 auf einem Sockel 10 ruhen.

Die gelochten Anodenbleche 3a sowie gelochten Kathodenbleche 3b werden durch gewellte siebartige Andrückbleche 17 innerhalb des Anoden- bzw. Kathodenraumes 15 bzw. 14 gegen das Diaphragma 4 gedrückt. Die Andrück­ bleche 17 stellen auch die elektrische Verbindung einer Elektrolysezelle zwischen den Endflanschen 2 und 13 und Elektroden bzw. den bipolaren Trennblechen 5 her.

Das Gemisch aus Kalilauge und Wasser (KOH-H₂O-Gemisch) wird unter Überdruck über einen peripher angeordneten Elektrolytkanal 6, der vorzugsweise am tiefsten Punkt jeder Elektrolysezelle in diese einmündet und der alle Elektrolysezellen durchsetzt, diesen zugeführt. Vorzugsweise verläuft der Elektrolytkanal 6 quer durch das periphere Material aller Zellraumringe 9 und Ausgleichsdichtungen 8. Der entstandene Wasserstoff strömt über eine Öffnung im oberen Teil des Kathodenraums 14 in einen Wasserstoffkanal 1, der sämtliche Elektrolysezellen durchsetzt und der ebenfalls peripher angeordnet dem Elektrolytkanal 6 entgegengesetzt liegt, so daß der gesamte Durchmesser der Elektrolysezelle für den Elektrolyseprozeß zur Verfügung steht. Parallel zum Wasserstoffkanal 1 verläuft ein Sauerstoffkanal 23 (Fig. 2), und zwar in der Fig. 1 dahinter, weshalb der Sauerstoffkanal in Fig. 1 nicht sichtbar ist. Dabei reißen die Gase den nichtverbrauchten Elektrolyten mit, weshalb anschließend die Gase in (nichtgezeigten) Separationsbehältern von dem Elektrolyten gereinigt und getrennt werden.

Fig. 2 zeigt eine Explosionszeichnung einer Elektrolysezelle, aus denen der Zellenblock der Fig. 1 aufgebaut ist, mit bipolarem kreisförmigem Trenn­ blech 5, torusförmigem Zellraumring 9, kreisförmigen Andrückblechen 17, kreisförmigen Elektroden 3 und kreisförmigem Diaphragma 4 und einer dielektrischen torusförmigen Ausgleichsdichtung 8. Man erkennt den untenliegenden Elektrolytkanal 6 zum Zuführen des Elektrolyten bzw. des KOH-H₂O-Gemisches und die obenliegenden Wasserstoff- und Sauerstoff­ kanäle 1 bzw. 23. Der Zellraumring 9 und die Ausgleichsdichtung 8 müssen aus einem elektrisch nichtleitenden Material hergestellt sein. In dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel weisen die Zellraumringe 9 je zwei sich diametral gegenüberliegende Schlitze 24, 24′ auf, in denen die klötzchenförmigen Abstandshalter 7 montiert sind und durch die der Elektrolytkanal 6 verläuft. Gemäß der Fig. 3 ist ein derartiger Zellenblock, wie er vorstehend in den Fig. 1 und 2 beschrieben ist, in ein, vorzugsweise zylindrisches, Druckrohr 20 einbaut. Das Druckrohr 20 besteht aus druckfestem Stahl und ist innen auf der inneren Mantelfläche in geeigneter Weise elektrisch nichtleitend beschichtet bzw. mit einem Dielektrikum versehen. Im Bereich der tiefsten Linie des Druckrohres 20 befindet sich innerhalb desselben ein Elektrolytkanal 6 zur Zuführung des Gemisches aus Kalilauge und Wasser (KOH-H₂O-Gemisch) zu sämtlichen Elektrolysezellen.

Der Anodenraum und der Kathodenraum einer Elektrolysezelle werden durch die torusförmigen Zellraumringe 9 hergestellt. Beide Zellraumringe 9 bestehen aus einem dielektrischen Kunststoff, der ebenso gegen Kalilauge beständig ist. Zwischen den beiden Zellraumringen 9 befindet sich das Diaphragma 4, auf das die gelochten Anodenbleche 3a bzw. Kathodenbleche 3b gepreßt sind. Die Andrückbleche 17 drücken die Elektroden 3 auf die Diaphragmen und stellen die elektrischleitende Verbindung zwischen dem Anschlußflansch 2, dem Anschlußflansch 13 sowie den bipolaren Trenn­ blechen 5 her. Das Druckrohr 20 ist an seinen Enden durch die Endflansche 2 und 13 verschlossen, die gleichzeitig die Endflansche des Zellenblocks sind; die Endflansche 2 und 13 sind gemäß Fig. 1 durch Schraubenbolzen und Kontermuttern verspannt, die in Fig. 3 weggelassen sind. In den End­ flanschen 2, 13 ist ein Anschluß 25 für den Elektrolytkanal 6 und Austrittsöffnungen 22, 22′ für den Austritt der Gase, vermischt mit Elektrolyt, angeordnet, in die die in Fig. 3 nichtgezeigten Gaskanäle 1 bzw. 23 münden.

Innerhalb des Druckrohres 20 befindet sich, vorzugsweise im Bereich der höchsten Linie, eine Bohrung 23, in die ein Kanal 19 mündet, der mit dem Elektrolytkanal 6 verbunden ist, so daß der Innenraum des Druckrohres 20 außerhalb des Zellenblocks mit dem Gemisch aus Kalilauge und Wasser gefüllt ist. Auf diese Weise herrschen innerhalb und außerhalb der Zellräume der Elektrolysezellen gleiche hydraulische Drücke, so daß die Zellraumringe 9 und 24 nicht in radialer Richtung auf Druck belastet sind und deshalb beispielsweise aus dielektrischen Polymeren hergestellt sein können.

Ebenso ist es möglich, innerhalb des Druckrohres 20 einen Gasdruck aufrechtzuerhalten, der dem in den Elektrolysezellen entwickelten Gasdruck während des Elektrolyseprozesses entspricht.

Bezugszeichenliste

1 Wasserstoffkanal
2 Endflansch
3a Anodenblech
3b Kathodenblech
4 Diaphragma
5 Trennblech
6 Elektrolytkanal
7 Abstandshalter
8 Ausgleichsdichtung
9 Zellraumring
10 Sockel
11, 11′ Schraubenbolzen
12 Unterlegscheibe
13 Endflansch
14 Kathodenraum
15 Anodenraum
16 Kontermutter
17 Andrückbleche
18 Federring
19 Kanal
20 Druckrohr
21 Bohrung
22, 22′ Ausstrittsöffnungen
23 Sauerstoffkanal
24, 24′ Schlitze
25 Anschluß des Elektrolytkanals

Claims (5)

1. Druckelektrolyseur zur Zersetzung von Wasser in die Gase Wasserstoff und Sauerstoff bei hohen Drücken, bestehend aus einem gekapselten Zellenblock aus einzelnen Elektrolysezellen, die voneinander durch Trennbleche (5) getrennt sind, denen beidseitig Anodenbleche (3a) sowie Kathodenbleche (3b) benachbart sind und die mittels Zellraumringe (9, 24) beabstandet sind, wobei den Elektrolysezellen gemeinsam über einen Elektrolytkanal (6) ein Elektrolyt, vorzugsweise ein Gemisch aus Kalilauge und Wasser, zugeführt und über gemeinsame Gasleitungen (1, 23) Wasserstoff und Sauerstoff getrennt abgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenblock innerhalb eines Druckrohres (20) für hohe Drücke eingesetzt ist, welches durch zwei Flansche (2, 13) an beiden Enden verschlossen ist, die die Endflansche des Zellenblocks bilden und welches einen Anschluß (24) für die Elektrolytzuleitung (6) sowie Anschlüsse (22, 22′) für die abgehenden Gasleitungen (1, 23) aufweist und innerhalb des Druckrohres (20) ein Druck herrscht, der in etwa dem in den Elektrolyse­ zellen beim Elektrolyseprozeß entstehenden Gasdruck entspricht und das Druckrohr (20) innen unter dem hydraulischen Druck des den Elektrolyse­ zellen unter Druck zugeführten Elektrolyten steht und daß die Zellraum­ ringe (9, 24) aus einem elektrisch nichtleitenden und laugebeständigen Kunststoff bestehen.

2. Druckelektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytkanal (6) über einen Kanal (19), der in eine Bohrung (21) innerhalb der Wandung des Druckrohres (20) mündet, mit dem Inneren des Druckrohres (20) außerhalb des Zellenblockes in Verbindung steht.

3. Druckelektrolyseur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytkanal (6) quer durch das periphere Material aller Zell­ raumringe (9) verläuft.

4. Druckelektrolyseur nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektrolytkanal (6) entgegengesetzt der Wasserstoffkanal (1) peripher angeordnet liegt, zu dem der Sauerstoffkanal (23) parallel verläuft.

5. Druckelektrolyseur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenblock ein Hochdruck-Zellenblock ist.