AT528135B1

AT528135B1 - Elektrolysemodul und Elektrolyseur

Info

Publication number: AT528135B1
Application number: ATA50951/2024A
Authority: AT
Inventors: Kamencek Ddipl -Ing Dr Techn Bsc Bsc Tomas
Original assignee: Andritz Ag Maschf
Priority date: 2024-12-03
Filing date: 2024-12-03
Publication date: 2025-10-15
Also published as: AT528135A4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrolysemodul (1) zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse, umfassend eine Anode (2), eine Kathode (3) und eine Trennschicht (4), die zwischen der Anode (2) und der Kathode (3) angeordnet ist, zwei elektrisch isolierende und im Wesentlichen baugleiche Stützrahmen (10, 10‘), die an ihren Rändern miteinander verbunden sind, wobei die Anode (2) mit dem ersten Stützrahmen (10) verbunden ist, und die Kathode (3) mit dem zweiten Stützrahmen (10‘) verbunden ist, sodass ein Anodenraum (6) und ein Kathodenraum (7) gebildet sind, wobei im anodenseitigen Stützrahmen (10) und im kathodenseitigen Stützrahmen (10‘) je zwei Sammelzuleitungen (8, 8‘) für die Zuleitung von Elektrolysemedium und je zwei Sammelableitungen (9, 9‘) für die Ableitung von Elektrolyse- und Produktmedium vorgesehen sind, und wobei die Stützrahmen (10, 10‘) derart angeordnet sind, dass die Sammelzuleitungen (8, 8‘) und die Sammelableitungen (9, 9‘) benachbarter Stützrahmen (10, 10‘) im Wesentlichen deckungsgleich angeordnet sind, wobei in den Stützrahmen (10, 10‘) jeweils eine der Sammelzuleitungen (8, 8‘) einen ersten magnetischen Stromsensor (12, 12‘), und jeweils eine der Sammelableitungen (9, 9‘) zweiten magnetischen Stromsensor (13, 13‘) aufweisen.

Description

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Beschreibung

ELEKTROLYSEMODUL UND ELEKTROLYSEUR

[0001] Die Erfindung betrifft ein Elektrolysemodul und einen Elektrolyseur mit einem derartigen Elektrolysemodul.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind Elektrolyseure zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse bekannt. Diese dienen zur elektrochemischen Zerlegung eines wässrigen Elektrolysemediums in Wasserstoff und Sauerstoff und umfassen eine, vom Elektrolysemedium durchströmte Elektrolysezelle mit einer elektrischen Anode in einer Anodenkammer und einer elektrischen Kathode in einer Kathodenkammer. Die Anodenkammer und die Kathodenkammer sind durch eine permeable Membran (Diaphragma) getrennt und werden vom wässrigen Elektrolysemedium umspült. Durch das Anlegen von Spannung entstehen an der Kathode Hydroxid-Ionen (OH-) und gasförmiger Wasserstoff (H2). Die negativ geladenen Hydroxid-lonen bewegen sich durch die Membran von der Kathodenkammer in die Anodenkammer, wo sich in der Folge gasförmiger Sauerstoff (O2) und Wasser bildet. Der erzeugte Wasserstoff und der erzeugte Sauerstoff werden in Separatoren vom Elektrolysemedium getrennt und können als Produktgase weiterverwendet werden.

[0003] Die alkalische Elektrolyse bietet eine hohe Lebensdauer und ermöglicht große Anlagenleistungen. Aktueller Stand der Technik sind Elektrolyseure auf Basis von Einzelzellen, die unter atmosphärischem Druck oder leichtem Überdruck arbeiten und zu größeren Systemen zusammengeschalten werden, oder druckbehaftete Elektrolyseure, die als integrierte Multizellen Stacks ausgeführt sind und bei Temperaturen von 60°C bis 90°C und Drücken von 10 bar bis zu etwa 30 bar arbeiten.

[0004] Durch die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolysemediums fließen ionische Ströme im Betrieb eines alkalischen Elektrolyseurs über die Sammelleitungen (Zuleitungen und Ableitungen) an der eigentlichen Elektrolysezelle vorbei. Durch dieses Phänomen der sogenannten Streuströme wird die elektrochemische Effizienz der Elektrolyse geschmälert, da die an der Reaktion vorbeigehenden Ströme nicht für die Elektrolyse und somit für die Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff genutzt werden können. Besonders im Falle von alkalischen Elektrolyseuren unter Druck ist dies ein Problem, da das produzierte Gas stark komprimiert ist. Hierdurch ist die elektrische Leitfähigkeit der Ableitung effektiv erhöht, das heißt, der relative Volumenanteil elektrisch leitfähiger Lauge im Auslass ist höher verglichen mit dem komprimierten Gasanteil.

[0005] Im Betrieb des Elektrolyseurs ist es wichtig, den Anteil der Streuströme zu kennen, um die Faraday-Effizienz, also Verhältnis des für die Elektrolyse nutzbaren Stroms und des gesamten eingebrachten Stroms, des Elektrolyseurs einschätzen zu können. Besonders im Teillastbetrieb nimmt die Faraday-Effizienz üblicherweise ab. Um dennoch einen effizienten Betrieb ermöglichen zu können, ist es wichtig, die Streuströme zu kennen.

[0006] Die Druckschrift WO2023156551A1 beschreibt ein Verfahren zur berührungslosen Messung von Stromdichten in einem Elektrolyseur-Stapel und den Aufbau eines entsprechenden Elektrolyseurs. Dabei werden Sensoren genutzt, die magnetische Flussänderungen erfassen und in speziell vorgesehenen Aussparungen innerhalb der Isolationsplatten des Elektrolyseurs platziert sind. Das heißt, die Sensoren sind jeweils am Ende einer Sammelleitung angeordnet. Information über die Streuströme können daher nur für den gesamten Elektrolyseur-Stapel erhalten werden.

[0007] Weitere bekannt Elektrolysemodule sind in US 11629076 B2, CN 113767190 A, JP S57185992 A, JP 7454428 B2 und CA 2435902 C gezeigt.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es nun, die angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen.

[0009] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Effizienz, insbesondere die FaradayEffizienz, des Elektrolyseurs und/oder der einzelnen Elektrolysezellen zu bestimmen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung kann die verbesserte Steuerung des Elektrolyseurs im Betrieb sein.

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[0010] Diese und andere Aufgaben werden durch ein Elektrolysemodul gemäß Anspruch 1 und einem Elektrolyseur gemäß Anspruch 8 gelöst.

[0011] Ein erfindungsgemäßes Elektrolysemodul zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse, umfasst eine Anode, eine Kathode und eine im Wesentlichen ionendurchlässige und elektrisch isolierende Trennschicht, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Das Elektrolysemodul umfasst ferner zwei elektrisch isolierende und im Wesentlichen baugleiche Stützrahmen, die an ihren Rändern miteinander verbunden sind. Die Anode ist mit dem ersten Stützrahmen verbunden, und die Kathode ist mit dem zweiten Stützrahmen verbunden, sodass ein Anodenraum und ein Kathodenraum gebildet sind.

[0012] Im anodenseitigen Stützrahmen und im kathodenseitigen Stützrahmen sind je zwei Sammelzuleitungen für die Zuleitung von Elektrolysemedium und je zwei Sammelableitungen für die Ableitung von Elektrolyse- und Produktmedium vorgesehen. Die Stützrahmen sind derart angeordnet, dass die Sammelzuleitungen und die Sammelableitungen benachbarter Stützrahmen im Wesentlichen deckungsgleich angeordnet sind. In den Stützrahmen weist jeweils eine der Sammelzuleitungen einen ersten magnetischen Stromsensor und jeweils eine der Sammelableitungen einen zweiten magnetischen Stromsensor auf.

[0013] Durch ein derartiges Elektrolysemodul können die Streuströme und somit die Effizienz während des Betriebes von einzelnen Elektrolysemodulen bzw. Elektrolysezellen, insbesondere kontaktlos, ermittelt werden.

[0014] Die alkalische Wasserstoffelektrolyse kann die Elektrolyse mittels wässriger Kaliumhydroxidlösung (KOH) oder wässriger Natriumhydroxidlösung (NaOH) als Medium umfassen. Als Medium sind somit die Laugen KOH und NaOH, die Gase H2 und O,, sowie Mischungen dieser Substanzen zu verstehen.

[0015] Das Elektrolysemodul kann zum Aufbau eines Elektrolysestacks vorgesehen sein. Das Elektrolysemodul kann auch als abgeschlossene Elektrolysezelle ausgebildet sein.

[0016] Das Elektrolysemodul ist vorzugsweise als Zero-gap System ausgeführt. Das Zero-gap System erlaubt den direkten Kontakt der Elektroden mit der Trennschicht, wodurch eine höhere Stromdichte (z.B. bis zu 1000 mA/cm?) möglich ist als bei Elektrolysezellen, bei denen die Elektroden weiter voneinander entfernt angeordnet sind. Diese Ausführungsform erlaubt eine kompakte Bauweise und minimiert Überspannungen.

[0017] Die ionendurchlässige Trennschicht ist elektrisch isolierend, damit es nicht zu Kurzschlüssen zwischen den Elektroden kommt. Die Trennschicht ist vorzugsweise 0.05 mm bis 1 mm dick und permeabel. Die Trennschicht kann als permeable Membran oder als Diaphragma ausgebildet sein. Die lonendurchlässigkeit ist durch Lauge, die in die Trennschicht eindringt, gegeben. Gas kann aufgrund der Polarität des Materials nicht durch die Trennschicht diffundieren, da die Trennschicht unpolare Verbindungen wie H2 und O2 im Wesentlichen abstößt. OH - lonen können jedoch durch die Trennschicht diffundieren. Gase können in gelöster Form, aber nicht in gasförmiger Form, solange ein bestimmter treibender Druckgradient nicht überschritten wird, ebenso durch die Trennschicht diffundieren.

[0018] Die Trennschicht kann beispielsweise ein Textilgewebe aus Kunststofffasern mit oder ohne zusätzlicher hydrophiler Beschichtung sein. Ferner kann als Trennschicht auch ein Polyphenylensulfid-gewebe, dass mit einer Mischung aus einem Polymer (z. B. Polysulfon) und Zirconiumoxid (ZrO2) beschichtet ist, vorgesehen sein.

[0019] Die Stützrahmen des Elektrolysemoduls können beispielweise durch Schraubverbindungen miteinander verbunden sein. Die Tiefe eines Stützrahmens kann etwa 1 cm bis etwa 10 cm betragen. Dadurch wird ein stabiler Stützrahmen gebildet, der dazu geeignet ist, im Inneren des Elektrolysemoduls herrschende radiale Druckkräfte aufzunehmen. Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass der Stützrahmen im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist. Der Stützrahmen kann aber auch die Form eines quadratischen oder rechteckig geformten Rahmens haben. Zur besseren Aufnahme von radialen Druckkräften ist jedoch ein ringförmiger Stützrahmen bevorzugt, vor allem bei größeren Dimensionen. Zur Abdichtung der Stützrahmen ist gegebenenfalls

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eine umlaufende Kunststoffdichtung vorgesehen.

[0020] Die Anode kann Nickel oder eine Nickellegierung, mit oder ohne Beschichtung umfassen. Die Kathode kann Nickel oder eine Nickellegierung, mit oder ohne Beschichtung umfassen. Die Beschichtungen kann sowohl nicht edie Metalle oder Mineralien, als auch Edelmetalle wie Platin, Ruthenium oder Iridium umfassen. Die Elektroden sind vorzugsweise porös, um Kontrolle über die Verteilung der Reaktion und den Transport der Stoffe zu ermöglichen.

[0021] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass in den Stützrahmen jeweils eine der Sammelzuleitungen eine Modulzuleitung in den Anodenraum oder Kathodenraum aufweist, und jeweils eine der Sammelableitungen eine Modulableitung aus dem Anodenraum oder Kathodenraum aufweist, wobei die Stromsensoren ringförmig um jene Sammelzuleitungen und Sammelableitungen angeordnet sind, die keine Modulzuleitung oder Modulableitung aufweisen.

[0022] Hierdurch können die Modulzuleitung, die Modulableitung und die magnetischen Stromsensoren in ausreichendem Abstand voneinander angeordnet werden. Ferner kann der magnetische Stromsensor hierdurch als umlaufender magnetischer Ringkern zur induktiven Messung von Strom dimensioniert werden. Auch können die magnetischen Stromsensoren hierdurch leichter elektrisch isoliert angeordnet werden.

[0023] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Sammelzuleitungen und Sammelableitungen axial verlaufende und vorzugsweise kreisförmige Ausnehmungen in den Stützrahmen sind. Dadurch kann Material und Platz für zusätzliche Leitungen gespart werden. Die Ausnehmungen können derart aneinandergefügt werden, dass eine flüssigkeitsdichte Leitung gebildet ist.

[0024] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Stützrahmen Kunststoff umfassen oder daraus bestehen. Der Kunststoff ist vorzugsweise nichtleitend. Hierdurch wird ein elektrisch isolierender Stützrahmen gebildet. Außerdem kann der Stützrahmen leichter im Vergleich zu herkömmlichen Metallstützrahmen sein. Der Kunststoff ist unter Betriebsbedingungen im Wesentlichen korrosionsbeständig. Geeignete Kunststoffe sind beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluoroethylene (PTFE) oder ähnliche, gegebenenfalls mit oder auch ohne Glasfaserverstärkung.

[0025] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Stromsensoren zur galvanisch getrennten Messung des durch die Sammelzuleitungen und Sammelableitungen fließenden elektrischen Stroms ausgebildet sind, und wobei ein Übertragungselement zur drahtlosen oder drahtgebundenen Übertragung der Messwerte vorgesehen ist.

[0026] Hierdurch können Signale der Sammelzuleitungen und der Sammelableitungen von den magnetischen Stromsensoren unabhängig voneinander erfasst und/oder verarbeitet werden.

[0027] Der magnetische Stromsensor kann beispielsweise durch einen Eisenkern und ein Hallelement gebildet sein. Der magnetische Stromsensor kann gegebenenfalls im Stützrahmen und räumlich durch einen Materialsteg, der den Einbau einer geeigneten Dichtung erlaubt, getrennt von den Sammelzuleitungen und Sammelableitungen angeordnet sein.

[0028] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass eine elektrisch leitende Abschlussplatte flüssigkeitsdicht an einem oder beiden Stützrahmen angeordnet ist, wobei die Abschlussplatte Ausnehmungen für die Sammelzuleitungen und Sammelableitungen aufweist.

[0029] Das Elektrolysemodul kann beispielweise als einzelne Zelle mit je einer Abschlussplatte an je einem der Stützrahmen ausgebildet sein. Eine Abschlussplatte kann auch zwei oder mehr aneinander geordnete Elektrolysemodule voneinander trennen.

[0030] Die Abschlussplatte kann als laugenbeständiges, metallisches Blech mit einer Dicke von etwa 0,8 mm bis etwa 1,2 mm, vorzugsweise etwa 1,0 mm, ausgebildet sein. Die Abschlussplatte kann einen laugenbeständigen Edelstahl, Nickel oder eine Nickel-Legierung umfassen oder daraus bestehen.

[0031] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Elektrolysemedium eine Kaliumhydro-

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xidlösung KOH oder Natriumhydroxidlösung NaOH mit Konzentrationen im Bereich von 10-30% bezogen auf die Masse ist.

[0032] Erfindungsgemäß kann ferner ein Elektrolyseur vorgesehen sein, der mehrere erfindungsgemäße Elektrolysemodule umfasst, wobei die einzelnen Elektrolysemodule derart als Elektrolysestack aneinandergereiht angeordnet sind, dass die Sammelzuleitungen und Sammelableitungen deckungsgleich durch den gesamten Elektrolysestack verlaufen.

[0033] Hierdurch kann Platz gespart werden und eine aufwendige Verrohrung vermieden werden. Es können gegebenenfalls die Streuströme einzelner Elektrolysemodule bzw. von ElektroIysezellen innerhalb eines Elektrolyseurs ermittelt werden. Hieraus kann auf die Effizienz einzelner Zellen und des gesamten Elektrolyseurs während des Betriebes geschlossen werden.

[0034] Der gebildete Elektrolysestack kann zwischen einem elektrischen Plus-Pol und einem elektrischen Minus-Pol angeordnet sein.

[0035] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Elektrolysemodule des Elektrolyseurs zwischen zwei massiven Endplatten angeordnet sind. Zwischen den Endplatten und den Polen sind gegebenenfalls Isolierelemente angeordnet.

[0036] Die Endplatten sind durch vorzugsweise durch mehrere Zugstangen fest verspannt.

[0037] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Elektrolysemodule unter einem Druck von über 10 bar, vorzugsweise etwa 30 bar steht.

[0038] Die Elektrolysemodule sind vorzugsweise durch Abschlussplatten voneinander getrennt angeordnet. Es können eine Vielzahl von Elektrolysemodulen aneinandergereiht sein, insbesondere zwischen 100 und 200.

[0039] Die Erfindung wird nun an Hand von nicht-ausschließlichen Ausführungsbeispielen näher erläutert.

[0040] Es zeigen:

[0041] Fig. 1a eine schematische Schrägansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektrolysemoduls;

[0042] Fig. 1b eine Schnittdarstellung A-A des Elektrolysemoduls aus Fig. 1a; [0043] Fig. 1c eine Schnittdarstellung B-B des Elektrolysemoduls aus Fig. 1a;

[0044] Fig. 1d eine schematische Schrägansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektrolysemoduls gemäß Fig. 1a ohne Abschlussplatte;

[0045] Fig. 2a zeigt einen schematischen Querschnitt eines Elektrolyseurs durch die angeinandergeordneten Elektrolysemodule gemäß Fig. 1b;

[0046] Fig. 2b zeigt die schematische Stromverteilung in einem Elektrolyseur gemäß Fig. 2a in den Sammelzuleitungen der Elektrolysemodule;

[0047] Fig. 2c zeigt die schematische Stromverteilung in einem Elektrolyseur gemäß Fig. 2a in den Sammelableitungen der Elektrolysemodule.

[0048] Fig. 1a zeigt eine schematische Schrägansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektrolysemoduls 1. Das Elektrolysemodul 1 weist zwei Stützrahmen 10, 10‘ auf, die ringförmig ausgebildet sind.

[0049] Die Stützrahmen 10, 10‘ sind aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet, in diesem Fall einem Kunststoff, vorzugsweise PEEK. Die Stützrahmen 10, 10‘ sind im Wesentlichen baugleich und an ihren Rändern miteinander verbunden. Ferner sind an den Außenseiten der Stützrahmen 10, 10‘ Abschlussplatten 5 flüssigkeitsdicht angeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf eine Darstellung der erforderlichen Dichtungen verzichtet.

[0050] In den Stützrahmen 10, 10‘ und in den Abschlussplatten 5 sind je zwei Sammelzuleitungen 8, 8‘ und zwei Sammelableitungen 9, 9‘ für die Zuleitung und Ableitung von Elektrolysemedium

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deckungsgleich angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist je eine Sammelzuleitung 8, 8‘ im äußeren Rand des Stützrahmens 10,10‘ gegenüber von je einer Sammelableitung 9, 9‘ angeordnet. Auch sind die Stützrahmen 10, 10‘ so angeordnet, dass die Sammelzuleitungen 8, 8‘ und die Sammelableitungen 9, 9‘ benachbarter Stützrahmen 10, 10° im Wesentlichen deckungsgleich angeordnet werden können. Die Sammelzuleitungen 8, 8‘ und Sammelableitungen 9, 9‘ sind als axial verlaufende kreisförmige Ausnehmungen im Stützrahmen 10, 10‘ und in der Abschlussplatte 5 ausgebildet.

[0051] Fig. 1b und 1c zeigen schematische Querschnittsansicht entlang der Schnitte A-A und BB des Elektrolysemoduls 1 der Fig. 1a. Das Elektrolysemodul 1 weist zwei Stützrahmen 10, 10‘ auf, die ringförmig ausgebildet sind. In den Stützrahmen 10, 10‘ sind je zwei Sammelzuleitungen 8, 8‘ und zwei Sammelableitungen 9, 9‘ für die Zuleitung und Ableitung von Elektrolysemedium deckungsgleich angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist je eine Sammelzuleitung 8, 8‘ im äußeren Umfang des Stützrahmens 10, 10‘ gegenüber von je einer Sammelableitung 9, 9‘ angeordnet. Auch sind die Stützrahmen 10, 10‘ so angeordnet, dass die Sammelzuleitungen 8, 8‘ und die Sammelableitungen 9, 9‘ benachbarter Stützrahmen 10, 10‘ im Wesentlichen deckungsgleich angeordnet sind. Die Sammelzuleitungen 8, 8‘ und Sammelableitungen 9, 9‘ sind als axial verlaufende kreisförmige Ausnehmungen ausgebildet.

[0052] Fig. 1b zeigt ein Elektrolysemodul 1 mit einer Anode 2, die mit einem ersten Stützrahmen 10 verbunden ist und einer Kathode 3, die mit dem zweiten Stützrahmen 10‘ verbunden ist.

[0053] Zwischen der Anode 2 und der Kathode 3 ist eine elektrisch isolierende Trennschicht 4 angeordnet. Die Trennschicht 4 ist als Diaphragma ausgebildet.

[0054] Der Stützrahmen 10 und die Anode 2 bilden einen Anodenraum 6. An dem Stützrahmen 10 eine Abschlussplatte 5 flüssigkeitsdicht angeordnet, sodass der Anodenraum 6 durch den Stützrahmen 10, die Anode 2 und die Abschlussplatte 5 begrenzt ist. Die Abschlussplatte 5 ist als dünnes, elektrisch leitendes Metallblech ausgebildet.

[0055] Der Stützrahmen 10‘ und die Kathode 3 bilden einen Kathodenraum 7. An dem Stützrahmen 10° ist eine Abschlussplatte 5 flüssigkeitsdicht angeordnet, sodass der Kathodenraum 7 durch den Stützrahmen 10‘, die Kathode 3 und die Abschlussplatte 5 begrenzt ist. Die Abschlussplatte 5 ist als dünnes, elektrisch leitendes Metallblech ausgebildet.

[0056] Durch die Stützrahmen 10, 10‘ verläuft im Schnitt A-A eine Sammelzuleitung 8 und eine Sammelableitung 9. Die Sammelzuleitung 8 und die Sammelableitung 9 werden durch einander zugewandte, kreisförmige Ausnehmungen in den Stützrahmen 10,10‘ und den Abschlussplatten 5 gebildet.

[0057] Der anodenseitige Stützrahmen 10 weist eine Sammelzuleitung 8 auf. Im Stützrahmen 10 ist um die Sammelzuleitung 8 ein erster magnetischer Stromsensor 12 angeordnet. Die Sammelzuleitung 8 weist im kathodenseitigen Stützrahmen 10‘ eine Modulzuleitung 14‘ auf, sodass Elektrolysemedium in den Kathodenraum 7 geleitet werden kann.

[0058] Im anodenseitigen Stützrahmen 10 weist die Sammelableitung 9 eine Modulableitung 15 zum Ableiten des Elektrolysemediums und des produzierten Gases O>; auf. Im kathodenseitigen Stützrahmen 10‘ ist um diese Sammelableitung 9 ein zweiter magnetischer Stromsensor 13° angeordnet.

[0059] Fig. 1c zeigt den Schnitt B-B des Elektrolysemoduls 1. Durch die Stützrahmen 10, 10‘ verläuft im Schnitt B-B eine Sammelzuleitung 8‘ und eine Sammelableitung 9‘.

[0060] Die Sammelzuleitung 8‘ und die Sammelableitung 9‘ werden durch einander zugewandte, kreisförmige Ausnehmungen in den Stützrahmen 10,10‘ und den Abschlussplatten 5 gebildet.

[0061] Der kathodenseitige Stützrahmen 10‘ weist eine Sammelzuleitung 8‘ auf. Im Stützrahmen 10‘ ist um diese Sammelzuleitung 8‘ ein erster magnetischer Stromsensor 12‘ angeordnet. Die Sammelzuleitung 8‘ weist im Stützrahmen 10 eine Modulzuleitung 14 auf, sodass Elektrolysemedium in den Anodenraum 6 geleitet werden kann.

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[0062] Im kathodenseitigen Stützrahmen 10‘ weist die Sammelableitung 9‘ eine Modulableitung 15‘ zum Ableiten des Elektrolysemediums und des produzierten Gases H; auf. Im anodenseitigen Stützrahmen 10 ist um diese Sammelableitung 9‘ ein zweiter magnetischer Stromsensor 13 angeordnet.

[0063] Fig. 1d zeigt die schematische Darstellung eines Elektrolysemoduls 1 gemäß Fig. 1a ohne Abschlussplatten 5 mit Blick den Anodenraum 6 mit der innenliegenden Anode 2. Durch die Stützrahmen 10, 10‘ verlaufen im unteren Bereich Sammelzuleitungen 8, 8‘ und im oberen Bereich Sammelableitungen 9, 9‘. Die Sammelzuleitungen 8, 8‘ und die Sammelableitung 9, 9‘ sind jeweils durch deckungsgleiche kreisförmige Ausnehmungen in den Stützrahmen 10, 10‘ gebildet.

[0064] Der anodenseitige Stützrahmen 10 weist eine Sammelzuleitung 8‘ mit einer Modulzuleitung 14 auf, sodass Elektrolysemedium in den Anodenraum 6 geleitet werden kann. Im kathodenseitige Stützrahmen 10‘ ist um die Sammelzuleitung 8‘ ein (nicht dargestellter) erster magnetischer Stromsensor 12‘ angeordnet.

[0065] Der kathodenseitige Stützrahmen 10‘ weist eine Sammelableitung 9‘ mit einer (nicht dargestellten) Modulableitung 15‘ zum Ableiten des Elektrolysemediums und des produzierten Gases H, aus dem Kathodenraum 7 auf. Im anodenseitigen Stützrahmen 10 ist um diese Sammelableitung 9‘ ein zweiter magnetischer Stromsensor 13 angeordnet.

[0066] In den Stützrahmen 10, 10‘ weist also je eine Sammelzuleitung 8, 8‘ eine Modulzuleitung 14, 14‘ in den Anodenraum 6 oder in den Kathodenraum 7 auf. Je eine Sammelableitung 9, 9‘ weist eine Modulableitung 15, 15° aus dem Anodenraum 6 und aus dem Kathodenraum 7 auf.

[0067] Die ersten und zweiten elektrischen Stromsensoren 12, 12‘, 13, 13‘ sind in dem Stützrahmen 10,10‘ jeweils um jene Sammelzuleitungen 8, 8‘ und Sammelableitungen 9, 9‘ angeordnet, die keine Modulzuleitung 14, 14‘ oder Modulableitung 15, 15‘ aufweisen.

[0068] Die Modulzuleitungen 14, 14° und Modulableitungen 15, 15‘ sind in diesem Ausführungsbeispiel als eckige Öffnungen ausgebildet. Sie können aber auch rund ausgebildet sein, beispielsweis in Form von Bohrungen.

[0069] Die Stromsensoren 12, 12‘, 13, 13‘ sind zur galvanisch getrennten, induktiven Messung des durch die Sammelzuleitungen 8, 8‘ und Sammelableitungen 9, 9° fließenden elektrischen Stroms ausgebildet. Sie können einen Eisenkern umfassen, der die Sammelleitungen 8, 8‘, 9, 9‘ umgibt. Ferner können die Stromsensoren 12, 12‘, 13, 13‘ Übertragungselemente zur drahtlosen oder drahtgebundenen Übertragung der Messwerte vorgesehen. Die Stromsensoren 12, 12‘, 13, 13‘ können ferner ein Hall-Element umfassen.

[0070] Fig. 2a zeigt einen schematischen Querschnitt eines Elektrolyseurs mit aneinandergereihten Elektrolysemodulen 1 gemäß den Fig. 1a bis 1d. Fig. 2a zeigt schematisch den Querschnitt des Elektrolyseurs durch den Schnitt A-A eines Elektrolysemoduls 1 von Fig. 1b.

[0071] In Fig. 2a sind in den aneinandergereihten Elektrolysemodulen 1 schematisch die Sammelzuleitungen 8 für Lauge in den Kathodenraum 7 und die Sammelableitungen 9 für O2 aus dem Anodenraum 6 dargestellt. In den einzelnen Elektrolysemodulen 1 befinden sich die ersten und zweiten magnetischen Stromsensoren 12, 13‘ wie zuvor in Fig. 2a beschrieben.

[0072] Die Elektrolysemodule 1 sind durch Abschlussplatten 5 voneinander getrennt und angeordnet. Vorzugsweise sind zwei Elektrolysemodule 1 durch eine einzige Abschlussplatte 5 voneinander getrennt. Es können eine Vielzahl an Elektrolysemodulen 1, vorzugsweise zwischen 50 und 200, aneinandergereiht werden. In Figur 2a bis 2c sind exemplarisch vierzehn aneinandergereihte Elektrolysemodule 1 dargestellt. Der in der Figur dargestellte Wert X als Anzahl der Elektrolysemodule ist hier 14, X kann jedoch bis etwa 200 sein.

[0073] Im Betrieb können durch die in den Elektrolysemodulen 1 angeordneten magnetischen Stromsensoren 12, 12‘, 13, 13‘ Streuströme gemessen werden. Das Elektrolysemedium in diesem Ausführungsbeispiel ist KOH. Es kann aber auch NaOH vorgesehen sein.

[0074] Die Verteilung des Stroms innerhalb eines Elektrolyseurs ist üblicherweise wie in den mit

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dem Elektrolyseur korrespondierenden Diagrammen in den Fig. 2b und 2c ausgebildet. Auf der x-Achse sind hier die Elektrolysemodule 1 dargestellt und auf der y-Achse der Strom pro Fläche. Durch die Bestimmung der Streuströme kann die Effizienz einzelner Elektrolysemodule 1 bzw. des ganzen Elektrolyseurs bestimmt werden. Dies ist insbesondere bei einem unter Teillast betriebenen Elektrolyseur wichtig.

[0075] Fig. 2b zeigt die Stromverteilung in der Sammelzuleitung 8. Fig. 2c zeigt die Stromverteilung in der Sammelableitung 9. Aufgrund der Spannung zwischen benachbarten Zellen und der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrolyten in den Sammelzuleitungen 8 und Sammelableitungen 9 ergibt sich ein paralleler Strompfad. Der lokale Streustrom in einer Sammelableitung oder Sammelzuleitung nimmt typischerweise vom einen Ende des Elektrolyseurs zur Mitte hin zu, weil jedes Elektrolysemodul 1 einen Anteil am gesamten Streustrom liefert, die sich zur Mitte hin akkumulieren.

[0076] Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel, sondern umfasst sämtliche Elektrolysemodule und Elektrolyseure nach einem der nachfolgenden Patentansprüche.

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BEZUGSZEICHENLISTE

1 Elektrolysemodul

2 Anode

3 Kathode

4 Trennschicht

5 Abschlussplatte

6 Anodenraum

7 Kathodenraum

8, 8‘ Sammelzuleitungen

9, 9‘ Sammelableitungen

10, 10‘ Stützrahmen

12, 12‘ Erste magnetische Stromsensoren 13, 13° Zweite magnetische Stromsensoren 14, 14‘ Modulzuleitungen

15, 15‘ Modulableitungen

Claims

A ‚hes AT 528 135 B1 2025-10-15 Ss N Patentansprüche

1. Elektrolysemodul (1) zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse, umfassend:

- eine Anode (2), eine Kathode (3) und eine im Wesentlichen ionendurchlässige und elektrisch isolierende Trennschicht (4), die zwischen der Anode (2) und der Kathode (3) angeordnet ist,

- zwei elektrisch isolierende und im Wesentlichen baugleiche Stützrahmen (10, 10°), die an ihren Rändern miteinander verbunden sind, wobei die Anode (2) mit dem ersten Stützrahmen (10) verbunden ist, und die Kathode (3) mit dem zweiten Stützrahmen (10°) verbunden ist, sodass ein Anodenraum (6) und ein Kathodenraum (7) gebildet sind, wobei

o im anodenseitigen Stützrahmen (10) und im kathodenseitigen Stützrahmen (10°) je zwei Sammelzuleitungen (8, 8°) für die Zuleitung von Elektrolysemedium und je zwei Sammelableitungen (9, 9‘) für die Ableitung von Elektrolyse- und Produktmedium vorgesehen sind, und wobei

o die Stützrahmen (10, 10°) derart angeordnet sind, dass die Sammelzuleitungen (8, 8°) und die Sammelableitungen (9, 9‘) benachbarter Stützrahmen (10, 10‘) im Wesentlichen deckungsgleich angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, dass in den Stützrahmen (10, 10°) jeweils eine der Sammelzu-

leitungen (8, 8°) einen ersten magnetischen Stromsensor (12, 12‘), und jeweils eine der Sam-

melableitungen (9, 9°) zweiten magnetischen Stromsensor (13, 13°) aufweisen.

2. Elektrolysemodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Stützrahmen (10, 10°) jeweils eine der Sammelzuleitungen (8, 8°) eine Modulzuleitung (14, 14‘) in den Anodenraum (6) oder Kathodenraum (7) aufweist, und jeweils eine der Sammelableitungen (9, 9°) eine Modulableitung (15, 15°) aus dem Anodenraum (6) oder Kathodenraum (7) aufweist, wobei die Stromsensoren (12, 12‘, 13, 13°) ringförmig um jene Sammelzuleitungen (8, 8‘) und Sammelableitungen (9, 9°) angeordnet sind, die keine Modulzuleitung (14, 14°) oder Modulableitung (15, 15‘) aufweisen.

3. Elektrolysemodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelzuleitungen (8, 8°) und Sammelableitungen (9, 9‘) vorzugsweise kreisförmige Ausnehmungen in den Stützrahmen (10, 10°) sind.

4. Elektrolysemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrahmen (10, 10°) Kunststoff umfassen oder daraus bestehen.

5. Elektrolysemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsensoren (12, 12‘, 13, 13‘) zur galvanisch getrennten Messung des durch die Sammelzuleitungen (8, 8°) und Sammelableitungen (9, 9°) fließenden elektrischen Stroms ausgebildet sind, und wobei ein Übertragungselement zur drahtlosen oder drahtgebundenen Übertragung der Messwerte vorgesehen ist.

6. Elektrolysemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch leitende Abschlussplatte (5) flüssigkeitsdicht an einem oder beiden Stützrahmen (10, 10°) angeordnet ist, wobei die Abschlussplatte (5) Ausnehmungen für die Sammelzuleitungen (8, 8°) und Sammelableitungen (9, 9°) aufweist.

7. Elektrolysemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolysemedium eine Kaliumhydroxidlösung KOH oder Natriumhydroxidlösung NACH ist.

8. Elektrolyseur umfassend mehrere Elektrolysemodule (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Elektrolysemodule (1) derart als Elektrolysestack aneinandergereiht angeordnet sind, dass die Sammelzuleitungen (8, 8‘) und Sammelableitungen (9, 9°) deckungsgleich durch den gesamten Elektrolysestack verlaufen.

9. Elektrolyseur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysemodule (1) unter einem Druck von über 10 bar, vorzugsweise etwa 30 bar stehen. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen