DE102018130845A1 - Container for a liquid for use as a water tank of an electrolyzer, electrolyzer with the container as a water tank - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Behälter (100) für eine Flüssigkeit zur Verwendung als Wassertank eines Elektrolyseurs (200) mit einem von einer zumindest abschnittsweise gasdichten Außenwand (101) umschlossenen Hohlraum (110) zur Aufnahme der Flüssigkeit und zumindest einer äußeren Einfüllöffnung (160) zum Einfüllen der Flüssigkeit aus einer Umgebung des Behälters (100) in den Hohlraum (110) und zumindest einer Vorlauföffnung (102) zur Abgabe von Flüssigkeit aus dem Hohlraum (110) an eine Elektrolysezelle (210) des Elektrolyseurs (200) und zumindest einer Rücklauföffnung (103) zum Einlass von von anderen Komponenten des Elektrolyseurs (200) während des Betriebes mit einer Abgabeperiode periodisch abgegebener Flüssigkeit und kontinuierlich abgegebenem Gas und abgegebener Flüssigkeit in den Hohlraum (110) und zumindest einem Einfüllraum (130). Der Einfüllraum (130) ist an seiner Oberseite mit der äußeren Einfüllöffnung (160) flüssigkeitsleitend verbunden und an seiner der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite über eine innere Einfüllöffnung (165) mit dem Hohlraum (110) flüssigkeitsleitend verbunden und über eine senkrecht zu einer Öffnungsebene (OE) der inneren Einfüllöffnung (165) ausgerichtete Höhe (H) des Einfüllraums von einer um eine Öffnungsflächennormale der inneren Einfüllöffnung (165) umlaufenden Mantelwand (170) umfangsseitig vollständig umschlossen. Die Mantelwand (170) ist oberhalb der Öffnungsebene (OE) gasdicht. Die Öffnungsebene (OE) teilt den Hohlraum (110) außerhalb des Einfüllraums (130) in einen Pufferraum (140) mit einem Puffervolumen oberhalb der Öffnungsebene (OE) und einen Speicherraum (125) unterhalb der Öffnungsebene (OE) zur Aufnahme der Flüssigkeit, wobei der Pufferraum (140) zur vollständigen Aufnahme eines innerhalb einer Abgabeperiode abgegebenen Volumens der Flüssigkeit ausgelegt ist.The invention relates to a container (100) for a liquid for use as a water tank of an electrolyser (200) with a cavity (110) enclosed by an at least partially gas-tight outer wall (101) for receiving the liquid and at least one outer filling opening (160) for filling the liquid from an environment of the container (100) into the cavity (110) and at least one flow opening (102) for dispensing liquid from the cavity (110) to an electrolysis cell (210) of the electrolyzer (200) and at least one return opening (103 ) for the admission of other components of the electrolyzer (200) during operation with a dispensing period of periodically dispensed liquid and continuously dispensed gas and dispensed liquid into the cavity (110) and at least one filling chamber (130). The filling space (130) is connected in a liquid-conducting manner on its upper side to the outer filling opening (160) and in a liquid-conducting manner on its underside opposite the upper side via an inner filling opening (165) to the cavity (110) and via a perpendicular to an opening plane (OE) of the inner filling opening (165) oriented height (H) of the filling space is completely enclosed on the circumference by a jacket wall (170) surrounding an opening surface normal of the inner filling opening (165). The jacket wall (170) is gas-tight above the opening level (OE). The opening level (OE) divides the cavity (110) outside the filling space (130) into a buffer space (140) with a buffer volume above the opening level (OE) and a storage space (125) below the opening level (OE) for receiving the liquid, whereby the buffer space (140) is designed to completely accommodate a volume of the liquid dispensed within a dispensing period.
Description
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung betrifft einen Behälter für eine Flüssigkeit zur Verwendung als Wassertank eines Elektrolyseurs mit einem von einer zumindest abschnittsweise gasdichten Außenwand umschlossenen Hohlraum zur Aufnahme der Flüssigkeit und zumindest einer äußeren Einfüllöffnung zum Einfüllen der Flüssigkeit aus einer Umgebung des Behälters in den Hohlraum und zumindest einer Vorlauföffnung zur Abgabe von Flüssigkeit aus dem Hohlraum an eine Elektrolysezelle des Elektrolyseurs und zumindest einer Rücklauföffnung zum Einlass von von anderen Komponenten des Elektrolyseurs während des Betriebes mit einer Abgabeperiode periodisch abgegebener Flüssigkeit und kontinuierlich abgegebenem Gas und abgegebener Flüssigkeit in den Hohlraum und zumindest einem Einfüllraum. Der Einfüllraum ist an seiner Oberseite mit der äußeren Einfüllöffnung flüssigkeitsleitend verbunden und an seiner der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite über eine innere Einfüllöffnung mit dem Hohlraum flüssigkeitsleitend verbunden. Der Einfüllraum ist über eine senkrecht zu einer Öffnungsebene der inneren Einfüllöffnung ausgerichtete Höhe von einer um eine Öffnungsflächennormale der inneren Einfüllöffnung umlaufenden Mantelwand umfangsseitig vollständig umschlossen.The invention relates to a container for a liquid for use as a water tank of an electrolyser with a cavity enclosed by an at least partially gas-tight outer wall for receiving the liquid and at least one outer filling opening for filling the liquid from an environment of the container into the cavity and at least one flow opening for Dispensing liquid from the cavity to an electrolysis cell of the electrolyzer and at least one return opening for the admission of liquid periodically dispensed and continuously dispensed gas and dispensed liquid into the cavity and at least one filling chamber by other components of the electrolyzer during operation with a dispensing period. The top of the filling chamber is connected in a liquid-conducting manner to the outer filling opening and in a liquid-conducting manner on its underside opposite the top via an inner filling opening to the cavity. The filling space is completely enclosed on the circumference over a height oriented perpendicular to an opening plane of the inner filling opening by a jacket wall surrounding an opening surface normal of the inner filling opening.
Die Erfindung betrifft ferner einen Elektrolyseur zur Elektrolyse von Wasser mit einem erfindungsgemäßen Behälter als Wassertank.The invention further relates to an electrolyzer for the electrolysis of water with a container according to the invention as a water tank.
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Behälter für Elektrolyseure zur Aufnahme von Flüssigkeiten bekannt. Bei manchen Elektrolyseuren ist es erforderlich, dass deren Behälter nicht vollständig mit Flüssigkeit befüllt werden, sondern nur bis zu einem Soll-Füllstand, bei dem ein gasgefülltes Puffervolumen innerhalb des Behälters frei bleibt. Der gasgefüllte Pufferraum dient zum Beispiel dazu, dass ein von einer Elektrolysezelle des Elektrolyseurs, die mit dem Behälter über einen Abscheidebehälter fluidleitend verbunden ist, kathodenseitig abgegebenes und in dem Abscheidebehälter gesammeltes Wasser als Flüssigkeitsvolumen einer Flüssigkeit intervallweise aufzunehmen, ohne dass der Behälter überläuft.Various containers for electrolysers for holding liquids are known from the prior art. With some electrolysers, it is necessary that their containers are not completely filled with liquid, but only up to a target fill level at which a gas-filled buffer volume remains free inside the container. The gas-filled buffer space is used, for example, to take in water from a cathode side of the electrolyser, which is connected to the tank in a fluid-conducting manner via a separating tank, and which is collected in the separating tank as a liquid volume of a liquid at intervals without the tank overflowing.
Um ein Befüllen des Behälters über den Soll-Füllstand hinaus zu verhindern, kann an dem Behälter eine Soll-Füllstandsmarkierung angebracht sein, die von einem menschlichen Befüller jedoch leicht übersehen werden kann. Alternativ kann der Behälter automatisch bis zu einem Soll-Füllstand befüllt werden, was jedoch einer Mess- und Steuerungsvorrichtung und einem separaten Zuleitungssystem für die Flüssigkeit bedarf.In order to prevent the container from being filled beyond the desired fill level, a desired fill level marking can be attached to the container, but this can easily be overlooked by a human filler. Alternatively, the container can be filled automatically up to a desired fill level, but this requires a measuring and control device and a separate supply system for the liquid.
Der Elektrolyseur, der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch elektrischen Strom spaltet, kann beispielsweise ein Protonen-Austauschmembran-Elektrolyseur (PEM-Elektrolyseur) sein, in dem die Elektrolyse an einer protonendurchlässigen Polymermembran stattfindet, die eine Elektrolysezelle in einen Anodenraum und einen Kathodenraum teilt. Das Wasser für den Betrieb eines PEM-Elektrolyseurs ist meist Reinstwasser. Ein PEM-Elektrolyseur wird beispielsweise in der Druckschrift
In PEM-Elektrolyseuren ist die Protonen-Austauschmembran enthaltene Elektrolysezelle anodenseitig (Sauerstoffseite) meist über zwei Wasserleitungen an einem Wassertank angeschlossen. Der eine Anschluss dient der Wasserzufuhr zur Elektrolysezelle und der andere der Abführung von Sauerstoff und Wasser von der Elektrolysezelle zum Wassertank. Je nach Konstruktionsart des Elektrolyseurs kann es erforderlich sein, eine Pumpe in diesen Kreislauf zu integrieren. So gelangt Sauerstoffgas in den Wassertank, das aus diesem entweichen oder entgasen muss.In PEM electrolysers, the electrolysis cell containing the proton exchange membrane is usually connected to an anode side (oxygen side) via two water pipes on a water tank. One connection is used to supply water to the electrolysis cell and the other to discharge oxygen and water from the electrolysis cell to the water tank. Depending on the design of the electrolyzer, it may be necessary to integrate a pump into this circuit. This is how oxygen gas gets into the water tank, which must escape or degas from it.
Der Kathodenraum (Wasserstoffseite) der Elektrolysezelle hat meist nur einen Anschluss, nämlich einen Ausgang mit Wasserstoffgas und Wasser als Ausgangsmedien. Zusätzlich zum Wasserstoffgas gelangt auch Wasser in den Kathodenraum und damit auch zu dessen Ausgang, da die Polymermembran des PEM-Elektrolyseurs für H3O+-Ionen leitend ist, die an der Kathode mit Elektronenübergabe zu H2 und H2O umgewandelt werden.The cathode compartment (hydrogen side) of the electrolytic cell usually has only one connection, namely an outlet with hydrogen gas and water as the outlet media. In addition to the hydrogen gas, water also enters the cathode compartment and thus also to its outlet, since the polymer membrane of the PEM electrolyser is conductive for H 3 O + ions, which are converted to H 2 and H 2 O at the cathode with electron transfer.
Dieses an der Kathodenseite entstehende Abscheidewasser wird meist in einem Abscheidebehälter vom Wasserstoffgas getrennt und meist dort gesammelt. Da dieses Wasser auch Reinstwasser ist, kann es für den weiteren Gebrauch wiederverwendet werden und dazu zurück in den Wassertank gepumpt werden.This separating water, which arises on the cathode side, is usually separated from the hydrogen gas in a separating container and is usually collected there. Since this water is also ultrapure water, it can be reused for further use and pumped back into the water tank.
Aus praktischen Gründen wird das Wasser aus dem Abscheidebehälter meist periodisch in den Wassertank zurückgepumpt. Dieses Zurückpumpen wird meist durch einen Füllstandssensor ausgelöst, der bei einem bestimmten Wasser-Füllstand im Abscheidebehälter den Rückpumpvorgang auslöst.For practical reasons, the water is usually pumped back into the water tank periodically. This pumping back is usually triggered by a level sensor, which triggers the pump back process at a certain water level in the separating tank.
Der Wassertank hat folgende Aufgaben:
- A) Die Bereitstellung von Wasser zur Versorgung der Elektrolysezelle mit Wasser;
- B) die Abgabe des Sauerstoffgases an eine Umgebung;
- C) die Aufnahme des Abscheidewassers aus dem Abscheidebehälter;
- D) Aufnahme von Wasser von außen über eine Einfüllöffnung zum Befüllen oder Nachfüllen.
- A) The provision of water to supply the electrolysis cell with water;
- B) the release of the oxygen gas to an environment;
- C) the collection of the separating water from the separating container;
- D) Absorption of water from the outside via a filling opening for filling or refilling.
Da das in Intervallen zurückgepumpte Wasservolumen aus dem Abscheidebehälter ein freies Luftvolumen im Wassertank benötigt, welches es verdrängen kann, wird bisher der Flüssigkeitstank für den störungsfreien Gebrauch mit einer maximalen Füllstandsmarkierung versehen, und darf nur bis zu dieser vom Benutzer mit Wasser befüllt werden. Hält der Benutzer sich nicht an den maximalen Füllstand und befüllt den Flüssigkeitstank über diesen hinaus, so kann es beim Rückpumpen des Abscheidewassers zum Überlaufen des Wassertanks oder zu einem Überdruck in dem Wassertank kommen. Ein Überdruck in dem Wassertank kann eine Entgasungsmembran des Wassertanks, eine Pumpe zur Rückführung des Wassers aus dem Abscheidebehälter oder andere Komponenten des Elektrolyseurs beschädigen oder die Rückführung des Wassers aus dem Restwassertank behindern. Dadurch wird die normale Funktion des Elektrolyseurs gestört, oder es kann sogar zu einem Defekt des Elektrolyseurs kommen.Since the water volume pumped back at intervals from the separation tank requires a free air volume in the water tank, which it can displace, the liquid tank has so far been provided with a maximum fill level marking for trouble-free use, and may only be filled with water up to this by the user. If the user does not adhere to the maximum fill level and fills the liquid tank beyond this, overflowing of the water tank or overpressure in the water tank can occur when the separating water is pumped back. An overpressure in the water tank can damage a degassing membrane of the water tank, a pump for returning the water from the separating tank or other components of the electrolyser or it can hinder the return of the water from the residual water tank. This interferes with the normal functioning of the electrolyser, or it can even lead to a defect in the electrolyser.
Da es für den Benutzer jedes Mal seiner Aufmerksamkeit und bei einem ungeübten Benutzer zusätzlich der Erkennung der Füllstandsmarkierung bedarf, damit er die beim Befüllen oder Auffüllen des Flüssigkeitstanks markierte Füllstandsmarkierung nicht überschreitet, ergeht es einigen Benutzern so, dass Wasser höher als bis zur Füllstandsmarkierung oder sogar bis zum Rand der Einfüllöffnung eingefüllt wird. Dieses kann je nach Füllstand des Abscheidebehälters zu den angeführten Problemen führen, da ein voller Wassertank kein zusätzliches Wasservolumen aus dem Abscheidebehälters aufnehmen kann.Since the user always needs his attention and, in the case of an inexperienced user, the level mark must be recognized so that he does not exceed the level mark marked when filling or filling the liquid tank, some users feel that water is higher than the level mark or even is filled up to the edge of the filling opening. Depending on the fill level of the separator tank, this can lead to the problems mentioned, since a full water tank cannot hold any additional water volume from the separator tank.
Auch bei Nichtbenutzung wird die Polymermembran eines PEM-Elektrolyseurs meist feucht gehalten, damit sie nicht durch Austrocknung beschädigt wird. Dies bedingt meist, dass sich auch beim Transport und bei der Lagerung des Elektrolyseurs Wasser im Wassertank befindet, welches auch bei falscher Lager- oder Transportlage nicht auslaufen darf. Häufig benötigen bisherige Elektrolyseure daher einen separaten Verschluss oder eine wasserdichte Membran, die auch als Entgasungsmembran bezeichnet wird, zum Verschließen einer Entgasungsöffnung des Wassertanks bei Lagerung oder Transport.Even when not in use, the polymer membrane of a PEM electrolyser is usually kept moist so that it is not damaged by drying out. This usually means that there is water in the water tank during transport and storage of the electrolyser, which should not leak even if the storage or transport position is incorrect. Current electrolysers therefore often require a separate closure or a waterproof membrane, which is also referred to as a degassing membrane, to close a degassing opening in the water tank during storage or transport.
Elektrolyseure werden hauptsächlich bisher zur Reingasproduktion in der Industrie, für Laboranwendungen oder als Wasserstoffhersteller für Energiespeicher verwendet. Seit ein paar Jahren entsteht zudem durch wissenschaftliche Erkenntnisse ein weiteres Anwendungsgebiet im Medizin- und Homecare- und Gesundheitsbereich. Hier sind die Anforderungen an Elektrolyseure andere als in der Industrie. Entscheidend sind bei den neuen Anwendungsgebieten insbesondere eine kompakte Bauweise, ein leiser Betrieb und eine einfache Bedienung.Up to now, electrolysers have mainly been used for clean gas production in industry, for laboratory applications or as a hydrogen manufacturer for energy storage. For a few years now, scientific knowledge has also given rise to another area of application in the medical, home care and health sectors. The requirements for electrolysers are different here than in industry. A decisive factor in the new application areas is in particular a compact design, quiet operation and simple operation.
Technische AufgabeTechnical task
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen kostengünstigen, kompakten, leisen sowie bedienerfreundlich und zuverlässig als Wassertank für einen Elektrolyseur verwendbaren Flüssigkeitsbehälter zu schaffen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen kostengünstigen, kompakten, leisen, zuverlässigen und benutzerfreundlichen Wasser-Elektrolyseur zu schaffen.The object of the invention is to provide an inexpensive, compact, quiet and user-friendly and reliable liquid container that can be used as a water tank for an electrolyzer. Furthermore, it is an object of the invention to provide an inexpensive, compact, quiet, reliable and user-friendly water electrolyzer.
Technische LösungTechnical solution
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung stellt einen Behälter bereit, der die technische Aufgabe entsprechend den Merkmalen des Anspruches 1 löst. Ebenso wird die Aufgabe durch einen Elektrolyseur gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The object of the present invention provides a container which solves the technical problem according to the features of claim 1. The object is also achieved by an electrolyzer according to claim 11. Advantageous refinements result from the dependent claims.
Beschreibung der AusführungsartenDescription of the execution types
Ein erfindungsgemäßer Behälter für eine Flüssigkeit zur Verwendung als Wassertank eines Elektrolyseurs umfasst:
- a) einen von einer zumindest abschnittsweise gasdichten Außenwand umschlossenen Hohlraum zur Aufnahme der Flüssigkeit und
- b) zumindest eine äußere Einfüllöffnung zum Einfüllen der Flüssigkeit aus einer Umgebung des Behälters in den Hohlraum und
- c) zumindest einer Vorlauföffnung zur Abgabe von Flüssigkeit aus dem Hohlraum an eine Elektrolysezelle des Elektrolyseurs und
- d) zumindest einer Rücklauföffnung zum Einlass von von anderen Komponenten des Elektrolyseurs während des Betriebes mit einer Abgabeperiode periodisch abgegebener Flüssigkeit und kontinuierlich abgegebenem Gas und abgegebener Flüssigkeit in den Hohlraum und
- e) zumindest einen Einfüllraum.
- a) a cavity enclosed by an at least partially gas-tight outer wall for receiving the liquid and
- b) at least one outer filling opening for filling the liquid from an environment of the container into the cavity and
- c) at least one flow opening for dispensing liquid from the cavity to an electrolysis cell of the electrolyzer and
- d) at least one return opening for the inlet of liquid and continuously discharged gas and liquid released periodically by liquid and continuously released liquid by other components of the electrolyzer during operation with a discharge period
- e) at least one filling space.
Bei der mit einer Abgabeperiode periodisch abgegebenen Flüssigkeit kann es sich insbesondere um von einem Abscheidebehälter des Elektrolyseurs abgegebenes Wasser handeln. Bei dem kontinuierlich abgegebenen Gas und abgegebener Flüssigkeit kann es sich insbesondere um von einem Anodenraum einer Elektrolysezelle des Elektrolyseurs abgegebenen Sauerstoff oder abgegebenes Wasser handeln.The liquid dispensed periodically with a dispensing period can in particular be water dispensed from a separating container of the electrolyzer. The continuously dispensed gas and dispensed liquid can in particular be from an anode compartment of an electrolysis cell of the electrolyzer acted oxygen or water released.
Der Einfüllraum ist an seiner Oberseite mit der äußeren Einfüllöffnung flüssigkeitsleitend verbunden und an seiner der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite über eine innere Einfüllöffnung mit dem Hohlraum flüssigkeitsleitend verbunden.The top of the filling chamber is connected in a liquid-conducting manner to the outer filling opening and in a liquid-conducting manner on its underside opposite the top via an inner filling opening to the cavity.
Der Einfüllraum ist über eine senkrecht zu einer Öffnungsebene der inneren Einfüllöffnung ausgerichtete Höhe des Einfüllraums von einer um eine Öffnungsflächennormale der inneren Einfüllöffnung umlaufenden Mantelwand umfangsseitig vollständig umschlossen. Die Mantelwand kann zumindest teilweise durch die Außenwand des Behälters gebildet sein. Weiterhin kann die Mantelwand zumindest im Wesentlichen senkrecht oder auch mit einem anderen Winkel auf der Öffnungsebene der inneren Einfüllöffnung stehen.The filling space is completely enclosed on the circumference by a jacket wall that runs around an opening surface normal of the inner filling opening and is completely enclosed on the circumference, perpendicular to an opening plane of the inner filling opening. The jacket wall can be formed at least partially by the outer wall of the container. Furthermore, the jacket wall can be at least substantially perpendicular or also at a different angle on the opening plane of the inner fill opening.
Vorzugsweise ist die Mantelwand oberhalb der Öffnungsebene der inneren Einfüllöffnung gasdicht, und die Öffnungsebene teilt den Hohlraum außerhalb des Einfüllraums in einen Pufferraum mit einem Puffervolumen oberhalb der Öffnungsebene und einen Speicherraum unterhalb der Öffnungsebene zur Aufnahme der Flüssigkeit.Preferably, the jacket wall above the opening level of the inner filling opening is gas-tight, and the opening level divides the cavity outside the filling space into a buffer space with a buffer volume above the opening level and a storage space below the opening level for receiving the liquid.
Der Pufferraum ist vorzugsweise zumindest zur vollständigen Aufnahme eines innerhalb einer Abgabeperiode abgegebenen Volumens der Flüssigkeit ausgelegt. Vorzugsweise ist der Pufferraum so groß ausgelegt, dass er zusätzlich zu dem Abscheidevolumen einer Abscheideflüssigkeit aus dem Abscheidebehälter ein Einfüllvolumen des Einfüllraums an Flüssigkeit aufnehmen kann. Dadurch wird sichergestellt, dass der Behälter auch dann nicht überläuft oder einen Überdruck aufnimmt, wodurch es zu einer Beschädigung kommen kann, wenn gleichzeitig der Einfüllraum mit Flüssigkeit gefüllt ist, die Einfüllöffnung geschlossen ist, das Abscheidevolumen aus dem Abscheidebehälter an den Behälter abgegeben wird, Sauerstoff aus der Elektrolysezelle in das Einfüllvolumen gelangt, und der Deckel der Einfüllöffnung keine Entgasungsmöglichkeit besitzt.The buffer space is preferably designed at least for the complete absorption of a volume of the liquid dispensed within a dispensing period. The buffer space is preferably designed so large that, in addition to the separation volume of a separation liquid from the separation container, it can hold a filling volume of liquid in the filling space. This ensures that the container does not overflow or absorb overpressure, which can result in damage if the filling chamber is simultaneously filled with liquid, the filling opening is closed, the separation volume is released from the separation container to the container, oxygen reaches the filling volume from the electrolysis cell, and the cover of the filling opening has no possibility of degassing.
Die Größe des Pufferraumes wird zusätzlich von der Ausgestaltung und Position der weiter unten beschriebenen Entgasungsöffnung, z.B. einer Entgasungsöffnung mit einer Entgasungsmembran und einem damit in Reihe angeordneten Überdruckventil, bestimmt. Ragen beispielsweise Teile der Entgasungsöffnung in den Pufferraum hinein, so kann es erforderlich sein, dass die dadurch entstehende Teile-Ebene und das dadurch entstehende darüber liegende Volumen bis zur Gehäuseinnenwand zu dem bereits errechneten Puffervolumen aus z.B. Einfüllvolumen und Abscheidevolumen addiert werden sollte. Darüber hinaus sollte das errechnete Puffervolumen als ein Mindestvolumen angesehen werden, da eine Vergrößerung dieses um mögliche Faktoren wie eine Schrägstellung des Gerätes vom Kunden in gewissen Bereichen mit toleriert werden sollte.The size of the buffer space is additionally determined by the design and position of the degassing opening described below, e.g. a degassing opening with a degassing membrane and a pressure relief valve arranged in series therewith. If, for example, parts of the degassing opening protrude into the buffer space, it may be necessary for the resulting part level and the resulting overlying volume to reach the inner wall of the housing from the already calculated buffer volume from e.g. Filling volume and separation volume should be added. In addition, the calculated buffer volume should be viewed as a minimum volume, since the customer should tolerate an increase in this area by possible factors such as inclination of the device in certain areas.
Vorzugsweise ist die Außenwand zumindest flüssigkeitsdicht. „Flüssigkeitsdicht“ bedeutet im Sinne der Erfindung, dass unter typischen Anwendungsbedingungen, beispielsweise in einem Temperaturbereich von 10 °C bis 50 °C, insbesondere 20 °C bis 30 °C, zumindest während einer typischen Betriebsdauer des Behälters, beispielsweise während eines Tages, insbesondere während einer Woche, keine Flüssigkeit durch eine flüssigkeitsdichte Wand hindurchtritt.The outer wall is preferably at least liquid-tight. For the purposes of the invention, “liquid-tight” means that under typical conditions of use, for example in a temperature range from 10 ° C. to 50 ° C., in particular 20 ° C. to 30 ° C., at least during a typical operating period of the container, for example during a day, in particular during a week, no liquid will pass through a liquid-tight wall.
Die Flüssigkeit kann beispielsweise Wasser sein, insbesondere Reinstwasser mit einer elektrischen Leitfähigkeit von beispielsweise unter 5 µS/cm, vorzugsweise unter 1 µS/cm. Durch die Verwendung von Reinstwasser wird sichergestellt, dass der Elektrolyseur nicht durch einen zu hohen Salzgehalt oder andere Verunreinigungen des Wassers beschädigt wird.The liquid can be water, for example, in particular ultrapure water with an electrical conductivity of, for example, less than 5 µS / cm, preferably less than 1 µS / cm. The use of ultrapure water ensures that the electrolyser is not damaged by too high a salt content or other impurities in the water.
„Gasdicht“ bedeutet im Sinne der Erfindung, dass unter typischen Anwendungsbedingungen, beispielsweise in den vorgenannten Temperaturbereichen bei einem Gas-Überdruck von bis zu 5 mbar, insbesondere bis zu 50 mbar, zumindest während einer typischen Einfülldauer von Flüssigkeit in den Hohlraum, beispielsweise während einer Zeitdauer von einer Minute, höchstens ein gegenüber dem Puffervolumen vernachlässigbares Volumen eines Gases, insbesondere Stickstoff und/oder Sauerstoff, durch eine gasdichte Wand hindurchtritt. Vernachlässigbar ist beispielsweise ein Anteil kleiner als 5 %, insbesondere kleiner als 1 %.For the purposes of the invention, “gas-tight” means that under typical conditions of use, for example in the aforementioned temperature ranges at a gas overpressure of up to 5 mbar, in particular up to 50 mbar, at least during a typical filling period of liquid into the cavity, for example during a Duration of one minute, at most a volume of a gas, in particular nitrogen and / or oxygen, which is negligible compared to the buffer volume, passes through a gas-tight wall. For example, a proportion less than 5%, in particular less than 1%, is negligible.
Begriffe wie „oben“, „unten“ oder „seitlich“ beziehen sich auf eine Ausrichtung des Behälters in einem Gravitationsfeld bei bestimmungsgemäßem Gebrauch. Dabei ist insbesondere die äußere Einfüllöffnung oberhalb des Einfüllraums und des Pufferraums, und der Einfüllraum und der Pufferraum sind oberhalb des Speicherraums. Ferner ist die Öffnungsebene der inneren Einfüllöffnung bei bestimmungsgemäßer Ausrichtung des Behälters im Wesentlichen horizontal ausgerichtet.Terms such as "top", "bottom" or "side" refer to an orientation of the container in a gravitational field when used as intended. In particular, the outer filling opening is above the filling space and the buffer space, and the filling space and the buffer space are above the storage space. Furthermore, the opening level of the inner filling opening is oriented essentially horizontally when the container is oriented as intended.
Dadurch, dass die Mantelwand gasdicht ist, kann ein in dem Pufferraum befindliches Gas, insbesondere wenn auch die den Pufferraum begrenzenden Abschnitte der Außenwand bis auf die Entgasungsöffnung gasdicht sind, beim Einfüllen von Flüssigkeit durch die Einfüllöffnung und den Einfüllraum in den Speicherraum nicht aus dem Pufferraum entweichen, da es nach unten von der Flüssigkeit in dem Speicherraum, nach oben von der Außenwand und an den Seiten von der Außenwand und der Mantelwand eingeschlossen wird. Dadurch bleibt der Pufferraum auch dann im Wesentlichen flüssigkeitsfrei, wenn die Flüssigkeit bis über die Öffnungsebene der inneren Einfüllöffnung hinaus, insbesondere bis zur vollständigen Füllung des Einfüllraums, in den Behälter eingefüllt wird.Because the jacket wall is gas-tight, a gas located in the buffer space, especially if the portions of the outer wall delimiting the buffer space are gas-tight except for the degassing opening, cannot flow out of the buffer space when filling liquid through the filling opening and the filling space into the storage space escape as it is down from the liquid in the storage space, up from the outer wall and to the sides from the outer wall and the Cladding wall is included. As a result, the buffer space remains essentially liquid-free even if the liquid is filled into the container beyond the opening level of the inner filling opening, in particular until the filling space is completely filled.
Der flüssigkeitsfrei bleibende Pufferraum kann unabhängig davon, wie weit der Speicherraum und gegebenenfalls der Einfüllraum mit Flüssigkeit gefüllt sind, ein Abscheidevolumen einer Abscheideflüssigkeit aus dem Abscheidebehälter aufnehmen, ohne dass die Gefahr eines Überlaufens des oder eines Überdrucks in dem Behälter bestünde. Ein Überdruck wird insbesondere durch die Entgasungsöffnung im Bereich des Pufferraums verhindert. Für einen zuverlässigen Betrieb muss ein Bediener also nicht darauf achten, den Behälter nur bis zu einem vorbestimmten Teilfüllstand zu befüllen. Dadurch kann der Behälter besonders bedienerfreundlich und zuverlässig als Wassertank des Elektrolyseurs verwendet werden. Dies bedeutet auch eine kompaktere Bauweise und eine bessere Integration in den Elektrolyseur, da ein von außen sichtbares Sichtfenster oder Steigrohr für die maximale Füllstandanzeige nicht gebraucht wird.Regardless of how far the storage space and possibly the filling space are filled with liquid, the buffer space that remains liquid-free can accommodate a separation volume of a separation liquid from the separation container without the risk of overflow or excess pressure in the container. Overpressure is prevented in particular by the degassing opening in the area of the buffer space. For reliable operation, an operator does not have to take care to fill the container only up to a predetermined partial level. As a result, the container can be used in a particularly user-friendly and reliable manner as a water tank for the electrolyzer. This also means a more compact design and better integration into the electrolyser, since an inspection window or riser that is visible from the outside is not needed for the maximum level indicator.
Der Behälter kann zumindest eine weitere gasdurchlässige Entgasungsöffnung, beispielsweise eine, zwei oder drei weitere Entgasungsöffnungen, zur Abgabe eines Gases, insbesondere Sauerstoff, aus dem Hohlraum an die Umgebung des Behälters umfassen. Die zumindest eine Entgasungsöffnung und/oder die zumindest eine weitere Entgasungsöffnung ist vorzugsweise dazu ausgelegt, einen Gasstrom passieren zu lassen, der zumindest so groß ist wie die über eine Abgabeperiode gemittelte Summe aus einem an der Anodenseite der Elektrolysezelle freigesetzten Gasstrom und einem mit der Abscheideflüssigkeit dem Behälter zugeführten Fluidstrom.The container can comprise at least one further gas-permeable degassing opening, for example one, two or three further degassing openings, for releasing a gas, in particular oxygen, from the cavity to the surroundings of the container. The at least one degassing opening and / or the at least one further degassing opening is preferably designed to allow a gas stream to pass that is at least as large as the sum averaged over a delivery period of a gas stream released on the anode side of the electrolytic cell and one with the separating liquid Container supplied fluid flow.
Durch die zumindest eine Entgasungsöffnung und/oder weitere Entgasungsöffnung wird vorteilhafterweise verhindert, dass sich in dem Hohlraum Gas, beispielsweise von einem Elektrolyseur produzierter Sauerstoff, ansammelt, wodurch ein Überdruck entstehen könnte, der einen unkontrollierten Austritt von Flüssigkeit oder eine Beschädigung oder Fehlfunktion des Behälters oder des Elektrolyseurs verursachen könnte. Zusätzlich verhindert die zumindest eine Entgasungsöffnung und/oder weitere Entgasungsöffnung zusammen mit dem Pufferraum, dass zurückgeführte Abscheideflüssigkeit aus dem Abscheidebehälter zu einem Überlaufen oder Überdruck führt.The at least one degassing opening and / or further degassing opening advantageously prevents gas, for example oxygen produced by an electrolyser, from accumulating in the cavity, as a result of which an overpressure could arise which could result in an uncontrolled escape of liquid or damage or malfunction of the container or of the electrolyser. In addition, the at least one degassing opening and / or further degassing opening, together with the buffer space, prevents recirculating liquid from the separating container from leading to overflow or overpressure.
Die zumindest eine Entgasungsöffnung kann in einem den Pufferraum begrenzenden Abschnitt der Außenwand angeordnet sein. Dadurch wird sichergestellt, dass im Betrieb des Elektrolyseurs freiwerdendes Gas, beispielsweise an der Anodenseite der Elektrolysezelle produzierter Sauerstoff, nicht in dem Pufferraum eingeschlossen wird. Die Entgasungsöffnung, insbesondere eine Entgasungsmembran zum flüssigkeitsdichten Verschluss der Entgasungsöffnung, sollte sich zudem bevorzugt in einem Bereich des Pufferraumes befinden, der auch unmittelbar nach dem periodischen Rückpumpen der Abscheideflüssigkeit aus dem Abscheidebehälter und der möglichen Aufnahme von Flüssigkeit aus dem Einfüllraum flüssigkeitsfrei ist. Dadurch kann die Entgasungsöffnung, insbesondere die Entgasungsmembran, nicht durch die Flüssigkeit blockiert werden.The at least one degassing opening can be arranged in a section of the outer wall delimiting the buffer space. This ensures that gas released during operation of the electrolyzer, for example oxygen produced on the anode side of the electrolytic cell, is not trapped in the buffer space. The degassing opening, in particular a degassing membrane for the liquid-tight closure of the degassing opening, should also preferably be located in a region of the buffer space which is also liquid-free immediately after the periodic pumping back of the separating liquid from the separating container and the possible absorption of liquid from the filling chamber. As a result, the degassing opening, in particular the degassing membrane, cannot be blocked by the liquid.
Die zumindest eine weitere Entgasungsöffnung ist vorzugsweise an oder in einem Deckel zum Verschluss der Einfüllöffnung und/oder in einem den Einfüllraum begrenzenden Abschnitt der Außenwand angeordnet. Da der Pufferraum und der Einfüllraum oberhalb des Speicherraums angeordnet sind, sammelt sich in dem Hohlraum auftretendes Gas in dem Pufferraum und/oder dem Einfüllraum. Somit ist eine weitere Entgasungsöffnung an oder in einem Deckel zum Verschluss der Einfüllöffnung und/oder in einem den Einfüllraum begrenzenden Abschnitt der Außenwand angeordnet sinnvoll. Vorzugsweise ist die weitere Entgasungsöffnung in dem Deckel eine Entgasungsmembran, da hier kein Überdruckventil benötigt wird, da hier an der höchsten Stelle des Behälters technisch kein statischer Druck auftreten kann. Somit kann das Gas durch die vorgenannten Anordnungen der zumindest einen Entgasungsöffnung und/oder weiteren Entgasungsöffnung im Bereich des Pufferraums und/oder des Einfüllraums besonders leicht, insbesondere in allen Betriebszuständen des Elektrolyseurs, aus dem Hohlraum entweichen. Die als Entgasungsmembran ausgestaltete weitere Entgasungsöffnung kann durch eine gasdurchlässige, bevorzugt ringförmig ausgestaltete, Deckeldichtung des Deckels realisiert sein, bei der Gas beispielsweise über ein Gewinde des Deckels entweichen kann.The at least one further degassing opening is preferably arranged on or in a cover for closing the filling opening and / or in a section of the outer wall delimiting the filling space. Since the buffer space and the filling space are arranged above the storage space, gas occurring in the cavity collects in the buffer space and / or the filling space. A further degassing opening on or in a cover for closing the filling opening and / or in a section of the outer wall delimiting the filling space is therefore expedient. The further degassing opening in the lid is preferably a degassing membrane, since no pressure relief valve is required here, since technically no static pressure can occur at the highest point of the container. The gas can thus escape from the cavity particularly easily, in particular in all operating states of the electrolyser, through the at least one degassing opening and / or further degassing opening in the region of the buffer space and / or the filling space. The further degassing opening designed as a degassing membrane can be realized by a gas-permeable, preferably ring-shaped, cover seal of the cover, in which gas can escape, for example, via a thread of the cover.
Die zumindest eine Entgasungsöffnung kann durch eine Entgasungsleitung, beispielsweise einen Schlauch oder ein Rohr, von der Außenwand beabstandet und mit dem Hohlraum fluidleitend verbunden sein. Durch die Entgasungsleitung kann die Entgasungsöffnung insbesondere oberhalb des Behälters angeordnet sein. Dadurch wird verhindert, dass bei der Verwendung des Behälters Flüssigkeit an die Entgasungsöffnung gelangt und die Gasdurchlässigkeit behindern oder unkontrolliert austreten könnte. Die Entgasungsleitung ist vorteilhafterweise so ausgestaltet, dass zum Beispiel durch einen Transport in die Entgasungsleitung eingetretene Flüssigkeit im Betrieb des Elektrolyseurs, beispielsweise gravitationsgetrieben, in den Hohlraum abläuft.The at least one degassing opening can be spaced from the outer wall by a degassing line, for example a hose or a pipe, and can be connected in a fluid-conducting manner to the cavity. The degassing opening can be arranged in particular above the container through the degassing line. This prevents liquid from reaching the degassing opening when the container is being used and preventing gas permeability or escaping in an uncontrolled manner. The degassing line is advantageously designed such that, for example, liquid that has entered the degassing line during transport runs into the cavity during operation of the electrolyzer, for example gravitationally.
An einer dem Hohlraum abgewandten Außenseite der zumindest einen Entgasungsöffnung und/oder weiteren Entgasungsöffnung kann eine Fremdkörperschutzvorrichtung zum Schutz der Entgasungsöffnung vor Fremdkörpern, beispielsweise Staub oder Insekten, angeordnet sein. Die Fremdkörperschutzvorrichtung verhindert, dass Fremdkörper die Entgasungsöffnung verstopfen oder ihre Funktion beeinträchtigen. Die Fremdkörperschutzvorrichtung kann beispielsweise ein Gitter und/oder ein Vlies umfassen, dass ausreichend feinmaschig ist, um die Fremdkörper abzuhalten.On an outside of the at least one degassing opening facing away from the cavity and / or a further degassing opening, a foreign body protection device can be arranged to protect the degassing opening from foreign bodies, for example dust or insects. The foreign body protection device prevents foreign bodies from clogging the degassing opening or impairing their function. The foreign body protection device can comprise, for example, a grid and / or a fleece that is sufficiently fine-meshed to keep the foreign bodies out.
Die zumindest eine Entgasungsöffnung und/oder weitere Entgasungsöffnung kann durch eine gasdurchlässige Entgasungsmembran flüssigkeitsdicht verschlossen sein. Dadurch wird sichergestellt, dass - insbesondere wenn sich der Behälter, beispielsweise beim Transport, nicht in seiner bestimmungsgemäßen Ausrichtung befindet - keine Flüssigkeit unkontrolliert durch die Entgasungsöffnung austritt. Die Flüssigkeitsdichtigkeit der Entgasungsmembran ist so zu wählen, dass auch bei einem Kopfstand des Elektrolyseurs keine Flüssigkeit auslaufen kann. Der Flüssigkeitsdurchtrittsdruck der Entgasungsmembran wird durch deren Porengröße definiert und sollte mindestens so groß sein wie der Druck, vorzugsweise größer als der Druck, der durch die maximale auftretende Flüssigkeitssäule in dem Behälter und gegebenenfalls dem damit verbundenen Elektrolyseur auf der Entgasungsmembran lasten kann.The at least one degassing opening and / or further degassing opening can be closed in a liquid-tight manner by a gas-permeable degassing membrane. This ensures that - in particular if the container is not in its intended orientation, for example during transport - no liquid escapes through the degassing opening in an uncontrolled manner. The liquid tightness of the degassing membrane should be selected so that no liquid can leak out even when the electrolyzer is upside down. The liquid passage pressure of the degassing membrane is defined by its pore size and should be at least as large as the pressure, preferably greater than the pressure that can be exerted on the degassing membrane by the maximum liquid column occurring in the container and, if applicable, by the electrolyser connected to it.
Bei einem PEM-Elektrolyseur sollte beispielsweise die Protonen-Austauschmembran auch bei Lagerung und Transport nicht austrocknen, sodass in der Regel auch bei Lager und Transport eine gewisse Flüssigkeitsmenge in dem Behälter verbleibt. Um ein unkontrolliertes Austreten der Flüssigkeit bei Lagerung oder Transport zu vermeiden, ist es daher vorteilhaft, wenn die zumindest eine Entgasungsöffnung und/oder weitere Entgasungsöffnung des Behälters flüssigkeitsdicht verschlossen ist. Damit zum Betrieb des Elektrolyseurs nicht erst ein Verschluss der Entgasungsöffnung oder Entgasungsöffnungen entfernt oder ausgetauscht werden muss, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Entgasungsöffnungen durch jeweils eine gasdurchlässige Entgasungsmembran flüssigkeitsdicht verschlossen sind.In the case of a PEM electrolyser, for example, the proton exchange membrane should not dry out even during storage and transportation, so that a certain amount of liquid generally remains in the container even during storage and transportation. In order to avoid an uncontrolled escape of the liquid during storage or transport, it is therefore advantageous if the at least one degassing opening and / or further degassing opening of the container is closed in a liquid-tight manner. So that a closure of the degassing opening or degassing openings does not first have to be removed or replaced in order to operate the electrolyzer, it is particularly advantageous if the degassing openings are each sealed liquid-tight by a gas-permeable degassing membrane.
Vorteilhafterweise ist die Entgasungsmembran gegenüber einer Entgasungsöffnungsebene der Entgasungsöffnung gewölbt und/oder geneigt angeordnet. Durch eine gewölbte und/oder geneigte Anordnung kann Flüssigkeit, die an der Entgasungsmembran kondensiert und die Gasdurchlässigkeit verringern könnte, von der Entgasungsmembran ablaufen oder abtropfen.The degassing membrane is advantageously curved and / or inclined relative to a degassing opening plane of the degassing opening. Due to an arched and / or inclined arrangement, liquid which condenses on the degassing membrane and could reduce the gas permeability can run off or drip off the degassing membrane.
Der Behälter kann zumindest ein Überdruckventil, bevorzugt ein Schirmventil, zum gasdichten Verschließen der zumindest einen Entgasungsöffnung und/oder einer weiteren Entgasungsöffnung umfassen. Ein Überdruckventil an der zumindest einen Entgasungsöffnung und/oder weiteren Entgasungsöffnung verhindert, dass beim Befüllen des Behälters durch die Flüssigkeit, die in den Hohlraum eingefüllt wird, Gas durch die Entgasungsöffnung und/oder weitere Entgasungsöffnung aus dem Pufferraum in die Umgebung des Behälters verdrängt wird. Dadurch würde nicht mehr der vollständige Pufferraum flüssigkeitsfrei zur Verfügung stehen, sodass der verbleibende Pufferraum möglicherweise nicht das gesamte Abscheidevolumen aufnehmen könnte.The container can comprise at least one pressure relief valve, preferably an umbrella valve, for gas-tight sealing of the at least one degassing opening and / or a further degassing opening. A pressure relief valve on the at least one degassing opening and / or further degassing opening prevents gas from being displaced through the degassing opening and / or further degassing opening from the buffer space into the surroundings of the container when the container is being filled by the liquid which is filled into the cavity. As a result, the entire buffer space would no longer be available free of liquid, so that the remaining buffer space could possibly not be able to hold the entire separation volume.
Vorzugsweise ist ein Öffnungsdruck des Überdruckventils größer als ein Basisdruck, der einer Dichte der Flüssigkeit multipliziert mit der Höhe des Einfüllraums und der Gravitationsbeschleunigung entspricht. Dadurch wird sichergestellt, dass sich das Überdruckventil nicht schon durch den von der im Einfüllraum stehenden Flüssigkeitssäule erzeugten Druck öffnet, sondern erst durch einen zusätzlichen Druck, beispielsweise durch von dem Elektrolyseur in den Hohlraum eingeleitetes Gas und/oder eingeleitete Flüssigkeit.An opening pressure of the pressure relief valve is preferably greater than a base pressure, which corresponds to a density of the liquid multiplied by the height of the filling space and the gravitational acceleration. This ensures that the pressure relief valve does not already open due to the pressure generated by the liquid column in the filling chamber, but rather only through an additional pressure, for example through gas and / or liquid introduced into the cavity by the electrolyser.
Für einen zuverlässigen Betrieb hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Öffnungsdruck um 20 mbar bis 40 mbar oberhalb des Basisdrucks zu wählen. Für Wasser als Flüssigkeit und eine Höhe des Einfüllraums von 5 cm ergibt sich beispielsweise ein Basisdruck von 5 mbar.For reliable operation, it has proven to be particularly advantageous to select the opening pressure by 20 mbar to 40 mbar above the base pressure. For water as a liquid and a filling chamber height of 5 cm, for example, there is a base pressure of 5 mbar.
In besonders vorteilhaften Ausgestaltungen umfasst die zumindest eine Entgasungsöffnung und/oder weitere Entgasungsöffnung eine Entgasungsmembran und ein Überdruckventil bezüglich eines Gastransports durch die Entgasungsöffnung in Reihe geschaltet, wobei vorzugsweise die Entgasungsmembran hohlraumseitig des Überdruckventils angeordnet ist. Dadurch wird verhindert, dass sich Flüssigkeit aus dem Hohlraum zwischen dem Überdruckventil und der Entgasungsmembran ansammelt, die einen Gastransport durch die Entgasungsöffnung behindern könnte. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Kombination aus Entgasungsmembran und Überdruckventil außerdem eine Fremdkörperschutzvorrichtung.In particularly advantageous configurations, the at least one degassing opening and / or further degassing opening comprises a degassing membrane and a pressure relief valve connected in series with respect to gas transport through the degassing opening, the degassing membrane preferably being arranged on the cavity side of the pressure relief valve. This prevents liquid from accumulating from the cavity between the pressure relief valve and the degassing membrane, which could hinder gas transport through the degassing opening. In a particularly advantageous embodiment, the combination of degassing membrane and pressure relief valve also includes a foreign body protection device.
Die zumindest eine Rücklauföffnung kann ein Führungselement zur Führung eines durch die, insbesondere als Anoden-Rücklauföffnung ausgestaltete, Rücklauföffnung in den Hohlraum eintretenden Gases und eintretender Flüssigkeit umfassen. Das Führungselement kann beispielsweise ein Rohr oder einen Schlauch umfassen. Das Führungselement kann insbesondere das Fluid in einen bestimmten Bereich des Hohlraums leiten. Das Führungselement kann beispielsweise durch die Rücklauföffnung eintretendes Gas, beispielsweise Sauerstoff, in dem Bereich des Einfüllraumes entweichen lassen; dies hat den Vorteil, das bei Befüllung des Behälters von außen und gleichzeitigem Betrieb des Elektrolyseurs das Gas durch die offene Einfüllöffnung austreten kann, sodass kein Wasser überläuft.The at least one return opening can comprise a guide element for guiding a gas and liquid entering the cavity through the return opening, which is in particular designed as an anode return opening. The guide element can comprise, for example, a tube or a hose. The guide element can in particular direct the fluid into a specific region of the cavity. The guide element can, for example, allow gas, for example oxygen, entering through the return opening to escape in the region of the filling space; this has the advantage that when the tank is filled from the outside and the electrolyser is operated at the same time, the gas can escape through the open filler opening so that no water overflows.
Das Führungselement kann einen Schalldämpfer zur schallgedämpften Einleitung des Gases und der Flüssigkeit umfassen. Der Schalldämpfer kann beispielsweise durch eine Oberflächenstruktur und/oder Oberflächenchemie so ausgestaltet sein, dass sich beim Eintritt einer ein Gas enthaltenden Flüssigkeit, beispielsweise Wasser mit Sauerstoff, nur kleine Gasblasen bilden und keine großen Gasblasen, die ein blubberndes Geräusch erzeugen könnten.The guide element can comprise a silencer for the silenced introduction of the gas and the liquid. The muffler can be designed, for example, by means of a surface structure and / or surface chemistry such that when a liquid containing a gas, for example water with oxygen, enters, only small gas bubbles form and no large gas bubbles which could produce a bubbling noise.
Durch den Schalldämpfer in dem Behälter kann der Elektrolyseur mit dem Behälter besonders leise betrieben werden, sodass der Elektrolyseur insbesondere auch für eine Heimanwendung und/oder therapeutische Anwendung geeignet ist.The silencer in the container allows the electrolyzer to be operated with the container in a particularly quiet manner, so that the electrolyzer is particularly suitable for home use and / or therapeutic use.
Die Mantelwand kann beispielsweise eine Mantelfläche eines Zylinders oder Prismas bilden, wobei eine Grundfläche des Zylinders oder Prismas die äußere Einfüllöffnung einschließt. In dieser Form kann die Mantelfläche den Einfüllraum umfangsseitig vollständig umschließen und, insbesondere in der Zylinderform, einfach hergestellt werden.The jacket wall can, for example, form a jacket surface of a cylinder or prism, a base surface of the cylinder or prism enclosing the outer fill opening. In this form, the circumferential surface can completely enclose the filling space on the circumference and can be easily produced, in particular in the shape of a cylinder.
Insbesondere kann die Grundfläche der äußeren Einfüllöffnung entsprechen. In diesem Fall bildet die Mantelwand eine Fortsetzung der Kontur der äußeren Einfüllöffnung ins Innere des Behälters, was produktionstechnisch besonders einfach umzusetzen ist.In particular, the base area can correspond to the outer filling opening. In this case, the jacket wall forms a continuation of the contour of the outer filling opening into the interior of the container, which is particularly easy to implement in terms of production technology.
Der Behälter kann zumindest eine in dem Hohlraum angeordnete Stützvorrichtung, die zwei einander gegenüberliegende Abschnitte der Außenwand statisch miteinander verbindet, umfassen. Durch die Stützvorrichtung, die beispielsweise zumindest eine Stützsäule und/oder zumindest eine Stützwand umfasst, wird die mechanische Stabilität des Behälters verbessert. Vorzugsweise umfasst die Stützvorrichtung eine Anzahl von Öffnungen zum Transport der Flüssigkeit durch die Stützvorrichtung hindurch. Durch die Öffnungen wird sichergestellt, dass die Stützvorrichtung einen Gastransport und/oder Flüssigkeitstransport innerhalb des Hohlraums nicht wesentlich behindert.The container can comprise at least one support device arranged in the cavity, which statically connects two opposite sections of the outer wall to one another. The mechanical stability of the container is improved by the support device, which for example comprises at least one support column and / or at least one support wall. The support device preferably comprises a number of openings for transporting the liquid through the support device. The openings ensure that the support device does not significantly hinder gas transport and / or liquid transport within the cavity.
Die Mantelwand kann durch die zumindest eine Stützvorrichtung statisch mit einem der äußeren Einfüllöffnung gegenüberliegenden Bereich der Außenwand verbunden sein. Insbesondere kann die Mantelwand einstückig in die Stützvorrichtung übergehen, damit der Behälter besonders einfach herstellbar ist.The jacket wall can be statically connected by the at least one support device to a region of the outer wall opposite the outer filling opening. In particular, the jacket wall can merge in one piece into the support device, so that the container is particularly easy to manufacture.
Der Behälter besteht vorzugsweise zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, aus einem Kunststoff, bevorzugt aus einem sauerstoffbeständigen und besonders bevorzugt auch ozonbeständigen Kunststoff, besonders bevorzugt aus einem fluorierten Kunststoff. Durch einen, insbesondere sauerstoffbeständigen, Kunststoff wird erreicht, dass der Behälter medienkompatibel ist, sodass keine aus dem Behälter austretenden Stoffe die Flüssigkeit verunreinigen. Je besser die Medienkompatibilität ist und je weniger Stoffe an die Flüssigkeit abgegeben werden, desto länger ist die mögliche Betriebsdauer des Elektrolyseurs.The container preferably consists at least in sections, in particular completely, of a plastic, preferably of an oxygen-resistant and particularly preferably also ozone-resistant plastic, particularly preferably of a fluorinated plastic. A plastic, in particular oxygen-resistant material, ensures that the container is media-compatible, so that no substances emerging from the container contaminate the liquid. The better the media compatibility and the less substances are released into the liquid, the longer the possible operating time of the electrolyzer.
Der Behälter kann weitere Elemente wie beispielsweise einen Füllstandssensor als Trockenlaufschutz und/oder einen Leitfähigkeitssensor zur Warnung bei Befüllung mit einer falschen Flüssigkeit (z.B. Leitungswasser) oder zu langen Zeitintervallen im Betrieb ohne Wasserwechsel umfassen.The container can include other elements such as a level sensor as dry-running protection and / or a conductivity sensor for warning when filling with an incorrect liquid (e.g. tap water) or at long time intervals during operation without changing the water.
Ein erfindungsgemäßer Elektrolyseur zur Elektrolyse von Wasser kann insbesondere als Protonen-Austauschmembran-Elektrolyseur ausgestaltet sein und umfasst vorzugsweise einen erfindungsgemäßen Behälter als Wassertank des Elektrolyseurs. Die im Folgenden beschriebenen Merkmale des Elektrolyseurs sind mit den beschriebenen oder eigenständigen für einen Fachmann ersichtlichen Vorteilen auf einen Elektrolyseur mit einem nicht erfindungsgemäß ausgestalteten Behälter als Wassertank übertragbar.An electrolyzer according to the invention for the electrolysis of water can in particular be designed as a proton exchange membrane electrolyzer and preferably comprises a container according to the invention as the water tank of the electrolyzer. The features of the electrolyser described below can be transferred with the described or independent advantages that are obvious to a person skilled in the art to an electrolyzer with a container not designed according to the invention as a water tank.
Vorteilhafterweise ist die zumindest eine Vorlauföffnung des Behälters, die bevorzugt in den Speicherraum des Behälters mündet, über eine Vorlaufleitung fluidleitend mit einem Anodenraum einer Elektrolysezelle des Elektrolyseurs verbunden. Vorteilhafterweise ist außerdem die zumindest eine Rücklauföffnung des Behälters über eine Rücklaufleitung fluidleitend mit einem Abscheidebehälter des Elektrolyseurs verbunden, wobei der Abscheidebehälter über eine Kathodenleitung fluidleitend mit einem Kathodenraum der Elektrolysezelle verbunden ist und zwischen Abscheidebehälter und Behälter ein Pumpventil in der Rücklaufleitung oder an dem Abscheidebehälter integriert ist. Eine Anodenrücklaufleitung verbindet den Anodenraum der Elektrolysezelle fluidleitend mit der zumindest einen Rücklaufleitung zwischen dem Pumpventil und der Rücklauföffnung des Behälters oder über eine Anodenrücklauföffnung des Behälters mit dem Hohlraum des Behälters. Die fluidleitende Verbindung des Anodenraums mit der Rücklaufleitung ist besonders vorteilhaft, da hierdurch keine Anodenrücklaufleitung mit eigenem Anschluss an den Behälter über eine Anodenrücklauföffnung notwendig ist.Advantageously, the at least one flow opening of the container, which preferably opens into the storage space of the container, is fluidly connected to an anode space of an electrolysis cell of the electrolyser via a flow line. Advantageously, the at least one return opening of the container is fluidly connected to a separating container of the electrolyser via a return line, the separating container being fluidly connected to a cathode chamber of the electrolytic cell via a cathode line and a pump valve between the separating container and the container is integrated in the return line or on the separating container . An anode return line connects the anode space of the electrolytic cell in a fluid-conducting manner to the at least one return line between the pump valve and the return opening of the container or via an anode return opening of the container to the cavity of the container. The fluid-conducting connection of the anode space to the return line is particularly advantageous, since this means that no anode return line with its own connection to the container via an anode return opening is necessary.
Durch die im vorherigen Absatz genannten Verbindungen kann Wasser zur Elektrolyse aus dem Behälter in den Anodenraum der Elektrolysezelle strömen und das im Anodenraum entstehende Gas kann über die Anodenrücklaufleitung zusammen mit Wasser in den Behälter zurück gelangen, und Abscheidewasser, gesammelt im Abscheidebehälter, aus dem Kathodenraum der Elektrolysezelle kann, über das integrierte Pumpventil in der Rücklaufleitung, periodisch in den Behälter zurückströmen.Through the compounds mentioned in the previous paragraph, water for electrolysis from the Containers flow into the anode compartment of the electrolytic cell and the gas generated in the anode compartment can get back into the container together with water via the anode return line, and separating water, collected in the separating container, from the cathode compartment of the electrolytic cell can periodically in via the integrated pump valve in the return line flow back the container.
Beispielsweise durch zwei separate Rücklauf-Leitungen und Rücklauf-Öffnungen im Behälter, Anodenrücklaufleitung mit Anodenrücklauföffnung und Pumprücklaufleitung mit Pumprücklauföffnung, verbessert sich der jeweilige Flüssigkeits- und Gasfluss, weil weniger Verbindungsstellen und dadurch weniger Verbindungswinkel und mögliche Engstellen im Flüssigkeits- und Gasfluss diesen behindern.For example, with two separate return lines and return openings in the tank, anode return line with anode return opening and pump return line with pump return opening, the respective liquid and gas flow is improved because fewer connection points and therefore fewer connection angles and possible narrow points in the liquid and gas flow impede them.
Vorteilhafterweise und bevorzugt umfasst der Behälter zwei Rücklauföffnungen:
- Eine Pumprücklauföffnung, die bevorzugt in den Speicher- oder Pufferraum des Behälters mündet, ist über eine Pumprücklaufleitung fluidleitend (vorzugsweise mit einem integrierten Pumpventil) mit dem Abscheidebehälter des Elektrolyseurs verbunden. Eine Anodenrücklauföffnung, die bevorzugt in den Speicher- oder Pufferraum des Behälters mündet,
- ist über eine Anodenrücklaufleitung mit dem Anodenraum der Elektrolysezelle des Elektrolyseurs fluidleitend verbunden.
- A pump return opening, which preferably opens into the storage or buffer space of the container, is connected in a fluid-conducting manner (preferably with an integrated pump valve) to the separating container of the electrolyzer via a pump return line. An anode return opening, which preferably opens into the storage or buffer space of the container,
- is fluidly connected to the anode compartment of the electrolytic cell of the electrolyzer via an anode return line.
Durch die im vorherigen Absatz genannten Verbindungen kann Wasser zur Elektrolyse durch die Vorlaufleitung aus dem Behälter in den Anodenraum der Elektrolysezelle und von dort durch die Anodenrücklaufleitung zurück in den Behälter strömen. Das im Abscheidebehälter gesammelte Wasser aus dem Kathodenraum der Elektrolysezelle kann durch die Pumprücklaufleitung periodisch in den Behälter zurückgepumpt werden.Due to the connections mentioned in the previous paragraph, water for electrolysis can flow through the feed line from the container into the anode compartment of the electrolysis cell and from there through the anode return line back into the container. The water collected in the separation container from the cathode compartment of the electrolytic cell can be pumped back periodically into the container through the pump return line.
Die beiden Rücklaufleitung können beide vor Eintritt in den Behälter zusammengeführt werden, sodass der Behälter dann nur eine Rücklauföffnung benötigt. Bevorzugt mündet die zumindest eine Rücklauföffnung in den Speicher- oder Pufferraum des Behälters.The two return lines can both be brought together before entering the container, so that the container then only needs one return opening. The at least one return opening preferably opens into the storage or buffer space of the container.
Durch das Pumpventil werden Anodenseite und Kathodenseite der Elektrolysezelle außerhalb von dieser und der dort angeschlossenen Verbindungen voneinander getrennt, sodass keine Gefahr besteht, dass Sauerstoff aus dem Anodenraum und Wasserstoff aus dem Kathodenraum zusammenströmen. Eine Mischung aus Sauerstoff und Wasserstoff könnte zu einem explosiven Gemisch aus Sauerstoff und Wasserstoff, auch Knallgas genannt, führen, das die Betriebssicherheit des Elektrolyseurs gefährden könnte. Das Öffnen des Pumpventils und Schließen des Wasserstoffauslassventils während des Betriebes der Elektrolysezelle dient zum Rückpumpen des aufgefangenem Wassers aus dem Abscheidebehälter in den Behälter mittels dem auf der Kathodenseite entstehenden Wasserstoffgas. Die zeitliche Dauer dieses Rückpumpvorgangs ist so zu wählen, dass nur Wasser gepumpt wird und kein Wasserstoffgas über die Pumprücklaufleitung in den Behälter gelangt.The pump valve separates the anode side and cathode side of the electrolytic cell from each other outside of this and the connections connected there, so that there is no danger that oxygen from the anode space and hydrogen from the cathode space flow together. A mixture of oxygen and hydrogen could lead to an explosive mixture of oxygen and hydrogen, also known as oxyhydrogen, which could endanger the operational safety of the electrolyzer. Opening the pump valve and closing the hydrogen outlet valve during operation of the electrolysis cell serves to pump back the collected water from the separating tank into the tank by means of the hydrogen gas generated on the cathode side. The duration of this pump-back process should be selected so that only water is pumped and no hydrogen gas gets into the tank via the pump return line.
Durch das Pumpen mit dem intern produzierten Gas entfällt eine elektrische Pumpe und dadurch findet der Pumpvorgang sehr leise statt. Der Abscheidebehälter kann zumindest ein Wasserstoffauslassventil oder ein dort fluid- bzw. gasleitend angeschlossenes Wasserstoffauslassventil und/oder zumindest einen Füllstandssensor umfassen. In dem Abscheidebehälter kann der Wasserstoff auf effiziente Weise vom Wasser und Wasserstoffgasgemisch aus der Elektrolysezelle abgetrennt und über das Wasserstoffauslassventil aus dem Abscheidebehälter einer Verwendung, beispielsweise zur Wasserstoff-Anreicherung von Trinkwasser oder für Inhalationszwecke, zugeführt werden.Pumping with the internally produced gas eliminates the need for an electric pump, making the pumping process very quiet. The separating container can comprise at least one hydrogen outlet valve or a hydrogen outlet valve connected there to conduct fluid or gas and / or at least one fill level sensor. In the separator tank, the hydrogen can be efficiently separated from the water and hydrogen gas mixture from the electrolytic cell and can be used via the hydrogen outlet valve from the separator tank for use, for example, for hydrogen enrichment of drinking water or for inhalation purposes.
Die Rücklaufleitung kann zumindest ein Pumpventil zur Absperrung der Rücklaufleitung zwischen dem Abscheidebehälter und der Rücklauföffnung umfassen. Durch das Pumpventil kann der Rückstrom des Abscheidewassers in den Behälter gesteuert werden, und wenn das Pumpventil geschlossen ist, trennt das Pumpventil die Kathodenseite von der Anodenseite der Elektrolysezelle. Insbesondere kann das Pumpventil verhindern, dass Wasser aus dem Behälter oder aus dem Anodenraum entgegen der vorgesehenen Strömungsrichtung zum Kathodenraum strömt, Wasserstoffgas in den Behälter strömt und sich dort mit Sauerstoff mischt und dadurch eine Fehlfunktion des Elektrolyseurs verursachen könnte. Ferner kann das gesteuerte Pumpventil in Zusammenhang mit dem ebenfalls gesteuerten Wasserstoffauslassventil sicherstellen, dass während des Rückpumpvorgangs nur Wasser und kein Wasserstoffgas in den Behälter gepumpt wird.The return line can comprise at least one pump valve to shut off the return line between the separating container and the return opening. The return flow of the separating water into the container can be controlled by the pump valve, and when the pump valve is closed, the pump valve separates the cathode side from the anode side of the electrolysis cell. In particular, the pump valve can prevent water from the container or from the anode compartment from flowing counter to the intended flow direction to the cathode compartment, hydrogen gas flowing into the container and mixing there with oxygen, which could cause the electrolyser to malfunction. Furthermore, the controlled pump valve in connection with the likewise controlled hydrogen outlet valve can ensure that only water and no hydrogen gas is pumped into the container during the pump-back process.
Der Elektrolyseur und dessen Fluid-Rückführungsmechanismen, im speziellen das Pumpen des kathodenseitig im Abscheidebehälter aufgefangenen Wassers zurück in den Behälter, bestimmen das zurückgeführte Fluidvolumen dieses Wassers. Dieses Fluidvolumen wird für die Auslegung des Puffervolumens benötigt.The electrolyzer and its fluid return mechanisms, in particular the pumping of the water collected on the cathode side in the separating tank back into the tank, determine the returned fluid volume of this water. This volume of fluid is required for the design of the buffer volume.
Der Elektrolyseur kann zumindest eine mit dem Füllstandssensor und den beiden Ventilen, Wasserstoffauslassventil und Pumpventil, kommunikativ verbundene Steuervorrichtung umfassen, wobei die Steuervorrichtung dazu ausgelegt ist, das Wasserstoffauslassventil und Pumpventil in Abhängigkeit von einem durch den Füllstandssensor gemessenen Füllstand des Abscheidebehälters zu steuern. Die Steuervorrichtung kann, insbesondere automatisch, sicherstellen, dass der Füllstand des Abscheidebehälters in einem für einen effizienten und sicheren Betrieb des Elektrolyseurs vorteilhaften Bereich liegt, sodass insbesondere eine effiziente Wasserstoffabscheidung ohne Überlaufen des Abscheidebehälters erfolgt.The electrolyzer can comprise at least one control device communicatively connected to the fill level sensor and the two valves, hydrogen outlet valve and pump valve, the control device being designed to: To control the hydrogen outlet valve and the pump valve as a function of a fill level of the separating tank measured by the fill level sensor. The control device can, in particular automatically, ensure that the fill level of the separating container is in a range which is advantageous for efficient and safe operation of the electrolyzer, so that in particular efficient hydrogen separation takes place without overflowing the separating container.
Weiterhin kann die Steuervorrichtung vorzugsweise zudem auch über einen Drucksensor den internen Gasdruck der Kathodenseite überwachen, das Ein/Aus-schalten der Elektrolysezelle regeln, mit einem optionalen Touchdisplay und/oder Display und Eingabeelementen kommunizieren und von außen vom Benutzer gesteuert werden und über einen optionalen akustischen Signalgeber/Lautsprecher dem Benutzer Hinweistöne geben. Die Steuervorrichtung kann in dem Elektrolyseur integriert oder von einem zum Elektrolyseur externen Computergerät umfasst sein.Furthermore, the control device can preferably also monitor the internal gas pressure on the cathode side via a pressure sensor, regulate the switching on / off of the electrolysis cell, communicate with an optional touch display and / or display and input elements and be controlled from the outside by the user and via an optional acoustic signal Signalers / loudspeakers give the user advisory tones. The control device can be integrated in the electrolyzer or can be comprised by a computer device external to the electrolyzer.
Vorzugsweise ist die zumindest eine Steuervorrichtung dazu eingerichtet, bei Erreichen eines Maximalfüllstandes, signalisiert durch einen Füllstandssensor, des Abscheidebehälters so lange das Wasserstoffauslassventil zu schließen und das Pumpventil zu öffnen, bis ein vorbestimmtes Abscheidevolumen des Abscheidewasser aus dem Abscheidebehälter in den Hohlraum gelangt ist, wobei das Abscheidevolumen kleiner oder gleich dem Puffervolumen des Pufferraums des Behälters ist. Diese Einrichtung stellt sicher, dass weder der Behälter noch der Abscheidebehälter überlaufen oder es zu einem Überdruck kommt. Zudem wird durch die richtige Dauer des Pumpvorgangs verhindert, das Wasserstoffgas in den Behälter gelangt.Preferably, the at least one control device is designed to close the hydrogen outlet valve and to open the pump valve when a maximum fill level, signaled by a fill level sensor, of the separator tank and to open the pump valve until a predetermined separating volume of the separating water from the separator tank has entered the cavity, this Separation volume is less than or equal to the buffer volume of the buffer space of the container. This device ensures that neither the container nor the separating container overflow or that there is an overpressure. In addition, the correct duration of the pumping process prevents hydrogen gas from entering the container.
Vorzugsweise ist das zumindest eine Wasserstoffauslassventil und/oder das zumindest eine Pumpventil als Formgedächtnismetallventil ausgeführt. Ein Formgedächtnismetallventil wird durch Heizen oder Kühlen eines Formgedächtnismetalls über eine Übergangstemperatur geschaltet und arbeitet dadurch sehr leise, insbesondere im Vergleich zu üblichen elektromagnetischen Ventilen.The at least one hydrogen outlet valve and / or the at least one pump valve is preferably designed as a shape memory metal valve. A shape memory metal valve is switched by heating or cooling a shape memory metal above a transition temperature and therefore works very quietly, in particular in comparison to conventional electromagnetic valves.
Der Elektrolyseur ist vorteilhafterweise zur Zirkulation des Wassers aus dem Behälter durch die Anodenseite der Elektrolysezelle und zurück in den Behälter durch das durch die Elektrolyse entstehende Gas selbst ausgelegt. Das entstehende Gas bewirkt bei richtiger Ausgestaltung der Leitungen, Anschlüsse und inneren Konstruktion der Elektrolysezelle durch dessen Aufstieg im Wasser eine Zirkulation des Wassers auf der Anodenseite, insbesondere ohne weitere Pumpen.The electrolyzer is advantageously designed to circulate the water from the container through the anode side of the electrolytic cell and back into the container through the gas generated by the electrolysis itself. If the lines, connections and internal construction of the electrolytic cell are designed correctly, the resulting gas causes the water to circulate on the anode side, in particular without further pumps, due to its rise in the water.
Durch Formgedächtnismetallventile und/oder das Fehlen weitere Pumpen ist ein besonders leiser Betrieb des Elektrolyseurs möglich, was insbesondere bei einer Heimanwendung des Elektrolyseurs, beispielsweise in einem Wohnraum oder Schlafraum, von Vorteil ist.Shape memory metal valves and / or the absence of further pumps make the electrolyser particularly quiet to operate, which is particularly advantageous when the electrolyser is used at home, for example in a living room or bedroom.
Vorzugsweise umfasst der Elektrolyseur zumindest einen Ventilator zur Kühlung des Elektrolyseurs. Durch eine Kühlung des Elektrolyseurs, insbesondere des Behälters und der Wasserleitungen, wird die Stoffabgabe von löslichen Bestandteilen aus in Kontakt mit dem Wasser stehenden Materialien verlangsamt, sodass der Elektrolyseur länger störungsfrei betrieben werden kann. Der Ventilator verhindert außerdem, dass sich Wasserstoff im Falle eines Gaslecks in einem Gehäuse des Elektrolyseurs ansammelt, wodurch ein explosives Gasgemisch entstehen könnte.The electrolyzer preferably comprises at least one fan for cooling the electrolyzer. By cooling the electrolyzer, in particular the container and the water pipes, the release of substances from soluble components in contact with the water is slowed down, so that the electrolyzer can be operated longer without problems. The fan also prevents hydrogen from accumulating in a housing of the electrolyzer in the event of a gas leak, which could result in an explosive gas mixture.
Der Behälter, alle Gas oder Flüssigkeit leitenden Leitungen des Elektrolyseurs, Leitungsverbinder, die Elektrolysezelle, die Ventile und/oder ein Abscheidebehälter mit Levelsensor des Elektrolyseurs besteht vorzugsweise zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, aus einem wasserstoffbeständigen und/oder sauerstoffbeständigen und insbesondere auch ozonbeständigen Material, bevorzugt aus einem fluorierten Kunststoff. Dadurch wird sichergestellt, dass die genannten Komponenten im Betrieb des Elektrolyseurs nicht korrodieren und/oder das System verunreinigen und/oder zu einer schlechteren Lebenserwartung des Elektrolyseurs führen. Nicht jede Komponente kommt mit allen im Elektrolyseur enthaltenden Medien, insbesondere Wasser, Sauerstoff, Ozon, H3O+ oder Wasserstoff, in Kontakt, daher können je nach Kontaktmedium unterschiedliche Materialien für unterschiedliche Komponenten gewählt werden. Ozonbeständigkeit ist deshalb von Bedeutung, da wegen der Anwendung eine energieeffiziente Elektrolyse nicht zwingend notwendig ist und so die Endspannung der Elektrolysezelle heraufgesetzt werden kann, damit eine längere Betriebsdauer erreicht wird, und es bei höheren Spannungen dazu kommen könnte, das geringe Mengen an Ozon entstehen.The container, all gas or liquid-conducting lines of the electrolyser, line connector, the electrolysis cell, the valves and / or a separating container with level sensor of the electrolyser preferably consists at least in sections, in particular completely, of a hydrogen-resistant and / or oxygen-resistant and in particular also ozone-resistant material made of a fluorinated plastic. This ensures that the components mentioned do not corrode during operation of the electrolyzer and / or contaminate the system and / or lead to a poorer life expectancy of the electrolyzer. Not every component comes into contact with all media contained in the electrolyzer, in particular water, oxygen, ozone, H 3 O + or hydrogen, so different materials can be selected for different components depending on the contact medium. Resistance to ozone is important because, due to the application, energy-efficient electrolysis is not absolutely necessary and so the final voltage of the electrolytic cell can be increased so that a longer operating life is achieved and higher voltages could result in small amounts of ozone being generated.
Vorzugsweise umfasst die Außenwand des Behälters eine Entleerungsöffnung, zum, insbesondere gravitationsgetriebenen, Entleeren des Behälters. Die Entleerungsöffnung ist vorteilhafterweis an dem Speicherraum, insbesondere an einer Unterseite des Behälters, angeordnet. Durch die Entleerungsöffnung kann die Flüssigkeit auf einfache Weise, insbesondere ohne den Behälter oder den Elektrolyseur umdrehen zu müssen, entnommen werden, beispielsweise um sie gegen frische Flüssigkeit auszutauschen, zum Beispiel wenn ein Salzgehalt oder eine Konzentration von Verunreinigungen in der Flüssigkeit für den Betrieb des Elektrolyseurs zu hoch ist.The outer wall of the container preferably comprises an emptying opening for, in particular gravitationally driven, emptying of the container. The emptying opening is advantageously arranged on the storage space, in particular on an underside of the container. The liquid can be removed in a simple manner through the emptying opening, in particular without having to turn the container or the electrolyzer, for example in order to exchange it for fresh liquid, for example if there is a salinity or a concentration of impurities in the liquid for the operation of the electrolyzer is too high.
In dem Elektrolyseur kann die Entleerungsöffnung des Behälters über eine Entleerungsleitung, die bevorzugt durch ein, beispielsweise manuell betätigtes, Entleerungsventil verschließbar ist, mit einer Umgebung des Elektrolyseurs fluidleitend verbunden sein. Vorzugsweise ist das Entleerungsventil ölfrei und fettfrei ausgestaltet, um eine Verunreinigung der Flüssigkeit in dem Behälter zu verhindern. In the electrolyzer, the emptying opening of the container can be connected in a fluid-conducting manner to an environment of the electrolyzer via an emptying line, which can preferably be closed by a, for example manually operated, emptying valve. The emptying valve is preferably designed to be oil-free and grease-free in order to prevent contamination of the liquid in the container.
Alternativ kann die Entleerungsleitung auch an einem gegenüber dem Behälter tieferen Punkt im Elektrolyseur, bevorzugt mit der Vorlaufleitung oder der Elektrolysezelle durch eine separate Anschlussöffnung, fluidleitend verbunden sein.Alternatively, the emptying line can also be connected in a fluid-conducting manner at a point in the electrolyser which is lower than the container, preferably with the flow line or the electrolysis cell through a separate connection opening.
Vorteilhafterweise werden alle Leitungen des Elektrolyseurs so an die Behälter, Ventile und Elektrolysezelle angeschlossen, dass die Verbindungen ölfrei und fettfrei sind. Dadurch wird eine Verunreinigung einer Flüssigkeit in dem Elektrolyseur, beispielsweise durch ein Schmiermittel einer Verbindungsvorrichtung zwischen der Öffnung und einer Leitung verhindert. Vorteilhafterweise stehen bei Verbindungen jeweils außer einer Innenseite einer Außenwand eines Flüssigkeitsbehälters und einer Innenseite einer mit dem Flüssigkeitsbehälter verbundenen Leitung keine weiteren Oberflächen in fluidleitendem Kontakt zu dem jeweiligen Innenraum des Flüssigkeitsbehälters.All lines of the electrolyser are advantageously connected to the containers, valves and electrolysis cell in such a way that the connections are oil-free and grease-free. This prevents contamination of a liquid in the electrolyzer, for example by a lubricant in a connecting device between the opening and a line. In the case of connections, apart from an inside of an outer wall of a liquid container and an inside of a line connected to the liquid container, no further surfaces are in fluid-conducting contact with the respective interior of the liquid container.
Beispielsweise kann eine, insbesondere als semiflexibler Schlauch ausgestaltete, Leitung durch eine Kombination von Ferrul und Fitting mit Gewinde dichtend an eine Öffnung gepresst werden. Diese Ferrul und Fitting Kombination ist zum einem ölfrei und fettfrei, zum anderen eine sehr kostengünstige Verbindungstechnik und zudem platzsparend. Der Schlauch besteht bevorzugt aus einem Fluorkunststoff.For example, a line, in particular in the form of a semi-flexible hose, can be pressed sealingly against an opening by a combination of a ferrule and a threaded fitting. On the one hand, this ferrul and fitting combination is oil-free and grease-free, on the other hand, it is a very cost-effective connection technology and also saves space. The hose preferably consists of a fluoroplastic.
Weiterhin sind bevorzugt alle in dem Elektrolyseur verwendeten Materialien, die flüssigkeits- und/oder gasführend sind und/oder Kontakt mit Flüssigkeit und/oder Gas haben, ölfrei und fettfrei. Dies schließt insbesondere auch alle medienberührenden Teile von Ventilen ein.Furthermore, all materials used in the electrolyzer that are liquid and / or gas-carrying and / or have contact with liquid and / or gas are preferably oil-free and fat-free. This includes in particular all parts of the valve that come into contact with the medium.
Der Elektrolyseur kann zudem zumindest eine UV-Lichtquelle, bevorzugt für UVC-Licht, bevorzugt eine UVC-LED-Lichtquelle, zur Keimreduzierung, insbesondere zur Entkeimung, beinhalten. Die UV-Lichtquelle kann vorteilhafterweise in Wasserstoff-Strömungsrichtung kurz vor einem Wasserstoffausgang des Elektrolyseurs das Wasserstoffgas in der Leitung, durch eine für UV-Licht transparente Leitung und eine UV-Lichtquelle außerhalb der Leitung oder eine in die Leitung integrierte UV-Lichtquelle, bestrahlen. Als weitere Möglichkeit können auch die Flüssigkeitsbehälter und deren Flüssigkeit mit UV-Licht behandelt werden. Bei den Flüssigkeitsbehältern ist wie auch bei der Leitung eine UV-Lichtquelle von außerhalb des Flüssigkeitsbehälters mit UV-durchlässigem Behältermaterial, oder innerhalb mit einer in den Flüssigkeitsbehälter integrierten UV-Lichtquelle zur UV Behandlung umsetzbar. Speziell für Geräte mit Anwendung im Medizinbereich ist dies eine sinnvolle Produktergänzung.The electrolyser can also contain at least one UV light source, preferably for UVC light, preferably a UVC LED light source, for germ reduction, in particular for disinfection. The UV light source can advantageously irradiate the hydrogen gas in the line in the hydrogen flow direction shortly before a hydrogen outlet of the electrolyzer, through a line transparent to UV light and a UV light source outside the line or a UV light source integrated into the line. As a further possibility, the liquid containers and their liquid can also be treated with UV light. In the case of the liquid containers, as with the line, a UV light source can be implemented from the outside of the liquid container with UV-permeable container material, or inside with a UV light source integrated into the liquid container for UV treatment. This is a useful product addition, especially for devices used in the medical field.
Ein Verfahren zur Elektrolyse von Wasser mit einem erfindungsgemäßen Elektrolyseur umfasst zumindest folgende Schritte:
- a) Überwachen eines Füllstands des Abscheidebehälters des Elektrolyseurs, bevorzugt durch ein Messen des Füllstands mit einem Füllstandssensor, und
- b) Rückführen eines Abscheidevolumens Abscheidewasser aus dem Abscheidebehälter in den Behälter des Elektrolyseurs, sobald der Füllstand einen Maximalfüllstand erreicht, wobei das Abscheidevolumen kleiner oder gleich einem Puffervolumen des Pufferraums des Behälters ist.
- a) monitoring a fill level of the separating tank of the electrolyzer, preferably by measuring the fill level with a fill level sensor, and
- b) returning a separating volume of separating water from the separating container into the container of the electrolyzer as soon as the fill level reaches a maximum fill level, the separating volume being less than or equal to a buffer volume of the buffer space of the container.
Das Verfahren bewirkt einen sicheren und effizienten Betrieb des Elektrolyseurs ohne Gefahr, dass der Abscheidebehälter oder der Behälter überläuft. Vorzugsweise wird das Verfahren von einer Steuervorrichtung des Elektrolyseurs automatisiert ausgeführt.The method ensures safe and efficient operation of the electrolyser without the risk of the separating container or the container overflowing. The method is preferably carried out automatically by a control device of the electrolyzer.
Das Rückführen umfasst bevorzugt zumindest folgende Schritte:
- a) Schließen des Wasserstoffauslassventils des Elektrolyseurs, sobald der Füllstand den Maximalfüllstand erreicht, und
- b) Öffnen des Wasserstoffauslassventils des Elektrolyseurs, sobald der Füllstand einen Minimalfüllstand erreicht, wobei das Erreichen des Minimalfüllstands insbesondere durch ein
- a) closing the hydrogen outlet valve of the electrolyzer as soon as the fill level reaches the maximum fill level, and
- b) opening the hydrogen outlet valve of the electrolyzer as soon as the fill level reaches a minimum fill level, the reaching of the minimum fill level in particular by a
Durch das Schließen des Wasserstoffauslassventils baut sich in dem Abscheidebehälter ein Wasserstoffdruck auf, der das Abscheidewasser, insbesondere ohne zusätzliche Pumpe, aus dem Abscheidebehälter in den Behälter treiben kann. Dadurch ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders energieeffizient und geräuscharm. Durch das Öffnen des Wasserstoffauslassventils geht der Wasserstoffdruck wieder zurück, sodass kein weiteres Abscheidewasser aus dem Abscheidebehälter getrieben wird.By closing the hydrogen outlet valve, a hydrogen pressure builds up in the separating tank, which can drive the separating water out of the separating tank into the tank, in particular without an additional pump. As a result, the method according to the invention is particularly energy-efficient and low-noise. When the hydrogen outlet valve is opened, the hydrogen pressure drops again, so that no further separating water is forced out of the separating tank.
Wenn der Elektrolyseur ein Pumpventil umfasst, umfasst das Rückführen vorzugsweise folgende Schritte:
- a) Öffnen des Pumpventils, insbesondere nach dem Schließen des Wasserstoffauslassventils, bevorzugt durch einen sich in dem Abscheidebehälter erhöhenden Wasserstoffdruck, und
- b) Schließen des Pumpventils, insbesondere nach dem Öffnen des Wasserstoffauslassventils, bevorzugt durch einen sich in dem Abscheidebehälter verringernden Wasserstoffdruck.
- a) opening of the pump valve, in particular after closing the hydrogen outlet valve, preferably by a hydrogen pressure increasing in the separating container, and
- b) Closing of the pump valve, in particular after opening the hydrogen outlet valve, preferably due to a hydrogen pressure decreasing in the separating container.
Mit Hilfe des Pumpventils kann ein Rückstrom des Abscheidewassers in den Behälter zusätzlich gesteuert werden. Insbesondere wenn das, beispielsweise als Überdruckventil ausgestaltete, Pumpventil durch den sich ändernden Wasserstoffdruck gesteuert wird, ergibt sich ein besonders einfaches und effizientes Verfahren.With the help of the pump valve, a return flow of the separating water into the tank can also be controlled. A particularly simple and efficient method results in particular when the pump valve, which is designed, for example, as a pressure relief valve, is controlled by the changing hydrogen pressure.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.All of the features disclosed in the application documents are claimed as essential to the invention, provided that they are new to the prior art, individually or in combination.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften der Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung und anliegender Zeichnungen erläutert, in welchen beispielhaft erfindungsgemäße Gegenstände dargestellt sind. Merkmale, welche in den Figuren wenigstens im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sein, wobei diese Merkmale nicht in allen Figuren beziffert und erläutert sein müssen.Further advantages, aims and properties of the invention are explained with the aid of the following description and attached drawings, in which objects according to the invention are shown by way of example. Features which in the figures at least essentially correspond in terms of their function can be identified with the same reference numerals, these features not having to be numbered and explained in all the figures.
Es zeigen:
- [
1 ] eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Elektrolyseurs; - [
2 ] eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Behälters; - [
3 ] eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Behälters; - [
4 ] eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Behälters; - [
5 ] eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Behälters; - [
6 ] eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Führungselements; - [
7 ] eine schematische Darstellung erfindungsgemäßer Ausgestaltungen der äußeren Einfüllöffnung; - [
8 ] eine schematische Darstellung erfindungsgemäßer Ausgestaltungen der Entgasungsöffnung; - [
9 ] eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Entgasungsöffnung; - [
10 ] eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Behälters mit einem Führungselement; - [
11 ] eine weitere schematische Darstellung der in3 dargestellten Ausgestaltung des Behälters und - [
12 ] eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Verbindung einer Leitung mit einer Behälter-, Elektrolysezellen- oder Ventilverbindungsöffnung.
- [
1 ] a schematic representation of an embodiment of the electrolyzer according to the invention; - [
2nd ] a schematic representation of an embodiment of the container according to the invention; - [
3rd ] a schematic representation of a further embodiment of the container according to the invention; - [
4th ] a schematic representation of a further embodiment of the container according to the invention; - [
5 ] a schematic representation of a further embodiment of the container according to the invention; - [
6 a schematic representation of an embodiment of the guide element according to the invention; - [
7 a schematic representation of embodiments of the outer filler opening according to the invention; - [
8th a schematic representation of embodiments of the degassing opening according to the invention; - [
9 ] a schematic representation of a further embodiment of the degassing opening according to the invention; - [
10th ] a schematic representation of a further embodiment of the container according to the invention with a guide element; - [
11 ] another schematic representation of the in3rd illustrated design of the container and - [
12 ] an advantageous embodiment of a connection of a line with a container, electrolysis cell or valve connection opening.
Fig.1Fig. 1
[
Eine weitere Rücklauföffnung des Behälters
In einer alternativen Ausgestaltung der Anodenrücklaufleitung (gestrichelt dargestellt) kann diese den Anodenraum
Der Übersichtlichkeit halber sind weitere Details des Behälters
Der Abscheidebehälter
Der Behälter
Fig.2Fig. 2
[
Nicht dargestellt sind die zumindest eine Vorlauföffnung und die zumindest eine Rücklauföffnung des Behälters
Der Behälter
Die Mantelwand
Der dargestellte Behälter
Fig.3Fig. 3
[
Fig.4Fig. 4
[
Fig.5Fig. 5
[
Fig.6Fig. 6
[
Fig.7Fig. 7
[
Fig.8Fig. 8
[
In der in den
Zusätzlich kann an der dem Hohlraum
Die in
Fig.9Fig. 9
[
Fig.10Fig. 10
[
Fig.11Fig. 11
[
Fig.12Fig. 12
[
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 100100
- Behältercontainer
- 101101
- AußenwandOuter wall
- 102102
- VorlauföffnungFlow opening
- 103103
- Rücklauföffnung / PumprücklauföffnungReturn opening / pump return opening
- 104104
- AnodenrücklauföffnungAnode return opening
- 110110
- Hohlraumcavity
- 125125
- SpeicherraumStorage space
- 130130
- EinfüllraumFilling space
- 140140
- PufferraumBuffer space
- 149149
- weitere Entgasungsöffnungfurther vent opening
- 150150
- EntgasungsöffnungDegassing opening
- 151151
- EntgasungsmembranDegassing membrane
- 152152
- FremdkörperschutzvorrichtungForeign body protection device
- 153153
- ÜberdruckventilPressure relief valve
- 154154
- EntgasungsleitungDegassing line
- 160160
- äußere Einfüllöffnungouter filler opening
- 161161
- Deckelcover
- 165165
- innere Einfüllöffnunginner filling opening
- 170170
- MantelwandJacket wall
- 171171
- StützvorrichtungSupport device
- 180180
- SchalldämpferSilencer
- 190190
- EntleerungsöffnungDrain opening
- 200200
- ElektrolyseurElectrolyser
- 202202
- VorlaufleitungSupply line
- 203203
- Rücklaufleitung / PumprücklaufleitungReturn line / pump return line
- 204204
- AnodenrücklaufleitungAnode return line
- 208208
- KathodenleitungCathode lead
- 210210
- ElektrolysezelleElectrolytic cell
- 212212
- AnodenraumAnode compartment
- 213213
- KathodenraumCathode compartment
- 214214
- Protonen-AustauschmembranProton exchange membrane
- 220220
- AbscheidebehälterSeparator tank
- 221221
- FüllstandssensorLevel sensor
- 222222
- WasserstoffauslassventilHydrogen outlet valve
- 224224
- PumpventilPump valve
- 290290
- EntleerungsleitungDrain line
- 291291
- EntleerungsventilDrain valve
- 292292
- SchraubverbindungScrew connection
- 293293
- Fittingfitting
- 294294
- FerrulFerrul
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 19653034 A1 [0005]DE 19653034 A1 [0005]
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018130845.0A DE102018130845B4 (en) | 2018-12-04 | 2018-12-04 | Container for a liquid for use as a water tank of an electrolyzer, electrolyzer with the container as a water tank |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018130845.0A DE102018130845B4 (en) | 2018-12-04 | 2018-12-04 | Container for a liquid for use as a water tank of an electrolyzer, electrolyzer with the container as a water tank |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE102018130845A1 true DE102018130845A1 (en) | 2020-06-04 |
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Family
ID=70681036
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102018130845.0A Active DE102018130845B4 (en) | 2018-12-04 | 2018-12-04 | Container for a liquid for use as a water tank of an electrolyzer, electrolyzer with the container as a water tank |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102018130845B4 (en) |
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- 2018-12-04 DE DE102018130845.0A patent/DE102018130845B4/en active Active
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