DE102022110122A1

DE102022110122A1 - Electrolyser and method for temperature control of an electrolysis stack

Info

Publication number: DE102022110122A1
Application number: DE102022110122.3A
Authority: DE
Inventors: Sander ten Hoopen
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-04-27
Filing date: 2022-04-27
Publication date: 2023-05-04

Abstract

Ein Elektrolyseur (1) zur Wasserstoffherstellung umfasst plattenförmige Elektroden (20, 21, 22) sowie mindestens eine Membran (7), welche eine Anodenseite von einer Kathodenseite trennt. Es existiert ein vom Prozesswasser getrennter Kühlmittelkreislauf (15), welcher zur überwiegend anodenseitigen Kühlung ausgebildet ist.An electrolyzer (1) for producing hydrogen comprises plate-shaped electrodes (20, 21, 22) and at least one membrane (7) which separates an anode side from a cathode side. There is a coolant circuit (15) that is separate from the process water and is designed primarily for cooling on the anode side.

Description

Die Erfindung betrifft einen zur Herstellung von Wasserstoff vorgesehenen Elektrolyseur. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Temperierung eines Elektrolyse-Stacks eines solchen Elektrolyseurs.The invention relates to an electrolyzer intended for the production of hydrogen. Furthermore, the invention relates to a method for controlling the temperature of an electrolysis stack of such an electrolyzer.

Ein Elektrolyseur zur Herstellung von Wasserstoff ist beispielsweise aus der FR 2 410 058 A1 bekannt. Der bekannte Elektrolyseur weist vertikal angeordnete Elektroden auf. Zur Kühlung des Elektrolyseurs nach der FR 2 410 058 A1 ist Paraffin vorgesehen.An electrolyzer for the production of hydrogen is, for example, from FR 2 410 058 A1 known. The well-known electrolyzer has vertically arranged electrodes. For cooling the electrolyser after FR 2 410 058 A1 paraffin is provided.

Die DE 10 2014 207 594 A1 offenbart eine Bipolarplatte für eine Elektrolyse- oder Brennstoffzelle. In oder an der Bipolarplatte befindet sich ein Wärmerohr, welches einem Wärmetauscher zuzurechnen ist. Das Wärmerohr soll eine gleichmäßige Kühlung der Elektrolyse- oder Brennstoffzelle ermöglichen. Ein durch die Elektrolyse- oder Brennstoffzelle fließender Eduktstrom soll laut DE 10 2014 207 594 A1 im Unterschied zu älteren Konzepten nicht mehr zur Kühlung benötigt werden, womit vergleichsweise geringe Volumenströme des Edukts durch die Bipolarplatte ausreichend seien. Ein weiterer Vorteil der Bipolarplatte nach der DE 10 2014 207 594 A1 liege darin, dass für Kühlung kein deionisiertes Wasser erforderlich sei.The DE 10 2014 207 594 A1 discloses a bipolar plate for an electrolytic or fuel cell. A heat pipe is located in or on the bipolar plate, which can be attributed to a heat exchanger. The heat pipe is intended to enable uniform cooling of the electrolysis or fuel cell. A reactant stream flowing through the electrolysis or fuel cell should be noisy DE 10 2014 207 594 A1 In contrast to older concepts, they are no longer required for cooling, which means that comparatively low volume flows of the educt through the bipolar plate are sufficient. Another advantage of the bipolar plate after the DE 10 2014 207 594 A1 is that deionized water is not required for cooling.

Die WO 2021/228412 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Wasserelektrolysevorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Im Rahmen dieses Verfahrens wird Wasser zum Erzeugen des Wasserstoffs und des Sauerstoffs zusammen mit Wasser zur Kühlung einem PEM-Elektrolysestack (PEM = Polymerelektrolytmembran) zugeführt. Das Wasser zur Kühlung wird im Kreislauf geführt und mittels einer Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung behandelt. Hierbei wird nur ein Teil des im Kreislauf geführten Wassers der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung zugeführt, wogegen ein anderer Teil über einen Bypass unter Umgehung der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung dem PEM-Elektrolysestack zugeführt wird.The WO 2021/228412 A1 discloses a method of operating a water electrolyzer to produce hydrogen and oxygen from water. As part of this process, water for generating the hydrogen and oxygen is fed into a PEM electrolysis stack (PEM = polymer electrolyte membrane) together with water for cooling. The water for cooling is circulated and treated by means of a cleaning and/or separating device. In this case, only part of the circulated water is fed to the cleaning and/or separating device, while another part is fed to the PEM electrolysis stack via a bypass, bypassing the cleaning and/or separating device.

Ein in der WO 2014/170281 A1 beschriebenes Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysevorrichtung sieht vor, Wasser aus einem PEM-Elektrolyseur in einer Kühlvorrichtung abzukühlen und nachfolgend einem Ionenaustauscher zuzuführen. Bereits vor dem Zuleiten des Wassers zur Kühlvorrichtung wird dem Wasser Wärme entzogen, wobei ein Teil dieser Wärme dem Wasser nach dem Aufbereiten im Ionenaustauscher und vor Eintritt in den PEM-Elektrolyseur wieder zugeführt wird.An Indian WO 2014/170281 A1 The method described for operating an electrolysis device provides for cooling water from a PEM electrolyzer in a cooling device and then feeding it to an ion exchanger. Heat is extracted from the water even before the water is fed to the cooling device, with part of this heat being returned to the water after it has been processed in the ion exchanger and before it enters the PEM electrolyzer.

Eine in der EP 2 507 410 B1 beschriebene Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff mittels Elektrolyse soll die Nutzung von Salz- oder Brackwasser ermöglichen. In diesem Fall ist vorgesehen, Frischwasser in verdunsteter Form einem Trägergasstrom zuzuführen, sodass ein mit Wasserdampf beladener Trägergasstrom zur Verfügung steht, welcher einem Elektrolysator zugeführt werden kann. Das Trägergas wird in einem Trägergaskreislauf geführt, aus welchem Wasserstoff und Sauerstoff abspaltbar ist. Durch einen Verdichter wird die Temperatur eines Trägergas-/Wasserdampfgemisches erhöht. Eine Überhitzung des Trägergas-/Wasserdampfgemisches erfolgt mit Hilfe eines Wärmetauschers. Soweit im Trägergas-/Wasserdampfgemisch ein Restwasseranteil vorliegt, wird dieser in einem Konzentratabscheider zusammen mit gelösten Salzen abgeschieden. Das Kondensat wird einer Vorerwärmungseinrichtung zugeführt, mit der das Frischwasser auf eine Temperatur unterhalb der Siedetemperatur des Frischwassers vorerwärmt wird. In die vom Kondensatabscheider kommende Kondensatablaufleitung ist im Fall der EP 2 507 410 B1 eine Turbine geschaltet, welche zur Stromerzeugung innerhalb der gesamten Anlage beitragen soll.one in the EP 2 507 410 B1 described device for generating hydrogen by means of electrolysis should allow the use of salt or brackish water. In this case, provision is made for feeding fresh water in evaporated form to a carrier gas stream, so that a carrier gas stream loaded with water vapor is available, which can be fed to an electrolyzer. The carrier gas is conducted in a carrier gas circuit from which hydrogen and oxygen can be split off. The temperature of a carrier gas/water vapor mixture is increased by a compressor. The carrier gas/water vapor mixture is overheated with the aid of a heat exchanger. If there is any residual water in the carrier gas/steam mixture, this is removed in a concentrate separator together with dissolved salts. The condensate is fed to a preheating device with which the fresh water is preheated to a temperature below the boiling temperature of the fresh water. In the case of the condensate drain pipe coming from the condensate separator EP 2 507 410 B1 a turbine is switched on, which is intended to contribute to the generation of electricity within the entire system.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrolytische Herstellung von Wasserstoff aus Wasser gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei eine hohe Effizienz der Wasserstoffproduktion angestrebt wird.The invention is based on the object of further developing the electrolytic production of hydrogen from water compared to the prior art mentioned, with a high efficiency of the hydrogen production being aimed at.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Elektrolyseur mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Temperierung eines Elektrolyse-Stacks, das heißt einen Stapel aus Elektrolysezellen, gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Temperierungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtungen, das heißt den Elektrolyse-Stack sowie den einen derartigen Stack umfassenden Elektrolyseur, und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by an electrolyzer having the features of claim 1. The object is also achieved by a method for temperature control of an electrolysis stack, ie a stack of electrolysis cells, according to claim 8. Configurations explained below in connection with the temperature control method and advantages of the invention also apply to the devices, ie the electrolysis stack and the electrolyzer comprising such a stack, and vice versa.

Der zur elektrochemischen Herstellung von Wasserstoff geeignete Elektrolyseur umfasst neben einer Mehrzahl an plattenförmigen Elektroden mindestens eine Membran, welche eine Anodenseite von einer Kathodenseite der mindestens einen Elektrolysezelle des Elektrolyseurs trennt, sowie einen vom Prozesswasser des Elektrolyseurs, das heißt vom Wasser, welches in Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch zu zerlegen ist, getrennten Kühlmittelkreislauf, welcher zur überwiegend anodenseitigen Kühlung ausgebildet ist.The electrolyzer suitable for the electrochemical production of hydrogen comprises, in addition to a plurality of plate-shaped electrodes, at least one membrane which separates an anode side from a cathode side of the at least one electrolytic cell of the electrolyzer, and one from the process water of the electrolyzer, i.e. from the water, which is divided into hydrogen and oxygen is to be broken down electrochemically, separate coolant circuit, which is designed for predominantly anode-side cooling.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass für das Halten einer bestimmten Betriebstemperatur, beispielsweise einer Temperatur im Bereich von 40 bis 80°C, innerhalb eines Elektrolyseurs der Temperierung der Anode besondere Bedeutung zukommt. Auf besonders wirksame, gut steuer- und regelbare Weise wird dies mit Hilfe eines Kühlmittels, insbesondere Kühlwassers, erreicht, welches vom Prozesswasser, aus dem Wasserstoff zu erzeugen ist und an welches besonders hohe Reinheitsanforderungen gestellt werden, separiert ist und gezielt der Anodenseite der mindestens eine elektrochemische Zelle zugeführt wird.The invention is based on the consideration that for maintaining a certain operating temperature, for example a temperature in the range from 40 to 80°C, the temperature control of the anode is of particular importance within an electrolyser. This is achieved in a particularly effective, easily controllable and regulatable manner with the aid of a coolant, in particular cooling water, which is separated from the process water from which hydrogen is to be generated and which is subject to particularly high purity requirements, and is specifically directed to the anode side of the at least one electrochemical cell is supplied.

Insbesondere kommt als Prozesswasser Reinstwasser oder Wasser noch höherer Reinheit zum Einsatz. Als Kühlwasser kommt insbesondere deionisiertes Wasser, somit ebenfalls nicht elektrisch leitfähiges Wasser, zum Einsatz.In particular, ultrapure water or water of even higher purity is used as the process water. In particular, deionized water, which is also non-electrically conductive water, is used as the cooling water.

Gemäß einer möglichen Ausgestaltung weist der Elektrolyseur eine erste Elektrodenplatte auf, welche als Anodenplatte der elektrochemischen Zelle, das heißt Elektrolysezelle, fungiert, sowie eine hiervon parallel beabstandete zweite, ebenfalls plattenförmige Elektrode, die die Funktion einer Kathode der elektrochemischen Zelle hat. Ausschließlich die Anodenplatte ist als Wärmetauscherplatte ausgebildet, welche vom Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser, des Kühlmittelkreislaufs einseitig umströmt wird. Die Membran der Elektrolysezelle ist zwischen den beiden genannten, in unterschiedlichem Maße gekühlten Elektrodenplatten angeordnet.According to one possible embodiment, the electrolyzer has a first electrode plate, which acts as an anode plate of the electrochemical cell, ie electrolytic cell, and a second, also plate-shaped electrode spaced parallel therefrom, which has the function of a cathode of the electrochemical cell. Only the anode plate is designed as a heat exchanger plate, around which the coolant, in particular cooling water, of the coolant circuit flows on one side. The membrane of the electrolytic cell is arranged between the two electrode plates mentioned, which are cooled to different degrees.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist eine Mehrzahl an zueinander parallelen Membranen vorhanden, wobei zwischen jeweils zwei Membranen eine aus zwei Halbblechen zusammengesetzte Bipolarplatte angeordnet ist. In diesem Fall ist eines der Halbbleche als anodenseitige Elektrodenplatte und das andere Halbblech als kathodenseitige Elektrodenplatte vorgesehen, wobei zwischen den beiden Halbblechen mindestens ein dem Kühlmittelkreislauf zuzurechnender Kanal ausgebildet ist.According to an alternative embodiment, there is a plurality of membranes parallel to one another, with a bipolar plate composed of two half-sheets being arranged between two membranes in each case. In this case, one of the half-sheets is provided as an anode-side electrode plate and the other half-sheet as a cathode-side electrode plate, with at least one channel to be assigned to the coolant circuit being formed between the two half-sheets.

Hierbei können sich die beiden Halbbleche, welche beispielsweise durch Verschwei-ßung oder durch Lötverbindungen miteinander verbunden sind, hinsichtlich der Größe Ihrer Oberfläche voneinander unterscheiden, wobei dasjenige Halbblech, welches als anodenseitige Elektrodenplatte fungiert, eine größere Oberfläche als das Kathodenseitige Halbblech aufweist. Zusätzlich oder alternativ können sich die beiden Halbbleche hinsichtlich ihrer Wandstärke voneinander unterscheiden. Insbesondere kann das anodenseitige Halbblech eine geringere Wandstärke als das kathodenseitige Halbblech aufweisen. Auch Ausführungsformen, in welchen statt profilierten Halbblechen Glattbleche verwendet werden, sind realisierbar. In solchen Fällen kann zwischen die ebenen, voneinander beabstandeten Bleche eine separate Strömungsstruktur, durch welche ein Flussfeld gebildet wird, eingebaut werden.The two half-sheets, which are connected to one another by welding or soldering, for example, can differ in terms of the size of their surface area, with the half-sheet that functions as the anode-side electrode plate having a larger surface area than the cathode-side half-sheet. Additionally or alternatively, the two half-sheets can differ from one another in terms of their wall thickness. In particular, the anode-side half sheet can have a smaller wall thickness than the cathode-side half sheet. Embodiments in which smooth metal sheets are used instead of profiled half metal sheets can also be implemented. In such cases, a separate flow structure, through which a flow field is formed, can be installed between the flat, spaced plates.

Das anmeldungsgemäße Verfahren zur Temperierung eines Elektrolyse-Stacks geht allgemein davon aus, dass eine Mehrzahl an stapelförmig angeordneten anodenseitigen und kathodenseitigen Elektrodenplatten vorhanden ist. Mittels einer Kühlmittelströmung, welche von einer Prozesswasserströmung hermetisch getrennt ist, wird Wärme, die durch die elektrochemischen Prozesse beim Betrieb des den Elektrolyse-Stacks umfassenden Elektrolyseurs zwangsweise entsteht, überwiegend anodenseitig von den Elektrodenplatten abgeführt. Durch entgegengesetzte Durchströmrichtungen im Kühlkreislauf einerseits und des Prozesswassers andererseits werden weitgehend homogene Wärmegradienten über die Stackfläche erreicht.The method according to the application for controlling the temperature of an electrolysis stack is generally based on the assumption that a plurality of anode-side and cathode-side electrode plates arranged in a stack are present. By means of a coolant flow, which is hermetically separated from a process water flow, heat that is forcibly produced by the electrochemical processes during the operation of the electrolyzer comprising the electrolysis stack is dissipated predominantly on the anode side of the electrode plates. Due to opposite flow directions in the cooling circuit on the one hand and the process water on the other hand, largely homogeneous heat gradients are achieved over the stack surface.

Gemäß einer ersten möglichen Verfahrensführung wird das Kühlmittel der mindestens einen anodenseitigen Elektrodenplatten zugeleitet. Diese Verfahrensweise kommt insbesondere bei Bauarten des Elektrolyseurs in Betracht, bei welchem eine erste, von sämtlichen anderen Elektrodenplatten beabstandete Anodenplatte vorhanden ist, während eine nicht mit dem Kühlmittelkreislauf in Kontakt befindliche Kathodenplatte ebenfalls von sämtlichen anderen Elektrodenplatten beabstandet ist.According to a first possible procedure, the coolant is fed to the at least one anode-side electrode plate. This procedure is particularly useful for types of electrolyser in which there is a first anode plate spaced apart from all other electrode plates, while a cathode plate not in contact with the coolant circuit is also spaced apart from all other electrode plates.

Gemäß einer alternativen Verfahrensvariante wird das Kühlmittel innerhalb des Elektrolyse-Stacks in einem Kanal geführt, welcher zwischen einer anodenseitigen Elektrodenplatte und einer kathodenseitigen Elektrodenplatte gebildet ist. Diese Verfahrensvariante kommt bei Elektrolyse-Stacks in Betracht, bei welchen eine Bipolarplatte aus zwei Halbblechen, die jeweils eine Elektrodenplatte darstellen, zusammengesetzt ist. Die zwischen den Halbblechen gebildeten Kanälen können beispielsweise eine abgerundete, insbesondere kreisrunde oder ovale Querschnittsform haben. Auch sonstige, beispielsweise trapezartige Querschnittsformen sind möglich.According to an alternative variant of the method, the coolant is guided within the electrolysis stack in a channel which is formed between an electrode plate on the anode side and an electrode plate on the cathode side. This variant of the method comes into consideration in the case of electrolysis stacks in which a bipolar plate is composed of two half-sheets, each of which represents an electrode plate. The channels formed between the half-sheets can, for example, have a rounded, in particular circular or oval, cross-sectional shape. Other, for example trapezoidal, cross-sectional shapes are also possible.

Die Anzahl der Bipolarplatten innerhalb des Elektrolyse-Stacks unterliegt keinen theoretischen Beschränkungen. Bei der Membran der mindestens einen Elektrolysezelle handelt es sich insbesondere um eine PEM-Membran (PEM = Polymerelektrolytmembran). Dabei wird im Sinne der hier vorliegenden Offenbarung und nachfolgend zur Vereinfachung der Begriff „PEM-Membran“ oder auch nur „Membran“ verwendet, womit eine Einheit umfassend die Polymerelektrolytmembran und optional eine katalytisch aktive Elektrodenschicht auf jeder Seite der Polymerelektrolytmembran verstanden wird. Diese Elektrodenschichten können alternativ auch an den Bauteilen und in direktem Kontakt zur Polymerelektrolytmembran angeordnet sein, die zu beiden Seiten an diese angrenzen.The number of bipolar plates within the electrolysis stack is not subject to any theoretical restrictions. The membrane of the at least one electrolytic cell is in particular a PEM membrane (PEM=polymer electrolyte membrane). The term “PEM membrane” or just “membrane” is used for the purposes of the present disclosure and below for simplification, meaning a unit comprising the polymer electrolyte membrane and optionally a catalytically active electrode layer on each side of the polymer electrolyte membrane. Alternatively, these electrode layers can also be on the components and in direct contact with the Polymer electrolyte membrane may be arranged, which border on both sides of this.

In auf die Wärmetauscherplatte innerhalb der Stacks abgestimmter Dimensionierung kann außerhalb des Elektrolyse-Stacks ein dem Kühlmittelkreislauf zuzurechnender Kühler angeordnet sein. Ein solcher Kühler kann nicht nur zur Kühlung, sondern bei Anlauf des Elektrolyse-Stacks auch zur Vortemperierung, das heißt zur zeitweisen Erwärmung, genutzt werden.A cooler, which can be assigned to the coolant circuit, can be arranged outside the electrolysis stack with dimensioning matched to the heat exchanger plate within the stack. Such a cooler can not only be used for cooling, but also for pre-temperature control, i.e. for temporary heating, when the electrolysis stack is started up.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 einen Elektrolyse-Stacks eines kompakten Elektrolyseurs in einer ersten Explosionsdarstellung,
2 den Elektrolyse-Stack nach 1 in einer gegenüber 1 gedrehten Ansicht,
3 einen mehrere Elektrolysezellen umfassenden Elektrolyseur in der Art eines vereinfachten Fließbildes,
4 in einer Schnittdarstellung eine erste Variante einer für die Verwendung in einem Elektrolyse-Stack geeigneten Bipolarplatte,
5 eine weitere Gestaltungsmöglichkeit einer Bipolarplatte für einen Elektrolyseur in einer Darstellung analog 4.

Several exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. Show in it:

1 an electrolysis stack of a compact electrolyser in a first exploded view,
2 the electrolysis stack 1 in a opposite 1 rotated view,
3 an electrolyzer comprising several electrolytic cells in the form of a simplified flow diagram,
4 in a sectional view a first variant of a bipolar plate suitable for use in an electrolysis stack,
5 another possible design of a bipolar plate for an electrolyzer in a representation analogous 4 .

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Unless otherwise stated, the following explanations relate to all exemplary embodiments. Parts that correspond to one another or have the same effect in principle are marked with the same reference symbols in all figures.

Ein Elektrolyseur 1 zur Wasserstoffherstellung umfasst einen Elektrolyse-Stack 2 als Kernkomponente. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Elektrolyseurs 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.An electrolyzer 1 for hydrogen production includes an electrolysis stack 2 as a core component. With regard to the basic function of the electrolyzer 1, reference is made to the prior art cited at the outset.

Im Elektrolyse-Stack 2 befindet sich mindestens eine Elektrolysezelle 3, deren Halbzellen 4, 5 durch eine Membran 7 getrennt sind, welche sich in einem Rahmen 8 befindet. Elektrodenplatten der Elektrolysezelle 3 sind allgemein mit 20 bezeichnet. In der Ausführungsform nach den 1 und 2 ist eine einzige Anodenplatte 21 sowie eine einzige Kathodenplatte 22 vorhanden. An beiden Elektrodenplatten 21, 22 sind Anschlusslaschen 6 zur elektrischen Kontaktierung erkennbar.In the electrolysis stack 2 there is at least one electrolysis cell 3, the half-cells 4, 5 of which are separated by a membrane 7, which is located in a frame 8. Electrode plates of the electrolytic cell 3 are generally denoted by 20 . In the embodiment according to 1 and 2 a single anode plate 21 and a single cathode plate 22 are present. Terminal lugs 6 for electrical contacting can be seen on both electrode plates 21, 22.

An den Stirnseiten des Elektrolyse-Stacks 2 nach den 1 und 2 befinden sich Endplatten 9, 10. Der gesamte Elektrolyse-Stack 2 einschließlich der Endplatten 9, 10 ist durch Zuganker 11 zusammengehalten, auf die Muttern 12 aufgeschraubt sind. In vergleichbarer, nicht im Detail dargestellter Weise wird auch der Elektrolyse-Stack 2 nach 3 zusammengehalten, wobei in diesem Fall eine Vielzahl an Elektrolysezellen 3 in Stapelform angeordnet sind.At the end faces of the electrolysis stack 2 after the 1 and 2 are end plates 9, 10. The entire electrolysis stack 2 including the end plates 9, 10 is held together by tie rods 11 onto which nuts 12 are screwed. The electrolysis stack 2 is also made in a comparable manner, which is not shown in detail 3 held together, in which case a plurality of electrolytic cells 3 are arranged in stack form.

In jedem Ausführungsbeispiel weist der Elektrolyseur 1 einen Kühlmittelkreislauf 15 auf, welcher auch als Kühlschleife bezeichnet wird. Das im Kühlmittelkreislauf 14 fließende Kühlmittel, in der Regel Kühlwasser, strömt durch einen ersten Kühlmittelanschluss 13 in den Elektrolyse-Stack 2 ein und verlässt den Elektrolyse-Stack 2 an einem zweiten Kühlmittelanschluss 14. Die Kühlmittelströmung ist mit KS bezeichnet.In each exemplary embodiment, the electrolyzer 1 has a coolant circuit 15, which is also referred to as a cooling loop. The coolant flowing in the coolant circuit 14, generally cooling water, flows through a first coolant connection 13 into the electrolysis stack 2 and leaves the electrolysis stack 2 at a second coolant connection 14. The coolant flow is denoted by KS.

Das aus dem Elektrolyse-Stack 2 austretende Kühlmittel wird außerhalb des Elektrolyse-Stacks 2 mit Hilfe eines Kühlers 16 auf die gewünschte Temperatur gebracht. Der Kühler 16 ist lediglich in 3 dargestellt, jedoch ebenso im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 vorhanden. Entsprechendes gilt für einen anodenseitigen Gas/Wasser-Separator 17, einen kathodenseitigen Gas/Wasser-Separator 18, sowie einen an den Gas/Wasser-Separator 17 angeschlossenen Wärmetauscher 19, mit welchem flüssiges Medium, welches vom Gas/Wasser-Separator 17 aus zur Anodenseite der Elektrolysezellen 3 fließt, temperiert werden kann.The coolant emerging from the electrolysis stack 2 is brought to the desired temperature outside of the electrolysis stack 2 with the aid of a cooler 16 . The cooler 16 is only in 3 shown, but also in the embodiment according to 1 and 2 available. The same applies to an anode-side gas/water separator 17, a cathode-side gas/water separator 18, and a heat exchanger 19 connected to the gas/water separator 17, with which liquid medium flowing from the gas/water separator 17 to the Anode side of the electrolytic cells 3 flows, can be tempered.

Sowohl im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 als auch im Ausführungsbeispiel nach 3 findet ein Wärmetausch zwischen dem im Kühlmittelkreislauf 15 strömenden Kühlmittel und dem in den Elektrolysezellen 3 befindlichen Prozesswasser an plattenförmigen Elementen, nämlich Elektrodenplatten 20, 21, 22, statt.Both in the embodiment according to the 1 and 2 as well as in the embodiment 3 a heat exchange takes place between the coolant flowing in the coolant circuit 15 and the process water located in the electrolytic cells 3 on plate-shaped elements, namely electrode plates 20, 21, 22.

Im Fall von 3 sind die Elektrodenplatten 20 als Bipolarplatten ausgeführt, wie schematisch in 4 angedeutet. Eine weitere mögliche Gestaltung von Bipolarplatten 20, die für den Elektrolyseur 1 nach 3 geeignet ist, ist in 5 skizziert. Sowohl im Fall von 4 als auch im Fall von 5 ist die Bipolarplatte 20 aus zwei unterschiedlichen Halbblechen 23, 24 zusammengesetzt, zwischen welchen Kanäle 25 für das Kühlmittel gebildet sind. Die beiden Halbbleche 23, 24 berühren sich im vorliegenden Fall an einer Mittelebene ME. Abweichend hiervon sind auch Ausführungsformen realisierbar, bei welchen sich die beiden Halbbleche 23, 24 nicht berühren und ein separates Flussfeld mit Strömungskanälen zwischen den Halbbleche 23, 24 liegt. In solchen Fällen können die Halbbleche 23, 24 als Glattbleche ausgeführt sein.In the case of 3 the electrode plates 20 are designed as bipolar plates, as shown schematically in 4 implied. Another possible design of bipolar plates 20 for the electrolyzer 1 after 3 is suitable is in 5 sketched. Both in the case of 4 as well as in the case of 5 the bipolar plate 20 is composed of two different half-sheets 23, 24, between which channels 25 are formed for the coolant. In the present case, the two half-sheets 23, 24 touch at a center plane ME. Deviating from this, embodiments can also be realized in which the two half-plates 23, 24 do not touch and a separate flow field with flow channels lies between the half-plates 23, 24. In such cases, the half-plates 23, 24 can be designed as smooth plates.

Die Halbbleche 23, 24 sind sowohl im Fall von 4 als auch im Fall von 5 derart gestaltet, dass anodenseitig, das heißt durch das Halbblech 23 hindurch, ein größerer Wärmestrom fließt als kathodenseitig, das heißt durch das zweite Halbblech 24 hindurch. Mindestens eines der Halbbleche 23, 24 ist durch umformende Verfahren strukturiert. Im Fall von 4 weist das erste Halbblech 23 aufgrund einer ausgeprägten dreidimensionalen Strukturierung eine wesentlich größere Fläche als das zweite Halbblech 24 auf. Außerhalb des in 4 dargestellten Bereiches können auch beim zweiten Halbblech 24 Profilierungen gegeben sein.The half-plates 23, 24 are both in the case of 4 as well as in the case of 5 designed in such a way that on the anode side, i.e. through the half-plate 23 through, a larger heat flow flows than on the cathode side, that is, through the second half sheet 24. At least one of the half-sheets 23, 24 is structured by forming methods. In the case of 4 the first half-sheet 23 has a significantly larger area than the second half-sheet 24 due to a pronounced three-dimensional structuring. outside the in 4 shown area can be given 24 profiling in the second half sheet.

Im Fall von 5 unterscheiden sich die beiden Halbbleche 23, 24 deutlich durch ihre Wandstärke voneinander, welche beim Halbblech 23 mit d₂₃ und beim Halbblech 24 mit d₂₄ angegeben ist. Die Asymmetrie des Wärmeflusses aus dem Kühlkanal 25 heraus in umgebende Volumenbereiche des Elektrolyseurs 1 beruht in diesem Fall maßgeblich darauf, dass die Dicke d₂₃ des Halbblechs 23 wesentlich geringer als die Dicke d₂₄ des Halbblechs 24 ist.In the case of 5 The two half-sheets 23, 24 differ significantly from one another in terms of their wall thickness, which is specified as d 23 for half-sheet ₂₃ and d 24 for half-sheet ₂₄ . In this case, the asymmetry of the heat flow from the cooling channel 25 into the surrounding volume areas of the electrolyzer 1 is based primarily on the fact that the thickness d ₂₃ of the half-sheet 23 is significantly less than the thickness d ₂₄ of the half-sheet 24 .

Die Maßnahme nach 4, das heißt die unterschiedliche Strukturierung der Halbbleche 23, 24, ist bei ein und derselben Bipolarplatte 20 mit der Maßnahme nach 5, das heißt der Verwendung von Halbblechen 23, 24 mit unterschiedlichen Wandstärken d₂₃, d₂₄, kombinierbar, um den gewünschten Effekt einer hauptsächlichen Kühlung auf der Anodenseite der Elektrolysezellen 3 zu verstärken.The measure after 4 , that is, the different structuring of the half-sheets 23, 24 is in one and the same bipolar plate 20 with the measure 5 , ie the use of half-sheets 23, 24 with different wall thicknesses d ₂₃ , d ₂₄ , can be combined in order to enhance the desired effect of a main cooling on the anode side of the electrolytic cells 3.

BezugszeichenlisteReference List

11: Elektrolyseurelectrolyser
22: Elektrolyse-Stackelectrolysis stack
33: Elektrolysezelleelectrolytic cell
44: Halbzellehalf cell
55: Halbzellehalf cell
66: Anschlusslascheconnection tab
77: Membranmembrane
88th: RahmenFrame
99: Endplatteendplate
1010: Endplatteendplate
1111: Zugankertie rod
1212: MutterMother
1313: Kühlmittelanschlusscoolant connection
1414: Kühlmittelanschlusscoolant connection
1515: Kühlmittelkreislaufcoolant circuit
1616: Kühlercooler
1717: anodenseitiger Gas/Wasser-Separatoranode-side gas/water separator
1818: kathodenseitiger Gas/Wasser-Separatorcathode-side gas/water separator
1919: Wärmetauscherheat exchanger
2020: Elektrodenplatte, BipolarplatteElectrode plate, bipolar plate
2121: Anodenplatteanode plate
2222: Kathodenplattecathode plate
2323: Halbblechhalf sheet
2424: Halbblechhalf sheet
2525: Kanal channel
KSKS: Kühlmittelströmungcoolant flow
MEME: Mittelebenemidplane
d23d23: Dicke des Halbblechs 23Thickness of half sheet 23
d24d24: Dicke des Halbblechs 24Thickness of half sheet 24

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

FR 2410058 A1 [0002]
DE 102014207594 A1 [0003]
WO 2021/228412 A1 [0004]
WO 2014/170281 A1 [0005]
EP 2507410 B1 [0006]

Claims

Electrolyser (1) for hydrogen production, with plate-shaped electrodes (20, 21, 22) and at least one membrane (7), which separates an anode side from a cathode side, and with a coolant circuit (15) separate from the process water, which is designed for cooling predominantly on the anode side is.

Electrolyser (1) after claim 1 , characterized in that at least one anode plate (21), which is spaced apart from a cathode plate (22), is also designed as a heat exchanger plate integrated into the coolant circuit (15).

Electrolyser (1) after claim 1 , characterized in that there is a plurality of membranes (7) parallel to one another, with a bipolar plate (20) composed of two half-sheets (23, 24) being arranged between two membranes (7) in each case, with one of the half-sheets (23) being anode-side electrode plate and the other half-sheet (24) is provided as a cathode-side electrode plate, and wherein a coolant circuit (15) attributable channel (25) is formed between the two half-sheets (23, 24).

Electrolyser (1) after claim 3 , characterized in that the two half-sheets (23, 24) differ from one another in terms of the size of their surface.

Electrolyser (1) after claim 3 or 4 , characterized in that the two half-sheets (23, 24) differ from one another in terms of their wall thickness (d ₂₃ , d ₂₄ ).

Electrolyser (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the membrane (7) is designed as a PEM membrane and is part of an electrolysis stack (2).

Electrolyser (1) after claim 6 , characterized in that the coolant circuit (15) comprises a cooler (16) which is arranged outside of the electrolysis stack (2) and can also be used for pre-temperature control of the electrolysis stack (2).

Method for temperature control of an electrolysis stack (2), which comprises a plurality of anode-side and cathode-side electrode plates (20, 21, 22) arranged in a stack, heat being applied by means of a coolant flow (KS), which is hermetically separated from a process water flow and directed in the opposite direction is discharged from the electrode plates (20, 21, 22) predominantly on the anode side.

procedure after claim 8 , characterized in that the coolant within the electrolysis stack (2) is fed exclusively to the anode-side electrode plates (21).

procedure after claim 8 , characterized in that the coolant is guided within the electrolysis stack (2) in a channel (25) which is formed between an anode-side electrode plate (23) and a cathode-side electrode plate (24).