DE19607235C1 - Elektrolyseur mit verminderten parasitär fließenden Strömen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur, der in Hinblick auf eine Verminderung der parasitär fließenden Ströme einer Überarbeitung unterzogen wird.

Ein solcher Elektrolyseur ist beispielsweise aus DE 32 14 612 C2 oder aus DE 30 44 380 C2 bekannt. Die bekannten Elektrolyseure der erfindungsgemäßen Art weisen eine Vielzahl hintereinandergeschalteter Zellen auf, die aus Kathode, Diaphragma und Anode bestehen. Diese hintereinandergeschalteten Zellen bilden den eigentlichen Elektrolyseblock. Über einen oder zwei Kanäle wird den hintereinandergeschalteten Zellen ein Elektrolyt zugeführt. Von derartigen Kanälen zweigen rohrförmige Verbindungen ab, die im folgenden Versorgungsleitungen genannt werden. Über diese Versorgungsleitungen werden die einzelnen Zellen bzw. Elektrodenräume mit dem Elektrolyten (z. B. mit KOH) versorgt.

Während des Betriebe s fließt Strom von einer Elektrode durch das Diaphragma hindurch zur Gegenelektrode. Der Stromdurchfluß bewirkt an den Elektroden die gewünschte Zersetzung des Elektrolyten in Wasserstoff und Sauer­ stoff. Diese Gase werden getrennt über Entsorgungslei­ tungen abgeführt. Die Entsorgungsleitungen führen den Wasserstoff bzw. den Sauerstoff einem jeweils hierfür vorgesehenen Kanal zu. Über den jeweiligen Kanal werden die produzierten Gase abgeführt.

In der Regel sind der Elektrolyt-Zufuhrkanal, der Sau­ erstoff- und der Wasserstoff-Abfuhrkanal aus elektrisch nicht leitendem Material gefertigt, soweit diese sich von außen unzugänglich im eigentlichen Elektrolyseblock befinden. Gleiches gilt für die Versorgungs- und Entsorgungsleitungen. Dieser Teil der Kanäle ist in der Regel nicht elektrisch geerdet, da es sich einerseits nicht um Metallteile handelt und andererseits diese Abschnitte von außen unzugänglich untergebracht sind.

Die Kanäle für Elektrolyt, Wasserstoff und Sauerstoff der vorbeschriebenen bipolaren Elektrolyseblöcke sind üblicherweise über eine der metallischen Endplatten des Elektrolyseblocks mit Hilfe von Rohrverbindungen mit der Peripherie der Elektrolyseanlage verbunden. Die Peripherie einer solchen Elektrolyseanlage besteht z. B. aus Gasabscheidern, Filtern und der zur Elektro­ lytumwälzung nötigen Elektrolytpumpe. Diese Teile der Peripherie sind aus technischen Gründen aus Metall ge­ fertigt und werden daher im folgenden als metallischer Abschnitt der Kanäle bezeichnet. Sie befinden sich außerhalb des Elektrolyseblocks und sind von außen zugänglich.

Aus Sicherheitsgründen ist es bei diesen metallischen Teilen erforderlich, diese mit Masse, d. h. im Fall von Gleichstrom beispielsweise mit dem kathodischen Potential der letzten Kathode (Endkathode) elektrisch leitend zu verbinden. Um auf einfache Weise die Kanäle elektrisch zu erden, werden bei den kommerziell er­ hältlichen Elektrolyseuren deshalb die Kanäle durch die kathodische Endplatte geführt. Außerhalb des ei­ gentlichen Elektrolyseblocks sind sie aus Metall gefer­ tigt, mit einem metallischen Flansch an die kathodische Endplatte angeflanscht und so mit dem kathodischen Po­ tential der Endkathode elektrisch verbunden.

Nachteilhaft fließt der zur Durchführung der Elektro­ lyse vorgesehene Strom nicht nur bestimmungsgemäß von der Anode durch den Elektrolyten zur Kathode, sondern auch (in geringem Umfang) über Versorgungs- bzw. Ent­ sorgungsleitungen in die vorgenannten Kanäle und von hier aus zur elektrischen Masse ab. Dieser parasitär abfließende Strom trägt nicht mehr zur Elektrolyse in den einzelnen Zellen bei. Somit verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs.

Ferner wird in den metallischen Abschnitten der Kanäle Wasserstoff infolge des parasitär fließenden Stromes erzeugt. Nachteilhaft wird hierdurch der im Sauerstoff-Abfuhrkanal befindliche Sauerstoff verunreinigt.

Des weiteren ist es bei einigen Elektrolyseuren mit ka­ talytisch hochwirksamen Elektroden auch im Ruhezustand erforderlich, eine Mindestspannung (Schutzspannung) aufrechtzuerhalten. Andernfalls müßte eine stark ver­ kürzte Lebensdauer der Elektroden hingenommen werden.

Aufgrund der parasitär fließenden Ströme muß ein höhe­ rer Schutzstrom als theoretisch erforderlich zur Ver­ fügung gestellt werden, um die erforderliche Schutz­ spannung aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise verursa­ chen parasitär fließende Ströme weitere Leistungsverlu­ ste.

Es ist daher schon gemäß "Advanced Water Electrolysis and Catalyst Stability under Discontinuous Operation", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 15, No. 2, 105-114, 1990; Divisek, J; Mergel, J.; Schmitz, H., "Intermittently Operating Advanced Alkaline Water Electrolyser", De­ chema-Monographie, Vol. 123, 65-76, VCH Verlagsge­ sellschaft 1991; J. Divisek; J. Mergel; H. Schmitz ver­ sucht worden, Leitungen und Anschlüsse aus nicht leit­ fähigem Material herzustellen.

Die bekannten technischen Lösungen dieser Isolation sind jedoch sehr aufwendig und schwierig zu realisieren. Insbesondere Flanschverbindungen an der kathodischen Endplatte, die den betrieblichen Anforderungen gewach­ sen wären, sind praktisch nicht aus nichtleitendem Ma­ terial zu fertigen.

Aus DE 31 40 347 C2 ist bekannt, daß bei einem Elektrolyseur mit in Reihe geschalteten Einzelzellen parasitäre Nebenschlußströme auftreten, indem ein Stromfluß zwischen den leitenden Elektroden, die mit den Membranen von benachbarten Zellen verbunden sind, über die sich in Kontakt mit den Elektroden befindlichen Fluidströme erfolgt. Zur Vermeidung derartiger Ströme ist vorgesehen, sogenannte Sammelraumwände eines jeden bipolaren Elementes elektrisch isolierend auszugestalten.

Aus DE 30 44 380 C2 ist bekannt, Schutzspannungen entlang von zusätzlich vorgesehenen Tunnelverbindungen anzulegen, um so parasitären Nebenschlußströmen entgegenzuwirken.

Weiterer Stand der Technik zur Vermeidung von Stromver­ lusten bei Elektrolyseuren ist aus DE 19 56 574 A sowie aus EP 01 87 001 A1 bekannt. Gemäß DE 19 56 574 A wird hierfür in Elektrolytleitungen eine mechanisch beweg­ lich Quetschsperre vorgesehen. Gemäß EP 01 87 001 A1 werden Elektrolytleitungen zu diesem Zweck zumindest zum Teil aus elektrisch nicht leitenden Materialien gefertigt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Elektro­ lyseurs, der die elektrischen Sicherheitsanforderungen erfüllt und bei dem ein höherer Wirkungsgrad im Ver­ gleich zu den eingangs genannten kommerziellen Geräten erzielbar ist, ohne wesentliche Nachteile bezüglich mechanischer Stabilität in Kauf nehmen zu müssen.

Gelöst wird die Aufgabe durch einen Elektrolyseur mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.

Bei diesem Elektrolyseur befindet sich im aus Metall gefertigten, elektrisch geerdeten Kanalabschnitt ein Schlauchstück, welches aus elektrisch nichtleitendem Material - z. B. aus Teflon - gefertigt ist. Je länger dieses Schlauchstück ist, desto geringer ist der para­ sitär fließende Strom. Das Schlauchstück kann dicht mit der metallischen Wandung des Kanals verbunden sein. Eine solche dichte Verbindung ist jedoch nicht erfor­ derlich. Die Form des Querschnittes des Schlauchstückes oder des Kanals kann beliebig (rund, eckig usw.) ge­ wählt werden.

Eine elektrische Isolierung ist ferner vorgesehen, die den metallischen, geerdeten Kanalabschnitt elektrisch von dem übrigen, im Inneren des Elektrolyseblocks be­ findlichen Kanalabschnitt trennt. Die elektrische Iso­ lierung kann beispielsweise aus einer ringförmigen Tef­ lonscheibe bestehen, die sich zwischen kathodischer Endplatte und dem im Inneren des Elektrolyseblocks be­ findlichen Kanalabschnitt befindet. Der innere Kanalab­ schnitt kann selber die elektrische Isolierung darstel­ len, falls er aus elektrisch nichtleitendem Material gefertigt ist.

Das Schlauchstück ist mit dieser elektrischen Isolie­ rung dicht verbunden. Hierunter ist eine Verbindung zu verstehen, die bewirkt, daß die produzierten Gase bzw. der Elektrolyt durch das Schlauchstück hindurchfließen müssen, um den Elektrolyseblock zu verlassen bzw. um in ihn hineinzugelangen.

Infolge der elektrischen Isolation können die parasitä­ ren Ströme, die innerhalb des Elektrolyseblocks im Ka­ nal auftreten, nicht mehr wie bei den kommerziell er­ hältlichen Geräten unmittelbar zur elektrischen Masse abfließen. Sie müssen sich entweder einen Rückweg über eine der nachgeschalteten Zellen "Anode-Dia­ phragma-Kathode" bahnen und tragen so wieder zur Elek­ trolyse bei. Oder aber sie bahnen sich einen Weg über den im Kanal strömenden Elektrolyten bzw. über das strömende Gas durch das Schlauchstück hindurch zur elektrischen Masse hin.

Diese zweite Möglichkeit wird jedoch unterdrückt, da der parasitär zur Masse abfließende Strom gezwungen ist, zunächst einen Teil seines Weges durch den Schlauch und somit durch den Elektrolyten bzw. durch das Gas hindurch zurückzulegen. Je länger dieses Schlauchstück gewählt wird, desto größer ist der ohm­ sche Widerstand, den der parasitär fließende Strom überwinden muß. (In diesem Zusammenhang ist zu berück­ sichtigen, daß die spezifische elektrische Leitfähig­ keit des Elektrolyten bzw. des Gases vergleichsweise gering ist.) Je größer der Ohmsche Widerstand ist, de­ sto geringer wird der Anteil des parasitär fließenden Stromes sein, der vom inneren Bereich des Kanals unge­ nützt zur Masse abfließt.

Der technische Aufwand dieser Lösung ist erheblich ge­ ringer als bei den bekannten vorgeschlagenen Lösungen.

Die Aufgabe ist bereits gelöst, wenn nur einer der Ka­ näle gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs ausgestal­ tet ist, da dadurch bereits ein Teil des andernfalls parasitär abfließenden Strom "zurückgewonnen" wird.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung.

Ein Kanal mit aus Metall bestehenden Wandungen 1 ist an der kathodischen Endplatte 2 befestigt. Durch diesen Kanal wird der Elektrolyt in den Elektrolyseblock hin­ eintransportiert oder ein im Elektrolyseblock produ­ ziertes Gas herausgeleitet. Durch die aus Polysulfon bestehenden Formteile 3 wird der Kanal im Inneren des Elektrolyseblocks fortgesetzt. In den Formteilen 3 be­ finden sich Bohrungen 4, die die Verbindungen zwischen Kanal und Elektrolyse-Zellen herstellen.

Ein aus Teflon bestehender Schlauch 5 befindet sich im Inneren des Kanalabschnitts 1. Der Schlauch 5 ist mit einer ringförmigen Teflonscheibe 6 dicht verbunden. Die Teflonscheibe 6 befindet sich zwischen der kathodischen Endplatte 2 und dem an diese Endplatte 2 angrenzenden Formteil 3.

Aus den einzelnen Elektrolysezellen austretender Strom 7 hat unmittelbar vor der kathodischen Endplatte die Möglichkeit, entlang des Strompfades 8 zurück in die letzte Elektrolysezelle zu fließen, um dort zur Elek­ trolyse beizutragen. Alternativ kann der Strom den Strompfad 9 entlang durch den Teflonschlauch 5 hindurch zur metallischen Wandung 1 gelangen und von hier aus zur Erde, nämlich zum kathodischen Potential der Endka­ thode 2 abfließen.

Je länger der Teflonschlauch 5 gewählt ist, desto län­ ger ist der Strompfad 9 und desto größer ist der zu überwindende Ohmsche Widerstand, den ein parasitär fließender Strom überwinden muß, um ungenutzt zur Erde abzufließen. Je größer der Ohmsche Widerstand ist, de­ sto geringer wird der Anteil des Stromes sein, der den Strompfad 9 entlangfließt bzw. desto größer wird der Anteil des Stromes sein, der über den Strompfad 8 in eine Zelle zurückkehrt.

Die Verwendung einer ringförmigen Isolierung 6, die mit dem Schlauch 5 in dichter Verbindung steht, bietet den Vorteil, daß kommerziell erhältlich Geräte unproblema­ tisch nachgerüstet werden können. Natürlich kann der Schlauch 5 alternativ auch unmittelbar mit dem an die kathodische Endplatte 2 angrenzenden Formteil 3 dicht verbunden sein, falls dieses aus isolierendem Material besteht.

Claims (1)

1. Elektrolyseur mit verminderten, parasitär fließenden Strömen enthaltend:

   • - einen Kanal für die Zufuhr des Elektrolyten oder die Abfuhr von Elektrolysgasen, der einen metalli­ schen, elektrisch geerdeten Kanalabschnitt (1) um­ faßt, sowie
   • - ein Schlauchstück (5), das aus einem elektrisch nichtleitenden Material besteht, und im Inneren des metallischen Kanalabschnittes (1) angeordnet ist, und
   • - eine Isolierung (6) mit der das elektrisch nicht­ leitende Schlauchstück (5) dicht verbunden ist und die den metallischen Kanalabschnitt (1) elektrisch von dem im Inneren des Elektrolyseblocks befindli­ chen Kanalabschnitt (3) trennt.