DE19729429C1 - Elektrolysevorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung mit einer Anzahl von Membranelektrolysezellen, von denen jede eine beidseitig mit einer Kontaktschicht versehene Membran umfaßt.

In einer Elektrolysevorrichtung, wie sie beispielsweise aus der DE 30 00 313 A1 oder aus der US 4 056 452 bekannt ist, wird ein Medium durch Anlegen einer Versorgungsspannung zwischen einer Anode und einer Kathode elektrolytisch zersetzt. Bei Verwendung von Wasser als Medium wird dabei Wasserstoff und Sauerstoff gebildet. Eine derartige Elektrolysevorrichtung kann somit zur bedarfsgerechten Erzeugung von Wasserstoff und/oder Sauerstoff eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Elektrolysevorrichtung zur bedarfsgerechten Begasung des Primärkühlkreislaufs eines Druckwasserreaktors mit Wasserstoff vorgesehen sein.

Eine Elektrolysevorrichtung kann als Membranelektrolyseur ausgebildet sein. Dabei umfaßt die Elektrolysevorrichtung eine Anzahl von Membranelektrolysezellen, bei denen das Funk­ tionsprinzip einer Brennstoffzelle umgekehrt ist. Das Funk­ tionsprinzip einer Brennstoffzelle ist beispielsweise in dem Aufsatz "Brennstoffzellen für Elektrotraktion", K. Straßer, VDI-Berichte, Nr. 912 (1992), Seiten 125ff., beschrieben.

Bei einer derartigen Membranelektrolysezelle wird das als Me­ dium vorgesehene Wasser einer zwischen der Anode und der Ka­ thode angeordneten Membran, insbesondere einer als Elektrolyt vorgesehenen Kationenaustauschermembran, zugeführt. Die Mem­ bran ist dabei üblicherweise beidseitig mit jeweils einer Kontaktschicht versehen, wobei die erste Kontaktschicht als Anode und die zweite Kontaktschicht als Kathode dient. Eine derartige Membranelektrolysezelle zeichnet sich durch eine besonders kompakte Bauweise aus, so daß eine Elektrolyseein­ heit mit einer Anzahl von Membranelektrolysezellen auf beson­ ders engem Raum untergebracht sein kann.

Für die Verwendung einer Elektrolysevorrichtung als Wasser­ stoffgenerator im industriellen Bereich oder im Kraftwerksbe­ reich ist eine Auslegung ihrer Produktionskapazität im Hin­ blick auf den zugrundeliegenden Bedarf an Wasserstoff erfor­ derlich. Dabei kann insbesondere für Anwendungen mit ver­ gleichsweise hohem Wasserstoffbedarf die im Hinblick auf bau­ liche Vorteile wünschenswerte Auslegung der Elektrolysevor­ richtung als Membranelektrolyseur ungeeignet sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektro­ lysevorrichtung mit einer Anzahl von Membranelektrolyseuren der obengenannten Art anzugeben, die bei kompakter Bauweise auch für vergleichsweise hohe Wasserstoffproduktionsraten ge­ eignet und somit besonders flexibel einsetzbar ist und zudem eine besonders hohe Betriebssicherheit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem an jeder Kontaktschicht jeweils eine Kontaktplatte angeordnet ist, wo­ bei jede Kontaktplatte auf ihrer der ihr zugeordneten Kon­ taktschicht zugewandten Oberfläche ein Kanalsystem zum Trans­ port von Wasser und/oder Gas aufweist, und wobei die Kontakt­ schichten einer oder jeder Membran elektrisch mit einer Analyseeinheit verbunden sind, die bei abgeschalteter Stromversorgung einer Membran die Abklingzeit eines Span­ nungssignals dieser Membran ermittelt.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß ein auch für hohe Wasserstoffproduktionsraten geeigneter Membranelek­ trolyseur eine Anzahl von Membranelektrolysezellen mit beson­ ders großflächig dimensionierten Membranen aufweisen sollte.

Auch bei einer derartigen Dimensionierung der Membranen sollte eine zuverlässige Bespeisung der Membranen mit dem zu zersetzenden Medium, insbesondere mit Wasser, gewährleistet sein. Dazu ist für jede Membran der Elektrolysevorrichtung ein zuverlässiges und auch für großflächige Membranen geeig­ netes Transportsystem für das Medium und auch für das im Elektrolyseprozeß generierte Gas vorgesehen. Eine besonders kompakte Bauweise ist dabei erreichbar, indem das Transport­ system in die zur elektrischen Kontaktierung der an den Mem­ branen angebrachten Elektroden vorgesehenen Kontaktplatten integriert ist.

Im Hinblick auf die Betriebssicherheit der Elektrolysevor­ richtung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein betriebsbe­ dingter Ausfall einer Membranelektrolysezelle vergleichsweise häufig auf eine Beschädigung ihrer Membran, beispielsweise durch Lochbildung, zurückzuführen ist. Eine derartige Beschä­ digung einer Membran durch Lochbildung ist auf besonders ein­ fache Weise detektierbar, indem das zeitliche Verhalten der an der Membran abfallenden Spannung nach Abschaltung der Stromversorgung der Membran gemessen wird. In diesem Fall sollte sich nämlich die zu untersuchende Membranelektrolyse­ zelle kurzzeitig wie eine Brennstoffzelle verhalten, da auf beiden Seiten der Membran noch Reste des zuvor generierten Wasserstoffs bzw. Sauerstoffs vorhanden sind. Bei intakter Membran sollte daher die über die Membran abfallende Spannung kurzzeitig konstant bleiben, bevor das Spannungssignal ab­ klingt. Falls die Membran hingegen beschädigt ist, setzt das Abklingen des Spannungssignals vergleichsweise früher ein. Über die Ermittlung der Abklingzeit des Spannungssignals ist somit ein Rückschluß auf den Zustand der Membran möglich. So­ mit ist eine defekte Membranelektrolysezelle auf besonders einfache Weise identifizierbar.

Vorzugsweise ist das Kanalsystem jeder Kontaktplatte in Form konzentrischer Kreissegmente ausgebildet. Wie sich herausge­ stellt hat, ist nämlich bei einer derartigen Anordnung des Kanalsystems eine besonders günstige und zuverlässige Bespei­ sung aller aktiven Bereiche einer Membran erreichbar. Die Membranelektrolysezellen sind dabei zweckmäßigerweise elek­ trisch in Reihe geschaltet.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist zwischen jeder Kontakt­ schicht und der ihr jeweils zugeordneten Kontaktplatte eine poröse Leiterplatte angeordnet. Eine derartige poröse Leiter­ platte, die beispielsweise aus Titan gebildet sein kann, stellt einerseits einen zuverlässigen elektrischen Kontakt zwischen der Kontaktschicht und der ihr zugeordneten Kontakt­ platte her, wobei andererseits ein ungehinderter Durchtritt des zu zersetzenden Mediums an die Membran sowie des elektro­ lytisch generierten Gases in das Kanalsystem gewährleistet ist. Die poröse Leiterplatte begünstigt dabei zusätzlich die Verteilung des zugeführten Mediums auf der Membran.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind die Kanalsysteme der zu beiden Seiten einer Membran angeordneten Kontaktplat­ ten unabhängig voneinander mit einem Medium, insbesondere mit Wasser oder Deionat, bespeisbar. Bei einer derartigen Anord­ nung ist derjenigen Kontaktschicht der Membran, die als Anode für den Elektrolyseprozeß vorgesehen ist, ein anderes Medium zuführbar als derjenigen Kontaktschicht, die als Kathode vor­ gesehen ist. Die Elektrolysevorrichtung ist somit besonders flexibel einsetzbar. Beispielsweise ist bei einer derartigen Anordnung die als Kathode vorgesehene Kontaktschicht der Mem­ bran mit im Primärkreislauf einer kerntechnischen Anlage ge­ führten Kühlmittel bespeisbar, wohingegen der als Anode vor­ gesehenen Kontaktschicht der Membran Deionat zuführbar ist. Eine derartig ausgestaltete Elektrolysevorrichtung ist somit als direkt in den Kühlmittelkreislauf einer kerntechnischen Anlage integrierter Wasserstoffgenerator für das Reaktorkühl­ mittel einsetzbar. Die Kanalsysteme der zu beiden Seiten ei­ ner Membran angeordneten Kontaktplatten sind dabei zweckmäßi­ gerweise an voneinander separat gehaltene Gasabführsysteme an­ geschlossen.

Für eine besonders zuverlässige Stromleitung innerhalb der Elektrolysevorrichtung sind die Membranelektrolysezellen zweckmäßigerweise stapelförmig innerhalb eines Gehäuses ange­ ordnet, wobei das Gehäuse an jeder Stirnseite jeweils ein Feststellelement zum Verspannen der Membranelektrolysezellen miteinander aufweist. Benachbarte Membranelektrolysezellen sind dabei mittels der Feststellelemente flächig aneinander anpressbar, so daß eine besonders zuverlässige leitende Ver­ bindung zwischen jeder Kontaktschicht und der ihr jeweils zu­ geordneten Kontaktplatte gewährleistet ist.

In zweckmäßiger Weiterbildung ist an die Analyseeinheit ein Sensor zur Ermittlung einer Gasreinheit angeschlossen. Aus der Aussage über die Abklingzeit einer Membran zusammen mit der Aussage über die Gasreinheit ist dabei in besonders ein­ facher Weise eine Prognose über die zukünftige Betriebssi­ cherheit der jeweiligen Membran ableitbar. Die Elektrolyse­ vorrichtung ist somit auch bei Auftreten von Betriebsstörun­ gen einzelner Membranelektrolysezellen besonders zuverlässig betreibbar. Eine defekte Membranelektrolysezelle kann dabei kurzgeschlossen werden, so daß sie keinen Beitrag mehr zur Gasproduktion leistet, wobei die Funktionsfähigkeit intakter Membranelektrolysezellen nicht beeinträchtigt ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde­ re darin, daß durch die in den Kontaktplatten vorgesehenen Kanalsysteme eine zuverlässige und großflächige Zufuhr des elektrolytisch zu zersetzenden Mediums zu den Membranen bei besonders kompakter Bauweise gewährleistet ist. Die Membran­ elektrolysezellen sind dabei unabhängig voneinander betreib­ bar, so daß auch bei einem Ausfall einzelner Membranelektro­ lysezellen die Funktionsfähigkeit der Elektrolysevorrichtung aufrechterhalten ist. Durch die zur Ermittlung der Abkling­ zeit eines Spannungssignals an einer ausgewählten Membran vorgesehene Analyseeinheit ist eine defekte Membranelektroly­ sezelle zudem auf besonders einfache Weise detektierbar. Bei auftretenden Betriebsstörungen ist somit die Abkopplung einer defekten Membranelektrolysezelle auf besonders einfache Weise möglich, wobei der Betrieb der Elektrolysevorrichtung mit den verbleibenden intakten Membranelektrolysezellen aufrechter­ halten werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeich­ nung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Elektrolysevorrichtung im Längsschnitt,

Fig. 2 die Elektrolysevorrichtung im Querschnitt, und

Fig. 3 schematisch eine Begasungsvorrichtung für ein Teil­ system einer technischen Anlage.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugs­ zeichen versehen.

Die Elektrolysevorrichtung 1 gemäß Fig. 1 ist als Membran­ elektrolyseur ausgebildet und umfaßt eine Anzahl von elek­ trisch in Reihe geschalteten Membranelektrolysezellen 2. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind dabei vier in Reihe geschaltete Membranelektrolysezellen 2 dargestellt; es kann aber auch eine beliebige andere Anzahl von Membranelektroly­ sezellen 2 vorgesehen sein. Jede Membranelektrolysezelle 2 weist eine als Kationenaustauschermembran ausgebildete Mem­ bran 4 als Elektrolyt für Wasser als zu zersetzendes Medium auf. Die Membran 4 jeder Membranelektrolysezelle 2 ist beid­ seitig mit jeweils einer nicht näher dargestellten Kontakt­ schicht versehen. Die beiden Kontaktschichten einer Membran 4 dienen beim Elektrolysevorgang als Elektroden. Im Ausfüh­ rungsbeispiel ist die als Kathode vorgesehene Kontaktschicht jeder Membran 4 aus Platin gebildet. Die als Anode vorgesehe­ ne Kontaktschicht jeder Membran 4 besteht hingegen in der Hauptsache aus Iridium.

An jeder Kontaktschicht jeder Membran 4 ist jeweils eine Kon­ taktplatte 5 angeordnet. Jede Kontaktschicht ist dabei mit der ihr jeweils zugeordneten Kontaktplatte 5 über eine poröse Leiterplatte 6 elektrisch verbunden. Die poröse Leiterplatte 6, die beispielsweise auf Titanbasis gefertigt sein kann, ist dabei jeweils zwischen der Kontaktschicht und der dieser zu­ geordneten Kontaktplatte 5 angeordnet.

Die aus jeweils einer Membran 4, zwei Leiterplatten 6 und zwei Kontaktplatten 5 gebildeten Membranelektrolysezellen 2 sind stapelförmig innerhalb eines Gehäuses 8 angeordnet. Be­ nachbarte Kontaktplatten 5 verschiedener Membranelektrolyse­ zellen 2 sind dabei voneinander elektrisch durch jeweils eine Isolatorplatte 9 getrennt. Die Hintereinanderschaltung der Membranelektrolysezellen 2 ist dabei durch ein nicht näher dargestelltes externes Leitungssystem bewirkt. Alternativ können benachbarte Kontaktplatten 5 verschiedener Membran­ elektrolysezellen 2 auch unmittelbar in elektrischem Kontakt miteinander stehen oder auch einstückig ausgeführt sein. Das Gehäuse 8 weist an seinen Stirnseiten 10 jeweils eine als Feststellelement 12 vorgesehene Schraube zum Verspannung der Membranelektrolysezellen 2 miteinander auf.

Jede Kontaktplatte 5 ist, wie in Fig. 2 anhand der im Quer­ schnitt abgebildeten Elektrolysevorrichtung 1 dargestellt, annähernd kreisförmig ausgebildet und weist auf ihrer der ihr zugeordneten Kontaktschicht zugewandten Oberfläche ein Kanal­ system 14 auf. Das Kanalsystem 14 ist dabei aus in die jewei­ lige Kontaktplatte 5 ragenden Vertiefungen gebildet, die in Form konzentrischer Kreissegmente auf der Oberfläche der je­ weiligen Kontaktplatte 5 angeordnet sind. Das Kanalsystem 14 jeder Kontaktplatte 5 ist dabei zum Transport von elektroly­ tisch zu zersetzendem Medium zur jeweiligen Membran 4 vorge­ sehen. Dazu ist das Kanalsystem 14 jeder Kontaktplatte 5 mit einem Zuführsystem für ein Elektrolysemedium verbunden. Zudem ist an das Kanalsystem 14 jeder Kontaktplatte 5 ein Abführsy­ stem für Gas oder für mit Gas versetztes Elektrolysemedium angeschlossen.

Die Elektrolysevorrichtung 1 ist dabei derart ausgebildet, daß die Kanalsysteme 14 der zu beiden Seiten einer Membran 4 angeordneten Kontaktplatten 5 unabhängig voneinander mit ei­ nem Medium bespeisbar sind. Zudem ist das Medium oder auch ein bei der Elektrolyse freigesetztes Gas aus den Kanalsyste­ men 14 der zu beiden Seiten einer Membran 4 angeordneten Kon­ taktplatten 5 unabhängig voneinander abführbar. Dazu sind die Kanalsysteme 14 aller Kontaktplatten 5, die einer als Kathode vorgesehenen Kontaktschicht einer Membran 4 zugeordnet sind, eingangsseitig an ein gemeinsames Zuführsystem 16 und aus­ gangsseitig an ein gemeinsames Abführsystem 18 angeschlossen.

Die Kanalsysteme 14 derjenigen Kontaktplatten 5, die einer als Anode vorgesehenen Kontaktschicht einer Membran 4 zuge­ ordnet sind, sind hingegen eingangsseitig an ein vom Zuführ­ system 16 unabhängiges Zuführsystem 20 und ausgangsseitig an ein vom Abführsystem 18 unabhängiges Abführsystem 22 ange­ schlossen. Bei einer derartigen Anordnung ist die Bespeisung der als Kathoden vorgesehenen Kontaktschichten mit einem an­ deren Elektrolysemedium als dem für die Bespeisung der als Anoden vorgesehenen Kontaktschichten verwendeten Elektrolyse­ medium möglich. Die Elektrolysevorrichtung 1 ist somit beson­ ders flexibel einsetzbar. Beispielsweise kann die Elektroly­ sevorrichtung 1 direkt in einen Kühlmittelkreislauf einer kerntechnischen Anlage integriert sein, wobei die als Katho­ den vorgesehenen Kontaktschichten direkt mit Reaktorkühlmit­ tel als Elektrolysemedium bespeist werden, und wobei das mit Wasserstoff aus der Elektrolyse angereicherte Reaktorkühlmit­ tel direkt in den Kühlmittelkreislauf der kerntechnischen An­ lage rückgeführt wird. Die als Anode vorgesehenen Kontakt­ schichten sind dabei mit Deionat bespeisbar. Beim Betrieb ei­ ner derartig angeordneten Elektrolysevorrichtung 1 werden die mit Deionat bespeisbaren Anoden mit einem höheren Betriebs­ druck beaufschlagt als die mit Reaktorkühlmittel beaufschlag­ ten Kathoden. Somit ist auch bei einem Membranbruch oder ei­ ner Leckage eine Freisetzung von Reaktorkühlmittel an die Um­ gebung sicher vermieden.

In Fig. 3 ist schematisch ein Begasungssystem 28 für eine technische Anlage, insbesondere für den Primärkreislauf eines Druckwasserreaktors, dargestellt. Das Begasungssystem 28 um­ faßt als Wasserstoffgenerator die Elektrolysevorrichtung 1, deren Zu- und Abführsysteme 16, 18, 20, 22 in nicht näher dargestellter Weise an die technische Anlage angeschlossen sind. Die Elektrolysevorrichtung 1 umfaßt zudem eine Analyse­ einheit 30. Dabei sind die Kontaktschichten jeder Membran 4 elektrisch mit der Analyseeinheit 30 verbunden.

Die Analyseeinheit 30 ist dazu ausgelegt, nach Abschalten der Stromversorgung einer Membran 4 die Abklingzeit eines Span­ nungssignals dieser Membran 4 zu ermitteln. Aus der Abkling­ zeit des Spannungssignals können dann in der Analyseeinheit 30 Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit der jeweiligen Membran 4 gezogen werden. Bei intakter Membran 4 sollte die jeweilige Membranelektrolysezelle 2 nämlich nach Abschalten der Stromversorgung kurzzeitig als Brennstoffzelle wirken, bis die von ihr zuvor durch Elektrolyse freigesetzten Gase abtransportiert sind. Daher sollte bei intakter Membran 4 das an ihr abfallende Spannungssignal zunächst kurzzeitig kon­ stant sein, bevor ein Abklingen einsetzt. Bei fehlerhafter Membran 4, beispielsweise infolge von Lochbildung, sollte die Spannung nach Anschalten der Stromversorgung hingegen unmit­ telbar abklingen, so daß durch die Analyseeinheit 30 eine in­ takte von einer fehlerhaften Membran 4 unterscheidbar ist.

Für zusätzliche Diagnosezwecke ist in die Abführsysteme 18 und 22 für jede Membran 4 jeweils ein Sensor 32 zur Ermitt­ lung einer Gasreinheit geschaltet. Die Sensoren 32 sind eben­ falls an die Analyseeinheit 30 angeschlossen. Durch eine Kom­ bination der Information über die Ablingzeit des Spannungs­ signals an einer ausgewählten Membran 4 mit der Information über die Reinheit der von der zugehörigen Membranelektrolyse­ zelle 2 gelieferten Elektrolysegase ist eine besonders zuver­ lässige Prognose über das Betriebsverhalten der jeweiligen Membranelektrolysezelle 2 möglich.

Eine zuverlässige Kühlung der Elektrolysevorrichtung 1 bei ihrem Betrieb ist durch die Wahl eines geeigneten Wasser­ durchsatzes durch die Membranelektrolysezellen 2 sicherge­ stellt. Als Kühlmedium dient dabei das der Elektrolysevor­ richtung 1 zugeführte, zu versetzende Medium. Zusätzlich kön­ nen weitere Kühlvorrichtungen für das Gehäuse 8, beispiels­ weise in Form von Kühlrippen, vorgesehen sein.

Claims (7)

1. Elektrolysevorrichtung (1) mit einer Anzahl von Membran­ elektrolysezellen (2), von denen jede eine beidseitig mit ei­ ner Kontaktschicht versehene Membran (4) umfaßt, wobei an je­ der Kontaktschicht jeweils eine Kontaktplatte (5) angeordnet ist, und wobei jede Kontaktplatte (5) auf ihrer der ihr zuge­ ordneten Kontaktschicht zugewandten Oberfläche ein Kanalsy­ stem (14) zum Transport von Wasser und/oder Gas aufweist, wo­ bei die Kontaktschichten einer oder jeder Membran (4) elek­ trisch mit einer Analyseeinheit (30) zur Ermittlung der Ab­ klingzeit eines Spannungssignals einer Membran (4) bei abge­ schalteter Stromversorgung dieser Membran (4) verbunden sind.

2. Elektrolysevorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der das Kanalsystem jeder Kontaktplatte (5) in Form konzentrischer Kreissegmente ausgebildet ist.

3. Elektrolysevorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Membranelektrolysezellen (2) elektrisch in Reihe geschal­ tet sind.

4. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der zwischen jeder Kontaktschicht und der ihr jeweils zugeordneten Kontaktplatte (5) eine poröse Leiterplatte (6) angeordnet ist.

5. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Kanalsysteme (5) der zu beiden Seiten einer Membran (4) angeordneten Kontaktplatten (5) unabhängig von­ einander mit einem Medium, insbesondere mit Wasser oder Deio­ nat, bespeist sind.

6. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, deren Membranelektrolysezellen (2) stapelförmig innerhalb eines Gehäuses (8) angeordnet sind, das an jeder Stirnseite (10) jeweils ein Feststellelement (12) zum Verspannen der Membranelektrolysezellen (2) miteinander aufweist.

7. Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der an die Analyseeinheit (30) ein Sensor zur Ermitt­ lung einer Gasreinheit angeschlossen ist.