DE19907286C2 - Elektrische Hochdruck-Stromdurchführung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromdurchführung durch ei­ nen Druckbehälter. Unter Druckbehälter oder Druckgefäß wird ein Gefäß verstanden, in dem hohe Drücke von zum Beispiel bis zu 400 bar aufgebaut werden können. Insbe­ sondere liegt ein hoher Druck im Sinne der Erfindung oberhalb von 60 bar vor.

Eine Vorrichtung der vorgenannten Art wird bei Elektro­ lyseuren benötigt, die einem hohen Betriebsdruck ausge­ setzt sind. Ein Elektrolyseur besteht aus zwei Elektro­ den und einem dazwischen liegenden Diaphragma. Ein Be­ triebsmittel, nämlich ein Elektrolyt wie KOH, wird in den Elektrolyseur geleitet. Durch einen elektrischen Strom wird der Elektrolyt in Produktgase wie Wasser­ stoff und Sauerstoff zerlegt. Diese Produktgase werden dem Elektrolyseur entnommen.

Ein Hochdruck-Elektrolyseur wird unter hohem Druck betrieben, um zu guten Wirkungsgraden zu gelangen. Der Elektrolyseur ist dabei mit Strom zu versorgen, um die Aufspaltung des Elektrolyten in seine Produktgase her­ beizuführen.

Aus dem Prospekt "Elektrische Durchführungen und Iso­ lierrohre" der Firma FRIATEC AG, Mannheim- Friedrichsfeld, sind Stromdurchführungen durch eine Wand eines Hochdruckgefäßes bekannt, bei dem ein Strom­ leiter über eine elektrisch isolierende Keramik mit ei­ nem Flansch verbunden werden kann. Der Flansch wird von außen mit der Gefäßwand bzw. Behälterwand des Druckgefäßes verschraubt oder verschweißt. Der elektrische Leiter führt dann durch den Flansch und durch eine Öff­ nung (Loch) in der Gefäßwand hindurch in das Innere des Druckgefäßes.

Nachteilhaft erfordert der vorgenannte Stand der Tech­ nik an der Gefäßwand eine große Auflagefläche aufgrund der Dichtung und Verschraubung des Flansches an der Be­ hälterwand. Ist der Flansch mit der Behälterwand ver­ schweißt, so entfällt zwar Volumen, welches für die Verschraubung benötigt wird. Jedoch ist eine solche Vorrichtung nicht wartungsfreundlich, da der ver­ schweißte Teil nicht ohne weiteres im Fall eines Defek­ tes gelöst werden kann.

Nachteilhaft ist beim vorgenannten Stand der Technik darüber hinaus, eine keramische Isolierung zwischen dem Flansch und dem elektrischen Leiter vorzusehen. Die Realisierung der elektrischen Isolierung mittels einer Keramik erfordert einerseits einen verhältnismäßig ho­ hen Herstellungsaufwand und ist andererseits mechanisch verhältnismäßig instabil.

Aus DE 25 56 546 C3 ist eine Vorrichtung zum Durchfüh­ ren von elektrischem Strom durch eine auf ihrer Innen­ seite unter Überdruck stehende Wand eines Elektroab­ scheiders bekannt. Die Wand weist eine Isolierhülse auf, die von einer Stromdurchführung durchdrungen ist, wobei die Stromdurchführung am unteren Ende ihres Schafts einen Kopf mit zum Schaft konvergierenden Schrägflächen aufweist. Das Isolierhülsenende weist ei­ ne dazu entsprechende Schrägfläche auf. Zusätzlich trägt die Stromdurchführung an ihrem oberen Schaftende eine axial wirkende Spanneinrichtung, welche die Dichtung sicher­ stellt.

Weiterhin ist aus G 87 07 789.2 eine Stromdurchführung für mit einer Flüssigkeit gefüllte Gefäße bekannt. Da­ bei ist an der Innenseite einer Gefäßwand ein mit einem Gewinde und einer Bohrung versehenes Innenstück aus ei­ nem elektrisch nicht leitenden Werkstoff angeordnet, in das ein aus einem elektrisch leitenden Werkstoff beste­ hender Bolzen geschraubt ist. Dieser weist ein flanschartiges, mit zwei parallelen Flächen ausgebilde­ tes Mittelstück auf, auf dem ein mit einer rechteckför­ migen Vertiefung versehenes Klemmteil aus elektrisch nichtleitendem Werkstoff sitzt. Dieses ist mit Hilfe einer auf das äußere Gewindestück des Bolzens ge­ schraubten Mutter gegen die Außenseite der Gefäßwand fixiert.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Vor­ richtung, die ein Hochdruckgefäß und eine Stromdurch­ leitung mit einem daran angebundenen Elektrolyseur durch dieses Druckgefäß umfaßt, und bei der die Nach­ teile bezüglich benötigtem Volumen, Fertigungsaufwand und mechanischer Stabilität vermieden werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des 1. Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt ein Druckgefäß mit einer Wand. In der Wand befindet sich eine Öffnung (Loch) für den Stromleiter. Der Stromleiter weist eine Aufweitung (dicker Stelle) auf, die größer als die Öffnung in der Gefäßwand ist. Die Aufweitung kann ku­ gelförmig sein. Der zum Beispiel als Stab vorliegende Stromleiter führt dann durch die Kugel hindurch und ist mit dieser fest verbunden. Der Stromleiter mit der Auf­ weitung ist von der Innenseite des Gefäßes durch die Öffnung hindurchgeführt. Eine Dichtung trennt zweckmä­ ßig die Aufweitung und den Stromleiter von der Ge­ fäßwand. Ferner ist ein elektrischer Isolator vorgese­ hen, der die Aufweitung und den Stromleiter von der Ge­ fäßwand elektrisch trennt, wenn diese elektrisch lei­ tend ist. Anderenfalls würde die Gefäßwand eine Strom­ quelle darstellen, was regelmäßig nicht erwünscht oder sogar unzulässig ist. Die Dichtung kann zugleich als Isolator ausgestaltet sein und übernimmt so eine Dop­ pelfunktion.

Der Druckbehälter weist einen Elektrolyseur in seinem Inneren auf. Der Elektrolyseur bezieht seinen Strom über die anspruchsgemäße Stromdurchführung durch die Behälterwand, und ist daran angebunden.

Durch den im Innenraum des Gefäßes herrschenden Druck wird die Aufweitung gegen die Gefäßwand des Behälters gepreßt. Durch das Pressen der Aufweitung gegen die Be­ hälterwand wird die gewünschte Abdichtung bewirkt: Die Aufweitung sitzt dicht auf der Öffnung auf. Eine Ver­ schraubung mit der Behälterwand oder ein Verschweißen mit der Behälterwand kann bei der Erfindung entfallen. Eine isolierende Keramik zwischen der Aufweitung und dem elektrischen Leiter ist nicht erforderlich.

Die Aufweitung kann an den elektrischen Leiter ge­ schweißt oder einstückig sein. Die Aufweitung besteht dann wie der elektrische Leiter aus Metall. Die mechanische Stabilität wird so im Vergleich zum ein­ gangs genannten Stand der Technik verbessert. Der Her­ stellungsaufwand ist relativ gering.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel vorgesehen, die eine Vorspannung bewirken. Unter Vorspannung ist hier zu verstehen, daß die Aufweitung gegen die Behälterwand gepreßt ist, auch wenn im Innen­ raum des Druckbehälters kein Überdruck vorliegt. Ein Mittel zum Vorspannen ist in einer besonders einfachen und platzsparenden Ausführungsform eine Mutter, die von außen auf ein bereitgestelltes Gewinde des elektrischen Leiters aufgeschraubt ist. Eine elek­ trische Isolierung trennt die Mutter elektrisch von der Behälterwand, wenn diese elektrisch leitend ist.

Durch die Vorspannung wird sichergestellt, daß die Auf­ weitung stets dicht auf der Öffnung aufsitzt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorspannung federnd ausgestaltet. Insbesondere ist vorgesehen, daß die Mutter über eine Feder einen Druck gegen das Äußere der Behälterwand ausübt.

Durch die Feder werden thermische oder durch Druck herbeigeführte Längenänderungen der verwendeten Materi­ alien kompensiert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Behälter einen Elektrolyseur in seinem Inne­ ren auf. Der Elektrolyseur bezieht seinen Strom über die anspruchsgemäße Stromdurchführung durch die Behälterwand.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung ist eine Fläche, insbesondere eine Scheibe als Aufweitung vorgesehen. Der Stromleiter verläuft senkrecht zu dieser Fläche und ist mit dieser elektrisch verbunden.

Durch das Vorsehen dieser Fläche, die zum Beispiel kreisförmig ist, kann bei einer hierzu parallel angeordneten Behälterwand eine große Fläche für Dichtungen bereitgestellt werden, die für die nötige Abdichtung sorgt. Es werden ferner innen auf der Behälterwand auf der Fläche zweckmäßig Kammerungsrillen sowie diesen entsprechende auf der Aufweitung vor­ gesehen, um die gewünschte Dichtigkeit sicherzustellen. Die Rillen verlaufen dann zum Beispiel kreisförmig um die Öffnung herum.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung ist eine Endzelle des Elektrolyseurs, der aus mehreren einzelnen Zellen bestehen kann, großflächig mit der Aufweitung der Stromdurchführung verbunden.

Auf diese Weise wird ein großflächiger, elektrischer Kontakt bereitgestellt. Elektrische Kontaktierungsprobleme werden so vermieden. Die Fläche wird also einerseits zur Erzielung eines guten elektrischen Kontaktes und andererseits zur Erzielung der Dichtigkeit verwendet. Sie übernimmt also eine Doppelfunktion.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung verlaufen Gasdurchführungen durch die Behälter­ wand und durch die Aufweitung. Diese Art der Gasdurch­ führung weist im wesentlichen dieselben Vorteile auf wie die Stromdurchführung. Durch die Gasdurchführungen werden Betriebsmittel dem Elektrolyseur zugeführt bzw. Produktgase abgeführt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung weist das Druckgefäß mit dem Elektrolyseur im Inneren Spannbolzen auf, mit denen die Aufweitung an die Behälterwand gepreßt wird. Diese Vorspannung stellt ebenfalls die Dichtigkeit auch im ansonsten drucklosen Zustand sicher.

Die Fig. 1a bis 1c verdeutlichen eine Ausführungsform der Stromdurchführung durch eine Wand eines Druckbehälters im Längs- und Querschnitt.

Zur Abdichtung eines Hochdruckraums werden die Stirn- und Planflächen der Isolierplatte 5 ganzflächig mit Dichtungen 6, 7 ausgelegt, wobei an den von den Dichtungen berührten Flächen der Druckbehälterwand 3, der Isolierplatte 5 und der Anpreßplatte 2 (Aufweitung) Kammerungsrillen - wie in Fig. 1b gezeigt - in die Oberflächen eingearbeitet sind.

Über eine von der Druckbehälterwandung 3 durch eine Scheibe 15 isolierte Mutter 8 wird zentral über den Strombolzen 1 (Stromleiter) und Anpreßplatte 2 die Isolierplatte 5 mit den Dichtungen 6, 7 verpreßt.

Die Außenzone der Isolierplatte 5 wird über Spannbolzen 9 und Muttern 10 durch einen Anpreßring (11) verquetscht.

Zwischen Anpreßplatte 2/ Isolierplatte 5 und Anpreßring 11 wird ein Isolierrahmen 12 gelegt, der an den Planflächen mit Kammerrillen für die Dichtungen 13 (Oberfläche für Dichtungen) versehen ist.

Für einen Hochdruck-Elektrolyseur wird der Isolierrahmen 12 durch eine beliebige Anzahl von O₂/H₂-Rahmenzellen 12a, b, c, d usw. ersetzt. Es liegt dann ein großflächiger elektrischer Kontakt zwischen der Aufweitung 2 und einer ersten Zelle des Elektrolyseurs vor.

Vorteile der Erfindung sind:

• - Für Einsatz mit hohen Drücken geeignet.
• - Stromdurchführung ist ohne großräumige, kostenintensive Flanschaufbauten möglich.
• - Es können Stromdurchführungen mit großem Durchmesser in den Druckraum geführt werden.

Somit sind hohe Strombelastbarkeiten bei geeigneter Materialwahl möglich.

• - Temperatur, Druck und Materialdickenänderungen können durch ein Federpaket 14 an der Mutter 8 aufgefangen werden.
• - Bei Einbau der Anpreßplatte 2 und Isolierplatte 5 in den Druckraum wirkt eine Erhöhung des Druckes kraftmäßig zusätzlich abdichtend auf die Dichtungen 6 und 7.
• - Für Hochdruck-Elektrolyse ist bei einer Anflanschung des Zellenblockes an den Druckbehälterdeckel 3 der Isolierrahmen 12 durch O₂/H₂-Rahmenzellen 12a, b, c d usw. zu ersetzen. Der Anpreßring 11 wird durch eine Kathoden- und Anpreßplatte ersetzt und verstärkt die Abdichtung in der Außenzone der Isolier- und Anpreßplatte 2, 5.
• - Bei einer Hochdruck-Elektrolyse wird die Anpreßplatte 2 unmittelbar als isolierte Anodenplatte genutzt.

Claims (3)

1. Druckgefäß
mit einer Wand, welche eine Öffnung für die Durchführung eines Stromleiters aufweist,
mit einem Stromleiter, der eine Aufweitung aufweist, die größer ist als die Öffnung der Gefäßwand, und der mit der Aufweitung von der Innenseite des Gefäßes durch die Öffnung hindurchgeführt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufweitung des Stromleiters dicht auf der Öffnung der Wand aufsitzt und großflächig an einen Elektrolyseur angebunden ist.

2. Druckgefäß nach vorgehendem Anspruch 1 mit einer Dichtung und/oder elektrischen Isolierung, die die Aufweitung von der Gefäßwand trennt.

3. Druckgefäß nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 2 mit einer aus Metall bestehenden Gefäßwand und einem elektrischen Isolator, der den Stromdurchleiter mit der Aufweitung von der Gefäßwand elektrisch trennt.