DE29607767U1

DE29607767U1 - Druckelektrolyseanlage

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Publication number: DE29607767U1
Application number: DE29607767U
Authority: DE
Original assignee: SPAETH NORBERT DIPL ING
Current assignee: Spaeth Geb Goebel Ilse De; Spaeth Kurt De
Priority date: 1996-04-29
Filing date: 1996-04-29
Publication date: 1996-10-10
Anticipated expiration: 2006-04-30

Description

Beschreibung

Alkalische Druckelektrolyseanlage zerlegt Wasser durch Zuführung elektrischer Energie in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gemäß der Reaktionsgleichung

H₂O + Energie —> H₂ + ¹A O₂.

Als Elektrolyt dient in der Regel wäßrige Kaliumhydroxydlösung. Druckelektrolyseanlagen bestehen üblicherweise, wie in Bild 1.1 dargestellt, aus den Hauptkomponenten Elektrolysezelle (Cl) und den SeparationsbehäJtern für Wasserstoff (B2) und Sauerstoff (Bl), sowie einigen Zusatzgeräten wie Umwälzpumpe (P2) und Filter (F3), welche über Rohrleitungen miteinander verbunden sind.

Eine Weiterentwicklung auf dem Sektor der Gasseparation benötigt nur noch einen Druckbehälter für beide Prozessgase (G 91 15338.7)

Die Gesamtelektrolysezelle setzt sich aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen zusammen (Bild 2.1). Jede Zelle wird im Aufbau von beiden Seiten mit Nickelblechen (Bild 2.2,1) abgeschlossen; Ausnahme sind die erste und letzte Zelle. Diese beiden Zellen werden jeweils auf einer Seite von den Flanschen (Bild 2.1, 1+2) begrenzt.

Zwei ringförmige Dichtungen bilden die Zellenräume (Bild 2.2, 4 Zellenraumdichtung), welche in der Mitte von einem Diafragma (Bild 2.2, 8) getrennt sind.

Das Diafragma wird radial nach außen von einer Ausgleichsdichtung (Bild 2.2, 2) umgeben und axial in beide Richtungen von Einfassungsdichtungen gestützt (Bild 2.2, 7). Diese haben die Aufgabe das Diafragma mechanisch gegen den Auflagedruck der Elektroden zu stützen, sowie einen endlichen Abstand zwischen Elektrode und Diafragma, welcher die Gasreinheit günstig beeinflußt, zu schaffen.

Die Gesamtelektrode besteht aus einer Vorelektrode (Bild 2.3, 6) und einem gewellten Abstandhalter (Bild 2.3, 5) welche miteinander verschweißt sind. Der Abstandhalter hat die

Funktion die elektrische Kontaktierung zwischen bipolarem Blech und Vorelektrode zu gewährleisten.

Dadurch, daß die Abstandhalter lediglich durch den Anpreßdruck mit den bipolaren Platten kontaktiert sind und die Berührungspunkte durch die gewellte Bauform relativ klein sind, entstehen hohe Übergangswiderstände, welche wiederum den Wirkungsgrad negativ beeinflussen. Bipolare Platte, Vorelektrode und Abstandhalter sind aus Reinstnickel hergestellt. Das bedeutet hohe Materialkosten.

Alle Bauteile einer Zelle besitzen im oberen und unteren Bereich zwei Bohrungen, welche dann nach dem Zusammensetzen die Gas-Elelctolyt-Abfuhrkanäle (Bild 2.3) (oben) und die Elektrolytzufuhrkanäle (unten) bilden. Jede Zellenraumhalfte hat einen separaten Zu- und Abflußkanal, welcher sich in den Zellenraumdichtungen befindet (Bild 2.2, 4). Die Kanäle münden in den zuvor beschriebenen Sammelkanälen.

Von Nachteil ist hier, daß die senkrecht aufsteigenden Gase nach dem Verlassen der Zelle in einen horizontal verlaufenden Sammelkanal umgelenkt werden. Dies fuhrt zu einer mangelhaften Entlüftung der Zelle. Es bilden sich im oberen Bereich des Zellenraumes Gaspolster. Im Bereich dieser Gaspolster kommt es verstärkt zu Permeation durch das Diafragma (Bild 2.2,1 ). Die Gase vermischen sich.

Diese konstruktiven Mängel machen den Einsatz neuer Diafragmenmaterialien als geeignete Substituenten zu den bisher in Anwendung gewesenen Asbestpapierdiafragmen nicht möglich, weil die jeweilige Gasreinheit so schlecht ist, daß die untere Grenze für ein explosionsfähiges H2-O2-Gemisch übertroffen wird. Ein weiterer Nachteil ist die große Anzahl der Einzelteile die für den Bau eines Elektrolysezellenblocks notwendig ist, sowie der hohe Montageaufwand.

Das bedeutet hohe Material-, Fertigungs- und Montagekosten.

Den in den Schutzansprüchen angegebenen Erfindungen liegt das Problem zugrunde, eine kostengünstige, kompakte und leistungsfähige Druckelektrolyseanlage zu schaffen, welche ohne bisher zum Einsatz gekommene Asbestmaterialien auskommt.

Wirkungsgrad und Gasreinheit sollen optimiert werden.

Erfindungsgemäß besteht die neuartige Druckelektrolyseanlage aus den wie folgt näher beschriebenen Komponenten.

Die Elektrolysezelle ist ein quarderförmiges Kunststoffgehäuse (Bild 3,2). Durch den Einbau in einen äußeren Druckbehälter ist keine aufwendige Konstruktion mit Dichtungsscheiben notwendig. Die Problematik der geeigneten Substitution des Werkstoffs Asbest auf dem Sektor der Dichtungstechnik für kritische Medien tritt hier nicht mehr auf. Die Einbauteile sind Elektroden und Diafragmen mit Elastomerdichtungen. Es werden im Vergleich zur herkömmlichen Konstruktion weniger Einzelteile pro Zelle benötigt. Durch eine neuartige Verbindung zweier Elektroden gleichen Potentials, fallen die bipolaren Platten und Elektrodenabstandhalter weg.

Dies führt zum einen zu einer deutlichen Verringemng (ca. 60 %) kostenintensiven Nickelmaterials, zum anderen erhöht sich der Wirkungsgrad der Elektrolysezelle, weil die Übergangswiderstände von Abstandhalter auf bipolare Platte und dann wieder auf Abstandhalter durch diese neuartige Konstruktion entfallen.

Das Bestücken einer solchen Elektrolysezelle ist weniger zeitaufwendig und hat den weiteren Vorteil, daß vor dem Verschließen der Zelle eine Überprüfung auf richtige Montage möglich ist. Dies ist bei dem Zusammensetzen eines Zellenblocks in &Rgr;&udigr;&idiagr;&bgr;&phgr;&Ggr;&bgr;&Bgr;&Bgr;&bgr;&Ggr;&aacgr;&ogr;&eegr;&Bgr;&iacgr;&eegr;&igr;&Mgr;&ogr;&eegr; nicht möglich. Ein aufwendiges Zusammenziehen mit hohem Anpressdruck zur Abdichtung des Zellenblocks entfällt.

Bei anstehenden Wartungsarbeiten an der Elektrolysezelle wie z. B. Neubestückung mit Elektroden und Diafragmen muß lediglich der Verschlußdeckel (Bild 3,3) und der Boden (Bild 3,4) gelöst werden. Diese Arbeiten können wesentlich schneller und somit kostengünstiger als eine Demontag und Montage eines herkömmlichen Zellenblocks ausgeführt werden.

Die rechteckige Geometrie der Elektroden und Diafragmen ermöglicht eine vereinfachte Herstellung und Ausbeute des Halbzeugs. Der Verschnitt ist geringer.

Im Gegensatz zum Filterpressenaufbau werden die Elektrolyt-Gas-Gemische aus jeder einzelnen Zelle nicht gesammelt und in eine horizontal verlaufende Sammelleitung umgelenkt um dann nach dem Verlassen des Zellenblocks wieder über Rohrleitungen senkrecht in den Separator (Bild 1.1 + 1.2) aufzusteigen, sondern werden einzeln entlüftet.

Analog zur Einzelentlüftung (Bild 3,5) hat jede Zellenraumhälfte auch separate Elektrolyt-Zulaufkanäle (Bild 3,6).

Das Elektrolyt-Gas-Gemisch gelangt über Steigrohire in die entsprechenden Separationshälften. Der Elektrolyt strömt über Zulaufrohre von unten in jede einzelne Zellenraumhälfte.

Insgesamt bedeutet dies verbesserte und gleichmäßige Strömungsverhältnisse im Zellenblock, welche verbesserte Gasreinheiten zur Folge haben. Es bilden sich keine Gaspolster im oberen Bereich der Zelle.

Die Elektrolyseanlage besitzt nur noch einen Druckbehälter (Bild 3,1), der zugleich Druckmantel für die Elektrolysezelle als auch Separator für die Prozeßgase H₂ und O2 ist. Die Gasräume sind durch ein Trennblech baulich getrennt.

Die Elektrolysezelle wird durch eine Revisionsöffiiung an der Frontseite des Druckbehälters ein- bzw. im Wartungsfall ausgebaut. Diese Öffnung wird mit einem Flansch (Bild 3,7) verschlossen. Die Trennbleche (Bild 3,9 + 10) bilden mit dem mittleren Trennblech (Bild 3,8) die Separationsräume für die Prozeßgase. Diese Räume sind mit Füllkörper gefüllt, welche die Aufgabe haben die Gase von dem Elektrolyten zu trennen. Nach der Trennung durchlaufen die Gase einen Demister (Bild 3,11), welcher die Funktion einer Schaumbremse hat. Danach verlassen die Gase den Elektrolytraum und durchströmen einen Kühler, welcher die Gase trocknet. Der Kühler befindet sich jeweils in einem zylindrischen Rohr für H₂ und O₂ (Bild 3,12 + 13), welches oben am Druckbehälter angeflanscht ist. Die Kondensationsflüßigkeit fließt durch den Demister in den Elektrolytraum zurück.

Diese neuartige Bauweise hat neben den schon beschriebenen Verbesserungen noch folgende Vorteile:

• Reduktion auf nur einen Druckbehälter. Dies ist kostengünstiger als die herkömmliche Bauart mit zwei (Elektrolysezellenblock + Kombiseparator) bzw. drei (Elektrolysenzellenblock, H₂-Separator + (^-Separator) Druckbehältern.

• Keine Rohrverbindungen incl. Fittings zwischen den Druckbehältern, d. h. Kostenreduktion und verbesserte Abdichtung der Anlage, sowie verbesserte Strömungsverhältnisse des Elektrolyten und der Elektrolytgasgemische.

• Sehr kompakte Bauart mit geringem Aufstellungsbedarf bzw. Platzbedarf.

Claims

Schutzansp rüche

1. Druckelektrolyseanlage zur Wasserzersetzung in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Anlage aus nur einem Druckbehälter besteht, welcher die Komponenten Elektrolysezelle, Separationsräume für die Produktgase, Gasaufbereitung und Gasreinigung beinhaltet.

2. Elektrolysezelle nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Gehäuse besteht, in welches die Bauteile Diafragmen und Elektroden incl. Elastomerdichtungen eingesteckt werden und mit einem Boden und Deckel verschlossen wird, welcher jeweils für jede Zellenraumhälfte mit separaten Flüssigkeitszufuhr- bzw. Gasflüssigkeitssteigrohren bestückt ist.

3. Elektrolysezelle nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß Elektrodenpaare gleichen Potentials metallisch durch Schweißnähte über Metallbrücken kontaktiert sind, welche außerhalb des Gehäuses durch einen Kunststoffüberzug elektrisch isoliert sind.

4. Druckbehälter nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß selbiger eine Revisionsöähung besitzt, durch welche die Elektrolysezelle eingeschoben oder entnommen werden kann.