EP4074863A1 - Elektrolyseeinrichtung - Google Patents

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EP4074863A1
EP4074863A1 EP21168351.1A EP21168351A EP4074863A1 EP 4074863 A1 EP4074863 A1 EP 4074863A1 EP 21168351 A EP21168351 A EP 21168351A EP 4074863 A1 EP4074863 A1 EP 4074863A1
Authority
EP
European Patent Office
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electrical
supply unit
cell
electrolysis
electrolysis device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21168351.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Hanebuth
Simon Kießlich
Thomas Purucker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Priority to EP22706762.6A priority patent/EP4274919A1/de
Priority to CN202280028367.7A priority patent/CN117242210A/zh
Priority to CA3216661A priority patent/CA3216661A1/en
Priority to PCT/EP2022/053078 priority patent/WO2022218582A1/de
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
    • C23F2213/00—Aspects of inhibiting corrosion of metals by anodic or cathodic protection
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    • C23F2213/31—Immersed structures, e.g. submarine structures

Definitions

  • the invention relates to an electrolysis device with a plurality of electrolysis cells which are electrically connected in series and which are at least partially arranged one after the other in a stacking direction, the series connection being able to be electrically coupled to an electrical energy source, with a cell supply unit for supplying the electrolysis cells for proper operation with at least one fuel, and with supply lines connected to the cell supply unit and to opposite ends of the electrolytic cells arranged in succession.
  • Electrolytic cells which serve to convert chemical substances into other chemical substances under the action of electricity, are extensively known in the prior art.
  • a chemical reaction i.e. a material conversion
  • electrolysis A well-known and widely used form of electrolysis is water electrolysis.
  • water electrolysis water is broken down into its components, namely hydrogen and oxygen, using electricity.
  • other substances can also be subjected to electrolysis, for example carbon dioxide or the like.
  • the electrolysis products are usually fluid substances that can be fed via appropriate supply lines to the electrolysis cells in which the actual electrolysis is carried out.
  • the electrolysis products are often also in fluid form and are discharged from the electrolysis cells via additional supply lines.
  • the supply lines are usually connected to a cell supply unit that supplies the electrolytic cells for the intended operation with the respective substances or serve at least one fuel.
  • supplying means not only supplying the operating material or the material to be electrolyzed, but also discharging the respective electrolysis product.
  • Hydrogen can be provided with an electrolysis device, also known as an electrolyzer, using regeneratively generated electrical energy.
  • an electrolysis device also known as an electrolyzer
  • One way of generating hydrogen is to use an electrolysis facility whose electrolysis cells are based on proton exchange membranes (PEM).
  • PEM proton exchange membranes
  • An electrolytic cell for generating hydrogen and oxygen from water is, for example, by the DE 10 2011 007 759 A1 disclosed. But also the DE 10 2019 205 316 A1 discloses a corresponding electrolytic cell for energy-efficient hydrogen production. Furthermore, the DE 21 2018 000 414 U1 a hydrogen generation system.
  • Generic electrolysis devices generally have a plurality of electrolysis cells, which are usually electrically connected in series.
  • the series circuit thus formed is electrically coupled to an electrical energy source which provides a suitable electrical voltage, so that the intended process of electrochemical material conversion can be implemented by means of the electrolytic cells.
  • the electrolytic cells are sequentially arranged in a stacking direction to form a cell stack.
  • the stacked arrangement makes it possible for the electrolytic cells arranged one after the other to be directly electrically contacted, so that separate electrical connections of the electrolytic cells can be largely reduced.
  • a supply line system which serves to supply or discharge the at least one operating substance to the electrolysis cells.
  • the operating substance can include, for example, the supplied fluid, for example water, and/or the reaction product, for example hydrogen and oxygen.
  • the cell stack is usually operated with a specific electrolysis output in such a way that the electric current is as small as possible, but the electric voltage is as high as possible. This is achieved by suitably stacking the electrolytic cells in the cell stack. As a result, electrical voltages at the respective electrolytic cells in the cell stack can add up to the cell stack voltage, while the electrolytic cells connected in series in this way can be operated with essentially the same current.
  • the electrolysis power is provided by the power source connectable to respective opposite ends of the cell stack for this purpose.
  • a large number of electrolytic cells can be arranged in a cell stack, for example more than 100 electrolytic cells, in particular several hundred electrolytic cells, but preferably no more than about 400 electrolytic cells.
  • the electrical voltage at each of the electrolytic cells is around 1.5 V to 2.5 V. This results in the electrical voltage at the cell stack, so that the electrical voltage at the cell stack often exceeds 100 V. can even be several hundred volts.
  • the electrolysis device includes other components, such as pumps, heat exchangers, separating containers, which are necessary for the intended operation of the electrolysis device or the electrolysis cells required are.
  • these components are combined by the cell supply unit for supplying the electrolytic cells with at least one fuel for the intended operation.
  • the cell supply unit is connected to the electrolytic cells lined up in a stacking direction via supply lines connected to the opposite ends of the electrolytic cells lined up.
  • the umbilicals are typically formed from a material such as metal or the like.
  • a correspondingly high electrical voltage occurs between the ends of the cell stack or the electrolytic cells arranged one after the other.
  • the supply lines which are usually made of metal, it is therefore necessary that they have respective electrical insulating sections, which serve to provide an electrically highly conductive connection between the ends of the successively arranged electrolysis cells and thus between the electrical connections of the electrical avoid energy sources.
  • the application according to the prior art has proven itself, but it has been found that particularly in the area of the supply line adjoining the electrical insulating section, which is subjected to a positive electrical potential of the electrical energy source in normal operation, a corrosion can occur. This is not only harmful to the electrolysis device as such, but can also lead to contamination of the at least one operating substance and thus to disruptions in the intended operation of the electrolysis cells.
  • the object of the invention is to reduce the aforementioned corrosion problem.
  • the invention proposes in particular that a negative electrical potential of the electrical energy source be electrically coupled to an electrical reference potential of the cell supply unit.
  • the invention is based, among other things, on the idea that the construction of the electrolysis device according to the invention makes it possible for the cell supply unit and thus also the end of the cell stack formed by the electrolysis cells arranged one after the other, which is connected to the negative electrical potential of the electrical energy source, have the smallest electrical potential of the electrolysis device.
  • This end of the cell stack is also referred to below as the first end.
  • the electrical connection can be realized in that the first end of the cell stack is connected to the electrical reference potential of the cell supply unit by means of an electrical line.
  • the electrical reference potential of the cell supply unit can be, for example, a ground potential of the cell supply unit.
  • the electrical reference potential of the cell supply unit can, for example, be directly or indirectly electrically coupled to a ground potential.
  • the supply lines are formed at least partially from an electrically conductive material.
  • a material of the supply lines can include metal. This makes it possible to provide an electrically conductive connection independently of an electrical line by means of at least one of the supply lines, specifically when the at least one of the supply lines provides electrical conductivity—like the electrical line—over its entire length.
  • all supply lines can have respective insulating sections, in particular if they essentially have metal as the material.
  • the supply lines can also be formed from an electrically insulating material.
  • the sections of the supply lines facing the cell supply unit need not have an electrical potential that is smaller than the electrical potential, in particular the electrical reference potential, of the cell supply unit up to the respective insulating sections that may be present.
  • a corrosion effect can be largely avoided in the area of the supply lines between the respective insulating sections that may be present and the cell supply unit.
  • the problem of corrosion can therefore be shifted to the respective opposite side of the respective electrical insulating section, in the area of which a corresponding supplementary treatment can be provided in order to largely avoid or even completely prevent the corrosion effect here as well.
  • the construction according to the invention can ensure that the cell supply unit always provides the lowest electrical potential in the electrolytic device.
  • the successively arranged electrolytic cells of the cell stack remain electrically connected in series.
  • the construction according to the invention makes it possible to achieve, among other things, that the corrosive effect can be reduced because the conditions that are harmful to the corrosive effect can be reduced. Due to the electrical potential difference at the insulating sections of the supply lines, an electrical current can occur in the fluid conducted through the respective supply line, in particular if it is water, in the prior art. As a result, hydrogen and hydroxide ions can be released.
  • the conditions relevant to the corrosive effect namely in particular the hydroxide ions, can be reduced by the invention.
  • the hydroxide ions can at least partially in the cell stack through the electrolytic cells arranged there are processed or consumed. They are therefore no longer available for the undesired corrosive effect. It is therefore particularly advantageous if the insulating sections are arranged as close as possible in the area of the respective ends. Overall, the invention thus makes it possible to reduce or even completely avoid the undesired corrosive effect.
  • the electrolytic cells can, for example, be arranged sequentially in a single cell stack.
  • the electrolytic cells are electrically connected in series within the cell stack.
  • the opposite ends of the cell stack namely the first and the second end, are connectable to the respective electrical potentials of the electrical energy source.
  • they can be connected directly to the electrical energy source.
  • they are preferably connected to the electrical energy source via a control unit, so that the function of the electrolytic cells can be adjusted as required.
  • the electrical energy source can be, for example, any desired voltage source or current source that is able to provide sufficient power for the electrolysis to be carried out by the electrolysis cells.
  • An electrolysis output can be determined at a specific surface current density as a function of the dimensions of the respective electrolysis cell, in particular of its electrolysis-technically effective areas.
  • the supply lines have a through-opening with a suitable inside diameter or cross-section in order to be able to lead the respective fuel to the electrolytic cells with as little loss as possible and/or to be able to remove it from the respective electrolytic cells or the sub-stacks with as little loss as possible.
  • a material for the supply lines should include metal, with the electrolysis cells being arranged in at least two sub-stacks, with each of the at least two sub-stacks being connected by means of at least one first supply line connected to the cell supply unit and at a first end of the respective sub-stack and at least one connected to the cell supply unit and at a second end of the respective sub-stack opposite the first end in the stacking direction, the second supply line is connected to the cell supply unit, wherein that first supply line which is connected to the first end of that sub-stack is connected to a negative electrical potential of the electrical energy source can be coupled, is electrically conductively connected to the cell supply unit and all other supply lines have respective electrical insulating sections.
  • the electrolytic cells of the sub-stacks are preferably also connected in series, with the respective sub-stacks also being connected in series overall.
  • the partial stacks are essentially connected in parallel in terms of fluid technology.
  • the electrical insulating sections of the supply lines are also designed accordingly, which can be formed from a suitable material, for example, which can be mechanically firmly connected to the respective supply line.
  • a suitable material for example, which can be mechanically firmly connected to the respective supply line.
  • it may be an annular portion at a respective end of a respective Supply line is arranged.
  • the insulating section can of course also be integrated into the supply line, so that the supply line has two supply line sections which are electrically insulated from one another and are separated from one another by the insulating section. These units formed in this way are preferably connected to one another in a fluid-tight manner, with an essentially constant internal cross-section being preferably provided for the respective fuel.
  • a plastic, a ceramic, but also a metal oxide such as, for example, titanium dioxide, aluminum oxide and/or the like can be provided as the material for the electrically insulating section.
  • a composite material can also be provided, which can be formed from a plastic, for example, which can be fiber-reinforced, for example.
  • a plastic for example, which can be fiber-reinforced, for example.
  • almost any combination of these can also be provided, which are preferably selected in such a way that a chemical reaction with the operating fluid to be carried in each case is essentially avoided.
  • the material of the supply line has at least metal.
  • the metal can, for example, be steel, in particular stainless steel.
  • another metal for example titanium or the like, can of course also be used.
  • Appropriate metal alloys can of course also be provided.
  • an electrical insulation layer be arranged on the inside of the supply line at an end of the insulating section of the respective insulating section that faces the respective end of the respective partial stack.
  • the insulation layer formed here makes it possible to further reduce the corrosion effect.
  • the electrical insulation layer can be formed, for example, by a plastic, a ceramic or the like, which is arranged on the inside of the respective supply line in the respective predetermined area. As a result, the surface available for corrosion effects can be further reduced on the inside of the supply line.
  • the electrical insulation layer has a coating of an insulation material.
  • the coating can be formed, for example, from a plastic, a paint, a combination thereof and/or the like. Before mounting on the respective supply line, the coating can be arranged on the inside in the region of the passage opening of the supply line. The coating need only extend to the electrically insulating section. As a result, a good effect in terms of corrosion protection can be achieved with limited effort.
  • the electrical insulation layer has a corrosion-resistant metal-containing material. As a result, a very robust surface can be achieved that can be easily connected to the supply line.
  • the corrosion-resistant metal-containing material is a metal oxide.
  • the metal oxide can be, for example, a ceramic material, titanium dioxide, aluminum oxide and/or the like.
  • the cell supply unit is at least indirectly electrically grounded. Due to the grounding, the cell supply unit with the supply lines electrically coupled to it can be connected to a predetermined reference potential. As a result, the negative potential of the electrical energy source, which is electrically coupled to the cell supply unit via the supply lines, can also be at least grounded indirectly.
  • the cell stack formed from the sub-stacks is therefore at a defined electrical potential with respect to ground potential and is therefore no longer subject to floating potential. A defined electrical potential difference or electrical voltage can thus be achieved at the respective electrical insulating sections. This allows the reliability of the function of the invention to be further improved.
  • the grounding has a sacrificial anode and/or a voltage source, by means of which the cell supply unit can be subjected to an electrical potential that is negative compared to the ground potential.
  • a voltage source is used, the negative electrical potential of the voltage source can be electrically connected to the cell supply unit and to the supply lines connected to it.
  • the negative electrical potential of the voltage source is preferably grounded accordingly at the same time.
  • the voltage source can provide an electrical voltage in a range from approximately ⁇ 2 V to approximately zero volts in relation to ground potential.
  • this electrical voltage is selected in a range from about -1 V to about -0.8 V.
  • corrosion of stainless steel for example, can also be avoided under maritime conditions, especially in off-shore applications.
  • an external corrosion phenomenon can be reduced or prevented in this way.
  • a further electrode to be arranged in the manner of a counter-electrode for cathodic protection against corrosion in the area of the cell supply unit.
  • the internal corrosion phenomenon relates in particular to corrosion effects within the electrolyzer, particularly within the cell supply unit.
  • this can be a titanium electrode or titanium anode, which can be coated with a mixed oxide.
  • the anode formed in this way is arranged in a liquid phase of an oxygen separation tank of the cell supply unit.
  • the partial stacks are particularly advantageously connected in parallel to the cell supply unit in terms of supply. In this way, a good supply of the at least one fuel can be achieved for the sub-stacks.
  • the supply can include supplying or also discharging the fuel or substances produced during the electrolysis.
  • the electrodes of the active cell surfaces of the electrolytic cells can act as anodic counter-electrodes.
  • minimally more oxygen can be formed at the respective anodes of the electrolytic cells and minimally less hydrogen can be generated at the respective cathodes of the respective electrolytic cells.
  • these changes during electrolysis do not have a significant effect on the efficiency and safety of the electrolysis device. Rather, the advantage of the invention that no foreign ions can be released from metallic components due to stray currents predominates.
  • FIG 1 shows a schematic block diagram of an electrolysis device 10 which has a cell stack 54 which has a plurality of electrolysis cells 12 which are arranged in succession in a stacking direction 14 .
  • the electrolytic cells 12 are used to electrochemically decompose water into its components, oxygen and hydrogen.
  • the electrolysis device 10 is therefore used in the present case to generate hydrogen and oxygen from water.
  • the electrolysis cells 12 are arranged directly adjacent to one another, so that respective electrodes of the electrolysis cells 12 arranged adjacent can make electrical contact with one another. It is provided that in each case an anode of a first of the electrolytic cells 12 makes electrical contact with a cathode of the second electrolytic cell 12 which is arranged immediately adjacent in each case. As a result, the electrolytic cells 12 are electrically connected in series.
  • the electrolytic cells 12 are supplied with water to be electrolyzed on the one hand and discharges for the produced substances hydrogen and oxygen are provided on the other hand via an internal supply structure of the cell stack 54 that is not shown in any more detail.
  • This supply can be connected to opposite ends 20, 22 of the cell stack 54 in each case.
  • An electrical energy source 16 is also connected to the ends 20, 22 via an electrical line 52, which in the present case provides a suitable electrical voltage with a suitable electrical output, so that the electrolytic cells 12 can be supplied with sufficient electrical energy for normal operation.
  • the electrolysis device 10 also includes a cell supply unit 18, which is used to supply the electrolysis cells 12 or the cell stack 54 with the respective operating materials, which in the present case relate to the supply of water and the removal of hydrogen and oxygen.
  • the cell supply unit 18 includes several components that are required for the intended operation of the electrolysis device 10, such as pumps, heat exchangers, separator tanks and/or the like, which are not shown here in detail.
  • the cell supply unit 18 is supply-connected to the cell stack 54 via supply lines 24 which are connected to the cell supply unit 18 and the opposite ends 20, 22 of the cell stack 54.
  • the supply lines 24 thus fluidly couple the supply structure of the cell stack 54.
  • the supply lines 24 are formed from a metal such as stainless steel.
  • each of the supply lines 24 has an electrically insulating section 38. This ensures that the ends 20, 22 are designed to be electrically insulated from the cell supply unit 18 and thus also electrically insulated from one another.
  • the supply lines 24 are located outside of the cell stack 54.
  • the insulating sections 38 are essentially formed from an electrical insulating material, which can be, for example, a suitable ceramic material or also a suitable plastic or composite material.
  • FIG. 12 shows a schematic sectional view of one of the supply lines 24.
  • FIG FIG 1 in the area of the insulating section 38.
  • the supply line 24 is shown with a first region 58 which faces the end 22 of the cell stack 54 , whereas an opposite second region 56 faces the cell supply unit 18 is.
  • the areas 56 and 58 are electrically isolated from one another by the insulating section 38 .
  • This arrangement is designed to be fluid-tight overall and has an essentially constant inner diameter 62 through which the corresponding fluid can be guided, which in this case is water.
  • Corrosion occurs in a region 64 due to the electrical voltage applied to the electrical insulating section 38 .
  • This can be considered to be due to the fact that negative hydroxide ions are formed in the area of a transition from area 56 to the electrical insulation section 38 due to electron absorption from the metal of the wall of the supply line 24 into the water flowing in the inner diameter 62, which is caused by the electric field are conducted to region 58 and there react electrochemically with the metal of the wall of supply line 24, as in FIG FIG 2 shown.
  • the wall of the supply line 24 corrodes in this area 64. This is undesirable.
  • Rouging means the finest iron-containing particles that can be distributed in the supply lines 24 and the components of the electrolysis device 10 . They can be observed above all in the supply lines 24, in which hydrogen is also carried. If this rouging gets into the oxygen-carrying part of the electrolysis device 10, the rouging can dissolve again with the formation of ions.
  • cations can then get into the electrolytic cells 12 from the oxygen side and accumulate there. This process can lead to higher cell voltages and thus a reduced efficiency of the electrolysis device 10 . Furthermore, mechanisms damaging to the electrolytic cells 12 can be associated with these cations. For example, hydrogen peroxide formed on the electrodes can be converted into radicals when they come into contact with metal ions, which can chemically attack a membrane structure of the electrolytic cells 12 and thus impair the service life of the electrolytic cells 12 .
  • FIG 3 now shows an electrolysis device 60 with which the aforementioned corrosion effect, which is based on FIG 2 was explained, can be largely avoided.
  • the following explanations are based on the explanations for the FIG 1 and 2 , which is why reference is also made to the relevant statements.
  • the electrolytic cells 12 are arranged in four partial stacks 26, 28, 30, 32.
  • Each of the four sub-stacks 26, 28, 30, 32 is connected to the cell supply unit 18 and to a first end of the respective sub-stack 26, 28, 30, 32 by means of two first supply lines 24 and two to the cell supply unit 18 and at a first end 20 second supply lines 24 connected at the opposite second end 22 of the respective partial stack 26, 28, 30, 32 in the stacking direction 14 are connected to the cell supply unit 18.
  • For the cell supply unit 18 essentially apply to the statements FIG 1 and 2 .
  • the number of electrolytic cells 12 in the sub-stacks 26, 28, 30, 32 is the same for all sub-stacks 26, 28, 30, 32. Depending on requirements, however, this can also be selected differently in other configurations without departing from the spirit of the invention.
  • the sub-stacks 26, 28, 30, 32 are in turn electrically connected in series, so - from an electrical point of view - again a series connection of all electrolytic cells 12 of the sub-stacks 26, 28, 30, 32 - as in the cell stack 54 according to FIG 1 - exists.
  • This construction of the electrolysis device 60 makes it possible for the cell supply unit 18 to have the lowest electrical potential of the entire electrolysis device 60 when viewed electrically.
  • This electrical potential is also connected to the negative electrical potential 34 of the electrical energy source 16 .
  • the electrical energy source 16 provides the positive electrical potential 36 . Between the negative and the positive electrical potential 34, 36, the electrical energy source 16 provides the operating voltage for the intended operation of the electrolysis device 60.
  • an electrical insulation layer is formed, which is presently formed by a coating of an insulating material .
  • the insulation material is a suitable plastic, for example.
  • a corrosion-resistant metal-containing material can also be provided, for example a metal oxide or the like, in particular a ceramic material, for example.
  • the respective ends 20, 22 of the partial stacks 26, 28, 30, 32, which face the respective insulating sections 38 are designed to be electrically insulated from the electrolysis cells 12. This can further reduce the corrosion effect. It has proven to be particularly advantageous if the cell supply unit 18, as shown in 3 is shown is electrically grounded by means of a ground 42 .
  • FIG 4 shows in a schematic representation how 3 a variant of the electrolysis device 60 according to FIG 3 , where in the following only the differences refer to the embodiment according to 3 be explained.
  • the grounding 42 is not provided directly on the cell supply unit 18, but using a voltage source 44, by means of which the cell supply unit 18 can be subjected to an electrical potential which is negative with respect to the ground potential.
  • the voltage source 44 provides an electrical voltage of approximately -1 V to approximately -0.8 V. In principle, however, this voltage can also be selected, for example, in a range from approximately ⁇ 2 V to approximately zero volts.
  • the counter-electrode for the cathodic protection against corrosion is also arranged in the area of the cell supply unit 18 .
  • the electrode provided here for grounding 42 is formed here by a titanium anode which is coated with a mixed oxide.
  • the titanium anode with the mixed oxide coating is electrically insulated from the cell supply unit 18 arranged in a liquid phase of an oxygen separation tank not shown.
  • the exemplary embodiments show that the invention can be used to reduce corrosion by forming a plurality of partial stacks 26, 28, 30, 32 of the electrolysis cells 12, which are all still electrically connected in series, but via their own Supply lines 24 are separately connected to the cell supply unit 18.
  • the release of metal ions can be largely prevented by the earthing or grounding concept of the invention.
  • the electrodes of the active cell surfaces of the electrolytic cells 12 can therefore act as anodic counter-electrodes for stray currents. Thus, the undesired corrosion can be largely avoided.
  • the invention is not limited to use in the electrolysis of water and can also be used in other electrolyses to be carried out, for example carbon dioxide electrolysis or the like.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseeinrichtung (60) mit- einer Mehrzahl von Elektrolysezellen (12), die elektrisch in Reihe geschaltet und die zumindest teilweise in einer Stapelrichtung (14) aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei die Reihenschaltung mit einer elektrischen Energiequelle (16) elektrisch koppelbar ist,- einer Zellenversorgungseinheit (18) zum Versorgen der Elektrolysezellen (12) für einen bestimmungsgemäßen Betrieb mit wenigstens einem Betriebsstoff, und- an die Zellenversorgungseinheit (18) und an gegenüberliegenden Enden (20, 22) der aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen (12) angeschlossenen Versorgungsleitungen (24) .Erfindungsgemäß ist ein negatives elektrisches Potential (34) der elektrischen Energiequelle (16) mit einem elektrischen Bezugspotential der Zellenversorgungseinheit (18) elektrisch gekoppelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseeinrichtung mit einer Mehrzahl von Elektrolysezellen, die elektrisch in Reihe geschaltet und die zumindest teilweise in einer Stapelrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei die Reihenschaltung mit einer elektrischen Energiequelle elektrisch koppelbar ist, mit einer Zellenversorgungseinheit zum Versorgen der Elektrolysezellen für einen bestimmungsgemäßen Betrieb mit wenigstens einem Betriebsstoff, und mit an die Zellenversorgungseinheit und an gegenüberliegenden Enden der aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen angeschlossenen Versorgungsleitungen.
  • Elektrolysezellen, die der Umwandlung von chemischen Stoffen unter Einwirkung von Elektrizität in andere chemische Stoffe dienen, sind im Stand der Technik umfänglich bekannt. In der Regel wird mithilfe eines elektrischen Stroms eine chemische Reaktion, also eine Stoffumwandlung, herbeigeführt. Dies wird Elektrolyse genannt. Eine bekannte und vielseitig genutzte Form der Elektrolyse ist die Wasserelektrolyse. Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser unter Nutzung des elektrischen Stroms in seine Bestandteile, nämlich Wasserstoff und Sauerstoff, zerlegt. Dem Grunde nach können jedoch auch andere Stoffe der Elektrolyse unterzogen werden, beispielsweise Kohlenstoffdioxid oder dergleichen.
  • Üblicherweise handelt es sich hierbei um fluide Stoffe, die über entsprechende Versorgungsleitungen den Elektrolysezellen zugeführt werden können, in denen die eigentliche Elektrolyse durchgeführt wird. Die Elektrolyseprodukte sind häufig ebenfalls in fluider Form und werden über weitere Versorgungsleitungen aus den Elektrolysezellen abgeführt. Die Versorgungsleitungen sind in der Regel an eine Zellenversorgungseinheit angeschlossen, die dem Versorgen der Elektrolysezellen für den bestimmungsgemäßen Betrieb mit den jeweiligen Stoffen beziehungsweise wenigstens einem Betriebsstoff dienen. Versorgen meint hier also nicht nur ein Zuführen des Betriebsstoffs beziehungsweise des zu elektrolysierenden Stoffs, sondern auch ein Abführen des jeweiligen Elektrolyseprodukts.
  • Besonders die Bereitstellung von Wasserstoff erweist sich als industriell interessant, zumal Wasserstoff ein vielseitig nutzbarer Energieträger sein kann. Wasserstoff kann mit einer Elektrolyseeinrichtung, auch Elektrolyseur genannt, unter Ausnutzung von regenerativ erzeugter elektrischer Energie bereitgestellt werden. Eine Möglichkeit der Erzeugung von Wasserstoff besteht darin, eine Elektrolyseeinrichtung zu nutzen, deren Elektrolysezellen auf Protonen-Austausch-Membranen (englisch: proton exchange membrane, PEM) basieren. Das Prinzip einer PEM-basierten Elektrolyseeinrichtung beziehungsweise PEM-basierten Elektrolysezelle ist im Stand der Technik bekannt, weshalb von weiteren Erläuterungen hierzu abgesehen wird. Eine Elektrolysezelle zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser ist beispielsweise durch die DE 10 2011 007 759 A1 offenbart. Aber auch die DE 10 2019 205 316 A1 offenbart eine entsprechende Elektrolysezelle für eine energieeffiziente Wasserstoffherstellung. Ferner offenbart die DE 21 2018 000 414 U1 ein Wasserstofferzeugungssystem.
  • Gattungsgemäße Elektrolyseeinrichtungen weisen in der Regel eine Mehrzahl von Elektrolysezellen auf, die üblicherweise elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die hierdurch gebildete Reihenschaltung ist mit einer elektrischen Energiequelle elektrisch gekoppelt, die eine geeignete elektrische Spannung bereitstellt, sodass mittels der Elektrolysezellen der vorgesehene Prozess der elektrochemischen Stoffumwandlung realisiert werden kann.
  • Die Elektrolysezellen sind darüber hinaus in einer Stapelrichtung aufeinanderfolgend angeordnet, sodass sie einen Zellenstapel bilden. Durch die gestapelte Anordnung ist es möglich, dass die aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen elektrisch unmittelbar kontaktiert werden können, sodass separate elektrische Anschlüsse der Elektrolysezellen weitgehend reduziert werden können.
  • Innerhalb des Zellenstapels ist ferner ein Versorgungsleitungssystem (englisch: manifold) vorgesehen, welches dazu dient, den wenigstens einen Betriebsstoff zu den Elektrolysezellen zuzuführen beziehungsweise abzuführen. Der Betriebsstoff kann zum Beispiel das zugeführte Fluid, beispielsweise Wasser, und/oder das Reaktionsprodukt, beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff, umfassen. Der Zellenstapel (englisch: stack) wird in der Regel mit einer bestimmten Elektrolyseleistung so betrieben, dass ein elektrischer Strom möglichst klein, aber eine elektrische Spannung möglichst groß ist. Dies wird durch eine geeignete Stapelung der Elektrolysezellen im Zellenstapel erreicht. Dadurch können sich elektrische Spannungen an den jeweiligen Elektrolysezellen im Zellenstapel zur Zellenstapelspannung addieren, während die auf diese Weise in Reihe geschalteten Elektrolysezellen mit einem im Wesentlichen gleichen Strom betrieben werden können.
  • Die Elektrolyseleistung wird durch die Energiequelle bereitgestellt, die zu diesem Zweck an jeweilige gegenüberliegende Enden des Zellenstapels anschließbar ist. In einem Zellenstapel können eine Vielzahl von Elektrolysezellen angeordnet sein, beispielsweise mehr als 100 Elektrolysezellen, insbesondere mehrere hundert Elektrolysezellen, vorzugsweise jedoch nicht mehr als etwa 400 Elektrolysezellen. Bei einer Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff beträgt eine elektrische Spannung an einer jeweiligen der Elektrolysezellen etwa 1,5 V bis 2,5 V. Daraus ergibt sich die elektrische Spannung am Zellenstapel entsprechend, sodass die elektrische Spannung am Zellenstapel häufig 100 V übersteigt, sogar mehrere hundert Volt betragen kann.
  • Die Elektrolyseeinrichtung umfasst neben dem Zellenstapel weitere Komponenten, wie zum Beispiel Pumpen, Wärmetauscher, Abscheidebehälter, die für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Elektrolyseeinrichtung beziehungsweise der Elektrolysezellen erforderlich sind. Diese Komponenten werden vorliegend zusammengefasst durch die Zellenversorgungseinheit zum Versorgen der Elektrolysezellen für den bestimmungsgemäßen Betrieb mit wenigstens einem Betriebsstoff.
  • Die Zellenversorgungseinheit ist mit den in eine Stapelrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen über Versorgungsleitungen angeschlossen, die an den gegenüberliegenden Enden der aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen angeschlossen sind. Die Versorgungsleitungen sind in der Regel aus einem Werkstoff wie Metall oder dergleichen gebildet.
  • Zwischen den Enden des Zellenstapels beziehungsweise der aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen tritt eine entsprechend hohe elektrische Spannung auf. Für die Versorgungsleitungen, die in der Regel aus einem Metall gebildet sind, ist es daher erforderlich, dass sie jeweilige elektrische Isolierabschnitte aufweisen, die dazu dienen, eine elektrisch gut leitfähige Verbindung zwischen den Enden der aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen und somit zwischen den elektrischen Anschlüssen der elektrischen Energiequelle zu vermeiden.
  • Dem Grunde nach hat sich die Anwendung gemäß dem Stand der Technik zwar bewährt, jedoch hat sich herausgestellt, dass insbesondere im Bereich des an den elektrischen Isolierabschnitt anschließenden Bereichs der Versorgungsleitung, der mit einem positiven elektrischen Potential der elektrischen Energiequelle im bestimmungsgemäßen Betrieb beaufschlagt ist, eine Korrosion auftreten kann. Dies ist nicht nur für die Elektrolyseeinrichtung als solche schädlich, sondern kann auch zu Verunreinigungen des wenigstens einen Betriebsstoffs und damit zu Störungen beim bestimmungsgemäßen Betrieb der Elektrolysezellen führen.
  • Um diese Problematik zu reduzieren, ist es im Stand der Technik bekannt, eine spezifische elektrische Leitfähigkeit des Wassers möglichst klein zu halten und durch eine möglichst lange Isolationsstrecke oder auch eine Querschnittsreduktion im Bereich des jeweiligen Isolierabschnitts die Korrosion kinetisch zu hemmen und so die Wirkung zeitlich zu strecken. Die Korrosion kann jedoch hierdurch dem Grunde nach nicht vermieden werden. Insbesondere die stets vorhandene, wenn auch geringe, elektrische Leitfähigkeit von Wasser, insbesondere innerhalb der durch den Isolierabschnitt gebildeten Isolationsstrecke, führt zu Streuströmen im Wasser, insbesondere innerhalb der Isolierstrecke. Dadurch bleibt das Problem der Korrosion weiterhin vorhanden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das vorgenannte Korrosionsproblem zu reduzieren.
  • Als Lösung wird mit der Erfindung eine Elektrolyseeinrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vorgeschlagen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
  • In Bezug auf eine gattungsgemäße Elektrolyseeinrichtung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass ein negatives elektrisches Potential der elektrischen Energiequelle mit einem elektrischen Bezugspotential der Zellenversorgungseinheit elektrisch gekoppelt ist.
  • Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass durch die erfindungsgemäße Konstruktion der Elektrolyseeinrichtung erreicht werden kann, dass vorzugsweise die Zellenversorgungseinheit und somit auch das Ende des durch die aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen gebildeten Zellenstapels, welches mit dem negativen elektrischen Potential der elektrischen Energiequelle verbunden ist, das kleinste elektrische Potential der Elektrolyseeinrichtung aufweisen. Dieses Ende des Zellenstapels wird im Folgenden auch als erstes Ende bezeichnet.
  • Die elektrische Verbindung kann dadurch realisiert sein, dass das erste Ende des Zellenstapels mittels einer elektrischen Leitung an das elektrische Bezugspotential der Zellenversorgungseinheit angeschlossen ist. Das elektrische Bezugspotential der Zellenversorgungseinheit kann zum Beispiel ein Massepotential der Zellenversorgungseinheit sein. Das elektrische Bezugspotential der Zellenversorgungseinheit kann beispielsweise mit einem Erdpotential mittelbar oder unmittelbar elektrisch gekoppelt sein. Darüber hinaus kann natürlich auch vorgesehen sein, dass die Versorgungsleitungen zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildet sind. Insbesondere kann ein Werkstoff der Versorgungsleitungen Metall aufweisen. Dadurch ist es möglich, unabhängig von einer elektrischen Leitung eine elektrisch leitende Verbindung auch mittels wenigstens einer der Versorgungsleitungen bereitzustellen, und zwar wenn die wenigstens eine der Versorgungsleitungen die elektrische Leitfähigkeit - wie die elektrische Leitung - über ihre gesamte Längserstreckung bereitstellt.
  • Es versteht sich, dass dies natürlich nur für die Versorgungsleitungen gelten kann, die mit dem ersten Ende des Zellenstapels verbunden sind. Zumindest die Versorgungsleitungen, die mit dem dem ersten Ende des Zellenstapels gegenüberliegenden zweiten Ende des Zellenstapels verbunden sind, weisen dagegen einen Isolierabschnitt auf, sodass eine elektrische Verbindung des zweiten Endes des Zellenstapels mit dem elektrischen Bezugspotential der Zellenversorgungseinheit verhindert ist.
  • Ist die elektrische Verbindung mittels der elektrischen Leitung realisiert, können sämtliche Versorgungsleitungen jeweilige Isolierabschnitte aufweisen, insbesondere wenn sie im Wesentlichen Metall als Werkstoff aufweisen. Die Versorgungsleitungen können aber auch aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gebildet sein.
  • Insbesondere brauchen die der Zellenversorgungseinheit zugewandten Abschnitte der Versorgungsleitungen bis zu den jeweiligen, gegebenenfalls vorhandenen Isolierabschnitten kein elektrisches Potential aufzuweisen, welches kleiner als das elektrische Potential, insbesondere das elektrische Bezugspotential, der Zellenversorgungseinheit ist. Dadurch kann in dem Bereich der Versorgungsleitungen zwischen den jeweiligen gegebenenfalls vorhandenen Isolierabschnitten und der Zellenversorgungseinheit ein Korrosionseffekt weitgehend vermieden werden. Die Korrosionsproblematik kann daher auf die jeweils gegenüberliegende Seite des jeweiligen elektrischen Isolierabschnitts verlagert werden, in dessen Bereich eine entsprechende ergänzende Behandlung vorgesehen sein kann, um auch hier den Korrosionseffekt weitgehend zu vermeiden oder sogar vollständig zu verhindern.
  • Dies kann unter anderem dadurch erreicht werden, dass die aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen nicht mehr potentialfrei gegenüber der Zellenversorgungseinheit sind, sondern durch die erfindungsgemäße Konstruktion sichergestellt werden kann, dass die Zellenversorgungseinheit immer das kleinste elektrische Potential in der Elektrolyseeinrichtung bereitstellt. Die aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen des Zellenstapels bleiben dabei weiterhin insgesamt elektrisch in Reihe geschaltet.
    Durch die erfindungsgemäße Konstruktion kann unter anderem also erreicht werden, dass der korrosive Effekt reduziert werden kann, weil die für den korrosiven Effekt schädlichen Bedingungen reduziert werden können. Aufgrund der elektrischen Potentialdifferenz an den Isolierabschnitten der Versorgungsleitungen kann beim Stand der Technik ein elektrischer Strom im durch die jeweilige Versorgungsleitung geführten Fluid, insbesondere wenn es Wasser ist, auftreten. Infolgedessen kann es zur Freisetzung von Wasserstoff und Hydroxidionen kommen. Durch die Erfindung können die für den korrosiven Effekt relevanten Bedingungen, nämlich insbesondere die Hydroxidionen, reduziert werden. Vorzugsweise können die Hydroxidionen zumindest teilweise im Zellenstapel durch die dort angeordneten Elektrolysezellen verarbeitet beziehungsweise verbraucht werden. Sie stehen daher für den unerwünschten korrosiven Effekt nicht mehr zur Verfügung. Besonders vorteilhaft erweist es sich deshalb, wenn die Isolierabschnitte möglichst nahe im Bereich der jeweiligen Enden angeordnet sind. Insgesamt ermöglicht es die Erfindung somit, die unerwünschte Korrosionswirkung zu reduzieren oder sogar vollständig zu vermeiden.
  • Die Elektrolysezellen können beispielsweise in einem einzigen Zellenstapel aufeinanderfolgend angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Elektrolysezellen innerhalb des Zellenstapel elektrisch in Reihe geschaltet. Die gegenüberliegenden Enden des Zellenstapels, und zwar das erste und das zweite Ende, sind an die jeweiligen elektrischen Potentiale der elektrischen Energiequelle anschließbar. Sie können beispielsweise unmittelbar an die elektrische Energiequelle angeschlossen sein. Vorzugsweise sind sie jedoch über eine Steuereinheit an die elektrische Energiequelle angeschlossen, sodass die Funktion der Elektrolysezellen bedarfsweise eingestellt werden kann.
  • Die elektrische Energiequelle kann beispielsweise eine beliebige Spannungsquelle oder auch Stromquelle sein, die eine ausreichende Leistung für die Durchführung der Elektrolyse durch die Elektrolysezellen bereitzustellen vermag. Eine Elektrolyseleistung kann bei einer spezifischen Flächenstromdichte abhängig von den Abmessungen der jeweiligen Elektrolysezelle, insbesondere ihrer elektrolysetechnisch wirksamen Bereiche, bestimmt sein.
  • Die Versorgungsleitungen weisen eine Durchgangsöffnung mit einem geeigneten Innendurchmesser beziehungsweise Querschnitt auf, um den jeweiligen Betriebsstoff möglichst verlustfrei zu den Elektrolysezellen hinführen zu können und/oder möglichst verlustfrei von den jeweiligen Elektrolysezellen beziehungsweise den Teilstapeln abführen zu können.
  • Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass ein Werkstoff der Versorgungsleitungen Metall aufweist, wobei die Elektrolysezellen in wenigstens zwei Teilstapeln angeordnet sind, wobei jeder der wenigstens zwei Teilstapel mittels wenigstens einer an die Zellenversorgungseinheit und an einem ersten Ende des jeweiligen Teilstapels angeschlossenen ersten Versorgungsleitung und wenigstens einer an die Zellenversorgungseinheit und an einem dem ersten Ende in Stapelrichtung gegenüberliegenden zweiten Ende des jeweiligen Teilstapels angeschlossenen zweiten Versorgungsleitung mit der Zellenversorgungseinheit verbunden ist, wobei diejenige erste Versorgungsleitung, die an dem ersten Ende desjenigen Teilstapels angeschlossen ist, das mit einem negativen elektrischen Potential der elektrischen Energiequelle koppelbar ist, elektrisch leitend an die Zellenversorgungseinheit angeschlossen ist und alle anderen Versorgungsleitungen jeweilige elektrische Isolierabschnitte aufweisen.
  • Bei dieser Weiterbildung sind die Elektrolysezellen der Teilstapel vorzugsweise weiterhin in Reihe geschaltet, wobei auch die jeweiligen Teilstapel insgesamt in Reihe geschaltet sind. In Bezug auf den Anschluss an die Zellenversorgungseinheit sind die Teilstapel dagegen dem Grunde nach im Wesentlichen fluidtechnisch parallelgeschaltet. Dadurch kann eine Stapelspannung an den jeweiligen gegenüberliegenden Enden eines jeweiligen Teilstapels natürlich deutlich kleiner als die elektrische Spannung sein, die an der vollständigen Reihenschaltung durch die elektrische Energiequelle bereitzustellen ist. Zugleich kann auch hier der eingangs beschriebene korrosive Effekt reduziert beziehungsweise weitgehend vermieden werden.
  • Entsprechend sind auch die elektrischen Isolierabschnitte der Versorgungsleitungen ausgebildet, die beispielsweise aus einem geeigneten Werkstoff gebildet sein können, der mit der jeweiligen Versorgungsleitung mechanisch fest verbunden sein kann. Beispielsweise kann es sich um einen ringförmigen Abschnitt handeln, der an einem jeweiligen Ende einer jeweiligen Versorgungsleitung angeordnet ist. Darüber hinaus kann der Isolierabschnitt natürlich auch in die Versorgungsleitung integriert sein, sodass die Versorgungsleitung zwei voneinander elektrisch isolierte Versorgungsleitungsabschnitte aufweist, die durch den Isolierabschnitt voneinander getrennt sind. Diese hierdurch gebildeten Einheiten sind vorzugsweise fluiddicht miteinander verbunden, wobei vorzugsweise ein im Wesentlichen konstanter Innenquerschnitt für den jeweiligen Betriebsstoff bereitgestellt wird.
  • Als Werkstoff für den elektrischen Isolierabschnitt kann beispielsweise ein Kunststoff, eine Keramik, aber auch ein Metalloxid wie zum Beispiel Titandioxid, Aluminiumoxid und/oder dergleichen vorgesehen sein. Darüber hinaus kann auch ein Verbundwerkstoff vorgesehen sein, der beispielsweise aus einem Kunststoff gebildet sein kann, der zum Beispiel faserverstärkt sein kann. Natürlich können auch nahezu beliebige Kombinationen hiervon vorgesehen sein, die vorzugsweise derart gewählt sind, dass eine chemische Reaktion mit dem jeweils zu führenden Betriebsstoff im Wesentlichen vermieden ist.
  • Der Werkstoff der Versorgungsleitung weist zumindest Metall auf. Das Metall kann zum Beispiel ein Stahl, insbesondere ein Edelstahl, sein. Darüber hinaus kann natürlich auch ein anderes Metall, beispielsweise Titan oder dergleichen, zum Einsatz kommen. Natürlich können auch entsprechende Metalllegierungen vorgesehen sein.
  • Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass an einem dem jeweiligen Ende des jeweiligen Teilstapels zugewandten Isolierabschnittsende des jeweiligen Isolierabschnitts versorgungsleitungsinnenseitig eine elektrische Isolationsschicht angeordnet ist. Die hier ausgebildete Isolationsschicht ermöglicht es, den Korrosionseffekt weiter zu reduzieren. Die elektrische Isolationsschicht kann beispielsweise durch einen Kunststoff, eine Keramik oder dergleichen gebildet sein, die innenseitig an der jeweiligen Versorgungsleitung in dem jeweils vorgegebenen Bereich angeordnet ist. Dadurch kann die für Korrosionseffekte zur Verfügung stehende Oberfläche versorgungsleitungsinnenseitig weiter reduziert werden.
  • Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn sich die elektrische Isolationsschicht vom jeweiligen Isolierabschnitt bis zum jeweiligen Ende des jeweiligen Teilstapels erstreckt. Dadurch kann ein Korrosionseffekt versorgungsleitungsseitig im Wesentlichen vollständig vermieden werden. Diese Weiterbildung ermöglicht es daher, den Effekt der Erfindung weiter zu verbessern.
  • Es wird ferner vorgeschlagen, dass die elektrische Isolationsschicht eine Beschichtung aus einem Isolationswerkstoff aufweist. Die Beschichtung kann zum Beispiel aus einem Kunststoff, einem Lack, einer Kombination hiervon und/oder dergleichen gebildet sein. Die Beschichtung kann vor einer Montage an der jeweiligen Versorgungsleitung innenseitig im Bereich der Durchgangsöffnung der Versorgungsleitung angeordnet sein. Die Beschichtung braucht sich lediglich bis zum elektrischen Isolierabschnitt zu erstrecken. Dadurch kann mit begrenztem Aufwand eine gute Wirkung in Bezug auf den Korrosionsschutz erreicht werden.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die elektrische Isolationsschicht einen korrosionsfesten metallhaltigen Stoff aufweist. Dadurch kann eine sehr robuste Oberfläche erreicht werden, die mit der Versorgungsleitung gut verbunden werden kann.
  • Vorzugsweise ist der korrosionsfeste metallhaltige Stoff ein Metalloxid. Das Metalloxid kann beispielsweise ein Keramikwerkstoff, Titandioxid, Aluminiumoxid und/oder dergleichen sein.
  • Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die den jeweiligen Isolierabschnitten zugewandten jeweiligen Enden der Teilstapel gegenüber den Elektrolysezellen elektrisch isoliert sind. Dadurch kann erreicht werden, dass in dem Bereich zwischen Isolierabschnitt und jeweiligem Ende des Teilstapels der Korrosionseffekt weitgehend vermieden wird. Die Wirkung der Erfindung kann dadurch weiter verbessert werden.
  • Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Zellenversorgungseinheit zumindest mittelbar elektrisch geerdet ist. Durch die Erdung kann die Zellenversorgungseinheit mit den mit ihr elektrisch gekoppelten Versorgungsleitungen auf ein vorgegebenes Bezugspotential gelegt werden. Hierdurch kann zugleich auch das negative Potential der elektrischen Energiequelle, welches über die Versorgungsleitungen mit der Zellenversorgungseinheit elektrisch gekoppelt ist, ebenso mittelbar zumindest geerdet sein. Anders als im Stand der Technik ist somit der aus den Teilstapeln gebildete Zellenstapel gegenüber dem Erdpotential auf einem definierten elektrischen Potential und somit nicht mehr schwimmend potentialbehaftet. Somit kann hierdurch eine definierte elektrische Potentialdifferenz beziehungsweise elektrische Spannung an den jeweiligen elektrischen Isolierabschnitten erreicht werden. Dies erlaubt es, die Zuverlässigkeit der Funktion der Erfindung weiter zu verbessern.
  • Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Erdung eine Opferanode und/oder eine Spannungsquelle aufweist, mittels welcher die Zellenversorgungseinheit mit einem gegenüber dem Erdpotential negativen elektrischen Potential beaufschlagbar ist. Dadurch kann ein "kathodischer Korrosionsschutz" erreicht werden. Wird eine Spannungsquelle genutzt, kann das negative elektrische Potential der Spannungsquelle mit der Zellenversorgungseinheit und mit den an sie angeschlossenen Versorgungsleitungen elektrisch verbunden sein. Das negative elektrische Potential der Spannungsquelle ist dabei vorzugsweise zugleich entsprechend geerdet. Für eine gute Funktion des auf diese Weise realisierten Korrosionsschutzes kann vorgesehen sein, dass die Spannungsquelle eine elektrische Spannung in einem Bereich von etwa -2 V bis etwa null Volt in Bezug auf das Erdpotential bereitstellt. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn diese elektrische Spannung in einem Bereich von etwa -1 V bis etwa -0,8 V gewählt ist. Mit einer in diesem Bereich gewählten elektrischen Spannung kann eine Korrosion von zum Beispiel Edelstahl auch unter maritimen Bedingungen, insbesondere bei Off-Shore-Anwendungen, vermieden werden. Insbesondere kann hierdurch eine äußere Korrosionserscheinung reduziert beziehungsweise verhindert werden.
  • Um gleichermaßen eine innere Korrosionserscheinung zu reduzieren beziehungsweise zu vermeiden, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass eine weitere Elektrode nach Art einer Gegenelektrode für den kathodischen Korrosionsschutz im Bereich der Zellenversorgungseinheit angeordnet ist. Die innere Korrosionserscheinung bezieht sich insbesondere auf Korrosionseffekte innerhalb der Elektrolyseeinrichtung, besonders innerhalb der Zellenversorgungseinheit. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Titan-Elektrode, beziehungsweise TitanAnode, handeln, die mit einem Mischoxid beschichtet sein kann. Vorzugsweise ist die auf diese Weise gebildete Anode in einer Flüssigphase eines Sauerstoffabscheidebehälters der Zellenversorgungseinheit angeordnet.
  • Besonders vorteilhaft sind die Teilstapel versorgungstechnisch parallel an die Zellenversorgungseinheit angeschlossen. Auf diese Weise kann für die Teilstapel eine gute Versorgung mit dem wenigstens einen Betriebsstoff erreicht werden. Das Versorgen kann ein Zuführen beziehungsweise auch ein Abführen des Betriebsstoffs oder während der Elektrolyse erzeugter Stoffe umfassen.
  • In den Teilstapeln beziehungsweise Elektrolysezellen ausgebildete Versorgungstrukturen können als interne Isolationsstrecken dienen. Dabei können Werkstoffe, mit denen beispielsweise das zu elektrolysierende Wasser innerhalb eines jeweiligen Teilstapels kontaktiert wird, ausgenommen im Bereich jeweiliger aktiver Zellflächen der jeweiligen Elektrolysezellen, mindestens eine der folgenden drei Anforderungen erfüllen:
    • Die Werkstoffe sind nicht-metallisch;
    • elektrisch potentialbeaufschlagte Metalle sind mit einer oxidationsstabilen Schicht wie beispielsweise Titandioxid, einem Polymer oder dergleichen beschichtet;
    • nicht-beschichtete Metalle sind elektrisch nicht angebunden, das heißt, im Wesentlichen elektrisch potentialfrei, insbesondere schwimmend, angebunden.
  • Mit der Erfindung kann also erreicht werden, dass die Elektroden der aktiven Zellflächen der Elektrolysezellen als anodische Gegenelektroden wirken können. Dadurch kann zum Beispiel an jeweiligen Anoden der Elektrolysezellen minimal mehr Sauerstoff gebildet und an jeweiligen Kathoden der jeweiligen Elektrolysezellen minimal weniger Wasserstoff erzeugt werden. Diese Veränderungen während der Elektrolyse wirken sich jedoch auf den Wirkungsgrad und die Sicherheit der Elektrolyseeinrichtung nicht signifikant aus. Vielmehr überwiegt der Vorteil der Erfindung, dass keine Fremdionen aus metallischen Komponenten aufgrund von Streuströmen freigesetzt werden können.
  • Die für einen jeweiligen der Teilstapel angegebenen Ausgestaltungen und Vorteile gelten dem Grunde nach entsprechend angepasst natürlich auch für den gesamten Zellenstapel, wenn keine Teilstapel gebildet sind.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Die vorhergehend in der Beschreibung angegebenen Merkmale, Merkmalskombinationen sowie auch die in der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung umfasst beziehungsweise als offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungsformen hervorgehen und erzeugbar sind. Die anhand der Ausführungsbeispiele dargestellten Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen können für sich genommen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung darstellen, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher sollen die Ausführungsbeispiele auch andere Kombinationen als die in den erläuterten Ausführungsformen umfassen. Darüber hinaus können die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung ergänzt sein.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale beziehungsweise Funktionen.
  • Es zeigen:
    • FIG 1
    in einer schematischen Blockdarstellung eine Elektrolyseeinrichtung zum Elektrolysieren von Wasser;
    FIG 2
    eine schematische Schnittdarstellung einer Versorgungsleitung der Elektrolyseeinrichtung gemäß FIG 1 im Bereich eines Isolierabschnitts;
    FIG 3
    eine schematische Blockdarstellung wie FIG 1 einer weiteren Elektrolyseeinrichtung zum Elektrolysieren von Wasser, bei der ein Zellenstapel in vier Teilstapel gemäß einer ersten Ausgestaltung aufgeteilt ist; und
    FIG 4
    eine schematische Darstellung wie FIG 3 für eine zweite Ausgestaltung der Elektrolyseeinrichtung.
  • FIG 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine Elektrolyseeinrichtung 10, die einen Zellenstapel 54 aufweist, der eine Mehrzahl von Elektrolysezellen 12 aufweist, die in einer Stapelrichtung 14 aufeinanderfolgend angeordnet sind. Die Elektrolysezellen 12 dienen vorliegend dazu, auf elektrochemischem Wege Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zu zersetzen. Die Elektrolyseeinrichtung 10 dient daher vorliegend der Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser.
  • Die Elektrolysezellen 12 sind vorliegend unmittelbar benachbart zueinander angeordnet, sodass sich jeweilige Elektroden der benachbart angeordneten Elektrolysezellen 12 elektrisch kontaktieren können. Dabei ist vorgesehen, dass jeweils eine Anode einer ersten der Elektrolysezellen 12 eine Kathode der jeweils unmittelbar benachbart angeordneten zweiten Elektrolysezelle 12 elektrisch kontaktiert. Dadurch sind die Elektrolysezellen 12 elektrisch in Reihe geschaltet.
  • Über eine nicht weiter dargestellte innere Versorgungsstruktur des Zellenstapels 54 werden die Elektrolysezellen 12 einerseits mit zu elektrolysierendem Wasser versorgt und andererseits Ableitungen für die produzierten Stoffe Wasserstoff und Sauerstoff bereitgestellt. Diese Versorgung ist an jeweils gegenüberliegenden Enden 20, 22 des Zellenstapels 54 anschließbar ausgebildet.
  • An den Enden 20, 22 ist ferner über eine elektrische Leitung 52 eine elektrische Energiequelle 16 angeschlossen, die vorliegend eine geeignete elektrische Spannung mit einer geeigneten elektrischen Leistung bereitstellt, sodass die Elektrolysezellen 12 für den bestimmungsgemäßen Betrieb ausreichend mit elektrischer Energie versorgt werden können.
  • Die Elektrolyseeinrichtung 10 umfasst ferner eine Zellenversorgungseinheit 18, die dem Versorgen der Elektrolysezellen 12 beziehungsweise des Zellenstapels 54 mit den jeweiligen Betriebsstoffen dient, welche vorliegend das Zuführen von Wasser und das Abführen von Wasserstoff und Sauerstoff betreffen. Die Zellenversorgungseinheit 18 umfasst mehrere Komponenten, die für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Elektrolyseeinrichtung 10 erforderlich sind, wie zum Beispiel Pumpen, Wärmetauscher, Abscheidebehälter und/oder dergleichen, die hier jedoch nicht weiter dargestellt sind. Die Zellenversorgungseinheit 18 ist mit dem Zellenstapel 54 versorgungstechnisch über Versorgungsleitungen 24 verbunden, die an die Zellenversorgungseinheit 18 und die gegenüberliegenden Enden 20, 22 des Zellenstapels 54 angeschlossen sind. Die Versorgungsleitungen 24 koppeln somit fluidtechnisch die Versorgungsstruktur des Zellenstapels 54. Die Versorgungsleitungen 24 sind vorliegend aus einem Metall wie Edelstahl gebildet.
  • Um durch die aus Metall gebildeten Versorgungsleitungen 24 einen Kurzschluss zwischen den Enden 20, 22 des Zellenstapels 54 zu vermeiden, weist jede der Versorgungsleitungen 24 einen elektrischen Isolierabschnitt 38 auf. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Enden 20, 22 elektrisch isoliert von der Zellenversorgungseinheit 18 und damit auch elektrisch isoliert voneinander ausgebildet sind. Die Versorgungsleitungen 24 befinden sich außerhalb des Zellenstapels 54.
  • Die Isolierabschnitte 38 sind vorliegend im Wesentlichen aus einem elektrischen Isolationsmaterial gebildet, welches zum Beispiel ein geeigneter Keramikwerkstoff oder auch ein geeigneter Kunststoff beziehungsweise Verbundwerkstoff sein kann.
  • FIG 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer der Versorgungsleitungen 24 aus FIG 1 im Bereich des Isolierabschnitts 38. In FIG 2 ist die Versorgungsleitung 24 mit einem ersten Bereich 58 dargestellt, der dem Ende 22 des Zellenstapels 54 zugewandt ist, wohingegen ein gegenüberliegender zweiter Bereich 56 der Zellenversorgungseinheit 18 zugewandt ist. Die Bereiche 56 und 58 sind durch den Isolierabschnitt 38 elektrisch voneinander getrennt. Diese Anordnung ist insgesamt fluiddicht ausgebildet und weist einen im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser 62 auf, durch welchen das entsprechende Fluid geführt werden kann, welches in diesem Fall Wasser ist.
  • Aufgrund der am elektrischen Isolierabschnitt 38 anliegenden elektrischen Spannung findet eine Korrosion in einem Bereich 64 statt. Dies kann dadurch als begründet angesehen werden, dass im Bereich eines Übergangs vom Bereich 56 zum elektrischen Isolationsabschnitt 38 durch Elektronenaufnahme aus dem Metall der Wand der Versorgungsleitung 24 in das Wasser, welches im Innendurchmesser 62 strömt, negative Hydroxidionen gebildet werden, die aufgrund des elektrischen Felds zum Bereich 58 geführt werden und dort mit dem Metall der Wand der Versorgungsleitung 24 elektrochemisch reagieren, wie in FIG 2 dargestellt. Dadurch korrodiert die Wand der Versorgungsleitung 24 in diesem Bereich 64. Das ist unerwünscht.
  • Für diese Art der Korrosion ist zu bedenken, dass über die elektrischen Isolierabschnitte 38 in der Regel im bestimmungsgemäßen Betrieb eine Gleichspannung in einem Bereich von mehreren hundert Volt anliegen kann. Dadurch kann im Bereich des elektrischen Isolierabschnitts 38 im Bereich 56 ein Elektronenüberschuss und im Bereich 58 ein Elektronenmangel entstehen. Aufgrund der Größe der elektrischen Spannung am elektrischen Isolierabschnitt 38 finden aus thermodynamischer Sicht Elektrodenreaktionen, wie zuvor erläutert, statt. Zwar kann durch Reduzierung der elektrischen Spannung der Korrosionseffekt zeitlich gestreckt werden, also kinetisch gehemmt werden, jedoch kann er dadurch nicht vollständig unterbunden werden. Auch eine Verlängerung der Isolationsstrecke mittels des elektrischen Isolierabschnitts 38 oder eine Reduzierung im Innendurchmesser 62 können lediglich den Korrosionseffekt hinsichtlich seiner Wirkung hemmen, jedoch nicht vermeiden. Im Bereich 56 kann der hierbei gebildete Wasserstoff im Wasser gelöst oder auch in Form von feinsten Bläschen vorliegen und mit dem Wasser abtransportiert werden. Die produzierten Mengen sind dabei in der Regel so gering, dass vom Wasserstoff selbst keine störenden Wirkungen ausgehen.
  • In Bezug auf die Hydroxidionen, die im Wasser in gelöster Form vorliegen, trifft dies jedoch nicht zu. Sie tendieren wegen ihrer negativen Ladung und der Richtung des elektrischen Felds im Bereich des elektrischen Isolierabschnitts 38 dazu, vom Bereich 56 zum Bereich 58 zu wandern. In diesem Bereich 58 wird dann das metallische Material der Versorgungsleitung 24 oxidativ zersetzt. In FIG 2 ist diese Zersetzung für den Fall dargestellt, dass die Versorgungsleitung 24 aus Edelstahl gebildet ist. Diese Wirkung ist jedoch nicht auf Stahl begrenzt, sondern kann nahezu bei jedem anderen beliebigen metallischen Werkstoff auftreten.
  • Neben dem Freisetzen von Eisen können aber auch weitere Metalle, die im Stahl vorhanden sein können, aufgelöst werden. Hierbei können Kationen gebildet werden. Wegen deren positiver Ladung haben die Metall-Kationen die Tendenz, in Gegenrichtung der Hydroxidionen zu wandern. Dies kann dazu führen, dass aus den Metall-Kationen, insbesondere wenn es sich um Eisen-Ionen handelt, und den Hydroxidionen sogenanntes Rouging entstehen. Rouging meint feinste eisenhaltige Partikel, die sich in den Versorgungsleitungen 24 und den Komponenten der Elektrolyseeinrichtung 10 verteilen können. Sie können vor allem in den Versorgungsleitungen 24, in denen ebenfalls Wasserstoff geführt wird, beobachtet werden. Gelangt dieses Rouging in den sauerstoffführenden Teil der Elektrolyseeinrichtung 10, kann sich das Rouging wieder unter Bildung von Ionen auflösen.
  • Unter anderem können dann Kationen von der Sauerstoffseite aus in die Elektrolysezellen 12 gelangen und sich dort anreichern. Dieser Vorgang kann zu höheren Zellspannungen und damit sinkender Effizienz der Elektrolyseeinrichtung 10 führen. Weiterhin können schädigende Mechanismen für die Elektrolysezellen 12 mit diesen Kationen in Verbindung gebracht werden. Beispielsweise kann an den Elektroden gebildetes Wasserstoffperoxid bei Kontakt mit Metallionen in Radikale umgewandelt werden, welche eine Membranstruktur der Elektrolysezellen 12 chemisch angreifen und so die Standzeit der Elektrolysezellen 12 beeinträchtigen können.
  • FIG 3 zeigt nun eine Elektrolyseeinrichtung 60, mit der der vorgenannte Korrosionseffekt, der anhand von FIG 2 erläutert wurde, weitgehend vermieden werden kann. Die folgenden Erläuterungen basieren auf den Erläuterungen zu den FIG 1 und 2, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird.
  • Wie aus FIG 3 ersichtlich ist, sind die Elektrolysezellen 12 in vier Teilstapel 26, 28, 30, 32 angeordnet. Jeder der vier Teilstapel 26, 28, 30, 32 ist mittels zweier an die Zellenversorgungseinheit 18 und an einem ersten Ende des jeweiligen Teilstapels 26, 28, 30, 32 angeschlossenen ersten Versorgungsleitungen 24 und zweier an die Zellenversorgungseinheit 18 und an einem dem ersten Ende 20 in Stapelrichtung 14 gegenüberliegenden zweiten Ende 22 des jeweiligen Teilstapels 26, 28, 30, 32 angeschlossenen zweiten Versorgungsleitungen 24 mit der Zellenversorgungseinheit 18 verbunden. Für die Zellenversorgungseinheit 18 gelten im Wesentlichen die Ausführungen zu den FIG 1 und 2.
  • Die erste Versorgungsleitung 24, die an dem ersten Ende 20 desjenigen Teilstapels 26 angeschlossen ist, das mit einem negativen elektrischen Potential 34 der elektrischen Energiequelle 60 gekoppelt ist, ist elektrisch leitend an die Zellenversorgungseinheit 18 angeschlossen. Dadurch ist genau dieses erste Ende 20 des Teilstapels 26 elektrisch unmittelbar mit der Zellenversorgungseinheit 18 verbunden. Alle anderen Versorgungsleitungen 24 weisen jeweilige elektrische Isolierabschnitte 38 auf.
  • Vorliegend ist vorgesehen, dass die Anzahl der Elektrolysezellen 12 der Teilstapel 26, 28, 30, 32 für alle Teilstapel 26, 28, 30, 32 gleich ist. Je nach Bedarf kann dies bei anderen Ausgestaltungen jedoch auch abweichend gewählt sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
  • Die Teilstapel 26, 28, 30, 32 sind ihrerseits elektrisch in Reihe geschaltet, sodass - aus elektrischer Sicht - wieder eine Reihenschaltung aller Elektrolysezellen 12 der Teilstapel 26, 28, 30, 32 - wie bei dem Zellenstapel 54 gemäß FIG 1 - vorliegt.
  • Durch diese Konstruktion der Elektrolyseeinrichtung 60 kann erreicht werden, dass die Zellenversorgungseinheit 18 elektrisch betrachtet das kleinste elektrische Potential der gesamten Elektrolyseeinrichtung 60 aufweist. Dieses elektrische Potential ist ferner mit dem negativen elektrischen Potential 34 der elektrischen Energiequelle 16 verbunden. Die elektrische Energiequelle 16 stellt darüber hinaus das positive elektrische Potential 36 bereit. Zwischen dem negativen und dem positiven elektrischen Potential 34, 36 stellt die elektrische Energiequelle 16 die Betriebsspannung für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Elektrolyseeinrichtung 60 bereit.
  • In der vorliegenden Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass an den jeweiligen Enden 20, 22 der jeweiligen Teilstapel 26, 28, 30, 32 zugewandten Isolierabschnittsenden 40 der jeweiligen Isolierabschnitte 38 versorgungsleitungsinnenseitig eine elektrische Isolationsschicht ausgebildet ist, die vorliegend durch eine Beschichtung aus einem Isolationswerkstoff gebildet ist. Der Isolationswerkstoff ist beispielsweise ein geeigneter Kunststoff. Alternativ oder ergänzend kann jedoch auch ein korrosionsfester metallhaltiger Stoff vorgesehen sein, beispielsweise ein Metalloxid oder dergleichen, insbesondere zum Beispiel ein Keramikwerkstoff.
  • Darüber hinaus kann ferner vorgesehen sein, dass die jeweiligen Enden 20, 22 der Teilstapel 26, 28, 30, 32, die den jeweiligen Isolierabschnitten 38 zugewandt sind, gegenüber den Elektrolysezellen 12 elektrisch isoliert ausgebildet sind. Dadurch kann der Korrosionseffekt weiter reduziert werden. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Zellenversorgungseinheit 18, wie vorliegend in FIG 3 dargestellt ist, mittels einer Erdung 42 elektrisch geerdet ist.
  • Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung gemäß FIG 4 vorgesehen. FIG 4 zeigt in einer schematischen Darstellung wie FIG 3 eine Variante der Elektrolyseeinrichtung 60 gemäß FIG 3, wobei im Folgenden lediglich die Unterschiede ein Bezug zur Ausgestaltung gemäß FIG 3 erläutert werden.
  • In FIG 4 ist vorgesehen, dass die Erdung 42 nicht unmittelbar an der Zellenversorgungseinheit 18 vorgesehen ist, sondern unter Nutzung einer Spannungsquelle 44, mittels der die Zellenversorgungseinheit 18 mit einem gegenüber dem Erdpotential negativen elektrischen Potential beaufschlagbar ist. Zu diesem Zweck stellt die Spannungsquelle 44 eine elektrische Spannung von etwa -1 V bis etwa -0,8 V bereit. Diese Spannung kann jedoch grundsätzlich auch zum Beispiel in einem Bereich von etwa -2 V bis etwa null Volt gewählt sein.
  • Mit einer derart eingestellten elektrischen Spannung lässt sich der Korrosionseffekt, beispielsweise bei Edelstahl, auch unter maritimen Bedingungen, beispielsweise bei Off-Shore-Anwendungen, gegen Korrosion noch besser unterdrücken.
  • Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn dann die Gegenelektrode für den kathodischen Korrosionsschutz auch im Bereich der Zellenversorgungseinheit 18 angeordnet ist. Die hier für die Erdung 42 vorgesehene Elektrode ist vorliegend durch eine Titananode gebildet, die mit einem Mischoxid beschichtet ist. Die Titananode mit der Mischoxidbeschichtung ist vorliegend elektrisch isoliert von der Zellenversorgungseinheit 18 in einer Flüssigphase eines nicht weiter dargestellten Sauerstoffabscheidebehälters angeordnet.
  • Insgesamt zeigen die Ausführungsbeispiele, dass mit der Erfindung erreicht werden kann, dass die Korrosion dadurch reduziert werden kann, dass mehrere Teilstapel 26, 28, 30, 32 der Elektrolysezellen 12 gebildet werden können, die weiterhin sämtlich elektrisch in Reihe geschaltet sind, jedoch über eigene Versorgungsleitungen 24 separat mit der Zellenversorgungseinheit 18 verbunden sind.
  • Durch das Erdungs- beziehungsweise Massekonzept der Erfindung kann die Freisetzung von Metallionen weitgehend verhindert werden. Die Elektroden der aktiven Zellflächen der Elektrolysezellen 12 können daher für Streuströme als anodische Gegenelektroden wirken. Somit kann die unerwünschte Korrosion weitgehend vermieden werden.
  • Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung bei der Elektrolyse von Wasser beschränkt und kann gleichermaßen auch bei anderen durchzuführenden Elektrolysen, beispielsweise einer Kohlenstoffdioxidelektrolyse oder dergleichen zum Einsatz kommen.
  • Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.

Claims (10)

  1. Elektrolyseeinrichtung (60) mit
    - einer Mehrzahl von Elektrolysezellen (12), die elektrisch in Reihe geschaltet und die zumindest teilweise in einer Stapelrichtung (14) aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei die Reihenschaltung mit einer elektrischen Energiequelle (16) elektrisch koppelbar ist,
    - einer Zellenversorgungseinheit (18) zum Versorgen der Elektrolysezellen (12) für einen bestimmungsgemäßen Betrieb mit wenigstens einem Betriebsstoff, und
    - an die Zellenversorgungseinheit (18) und an gegenüberliegenden Enden (20, 22) der aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen (12) angeschlossenen Versorgungsleitungen (24),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein negatives elektrisches Potential (34) der elektrischen Energiequelle (16) mit einem elektrischen Bezugspotential der Zellenversorgungseinheit (18) elektrisch gekoppelt ist.
  2. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstoff der Versorgungsleitungen (24) Metall aufweist, wobei die Elektrolysezellen (12) in wenigstens zwei Teilstapeln (26, 28, 30, 32) angeordnet sind, wobei jeder der wenigstens zwei Teilstapel (26, 28, 30, 32) mittels wenigstens einer an die Zellenversorgungseinheit (18) und an einem ersten Ende (20) des jeweiligen Teilstapels (26, 28, 30, 32) angeschlossenen ersten Versorgungsleitung (24) und wenigstens einer an die Zellenversorgungseinheit (18) und an einem dem ersten Ende (20) in Stapelrichtung (14) gegenüberliegenden zweiten Ende (22) des jeweiligen Teilstapels (26, 28, 30, 32) angeschlossenen zweiten Versorgungsleitung (24) mit der Zellenversorgungseinheit (18) verbunden ist, wobei diejenige erste Versorgungsleitung (24), die an dem ersten Ende (20) desjenigen Teilstapels (26) angeschlossen ist, das mit einem negativen elektrischen Potential (34) der elektrischen Energiequelle (16) koppelbar ist, elektrisch leitend an die Zellenversorgungseinheit (18) angeschlossen ist und alle anderen Versorgungsleitungen (24) jeweilige elektrische Isolierabschnitte (38) aufweisen.
  3. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einem dem jeweiligen Ende (20, 22) des jeweiligen Teilstapels (26, 28, 30, 32) zugewandten Isolierabschnittsende (40) des jeweiligen Isolierabschnitts (38) versorgungsleitungsinnenseitig eine elektrische Isolationsschicht angeordnet ist.
  4. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die elektrische Isolationsschicht vom jeweiligen Isolierabschnitt (38) bis zum jeweiligen Ende (20, 22) des jeweiligen Teilstapels (26, 28, 30, 32) erstreckt.
  5. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolationsschicht eine Beschichtung aus einem Isolationswerkstoff aufweist.
  6. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolationsschicht einen korrosionsfesten metallhaltigen Stoff aufweist.
  7. Elektrolyseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den jeweiligen Isolierabschnitten (38) zugewandten jeweiligen Enden (20, 22) der Teilstapel (26, 28, 30, 32) gegenüber den Elektrolysezellen (12) elektrisch isoliert sind.
  8. Elektrolyseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenversorgungseinheit (18) zumindest mittelbar elektrisch geerdet (42) ist.
  9. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdung (42) eine Opferanode und/oder eine Spannungsquelle (44) aufweist, mittels der die Zellenversorgungseinheit (18) mit einem gegenüber dem Erdpotential (42) negativen elektrischen Potential beaufschlagbar ist.
  10. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstapel (26, 28, 30, 32) versorgungstechnisch parallel an die Zellenversorgungseinheit (18) angeschlossen sind.
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