EP4100560A1

EP4100560A1 - Verfahren zum betreiben einer elektrochemischen zellstapelanordnung

Info

Publication number: EP4100560A1
Application number: EP20704479.3A
Authority: EP
Inventors: Stefan Höller
Original assignee: Hoeller Electrolyzer GmbH
Current assignee: Hoeller Electrolyzer GmbH
Priority date: 2020-02-05
Filing date: 2020-02-05
Publication date: 2022-12-14
Also published as: CA3161680A1; KR20220137641A; WO2021155919A1; JP2023520287A; AU2020427455A1; CN115053019A; US20230357936A1

Abstract

Das Verfahren dient zum Betreiben einer elektrochemischen Zellstapelanordnung, insbesondere eines Elektrolyseurs, mit einem Stapel (2) von zwischen zwei Endplatten (3, 4) angeordneten elektrochemischen Zellen (1) in Polymerelektrolytmembranbauweise, insbesondere Elektrolysezellen (1), bei dem mindestens eine hydraulisch beaufschlagbare Vorrichtung zum Erzeugen einer Anpresskraft den Zellstapel (2) beaufschlagt. Vor und/oder während der Inbetriebnahme der Zellstapelanordnung wird die hydraulische Vorrichtung (8, 9) zum Erzeugen einer Anpresskraft hydraulisch beaufschlagt, wonach mindestens eine druckführende Hydraulikleitung (13, 15) zu der Vorrichtung abgesperrt und die Zellstapelanordnung in den bestimmungsgemäßen Betrieb genommen wird.

Description

Titel: Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Zellstapelanordnung

Beschreibung

[01] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektro- chemischen Zellstapelanordnung, insbesondere eines Elektrolyseurs, mit einem Stapel von zwischen zwei Endplatten angeordneten elektro- chemischen Zellen in Polymerelektrolytmembranbauweise sowie eine elektrochemische Zellstapelanordnung zum Ausfuhren dieses Verfah- rens.

[02] Es zählt zum Stand der Technik, elektrochemische Zellen zu Sta- peln, d.h. zu sogenannten Stacks zu verbauen, die zwischen sogenann- ten Endplatten eingespannt sind und die beispielsweise in Form von Brennstoffzellen zur katalytischen Oxidation von Wasserstoff unter Erzeu- gung von Strom oder in umgekehrter Reaktion unter Einsatz von Strom zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser in Form von Elektrolysezellen vorgesehen sind. Dabei wird typischerweise der Was- serstoff als Energieträger gespeichert. Um die Erzeugung und Speiche- rung möglichst effektiv zu gestalten, ist man bemüht, den Stack so aus- zugestalten, dass er mit einem möglichst hohen Betriebsdruck betrieben werden kann, da dann meist auf eine Nachverdichtung des erzeugten Gases verzichtet werden kann oder diese mit vergleichsweise kleinem Energieaufwand erfolgen kann, je höher der Druck in den eiektroche- mischen Zellen ist, desto höher sind die im Stapel wirkenden Kräfte. Die- se Kräfte werden typischerweise durch Zuganker aufgenommen, wel- che an den Außenseiten und in den Ecken des meist quaderförmigen Stapels angeordnef sind und welche die elektrochemischen Zellen zwi- schen zwei Endplatten verspannen. Der Stapelaufbau ist dabei so, dass neben den eigentlichen elektrochemischen Zellen vertikale Kanäle ge- bildet sind, durch welche die Reaktionsmedien zu- bzw. abgeführt wer- den. Dabei ist der Elektrolysestack typischerweise wasserdurchströmt, und zwar einerseits um den Ausgangsstoff für die Elektrolyse, nämlich 5 Wasser, an die Membranen heranzuführen und andererseits, um den Zellstapel zu kühlen, damit insbesondere die Polymerelektrolytmembra- nen nicht überhitzt und beschädigt werden.

[03] Der Aufbau solcher Zellstapel zählt zum Stand der Technik und ist beispielsweise in DE 10 2015 205 944 und WO 2019/228616 A1 beschrie- 10 ben, auf die insoweit verwiesen wird.

[04] Aus JP 2003160891 A zählt es zum Stand der Technik, bei einer solchen elektrochemischen Zelstapelanordnung in Form eines Elektroly- sestacks eine hydraulische Vorrichtung in Form einer Kolben- /Zylinderanordnung vorzusehen, mit welcher der Zellstapel kraftbeauf- 15 schlagbar ist. Hierzu ist in einer Endplatte eine zylindrische Ausnehmung gebildet, in welcher ein Kolben verfahrbar ist, der an dem Zellstapel flächig anliegt. Durch Druckbeaufschlagung dieser Koiben- /Zylinderanordnung durch Zuführen einer Hydraulikflüssigkeif kann die auf den Zellstapel wirkende Kraft und die damit wirksame Dichtkraft 20 zwischen den einzelnen Zellen eingestellt werden. Dies ist insbesondere wichtig, wenn der Druck innerhalb des Zellstapels über ein vorbestimm- tes Maß ansteigt, um zu verhindern, dass die Dichtwirkung der Dichtun- gen nachlässt. Darüber hinaus ist der mechanische Andruck der Zellen untereinander auch erforderlich, um den elektrischen Verbund der in 5 Reihe geschalteten Zellen zu gewährleisten.

[05] Ein Nachteil dieser hydraulischen Druckbeaufschlagung in Be- trieb ist darin zu sehen, dass durch Nachführen des hydraulischen Drucks in Abhängigkeit des Innendrucks im Stapel eine hohe Anpress- kraff hydraulisch erzeugt wird, welche auf Dauer dazu führen kann, dass eine unzulässig hohe Flächenpressung im Bereich der Dichtungen erfolgt, wodurch ein Fließen der Dichtungen erfolgen kann, welches die Langzeitdichteigenschaften negativ beeinflusst. Dies ist in analoger Weise bei Anordnungen der Fall, bei welchen die Endplaten durch Zwi- schenschattung von Telerfederpakefen vorgespannt sind und somit dafür sorgen, dass die Endplaten beim Kriechen der Dichtungen ent- sprechend nachgeführt werden. Dies kann jedoch zu vorzeitigen Schä- den im Zellstapel führen.

[06] Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer elektrochemi- schen Zellstapelanordnung, insbesondere eines Elektrolysestacks zu verbessern, insbesondere zu verhindern, dass die Dichtungen durch un- zulässig hohe Flächenpressungen in ihrer bestimmungsgemäßen Struktur verändert werden. [07] Darüber hinaus soll eine elektrochemische Zellstapelanordnung geschaffen werden, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausge- führf werden kann und mit welchem die eingangs genannten Proble- me vermieden werden können.

[08] Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird durch ein Verfah- ren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst, eine elekt- rochemische Zellstapelanordnung zur Ausführung dieses Verfahrens ist durch die in Anspruch 7 angegebenen Merkmale bestimmt. Vorteilhaf- te Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen angegeben. [09] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer elektro- chemischen Zellstapelanordnung, insbesondere zum Betreiben eines Elektrolysestacks, mit einem Stapel von zwischen zwei Endplatten an- geordneten elektrochemischen Zellen in Polymerelektrolytmembran- bauweise sieht zum Erzeugen einer Anpresskraft im Zellstapel mindes- tens eine hydraulisch beaufschlagbare Vorrichtung vor, zum Beispiel eine Kolben-/Zylinderanordnung. Gemäß der Erfindung wird die hydrau- lische Vorrichtung zum Erzeugen einer Anpresskraft vor und/oder wäh- rend der Inbetriebnahme der Zellstapelanordnung hydraulisch beauf- schlagt. Gemäß der Erfindung wird mindestens eine druckführende Hydraulikleifung zu der Vorrichtung dann abgesperrt, wonach die Zellstapelanordnung in den bestimmungsgemäßen Betrieb genommen wird. Unter druckführender Leitung im Sinne der Erfindung ist eine solche Leitung zu verstehen, mit welcher die hydraulische Vorrichtung mit Druck beaufschlagt wird, bei einer Kolben-/Zylinderanordnung, also typischerweise die Leitung, welche den Zylinder speist und bei Druck- beaufschlagung den Kolben ausfährt.

[10] Unter Endplatte im Sinne der Erfindung muss nicht notwendiger- weise ein plattenförmiges Gebilde zu verstehen sein, es kann vielmehr jede geeignete Form vorgesehen sein, um den Zellstapel zu einer Seite abzustützen und die im Zellstapel auftretenden Kräfte in Richtung der Stapelachse aufzunehmen bzw. umgekehrt Kräfte in diese Richtung auszuüben. [1 1] Im Gegensatz zum Stand der Technik sieht das erfindungsgemä- ße Verfahren eine Druckbeaufschlagung der hydraulischen Vorrichtung typischerweise vor, gegebenenfalls auch oder alternativ während der Inbetriebnahme der Zellstapelanordnung vor, also wenn die Zellsta- pelanordnung angefahren wird. Spätestens wenn die Zelfstapelanord- nung in den bestimmungsgemäßen Betrieb übergeht, typischerweise jedoch davor, wird die mindestens eine druckführende Hydraulikleifung zu der Vorrichtung abgesperrt. Dabei muss das Absperren nicht not- wendigerweise im Bereich der druckführenden Leitung erfolgen, dies kann auch zylinderseitig oder an anderer geeigneter Stelle erfolgen. Wesentlich hierbei ist, dass das zwischen Zylinder und Kolben befind!!- che Volumen abgeschlossen und nicht weiter veränderbar ist, das heißt, der Kolben hydraulisch in seiner Position fixiert ist. Hierdurch ist si- chergestellt, dass unabhängig vom Druck innerhalb der Zellstapelan- ordnung die auf den Zellstapel wirkenden Druckkräfte nicht weiter an- steigen, Insbesondere wird durch dieses erfindungsgemäße Verfahren ein Nachführen der Endplatten bei weiterem Druckanstieg innerhalb des Stapels verhindert, so dass eine unzulässig hohe Flächenpressung, insbesondere im Dichtungsbereich, zuverlässig verhindert wird.

[12] Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, die für den bestimmungsgemäßen Betrieb erforderliche Anpresskraft auf den Zellstapel erst unmittelbar vor der Inbetriebnahme der Zellsfapelanord- nung durch Erzeugen einer entsprechenden Anpresskraff hydraulisch aufzubringen und dann die mindestens eine druckführende Hydraulik- leitung, welche die hydraulische Vorrichtung versorgt und die Anpress- kraft erzeugt, abzusperren, so dass die hydraulische Vorrichtung durch das dann geschlossene druckseitige Volumen in ihrer Bewegung in Öff- nungsrichtung blockiert ist, jedoch in Anpressrichtung keine weitere Kraft mehr ausgeübt wird. Die dadurch bedingte Volumenkonstanz der hydraulischen Vorrichtung sorgt dafür, dass ein Nachführen der Vorrich- tung wirksam verhindert wird, das heißt, dass unabhängig von den im Zellstapel herrschenden Druckverhältnissen, insbesondere die Dichtun- gen des Zellstapels durch die Anpresskraft der hydraulischen Vorrich- tung nicht höher belastet werden, Typischerweise erfolgt die Erzeugung der Anpresskraft und somit die Druckbeaufschlagung der hydraulischen Vorrichtung vor der Inbetriebnahme der Zellstapelanordnung, Hier sind die Grenzen jedoch fließend, je nach Ausgestaltung kann die Druck- beaufschlagung auch stufenweise oder kontinuierlich während der In- betriebnahme der Zellstapelanordnung erfolgen. Auch ist es denkbar, dass eine erste Druckbeaufschlagung vor der Inbetriebnahme und eine weitere Druckbeaufschlagung während der Inbetriebnahme erfolgt. Spätestens dann, wenn sich jedoch stabile Verhältnisse des elektro- chemischen Prozesses innerhalb des Zellstapels eingestellt haben, wird die druckführende Hydraulikleitung zu der Vorrichtung abgesperrt. Hier- durch wird sichergestellt, dass das innerhalb der Vorrichtung befindliche Volumen konstant bleibt und somit kein Nachführen durch die Vorrich- tung erfolgt und somit auch keine unzulässig hohem Flächenpressun- gen innerhalb des Stapels auftreten.

[13] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vor- gesehen, dass nach Beendigung des bestimmungsgemäßen Betriebs die hydraulische Vorrichtung wieder druckentlastet oder zumindest druckreduziert wird. Derartige Elektrolysestacks laufen zum Beispiel nicht kontinuierlich, sondern typischerweise dann, wenn Strom günstig oder im Überschuss vorhanden ist. Hierdurch ergeben sich Nutzungsintervalle in der Dauer von Stunden oder auch Tagen. Wenn dann der elektro- chemische Prozess unterbrochen oder beendet wird, dann ist es vor- teilhaft, die hydraulische Vorrichtung ganz oder teilweise druckzuentlas- ten, um damit die Kraftbeaufschlagung des Zellstapels zu verringern und damit dafür zu sorgen, dass insbesondere die Dichtungen wieder entspannen können und nach Möglichkeit ihr ursprüngliches Volumen wiedererlangen, um so über lange Zeit eine möglichst hohe Dichtwir- kung ausüben zu können.

[14] Grundsätzlich sind hydraulische Vorrichtungen, wie beispielswei- se Kolben-/Zylinderanordnungen oder Zylinder-/Membrananordnungen oder dergleichen als vollständig dicht anzusehen, so dass ein Absperren der druckführenden Hydraulikleitung in der Regel ausreicht, um die Vo- lumenkonstanz der Vorrichtung sicherzustellen. Gemäß einer vorteilhaf- ten Weiterbildung der Erfindung kann jedoch durch geeignete Maß- nahmen während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Zellstapela- nordnung dafür gesorgt werden, dass das in der hydraulischen Vorrich- tung unter Druck stehende Volumen konstant gehalten wird. Dies kann beispielsweise durch eine Regelung erfolgen, welche die Volumenver- änderung durch Wärmedehnung der hydraulischen Flüssigkeit aus- gleicht oder welche hydraulische Leckagen ausgleicht.

[15] Um sicherzustellen, dass die von der hydraulisch beaufschlagba- ren Vorrichtung erzeugte Anpresskraft einerseits nicht zu hoch ist, ande- rerseits jedoch ausreichend hoch ist, ist es vorteilhaft, den zur Erzeugung der Anpresskraft in hydraulischen Vorrichtungen aufzubringen Druck sensorisch zu ermitteln und/oder zu errechnen. Die sensorische Ermitt- lung kann beispielsweise durch Eingliederung eines Kraftsensors in den Stapel oder zwischen Stapel und Endplatten erfolgen. Der die Vorrich- tung beaufschlagende hydraulische Druck kann ermitelt und entspre- chend den zuvor ermittelten Werten gesteuert bzw. geregelt werden. Alternativ kann der Druck auch so weit erhöht werden, bis ein vorge- gebener Weg der Verpressung des Stapels 2 erreicht wird.

[16] Die hier für das Verfahren einzusetzende hydraulische Vorrich- tung muss eine solche sein, welche dass quasi inkompressible Volumen einer Flüssigkeit als Widerlager nutzt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die hydraulische Vorrichtung mindestens eine Kolben-Zylinder- Anordnung aufweist, mit der dieses realisiert wird.

[17] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird dabei eine hydraulische Vorrichtung eingesetzt, welche mehrere ne- beneinander angeordnete und parallel geschaltete hydraulische Ein- heiten zum Beispiel Kolben-/Zylinderanordnungen aufweist, deren hyd- raulische Leitungen nach der Druckbeaufschlagung zum Erhalt der im Betrieb erforderlichen An press kraft einzeln oder gruppenweise abge- sperrt werden. Durch eine solche Anordnung kann insbesondere ver- hindert werden, dass der Zellstapel durch partial erhöhten Druck in Teil- bereichen des Stapels eine größere Ausdehnung erfährt, als in anderer», wie dies zum Beispiel bei Verwendung nur einer Kolben-Zylnder- Änordnung durch Kippen des Kolbens erfolgen könnte. [18] Dabei ist die Parallelschaltung der Kolben-/Zylinderanordnung zweckmäßig, um sicherzustellen, dass alle Kolben gleich weit ausfahren, wobei durch Einzelabsperrungen der hydraulischen Leitungen oder Gruppenabsperrungen sichergestellt werden kann, dass keiner der Kol- ben, unabhängig von der jeweiligen Last, einfährt.

[19] Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelistapelanordnung, die zur Ausführung des Verfahrens erforderlich ist, weist mindestens eine hydraulische Vorrichtung, fypischerweise eine Kolben-Zylinder-

Anordnung innerhalb des Zellsfapels auf, die entsprechend dem erfin- dungsgemäßen Verfahren angesteuert werden kann. Besonders vor- teilhaft ist es, wenn die elektrochemische Zelistapelanordnung, insbe- sondere das Elektrolysestack, welches mehrere elektrochemische Zel- len, insbesondere Elektrolysezellen, der Polymerelektrolytmembranbau- weise zwischen zwei Endplatten aufweist, eine hydraulische Vorrichtung zum Erzeugen einer Anpresskraft auf die Zellen aufweist, welche min- destens zwei nebeneinander angeordnete hydraulische Einheiten auf- weist, deren hydraulische Leitungen unabhängig voneinander absperr- bar sind. Es muss sich dabei um die druckführenden hydraulischen Lei- tungen handeln, welche unabhängig voneinander absperrbar sind. Diese hydraulischen Einheiten können parallel geschaltet sein, so dass sie zur Erzeugung der Anpresskraft auf den Zellstapel gemeinsam ausge- fahren und mit demselben hydraulischen Druck beaufschlagt werden können. Für die nachfolgend im bestimmungsgemäßen Betrieb vorge- sehene Volumenkonstanz ist es jedoch erforderlich, diese hydraulischen Einheiten unabhängig voneinander hinsichtlich ihrer druckführenden Leitungen absperrbar auszugestalten, damit sichergestellt ist, dass bei unterschiedlicher Kraftbeaufschlagung der Einheiten keine Bewegung erfolgt, das heißt, ein für den Zellsfapel nicht veränderbares Widerlager gebildet ist. [20] Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Zellen in Drauf- sicht eine etwa rechteckige Form auf, wobei mindestens in den Eckbe- reichen typischerweise Zuganker vorgesehen sind, welche die Endplat- ten unter Eingliederung des Zellstapels befestigen. Für eine solche An- Ordnung ist es besonders vorteilhaft, vier hydraulische Einheiten vorzu- sehen, welche jeweils einen Quadranten des Zellstapels beaufschla- gen. Diese hydraulischen Einheiten, zum Beispiel Kolben- /Zylinderanordnung, sind vorteilhaft einzeln hinsichtlich ihrer druckfüh- renden Leitungen absperrbar, können jedoch auch gruppenweise ab- sperrbar sein, das heißt, dass beispielsweise zwei Paare von hydrauli- schen Einheiten jeweils gemeinsam absperrbar sind. Die Rechteckform ist besonders vorteilhaft, weil hierdurch in der Regel die wirtschaftlich günstigste Ausnutzung der flächigen Materialen zum Aufbau der Zellen erfolgen kann. Es sind allerdings auch in Draufsicht kreisrunde oder mehreckige Zellen bekannt, die zu Zellstapeln zwischen Endplatten aufgebaut sind, dann sind typischerweise weitere Zuganker umfangs- seitig vorgesehen. Dann können gegebenenfalls auch vier und mehr oder weniger hydraulische Einheiten über die Fläche verteilt vorgese- hen sein, die jeweils einzeln oder in Gruppen hinsichtlich ihrer druckfüh- renden Leitungen absperrbar sind.

[21] Gemäß einer vorteilhaften Alternative der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist bei rechteckiger Zellenform vorgesehen, fünf hydrauli- sche Einheiten anzuordnen, und zwar vier die jeweils einen Quadranten des Zellstapels beaufschlagen und eine zentrale hydraulische Einheit, welche den Zellstapel mittig beaufschlagt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die zentrale hydraulische Einheit eine druckwirksame Fläche aufweist, die zwei bis fünf Mal größer ist als die der jeweiligen anderen hydrauli- schen Einheiten, so dass die wesentliche Kraft durch diese zentrale hyd- raulische Einheit aufgebracht wird, ein Kippen des Kolbens bei Verwen- düng einer Kolben-/Zylinderanordnung als zentrale hydraulische Einheit, jedoch wirksam durch die umgebenden kleineren hydraulischen Einhei- ten verhindert wird.

[22] Besonders vorteilhaft wird eine hydraulische Einheit durch eine hydraulische Kolben-/Zylinderanordnung gebildet, wobei der oder die Zylinder vorteilhaft durch eine oder gegebenenfalls auch beide End- platten selbst gebildet sein können und die Kolben verfahrbar in diesen angeordnet sind. Dabei kann die fluidführende Leitung von der Rücksei- te der jeweiligen Endplafte anschließen, Absperrventile werden vorteil- haft unmittelbar an der Endplatte angebracht, wodurch die hydrauli- sehe Steifigkeit des Systems erhöht wird. Eine hydraulische Vorrichtung gemäß er Erfindung kann so vorteilhaft aus hydraulischen Baueinheiten in Form von Kolben-/Zylinderanordnungen gebildet sein, die vorteilhaft innerhalb einer Endplatte ausgebildet oder zwischen Endplatte und Zellstapel angeordnet sind. [23] Alternativ zu einer Kolben-/Zylinderanordnung kann eine hydrau- lisch beaufschlagbare Membran als hydraulische Einheit vorgesehen sein. Eine solche typischerweise metallische Membran wird in der Regel ausreichen, um die für die Kraftbeaufschlagung erforderlichen kleinen Hübe aufzubringen. [24] Besonders vorteilhaft ist es, in der elektrochemischen Zellstapela- nordnung gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, die hydraulischen Einheiten paarweise anzuordnen und deren Hydraulikleitungen paar- weise entsprechend ihrer Anordnung absperrbar zu machen. Dabei ist es zweckmäßig, wenn eine gegebenenfalls vorhandene zentrale hyd- raulsche Einheit vorgesehen ist, diese hinsichtlich ihrer zuführenden Hydrautikleitung gesondert absperrbar auszugestalten.

[25] Vorteilhaft sind die hydraulischen Einheiten parallel geschaltet und parallel hydraulisch beaufschlagbar. Eine solche Anordnung hat sich selbst dann als praktikabel erwiesen, wenn eine vergleichsweise große zentrale hydraulische Einheit Verwendung findet, die im Ver- gleich zu den kleinen hydraulischen Einheiten bei gleichem Druck eine wesentlich größere Kraft erzeugt. [26] Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargesfellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig, 1 in stark vereinfachter schematischer Schnittdarsteilung ein

Elektrolysestack der PEM Bauart im Längsschnitt,

Fig, 2 in stark schematischer Draufsicht einen Schnitt durch die Zellstapelanordnung gemäß Fig, 1 im Zylinderbereich der

Endplatte,

Fig, 3 einen Schnitt gemäß Fig, 2 einer Ausführung mit vier Kol- ben-/Zylinderanordnungen und

Fig. 4 einen Schnitt gemäß Fig. 2 einer Ausführung mit fünf Kol- ben-/Zylinderanordnungen.

[27] Der in Fig. 1 stark schematisiert dargestellte Elektrolyseur weist eine Anzahl von aufeinanderliegend angeordnet und elektrisch in Rei- he geschalteten Elektrolysezellen 1 der PEM-Bauart auf. In der Zeich- nung sind sieben Elektrolysezellen 1 dargestellt, die für eine Vielzahl von Elekfrolysezellen stehen, wie sie in der Praxis beispielsweise durch 100 bis 250 zu einem Stapel angeordneten Zellen 1 bestehen. Der Aufbau der Zellen zählt zum Stand der Technik und ist daher hier nicht im Einzelnen beschrieben, es wird insoweit auf WO 2019/228616 Al sowie die unter dem Anmeldeaktenzeichen PCT/EP2Q 19/082449 geführte PCT- Patentanmeldung der Anmelderin verwiesen. [28] Die innerhalb des aus den Elektrolysezellen 1 aufgebauten Zellstapels 2 vorhandenen Kanäle für die Zufuhr von Wasser und die Ab- fuhr und Sammlung der Reakfionsgase Sauerstoff und Wasserstoff sind nicht dargestellt. Der Stapel 2 von Elektrolysezellen 1 der PEM-Bauart ist zwischen zwei Endplatten 3 und 4 eingespannt. Die Endplatten 3 und 4, die den quaderförmigen Stapel 2 seitlich überragen, sind in den über- ragenden Bereichen mit Spannschrauben 5 versehen, welche Aus- nehmungen 6 in den Endplatten durchsetzen und mit Muttern 7 an den Enden versehen sind, über welche die Endplatten 3, 4 unter Einschluss des Stapels 2 miteinander verspannt sind.

[29] Die in Fig. 1 obere Endplatte 4 weist eine zylindrische, zum Stapel 2 hin offene Ausnehmung 8 auf, in der ein Kolben 9 in Richtung der Sta- pelachse 10 verfahrbar ist. Der Kolben 9 weist eine umfänglich umlau- fende Nut 1 1 auf, in welcher ein Kolbenring 12 eingegliedert ist, welcher den Kolben 9 gegenüber der Zylinderwandung der Ausnehmung 8 ab- dichtet,

[30] Der Kolben 9 dient zur Kraftbeaufschlagung des Stacks 2 und bildet eine hydraulische Vorrichtung, Die Zylinderausnehmung 8 ist durch eine Leitungsbohrung 13 in der Stirnwand der Endplatte 4 über ein Ventil .14 mit einer druckführenden Leitung 15, einer hydraulischen Versorgung verbunden. Das Ventil 14 ist elektrisch gesteuert.

[31] Vor Inbetriebnahme der Elektrolysevorrichtung wird die druckfüh- rende Leitung 15 über das Ventil 14 und die Leitung 13 mit dem Zylinder- raum 8 in der Endplatte 4 verbunden, wodurch der Kolben 9 ausfährt und eine Anpresskraft auf den Stapel 2 ausübt. Der Druck der Hydraulik- versorgung wird so gesteuert, dass die Anpresskraft einer zuvor ermittel- ten Anpresskraft entspricht. Gegebenenfalls kann zwischen dem Kolben 9 und dem Stack 2, bzw. dem Stack 2 und der Endplatte 3 oder zwi- schen Zellen 1 des Stacks 2 ein Kraftsensor oder eine Wegmessvorrich- tung vorgesehen sein, über welchen der den Kolben 9 beaufschlagen- de Hydraulikdruck gesteuert bzw, geregelt wird. Sobald die für den be- stimmungsgemäßen Gebrauch des Elektrolyseures auf den Stapel 2 von Elektrolysezellen 1 aufgebrachte Kraft erreicht ist, wird das Ventil 14 in die in Fig. 1 dargestellte Sperrstellung verbracht, in welcher die Leitung 13 abgesperrt ist, das heißt von der druckführenden Leitung 15 der Hyd- raulkversorgung getrennt ist. Somit ist das zwischen Kolben 9 und der Zylinderausnehmung 8 eingeschlossene Volumen fixiert, das heißt der Kolben 9 bildet für den Stack 2 aufgrund des als inkompressible anzu- nehmenden Hydraulikfluids innerhalb der Zylinderausnehmung 8 und der Leitung 13 ein Widerlager, Die durch den Kolben 9 erfolgte Verpres- sung des Stapels 2, d.h. das Zusammenstauchen der Dichtungen der Zellen 1, bleibt konstant, ungeachtet der Druckverhältnisse innerhalb des Stapels 2, [32] Die anhand von Fig, 1 dargestellte und beschriebene Anord- nung mit einer zentralen Kolben-/Zylinderanordnung 8, 9 ist in Fig, 2 schematisch dargestellt, das Absperrventil ist mit 14 gekennzeichnet, die Hydraulikversorgung durch eine Hydraulikpumpe 16 symbolisiert. Wie die Figur verdeutlicht, weisen die Endplatten, von denen in Fig. 2 nur die Endplatte 4 sichtbar ist, eine rechteckige Form auf. Der durch diese eingespannte Stapel 2 von Elektrolysezellen 1 weist ebenfalls eine rechteckige Form auf, ist jedoch im Endpiaffenbereich durch eine Viel- zahl von Ausnehmungen 6 umgeben, durch welche jeweils Spann- schrauben 5 geführt sind, welche mittels Muttern 7 festgelegt sind, [33] Bei Elektrolyseuren der vorbeschriebenen Bauart, die mit einer

Vielzahl von Elektrolysezeilen 1 mit hohem Druck betrieben werden, ist eine intensive Kühlung des Stacks erforderlich. Dies erfolgt durch Was- ser, welches von einer Seite 17 in den Stapel 2 hineingepumpt und an der anderen Seite 18 des Stapels wieder austritt, wobei ein geringer Teil dieses Wassers in dem elektrochemischen Prozess zu Sauerstoff und Wasser umgewandelt wird. Da dieses Wasser auf der Eingangsseite 17 mit erhöhtem Druck in den Stapel 2 gepresst wird, ergibt sich zu einer Seite 17 des Stapels 2 im Betrieb eine höhere Kraft auf den Kolben 9 als zur anderen Seite 18. Dies kann bei einem Kolben 9 mit vergleichsweise großem Durchmesser dazu führen, dass dieser, wenn auch nur minimal, kippt, wodurch sich die Kraftverhältnisse innerhalb des Stapels 2 verän- dern können, was nicht gewünscht ist, da die Dichtungen über den ge- samten Umfang des Stapels 2 mit konstanter Anpresskraft angedrückt werden sollen.

[34] Um dieses Problem zu vermeiden, sind bei der anhand von Pig. 3 dargestellten Ausführungsvariante vier Hydraulikeinheiten in Form von Kolbem/Zylinderanordnungen 8a, 9a vorgesehen. Die vier Kolben- /Zyinderanordnungen 8a, 9a werden dort parallel mit Druck beauf- schlagt, wenn die Ventile 14a geöffnet sind, so dass die Kolben 9a die- ser Kolben-/Zylinderanordnungen 8a, 9a jeweils die gleiche Anpresskraff erzeugen. Diese werden paarweise mittels zweier Ventile 14a dann ab- gesperrt, so dass ungeachtet der Kraftverteilung innerhalb des Stapels 2 in jedem der vier Quadranten des Stapels 2 ein Koben 9a als Widerla- ger arbeitet. Dabei ist die paarweise Anordnung und Verbindung mit den Absperrventilen 14a so gestaltet, dass die Zylinderräume 8a, wel- che zur Seite 17 des Stapels 2 benachbart sind, von einem Ventil 14a abgesperrt sind, wohingegen die der anderen Seite 18 benachbarten Zylinderräume 8a mit einem andere Ventil 14a abgesperrt sind. An der Seite 17 erfolgt die Wasserzufuhr mit hohem Druck, wohingegen an der Seite 18 die Wasserabfuhr mit geringerem Druck erfolgt. Die von der Seite 17 innerhalb des Stapels 2 in Richtung der Achse 10 ausgehende Kraft ist somit höher als die nahe der Seite 18. Da die Kolben 8a paar- weise angeordnet und mitels jeweils eines Ventils 14a absperrbar sind, besteht an beiden Seiten unabhängig von der Krafteinwirkung inner- halb des Stapels 2 ein Widerlager. [35] Bei der anhand von Fig. 4 dargestellten Ausführungsvariante sind neben einer zentralen Kolben-/Zylinderanordnung 8,9 mit der Zylin- derausnehmung 8 zusätzlich vier Kolben-/Zylinderanordnungen 8b, 9b in den Eckbereichen des Stapels 2 vorgesehen. Dabei sind die Kolben- /Zylinderanordnungen 8b, 9b jeweils paarweise, wie bei der Ausführung gemäß Fig. 3, durch ein Ventil 14b absperrbar und die zentrale Kolben- /Zylinderanordnung 8,9 ebenfalls über ein gesondertes Ventil 14 ab- sperrbar. Hier dienen die in den Eckbereichen des Stapels 2 vorgesehe- nen Kolben-/Zy!inderanordnungen 8b/9b mit vergleichsweise kleinen Durchmessern dazu, die erforderlichen Widerlager zu bilden, um bei unterschiedlicher Belastung des Stapels 2 nahe den Seiten 17 bzw. 18 ein Verkippen des Kolbens 9 zu vermeiden.

Bezugszetchenliste

1 Elektrolysezelle der PEM-Bauart

2 Elektrolysezellenstapel, Stack

3 untere Endplate in Fig. 1 4 obere Endplate in Fig, 1

5 Spannschrauben

6 Ausnehmungen in den Endplaten

7 Mutern

8 Zylinderausnehmung 8a Zylinderausnehmungen in Fig. 3 8b Zylinderausnehmungen in Fig. 4

9 großer Kolben

9a kleine Kolben in Fig. 3

9b kleine Kolben in Fig. 4 10 Mitelfängsachse des Stapels

1 1 Nut des Kolbens 9 12 Kolbenring

13 Leitungsbohrung in der Endplate 4

14 Absperrventil 14a Absperrventile in Fig.3

14b Absperrventile zu den kleinen Kolben in Fig.4

15 druckführende Leitung

16 hydraulische Versorgung

17 eine Seite des Elektrolysezellenstapels 2 auf welchem das Wasser zugeführt wird

18 andere Seite des Elektrolysezellenstapels 2 auf welchem das Wasser abgeführt wird

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Zellstapelan- ordnung, insbesondere eines Elektrolyseurs, mit einem Stapel (2) von zwischen zwei Endplatten (3, 4) angeordneten elektrochemi- sehen Zellen ( 1 ) in Polymerelektrolytmembranbauweise, insbeson- dere Elektrolysezellen (1 ), bei dem mindestens eine hydraulisch beaufschlagbare Vorrichtung zum Erzeugen einer Anpresskraft den Zellstapel (2) beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder während der Inbetriebnahme der Zellstapelanord- nung die hydraulische Vorrichtung (8, 9) zum Erzeugen einer An- presskraft hydraulisch beaufschlagt wird, wonach mindestens eine druckführende Hydraulikleitung (13, 15} zu der Vorrichtung abge- sperrt und die Zellstapelanordnung in den bestimmungsgemäßen Betrieb genommen wird,

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass nach

Beendigung des bestimmungsgemäßen Betriebs die hydraulischt Vorrichtung {8, 9) druckentlastet oder zumindest druckreduziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des besiimmungsgemäßen Betriebs der Zellstapelanord- nung das in der hydraulischen Vorrichtung [8, 9} unter Druck ein- geschlossene Volumen konstant gehalten wird,

4, Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Erzeugung der Anpresskraft in der hydraulischen Vorrichtung (8, 9) aufzubringende Druck sensorisch ermittelt und/oder errechnet wird und/oder, dass der Weg der Verpressung des Stapels (2) gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als hydraulische Vorrichtung mindestens ei- ne Koiben-/Zylinderanordnung (8, 9) eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als hydraulische Vorrichtung mehrere nebeneinander angeordnete und parallel geschaltete Kolben-/Zylinderanordnungen (8, 9, 8a, 9a, 8b; 9b) eingesetzt werden, deren hydraulische Leitungen (13, 15) nach der Druckbeaufschlagung zur Erzeugung der im Betrieb erforderlichen Anpresskraft einzeln oder gruppenweise abgesperrt werden.

7. Elektrochemische Zellstapelanordnung, insbesondere Elektrolyseur zum Äusführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrochemi- sche Zellen (1), insbesondere Elektrolysezellen (1), der Polymer- elektrolytmembranbauart zwischen zwei Endplaten (3, 4} ange- ordnet sind und dass eine hydraulische Vorrichtung (8, 9) zum Er- zeugen einer Anpresskraft auf die Zellen (1 ) vorgesehen ist, welche mindestens zwei nebeneinander angeordnete hydraulische Einhei- ten (8a, 9) aufweist, deren hydraulische Leitungen unabhängig voneinander absperrbar sind.

8. Elektrochemische Zellstapelanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (1) eine in Draufsicht etwa recht- eckige Form aufweisen und dass vier hydraulische Einheiten (8a, 9a) vorgesehen sind, welche jeweils einen Quadranten des Zellstapels (2) beaufschlagen.

9. Elektrochemische Zellstapelanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (1) eine in Draufsicht etwa recht- eckige Form aufweisen und dass fünf hydraulische Einheiten (8, 9, 8b, 9b) vorgesehen sind, von denen vier jeweils einen Quadranten des Zeilstapels (2) beaufschlagen und eine zentrale hydraulische Einheit (8, 9) vorgesehen ist, welche den Zeiistapel (2) mittig beauf- schlagt,

10. Elektrochemische Zellstapelanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale hydraulische Einheit (8, 9) eine druckwirksame Fläche aufweist, die zweimal bis fünfmal größer ist als die der jeweiligen anderen hydraulischen Einheit (8b, 9b).

11. Elektrochemische Zellstapelanordnung nach einem der vorherge- henden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine hydraulische Einheit durch eine hydraulische Kolben- /Zylindereinheit (8, 9) gebildet ist.

12. Elektrochemische Zellstapelanordnung nach einem der vorherge- henden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine hydraulische Einheit eine hydraulisch beaufschlagbare Membran aufweist

13. Elektrochemische Zellstapelanordnung nach einem .der vorherge- henden Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulischen Einheiten (8a, 9a) paarweise angeordnet und deren Hydraulikleitungen paarweise entsprechen ihrer Anordnung ab- sperrbar sind und dass die Hydraulikleitung einer ggf. vorhandenen zentralen hydraulischen Einheit (8, 9) gesondert absperrbar ist.

14. Elektrochemische Zellstapelanordnung nach einem der vorherge- henden Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulischen Einheiten (8a, 9a) parallel geschaltet und hydrau- lisch beaufschlagt sind.