EP4124676A1

EP4124676A1 - Elektrolyseanlage mit einer mehrzahl von elektrolysezellen

Info

Publication number: EP4124676A1
Application number: EP21188722.9A
Authority: EP
Inventors: Marc Hanebuth; Markus Ungerer; Peter Utz; Richard Wagner
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2023-02-01
Also published as: CA3227648A1; CN117836471A; WO2023006276A1; US20240218535A1; EP4334508A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseanlage (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, und mit einer Zellenversorgungseinheit (18) zum Versorgen der Elektrolysezellen (12) für einen bestimmungsgemäßen Betrieb mit wenigstens einem Betriebsstoff, und mit an die Zellenversorgungseinheit (18) und an gegenüberliegenden Enden (20, 22) der aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen (12) angeschlossenen Versorgungsleitungen (24), wobei mindestens eine der Versorgungsleitungen (24) einen elektrischen Isolierabschnitt (38) aufweist mit einer zumindest teilweise in das Innere des elektrischen Isolierabschnitts (38) hineinragenden Steuerelektrode (66).

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseanlage mit einer Mehrzahl von Elektrolysezellen.
Bekannte Elektrolyseanlagen weisen eine Vielzahl von Elektrolysezellen auf, die bei der Umwandlung von chemischen Stoffen unter Einwirkung von Elektrizität in andere chemische Stoffe zum Einsatz kommen. In der Regel wird mithilfe eines elektrischen Stroms eine chemische Reaktion, also eine Stoffumwandlung, herbeigeführt.
Beispielsweise wird Wasserstoff heutzutage mittels Proton Exchange Membrane (PEM)-Elektrolyse oder alkalischer Elektrolyse erzeugt. Diese Elektrolyseanlagen produzieren dann mit Hilfe elektrischer Energie Wasserstoff und Sauerstoff aus dem zugeführten Wasser.
Eine Elektrolyseanlage weist dabei eine Vielzahl von Elektrolysezellen auf, welche benachbart zueinander angeordnet sind. Mittels der Wasserelektrolyse wird beispielsweise in den Elektrolysezellen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Bei einem PEM-Elektrolyseur wird typischerweise anodenseitig destilliertes Wasser als Edukt zugeführt und an einer protonendurchlässigen Membran (engl.: "Proton-Exchange-Membrane"; PEM) zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Das Wasser wird dabei an der Anode zu Sauerstoff oxidiert. Die Protonen passieren die protonendurchlässige Membran. Kathodenseitig wird Wasserstoff produziert. Das Wasser wird dabei in der Regel von einer Unterseite in den Anodenraum und/oder Kathodenraum gefördert.
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 Ausgangsstoffe als Edukte einer Elektrolyse unterzogen werden, beispielsweise Kohlenstoffdioxid oder dergleichen.
Üblicherweise handelt es sich hierbei um fluide Stoffe, die in einer Elektrolyseanlage 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, umfasst also das Zuführen des Edukt-Fluids und das Abführen des Produkt-Fluids, das aus dem elektrochemischen Umwandlungsprozess gewonnen ist.
Besonders die Bereitstellung von Wasserstoff erweist sich im industriellen Maßstab als besonders interessant, zumal Wasserstoff ein vielseitig nutzbarer Energieträger ist. Wasserstoff kann mit einer Elektrolyseanlage, auch Elektrolyseur genannt, unter Ausnutzung von regenerativ erzeugter elektrischer Energie bereitgestellt werden. Eine Möglichkeit der Erzeugung von Wasserstoff besteht darin, eine Elektrolyseanlage zu nutzen, deren Elektrolysezellen auf Protonen-Austausch-Membranen (englisch: proton exchange membrane, PEM) basieren. Das Prinzip einer PEM-basierten Elektrolyseanlage 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 beschreibt eine entsprechende Elektrolysezelle für eine energieeffiziente Wasserstoffherstellung. Ferner offenbart die DE 21 2018 000 414 U1 ein Wasserstofferzeugungssystem. Gattungsgemäße Elektrolyseanlagen 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 ein Zellenstapel gebildet ist. Durch die gestapelte Anordnung ist es möglich, dass die aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen elektrisch unmittelbar, etwa durch mechanische Pressung, miteinander 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 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 für den Betrieb der Elektrolyseanlage 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 der jeweiligen 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 Elektrolyseanlage umfasst neben dem Zellenstapel weitere Komponenten, wie zum Beispiel Pumpen, Wärmetauscher, Abscheidebehälter, die für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Elektrolyseanlage 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, dennoch 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. In diesem anodischen Bereich der Versorgungsleitung findet oxidative Zersetzung des metallischen Rohrmaterials statt. Dies ist nicht nur für die Elektrolyseanlage 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 bestehen, was nachteilig für die Standzeit einer Elektrolyseanlage ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolyseanlage anzugeben, die das vorgenannte Korrosionsproblem vermindert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolyseanlage 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, umfassend eine Zellenversorgungseinheit zum Versorgen der Elektrolysezellen für einen bestimmungsgemäßen Betrieb mit wenigstens einem Betriebsstoff, und umfassend an die Zellenversorgungseinheit und an gegenüberliegenden Enden der aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen angeschlossene Versorgungsleitungen, wobei mindestens eine der Versorgungsleitungen einen elektrischen Isolierabschnitt aufweist mit einer zumindest teilweise in das Innere des Isolierabschnitts hineinragenden Steuerelektrode.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung geht dabei bereits von der Erkenntnis aus, dass bisherige Betriebskonzepte für Elektrolyseanlagen hinsichtlich der Vermeidung und Behebung von Degradationserscheinungen vor allem in Bezug auf schädigende Korrosionseffekte anlagentechnisch aufwändig sind und wirtschaftlich erhebliche Nachteile aufweisen. Insbesondere effektive und auch nachhaltige Lösungen sind in herkömmlichen Ansätzen bisher nicht vorgeschlagen worden. Vielmehr blieb das Problem der Korrosion weiterhin bestehen, was nachteilig für die Standzeit einer Elektrolyseanlage ist.
Da über die den durch den Isolierabschnitt sich ergebende Isolationsstrecke im Betrieb der Elektrolyseanlage typischerweise mehrere hundert Volt anliegen, gibt es aufgrund der hohen Spannungsdifferenz an einer Versorgungsleitung einen deutlichen Elektronen-Überschuss und an der anderen einen entsprechenden Elektronen-Mangel. Die Spannung ist hierbei so groß, dass aus thermodynamischer Sicht Elektrodenreaktionen ablaufen. Durch eine Erniedrigung der spezifischen Leitfähigkeit des Wassers bzw. eine Verlängerung oder Einengung der Isolationsstrecken lässt sich diese Reaktion grundsätzlich verlangsamen, also kinetisch hemmen. Sie lässt sich aber nie vollständig unterbinden, es ist also nur eine Behelfsmaßnahme. Das Wasser innerhalb der Isolationsstrecke hat stets eine geringe Leitfähigkeit, so dass in Konsequenz Streuströme durch den Betriebsstoff, insbesondere durch das Wasser im Fall der Wasserelektrolyse, im Bereich des Isolierabschnitts der Versorgungsleitung fließen.
Auf der kathodischen Seite mit Elektronen-Überschuss wird Wasser gespalten, wobei Wasserstoff und Hydroxid-Ionen entstehen. Der Wasserstoff liegt in Form von feinsten Bläschen oder gelöst vor und wird mit dem Wasser abtransportiert. Die produzierten Mengen sind so gering, dass vom Wasserstoff keine störenden Wirkungen ausgehen. Die Hydroxid-Ionen befinden sich in gelöster Form im Wasser und tendieren wegen ihrer negativen Ladung und der Richtung des herrschenden elektrischen Feldes von der kathodischen Seite der Versorgungsleitung in Richtung des Isolierabschnitts und der dahinter liegenden, sich daran anschließenden, anodische Seite der Versorgungsleitung wandern.
Hingegen wird auf der anodischen Seite das metallische Rohrmaterial der Versorgungsleitung oxidativ zersetzt. So geht etwa im Falle einer Versorgungsleitung aus Edelstahl metallisches Eisen Fe durch die anodische Korrosion als Fe³⁺ in Lösung, so dass über die Zeit signifikante Mengen an Fe³⁺ Fremdionen in das Wasser eingetragen werden. Es können aber auch andere Spezies gebildet werden, zum Beispiel Rost, welcher lokal an der Oberfläche verbleibt und an der charakteristischen braunen Farbe erkennbar ist. Neben Eisen können aber auch weitere Metalle, die im Stahl vorhanden sind, aufgelöst werden und hierbei schädigende Kationen bilden. Wegen der positiven Ladung haben diese Metall-Kationen die Tendenz in Gegenrichtung des Hydroxids zu wandern, was zu weiteren nachteiligen Folgeerscheinungen durch die Bildung von so genanntem Rouging. Rouging sind feinste Eisen-haltige Partikel, die sich in den Rohrleitungen und Komponenten des Elektrolyse-Systems verteilen.
Es ist auch als großer Nachteil erkannt worden, dass Metall-Ionen von der Sauerstoff-Seite aus in die Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) gelangen können und sich dort anreichern. Unter anderem führt dieser Vorgang zu höheren Zellspannungen. Weiterhin werden MEA-schädigende Mechanismen mit diesen Metall-Ionen in Verbindung gebracht. Beispielsweise kann an den Elektroden gebildetes H₂O₂ bei Kontakt mit Metall-Ionen in Radikale umgewandelt werden, welche die Membranstruktur der MEAs chemisch angreifen und so die Standzeit beeinträchtigen können.
Hier setzt die vorliegende Erfindung gezielt an, indem in einer Elektrolyseanlage bereits die Entstehung und Freisetzung einer kritischen Fremdionenkonzentration an schädigenden Kationen in der Versorgungsleitung im Bereich der Isolationsabschnitt möglichst vermieden wird und entsprechend Vorsorge trifft. Mit der hierfür vorgesehenen teilweise in das Innere des Isolierabschnitts hineinragenden Steuerelektrode ist erreicht, dass insbesondere an der anodischen Seite des Isolierabschnitts ein Streustrom nicht über das metallische Rohrmaterial der Versorgungsleitung abfließt, sondern stattdessen gezielt über die Steuerelektrode. Somit ist die anodenseitige Korrosion unterdrückt, da keine schädigende Metallkationen, wie etwa Fe³⁺ aus dem eisenhaltigen Material der Versorgungsleitung in Lösung gehen können. Die schädigenden Prozesse, insbesondere jene Prozesse auf der anodischen Seite, wie oben dargelegt, können mit der Steuerelektrode sehr effizient und vor allem nachhaltig unterdrückt und praktisch vollständig vermieden werden. Die Standzeit der Elektrolyseanlage wird vorteilhafterweise erhöht. Der Isolierabschnitt ist rohrförmig ausgeführt und in die Versorgungsleitung strömungstechnisch dicht geschaltet, etwa als Verbindungsflansch. Somit ist der Betriebsstoff in der den Isolierabschnitt aufweisenden Versorgungsleitung fluiddicht durch den Isolierabschnitt führbar. Der Isolierabschnitt weist in axialer Richtung, also in der Strömungsrichtung des Betriebsstoffs eine Axialausdehnung auf. Die Steuerelektrode ragt teilweise in das Innere des Isolierabschnitts. Die Steuerelektrode kann je nach Ausgestaltung und erzielbarer Steuereffizienz zur korrosionsvermindernden Streustromaufnahme etwa zwischen 30% und 70%, vorzugsweise etwa 40% bis 60% in axialer Richtung in das Innere des Isolierabschnitts hineinragen, gemessen von der anodischen Seite des Isolierabschnitts. Die Steuerelektrode ist dabei vorteilhafterweise mit dem metallischen Rohrabschnitt der Versorgungsleitung auf der anodischen Seite elektrisch kontaktiert und auf ein entsprechendes Potential gelegt, so dass bereits die Freisetzung von Metall-Kationen, etwa von Fe³⁺, aus dem metallischen Rohrmaterial der Verbindungsleitung, im anodischen Abschnitt der Versorgungsleitung effizient vermieden ist und ein Korrosionsschutz erzielt. Die Steuerelektrode wirkt dabei elektrisch und beeinträchtigt aufgrund ihrer Abmessungen und Geometrie mit einem entsprechend geringen Strömungswiderstand für ein umströmendes Fluid, die Förderung des Betriebsstoffs in der Versorgungsleitung nicht oder nicht nennenswert.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Elektrolyseanlage 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, wobei eine Mehrzahl der Isolierabschnitte eine jeweilige zumindest teilweise in das Innere des Isolierabschnitts hineinragende Steuerelektrode aufweist. Vorteilhafterweise sind bedarfsweise sogar alle Isolierabschnitte mit einer jeweiligen zumindest teilweise in das Innere des Isolierabschnitts hineinragenden Steuerelektrode ausgestattet.
Damit ist bei der Elektrolysanlage ein besonders umfassender Korrosionsschutz erreicht, da in einer Mehrzahl, im Bedarfsfall, sogar in jedem der elektrischen Isolierabschnitte schädigende Streuströme abgeleitet werden, soweit diese Korrosionseffekte zu befürchetn sind. Somit ist die Freisetzung von Metallkationen auch bei einer komplexen Elektrolyseanlage mit mehreren Teilstapeln von Elektrolysezellen effizient und nachhaltig unterdrückt. Das Korrosionsschutzkonzept der Erfindung ist daher auch bei Elektrolyseanlagen im industriellen Maßstab mit großer Elektrolyseleistung flexibel anwendbar und anpassbar. Dabei sind gezielt die korrosionsanfälligen elektrischen Isolierabschnitte der Versorgungsleitungen, insbesondere an der anodisch wirkenden Seite, mit einer jeweiligen zumindest teilweise in das Innere des Isolierabschnitts hineinragenden Steuerelektrode ausgestattet. Die Steuerelektrode ragt teilweise in das Innere des Isolierabschnitts. Die Steuerelektrode kann je nach Ausgestaltung und erzielbarer Steuereffizienz zur korrosionsvermindernden Streustromaufnahme etwa zwischen 30% und 70%, vorzugsweise etwa 40% bis 60% in axialer Richtung in das Innere des Isolierabschnitts hineinragen. Dies kann jeweils nach lokaler Geometrie im Bereich von Verbindungsleitung und Isolierabschnitt und Anforderungen an den Korrosionsschutz flexibel ausgestaltet werden.
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 zuzuführenden 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.
Die elektrische Energiequelle der Elektrolyseanlage 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.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist die Steuerelektrode derart angeordnet, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb bei Versorgung mit dem Betriebsstoff, ein Streustrom in der Versorgungsleitung über die Steuerelektrode durch deren anodische Wirkung ableitbar ist.
Die anodenseitige elektrische Anbindung und Wirkung der Steuerelektrode ist besonders effizient und damit vorteilhaft, da im Bereich der anodischen Seite der an den Isolierabschnitt angrenzenden Versorgungsleitung die Freisetzung von Metall-Kationen aufgrund von Streuströmen besonders korrosiv und damit schädigend ist.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuerelektrode drahtförmig, stabförmig oder gitterförmig ausgestaltet. Im Prinzip stehen vielfältige geometrische Ausgestaltungen und Materialzusammensetzungen flexibel zur Verfügung. Die Steuerelektrode aus einem Metalldraht auszuführen und/oder mit stab- oder gitterförmiger Geometrie ist besonders vorteilhaft aufgrund der guten lokalen Anpassbarkeit im Einbauzustand und des geringen Strömungswiderstands, den die Steuerelektrode im Betrieb im Innern des Isolierabschnitts dem in der Versorgungsleitung geförderten Betriebsstoff noch entgegensetzt. Es ist auch möglich, dass die Steuerelektrode aus einem zylinderförmigen oder becherförmigen Drahtgeflecht ausgestaltet ist. Hierdurch wird eine größere effektive Fläche der Steuerelektrode über den Innenquerschnitt der Versorgungsleitung bereitgestellt, um schädigende korrosionsfördernde Streuströme praktisch vollständig abzuleiten bzw. zu unterbinden. Gleichzeitig ist durch diese Geometrie ein ausreichend geringer Strömungswiderstand der elektrischen Steuerelektrode gegenüber der Förderung des Betriebsstoffs im Inneren der Versorgungsleitung sichergestellt.
Weiterhin bevorzugt weist die Steuerelektrode ein mit einem Katalysatormaterial beschichtetes Trägermetall hoher Leitfähigkeit, insbesondere Titan, auf.
So kann etwa der Grundkörper der Steuerelektrode ein oxidationsbeständiges Material hoher Leitfähigkeit aufweisen oder aus diesem zusammengesetzt sein. Hier bietet sich Titan vorzugsweise an. So kann etwa auch ein Titan-Streckmetall als Träger oder Grundkörper der Steuerelektrode fungieren oder wie beschrieben, die stabförmige oder drahtförmige Ausgestaltung. Auf diesen Grundkörper ist das Katalysatormaterial aufgebracht. Des Katalysatormaterial der Beschichtung ist dabei bevorzugt so gewählt, dass es beispielsweise die elektrochemische Zersetzung von Wasser in Protonen und Sauerstoff begünstigt.
In bevorzugter Ausgestaltung weist das Katalysatormaterial ein Edelmetalloxid auf. Weiter bevorzugt enthält die Beschichtung der Steuerelektrode ein Katalysatormaterial, welches ein Mischoxid umfassend Iridium und/oder Ruthenium aufweist.
Somit kann beispielsweise eine Steuerelektrode auf Titanbasis in Form einer Titan-Mischoxid-Anode zum Einsatz kommen, mit einem Träger aus Titan, der mit einer Mischoxid-Schicht aktiviert wird. Die Schichten bestehen vorwiegend aus Edelmetalloxiden der Platinmetallgruppe mit anderen Dotierungen, so dass so genannte Metall-Mischoxid-Anoden (MMO) gebildet sind.
Es können je nach Anforderung als anodisch wirkende Steuerelektrode in dem Isolierabschnitt der Elektrolyseanlage, beispielsweise auch eine MMO-Anode Anwendung findet, wie sie für ein elektrophoretisches Beschichtungsverfahren verwendet werden. Bevorzugt basieren diese auf einer Iridium-Tantal-Aktivierung, 12,5 g Iridium pro qm, etwa Titanstreckmetall Typ A, beispielsweise mit einem Befestigungselement, etwa in Form eines angeschweißten Hakens realisiert, zur Befestigung und elektrischen Kontaktierung der Steuerelektrode an der anodischen Seite der Versorgungsleitung.
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 zuzuführenden 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 auch ein anderes Metall, beispielsweise Titan oder dergleichen, zum Einsatz kommen. Natürlich können auch entsprechende Metalllegierungen vorgesehen sein.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Elektrolyseanlage sind die den jeweiligen Isolierabschnitten zugewandten jeweiligen Enden der Teilstapel gegenüber den Elektrolysezellen elektrisch isoliert.
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.
In bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist die Zellenversorgungseinheit zumindest mittelbar elektrisch geerdet. Durch die Erdung kann die Zellenversorgungseinheit mit den mit der Zellenversorgungseinheit 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.
Weiterhin wird in vorteilhafter Ausführung 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 0 Volt in Bezug auf das Erdpotential bereitstellt. Als 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.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung 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.
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 Elektrolyseanlage, besonders innerhalb der Zellenversorgungseinheit. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Titan-Elektrode, beziehungsweise Titan-Anode, 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.
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 Elektrolyseanlage zur Elektrolyse von Wasser;
FIG 2: eine schematische Schnittdarstellung einer Versorgungsleitung der Elektrolyseanlage gemäß FIG 1 im Bereich eines Isolierabschnitts;
FIG 3: eine schematische Schnittdarstellung einer Versorgungsleitung der Elektrolyseanlage gemäß FIG 1 im Bereich des Isolierabschnitts mit einer Steuerelektrode;
FIG 4: eine schematische Blockdarstellung einer weiteren Elektrolyseanlage zum Elektrolysieren von Wasser, bei der ein Zellenstapel in vier Teilstapel aufgeteilt ist.

FIG 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine Elektrolyseanlage 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 Elektrolyseanlage 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 Elektrolyseanlage 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. Für das Abführen der Produkte eine Ableitung 46 für Wasserstoff sowie eine weitere Ableitung 48 für den Sauerstoff bei der Zellenversorgungseinheit 18 vorgesehen. Für die Zufuhr von Wasser als Edukt der Elektrolyse ist eine entsprechende Zuführung 50 für Wasser an die Zellenversorgungseinheit 18 angeschlossen. Die Zellenversorgungseinheit 18 umfasst des Weiteren mehrere Komponenten, die für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Elektrolyseanlage 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 und für den Betrieb der Elektrolyseanlage nachteilig für die Standzeiten.
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 als Kation Fe³⁺ können aber auch weitere Metalle, wie sie im Stahl vorhanden sein können, aufgelöst werden. Hierbei können weitere 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 Elektrolyseanlage 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 Elektrolyseanlage 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 Elektrolyseanlage 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 nachteilig beeinträchtigen können.
FIG 3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Versorgungsleitung 24, bei der der nachteilige Korrosionseffekt im Bereich des Isolierabschnitts 38, der anhand FIG 2 erläutert wurde, sehr effektiv und nachhaltig vermieden ist. Die in FIG 3 gezeigte Versorgungsleitung 24 ist dabei Teil einer Elektrolyseanlage 10, etwa entsprechend FIG 1 mit einem Isolierabschnitt 38. In FIG 3 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, der Betriebsstoff, im Inneren der Versorgungsleitung in axialer Richtung geführt werden kann. Das Fluid bzw. der Betriebsstoff ist in diesem Fall Wasser für die Wasserelektrolyse ist.
Die Versorgungsleitung 24 weist einen elektrischen Isolierabschnitt 38 auf mit einer zumindest teilweise in das Innere des elektrischen Isolierabschnitts 38 hineinragenden Steuerelektrode 6. Die Steuerelektrode 66 ist als Drahtschleife mit einem Grundmaterial aus Titan ausgeführt. Hierdurch ist eine hohe elektrische Leitfähigkeit gegeben. Die Steuerelektrode 66 ist weiterhin mit einem Katalysatormaterial 68 beschichtet, das ein Mischoxid umfassend Iridium und/oder Ruthenium aufweist. Das Katalysatormaterial 68 ist auf den Titangrundkörper aufgebracht, so dass eine katalytisch wirkende Schicht auf der Steuerelektrode 66 gebildet ist. Über den die anodische Seite bildenden ersten Bereich 58 der Versorgungsleitung 24 ist die Steuerelektrode 66 elektrisch kontaktiert und auf ein entsprechendes positives Potential gelegt, so dass Streuströme ableitbar sind.
Die Steuerelektrode 66 ist derart angeordnet und ausgerichtet, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb bei Versorgung mit dem Betriebsstoff, vorliegend Wasser, für die Wasserelektrolyse, ein unerwünschter Streustrom in der Versorgungsleitung 24 über die Steuerelektrode 66 durch deren anodische Wirkung abgeleitet wird. Anodenseitig, d.h. im Bereich 58 fließt der Streustrom dann nicht mehr in schädigender Weise über das Material der Versorgungsleitung 24 ab, sondern stattdessen über die Steuerelektrode 66. Durch das Katalysatormaterial 68 wird dabei eine katalytische Wirkung der Steuerelektrode 66 erreicht, der die elektrochemische Zerlegung des Wassers in Sauerstoff und Protonen begünstigt. Dadurch, dass die Steuerelektrode merklich, im Beispiel etwa zwischen etwa 50% und 60% der Axialausdehnung des Isolierabschnitts 38, in das Innere desselben hineinreicht, fließt nun der Streustrom auf der anodischen Seite im Bereich 58 über die Steuerelektrode 66 ab. Weiterhin begünstigt die katalytische Beschichtung mit dem Katalysatormaterial 68 die Sauerstoffbildung an der Steuerelektrode 66, da die Überspannung für diese elektrokatalytisch gewünschte Reaktion gezielt herabgesetzt wird. Da die Streuströme verhältnismäßig klein sind, sind die dabei entstehenden Sauerstoffmengen recht gering und beeinträchtigen den Betrieb nicht, jedenfalls solange diese Sauerstoffmengen sich nicht in dem Isolierabschnitt 38 oder in den angrenzenden Bereichen 56, 58 der Versorgungsleitung 24 ansammeln können. Dies ist aber vorliegend sichergestellt, da die Überspannung während des Betriebs der Elektrolyseanlage 10 der Isolierabschnitt 38 im Inneren von Wasser durchströmt wird. Der entsprechend FIG 1 an die Zellenversorgungseinheit 18 angeschlossene Bereich 56 der Versorgungsleitung 24 wirkt kathodisch, wodurch dort keine Freisetzung von Metallionen zu erwarten ist.
Die besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung wird in FIG 4 in einer schematische Blockdarstellung an einer weiteren Elektrolyseanlage 60 zum Elektrolysieren von Wasser illustriert. Bei dieser komplexen Elektrolyseanlage 60 ist der vorgenannte Korrosionseffekt im Bereich des Isolierabschnitts 38, der anhand von FIG 3 erläutert wurde, nachhaltig und sehr effektiv vermieden. Die folgenden Erläuterungen basieren auch auf den bisherigen Erläuterungen zu den FIG 1 und FIG 3, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird.
Wie aus FIG 4 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 20 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 jeweiligen 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 Elektrolyseanlage 60 kann erreicht werden, dass die Zellenversorgungseinheit 18, elektrisch betrachtet, das kleinste elektrische Potential der gesamten Elektrolyseanlage 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 Elektrolyseanlage 60 bereit.
In der vorliegenden Ausgestaltung nach FIG 4 ist es vorgesehen, dass 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. Dabei weisen hier alle Isolierabschnitte 38 eine jeweilige zumindest teilweise in das Innere des Isolierabschnitts hineinragenden Steuerelektrode 66 auf, die entsprechend FIG 3 angeordnet und ausgestaltet ist. Je nach Korrosionslast in den Isolierabschnitten 38 ist es ist aber auch möglich, dass nicht alle Isolierabschnitte 38, sondern eine vorbestimmbare Mehrzahl der Isolierabschnitte 38 eine jeweilige zumindest teilweise in das Innere des Isolierabschnitts 38 hineinragende Steuerelektrode 66 aufweisen. Dies kann im Bedarfsfall auf die jeweilige Betriebssituation der Elektrolyseanlage 60 ausgelegt werden.
Es kann ferner optional vorgesehen sein, 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, mittels einer Erdung 42 elektrisch geerdet ist, die als unmittelbarer Erdschluss oder - wie in FIG 4 dargestellt - mittelbar ausgeführt sein kann.
In dieser vorteilhaften Ausführung der Elektrolyseanlage 60 ist es vorgesehen, dass die Erdung 42 nicht unmittelbar an der Zellenversorgungseinheit 18 angeschlossen 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 0 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 den gezielten Einsatz der Steuerelektrode 66 im Isolierabschnitt 38 der Versorgungsleitung 24 der Elektrolyseanlage 60 kann bereits die Entstehung und damit die Freisetzung von Metallionen weitgehend verhindert werden. Die Anwendung dieses effektiven Korrosionsschutzkonzepts ist flexibel anpassbar etwa auf verschiedene anlagentechnische Konfigurationen von PEM-Elektrolyseanlagen. Somit kann die unerwünschte Korrosion weitgehend vermieden werden. Von besonderem Vorteil erweist sich dabei, dass auch komplexe Elektrolyseanlagen 60 mit mehreren Teilstapeln 26, 28, 30, 32 und jeweiligen Anschlüssen an die Versorgungsleitung 24 zur Betriebsstoffversorgung mit nur einer zentralen elektrischen Energiequelle 16 (DC-Quelle) und einer zentralen Zellenversorgungseinheit 18 betreibbar sind. Ein kathodischer Korrosionsschutz ist, wie beschrieben, als zusätzliche und vorteilhafte Maßnahme möglich.
Die Erfindung ist keineswegs nur 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

Elektrolyseanlage (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), wobei mindestens eine der Versorgungsleitungen (24) einen elektrischen Isolierabschnitt (38) aufweist mit einer zumindest teilweise in das Innere des elektrischen Isolierabschnitts (38) hineinragenden Steuerelektrode (66).
Elektrolyseanlage 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, wobei eine Mehrzahl der Isolierabschnitte (38) eine jeweilige zumindest teilweise in das Innere des Isolierabschnitts (38) hineinragende Steuerelektrode (66) aufweist.
Elektrolyseanlage (60) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode (66) derart angeordnet ist, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb bei Versorgung mit dem Betriebsstoff ein Streustrom in der Versorgungsleitung (24) über die Steuerelektrode (66) durch deren anodische Wirkung ableitbar ist.
Elektrolyseanlage (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode (60) drahtförmig, stabförmig oder gitterförmig ausgestaltet ist.
Elektrolyseanlage (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode (66) ein mit einem Katalysatormaterial beschichtetes Trägermetall hoher Leitfähigkeit, insbesondere Titan, aufweist.
Elektrolyseanlage (60) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass des Katalysatormaterial ein Edelmetalloxid aufweist.
Elektrolyseanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatormaterial ein Mischoxid umfassend Iridium und/oder Ruthenium aufweist.
Elektrolyseanlage 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.
Elektrolyseanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenversorgungseinheit (18) zumindest mittelbar elektrisch geerdet (42) ist.
Elektrolyseanlage nach Anspruch 9, 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.
Elektrolyseanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstapel (26, 28, 30, 32) versorgungstechnisch parallel an die Zellenversorgungseinheit (18) angeschlossen sind.