EP4274919A1 - Elektrolyseeinrichtung - Google Patents

Elektrolyseeinrichtung

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EP4274919A1
EP4274919A1 EP22706762.6A EP22706762A EP4274919A1 EP 4274919 A1 EP4274919 A1 EP 4274919A1 EP 22706762 A EP22706762 A EP 22706762A EP 4274919 A1 EP4274919 A1 EP 4274919A1
Authority
EP
European Patent Office
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electrical
supply unit
electrolysis
cell
electrolysis device
Prior art date
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Application number
EP22706762.6A
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English (en)
French (fr)
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EP4274919C0 (de
EP4274919B1 (de
Inventor
Marc Hanebuth
Simon Kießlich
Thomas Purucker
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP4274919B1 publication Critical patent/EP4274919B1/de
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    • C23F2213/30—Anodic or cathodic protection specially adapted for a specific object
    • C23F2213/31—Immersed structures, e.g. submarine structures

Definitions

  • the invention relates to an electrolysis device with a plurality of electrolysis cells which are electrically connected in series and which are at least partially arranged one after the other in a stacking direction, the series connection being electrically coupled to an electrical energy source, with a cell supply unit for supplying the electrolysis cells for proper operation with at least one fuel, and with supply lines connected to the cell supply unit and to opposite ends of the electrolytic cells arranged one after the other.
  • Electrolytic cells which serve to convert chemical substances into other chemical substances under the action of electricity, are extensively known in the prior art.
  • a chemical reaction i.e. a material conversion
  • electrolysis A well-known and widely used form of electrolysis is water electrolysis.
  • water electrolysis water is broken down into its components, namely hydrogen and oxygen, using electricity.
  • other substances can also be subjected to electrolysis, for example carbon dioxide or the like.
  • the electrolysis products are usually fluid substances that can be fed via appropriate supply lines to the electrolysis cells in which the actual electrolysis is carried out.
  • the electrolysis products are often also in fluid form and are discharged from the electrolysis cells via other supply lines.
  • the supply lines are usually connected to a cell supply unit, which is responsible for supplying the electrolytic cells with the respective substances for proper operation. preferably serve at least one fuel.
  • supply means not only supplying the fuel or the substance to be electrolyzed, but also discharging the respective electrolysis product.
  • Hydrogen can be made available with an electrolysis device, also known as an electrolyzer, using regeneratively generated electrical energy.
  • An electrolysis device whose electrolysis cells are based on proton exchange membranes (PEM).
  • PEM proton exchange membranes
  • An electrolytic cell for generating hydrogen and oxygen from water is disclosed, for example, by DE 102011 007 759 A1.
  • DE 102019 205 316 A1 also discloses a corresponding electrolytic cell for energy-efficient hydrogen production.
  • DE 212018 000 414 U1 discloses a hydrogen generation system.
  • Generic electrolysis devices generally have a plurality of electrolysis cells, which are usually electrically connected in series.
  • the series connection formed in this way is electrically coupled to an electrical energy source which provides a suitable electrical voltage so that the electrolysis cells can be used to realize the intended process of electrochemical material conversion.
  • the electrolytic cells are arranged one after the other in a stacking direction so that they form a cell stack.
  • the stacked arrangement makes it possible for the electrolysis cells arranged one after the other to be electrically contacted directly, so that separate electrical connections of the electrolytic cells can be largely reduced.
  • a supply line system which is used to supply or discharge the at least one fuel to the electrolysis cells.
  • the operating substance can, for example, comprise the supplied fluid, for example water, and/or the reaction product, for example hydrogen and oxygen.
  • the cell stack is usually operated with a certain electrolysis capacity in such a way that the electric current is as small as possible, but the electric voltage is as high as possible.
  • the electrolysis power is provided by the power source connectable to respective opposite ends of the cell stack for this purpose.
  • a large number of electrolytic cells can be arranged in a cell stack, for example more than 100 electrolytic cells, in particular several hundred electrolytic cells, but preferably no more than about 400 electrolytic cells.
  • the electrical voltage at each of the electrolytic cells is around 1.5 V to 2.5 V. This results in the electrical voltage at the cell stack correspondingly, so that the electrical voltage at the cell stack is often 100 V exceeds, can even amount to several hundred volts.
  • the electrolysis device includes other components, such as pumps, heat exchangers, separating containers, which are necessary for the intended operation of the electrolysis device or the electrolysis cells required are.
  • these components are summarized by the cell supply unit for supplying the electrolytic cells with at least one fuel for normal operation.
  • the cell supply unit is connected to the electrolytic cells arranged sequentially in a stacking direction via supply lines connected to the opposite ends of the electrolytic cells arranged sequentially.
  • the supply lines are usually made of a material such as metal or the like.
  • a correspondingly high electrical voltage occurs between the ends of the cell stack or the electrolytic cells arranged one after the other.
  • the Versor supply lines which are usually made of a metal, it is therefore necessary that they have respective electrical cal insulating sections, which serve to provide an electrically highly conductive connection between the ends of the electrolytic cells arranged one after the other and thus between the electrical connections to avoid the electrical energy source.
  • the application according to the prior art has proven itself, but it has been found that particularly in the area of the supply line adjoining the electrical insulating section, which is subjected to a positive electrical potential of the electrical energy source in normal operation, corrosion can occur. This is not only harmful to the electrolysis device as such, but can also lead to contamination of the at least one operating substance and thus to disruptions in the intended operation of the electrolysis cells.
  • the object of the invention is to reduce the aforementioned corrosion problem.
  • the invention proposes in particular that a negative electrical potential of the electrical energy source can be electrically coupled to an electrical reference potential of the cell supply unit. During operation of the electrolysis device, the negative electrical potential of the electrical energy source is therefore electrically coupled to the electrical reference potential of the cell supply unit.
  • the invention is based, among other things, on the idea that the construction of the electrolysis unit according to the invention makes it possible to ensure that the cell supply unit and thus also the end of the cell stack formed by the successively arranged electrolysis cells, which is connected to the negative electrical potential of the electrical Energy source is connected, the smallest electrical potential of the electrolysis device exhibit.
  • This end of the cell stack is also referred to below as the first end.
  • the electrical connection can be realized in that the first end of the cell stack is connected to the electrical reference potential of the cell supply unit by means of an electrical line.
  • the electrical reference potential of the cell supply unit can be, for example, a ground potential of the cell supply unit.
  • the electrical cal reference potential of the cell supply unit can be directly or indirectly electrically coupled to a ground potential, for example.
  • the supply lines are formed at least partially from an electrically conductive material.
  • a material of the supply lines can have metal. This makes it possible to provide an electrically conductive connection independently of an electrical line by means of at least one of the supply lines, specifically if the at least one of the supply lines provides electrical conductivity—like the electrical line—over its entire length.
  • all the supply lines can have respective insulating sections, in particular if they essentially have metal as the material.
  • lines can also be formed from an electrically insulating material.
  • the sections of the supply lines facing the cell supply unit need not have an electrical potential that is smaller than the electrical potential, in particular the electrical reference potential, of the cell supply unit up to the respective insulating sections that may be present.
  • a corrosion effect can be largely avoided in the area of the supply lines between the respective insulating sections that may be present and the cell supply unit.
  • the problem of corrosion can therefore be shifted to the respective opposite side of the respective electrical insulating section, in the area of which a corresponding supplementary treatment can be provided in order to largely avoid or even completely prevent the corrosion effect here as well.
  • the construction according to the invention makes it possible to achieve, among other things, that the corrosive effect can be reduced because the conditions that are harmful to the corrosive effect can be reduced.
  • an electrical current can occur in the fluid guided through the respective supply line, especially if it is water.
  • hydrogen and hydro- oxide ions come.
  • the conditions relevant to the corrosive effect namely the hydroxide ions in particular, can be reduced by the invention.
  • the hydroxide ions can preferably be at least partially processed or consumed in the cell stack by the electrolytic cells arranged there. They are therefore no longer available for the undesirable corrosive effect. It is therefore particularly advantageous if the insulating sections are arranged as close as possible in the region of the respective ends. Overall, the invention thus makes it possible to reduce or even completely avoid the undesired corrosive effect.
  • the electrolytic cells can, for example, be arranged sequentially in a single cell stack.
  • the electrolytic cells are electrically connected in series within the cell stack.
  • the opposite ends of the cell stack namely the first and the second end, are connectable to the respective electrical potentials of the electrical energy source's.
  • they can be connected directly to the electrical energy source.
  • they are preferably connected to the electrical energy source via a control unit, so that the function of the electrolytic cells can be adjusted as required.
  • the electrical energy source can be, for example, any voltage source or current source that is able to provide sufficient power for carrying out the electrolysis through the electrolysis cells.
  • An electrolysis output can be determined at a specific area current density depending on the dimensions of the respective electrolysis cell, in particular its electrolysis-technically effective areas.
  • the supply lines have a through-opening with a suitable inside diameter or cross-section in order to supply the respective operating fluid with as little loss as possible to be able to lead to the electrolysis cells and/or to be able to discharge them from the respective electrolysis cells or the partial stacks with as little loss as possible.
  • the supply lines should be made of metal, with the electrolytic cells being arranged in at least two sub-stacks, with each of the at least two sub-stacks being connected by at least one first supply line and connected to the cell supply unit and to a first end of the respective sub-stack at least one second supply line connected to the cell supply unit and to a second end of the respective sub-stack opposite the first end in the stacking direction, is connected to the cell supply unit, with the first supply line connected to the first end of that sub-stack being connected to a negative electrical potential of the electrical energy source can be coupled, is electrically conductively connected to the cell supply unit and all other supply lines have respective electrical insulating sections.
  • the electrolytic cells of the sub-stacks are preferably still connected in series, with the respective sub-stacks also being connected in series overall.
  • the partial stacks are essentially connected in parallel in terms of fluid technology.
  • a stack voltage at the respective opposite ends of a respective partial stack can of course be significantly lower than the electrical voltage that is to be provided by the electrical energy source at the complete series circuit.
  • the corrosive effect described above can also be reduced or largely avoided here.
  • the electrical insulating sections of the supply lines are also designed accordingly, which, for example, consist of a NEM suitable material can be formed, which can be mechanically connected to the respective supply line.
  • it can be an annular section which is arranged at a respective end of a respective supply line.
  • the insulating section can of course also be integrated into the supply line, so that the supply line has two supply line sections which are electrically insulated from one another and which are separated from one another by the insulating section. These units formed in this way are preferably connected to one another in a fluid-tight manner, with an essentially constant internal cross-section being preferably provided for the respective fuel.
  • a plastic, a ceramic, but also a metal oxide such as, for example, titanium dioxide, aluminum oxide and/or the like can be provided as the material for the electrically insulating section.
  • a composite material can also be provided, which can be formed, for example, from a plastic that can be reinforced with fibers, for example.
  • fibers for example.
  • almost any combination of these can also be provided, which are preferably selected in such a way that a chemical reaction with the operating fluid to be carried in each case is essentially avoided.
  • the material of the supply line has at least metal.
  • the metal can, for example, be steel, in particular stainless steel.
  • another metal such as titanium or the like, can also be used.
  • Corresponding metal alloys can of course also be provided.
  • an electrical insulating layer be arranged on the inside of the supply line at an end of the insulating section of the respective insulating section that faces the respective end of the respective partial stack.
  • the insulation layer formed here makes it possible to further reduce the corrosion effect.
  • the electrical insulation layer can be formed, for example, from a plastic, a ceramic or the like, which is arranged on the inside of the respective supply line in the respective predetermined area. As a result, the surface available for corrosion effects can be further reduced on the inside of the supply line.
  • the electrical insulation layer extends from the respective insulating section to the respective end of the respective partial stack. As a result, a corrosion effect on the supply line side can be essentially completely avoided. This further education therefore makes it possible to further improve the effect of the invention.
  • the electrical insulation layer has a coating of an insulation material.
  • the coating can be formed, for example, from a plastic, a lacquer, a combination thereof and/or the like. Before Monday, the coating can be arranged on the inside of the respective supply line in the area of the passage opening of the supply line. The coating need only extend to the electrically insulating section. As a result, a good effect in terms of corrosion protection can be achieved with limited effort.
  • the electrical insulation layer has a corrosion-resistant metal-containing material. As a result, a very robust surface can be achieved that can be easily connected to the supply line.
  • the corrosion-resistant metal-containing material is a metal oxide.
  • the metal oxide can, for example, be a ceramic material, titanium dioxide, aluminum oxide and/or the like.
  • the respective ends of the partial stacks facing the respective insulating sections are electrically insulated from the electrolytic cells. It can thereby be achieved that the corrosion effect is largely avoided in the area between the insulating section and the respective end of the partial stack. The effect of the invention can thereby be further improved.
  • the cell supply unit is at least indirectly electrically grounded, ie the cell supply unit can be connected to grounding.
  • the cell supply unit with the supply lines electrically coupled to it can be connected to a predetermined reference potential through the grounding.
  • the negative potential of the electrical energy source which is electrically coupled to the cell supply unit via the supply lines, can also be at least grounded.
  • the cell stack formed from the partial stacks is therefore at a defined electrical potential with respect to ground potential and is therefore no longer subject to floating potential. A defined electrical potential difference or electrical voltage can thus be achieved at the respective electrical insulating sections. This allows the reliability of the function of the invention to be further improved.
  • the grounding has a sacrificial anode and/or a voltage source, by means of which the cell supply unit can be subjected to an electrical potential that is negative compared to the ground potential.
  • a voltage source is used, the negative electrical potential of the voltage source can be electrically connected to the cell supply unit and to the supply lines connected to it.
  • the negative electrical potential of the voltage source is preferred here. wisely grounded at the same time.
  • the voltage source can provide an electrical voltage in a range from approximately ⁇ 2 V to approximately zero volts in relation to ground potential.
  • this electrical voltage is selected in a range from about -1 V to about -0.8 V.
  • corrosion of stainless steel for example, can also be avoided under maritime conditions, especially in off-shore applications.
  • an external corrosion phenomenon can be reduced or prevented in this way.
  • a further electrode to be arranged in the manner of a counter-electrode for cathodic protection against corrosion in the area of the cell supply unit.
  • the internal corrosion phenomenon relates in particular to corrosion effects within the electrolysis device, especially within the cell supply unit.
  • this can be a titanium electrode or titanium anode, which can be coated with a mixed oxide.
  • the anode formed in this way is arranged in a liquid phase of an oxygen separation tank of the cell supply unit.
  • the partial stacks are particularly advantageously connected in parallel to the cell supply unit in terms of supply. In this way, a good supply of the at least one fuel can be achieved for the sub-stacks.
  • the supply can include supplying or also discharging the fuel or substances produced during the electrolysis.
  • Supply structures formed in the sub-stacks or electrolytic cells can serve as internal insulation sections.
  • the materials are non-metallic
  • - Electrically potential metals are coated with an oxidation-resistant layer such as Titandi oxide, a polymer or the like;
  • Non-coated metals are not electrically connected, that is, essentially electrically potential-free, in particular floating, connected.
  • the electrodes of the active cell surfaces of the electrolytic cells can act as anodic counter-electrodes.
  • minimally more oxygen can be formed at the respective anodes of the electrolytic cells and minimally less hydrogen can be generated at the respective cathodes of the respective electrolytic cells.
  • these changes during the electrolysis do not have a significant effect on the efficiency and safety of the electrolysis device. Rather, the advantage of the invention is that no foreign ions can be released from metallic components due to stray currents.
  • the exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention.
  • the features and combinations of features specified above in the description and also the features and combinations of features mentioned in the following description of exemplary embodiments and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations.
  • the invention also encompasses or is to be regarded as disclosed embodiments that are not explicitly shown and explained in the figures, but that result from the explained embodiments and can be generated through separate combinations of features.
  • the features, functions and/or effects illustrated in the exemplary embodiments can each represent individual features, functions and/or effects of the invention that are to be considered independently of one another and that further develop the invention independently of one another. Therefore, the exemplary embodiments are also intended to include combinations other than those in the illustrated embodiments.
  • the described embodiments can also be supplemented by further features, functions and/or effects of the invention that have already been described.
  • FIG. 1 shows an electrolysis device for electrolyzing water in a schematic block diagram
  • FIG. 2 shows a schematic sectional illustration of a supply line of the electrolysis device according to FIG. 1 in the area of an insulating section
  • 3 shows a schematic block diagram like FIG. 1 of a further electrolysis device for electrolyzing water, in which a cell stack is divided into four partial stacks according to a first embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic representation like FIG. 3 for a second configuration of the electrolysis device.
  • FIG. 1 shows, in a schematic block diagram, an electrolysis device 10 which has a cell stack 54 which has a plurality of electrolysis cells 12 which are arranged one after the other in a stacking direction 14 .
  • the electrolytic cells 12 are used here to electrochemically decompose water into its components oxygen and hydrogen.
  • the Elektrolyseeinrich device 10 is therefore present in the production of hydrogen and oxygen from water.
  • the electrolysis cells 12 are arranged directly adjacent to one another, so that respective electrodes of the electrolysis cells 12 arranged adjacent can make electrical contact with one another. It is provided that in each case an anode of a first of the electrolytic cells 12 electrically contacts a cathode of the second electrolytic cell 12 which is arranged immediately adjacent in each case. As a result, the Elect rolysezellen 12 are electrically connected in series.
  • the electrolysis cells 12 are on the one hand supplied with water to be electrolyzed and on the other hand discharge lines for the substances produced, hydrogen and oxygen, are provided via an internal supply structure of the cell stack 54, which is not shown in any more detail.
  • This supply can be connected to opposite ends 20, 22 of the cell stack 54 in each case.
  • an electrical energy source 16 is also connected via an electrical line 52, which provides a suitable electrical voltage with an appro Neten electrical power before lying, so that the electrolysis cells 12 can be supplied with sufficient electrical energy for normal operation .
  • the electrolysis device 10 also includes a cell supply unit 18 which is used to supply the electrolytic cells 12 or the cell stack 54 with the respective operating materials, which in this case involve the supply of water and the removal of hydrogen and oxygen.
  • the cell supply unit 18 includes several components that are required for the intended operation of the electrolysis device 10, such as pumps, heat exchangers, separating tanks and/or the like, which are not shown here.
  • the cell supply unit 18 is supply-connected to the cell stack 54 via supply lines 24 which are connected to the cell supply unit 18 and the opposite ends 20, 22 of the cell stack 54.
  • the supply lines 24 thus fluidly couple the supply structure of the cell stack 54.
  • the supply lines 24 are presently formed from a metal such as stainless steel.
  • each of the supply lines 24 has an electrically insulating section 38. This ensures that the ends 20, 22 are designed to be electrically isolated from the cell supply unit 18 and thus also electrically isolated from one another.
  • the supply lines 24 are located outside of the cell stack 54.
  • the insulating sections 38 are essentially formed from an electrical insulating material, which can be, for example, a suitable ceramic material or also a suitable plastic or composite material.
  • 2 shows a schematic sectional view of one of the supply lines 24 from FIG. 1 in the area of the insulating section 38. In FIG Area 56 of the cell supply unit 18 faces. The areas 56 and 58 are electrically isolated from one another by the insulating section 38 .
  • This arrangement is designed to be fluid-tight overall and has an essentially constant inner diameter 62 through which the corresponding fluid can be guided, which in this case is water.
  • Corrosion occurs in a region 64 due to the electrical voltage applied to the electrical insulating section 38 .
  • This can be considered to be due to the fact that in the area of a transition from area 56 to the electrical insulation section 38, negative hydroxide ions are formed due to the absorption of electrons from the metal of the wall of the supply line 24 into the water flowing in the inner diameter 62 electric field to Be rich out 58 and there react electrochemically with the metal of the wall of the supply line 24, as shown in FIG. As a result, the wall of the supply line 24 corrodes in this area 64. This is undesirable.
  • the hydrogen formed in this way can be dissolved in water or it can also be present in the form of tiny bubbles and be transported away with the water.
  • the quantities produced are usually so small that the hydrogen itself does not have any disruptive effects.
  • Rouging means the finest iron-containing particles that can be distributed in the supply lines 24 and the components of the electrolysis device 10 . They can be observed above all in the supply lines 24, in which hydrogen is also carried. Arrived this rouging in the oxygen-carrying part of Electrolysis device 10, the rouging can dissolve again with the formation of ions.
  • cations can then get into the electrolytic cells 12 from the oxygen side and accumulate there. This process can lead to higher cell voltages and therefore to lower efficiency of the electrolysis device 10 . Furthermore, damaging mechanisms for the electrolysis cells 12 can be associated with these cations. For example, hydrogen peroxide formed at the electrodes can be converted into radicals upon contact with metal ions, which chemically attack a membrane structure of the electrolytic cells 12 and can thus impair the service life of the electrolytic cells 12 .
  • FIG. 3 now shows an electrolysis device 60 with which the aforementioned corrosion effect, which was explained with reference to FIG. 2, can be largely avoided.
  • the following explanations are based on the explanations for FIGS. 1 and 2, which is why reference is also made to the relevant statements.
  • the electrolytic cells 12 are arranged in four partial stacks 26, 28, 30, 32.
  • Each of the four sub-stacks 26, 28, 30, 32 is connected to the cell supply unit 18 and at a first end of the respective sub-stack 26, 28, 30, 32 by means of two first supply lines 24 and two to the cell supply unit 18 and at one the first End 20 in the stacking direction 14 ge opposite second end 22 of the respective partial stack 26, 28, 30, 32 connected second supply lines 24 with the cell supply unit 18 is connected.
  • the statements relating to FIGS. 1 and 2 essentially apply to the cell supply unit 18.
  • the number of electrolysis cells 12 in the partial stacks 26, 28, 30, 32 is the same for all partial stacks 26, 28, 30, 32. Depending on requirements, however, this can also be selected differently in other configurations, without departing from the spirit of the invention.
  • the sub-stacks 26, 28, 30, 32 are in turn electrically connected in series so that--from an electrical point of view--all the electrolytic cells 12 of the sub-stacks 26, 28, 30, 32 are again connected in series--as in the cell stack 54 according to FIG.
  • This construction of the electrolysis device 60 makes it possible for the cell supply unit 18 to have the lowest electrical potential of the entire electrolysis device 60 when viewed electrically.
  • This electrical cal potential is also connected to the negative electrical potential 34 of the electrical power source 16 Po.
  • the electrical energy source 16 also provides the positive electrical potential 36 ready. Between the negative and the positive electrical potential 34, 36, the electrical energy source 16 provides the operating voltage for the proper operation of the electrolysis device 60 be ready.
  • an electrical insulating layer is formed, which is presently formed by a coating of an insulating material - that is.
  • the insulation material is, for example, a suitable plastic.
  • a corrosion-resistant metal-containing material can also be provided, for example a metal oxide or the like, in particular a ceramic material, for example.
  • the respective ends 20, 22 of the partial stacks 26, 28, 30, 32, which face the respective insulating sections 38 are designed to be electrically isolated from the electrolytic cells 12. This can further reduce the corrosion effect. It has proven to be particularly advantageous if the cell supply unit 18 is electrically grounded by means of grounding 42, as is shown in FIG.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration like FIG. 3 of a variant of the electrolysis device 60 according to FIG. 3, only the differences relating to the embodiment according to FIG. 3 being explained below.
  • FIG. 4 provides that the grounding 42 is not provided directly on the cell supply unit 18, but using a voltage source 44, by means of which the cell supply unit 18 can be subjected to an electrical potential which is negative with respect to the ground potential.
  • the voltage source 44 provides an electrical voltage of approximately -1 V to approximately -0.8 V. In principle, however, this voltage can also be selected, for example, in a range from approximately ⁇ 2 V to approximately zero volts.
  • the counter-electrode for the cathodic protection against corrosion is also rich of the cell supply unit 18 is arranged.
  • the provided here for the grounding 42 electrode is presently formed by a titanium anode which is coated with a mixed oxide be.
  • the titanium anode with the mixed oxide coating is arranged in an electrically isolated manner from the cell supply unit 18 in a liquid phase of an oxygen separation tank, not further illustrated.
  • the exemplary embodiments show that the invention can be used to reduce corrosion by forming a plurality of partial stacks 26, 28, 30, 32 of the electrolysis cells 12, which are all electrically connected in series. however, are connected separately to the cell supply unit 18 via their own supply lines 24 .
  • the release of metal ions can be largely prevented by the earthing or grounding concept of the invention.
  • the electrodes of the active cell surfaces of the electrolytic cells 12 can therefore act as anodic counter-electrodes for stray currents. Thus, the undesired corrosion can be largely avoided.
  • the invention is not limited to use in the electrolysis of water and can equally be used in other electrolyses to be carried out, for example carbon dioxide electrolysis or the like.

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Abstract

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

Description

Beschreibung
Elektrolyseeinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseeinrichtung mit einer Mehrzahl von Elektrolysezellen, die elektrisch in Reihe ge schaltet und die zumindest teilweise in einer Stapelrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei die Reihenschaltung mit einer elektrischen Energiequelle elektrisch koppelbar ist, mit einer Zellenversorgungseinheit zum Versorgen der Elektrolysezellen für einen bestimmungsgemäßen Betrieb mit wenigstens einem Betriebsstoff, und mit an die Zellenversor gungseinheit und an gegenüberliegenden Enden der aufeinander folgend angeordneten Elektrolysezellen angeschlossenen Ver sorgungsleitungen .
Elektrolysezellen, die der Umwandlung von chemischen Stoffen unter Einwirkung von Elektrizität in andere chemische Stoffe dienen, sind im Stand der Technik umfänglich bekannt. In der Regel wird mithilfe eines elektrischen Stroms eine chemische Reaktion, also eine Stoffumwandlung, herbeigeführt. Dies wird Elektrolyse genannt. Eine bekannte und vielseitig genutzte Form der Elektrolyse ist die Wasserelektrolyse. Bei der Was serelektrolyse wird Wasser unter Nutzung des elektrischen Stroms in seine Bestandteile, nämlich Wasserstoff und Sauer stoff, zerlegt. Dem Grunde nach können jedoch auch andere Stoffe der Elektrolyse unterzogen werden, beispielsweise Koh lenstoffdioxid oder dergleichen.
Üblicherweise handelt es sich hierbei um fluide Stoffe, die über entsprechende Versorgungsleitungen den Elektrolysezellen zugeführt werden können, in denen die eigentliche Elektrolyse durchgeführt wird. Die Elektrolyseprodukte sind häufig eben falls in fluider Form und werden über weitere Versorgungslei tungen aus den Elektrolysezellen abgeführt. Die Versorgungs leitungen sind in der Regel an eine Zellenversorgungseinheit angeschlossen, die dem Versorgen der Elektrolysezellen für den bestimmungsgemäßen Betrieb mit den jeweiligen Stoffen be- ziehungsweise wenigstens einem Betriebsstoff dienen. Versor gen meint hier also nicht nur ein Zuführen des Betriebsstoffs beziehungsweise des zu elektrolysierenden Stoffs, sondern auch ein Abführen des jeweiligen Elektrolyseprodukts.
Besonders die Bereitstellung von Wasserstoff erweist sich als industriell interessant, zumal Wasserstoff ein vielseitig nutzbarer Energieträger sein kann. Wasserstoff kann mit einer Elektrolyseeinrichtung, auch Elektrolyseur genannt, unter Ausnutzung von regenerativ erzeugter elektrischer Energie be reitgestellt werden. Eine Möglichkeit der Erzeugung von Was serstoff besteht darin, eine Elektrolyseeinrichtung zu nut zen, deren Elektrolysezellen auf Protonen-Austausch-Membranen (englisch: proton exchange membrane, PEM) basieren. Das Prin zip einer PEM-basierten Elektrolyseeinrichtung beziehungswei se 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 102011 007 759 Al offenbart. Aber auch die DE 102019 205 316 Al of fenbart eine entsprechende Elektrolysezelle für eine energie effiziente Wasserstoffherstellung. Ferner offenbart die DE 212018 000 414 Ul ein Wasserstofferzeugungssystem.
Gattungsgemäße Elektrolyseeinrichtungen weisen in der Regel eine Mehrzahl von Elektrolysezellen auf, die üblicherweise elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die hierdurch gebildete Reihenschaltung ist mit einer elektrischen Energiequelle elektrisch gekoppelt, die eine geeignete elektrische Spannung bereitstellt, sodass mittels der Elektrolysezellen der vorge sehene Prozess der elektrochemischen Stoffumwandlung reali siert werden kann.
Die Elektrolysezellen sind darüber hinaus in einer Stapel richtung aufeinanderfolgend angeordnet, sodass sie einen Zel lenstapel bilden. Durch die gestapelte Anordnung ist es mög lich, dass die aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolyse zellen elektrisch unmittelbar kontaktiert werden können, so- dass separate elektrische Anschlüsse der Elektrolysezellen weitgehend reduziert werden können.
Innerhalb des Zellenstapels ist ferner ein Versorgungslei- tungssystem (englisch: manifold) vorgesehen, welches dazu dient, den wenigstens einen Betriebsstoff zu den Elektrolyse zellen zuzuführen beziehungsweise abzuführen. Der Betriebs stoff kann zum Beispiel das zugeführte Fluid, beispielsweise Wasser, und/oder das Reaktionsprodukt, beispielsweise Wasser stoff und Sauerstoff, umfassen. Der Zellenstapel (englisch: stack) wird in der Regel mit einer bestimmten Elektrolyse leistung so betrieben, dass ein elektrischer Strom möglichst klein, aber eine elektrische Spannung möglichst groß ist.
Dies wird durch eine geeignete Stapelung der Elektrolysezel len im Zellenstapel erreicht. Dadurch können sich elektrische Spannungen an den jeweiligen Elektrolysezellen im Zellensta pel zur Zellenstapelspannung addieren, während die auf diese Weise in Reihe geschalteten Elektrolysezellen mit einem im Wesentlichen gleichen Strom betrieben werden können.
Die Elektrolyseleistung wird durch die Energiequelle bereit gestellt, die zu diesem Zweck an jeweilige gegenüberliegende Enden des Zellenstapels anschließbar ist. In einem Zellensta pel können eine Vielzahl von Elektrolysezellen angeordnet sein, beispielsweise mehr als 100 Elektrolysezellen, insbe sondere mehrere hundert Elektrolysezellen, vorzugsweise je doch nicht mehr als etwa 400 Elektrolysezellen. Bei einer Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff beträgt eine elektrische Spannung an einer jeweiligen der Elektroly sezellen etwa 1,5 V bis 2,5 V. Daraus ergibt sich die elekt rische Spannung am Zellenstapel entsprechend, sodass die elektrische Spannung am Zellenstapel häufig 100 V übersteigt, sogar mehrere hundert Volt betragen kann.
Die Elektrolyseeinrichtung umfasst neben dem Zellenstapel weitere Komponenten, wie zum Beispiel Pumpen, Wärmetauscher, Abscheidebehälter, die für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Elektrolyseeinrichtung beziehungsweise der Elektrolysezellen erforderlich sind. Diese Komponenten werden vorliegend zusam mengefasst durch die Zellenversorgungseinheit zum Versorgen der Elektrolysezellen für den bestimmungsgemäßen Betrieb mit wenigstens einem Betriebsstoff.
Die Zellenversorgungseinheit ist mit den in eine Stapelrich tung aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen über Versorgungsleitungen angeschlossen, die an den gegenüberlie genden Enden der aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolyse zellen angeschlossen sind. Die Versorgungsleitungen sind in der Regel aus einem Werkstoff wie Metall oder dergleichen ge bildet.
Zwischen den Enden des Zellenstapels beziehungsweise der auf einanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen tritt eine entsprechend hohe elektrische Spannung auf. Für die Versor gungsleitungen, die in der Regel aus einem Metall gebildet sind, ist es daher erforderlich, dass sie jeweilige elektri sche 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 Ener giequelle zu vermeiden.
Dem Grunde nach hat sich die Anwendung gemäß dem Stand der Technik zwar bewährt, jedoch hat sich herausgestellt, dass insbesondere im Bereich des an den elektrischen Isolierab schnitt anschließenden Bereichs der Versorgungsleitung, der mit einem positiven elektrischen Potential der elektrischen Energiequelle im bestimmungsgemäßen Betrieb beaufschlagt ist, eine Korrosion auftreten kann. Dies ist nicht nur für die Elektrolyseeinrichtung als solche schädlich, sondern kann auch zu Verunreinigungen des wenigstens einen Betriebsstoffs und damit zu Störungen beim bestimmungsgemäßen Betrieb der Elektrolysezellen führen.
Um diese Problematik zu reduzieren, ist es im Stand der Tech nik 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 ki netisch 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, insbeson dere innerhalb der durch den Isolierabschnitt gebildeten Iso lationsstrecke, führt zu Streuströmen im Wasser, insbesondere innerhalb der Isolierstrecke. Dadurch bleibt das Problem der Korrosion weiterhin vorhanden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das vorgenannte Korrosionsproblem zu reduzieren.
Als Lösung wird mit der Erfindung eine Elektrolyseeinrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
In Bezug auf eine gattungsgemäße Elektrolyseeinrichtung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass ein nega tives elektrisches Potential der elektrischen Energiequelle mit einem elektrischen Bezugspotential der Zellenversorgungs einheit elektrisch koppelbar ist. Im Betrieb der Elektroly seeinrichtung ist mithin das negative elektrische Potenzial der elektrischen Energiequelle mit dem elektrischen Bezugspo tenzial der Zellenversorgungseinheit elektrisch gekoppelt.
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass durch die erfindungsgemäße Konstruktion der Elektrolyseein richtung erreicht werden kann, dass vorzugsweise die Zellen versorgungseinheit und somit auch das Ende des durch die auf einanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen gebildeten Zellenstapels, welches mit dem negativen elektrischen Poten tial der elektrischen Energiequelle verbunden ist, das kleinste elektrische Potential der Elektrolyseeinrichtung aufweisen. Dieses Ende des Zellenstapels wird im Folgenden auch als erstes Ende bezeichnet.
Die elektrische Verbindung kann dadurch realisiert sein, dass das erste Ende des Zellenstapels mittels einer elektrischen Leitung an das elektrische Bezugspotential der Zellenversor gungseinheit angeschlossen ist. Das elektrische Bezugspoten tial der Zellenversorgungseinheit kann zum Beispiel ein Mas sepotential der Zellenversorgungseinheit sein. Das elektri sche Bezugspotential der Zellenversorgungseinheit kann bei spielsweise mit einem Erdpotential mittelbar oder unmittelbar elektrisch gekoppelt sein. Darüber hinaus kann natürlich auch vorgesehen sein, dass die Versorgungsleitungen zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildet sind. Insbesondere kann ein Werkstoff der Versorgungsleitun gen Metall aufweisen. Dadurch ist es möglich, unabhängig von einer elektrischen Leitung eine elektrisch leitende Verbin dung auch mittels wenigstens einer der Versorgungsleitungen bereitzustellen, und zwar wenn die wenigstens eine der Ver sorgungsleitungen die elektrische Leitfähigkeit - wie die elektrische Leitung - über ihre gesamte Längserstreckung be- reitstellt.
Es versteht sich, dass dies natürlich nur für die Versor gungsleitungen gelten kann, die mit dem ersten Ende des Zel lenstapels verbunden sind. Zumindest die Versorgungsleitun gen, die mit dem dem ersten Ende des Zellenstapels gegenüber liegenden zweiten Ende des Zellenstapels verbunden sind, wei sen dagegen einen Isolierabschnitt auf, sodass eine elektri sche Verbindung des zweiten Endes des Zellenstapels mit dem elektrischen Bezugspotential der Zellenversorgungseinheit verhindert ist.
Ist die elektrische Verbindung mittels der elektrischen Lei tung realisiert, können sämtliche Versorgungsleitungen jewei lige Isolierabschnitte aufweisen, insbesondere wenn sie im Wesentlichen Metall als Werkstoff aufweisen. Die Versorgungs- leitungen können aber auch aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gebildet sein.
Insbesondere brauchen die der Zellenversorgungseinheit zuge wandten Abschnitte der Versorgungsleitungen bis zu den jewei ligen, gegebenenfalls vorhandenen Isolierabschnitten kein elektrisches Potential aufzuweisen, welches kleiner als das elektrische Potential, insbesondere das elektrische Bezugspo tential, der Zellenversorgungseinheit ist. Dadurch kann in dem Bereich der Versorgungsleitungen zwischen den jeweiligen gegebenenfalls vorhandenen Isolierabschnitten und der Zellen versorgungseinheit ein Korrosionseffekt weitgehend vermieden werden. Die Korrosionsproblematik kann daher auf die jeweils gegenüberliegende Seite des jeweiligen elektrischen Isolier abschnitts verlagert werden, in dessen Bereich eine entspre chende ergänzende Behandlung vorgesehen sein kann, um auch hier den Korrosionseffekt weitgehend zu vermeiden oder sogar vollständig zu verhindern.
Dies kann unter anderem dadurch erreicht werden, dass die aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen nicht mehr potentialfrei gegenüber der Zellenversorgungseinheit sind, sondern durch die erfindungsgemäße Konstruktion sicherge stellt werden kann, dass die Zellenversorgungseinheit immer das kleinste elektrische Potential in der Elektrolyseeinrich tung bereitstellt. Die aufeinanderfolgend angeordneten Elekt rolysezellen des Zellenstapels bleiben dabei weiterhin insge samt elektrisch in Reihe geschaltet.
Durch die erfindungsgemäße Konstruktion kann unter anderem also erreicht werden, dass der korrosive Effekt reduziert werden kann, weil die für den korrosiven Effekt schädlichen Bedingungen reduziert werden können. Aufgrund der elektri schen Potentialdifferenz an den Isolierabschnitten der Ver sorgungsleitungen kann beim Stand der Technik ein elektri scher Strom im durch die jeweilige Versorgungsleitung geführ ten Fluid, insbesondere wenn es Wasser ist, auftreten. Infol gedessen kann es zur Freisetzung von Wasserstoff und Hydro- xidionen kommen. Durch die Erfindung können die für den kor rosiven Effekt relevanten Bedingungen, nämlich insbesondere die Hydroxidionen, reduziert werden. Vorzugsweise können die Hydroxidionen zumindest teilweise im Zellenstapel durch die dort angeordneten Elektrolysezellen verarbeitet beziehungs weise verbraucht werden. Sie stehen daher für den unerwünsch ten korrosiven Effekt nicht mehr zur Verfügung. Besonders vorteilhaft erweist es sich deshalb, wenn die Isolierab schnitte möglichst nahe im Bereich der jeweiligen Enden ange ordnet sind. Insgesamt ermöglicht es die Erfindung somit, die unerwünschte Korrosionswirkung zu reduzieren oder sogar voll ständig zu vermeiden.
Die Elektrolysezellen können beispielsweise in einem einzigen Zellenstapel aufeinanderfolgend angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Elektrolysezellen innerhalb des Zellenstapel elektrisch in Reihe geschaltet. Die gegenüberliegenden Enden des Zellenstapels, und zwar das erste und das zweite Ende, sind an die jeweiligen elektrischen Potentiale der elektri schen Energiequelle anschließbar. Sie können beispielsweise unmittelbar an die elektrische Energiequelle angeschlossen sein. Vorzugsweise sind sie jedoch über eine Steuereinheit an die elektrische Energiequelle angeschlossen, sodass die Funk tion der Elektrolysezellen bedarfsweise eingestellt werden kann.
Die elektrische Energiequelle kann beispielsweise eine belie bige 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 Flächen stromdichte 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 beziehungs weise den Teilstapeln abführen zu können.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass ein Werk stoff der Versorgungsleitungen Metall aufweist, wobei die Elektrolysezellen in wenigstens zwei Teilstapeln angeordnet sind, wobei jeder der wenigstens zwei Teilstapel mittels we nigstens einer an die Zellenversorgungseinheit und an einem ersten Ende des jeweiligen Teilstapels angeschlossenen ersten Versorgungsleitung und wenigstens einer an die Zellenversor gungseinheit und an einem dem ersten Ende in Stapelrichtung gegenüberliegenden zweiten Ende des jeweiligen Teilstapels angeschlossenen zweiten Versorgungsleitung mit der Zellenver sorgungseinheit verbunden ist, wobei diejenige erste Versor gungsleitung, die an dem ersten Ende desjenigen Teilstapels angeschlossen ist, das mit einem negativen elektrischen Po tential der elektrischen Energiequelle koppelbar ist, elektrisch leitend an die Zellenversorgungseinheit ange schlossen ist und alle anderen Versorgungsleitungen jeweilige elektrische Isolierabschnitte aufweisen.
Bei dieser Weiterbildung sind die Elektrolysezellen der Teil stapel vorzugsweise weiterhin in Reihe geschaltet, wobei auch die jeweiligen Teilstapel insgesamt in Reihe geschaltet sind. In Bezug auf den Anschluss an die Zellenversorgungseinheit sind die Teilstapel dagegen dem Grunde nach im Wesentlichen fluidtechnisch parallelgeschaltet. Dadurch kann eine Sta pelspannung an den jeweiligen gegenüberliegenden Enden eines jeweiligen Teilstapels natürlich deutlich kleiner als die elektrische Spannung sein, die an der vollständigen Reihen schaltung durch die elektrische Energiequelle bereitzustellen ist. Zugleich kann auch hier der eingangs beschriebene korro sive Effekt reduziert beziehungsweise weitgehend vermieden werden.
Entsprechend sind auch die elektrischen Isolierabschnitte der Versorgungsleitungen ausgebildet, die beispielsweise aus ei- nem geeigneten Werkstoff gebildet sein können, der mit der jeweiligen Versorgungsleitung mechanisch fest verbunden sein kann. Beispielsweise kann es sich um einen ringförmigen Ab schnitt handeln, der an einem jeweiligen Ende einer jeweili gen Versorgungsleitung angeordnet ist. Darüber hinaus kann der Isolierabschnitt natürlich auch in die Versorgungsleitung integriert sein, sodass die Versorgungsleitung zwei voneinan der elektrisch isolierte Versorgungsleitungsabschnitte auf weist, die durch den Isolierabschnitt voneinander getrennt sind. Diese hierdurch gebildeten Einheiten sind vorzugsweise fluiddicht miteinander verbunden, wobei vorzugsweise ein im Wesentlichen konstanter Innenquerschnitt für den jeweiligen Betriebsstoff bereitgestellt wird.
Als Werkstoff für den elektrischen Isolierabschnitt kann bei spielsweise ein Kunststoff, eine Keramik, aber auch ein Me talloxid wie zum Beispiel Titandioxid, Aluminiumoxid und/oder dergleichen vorgesehen sein. Darüber hinaus kann auch ein Verbundwerkstoff vorgesehen sein, der beispielsweise aus ei nem Kunststoff gebildet sein kann, der zum Beispiel faserver stärkt sein kann. Natürlich können auch nahezu beliebige Kom binationen hiervon vorgesehen sein, die vorzugsweise derart gewählt sind, dass eine chemische Reaktion mit dem jeweils zu führenden Betriebsstoff im Wesentlichen vermieden ist.
Der Werkstoff der Versorgungsleitung weist zumindest Metall auf. Das Metall kann zum Beispiel ein Stahl, insbesondere ein Edelstahl, sein. Darüber hinaus kann natürlich auch ein ande res Metall, beispielsweise Titan oder dergleichen, zum Ein satz kommen. Natürlich können auch entsprechende Metalllegie rungen vorgesehen sein.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass an einem dem jeweiligen Ende des jeweiligen Teilstapels zugewandten Isolierabschnittsende des jeweiligen Isolierabschnitts ver sorgungsleitungsinnenseitig eine elektrische Isolations schicht angeordnet ist. Die hier ausgebildete Isolations schicht ermöglicht es, den Korrosionseffekt weiter zu redu- zieren. Die elektrische Isolationsschicht kann beispielsweise durch einen Kunststoff, eine Keramik oder dergleichen gebil det sein, die innenseitig an der jeweiligen Versorgungslei tung in dem jeweils vorgegebenen Bereich angeordnet ist. Dadurch kann die für Korrosionseffekte zur Verfügung stehende Oberfläche versorgungsleitungsinnenseitig weiter reduziert werden.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn sich die elektrische Isolationsschicht vom jeweiligen Isolierabschnitt bis zum jeweiligen Ende des jeweiligen Teilstapels erstreckt. Dadurch kann ein Korrosionseffekt versorgungsleitungsseitig im Wesentlichen vollständig vermieden werden. Diese Weiter bildung ermöglicht es daher, den Effekt der Erfindung weiter zu verbessern.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die elektrische Isolati onsschicht eine Beschichtung aus einem Isolationswerkstoff aufweist. Die Beschichtung kann zum Beispiel aus einem Kunst stoff, einem Lack, einer Kombination hiervon und/oder der gleichen gebildet sein. Die Beschichtung kann vor einer Mon tage an der jeweiligen Versorgungsleitung innenseitig im Be reich der Durchgangsöffnung der Versorgungsleitung angeordnet sein. Die Beschichtung braucht sich lediglich bis zum elektrischen Isolierabschnitt zu erstrecken. Dadurch kann mit begrenztem Aufwand eine gute Wirkung in Bezug auf den Korro sionsschutz erreicht werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die elektrische Isolati onsschicht einen korrosionsfesten metallhaltigen Stoff auf weist. Dadurch kann eine sehr robuste Oberfläche erreicht werden, die mit der Versorgungsleitung gut verbunden werden kann.
Vorzugsweise ist der korrosionsfeste metallhaltige Stoff ein Metalloxid. Das Metalloxid kann beispielsweise ein Keramik werkstoff, Titandioxid, Aluminiumoxid und/oder dergleichen sein. Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die den jeweiligen Isolierabschnitten zugewandten jeweiligen Enden der Teilstapel gegenüber den Elektrolysezellen elektrisch isoliert sind. Dadurch kann erreicht werden, dass in dem Be reich zwischen Isolierabschnitt und jeweiligem Ende des Teil stapels der Korrosionseffekt weitgehend vermieden wird. Die Wirkung der Erfindung kann dadurch weiter verbessert werden.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Zellenversorgungsein heit zumindest mittelbar elektrisch geerdet ist, das heißt die Zellenversorgungseinheit ist an eine Erdung anschließbar Durch die Erdung kann die Zellenversorgungseinheit mit den mit ihr elektrisch gekoppelten Versorgungsleitungen auf ein vorgegebenes Bezugspotential gelegt werden. Hierdurch kann zugleich auch das negative Potential der elektrischen Ener giequelle, welches über die Versorgungsleitungen mit der Zel lenversorgungseinheit elektrisch gekoppelt ist, ebenso mit telbar zumindest geerdet sein. Anders als im Stand der Tech nik 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 Potential differenz beziehungsweise elektrische Spannung an den jewei ligen elektrischen Isolierabschnitten erreicht werden. Dies erlaubt es, die Zuverlässigkeit der Funktion der Erfindung weiter zu verbessern.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Erdung eine Op feranode und/oder eine Spannungsquelle aufweist, mittels wel cher die Zellenversorgungseinheit mit einem gegenüber dem Erdpotential negativen elektrischen Potential beaufschlagbar ist. Dadurch kann ein „kathodischer Korrosionsschutz" er reicht 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 Vorzugs- weise zugleich entsprechend geerdet. Für eine gute Funktion des auf diese Weise realisierten Korrosionsschutzes kann vor gesehen sein, dass die Spannungsquelle eine elektrische Span nung in einem Bereich von etwa -2 V bis etwa null Volt in Be zug auf das Erdpotential bereitstellt. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn diese elektrische Spannung in einem Be reich von etwa -1 V bis etwa -0,8 V gewählt ist. Mit einer in diesem Bereich gewählten elektrischen Spannung kann eine Kor rosion von zum Beispiel Edelstahl auch unter maritimen Bedin gungen, insbesondere bei Off-Shore-Anwendungen, vermieden werden. Insbesondere kann hierdurch eine äußere Korrosionser scheinung reduziert beziehungsweise verhindert werden.
Um gleichermaßen eine innere Korrosionserscheinung zu redu zieren beziehungsweise zu vermeiden, kann vorzugsweise vorge sehen sein, dass eine weitere Elektrode nach Art einer Gegen elektrode für den kathodischen Korrosionsschutz im Bereich der Zellenversorgungseinheit angeordnet ist. Die innere Kor rosionserscheinung bezieht sich insbesondere auf Korrosions effekte innerhalb der Elektrolyseeinrichtung, besonders in nerhalb 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 versorgungstech- nisch parallel an die Zellenversorgungseinheit angeschlossen. Auf diese Weise kann für die Teilstapel eine gute Versorgung mit dem wenigstens einen Betriebsstoff erreicht werden. Das Versorgen kann ein Zuführen beziehungsweise auch ein Abführen des Betriebsstoffs oder während der Elektrolyse erzeugter Stoffe umfassen.
In den Teilstapeln beziehungsweise Elektrolysezellen ausge bildete Versorgungstrukturen können als interne Isolations strecken dienen. Dabei können Werkstoffe, mit denen bei- spielsweise das zu elektrolysierende Wasser innerhalb eines jeweiligen Teilstapels kontaktiert wird, ausgenommen im Be reich jeweiliger aktiver Zellflächen der jeweiligen Elektro lysezellen, mindestens eine der folgenden drei Anforderungen erfüllen:
- Die Werkstoffe sind nicht-metallisch;
- elektrisch potentialbeaufschlagte Metalle sind mit einer oxidationsstabilen Schicht wie beispielsweise Titandi oxid, einem Polymer oder dergleichen beschichtet;
- nicht-beschichtete Metalle sind elektrisch nicht ange bunden, das heißt, im Wesentlichen elektrisch potential frei, insbesondere schwimmend, angebunden.
Mit der Erfindung kann also erreicht werden, dass die Elekt roden der aktiven Zellflächen der Elektrolysezellen als ano dische Gegenelektroden wirken können. Dadurch kann zum Bei spiel an jeweiligen Anoden der Elektrolysezellen minimal mehr Sauerstoff gebildet und an jeweiligen Kathoden der jeweiligen Elektrolysezellen minimal weniger Wasserstoff erzeugt werden. Diese Veränderungen während der Elektrolyse wirken sich je doch auf den Wirkungsgrad und die Sicherheit der Elektroly seeinrichtung nicht signifikant aus. Vielmehr überwiegt der Vorteil der Erfindung, dass keine Fremdionen aus metallischen Komponenten aufgrund von Streuströmen freigesetzt werden kön nen.
Die für einen jeweiligen der Teilstapel angegebenen Ausge staltungen und Vorteile gelten dem Grunde nach entsprechend angepasst natürlich auch für den gesamten Zellenstapel, wenn keine Teilstapel gebildet sind.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbe schreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeig ten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kom- binationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu ver lassen.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen han delt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Die vorhergehend in der Beschreibung angegebenen Merkmale, Merkmalskombinationen sowie auch die in der folgenden Be schreibung von Ausführungsbeispielen genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinati onen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar. Es sind so mit auch Ausführungen von der Erfindung umfasst beziehungs weise als offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht ex plizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungsformen hervorgehen und erzeugbar sind. Die anhand der Ausführungs beispiele dargestellten Merkmale, Funktionen und/oder Wirkun gen können für sich genommen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung darstellen, welche die Erfindung je weils 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 Wir kungen der Erfindung ergänzt sein.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merk male beziehungsweise Funktionen.
Es zeigen:
FIG 1 in einer schematischen Blockdarstellung eine Elektro lyseeinrichtung zum Elektrolysieren von Wasser;
FIG 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Versor gungsleitung der Elektrolyseeinrichtung gemäß FIG 1 im Bereich eines Isolierabschnitts; FIG 3 eine schematische Blockdarstellung wie FIG 1 einer weiteren Elektrolyseeinrichtung zum Elektrolysieren von Wasser, bei der ein Zellenstapel in vier Teilsta pel gemäß einer ersten Ausgestaltung aufgeteilt ist; und
FIG 4 eine schematische Darstellung wie FIG 3 für eine zwei te Ausgestaltung der Elektrolyseeinrichtung.
FIG 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine Elektrolyseeinrichtung 10, die einen Zellenstapel 54 auf weist, 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 Sauer stoff und Wasserstoff zu zersetzen. Die Elektrolyseeinrich tung 10 dient daher vorliegend der Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser.
Die Elektrolysezellen 12 sind vorliegend unmittelbar benach bart 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 Elektro lysezelle 12 elektrisch kontaktiert. Dadurch sind die Elekt rolysezellen 12 elektrisch in Reihe geschaltet.
Über eine nicht weiter dargestellte innere Versorgungsstruk tur des Zellenstapels 54 werden die Elektrolysezellen 12 ei nerseits mit zu elektrolysierendem Wasser versorgt und ande rerseits Ableitungen für die produzierten Stoffe Wasserstoff und Sauerstoff bereitgestellt. Diese Versorgung ist an je weils 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 vor liegend eine geeignete elektrische Spannung mit einer geeig neten elektrischen Leistung bereitstellt, sodass die Elektro lysezellen 12 für den bestimmungsgemäßen Betrieb ausreichend mit elektrischer Energie versorgt werden können.
Die Elektrolyseeinrichtung 10 umfasst ferner eine Zellenver sorgungseinheit 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 be treffen. Die Zellenversorgungseinheit 18 umfasst mehrere Kom ponenten, die für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Elektro lyseeinrichtung 10 erforderlich sind, wie zum Beispiel Pum pen, Wärmetauscher, Abscheidebehälter und/oder dergleichen, die hier jedoch nicht weiter dargestellt sind. Die Zellenver sorgungseinheit 18 ist mit dem Zellenstapel 54 versorgungs technisch über Versorgungsleitungen 24 verbunden, die an die Zellenversorgungseinheit 18 und die gegenüberliegenden Enden 20, 22 des Zellenstapels 54 angeschlossen sind. Die Versor gungsleitungen 24 koppeln somit fluidtechnisch die Versor gungsstruktur 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 gewähr leistet, dass die Enden 20, 22 elektrisch isoliert von der Zellenversorgungseinheit 18 und damit auch elektrisch iso liert 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 geeig neter Kunststoff beziehungsweise Verbundwerkstoff sein kann. FIG 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer der Ver sorgungsleitungen 24 aus FIG 1 im Bereich des Isolierab schnitts 38. In FIG 2 ist die Versorgungsleitung 24 mit einem ersten Bereich 58 dargestellt, der dem Ende 22 des Zellensta pels 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 ins gesamt fluiddicht ausgebildet und weist einen im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser 62 auf, durch welchen das ent sprechende 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 elektri schen Isolationsabschnitt 38 durch Elektronenaufnahme aus dem Metall der Wand der Versorgungsleitung 24 in das Wasser, wel ches im Innendurchmesser 62 strömt, negative Hydroxidionen gebildet werden, die aufgrund des elektrischen Felds zum Be reich 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 Versorgungslei tung 24 in diesem Bereich 64. Das ist unerwünscht.
Für diese Art der Korrosion ist zu bedenken, dass über die elektrischen Isolierabschnitte 38 in der Regel im bestim mungsgemäßen 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 Korrosi onseffekt 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 Was ser 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 Wasser stoff 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 elektri schen Felds im Bereich des elektrischen Isolierabschnitts 38 dazu, vom Bereich 56 zum Bereich 58 zu wandern. In diesem Be reich 58 wird dann das metallische Material der Versorgungs leitung 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 belie bigen metallischen Werkstoff auftreten.
Neben dem Freisetzen von Eisen können aber auch weitere Me talle, die im Stahl vorhanden sein können, aufgelöst werden. Hierbei können Kationen gebildet werden. Wegen deren positi ver Ladung haben die Metall-Kationen die Tendenz, in Gegen richtung 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 Parti kel, die sich in den Versorgungsleitungen 24 und den Kompo nenten der Elektrolyseeinrichtung 10 verteilen können. Sie können vor allem in den Versorgungsleitungen 24, in denen ebenfalls Wasserstoff geführt wird, beobachtet werden. Ge langt dieses Rouging in den sauerstoffführenden Teil der Elektrolyseeinrichtung 10, kann sich das Rouging wieder unter Bildung von Ionen auflösen.
Unter anderem können dann Kationen von der Sauerstoffseite aus in die Elektrolysezellen 12 gelangen und sich dort anrei chern. Dieser Vorgang kann zu höheren Zellspannungen und da mit sinkender Effizienz der Elektrolyseeinrichtung 10 führen. Weiterhin können schädigende Mechanismen für die Elektrolyse zellen 12 mit diesen Kationen in Verbindung gebracht werden. Beispielsweise kann an den Elektroden gebildetes Wasserstoff peroxid bei Kontakt mit Metallionen in Radikale umgewandelt werden, welche eine Membranstruktur der Elektrolysezellen 12 chemisch angreifen und so die Standzeit der Elektrolysezellen 12 beeinträchtigen können.
FIG 3 zeigt nun eine Elektrolyseeinrichtung 60, mit der der vorgenannte Korrosionseffekt, der anhand von FIG 2 erläutert wurde, weitgehend vermieden werden kann. Die folgenden Erläu terungen basieren auf den Erläuterungen zu den FIG 1 und 2, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen ver wiesen wird.
Wie aus FIG 3 ersichtlich ist, sind die Elektrolysezellen 12 in vier Teilstapel 26, 28, 30, 32 angeordnet. Jeder der vier Teilstapel 26, 28, 30, 32 ist mittels zweier an die Zellen versorgungseinheit 18 und an einem ersten Ende des jeweiligen Teilstapels 26, 28, 30, 32 angeschlossenen ersten Versor gungsleitungen 24 und zweier an die Zellenversorgungseinheit 18 und an einem dem ersten Ende 20 in Stapelrichtung 14 ge genüberliegenden 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 Aus führungen 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 Energie- quelle 60 gekoppelt ist, ist elektrisch leitend an die Zel lenversorgungseinheit 18 angeschlossen. Dadurch ist genau dieses erste Ende 20 des Teilstapels 26 elektrisch unmittel bar mit der Zellenversorgungseinheit 18 verbunden. Alle ande ren Versorgungsleitungen 24 weisen jeweilige elektrische Iso lierabschnitte 38 auf.
Vorliegend ist vorgesehen, dass die Anzahl der Elektrolyse zellen 12 der Teilstapel 26, 28, 30, 32 für alle Teilstapel 26, 28, 30, 32 gleich ist. Je nach Bedarf kann dies bei ande ren 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 Teilsta pel 26, 28, 30, 32 - wie bei dem Zellenstapel 54 gemäß FIG 1 - vorliegt.
Durch diese Konstruktion der Elektrolyseeinrichtung 60 kann erreicht werden, dass die Zellenversorgungseinheit 18 elektrisch betrachtet das kleinste elektrische Potential der gesamten Elektrolyseeinrichtung 60 aufweist. Dieses elektri sche Potential ist ferner mit dem negativen elektrischen Po tential 34 der elektrischen Energiequelle 16 verbunden. Die elektrische Energiequelle 16 stellt darüber hinaus das posi tive elektrische Potential 36 bereit. Zwischen dem negativen und dem positiven elektrischen Potential 34, 36 stellt die elektrische Energiequelle 16 die Betriebsspannung für den be stimmungsgemäßen Betrieb der Elektrolyseeinrichtung 60 be reit.
In der vorliegenden Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass an den jeweiligen Enden 20, 22 der jeweiligen Teilstapel 26, 28, 30, 32 zugewandten Isolierabschnittsenden 40 der jeweili gen Isolierabschnitte 38 versorgungsleitungsinnenseitig eine elektrische Isolationsschicht ausgebildet ist, die vorliegend durch eine Beschichtung aus einem Isolationswerkstoff gebil- det ist. Der Isolationswerkstoff ist beispielsweise ein ge eigneter Kunststoff. Alternativ oder ergänzend kann jedoch auch ein korrosionsfester metallhaltiger Stoff vorgesehen sein, beispielsweise ein Metalloxid oder dergleichen, insbe sondere zum Beispiel ein Keramikwerkstoff.
Darüber hinaus kann ferner vorgesehen sein, dass die jeweili gen Enden 20, 22 der Teilstapel 26, 28, 30, 32, die den je weiligen 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 Zellenversor gungseinheit 18, wie vorliegend in FIG 3 dargestellt ist, mittels einer Erdung 42 elektrisch geerdet ist.
Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung gemäß FIG 4 vor gesehen. FIG 4 zeigt in einer schematischen Darstellung wie FIG 3 eine Variante der Elektrolyseeinrichtung 60 gemäß FIG 3, wobei im Folgenden lediglich die Unterschiede ein Bezug zur Ausgestaltung gemäß FIG 3 erläutert werden.
In FIG 4 ist vorgesehen, dass die Erdung 42 nicht unmittelbar an der Zellenversorgungseinheit 18 vorgesehen ist, sondern unter Nutzung einer Spannungsquelle 44, mittels der die Zel lenversorgungseinheit 18 mit einem gegenüber dem Erdpotential negativen elektrischen Potential beaufschlagbar ist. Zu die sem Zweck stellt die Spannungsquelle 44 eine elektrische Spannung von etwa -1 V bis etwa -0,8 V bereit. Diese Spannung kann jedoch grundsätzlich auch zum Beispiel in einem Bereich von etwa -2 V bis etwa null Volt gewählt sein.
Mit einer derart eingestellten elektrischen Spannung lässt sich der Korrosionseffekt, beispielsweise bei Edelstahl, auch unter maritimen Bedingungen, beispielsweise bei Off-Shore- Anwendungen, gegen Korrosion noch besser unterdrücken.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn dann die Gegen elektrode für den kathodischen Korrosionsschutz auch im Be- reich der Zellenversorgungseinheit 18 angeordnet ist. Die hier für die Erdung 42 vorgesehene Elektrode ist vorliegend durch eine Titananode gebildet, die mit einem Mischoxid be schichtet ist. Die Titananode mit der Mischoxidbeschichtung ist vorliegend elektrisch isoliert von der Zellenversorgungs einheit 18 in einer Flüssigphase eines nicht weiter darge stellten Sauerstoffabscheidebehälters angeordnet.
Insgesamt zeigen die Ausführungsbeispiele, dass mit der Er findung erreicht werden kann, dass die Korrosion dadurch re duziert werden kann, dass mehrere Teilstapel 26, 28, 30, 32 der Elektrolysezellen 12 gebildet werden können, die weiter hin sämtlich elektrisch in Reihe geschaltet sind, jedoch über eigene Versorgungsleitungen 24 separat mit der Zellenversor gungseinheit 18 verbunden sind.
Durch das Erdungs- beziehungsweise Massekonzept der Erfindung kann die Freisetzung von Metallionen weitgehend verhindert werden. Die Elektroden der aktiven Zellflächen der Elektroly sezellen 12 können daher für Streuströme als anodische Gegen elektroden wirken. Somit kann die unerwünschte Korrosion weitgehend vermieden werden.
Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung bei der Elektrolyse von Wasser beschränkt und kann gleichermaßen auch bei anderen durchzuführenden Elektrolysen, beispielsweise einer Kohlen stoffdioxidelektrolyse oder dergleichen zum Einsatz kommen.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläute rung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolyseeinrichtung (60) mit
- einer Mehrzahl von Elektrolysezellen (12), die elektrisch in Reihe geschaltet und die zumindest teilweise in einer Stapelrichtung (14) aufeinanderfolgend angeordnet sind, wo bei die Reihenschaltung mit einer elektrischen Energiequel le (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 gegenüberlie genden Enden (20, 22) der aufeinanderfolgend angeordneten Elektrolysezellen (12) angeschlossenen Versorgungsleitungen (24), dadurch gekennzeichnet, dass ein negatives elektrisches Potential (34) der elektrischen Energiequelle (16) mit einem elektrischen Bezugspotential der Zellenversorgungseinheit (18) elektrisch koppelbar ist.
2. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass ein Werkstoff der Versorgungsleitungen (24) Metall aufweist, wobei die Elektrolysezellen (12) in wenigs tens 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) gegenüber liegenden 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 elektri schen Energiequelle (16) koppelbar ist, elektrisch leitend an die Zellenversorgungseinheit (18) angeschlossen ist und alle anderen Versorgungsleitungen (24) jeweilige elektrische Iso lierabschnitte (38) aufweisen.
3. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass an einem dem jeweiligen Ende (20, 22) des je weiligen Teilstapels (26, 28, 30, 32) zugewandten Isolierab schnittsende (40) des jeweiligen Isolierabschnitts (38) ver sorgungsleitungsinnenseitig eine elektrische Isolations schicht angeordnet ist.
4. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass sich die elektrische Isolationsschicht vom je weiligen Isolierabschnitt (38) bis zum jeweiligen Ende (20, 22) des jeweiligen Teilstapels (26, 28, 30, 32) erstreckt.
5. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die elektrische Isolationsschicht eine Be schichtung aus einem Isolationswerkstoff aufweist.
6. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolations schicht einen korrosionsfesten metallhaltigen Stoff aufweist.
7. Elektrolyseeinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den jeweiligen Iso lierabschnitten (38) zugewandten jeweiligen Enden (20, 22) der Teilstapel (26, 28, 30, 32) gegenüber den Elektrolysezel len (12) elektrisch isoliert sind.
8. Elektrolyseeinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenversorgungs einheit (18) zumindest mittelbar elektrisch an eine Erdung (42) anschließbar (42) ist.
9. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, dass die Erdung (42) eine Opferanode und/oder eine Spannungsquelle (44) aufweist, mittels der die Zellenversor- gungseinheit (18) mit einem gegenüber dem Erdpotential (42) negativen elektrischen Potential beaufschlagbar ist.
10. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstapel (26, 28, 30, 32) versorgungstechnisch parallel an die Zellenversorgungseinheit (18) angeschlossen sind.
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