EP4609012A2 - Druckelektrolyseur, elektrolyseanlage und elektrolyseverfahren - Google Patents

Druckelektrolyseur, elektrolyseanlage und elektrolyseverfahren

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Publication number
EP4609012A2
EP4609012A2 EP23793802.2A EP23793802A EP4609012A2 EP 4609012 A2 EP4609012 A2 EP 4609012A2 EP 23793802 A EP23793802 A EP 23793802A EP 4609012 A2 EP4609012 A2 EP 4609012A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
end plate
pressure
stack
housing body
section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23793802.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel TADJE
Christian HÄGELE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kanadevia Inova AG
Original Assignee
Kanadevia Inova AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kanadevia Inova AG filed Critical Kanadevia Inova AG
Publication of EP4609012A2 publication Critical patent/EP4609012A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/05—Pressure cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms

Definitions

  • the above invention relates to a pressure electrolyzer designed according to the preamble of claim 1, in particular a high-pressure electrolyzer, such as an alkaline electrolyzer for water electrolysis.
  • the present invention further relates to an electrolysis system, in particular a water electrolysis system, with a corresponding pressure electrolyzer, and an electrolysis process which is carried out in the electrolyzer.
  • Electrolyzers that operate at a pressure higher than atmospheric pressure are known, for example, from the publications DE 10 2014 010 813 A1 and EP 1 464 730 A1. For reasons of mechanical integrity, these pressure electrolyzers have a pressure-bearing frame construction to protect the electrolysis block, i.e. to protect the cell stack with electrolysis cells. Known pressure electrolyzers carry out electrolysis at a pressure of around 20 to 50 bar.
  • the publication DE 44 18 999 A1 discloses a pressure electrolyzer with a cell block that is installed in a cylindrical pressure tube.
  • the pressure tube is closed at its ends by end flanges, which are also the end flanges of the cell block. In this way, the same pressure conditions prevail inside and outside the cell spaces of the electrolysis cells.
  • both the internal sealing of the electrolysis cells and the external sealing of the tubular pressure vessel are carried out by an axial seal.
  • the electrolyzer must therefore work with very tight tolerances. This axial seal enables proper sealing of the electrolyzer only at a relatively low working pressure of the electrolysis cells.
  • Figure 4 of the document EP 0 212 240 A1 discloses a pressure electrolyzer in which the end flanges of the cell block are cast into a common seal. This seal serves both to seal the electrolysis cells from one another and to seal the interior of the pressure vessel from the environment. Due to the high pressure load, this seal must be very strong in order to withstand the pressure conditions acting on it.
  • High-pressure electrolyzers that carry out electrolysis under high pressure, for example under a pressure of at least 200 bar, such as 350 bar or 700 bar, are called high-pressure electrolyzers.
  • a high-pressure electrolyzer can be used to provide compressed hydrogen, for example, which can be used as a fuel or as an energy source.
  • a pressure electrolyzer designed according to the preamble of claim 1 is known from the publication US 2011/0210012 A1.
  • This pressure electrolyzer is a high-pressure electrolyzer and is used to produce hydrogen.
  • the publication US 2011/0210012 A1 teaches arranging the cell stack, the so-called stack of the electrolyzer, in a cup-shaped pressure vessel that is sealed against the ambient pressure and subjected to the working pressure of the electrolyzer.
  • an end plate of the cell stack forms a stationary head, which is formed in one piece with a lid of the cup-shaped pressure vessel and is equipped with electrical anode and cathode connections.
  • the second end plate of the cell stack forms a moving head, which can move freely in the longitudinal direction relative to the stationary head in response to a thermally induced expansion or contraction of the electrolysis cells.
  • these In order to seal the cell frames of the respective electrolysis cells from each other, these have internal O- Ring seals that surround the cell frames.
  • external seals In order to separate the interior of the pressure vessel from the ambient pressure, external seals are also provided, which are axially clamped between the stationary head and an anode plate of the cell stack ( Figure 2 of US 2011/0210012 A1).
  • the disadvantage of this system is that it is complex in structure and strong mechanical forces act on the anode plate of the cell stack due to the existing pressure difference.
  • US4210511 discloses a pressure electrolyzer with a cell block that is installed in a cylindrical tubular pressure vessel.
  • the tubular pressure vessel comprises a pressure tube and two end flanges, each of which closes one end of the pressure tube in the position of use.
  • the end flanges have axial passages for threaded rods, which threaded rods clamp the end flanges axially between the end flanges by means of nuts attached to them.
  • disks made of electrically insulating material are provided between the nuts and the end flanges.
  • the disks enable the threaded rods to be centered in the respective passages, so that a radial clearance is ensured between the threaded rods and the end flanges.
  • the end wall of the pressure tube has a receiving groove that runs in the circumferential direction and is open radially towards the interior of the pressure tube.
  • the end flanges each have an axially protruding projection carrying a radial seal, which projection is designed to be received in the receiving groove in a sealing manner in the position of use.
  • a holding plate is provided between the end flanges and the cell block, which holds the cells of the cell block in the axial direction in the position of use and at the same time comes into contact with the bottom of the receiving groove.
  • the inner seal of the Electrolysis cells are sealed by an axial seal and the external sealing of the tubular pressure vessel is carried out by a radial seal.
  • the design of the electrolyzer requires machining of the end walls, in particular the manufacture of the receiving groove, which requires tight tolerances.
  • the receiving groove must in fact allow simultaneous axial contact of the holding plate with the bottom of the receiving groove and with the cell block.
  • the electrolyzer must work with very tight tolerances, in particular the thickness tolerance of the cells, in order to enable this contact and to maintain it during operation, so that the mechanical stress on the holding plates and the external seal does not cause a loss of tightness.
  • the electrolyzer experiences an increase in temperature, which causes the cells to expand, resulting in further stress on the holding plates.
  • the discs made of insulating material can suffer mechanically and become damaged over time.
  • CN104911626B discloses a pressure electrolyzer for hydrogen production, which comprises a positive end plate and a negative end plate.
  • Flat cylindrical seals and cell frame assemblies are arranged offset between the positive end plate and the negative end plate. Threaded rods are passed through the positive end plate and the negative end plate to clamp the combined seal and the cell frame assemblies. Sealing against the ambient pressure is achieved via the flat cylindrical seals in the axial direction.
  • the cell block of the pressure electrolyzer is not installed in a cylindrical tubular pressure vessel. For this reason, the cell frame assemblies are exposed to high mechanical stress when a high working pressure is applied.
  • the present The invention is based on the task of developing a pressure electrolyzer of the type mentioned at the beginning in such a way that the pressure electrolyzer can be manufactured as simply and inexpensively as possible.
  • the pressure vessel should seal against the ambient pressure in a simple manner, reliably and for a long time.
  • the pressure electrolyzer should be designed in such a way that the mechanical forces acting on the internal seals and the external seal are as low as possible and the pressure electrolyzer should have as few separate parts as possible.
  • the pressure electrolyzer should have reliable and long-lasting insulation, which prevents short circuits.
  • the present invention is based on the object of providing an electrolysis plant comprising the pressure electrolyzer and a method for providing at least one gas product by means of electrolysis, which method is carried out in the pressure electrolyzer.
  • the invention relates to a pressure electrolyzer for providing at least one gas product, comprising a cell stack with several electrolysis cells designed for electrochemical electrolysis and a pressure vessel sealed against the ambient pressure.
  • the pressure electrolyzer is designed to carry out the electrolysis of water into its elements oxygen and hydrogen, which are formed as gas products.
  • the electrolysis cells are connected in series in an axial direction and clamped between a first stack end plate and another stack end plate.
  • the electrolysis cells each have a cavity in which to which a working pressure is applied, as well as a stabilizing cell frame surrounding the cavity.
  • an internal seal is arranged between two cell frames, whereby the internal seals run around the respective cavities of the electrolysis cells and seal them off from the environment of the electrolysis cells.
  • the internal seals are arranged in the axial direction between the cell frames and clamped between the stack end plates.
  • the preferably cylindrical pressure vessel has a pressure-resistant housing body with an end wall at each of its axial ends, as well as the first stack end plate as the cover surface and the further stack end plate as the base surface.
  • the housing body is clamped between the first stack end plate and the further stack end plate and has at least one external seal designed to seal the interior of the pressure vessel against the ambient pressure.
  • the cell stack is accommodated in the interior of the pressure vessel in a working section of the housing body, in which pressure vessel the working pressure of the electrolysis cells is applied.
  • At least one of the first stack end plate or the further stack end plate has an axial end plate projection.
  • the first stack end plate or the further stack end plate or both stack end plates have an axial end plate projection.
  • the external seal is clamped in the radial direction between the housing body and a sealing section of the end plate projection.
  • the sealing section has a cross section which, in the position of use, is inscribed in the cross section of the working section. Furthermore, the sealing section projects into the working section of the housing body.
  • the end plate projection has a stamping surface on its side facing the cell stack, which in the position of use of the pressure electrolyzer presses the cell stack in the axial direction to clamp the cell stack between the first and the other stack end plate.
  • At least one of the first stack end plate or the further stack end plate comprises a closing plate, which can act as a cover surface or as a base surface, and the end plate projection, which projects axially inward from the closing plate and projects into the working section.
  • the pressure electrolyzer advantageously has fastening elements or fastening rods which clamp the stack end plates together.
  • the fastening elements can have threaded rods as tie rods which clamp the electrolysis cells axially between the stack end plates by means of attached nuts.
  • the fastening elements are preferably electrically insulated from the first stack end plate and the further stack end plate.
  • the sealing section of the end plate projection has a cross section which, in the position of use, is inscribed in the cross section of the working section, the sealing section can be inserted into the pressure vessel.
  • the end plate projection protrudes into the pressure vessel by at least one insertion length of the end plate projection.
  • the cross section defines the cross section running at right angles to the axial direction.
  • the end plate projection protruding into the working section of the housing body allows for greater tolerance in the construction of the pressure electrolyzer, particularly in the thickness tolerance of the electrolysis cells.
  • the end plate projection can protrude more or less into the housing body depending on the deviation from the nominal thickness of the cell stack. This is done without endangering the tightness because the external seal is arranged radially between the sealing section of the end plate projection and the housing body.
  • the tightness of the pressure vessel can be ensured regardless of the design of the end walls of the housing body, because the external seal in the position of use in the working section and not between the end walls and the locking plate.
  • one of the first stack end plate or the further stack end plate is integrally and one-piece formed, i.e. the end plate projection and the closing plate form an inseparable unit, preferably made of a single material.
  • a pressure electrolyzer can comprise a hundred or more electrolysis cells, each of which has a nominal thickness and a thickness tolerance. Consequently, the thickness tolerance is multiplied by a factor of a hundred or more when calculating the total thickness of the cell stack.
  • a thickness tolerance of the electrolysis cells of +/- 0.1 mm, this means a dimension, i.e. a deviation from the nominal dimension, of +/- 10 mm for the cell stack.
  • the end plate projection protrudes into the working section of the housing body, it can protrude more or less depending on the dimension, while its stamping surface presses the cell stack in the axial direction. The end plate projection can thus compensate for the dimension of the cell stack.
  • the working pressure in the pressure vessel is maintained because the external seal is clamped in the radial direction between the housing body and the end plate projection. A larger thickness tolerance is therefore permitted during production. This is advantageous because the production of the electrolysis cells is correspondingly simplified and thus cheaper.
  • the nominal thickness of the cell stack is the sum of the nominal thicknesses of the electrolysis cells.
  • the cell stack dimension is the cumulative deviation of the thicknesses of the electrolysis cells from their nominal thickness.
  • the upper dimension of the cell stack is the highest positive tolerance, i.e. the maximum positive deviation from the nominal thickness. This occurs when each electrolysis cell has the maximum positive deviation from its nominal thickness.
  • the lower dimension of the cell stack is the highest negative tolerance, i.e. the maximum negative deviation from the nominal thickness.
  • the nominal thickness plus the upper dimension gives the maximum dimension, i.e. the maximum thickness of the cell stack.
  • the nominal thickness minus the lower dimension gives the minimum dimension, i.e. the minimum thickness of the cell stack.
  • the end plate projection has a cross section over its entire axial length which, in the position of use, is inscribed in the cross section of the working section.
  • the manufacture of the end plate projection is therefore simplified.
  • the end plate projection can optionally be introduced into the working section over its entire length, whereby larger thickness tolerances can be compensated.
  • the stamping surface is aligned perpendicular to the axial direction in order to have a stamping surface running parallel to the electrolysis cells, which can press the cell stack homogeneously.
  • the stamping surface is in direct contact with the electrolysis cell facing the stamping surface in order to avoid interfaces.
  • the present invention is based on arranging the cell stack in a pressure vessel designed as a closed pressure compartment and between to clamp two stack end plates, wherein at least one external seal designed to seal the interior of the pressure vessel against the ambient pressure is arranged in such a way that the forces which clamp the cell stack and the forces which clamp the external seal act in different directions.
  • the forces acting on the cell stack and the forces acting on the external seal are therefore aligned differently and thus distributed more evenly, whereby the requirements for the stability of the cell stack and the stability of the external seal are lower and these can be made from a larger selection of materials.
  • This also has the advantage that the electrolysis cells are free of the external seal and are therefore easier to manufacture.
  • the end plate projection comprises an inner section and an outer section.
  • the inner section In the use position, the inner section is arranged in the housing body and comes into contact with the cell stack.
  • the sealing section is part of the inner section.
  • the outer section In the use position, the outer section is arranged outside the housing body and is intended to form an axial air gap between the end wall of the housing body and at least one of the first stack end plate or the further stack end plate.
  • the external seal arranged between the end plate projection and the housing body electrically insulates the housing body from at least one of the first stack end plates or from the further stack end plates. Insulation of the fastening elements which clamp the first stack end plate and the further stack end plate together is therefore only necessary for the first stack end plate or the further stack end plate.
  • the end plate projection is electrically insulated from the housing body by an electrically insulating support element. The support element supports a coaxial arrangement of the housing body to the end plate projection.
  • the support element runs radially between the end plate projection and the housing body and preferably lies directly axially against the external seal in order to prevent the external seal from slipping.
  • the axial section of the pressure vessel in which the cell stack is arranged in the position of use defines the working section of the pressure vessel.
  • the working section extends over an axial length which corresponds at least to the sum of the nominal thickness of the cell stack, the upper dimension of the cell stack and an axial reserve length.
  • the reserve length is intended to accommodate the inner section of the end plate projection in the housing body so that the end plate projection, in particular its stamping surface, comes into contact with the cell stack in the use position. At least the sealing section is in the working section. Depending on the actual dimensions of the cell stack, the length corresponding to the upper dimension can also be intended to accommodate the inner section of the end plate projection.
  • An overall axial length of the end plate projection includes the insertion length corresponding to the inner portion and may include a residual length corresponding to an outer portion of the end plate projection extending outside the housing body.
  • the overall axial length of the end plate projection extends from the punch surface to the foot of the end plate projection, which foot is at the level of the closing plate.
  • the total length of the end plate projection is calculated such that an axial air gap between the closing plate and the corresponding end wall of the housing body in position of use. This enables electrical insulation between the housing body and the stack end plate.
  • the total axial length of the end plate projection is at least as large as the sum of the lower dimension of the cell stack to ensure that the end plate projection comes into contact with the cell stack and the thickness of the sealing section to ensure that the sealing section is in the working section for the tightness of the pressure vessel. In the position of use, the insertion length of the end plate projection depends on how large the actual dimension of the cell stack is.
  • the reserve length can also be calculated so that additional electrolysis cells can optionally be included in the cell stack.
  • the total axial length of the end plate projection is calculated so that the end plate projection comes into contact with the cell stack in the position of use.
  • the operating position of the pressure electrolyzer corresponds to an assembled state of the pressure electrolyzer.
  • the working section has a cross-section that allows the cell stack to be accommodated.
  • the cross-section of the cell stack is inscribed in the cross-section of the working section, whereby a radial distance between an inner surface of the housing body and the cell stack can be present over the entire circumference of the cell stack. This allows electrical insulation between the cell stack and the housing body.
  • the working section has the same cross-section over its length.
  • the housing body has the same cross-section as the cross-section of the housing body over the entire length of the housing body. This simplifies the manufacture of the housing body and is therefore more cost-effective.
  • the working section extends over an entire axial length of the housing body. The cell stack can thus be arranged flexibly in the housing body. The cross section of the housing body can remain the same over its entire length.
  • the end plate projection has the same cross-section as the cross-section of the electrolysis cells. In this embodiment, it is ensured that the cell stack is pressed homogeneously in the axial direction by the end plate projection.
  • the housing body is preferably cylindrical, particularly preferably circularly cylindrical, in order to create a radial distribution of the forces exerted by the working pressure.
  • the cross section of the housing body forms a circular cross section which has the same diameter over the axial length of the housing body.
  • the end plate projection has a cross section which, in the position of use, is inscribed in the circular cross section of the working section. Specifically, the longest dimension of the cross section of the end plate projection is smaller than the diameter of the circular cross section.
  • the end plate projection is designed as a circular cylinder, a circular, axially centered disk, which in the position of use extends at least partially into the working section. This embodiment ensures that the cell stack is pressed homogeneously in the axial direction by the end plate projection.
  • the working section extends over the entire length of the housing body so that the housing body can accommodate as many electrolysis cells as possible.
  • the internal seals act in the axial direction and the external seal in the radial direction, ie the internal seals seal in the axial direction and the external seals seal in the radial direction.
  • the forces acting on the internal seals are acting forces are aligned in the direction of the longitudinal axis of the housing body of the pressure vessel, for example horizontally.
  • the forces acting on the external seal are aligned in the direction of the radius of the housing body of the pressure vessel, i.e. in the radial direction. Due to this different alignment of the internal seals and the external seal, the overall mechanical load acting on these seals is reduced. This means that the seals, i.e. the internal seals as well as the external seals, reliably fulfill their sealing function even at very high pressure conditions, can be manufactured from cost-effective material and are designed to be durable.
  • the pressure vessel is formed from the two stack end plates of the cell stack and a tubular or shell-like housing geometry, which forms the housing body and is pressure-tightly connected to the end plates, also called stack end plates, of the electrolysis cell stack.
  • the first stack end plate can be designed as an anodic end plate in its area facing the electrolysis cells, in particular in an area designed as a stamping surface, and the other stack end plate can be designed as a cathodic end plate in its area facing the electrolysis cells, or vice versa.
  • the electrical insulation of the pressure electrolyzer is designed in such a way that an electrical current can flow between the end plates, whereby possible electrical short circuits caused by, for example, fastening elements or the housing body are avoided.
  • the anodic end plate and/or the cathodic end plate may be split into two parts, as described in more detail below.
  • the first stack end plate and the further stack end plate each have an end plate projection.
  • the end plate projection is designed the same for the first stack end plate and the further stack end plate.
  • the first stack end plate and the further stack end plate are designed the same, so that only a single stack end plate needs to be designed, which fits both ends of the housing body.
  • the first stack end plate or the further stack end plate has an end plate projection.
  • This embodiment has the advantage that only one stack end plate, e.g. the first stack end plate, has to be machined in order to form the end plate projection.
  • the further stack end plate can be connected to the housing body in a sealing manner via an external seal arranged between the corresponding end wall of the housing body and the further stack end plate.
  • the stamp surface is directly adjacent to the electrolysis cell facing the stamp surface. This allows a compact embodiment of the pressure electrolyzer to be produced.
  • At least one of the first stack end plate or the further stack end plate is the first stack end plate, which first stack end plate can be detachably connected to the housing body and is designed to close an axial opening of the housing body in a pressure-tight manner.
  • first stack end plate can be detachably connected to the housing body and is designed to close an axial opening of the housing body in a pressure-tight manner.
  • the further stack end plate is designed integrally and pressure-tightly with the housing body. Integral is to be understood as meaning that the housing body and the further stack end plate are connected to one another to form a single complete piece. For example, the housing body and the further stack end plate can be welded together tightly.
  • the pressure vessel can thus be designed as simply as possible because no external seal is required on this side.
  • the external seal runs around the outer circumference of the end plate projection, which end plate projection preferably has a circumferential sealing groove in the sealing section for receiving the external seal.
  • the production of the sealing groove in the end plate projection, in particular in the sealing section of the end plate projection, is less complex than in the inner wall of the housing body.
  • the wall thickness of the housing body can be chosen to be thinner if the sealing groove is formed in the end plate projection. This is advantageous for the manufacturing costs.
  • the external seal acts radially.
  • the external seal is designed as a separate element which is clamped between the housing body and a radial sealing surface, wherein the sealing surface forms a bottom of the sealing groove.
  • the bottom of the sealing groove preferably runs parallel to the axial direction, seen in the longitudinal cross section.
  • the outer circumference of the stack end plates is larger than the outer circumference of the housing body, so that the stack end plates have an outer region extending away from an outer surface of the pressure vessel.
  • the stack end plates are arranged parallel to one another.
  • the stack end plates are clamped together at their outer region by means of at least three fastening elements extending in the direction of the longitudinal axis of the housing body, i.e. in the axial direction, in such a way that the cell stack is clamped axially between the stack end plates, in particular between the stamping surface and the opposite stack end plate.
  • Each electrolysis cell has a surrounding cell frame for stabilization.
  • the internal seal is arranged between two cell frames in the cell stack.
  • the internal seals are each clamped between two cell frames, with the cell frames each having a frame groove for accommodating an internal seal
  • the frame grooves each have a sealing surface which forms a bottom of the frame groove.
  • the bottom of the frame groove runs parallel to the plane of the respective cell frame.
  • the sealing surface of the frame grooves is arranged perpendicular to the sealing surface of the sealing groove.
  • the external seal is designed as a double seal.
  • a further external seal runs around the outer circumference of the end plate projection, which end plate projection preferably has a further sealing groove running around it to accommodate the further external seal. The tightness of the pressure vessel is thus better ensured.
  • the end wall of the housing body which faces the at least one of the first stack end plates or the further stack end plate, runs in a plane extending at right angles to the axial direction.
  • the housing body can thus be manufactured cost-effectively because the end formed by the end wall can be manufactured via a cut without complex machining of the end wall, for example without a groove or without a step.
  • the end wall runs in a plane which can result from a cut transverse to the axial direction.
  • the end wall runs from the outer surface of the housing body to the inner surface of the housing body in one plane, i.e. the transition from the outer surface to the inner surface runs without interruption, for example without interruption by a recess or a groove.
  • both ends of the housing body each run in a plane extending at right angles to the axial direction.
  • the end wall of the housing body runs on both ends in a plane extending at right angles to the axial direction.
  • the fastening elements When clamping the stack end plates, the fastening elements can be electrically insulated from the stack end plates by insulating elements to prevent an electrical short circuit between the poles of the cell block.
  • Stack end plates can have axial passages for the fastening elements, e.g. threaded rods.
  • insulation elements made of electrically insulating material can be provided between the fastening elements and the stack end plates.
  • the insulation elements can be discs, which at the same time enable the fastening elements to be centered in the respective passages, so that a radial clearance is guaranteed between the fastening elements and the stack end plates. It is also possible to provide a housing body made of electrically insulating material.
  • At least one of the first stack end plate or the further stack end plate is designed in the form of an assembly, wherein the closing plate, which acts as a cover surface or as a base surface, and the end plate projection are designed separately, wherein the closing plate and the end plate projection are electrically insulated from one another by a separating layer made of electrically insulating material.
  • the first stack end plate or the further stack end plate or both stack end plates are designed as an assembly.
  • the first stack end plate or the further stack end plate is divided into two parts.
  • the elements of the assembly i.e. the closing plate, the end plate projection and the separating layer, are easier to manufacture because three functions of the stack end plate, namely stability of the pressure electrolyzer, pressure tightness and electrical insulation, can be separated.
  • the selection of materials for the elements of the stack end plate can thus be optimized depending on the function of the elements.
  • the closing plate must act as a pressure element in the axial direction and thereby contribute to the stability of the pressure electrolyzer.
  • the end plate projection which carries the external seal, acts as a sealing element.
  • the separating layer acts as an insulating element between the poles of the cell block.
  • Electrical contact with the cell stack can be established via a passage formed in the closing plate and the separating layer.
  • the manufacture of the stack end plate as an assembly is simplified because there is no need to mill out a base plate to form the end plate projection.
  • the housing body of an electrolyzer can be up to 2.5 meters long and have a diameter of up to 1.5 meters. The milling must adhere to tight tolerances in order to ensure the tightness and mechanical stability of the pressure vessel. Machining the base plate can therefore be difficult, especially with large diameters.
  • This embodiment also has the advantage that no further electrical insulation of the fastening elements is required.
  • the separating layer takes on the function of insulation between the poles of the cell block. Consequently, fewer components are required.
  • the pressure electrolyzer is less susceptible to insulation failure, so that the pressure electrolyzer can be operated more safely.
  • the insulation takes place in one place, namely on the separating layer, which is homogeneously axially pressed between the end plate projection and the closing plate.
  • the separating layer is hardly exposed to any other mechanical loads.
  • the insulation elements are mechanically stressed when the pressure electrolyzer is assembled. If disc-shaped insulation elements are used, they are each pressed between a nut and the stack end plate and subjected to a shear load when the nut is screwed in tightly.
  • the electrical contact to the end plate projection can be made via an electrical connection which is electrically insulated through the separating layer and the closing plate.
  • the first stack end plate and the further stack end plate are each designed in the form of an assembly. This allows a symmetrical construction of the pressure electrolyzer.
  • the first stacking end plate and the further stacking end plate are designed identically, so that only a single stacking end plate needs to be designed, which fits both ends of the housing body.
  • the closing plate is designed as a flat plate of the same thickness everywhere, which is inexpensive to manufacture.
  • the end plate projection extends between the stamping surface and an intermediate surface facing away from the stamping surface, i.e. facing away from the cell stack, which delimits the end plate projection in the axial direction.
  • the stamping surface and the intermediate surface preferably run parallel to one another and perpendicular to the axial direction.
  • the total axial length of the end plate projection extends from the stamping surface to the foot of the end plate projection, which foot is located at the level of the intermediate surface
  • the separating layer has the same shape as the intermediate surface, in particular the same cross-section, in order to cover the intermediate surface in the position of use. This makes it possible to insulate the end plate projection from the closing plate over its entire intermediate surface.
  • the separating layer preferably extends over the entire cross-section of the housing body. The area of the separating layer is therefore larger than the intermediate surface. This prevents electrical bridges between the end plate projection and the closing plate.
  • the overall axial length of the end plate projection is designed such that an axial air gap is present between the locking plate and the front wall of the housing body in the position of use. This enables electrical insulation between the housing body and the locking plate.
  • the overall axial length of the end plate projection and the thickness of the separating layer are designed such that the axial air gap between the closing plate and the end wall is present in the position of use in order to ensure more reliable insulation.
  • the end plate projection is designed as an electrolysis cell, the cell frame of which has a thickened wall on the side facing the closing plate, the thickened wall being intended to accommodate the external seal.
  • the thickened wall consequently comprises the sealing section.
  • the pressure vessel is sealed against the ambient pressure, has the cell stack in its interior and is pressurized when the electrolysis is carried out.
  • the pressure vessel can be pressurized with a pressure of at least 5 bar, preferably at least 30 bar, particularly preferably at least 40 bar when the electrolysis is carried out.
  • the pressure vessel is pressurized with the working pressure of the electrolysis cells when the electrolysis is carried out.
  • the arrangement of the cell stack in the pressure vessel means that when electrolysis is carried out, essentially the same pressure conditions prevail inside the electrolysis cells, i.e. in the cavities of the electrolysis cells, as well as outside the electrolysis cells, and no pressure difference or only a small pressure difference acts on the cell stack, in particular on the end plates of the cell stack.
  • the pressure acting on the individual cell frames of the electrolysis cells is therefore approximately the same on the inside and outside of the electrolysis cells. As a result, significantly lower mechanical forces act on the cell frames and on the internal seals of the electrolysis cells than if the cell stack were exposed to atmospheric pressure. pressure.
  • the cell frames so-called stack frames, and the associated internal seals between the cell frames are not exposed to the pressure difference between the working pressure and the environment, but operate at a very low pressure difference at most. This reduces the risk of failure of the internal seal and thus the risk of lye leaking out of the respective electrolysis cells. Failure of the internal seal would lead to a deterioration in the performance and/or service life of the cell stack.
  • the cell stack Due to the arrangement of the cell stack in the pressure vessel, there is no pressure difference between the environment of the electrolysis cells and the cavities of the electrolysis cells. This means that there are fewer demands on the pressure resistance of the cell stack. This significantly increases the service life of the cell stack, in particular the cell frames and the internal seals. With an electrolysis cell working pressure of 30 bar and a pressure in the pressure vessel of around 30 bar, the service life of the cell frames and internal seals is approximately doubled compared to a conventional cell stack operating at ambient pressure.
  • the cell frames and internal seals can also be made from a wider range of materials because they are exposed to lower mechanical stress.
  • the cell frames can be made from ethylene propylene diene (monomer) rubber, so-called EPDM.
  • the electrolysis in the pressure vessel can be carried out at a working pressure of over 100 bar and up to 700 bar, i.e. at a pressure difference to the environment of the electrolyzer that the electrolysis cells and their seals can hardly or not at all mechanically tolerate.
  • higher working pressures in the cell stack lead to better efficiency and are therefore advantageous.
  • Water is under pressure, which supports the electrolysis reaction.
  • a compressed gas product can be produced at a higher working pressure, e.g. hydrogen under a pressure of 300 bar or higher, so that an additional compressor to compress the gas product for use is no longer necessary.
  • the end plate projection is arranged at a radial distance from the inner surface of the housing body, in particular from the inner surface of the working section, with the external seal extending through the radial distance.
  • the external seal thus also serves as a spacer and supports a coaxial arrangement of the inner surface of the housing body to the stack end plates.
  • the cell stack is also arranged at a radial distance from the inner surface of the housing body, preferably with the same radial distance as the radial distance of the end plate projection.
  • the pressure electrolyzer is preferably designed to provide hydrogen by means of electrochemical electrolysis of water.
  • the present invention also relates to an electrolysis system comprising a pressure electrolyzer according to the type described above and at least one gas storage container which receives the gas product and is designed to separate the gas product from the electrolyte carried along.
  • This electrolysis system benefits from the advantages of the pressure electrolyzer, which is reflected in greater safety and lower maintenance costs.
  • the present invention also relates to a method for providing at least one gas product by means of electrolysis, in particular hydrogen, which method is carried out in a pressure electrolyzer according to one of the embodiments set out above, wherein when carrying out the electrolysis in the interior of the pressure vessel a pressure of at least 5 bar, approximately at least 30 bar, preferably between 40 bar and 50 bar, also preferably over 100 bar, in particular between 150 bar and at least 200 bar, approximately up to 350 bar or up to 700 bar, is present.
  • a pressure of at least 5 bar, approximately at least 30 bar, preferably between 40 bar and 50 bar, also preferably over 100 bar, in particular between 150 bar and at least 200 bar, approximately up to 350 bar or up to 700 bar is present.
  • a working pressure is possible with the embodiments set out because the electrolysis cells are insulated from the ambient pressure of the pressure electrolyzer by the housing body.
  • the housing body can be designed to be optimized for this, as has been set out. Higher working pressures in the pressure vessel lead to better efficiency.
  • a compressed gas product can be produced at a higher working pressure.
  • the gas product e.g. hydrogen
  • the gas product can thus be provided in compressed form and does not need to be compressed further after electrolysis to serve as fuel or for storage. This saves energy and costs for the pressure compressor or avoids the use of another pressure compressor.
  • Fig. 1 shows a side view of a first embodiment of a pressure electrolyzer according to the present invention, which operates according to the method according to the present invention
  • Fig. 2 is a longitudinal section of the pressure electrolyzer of Figure 1 along the line A-A shown in Figure 1;
  • Fig. 3 is a longitudinal section of the pressure electrolyzer of Figure 1 along the line B-B shown in Figure 1;
  • Fig.4 shows a detailed view of the area marked «C» in Figure 2;
  • Fig. 5 is a longitudinal section of another embodiment of the pressure electrolyzer.
  • Fig. 6 shows a detailed view of the area marked «D» in Figure 5.
  • Figure 1 shows a pressure electrolyzer 100 for providing at least one gas product, namely an alkaline electrolyzer for providing hydrogen and oxygen by electrochemical electrolysis of water.
  • the pressure electrolyzer 100 has a cell stack 10 with several electrolysis cells 12 connected in series in the axial direction X.
  • the cell stack has several, in particular at least 10, for example 20, about 60, and even 120, electrolysis cells.
  • the cell stack 10 is arranged between a first stack end plate 22, which is designed as an anodic end plate, and a further stack end plate 24, which is designed as a cathodic end plate.
  • Each electrolysis cell 12 has a cavity arranged between an anodic plate and a cathodic plate and a stabilizing cell frame surrounding the cavity.
  • a working pressure of, for example, 30 bar, 350 bar or 700 bar is present in this cavity.
  • the respective electrolysis cells 12 are therefore designed to a working pressure.
  • a membrane is arranged in the cavity of the electrolysis cells 12. Potassium hydroxide solution serves as the electrolyte.
  • an internal seal 14 is arranged in the cell stack 10 between two cell frames.
  • Figure 4 shows stacked electrolysis cells and internal seals 14, which internal seals are located between the cell frames.
  • the internal seals are each clamped between two cell frames, with the cell frames each having a frame groove for receiving the internal seal.
  • the frame grooves each have a sealing surface which forms a bottom of the frame groove. In this case, the bottom of the frame groove runs parallel to the plane of the respective cell frame.
  • the sealing surfaces of the frame grooves each act on the internal seals in the direction of the longitudinal axis X of the housing body, for example in the horizontal direction.
  • the pressure electrolyzer comprises a pressure vessel 18, which comprises a pressure-resistant, tubular, circular-cylindrical housing body 20, the first stack end plate 22 as the cover surface and the further stack end plate 24 as the base surface.
  • the first stack end plate 22 can be detachably connected to the housing body 20 and is designed to close an axial opening of the housing body 20 in a pressure-tight manner.
  • the cell stack 10 is accommodated in the interior of the pressure vessel 18 in a working section 21 of the housing body.
  • this pressure vessel is subjected to excess pressure, preferably to the working pressure of the cells, for example 30 bar or 350 bar or 700 bar.
  • the cell stack 10 is thus enclosed in a pressure-resistant circular-cylindrical housing body 20, such as a pressure-bearing Pipe, which is axially connected to the stack end plates 22, 24 of the cell stack 10.
  • the stack end plates 22, 24 are connected to the housing body 20 in a pressure-tight manner in the position of use of the pressure vessel.
  • the housing body At its axial end facing the first stack end plate 22, the housing body has an end wall 20a which extends in a plane extending perpendicular to the axial direction X.
  • At least one of the first stack end plate or the further stack end plate has an axial end plate projection.
  • the first stack end plate 22 has the end plate projection 28.
  • an external seal 26 is clamped in the radial direction Y between the housing body 20 and a sealing portion 28a of the end plate projection 28.
  • the end plate projection 28 has a circular cross-section over its entire axial length.
  • the sealing section 28a has the same circular cross-section which, in the position of use, is inscribed in the circular cross-section of the working section 21.
  • the end plate projection 28 has on its side facing the cell stack 10 a stamping surface 23 arranged in the interior of the pressure vessel and oriented perpendicular to the axial direction, which presses the cell stack in the axial direction when the pressure electrolyzer is in the position of use in order to clamp the cell stack between the first and the further stack end plate 24.
  • the further stack end plate 24 also has a stamping surface 25 oriented perpendicular to the axial direction, which is formed by the wall of the further stack end plate 24 facing the cell stack. In this way, the cell stack 10 is clamped between the stack end plates 22, 24. Furthermore, the sealing section 28a protrudes into the working section 21 of the housing body 20.
  • the first stack end plate 22 is designed as an assembly, as can be seen better in Fig. 4.
  • the first stack end plate 22 comprises a closing plate 22a, which acts as a cover surface, the end plate projection 28, and a separating layer 33 formed from electrically insulating material.
  • the closing plate and the end plate projection are thus electrically insulated from one another by the separating layer.
  • a short circuit between the two stack end plates 22, 24 can be prevented by dividing the first stack end plate 22 into two parts which are electrically insulated from each other by the separating layer 33.
  • the external seal 26 runs around the outer circumference of the end plate projection 28.
  • the external seal 26 is a double O-ring as shown in Fig. 4.
  • the end plate projection 28 has two circumferential sealing grooves for receiving the double O-ring.
  • Each O-ring is clamped between the housing body 20 and a radial sealing surface 29, the sealing surface 29 forming a bottom of the sealing groove.
  • the bottoms run parallel to the axial direction X, viewed in longitudinal cross section.
  • the two sealing grooves are spaced apart from each other by a spacer element 27 of the end plate projection 28.
  • the further stack end plate 24 is connected directly, in particular integrally, to the housing body 20 in the embodiment shown.
  • the stack end plates 22, 24 are arranged parallel to one another.
  • the outer circumference of the stack end plates 22, 24 projects beyond the outer circumference of the housing body 20, so that the stack end plates 22, 24 have an outer region or projection extending radially outward from the interior of the pressure vessel.
  • the stack end plates 22, 24 are connected to one another at their protruding region by means of fastening elements 30, 32, in particular tie rods, which extend in the direction of the longitudinal axis X of the housing body 20. clamped so that the cell stack 10 is clamped axially between the stamping surface 23 and the further stack end plate 24.
  • the functions of sealing the cavity of the electrolysis cells and sealing the interior of the pressure vessel are fulfilled by two separate elements, namely the internal seals on the one hand and the external seal on the other.
  • Fig. 4 shows a detailed view of the external seal 26 clamped between the cell stack 10 and the first stack end plate 22.
  • the cell stack is arranged at a radial distance 44 from the pressure vessel, in particular from the housing body 20.
  • the fastening elements 30 and 32 have threaded rods which clamp the electrolysis cells axially between the stack end plates by means of attached nuts.
  • the fastening elements must be electrically insulated from the first stack end plate and the further stack end plate if they are electrically conductive.
  • the separating layer 33 ensures that the further end plate 24 and the end plate projection 28 are electrically insulated.
  • the housing body is electrically insulated from the cell stack over a radial distance 44. The electrical contact to the end plate projection 28 is made via an electrical connection 31 which runs through the separating layer and the closing plate in an electrically insulated manner.
  • a support element 54 is arranged in each of the sealing grooves.
  • the support element 54 extends through the radial distance 44 arranged between the cell stack 10 and the housing body 20 of the pressure vessel.
  • the support element 54 extends in the radial direction between the inner surface of the housing body and the end plate projection 28, and in the axial direction between the external seal 26 and a radial wall of the sealing groove.
  • the support element 54 supports a coaxial arrangement of the inner surface of the housing body to the end plate projection 28.
  • the support element 54 supports the external seal 26, which is particularly advantageous at high pressure in order to prevent the external seal 26 from slipping.
  • the support element 54 is made of electrically insulating material and acts as an insulator element. This has the effect that a short circuit between the inner surface of the housing body and the end plate projection 28 is more reliably prevented.
  • the total axial length of the end plate projection 28 and the thickness of the separating layer 33 are designed such that an axial air gap 56 is present between the closing plate 22a and the end wall 20a in the position of use.
  • the pressure chamber around the cell stack 10 can be flushed with product gas.
  • An inlet 50 is provided for letting in the product gas, for example hydrogen (see Fig. 3).
  • an outlet 52 can be provided for any escaping lye, for example potassium hydroxide solution.
  • the cell stack 10 is arranged in a pressure vessel to which the working pressure of the cell stack 10 is applied.
  • the cell stack 10 and its internal seals 14 are axially clamped between the stack end plates.
  • the internal seals 14 therefore act in an axial direction.
  • the external seal 26 designed to seal the pressure vessel is clamped radially between the stack end plate 22 and the housing body 20.
  • the external seal 26 therefore acts in a radial direction. Since the internal seals 14 are arranged in the pressure chamber and the external seal 26 is an element independent of the internal seals, the internal seal 14 and the external seal 26 are exposed to significantly lower mechanical loads than in conventional electrolyzers operating under ambient pressure.
  • the pressure electrolyzer according to Fig. 5 and Fig. 6 is constructed similarly to the embodiment disclosed in Figs. 1 to 4. Only the differences are discussed below. Identical features are identified by the same reference numerals.
  • the first stack end plate 22 is integral and formed in one piece, ie the closing plate and the end plate projection form a unit.
  • the external seal 26 is also clamped in the radial direction Y between the housing body 20 and the sealing section 28a of the end plate projection 28. Furthermore, the sealing section 28a protrudes into the working section 21 of the housing body 20.
  • the fastening elements 30 and 32 have threaded rods which clamp the electrolysis cells axially between the stack end plates by means of attached nuts.
  • the fastening elements are electrically insulated from the first stack end plate and the further stack end plate.
  • the housing body is electrically insulated from the cell stack.
  • Outlet e.g. outlet for any leaking electrolyte, e.g. for

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckelektrolyseur (100) aufweisend einen Zellenstapel (10) mit mehreren Elektrolysezellen (12) und einen gegenüber dem Umgebungsdruck abgedichteten Druckbehälter (18), in welchem der Zellenstapel angeordnet ist. Zwischen zwei Zellrahmen ist jeweils eine interne Dichtung (14) angeordnet. Die Elektrolysezellen (12) sind zwischen einer ersten Stapelendplatte (22) und einer weiteren Stapelendplatte (24) verspannt. Der Druckbehälter weist einen druckfesten Gehäusekörper (20) sowie als Deckfläche die erste Stapelendplatte (22) und als Grundfläche die weitere Stapelendplatte (24) auf. Mindestens eine von der ersten Stapelendplatte (22) oder von der weiteren Stapelendplatte (24) weist einen axialen Endplattenvorsprung (28) auf, wobei eine externe Dichtung (26) in radialer Richtung (Y) zwischen dem Gehäusekörper (20) und einem Dichtungsabschnitt des Endplattenvorsprungs (28) verspannt ist. Der Dichtungsabschnitt weist einen Querschnitt auf, welcher dem Querschnitt des Arbeitsabschnitts eingeschrieben ist, und in den Arbeitsabschnitt ragt. Der Endplattenvorsprung (28) weist eine Stempelfläche (23) auf, welche den Zellenstapel (10) in axialer Richtung (X) drückt.

Description

Druckelektrolyseur, Elektrolyseanlage und Elektrolyseverfahren
Technisches Gebiet
Die vorstehende Erfindung betrifft einen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildeten Druckelektrolyseur, insbesondere einen Hochdruck-Elektrolyseur, etwa einen alkalischen Elektrolyseur zur Wasserelektrolyse. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Elektrolyseanlage, insbesondere eine Wasserelektrolyse-Anlage, mit einem diesbezüglichen Druckelektrolyseur, und ein Elektrolyseverfahren, welches in dem Elektrolyseur durchgeführt wird.
Stand der Technik
Elektrolyseure, welche unter einem gegenüber dem atmosphärischen Druck erhöhten Druck arbeiten, sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2014 010 813 A1 sowie EP 1 464 730 A1 bekannt. Diese Druckelektrolyseure haben aus Gründen der mechanischen Integrität eine drucktragende Rahmenkonstruktion zum Schutz des Elektrolyseblocks, also zum Schutz des Zellenstapels mit Elektrolysezellen. Bekannte Druckelektrolyseure führen eine Elektrolyse bei einem Druck von etwa 20 bis 50 bar durch.
Die Druckschrift DE 44 18 999 A1 offenbart einen Druckelektrolyseur mit einem Zellenblock, der in ein zylindrisches Druckrohr eingebaut ist. Das Druckrohr ist an seinen Enden durch Endflansche verschlossen, die gleichzeitig die Endflansche des Zellenblocks sind. Auf diese Weise herrschen innerhalb und ausserhalb der Zellräume der Elektrolysezellen die gleichen Druckverhältnisse. Bei diesem Elektrolyseur werden sowohl die innere Abdichtung der Elektrolysezellen als auch die äussere Abdichtung des Rohrdruckbehälters durch eine Axialdichtung vorgenommen. Daher muss der Elektrolyseur mit sehr engen Toleranzen arbeiten. Diese Axialdichtung ermöglicht ein ordnungsgemässes Abdichten des Elektrolyseurs nur bei einem relativ niedrigen Arbeitsdruck der Elektrolysezellen.
Aus Figur 4 der Druckschrift EP 0 212 240 A1 ist ein Druckelektrolyseur bekannt, bei welchem die Endflansche des Zellenblocks in eine gemeinsame Dichtung eingegossen sind. Diese Dichtung dient sowohl dazu, die Elektrolysezellen voneinander abzudichten als auch dazu, den Innenraum des Druckbehälters gegenüber der Umgebung abzudichten. Aufgrund der hohen Druckbelastung muss diese Dichtung sehr stark ausgebildet sein, um den auf sie wirkenden Druckverhältnissen standzuhalten.
Druckelektrolyseure, welche eine Elektrolyse unter hohem Druck, zum Beispiel unter einem Druck von mindestens 200 bar, etwa von 350 bar oder 700 bar, durchführen, werden als Hochdruck-Elektrolyseure bezeichnet. Mittels eines Hochdruck-Elektrolyseurs kann beispielsweise komprimierter Wasserstoff, der als Treibstoff oder als Energieträger nutzbar ist, bereitgestellt werden.
Ein nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildeter Druckelektrolyseur ist aus der Druckschrift US 2011/0210012 A1 bekannt. Dieser Druckelektrolyseur ist ein Hochdruck-Elektrolyseur und dient zur Herstellung von Wasserstoff. Um den Elektrolyseblock vor druckbedingten mechanischen Belastungen zu schützen, lehrt die Druckschrift US 2011/0210012 A1 den Zellenstapel, den so genannten Stack des Elektrolyseurs, in einem, gegenüber dem Umgebungsdruck abgedichteten und mit dem Arbeitsdruck des Elektrolyseurs beaufschlagten, becherförmigen Druckbehälter anzuordnen. Dabei formt eine Abschlussendplatte des Zellenstapels einen stationären Kopf, welcher einstückig mit einem Deckel des becherförmigen Druckbehälters ausgebildet ist und mit elektrischen Anoden- und Kathodenanschlüssen ausgestattet ist. Die zweite Abschlussendplatte des Zellenstapels formt einen wandernden Kopf, welcher sich in Antwort auf eine thermisch bedingte Ausdehnung oder Kontraktion der Elektrolysezellen frei in Längsrichtung relativ zum stationären Kopf bewegen kann. Um die Zellrahmen der jeweiligen Elektrolysezellen voneinander abzudichten, weisen diese interne O- Ringdichtungen auf, welche die Zellrahmen umrandenden. Um den Innenraum des Druckbehälters vom Umgebungsdruck zu trennen, sind des Weiteren externe Dichtungen vorgesehen, welche axial zwischen dem stationären Kopf und einer Anodenplatte des Zellenstapels verspannt sind (Figur 2 der US 2011 /0210012 A1 ). Nachteilig an diesem System ist, dass dieses komplex aufgebaut ist und auf die Anodenplatte des Zellenstapels aufgrund des vorliegenden Druckunterschieds starke mechanische Kräfte wirken.
US4210511 offenbart einen Druckelektrolyseur mit einem Zellenblock, der in einem zylindrischen Rohrdruckbehälter eingebaut ist. Der Rohrdruckbehälter umfasst ein Druckrohr und zwei Endflansche, welche jeweils ein Ende des Druckrohrs in Gebrauchsstellung verschliessen. Die Endflansche weisen axiale Durchgänge für Gewindestangen auf, welche Gewindestangen die Endflansche mittels aufgesetzter Muttem die Elektrolysezellen axial zwischen den Endflanschen verspannen. Um einen Kurzschluss zwischen den Polen des Zellenblocks zu verhindern, sind Scheiben aus elektrisch isolierendem Material zwischen den Muttern und den Endflanschen vorgesehen. Die Scheiben ermöglichen gleichzeitig eine Zentrierung der Gewindestangen in den jeweiligen Durchgängen, sodass ein radialer Freiraum zwischen den Gewindestangen und den Endflanschen gewährleistet ist. An jedem Ende weist die Stirnwand des Druckrohrs eine in Umfangsrichtung verlaufende, radial zum Inneren des Druckrohrs hin offene Aufnahmenut auf. Die Endflansche weisen jeweils einen axial abstehenden, eine Radialdichtung tragenden Vorsprung auf, welcher Vorsprung in Gebrauchsstellung dazu bestimmt ist, in die Aufnahmenut dichtend aufgenommen zu werden. Zwischen den Endflanschen und dem Zellenblock ist jeweils eine Halteplatte vorgesehen, welche in Gebrauchsstellung die Zellen des Zellenblocks in axialer Richtung hält und gleichzeitig in Kontakt mit dem Boden der Aufnahmenut kommt. Wenn die Endflansche gegeneinandergedrückt werden, kommt die nach innen gerichtete Oberfläche der Vorsprünge jeweils in festen Kontakt mit den Halteplatten, so dass jede Halteplatte gegen den jeweiligen Boden der Aufnahmenut in Kontakt kommt und die Zellen zusammenhält. Bei diesem Elektrolyseur werden die innere Abdichtung der Elektrolysezellen durch eine Axialdichtung und die äussere Abdichtung des Rohrdruckbehälters durch eine Radialdichtung vorgenommen. Der Aufbau des Elektrolyseurs erfordert eine Bearbeitung der Stirnwände, insbesondere die Anfertigung der Aufnahmenut, welche enge Toleranzen erfordert. Die Aufnahmenut muss nämlich einen gleichzeitigen axialen Kontakt der Halteplatte mit dem Boden der Aufnahmenut und mit dem Zellenblock erlauben. Ferner muss der Elektrolyseur mit sehr engen Toleranzen arbeiten, insbesondere die Dickentoleranz der Zellen, um diesen Kontakt zu ermöglichen und in Betrieb aufrechtzuerhalten, sodass die mechanische Belastung der Halteplatten und der äusseren Abdichtung keinen Verlust der Dichtheit verursachen. In Betrieb erfährt der Elektrolyseur eine Temperaturerhöhung, welche eine Ausdehnung der Zellen verursacht, sodass eine weitere Belastung der Halteplatten erfolgt. Dabei können die Scheiben aus isolierendem Material mechanisch leiden und mit der zeit beschädigt werden.
CN104911626B offenbart einen Druckelektrolyseur zur Wasserstofferzeugung, welcher eine positive Endplatte und eine negative Endplatte umfasst. Flache zylindrische Dichtungen und Zellrahmenbaugruppen sind versetzt zwischen der positiven Endplatte und der negativen Endplatte angeordnet. Gewindestangen werden durch die positive Endplatte und die negative Endplatte geführt, um die kombinierte Dichtung und die Zellrahmenbaugruppen zu verspannen. Die Abdichtung gegen dem Umgebungsdruck erfolgt über die flachen zylindrischen Dichtungen in axialer Richtung. Im Unterschied zu dem in US4210511 offenbarte Druckelektrolyseur ist der Zellenblock des Druckelektrolyseurs nicht in einem zylindrischen Rohrdruckbehälter eingebaut. Aus diesem Grund sind die Zellrahmenbaugruppen einer hohen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt, wenn ein hoher Arbeitsdruck anliegt.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzulänglichkeiten sowie unter Würdigung des umrissenen Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Druckelektrolyseur der eingangs genannten Art, so weiterzubilden, dass der Druckelektrolyseur möglichst einfach und kostengünstig herstellbar ist. Zudem soll der Druckbehälter auf einfache Weise zuverlässig und langlebig gegenüber dem Umgebungsdruck abdichten. Insbesondere soll der Druckelektrolyseur derart ausgebildet sein, dass die auf die internen Dichtungen sowie auf die externe Dichtung wirkenden mechanischen Kräfte möglichst gering sind und der Druckelektrolyseur möglichst wenige separate Einzelteile aufweist. Ferner soll der Druckelektrolyseur eine zuverlässige und langlebige Isolation aufweisen, welche Kurzschlüsse verhindert
Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolyseanlage umfassend den Druckelektrolyseur sowie ein Verfahren zur Bereitstellung mindestens eines Gasprodukts mittels Elektrolyse, welches Verfahren im Druckelektrolyseur durchgeführt wird, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Druckelektrolyseur mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, eine Elektrolyseanlage mir den im Anspruch 14 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren mit den im Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmässige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung betrifft einen Druckelektrolyseur zur Bereitstellung mindestens eines Gasprodukts, aufweisend einen Zellenstapel mit mehreren, zur elektrochemischen Elektrolyse ausgebildeten, Elektrolysezellen und einen gegenüber dem Umgebungsdruck abgedichteten Druckbehälter.
Vorzugsweise ist der Druckelektrolyseur dazu bestimmt, die Elektrolyse von Wasser in seine Elemente Sauerstoff und Wasserstoff durchzuführen, welche als Gasprodukte entstehen.
Die Elektrolysezellen sind in einer axialen Richtung in Reihe geschaltet und zwischen einer ersten Stapelendplatte und einer weiteren Stapelendplatte verspannt. Zudem weisen die Elektrolysezellen jeweils einen Hohlraum auf, in welchem ein Arbeitsdruck anliegt, sowie einen den Hohlraum umgebenden stabilisierenden Zellrahmen auf.
Im Zellenstapel ist jeweils zwischen zwei Zellrahmen eine interne Dichtung angeordnet, wobei die internen Dichtungen die jeweiligen Hohlräume der Elektrolysezellen umlaufen und gegenüber der Umgebung der Elektrolysezellen abdichten. Die internen Dichtungen sind in axialer Richtung zwischen den Zellrahmen angeordnet und zwischen den Stapelendplatten verspannt.
Der vorzugsweise zylinderförmige Druckbehälter weist einen druckfesten, an seinem jeweiligen axialen Ende eine Stirnwand aufweisenden Gehäusekörper sowie als Deckfläche die erste Stapelendplatte und als Grundfläche die weitere Stapelendplatte auf. Der Gehäusekörper ist zwischen der ersten Stapelendplatte und der weiteren Stapelendplatte eingespannt, und weist mindestens eine zum Abdichten des Innenraums des Druckbehälters gegenüber dem Umgebungsdruck ausgebildete externe Dichtung auf.
Der Zellenstapel ist im Innenraum des Druckbehälters in einem Arbeitsabschnitt des Gehäusekörpers aufgenommen, in welchem Druckbehälter der Arbeitsdruck der Elektrolysezellen anliegt.
Mindestens eine von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte weist einen axialen Endplattenvorsprung auf. Mit anderen Worten weisen die erste Stapelendplatte oder die weitere Stapelendplatte oder beide Stapelendplatten einen axialen Endplattenvorsprung auf. Zudem ist die externe Dichtung in radialer Richtung zwischen dem Gehäusekörper und einem Dichtungsabschnitt des Endplattenvorsprungs verspannt.
Erfindungsgemäss weist der Dichtungsabschnitt einen Querschnitt auf, welcher, in Gebrauchsstellung, dem Querschnitt des Arbeitsabschnitts eingeschrieben ist. Ferner ragt der Dichtungsabschnitt in den Arbeitsabschnitt des Gehäusekörpers. Zudem weist der Endplattenvorsprung an seiner dem Zellenstapel zugewandten Seite eine Stempelfläche auf, welche in Gebrauchsstellung des Druckelektrolyseurs den Zellenstapel in axialer Richtung drückt, um den Zellenstapel zwischen der ersten und der weiteren Stapelendplatte einzuspannen.
Konkret umfasst die mindestens eine von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte eine Schliessplatte, welche als Deckfläche oder als Grundfläche wirken kann, und den Endplattenvorsprung, welcher axial nach innen von der Schliessplatte absteht und in den Arbeitsabschnitt ragt.
Um die Elektrolysezellen in axialer Richtung zwischen den Stapelendplatten zu verspannen, weist der Druckelektrolyseur vorteilhafterweise Befestigungselemente oder Befestigungsstäbe auf, welche die Stapelendplatten miteinander verspannen. Beispielsweise können die Befestigungselemente als Zuganker Gewindestangen aufweisen, welche mittels aufgesetzter Muttem die Elektrolysezellen axial zwischen den Stapelendplatten verspannen. Bevorzugt sind die Befestigungselemente von der ersten Stapelendplatte und der weiteren Stapelendplatte elektrisch isoliert.
Dadurch, dass der Dichtungsabschnitt des Endplattenvorsprungs einen Querschnitt aufweist, welcher, in Gebrauchsstellung, dem Querschnitt des Arbeitsabschnitts eingeschrieben ist, kann der Dichtungsabschnitt in den Druckbehälter eingeschoben werden. Dabei ragt der Endplattenvorsprung in den Druckbehälter mindestens um eine Einführlänge des Endplattenvorsprungs. Vorliegend definiert der Querschnitt den rechtwinklig zur axialen Richtung verlaufenden Querschnitt.
Der in den Arbeitsabschnitt des Gehäusekörpers ragende Endplattenvorsprung erlaubt eine grössere Toleranz beim Aufbau des Druckelektrolyseurs, insbesondere bei der Dickentoleranz der Elektrolysezellen. Der Endplattenvorsprung kann nämlich mehr oder weniger in den Gehäusekörper je nach Abweichung zur Nenndicke des Zellenstapels ragen. Dies erfolgt, ohne die Dichtheit zu gefährden, weil die externe Dichtung radial zwischen dem Dichtungsabschnitt des Endplattenvorsprungs und dem Gehäusekörper angeordnet ist.
Ferner kann die Dichtheit des Druckbehälters unabhängig von der Ausbildung der Stirnwände des Gehäusekörpers sichergestellt werden, weil die externe Dichtung in Gebrauchsstellung im Arbeitsabschnitt und nicht zwischen den Stirnwänden und der Schliessplatte ausgebildet ist.
In einer Ausführungsform ist die eine von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte integral und einstückig ausgebildet, d.h. der Endplattenvorsprung und die Schliessplatte bilden eine untrennbare Einheit, bevorzugt aus einem einzigen Material.
Ein Druckelektrolyseur kann hundert oder mehr Elektrolysezellen umfassen, welche jeweils eine Nenndicke und eine Dickentoleranz aufweisen. Folglich wird die Dickentoleranz um einen Faktor hundert oder mehr multipliziert, wenn die Gesamtdicke des Zellenstapels berechnet wird. Bei einer Dickentoleranz der Elektrolysezellen von +/- 0.1 mm bedeutet dies ein Abmass, d.h. eine Abweichung vom Nennmass, von +/- 10 mm für den Zellenstapel. Da der Endplattenvorsprung in den Arbeitsabschnitt des Gehäusekörpers ragt, kann er je nach Abmass mehr oder weniger ragen, während dessen Stempelfläche den Zellenstapel in axialer Richtung drückt. Der Endplattenvorsprung kann somit das Abmass des Zellenstapels ausgleichen. Dabei bleibt der Arbeitsdruck im Druckbehälter aufrechterhalten, weil die externe Abdichtung in radialer Richtung zwischen dem Gehäusekörper und dem Endplattenvorsprung verspannt ist. Bei der Herstellung ist folglich eine grössere Dickentoleranz erlaubt. Dies ist vorteilhaft, weil die Herstellung der Elektrolysezellen entsprechend vereinfacht wird und somit günstiger ist.
Dies ist in einem Druckelektrolyseur wie bspw. in US4210511 nicht möglich, obwohl die externe Dichtung zwischen jeweils einem Endplattenvorsprung der Stapelendplatten in axialer Richtung erfolgt. In US4210511 ist der Endplattenvorsprung nämlich dazu bestimmt, in eine Aufnahmenut der Stirnwand aufgenommen zu werden, in welcher der Endplattenvorsprung eine Halteplatte in axialer Richtung gegen den Boden der Aufnahmenut in Gebrauchsstellung drückt. Gleichzeitig muss die Halteplatte die Elektrolysezellen des Zellenblocks in axialer Richtung halten. Dieser Aufbau erfordert Elektrolysezellen, welche eine sehr kleine Dickentoleranz haben. Ansonsten können die Elektrolysezellen bei einem zu grossen unteren Abmass des Zellenblocks nicht mehr durch die Halteplatten gehalten werden. In diesem Fall entsteht eine Lücke zwischen dem Zellenblock und den Halteplatten, welche die Dichtheit der internen Dichtung beeinträchtigt. Umgekehrt kommen die Halteplatten nicht mehr in Anlage mit dem jeweiligen Boden der Aufnahmenut bei einem zu grossen oberen Abmass des Zellenblocks.
Vorliegend ist die Nenndicke des Zellenstapels die Summe der Nenndicken der Elektrolysezellen. Das Abmass des Zellenstapels ist die kumulierte Abweichung der Dicken der Elektrolysezellen zur ihrer Nenndicke. Das obere Abmass des Zellenstapels ist die höchste positive Toleranz, d.h. die maximale positive Abweichung zur Nenndicke. Dies kommt vor, wenn jede Elektrolysezelle die maximale positive Abweichung zu ihrer Nenndicke aufweist. Das untere Abmass des Zellenstapels ist die höchste negative Toleranz, d.h. die maximale negative Abweichung zur Nenndicke. Die Nenndicke plus das obere Abmass ergibt das Höchstmass, d.h. die maximale Dicke des Zellenstapels. Die Nenndicke minus das untere Abmass ergibt das Mindestmass, d.h. die minimale Dicke des Zellenstapels.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Endplattenvorsprung über seine axiale Gesamtlänge einen Querschnitt auf, welcher in Gebrauchsstellung dem Querschnitt des Arbeitsabschnitts eingeschrieben ist. Die Herstellung des Endplattenvorsprungs ist folglich vereinfacht. Ferner kann der Endplattenvorsprung ggf. über seine Gesamtlänge in den Arbeitsabschnitt eingeführt werden, wodurch grössere Dickentoleranzen ausgeglichen werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Stempelfläche senkrecht zur axialen Richtung ausgerichtet, um eine parallel zu den Elektrolysezellen verlaufende Stempelfläche zu haben, welche den Zellenstapel homogen drücken kann.
Bevorzugt ist die Stempelfläche in direktem Kontakt mit der dem Stempelfläche zugewandten Elektrolysezelle, um Schnittstellen zu vermeiden.
Zudem basiert die vorliegende Erfindung darauf, den Zellenstapel in einem als geschlossenes Druckabteil ausgebildeten Druckbehälter anzuordnen und zwischen zwei Stapelendplatten einzuspannen, wobei mindestens eine zum Abdichten des Innenraums des Druckbehälters gegenüber dem Umgebungsdruck ausgebildete externe Dichtung derart angeordnet ist, dass die Kräfte, welche den Zellenstapel einspannen und die Kräfte, welche die externe Dichtung verspannen, in unterschiedlicher Richtung wirken. Bei der vorliegenden Erfindung sind also die auf den Zellenstapel wirkenden Kräfte sowie die auf die externe Dichtung wirkenden Kräfte unterschiedlich ausgerichtet und somit gleichmässiger verteilt, wodurch die Anforderungen an die Stabilität des Zellenstapels sowie an die Stabilität der externen Dichtung geringer sind und diese aus einer grösseren Auswahl an Materialien angefertigt werden können. Dies hat auch den Vorteil, dass die Elektrolysezellen frei von der externen Dichtung sind und somit einfacher herzustellen sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Endplattenvorsprung einen Innenabschnitt und einen Aussenabschnitt. In Gebrauchsstellung ist der Innenabschnitt im Gehäusekörper angeordnet und kommt mit dem Zellenstapel in Kontakt. Der Dichtungsabschnitt ist ein Teil des Innenabschnitts. Ferner ist in Gebrauchsstellung der Aussenabschnitt ausserhalb des Gehäusekörpers angeordnet und dazu bestimmt, einen axialen Luftspalt zwischen der Stirnwand des Gehäusekörpers und der m indestens einen von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte zu bilden.
Der axiale Luftspalt zwischen dem Gehäusekörper, insbesondere dessen Stirnwand, isoliert elektrisch den Gehäusekörper von der mindestens einen von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte in axialer Richtung. In radialer Richtung isoliert elektrisch die durch die zwischen dem Endplattenvorsprung und dem Gehäusekörper angeordnete externe Dichtung den Gehäusekörper von der mindestens einen von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte. Somit ist eine Isolation der Befestigungselemente, welche die erste Stapelendplatte und die weitere Stapelendplatte miteinander verspannen, nur noch bei der ersten Stapelendplatte oder der weiteren Stapelendplatte nötig. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Endplattenvorsprung durch ein elektrisch isolierendes Stützelement vom Gehäusekörper elektrisch isoliert. Das Stützelement unterstützt eine koaxiale Anordnung der Gehäusekörpers zum Endplattenvorsprung. Dies bewirkt zudem, dass ein Kurzschluss zwischen dem Gehäusekörpers und dem Endplattenvorsprung zuverlässiger verhindert wird. Das Stützelement verläuft radial zwischen dem Endplattenvorsprung und dem Gehäusekörper und vorzugsweise liegt der externen Dichtung axial direkt an, um ein Verrutschen der externen Dichtung zu verhindern.
Der axiale Abschnitt des Druckbehälters, in welchem der Zellenstapel in Gebrauchsstellung angeordnet ist, definiert den Arbeitsabschnitt des Druckbehälters. Der Arbeitsabschnitt erstreckt sich über eine axiale Länge, welche mindestens der Summe der Nenndicke des Zellenstapels, des oberen Abmasses des Zellenstapels und einer axialen Reservelänge entspricht.
Die Reservelänge ist dazu bestimmt den Innenabschnitt des Endplattenvorsprungs in den Gehäusekörper aufzunehmen, sodass der Endplattenvorsprung, insbesondere dessen Stempelfläche, mit dem Zellenstapel in Gebrauchsstellung in Kontakt kommt. Dabei liegt mindestens der Dichtungsabschnitt im Arbeitsabschnitt. Je nach tatsächlichem Abmass des Zellenstapels, kann die dem oberen Abmass entsprechenden Länge ebenfalls dazu bestimmt sein, den Innenabschnitt des Endplattenvorsprungs aufzunehmen.
Eine axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs umfasst die Einführlänge, welche dem Innenabschnitt entspricht, und kann eine Restlänge umfassen, welche einem sich ausserhalb des Gehäusekörpers erstreckenden Aussenabschnitt des Endplattenvorsprungs entspricht. Die axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs erstreckt sich von der Stempelfläche bis zum Fuss des Endplattenvorsprungs, welcher Fuss sich auf der Höhe der Schliessplatte befindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs derart berechnet, dass ein axialer Luftspalt zwischen der Schliessplatte und der entsprechenden Stirnwand des Gehäusekörpers in Gebrauchsstellung vorhanden ist. Dies ermöglicht eine elektrische Isolation zwischen dem Gehäusekörper und der Stapelendplatte.
Die axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs ist mindestens so gross wie die Summe des unteren Abmasses des Zellenstapels, um sicherzustellen, dass der Endplattenvorsprung mit dem Zellenstapel in Kontakt kommt, und der Dicke des Dichtungsabschnitts, um sicherzustellen, dass der Dichtungsabschnitt im Arbeitsabschnitt zur Dichtheit des Druckbehälters liegt. In Gebrauchsstellung ist die Einführlänge des Endplattenvorsprungs davon abhängig, wie gross das tatsächliche Abmass des Zellenstapels ist.
Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass die Reservelänge zudem so berechnet sein kann, dass optional weitere Elektrolysezellen in den Zellenstapel aufgenommen werden können. In einer solchen Ausführungsform wird die axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs so berechnet, dass der Endplattenvorsprung mit dem Zellenstapel in Gebrauchsstellung in Kontakt kommt.
Ferner sei noch erwähnt, dass die Gebrauchsstellung des Druckelektrolyseurs einem montierten Zustand des Druckelektrolyseurs entspricht.
Der Arbeitsabschnitt weist einen Querschnitt auf, welcher die Aufnahme des Zellenstapels ermöglicht. Dabei ist der Querschnitt des Zellenstapels dem Querschnitt des Arbeitsabschnitts eingeschrieben, wobei ein radialer Abstand zwischen einer inneren Mantelfläche des Gehäusekörpers und dem Zellenstapel über den ganzen Umfang des Zellenstapels vorhanden sein kann. Dies erlaubt eine elektrische Isolation zwischen dem Zellenstapel und dem Gehäusekörper.
Vorzugsweise weist der Arbeitsabschnitt denselben Querschnitt über seine Länge auf. Besonders bevorzugt weist der Gehäusekörper denselben Querschnitt wie der Querschnitt des Gehäusekörpers über die ganze Länge des Gehäusekörpers auf. Somit ist die Herstellung des Gehäusekörpers vereinfacht und folglich kostengünstiger. In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Arbeitsabschnitt über eine axiale Gesamtlänge des Gehäusekörpers. Somit kann der Zellenstapel flexibel in den Gehäusekörper angeordnet sein. Dabei kann der Querschnitt des Gehäusekörpers über seine Gesamtlänge gleichbleiben.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Endplattenvorsprung denselben Querschnitt wie der Querschnitt der Elektrolysezellen auf. In dieser Ausführungsform wird sichergestellt, dass der Zellenstapel homogen in axialer Richtung vom Endplattenvorsprung gedrückt wird.
Vorzugsweise ist der Gehäusekörper zylinderförmig, besonders bevorzugt kreiszylindrisch ausgebildet, um eine radiale Verteilung der durch den Arbeitsdruck ausgeübte Kräfte zu gestalten. In der kreiszylindrischen Ausführungsform bildet der Querschnitt des Gehäusekörpers einen kreisförmigen Querschnitt, welcher denselben Durchmesser über die axiale Länge des Gehäusekörpers aufweist. Ferner weist der Endplattenvorsprung einen Querschnitt auf, welcher, in Gebrauchsstellung, dem kreisförmigen Querschnitt des Arbeitsabschnitts eingeschrieben ist. Konkret ist die längste Dimension des Querschnitts des Endplattenvorsprungs kleiner als der Durchmesser des kreisförmigen Querschnitts.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Endplattenvorsprung kreiszylindrisch als eine kreisförmige, axial zentrierte Scheibe ausgebildet, welche in Gebrauchsstellung mindestens teilweise in den Arbeitsabschnitt ragt. In dieser Ausführungsform wird sichergestellt, dass der Zellenstapel homogen in axialer Richtung vom Endplattenvorsprung gedrückt wird.
Vorzugsweise erstreckt sich der Arbeitsabschnitt über die ganze Länge des Gehäusekörpers, sodass der Gehäusekörper möglichst viele Elektrolysezellen aufnehmen kann.
Bevorzugt wirken bei dem vorliegenden Druckelektrolyseur die internen Dichtungen in axialer Richtung und die externe Dichtung in radialer Richtung, d.h. die internen Dichtungen dichten in axialer Richtung und die externen Dichtungen dichten in radialer Richtung ab. Mit anderen Worten sind die auf die internen Dichtungen wirkenden Kräfte in Richtung der Längsachse des Gehäusekörpers des Druckbehälters, beispielsweise horizontal, ausgerichtet. Die auf die externe Dichtung wirkenden Kräfte sind in Richtung des Radius des Gehäusekörpers des Druckbehälters, also in radialer Richtung, ausgerichtet. Aufgrund dieser unterschiedlichen Ausrichtung der internen Dichtungen und der externen Dichtung, verringert sich insgesamt die auf diese Dichtungen wirkende mechanische Belastung. Dies bewirkt, dass die Dichtungen, also die internen Dichtungen sowie die externen Dichtungen, auch bei sehr hohen Druckverhältnissen ihre Dichtfunktion zuverlässig erfüllen, aus kostengünstigem Material herstellbar und langlebig ausgebildet sind.
Der Druckbehälter ist aus den zwei Stapelendplatten des Zellenstapels sowie einer rohrartigen oder mantelflächenartigen Gehäusegeometrie geformt, welche den Gehäusekörper bildet und mit den Endplatten, auch Stapelendplatten genannt, des Elektrolysezellenstapels druckdicht verbunden ist.
Da Grund- und Deckfläche des Druckbehälters aus Endplatten des Zellenstapels gebildet sind, ist der Druckbehälter besonders einfach aufgebaut und weist sehr wenige Einzelteile auf. Dabei kann die erste Stapelendplatte an ihrem den Elektrolysezellen zugewandten Bereich, insbesondere in einem als Stempelfläche ausgebildeten Bereich, als anodische Endplatte ausgebildet sein und die weitere Stapelendplatte an ihrem den Elektrolysezellen zugewandten Bereich als kathodischen Endplatte ausgebildet sein oder umgekehrt. Dabei ist die elektrische Isolation des Druckelektrolyseurs derart ausgebildet, dass ein elektrischer Strom zwischen den Endplatten fliessen kann, wobei durch bspw. Befestigungselemente oder den Gehäusekörper verursachte, mögliche elektrische Kurschlüsse vermieden werden.
Die anodische Endplatte und/oder die kathodische Endplatte können zweigeteilt sein, wie dies unten näher beschrieben ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die erste Stapelendplatte und die weitere Stapelendplatte jeweils einen Endplattenvorsprung auf. Dies erlaubt einen symmetrischen Aufbau des Druckelektrolyseurs. Vorzugsweise ist der Endplattenvorsprung gleich für die erste Stapelendplatte und die weitere Stapelendplatte ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die erste Stapelendplatte und die weitere Stapelendplatte gleich ausgebildet, sodass nur eine einzige Stapelendplatte konzipiert werden muss, welche für beide Ende des Gehäusekörpers passen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Stapelendplatte oder die weitere Stapelendplatte einen Endplattenvorsprung auf. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass nur eine Stapelendplatte, bspw. die erste Stapelendplatte, bearbeitet werden muss, um den Endplattenvorsprung auszubilden. Die weitere Stapelendplatte kann mit dem Gehäusekörper dichtend über eine zwischen der entsprechenden Stirnwand des Gehäusekörpers und der weiteren Stapelendplatte angeordnete externe Dichtung verbunden sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Stempelfläche direkt der der Stempelfläche zugewandten Elektrolysezelle an. Somit kann eine kompakte Ausführungsform des Druckelektrolyseurs hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte die erste Stapelendplatte, welche erste Stapelendplatte lösbar mit dem Gehäusekörper verbindbar und dazu ausgebildet ist, eine axiale Öffnung des Gehäusekörpers druckdicht zu verschliessen. Das heisst, nur eine von den zwei Stapelendplatten weist einen Endplattenvorsprung auf, vorliegend die erste Stapelendplatte, wobei die externe Dichtung in radialer Richtung zwischen dem Gehäusekörper und dem Endplattenvorsprung verspannt ist. Die weitere Stapelendplatte ist integral und druckdicht mit dem Gehäusekörper ausgebildet. Integral ist so zu verstehen, dass der Gehäusekörper und die weitere Stapelendplatte miteinander verbunden sind, um ein einzelnes komplettes Stück zu bilden. Bspw. können der Gehäusekörper und die weitere Stapelendplatte dicht zusammengeschweisst werden. Der Druckbehälter kann somit möglichst einfach ausgebildet werden, weil keine externe Dichtung auf dieser Seite nötig ist. In einer bevorzugten Ausführungsform umläuft die externe Dichtung den Aussenumfang des Endplattenvorsprungs, welcher Endplattenvorsprung im Dichtungsabschnitt vorzugsweise eine umlaufende Dichtungsnut zur Aufnahme der externen Dichtung aufweist. Die Herstellung der Dichtungsnut im Endplattenvorsprung, insbesondere im Dichtungsabschnitt des Endplattenvorsprungs, ist weniger aufwändig als in der inneren Wand des Gehäusekörpers. Ferner kann die Wanddicke des Gehäusekörpers dünner gewählt werden, wenn die Dichtungsnut im Endplattenvorsprung ausgebildet ist. Dies ist für die Herstellungskosten vorteilhaft. Im montierten Zustand wirkt die externe Dichtung radial. Die externe Dichtung ist als separates Element ausgebildet, welches zwischen dem Gehäusekörper und einer radialen Dichtfläche verspannt ist, wobei die Dichtfläche einen Boden der Dichtungsnut bildet. Vorzugsweise verläuft der Boden der Dichtungsnut, im longitudinalen Querschnitt gesehen, parallel zur axialen Richtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aussenumfang der Stapelendplatten grösser als der Aussenumfang des Gehäusekörpers, so dass die Stapelendplatten einen sich von einer äusseren Mantelfläche des Druckbehälters weg erstreckenden, äusseren Bereich aufweisen. Zudem sind die Stapelendplatten parallel zueinander angeordnet. Ferner sind die Stapelendplatten an ihrem äusseren Bereich mittels mindestens dreier sich in Richtung der Längsachse des Gehäusekörpers, d.h. in axialer Richtung, erstreckenden Befestigungselementen derart miteinander verspannt, dass der Zellenstapel axial zwischen den Stapelendplatten, insbesondere zwischen der Stempelfläche und der gegenüberliegenden Stapelendplatte, eingespannt ist.
Jede Elektrolysezelle weist zur Stabilisation einen umlaufenden Zellrahmen auf. Um benachbarte Elektrolysezellen voneinander abzudichten, ist im Zellenstapel jeweils zwischen zwei Zellrahmen die interne Dichtung angeordnet.
Die internen Dichtungen sind jeweils zwischen zwei Zellrahmen eingespannt, wobei die Zellrahmen jeweils eine Rahmennut zur Aufnahme einer internen Dichtung aufweisen. Die Rahmennuten weisen jeweils eine Dichtfläche auf, welche einen Boden der Rahmennut bilden. Vorzugsweise verläuft der Boden der Rahmennut parallel zur Ebene des jeweiligen Zellrahmens.
Bevorzugt sind die Dichtfläche der Rahmennuten senkrecht zur Dichtfläche der Dichtungsnut angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die externe Dichtung als eine doppelte Dichtung ausgebildet. In dieser Ausführungsform um läuft eine weitere externe Dichtung den Aussenumfang des Endplattenvorsprungs, welcher Endplattenvorsprung vorzugsweise eine um laufende weitere Dichtungsnut zur Aufnahme der weiteren externen Dichtung aufweist. Somit ist die Dichtheit des Druckbehälters besser sichergestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die Stirnwand des Gehäusekörpers, welche der mindestens einen von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte zugewandt ist, in einer sich rechtwinklig zur axialen Richtung erstreckenden Ebene. Somit kann der Gehäusekörper kostengünstig hergestellt werden, weil das durch die Stirnwand gebildete Ende über einen Schnitt ohne aufwändige Bearbeitung der Stirnwand, bspw. ohne Nut oder ohne Stufe, hergestellt werden kann. Die Stirnwand verläuft in einer Ebene, welche aus einem Schnitt quer zur axialen Richtung entstehen kann. Mit anderen Worten verläuft die Stirnwand von der Aussenfläche des Gehäusekörpers zur Innenfläche des Gehäusekörpers in einer Ebene, d.h. der Übergang von der Aussenfläche zur Innenfläche verläuft ohne Unterbrechung, bspw. ohne Unterbrechung durch eine Ausnehmung oder eine Nut. Vorzugsweise verlaufen beide Enden des Gehäusekörpers jeweils in einer sich rechtwinklig zur axialen Richtung erstreckenden Ebene. Vorzugsweise verläuft die Stirnwand des Gehäusekörpers auf seinen beiden Enden in einer sich rechtwinklig zur axialen Richtung erstreckenden Ebene.
Beim Verspannen der Stapelendplatten können die Befestigungselemente durch Isolationselemente von den Stapelendplatten elektrisch isoliert sein, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Polen des Zellenblocks zu verhindern. Die Stapelendplatten können axiale Durchgänge für die Befestigungselemente, bspw. Gewindestangen, aufweisen. Zur Isolation können Isolationselemente aus elektrisch isolierendem Material zwischen den Befestigungselementen und den Stapelendplatten vorgesehen sein. Die Isolationselemente können Scheiben sein, welche gleichzeitig eine Zentrierung der Befestigungselemente in den jeweiligen Durchgängen ermöglichen, sodass ein radialer Freiraum zwischen den Befestigungselemente und den Stapelendplatten gewährleistet ist. Es ist ebenfalls möglich einen aus elektrisch isolierendem Material hergestellten Gehäusekörper vorzusehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte in der Form einer Baugruppe ausgebildet, wobei die Schliessplatte, welche als Deckfläche oder als Grundfläche wirkt, und der Endplattenvorsprung getrennt ausgebildet sind, wobei die Schliessplatte und der Endplattenvorsprung durch eine aus elektrisch isolierendem Material gebildete Trennschicht elektrisch isoliert voneinander sind. Mit anderen Worten sind die erste Stapelendplatte oder die weitere Stapelendplatte oder beide Stapelendplatten als eine Baugruppe ausgebildet.
Somit ist die mindestens eine von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte zweigeteilt ausgebildet. Die Elemente der Baugruppe, d.h. die Schliessplatte, der Endplattenvorsprung und die Trennschicht, sind einfacher herzustellen, weil drei Funktionen der Stapelendplatte, nämlich Stabilität des Druckelektrolyseurs, Druckdichtheit und elektrische Isolation getrennt werden können. Die Auswahl der Materialien für die Elemente der Stapelendplatte kann somit je nach Funktion der Elemente optimiert werden. Die Schliessplatte muss als Druckelement in axialer Richtung wirken und dabei zur Stabilität des Druckelektrolyseurs beitragen. Hingegen wirkt der Endplattenvorsprung, welcher die externe Dichtung trägt, als Dichtungselement. Zudem wirkt die Trennschicht als Isolationselement zwischen den Polen des Zellenblocks. Der elektrische Kontakt mit dem Zellenstapel kann über einen in die Schliessplatte und in die Trennschicht ausgebildeten Durchgang erstellt werden. Die Herstellung der Stapelendplatte als eine Baugruppe ist vereinfacht, weil eine Ausfräsung einer Grundplatte zur Ausbildung des Endplattenvorsprungs entfällt. Hierzu sei angemerkt, dass der Gehäusekörper eines Elektrolyseurs bis 2.5 Meter lang sein und einen Durchmesser von bis 1.5 Meter aufweisen kann. Dabei muss die Ausfräsung enge Toleranzen einhalten, um die Dichtheit und die mechanische Stabilität des Druckbehälters sicherzustellen. Die Bearbeitung der Grundplatte kann somit schwierig werden, insbesondere bei grossen Durchmessern.
Diese Ausführungsform hat zudem den Vorteil, dass keine weitere elektrische Isolation der Befestigungselemente mehr nötig ist. Im Unterschied zur Ausführungsform, in welcher eine elektrische Isolation zwischen den Befestigungselementen und den Stapelendplatten vorgesehen ist, übernimmt die Trennschicht die Funktion der Isolation zwischen den Polen des Zellenblocks. Folglich sind weniger Bauteile nötig. Ferner ist der Druckelektrolyseur weniger anfällig für eine Isolationsstörung, sodass der Druckelektrolyseur sicherer betrieben werden kann. Die Isolation erfolgt an einem Ort, nämlich an der Trennschicht, welche zwischen dem Endplattenvorsprung und der Schliessplatte homogen axial gedrückt ist. Die Trennschicht ist kaum anderen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Im Unterschied sind die Isolationselemente mechanisch beansprucht bei der Montage des Druckelektrolyseurs. Wenn scheibenförmige Isolationselemente verwendet werden, werden sie jeweils zwischen einer Mutter und der Stapelendplatte gepresst und einer Scherbelastung beim festen Einschrauben der Mutter ausgesetzt. Diese Nachteile können in der vorliegenden Ausführungsform vermieden werden.
Der elektrische Kontakt zum Endplattenvorsprung kann über einen elektrischen Anschluss erfolgen, welcher durch die Trennschicht und die Schliessplatte elektrisch isoliert verläuft.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Stapelendplatte und die weitere Stapelendplatte jeweils in der Form einer Baugruppe ausgebildet. Dies erlaubt einen symmetrischen Aufbau des Druckelektrolyseurs. Vorzugsweise sind die erste Stapelendplatte und die weitere Stapelendplatte gleich ausgebildet, sodass nur eine einzige Stapelendplatte konzipiert werden muss, welche für beide Ende des Gehäusekörpers passen.
Die Merkmale des Endplattenvorsprungs, welche in der oben beschriebenen einteiligen Ausführungsform der Stapelendplatte offenbart sind, sind für den Endplattenvorsprung als Element der Baugruppe ebenfalls anwendbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schliessplatte als eine flache, überall gleich dicke Platte ausgebildet, deren Herstellung günstig ist. In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Endplattenvorsprung zwischen der Stempelfläche und einer der Stempelfläche abgewandten, d.h. dem Zellenstapel abgewandten, den Endplattenvorsprung in axialer Richtung begrenzenden Zwischenfläche. Bevorzugt verlaufen die Stempelfläche und die Zwischenfläche parallel zueinander und senkrecht zur axialen Richtung.
In einer solcher Ausführungsform erstreckt sich die axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs von der Stempelfläche bis zum Fuss des Endplattenvorsprungs, welcher Fuss sich auf der Höhe der Zwischenfläche befindet
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Trennschicht dieselbe Form wie die Zwischenfläche auf, insbesondere denselben Querschnitt, um die Zwischenfläche in Gebrauchsstellung abzudecken. Somit ist eine Isolation des Endplattenvorsprungs von der Schliessplatte über seine ganze Zwischenfläche möglich. Bevorzugt erstreckt sich die Trennschicht über den ganzen Querschnitt des Gehäusekörpers Somit ist die Fläche der Trennschicht grösser als die Zwischenfläche. Dies verhindert elektrische Brücke zwischen dem Endplattenvorsprung und der Schliessplatte.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs derart gestaltet, dass ein axialer Luftspalt zwischen der Schliessplatte und der Stirnwand des Gehäusekörpers in Gebrauchsstellung vorhanden ist. Dies ermöglicht eine elektrische Isolation zwischen dem Gehäusekörper und der Schliessplatte. Vorzugsweise ist die axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs und die Dicke der Trennschicht derart gestaltet, dass der axialer Luftspalt zwischen der Schliessplatte und der Stirnwand in Gebrauchsstellung vorhanden ist, um eine zuverlässigere Isolation zu gewährleisten.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Endplattenvorsprung als eine Elektrolysezelle ausgebildet, deren Zellrahmen eine auf der der Schliessplatte zugewandte Seite eine verdickte Wand aufweist, wobei die verdickte Wand dazu bestimmt ist, die externe Dichtung aufzunehmen. Die Verdickte Wand umfasst folglich den Dichtungsabschnitt. Somit kann die Produktionskapazität des Druckelektrolyseurs optimiert werden.
Der Druckbehälter ist gegenüber dem Umgebungsdruck abgedichtet, weist in seinem Innenraum den Zellenstapel auf und ist bei Durchführung der Elektrolyse mit Druck beaufschlagt. Insbesondere kann der Druckbehälter bei Durchführung der Elektrolyse mit einem Druck von mindestens 5 bar, bevorzugt von mindestens 30 bar, besonders bevorzugt von mindestens 40 bar beaufschlagt sein. Ein höherer Druck von mindestens 200 bar, etwa von 350 bar oder von 700 bar ist ebenfalls möglich und bevorzugt. Besonders bevorzugt ist der Druckbehälter bei Durchführung der Elektrolyse mit dem Arbeitsdruck der Elektrolysezellen beaufschlagt.
Die Anordnung des Zellenstapels im Druckbehälter ermöglicht, dass bei Durchführung der Elektrolyse innerhalb der Elektrolysezellen, also in den Hohlräumen der Elektrolysezellen, sowie ausserhalb der Elektrolysezellen im Wesentlichen die gleichen Druckverhältnisse herrschen und kein Druckunterschied oder nur ein geringer Druckunterschied auf den Zellenstapel, insbesondere auf die Endplatten des Zellenstapels, wirkt. Der an den einzelnen Zellrahmen der Elektrolysezellen anliegende Druck ist also an der Innenseite sowie an der Aussenseite der Elektrolysezellen ungefähr gleich hoch. Dadurch wirken auf die Zellrahmen sowie auf die internen Dichtungen der Elektrolysezellen deutlich geringere mechanische Kräfte, als wenn der Zellenstapel von atmosphärischem Druck umgeben wäre. Zellrahmen und interne Dichtungen der Elektrolysezellen sind somit einer geringeren mechanischen Belastung ausgesetzt, weshalb sie aus dünnerem und/oder preisgünstigerem Material gefertigt sein können und langlebiger sind als beispielsweise bei den aus den Druckschriften DE 10 2014 010 813 A1 sowie EP 1 464 730 A1 bekannten, bei Umgebungsdruck arbeitenden Druckelektrolyseuren.
Sowohl beim vorliegenden Druckelektrolyseur als auch beim vorliegenden Verfahren sind die Zellrahmen, so genannte Stack-Rahmen, und die zugehörigen internen Dichtungen zwischen den Zellrahmen, nicht dem Druckunterschied zwischen Arbeitsdruck und Umgebung ausgesetzt, sondern arbeiten bei einem allenfalls sehr geringen Druckunterschied. Dies verringert das Risiko eines Versagens der internen Dichtung und damit das Risiko des Austretens von Lauge aus den jeweiligen Elektrolysezellen. Ein Versagen der internen Dichtung würde zu einer Verschlechterung der Leistung und/oder der Lebensdauer des Zellenstapels führen.
Aufgrund der Anordnung des Zellenstapels im Druckbehälter herrscht kein Druckunterschied zwischen der Umgebung der Elektrolysezellen und den Hohlräumen der Elektrolysezellen. Somit werden geringere Anforderungen an die Druckbeständigkeit des Zellenstapels gestellt. Dies erhöht die Lebensdauer des Zellenstapels, insbesondere der Zellrahmen und der internen Dichtungen, deutlich. Bei einem Arbeitsdruck der Elektrolysezellen von 30 bar und einem im Druckbehälter anliegenden Druck von etwa 30 bar wird die Lebensdauer der Zellrahmen und internen Dichtungen im Vergleich zu einem konventionellen, unter Umgebungsdruck arbeitenden Zellenstapel etwa verdoppelt. Ferner können auch die Zellrahmen und internen Dichtungen aus einer grösseren Auswahl an Materialien angefertigt werden, weil sie geringeren mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Beispielsweise können die Zellrahmen aus Ethylen-Propylen-Dien- (Monomer)-Kautschuk, sogenanntem EPDM, gefertigt sein. Als weiteres vorteilhaftes Abgrenzungskriterium der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ist die Tatsache zu werten, dass die Elektrolyse im Druckbehälter bei einem Arbeitsdruck von über 100 bar und bis zu 700 bar durchgeführt werden kann, d.h. bei einem Druckunterschied zur Umgebung des Elektrolyseurs, welchen die Elektrolysezellen und deren Dichtungen kaum bis überhaupt nicht mechanisch ertragen. Höhere Arbeitsdrücke im Zellenstapel führen aber zu einer besseren Effizienz und sind somit vorteilhaft. Wasser ist nämlich unter Druck, was die Elektrolysereaktion unterstützt. Ferner kann bei einem höheren Arbeitsdruck ein komprimiertes Gasprodukt erzeugt werden, bspw. Wasserstoff unter einem Druck von 300 bar oder höher, sodass ein weiterer Kompressor zur Kompression des Gasprodukts für eine Verwendung nicht mehr nötig ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Endplattenvorsprung mit einem radialen Abstand zur inneren Mantelfläche des Gehäusekörpers, insbesondere zur inneren Mantelfläche des Arbeitsabschnitts, angeordnet, wobei die externe Dichtung sich durch den radialen Abstand erstreckt. Die externe Dichtung dient somit zudem als Abstandshalter und unterstützt eine koaxiale Anordnung der inneren Mantelfläche des Gehäusekörpers zu den Stapelendplatten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Zellenstapel ebenfalls mit einem radialen Abstand zur inneren Mantelfläche des Gehäusekörpers angeordnet, bevorzugt mit demselben radialen Abstand wie der radiale Abstand des Endplattenvorsprungs.
Der Druckelektrolyseur ist vorzugsweise zur Bereitstellung von Wasserstoff mittels elektrochemischer Elektrolyse von Wasser ausgebildet.
Die vorliegende Erfindung betrifft zudem eine Elektrolyseanlage umfassend einen Druckelektrolyseur gemäss der vorstehend dargelegten Art und mindestens einen Gasspeicherbehälter, der das Gasprodukt aufnimmt und dazu ausgebildet ist, das Gasprodukt von mitgeführtem Elektrolyt zu trennen. Diese Elektrolyseanlage profitiert von den Vorteilen des Druckelektrolyseurs, was sich in einer höheren Sicherheit und tiefere Wartungskosten niederschlägt. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Bereitstellung mindestens eines Gasprodukts mittels Elektrolyse,, insbesondere von Wasserstoff, welches Verfahren in einem Druckelektrolyseur gemäss einer der vorstehend dargelegten Ausführungsformen durchgeführt wird, wobei bei Durchführung der Elektrolyse im Innenraum des Druckbehälters ein Druck von mindestens 5 bar, etwa mindestens 30 bar, bevorzugt zwischen 40 bar bis 50 bar, ebenfalls bevorzugt über 100 bar, insbesondere zwischen 150 bar bis mindestens 200 bar, etwa bis 350 bar oder bis 700 bar, anliegt. Ein solcher Arbeitsdruck ist mit den dargelegten Ausführungsformen möglich, weil die Elektrolysezellen durch den Gehäusekörper von der Umgebungsdruck des Druckelektrolyseurs isoliert sind. Dabei kann der Gehäusekörper optimiert für diesen ausgelegt werden, wie dies dargelegt wurde. Höhere Arbeitsdrücke im Druckbehälter führen zu einer besseren Effizienz. Ferner kann bei einem höheren Arbeitsdruck ein komprimiertes Gasprodukt erzeugt werden. Das Gasprodukt, bspw. Wasserstoff, kann somit komprimiert bereitgestellt werden und braucht nicht im Anschluss an die Elektrolyse zusätzlich komprimiert werden, um als Treibstoff oder zur Speicherung zu dienen. Dies spart Energie und Kosten für den Druckkompressor oder vermeidet den Einsatz eines weiteren Druckkompressors.
Beschreibung der Figuren
Wie bereits vorstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter anderem anhand des durch die Figuren 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 in Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Druckelektrolyseur gemäss der vorliegenden Erfindung, der nach dem Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung arbeitet;
Fig. 2 einen Längsschnitt des Druckelektrolyseurs aus Figur 1 entlang der in Figur 1 eingezeichneten Linie A-A;
Fig. 3 einen Längsschnitt des Druckelektrolyseurs aus Figur 1 entlang der in Figur 1 eingezeichneten Linie B-B;
Fig.4 in Detailansicht den in Figur 2 mit «C» gekennzeichneten Bereich;
Fig. 5 einen Längsschnitt einerweiteren Ausführungsform des Druckelektrolyseurs; und
Fig. 6 in Detailansicht den in Figur 5 mit «D» gekennzeichneten Bereich.
Figur 1 zeigt einen Druckelektrolyseur 100 zur Bereitstellung mindestens eines Gasprodukts, nämlich einen alkalischen Elektrolyseur zur Bereitstellung von Wasserstoff und Sauerstoff mittels elektrochemischer Elektrolyse von Wasser.
Zur Durchführung der Elektrolyse hat der Druckelektrolyseur 100 einen Zellenstapel 10 mit mehreren, in axialer Richtung X in Reihe geschalteten Elektrolysezellen 12. Der Zellenstapel weist mehrere, insbesondere mindestens 10, beispielsweise 20, etwa 60, durchaus auch 120, Elektrolysezellen auf. In axialer Richtung X ist der Zellenstapel 10 zwischen einer ersten Stapelendplatte 22, welche als anodische Endplatte ausgebildet ist, und einer weiteren Stapelendplatte 24, welche als kathodische Endplatte ausgebildet ist, angeordnet.
Jede Elektrolysezelle 12 weist einen zwischen einer anodischen Platte und einer kathodischen Platte angeordneten Hohlraum und einen den Hohlraum umlaufenden stabilisierenden Zellrahmen auf. In diesem Hohlraum liegt bei Durchführung der Elektrolyse ein Arbeitsdruck, beispielsweise von 30 bar, etwa von 350 bar oder von 700 bar, an. Die jeweiligen Elektrolysezellen 12 sind also dazu ausgebildet, unter einem Arbeitsdruck zu arbeiten. Um die anodische Platte und die kathodische Platte voneinander zu trennen, ist in dem Hohlraum der Elektrolysezellen 12 jeweils eine Membran angeordnet. Als Elektrolyt dient Kalilauge.
Um den Hohlraum der Elektrolysezelle gegenüber der Umgebung abzudichten und/oder um benachbarte Elektrolysezellen voneinander abzudichten, ist im Zellenstapel 10 jeweils zwischen zwei Zellrahmen eine interne Dichtung 14 angeordnet. Figur 4 zeigt gestapelte Elektrolysezellen und interne Dichtungen 14, welche internen Dichtungen zwischen den Zellrahmen liegen. Die internen Dichtungen sind jeweils zwischen zwei Zellrahmen eingespannt, wobei die Zellrahmen jeweils eine Rahmennut zur Aufnahme der internen Dichtung aufweisen. Die Rahmennuten weisen jeweils eine Dichtfläche auf, welche einen Boden der Rahmennut bilden. Vorliegend verläuft der Boden der Rahmennut parallel zur Ebene des jeweiligen Zellrahmens. Die Dichtflächen der Rahmennuten wirken jeweils auf die internen Dichtungen in Richtung der Längsachse X des Gehäusekörpers, beispielsweise in horizontaler Richtung.
Der Druckelektrolyseur umfasst einen Druckbehälter 18, welcher einen druckfesten, röhrenförmigen, kreiszylinderförmigen Gehäusekörper 20, als Deckfläche die erste Stapelendplatte 22 und als Grundfläche die weitere Stapelendplatte 24 umfasst. Die erste Stapelendplatte 22 ist lösbar mit dem Gehäusekörper 20 verbindbar und dazu ausgebildet, eine axiale Öffnung des Gehäusekörpers 20 druckdicht zu verschliessen.
Der Zellenstapel 10 ist im Innenraum des Druckbehälters 18 in einem Arbeitsabschnitt 21 des Gehäusekörpers aufgenommen. Dieser Druckbehälter ist bei Durchführung der Elektrolyse mit Überdruck, bevorzugt mit dem Arbeitsdruck der Zellen, beispielsweise mit 30 bar oder mit 350 bar oder mit 700 bar, beaufschlagt.
Bei dem gezeigten Druckelektrolyseur 100 ist also der Zellenstapel 10 in einen druckfesten kreiszylinderförmigen Gehäusekörper 20, etwa ein drucktragendes Rohr, eingesetzt, das axial mit den Stapelendplatten 22, 24 des Zellenstapels 10 verbunden ist. Die Stapelendplatten 22, 24 sind in Gebrauchsstellung des Druckbehälters druckdicht mit dem Gehäusekörper 20 verbunden.
An seinem axialen Ende, welches der ersten Stapelendplatte 22 zugewandt ist, weist der Gehäusekörper eine Stirnwand 20a auf, welche in einer sich rechtwinklig zur axialen Richtung X erstreckenden Ebene verläuft.
Mindestens eine von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte weist einen axialen Endplattenvorsprung auf. Vorliegend weist die erste Stapelendplatte 22 den Endplattenvorsprung 28 auf.
Um den Innenraum des Druckbehälters gegenüber dem Umgebungsdruck des Druckelektrolyseurs 100 abzudichten, ist eine externe Dichtung 26 in radialer Richtung Y zwischen dem Gehäusekörper 20 und einem Dichtungsabschnitt 28a des Endplattenvorsprungs 28 verspannt.
Der Endplattenvorsprung 28 weist einen kreisförmigen Querschnitt über seine axiale Gesamtlänge auf. Somit weist der Dichtungsabschnitt 28a denselben kreisförmigen Querschnitt welcher, in Gebrauchsstellung, dem kreisförmigen Querschnitt des Arbeitsabschnitts 21 eingeschrieben ist.
Zudem weist der Endplattenvorsprung 28 an seiner dem Zellenstapel 10 zugewandten Seite eine, im Innenraum des Druckbehälters angeordnete, senkrecht zur axialen Richtung ausgerichtete, Stempelfläche 23 auf, welche in Gebrauchsstellung des Druckelektrolyseurs den Zellenstapel in axialer Richtung drückt, um den Zellenstapel zwischen der ersten und der weiteren Stapelendplatte 24 einzuspannen. Vorliegend weist die weitere Stapelendplatte 24 ebenfalls eine senkrecht zur axialen Richtung ausgerichtete Stempelfläche 25 auf, welche durch die dem Zellstapel zugewandte Wand der weiteren Stapelendplatte 24 ausgebildet ist. Auf diese Weise ist der Zellenstapel 10 zwischen den Stapelendplatten 22, 24 eingespannt. Ferner ragt der Dichtungsabschnitt 28a in den Arbeitsabschnitt 21 des Gehäusekörpers 20. In der gezeigten Ausführungsform ist die erste Stapelendplatte 22 als eine Baugruppe ausgebildet, wie dies besser in Fig. 4 ersichtlich ist. Konkret umfasst die erste Stapelendplatte 22 eine Schliessplatte 22a, welche als Deckfläche wirkt, den Endplattenvorsprung 28, und eine aus elektrisch isolierendem Material gebildete Trennschicht 33. Die Schliessplatte und der Endplattenvorsprung sind folglich durch die Trennschicht elektrisch isoliert voneinander.
Ein Kurzschluss zwischen den beiden Stapelendplatten 22, 24 kann verhindert werden, indem die erste Stapelendplatte 22 in zwei Teile geteilt wird, welche durch die Trennschicht 33 elektrisch isoliert voneinander sind. Die externe Dichtung 26 um läuft den Aussenumfang des Endplattenvorsprungs 28.
Die externe Dichtung 26 ist ein doppelter O-Ring wie dies auch in Fig. 4 gezeigt ist. In dieser Ausführungsform, weist der Endplattenvorsprung 28 zwei umlaufende Dichtungsnuten zur Aufnahme des doppelten O-Rings auf. Jeder O-Ring ist zwischen dem Gehäusekörper 20 und einer radialen Dichtfläche 29 verspannt, wobei die Dichtfläche 29 einen Boden der Dichtungsnut bildet. Vorliegend verlaufen die Böden, im longitudinalen Querschnitt gesehen, parallel zur axialen Richtung X.
Die zwei Dichtungsnuten sind mittels eines Abstandelements 27 des Endplattenvorsprungs 28 voneinander beanstandet.
Die weitere Stapelendplatte 24 ist direkt, insbesondere integral mit dem Gehäusekörper 20 verbunden in der gezeigten Ausführungsform. Wie in Figur 1 gezeigt, sind die Stapelendplatten 22, 24 parallel zueinander angeordnet. Der Aussenumfang der Stapelendplatten 22, 24 überragt den Aussenumfang des Gehäusekörpers 20, so dass die Stapelendplatten 22, 24 einen sich vom Innenraum des Druckbehälters nach radial aussen erstreckenden, äusseren Bereich oder Überstand aufweisen. Um den Druckbehälter besonders zuverlässig zu verschliessen, sind die Stapelendplatten 22, 24, an ihrem hervorstehenden Bereich, mittels Befestigungselemente 30, 32, insbesondere Zuganker, welche sich in Richtung der Längsachse X des Gehäusekörpers 20 erstrecken, derart miteinander verspannt, dass der Zellenstapel 10 axial zwischen der Stempelfläche 23 und der weiteren Stapelendplatte 24 eingespannt ist. Die Funktionen Abdichten des Hohlraums der Elektrolysezellen und Abdichten des Innenraums des Druckbehälters werden von zwei separaten Elementen, nämlich einerseits von den internen Dichtungen und andererseits von der externen Dichtung erfüllt.
Fig. 4 zeigt eine Detailansicht der zwischen dem Zellenstapel 10 und der ersten Stapelendplatte 22 verspannten externen Dichtung 26. Der Zellenstapel ist mit einem radialen Abstand 44 zum Druckbehälter, insbesondere zum Gehäusekörper 20 angeordnet.
Die Befestigungselemente 30 und 32 weisen Gewindestangen auf, welche mittels aufgesetzter Muttern die Elektrolysezellen axial zwischen den Stapelendplatten verspannen. In der Ausführungsform der Fig. 5 und Fig. 6 müssen die Befestigungselemente von der ersten Stapelendplatte und der weiteren Stapelendplatte elektrisch isoliert sein, wenn sie elektrisch leitend sind. In der Ausführungsform der Fig. 1 und Fig. 4 stellt die Trennschicht 33 sicher, dass die weitere Endplatte 24 und der Endplattenvorsprung 28 elektrisch isoliert sind. Ferner ist der Gehäusekörper elektrisch über einen radialen Abstand 44 isoliert von dem Zellenstapel. Der elektrische Kontakt zum Endplattenvorsprung 28 erfolgt über einen elektrischen Anschluss 31 , welcher durch die Trennschicht und die Schliessplatte elektrisch isoliert verläuft.
Des Weiteren ist in den Dichtungsnuten jeweils ein Stützelement 54 angeordnet. Das Stützelement 54 erstreckt sich durch den zwischen dem Zellenstapel 10 und Gehäusekörper 20 des Druckbehälters angeordneten radialen Abstand 44. Das Stützelement 54 erstreckt sich in radialer Richtung zwischen der inneren Mantelfläche des Gehäusekörpers und dem Endplattenvorsprung 28, sowie in axialer Richtung zwischen der externen Dichtung 26 und eine radiale Wand der Dichtungsnut. Das Stützelement 54 unterstützt eine koaxiale Anordnung der inneren Mantelfläche des Gehäusekörpers zum Endplattenvorsprung 28. Zudem stützt das Stützelement 54 die externe Dichtung 26, was insbesondere bei hohem Druck vorteilhaft ist, um ein Verrutschen der externen Dichtung 26 zu verhindern. Vorteilhafterweise ist das Stützelement 54 aus elektrisch isolierendem Material gebildet und wirkt als Isolatorelement. Dies bewirkt, dass ein Kurzschluss zwischen der inneren Mantelfläche des Gehäusekörpers und dem Endplattenvorsprung 28 zuverlässiger verhindert wird.
Die axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs 28 und die Dicke der Trennschicht 33 ist derart gestaltet, dass ein axialer Luftspalt 56 zwischen der Schliessplatte 22a und der Stirnwand 20a in Gebrauchsstellung vorhanden ist.
Der Druckraum um den Zellenstapel 10 kann mit Produktgas gespült werden. Zum Einlassen des Produktgases, beispielsweise von Wasserstoff, ist ein Einlass 50 vorgesehen (vgl. Fig. 3). Zudem kann ein Ablass 52 für eventuell austretende Lauge, etwa von Kalilauge, vorgesehen sein.
Bei dem in den Figuren gezeigten Druckelektrolyseur ist also der Zellenstapel 10 in einem mit dem Arbeitsdruck des Zellenstapels 10 beaufschlagten Druckbehälter angeordnet. Somit herrscht kein oder allenfalls nur ein geringer Druckunterschied zwischen dem Hohlraum innerhalb der Elektrolysezellen und der Umgebung der Elektrolysezellen. Der Zellenstapel 10 und seine internen Dichtungen 14 sind axial zwischen den Stapelendplatten verspannt. Die internen Dichtungen 14 wirken also in axialer Richtung. Die zum Abdichten des Druckbehälters ausgebildete externe Dichtung 26 ist radial zwischen der Stapelendplatte 22 und dem Gehäusekörper 20 verspannt. Die externe Dichtung 26 wirkt also in radialer Richtung. Da die internen Dichtungen 14 im Druckraum angeordnet sind und die externe Dichtung 26 ein von den internen Dichtungen unabhängiges Element ist, sind die internen Dichtung 14 und die externe Dichtung 26 deutlich geringeren mechanischen Belastungen ausgesetzt, als bei konventionellen, unter Umgebungsdruck arbeitenden Elektrolyseuren.
Der Druckelektrolyseur gemäss Fig. 5 und Fig. 6 ist ähnlich aufgebaut wie der in den Fig. 1 bis 4 offenbarten Ausführungsform. Nachstehend werden nur die Unterschiede besprochen. Gleiche Merkmale sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform der Fig. 1 bis 4 ist die erste Stapelendplatte 22 integral und einstückig ausgebildet, d.h. die Schliessplatte und der Endplattenvorsprung bilden eine Einheit. Um den Innenraum des Druckbehälters gegenüber dem Umgebungsdruck des Druckelektrolyseurs 100 abzudichten, wie dies besser in Fig. 6 sichtbar ist, ist die externe Dichtung 26 ebenfalls in radialer Richtung Y zwischen dem Gehäusekörper 20 und dem Dichtungsabschnitt 28a des Endplattenvorsprungs 28 verspannt. Ferner ragt der Dichtungsabschnitt 28a in den Arbeitsabschnitt 21 des Gehäusekörpers 20.
Die Befestigungselemente 30 und 32 weisen Gewindestangen auf, welche mittels aufgesetzter Muttern die Elektrolysezellen axial zwischen den Stapelendplatten verspannen. In der Ausführungsform der Fig. 5 sind die Befestigungselemente von der ersten Stapelendplatte und der weiteren Stapelendplatte elektrisch isoliert. Ferner ist der Gehäusekörper elektrisch isoliert von dem Zellenstapel.
Bezugszeichenliste
10 Zellenstapel mit einer Vielzahl an Elektrolysezellen 12
12 Elektrolysezelle
14 interne Dichtung des Zellenstapels 10
18 Druckbehälter
20 Gehäusekörper des Druckbehälters
20a Stirnwand des Gehäusekörpers
21 Arbeitsabschnitt des Gehäusekörpers
22 erste Stapelendplatte
22a Schliessplatte
23 Stempelfläche des Endplattenvorsprungs
24 als Grundfläche des Druckbehälters ausgebildete, weitere Stapelendplatte
25 Stempelfläche der weiteren Stapelendplatte 24
26 externe Dichtung
27 Abstandselement des Endplattenvorsprungs 28 Endplattenvorsprung
28a Dichtungsabschnitt
29 radiale Dichtfläche
30 erstes Befestigungselement 31 elektrischer Anschluss
32 weiteres Befestigungselement
33 Trennschicht
44 radialer Abstand zwischen dem Zellenstapel 10 und Gehäusekörper 20 des
Druckbehälters 50 Einlass
52 Auslass, beispielsweise Ablass für eventuell austretendes Elektrolyt, etwa für
Lauge
54 Stützelement für die externe Dichtung 26
56 axialer Luftspalt 100 Druckelektrolyseur, insbesondere Hochdruck-Elektrolyseur
X axiale Richtung bzw. in Richtung der Längsachse des Gehäusekörpers 20 angeordnete Richtung
Y radiale Richtung bzw. in Richtung des Radius des Gehäusekörpers 20 angeordnete Richtung

Claims

Patentansprüche
1. Druckelektrolyseur (100) zur Bereitstellung mindestens eines Gasprodukts, aufweisend einen Zellenstapel (10), welcher mehrere zur elektrochemischen Elektrolyse ausgebildete Elektrolysezellen (12) umfasst, und einen gegenüber dem Umgebungsdruck abgedichteten Druckbehälter (18),
- wobei die Elektrolysezellen (12) in einer axialen Richtung (X) in Reihe geschaltet und zwischen einer ersten Stapelendplatte (22) und einer weiteren Stapelendplatte (24) verspannt sind, und jeweils einen Hohlraum, in welchem ein Arbeitsdruck anliegt, sowie einen den Hohlraum umgebenden stabilisierenden Zellrahmen aufweisen,
- wobei im Zellenstapel (10) jeweils zwischen zwei Zellrahmen eine interne Dichtung (14) angeordnet ist, wobei die internen Dichtungen (14) die jeweiligen Hohlräume der Elektrolysezellen umlaufen und gegenüber der Umgebung der Elektrolysezellen abdichten, welche internen Dichtungen (14) in axialer Richtung (X) zwischen den Zellrahmen angeordnet und zwischen den Stapelendplatten (22, 24) verspannt sind, und
- wobei der Zellenstapel (10) im Innenraum des Druckbehälters (18) in einem Arbeitsabschnitt des Gehäusekörpers (20) aufgenommen ist, und wobei der Arbeitsdruck der Elektrolysezellen (12) im Innenraum anliegt,
- wobei der Druckbehälter einen druckfesten, an seinem jeweiligen axialen Ende eine Stirnwand aufweisenden Gehäusekörper (20) sowie als Deckfläche die erste Stapelendplatte (22) und als Grundfläche die weitere Stapelendplatte (24) aufweist, wobei der Gehäusekörper (20) zwischen der ersten Stapelendplatte und der weiteren Stapelendplatte eingespannt ist, und mindestens eine zum Abdichten des Innenraums des Druckbehälters gegenüber dem Umgebungsdruck ausgebildete externe Dichtung (26) aufweist,
- wobei mindestens eine von der ersten Stapelendplatte (22) oder von der weiteren Stapelendplatte (24) einen axialen Endplattenvorsprung (28) aufweist und die externe Dichtung (26) in radialer Richtung (Y) zwischen dem Gehäusekörper (20) und einem Dichtungsabschnitt des Endplattenvorsprungs (28) verspannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsabschnitt einen Querschnitt aufweist, welcher, in Gebrauchsstellung, dem Querschnitt des Arbeitsabschnitts eingeschrieben ist, dass der Dichtungsabschnitt in den Arbeitsabschnitt des Gehäusekörpers (20) ragt, und, dass der Endplattenvorsprung (28) an seiner dem Zellenstapel (10) zugewandten Seite eine Stempelfläche (23) aufweist, welche in Gebrauchsstellung des Druckelektrolyseurs (100) den Zellenstapel (10) in axialer Richtung (X) drückt, um den Zellenstapel (10) zwischen der ersten und der weiteren Stapelendplatte (22, 24) einzuspannen.
2. Druckelektrolyseur nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die externe Dichtung (26) den Aussenumfang des Endplattenvorsprungs (28) um läuft, welcher Endplattenvorsprung im Dichtungsabschnitt vorzugsweise eine um laufende Dichtungsnut zur Aufnahme der externen Dichtung aufweist.
3. Druckelektrolyseur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnwand (20a) des Gehäusekörpers (20), welche der mindestens einen von der ersten Stapelendplatte (22) oder von der weiteren Stapelendplatte (24) zugewandt ist, in einer sich rechtwinklig zur axialen Richtung (X) erstreckenden Ebene verläuft.
4. Druckelektrolyseur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempelfläche direkt der der Stempelfläche zugewandten Elektrolysezelle anliegt.
5. Druckelektrolyseur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Endplattenvorsprung einen Innenabschnitt, welcher den Dichtungsabschnitt umfasst, und einen Aussenabschnitt umfasst, wobei in Gebrauchsstellung der Innenabschnitt im Gehäusekörper (20) angeordnet ist und mit dem Zellenstapel über die Stempelfläche in Kontakt kommt, und wobei in Gebrauchsstellung der Aussenabschnitt ausserhalb des Gehäusekörpers (20) angeordnet und dazu bestimmt ist, einen axialen Luftspalt zwischen der Stirnwand des Gehäusekörpers und der mindestens einen von der ersten Stapelendplatte (22) oder von der weiteren Stapelendplatte (24) zu bilden.
6. Druckelektrolyseur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsabschnitt denselben Querschnitt über seine Länge aufweist.
7. Druckelektrolyseur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine von der ersten Stapelendplatte (22) oder von der weiteren Stapelendplatte (24) in der Form einer Baugruppe ausgebildet ist, wobei eine Schliessplatte, welche als Deckfläche oder als Grundfläche wirkt, und der Endplattenvorsprung getrennt ausgebildet sind, wobei die Schliessplatte und der Endplattenvorsprung durch eine aus elektrisch isolierendem Material gebildete Trennschicht elektrisch isoliert voneinander sind.
8. Druckelektrolyseur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Endplattenvorsprung (28) als Elektrolysezelle ausgebildet ist, deren Zellrahmen eine auf der der Schliessplatte zugewandte Seite eine verdickte Wand aufweist, wobei die verdickte Wand dazu bestimmt ist, die externe Dichtung aufzunehmen.
9. Druckelektrolyseur nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs derart gestaltet ist, dass ein axialer Luftspalt zwischen der Schliessplatte und der Stirnwand des Gehäusekörpers in Gebrauchsstellung vorhanden ist.
10. Druckelektrolyseur nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht denselben Querschnitt wie eine der Stempelfläche abgewandte, den Endplattenvorsprung in axialer Richtung begrenzende Zwischenfläche des Endplattenvorsprungs aufweist, um die Zwischenfläche in Gebrauchsstellung abzudecken.
11. Druckelektrolyseur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Endplattenvorsprung (28) durch ein elektrisch isolierendes Stützelement (54) vom Gehäusekörper elektrisch isoliert ist, welches eine koaxiale Anordnung der Gehäusekörpers zum Endplattenvorsprung unterstützt.
12. Druckelektrolyseur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Endplattenvorsprung mit einem radialen Abstand (44) zur inneren Mantelfläche des Gehäusekörpers angeordnet ist, wobei die externe Dichtung (26) sich durch den radialen Abstand (44) erstreckt.
13. Druckelektrolyseur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine von der ersten Stapelendplatte (22) oder von der weiteren Stapelendplatte (24) die erste Stapelendplatte (22) ist, welche erste Stapelendplatte (22) lösbar mit dem Gehäusekörper (20) verbindbar und dazu ausgebildet ist, eine axiale Öffnung des Gehäusekörpers (20) druckdicht zu verschliessen, und, dass die weitere Stapelendplatte (24) integral und druckdicht mit dem Gehäusekörper (20) ausgebildet ist.
14. Elektrolyseanlage aufweisend einen Druckelektrolyseur (100) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, und mindestens einen Gasspeicherbehälter, der das Gasprodukt aufnimmt und dazu ausgebildet ist, das Gasprodukt von mitgeführtem Elektrolyt zu trennen.
15. Verfahren zur Bereitstellung mindestens eines Gasprodukts, insbesondere von Wasserstoff, mittels Elektrolyse, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildeten Druckelektrolyseur (100) durchgeführt wird, wobei bei Durchführung der Elektrolyse im Innenraum des Druckbehälters ein Druck von mindestens 5 bar, etwa mindestens 30 bar, bevorzugt zwischen 40 bar bis 50 bar, ebenfalls bevorzugt über 100 bar, insbesondere zwischen 150 bar bis mindestens 200 bar, etwa bis 350 bar oder bis 700 bar, anliegt.
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