NO323424B1 - Elektrolyseapparat - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et elektrolyseapparat for elektrolyse av vann til hydrogen og oksygen med flere elektrolyseceller som hver inneholder en anode og en katode og som er koblet etter hverandre i en celleblokk som er omgitt av en trykkbeholder, hvor det på en ende av celleblokken befinner seg en første elektrode (anode) og på den motsatt liggende ende av celleblokken befinner seg en andre elektrode (katode), som hver er forbundet med strømføringer som fører gjennom trykkbeholderen for tilførsel av elektrisk strøm til celleblokken, idet det indre av trykkbeholderen er fylt med trykkvann som omgir celleblokken.

Et elektrolyseapparat av nevnte rype tjener til elektrolytisk spalting av vann til hydrogen og oksygen, for eksempel for utvinning av hydrogen innenfor rammen av fremtidig hydrogenteknologi. Et moderne slikt elektrolyseapparat arbeider med en alkalisk elektrolytt og ved øket trykk og øket temperatur på for eksempel 30 bar hhv. 150°C. Strømtilførslene som er nødvendig for den elektriske tilslutning av celleblokken er ført fra celleblokken gjennom trykkvannet som omgir denne gjennom trykkbeholderen. Her stilles det spesielle krav til den elektriske isolasjon av disse strømføringer, da disse må holde stand mot både de tidligere nevnte høye trykk og temperaturer og også særlig trykk- og temperaturforskjeller som oppstår ved endring av driftstilstanden. De kjente polymere isolasjoner holder bare kortfristig stand mot disse betingelser, slik at det i det indre av trykkbeholderen oppstår elektriske parallellkoblinger som kan føre til ytelsestap, parallellkoblingselektrolyse og knallgassdannelse.

Fra den kjente teknikk på området kan det vises til FR 2 568 897 Al.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe et elektrolyseapparat med en forbedret strømtilførsel.

Dette formål oppnås med et elektrolyseapparat som angitt i krav 1.

Elektrolyseapparatet ifølge oppfinnelsen som tjener til elektrolyse av vann til hydrogen og oksygen har flere elektrolyseceller som er koblet etter hverandre i en celleblokk omgitt av en trykkbeholder, hvor hver elektrolysecelle har en anode og en katode. På den ene ende av celleblokken befinner det seg en første elektrode og på den motsatt liggende ende av celleblokken befinner det seg en andre elektrode, idet disse elektroder hver er forbundet med strømføringer som fører gjennom trykkbeholderen til utsiden for tilførsel av elektrisk strøm til celleblokken. Det indre av trykkbeholderen er fylt med trykkvann som omgir celleblokken. Ifølge oppfinnelsen er det sørget for at den første elektrode er anordnet elektrisk isolert i det indre av celleblokken kapslet overfor trykkvannet, og at det er anordnet en kanal som fører fra celleblokken gjennom trykkbeholderen til utsiden og som er avtettet mot trykkvannet, hvor strømføringen som er forbundet med den første elektrode er ført gjennom kanalen til den første elektrode.

En fordel med elektrolyseapparatet ifølge oppfinnelsen er at ved strømføringen kan strømmen tilføres tørt og trykkløst til den første elektrode. Således bortfaller ethvert spesielt krav til isolasjon av strømføringen.

Ifølge en videreutforming av oppfinnelsen er det sørget for at den andre elektrode og strømføringen som er forbundet med den andre elektrode ligger på det samme potensial som trykkbeholderen, og at strømføringen som er forbundet med den andre elektrode er ført gjennom trykkvannet til utsiden. Fordelen med dette er at på grunn av det like potensial for den andre elektrode og trykkbeholderen er det ingen spesielle krav når det gjelder en isolasjon av strømføringen i den andre elektrode.

Det er særlig fordelaktig dersom potensialet for den andre elektrode samtidig er jordpotensialet (masse). Ved potensialutlikningen av trykkbeholderen og den andre elektrode blir det uten ytterligere byggetiltak tilveiebrakt en indre berørings-beskyttelse for beholderen.

Ifølge en andre videreutforming av oppfinnelsen er det sørget for at også den andre elektrode er anordnet elektrisk isolert i det indre av celleblokken kapslet overfor trykkvannet, og at også strømføringen som er forbundet med den andre elektrode er ført tørt til den andre elektrode gjennom en kanal som fører fra celleblokken gjennom trykkbeholderen til utsiden og som er avtettet mot trykkvannet. Ved denne utførelsesform blir det således for begge elektroder tilveiebrakt en tørr og trykkløs strømtilførsel, slik at det for begge strømføringer ikke forekommer problemer når det gjelder isolering. Dette er særlig gunstig for elektrolyseapparater hvor det ikke skal ligge noen elektrode på trykkbeholderens potensiale og dermed jordpotensiale.

Ifølge en videreutforming av elektrolyseapparatet ifølge oppfinnelsen er det sørget for at den kapslede elektrode er anordnet på innsiden av en elektrodetrykkplate som avslutter celleblokken på enden, hvor elektrodetrykkplaten har en utsparing som munner i kanalen som fører til utsiden for strømtilførselen forbundet med elektroden, hvor den kapslede elektrode holdes elektrisk isolert ved hjelp av en holderamme på innsiden. Dette danner en praktisk, enkel, utførbar virkeliggjørelse av elektroden som er kapslet liggende i det indre av celleblokken.

Denne utførelsesform kan inneholde at det mellom den kapslede elektrode og elektrodetrykkplaten er anordnet minst én tetningsplate av et elektrisk isolerende materiale.

Det er særlig fordelaktig dersom en tetningsplate ved den foran nevnte utførelsesform har åpninger eller kanaler som står i forbindelse med utsparingen i elektrodetrykkplaten, hvor det kan komme ut vanndamp i kanalen som fører til utsiden som dannes mellom elektroden og anodetrykkplaten.

Særlig fordelaktig er utførelsesformen av elektrolyseapparat ifølge oppfinnelsen hvor celleblokken har en alkalielektrolytt. For her blir fordelene med den tørre, trykkløse strømføring kombinert med fordelene ved en vannskallatskiltelse av den varme alkalielektrolytt fra omgivelsene med trykkvannet i trykkbeholderen.

Ifølge en utførelsesform er det sørget for at den første elektrode er en anode og består av nikkel.

Ved den foran nevnte utførelsesform er det fordelaktig dersom elektrodetrykkplaten består av austenittisk edelstål.

Endelig består en praktisk fordelaktig utførelsesform i at hoiderammen har en blindramme bestående av plast. Ifølge et andre utførelseseksempel av oppfinnelsen er det sørget for at to celleblokker er anordnet endesidig mot hverandre i en felles trykkbeholder, idet det på de motsatte ender av celleblokken befinner seg første elektroder og på de nærliggende ender av celleblokken befinner seg andre elektroder. De første elektroder er anordnet i det indre av celleblokken elektrisk isolert overfor trykkvannet, og strømføringene som er forbundet med de første elektroder er ført til utsiden gjennom kanaler som er avtettet mot trykkvannet. Dette utførelseseksempel har den fordel at det kan fremstilles store anlegg på plassbesparende måte og særlig kostnadsgunstig.

Ifølge en videreutforming av det andre utførelseseksempel er det sørget for at strømføringene som er forbundet med de andre elektroder ligger på det samme potensiale som trykkbeholderen og er ført til utsiden gjennom trykkvannet, særlig at potensialet for de andre elektroder samtidig er jordpotensialet (masse). Dette har den fordel med en fullstendig indre berøringsbeskyttelse for celleblokken.

Endelig er det andre utførelseseksempel på fordelaktig måte utformet slik at trykkbeholderen består av to beholderdeler som er anordnet støtende mot hverandre. Dette muliggjør en plass- og kostnadssparende byggemåte, hvor det ikke er nødvendig med noen basisplater som avslutter den åpne side av trykkbeholderen, som ville være tilfelle ved en atskilt anordning av celleblokker.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med noen utførelseseksempler og under henvisning til tegningene, der figur 1 viser et tverrsnitt gjennom et elektrolyseapparat ifølge en første utførelsesform av oppfinnelsen, fig. 2 viser et utsnitt X på figur 1 i større målestokk for å vise den praktiske utførelse av en kapslet elektrode i det indre av celleblokken ifølge utførelseseksemplet på fig. 1, og figur 3 viser et snitt gjennom en anordning av to endesidig koblede elektrolyseblokker anordnet i en felles trykkbeholder ifølge et andre utførelseseksempel av oppfinnelsen.

Ved det på figur 1 viste utførelseseksempel av elektrolyseapparat ifølge oppfinnelsen er det anordnet en elektrolysecelleblokk 1 i en trykkbeholder 2. Celleblokken 1 består av flere mekanisk og elektrisk etter hverandre koblede elektrolyseceller, av hvilke hver har en anode, en katode, en semigjennomtrengelig membran og strømsamleelementer for elektrisk forbindelse, idet disse deler imidlertid ikke er vist i detalj. Ved endene av celleblokken er det anordnet en første og en andre elektrode, via hvilke strømmen som er nødvendig for elektrolyseprosessen tilføres celleblokken. På den ene ende av celleblokken 1 befinner det seg en første elektrode, nemlig en anode 3, som er forbundet med en strømtilførsel 5, mens det på den motsatte ende av celleblokken 1 befinner seg en andre elektrode, nemlig en katode 4 som er forbundet med en strømtilførsel 6. Videre er det på celleblokken 1 sørget for midler for tilføring og behandling av alkalielektrolyttene og for samling av de ved elektrolysen tilveiebrakte gasser, hydrogen og oksygen, som på tegningen imidlertid ikke er vist i detalj. Rommet som omgir celleblokken 1 i trykkbeholderen 2 er fylt med deionisert trykkvann 7 som for eksempel holdes ved temperatur på 150°C med et trykk på 30 bar.

Anoden 3 som befinner seg på den ene ende av celleblokken 1 er kapslet i det indre av celleblokken 1 overfor trykkvannet 7 og anordnet elektrisk isolert. Strømtilførselen 5 som er forbundet med anoden 3 er ført tørt og trykkløst til utsiden gjennom en kanal 8 avtettet mot trykkvannet 7. Kanalen 8 er dannet av en sylindrisk hylse som på sine ender er forsynt med flenser og via tetninger 8a på den ene side forbundet med trykkbeholderen 2 av en flens og på den annen side forbundet med enden av celleblokken 1 av en elektrodetrykkplate 12, og avtettet mot trykkvannet 7. Kanalens 8 flenser er forbundet med beholderens 2 og anodetrykkplatens 12 flens ved hjelp av bolter. Mellom strømtilførselen 5 og den indre kanal 8 befinner det seg et ringspaltformet luftrom. Strømtilførselen 5 er forsynt med en isolasjon som det imidlertid ikke stilles noen spesielle krav til, fordi strømtilførselen S kun føres gjennom luft til utsiden, ikke gjennom det varme trykkvann 7. Anodetrykkplaten 12 avtetter celleblokken 1 på denne ende til utsiden mot trykkvannet 7.

Katoden 4 som befinner seg på den andre ende av celleblokken 1 ligger på det samme potensiale som trykkbeholderen 2, som samtidig er jordpotensial (masse). Også husdelene som danner den ytre omhylning av celleblokken 1 befinner seg på dette potensial. Strømtilførselen 6 som er forbundet med katoden 4 er ført gjennom trykkvannet 7 til utsiden og danner således en "våt" strømtilførsel. Da strømtilførselen 6, celleblokkens 1 hus og trykkbeholderen 2 befinner seg på det samme potensial, er det for strømtilførselen 6 ikke nødvendig med noen elektrisk isolering, hhv. dersom det likevel er anordnet en slik, stilles det ingen spesielle krav til denne isolering. Da det ikke forefinnes noen potensialforskjell mellom katoden 4, strømtilførselen 6, celleblokkens 1 hus og trykkbeholderen 2, består det en fullstendig indre berøringsbeskyttelse for beholderen til utsiden og det er ingen fare for elektrokorrosjon.

Trykkbeholderen 2 er klokkeformet og er forsynt med en flens langs omkretsen av dens åpne ende. Trykkbeholderens 2 åpning er avsluttet av en basisplate 11 som er forbundet med trykkbeholderens 2 flens ved hjelp av bolter. Mellom trykkbeholderens 2 flens og basisplaten 11 er det anordnet en tetning.

Som det er vist nærmere på figur 2, er anoden 3 holdt elektrisk isolert på innsiden av anodetrykkplaten 12 ved hjelp av en anoderamme 13a og en blindramme 13 som sammen danner en holderamme 13,13a. Blindrammen 13 består av et plastmateriale. Mellom blindrammen 13 og anodetrykkplaten 12 er det anordnet to tetningsplater 14,15 som består av et elektrisk isolerende krympe- og trykkfast materiale, som ved hjelp av blindrammen 13 og anoderammen 13a er satt under trykk mot anodetrykkplate 12 og danner en flatisolering og avtetning mellom blindrammen 13 og anodetrykkplaten 12. Tetningsplaten 15 som er vendt mot anodetrykkplaten 12 er dannet med full flate både i området ved blindrammen 13 og i området ved anoden 3, hvor derimot tetningsplaten 14 som er vendt mot anoden 3 riktignok er utformet med full flate i området ved blindrammen 13, men har imidlertid i området ved anoden 3 åpninger eller kanaler 18 som står i forbindelse med ringspalten som omgir strømtilførselen 5 og som er dannet av kanalen 8 og anodetrykkplaten 12, og hvor vanndamp som oppstår mellom anoden 3 og anodetrykkplaten 12 kan komme ut via kanalen 8. Rommet mellom blindrammen 13 og anoden 3 er istøpt med en isolerende fyllmasse. Mellom anoderammen 13a og anoden 3 befinner det seg en tetning 17. Tetningsplatene 14, 15 danner den elektriske isolasjon mellom anoden 3 og anodetrykkplaten 12 som ligger på det elektriske potensial for katoden. Flaten som er utspart fra anodetrykkplaten 12 om strømtilførselen 5 fører på grunn av overtrykket i det indre av celleblokken 1 til en utovervirkende resulterende trykkraft mot anoden 3, som bidrar til å tilveiebringe trykkraften som er nødvendig for dens avtetning mot anodetrykkplaten 12.

Ifølge en andre utførelsesform av det første utførelseseksempel av elektrolyseapparat ifølge oppfinnelsen kan også katoden 4 være anordnet elektrisk isolert i det indre av celleblokken 1 kapslet overfor trykkvannet 7, idet også strømtilførselen som er forbundet med katoden 4 er ført tørt og trykkløst til utsiden gjennom en kanal som fører fra celleblokken 1 gjennom trykkbeholderen 2 og som er avtettet mot trykkvannet 7. I dette tilfelle er således også katoden og strømtilførselen forbundet med denne elektrisk fullstendig og pålitelig isolert mot trykkbeholderen 2.

Ifølge et andre utførelseseksempel, som er vist på figur 3, er det koblet to elektrolysecelleblokker 1 endesidig mot hverandre via felles katodeflensplater 19 og anbrakt i en felles trykkbeholder 2. Strømtilførselen til anodene for de to celleblokker 1 skjer liknende som ved det første utførelseseksempel forklart ved hjelp av figur 1 via strømtilførsler 5 som er ført til anodene som befinner seg ved enden av celleblokkene i kanaler 8 avtettet mot trykkvannet 7 i det indre av trykkbeholderen 2. Strømtilførselen 6 for katodene som befinner seg ved endene av de to cellerblokker 1 som støter mot hverandre ligger på samme måte som katodene selv på det samme potensial som trykkbeholderen 2 og jordpotensialet (masse). Derfor er det ikke stilt noen nevneverdige krav når det gjelder isolasjon, og det er ført gjennom trykkvannet til utsiden som "våte" strømtilføringer.

Trykkbeholderen 2 i dette andre utførelseseksempel er dannet av to klokkeformede beholderdeler som er liknende de i det første utførelseseksempel. Da de to klokkeformede beholderdeler støter mot hverandre på deres åpne sider, bortfaller basisplaten 11 som var nødvendig ved det første utførelseseksempel og som lukket trykkbeholderen, noe som fører til en vesentlig kostnadsbesparelse.

Den koblede celleblokk vist på figur 3 kan for eksempel ha to ganger ISO celler hver med en flate på lm<2> og en tilslutningsytelse på 4,8 MW.

Claims (15)

1. Elektrolyseapparat for elektrolyse av vann til hydrogen og oksygen med flere elektrolyseceller som hver inneholder en anode og en katode og som er koplet etter hverandre i en celleblokk (1) som er omgitt av en trykkbeholder (2), hvor det på en ende av celleblokken (1) befinner seg en første elektrode (anode 3) og på den motsatt liggende ende av celleblokken befinner seg en andre elektrode (katode 4), som hver er forbundet med strømtilførsler (5,6) som fører gjennom trykkbeholderen (2) for tilførsel av elektrisk strøm til celleblokken (1), idet det indre av trykkbeholderen (2) er fylt med trykkvann (7) som omgir celleblokken (1), karakterisert ved at den første elektrode (3) er anordnet elektrisk isolert i det indre av celleblokken (1) kapslet overfor trykkvannet (7), og at det er anordnet en kanal (8) som fører fra celleblokken (1) gjennom trykkbeholderen (2) til utsiden og som er avtettet mot trykkvannet (7), hvor strømtilførselen (5) som er forbundet med den første elektrode (3) er ført gjennom kanalen (8) til den første elektrode (3).

2. Elektrolyseapparat ifølge krav 1, karakterisert ved at den andre elektrode (4) og strømtilførselen (6) som er forbundet med den andre elektrode ligger på det samme potensial som trykkbeholderen (2), og at strømtilførselen (6) som er forbundet med den andre elektrode (4) er ført gjennom trykkvannet (7).

3. Elektrolyseapparat ifølge krav 2, karakterisert ved at potensialet for den andre elektrode (4) samtidig er jordpotensial (masse).

4. Elektrolyseapparat ifølge krav 1, karakterisert ved at også den andre elektrode i det indre av celleblokken (1) er anordnet elektrisk isolert kapslet overfor trykkvannet (7), og at også strømtilførselen (6) som er forbundet med det andre elektrode er ført til den andre elektrode gjennom en kanal som er ført fra celleblokken (1) gjennom trykkbeholderen (2) og avtettet mot trykkvannet (7).

5. Elektrolyseapparat ifølge ett av kravene 1-4, karakterisert ved at den kapslede elektrode (3) er anordnet på innsiden av en elektrodetrykkplate (12) som avslutter celleblokken (1) i enden, og hvor elektrodetrykkplaten (12) har en utsparing som munner i kanalen (8) for strømtilførselen (5) forbundet med elektroden (3), hvor den kapslede elektrode (3) holdes elektrisk isolert på dens innside ved hjelp av en holderamme(13,13a).

6. Elektrolyseapparat ifølge krav 5, karakterisert ved at det mellom den kapslede elektrode (3) og elektrodetrykkplaten (12) er anordnet minst én tetningsplate (14,15) av et elektrisk isolerende materiale.

7. Elektrolyseapparat ifølge krav 6, karakterisert ved at en tetningsplate 14 har åpninger eller kanaler (18) som står i forbindelse med utsparingen i elektrodetrykkplaten (12), gjennom hvilke det mellom elektroden (3) og anodetrykkplaten (12) kan komme ut dannet vanndamp i kanalen (8).

8. Elektrolyseapparat ifølge ett av kravene 1-7, karakterisert ved at celleblokken (1) inneholder en alkalielektrolytt.

9. Elektrolyseapparat ifølge ett av kravene 1-8, karakterisert ved at den første elektrode (3) er en anode og består av nikkel.

10. Elektrolyseapparat ifølge ett av kravene 1-9, karakterisert ved at elektrodetrykkplaten (12) består av austenittisk edelstål.

11. Elektrolyseapparat ifølge ett av kravene 7-10, karakterisert ved t holderammen (13,13a) inneholder en blindramme (13) bestående av plast.

12. Elektrolyseapparat ifølge ett av kravene 1-11, karakterisert ved at to celleblokker er anordnet endesidig mot hverandre i en felles trykkbeholder (2), idet det på de motsatte ender av celleblokkene (1) befinner seg første elektroder (anoder 3) og på de nærliggende ender av celleblokkene (1) befinner seg andre elektroder, hvor de første elektroder er anordnet elektrisk isolert i det indre av celleblokken (1) kapslet overfor trykkvannet (7), og strømtilførslene (5) som er forbundet med de første elektroder (3) er ført gjennom kanaler som er avtettet mot trykkvannet (7).

13. Elektrolyseapparat ifølge krav 12, karakterisert ved at strømtilførslene (6) som er forbundet med de andre elektroder ligger på det samme potensial som trykkbeholderen (2) og blir ført til utsiden gjennom trykkvannet (7).

14. Elektrolyseapparat ifølge krav 13, karakterisert ved at potensialet for de andre elektroder samtidig er jordpotensial (masse).

15. Elektrolyseapparat ifølge krav 12, 13 eller 14, karakterisert ved at trykkbeholderen (2) består av to beholderdeler som er anordnet støtende mot hverandre.