WO2021097506A1 - Elektrolysevorrichtung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to an electrolysis device according to the preamble of claim 1 and a method for operating an electrolysis device according to the preamble of claim 11.
  • Electrolysis devices for splitting water and for producing hydrogen and oxygen have been known for a long time.
  • alkaline electrolysis has proven itself for use in industry.
  • a container that serves as an electrolysis cell is equipped with two electrodes.
  • the electrolytic cell is filled with a mixture of water and a lye, the electrolyte.
  • a DC voltage of at least 1.5 volts is applied to the anode, the positive pole, or the cathode, the negative pole, of the electrolytic cell, which results in a splitting of water (H 2 0), with the hydrogen at the cathode -Molecules are released and the oxygen molecules at the anode.
  • a uniformly thick electrode with a uniformly reactive surface a uniform production of the hydrogen gas takes place on the electrode surface.
  • the proportion of liquid is very high in the lower part, while a proportion of gas or foam is deposited in the upper part.
  • the hydroxide ions (OH) produced when the water is split at the cathode are transported to the anode by the voltage difference between the electrodes.
  • the applied voltage must be greater, the greater the distance between cathode and anode.
  • an ion-permeable separating membrane is usually arranged between the cathode and the anode.
  • the hydroxide ions are transported through this membrane or this diaphragm from the cathode to the anode and the hydroxide ions are recombined to water on the surface of the anode, with oxygen atoms being released which combine to form oxygen molecules. The oxygen formed then rises as a gas on the electrode.
  • the product gases rise on the front side facing the diaphragm.
  • the resulting gases are diverted upwards and can be used further.
  • electrolysis devices An important field of application of electrolysis devices is the storage of energy from electricity generation in the form of hydrogen. While burning fossil fuels allows electrical energy to be provided at any time when required, this is not possible with many others, especially with sustainable electricity sources. For example, the production of a solar system depends on the current solar irradiation and the production in wind turbines on the current wind strength. On the one hand, electricity is therefore produced even if it cannot be used, or electricity cannot always be generated when it is needed. Electrolysis devices enable the existing electricity to be used to carry out electrolysis. The resulting hydrogen can be stored and then used to generate electricity at a later point in time.
  • Electrolysis devices that can be operated at normal pressure are also known. Such a device is shown, for example, in EP 3 575 442 A1. These devices are smaller because the gases are not compressed in the electrolysis device, but are usually connected downstream. However, are these devices are also unsuitable for use on a small and medium scale. On the one hand, these devices also still require a large amount of space, and on the other hand, the devices themselves have a high energy consumption and high noise emissions due to the pumps required.
  • the object of the invention is therefore to provide an electrolysis device which requires little space and enables operation that is as energy-efficient and quiet as possible.
  • the electrolysis device has an equalizing tank for mixing the electrolyte, the hydrogen half-cell and the oxygen half-cell of the at least one electrolysis element being connected to the equalizing tank so that it encompasses the first gas separator tower, the hydrogen half-cell, the equalizing tank, the oxygen half-cell and the second gas separator tower connected fluid space is formed.
  • the first gas separator tower can be closed reversibly and the second gas separator tower enables the level of the electrolyte to rise.
  • the arrangement according to the invention enables thorough mixing of the electrolyte without the need for a pump system.
  • the electrolysis device is therefore small and the noise emission is reduced. Furthermore, the efficiency of hydrogen production is increased.
  • the gas separator tower which enables the level of the electrolyte to rise, can be open to the environment, so that the electrolysis can be carried out at normal pressure. This has the advantage that a complex printing system can be dispensed with.
  • the electrolysis device thus enables economical operation even with lower electricity production, as is the case, for example, in small solar systems on roofs or by small wind turbines. This electrolysis device can thus also enable economical storage of energy for private households and small businesses.
  • a direct voltage is first applied to the electrodes.
  • the product gases form on the electrodes. Both gases rise and are separated from the electrolyte liquid in the gas separator towers.
  • the gas separator tower When the reversibly closable gas separator tower is closed, the gas rises in the gas separator tower and the level of the electrolyte in this gas separator tower drops. The rising gas pushes the electrolyte downwards and the electrolysis element into the expansion tank. At the same time, the level in the other gas separator tower rises because the electrolyte is pressed from the expansion tank through the electrolysis element into the other gas separator tower.
  • the gas flows out of this gas separator tower and the level of the electrolyte rises in the closable gas separator tower, with the electrolyte flowing through the half-cells connected to the other gas separator tower, the expansion tank and the half-cells connected to the closable gas separator tower.
  • the electrolyte is thus sufficiently mixed to enable permanent, economical operation of the electrolysis device.
  • the gases can be discharged or sucked out of the gas separator towers for further use.
  • a suction device can be connected downstream of the electrolysis device.
  • a compressor can be provided on the outlet side of the first gas separator tower, in particular following a valve that reversibly closes the first gas separator tower in the direction of flow, for sucking off the hydrogen produced.
  • a corresponding filter can be attached to the electrolysis device in the direction of flow downstream of a valve that reversibly closes the first gas separator tower for further purification.
  • the first gas separator tower can be closed as a function of the fill level.
  • a first sensor for detecting a first fill level of the electrolyte is provided in the first gas separator tower.
  • a first maximum and / or a first minimum operating level can be detected.
  • the maximum operating level is set in the upper area of the gas separator tower, the minimum operating level in the lower area of the gas separator tower.
  • a second sensor for detecting a second fill level of the electrolyte is provided in the second gas separator tower, whereby it is preferably provided that at least a second maximum and / or a second minimum operating fill level can be detected. If the level of the electrolyte is measured in both gas separator towers, redundant level measurement is made possible, which avoids many sources of error and enables reliable operation of the electrolysis device.
  • the sensors can each be arranged either directly in the gas separator tower or, for example, in a parallel bypass or a level measuring chamber.
  • the safety of the electrolysis device can be improved if a sensor is designed to detect the total fill level of the electrolyte in the device. This makes it possible to determine whether the amount of electrolyte in the electrolysis device is sufficient to enable safe operation, in particular to avoid overheating of the device.
  • the first and / or second sensor can be designed to measure the total fill level, with the second sensor preferably being able to detect the total fill level.
  • the operation of the electrolysis device is particularly safe if it is provided that a minimum total fill level can be detected. As a result, when it is reached, the operation of the device can be stopped automatically in order to avoid overheating of the device.
  • a maintenance indicator is provided which is connected to the sensor in such a way that a total fill level measured by the sensor is displayed. This makes it particularly easy to determine the point in time when it is necessary to top up with water.
  • Level measurement in particular as a first and / or second sensor, a measuring element for inductive measurement is provided.
  • the sensor can be arranged outside the gas separator towers and can thus be serviced or replaced in a particularly simple manner.
  • an inductively detectable float preferably made of graphite, is arranged.
  • the float can either be arranged directly in the gas separator tower or in a filling level measuring chamber which is in fluid connection with the gas separator tower. This enables a particularly reliable measurement.
  • the mixing of the electrolyte is improved when the volume of the electrolyte
  • Expansion tank corresponds to at least the volume of the first gas separator tower.
  • the volume of the expansion tank corresponds to 120-200%, preferably 150%, of the volume of the first gas separator tower.
  • the electrolysis device is particularly safe if the volume of the expansion tank corresponds to 110-130%, in particular 115%, of the volume in all of the electrolysis elements connected to the expansion tank.
  • the device is particularly efficient if the expansion tank has a partition for partial
  • first equalization area connected to the hydrogen half-cells and a second equalization area connected to the oxygen half-cells
  • first and second equalization areas being connected to one another, in particular in the lower area of the equalization tank, preferably at the bottom of the equalization tank.
  • the expansion tank has a partition
  • the first compensation area has a volume which is at least 15% larger than the volume of the hydrogen half-cells and / or if the second compensation area has a volume which is at least 15% larger, than the volume of the oxygen half-cells. This can improve the purity of the gases.
  • the mixing of the electrolyte is also improved if the volume of the first gas separator tower corresponds to 115-150%, in particular 140%, of the volume of all hydrogen half-cells.
  • the second gas separator tower has a volume that is greater than or equal to the volume of the first gas separator tower.
  • a cooling chamber is provided for throughflow cooling.
  • the electrolysis device can be cooled particularly efficiently if the cooling chamber is arranged between the gas separator towers, the expansion tank and the at least one electrolysis element. If the connection between the connecting spaces and the gas separator towers is cooled and / or cooling of the gas separator towers is provided, cooled hydrogen or cooled oxygen is released from the electrolysis device. The cooled gases can be further processed particularly easily. If necessary, the cooling water heated by the electrolysis device can be reused, for example for a heating system. In this case, the electrolysis device can also be used for warm water preparation, whereby the energy efficiency can be further improved.
  • the structure of the electrolysis device can be simplified if a base unit is provided, the expansion tank being arranged in the lower area of the base unit, a first connection channel for connection to the hydrogen half-cell and a second connection channel for connection to the oxygen half-cell being provided on the top of the expansion tank , and wherein the gas separator towers are arranged in the upper region of the base unit, with a first connection space for connection to the first gas collecting space of the hydrogen half-cell being arranged on the underside of the first gas separating tower and a second connection space for connection with the second gas collecting space of the Oxygen half-cell.
  • the electrolysis device can be designed to be particularly small and space-saving if it is provided that the base unit is designed in the form of a plate, whereby it is preferably provided that the base unit has a thickness of 2-100 mm, in particular 20-60 mm, preferably 40 mm .
  • Particularly efficient cooling is possible if the cooling chamber is arranged in the base unit, in particular in the central area, the expansion tank preferably being arranged below the cooling chamber and the gas separator towers being arranged above the cooling chamber.
  • the electrolysis device can be designed to be particularly small and space-saving if the electrolysis element or the electrolysis elements are plate-shaped.
  • the electrolysis element then comprises a first plate-shaped nickel electrode, a spacing which can be produced, for example, by a first element frame, a plate-shaped membrane, a further spacing which can be produced, for example, by a second element frame, and a second plate-shaped nickel electrode.
  • the electrolysis device can be designed to be particularly space-saving if, in particular, it is provided that the electrolysis element has a thickness of 5-50 mm, in particular 8-14 mm.
  • the hydrogen half-cells, the electrodes and the diaphragm are plate-shaped.
  • the distance between the electrodes is 1–30 mm, in particular 6–8 mm, the diaphragm preferably being arranged in the middle.
  • the distance from the diaphragm to the electrodes is then preferably 2 to 8 mm in each case.
  • the electrolysis device can also be designed to be small and space-saving if the at least one electrolysis element between the first electrode and the diaphragm has a first element frame for receiving the electrolyte, the first element frame having an open first gas collecting space for a connection to the first gas separator tower and an open first Having a connecting channel for a connection to the expansion tank and wherein the first element frame has a separate first flow space for a connection to the second gas separator tower and a separate first flow channel for a connection to the expansion tank.
  • the electrolysis element has a second element frame for receiving the electrolyte between the diaphragm and the second electrode, the second element frame having an open second gas collecting space for a connection to the second gas separator tower and an open second connection channel for a connection to the expansion tank.
  • the second element frame has a separated second flow space for a connection to the first gas separator tower and a separated second flow channel for a connection to the expansion tank.
  • the electrolysis device can be manufactured particularly efficiently if the first and second element frames are constructed identically.
  • the electrolysis device is particularly efficient if 1-100, in particular 10, electrolysis elements are provided.
  • the electrical energy can be used to a large extent, since a large area is available for electrolysis.
  • thorough mixing of the electrolyte and efficient cooling of the electrolysis device can take place.
  • the electrolysis elements are connected to form a stack, whereby it is preferably provided that the anodes of the electrolysis elements connected to the stack are connected in series and the cathodes of the electrolysis elements connected to the stack are connected in series.
  • all hydrogen half-cells are preferably connected to one another and have a common connection, in particular a common first gas collecting space, to the first gas separator tower and a common connection, in particular a common first connecting channel, to the expansion tank.
  • all oxygen half-cells are preferably connected to one another and have a common connection, in particular a common second gas collecting space, to the second gas separator tower and a common connection, in particular a common second connecting channel, to the expansion tank.
  • the individual gas collection spaces are connected by the individual flow spaces to form a common gas collection space.
  • the individual connection channels are connected by the individual flow channels to form a common connection channel.
  • the electrolysis device having at least one electrolysis element for carrying out the electrolysis, the electrolysis element having a first reversibly closable gas separator tower for collecting hydrogen, and a second gas separating tower for collection, which enables the level of the electrolyte to rise is connected by oxygen, so that a fluid space connecting the at least one electrolysis element and the gas separator towers is formed, the electrolysis device being put into operation by applying a voltage to the electrolysis element, characterized in that
  • the first gas separator tower is closed so that the hydrogen that forms is collected in the first gas separator tower, which leads to a drop in the level of the electrolyte in the first gas separator tower and, due to the connected fluid space, the level in the second gas separator tower increases at the same time, - while waiting for gas production,
  • This method is particularly advantageous when operating a previously described electrolysis device.
  • the method can be carried out particularly efficiently if the first gas separator tower is opened as a function of the fill level, with a measurement of an operating fill level of the electrolyte in the first and / or in the second gas separator tower.
  • the first gas separator tower is closed when a predetermined first maximum operating level is reached in the first gas separator tower and / or a predetermined second minimum operating level is reached in the second gas separator tower.
  • the first gas separator tower is opened when a predetermined first minimum operating level is reached in the first gas separator tower and / or a predetermined second maximum operating level is reached in the second gas separator tower.
  • the reliability of the method can be improved if a volume of the electrolyte in the device is measured, with provision being made in particular that the fill level in the second gas separator tower is determined for this purpose, the electrolysis device being automatically stopped when a maintenance fill level below the minimum operating fill level is reached becomes.
  • the electrolysis is carried out at ambient pressure, it being provided in particular that the oxygen produced in the second gas separator tower is discharged into the environment.
  • the gas produced in particular the hydrogen produced in the first gas separator tower, is sucked off.
  • the mixing of the electrolyte is improved by the suction.
  • the same effect can be achieved if the first gas separator tower is opened and closed 2 to 50 times per minute, in particular 3 to 4 times per minute.
  • 1a shows an exemplary base unit for an electrolysis device.
  • FIG. 1b shows the base unit from FIG. 1a from a first side.
  • FIG. 1c shows the base unit from FIG. 1a from a second side.
  • FIG. 2a shows an exemplary first element frame for an electrolysis device from a first side.
  • FIG. 2b shows an exemplary second element frame for an electrolysis device from a first side.
  • FIG. 2c shows the first or second element frame from FIGS. 2a and 2b from a second side.
  • FIG 3 shows an exemplary electrolysis device.
  • FIG. 4 shows the electrolysis device from FIG. 3 in a side view.
  • FIG. 5 shows the electrolysis device from FIG. 3 from below.
  • FIG. 6 shows the electrolysis device from FIG. 3 from a side view.
  • FIG. 7 shows the electrolysis device from FIG. 3 from a front side.
  • FIG. 8 shows the electrolysis device from FIG. 3 from a rear side.
  • the electrolysis device has a base unit 10.
  • a first gas separator tower 1 is provided for receiving the hydrogen produced during the electrolysis.
  • the first gas separator tower 1 can be closed reversibly by a valve.
  • a second gas separator tower 2 which enables the level of the electrolyte to rise, is provided for receiving the oxygen produced during the electrolysis, which in the embodiment shown is open to the environment or to the atmosphere.
  • a compensation tank 4 is arranged in the lower area.
  • at least one electrolysis element is provided for carrying out the electrolysis, a stack 3 with 10 connected electrolysis elements being arranged in the embodiment shown.
  • each electrolysis element is plate-shaped and has a thickness of 10 mm.
  • the electrolysis elements each comprise a hydrogen half-cell and an oxygen half-cell, the hydrogen half-cell and the oxygen half-cell being separated by an ion-permeable diaphragm which is impermeable to the electrolyte.
  • the hydrogen half cell comprises a first electrode to form a cathode
  • the oxygen half cell comprises a second electrode to form an anode.
  • the electrodes are spaced 5 mm apart.
  • the electrodes are nickel electrodes.
  • the base unit 10 is designed in the form of a plate. In the embodiment shown, the base unit 10 has a height of 150 cm, a width of 30 cm and a thickness of 4 cm.
  • the expansion tank 4 is arranged in the lower region of the base unit 10, the first gas separator tower 1 and the second gas separator tower 2 are arranged in the upper region.
  • the first gas separator tower 1 and the second gas separator tower 2 are separated in the base unit 10 by a web 18 in a fluid-tight manner, that is to say in a liquid-tight and gas-tight manner.
  • a cooling chamber 5 for throughflow cooling is provided between the expansion tank 4 and the gas separator towers 1, 2.
  • the stack 3 can be arranged in front of the cooling chamber 5.
  • the base unit 10 and the electrolysis elements of the stack 3 are connected to one another at bores 15.
  • first connection channel 12 for the connection to the hydrogen half-cells of the electrolysis elements and a second connection channel 14 for connection with the oxygen half-cells of the electrolysis elements.
  • first connection space 11 for connection to the first gas collecting space 21 of the hydrogen half-cell and on the underside of the second Gas separator space 2
  • second connection space 13 is provided for connection to the second gas collection space 33 of the oxygen half-cell.
  • a continuous, connected fluid space for the electrolyte or the gases formed is formed, which extends from the first gas separator tower 1, through the hydrogen half-cells of the electrolysis elements of the stack 3, via the expansion tank 4, the oxygen half-cells of the electrolysis elements of the stack 3 and the second Gas separator tower 2 extends.
  • a first fill level measuring space 8, which corresponds to the first gas separator tower 1, and a second fill level measuring space 9, which corresponds to the second gas separator tower 2, are provided for filling level measurement.
  • the level measuring spaces 8, 9 are attached to the gas separator towers 1, 2 in such a way that electrolyte can flow in on the underside and gas can flow in on the upper side. As a result, foam formation in the fill level measuring spaces 8, 9 is avoided and a particularly precise fill level measurement is made possible.
  • a sensor for inductive level measurement is provided.
  • An inductively detectable float can be arranged in the fill level measuring spaces 8, 9, which float rises and falls with the fill level of the electrolyte in the fill level measuring space 8, 9 or in the gas separator tower 1, 2.
  • the float made of graphite is provided, which can be easily detected and is particularly stable in the environment of the electrolyte.
  • any other suitable method for measuring the fill levels can also be used, it being possible for example to provide a capacitive measurement.
  • a first sensor for detecting a first fill level is provided on the outside of the first fill level measuring space 8.
  • the first sensor can detect at least a first maximum and a first minimum operating level.
  • the first maximum operating level is arranged in the upper region of the first gas separator tower 1.
  • the first gas separator tower can be closed so that the electrolyte from the first gas separator tower 1 can be prevented from overflowing.
  • the first minimum operating level is arranged in the lower area of the gas separator tower 1.
  • the first gas separator tower 1 can be opened so that hydrogen can flow out of the first gas separator tower 1 and the electrolyte into the first Gas separator tower 1 can flow in, so that the hydrogen half-cells connected to the first gas separator tower 1 remain filled with electrolyte.
  • a second sensor for detecting a second fill level in the second gas separator tower 2 is provided on the outside of the second fill level measuring space 9.
  • the sensor detects at least a second maximum and a second minimum operating level.
  • the second maximum operating level is specified in the upper area of the second gas separator tower 2.
  • the first gas separator tower 1 is opened so that the hydrogen is removed and the electrolyte rises in the first gas separator tower 1 and falls in the second gas separator tower 2. This can prevent the second gas separator tower 2 from overflowing.
  • the second minimum operating level is specified in the lower area of the second gas separator tower 2. This can prevent the fill level in the second gas separator tower 2 from dropping too far and the oxygen half-cells can be prevented from running dry.
  • the second sensor can detect the total fill level of the electrolyte in the device, the difference between the fill levels being used in the embodiment shown. At least a minimum total fill level can be detected by the sensor. When the minimum total level is reached, the electrolysis is automatically stopped.
  • a maintenance indicator for example a scale, can be provided which shows the fill level of the electrolyte in the device. This makes it particularly easy to determine when water has to be topped up in the device in order to avoid reaching the minimum total fill level and stopping the electrolysis.
  • 1b shows the base unit 10 from the side facing away from the stack 3.
  • the first and second gas separator towers 1, 2 have the same volume of 5 l in the embodiment shown.
  • the volume of the expansion tank 4 in the embodiment shown comprises 7.5 I and in the embodiment shown corresponds to 150% of the volume of the first gas separator tower 1.
  • the volume of the expansion tank 4 thus corresponds to 115% of the volume in all of the electrolysis elements connected to the expansion tank 4 Stacks 3.
  • the expansion tank 4 has a partition 17. This partition wall 17 protrudes from the upper end of the expansion tank 4 downwards, where it is in lower area of the expansion tank 4 ends.
  • the partition 17 partially separates a first compensation area connected to the hydrogen half-cells and a second compensation area connected to the oxygen half-cells from one another. This prevents the gases formed from reaching the other half-cells, which in turn leads to the gases formed being mixed.
  • the two compensation areas are connected at the lower end, in the embodiment shown, at the bottom of the compensation tank 4. In the embodiment shown, the two compensation areas are of the same size.
  • the volume of the compensation areas is each 15% greater than the volume of the electrolysis half-cells connected to the compensation area.
  • Each electrolysis element is composed of a first electrode, a first element frame 20 for the hydrogen half cells, a diaphragm, a second element frame 30 for the oxygen half cells and a second electrode.
  • FIG. 2a shows the first element frame 20 for the hydrogen half-cell of an electrolysis element of the stack 3.
  • the element frame 20 is plate-shaped and has a square outline. In the embodiment shown, the first element frame 20 is approximately 5 mm thick. In the corner areas, on a first side at the top, the first gas collecting space 21 for connecting to the first connecting space 11 of the base unit 10 and to the first gas separator tower 1 and, at the bottom, the connecting channel 22 for connecting to the first connecting channel 12 to the expansion tank 4.
  • the gas collecting space 21 and the connecting channel 22 are open to the interior of the first element frame 20, so that the interior is filled with the electrolyte during operation and the electrolyte is in contact with the cathode.
  • a first throughflow space 23 and at the bottom a first throughflow channel 24 are formed, which are separated from the interior of the first element frame 20 and which are connected to the oxygen half-cells, the second gas separator tower 2 and the expansion tank 4 are.
  • FIG. 2b shows the second element frame 30 for the oxygen half-cell of the electrolysis element 3.
  • the second element frame 30 is structurally identical to the first element frame 20 from FIG. 2a.
  • the second element frame 30 is rotated by 180 ° so that in the corner areas on the first side a second flow space 31 is formed at the top and a second flow channel 32 is formed at the bottom, each of which is separated from the interior of the second element frame 30, which is filled with the electrolyte during operation and with the hydrogen cells, the first gas separator tower 1 and the surge tank 4 are connected.
  • the second gas collecting space 33 for connecting to the second connecting space 13 and for connecting to the second gas separator tower 2 is formed at the top.
  • the connecting channel 34 is designed for connecting to the second connecting channel 14 for connecting to the expansion tank 4.
  • the gas collecting space 33 and the connecting channel 34 are open to the interior of the second element frame 30, so that the electrolyte can flow past the anode during operation.
  • 2c shows the rear side of the element frames 20, 30.
  • the base unit 10 and the element frame 20, 30 are made of PTFE (polytetrafluoroethylene), since this is particularly resistant and durable.
  • the seals are made of EPDM (ethylene propylene diene rubber), as this has particularly good sealing properties.
  • nickel electrodes are provided as electrodes.
  • the 3 shows the first gas separator tower 1, the second gas separator tower 2, the expansion tank 4 and the stack 3.
  • the electrolysis elements are arranged one behind the other and connected in series.
  • the first connection point 6 is connected to the anodes of the electrolysis elements
  • the second connection point 7 is connected to the cathodes of the electrolysis elements.
  • a cooling system 5 is also provided, which is arranged between the gas separator towers 1, 2, the stack 3 and the expansion tank 4.
  • the base unit 10 is designed to be particularly flat and therefore particularly space-saving.
  • the stack 3 has a side surface of 300 * 400 mm.
  • Fig. 5 shows the electrolysis device from below.
  • the base area of the stack 3 is 300 * 400 mm in the embodiment shown.
  • the electrolysis device in a view of the stack 3.
  • the front surface of the stack 3 is 300 * 300 mm.
  • the stack 3 is cuboid and therefore has a particularly small volume and at the same time provides a large surface for carrying out the electrolysis.
  • the electrolysis device shown has a height of 150 cm, a width of 33 cm and a depth of 45 cm. In the illustrated embodiment
  • An exemplary method for operating an electrolytic device can be guided by the following steps:
  • both gas separator towers 1, 2 are approximately half full.
  • the first gas separator tower 1 is closed by a valve, the second gas separator tower 2 is open to the environment.
  • a suction device is provided on the first gas separator tower 1 or the first gas separator tower 1 is connected to a compressor.
  • a voltage is applied to the electrolysis elements of the electrolysis device in order to start the electrolysis.
  • a DC voltage of at least 1.5 volts is used for each electrolysis element.
  • the hydrogen formed rises, but cannot escape through the closed first gas separator tower 1. This creates a pressure that the
  • Gas separator tower 1 sinks. The volume of the hydrogen formed thus displaces the electrolyte from the first gas separator tower 1 and leads to an increase in the fill level in the second gas separator tower 2. If in the second gas separator tower
  • the second level has reached a maximum operating level
  • a minimum operating level is reached in the first gas separator tower 1 at the same time.
  • the first gas separator tower 1 is opened. This results in a level equalization between the first and second gas separator towers 1, 2.
  • the cyclic suction switches on, which is arranged following the valve of the first gas separator tower in the direction of flow. By opening the first gas separator tower 1, the collected gas can escape. The electrolyte is sucked through the electrolysis elements of the stack 3 in the direction of the first gas separator tower 1. The rise and fall of the fill level result in excellent mixing of the electrolyte and even heat distribution.
  • a pump for mixing the electrolyte can be dispensed with, so that the process can be carried out in a more energy-efficient manner and the device works particularly quietly.
  • the electrolyte in the first gas separator tower 1 reaches a maximum operating level, a minimum operating level is simultaneously reached in the second gas separator tower 2.
  • the first gas separator tower 1 is then closed. The process starts all over again. In the exemplary method described, the first gas separator tower 1 is opened and closed approximately 3-4 times per minute.
  • the combination of filling level measurement on both sides enables the filling amount of the electrolyte in the device to be determined particularly precisely. As a result, the method can run particularly reliably and trouble-free. Furthermore, the amount of water to be topped up during maintenance can be precisely determined. If the total level of the electrolyte reaches a minimum maintenance level, the electrolysis is automatically stopped to prevent the device from overheating.
  • the alkaline electrolysis can be carried out at a temperature of 40 to 90 ° C.
  • Flow cooling can be provided to dissipate the resulting heat.
  • the warmed-up cooling water can, for example, be used for heating water.
  • the device shown and the method shown create a safe, inexpensive, space-saving and noise emission-reduced possibility of efficiently converting electrical energy into hydrogen and thus storing it.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung zur alkalischen Elektrolyse umfassend einen ersten Gasabscheiderturm (1) für die Aufnahme von Wasserstoff, einen zweiten Gasabscheiderturm (2) für die Aufnahme von Sauerstoff, und zumindest ein Elektrolyseelement mit einer Wasserstoffhalbzelle und einer Sauerstoffhalbzelle, wobei die Wasserstoffhalbzelle und die Sauerstoffhalbzelle durch ein für einen Elektrolyten undurchlässiges und ionendurchlässiges Diaphragma getrennt sind, wobei die Wasserstoffhalbzelle eine erste Elektrode zur Ausbildung einer Kathode umfasst, wobei an der ersten Elektrode ein erster Gassammelraum (21) vorgesehen ist, der mit dem ersten Gasabscheiderturm (1) verbunden ist, und wobei die Sauerstoffhalbzelle eine zweite Elektrode zur Ausbildung einer Anode umfasst, wobei an der zweiten Elektrode ein zweiter Gassammelraum (33) vorgesehen ist, der mit dem zweiten Gasabscheiderturm (2) verbunden ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Elektrolysevorrichtung einen Ausgleichsbehälter (4) zur Durchmischung des Elektrolyten aufweist, wobei die Wasserstoffhalbzelle und die Sauerstoffhalbzelle des zumindest einen Elektrolyseelements mit dem Ausgleichsbehälter (4) verbunden sind, sodass ein den ersten Gasabscheiderturm (1), die Wasserstoffhalbzelle, den Ausgleichsbehälter (4), die Sauerstoffhalbzelle und den zweiten Gasabscheiderturm (2) umfassender verbundener Fluidraum ausgebildet ist, und dass der erste Gasabscheiderturm (1) reversibel verschließbar ist und der zweite Gasabscheiderturm (2) einen Füllstandsanstieg des Elektrolyten ermöglicht, insbesondere zur Umgebung hin geöffnet ist. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysevorrichtung.

Description

Elektrolysevorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolysevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
Elektrolysevorrichtungen zur Spaltung von Wasser und zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff sind seit langem bekannt. Dabei hat sich vor allem die alkalische Elektrolyse für die Anwendung in der Industrie bewährt.
Das grundlegende Funktionsprinzip der alkalischen Elektrolyse kann wie folgt erklärt werden:
Zunächst wird ein Behälter, der als Elektrolysezelle dient, mit zwei Elektroden ausgestattet. Die Elektrolysezelle wird mit einem Gemisch aus Wasser und einer Lauge, dem Elektrolyten, befüllt. Eine Gleichspannung von mindestens 1 ,5 Volt wird an der Anode, dem Pluspol, bzw. an der Kathode, dem Minuspol, der Elektrolysezelle angelegt, wobei es dadurch zu einer Spaltung von Wasser (H20) kommt, wobei an der Kathode die Wasserstoff-Moleküle freigesetzt werden und an der Anode die Sauerstoff-Moleküle. Bei einer gleichmäßig dicken Elektrode mit einer gleichmäßig reaktiven Oberfläche findet eine gleichmäßige Produktion des Wasserstoffgases an der Elektrodenfläche statt. Bei senkrechter Positionierung der Elektrode ist im unteren Teil der Flüssigkeitsanteil sehr hoch, während sich im oberen Teil ein Gas- bzw. Schaumanteil absetzt.
Die bei der Spaltung des Wassers an der Kathode entstandenen Hydroxid-Ionen (OH ) werden durch die Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden zur Anode transportiert. Die angelegte Spannung muss größer sein, je größer der Abstand zwischen Kathode und Anode ist. Um die Distanz zwischen den Elektroden verringern zu können ohne den Ablauf der Reaktion zu beeinträchtigen, wird üblicherweise eine ionendurchlässige Trennmembran zwischen der Kathode und der Anode angeordnet. Die Hydroxid-Ionen werden durch diese Membran bzw. dieses Diaphragma von der Kathode zur Anode transportiert und an der Oberfläche der Anode werden die Hydroxid-Ionen zu Wasser rekombiniert, wobei Sauerstoffatome freigesetzt werden, welche sich zu Sauerstoffmolekülen zusammenschließen. Der gebildete Sauerstoff steigt dann als Gas an der Elektrode auf.
Chemisch werden diese Reaktionen wie folgend ausgedrückt:
Kathodenreaktion: 2 H20 + 2e - > H2 + 2 OH Anodenreaktion: 2 OH - > 0,502 + H20 + 2 e
Gesamtreaktion:
Figure imgf000004_0001
H2 + 0,502
An der dem Diaphragma zugewandten Vorderseite steigen die Produktgase auf. Die entstandenen Gase werden nach oben abgeleitet und können weiterverwendet werden.
Ein wichtiges Einsatzgebiet von Elektrolysevorrichtungen ist die Speicherung von Energie aus der Stromerzeugung in Form von Wasserstoff. Während durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe elektrische Energie bei Bedarf jederzeit bereitgestellt werden kann, ist das bei vielen anderen, insbesondere bei nachhaltigen, Stromquellen nicht möglich. Beispielsweise ist die Produktion einer Solaranlage von der aktuellen Sonneneinstrahlung abhängig und die Produktion in Windkraftanlagen von der aktuellen Windstärke. Es wird daher einerseits Strom produziert, auch wenn er nicht verwendet werden kann, bzw. kann nicht immer Strom erzeugt werden, wenn er benötigt wird. Elektrolysevorrichtungen ermöglichen die Nutzung des vorhandenen Stroms zur Durchführung einer Elektrolyse. Der entstandene Wasserstoff kann gespeichert werden und dann zu einem späteren Zeitpunkt zur Stromerzeugung verwendet werden.
Da auch der Transport von elektrischer Energie mit großen Verlusten verbunden ist, werden zunehmend kleine, dezentrale Stromerzeugungsanlagen eingesetzt. Viele Betriebe und Haushalte produzieren selbst Strom, beispielsweise mit eigenen Solaranlagen auf dem Dach oder mit eigenen Windkrafträdern. Für diese Anwendungsgebiete gibt es derzeit jedoch keine geeignete Möglichkeit der Umwandlung bzw. Speicherung des produzierten Stroms, da keine geeigneten Elektrolysevorrichtungen verfügbar sind.
Da Sauerstoff und Wasserstoff üblicherweise in Druckgefäßen gelagert werden um das Lagervolumen zu reduzieren, arbeiten viele Elektrolysevorrichtungen mit hohen Drücken. Das derzeit höchste industriell genutzte Druckniveau liegt bei über 30 bar im Konstant- Betrieb. Eine derartige Anlage ist beispielsweise in US 2012/0152734 A1 gezeigt. Diese Systeme erfordern jedoch besondere Sicherheitsvorrichtungen und sind daher groß und teuer.
Bekannt sind auch Elektrolysevorrichtungen, die bei Normaldruck betrieben werden können. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in EP 3 575 442 A1 gezeigt. Diese Vorrichtungen sind kleiner, da die Verdichtung der Gase nicht in der Elektrolysevorrichtung erfolgt, sondern üblicherweise nachgeschaltet ist. Allerdings sind auch diese Vorrichtungen für den Einsatz im kleinen und mittleren Maßstab nicht geeignet. Zum einen erfordern auch diese Vorrichtungen noch immer einen großen Platzbedarf, zum anderen weisen die Vorrichtungen aufgrund der benötigten Pumpen selbst einen hohen Energieverbrauch und eine hohe Geräuschemission auf.
Bei derzeit verfügbaren Elektrolysevorrichtungen liegen die Kosten per Kilowatt Leistung für die alkalische Elektrolyse bei mehr als 800 EUR/kW. Um eine dezentrale, wirtschaftliche Speicherung zu ermöglichen, sind jedoch wesentlich effizientere und kostengünstigere Vorrichtungen notwendig.
Es besteht somit ein Bedarf an kleinen und leisen Elektrolysevorrichtungen für den Einsatz in kleinen und mittleren Unternehmen und Privathaushalten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Elektrolysevorrichtung bereitzustellen, die einen geringen Platzbedarf aufweist und einen möglichst energieeffizienten und geräuscharmen Betrieb ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Elektrolysevorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Elektrolysevorrichtung einen Ausgleichsbehälter zur Durchmischung des Elektrolyten aufweist, wobei die Wasserstoffhalbzelle und die Sauerstoffhalbzelle des zumindest einen Elektrolyseelements mit dem Ausgleichsbehälter verbunden sind, sodass ein den ersten Gasabscheiderturm, die Wasserstoffhalbzelle, den Ausgleichsbehälter, die Sauerstoffhalbzelle und den zweiten Gasabscheiderturm umfassender verbundener Fluidraum ausgebildet ist. Dabei ist der erste Gasabscheiderturm reversibel verschließbar und der zweite Gasabscheiderturm ermöglicht einen Füllstandsanstieg des Elektrolyten.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine gute Durchmischung des Elektrolyten, ohne dass ein Pumpensystem dafür notwendig wäre. Die Elektrolysevorrichtung ist dadurch klein und die Geräuschemission ist reduziert. Weiters ist die Effizienz der Wasserstoffproduktion erhöht. Der den Füllstandsanstieg des Elektrolyten ermöglichende Gasabscheiderturm kann zur Umgebung hin geöffnet sein, sodass die Elektrolyse bei Normaldruck durchgeführt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass auf ein aufwendiges Drucksystem verzichtet werden kann. Die Elektrolysevorrichtung ermöglicht somit einen wirtschaftlichen Betrieb auch bei geringerer Stromproduktion, wie sie beispielsweise in kleinen Solaranlagen auf Dächern oder durch kleine Windräder erfolgt. Damit kann diese Elektrolysevorrichtung auch für Privathaushalte und kleine Unternehmen eine wirtschaftliche Speicherung der Energie ermöglichen.
Zum Betrieb der Elektrolysevorrichtung wird zunächst eine Gleichspannung an die Elektroden angelegt. An den Elektroden bilden sich die Produktgase. Beide Gase steigen nach oben und werden in den Gasabscheidertürmen von der Elektrolyt-Flüssigkeit getrennt. Wenn der reversibel verschließbare Gasabscheiderturm verschlossen ist, steigt das Gas im Gasabscheiderturm nach oben und der Füllstand des Elektrolyten in diesem Gasabscheiderturm sinkt. Durch das aufsteigende Gas wird der Elektrolyt nach unten und durch das Elektrolyseelement in den Ausgleichsbehälter gedrückt. Gleichzeitig steigt im anderen Gasabscheiderturm der Füllstand, da der Elektrolyt vom Ausgleichsbehälter durch das Elektrolyseelement in den anderen Gasabscheiderturm gedrückt wird. Sobald der reversibel verschließbare Gasabscheiderturm geöffnet wird, strömt das Gas aus diesem Gasabscheiderturm und der Füllstand des Elektrolyten steigt im verschließbaren Gasabscheiderturm an, wobei der Elektrolyt durch die mit dem anderen Gasabscheiderturm verbundenen Halbzellen, den Ausgleichsbehälter und die mit dem verschließbaren Gasabscheiderturm verbundenen Halbzellen strömt. Es kommt somit zu einer ausreichenden Durchmischung des Elektrolyten um einen dauerhaften, wirtschaftlichen Betrieb der Elektrolysevorrichtung zu ermöglichen.
Aus den Gasabscheidertürmen können die Gase zur weiteren Verwendung ausgeleitet oder abgesaugt werden.
Vorteilhafte Merkmale sind im Folgenden angeführt:
Um die Elektrolysevorrichtung besonders effizient nutzen zu können, kann der Elektrolysevorrichtung eine Absaugvorrichtung nachgeschaltet sein. Dazu kann ausgangsseitig des ersten Gasabscheiderturms, insbesondere einem den ersten Gasabscheiderturm reversibel verschließenden Ventil in Strömungsrichtung nachfolgend, ein Verdichter zur Absaugung des entstehenden Wasserstoffs vorgesehen sein.
Möglich ist beispielsweise die Verbindung mit einem Verdichter, wie er in der Internationalen Anmeldung PCT/AT2020/060388 "Verdichter" des gleichen Anmelders vom 05. November 2020 offenbart ist, wobei der dort gezeigte Verdichter hiermit als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung in Bezug genommen wird. Eine Anlage umfassend eine hier beschriebene Elektrolysevorrichtung und einen derartigen Verdichter erlaubt einen besonders effizienten Betrieb, da durch die zyklische Absaugung eine optimale Durchmischung des Elektrolyten und gleichzeitig eine effektive Verdichtung des entstandenen Gases, insbesondere Wasserstoffs, ermöglicht wird.
Wenn besonders reine Gase hergestellt werden sollen, kann zur weiteren Reinigung ein entsprechender Filter einem den ersten Gasabscheiderturm reversibel verschließenden Ventil in Strömungsrichtung nachfolgend an der Elektrolysevorrichtung angebracht werden.
Um einen besonders sicheren und effizienten Betrieb zu ermöglichen kann vorgesehen sein, dass der erste Gasabscheiderturm füllstandsabhängig verschließbar ist.
Um eine einfache Messung des Füllstands zu ermöglichen kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein erster Sensor zur Erfassung eines ersten Füllstandes des Elektrolyten im ersten Gasabscheiderturm vorgesehen ist. Um die Sicherheit weiter zu erhöhen kann dabei vorzugsweise vorgesehen sein, dass zumindest ein erster maximaler und/oder ein erster minimaler Betriebsfüllstand erfassbar ist. Der maximale Betriebsfüllstand ist dazu im oberen Bereich des Gasabscheiderturms festgelegt, der minimale Betriebsfüllstand im unteren Bereich des Gasabscheiderturms. Anhand dieser Betriebsfüllstände kann der Zeitpunkt für das Verschließen bzw. Öffnen des verschließbaren Gasabscheiderturms besonders einfach und effizient gesteuert werden. Die gleichen Effekte können erzielt werden, wenn vorgesehen ist, dass ein zweiter Sensor zur Erfassung eines zweiten Füllstandes des Elektrolyten im zweiten Gasabscheiderturm vorgesehen ist, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass zumindest ein zweiter maximaler und/oder ein zweiter minimaler Betriebsfüllstand erfassbar ist. Wenn eine Füllstandsmessung des Elektrolyten in beiden Gasabscheidertürmen erfolgt, wird eine redundante Füllstandsmessung ermöglicht, die viele Fehlerquellen vermeidet und einen zuverlässigen Betrieb der Elektrolysevorrichtung ermöglicht. Die Sensoren können jeweils entweder direkt im Gasabscheiderturm oder beispielsweise in einem parallelen Bypass bzw. einem Füllstandsmessraum angeordnet sein.
Die Sicherheit der Elektrolysevorrichtung kann verbessert werden, wenn ein Sensor, zur Erfassung des Gesamtfüllstands des in der Vorrichtung befindlichen Elektrolyten ausgebildet ist. Dadurch kann festgestellt werden, ob die Menge des Elektrolyten in der Elektrolysevorrichtung ausreicht um einen sicheren Betrieb zu ermöglichen, insbesondere um ein Überhitzen der Vorrichtung zu vermeiden. Dabei kann der erste und/oder zweite Sensor dazu ausgebildet sein, den Gesamtfüllstand zu messen, wobei vorzugsweise der zweite Sensor den Gesamtfüllstand erfassen kann. Besonders sicher ist der Betrieb der Elektrolysevorrichtung, wenn vorgesehen ist, dass ein minimaler Gesamtfüllstand erfassbar ist. Dadurch kann bei dessen Erreichen der Betrieb der Vorrichtung automatisch gestoppt werden, um ein Überhitzen der Vorrichtung zu vermeiden. Um eine einfache Wartung zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass eine Wartungsanzeige vorgesehen ist, die derart mit dem Sensor verbunden ist, dass ein vom Sensor gemessener Gesamtfüllstand angezeigt wird. Dadurch kann der Zeitpunkt für die Notwendigkeit des Nachfüllens von Wasser besonders einfach bestimmt werden.
Die Wartung der Elektrolysevorrichtung wird auch vereinfacht, wenn zur
Füllstandsmessung, insbesondere als erster und/oder zweiter Sensor, ein Messelement zur induktiven Messung vorgesehen ist. Der Sensor kann dadurch außerhalb der Gasabscheidertürme angeordnet werden und so besonders einfach gewartet oder getauscht werden. Dazu kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein induktiv erfassbarer Schwimmer, vorzugsweise aus Graphit, angeordnet wird. Der Schwimmer kann entweder direkt im Gasabscheiderturm oder in einem mit dem Gasabscheiderturm in Fluidverbindung stehenden Füllstandsmessraum angeordnet sein. Eine besonders zuverlässige Messung wird dadurch ermöglicht.
Die Durchmischung des Elektrolyten wird verbessert, wenn das Volumen des
Ausgleichsbehälters zumindest dem Volumen des ersten Gasabscheiderturms entspricht. Um eine Überhitzung zu vermeiden und die Sicherheit der Elektrolysevorrichtung zu erhöhen kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Volumen des Ausgleichsbehälters 120 - 200 %, vorzugsweise 150 %, des Volumens des ersten Gasabscheiderturms entspricht. Besonders sicher ist die Elektrolysevorrichtung, wenn das Volumen des Ausgleichsbehälters 110 - 130 %, insbesondere 115 %, des Volumens in allen mit dem Ausgleichsbehälter verbundenen Elektrolyseelementen entspricht. Die Vorrichtung ist besonders effizient, wenn der Ausgleichsbehälter eine Trennwand zur teilweisen
Trennung eines ersten, mit den Wasserstoffhalbzellen verbundenen, Ausgleichsbereichs und eines zweiten, mit den Sauerstoffhalbzellen verbundenen Ausgleichsbereichs aufweist, wobei der erste und der zweite Ausgleichsbereich miteinander verbunden sind, insbesondere im unteren Bereich des Ausgleichsbehälters, vorzugsweise am Boden des Ausgleichsbehälters. Wenn der Ausgleichsbehälter eine Trennwand aufweist, ist es besonders vorteilhaft, wenn der erste Ausgleichsbereich ein Volumen aufweist, das zumindest 15 % größer ist, als das Volumen der Wasserstoffhalbzellen und/oder wenn der zweite Ausgleichsbereich eine Volumen aufweist, das zumindest 15% größer ist, als das Volumen der Sauerstoffhalbzellen. Die Reinheit der Gase kann dadurch verbessert werden. Die Durchmischung des Elektrolyten wird auch verbessert, wenn das Volumen des ersten Gasabscheiderturms 115 - 150 %, insbesondere 140 %, des Volumens aller Wasserstoffhalbzellen entspricht. Um die Sicherheit des Betriebs der Elektrolysevorrichtung zu verbessern, kann vorgesehen sein, dass der zweite Gasabscheiderturm ein Volumen aufweist, dass größer oder gleich dem Volumen des ersten Gasabscheiderturms ist.
Um die Sicherheit der Elektrolysevorrichtung weiter zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass eine Kühlkammer zur Durchflusskühlung vorgesehen ist. Besonders effizient kann die Elektrolysevorrichtung gekühlt werden, wenn die Kühlkammer zwischen den Gasabscheidertürmen, dem Ausgleichsbehälter und dem zumindest einen Elektrolyseelement angeordnet ist. Wenn die Verbindung zwischen den Verbindungsräumen und den Gasabscheidertürmen gekühlt wird und/oder eine Kühlung der Gasabscheidertürme vorgesehen ist, wird aus der Elektrolysevorrichtung gekühlter Wasserstoff bzw. gekühlter Sauerstoff abgegeben. Die gekühlten Gase können besonders einfach weiterverarbeitet werden. Bei Bedarf kann das durch die Elektrolysevorrichtung erwärmte Kühlwasser weiterverwendet werden, beispielsweise für ein Beheizungssystem. In diesem Fall kann die Elektrolysevorrichtung zusätzlich zur Warmwasseraufbereitung genutzt werden, wodurch die Energieeffizienz weiter verbessert werden kann.
Der Aufbau der Elektrolysevorrichtung kann vereinfacht werden, wenn eine Basiseinheit vorgesehen ist, wobei der Ausgleichsbehälter im unteren Bereich der Basiseinheit angeordnet ist, wobei an der Oberseite des Ausgleichsbehälters ein erster Verbindungskanal für die Verbindung zur Wasserstoffhalbzelle und ein zweiter Verbindungskanal zur Verbindung mit der Sauerstoffhalbzelle vorgesehen ist, und wobei die Gasabscheidertürme im oberen Bereich der Basiseinheit angeordnet sind, wobei an der Unterseite des ersten Gasabscheiderturms ein erster Verbindungsraum zur Verbindung mit dem ersten Gassammelraum der Wasserstoffhalbzelle angeordnet ist und an der Unterseite des zweiten Gasabscheiderraums ein zweiter Verbindungsraum zur Verbindung mit dem zweiten Gassammelraum der Sauerstoffhalbzelle. Besonders klein und platzsparend kann die Elektrolysevorrichtung aufgebaut sein, wenn vorgesehen ist, dass die Basiseinheit plattenförmig ausgebildet ist, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Basiseinheit eine Dicke von 2 - 100 mm, insbesondere von 20 - 60 mm, vorzugsweise von 40 mm, aufweist. Eine besonders effiziente Kühlung ist möglich, wenn in der Basiseinheit, insbesondere im Mittelbereich, die Kühlkammer angeordnet ist, wobei vorzugsweise unterhalb der Kühlkammer der Ausgleichsbehälter angeordnet ist und oberhalb der Kühlkammer die Gasabscheidertürme angeordnet sind.
Besonders klein und platzsparend kann die Elektrolysevorrichtung ausgebildet sein, wenn das Elektrolyseelement bzw. die Elektrolyseelemente plattenförmig ausgebildet sind. Das Elektrolyseelement umfasst dann eine erste plattenförmige Nickelelektrode, einen Abstand, der beispielsweise durch einen ersten Elementrahmen hergestellt werden kann, eine plattenförmige Membran, einen weiteren Abstand, der beispielsweise durch einen zweiten Elementrahmen hergestellt werden kann, und eine zweite plattenförmige Nickelelektrode. Besonders platzsparend kann die Elektrolysevorrichtung ausgebildet sein, wenn insbesondere vorgesehen ist, dass das Elektrolyseelement eine Dicke von 5 - 50 mm, insbesondere 8 - 14 mm, aufweist. Dabei sind die Wasserstoffhalbzellen, die Elektroden und das Diaphragma plattenförmig ausgebildet. Der Abstand zwischen den Elektroden ist 1 - 30 mm, insbesondere 6 - 8 mm, wobei das Diaphragma vorzugsweise mittig angeordnet ist. Der Abstand vom Diaphragma zu den Elektroden ist dann vorzugsweise jeweils 2 - 8 mm.
Die Elektrolysevorrichtung kann auch dann klein und platzsparend ausgebildet sein, wenn das zumindest eine Elektrolyseelement zwischen der ersten Elektrode und dem Diaphragma einen ersten Elementrahmen zur Aufnahme des Elektrolyten aufweist, wobei der erste Elementrahmen einen offenen ersten Gassammelraum für eine Verbindung zum ersten Gasabscheiderturm und einen offenen ersten Verbindungskanal für eine Verbindung mit dem Ausgleichsbehälter aufweist und wobei der erste Elementrahmen einen abgetrennten ersten Durchflussraum für eine Verbindung zum zweiten Gasabscheiderturm und einen abgetrennten ersten Durchflusskanal für eine Verbindung mit dem Ausgleichsbehälter aufweist.
Dabei weist das Elektrolyseelement zwischen dem Diaphragma und der zweiten Elektrode einen zweiten Elementrahmen zur Aufnahme des Elektrolyten auf, wobei der zweite Elementrahmen einen offenen zweiten Gassammelraum für eine Verbindung zum zweiten Gasabscheiderturm und einen offenen zweiten Verbindungskanal für eine Verbindung mit dem Ausgleichsbehälter aufweist. Der zweite Elementrahmen weist einen abgetrennten zweiten Durchflussraum für eine Verbindung zum ersten Gasabscheiderturm und einen abgetrennten zweiten Durchflusskanal für eine Verbindung mit dem Ausgleichsbehälter auf. Die Herstellung der Elektrolysevorrichtung kann besonders effizient erfolgen, wenn der erste und der zweite Elementrahmen baugleich ausgebildet sind.
Die Elektrolysevorrichtung ist besonders effizient, wenn 1 - 100, insbesondere 10, Elektrolyseelemente vorgesehen sind. Dadurch kann die elektrische Energie in hohem Maße genutzt werden, da eine große Fläche zur Elektrolyse zur Verfügung steht. Gleichzeitig kann eine gute Durchmischung des Elektrolyten und eine effiziente Kühlung der Elektrolysevorrichtung erfolgen. Insbesondere sind die Elektrolyseelemente zu einem Stack verbunden, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Anoden der zum Stack verbundenen Elektrolyseelemente in Serie geschalten sind und die Kathoden der zum Stack verbundenen Elektrolyseelemente in Serie geschalten sind. Dabei sind vorzugsweise alle Wasserstoffhalbzellen miteinander verbunden und weisen eine gemeinsame Verbindung, insbesondere einen gemeinsamen ersten Gassammelraum, zum ersten Gasabscheiderturm und eine gemeinsame Verbindung, insbesondere einen gemeinsamen ersten Verbindungskanal, zum Ausgleichsbehälter auf. Ebenso sind vorzugsweise alle Sauerstoffhalbzellen miteinander verbunden und weisen eine gemeinsame Verbindung, insbesondere einen gemeinsamen zweiten Gassammelraum, zum zweiten Gasabscheiderturm und eine gemeinsame Verbindung, insbesondere einen gemeinsamen zweiten Verbindungskanal, zum Ausgleichsbehälter auf. Dabei sind die einzelnen Gassammelräume durch die einzelnen Durchflussräume zu einem gemeinsamen Gassammelraum verbunden. Die einzelnen Verbindungskanäle sind durch die einzelnen Durchflusskanäle zu einem gemeinsamen Verbindungskanal verbunden.
Erfindungsgemäß ist weiters ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysevorrichtung, wobei die Elektrolysevorrichtung zumindest ein Elektrolyseelement zur Durchführung der Elektrolyse aufweist, wobei das Elektrolyseelement mit einem ersten reversibel verschließbaren Gasabscheiderturm zur Sammlung von Wasserstoff, und mit einem zweiten, einen Füllstandsanstieg des Elektrolyten ermöglichenden, Gasabscheiderturm zur Sammlung von Sauerstoff verbunden ist, sodass ein das zumindest eine Elektrolyseelement und die Gasabscheidertürme verbindender Fluidraum ausgebildet ist, wobei die Elektrolysevorrichtung durch Anlegen einer Spannung am Elektrolyseelement in Betrieb genommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Gasabscheiderturm verschlossen wird, sodass der sich bildende Wasserstoff im ersten Gasabscheiderturm gesammelt wird, wodurch es zu einem Absinken des Füllstands des Elektrolyten im ersten Gasabscheiderturm kommt und durch den verbundenen Fluidraum gleichzeitig ein Anstieg des Füllstands im zweiten Gasabscheiderturm erfolgt, - wobei eine Gasproduktion abgewartet wird,
- wobei der erste Gasabscheiderturm geöffnet wird und der entstandene Wasserstoff entnommen wird, sodass es zu einem Anstieg des Füllstandes im ersten Gasabscheiderturm und einem Absinken des Füllstands im zweiten Gasabscheiderturm kommt,
- wobei das Öffnen und Schließen des ersten Gasabscheiderturms wiederholt wird.
Der Betrieb einer Elektrolysevorrichtung wird dadurch besonders energieeffizient, da keine Pumpe zur Durchmischung des Elektrolyten notwendig ist. Gleichzeitig wird die Geräuschemission verringert und der Betrieb kann besonders leise erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist dieses Verfahren beim Betrieb einer zuvor beschriebenen Elektrolysevorrichtung.
Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens werden im Folgenden beschrieben:
Das Verfahren kann besonders effizient geführt werden, wenn der erste Gasabscheiderturm füllstandsabhängig geöffnet wird, wobei eine Messung eines Betriebsfüllstands des Elektrolyten in dem ersten und/oder in dem zweiten Gasabscheiderturm erfolgt. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der erste Gasabscheiderturm verschlossen wird, wenn im ersten Gasabscheiderturm ein vorgegebener erster maximaler Betriebsfüllstand erreicht wird und/oder im zweiten Gasabscheiderturm ein vorgegebener zweiter minimaler Betriebsfüllstand erreicht wird. Ebenso kann vorgesehen sein, dass der erste Gasabscheiderturm geöffnet wird, wenn im ersten Gasabscheiderturm ein vorgegebener erster minimaler Betriebsfüllstand erreicht wird und/oder im zweiten Gasabscheiderturm ein vorgegebener zweiter maximaler Betriebsfüllstand erreicht wird. Dadurch kann eine besonders effiziente Durchmischung des Elektrolyten erreicht werden und durch die füllstandsabhängige Öffnung kann die Zahl der Zyklen reduziert werden und die mit dem Öffnen und Schließen verbundene Geräuschemission verringert werden.
Die Sicherheit des Verfahrens kann verbessert werden, wenn eine Messung eines Volumens des in der Vorrichtung befindlichen Elektrolyten erfolgt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass dafür der Füllstand im zweiten Gasabscheiderturm bestimmt wird, wobei bei Erreichen eines unterhalb des minimalen Betriebsfüllstand liegenden Wartungsfüllstands die Elektrolysevorrichtung automatisch gestoppt wird. Um das Verfahren besonders einfach und kostengünstig durchführen zu können, kann vorgesehen sein, dass die Elektrolyse bei Umgebungsdruck durchgeführt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der im zweiten Gasabscheiderturm entstandene Sauerstoff in die Umgebung abgeführt wird.
Um die Effizienz des Verfahrens zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass das entstandene Gas, insbesondere der im ersten Gasabscheiderturm entstandene Wasserstoff, abgesaugt wird. Durch die Absaugung wird die Durchmischung des Elektrolyten verbessert.
Der selbe Effekt kann erreicht werden, wenn der erste Gasabscheiderturm 2 - 50 mal in der Minute, insbesondere 3 - 4 mal in der Minute, geöffnet und verschlossen wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Folgenden beispielhaft dargestellt:
Fig. 1a zeigt eine beispielhafte Basiseinheit für eine Elektrolysevorrichtung.
Fig. 1b zeigt die Basiseinheit aus Fig. 1a von einer ersten Seite.
Fig. 1c zeigt die Basiseinheit aus Fig. 1a von einer zweiten Seite.
Fig. 2a zeigt einen beispielhaften ersten Elementrahmen für eine Elektrolysevorrichtung von einer ersten Seite.
Fig. 2b zeigt einen beispielhaften zweiten Elementrahmen für eine Elektrolysevorrichtung von einer ersten Seite.
Fig. 2c zeigt den ersten bzw. zweiten Elementrahmen aus Fig. 2a und Fig. 2b von einer zweiten Seite.
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Elektrolysevorrichtung.
Fig. 4 zeigt die Elektrolysevorrichtung aus Fig. 3 in einer seitlichen Ansicht.
Fig. 5 zeigt die Elektrolysevorrichtung aus Fig. 3 von unten.
Fig. 6 zeigt die Elektrolysevorrichtung aus Fig. 3 aus einer seitlichen Ansicht.
Fig. 7 zeigt die Elektrolysevorrichtung aus Fig. 3 von einer Vorderseite.
Fig. 8 zeigt die Elektrolysevorrichtung aus Fig. 3 von einer Rückseite.
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Elektrolysevorrichtung. Die Elektrolysevorrichtung weist eine Basiseinheit 10 auf. Im oberen Bereich der Elektrolysevorrichtung sind ein erster Gasabscheiderturm 1 zur Aufnahme des bei der Elektrolyse entstehenden Wasserstoffs vorgesehen. Der erste Gasabscheiderturm 1 ist durch ein Ventil reversibel verschließbar. Weiters ist ein zweiter einen Füllstandsanstieg des Elektrolyten ermöglichender Gasabscheiderturm 2 zur Aufnahme des bei der Elektrolyse entstehenden Sauerstoffs vorgesehen, der in der dargestellten Ausführungsform zur Umgebung bzw. zur Atmosphäre hin geöffnet ist. Im unteren Bereich ist ein Ausgleichsbehälter 4 angeordnet. Im mittleren Bereich ist zur Durchführung der Elektrolyse zumindest ein Elektrolyseelement vorgesehen, wobei in der dargestellten Ausführungsform ein Stack 3 mit 10 verbundenen Elektrolyseelementen angeordnet ist.
Jedes Elektrolyseelement ist in der dargestellten Ausführungsform plattenförmig ausgebildet und weist eine Dicke von 10 mm auf. Die Elektrolyseelemente umfassen jeweils eine Wasserstoffhalbzelle und eine Sauerstoffhalbzelle, wobei die Wasserstoffhalbzelle und die Sauerstoffhalbzelle durch ein für den Elektrolyten undurchlässiges, ionendurchlässiges Diaphragma getrennt sind. Die Wasserstoffhalbzelle umfasst eine erste Elektrode zur Ausbildung einer Kathode, die Sauerstoffhalbzelle umfasst eine zweite Elektrode zur Ausbildung einer Anode. In der dargestellten Ausführungsform sind die Elektroden 5 mm von einander beabstandet. Die Elektroden sind in der dargestellten Ausführungsform Nickel-Elektroden.
Fig. 1a zeigt eine beispielhafte Basiseinheit 10. Die Basiseinheit 10 ist plattenförmig ausgebildet. Die Basiseinheit 10 weist in der dargestellten Ausführungsform eine Flöhe von 150 cm, eine Breite von 30 cm und eine Dicke von 4 cm auf. Im unteren Bereich der Basiseinheit 10 ist der Ausgleichsbehälter 4 angeordnet, im oberen Bereich sind der erste Gasabscheiderturm 1 und der zweite Gasabscheiderturm 2 angeordnet. Der erste Gasabscheiderturm 1 und der zweite Gasabscheiderturm 2 sind in der Basiseinheit 10 durch einen Steg 18 fluiddicht, also flüssigkeitsdicht und gasdicht, getrennt. Zwischen dem Ausgleichsbehälter 4 und den Gasabscheidertürmen 1 , 2 ist eine Kühlkammer 5 für eine Durchflusskühlung vorgesehen. Vor der Kühlkammer 5 kann das Stack 3 angeordnet werden. Die Basiseinheit 10 und die Elektrolyseelemente des Stacks 3 werden an Bohrungen 15 miteinander verbunden.
An der Oberseite des Ausgleichsbehälters 4 ist ein erster Verbindungskanal 12 für die Verbindung zu den Wasserstoffhalbzellen der Elektrolyseelemente und ein zweiter Verbindungskanal 14 zur Verbindung mit den Sauerstoffhalbzellen der Elektrolyseelemente vorgesehen. An der Unterseite des ersten Gasabscheiderturms 1 ist ein erster Verbindungsraum 11 zur Verbindung mit dem ersten Gassammelraum 21 der Wasserstoffhalbzelle angeordnet ist und an der Unterseite des zweiten Gasabscheiderraums 2 ein zweiter Verbindungsraum 13 zur Verbindung mit dem zweiten Gassammelraum 33 der Sauerstoffhalbzelle vorgesehen.
In der Elektrolysevorrichtung ist somit ein durchgehender verbundener Fluidraum für den Elektrolyten bzw. die gebildeten Gase ausgebildet, der sich vom ersten Gasabscheiderturm 1 , durch die Wasserstoffhalbzellen der Elektrolyseelemente des Stacks 3, über den Ausgleichsbehälter 4, die Sauerstoffhalbzellen der Elektrolyseelemente des Stacks 3 und den zweiten Gasabscheiderturm 2 erstreckt.
Zur Füllstandsmessung ist ein erster Füllstandsmessraum 8, der mit dem ersten Gasabscheiderturm 1 korrespondiert und ein zweiter Füllstandsmessraum 9, der mit dem zweiten Gasabscheiderturm 2 korrespondiert, vorgesehen. Die Füllstandsmessräume 8, 9 sind so an den Gasabscheidertürmen 1 , 2 angebracht, dass an der Unterseite ein Einströmen von Elektrolyt ermöglicht ist und an der Oberseite ein Einströmen von Gas. Dadurch wird eine Schaumbildung in den Füllstandsmessräumen 8, 9 vermieden und eine besonders genaue Füllstandsmessung wird ermöglicht.
In der dargestellten Ausführungsform ist ein Sensor zur induktiven Füllstandsmessung vorgesehen. In den Füllstandsmessräumen 8, 9 kann ein induktiv erfassbarer Schwimmer angeordnet werden, der sich mit dem Füllstand des Elektrolyten im Füllstandsmessraum 8, 9 bzw. im Gasabscheiderturm 1 , 2 hebt und senkt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Schwimmer aus Graphit vorgesehen, der einfach erfasst werden kann und besonders beständig im Milieu des Elektrolyten ist.
Jede andere geeignete Methode zur Messung der Füllstände kann ebenso verwendet werden, wobei beispielsweise eine kapazitive Messung vorgesehen sein kann.
An der Außenseite des ersten Füllstandsmessraums 8 ist in der dargestellten Ausführungsform ein erster Sensor zur Erfassung eines ersten Füllstandes vorgesehen. Der erste Sensor kann zumindest einen ersten maximalen und einen ersten minimalen Betriebsfüllstand erfassen. Der erste maximale Betriebsfüllstand ist im oberen Bereich des ersten Gasabscheiderturms 1 angeordnet. Bei Erreichen des ersten maximalen Betriebsfüllstands kann der erste Gasabscheiderturm verschlossen werden, sodass ein Überlaufen des Elektrolyten aus dem ersten Gasabscheiderturm 1 vermieden werden kann. Der erste minimale Betriebsfüllstand ist im unteren Bereich des Gasabscheiderturms 1 angeordnet. Bei Erreichen des erste minimalen Betriebsfüllstands kann der erste Gasabscheiderturm 1 geöffnet werden, sodass Wasserstoff aus dem ersten Gasabscheiderturm 1 ausströmen kann und der Elektrolyt in den ersten Gasabscheiderturm 1 einströmen kann, sodass die mit dem ersten Gasabscheiderturm 1 verbundenen Wasserstoffhalbzellen mit Elektrolyt gefüllt bleiben.
An der Außenseite des zweiten Füllstandsmessraums 9 ist ein zweiter Sensor zur Erfassung eines zweiten Füllstandes im zweiten Gasabscheiderturm 2 vorgesehen. Der Sensor erfasst zumindest einen zweiten maximalen und einen zweiten minimalen Betriebsfüllstand. Der zweite maximale Betriebsfüllstand ist im oberen Bereich des zweiten Gasabscheiderturms 2 vorgegeben. Bei Erreichen des zweiten maximalen Betriebsfüllstands wird der erste Gasabscheiderturm 1 geöffnet, sodass der Wasserstoff abgeführt wird und der Elektrolyt im ersten Gasabscheiderturm 1 ansteigt und im zweiten Gasabscheiderturm 2 absinkt. Dadurch kann ein Überlaufen des zweiten Gasabscheiderturms 2 vermieden werden. Der zweite minimale Betriebsfüllstand ist im unteren Bereich des zweiten Gasabscheiderturms 2 vorgegeben. Dadurch kann verhindert werden, dass der Füllstands im zweiten Gasabscheiderturm 2 zu weit absinkt und ein Trockenlaufen der Sauerstoffhalbzellen kann vermieden werden.
Weiters kann der zweite Sensor den Gesamtfüllstand des in der Vorrichtung befindlichen Elektrolyten erfassen, wobei in der dargestellten Ausführungsform die Differenz der Füllstände herangezogen wird. Dabei ist durch den Sensor zumindest ein minimaler Gesamtfüllstand erfassbar. Bei Erreichen des minimalen Gesamtfüllstands wird die Elektrolyse automatisch gestoppt.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann eine Wartungsanzeige, beispielsweise eine Skala, vorgesehen sein, die den Füllstand des Elektrolyten in der Vorrichtung anzeigt. Dadurch kann besonders einfach festgestellt werden, wann Wasser in die Vorrichtung nachgefüllt werden muss um ein Erreichen des minimalen Gesamtfüllstands und das Stoppen der Elektrolyse zu vermeiden.
Fig. 1b zeigt die Basiseinheit 10 von der dem Stack 3 abgewandten Seite.
Fig. 1c zeigt die dem Stack 3 zugewandte Seite der Basiseinheit 10. Der erste und der zweite Gasabscheiderturm 1 , 2 weisen in der dargestellten Ausführungsform das gleiche Volumen von 5 I auf.
Das Volumen des Ausgleichsbehälters 4 umfasst in der dargestellten Ausführungsform 7,5 I und entspricht in der dargestellten Ausführungsform 150 % des Volumens des ersten Gasabscheiderturms 1. Das Volumen des Ausgleichsbehälters 4 entspricht damit 115 %, des Volumens in allen mit dem Ausgleichsbehälter 4 verbundenen Elektrolyseelementen des Stacks 3. Der Ausgleichsbehälter 4 weist eine Trennwand 17 auf. Diese Trennwand 17 ragt vom oberen Ende des Ausgleichsbehälters 4 nach unten, wobei sie im unteren Bereich des Ausgleichsbehälters 4 endet. Die Trennwand 17 trennt einen ersten, mit den Wasserstoffhalbzellen verbundenen, Ausgleichsbereichs und einen zweiten, mit den Sauerstoffhalbzellen verbundenen Ausgleichsbereichs teilweise voneinander. Dadurch wird vermieden, dass die gebildeten Gase in die jeweils anderen Halbzellen gelangen und es dadurch zu einer Vermischung der gebildeten Gase kommt. Die beiden Ausgleichsbereiche sind am unteren Ende, in der dargestellten Ausführungsform am Boden des Ausgleichsbehälters 4 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform sind die beiden Ausgleichsbereiche gleich groß. Das Volumen der Ausgleichsbereiche ist jeweils 15 % größer, als das Volumen der mit dem Ausgleichsbereich verbundenen Elektrolysehalbzellen.
Jedes Elektrolyseelement ist aus einer ersten Elektrode, einem ersten Elementrahmen 20 für die Wasserstoffhalbzellen, einem Diaphragma, einem zweiten Elementrahmen 30 für die Sauerstoffhalbzellen und einer zweiten Elektrode aufgebaut.
Fig. 2a zeigt den ersten Elementrahmen 20 für die Wasserstoffhalbzelle eines Elektrolyseelements des Stacks 3.
Der Elementrahmen 20 ist plattenförmig ausgebildet und hat einen quadratischen Umriss. In der dargestellten Ausführungsform ist der erste Elementrahmen 20 etwa 5 mm dick. In den Eckbereichen sind auf einer ersten Seite oben der erste Gassammelraum 21 zum Verbinden mit dem ersten Verbindungsraum 11 der Basiseinheit 10 und zum ersten Gasabscheiderturm 1 und unten der Verbindungskanal 22 zum Verbinden mit dem erste Verbindungskanal 12 zum Ausgleichsbehälter 4 ausgebildet. Der Gassammelraum 21 und der Verbindungskanal 22 sind zum Innenraum des ersten Elementrahmens 20 geöffnet, sodass der Innenraum in Betrieb mit dem Elektrolyten gefüllt ist und der Kontakt des Elektrolyten mit der Kathode hergestellt ist. In den Eckbereichen auf der anderen zweiten Seite des ersten Elementrahmens 20 sind oben ein erster Durchflussraum 23 und unten ein erster Durchflusskanal 24 ausgebildet, die vom Innenraum des ersten Elementrahmens 20 getrennt sind und die mit den Sauerstoffhalbzellen, dem zweiten Gasabscheiderturm 2 und dem Ausgleichsbehälter 4 verbunden sind.
Fig. 2b zeigt den zweiten Elementrahmen 30 für die Sauerstoffhalbzelle des Elektrolyseelements 3. Der zweite Elementrahmen 30 ist baugleich mit dem ersten Elementrahmen 20 aus Fig. 2a. Dabei ist der zweite Elementrahmen 30 um 180° gedreht, sodass in den Eckbereichen auf der ersten Seite oben ein zweiter Durchflussraum 31 und unten ein zweiter Durchflusskanal 32 ausgebildet ist, die jeweils vom, in Betrieb mit dem Elektrolyten gefüllten Innenraum des zweiten Elementrahmens 30 getrennt sind und mit den Wasserstoffzellen, dem ersten Gasabscheiderturm 1 und dem Ausgleichsbehälter 4 verbunden sind. Auf der zweiten Seite sind oben der zweite Gassammelraum 33 zum Verbinden mit dem zweiten Verbindungsraum 13 und zur Verbindung mit dem zweiten Gasabscheiderturm 2 ausgebildet. Unten ist der Verbindungskanal 34 zum Verbinden mit dem zweiten Verbindungskanal 14 zur Verbindung mit dem Ausgleichsbehälter 4 ausgebildet. Der Gassammelraum 33 und der Verbindungskanal 34 sind zum Innenraum des zweiten Elementrahmens 30 geöffnet, sodass der Elektrolyt in Betrieb an der Anode vorbeifließen kann.
Fig. 2c zeigt die Rückseite der Elementrahmen 20, 30.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Basiseinheit 10 und der Elementrahmen 20, 30 aus PTFE (Polytetrafluorethylen) hergestellt, da dieses besonders beständig und haltbar ist. Die Dichtungen sind in der dargestellten Ausführungsform aus EPDM (Ethylen- Propylen-Dien-Kautschuk) hergestellt, da dies besonders gut dichtende Eigenschaften aufweist. Als Elektroden sind in der dargestellten Ausführungsform Nickel-Elektroden vorgesehen.
Fig. 3 zeigt, den ersten Gasabscheiderturm 1 , den zweiten Gasabscheiderturm 2, den Ausgleichsbehälter 4 und das Stack 3. Im Stack 3 sind die Elektrolyseelemente hintereinander angeordnet und in Serie geschaltet. Die erste Anschlussstelle 6 ist mit den Anoden der Elektrolyseelemente verbunden, die zweite Anschlussstelle 7 ist mit den Kathoden der Elektrolyseelemente verbunden. In der dargestellten Ausführungsform ist weiters eine Kühlung 5 vorgesehen, die zwischen den Gasabscheidertürmen 1 , 2, dem Stack 3 und dem Ausgleichsbehälter 4 angeordnet ist.
Fig. 4 und 6 zeigen jeweils eine Seitenansicht der Elektrolysevorrichtung. In der gezeigten Ausführungsform ist die Basiseinheit 10 besonders flach ausgebildet und daher besonders platzsparend. Das Stack 3 weist eine Seitenfläche von 300 * 400 mm auf.
Fig. 5 zeigt die Elektrolysevorrichtung von unten. Die Grundfläche des Stacks 3 ist in der dargestellten Ausführungsform 300 * 400 mm.
Fig. 7 zeigt die Elektrolysevorrichtung in einer Ansicht auf das Stack 3. In der dargestellten Ausführungsform ist die Vorderfläche das Stacks 3 300* 300 mm. In der dargestellten Ausführungsform ist des Stack 3 quaderförmig aufgebaut und weist daher ein besonders kleines Volumen auf und stellt gleichzeitig eine große Oberfläche zur Durchführung der Elektrolyse bereit.
Die dargestellte Elektrolysevorrichtung weist dabei eine Höhe von 150 cm, eine Breite von 33 cm und eine Tiefe von 45 cm auf. Dabei wird in der dargestellten Ausführungsform
1 qm Elektrolysefläche bereitgestellt. Bei Betrieb der Elektrolysevorrichtung mit Normaldruck kann so bei einem Stromverbrauch von 8 kWh mit der dargestellten Ausführungsform 1800 - 2200 I Wasserstoff/ Std. erzeugt werden.
Ein beispielhaftes Verfahren zum Betrieb einer Elektrolysevorrichtung kann durch die folgenden Schritte geführt werden:
Zu Beginn des Elektrolysebetriebes sind beide Gasabscheidertürme 1 , 2 zirka zur Hälfte gefüllt. Der erste Gasabscheiderturm 1 ist durch ein Ventil verschlossen, der zweite Gasabscheiderturm 2 ist zur Umgebung hin geöffnet. In der beschriebenen Ausführungsform ist am ersten Gasabscheiderturm 1 eine Absaugvorrichtung vorgesehen bzw. ist der erste Gasabscheiderturm 1 mit einem Verdichter verbunden.
Zunächst wird an die Elektrolyseelemente der Elektrolysevorrichtung eine Spannung angelegt, um die Elektrolyse zu starten. In der beschriebenen Ausführungsform wird dabei je Elektrolyseelement eine Gleichspannung von mindestens 1 ,5 Volt verwendet.
Der gebildete Wasserstoff steigt auf, kann jedoch nicht durch den geschlossenen ersten Gasabscheiderturm 1 entweichen. Dadurch wird ein Druck aufgebaut, der die
Elektrolytsäule nach unten drückt, sodass der erste Füllstand des Elektrolyten sinkt. Der Elektrolyt wird durch die Wasserstoffhalbzellen des Stacks 3 in den Ausgleichsbehälter 4 gedrückt. Über den Ausgleichsbehälter 4 sind die Wasserstoffhalbzellen mit den Sauerstoffhalbzellen verbunden. Der Elektrolyt wird daher aus dem Ausgleichsbehälter 4, durch die Sauerstoffhalbzellen und aus den Sauerstoffhalbzellen in den zweiten Gasabscheiderturm 2 gedrückt. Dadurch steigt der zweite Füllstand im zweiten Gasabscheiderturm 2 im gleichen Maße an, wie der Füllstand im ersten
Gasabscheiderturm 1 sinkt. Das Volumen des gebildeten Wasserstoffs verdrängt somit den Elektrolyten aus dem ersten Gasabscheiderturm 1 und führt zu einem Füllstandsanstieg im zweiten Gasabscheiderturm 2. Wenn im zweiten Gasabscheiderturm
2 der zweite Füllstand einen maximalen Betriebsfüllstand erreicht hat, wird gleichzeitig im ersten Gasabscheiderturm 1 ein minimaler Betriebsfüllstand erreicht. Bei Erreichen dieser Füllstände wird der erste Gasabscheiderturm 1 geöffnet. Dadurch kommt es zu einem Füllstandsausgleich zwischen erstem und zweitem Gasabscheiderturm 1 , 2. In der dargestellten Ausführungsform schaltet sich die zyklische Absaugung ein, die in Strömungsrichtung auf das Ventil des ersten Gasabscheiderturms folgend angeordnet ist. Durch das Öffnen des ersten Gasabscheiderturms 1 kann das gesammelte Gas entweichen. Dabei wird der Elektrolyt durch die Elektrolyseelemente des Stacks 3 in Richtung des ersten Gasabscheiderturms 1 gesaugt. Durch den Anstieg und die Senkung des Füllstands wird eine exzellente Durchmischung des Elektrolyten und eine gleichmäßige Wärmeverteilung erreicht. Gleichzeitig kann auf eine Pumpe zur Durchmischung des Elektrolyten verzichtet werden, sodass das Verfahren energieeffizienter geführt werden kann und die Vorrichtung besonders geräuscharm arbeitet.
Wenn der Elektrolyt im ersten Gasabscheiderturm 1 einen maximalen Betriebsfüllstand erreicht, wird gleichzeitig im zweiten Gasabscheiderturm 2 ein minimaler Betriebsfüllstand erreicht. Daraufhin wird der erste Gasabscheiderturm 1 verschlossen. Der Prozess beginnt damit von vorne. In dem beschriebenen beispielhaften Verfahren wird der erste Gasabscheiderturm 1 in etwa 3 - 4 mal in der Minute geöffnet und verschlossen.
Durch die Kombination von beidseitiger Füllstandsmessung lässt sich die Füllmenge des Elektrolyten in der Vorrichtung besonders genau bestimmen. Das Verfahren kann dadurch besonders zuverlässig und störungsfrei ablaufen. Weiters kann die bei einer Wartung nachzufüllende Menge an Wasser genau festgestellt werden. Falls der Gesamtfüllstand des Elektrolyten einen minimalen Wartungsfüllstand erreicht, wird die Elektrolyse automatische gestoppt, um ein Überhitzen der Vorrichtung zu vermeiden.
Die alkalische Elektrolyse kann bei einer Temperatur von 40 bis 90 °C durchgeführt werden. Zum Abführen der entstehenden Wärme kann eine Durchflusskühlung vorgesehen sein. Das aufgewärmte Kühlwasser kann beispielsweise zur Warmwasseraufbereitung weiterverwendet werden.
Durch die gezeigte Vorrichtung und das gezeigte Verfahren wird eine sichere, kostengünstige, platzsparende und geräuschemissionsreduzierte Möglichkeit geschaffen, elektrische Energie effizient in Wasserstoff umzuwandeln und damit zu speichern.

Claims

Patentansprüche:
1. Elektrolysevorrichtung zur alkalischen Elektrolyse umfassend einen ersten Gasabscheiderturm (1) für die Aufnahme von Wasserstoff, einen zweiten Gasabscheiderturm (2) für die Aufnahme von Sauerstoff, und zumindest ein Elektrolyseelement mit einer Wasserstoffhalbzelle und einer Sauerstoffhalbzelle, wobei die Wasserstoffhalbzelle und die Sauerstoffhalbzelle durch ein für einen Elektrolyten undurchlässiges und ionendurchlässiges Diaphragma getrennt sind, wobei die Wasserstoffhalbzelle eine erste Elektrode zur Ausbildung einer Kathode umfasst, wobei an der ersten Elektrode ein erster Gassammelraum (21) vorgesehen ist, der mit dem ersten Gasabscheiderturm (1) verbunden ist, und wobei die Sauerstoffhalbzelle eine zweite Elektrode zur Ausbildung einer Anode umfasst, wobei an der zweiten Elektrode ein zweiter Gassammelraum (33) vorgesehen ist, der mit dem zweiten Gasabscheiderturm (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysevorrichtung einen Ausgleichsbehälter (4) zur Durchmischung des Elektrolyten aufweist, wobei die Wasserstoffhalbzelle und die Sauerstoffhalbzelle des zumindest einen Elektrolyseelements mit dem Ausgleichsbehälter (4) verbunden sind, sodass ein den ersten Gasabscheiderturm (1), die Wasserstoffhalbzelle, den Ausgleichsbehälter (4), die Sauerstoffhalbzelle und den zweiten Gasabscheiderturm (2) umfassender verbundener Fluidraum ausgebildet ist, und dass der erste Gasabscheiderturm (1) reversibel verschließbar ist und der zweite Gasabscheiderturm (2) einen Füllstandsanstieg des Elektrolyten ermöglicht, insbesondere zur Umgebung hin geöffnet ist.
2. Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der erste Gasabscheiderturm (1) füllstandsabhängig reversibel verschließbar ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass ein erster Sensor zur Erfassung eines ersten Füllstandes im ersten Gasabscheiderturm (1) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass zumindest ein erster maximaler und/oder ein erster minimaler Betriebsfüllstand erfassbar ist, und/oder wobei insbesondere vorgesehen ist, dass ein zweiter Sensor zur Erfassung eines zweiten Füllstandes im zweiten Gasabscheiderturm (2) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass zumindest ein zweiter maximaler und/oder ein zweiter minimaler Betriebsfüllstand erfassbar ist.
3. Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Sensor, insbesondere der erste und/oder zweite Sensor, zur Erfassung des Gesamtfüllstands des in der Vorrichtung befindlichen Elektrolyten ausgebildet ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass ein minimaler Gesamtfüllstand erfassbar ist, wobei vorzugsweise eine Wartungsanzeige vorgesehen ist, die derart mit dem Sensor verbunden ist, dass ein vom Sensor gemessener Gesamtfüllstand anzeigbar ist.
4. Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei zur Füllstandsmessung, insbesondere als erster und/oder zweiter Sensor, ein Messelement zur induktiven Messung vorgesehen ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass ein induktiv erfassbarer Schwimmer, vorzugsweise aus Graphit, vorgesehen ist.
5. Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Volumen des Ausgleichsbehälters (4) zumindest dem Volumen des ersten Gasabscheiderturms (1) entspricht, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass das Volumen des Ausgleichsbehälters (4) 120 bis 200 %, vorzugsweise 150 %, des Volumens des ersten Gasabscheiderturms (1) entspricht und/oder wobei das Volumen des Ausgleichsbehälters (4) 110 bis 130 %, insbesondere 115 %, des Volumens in allen mit dem Ausgleichsbehälter (4) verbundenen Elektrolyseelementen entspricht.
6. Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Volumen des ersten Gasabscheiderturms (1) 115 bis 150 %, insbesondere 140 %, des Volumens aller Wasserstoffhalbzellen entspricht und/oder dass der zweite Gasabscheiderturm (2) ein Volumen aufweist, dass größer oder gleich dem Volumen des ersten Gasabscheiderturms (1) ist.
7. Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Kühlkammer (5) zur Durchflusskühlung vorgesehen ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Kühlkammer (5) zwischen den Gasabscheidertürmen (1 ,2), dem Ausgleichsbehälter (4) und dem zumindest einen Elektrolyseelement angeordnet ist.
8. Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Basiseinheit (10) vorgesehen ist, wobei der Ausgleichsbehälter (4) im unteren Bereich der Basiseinheit (10) angeordnet ist, wobei an der Oberseite des Ausgleichsbehälters (4) ein erster Verbindungskanal (12) für die Verbindung zur Wasserstoffhalbzelle und ein zweiter Verbindungskanal (14) zur Verbindung mit der Sauerstoffhalbzelle vorgesehen ist, und wobei die Gasabscheidertürme (1 ,2) im oberen Bereich der Basiseinheit (10) angeordnet sind, wobei an der Unterseite des ersten Gasabscheiderturms (1) ein erster Verbindungsraum (11) zur Verbindung mit dem ersten Gassammelraum (21) der Wasserstoffhalbzelle angeordnet ist und an der Unterseite des zweiten Gasabscheiderturms (2) ein zweiter Verbindungsraum (21) zur Verbindung mit dem zweiten Gassammelraum (33) der Sauerstoffhalbzelle angeordnet ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Basiseinheit (10) plattenförmig ausgebildet ist, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Basiseinheit (10) eine Dicke von 2 bis 100 mm aufweist.
9. Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 8, wobei in der Basiseinheit (10) eine Kühlkammer zur Durchflusskühlung angeordnet ist.
10. Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 9, wobei unterhalb der Kühlkammer (5) der Ausgleichsbehälter (4) angeordnet ist und oberhalb der Kühlkammer (5) die Gasabscheidertürme (1 ,2) angeordnet sind.
11. Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Elektrolyseelement plattenförmig ausgebildet ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass das Elektrolyseelement eine Dicke von 5 bis 50 mm, vorzugsweise 8 - 14 mm, aufweist.
12. Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei das zumindest eine Elektrolyseelement zwischen der ersten Elektrode und dem Diaphragma einen ersten Elementrahmen (20) zur Aufnahme des Elektrolyten aufweist, wobei der erste Elementrahmen (20) einen offenen ersten Gassammelraum (21) für eine Verbindung zum ersten Gasabscheiderturm (1) und einen offenen ersten Verbindungskanal (22) für eine Verbindung mit dem Ausgleichsbehälter (4) aufweist und wobei der erste Elementrahmen (20) einen abgetrennten ersten Durchflussraum (23) für eine Verbindung zum zweiten Gasabscheiderturm (2) und einen abgetrennten ersten Durchflusskanal (24) für eine Verbindung mit dem Ausgleichsbehälter (4) aufweist, und wobei das Elektrolyseelement zwischen dem Diaphragma und der zweiten Elektrode einen zweiten Elementrahmen (30) aufweist, wobei der zweite Elementrahmen (30) einen offenen zweiten Gassammelraum (33) für eine Verbindung zum zweiten Gasabscheiderturm (2) und einen offenen zweiten Verbindungskanal (34) für eine Verbindung mit dem Ausgleichsbehälter (4) aufweist und wobei der zweite Elementrahmen (30) einen abgetrennten zweiten Durchflussraum (32) für eine Verbindung zum ersten Gasabscheiderturm (1) und einen abgetrennten zweiten Durchflusskanal (34) für eine Verbindung mit dem Ausgleichsbehälter (4) aufweist, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass der erste und zweite Elementrahmen (16, 26) baugleich ausgebildet sind.
13. Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei 1 bis 100 insbesondere 10, Elektrolyseelemente vorgesehen sind, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Elektrolyseelemente zu einem Stack (3) verbunden sind, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Anoden der zum Stack (3) verbundenen Elektrolyseelemente in Serie geschalten sind und die Kathoden der zum Stack (3) verbundenen Elektrolyseelemente in Serie geschalten sind.
14. Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei ausgangsseitig des ersten Gasabscheiderturms (1), insbesondere einem den ersten Gasabscheiderturm (1) reversibel verschließenden Ventil in Strömungsrichtung nachfolgend, ein Verdichter zur Absaugung des entstehenden Wasserstoffs vorgesehen ist.
15. Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysevorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Elektrolysevorrichtung zumindest ein Elektrolyseelement zur Durchführung der Elektrolyse aufweist, wobei das Elektrolyseelement mit einem ersten reversibel verschließbaren Gasabscheiderturm (1) zur Sammlung von Wasserstoff, und mit einem zweiten einen Füllstandsanstieg des Elektrolyten ermöglichenden Gasabscheiderturm (2) zur Sammlung von Sauerstoff verbunden ist, sodass ein das zumindest eine Elektrolyseelement und die Gasabscheidertürme (1 , 2) verbindender Fluidraum ausgebildet ist, wobei die Elektrolysevorrichtung durch Anlegen einer Spannung am Elektrolyseelement in Betrieb genommen, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Gasabscheiderturm (1) verschlossen wird, sodass der sich bildende Wasserstoff im ersten Gasabscheiderturm (1) gesammelt wird, wodurch es zu einem Absinken des Füllstands des Elektrolyten im ersten Gasabscheiderturm (1) kommt und durch den verbundenen Fluidraum gleichzeitig ein Anstieg des Füllstands im zweiten Gasabscheiderturm (2) erfolgt,
- wobei eine Gasproduktion abgewartet wird,
- wobei der erste Gasabscheiderturm (1) geöffnet wird und der entstandene Wasserstoff entnommen wird, sodass es zu ein Anstieg des Füllstandes im ersten Gasabscheiderturm (1) und einem gleichzeitigen Absinken des Füllstands im zweiten Gasabscheiderturm (2) kommt,
- wobei das Öffnen und Schließen des ersten Gasabscheiderturms (2) wiederholt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der erste Gasabscheiderturm (1) füllstandsabhängig geöffnet wird, wobei eine Messung des Betriebsfüllstands des Elektrolyten in dem ersten Gasabscheiderturm (1) und/oder in dem zweiten Gasabscheiderturm (2) erfolgt, wobei insbesondere vorgesehen ist,
- dass der erste Gasabscheiderturm (1) verschlossen wird, wenn im ersten Gasabscheiderturm (1) ein vorgegebener erster maximaler Betriebsfüllstand erreicht wird und/oder im zweiten Gasabscheiderturm (2) ein vorgegebener zweiter minimaler Betriebsfüllstand erreicht wird und/oder
- dass der erste Gasabscheiderturm (1) geöffnet wird, wenn im ersten Gasabscheiderturm (1) ein vorgegebener erster minimaler Betriebsfüllstand erreicht wird und/oder im zweiten Gasabscheiderturm (2) ein vorgegebener zweiter maximaler Betriebsfüllstand erreicht wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei eine Messung des Volumens des in der Vorrichtung befindlichen Elektrolyten erfolgt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass dafür der Füllstand im zweiten Gasabscheiderturm (2) bestimmt wird, wobei bei Erreichen eines unterhalb des minimalen Betriebsfüllstand liegenden Wartungsfüllstands die Elektrolysevorrichtung automatisch gestoppt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Elektrolyse bei Umgebungsdruck durchgeführt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der im zweiten Gasabscheiderturm (2) entstandene Sauerstoff in die Umgebung abgeführt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei das entstandene Gas, insbesondere der im ersten Gasabscheiderturm (1) entstandene Wasserstoff, abgesaugt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei der erste Gasabscheiderturm (1) 2 bis 50 mal in der Minute, insbesondere 3 - 4 mal in der Minute, geöffnet und verschlossen wird.
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