WO2022128121A1 - Device for the electrolytic generation of hydrogen - Google Patents

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WO2022128121A1
WO2022128121A1 PCT/EP2020/087012 EP2020087012W WO2022128121A1 WO 2022128121 A1 WO2022128121 A1 WO 2022128121A1 EP 2020087012 W EP2020087012 W EP 2020087012W WO 2022128121 A1 WO2022128121 A1 WO 2022128121A1
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plastic
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Stefan Höller
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Hoeller Electrolyzer Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a device for the electrolytic generation of hydrogen by means of electrolytic cells of the PEM type, which are arranged in a stack, a so-called stack, and which has components made of plastic.
  • Such components may be made of either all or part plastic and typically, but not necessarily, serve as an insulator.
  • Such electrolysis stacks are state-of-the-art today and are used in well-ventilated rooms to ensure that in the event of any leaks, be it in the stack or in the outgoing lines, the escaping hydrogen does not form an explosive mixture with the oxygen in the air ( oxyhydrogen mixture) can form.
  • an explosive mixture is already formed in the air if the hydrogen content is between 4 and 76% by volume, i.e. in a very wide concentration range.
  • the removal of unintentionally escaping hydrogen can be ensured relatively reliably by good ventilation, with the fact that the hydrogen gas is extremely light and permeable to numerous materials such as aluminum or concrete, which promotes exhaust air.
  • the invention is based on the object of designing a generic device for the electrolytic generation of hydrogen using electrolytic cells of the PEM type in such a way that the risk of such an oxyhydrogen explosion is reliably prevented, or at least significantly reduced.
  • the device according to the invention for the electrolytic production of hydrogen by means of electrolytic cells of the PEM type, which are arranged in a stack, a so-called stack, has components that consist entirely or at least partially of plastic.
  • these plastic components, at least parts of these plastic components that are connected to the environment of the device, are equipped with electrical properties that ensure increased safety (type of protection “increased safety”) Ex e.
  • the basic idea of the present invention is to equip such a device with a type of protection of increased safety, ie to make the device safe in itself, so that even if there is insufficient ventilation in the area or an exceptionally large escape of hydrogen, even if an explosive gas mixture is reached due to the increased Security of the device ignition this gas mixture can be excluded by the device itself.
  • a type of protection of increased safety ie to make the device safe in itself, so that even if there is insufficient ventilation in the area or an exceptionally large escape of hydrogen, even if an explosive gas mixture is reached due to the increased Security of the device ignition this gas mixture can be excluded by the device itself.
  • the electrolysis stacks are thus constructed with increased safety in order to reliably prevent an oxyhydrogen explosion independently of the ventilation.
  • Increased safety within the meaning of the present invention is to be understood as the "increased safety" type of protection, also Ex e, as increased safety for electrical equipment in gas.
  • the environment is to be understood as meaning the area which carries oxygen, ie typically the air surrounding the electrolysis stack.
  • the environment can also be formed by the surrounding protective gas when the stack is operated under a protective gas atmosphere.
  • Parts of plastic components within the meaning of the present invention that are connected to the environment can also be the surfaces of plastic components if, for example, the plastic component is equipped with an appropriate coating that has the appropriate electrical properties for increased safety.
  • plastic parts within the meaning of the present invention also include all other non-metal parts.
  • Such an increased security can be ensured that parts of a plastic component or the plastic component itself is designed in such a way that the maximum possible electrical charge satisfies the requirements for increased security. This is typically and advantageously the case when the surface resistance is less than 1 ⁇ at 50 ( ⁇ 5) % relative humidity and/or less than 100 ⁇ at a relative humidity of 30 ( ⁇ 5) %.
  • the increased safety can be formed not only by the configuration of the surface resistance of a plastic component or a part thereof, but also or advantageously additionally by the configuration with regard to the maximum possible charging.
  • Carbon fibers, soot particles, graphite bodies and/or similar carbon products can be used as additives which are electrically conductive.
  • Carbon-based additives are one way of achieving the aforementioned electrical properties for increased safety; alternatively or additionally, the conductive substances that are added to the plastic can be formed by metal particles, metal fibers or other metal-based substances.
  • the frames of bipolar plates are advantageously designed as plastic components. With regard to their electrical properties, these frames must therefore be configured in accordance with the aforementioned features.
  • Such plastic components are advantageously the plates between the cell stack and the end plates between which the cell stacks are clamped.
  • plastic components according to the invention can be formed by sleeves, which surround the latter between the through-holes in the stack and the tie rods running through them are arranged and which serve to prevent a short circuit of the plates in the stack by the tie rods, which are typically made of metal.
  • the device according to the invention is designed in such a way that it corresponds to protection class IP44, preferably protection class IP54.
  • protection class IP44 preferably protection class IP54.
  • This ensures another safety aspect of the device, namely electrical safety from the outside, which is important in particular for the operating personnel, but also for operational safety in the event of external influences, such as water ingress through rain and the like.
  • plastic components or plastic coatings, coatings or the like are to be provided, which are arranged on electrically conductive surfaces accessible from the outside, which are subjected to a voltage during operation, as is typically the case for the current supply plates. These must be insulated from the outside as well as in the area of the electrical connections of these current supply plates unless they are protected by attachments. These plastic components are also conditioned in the prescribed manner to ensure increased safety.
  • FIG. 1 shows an electrolysis stack according to the invention in a greatly simplified schematic view
  • FIG. 2 shows the electrolysis stack according to FIG. 1 in an exploded view.
  • the electrolysis stack shown in the figures has, for example, three PEM-type electrolysis cells connected in series and is used solely to explain the structure of such a stack. In practical applications, a large number of such cells will be integrated into a stack.
  • the electrolysis stack has two end plates 1 and 2, between which the electrolysis cells are clamped in contact with one another.
  • Each end plate 1, 2 is adjoined by an insulating plate 3 made of plastic, which electrically insulates the end plate from an energizing plate 4 which is in contact with the insulating plate 3 on the other side and via which the electrolysis stack is supplied with electrical energy.
  • Each current supply plate 4 has a tongue 6 protruding beyond the cross-sectional contour of the stack as a connection for the power supply.
  • One tongue 6 forms the positive pole of the electrolysis stack and the other tongue 6 forms the negative pole.
  • a corresponding power supply is connected via these tongues 6 .
  • These current supply plates 4 are encased with an insulating plastic 5 around their circumference and in the area of the tongues 6 that is not covered by the connecting component when connected, in order to ensure that they are safe to touch during operation.
  • An electrolytic cell consists of a PEM membrane 7 (Polymer Electrolyte Membrane), i.e. a proton exchange membrane, which is coated on both sides in a manner known per se with catalytically active electrodes made of platinum and/or iridium and/or a mixture of Platinum and / or iridium and / or other metals and / or oxides of the aforementioned metals are formed.
  • This PEM membrane 7 is surrounded on both sides by bipolar plates 8, which have a plastic frame 9 in which the actual bipolar plate is integrated, via which the reactants are transferred to the PEM membrane 7 are introduced and via which the electrical connection between adjacent electrolytic cells takes place.
  • the electrolytic cells formed in this way are arranged in the electrolytic stack in an electrically conductive manner adjacent to one another and are therefore connected in series. The components are sealed to each other with seals.
  • the PEM membranes 7, the current supply plates 4 and the insulating plates 3 are mutually aligned recesses which form channels running perpendicularly through the electrolysis stack, namely a channel 10 for the water supply, a channel 11 for the removal of water and the removal of oxygen and a channel 12 for the removal of hydrogen.
  • These channels 10 to 12 pass through the upper end plate 1 and open into corresponding line connections in a connection plate 13 arranged there.
  • the electrolytic cells are braced between the end plates 1 and 2 with the incorporation of the insulating plates 3 and the current supply plates 4 via tie rods 14, which are fixed with the incorporation of plate spring assemblies 15 by means of nuts 16 on both sides of the end plates 1 and 2.
  • tie rods 14 In order to prevent a short circuit within the stack caused by these tie rods 14, they are protected by electrically insulating plastic sleeves 17 in the area of the electrolysis stack.
  • the aforementioned plastic components are designed to be electrically insulating, with the plastic being selected such that these components have a surface resistance that is less than I GO at 50% relative humidity and less than 100 ⁇ at 30% relative humidity.
  • the plastic components in the present version are designed in such a way that a maximum possible charge of 10 nanocoulombs cannot be exceeded.
  • the tracking resistance of these components has a CTI value of approx. 200.
  • the plastic used here is a polyamide, namely a base material made of PA66, which has the aforementioned electrical properties due to the addition of antistatic agents.
  • the seals provided in the bipolar plates not only ensure that the channels 10 to 12 within the electrolysis stack are sealed off from the outside, but also provide protection from the inside, so that the stack has reliable protection against splashing water from the outside.
  • the stack has complete protection against accidental contact, which is not described in detail here, but which, insofar as it consists of insulating plastic, also corresponds to the intrinsically safe electrical properties of the plastic components described above.

Abstract

The invention relates to a device for the electrolytic generation of hydrogen by means of electrolysis cells of the PEM type, which are arranged to form a stack, wherein the device comprises components (3, 9, 17) made of plastic, and characterized in that at least parts of the plastic components (3, 9, 17), which are in contact with the environment of the device, have electrical properties which meet the requirements for increased safety "Ex e".

Description

Titel: Vorrichtung zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff Title: Device for the electrolytic production of hydrogen
Beschreibung description
[01 ] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolysezellen der PEM-Bauart, die zu einem Stapel, einem so genannten Stack angeordnet sind, und die aus Kunststoff bestehende Bauteile aufweist. Derartige Bauteile können entweder ganz oder teilweise aus Kunststoff bestehen und dienen typischerweise, aber nicht notwendigerweise, als Isolator. The invention relates to a device for the electrolytic generation of hydrogen by means of electrolytic cells of the PEM type, which are arranged in a stack, a so-called stack, and which has components made of plastic. Such components may be made of either all or part plastic and typically, but not necessarily, serve as an insulator.
[02] Derartige Elektrolysestacks zählen heute zum Stand der Technik und werden in gut durchlüfteten Räumen eingesetzt, um sicherzustellen, dass bei etwaigen Leckagen, sei es des Stacks oder der abführenden Leitungen, der austretende Wasserstoff mit dem in der Luft befindlichen Sauerstoff kein explosives Gemisch (Knallgasgemisch) bilden kann. Ein solches explosionsfähiges Gemisch entsteht bei atmosphärischem Druck in der Luft bereits, wenn der Wasserstoffanteil zwischen 4 und 76 Vol.% liegt, also in einem sehr weiten Konzentrationsbereich. Die Abfuhr ungewollt austretenden Wasserstoffs kann durch eine gute Belüftung relativ zuverlässig sichergestellt werden, wobei abluftfördernd hinzukommt, dass das Wasserstoffgas extrem leicht und für zahlreiche Stoffe, wie beispielsweise Aluminium oder Beton durchgängig ist. Insofern funktioniert die Abfuhr des austretenden Wasserstoffs insbesondere bei kleinen Elektrolysestacks und bei geringen Betriebsdrücken recht gut. Je größer jedoch die Leistung und damit das interne Volumen des Stacks wird und je höher der Betriebsdruck des Stacks wird, desto größer wird auch die im Fehlerfall austretende Wasserstoffmenge, womit sich die Gefahr erhöht, dass der Wasserstoff nicht schnell genug entfernt werden kann und damit die Gefahr einer Knallgasexplosion besteht, bei der es zu kolossalen Schäden nicht nur des Stacks, sondern insbesondere der Umgebung kommen kann. [02] Such electrolysis stacks are state-of-the-art today and are used in well-ventilated rooms to ensure that in the event of any leaks, be it in the stack or in the outgoing lines, the escaping hydrogen does not form an explosive mixture with the oxygen in the air ( oxyhydrogen mixture) can form. At atmospheric pressure, such an explosive mixture is already formed in the air if the hydrogen content is between 4 and 76% by volume, i.e. in a very wide concentration range. The removal of unintentionally escaping hydrogen can be ensured relatively reliably by good ventilation, with the fact that the hydrogen gas is extremely light and permeable to numerous materials such as aluminum or concrete, which promotes exhaust air. In this respect, the removal of the escaping hydrogen works quite well, especially with small electrolysis stacks and at low operating pressures. However, the greater the performance and thus the internal volume of the stack and the higher the operating pressure of the stack, the greater it becomes amount of hydrogen escaping in the event of a fault, which increases the risk that the hydrogen cannot be removed quickly enough and thus the risk of an oxyhydrogen explosion, which can cause colossal damage not only to the stack, but in particular to the environment.
[03] Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolysezellen der PEM-Bauart so auszugestalten, dass die Gefahr einer solchen Knallgasexplosion zuverlässig verhindert, zumindest jedoch deutlich vermindert wird. Against this background, the invention is based on the object of designing a generic device for the electrolytic generation of hydrogen using electrolytic cells of the PEM type in such a way that the risk of such an oxyhydrogen explosion is reliably prevented, or at least significantly reduced.
[04] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung. [04] This object is achieved according to the invention by a device having the features specified in claim 1. Advantageous configurations of the invention result from the dependent claims, the following description and the drawing.
[05] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolysezellen der PEM-Bauart, die zu einem Stapel, einem so genannten Stack angeordnet sind, weist Bauteile auf, die ganz oder zumindest teilweise aus Kunststoff bestehen. Gemäß der Erfindung werden diese Kunststoffbauteile, zumindest Teile dieser Kunst- stoffbauteile, die mit der Umgebung der Vorrichtung in Verbindung stehen mit elektrischen Eigenschaften ausgestattet, die eine erhöhte Sicherheit (Zündschutzart „erhöhte Sicherheit“) Ex e gewährleisten.. The device according to the invention for the electrolytic production of hydrogen by means of electrolytic cells of the PEM type, which are arranged in a stack, a so-called stack, has components that consist entirely or at least partially of plastic. According to the invention, these plastic components, at least parts of these plastic components that are connected to the environment of the device, are equipped with electrical properties that ensure increased safety (type of protection “increased safety”) Ex e.
[06] Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige Vorrichtung mit einer Zündschutzart erhöhte Sicherheit auszustatten, d. h. die Vorrichtung aus sich heraus sicher zu gestalten, sodass selbst bei ungenügender Belüftung der Umgebung oder außergewöhnlich großem Wasserstoffaustritt selbst bei Erreichen eines explosionsfähigen Gasgemisches aufgrund der erhöhten Sicherheit der Vorrichtung eine Entzündung dieses Gasgemisches durch die Vorrichtung selbst ausgeschlossen werden kann. Es versteht sich, dass vorteilhaft nicht nur das Elektrolysestack selbst, sondern auch die umgebenden Bauteile/Aggregate explosionsgeschützt ausgestaltet werden sollten, wenn ein solches Elektrolysestack in einer Anlage eingesetzt wird. Die Elektrolysestacks werden somit gemäß der Erfindung mit einer erhöhten Sicherheit konstruiert, um unabhängig von der Belüftung eine Knallgasexplosion zuverlässig zu verhindern. The basic idea of the present invention is to equip such a device with a type of protection of increased safety, ie to make the device safe in itself, so that even if there is insufficient ventilation in the area or an exceptionally large escape of hydrogen, even if an explosive gas mixture is reached due to the increased Security of the device ignition this gas mixture can be excluded by the device itself. It goes without saying that not only the electrolysis stack itself, but also the surrounding components/units should advantageously be designed to be explosion-proof if such an electrolysis stack is used in a plant. According to the invention, the electrolysis stacks are thus constructed with increased safety in order to reliably prevent an oxyhydrogen explosion independently of the ventilation.
[07] Unter erhöhter Sicherheit im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Zündschutzart „erhöhte Sicherheit“ auch Ex e als erhöhte Sicherheit für elektrische Betriebsmittel in Gas zu verstehen. [07] Increased safety within the meaning of the present invention is to be understood as the "increased safety" type of protection, also Ex e, as increased safety for electrical equipment in gas.
[08] Unter Umgebung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der Bereich zu verstehen, welcher sauerstoffführend ist, also typischerweise die das Elektrolysestack umgebende Luft. Die Umgebung kann jedoch auch beim Betrieb des Stacks unter Schutzgasatmosphäre durch das umgebende Schutzgas gebildet sein. [08] For the purposes of the present invention, the environment is to be understood as meaning the area which carries oxygen, ie typically the air surrounding the electrolysis stack. However, the environment can also be formed by the surrounding protective gas when the stack is operated under a protective gas atmosphere.
[09] Grundsätzlich reicht es gemäß der Erfindung aus, wenn zumindest die Teile der Kunststoffbauteile hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften mit einer erhöhten Sicherheit ausgestattet werden, die mit der Umgebung der Vorrichtung in Verbindung stehen und bei denen zumindest theoretisch ein Kontakt mit einem Knallgasgemisch nicht auszuschließen ist. Basically, it is sufficient according to the invention if at least those parts of the plastic components are equipped with increased safety with regard to their electrical properties that are connected to the environment of the device and where at least theoretically contact with an oxyhydrogen mixture cannot be ruled out .
[010] Teile von Kunststoffbauteilen im Sinne der vorliegenden Erfindung, die mit der Umgebung in Verbindung stehen, können auch die Oberflächen von Kunststoffbauteilen sein, wenn beispielsweise das Kunststoffbauteil mit einer entsprechenden Beschichtung ausgestattet ist, welche die entsprechenden elektrischen Eigenschaften für eine erhöhte Sicherheit aufweist. [01 1 ] In der Regel wird es vorteilhaft sein, schon aus fertigungstechnischen Gründen das gesamte Kunststoffbauteil oder zumindest die aus Kunststoff bestehenden Teile eines Bauteils eines solchen Elektrolysestacks hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften so auszubilden, dass eine erhöhte Sicherheit gewährleistet ist. Kunststoffteile im Sinne der vorliegenden Erfindung sind definitionsgemäß auch alle anderen Nicht-Me- tallteile. Parts of plastic components within the meaning of the present invention that are connected to the environment can also be the surfaces of plastic components if, for example, the plastic component is equipped with an appropriate coating that has the appropriate electrical properties for increased safety. As a rule, it will be advantageous, for manufacturing reasons alone, to design the entire plastic component or at least the plastic parts of a component of such an electrolysis stack with regard to the electrical properties in such a way that increased safety is ensured. According to the definition, plastic parts within the meaning of the present invention also include all other non-metal parts.
[012] Eine solche erhöhte Sicherheit kann dadurch gewährleistet sein, dass Teile eines Kunststoffbauteils oder das Kunststoffbauteil selbst so ausgebildet wird, dass eine maximal mögliche elektrische Aufladung den Anforderungen an die erhöhte Sicherheit genügt. Dies ist typischerweise und vorteilhaft dann der Fall, wenn der Oberflächenwiderstand kleiner als 1 GQ bei 50 (± 5) % relativer Luftfeuchte und/oder kleiner als 100 GQ bei relativer Luftfeuchte von 30 (± 5) % ist. [012] Such an increased security can be ensured that parts of a plastic component or the plastic component itself is designed in such a way that the maximum possible electrical charge satisfies the requirements for increased security. This is typically and advantageously the case when the surface resistance is less than 1 Ω at 50 (± 5) % relative humidity and/or less than 100 Ω at a relative humidity of 30 (± 5) %.
[013] Alternativ oder zusätzlich kann die erhöhte Sicherheit nicht nur durch die Ausgestaltung des Oberflächenwiderstandes eines Kunststoffbauteils oder eines Teils davon gebildet werden, sondern auch oder vorteilhaft zusätzlich durch die Ausgestaltung hinsichtlich der maximal möglichen Aufladung. Insoweit ist es vorteilhaft, die Kunststoffbauteile oder zumindest die mit der Umgebung der Vorrichtung in Verbindung stehenden Teile dieser Bauteile so auszubilden, dass ihre maximal mögliche Aufladung den Anforderungen an die erhöhte Sicherheit entspricht, also 10 Nanocoulomb nicht übersteigt. [013] Alternatively or additionally, the increased safety can be formed not only by the configuration of the surface resistance of a plastic component or a part thereof, but also or advantageously additionally by the configuration with regard to the maximum possible charging. In this respect it is advantageous to design the plastic components or at least the parts of these components connected to the environment of the device in such a way that their maximum possible charge meets the requirements for increased safety, ie does not exceed 10 nanocoulombs.
[014] Weiterhin ist vorteilhaft für die Kriechstromfestigkeit zumindest der Teile der mit der Umgebung der Vorrichtung in Verbindung stehenden Kunststoffbauteile zu sorgen, und zwar derart, dass diese einen CTI-Wert von mindestens 175 aufweisen, wobei andererseits der CTI-Wert kleiner als 400 sein sollte. [015] Grundsätzlich gibt es zahlreiche Möglichkeiten, die verwendeten Kunststoffe so zu modifizieren, dass die vorgenannten Werte erreicht sind. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn Kunststoffe zum Einsatz kommen, die aufgrund ihrer Festigkeits- oder sonstigen gewünschten Eigenschaften für den Einsatzzweck prädestiniert sind, die dann durch das Zusetzen elektrisch leitfähiger Stoffe so modifiziert werden, dass die vorgenannten Werte erreicht werden. Furthermore, it is advantageous to ensure that at least the parts of the plastic components connected to the environment of the device are resistant to tracking, in such a way that they have a CTI value of at least 175, with the CTI value being less than 400 on the other hand should. [015] In principle, there are numerous ways of modifying the plastics used in such a way that the aforementioned values are achieved. However, it is particularly advantageous if plastics are used which are predestined for the intended use due to their strength or other desired properties, and which are then modified by adding electrically conductive substances in such a way that the aforementioned values are achieved.
[016] Besonders vorteilhaft ist es dabei, dem Kunststoff Antistatika zuzusetzen. Als Zusatzstoffe, welche elektrisch leitfähig sind, können Kohlefasern, Rußpartikel, Graphitkörper und/oder dergleichen Kohlenstoffprodukte verwendet sein. Zusatzstoffe auf Kohlenstoffbasis sind eine Möglichkeit, die vorgenannten elektrischen Eigenschaften zur erhöhten Sicherheit zu erreichen, alternativ oder auch zusätzlich können die leitfähigen Stoffe, die dem Kunststoff zugesetzt werden, durch Metallpartikel, Metallfasern oder andere metallbasierte Stoffe gebildet sein. [016] It is particularly advantageous to add antistatic agents to the plastic. Carbon fibers, soot particles, graphite bodies and/or similar carbon products can be used as additives which are electrically conductive. Carbon-based additives are one way of achieving the aforementioned electrical properties for increased safety; alternatively or additionally, the conductive substances that are added to the plastic can be formed by metal particles, metal fibers or other metal-based substances.
[017] Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind als Kunststoffbauteile vorteilhaft die Rahmen von Bipolarplatten ausgebildet. Diese Rahmen sind somit hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften entsprechend den vorgenannten Merkmalen auszugestalten. In the device according to the invention, the frames of bipolar plates are advantageously designed as plastic components. With regard to their electrical properties, these frames must therefore be configured in accordance with the aforementioned features.
[018] Derartige Kunststoffbauteile sind vorteilhaft die Platten zwischen dem Zellstapel und den Endplatten, zwischen denen die Zellstapel eingespannt sind. Es handelt sich dabei um zwei Endplatten jeweils zu einer Seite des Zellstapels, zwischen dem Zellstapel und der Endplatte, welche das Widerlager zum Verspannen des Stacks typischerweise mittels Zugankern bildet. Such plastic components are advantageously the plates between the cell stack and the end plates between which the cell stacks are clamped. There are two end plates, each on one side of the cell stack, between the cell stack and the end plate, which forms the abutment for bracing the stack, typically by means of tie rods.
[019] Weiterhin können Kunststoffbauteile gemäß der Erfindung durch Hülsen gebildet sein, welche zwischen den Durchgangsbohrungen im Stack und den dadurch verlaufenden Zugankern, letztere umgebend angeordnet sind und die dazu dienen, einen Kurzschluss der Platten im Stack durch die typischerweise aus Metall bestehenden Zuganker zu verhindern. [019] Furthermore, plastic components according to the invention can be formed by sleeves, which surround the latter between the through-holes in the stack and the tie rods running through them are arranged and which serve to prevent a short circuit of the plates in the stack by the tie rods, which are typically made of metal.
[020] Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung gemäß der Erfindung so ausgebildet wird, dass sie der Schutzart IP44, vorzugsweise der Schutzart IP54 entspricht. Dies stellt einen weiteren anderen Sicherheitsaspekt der Vorrichtung sicher, nämlich die elektrische Sicherheit von außen, welche insbesondere für das Bedienpersonal, aber auch für die Betriebssicherheit bei äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Wassereinbruch durch Regen und dergleichen wichtig ist. It is also advantageous if the device according to the invention is designed in such a way that it corresponds to protection class IP44, preferably protection class IP54. This ensures another safety aspect of the device, namely electrical safety from the outside, which is important in particular for the operating personnel, but also for operational safety in the event of external influences, such as water ingress through rain and the like.
[021 ] Insbesondere um die vorgenannten Schutzarten zu unterstützen sind weitere Kunststoffbauteile beziehungsweise Kunststoffbeschichtungen, Überzüge oder dergleichen vorzusehen, welche an von außen zugänglichen elektrisch leitenden Flächen angeordnet sind, die im Betrieb mit einer Spannung beaufschlagt sind, wie dies typischer Weise für die Bestromungsplatten gilt. Diese sind umfänglich nach außen hin zu isolieren sowie im Bereich der elektrischen Anschlüsse dieser Bestromungsplatten soweit diese nicht durch Anschlussanbauten geschützt sind. Diese Kunststoffbauteile sind ebenfalls in der vorgeschriebenen Weise konditioniert, um eine erhöhte Sicherheit zu gewährleisten. In particular, to support the aforementioned types of protection, further plastic components or plastic coatings, coatings or the like are to be provided, which are arranged on electrically conductive surfaces accessible from the outside, which are subjected to a voltage during operation, as is typically the case for the current supply plates. These must be insulated from the outside as well as in the area of the electrical connections of these current supply plates unless they are protected by attachments. These plastic components are also conditioned in the prescribed manner to ensure increased safety.
[022] Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels eines Elektrolysestacks näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to an embodiment of an electrolysis stack shown in the drawings. Show it:
Fig. 1 in stark vereinfachter schematischer Ansicht einen Elektrolysestack gemäß der Erfindung, und 1 shows an electrolysis stack according to the invention in a greatly simplified schematic view, and
Fig. 2 den Elektrolysestack gemäß Fig. 1 in Explosionsdarstellung. [023] Der anhand der Figuren dargestellte Elektrolysestack weist beispielhaft drei in Reihe geschaltete Elektrolysezellen der PEM-Bauart auf und dient ausschließlich zur Erläuterung des Aufbaus eines solchen Stacks, in praktischen Anwendungen werden eine Vielzahl solcher Zellen in einen Stack eingebunden sein. FIG. 2 shows the electrolysis stack according to FIG. 1 in an exploded view. The electrolysis stack shown in the figures has, for example, three PEM-type electrolysis cells connected in series and is used solely to explain the structure of such a stack. In practical applications, a large number of such cells will be integrated into a stack.
[024] Der Elektrolysestack weist zwei Endplatten 1 und 2 auf, zwischen denen die Elektrolysezellen aneinander anliegend eingespannt sind. An jede Endplatte 1 , 2 schließt sich eine aus Kunststoff bestehende Isolierplatte 3 an, welche die Endplatte von einer an der Isolierplatte 3 auf der anderen Seite anliegenden Bestromungsplatte 4 elektrisch isoliert, über welche der Elektrolysestack mit elektrischer Energie versorgt wird. Jede Bestromungsplatte 4 weist eine über die Querschnittskontur des Stacks herausragende Zunge 6 als Anschluss zur Stromversorgung auf. Dabei bildet die eine Zunge 6 den Pluspol des Elektrolysestacks und die andere Zunge 6 den Minuspol, eine entsprechende Stromversorgung wird über diese Zungen 6 angeschlossen. Diese Bestromungsplatten 4 sind umfänglich sowie in dem Bereich der Zungen 6, der im angeschlossenen Zustand nicht durch das Anschlussbauteil abgedeckt ist, mit einen isolierenden Kunststoff 5 ummantelt, um die Berührsicherheit im Betrieb zu gewährleisten. [024] The electrolysis stack has two end plates 1 and 2, between which the electrolysis cells are clamped in contact with one another. Each end plate 1, 2 is adjoined by an insulating plate 3 made of plastic, which electrically insulates the end plate from an energizing plate 4 which is in contact with the insulating plate 3 on the other side and via which the electrolysis stack is supplied with electrical energy. Each current supply plate 4 has a tongue 6 protruding beyond the cross-sectional contour of the stack as a connection for the power supply. One tongue 6 forms the positive pole of the electrolysis stack and the other tongue 6 forms the negative pole. A corresponding power supply is connected via these tongues 6 . These current supply plates 4 are encased with an insulating plastic 5 around their circumference and in the area of the tongues 6 that is not covered by the connecting component when connected, in order to ensure that they are safe to touch during operation.
[025] Eine Elektrolysezelle besteht jeweils aus einer PEM-Membran 7 (Polymer Electrolyte Membrane), also eine Protonenaustauschmembran, die in an sich bekannter Weise beidseitig mit katalytisch aktiven Elektroden beschichtet ist, die aus Platin und/oder Iridium und/oder einem Gemisch aus Platin und/oder Iridium und/oder weiteren Metallen und/oder von Oxiden der vorgenannten Metalle gebildet sind. Diese PEM-Memb- ran 7 ist zu beiden Seiten von Bipolarplatten 8 umgeben, welche einen Kunststoffrahmen 9 aufweisen, in welchem die eigentliche Bipolarplatte eingegliedert ist, über welche die Reaktanden an die PEM-Membran 7 herangeführt werden und über welche die elektrische Verbindung zwischen benachbarten Elektrolysezellen erfolgt. Die so gebildeten Elektrolysezellen sind im Elektrolysestack elektrisch leitend aneinander anliegend und somit in Reihe geschaltet angeordnet. Die Bauteile sind über Dichtungen zueinander abgedichtet. An electrolytic cell consists of a PEM membrane 7 (Polymer Electrolyte Membrane), i.e. a proton exchange membrane, which is coated on both sides in a manner known per se with catalytically active electrodes made of platinum and/or iridium and/or a mixture of Platinum and / or iridium and / or other metals and / or oxides of the aforementioned metals are formed. This PEM membrane 7 is surrounded on both sides by bipolar plates 8, which have a plastic frame 9 in which the actual bipolar plate is integrated, via which the reactants are transferred to the PEM membrane 7 are introduced and via which the electrical connection between adjacent electrolytic cells takes place. The electrolytic cells formed in this way are arranged in the electrolytic stack in an electrically conductive manner adjacent to one another and are therefore connected in series. The components are sealed to each other with seals.
[026] In den Bipolarplatten 8, den PEM-Membranen 7, den Bestro- mungsplatten 4 und den Isolierplatten 3 sind zueinander fluchtende Ausnehmungen angeordnet, welche senkrecht durch den Elektrolysestack verlaufende Kanäle bilden, nämlich einen Kanal 10 für die Wasserzufuhr, einen Kanal 1 1 für die Wasserabfuhr und die Abfuhr von Sauerstoff und einen Kanal 12 für die Abfuhr von Wasserstoff. Diese Kanäle 10 bis 12 durchsetzen die obere Endplatte 1 und münden in einer dort angeordneten Anschlussplatte 13 in entsprechenden Leitungsanschlüssen. Arranged in the bipolar plates 8, the PEM membranes 7, the current supply plates 4 and the insulating plates 3 are mutually aligned recesses which form channels running perpendicularly through the electrolysis stack, namely a channel 10 for the water supply, a channel 11 for the removal of water and the removal of oxygen and a channel 12 for the removal of hydrogen. These channels 10 to 12 pass through the upper end plate 1 and open into corresponding line connections in a connection plate 13 arranged there.
[027] Die Elektrolysezellen sind zwischen den Endplatten 1 und 2 unter Eingliederung der Isolierplatten 3 und der Bestromungsplatten 4 über Zuganker 14 verspannt, welche unter Eingliederung von Tellerfederpaketen 15 mittels Muttern 16 zu beiden Seiten der Endplatten 1 und 2 festgelegt sind. Um einen Kurzschluss innerhalb des Stacks durch diese Zuganker 14 zu verhindern, sind diese im Bereich des Elektrolysestacks durch elektrisch isolierende Kunststoffhülsen 17 geschützt. The electrolytic cells are braced between the end plates 1 and 2 with the incorporation of the insulating plates 3 and the current supply plates 4 via tie rods 14, which are fixed with the incorporation of plate spring assemblies 15 by means of nuts 16 on both sides of the end plates 1 and 2. In order to prevent a short circuit within the stack caused by these tie rods 14, they are protected by electrically insulating plastic sleeves 17 in the area of the electrolysis stack.
[028] Im Betrieb wird der Elektrolysestack an den Bestromungsplatten 4 mit Strom beaufschlagt, wodurch das durch den Kanal 10 zugeführte reine Wasser elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, wobei der üblicherweise allein zur Nutzung vorgesehene Wasserstoff über den Kanal 12 abgeführt und der Sauerstoff sowie das überschüssige Wasser über den Kanal 1 1 abgeführt werden. [029] Um Sicherzustellen, dass bei einer Leckage im Wasserstoffkanalsys- tem, sei es im Stack selbst oder aber auch in den anschließenden Rohrleitungen oder Speichern ein sich trotz guter Belüftung möglicherweise ergebendes explosionsfähiges Gemisch nicht durch den Stack selbst gezündet werden kann, ist dieser mit einer erhöhten Sicherheit Ex e ausgestaltet. Hierzu sind die mit der Umgebung des Stacks möglicherweise in Verbindung kommenden Kunststoffbauteilemit erhöhter Sicherheit ausgebildet. Dies sind in dem vorstehend beschriebenen Stack die beiden aus Kunststoff bestehenden Isolierplatten 3, die Kunststoffrahmen 9 der Bipolarplatten 8 sowie die Kunststoffhülsen 17, welche die Zuganker 14 umgeben, sowie die Kunststoffummantelungen 5 Auch wenn der Stack nach innen hin, das heißt zu den Kanälen und den Reaktionsflächen hin abgedichtet ist, so sind doch die senkrechten Durchgangslöcher für die Zuganker 14 nicht zur Umgebung hin abgedichtet, sodass die Kunststoffhülsen 17, die innerhalb dieser Ausdehnungen für die Zuganker 14 angeordnet sind, ebenfalls mit der Umgebung, das heißt insbesondere dem den Elektrolysestack umgebenden Gas in Kontakt kommen. During operation, current is applied to the electrolysis stack at the current supply plates 4, as a result of which the pure water supplied through the channel 10 is electrolytically split into hydrogen and oxygen, with the hydrogen usually only intended for use being removed via the channel 12 and the oxygen and the excess water can be drained off via channel 1 1. [029] In order to ensure that in the event of a leak in the hydrogen channel system, whether in the stack itself or in the adjoining pipelines or reservoirs, an explosive mixture that may occur despite good ventilation cannot be ignited by the stack itself designed for increased safety Ex e. For this purpose, the plastic components that may come into contact with the environment of the stack are designed with increased safety. In the stack described above, these are the two insulating plates 3 made of plastic, the plastic frames 9 of the bipolar plates 8 and the plastic sleeves 17, which surround the tie rods 14, and the plastic sheathing 5. Even if the stack is inward, i.e. towards the channels and is sealed towards the reaction surfaces, the vertical through-holes for the tie rods 14 are not sealed towards the environment, so that the plastic sleeves 17, which are arranged within these expansions for the tie rods 14, are also connected to the environment, i.e. in particular that surrounding the electrolysis stack come into contact with gas.
[030] Die vorgenannten Kunststoffbauteile sind elektrisch isolierend ausgebildet, wobei der Kunststoff so gewählt ist, dass diese Bauteile einen Oberflächenwiderstand aufweisen, der bei 50 % relativer Luftfeuchte kleiner als I GO und bei 30 % relativer Luftfeuchte kleiner als 100 GQ ist. Darüber hinaus sind in der vorliegenden Ausführung die Kunststoffbauteile so ausgeführt, dass eine maximal mögliche Aufladung von 10 Nanocoulomb nicht überschritten werden kann. Die Kriechstromfestigkeit dieser Bauteile liegt bei dieser Ausführungsformbei einem CTI-Wert von ca. 200. Bei dem hier zum Einsatz kommenden Kunststoff handelt es sich um ein Polyamid, nämlich um ein aus PA66 bestehendes Grundmaterial, welches durch Hinzufügen von Antistatika die vorgenannten elektrischen Eigenschaften aufweist. [031 ] Durch die in den Bipolarplatten vorgesehenen Dichtungen wird nicht nur eine Abdichtung der Kanäle 10 bis 12 innerhalb des Elektrolysestacks nach außen gewährleistet, sondern darüber hinaus auch ein Schutz nach innen, sodass der Stack einen zuverlässigen Schutz gegen Spritzwasser von außen aufweist. Darüber hinaus weist der Stack einen vollständigen Berührschutz auf, der hier nicht im Einzelnen beschrieben ist, der jedoch, soweit dieser aus isolierendem Kunststoff besteht, ebenfalls den eigensicheren elektrischen Eigenschaften der vorstehend beschriebenen Kunststoffbauteile entspricht. The aforementioned plastic components are designed to be electrically insulating, with the plastic being selected such that these components have a surface resistance that is less than I GO at 50% relative humidity and less than 100 Ω at 30% relative humidity. In addition, the plastic components in the present version are designed in such a way that a maximum possible charge of 10 nanocoulombs cannot be exceeded. In this embodiment, the tracking resistance of these components has a CTI value of approx. 200. The plastic used here is a polyamide, namely a base material made of PA66, which has the aforementioned electrical properties due to the addition of antistatic agents. The seals provided in the bipolar plates not only ensure that the channels 10 to 12 within the electrolysis stack are sealed off from the outside, but also provide protection from the inside, so that the stack has reliable protection against splashing water from the outside. In addition, the stack has complete protection against accidental contact, which is not described in detail here, but which, insofar as it consists of insulating plastic, also corresponds to the intrinsically safe electrical properties of the plastic components described above.
Bezugszeichenliste Reference List
Endplatte oben end plate above
Endplatte unten end plate below
Isolierplatten insulating panels
Bestromungsplattencurrent plates
Kunststoffummantelung plastic sheathing
Zungen tongues
PEM-Membranen PEM membranes
Bipolarplatten bipolar plates
Kunststoffrahmen von 8 Plastic frame from 8
Kanal für Wasserzufuhr channel for water supply
Kanal für Wasserabfuhr und SauerstoffabfuhrChannel for water drainage and oxygen drainage
Kanal für Abfuhr von H2 Channel for evacuation of H2
Anschlussplatte connection plate
Zuganker tie rod
Tellerfederpakete disk spring packages
Muttern nuts
Kunststoffhülsen plastic sleeves

Claims

Ansprüche Vorrichtung zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolysezellen der PEM-Bauart, die zu einem Stack angeordnet sind, wobei die Vorrichtung aus Kunststoff bestehende Bauteile (3, 9, 17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest mit der Umgebung der Vorrichtung in Verbindung stehende Teile der Kunststoffbauteile (3, 9, 17) eine erhöhte Sicherheit gewährleistende elektrische Eigenschaften aufweisen. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Umgebung der Vorrichtung in Verbindung stehenden Teile der Kunststoffbauteile (3, 9, 17) einen die erhöhte Sicherheit gewährleistenden Oberflächenwiderstand aufweisen. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Umgebung der Vorrichtung in Verbindung stehenden Teile der Kunststoffbauteile (3, 9, 17) so ausgebildet sind, dass ihre maximal mögliche elektrische Aufladung den Anforderungen an die erhöhte Sicherheit genügt. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Umgebung der Vorrichtung in Verbindung stehenden Kunststoffbauteile (3, 9, 17) die erhöhte Sicherheit gewährleistende elektrische Eigenschaften aufweisen. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Umgebung der Vorrichtung in Verbindung stehenden Kunststoffbauteile (3, 9, 17) die erhöhte Sicherheit gewährleistende elektrische Oberflächenwiderstände aufweisen. . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenwiderstand kleiner als oder gleich 1 GQ bei 50 % relativer Luftfeuchte und/oder kleiner als oder gleich 100 GQ bei einer relativen Luftfeuchte von 30 % ist. . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffbauteile (3, 9, 17) oder zumindest mit der Umgebung der Vorrichtung in Verbindung stehende Teile davon so ausgebildet sind, dass ihre maximal mögliche Aufladung 10 Nanocoulomb nicht übersteigt. . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kriechstromfestigkeit zumindest der mit der Umgebung der Vorrichtung in Verbindung stehenden Teile der Kunststoffbauteile (3, 9, 17), vorzugsweise der gesamten Kunststoffbauteile, mindestens einen CTI-Wert von 175 aufweist und kleiner als ein CTI-Wert von 400 ist. . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Eigenschaften der Kunststoffbauteile (3, 9, 17) oderTeilen davon durch den Kunststoff zugesetzte elektrisch leitfähige Stoffe, vorzugsweise Antistatika, gebildet sind. . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Stoffe durch Kohlefasern, Rußpartikel, Graphitkörper und/oder dgl. Kohlenstoffprodukte gebildet sind. 1 . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Stoffe durch Metallpartikel, Metallfasern oder andere metallbasierte Stoffe gebildet sind. 14 Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffbauteile Rahmen (9) von Bipolarplatten (8) sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffbauteile Platten (3) zwischen Zellstapel und Endplatten (1 , 2) sind, zwischen denen die Zellstapel eingespannt sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffbauteile Zuganker (14) umgebende Hülsen (17) und/oder elektrisch isolierende, Ummantelungen (5). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens der Schutzart IP44, vorzugsweise der Schutzart IP 54 entspricht. Device for the electrolytic generation of hydrogen by means of electrolytic cells of the PEM type, which are arranged in a stack, the device having components (3, 9, 17) made of plastic, characterized in that at least those connected to the environment of the device Parts of the plastic components (3, 9, 17) have electrical properties that ensure increased safety. Device according to Claim 1, characterized in that the parts of the plastic components (3, 9, 17) which are connected to the area surrounding the device have a surface resistance which ensures increased safety. Device according to Claim 1 or 2, characterized in that the parts of the plastic components (3, 9, 17) connected to the area surrounding the device are designed in such a way that their maximum possible electrical charge satisfies the requirements for increased safety. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the plastic components (3, 9, 17) connected to the environment of the device have electrical properties ensuring increased safety. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the plastic components (3, 9, 17) connected to the environment of the device have electrical surface resistances ensuring increased safety. . Device according to one of the preceding claims, characterized in that the surface resistance is less than or equal to 1 Ω at 50% relative humidity and/or less than or equal to 100 Ω at a relative humidity of 30%. . Device according to one of the preceding claims, characterized in that the plastic components (3, 9, 17) or at least parts thereof connected to the environment of the device are designed in such a way that their maximum possible charge does not exceed 10 nanocoulombs. . Device according to one of the preceding claims, characterized in that the tracking resistance of at least the parts of the plastic components (3, 9, 17) connected to the environment of the device, preferably all of the plastic components, has a CTI value of at least 175 and less than is a CTI value of 400. . Device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical properties of the plastic components (3, 9, 17) or parts thereof are formed by electrically conductive substances added to the plastic, preferably antistatic agents. . Device according to one of the preceding claims, characterized in that the conductive substances are formed by carbon fibers, soot particles, graphite bodies and/or similar carbon products. 1 . Device according to one of the preceding claims, characterized in that the conductive substances are formed by metal particles, metal fibers or other metal-based substances. 14 Device according to one of the preceding claims, characterized in that the plastic components are frames (9) of bipolar plates (8). Device according to one of the preceding claims, characterized in that the plastic components are plates (3) between the cell stack and end plates (1, 2), between which the cell stacks are clamped. Device according to one of the preceding claims, characterized in that sleeves (17) surrounding the tie rods (14) and/or electrically insulating casings (5). Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device corresponds at least to protection class IP44, preferably to protection class IP 54.
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