WO2023011714A9 - Vorrichtung zum elektrolytischen erzeugen von gas - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device for electrolytically producing gas, in particular for producing hydrogen and oxygen from water.
  • electrolysis devices are part of the state of the art and consist of a large number of electrolysis cells arranged in stacks and connected in series.
  • the stacks are interspersed with channels through which the reactant and the cooling medium, which is usually also required, are supplied, these channels passing through the stack usually running perpendicularly or approximately perpendicularly, i.e. obliquely, to the electrolysis cells and connecting each individual electrolysis cell through channels, i.e. with the reactant and optionally supply a cooling medium, remove the cooling medium again and are intended for the removal of the reaction products.
  • Such electrolysis cells built into cell stacks can be alkaline electrolysis cells, PEM electrolysis cells, high-temperature electrolysis cells, AEM electrolysis cells or the like.
  • These electrolytic cells which are electrically connected in series and arranged in stacks, have proven to be effective because the cells do not have to be supplied with voltage individually, but only the stack as a whole, so that the same current flows through each individual cell.
  • the performance of such a stack depends not only on the area of the electrolytic cells, but also also depends on their number. However, the higher the number in a stack, the higher the voltage to be applied to it. Efforts are always made to keep the energy density in such electrolysis devices high in order to improve the effectiveness and size.
  • a problem when applying such a high voltage is that the distilled water supplied via the channels has an extremely low electrical conductivity, which is, however, not negligible at these voltages; it is 0.055 S/cm corresponding to 5x10 -6 S/m. It must therefore be ensured via correspondingly long cable paths that the electrical connection of the end plates of both cell stacks, via which the feed takes place, which is associated with the series connection of the cell stacks, is of such a high resistance that surface changes due to electrooxidation due to the potential difference can be reliably excluded, even over a long period of time can. On the other hand, however, long pipe routes are unfavorable because they enlarge the system, thereby increasing the flow resistance and can also be detrimental to the purity of the water flowing through.
  • the invention is based on the object of developing a device for the electrolytic production of gas of the specified type.
  • the above-mentioned design should be designed in such a way that the aforementioned problems are avoided.
  • the device according to the invention for electrolytically generating gas, in particular hydrogen and oxygen from water has a plurality of electrolysis cells arranged in stacks and connected in series with at least one channel running perpendicularly or obliquely to the electrolysis cells for supplying a reactant and / or a cooling medium.
  • the channel between two electrolysis cells connected directly in series is connected to a feed line supplying the reactants and/or the cooling medium.
  • the basic idea of the present invention is to allow the feed of the reactant and/or the cooling medium, in particular the water, to take place between two electrolysis cells connected directly in series in order to ensure that the same potential is present there in order to achieve the otherwise required to avoid long cable paths and, despite the compact design, to ensure that there are no potential differences in the area where the stack is fed.
  • the feed can either take place in the middle of a stack or by means of the end plates of two Stacks, whereby the feed is carried out in such a way that the same potential is applied to each of the two end plates at which the feed takes place, ie that the electrolysis cells connected to the end plates are subjected to the same electrical potential.
  • the device according to the invention is preferably formed from series-connected electrolysis cells of the PEM type, which are clamped between end plates to form stacks, as are advantageously used for the electrolytic production of hydrogen and oxygen from water.
  • the present invention is not limited to this type; the cells mentioned in the introduction or other cells can also be used, and other reactants with other reaction products can also be used.
  • the two cell stacks connected in series are arranged next to one another in such a way that their channel connections are also arranged on the same side. This results in short paths for the channel connections to be connected to the feed line or the discharge lines, and on the other hand a short electrical connection in order to connect the two stacks in series and finally the electrical connections which are advantageously arranged close to the other side of the stacks.
  • the stacks are typically not only traversed by a channel for supplying the reactant and/or for supplying the cooling medium, but also expediently also have at least one channel for removing a reaction product, for example hydrogen, and another channel for removing the other Reaction product, for example oxygen and to remove the cooling medium. It goes without saying that it is structurally particularly advantageous if all of these channel connections are provided on one side of the respective cell stack, preferably on an end plate, so that the connections are also next to one another on one side of both cell stacks when cell stacks are located next to one another.
  • each cell stack is clamped between end plates and these end plates are arranged electrically insulated from the electrolysis cells. This significantly reduces the risk of short circuits within the device.
  • the end plates are then advantageously connected to the ground potential, so that a voltage is only present between the clamped electrolysis cells.
  • the respective stack-passing channels for reactant supply are led out on two cell stacks arranged next to one another and electrically connected in series and connected to a common feed line. It goes without saying that the channels for removing the product gas and the channels for removing the excess reactant, in particular the cooling medium, are also advantageously brought together in the same way.
  • the stacks are advantageously constructed and arranged in such a way that they have opposite polarity have, that is, that in one stack the end plate, via which the channel connections are made, rests on the positive side of the first or last electrolysis cell, while in the neighboring stack this end plate rests on the negative side of the first or last electrolysis cell of this stack.
  • each cell stack has at least one channel for water supply, at least one channel for water removal and oxygen removal and at least one channel for hydrogen removal, and these channels advantageously through one common end plate are connected and cable-connected.
  • the principle according to the invention can also advantageously be implemented in that the two stacks connected in series form a common stack and are clamped between two end plates, which only have mechanical functions, with a connection plate then being provided in the middle between the stacks, via which at least one reactant feed, but preferably all fluid connections of the entire stack, are arranged there.
  • the device according to the invention for electrolytically generating gas is advantageously constructed from PEM-type electrolysis cells and thus hydrogen and oxygen are generated from pure water.
  • Fig. 1 is a schematic circuit diagram of two electrically connected electrolysis stacks according to the invention
  • FIG. 2 shows a first embodiment according to the invention in the illustration according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a second embodiment variant of the invention in the illustration according to FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a third embodiment variant according to the invention in the illustration according to FIG. 1,
  • FIG. 5 shows a perspective view of two cell stacks of a first embodiment variant according to the invention
  • FIG. 6 is a front view of the cell stacks according to FIG. 5,
  • FIG. 7 is a side view of the cell stack according to FIG. 5,
  • FIG. 8 is a perspective view of two cell stacks with a common end plate according to a second embodiment variant of the invention
  • 9 is a front view of the stacking arrangement according to FIG. 8,
  • Fig. 10 is a side view of the stacking arrangement according to Figure 8.
  • Fig. 11 shows a section through one of the cell stacks according to Fig. 6 in a perspective view.
  • an electrolysis device which is constructed from two stacks of electrolysis cells, so-called stacks 1.
  • Each stack 1 has a number of electrolysis cells 2 of the PEM (polymer electrolyte membrane) type.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the electrolysis cells 2 are stacked with bipolar plates arranged in between to form a stack and are provided at the ends of the cells 2 with an electrical connection plate 3 on one side of the stack and a connection plate 4 on the other side of the stack.
  • the electrolysis cells 2 are connected in series between the connection plates 3 and 4, on the side of the connection plates 3 and 4 facing away from the cells 2, insulating plates 5 are arranged, to which end plates 6 and 7 connect, between which the stack 1 of electrolysis cells 2 is mechanically clamped .
  • the required mechanical tension is typically applied by a number of bolts passing through the stack 1, which are clamped on the outside of the end plates 6 and 7.
  • the end plate 7 on one side of the stack 1 serves exclusively for mechanical fastening, whereas the end plate 6, in addition to the mechanical fastening, also has connections s, 9 and 10, which supply or dispose of the individual electrolysis cells 2 via channels passing through the stack.
  • the connection 8 is intended for the supply of the reactant water. Water is supplied in excess and also serves as a cooling medium.
  • the product gas hydrogen is drained from the stack 1 via connection 9.
  • the connection 10 is provided for discharging the product gas oxygen and the cooling medium, ie the excess water.
  • Such a stack structure has proven successful; the number of electrolysis cells 2 is selected so that a maximum voltage of 750 volts can be applied between the connection plates 3 and 4.
  • an electrolysis device as in the present case, is constructed from two stacks 1 connected in series, as shown in FIG. 1, the positive pole is located on the connection plate 3 of the stack 1 on the left in FIG. 1 and on the connection plate 4 of the right stack 1, the negative pole of the device, the connection plate 4 of the left stack 1 and the connection plate 3 of the right stack 1 are connected to one another by an electrical line 1 1.
  • the device is therefore designed to be operated with a maximum voltage of 1,500 volts, so that it can be operated in accordance with low-voltage guidelines.
  • the structure can be designed for any desired voltage, be it that the number of electrolysis cells 2 in the stack 1 is increased or reduced or that more stacks 1 are connected to one another.
  • the channel connections are not shown in detail. Only the basic principle of the stacks 1 connected in series is shown here, in which two stacks 1 are constructed in reverse polarization, so that when they are connected through the line 11 it is ensured that the same potential is present at the channel connections 8 of the two stacks 1.
  • the line connections between a feed line 12, not shown in Figure 1, which carries pure water and supplies it to the stacks 1 at the connections 8 as a reactant and as a cooling medium, can be made as short as possible.
  • the electrical resistance of the pure water resulting from the length of the line does not have to be taken into account in this arrangement, since all connections Conclusions 8 to 10 in which stacks 1 are subjected to the same electrical potential.
  • the line connection 1 1 of two stacks 1, which is advantageous in itself, can be realized, as shown in FIG.
  • the two stacks 1 are arranged in such a way that their connecting end plates 6 are arranged on one side and the end plates 7, which only act mechanically, are arranged on the other side.
  • This makes it possible to make the line connection between a common feed line 12 for supplying the pure water to the connections 8 of the stacks 1 comparatively short, without running the risk that electrooxidation or other electrolytic processes can be triggered by potential differences in this area .
  • the connections 9 for removing the product gas hydrogen can be brought together in the same way, as can the connections 10 through which the excess water and the product gas oxygen are removed.
  • FIG. 4 Based on Figure 4, a further embodiment variant is shown, which follows the principle described in the introduction, that the water connection 8 is fed into the two stacks 1 in such a way that the electrolysis cells 2 that are first charged are assigned the same electrical potential, i.e. no There is a voltage difference in this area.
  • the electrolysis device shown in Figure 4 basically also consists of two stacks 1a and 1b, which are connected to one another with the interposition of a connection plate 6b.
  • the two stacks 1 a and 1 b are clamped via two end plates 7, both of which only perform mechanical tasks and are insulated from the electrolytic cells 2 of the stacks 1 a and 1 b via insulating plates 5.
  • the connection plates 3 and 4 are arranged here near the end plates 7, but on different end sides of the two stacks 1a and 1b.
  • Figures 5 to 7 show an embodiment variant corresponding to Figure 2, in which two identically constructed stacks 1 are arranged next to one another, with the electrolysis cells 2 in the individual stacks being arranged the other way round, ie with opposite polarity.
  • the mechanical end plates 7 are arranged here on the underside of the stacks 1, whereas the end plates 6 carrying the connections 8 to 10 are on the top. It is clearly visible how the connections 8, 9 and 10 are led out of the respective stacks from the end plates 7 towards the back or upwards, so that they can be connected to one another in the shortest possible way to form a common line.
  • FIGS. 8 to 10 corresponds to the embodiment according to FIG. 3, ie there are two stacks 1 provided with a common connection plate 6a.
  • the line connections between the connections 8, 9 and 10 to the feed line 12 or to the outgoing lines 15 and 16 can be clearly seen. It is an extremely compact design with short cable connections, which ensure highly effective operation.
  • the connection plates 3 and 4 are led out via tongues 3a and 4a on the front of the respective stack.
  • FIG. 11 The internal structure of a stack 1 can be seen from Figure 11.
  • the channel 18, which runs perpendicular to the cell stack 1 and is used to supply the pure water, can be seen.
  • This channel 18 is supplied with water via the feed line 12 connected to connection 8.
  • the product gas oxygen and the excess water, which serves as a cooling medium, enters the channel 20 and there to the connection 10, where it is discharged via a line 16.
  • the channel for the product gas hydrogen cannot be seen in Figure 11; it runs parallel to the channels 18 and 20.

Abstract

Die Elektrolysevorrichtung weist zwei Stacks (1) auf, deren Elektrolysezellen (2) jeweils zwischen einer Endplatte (7), welche ausschließlich mechanische Funktionen hat, und eine Endplatte (6), die auch zur Einspeisung des Reaktanten, des Kühlmediums und der Abfuhr der Reaktionsprodukte und des Kühlmediums dient, eingespannt sind. Die beiden Stacks (1) sind hinsichtlich Ihrer Polarität umgekehrt aufgebaut und in Reihe geschaltet, derart, dass die anschlussführenden Endplatten (6) und somit auch deren Anschlüsse im Betrieb mit dem selben Potential beaufschlagt sind.

Description

Beschreibung
[01 ] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrolytischen Erzeugen von Gas, insbesondere zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Derartige Elektrolysevorrichtungen zählen zum Stand der Technik und bestehen aus einer Vielzahl von in Stapeln angeordneten und in Reihe geschalteten Elektrolysezellen. Die Stapel sind von Kanälen durchsetzt, mit welchen der Reaktant und das meist ebenso benötigte Kühlmedium zugeführt werden, wobei diese den Stapel durchsetzenden Kanäle meist senkrecht oder etwa senkrecht, d.h. schräg zu den Elektrolysezellen verlaufen und jede einzelne Elektrolysezelle kanal- verbinden, d.h. mit dem Reaktanten und gegebenenfalls einem Kühlmedium versorgen, das Kühlmedium wieder abführen und für die Abfuhr der Reaktionsprodukte vorgesehen sind. Bei Wasserstoffelektrolysezellen wird als Reaktant reines Wasser in Überschuss zugeführt, welches zudem als Kühlmedium dient, wobei das überschüssige Wasser, also das Kühlmedium wieder abgeführt wird. Meist wird als Reaktionsprodukt nur der Wasserstoff aufgefangen, der Sauerstoff wird zusammen mit dem überschüssigen Wasser abgeführt.
[02] Solche zu Zellstapeln, sogenannten Stacks verbaute Elektrolysezellen können alkalische Elektrolysezellen, PEM-Elektrolysezellen, Hochtemperatur Elektrolysezellen, AEM-Elektrolysezellen oder dgl. sein. Diese elektrisch in Reihe geschalteten und stapelweise angeordneten Elektrolysezellen haben sich bewährt, da die Zellen nicht einzeln mit Spannung beaufschlagt werden müssen, sondern nur der Stack als Ganzes, sodass durch jede einzelne Zelle der gleiche Strom fließt. Die Leistung eines solchen Stacks ist nicht nur von der Fläche der Elektrolysezellen, sondern auch von deren Anzahl abhängig. Je höher die Anzahl in einem Stack ist, desto höher ist jedoch auch die an diesen anzulegende Spannung. Dabei ist man stets bemüht, die Energiedichte in solchen Elektrolysevorrichtungen hoch zu halten, um die Effektivität und die Baugröße zu verbessern. Anderseits muss die Zellenversorgung durch die Kanäle und eine ausreichende Kühlung sichergestellt sein, was konstruktiv Grenzen setzt. Es werden daher in der Praxis nicht nur Elektrolysezellen zu einem Stack zusammengeschaltet, sondern auch Stacks parallel und in Reihe geschaltet, um diesen Anforderungen zu genügen. Auch gibt es technische Richtlinien, welche die Konstruktion in der Praxis beeinflussen. So begrenzt beispielsweise die Niederspannungsrichtlinie, welche die elektrischen Sicherheitsanforderungen vorgibt, die Speisespannung auf maximal 1.500 Volt. Zwar stellt es technisch kein Problem dar, dieses Spannungsniveau auch deutlich zu überschreiten, allerdings ergeben sich dann wesentliche aufwendigere Sicherheitsvorkehrungen.
[03] Ein Problem beim Anlegen derart hoher Spannung ist, dass das über die Kanäle zugeführte destillierte Wasser zwar eine äußerst geringe, bei diesen Spannungen jedoch nicht zu vernachlässigende elektrische Leitfähigkeit aufweist, sie beträgt 0,055 S/cm entsprechend 5x10-6 S/m. Es muss daher über entsprechend lange Leitungswege sichergestellt werden, dass die mit der Reihenschaltung der Zellstapel einhergehende elektrische Verbindung der Endplatten beider Zellstapel, über welche die Einspeisung erfolgt, so hochohmig ist, dass auch über lange Zeit eine Oberflächenveränderung durch Elektrooxidation aufgrund der Potentialdifferenz sicher ausgeschlossen werden kann. Andererseits sind jedoch lange Leitungswege ungünstig, da sie die Anlage vergrößern, dadurch den Durchströmungswiderstand erhöhen und auch für die Reinheit des durchfließenden Wassers nachteilig sein können.
[04] Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum elektrolytischen Erzeugen von Gas der vorge- nannten Bauart so auszubilden, dass die vorgenannten Probleme vermieden werden.
[05] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.
[06] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum elektrolytischen Erzeuggen von Gas, insbesondere von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, weist eine Vielzahl von stapelweise angeordneten und in Reihe geschalteten Elektrolysezellen mit mindestens einem senkrecht oder schräg zu den Elektrolysezellen verlaufenden Kanal zur Zufuhr eines Reaktanten und/oder eines Kühlmediums auf. Erfindungsgemäß ist der Kanal zwischen zwei unmittelbar in Reihe geschalteten Elektrolysezellen an eine den Reaktanten und/oder das Kühlmedium zuführende Speiseleitung angeschlossen.
[07] Dabei ist davon auszugehen, dass der Kanal, der zwischen zwei unmittelbar in Reihe geschalteten Elektrolysezellen an die Speiseleitung angeschlossen ist, entweder nur den Reaktanten oder aber den Reaktanten und das Kühlmedium zusammen zuführt.
[08] Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, die Einspeisung des Reaktanten und/oder des Kühlmediums, insbesondere des Wassers zwischen zwei unmittelbar in Reihe geschalteten Elektrolysezellen erfolgen zu lassen, um sicherzustellen, dass dort dasselbe Potential anliegt, um auf diese Weise die sonst erforderlichen langen Leitungswege zu vermeiden und trotz kompakter Bauart sicherzustellen, dass in Bereich der Einspeisung des Stapels keine Potentialunterschiede bestehen.
[09] Dabei kann gemäß der Erfindung entweder die Einspeisung in der Mitte eines Stapels erfolgen oder aber mittels der Endplatten zweier Stacks, wobei die Einspeisung so erfolgt, dass an jeder der zwei Endplatten, an denen die Einspeisung erfolgt, das gleiche Potential anliegt, d.h. dass die an den Endplatten anliegenden Elektrolysezellen mit gleichem elektrischem Potential beaufschlagt sind.
[10] Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt aus in Reihe geschalteten Elektrolysezellen der PEM-Bauart gebildet, die zwischen Endplatten zu Stacks eingespannt sind, wie sie vorteilhaft zum elektrolytischen Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser Verwendung finden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auf diese Bauart nicht beschränkt, es können auch die einleitend genannten oder andere Zellen Verwendung finden, auch können andere Reaktanten mit anderen Reaktionsprodukten eingesetzt werden.
[1 1 ] Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens zwei in Reihe geschaltete Zellstapel (Stacks) von gestapelt angeordneten und elektrisch im Stapel in Reihe geschalteten Elektrolysezellen vorgesehen sind, wie beispielsweise einleitend beschrieben, wobei jeder Zellstapel mindestens einen den Stapel durchsetzenden Kanal zur Zufuhr des Reaktanten und/oder des Kühlmediums aufweist und jeder dieser Kanäle nur an einer Seite des jeweiligen Zellstapels an die Speiseleitung angeschlossen ist. Bei einer solchen Konstellation ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, die Kanalanschlüsse der zwei elektrisch in Reihe geschalteten Zellstapel an der Endseite anzuordnen, an welcher die Zellstapel elektrisch miteinander verbunden sind. Es versteht sich, dass diese Anordnung besonders vorteilhaft ist, wenn sämtlich Kanäle an den jeweiligen Endplatten angeschlossen sind, d.h. die anderen Endplatten ausschließlich mechanische Haltefunktionen haben. Diese erfindungsgemäße Weiterbildung sieht somit vor, die zur Einspeisung verwendeten Endplatten nicht an beiden Stapeln auf der selben Seite, sondern an unterschiedlichen Seiten anzuordnen, so dass die an der jeweiligen Endplatte anliegende Elektrolysezelle im Betrieb mit den selben elektrischen Potential beaufschlagt ist. [12] Konstruktiv besonders vorteilhaft ist es, wenn die zwei in Reihe geschalteten Zellstapel so nebeneinander angeordnet sind, dass sie an der selben Seite elektrisch miteinander verbunden sind. Dann kann die elektrische Verbindung auf kürzesten Weg durch eine vorzugsweise gradlinige Leitungsverbindung, beispielsweise durch einem Kupferblechabschnitt erfolgen. Dabei sind gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die zwei in Reihe geschalteten Zellstapel so nebeneinander angeordnet, dass auch ihre Kanalanschlüsse an der selben Seite angeordnet sind. Hierdurch ergeben sich sowohl für die zu verbindenden Kanalanschlüsse mit der Speiseleitung bzw. den Abfuhrleitungen kurze Wege, andererseits eine kurze elektrische Verbindung, um die beiden Stacks in Reihe zu schalten und schließlich die vorteilhaft nahe der anderen Seite der Stacks angeordneten elektrischen Anschlüsse.
[13] Die Stacks werden typischerweise nicht nur von einem Kanal zur Zufuhr des Reaktanten und/oder zur Zufuhr des Kühlmediums durchsetzt, sondern weisen zweckmäßigerweise darüber hinaus auch mindestens einen Kanal zur Abfuhr eines Reaktionsproduktes, beispielsweise des Wasserstoffs und einen weiteren Kanal zur Abfuhr des weiteren Reaktionsproduktes, zum Beispiel des Sauerstoffs und zur Abfuhr des Kühlmediums auf. Es versteht sich, dass es konstruktiv besonders günstig ist, wenn sämtliche dieser Kanalanschlüsse an einer Seite des jeweiligen Zellstapels bevorzugt an einer Endplatte vorgesehen sind, sodass die Anschlüsse bei nebeneinander liegenden Zellstapeln ebenfalls nebeneinander an einer Seite beider Zellstapel liegen.
[14] Besonders vorteilhaft ist es, wenn jeder Zellstapel zwischen Endplatten eingespannt ist, und diese Endplatten gegenüber den Elektrolysezellen elektrisch isoliert angeordnet sind. Damit wird eine Kurzschlussgefahr innerhalb der Vorrichtung deutlich vermindert. Die Endplatten sind dann vorteilhaft mit dem Erdpotential verbunden, sodass eine Spannung nur zwischen den eingespannten Elektrolysezellen anliegt. [15] Um die Leitungswege, insbesondere für den Reaktanten, also insbesondere das Wasser auf möglichst kurzen Wege zuzuführen, sind die jeweiligen stapeldurchsetzenden Kanäle zur Reaktantenzufuhr an zwei nebeneinander angeordneten und elektrisch in Reihe geschalteten Zellstapeln herausgeführt und an einer gemeinsamen Speiseleitung angeschlossen. Es versteht sich, dass vorteilhaft auch die Kanäle zur Abfuhr des Produktgases und die Kanäle zur Abfuhr des überschüssigen Reaktanten, insbesondere des Kühlmediums in gleicher Weise zusammengeführt sind.
[16] Um im Bereich der elektrischen Verbindung der beiden in Reihe geschalteten Stacks auf kürzestem Wege sicherzustellen, dass die endseitigen Elektrolysezellen mit demselben Potential beaufschlagt sind, also elektrisch leitend miteinander verbunden sind, werden die Stacks vorteilhaft so aufgebaut und angeordnet, dass sie entgegengerichtete Polarität haben, d.h., dass bei einem Stack die Endplatte, über welche die Kanalanschüsse erfolgen, an der positiven Seite der ersten bzw. letzten Elektrolysezelle anliegt, während bei dem benachbarten Stack diese Endplatte an der negativen Seite der ersten bzw. letzten Elektrolysezelle dieses Stacks anliegt. Bei einer solchen bevorzugten Anordnung ist es konstruktiv besonders vorteilhaft, wenn die zwei nebeneinander angeordneten und elektrisch miteinander verbundenen Zellstapel eine gemeinsame Endplatte aufweisen. Hierdurch können die Leitungswege weiter verkürzt werden. Es ergibt sich eine äußerst kompakte Bauform von zwei Zellstapeln unmittelbar nebeneinander angeordnet. Dabei sind vorteilhaft beide Zellstapel so ausgelegt, dass sämtliche Kanalanschlüsse durch diese eine gemeinsame Endplatte erfolgen, d.h. dass jeder Zellstapel mindestens einen Kanal zur Wasserzufuhr, mindestens einen Kanal zur Wasserabfuhr und zur Sauerstoffabfuhr und mindestens einen Kanal zur Wasserstoffabfuhr aufweist und diese Kanäle vorteilhaft durch die eine gemeinsame Endplatte angeschlossen und leitungsverbunden sind. [17] Vorteilhaft kann das erfindungsmäße Prinzip auch dadurch realisiert werden, dass die beiden in Reihe geschalteten Stapel einen gemeinsamen Stapel bilden und zwischen zwei Endplatten eingespannt sind, welche nur mechanische Funktionen haben, wobei dann in der Mitte zwischen den Stapeln eine Anschlussplatte vorgesehen ist, über die mindestens eine Reaktanteneinspeisung, vorzugsweise jedoch sämtliche Fluidanschlüsse des Gesamtstapels dort angeordnet sind.
[18] Vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zum elektrolytischen Erzeugen von Gas aus Elektrolysezellen der PEM-Bauart aufgebaut und damit aus reinem Wasser Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt.
[19] Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Eine schematisches Schaltbild von zwei elektrisch miteinander verbundenen Elektrolysestacks gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine erste Ausführung gemäß der Erfindung in Darstellung nach Figur 1 ,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsvariante der Erfindung in Darstellung nach Figur 1 ,
Fig. 4 eine dritte Ausführungsvariante gemäß der Erfindung in Darstellung nach Figur 1 ,
Fig. 5 in perspektivischer Darstellung zwei Zellstapel einer ersten Ausführungsvariante nach der Erfindung,
Fig. 6 eine Vorderansicht der Zellstapel gemäß Figur 5,
Fig. 7 eine Seitenansicht der Zellstapel gemäß Figur 5,
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung zweier Zellstapel mit gemeinsamer Endplatte nach einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung, Fig. 9 eine Vorderansicht der Stapelanordnung gemäß Figur 8,
Fig. 10 eine Seitenansicht der Stapelanordnung gemäß Figur 8 und
Fig. 1 1 einen Schnitt durch einen der Zellstapel gemäß Fig. 6 in perspektivischer Darstellung.
[20] In Figur 1 ist eine Elektrolysevorrichtung nach der Erfindung dargestellt, die aus zwei Stapeln von Elektrolysezellen, sogenannten Stacks 1 aufgebaut ist. Jeder Stack 1 weist eine Anzahl von Elektrolysezellen 2 der PEM(PolymerElektrolytMembran)-Bauart auf. Der Aufbau eines solchen Stacks 1 zählt zum Stand der Technik und ist beispielsweise in WO 2019/228616 Al beschrieben, auf die insoweit hier verwiesen wird.
[21 ] Die Elektrolysezellen 2 sind mit dazwischen angeordneten Bipolarplatten aneinander anliegend zu einem Stapel aufgeschichtet und endseitig der Zellen 2 mit einer elektrischen Anschlussplatte 3 an einer Seite des Stapels und einer Anschlussplatte 4 an der anderen Seite des Stapels versehen. Zwischen den Anschlussplatten 3 und 4 sind die Elektrolysezellen 2 in Reihe geschaltet, an der den Zellen 2 abgewandten Seite der Anschlussplatten 3 und 4 sind Isolierplatten 5 angeordnet an welche Endplatten 6 bzw. 7 anschließen, zwischen denen der Stapel 1 von Elektrolysezellen 2 mechanisch eingespannt ist.
[22] Die erforderliche mechanische Spannung wird typischerweise durch eine Anzahl von den Stapel 1 durchsetzenden Bolzen aufgebracht, welche außenseitig der Endplatten 6 und 7 verspannt sind. Dabei dient die Endplatte 7 an einer Seite des Stapels 1 ausschließlich zur mechanischen Befestigung wohingegen die Endplatte 6 neben der mechanischen Befestigung auch noch Anschlusse s, 9 und 10 aufweist, welche über den Stapel durchsetzende Kanäle die einzelnen Elektrolysezellen 2 versorgen bzw. entsorgen. So ist der Anschluss 8 für die Zufuhr des Reaktanten Wasser vorgesehen. Wasser wird in Überschuss zugeführt und dient gleichzeitig als Kühlmedium. Über den Anschluss 9 wird das Produktgas Wasserstoff aus dem Stack 1 abgeleitet. Der Anschluss 10 ist zum Ableiten des Produktgases Sauerstoff sowie des Kühlmedium, d.h. des überschüssigen Wassers vorgesehen.
[23] Ein solcher Stackaufbau hat sich bewährt, dabei wird die Anzahl der Elektrolysezellen 2 so gewählt, dass zwischen den Anschlussplatten 3 und 4 eine Spannung von maximal 750 Volt anzulegen ist. Wenn eine Elektrolysevorrichtung wie im vorliegenden Fall aus zwei in Reihe geschalteten Stacks 1 aufgebaut wird, wie dies anhand von Figur 1 dargestellt ist, so liegt an der Anschlussplatte 3 des in der Figur 1 linken Stacks 1 der Pluspol und an der Anschlussplatte 4 des rechten Stacks 1 der Minuspol der Vorrichtung, die Anschlussplatte 4 des linken Stacks 1 und die Anschlussplatte 3 des rechten Stacks 1 sind durch eine elektrische Leitung 1 1 miteinander verbunden. Die Vorrichtung ist somit dafür ausgelegt, mit einer maximalen Spannung von 1.500 Volt betrieben zu werden, sodass sie nach den Richtlinien für Niederspannung betreibbar ist. Dies ist hier nur beispielhaft zu verstehen, grundsätzlich kann der Aufbau für jede gewünschte Spannung ausgelegt werden, sei es, dass die Anzahl der Elektrolysezellen 2 im Stack 1 vergrößert oder verkleinert wird oder das mehr Stacks 1 miteinander verschaltet werden.
[24] Bei der anhand der Figur 1 dargestellten Ausführung sind die Kanalverbindungen nicht im Einzelnen dargestellt. Hier ist lediglich das grundlegende Prinzip der in Reihe geschalteten Stacks 1 dargestellt, bei welchem zwei Stacks 1 in umgekehrter Polarisierung aufgebaut sind, sodass bei deren Verschaltung durch die Leitung 1 1 sichergestellt ist, dass an den Kanalanschlüssen 8 der beiden Stacks 1 dasselbe Potential anliegt. Die Leitungsverbindungen zwischen einer in Figur 1 nicht dargestellten Speiseleitung 12, welche reines Wasser führt und dieses den Stacks 1 an den Anschlüssen 8 als Reaktant und als Kühlmedium zuführt, kann so kurz wie möglich ausgebildet sein. Der sich entsprechend der Leitungslänge ergebene elektrische Widerstand des reinen Wassers muss bei dieser Anordnung keine Berücksichtigung finden, da alle An- Schlüsse 8 bis 10 bei der Stacks 1 mit demselben elektrischen Potential beaufschlagt sind.
[25] Aufgrund dieser unterschiedlichen Anordnung der Elektrolysezellen 2 in den Stacks 1 kann die an sich vorteilhafte Leitungsverbindung 1 1 von zwei Stacks 1 realisiert werden, wie sie in Figur 2 dargestellt ist. Dort sind die beiden Stacks 1 so angeordnet, dass ihre anschlussführenden Endplatten 6 auf einer Seite und die nur mechanisch wirkenden Endplatten 7 auf der anderen Seite angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, die Leitungsverbindung zwischen einer gemeinsamen Speiseleitung 12 zur Zufuhr des reinen Wassers zu den Anschlüssen 8 der Stacks 1 vergleichsweise kurz zu gestalten, ohne Gefahr zu laufen, dass Elektrooxidation oder andere elektrolytische Vorgänge durch Potentialun- terschiede in diesem Bereich ausgelöst werden können. Es versteht sich, dass die Anschlüsse 9 zur Abfuhr des Produktgases Wasserstoff in gleicher Weise zusammengeführt werden können, ebenso wie die Anschlüsse 10, über welche das überschüssige Wasser und das Produktgas Sauerstoff abgeführt werden.
[26] Diese anhand von Figur 2 dargestellte Anordnung kann noch kompakter gestaltet werden, wenn die beiden in Figur 2 dargestellten Stacks 1 eine gemeinsame Endplatte 6a aufweisen in welcher entweder die Anschlüsse 8, 9 und 10 bereits zusammengeführt sind oder aber bei der diese Anschlüsse wie in Figur 3 anhand der Anschlüsse 8 dargestellt ist, auf sehr kurzen Wege zusammengeführt werden können. Diese Anordnung ist besonders kompakt, die Endplatten 7 der beiden Stacks 1 und die gemeinsame Endplatte 6a sind durch Isolierplatten 5 und 5a gegenüber den Elektrolysezellen 2 isoliert und mit dem Erdpotential beaufschlagt. Die Leitungsanschlüsse 8, 9 und 10 sind an einer Seite der Stacks 1 in der Endplatte 6a vorgesehen, die elektrischen Anschlüsse sind an der anderen Seite nämlich durch die Anschlussplatte 3 des in der Figur 3 linken Stacks und die Anschlussplatte 4 des in der Figur 3 rechten Stacks herausgeführt. Die elektrische Verbindung der Stacks 1 erfolgt über eine gemeinsame Kupferplatte 1 1 a.
[27] Anhand von Figur 4 ist eine weitere Ausführungsvariante dargestellt, welche den einleitend beschriebenen Prinzip folgt, dass die Einspeisung des Wasseranschlusses 8 so in die beiden Stapel 1 erfolgt, dass die zuerst beaufschlagten Elektrolysezellen 2 mit dem selben elektrischen Potential belegt sind, also kein Spannungsunterschied in diesem Bereich besteht. Die in Figur 4 dargestellte Elektrolysevorrichtung besteht im Prinzip ebenfalls aus zwei Stapeln 1 a und 1 b, welche unter Zwischenschaltung einer Anschlussplatte 6b miteinander verbunden sind. Die Einspannung der beiden Stapel l a und 1 b erfolgt über zwei Endplatten 7, die beide nur mechanische Aufgaben übernehmen und über Isolierplatten 5 gegenüber dem Elektrolysezellen 2 der Stacks l a und 1 b isoliert sind. Die Anschlussplatten 3 und 4 sind hier nahe den Endplatten 7, jedoch an unterschiedlichen Endseiten der beiden Stapel 1 a und 1 b angeordnet.
[28] Anhand der Figuren 1 bis 4 ist der grundsätzliche Aufbau der Elektrolysevorrichtungen erläutert. Die Figuren 5 bis 7 zeigen eine Ausführungsvariante entsprechend Figur 2, bei welcher zwei gleich aufgebaute Stacks 1 nebeneinander angeordnet sind, wobei die Elektrolysezellen 2 in den einzelnen Stacks umgekehrt, d.h. mit entgegengesetzter Polarität angeordnet sind. Die mechanischen Endplatten 7 sind hier an der Unterseite der Stacks 1 angeordnet, wohingegen die die Anschlüsse 8 bis 10 tragenden Endplatten 6 an der Oberseite sind. Gut sichtbar ist, wie die Anschlüsse 8, 9 und 10 aus den jeweiligen Stacks aus den Endplatten 7 nach hinten bzw. nach oben herausgeführt sind, sodass sie auf kürzesten Wege miteinander zu einer gemeinsamen Leitung verbunden werden können. Mechanisch sind die Elektrolysezellen 2 durch eine Vielzahl von Zugankern 13 verbunden, die unter Zwischenschaltung von Tellerfederpaketen 14 die Endplatten 6 und 7 und damit die dazwischen angeordneten Elektrolysezellen 2 einspannen. [29] Die anhand der Figuren 8 bis 10 dargestellte Ausführungsvariante entspricht der Ausführung gemäß Figur 3, d.h. dort sind zwei Stacks 1 mit einer gemeinsamen Anschlussplatte 6a versehen. Bei dieser Ausführungsvariante sind die Leitungsverbindungen zwischen den Anschlüssen 8, 9 und 10 zu der Speiseleitung 12 bzw. zu den abführenden Leitungen 15 und 16 deutlich zu sehen. Es handelt sich um eine extrem kompakte Konstruktion mit kurzen Leitungsverbindungen, welche einen hocheffektiven Betrieb gewährleisten. Die Anschlussplatten 3 und 4 sind über Zungen 3a bzw. 4a an der Vorderseite des jeweiligen Stapels herausgeführt. Da die Polarität in beiden Stacks 1 in umgekehrter Richtung verläuft, sind zur elektrischen Verbindung mittels der Leitung 1 1 nur kurze Kupferbleche erforderlich, welche die Zungen 3a und 4a der in den Figuren oberen Anschlussplatten 3 und 4 elektrisch miteinander verbinden. Der elektrische Anschluss der Stacks 1 erfolgt über die Zungen 3a und 4a der in den Figuren unteren Anschlussplatte 3 und 4.
[30] Anhand der Figur 1 1 ist der innere Aufbau eines Stacks 1 zu erkennen. Insbesondere ist der senkrecht zum Zellstapel 1 verlaufende Kanal 18, der zur Zufuhr des reinen Wassers dient, zu erkennen. Dieser Kanal 18 wird über die am Anschluss 8 anschließende Speiseleitung 12 mit Wasser versorgt. Das Produktgas Sauerstoff und das überschüssige Wasser, welches als Kühlmedium dient, gelangt in den Kanal 20 und dort zum Anschluss 10, wo es über eine Leitung 16 abgeführt wird. Der Kanal für das Produktgas Wasserstoff ist in Figur 1 1 nicht zu sehen, er verläuft parallel zu den Kanälen 18 und 20.
Bezugszeichenliste
1 Stapel/Stack
1 a und 1 b Stapel/Stack in Figur 3, 8 bislO
2 Elektrolysezellen
3 Anschlussplatte +
3a Zunge der Anschlussplatte 3
4 Anschlussplatte -
4a Zunge der Anschlussplatte 4
5 Isolierplatte
5a Isolierplatte in den Figuren 3 und 8 bis 10
6 Endplatten mit Anschlüssen
6a gemeinsame Endplatte
6b Anschlussplatte in Figur 4
7 Endplatten mechanisch
8 Anschluss für reines Wasser
9 Anschluss für das Produktgas H2
10 Anschluss für das Produktgas O2 und Wasserabfuhr
1 1 Elektrische Leitung
1 1 a Kupferplatte
12 Speiseleitung reines Wasser
13 Zuganker
14 T ellerfederpa kete
15 Produktleitung für Wasserstoff
16 Produktleitung für Sauerstoff und überschüssiges Wasser
18 Kanal für Zufuhr von Wasser innerhalb des Stacks
20 Kanal für Abfuhr von Wasser und Sauerstoff innerhalb des
Stacks

Claims

Ansprüche Vorrichtung zum elektrolytischen Erzeugen von Gas, insbesondere von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, mit einer Vielzahl von stapelweise angeordneten und in Reihe geschalteten Elektrolysezellen (2) mit mindestens einem senkrecht oder schräg zu den Elektrolysezellen (2) verlaufenden Kanal (18) zur Zufuhr eines Reaktanten und/oder eines Kühlmediums, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (18) zwischen zwei unmittelbar in Reihe geschalteten Elektrolysezellen (2) an eine den Reaktanten und/oder das Kühlmedium zuführende Speiseleitung (8, 12) anschließt. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei elektrisch in Reihe geschaltete Zellstapel (1 ) von gestapelt angeordneten und elektrisch im Stapel (1 ) in Reihe geschalteten Elektrolysezellen (2) vorgesehen sind und jeder Zellstapel (1 ) mindestens einen den Stapel (1 ) durchsetzenden Kanal (18) zur Zufuhr des Reaktanten und/oder des Kühlmediums aufweist, wobei jeder dieser Kanäle (18) an nur einer Seite des jeweiligen Zellstapels (1 ) an die Speiseleitung (12) angeschlossen ist und die Kanalanschlüsse (8) der zwei elektrisch in Reihe geschalteten Zellstapel (1 ) an der Seite angeordnet sind, an welcher die Zellstapel (1 ) elektrisch miteinander verbunden sind. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei in Reihe geschalteten Zellstapel (1 ) so nebeneinander angeordnet sind, dass sie an derselben Seite elektrisch miteinander verbunden sind. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei in Reihe geschalteten Zellstapel (1 ) so nebeneinander angeordnet sind, dass ihre Kanalanschlüsse (8) an derselben Seite angeordnet sind. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zellstapel (1 ) weitere Kanäle (20) zur Abfuhr der Reaktionsprodukte und/oder des Kühlmediums aufweisen und dass alle Kanäle (18, 20) an einer Seite des jeweiligen Zellstapels (1 ) angeschlossen sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zellstapel (1 ) zwischen Endplatten (6,7) eingespannt ist, die gegenüber den Elektrolysezellen (2) elektrisch isoliert angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zellstapel (1 ) mindestens einen den Stapel (1 ) durchsetzenden Kanal (18) zur Wasserzufuhr aufweist und dass die Wasserkanäle (18) der zwei nebeneinander angeordneten und elektrisch in Reihe geschalteten Zellstapel (1 ) aus einer gemeinsamen Leitung (12) gespeist sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Zellstapel (1 ) vorgesehen sind, die eine gemeinsame Endplatte (6a) aufweisen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserkanäle (18) der Zellstapel ( 1 ) über die gemeinsame Endplatte (6a) gespeist sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zellstapel (1 ) mindestens einen Kanal (18) zur Wasserzufuhr, mindestens einen Kanal (20) zur Wasserabfuhr und Sauerstoffabfuhr und mindestens einen Kanal zur Wasserstoffabfuhr aufweist und dass die Kanäle (18, 20) durch eine Endplatte (6), vorzugsweise durch die gemeinsame Endplatte (6a) leitungsverbunden und angeschlossen sind.
1. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Reihe geschaltete Stapel (l a, 1 b) vorgesehen sind, die zusammen zwischen zwei Endplatten (7) eingespannt sind, wobei zwischen den Stapeln (l a, 1 b) eine An- schlussplatte (6b) mindestens zur Reaktanteneinspeisung vorgesehen ist. . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezellen (2) PEM-Zellen sind.
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