Elektrolyseur , Einsatz für einen Ele ktrolyseur , Zuleitungsrohr für einen Ele ktrolyseur und Ableitungsrohr für einen Elektrolyseur

Die Erfindung betrifft einen Ele ktrolyseur , mit einer Mehrzahl von Zellelementen , und mit einem Zuleitungsrohr und einem Ableitungsrohr zum Zuführen und Ableiten von Elektrolyt zu und weg von den Zellelementen . Ferner betrifft die Erfindung einen Einsatz für einen derartigen Elektrolyseur , ein Zuleitungsrohr für einen derartigen Elektrolyseur und ein Ableitungsrohr für einen derartigen Elektrolyseur .

Bei der Elektrolyse können durch Einprägen eines elektrischen Stroms durch geeignete Zellelemente Redoxreaktionen erzwungen werden , die mit Stof f Umwandlungen verbunden sind . Eine Vorrichtung zu diesem Zweck wird Elektrolyseur genannt und kann zur Erzeugung wichtiger Grundstoffe der chemis chen Industrie eingesetzt werden . Vielfach sind Anoden- und Kathoden- Halbräume mittels Diaphragmen (bzw . Membranen ) getrennt , die elektrische Leitfähigkeit ( Ionen- und/oder Protonen- Austausch ) ermöglichen , j edoch Stof f austausch verhindern . Wenn in Elektrolyseuren flüs sige Ele ktrolyte eingesetzt werden , die durch die Stof f Umwandlung verändert bzw . verbraucht werden , können die se durch entsprechende Zuleitungen und Ableitungen während des Prozes ses fortlaufend erneuert werden . Den Stof f Umwandlungsraten sind für gegebene Zellelemente in der Regel enge Grenzen aufgrund von Stromdichtelimitierungen gegeben . Für den großtechnis chen Einsatz mus s daher zur Erhöhung der Stof f Umwandlungsraten die a ktive Zellelementfläche erhöht werden . Die s kann durch Vergrößerung der Zellelemente oder durch den gleichzeitigen Betrieb einer Mehrzahl von kleineren Zellelementen erreicht werden . Eine technisch sinnvolle und häufig angewendete Methode ist die Anordnung von vielen ( gleichen ) Zellelementen zu einem Stapel . Die elektrische Verbindung der Zellelemente eines Stapels stellt dabei eine Reihenschaltung dar, d.h. die Anode eines Zellelements N wird mit der Kathode des Zellelements N+l und die Kathode des Zellelements N wird mit der Anode des Zellelements N-l elektrisch leitend verbunden. Durch die Reihenschaltung wird zudem die geringe Zellelementspannung von wenigen Volt auf bspw. mehrere hundert Volt vervielfacht. Die hydraulische Verschaltung der Zellelemente eines Stapels zur Versorgung mit frischen Elektrolyten stellt hingegen eine Parallelschaltung dar. Durch die hydraulische Verschaltung der Zellelemente zu einem Stapel werden zusätzliche und unerwünschte elektrisch leitfähige Verbindungen zwischen allen Zellelementen geschaffen. Beim Betrieb des Stapels von Zellelementen, d.h. dem Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. dem Einprägen eines elektrischen Stromes vom erstem zum letzten Zellelement fließt ein elektrischer Arbeitsstrom durch alle Zellelemente hindurch. Jedoch auf den verschiedenen parallelen Strompfaden fließen zusätzlich unerwünschte sogenannte elektrische Streuströme. Diese elektrischen Streuströme führen insbesondere an dem ersten und letzten Zellelement eines Stapels zu lokalen Stromdichtüberhöhungen nahe an den Zuleitungen und Ableitungen der Elektrolyten. Dies kann zur vorzeitigen Alterung und Zerstörung der Membranen und zum Ausfall des gesamten Stapels führen.

Eine Reduzierung der elektrischen Streuströme kann durch eine Erhöhung der elektrischen Widerstände der Zuleitungen und Ableitungen der Elektrolyte erreicht werden. Die bisherige Lösung sieht vor, die Zuleitungen und Ableitungen zu verlängern, womit sich bei gleichbleibenden Querschnittsfläche eine Widerstanderhöhung ergibt. Die Leitungsverlängerungen führen jedoch nachteilig zu erhöhten Strömungswiderständen und erhöhtem Materialbedarf zur Fertigung.

Es besteht also Bedarf daran, Wege aufzuzeigen, wie hier Abhilfe geschaffen werden kann. Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Elektrolyseur, mit einer Mehrzahl von Zellelementen, und mit einem Zuleitungsrohr und einem Ableitungsrohr zum Zuführen und Ableiten von Elektrolyt zu und weg von den Zellelementen, wobei das Zuleitungsrohr und/oder das Ableitungsrohr zumindest abschnittsweise zumindest zwei galvanisch voneinander getrennt ausgebildete Teilleitungen aufweist, wobei die Teilleitungen als exzentrische Teilleitungen ausgebildet und derart eingerichtet sind, dass eine Strompfadverlängerung der Strompfade von elektrischen Streuströmen in dem Zuleitungsrohr und/oder dem Ableitungsrohr bewirkt ist.

Unter einem Zuleitungsrohr bzw. Ableitungsrohr wird dabei ein länglicher Hohlkörper verstanden, dessen Länge wesentlich größer als sein Durchmesser ist. Im Gegensatz zu einem Schlauch ist ein Rohr aus relativ unflexiblem Material gefertigt. So können das Zuleitungsrohr und das Ableitungsrohr derart steif ausgebildet sein, dass ein händisches Verformen wie bei einem Schlauch, wie z.B. auch einem Wellschlauch, unmöglich ist, sondern hier ein Werkzeugeinsatz erforderlich ist .

Mit anderen Worten, durch die zumindest abschnittsweise zumindest zwei galvanisch voneinander getrennt ausgebildeten Teilleitungen wird die Mehrzahl der Zellelemente, die einen Stapel bilden, in zumindest zwei Zellelementgruppen geteilt, die elektrisch voneinander besser isoliert sind. So wird eine Strompfadverlängerung für zumindest einen Teil der elektrischen Streuströme erreicht, die aufgrund der Verlängerung einen höheren ohmschen Widerstand zur Folge haben, ohne dass es zu einer Verlängerung des Zuleitungsrohres und/oder Ableitungsrohres kommt, was wiederum erhöhte Strömungsverluste zur Folge hätte.

Dadurch, dass die Teilleitungen als exzentrische verlaufende Teilleitungen ausgebildet sind wird ein besonders stabiler Aufbau mit optimierter Ausnutzung der Querschnittsfläche des Zuleitungsrohres bzw. des Ableitungsrohres möglich. Dabei wird unter exzentrisch außerhalb eines Kreiszentrums bzw. Drehpunktes verstanden, also z.B. Anordnungen, bei denen die Teilleitung nicht wie konzentrische Kreise bzw. Ringe zueinander angeordnet sind.

Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest eine der Teilleitungen eine Wabenstruktur bildend ausgebildet. Somit bilden die Teilleitungen mit ihren jeweiligen Querschnittsflächen ein regelmäßiges Muster mit den Querschnittsflächen als Zellelementen. Die jeweiligen Querschnittsflächen können eine beliebige Grundform aufweisen, z.B. dreieckförmig, viereckförmig, oder auch kreisförmig ausgebildet sein. Eine derartige Wabenstruktur führt zu einem besonders stabilen Aufbau ohne zusätzliche Stabilisierungselemente.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist zumindest eine der Teilleitungen eine sechseckförmige Querschnittsfläche auf.

Somit bilden die jeweiligen Querschnittsflächen eine Honigwabenstruktur, die zugleich besonders stabil ist und maximierte Querschnittsflächen bereitstellt .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Teilleitungen jeweils eine gleiche Querschnittsfläche bereitstellend ausgebildet. So wird sichergestellt, dass jede Zellelementgruppe mit der gleichen Menge an Elektrolyt pro Zeiteinheit versorgt werden kann. Es wird so ein besonders einfacher Aufbau möglich, da jede der Zellelementgruppe jeweils die gleiche Anzahl von Zellelementen aufweisen kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich die Teilleitungen in dem Zuleitungsrohr mit einer vorbestimmten Länge in Richtung entgegen der Elektrolytströmungsrichtung und/oder in dem Ableitungsrohr mit einer vorbestimmten Länge in Richtung der Elektrolytströmungsrichtung . So kann die Strompfadverlängerung nochmals vergrößert werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest eine der Teilleitungen durch einen Durchgang gebildet, der sich durch einen Einsatz in dem Zuleitungsrohr und/oder Ableitungsrohr erstreckt. So können die Teilleitungen besonders einfach durch ein einstückiges und/oder materialeinheitliches Bauteil gebildet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest eine der Teilleitungen durch eine Nut gebildet, die sich parallel zu dem Durchgang erstreckt. Mit anderen Worten, während die anderen Teilleitungen von dem Einsatz vollumfänglich ummantelt sind, ist die durch die Nut gebildete Teilleitung nur teilweise von dem Einsatz ummantelt. Vielmehr bilden der Einsatz und der Rohrmantel des Zuleitungsrohes bzw. Ableitungsrohres zusammen eine Ummantelung dieses Durchgangs. So kann eine weitere Teilleitung besonders einfach gebildet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Einsatz zumindest einen Rohrabschnitt und ein jedem Rohrabschnitt zugeordnetes Ringelement auf, wobei sich das jeweilige Ringelement radial auswärts vom Rohrabschnitt erstreckt und zumindest je eine Teilleitung beendet. Z.B. kann der Einsatz einstückig und/oder materialeinheitlich ausgebildet sein und ermöglicht so durch Montage lediglich eines Bauteils die Mehrzahl an Teilleitungen zu bilden.

Ferner gehören zur Erfindung ein Einsatz für einen derartigen Elektrolyseur, ein Zuleitungsrohr und ein Ableitungsrohr für einen derartigen Elektrolyseur.

Es wird nun die Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Figur 1 in schematischer Darstellung Komponenten eines Elektrolyseurs . Figur 2 in schematischer Darstellung einen Einsatz für den in Figur 1 gezeigten Elektrolyseur.

Figur 3 in schematischer Darstellung weitere Details des in Figur 2 gezeigten Einsatzes.

Figur 4 in schematischer Darstellung weitere Details des in Figur 2 gezeigten Einsatzes.

Figur 5 in schematischer Darstellung weitere Details des in Figur 2 gezeigten Einsatzes.

Figur 6 in schematischer Darstellung weitere Details des in Figur 2 gezeigten Einsatzes.

Figur 7 in schematischer Darstellung eine weitere Darstellung des in Figur 1 gezeigten Elektrolyseurs mit einem in den Figuren 2 bis 7 gezeigten Einsatz.

Es wird zunächst auf die Figur 1 Bezug genommen.

Dargestellt ist ein Elektrolyseur 2.

Der Elektrolyseur 2 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Zellelementen 4 auf, die einen Stapel 10 bilden und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Ferner weist der Elektrolyseur 2 im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Zuleitungsrohr 6 und ein Ableitungsrohr 8 mit jeweils kreisförmigen Querschnittsflächen auf, mit der Elektrolyt den Zellelementen 4 zuerst zugeführt und dann von den Zellelementen 4 abgeführt werden kann. Hierzu weisen sowohl das Zuleitungsrohr 6 wie auch das Ableitungsrohr 8 jeweils eine Mehrzahl von Auslass- und Einlassöffnungen auf (nicht dargestellt) .

Um eine Strompfadverlängerung der Strompfade von elektrischen Streuströmen zu bewirken sind im vorliegenden Ausf ührungsbei- spiel in dem Zuleitungsrohr 6 und dem Ableitungsrohr 8 jeweils ein Einsatz 14 eingesetzt.

Der Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Einsatzes 14 wird nun unter zusätzlicher Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 6 erläutert .

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Einsatz 14 19 Rohrabschnitte 16a bis 16s auf, die je eine Teilleitung 12a bis 12s bilden. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Anzahl der Rohrabschnitte 16a bis 16s auch eine andere sein.

Ferner weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel jede der Teilleitungen 12a bis 12s je eine sechseckförmige Querschnittsfläche auf und bilden somit eine Wabenstruktur bzw. Honigwabenstruktur. Mit anderen Worten, die Teilleitungen 12a bis 12s sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils durch einen Durchgang 20a bis 20s gebildet, die sich durch den Einsatz 14 entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung erstrecken und im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils geradlinig und parallel zueinander ausgebildet sind.

Die Durchgänge 20a bis 20s bzw. die die Durchgänge 20a bis 20s verbindenden Stege können durch Verrundungen strömungsoptimierte Einlassbereiche bilden.

Eine Homogenisierung der Elektrolytverteilung kann durch optimierte Querschnittsflächen der Zu- und der Ableitung des jeweiligen Zellelements des Stapels 10 einhergehend mit einer Anpassung des Strömungswider stands , d.h. Abweichungen von der gleichmäßigen Wabenstruktur erreicht werden und/oder durch optimierte Eintrittsflächen.

Des Weiteren sind die Teilleitungen 12a bis 12s als exzentrische verlaufende Teilleitungen 12a bis 12s ausgebildet, d.h. sie befinden sich außerhalb eines Kreiszentrums bzw. Dreh- punktes. Mit anderen Worten, die Teilleitung 12a bis 12s sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht wie konzentrische Kreise bzw. Ringe zueinander angeordnet.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ferner eine der Teilleitungen 12t durch eine Nut 22 gebildet, die sich parallel zu den Durchgängen 20a bis 20s erstreckt und einen weiteren Durchgang 20t bildet.

Die durch die Nut 22 gebildete Teilleitung 12t wird nur teilweise von dem Einsatz 14 ummantelt. Vielmehr bilden der Einsatz 14 und den Rohrmantel des Zuleitungsrohres 6 bzw. Ableitungsrohres 8 zusammen eine Ummantelung dieses Durchgangs 20t.

Jeder der Teilleitungen 12a bis 12t endet an einem Ringelement 18a bis 18t, der die jeweilige Teilleitung 12a bis 12t gegenüber der Zuleitung 6 bzw. Ableitung 8 abdichtet. Somit kann mit jeder der Teilleitungen 12a bis 12t je eine Zellelementgruppe des Stapels 10 mit Elektrolyt versorgt bzw. es wird Elektrolyt entsorgt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine erste Zellelementgruppe in Elektrolytströmungsrich- tung E durch die durch die Nut 22 gebildete Teilleitungen 12t mit Elektrolyt versorgt bzw. es wird Elektrolyt entsorgt.

Der Einsatz 14 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einstückig und/oder materialeinheitlich ausgebildet. Insbesondere ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Einsatz 14 - wie auch das Zuleitungsrohr 6 und die Anleitung 8 - aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt.

Es wird nun zusätzlich auf die Figur 7 Bezug genommen.

Dargestellt ist, dass im in dem Zuleitungsrohr 6 oder Ableitungsrohr 8 eingesetzten Zustand das jeweilige Ringelemente 18a bis 18t in Kontakt mit der Innenwand des Zuleitungsrohres 6 oder des Ableitungsrohres 8 tritt und so einen Abschluss bereitstellt , der im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine der Teilleitungen 12a bis 12t verschließt, wobei hier zusätzlich Dichtungen zur Abdichtung vorgesehen sein können. Kleine Leckagen des Einsatzes 14 zwischen benachbarten Zellelementgruppen des Stapels können toleriert werden, was zu einem einfachen Dichtungskonzept führt.

Das Zuleitungsrohr 6 und die Ableitung 8 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in dem Abschnitt, in dem sich die jeweiligen Einstätze 14 befinden, steif ausgebildet und im restlichen Abschnitt im Vergleich dazu flexibel.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die jeweiligen Querschnittsflächen der Teilleitungen 12a bis 12t gleich groß. So kann eine weitgehend homogene Elektrolytverteilung auf alle Zellelementgruppen des Stapels 10 erreicht werden.

Z.B. wird so ein Stapel 10 mit 20 Zellelementen mit Elektrolyt versorgt.

Des Weiteren erstrecken sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel die in das Zuleitungsrohr 6 und das Ableitungsrohr 8 jeweils eingesetzten Einsätze 14 im Fall des Zuleitungsrohres 6 mit einer vorbestimmten Länge L in Richtung entgegen der Elektrolytströmungsrichtung E und im Fall des Ableitungsrohres 8 mit der vorbestimmten Länge L in Richtung der Elektrolytströmungsrichtung E. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die jeweiligen Längen L gleich groß. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel können sie aber auch unterschiedlich groß sein.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Länge L einen Wert im Bereich von 0,5 m bis 3 m, z.B. 2m auf.

Das Einsetzen des Einsatzes 14 separiert die einzelnen Abschnitte des Stapels 10. Damit werden elektrische Streuströme, die aus hinteren Abschnitten austreten und in vorderen Abschnitten eintreten auf verlängerte Strompfade S gezwungen. Die verlängerten Strompfade S sind mit einem erhöhten ohmschen Widerstand verbunden, womit die elektrischen Streustromstärken reduziert werden. Es kann so ein Maximum der elektrischen Streustromdichte um 70% (auf 30%) reduziert werden .

Mit anderen Worten, es werden so eine elektrische Serienschaltung und zugleich eine hydraulische Parallelschaltung bereitgestellt bei zugleich besonders kompakter Bauweise.

So wird eine Strompfadverlängerung für zumindest einen Teil der elektrischen Streuströme erreicht, die aufgrund der Verlängerung einen höheren ohmschen Widerstand zur Folge hat, ohne dass es zu einer Verlängerung des Zuleitungsrohres 6 und/oder Ableitungsrohres 8 kommt, was wiederum erhöhte Strömungsverluste zur Folge hätte. Zugleich wird ein einfach zu fertigender und aufgrund der Wabenstruktur besonders stabiler Einsatz 14 bereitgestellt.