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

Die Erfindung betri f ft 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 . Ferner betri f ft 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 fumwandlungen verbunden sind . Eine Vorrichtung zu diesem Zweck wird Elektrolyseur genannt und kann zur Erzeugung wichtiger Grundstof fe der chemischen Industrie eingesetzt werden . Viel fach 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 flüssige Elektrolyte eingesetzt werden, die durch die Stof fumwandlung verändert bzw . verbraucht werden, können diese durch entsprechende Zuleitungen und Ableitungen während des Prozesses fortlaufend erneuert werden . Den Stof fumwandlungsraten sind für gegebene Zellelemente in der Regel enge Grenzen aufgrund von Stromdichtelimitierungen gegeben . Für den großtechnischen Einsatz muss daher zur Erhöhung der Stof fumwandlungsraten die aktive Zellelement fläche erhöht werden . Dies 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 verviel facht . 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 geschaf fen . Beim Betrieb des Stapels von Zellelementen, d . h . dem Anlegen einer elektrischen Spannung bzw . dem Einprägen eines elektrischen Stromes vom ersten 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 Aus fall 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 Querschnitts flächen eine Widerstandserhöhung ergibt . Die Leitungsverlängerungen führen j edoch nachteilig zu erhöhten Strömungswiderständen und erhöhtem Materialbedarf zur Fertigung .

Es besteht also Bedarf daran, Wege auf zuzeigen, wie hier Abhil fe geschaf fen 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 sich in dem Zuleitungsrohr mit einer vorbestimmten Länge in Richtung entgegen der Elektrolytströmungsrichtung und/oder sich in dem Ableitungsrohr mit einer vorbestimmten Länge in Richtung der Elektrolytströmungsrichtung erstrecken .

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 stei f 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 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 . Dabei 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 . Durch diese Ausgestaltung kann die Strompfadverlängerung nochmals vergrößert werden . Von besonderem Vorteil ist , wenn sich die Teilleitungen mit einer vorbestimmten Länge in dem Zuleitungsrohr entgegen der Elektrolytströmungsrichtung und in dem Ableitungsrohr mit einer vorbestimmten Länge in Richtung der Elektrolytströmungsrich- tung erstrecken .

Gemäß einer Aus führungs form sind die Teilleitungen als konzentrisch zueinander ausgebildete Teilleitungen ausgebildet . So kann eine innere Teilleitung einen kreis förmigen Querschnitt aufweisen, während äußere Teilleitungen j eweils eine Ringquerschnitts fläche aufweisen . So können die Teilleitungen besonders wenig Bauraum in Anspruch nehmend ausgebildet sein .

Gemäß einer weiteren Aus führungs form sind die Teilleitungen j eweils eine gleiche Querschnitts fläche bereitstellend ausgebildet . Auf diese Weise wird sichergestellt , dass j ede Zellelementgruppe mit der gleichen Menge an Elektrolyt pro Zeiteinheit versorgt werden kann . Es wird dadurch ein besonders einfacher Aufbau möglich, da j ede der Zellelementgruppe j eweils die gleiche Anzahl von Zellelementen aufweisen kann .

Gemäß einer weiteren Aus führungs form werden die Teilleitungen durch einen Einsatz in das Zuleitungsrohr und/oder in das Ableitungsrohr gebildet . So können die Teilleitungen besonders einfach gebildet werden .

Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist der Einsatz zumindest einen Rohrabschnitt und ein j edem Rohrabschnitt zugeordnetes Ringelement auf , wobei sich das j eweilige Ringelement radial auswärts vom Rohrabschnitt erstreckt und zumindest j e eine Teilleitung beendet . Beispielsweise kann der Einsatz vorteilhaft 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 nachfolgend 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 eine Kombination des in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Gleichstromstellers mit einem Gleichrichter ;

Figur 5 in schematischer Darstellung einen weiteren Einsatz für den in Figur 1 gezeigten Elektrolyseur .

Es wird zunächst auf die Figur 1 Bezug genommen .

Dargestellt ist ein Elektrolyseur 2 .

Der Elektrolyseur 2 weist im vorliegenden Aus führungsbeispiel eine Mehrzahl von Zellelementen 4 auf , die einen Stapel 10 bilden und elektrisch in Reihe geschaltet sind . Ferner weist der Elektrolyseur 2 im vorliegenden Aus führungsbeispiel ein Zuleitungsrohr 6 und ein Ableitungsrohr 8 mit j eweils kreisförmigem Querschnitt 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 j eweils eine Mehrzahl von Auslass- und Einlassöf fnungen auf (nicht dargestellt ) .

Um eine Strompfadverlängerung der Strompfade von elektrischen Streuströmen zu bewirken sind im vorliegenden Aus führungsbeispiel in dem Zuleitungsrohr 6 und in dem Ableitungsrohr 8 j eweils ein Einsatz 14 eingesetzt .

Der Aufbau eines Aus führungsbeispiels des Einsatzes 14 wird nun unter zusätzlicher Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 erläutert .

Im vorliegenden Aus führungsbeispiel weist der Einsatz 14 einen Rohrabschnitt 16a mit kreis förmigem Querschnitt und ein dem Rohrabschnitt 16a zugeordnetes Ringelement 18a auf . Das Ringelement 18a erstreckt sich im vorliegenden Aus führungsbeispiel von dem Rohrabschnitt 16a radial auswärts .

Der Einsatz 14 ist im vorliegenden Aus führungsbeispiel einstückig und/oder materialeinheitlich ausgebildet . Insbesondere ist im vorliegenden Aus führungsbeispiel 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 4 Bezug genommen .

Dargestellt ist , dass im in dem Zuleitungsrohr 6 oder Ableitungsrohr 8 eingesetzten Zustand das j eweilige Ringelement 18a in Kontakt mit der Innenwand des Zuleitungsrohres 6 oder des Ableitungsrohres 8 tritt und so einen Abschluss bereitstellt , der im vorliegenden Aus führungsbeispiel eine äußere Teilleitung 12a von zwei Teilleitungen 12a, 12b verschließt , wobei hier zusätzlich Dichtungen zur Abdichtung vorgesehen sein können .

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

Dabei ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die äußere Teilleitung 12a der zwei Teilleitungen 12a, 12b einen konzentrischen Ringquerschnitt aufweisend ausgebildet. Hingegen weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die innere Teilleitung 12a einen kreisförmigen Querschnitt auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind beide Querschnittsflächen gleich groß, d.h. die Ringquerschnittsfläche der äußeren Teilleitung 12a ist gleich der kreisförmigen Querschnittsfläche der inneren Teilleitung 12b. Zur Abstützung der beiden Teilleitungen 12a, 12b können Stützelemente (nicht dargestellt) vorgesehen sein .

Beispielsweise wird so eine vordere Hälfte des Stapels 10 mit insgesamt z.B. 100 Zellelementen, also die Zellelemente 1 bis 50 durch die äußere Teilleitung 12a mit Elektrolyt beaufschlagt und versorgt, während die hintere Hälfte des Stapels 10, also die Zellelemente 51 bis 100, durch die innere Teilleitung 12b mit Elektrolyt versorgt werden.

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, beispielsweise 2m auf. Das Einsetzen des Einsatzes 14 separiert die vordere von der hinteren Häl fte des Stapels 10 . Damit werden elektrische Streuströme , die aus der hinteren Häl fte austreten und in der vorderen Häl fte eintreten auf verlängerte Strompfade S gezwungen . Die verlängerten Strompfade S sind mit einem erhöhten ohmschen Widerstand verbunden, womit die elektrischen Streustromstärken reduziert werden . So kann ein Maximum der elektrischen Streustromdichte auf 71 % reduziert werden .

Es wird nun unter zusätzlicher Bezugnahme auf die Figur 5 ein weiteres Aus führungsbeispiel des Einsatzes 14 erläutert .

Das vorliegende Aus führungsbeispiel gemäß der Figur 5 unterscheidet sich von dem vorherigen Aus führungsbeispiel dadurch, dass vier Rohrabschnitte 16a, 16b, 16c, 16d vorgesehen sind, wobei j eder der vier Rohrabschnitte 16a, 16b, 16c, 16d j eweils ein Ringelement 18a, 18b, 18c, 18d aufweist .

Somit bildet der Einsatz 14 gemäß der Figur 5 fünf Teilleitungen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e , von denen die innerste Teilleitung 12a eine kreis förmige Querschnitt fläche aufweist und die restlichen Teilleitungen 12b, 12c, 12d, 12e j eweils eine Ringquerschnitts fläche aufweisen . Im vorliegenden Aus führungsbeispiel sind die kreis förmige Querschnitt fläche und die j eweiligen Ringquerschnitts flächen j eweils gleich groß und konzentrisch um die Achse der Rohrabschnitte 16a, 16b, 16c, 16d angeordnet .

Durch die Flächengleichheit wird sichergestellt , dass j ede Zellelementgruppe , hier fünf Zellelementgruppen, mit der gleichen Menge an Elektrolyt pro Zeiteinheit versorgt werden kann .

So kann bei einem Wert für die Länge L von 1 m ein Maximum der elektrischen Streustromdichte auf 52 % reduziert werden, und bei einem Wert für die Länge L von 2 m kann ein Maximum der elektrischen Streustromdichte auf 46% reduziert werden . Abweichend von den vorliegenden Aus führungsbeispielen mit kreis förmigen Querschnitt flächen und Ringquerschnitts flächen können auch andere Querschnittflächenformen gebildet werden, wie z . B . rechteckförmige oder quadratische und rahmenförmige Querschnitts flächenformen . Durch die konstruktive Einstellung einer Flächengleichheit durch die beteiligten Strömungselemente , beispielsweise der beteiligten Teilleitungen 12a, 12b, 12c, 12d und 12e , ist auf besonders einfache und zuverlässige Weise eine gleichmäßige Versorgung der Zellelementgruppen mit der gleichen Menge an Elektrolyt pro Zeiteinheit erreicht .

Unter elektrischen Gesichtspunkten wird dadurch eine besonders ef fektive 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 konstruktiven Verlängerung des Zuleitungsrohres 6 und/oder Ableitungsrohres 8 kommt , was wiederum erhöhte Strömungsverluste der beteiligten Fluide , insbesondere des Elektrolyts , zur Folge hätte .