DE4331383A1 - (Pressure) electrolyser of modular construction - Google Patents

(Pressure) electrolyser of modular construction

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Abstract

(Pressure) electrolyser of modular construction for the electrolysis of water to produce hydrogen and oxygen. The (pressure) electrolyser comprises at least two (pressure) electrolyser modules (A, B, ...) arranged in series, each (pressure) electrolyser module in turn comprising a pressure vessel (1) within which the cell block(s) (2) accommodating the individual electrolytic cells is/are arranged, and each pressure vessel (1) being equipped with a flanged joint on at least one of the end faces. Those (pressure) electrolyser modules (A, B, ...) which are equipped with a flanged joint on only one of the end faces of their pressure vessel (1) are sealed at the opposite end face by means of a domed bottom (3). The number of cells within a cell block (2) is from 10 to 300, preferably from 50 to 180, in particular from 100 to 150. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen (Druck)Elektrolyseur in Modulbauweise zur Elektrolyse von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff.The invention relates to a (pressure) electrolyzer in modular design for the electrolysis of Water for the production of hydrogen and oxygen.

Die elektrolytische Zersetzung von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff ist seit langem bekannt. Zu Beginn der industriellen Anwendung dieses Zersetzungsverfahrens konnten die gewonnenen Gase jedoch nur unter einem Überdruck von maximal 50 mbar geliefert werden. Da dieser Druck jedoch in den meisten Fällen für industrielle, Wasserstoff oder Sauerstoff benötigende Prozesse nicht ausreichte, ging die Entwicklung in Richtung der Druckelektrolyse. Dabei spielte auch die Erkenntnis, daß die unnütz energieverzehrende Überspannung in den Zellen sich mit steigendem Druck verringern ließ eine nicht unbedeutende Rolle. Mit dem Verfahren der Druckelektrolyse lassen sich die erzeugten Gase Wasser- und Sauerstoff mit einem Druck von etwa 30 bar abgeben. Dieser Druck ist für eine Vielzahl der Wasserstoff und/oder Sauerstoff verbrauchenden industriellen Anwendungen ausreichend.The electrolytic decomposition of water to produce hydrogen and Oxygen has been known for a long time. At the beginning of industrial application of this However, the gases obtained could only decompose under one Overpressure of maximum 50 mbar can be delivered. However, since this pressure in the in most cases for industrial processes that require hydrogen or oxygen was sufficient, the development went in the direction of pressure electrolysis. It also played the realization that the useless energy-consuming surge in the cells decreasing with increasing pressure left a not insignificant role. With the Processes of pressure electrolysis can be used to generate the gases water and oxygen dispense with a pressure of about 30 bar. This print is for a variety of people Hydrogen and / or oxygen consuming industrial applications sufficient.

Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß bei der Planung und Montage eines (Druck)Elektrolyseurs oftmals eine mögliche Erweiterung innerhalb der nächsten Jahre nicht berücksichtigt wird. In diesen Fällen ist es dann notwendig, entweder neben dem bereits vorhandenen (Druck)Elektrolyseur weitere (Druck)Elektrolyseure aufzustellen oder aber an die Stelle des zunächst verwendeten (Druck)Elektrolyseurs einen größeren zu setzen.It has been shown in practice that when planning and installing a (Pressure) electrolyzers often a possible extension within the next few years is not taken into account. In these cases it is then necessary to either next to the to set up existing (pressure) electrolysers further (pressure) electrolysers or one instead of the (pressure) electrolyser used initially to put bigger ones.

Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.The aim and object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art avoid.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der (Druck)Elektrolyseur mindestens zwei hintereinander angeordnete (Druck)Elektrolyseur-Module aufweist, wobei jedes (Druck)Elektrolyseur-Modul wiederum einen Druckbehälter aufweist, innerhalb dessen der/die die einzelnen Elektrolysezellen aufnehmende (n) Zellblock/-blöcke angeordnet ist/sind und wobei jeder Druckbehälter zumindest auf eine der Stirnseiten eine Flanschverbindung aufweist.This is achieved according to the invention in that the (pressure) electrolyzer at least has two (pressure) electrolyzer modules arranged one behind the other, each of which (Pressure) electrolyser module in turn has a pressure vessel within which the cell block (s) accommodating the individual electrolytic cells is arranged  is / are and with each pressure vessel at least on one of the end faces Has flange connection.

Der erfindungsgemäße (Druck)Elektrolyseur in Modulbauweise ermöglicht nun einen stufenweisen Ausbau eines bereits vorhandenen (Druck)Elektrolyseurs auf einfachste Weise. Da jedes der (Druck)Elektrolyseur-Module im wesentlichen identische Ausmaße aufweist, läßt sich die Produktion dieser Module vereinfachen und damit letztendlich der Preis der Module senken. Auch werden etwaige Transportprobleme zwischen dem Produktions- und dem endgültigen Standort der (Druck)Elektrolyseur-Module vermieden, da die maximalen Abmessungen jedes Moduls so gewählt werden, daß ein normaler Transport, z. B. per LKW oder Bahn über Land, möglich ist. Neben dem einfachen Ausbau des erfindungsgemäßen (Druck)Elektrolyseurs durch Anfügen weiterer Module, kann auch die Reparatur einzelner, beschädigter Module verhältnismäßig einfach erfolgen. Dazu wird das beschädigte Modul dem Modulverband entnommen und nach erfolgter Reparatur wieder eingesetzt. Denkbar wäre auch ein zwischenzeitliches Einsetzen eines Ersatzmodules. Im letztgenannten Falle könnte so eine längere Unterbrechung der H₂- und O₂-Produktion vermieden werden.The (pressure) modular electrolyzer according to the invention now enables one gradual expansion of an existing (pressure) electrolyser to the simplest Wise. Because each of the (pressure) electrolyzer modules are of essentially identical dimensions has, the production of these modules can be simplified and ultimately lower the price of the modules. Any transportation problems between the Production and the final location of the (pressure) electrolyser modules avoided because the maximum dimensions of each module are chosen so that a normal transportation, e.g. B. by truck or train overland, is possible. Next to the simple expansion of the (pressure) electrolyzer according to the invention by adding additional modules, can also repair individual, damaged modules relatively easy to do. To do this, the damaged module Module assembly removed and reinserted after repair. Conceivable would also be a temporary insertion of a replacement module. In the latter A trap could avoid a longer interruption of H₂ and O₂ production become.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen (Druck)Elektrolyseur-Module, die lediglich auf einer der Stirnseiten ihres Druckbehälters eine Flanschverbindung aufweisen, auf der gegenüberliegenden Stirnseite mittels eines gewölbten Bodens verschlossen sind.An embodiment of the invention is characterized in that those (Pressure) electrolyser modules that are only on one of the end faces of their pressure vessel have a flange connection on the opposite end face by means of a arched bottom are closed.

Die als sog. Endmodule vorgesehenen Module werden in der Regel auf einer der Stirnseiten mittels eines gewölbten Bodens verschlossen. Die als sog. Zwischenmodule vorgesehenen Module hingegen weisen auf beiden Stirnseiten eine Flanschverbindung auf. Es ist jedoch auch denkbar, daß bei einem bereits bestehenden Modulverband, bei dem beabsichtigt ist, ihn nach beiden Seiten hin auszubauen, zunächst nur sogenannte Zwischenmodule zum Einsatz kommen, an die das Anfügen weiterer Module erfolgen kann.The modules provided as so-called end modules are usually on one of the End faces closed by means of a curved bottom. The so-called intermediate modules the modules provided, on the other hand, have a flange connection on both ends on. However, it is also conceivable that, in the case of an existing module association, who intends to expand it on both sides, initially only so-called Intermediate modules are used, to which additional modules are added can.

Die Erfindung weiterbildend wird vorgeschlagen, daß die Zellenzahl innerhalb eines Zellblockes 10 bis 300, vorzugsweise 50 bis 180, insbesondere 100 bis 150 beträgt.Further developing the invention it is proposed that the number of cells within a Cell block is 10 to 300, preferably 50 to 180, in particular 100 to 150.

Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen davon seien anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Hierbei besitzen gleiche Vorrichtungsmerkmale identische Bezugszeichen.The invention and further refinements thereof are explained in more detail with reference to FIGS. 1 to 3. The same device features have identical reference numerals.

Fig. 1 zeigt ein Modul A des erfindungsgemäßen (Druck)Elektrolyseurs in Modulbauweise. Das Modul A ist aus einem Druckbehälter 1 aufgebaut, in dem sich der die einzelnen Elektrolysezellen aufnehmende Zellblock 2 befindet. Der Druckbehälter 1 ist auf einer seiner Stirnseiten mittels eines gewölbten Bodens 3 verschlossen und auf der gegenüberliegenden Stirnseite mittels eines Deckels 4 verschließbar. Bei dem in Fig. 1 vorgestellten Modul A handelt es sich um ein sog. Endmodul. Fig. 1 shows a module A of the (pressure) electrolyzer according to the invention in modular design. The module A is constructed from a pressure vessel 1 , in which the cell block 2, which accommodates the individual electrolytic cells, is located. The pressure vessel 1 is closed on one of its end faces by means of a curved base 3 and can be closed on the opposite end face by means of a cover 4 . Module A presented in FIG. 1 is a so-called end module.

In Fig. 2 hingegen ist ein sog. Zwischenmodul, bei dem der Druckbehälter 1 auf beiden Stirnseiten mittels eines Deckels 4 verschließbar ist, dargestellt.In FIG. 2, however, is a so-called. Intermediate module, in which the pressure container 1 on both end sides by means of a lid 4 can be closed, is shown.

Fig. 3 zeigt den erfindungsgemäßen (Druck)Elektrolyseur in Modulbauweise, bestehend aus zwei Modulen A und B, wobei das sog. Zwischenmodul B nunmehr zwei einzelne Zellblöcke 2 enthält. Im Anschluß an das Modul B ist nach rechts ein weiteres Modul gestrichelt gezeichnet, wodurch angedeutet werden soll, daß sich der erfindungsgemäße (Druck)Elektrolyseur in Modulbauweise beliebig ausbauen läßt. Fig. 3 shows the (pressure) electrolyser according to the invention in a modular design, consisting of two modules A and B, where the so-called. Intermediate module B now contains two individual cell blocks 2. Following module B, another module is drawn to the right in dashed lines, which is intended to indicate that the (pressure) electrolyser according to the invention can be expanded as desired in a modular design.

Jeder der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten (Druck)Elektrolyseure wird über Leitung 5 mit einem elektrisch nicht leitenden Fluid, vorzugsweise zur Zersetzung benötigtes gereinigtes Speisewasser, versorgt. Dieses umströmt innerhalb der Druckbehälter 1 die Zellblöcke 2 und wird anschließend über Leitung 6 aus den Druckbehältern 1 abgeführt. Über die Leitungen 7, 7′ und 7′′ wird den einzelnen Zellblöcken 2 ein Gemisch aus Lauge und dem in der Elektrolyse zu zersetzenden Fluid zugeführt, während über die Leitungen 8, 8′ und 8′′ die Gas/Lauge-Gemische abgeführt werden. Die Leitungen 8, 8′ und 8′′ stehen hierbei selbstverständlich für jeweils zwei Einzelleitungen, da aus jedem Zellblock über eine Leitung ein Wasserstoff/Lauge- Gemisch und über eine weitere Leitung ein Sauerstoff/Lauge-Gemisch abgeführt wird.Each of the (pressure) electrolysers shown in FIGS. 1 to 3 is supplied via line 5 with an electrically non-conductive fluid, preferably purified feed water required for the decomposition. This flows around the cell blocks 2 within the pressure vessel 1 and is subsequently discharged from the pressure vessels 1 via line 6 . Via lines 7 , 7 'and 7 '', the individual cell blocks 2 are supplied with a mixture of alkali and the fluid to be decomposed in the electrolysis, while the gas / alkali mixtures are discharged via lines 8 , 8 ' and 8 '' . The lines 8 , 8 'and 8 ''stand for two individual lines, of course, since a hydrogen / alkali mixture is discharged from each cell block via one line and an oxygen / alkali mixture is discharged via a further line.

Der Übersichtlichkeit halber sind in den Fig. 1 bis 3 keine weiteren Einbauten wie z. B. Laugewärmetauscher, Kühlwasserversorgung, Heizung, etc., wie sie innerhalb des Druckbehälters 1 vorgesehen sein können, dargestellt.For clarity, in FIGS. 1 to 3 no further internals such. B. lye heat exchanger, cooling water supply, heating, etc., as they can be provided within the pressure vessel 1 , shown.

Die Druckbehälter 1 der sogenannten End- und Zwischenmodule sowie die Einbauten der Druckbehälter 1, können nun serienmäßig auf je einer Fertigungsstraße hergestellt werden. Je nach Leistungsbedarf werden dann die sogenannten End- und Zwischenmodule fabrikmäßig zusammengebaut, zum Aufstellungsort transportiert und dort zu einem Elektrolyseur zusammengefügt. Die Modulbauweise ermöglicht es somit, eine kostengünstige fabrikmäßige Serienfertigung und eine optimale Montageausführung großer Elektrolyseure am jeweiligen Aufstellungsort zu erreichen.The pressure vessels 1 of the so-called end and intermediate modules as well as the internals of the pressure vessels 1 can now be mass-produced on one production line each. Depending on the power requirement, the so-called end and intermediate modules are then assembled at the factory, transported to the installation site and assembled there to form an electrolyser. The modular design thus makes it possible to achieve cost-effective factory series production and optimal assembly of large electrolysers at the respective installation site.

Besteht der (Druck)Elektrolyseur aus mehreren Modulen, so kann entweder jeder Zellblock einzeln oder mehrere Zellblöcke in Reihe geschaltet mit Gleichstrom versorgt werden. Ob und wenn ja, wieviele der Zellblöcke dabei hintereinandergeschaltet werden, wird im wesentlichen von der Anzahl der Zellen pro Zellblock abhängen. Die Anzahl der Zellen innerhalb eines Zellblockes beträgt 10 bis 300, vorzugsweise 50 bis 180, insbesondere 100 bis 150.If the (pressure) electrolyser consists of several modules, either everyone can Cell block individually or several cell blocks connected in series supplied with direct current become. If and if so, how many of the cell blocks are connected in series will depend essentially on the number of cells per cell block. The The number of cells within a cell block is 10 to 300, preferably 50 to 180, especially 100 to 150.

Anhand der nachfolgenden Tabelle seien die möglichen Ausbaustufen für einen Megawatt-Hochleistungselektrolyseur in Modulbauweise dargestellt. In diesem Falle werden Endmodule für 2,5 MW und Zwischenmodule für 5 MW konzipiert, die dann je nach Leistungsbedarf zusammengefügt werden. Es ist für den Fachmann selbstverständlich, daß, über dieses Beispiel hinaus, weitere Abstufungen möglich sind.The following table shows the possible expansion stages for one Megawatt high-performance electrolyzer shown in modular design. In this case end modules are designed for 2.5 MW and intermediate modules for 5 MW, which then each can be put together according to performance requirements. It is for the professional it goes without saying that, beyond this example, further gradations are possible.

Claims (3)

1. (Druck)Elektrolyseur in Modulbauweise zur Elektrolyse von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der (Druck)Elektrolyseur mindestens zwei hintereinander angeordnete (Druck)Elektrolyseur-Module (A, B, . . . ) aufweist, wobei jedes (Druck)Elektrolyseur- Modul wiederum einen Druckbehälter (1) aufweist, innerhalb dessen der/die die einzelnen Elektrolysezellen aufnehmende(n) Zellblock/-blöcke (2) angeordnet ist/sind und wobei jeder Druckbehälter (1) zumindest auf eine der Stirnseiten eine Flanschverbindung aufweist.1. (Pressure) electrolyser in modular design for the electrolysis of water for the production of hydrogen and oxygen, characterized in that the (pressure) electrolyzer has at least two (pressure) electrolyzer modules (A, B,...) Arranged one behind the other, wherein each (pressure) electrolyser module in turn has a pressure vessel ( 1 ), within which the cell block (s) ( 2 ) accommodating the individual electrolysis cells is / are arranged, and each pressure vessel ( 1 ) at least on one of the end faces has a flange connection. 2. (Druck)Elektrolyseur in Modulbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen (Druck)Elektrolyseur-Module (A, B, . . . ), die lediglich auf einer der Stirnseiten ihres Druckbehälters (1) eine Flanschverbindung aufweisen, auf der gegenüberliegenden Stirnseite mittels eines gewölbten Bodens (3) verschlossen sind.2. (pressure) electrolyser in modular design according to claim 1, characterized in that those (pressure) electrolyzer modules (A, B,...) Which have a flange connection on only one of the end faces of their pressure vessel ( 1 ) opposite end face are closed by means of a curved bottom ( 3 ). 3. (Druck)Elektrolyseur in Modulbauweise nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenzahl innerhalb eines Zellblockes (2) 10 bis 300, vorzugsweise 50 bis 180, insbesondere 100 bis 150 beträgt.3. (pressure) electrolyser in modular design according to claim 1 or 2, characterized in that the number of cells within a cell block ( 2 ) is 10 to 300, preferably 50 to 180, in particular 100 to 150.
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