DE8816969U1

DE8816969U1 - Electrolysis device

Info

Publication number: DE8816969U1
Application number: DE8816969U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-11-03
Filing date: 1988-11-03
Publication date: 1991-07-18
Anticipated expiration: 1998-11-04

Description

"Elektrolysevorrichtung""Electrolysis device"

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung mit einem Elektrolysezellenblock und Elektrolytzufuhr- und Gasabführleitungen, wobei der Elektrolysezellenblock dicht von einer von einem Fluid gespülten Kapselung umgeben ist.The invention relates to an electrolysis device with an electrolysis cell block and electrolyte supply and gas discharge lines, wherein the electrolysis cell block is tightly surrounded by an encapsulation flushed with a fluid.

Bei der sogenannten Druckwasserelektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff ist es bekannt, beim Betriebsdruck von bis zu 0,5 bar zu arbeiten, wobei der für den Einsatz von Gasen erforderliche Druck durch Verdichter erzeugt wird. Bekannt sind auch Druckelektrolyseure mit Zellen, die für den betreffenden Betriebsdruck ausgelegt sind, wobei ein vergleichsweise großer Aufwand getrieben werden muß, um alle Meß- und Regel- und Analyseeinrichtungen explosionsgeschützt auszuführen.In the so-called pressurized water electrolysis for the production of hydrogen and oxygen, it is known to work at operating pressures of up to 0.5 bar, with the pressure required for the use of gases being generated by compressors. Pressure electrolyzers with cells designed for the relevant operating pressure are also known, whereby a comparatively large amount of effort must be made to make all measuring, control and analysis devices explosion-proof.

Eine gattungsgemäße Elektrolysevorrichtung ist aus der DE-PS 755 942 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist der Zellenblock von einem Druckbehälter umgeben, wobei der Zwischenraum zwischen Druckbehälter und Zellenblock mit unter Druck stehendem Wasser gefüllt ist. Auf diese Weise können auch für drucklose Elektrolyse ausgelegte Elektrolysezellen bei einem höheren Druck betrieben werden. Darüber hinaus ist auch eine sichere Abdichtung des Zellenblockes gegenüber der Umgebung gewährleistet.An electrolysis device of this type is known from DE-PS 755 942. In this device, the cell block is surrounded by a pressure vessel, with the space between the pressure vessel and the cell block being filled with pressurized water. In this way, electrolysis cells designed for pressureless electrolysis can also be operated at a higher pressure. In addition, the cell block is also securely sealed against the environment.

88 18 969.88 18 969.

Aus der DE-OS 36 03 244 ist eine Sicherheitsvorrichtung für Elektrolysezellen bekannt, bei der die Gase durch Betätigung eines Flüssigkeitsablaßventils über eine Sicherheitsabtauchung abgeleitet werden. Die Sicherheitsabtauchung ist ohne Absperrventile mit einer Rohrleitung über Dach verbunden. Der erzielbare Betriebsdruck der Elektrolysezellen ist auf die Länge der Sicherheitsabtauchung, entsprechend 0,5 bar, begrenzt. Weiterhin ist bekannt, die Gase bei höheren Drücken über Sicherheitsabtauchungen abzuleiten, die mit entsprechenden Regeleinrichtungen zur Erfassung des Druckes und der Niveaus ausgerüstet sind und Ventile betätigen, um die Gase über Dach abzuleiten. Bei einer Fehlfunktion der Regeleinrichtung oder der entsprechenden Ventile kann es zu einer Knallgasbildung kommen. Die Elektrolysezellen müssen mit einem erheblichen Aufwand für den höheren Betriebsdruck ausgelegt werden.DE-OS 36 03 244 discloses a safety device for electrolysis cells in which the gases are discharged via a safety drain by operating a liquid drain valve. The safety drain is connected to a pipe above the roof without shut-off valves. The achievable operating pressure of the electrolysis cells is limited to the length of the safety drain, corresponding to 0.5 bar. It is also known that the gases can be discharged at higher pressures via safety drains, which are equipped with appropriate control devices for recording the pressure and levels and operate valves to discharge the gases above the roof. If the control device or the corresponding valves malfunction, oxyhydrogen can form. The electrolysis cells must be designed for the higher operating pressure, which involves considerable effort.

Aus der FR-24 60 342 Al ist bekannt, horizontale Separatoren über den Elektrolysezellen anzuordnen und die Gasableitung aus diesen Separatoren durch Erfassung des Differenzdruckes und Betätigung entsprechender Ventile abzuleiten. Der Elektrolytkreislauf wird durch geregelte Pumpen vorgenommen. Die Elektrolysezellen müssen für den jeweiligen Betriebsdruck ausgelegt werden und die Knallgasbildung bei einer Fehlfunktion der Regeleinrichtungen wird nicht verhindert. From FR-24 60 342 Al it is known to arrange horizontal separators above the electrolysis cells and to divert the gas from these separators by measuring the differential pressure and operating the corresponding valves. The electrolyte circuit is carried out by controlled pumps. The electrolysis cells must be designed for the respective operating pressure and the formation of oxyhydrogen gas in the event of a malfunction of the control devices is not prevented.

-A--A-

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der der Sicherungsaufwand bei der Druckwasserelektrolyse verringert und mit einfachen Mitteln die notwendige Sicherheit erreicht wird.The object of the invention is to create a solution that reduces the safety effort in pressurized water electrolysis and achieves the necessary safety using simple means.

Mit einer Elektrolysevorrichtung der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Elektrolytzufuhr- und Gasabführleitungen des Zellenblockes mit der Kapselung an einer gemeinsamen Druckplatte angeordnet sind, wobei die Druckplatte als statisch steife Platte ausgebildet ist.With an electrolysis device of the type described at the outset, this object is achieved according to the invention in that the electrolyte supply and gas discharge lines of the cell block are arranged with the encapsulation on a common pressure plate, wherein the pressure plate is designed as a statically rigid plate.

Mit dieser Lösung wird die aus DE-PS 755 942 bekannte Vorrichtung mit einfachen Mitteln bei Aufrechterhaltung der notwendigen Sicherheit weiterentwickelt, ohne daß dazu ein hoher Sicherungsaufwand notwendig ist. Dabei ist durch die gemeinsame Anordnung der Kapselung, der Flüssigkeitszufuhr und der Gasabführleitungen des Zellenblockes an einer gemeinsamen Druckplatte gewährleistet, daß der gegenüber dem Zellenblock höhere Spaltdruck zwischen Zellenaußenseiten und Kapselung die Flansche entlastet, so daß die Druckplatte leichter gestaltet sein kann als z.B. ein massiver Blindflansch.With this solution, the device known from DE-PS 755 942 is further developed using simple means while maintaining the necessary safety without requiring a high level of security effort. The joint arrangement of the encapsulation, the liquid supply and the gas discharge lines of the cell block on a common pressure plate ensures that the gap pressure between the cell outer sides and the encapsulation, which is higher than in the cell block, relieves the flanges, so that the pressure plate can be designed to be lighter than, for example, a solid blind flange.

In zweckmäßiger Ausgestaltung ist vorgesehen, daß oberhalb von Separatoren eine Speisewasservorlage angeordnet ist,In a practical embodiment, a feed water reservoir is arranged above separators,

mit einer den Flüssigkeitssumpf des darunter angeordneten Sauerstoff-Elektrolyseseparators beaufschlagenden Überlaufleitung. Dies macht es möglich, über die Wassersäule den Druck in der Kapselung zu regeln, Lage und Aufstellung der Elektrolytseparatoren vermögen den Innendruck im Zellenblock zu bestimmen.with an overflow line that supplies the liquid sump of the oxygen electrolysis separator arranged underneath. This makes it possible to regulate the pressure in the encapsulation via the water column; the position and setup of the electrolyte separators can determine the internal pressure in the cell block.

Die wirkmäßige Verbindung der beiden Flüssigkeitssümpfe in den Elektrolyseseparatoren bzw. die Verbindung der Speisewassersümpfe in den Teilbereichen der Horizontalseparatoren ermöglicht eine besonders einfache Sicherung gegen Knallgasbildung, insofern, als durch Druckerhöhungen in einem Separator das dort vorhandene Flüssigkeitsvolumen durch das übermäßig entstehende Gas in den anderen Separator eingedrückt wird, so lange, bis das Gas selbst die vorgesehene Flüssigkeitsvorlage an den tiefsten Stellen der Verbindungsleitung erreicht, dort ein Ventil auslöst und über Dach abgeführt werden kann.The effective connection of the two liquid sumps in the electrolysis separators or the connection of the feed water sumps in the sections of the horizontal separators enables particularly simple protection against oxyhydrogen formation, insofar as, due to pressure increases in one separator, the liquid volume present there is pressed into the other separator by the excessively generated gas until the gas itself reaches the intended liquid reservoir at the lowest points of the connecting line, triggers a valve there and can be discharged via the roof.

Die vorgesehenen katalytischen Gasreiniger eignen sich in besonderer Weise zur Überwachung der Knallgasbildung, weil dort die Temperatur mit einfachen Mitteln überwacht werden kann.The catalytic gas cleaners provided are particularly suitable for monitoring the formation of oxyhydrogen gas because the temperature can be monitored using simple means.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further useful embodiments emerge from the subclaims.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt inThe invention is explained in more detail below with reference to the drawing, which shows in

Fig. 1 eine Elektrolysevorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und in Fig. 1 shows an electrolysis device according to an embodiment of the invention and in

Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel.Fig. 2 shows another embodiment.

Die in Fig. 1 dargestellte, allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung besteht aus den folgenden wesentlichen Anlageteilen: The device shown in Fig. 1, generally designated 1, consists of the following essential system components:

Dem Druckelektrolyseapparat 2, einem Sauerstoffseparator 3, einem Wasserstoffseparator 4, einer oberen Flüssigkeitsvorlage 5 sowie einer unteren Flüssigkeitsvorlage 6 mit den dazugehörigen Leitungen.The pressure electrolysis apparatus 2, an oxygen separator 3, a hydrogen separator 4, an upper liquid reservoir 5 and a lower liquid reservoir 6 with the associated pipes.

Der Druckelektrolyseapparat 2 besteht aus einer Mehrzahl von Elektrolysezellen 7 in einem Gehäuse 8, daß an einer statisch steifen Platte 9 in Leichtbauweise einseitig befestigt ist. Auf Abstand dazu ist an der gleichen Platte 9 eine Druckkapselung 10 vorgesehen. Über eine Pumpe 11 bzw. eine Leitung 12 ist in den Spaltraum 13 zwischen Elektrolysezellenkapselung 8 und Druckgefäß 10 Speisewasser einpumpbar, das diesen umflutet und über eine Leitung 14 der an höchster Stelle angeordneten Flüssigkeitsvorlage 5 zuführbar ist. Über eine Falleitung 15 und eine sogenannte Tau-The pressure electrolysis apparatus 2 consists of a plurality of electrolysis cells 7 in a housing 8, which is attached on one side to a statically rigid plate 9 in a lightweight construction. At a distance from this, a pressure encapsulation 10 is provided on the same plate 9. Feed water can be pumped into the gap 13 between the electrolysis cell encapsulation 8 and the pressure vessel 10 via a pump 11 or a line 12, which floods around it and can be fed to the liquid reservoir 5 arranged at the highest point via a line 14. Via a downpipe 15 and a so-called dew point

80 16 969.80 16 969.

chung 16 beaufschlagt diese Speisewasserzufuhr den Sauerstoff-Separator 3, dessen Gasraum 3a mit einer Sauerstoffabnahmeleitung 17 verbunden ist. Der mit einem Gemisch aus Elektrolyt und Speisewasser gefüllte Sumpf 3b des Separators 3 ist über eine Leitung 18 mit der unteren Vorlage 6 verbunden. Das Elektrolysegassauerstoff wird vom Katalysatorblock 2 dem Separator 3 über die Leitung 19 zugeführt.This feed water supply acts on the oxygen separator 3, whose gas space 3a is connected to an oxygen removal line 17. The sump 3b of the separator 3, which is filled with a mixture of electrolyte and feed water, is connected to the lower reservoir 6 via a line 18. The electrolysis gas oxygen is fed from the catalyst block 2 to the separator 3 via the line 19.

Eine ähnliche Ausgestaltung weist auch der Wasserstoffseparator 4 auf. Er muß bei gleichem Durchmesser doppelt so lange ausgeführt sein wie der Separator 3, da er das doppelte Gasvolumen zu verarbeiten hat. Auch dort ist der Gasraum 4a mit einer Abfuhrleitung 29 verbunden, während der Sumpf 4b über eine Leitung 21 ebenfalls mit der unteren Vorlage 6 in Verbindung steht, die Wasserstoffzuführleitung ist mit 22 bezeichnet. Die Vorlage 6 ist über eine Leitung 20 mit dem Elektrolysezellenblock 2 verbunden.The hydrogen separator 4 has a similar design. With the same diameter, it must be twice as long as the separator 3, since it has to process twice the volume of gas. Here too, the gas chamber 4a is connected to a discharge line 29, while the sump 4b is also connected to the lower reservoir 6 via a line 21, the hydrogen supply line is designated 22. The reservoir 6 is connected to the electrolysis cell block 2 via a line 20.

Wird beispielsweise kein Wasserstoff abgenommen und der Elektrolysezellenblock 2 weiter betrieben, bei gleichzeitiger Entnahme von Sauerstoff steigt der Druck im Gasraum 4a des Separators 4 an und verschiebt damit das im Sumpf 4b befindliche Elektrolytvolumen von dort über die untere Vorlage 6 in den Separator 3. Ist das gesamte Volumen verschoben, wird auch das Flüssigkeitsvolumen in der unteren Vorlage 6 ausgedrückt, so daß ein Schwimmerschalter 23 ein Ventil 24 öffnet, derart, daß der einströmende WasserstoffIf, for example, no hydrogen is removed and the electrolysis cell block 2 continues to operate, with simultaneous removal of oxygen, the pressure in the gas space 4a of the separator 4 increases and thus shifts the electrolyte volume in the sump 4b from there via the lower reservoir 6 into the separator 3. If the entire volume is shifted, the liquid volume in the lower reservoir 6 is also squeezed out, so that a float switch 23 opens a valve 24 in such a way that the inflowing hydrogen

16 969.16 969.

über Dach 25 entlüftet werden kann.can be ventilated via roof 25.

Eine Flüssigkeitsentspannung kann über das Sicherheitsventil 26 bei Überdruck ebenfalls vorgenommen werden.Fluid pressure can also be released via the safety valve 26 in the event of excess pressure.

Eine weitere Regelung kann über Niveauregler 2 7 bzw. Druckregler 28 erfolgen, die entsprechenden Ventile in den Abführleitungen 17 bzw. 20 öffnen und schließen, um auch dort über Dach entlüften zu können.Further control can be carried out via level regulator 2 7 or pressure regulator 28, which open and close the corresponding valves in the discharge lines 17 or 20 in order to be able to vent there via the roof as well.

In Fig. 2 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der dort mit la bezeichneten Vorrichtung dargestellt. Soweit es sich um funktionell gleiche Vorrichtungsteile handelt, wie die in Fig. 1, sind in Fig. 2 die gleichen Bezugszeichen eingesetzt worden, allerdings mit einem kleinen Strich versehen.Fig. 2 shows a modified embodiment of the device designated therein with la. As far as the functionally identical device parts are concerned as those in Fig. 1, the same reference numerals have been used in Fig. 2, but with a small dash.

In Fig. 2 ist der Elektrolysezellenblock 2' ebenfalls mit einer Druckkapsel 10' an einer gemeinsamen, statisch steifen Platte 9' in Leichtbauweise versehen, allerdings ist hier eine Spülung mit Stickstoff vorgesehen, was mit den Pfeilen 30 angedeutet ist. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, daß hier die Separatoren 3' und 4' in jeweils zwei Separatorräume eingeteilt sind, und zwar im wesentlichen einen unteren, teilweise mit Elektrolyt gefüllten Separatorraum 31 und einen oberen Separatorraum 3 2 bzw. einen unteren Separatorraum 41 und einen oberen Separator-In Fig. 2, the electrolysis cell block 2' is also provided with a pressure capsule 10' on a common, statically rigid plate 9' in lightweight construction, but here a flushing with nitrogen is provided, which is indicated by the arrows 30. A significant difference is that here the separators 3' and 4' are each divided into two separator chambers, namely essentially a lower separator chamber 31 partially filled with electrolyte and an upper separator chamber 3 2 or a lower separator chamber 41 and an upper separator chamber 42.

PB 16 969.PB16 969.

raum 42. Die Füllstände der jeweiligen Flüssigkeit sind dabei mit kleinen Flüssigkeitsstandssymbolen angedeutet.room 42. The fill levels of the respective liquids are indicated by small liquid level symbols.

Hier tritt das Speisewasser, gefördert von einer Pumpe 3 in die obere Tauchung 34 wie in den oberen Separatorraum 3 2 des Sauerstoffseparators 3' von dort über eine Leitung 3 5 und eine Vorlage 36 und eine weitere Leitung 3 7 in den oberen Separatorraum 42 des Wasserstoffseparators 4'.Here, the feed water, pumped by a pump 3, enters the upper immersion 34 as well as the upper separator chamber 3 2 of the oxygen separator 3', from there via a line 3 5 and a reservoir 36 and a further line 3 7 into the upper separator chamber 42 of the hydrogen separator 4'.

Die Vorlage 36 ist in ähnlicher Weise gestaltet wie die Vorlage 6 beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, d. h. auch hier ist über eine entsprechende Regelung 38 mit einem Ventil 39 eine Über-Dach-Entlüftung 25' möglich.The template 36 is designed in a similar way to the template 6 in the embodiment according to Fig. 1, i.e. here too, an over-roof ventilation 25' is possible via a corresponding control 38 with a valve 39.

Bei normalem Betrieb ist das zu zersetzende Speisewasser dann vom oberen Separatorraum 42 über eine Tauchung 4 3 dem unteren Separatorraum 41 zuführbar und über die Leitung dem weiteren System.During normal operation, the feed water to be decomposed can then be fed from the upper separator chamber 42 via a dip 43 to the lower separator chamber 41 and via the line to the rest of the system.

Die über die Leitungen 45 bzw. 46 strömenden Sauerstoffbzw. Wasserstoffgase werden von den unteren Separatorräumen 31 bzw. 41 über entsprechende Tauchungen 47 bzw. 48 den jeweils oberen Separatorräumen 31 bzw. 42 zugeführt, wobei automatisch eine Durchströmung des Speisewasservolumens erfolgt, das zu einer zusätzlichen Reinigung führt. Jeweils gekreuzt sind Entnebler bzw. Aerosolabscheider vorgesehen, um möglichst trockene Gase zum weiteren Ver-The oxygen or hydrogen gases flowing through lines 45 or 46 are fed from the lower separator chambers 31 or 41 via corresponding immersions 47 or 48 to the upper separator chambers 31 or 42, automatically flowing through the feed water volume, which leads to additional cleaning. Defoggers or aerosol separators are provided in a crossed pattern in order to obtain the dryest possible gases for further use.

brauch zu erreichen.need to reach.

Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist auch das Vorsehen der katalytischen Reiniger 50 bzw. 51, über deren Temperatur mittels einer entsprechenden Steuerung 5 2 bzw. 5 3 die Anlage überwacht werden kann.Also essential for the present invention is the provision of the catalytic cleaners 50 and 51, the temperature of which can be used to monitor the system by means of a corresponding control 5 2 and 5 3 .

Die jeweilige Steuerung ist dabei so getroffen, daß bei Erreichen unzulässig hoher Temperaturen, beispielsweise in den katalytischen Gasreinigern eine Über-Dach-Entlüftung der jeweiligen Gasräume in den entsprechenden Separatoren erfolgt mit gleichzeitiger Abschaltung des Elektrolysezellenblockes .The respective control is designed in such a way that when unacceptably high temperatures are reached, for example in the catalytic gas cleaners, the respective gas spaces in the corresponding separators are vented above the roof and the electrolysis cell block is switched off at the same time.

Claims

Expectations:

1. Electrolysis device with an electrolysis cell block and electrolyte supply and gas discharge lines, wherein the electrolysis cell block is surrounded in a pressure-tight manner by an encapsulation flushed by a fluid, characterized in that

that the electrolyte supply and gas discharge lines (20, 19, 22) of the cell block (2) with the encapsulation (10) are arranged on a common pressure plate (9), the pressure plate (9) being designed as a statically rigid plate.

2. Device according to claim 1,
characterized,

that a feed water reservoir (5) is arranged above separators (3,4), with an overflow line (15) acting on the liquid sump of the oxygen electrolysis separator (3) arranged below.

3. Device according to claim 1 or 2,
characterized,

that the volume of the oxygen separator (3) is half as large as the volume of the hydrogen separator (4).

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in

that the liquid sumps (3b or 4b) of the separators (3 or 4) are connected to one another via a U-shaped pipe (18, 21) for the free displacement of their liquid volumes, whereby a reservoir (6) with a float valve (23) and over-the-roof vent line (25) is arranged at the lowest point of the U-pipe (18, 21).

5. Device according to claim 4,
characterized,

that the liquid supply line (20) from the reservoir (6) to the electrolysis cell block (2) is provided.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in

that two vertically arranged separators (3', 4') with two separate separator spaces (31,32) and (41,42) respectively are arranged above the electrolysis cell block (2').

7. Device according to claim 5,
characterized,

that feed water sumps are provided in the upper separator chambers (32, 42) which are equipped with a feed water reservoir (36) with a level controller (38) with valves (39) and over-roof ventilation (25').

8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that catalytic gas cleaners (50, 51) are provided in the clean gas discharge lines.

9. Device according to claim 8, characterized in that the gas cleaners (50, 51) are provided with a temperature monitoring device (53).

16 969.16 969.