Technisches Gebiet

Die vorstehende Erfindung betrifft einen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildeten Druckelektrolyseur, insbesondere einen Hochdruck-Elektrolyseur, etwa einen alkalischen Elektrolyseur zur Wasserelektrolyse. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Elektrolyseanlage, insbesondere eine Wasserelektrolyse-Anlage, mit einem diesbezüglichen Druckelektrolyseur, und ein Elektrolyseverfahren, welches in dem Elektrolyseur durchgeführt wird.

Stand der Technik

Elektrolyseure, welche unter einem gegenüber dem atmosphärischen Druck erhöhten Druck arbeiten, sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2014 010 813 A1 sowie EP 1 464 730 A1 bekannt. Diese Druckelektrolyseure haben aus Gründen der mechanischen Integrität eine drucktragende Rahmenkonstruktion zum Schutz des Elektrolyseblocks, also zum Schutz des Zellenstapels mit Elektrolysezellen. Bekannte Druckelektrolyseure führen eine Elektrolyse bei einem Druck von etwa 20 bis 50 bar durch.

Die Druckschrift DE 44 18 999 A1 offenbart einen Druckelektrolyseur mit einem Zellenblock, der in ein zylindrisches Druckrohr eingebaut ist. Das Druckrohr ist an seinen Enden durch Endflansche verschlossen, die gleichzeitig die Endflansche des Zellenblocks sind. Auf diese Weise herrschen innerhalb und ausserhalb der Zellräume der Elektrolysezellen die gleichen Druckverhältnisse. Bei diesem Elektrolyseur werden sowohl die innere Abdichtung der Elektrolysezellen als auch die äussere Abdichtung des Rohrdruckbehälters durch eine Axialdichtung vorgenommen. Daher muss der Elektrolyseur mit sehr engen Toleranzen arbeiten. Diese Axialdichtung ermöglicht ein ordnungsgemässes Abdichten des Elektrolyseurs nur bei einem relativ niedrigen Arbeitsdruck der Elektrolysezellen.

Aus Figur 4 der Druckschrift EP 0 212 240 A1 ist ein Druckelektrolyseur bekannt, bei welchem die Endflansche des Zellenblocks in eine gemeinsame Dichtung eingegossen sind. Diese Dichtung dient sowohl dazu, die Elektrolysezellen voneinander abzudichten als auch dazu, den Innenraum des Druckbehälters gegenüber der Umgebung abzudichten. Aufgrund der hohen Druckbelastung muss diese Dichtung sehr stark ausgebildet sein, um den auf sie wirkenden Druckverhältnissen standzuhalten.

Druckelektrolyseure, welche eine Elektrolyse unter hohem Druck, zum Beispiel unter einem Druck von mindestens 200 bar, etwa von 350 bar oder 700 bar, durchführen, werden als Hochdruck-Elektrolyseure bezeichnet. Mittels eines Hochdruck-Elektrolyseurs kann beispielsweise komprimierter Wasserstoff, der als Treibstoff oder als Energieträger nutzbar ist, bereitgestellt werden.

Ein nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildeter Druckelektrolyseur ist aus der Druckschrift US 2011/0210012 A1 bekannt. Dieser Druckelektrolyseur ist ein Hochdruck-Elektrolyseur und dient zur Herstellung von Wasserstoff. Um den Elektrolyseblock vor druckbedingten mechanischen Belastungen zu schützen, lehrt die Druckschrift US 2011/0210012 A1 den Zellenstapel, den so genannten Stack des Elektrolyseurs, in einem, gegenüber dem Umgebungsdruck abgedichteten und mit dem Arbeitsdruck des Elektrolyseurs beaufschlagten, becherförmigen Druckbehälter anzuordnen. Dabei formt eine Abschlussendplatte des Zellenstapels einen stationären Kopf, welcher einstückig mit einem Deckel des becherförmigen Druckbehälters ausgebildet ist und mit elektrischen Anoden- und Kathodenanschlüssen ausgestattet ist. Die zweite Abschlussendplatte des Zellenstapels formt einen wandernden Kopf, welcher sich in Antwort auf eine thermisch bedingte Ausdehnung oder Kontraktion der Elektrolysezellen frei in Längsrichtung relativ zum stationären Kopf bewegen kann. Um die Zellrahmen der jeweiligen Elektrolysezellen voneinander abzudichten, weisen diese interne O- Ringdichtungen auf, welche die Zellrahmen umrandenden. Um den Innenraum des Druckbehälters vom Umgebungsdruck zu trennen, sind des Weiteren externe Dichtungen vorgesehen, welche axial zwischen dem stationären Kopf und einer Anodenplatte des Zellenstapels verspannt sind (Figur 2 der US 2011 /0210012 A1 ). Nachteilig an diesem System ist, dass dieses komplex aufgebaut ist und auf die Anodenplatte des Zellenstapels aufgrund des vorliegenden Druckunterschieds starke mechanische Kräfte wirken.

US4210511 offenbart einen Druckelektrolyseur mit einem Zellenblock, der in einem zylindrischen Rohrdruckbehälter eingebaut ist. Der Rohrdruckbehälter umfasst ein Druckrohr und zwei Endflansche, welche jeweils ein Ende des Druckrohrs in Gebrauchsstellung verschliessen. Die Endflansche weisen axiale Durchgänge für Gewindestangen auf, welche Gewindestangen die Endflansche mittels aufgesetzter Muttem die Elektrolysezellen axial zwischen den Endflanschen verspannen. Um einen Kurzschluss zwischen den Polen des Zellenblocks zu verhindern, sind Scheiben aus elektrisch isolierendem Material zwischen den Muttern und den Endflanschen vorgesehen. Die Scheiben ermöglichen gleichzeitig eine Zentrierung der Gewindestangen in den jeweiligen Durchgängen, sodass ein radialer Freiraum zwischen den Gewindestangen und den Endflanschen gewährleistet ist. An jedem Ende weist die Stirnwand des Druckrohrs eine in Umfangsrichtung verlaufende, radial zum Inneren des Druckrohrs hin offene Aufnahmenut auf. Die Endflansche weisen jeweils einen axial abstehenden, eine Radialdichtung tragenden Vorsprung auf, welcher Vorsprung in Gebrauchsstellung dazu bestimmt ist, in die Aufnahmenut dichtend aufgenommen zu werden. Zwischen den Endflanschen und dem Zellenblock ist jeweils eine Halteplatte vorgesehen, welche in Gebrauchsstellung die Zellen des Zellenblocks in axialer Richtung hält und gleichzeitig in Kontakt mit dem Boden der Aufnahmenut kommt. Wenn die Endflansche gegeneinandergedrückt werden, kommt die nach innen gerichtete Oberfläche der Vorsprünge jeweils in festen Kontakt mit den Halteplatten, so dass jede Halteplatte gegen den jeweiligen Boden der Aufnahmenut in Kontakt kommt und die Zellen zusammenhält. Bei diesem Elektrolyseur werden die innere Abdichtung der Elektrolysezellen durch eine Axialdichtung und die äussere Abdichtung des Rohrdruckbehälters durch eine Radialdichtung vorgenommen. Der Aufbau des Elektrolyseurs erfordert eine Bearbeitung der Stirnwände, insbesondere die Anfertigung der Aufnahmenut, welche enge Toleranzen erfordert. Die Aufnahmenut muss nämlich einen gleichzeitigen axialen Kontakt der Halteplatte mit dem Boden der Aufnahmenut und mit dem Zellenblock erlauben. Ferner muss der Elektrolyseur mit sehr engen Toleranzen arbeiten, insbesondere die Dickentoleranz der Zellen, um diesen Kontakt zu ermöglichen und in Betrieb aufrechtzuerhalten, sodass die mechanische Belastung der Halteplatten und der äusseren Abdichtung keinen Verlust der Dichtheit verursachen. In Betrieb erfährt der Elektrolyseur eine Temperaturerhöhung, welche eine Ausdehnung der Zellen verursacht, sodass eine weitere Belastung der Halteplatten erfolgt. Dabei können die Scheiben aus isolierendem Material mechanisch leiden und mit der zeit beschädigt werden.

CN104911626B offenbart einen Druckelektrolyseur zur Wasserstofferzeugung, welcher eine positive Endplatte und eine negative Endplatte umfasst. Flache zylindrische Dichtungen und Zellrahmenbaugruppen sind versetzt zwischen der positiven Endplatte und der negativen Endplatte angeordnet. Gewindestangen werden durch die positive Endplatte und die negative Endplatte geführt, um die kombinierte Dichtung und die Zellrahmenbaugruppen zu verspannen. Die Abdichtung gegen dem Umgebungsdruck erfolgt über die flachen zylindrischen Dichtungen in axialer Richtung. Im Unterschied zu dem in US4210511 offenbarte Druckelektrolyseur ist der Zellenblock des Druckelektrolyseurs nicht in einem zylindrischen Rohrdruckbehälter eingebaut. Aus diesem Grund sind die Zellrahmenbaugruppen einer hohen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt, wenn ein hoher Arbeitsdruck anliegt.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzulänglichkeiten sowie unter Würdigung des umrissenen Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Druckelektrolyseur der eingangs genannten Art, so weiterzubilden, dass der Druckelektrolyseur möglichst einfach und kostengünstig herstellbar ist. Zudem soll der Druckbehälter auf einfache Weise zuverlässig und langlebig gegenüber dem Umgebungsdruck abdichten. Insbesondere soll der Druckelektrolyseur derart ausgebildet sein, dass die auf die internen Dichtungen sowie auf die externe Dichtung wirkenden mechanischen Kräfte möglichst gering sind und der Druckelektrolyseur möglichst wenige separate Einzelteile aufweist. Ferner soll der Druckelektrolyseur eine zuverlässige und langlebige Isolation aufweisen, welche Kurzschlüsse verhindert

Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolyseanlage umfassend den Druckelektrolyseur sowie ein Verfahren zur Bereitstellung mindestens eines Gasprodukts mittels Elektrolyse, welches Verfahren im Druckelektrolyseur durchgeführt wird, bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch einen Druckelektrolyseur mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, eine Elektrolyseanlage mir den im Anspruch 14 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren mit den im Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmässige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung betrifft einen Druckelektrolyseur zur Bereitstellung mindestens eines Gasprodukts, aufweisend einen Zellenstapel mit mehreren, zur elektrochemischen Elektrolyse ausgebildeten, Elektrolysezellen und einen gegenüber dem Umgebungsdruck abgedichteten Druckbehälter.

Vorzugsweise ist der Druckelektrolyseur dazu bestimmt, die Elektrolyse von Wasser in seine Elemente Sauerstoff und Wasserstoff durchzuführen, welche als Gasprodukte entstehen.

Die Elektrolysezellen sind in einer axialen Richtung in Reihe geschaltet und zwischen einer ersten Stapelendplatte und einer weiteren Stapelendplatte verspannt. Zudem weisen die Elektrolysezellen jeweils einen Hohlraum auf, in welchem ein Arbeitsdruck anliegt, sowie einen den Hohlraum umgebenden stabilisierenden Zellrahmen auf.

Im Zellenstapel ist jeweils zwischen zwei Zellrahmen eine interne Dichtung angeordnet, wobei die internen Dichtungen die jeweiligen Hohlräume der Elektrolysezellen umlaufen und gegenüber der Umgebung der Elektrolysezellen abdichten. Die internen Dichtungen sind in axialer Richtung zwischen den Zellrahmen angeordnet und zwischen den Stapelendplatten verspannt.

Der vorzugsweise zylinderförmige Druckbehälter weist einen druckfesten, an seinem jeweiligen axialen Ende eine Stirnwand aufweisenden Gehäusekörper sowie als Deckfläche die erste Stapelendplatte und als Grundfläche die weitere Stapelendplatte auf. Der Gehäusekörper ist zwischen der ersten Stapelendplatte und der weiteren Stapelendplatte eingespannt, und weist mindestens eine zum Abdichten des Innenraums des Druckbehälters gegenüber dem Umgebungsdruck ausgebildete externe Dichtung auf.

Der Zellenstapel ist im Innenraum des Druckbehälters in einem Arbeitsabschnitt des Gehäusekörpers aufgenommen, in welchem Druckbehälter der Arbeitsdruck der Elektrolysezellen anliegt.

Mindestens eine von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte weist einen axialen Endplattenvorsprung auf. Mit anderen Worten weisen die erste Stapelendplatte oder die weitere Stapelendplatte oder beide Stapelendplatten einen axialen Endplattenvorsprung auf. Zudem ist die externe Dichtung in radialer Richtung zwischen dem Gehäusekörper und einem Dichtungsabschnitt des Endplattenvorsprungs verspannt.

Erfindungsgemäss weist der Dichtungsabschnitt einen Querschnitt auf, welcher, in Gebrauchsstellung, dem Querschnitt des Arbeitsabschnitts eingeschrieben ist. Ferner ragt der Dichtungsabschnitt in den Arbeitsabschnitt des Gehäusekörpers. Zudem weist der Endplattenvorsprung an seiner dem Zellenstapel zugewandten Seite eine Stempelfläche auf, welche in Gebrauchsstellung des Druckelektrolyseurs den Zellenstapel in axialer Richtung drückt, um den Zellenstapel zwischen der ersten und der weiteren Stapelendplatte einzuspannen.

Konkret umfasst die mindestens eine von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte eine Schliessplatte, welche als Deckfläche oder als Grundfläche wirken kann, und den Endplattenvorsprung, welcher axial nach innen von der Schliessplatte absteht und in den Arbeitsabschnitt ragt.

Um die Elektrolysezellen in axialer Richtung zwischen den Stapelendplatten zu verspannen, weist der Druckelektrolyseur vorteilhafterweise Befestigungselemente oder Befestigungsstäbe auf, welche die Stapelendplatten miteinander verspannen. Beispielsweise können die Befestigungselemente als Zuganker Gewindestangen aufweisen, welche mittels aufgesetzter Muttem die Elektrolysezellen axial zwischen den Stapelendplatten verspannen. Bevorzugt sind die Befestigungselemente von der ersten Stapelendplatte und der weiteren Stapelendplatte elektrisch isoliert.

Dadurch, dass der Dichtungsabschnitt des Endplattenvorsprungs einen Querschnitt aufweist, welcher, in Gebrauchsstellung, dem Querschnitt des Arbeitsabschnitts eingeschrieben ist, kann der Dichtungsabschnitt in den Druckbehälter eingeschoben werden. Dabei ragt der Endplattenvorsprung in den Druckbehälter mindestens um eine Einführlänge des Endplattenvorsprungs. Vorliegend definiert der Querschnitt den rechtwinklig zur axialen Richtung verlaufenden Querschnitt.

Der in den Arbeitsabschnitt des Gehäusekörpers ragende Endplattenvorsprung erlaubt eine grössere Toleranz beim Aufbau des Druckelektrolyseurs, insbesondere bei der Dickentoleranz der Elektrolysezellen. Der Endplattenvorsprung kann nämlich mehr oder weniger in den Gehäusekörper je nach Abweichung zur Nenndicke des Zellenstapels ragen. Dies erfolgt, ohne die Dichtheit zu gefährden, weil die externe Dichtung radial zwischen dem Dichtungsabschnitt des Endplattenvorsprungs und dem Gehäusekörper angeordnet ist.

Ferner kann die Dichtheit des Druckbehälters unabhängig von der Ausbildung der Stirnwände des Gehäusekörpers sichergestellt werden, weil die externe Dichtung in Gebrauchsstellung im Arbeitsabschnitt und nicht zwischen den Stirnwänden und der Schliessplatte ausgebildet ist.

In einer Ausführungsform ist die eine von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte integral und einstückig ausgebildet, d.h. der Endplattenvorsprung und die Schliessplatte bilden eine untrennbare Einheit, bevorzugt aus einem einzigen Material.

Ein Druckelektrolyseur kann hundert oder mehr Elektrolysezellen umfassen, welche jeweils eine Nenndicke und eine Dickentoleranz aufweisen. Folglich wird die Dickentoleranz um einen Faktor hundert oder mehr multipliziert, wenn die Gesamtdicke des Zellenstapels berechnet wird. Bei einer Dickentoleranz der Elektrolysezellen von +/- 0.1 mm bedeutet dies ein Abmass, d.h. eine Abweichung vom Nennmass, von +/- 10 mm für den Zellenstapel. Da der Endplattenvorsprung in den Arbeitsabschnitt des Gehäusekörpers ragt, kann er je nach Abmass mehr oder weniger ragen, während dessen Stempelfläche den Zellenstapel in axialer Richtung drückt. Der Endplattenvorsprung kann somit das Abmass des Zellenstapels ausgleichen. Dabei bleibt der Arbeitsdruck im Druckbehälter aufrechterhalten, weil die externe Abdichtung in radialer Richtung zwischen dem Gehäusekörper und dem Endplattenvorsprung verspannt ist. Bei der Herstellung ist folglich eine grössere Dickentoleranz erlaubt. Dies ist vorteilhaft, weil die Herstellung der Elektrolysezellen entsprechend vereinfacht wird und somit günstiger ist.

Dies ist in einem Druckelektrolyseur wie bspw. in US4210511 nicht möglich, obwohl die externe Dichtung zwischen jeweils einem Endplattenvorsprung der Stapelendplatten in axialer Richtung erfolgt. In US4210511 ist der Endplattenvorsprung nämlich dazu bestimmt, in eine Aufnahmenut der Stirnwand aufgenommen zu werden, in welcher der Endplattenvorsprung eine Halteplatte in axialer Richtung gegen den Boden der Aufnahmenut in Gebrauchsstellung drückt. Gleichzeitig muss die Halteplatte die Elektrolysezellen des Zellenblocks in axialer Richtung halten. Dieser Aufbau erfordert Elektrolysezellen, welche eine sehr kleine Dickentoleranz haben. Ansonsten können die Elektrolysezellen bei einem zu grossen unteren Abmass des Zellenblocks nicht mehr durch die Halteplatten gehalten werden. In diesem Fall entsteht eine Lücke zwischen dem Zellenblock und den Halteplatten, welche die Dichtheit der internen Dichtung beeinträchtigt. Umgekehrt kommen die Halteplatten nicht mehr in Anlage mit dem jeweiligen Boden der Aufnahmenut bei einem zu grossen oberen Abmass des Zellenblocks.

Vorliegend ist die Nenndicke des Zellenstapels die Summe der Nenndicken der Elektrolysezellen. Das Abmass des Zellenstapels ist die kumulierte Abweichung der Dicken der Elektrolysezellen zur ihrer Nenndicke. Das obere Abmass des Zellenstapels ist die höchste positive Toleranz, d.h. die maximale positive Abweichung zur Nenndicke. Dies kommt vor, wenn jede Elektrolysezelle die maximale positive Abweichung zu ihrer Nenndicke aufweist. Das untere Abmass des Zellenstapels ist die höchste negative Toleranz, d.h. die maximale negative Abweichung zur Nenndicke. Die Nenndicke plus das obere Abmass ergibt das Höchstmass, d.h. die maximale Dicke des Zellenstapels. Die Nenndicke minus das untere Abmass ergibt das Mindestmass, d.h. die minimale Dicke des Zellenstapels.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Endplattenvorsprung über seine axiale Gesamtlänge einen Querschnitt auf, welcher in Gebrauchsstellung dem Querschnitt des Arbeitsabschnitts eingeschrieben ist. Die Herstellung des Endplattenvorsprungs ist folglich vereinfacht. Ferner kann der Endplattenvorsprung ggf. über seine Gesamtlänge in den Arbeitsabschnitt eingeführt werden, wodurch grössere Dickentoleranzen ausgeglichen werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Stempelfläche senkrecht zur axialen Richtung ausgerichtet, um eine parallel zu den Elektrolysezellen verlaufende Stempelfläche zu haben, welche den Zellenstapel homogen drücken kann.

Bevorzugt ist die Stempelfläche in direktem Kontakt mit der dem Stempelfläche zugewandten Elektrolysezelle, um Schnittstellen zu vermeiden.

Zudem basiert die vorliegende Erfindung darauf, den Zellenstapel in einem als geschlossenes Druckabteil ausgebildeten Druckbehälter anzuordnen und zwischen zwei Stapelendplatten einzuspannen, wobei mindestens eine zum Abdichten des Innenraums des Druckbehälters gegenüber dem Umgebungsdruck ausgebildete externe Dichtung derart angeordnet ist, dass die Kräfte, welche den Zellenstapel einspannen und die Kräfte, welche die externe Dichtung verspannen, in unterschiedlicher Richtung wirken. Bei der vorliegenden Erfindung sind also die auf den Zellenstapel wirkenden Kräfte sowie die auf die externe Dichtung wirkenden Kräfte unterschiedlich ausgerichtet und somit gleichmässiger verteilt, wodurch die Anforderungen an die Stabilität des Zellenstapels sowie an die Stabilität der externen Dichtung geringer sind und diese aus einer grösseren Auswahl an Materialien angefertigt werden können. Dies hat auch den Vorteil, dass die Elektrolysezellen frei von der externen Dichtung sind und somit einfacher herzustellen sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Endplattenvorsprung einen Innenabschnitt und einen Aussenabschnitt. In Gebrauchsstellung ist der Innenabschnitt im Gehäusekörper angeordnet und kommt mit dem Zellenstapel in Kontakt. Der Dichtungsabschnitt ist ein Teil des Innenabschnitts. Ferner ist in Gebrauchsstellung der Aussenabschnitt ausserhalb des Gehäusekörpers angeordnet und dazu bestimmt, einen axialen Luftspalt zwischen der Stirnwand des Gehäusekörpers und der m indestens einen von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte zu bilden.

Der axiale Luftspalt zwischen dem Gehäusekörper, insbesondere dessen Stirnwand, isoliert elektrisch den Gehäusekörper von der mindestens einen von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte in axialer Richtung. In radialer Richtung isoliert elektrisch die durch die zwischen dem Endplattenvorsprung und dem Gehäusekörper angeordnete externe Dichtung den Gehäusekörper von der mindestens einen von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte. Somit ist eine Isolation der Befestigungselemente, welche die erste Stapelendplatte und die weitere Stapelendplatte miteinander verspannen, nur noch bei der ersten Stapelendplatte oder der weiteren Stapelendplatte nötig. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Endplattenvorsprung durch ein elektrisch isolierendes Stützelement vom Gehäusekörper elektrisch isoliert. Das Stützelement unterstützt eine koaxiale Anordnung der Gehäusekörpers zum Endplattenvorsprung. Dies bewirkt zudem, dass ein Kurzschluss zwischen dem Gehäusekörpers und dem Endplattenvorsprung zuverlässiger verhindert wird. Das Stützelement verläuft radial zwischen dem Endplattenvorsprung und dem Gehäusekörper und vorzugsweise liegt der externen Dichtung axial direkt an, um ein Verrutschen der externen Dichtung zu verhindern.

Der axiale Abschnitt des Druckbehälters, in welchem der Zellenstapel in Gebrauchsstellung angeordnet ist, definiert den Arbeitsabschnitt des Druckbehälters. Der Arbeitsabschnitt erstreckt sich über eine axiale Länge, welche mindestens der Summe der Nenndicke des Zellenstapels, des oberen Abmasses des Zellenstapels und einer axialen Reservelänge entspricht.

Die Reservelänge ist dazu bestimmt den Innenabschnitt des Endplattenvorsprungs in den Gehäusekörper aufzunehmen, sodass der Endplattenvorsprung, insbesondere dessen Stempelfläche, mit dem Zellenstapel in Gebrauchsstellung in Kontakt kommt. Dabei liegt mindestens der Dichtungsabschnitt im Arbeitsabschnitt. Je nach tatsächlichem Abmass des Zellenstapels, kann die dem oberen Abmass entsprechenden Länge ebenfalls dazu bestimmt sein, den Innenabschnitt des Endplattenvorsprungs aufzunehmen.

Eine axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs umfasst die Einführlänge, welche dem Innenabschnitt entspricht, und kann eine Restlänge umfassen, welche einem sich ausserhalb des Gehäusekörpers erstreckenden Aussenabschnitt des Endplattenvorsprungs entspricht. Die axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs erstreckt sich von der Stempelfläche bis zum Fuss des Endplattenvorsprungs, welcher Fuss sich auf der Höhe der Schliessplatte befindet.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs derart berechnet, dass ein axialer Luftspalt zwischen der Schliessplatte und der entsprechenden Stirnwand des Gehäusekörpers in Gebrauchsstellung vorhanden ist. Dies ermöglicht eine elektrische Isolation zwischen dem Gehäusekörper und der Stapelendplatte.

Die axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs ist mindestens so gross wie die Summe des unteren Abmasses des Zellenstapels, um sicherzustellen, dass der Endplattenvorsprung mit dem Zellenstapel in Kontakt kommt, und der Dicke des Dichtungsabschnitts, um sicherzustellen, dass der Dichtungsabschnitt im Arbeitsabschnitt zur Dichtheit des Druckbehälters liegt. In Gebrauchsstellung ist die Einführlänge des Endplattenvorsprungs davon abhängig, wie gross das tatsächliche Abmass des Zellenstapels ist.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass die Reservelänge zudem so berechnet sein kann, dass optional weitere Elektrolysezellen in den Zellenstapel aufgenommen werden können. In einer solchen Ausführungsform wird die axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs so berechnet, dass der Endplattenvorsprung mit dem Zellenstapel in Gebrauchsstellung in Kontakt kommt.

Ferner sei noch erwähnt, dass die Gebrauchsstellung des Druckelektrolyseurs einem montierten Zustand des Druckelektrolyseurs entspricht.

Der Arbeitsabschnitt weist einen Querschnitt auf, welcher die Aufnahme des Zellenstapels ermöglicht. Dabei ist der Querschnitt des Zellenstapels dem Querschnitt des Arbeitsabschnitts eingeschrieben, wobei ein radialer Abstand zwischen einer inneren Mantelfläche des Gehäusekörpers und dem Zellenstapel über den ganzen Umfang des Zellenstapels vorhanden sein kann. Dies erlaubt eine elektrische Isolation zwischen dem Zellenstapel und dem Gehäusekörper.

Vorzugsweise weist der Arbeitsabschnitt denselben Querschnitt über seine Länge auf. Besonders bevorzugt weist der Gehäusekörper denselben Querschnitt wie der Querschnitt des Gehäusekörpers über die ganze Länge des Gehäusekörpers auf. Somit ist die Herstellung des Gehäusekörpers vereinfacht und folglich kostengünstiger. In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Arbeitsabschnitt über eine axiale Gesamtlänge des Gehäusekörpers. Somit kann der Zellenstapel flexibel in den Gehäusekörper angeordnet sein. Dabei kann der Querschnitt des Gehäusekörpers über seine Gesamtlänge gleichbleiben.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Endplattenvorsprung denselben Querschnitt wie der Querschnitt der Elektrolysezellen auf. In dieser Ausführungsform wird sichergestellt, dass der Zellenstapel homogen in axialer Richtung vom Endplattenvorsprung gedrückt wird.

Vorzugsweise ist der Gehäusekörper zylinderförmig, besonders bevorzugt kreiszylindrisch ausgebildet, um eine radiale Verteilung der durch den Arbeitsdruck ausgeübte Kräfte zu gestalten. In der kreiszylindrischen Ausführungsform bildet der Querschnitt des Gehäusekörpers einen kreisförmigen Querschnitt, welcher denselben Durchmesser über die axiale Länge des Gehäusekörpers aufweist. Ferner weist der Endplattenvorsprung einen Querschnitt auf, welcher, in Gebrauchsstellung, dem kreisförmigen Querschnitt des Arbeitsabschnitts eingeschrieben ist. Konkret ist die längste Dimension des Querschnitts des Endplattenvorsprungs kleiner als der Durchmesser des kreisförmigen Querschnitts.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Endplattenvorsprung kreiszylindrisch als eine kreisförmige, axial zentrierte Scheibe ausgebildet, welche in Gebrauchsstellung mindestens teilweise in den Arbeitsabschnitt ragt. In dieser Ausführungsform wird sichergestellt, dass der Zellenstapel homogen in axialer Richtung vom Endplattenvorsprung gedrückt wird.

Vorzugsweise erstreckt sich der Arbeitsabschnitt über die ganze Länge des Gehäusekörpers, sodass der Gehäusekörper möglichst viele Elektrolysezellen aufnehmen kann.

Bevorzugt wirken bei dem vorliegenden Druckelektrolyseur die internen Dichtungen in axialer Richtung und die externe Dichtung in radialer Richtung, d.h. die internen Dichtungen dichten in axialer Richtung und die externen Dichtungen dichten in radialer Richtung ab. Mit anderen Worten sind die auf die internen Dichtungen wirkenden Kräfte in Richtung der Längsachse des Gehäusekörpers des Druckbehälters, beispielsweise horizontal, ausgerichtet. Die auf die externe Dichtung wirkenden Kräfte sind in Richtung des Radius des Gehäusekörpers des Druckbehälters, also in radialer Richtung, ausgerichtet. Aufgrund dieser unterschiedlichen Ausrichtung der internen Dichtungen und der externen Dichtung, verringert sich insgesamt die auf diese Dichtungen wirkende mechanische Belastung. Dies bewirkt, dass die Dichtungen, also die internen Dichtungen sowie die externen Dichtungen, auch bei sehr hohen Druckverhältnissen ihre Dichtfunktion zuverlässig erfüllen, aus kostengünstigem Material herstellbar und langlebig ausgebildet sind.

Der Druckbehälter ist aus den zwei Stapelendplatten des Zellenstapels sowie einer rohrartigen oder mantelflächenartigen Gehäusegeometrie geformt, welche den Gehäusekörper bildet und mit den Endplatten, auch Stapelendplatten genannt, des Elektrolysezellenstapels druckdicht verbunden ist.

Da Grund- und Deckfläche des Druckbehälters aus Endplatten des Zellenstapels gebildet sind, ist der Druckbehälter besonders einfach aufgebaut und weist sehr wenige Einzelteile auf. Dabei kann die erste Stapelendplatte an ihrem den Elektrolysezellen zugewandten Bereich, insbesondere in einem als Stempelfläche ausgebildeten Bereich, als anodische Endplatte ausgebildet sein und die weitere Stapelendplatte an ihrem den Elektrolysezellen zugewandten Bereich als kathodischen Endplatte ausgebildet sein oder umgekehrt. Dabei ist die elektrische Isolation des Druckelektrolyseurs derart ausgebildet, dass ein elektrischer Strom zwischen den Endplatten fliessen kann, wobei durch bspw. Befestigungselemente oder den Gehäusekörper verursachte, mögliche elektrische Kurschlüsse vermieden werden.

Die anodische Endplatte und/oder die kathodische Endplatte können zweigeteilt sein, wie dies unten näher beschrieben ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die erste Stapelendplatte und die weitere Stapelendplatte jeweils einen Endplattenvorsprung auf. Dies erlaubt einen symmetrischen Aufbau des Druckelektrolyseurs. Vorzugsweise ist der Endplattenvorsprung gleich für die erste Stapelendplatte und die weitere Stapelendplatte ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die erste Stapelendplatte und die weitere Stapelendplatte gleich ausgebildet, sodass nur eine einzige Stapelendplatte konzipiert werden muss, welche für beide Ende des Gehäusekörpers passen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Stapelendplatte oder die weitere Stapelendplatte einen Endplattenvorsprung auf. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass nur eine Stapelendplatte, bspw. die erste Stapelendplatte, bearbeitet werden muss, um den Endplattenvorsprung auszubilden. Die weitere Stapelendplatte kann mit dem Gehäusekörper dichtend über eine zwischen der entsprechenden Stirnwand des Gehäusekörpers und der weiteren Stapelendplatte angeordnete externe Dichtung verbunden sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Stempelfläche direkt der der Stempelfläche zugewandten Elektrolysezelle an. Somit kann eine kompakte Ausführungsform des Druckelektrolyseurs hergestellt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte die erste Stapelendplatte, welche erste Stapelendplatte lösbar mit dem Gehäusekörper verbindbar und dazu ausgebildet ist, eine axiale Öffnung des Gehäusekörpers druckdicht zu verschliessen. Das heisst, nur eine von den zwei Stapelendplatten weist einen Endplattenvorsprung auf, vorliegend die erste Stapelendplatte, wobei die externe Dichtung in radialer Richtung zwischen dem Gehäusekörper und dem Endplattenvorsprung verspannt ist. Die weitere Stapelendplatte ist integral und druckdicht mit dem Gehäusekörper ausgebildet. Integral ist so zu verstehen, dass der Gehäusekörper und die weitere Stapelendplatte miteinander verbunden sind, um ein einzelnes komplettes Stück zu bilden. Bspw. können der Gehäusekörper und die weitere Stapelendplatte dicht zusammengeschweisst werden. Der Druckbehälter kann somit möglichst einfach ausgebildet werden, weil keine externe Dichtung auf dieser Seite nötig ist. In einer bevorzugten Ausführungsform umläuft die externe Dichtung den Aussenumfang des Endplattenvorsprungs, welcher Endplattenvorsprung im Dichtungsabschnitt vorzugsweise eine umlaufende Dichtungsnut zur Aufnahme der externen Dichtung aufweist. Die Herstellung der Dichtungsnut im Endplattenvorsprung, insbesondere im Dichtungsabschnitt des Endplattenvorsprungs, ist weniger aufwändig als in der inneren Wand des Gehäusekörpers. Ferner kann die Wanddicke des Gehäusekörpers dünner gewählt werden, wenn die Dichtungsnut im Endplattenvorsprung ausgebildet ist. Dies ist für die Herstellungskosten vorteilhaft. Im montierten Zustand wirkt die externe Dichtung radial. Die externe Dichtung ist als separates Element ausgebildet, welches zwischen dem Gehäusekörper und einer radialen Dichtfläche verspannt ist, wobei die Dichtfläche einen Boden der Dichtungsnut bildet. Vorzugsweise verläuft der Boden der Dichtungsnut, im longitudinalen Querschnitt gesehen, parallel zur axialen Richtung.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aussenumfang der Stapelendplatten grösser als der Aussenumfang des Gehäusekörpers, so dass die Stapelendplatten einen sich von einer äusseren Mantelfläche des Druckbehälters weg erstreckenden, äusseren Bereich aufweisen. Zudem sind die Stapelendplatten parallel zueinander angeordnet. Ferner sind die Stapelendplatten an ihrem äusseren Bereich mittels mindestens dreier sich in Richtung der Längsachse des Gehäusekörpers, d.h. in axialer Richtung, erstreckenden Befestigungselementen derart miteinander verspannt, dass der Zellenstapel axial zwischen den Stapelendplatten, insbesondere zwischen der Stempelfläche und der gegenüberliegenden Stapelendplatte, eingespannt ist.

Jede Elektrolysezelle weist zur Stabilisation einen umlaufenden Zellrahmen auf. Um benachbarte Elektrolysezellen voneinander abzudichten, ist im Zellenstapel jeweils zwischen zwei Zellrahmen die interne Dichtung angeordnet.

Die internen Dichtungen sind jeweils zwischen zwei Zellrahmen eingespannt, wobei die Zellrahmen jeweils eine Rahmennut zur Aufnahme einer internen Dichtung aufweisen. Die Rahmennuten weisen jeweils eine Dichtfläche auf, welche einen Boden der Rahmennut bilden. Vorzugsweise verläuft der Boden der Rahmennut parallel zur Ebene des jeweiligen Zellrahmens.

Bevorzugt sind die Dichtfläche der Rahmennuten senkrecht zur Dichtfläche der Dichtungsnut angeordnet.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die externe Dichtung als eine doppelte Dichtung ausgebildet. In dieser Ausführungsform um läuft eine weitere externe Dichtung den Aussenumfang des Endplattenvorsprungs, welcher Endplattenvorsprung vorzugsweise eine um laufende weitere Dichtungsnut zur Aufnahme der weiteren externen Dichtung aufweist. Somit ist die Dichtheit des Druckbehälters besser sichergestellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die Stirnwand des Gehäusekörpers, welche der mindestens einen von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte zugewandt ist, in einer sich rechtwinklig zur axialen Richtung erstreckenden Ebene. Somit kann der Gehäusekörper kostengünstig hergestellt werden, weil das durch die Stirnwand gebildete Ende über einen Schnitt ohne aufwändige Bearbeitung der Stirnwand, bspw. ohne Nut oder ohne Stufe, hergestellt werden kann. Die Stirnwand verläuft in einer Ebene, welche aus einem Schnitt quer zur axialen Richtung entstehen kann. Mit anderen Worten verläuft die Stirnwand von der Aussenfläche des Gehäusekörpers zur Innenfläche des Gehäusekörpers in einer Ebene, d.h. der Übergang von der Aussenfläche zur Innenfläche verläuft ohne Unterbrechung, bspw. ohne Unterbrechung durch eine Ausnehmung oder eine Nut. Vorzugsweise verlaufen beide Enden des Gehäusekörpers jeweils in einer sich rechtwinklig zur axialen Richtung erstreckenden Ebene. Vorzugsweise verläuft die Stirnwand des Gehäusekörpers auf seinen beiden Enden in einer sich rechtwinklig zur axialen Richtung erstreckenden Ebene.

Beim Verspannen der Stapelendplatten können die Befestigungselemente durch Isolationselemente von den Stapelendplatten elektrisch isoliert sein, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Polen des Zellenblocks zu verhindern. Die Stapelendplatten können axiale Durchgänge für die Befestigungselemente, bspw. Gewindestangen, aufweisen. Zur Isolation können Isolationselemente aus elektrisch isolierendem Material zwischen den Befestigungselementen und den Stapelendplatten vorgesehen sein. Die Isolationselemente können Scheiben sein, welche gleichzeitig eine Zentrierung der Befestigungselemente in den jeweiligen Durchgängen ermöglichen, sodass ein radialer Freiraum zwischen den Befestigungselemente und den Stapelendplatten gewährleistet ist. Es ist ebenfalls möglich einen aus elektrisch isolierendem Material hergestellten Gehäusekörper vorzusehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte in der Form einer Baugruppe ausgebildet, wobei die Schliessplatte, welche als Deckfläche oder als Grundfläche wirkt, und der Endplattenvorsprung getrennt ausgebildet sind, wobei die Schliessplatte und der Endplattenvorsprung durch eine aus elektrisch isolierendem Material gebildete Trennschicht elektrisch isoliert voneinander sind. Mit anderen Worten sind die erste Stapelendplatte oder die weitere Stapelendplatte oder beide Stapelendplatten als eine Baugruppe ausgebildet.

Somit ist die mindestens eine von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte zweigeteilt ausgebildet. Die Elemente der Baugruppe, d.h. die Schliessplatte, der Endplattenvorsprung und die Trennschicht, sind einfacher herzustellen, weil drei Funktionen der Stapelendplatte, nämlich Stabilität des Druckelektrolyseurs, Druckdichtheit und elektrische Isolation getrennt werden können. Die Auswahl der Materialien für die Elemente der Stapelendplatte kann somit je nach Funktion der Elemente optimiert werden. Die Schliessplatte muss als Druckelement in axialer Richtung wirken und dabei zur Stabilität des Druckelektrolyseurs beitragen. Hingegen wirkt der Endplattenvorsprung, welcher die externe Dichtung trägt, als Dichtungselement. Zudem wirkt die Trennschicht als Isolationselement zwischen den Polen des Zellenblocks. Der elektrische Kontakt mit dem Zellenstapel kann über einen in die Schliessplatte und in die Trennschicht ausgebildeten Durchgang erstellt werden. Die Herstellung der Stapelendplatte als eine Baugruppe ist vereinfacht, weil eine Ausfräsung einer Grundplatte zur Ausbildung des Endplattenvorsprungs entfällt. Hierzu sei angemerkt, dass der Gehäusekörper eines Elektrolyseurs bis 2.5 Meter lang sein und einen Durchmesser von bis 1.5 Meter aufweisen kann. Dabei muss die Ausfräsung enge Toleranzen einhalten, um die Dichtheit und die mechanische Stabilität des Druckbehälters sicherzustellen. Die Bearbeitung der Grundplatte kann somit schwierig werden, insbesondere bei grossen Durchmessern.

Diese Ausführungsform hat zudem den Vorteil, dass keine weitere elektrische Isolation der Befestigungselemente mehr nötig ist. Im Unterschied zur Ausführungsform, in welcher eine elektrische Isolation zwischen den Befestigungselementen und den Stapelendplatten vorgesehen ist, übernimmt die Trennschicht die Funktion der Isolation zwischen den Polen des Zellenblocks. Folglich sind weniger Bauteile nötig. Ferner ist der Druckelektrolyseur weniger anfällig für eine Isolationsstörung, sodass der Druckelektrolyseur sicherer betrieben werden kann. Die Isolation erfolgt an einem Ort, nämlich an der Trennschicht, welche zwischen dem Endplattenvorsprung und der Schliessplatte homogen axial gedrückt ist. Die Trennschicht ist kaum anderen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Im Unterschied sind die Isolationselemente mechanisch beansprucht bei der Montage des Druckelektrolyseurs. Wenn scheibenförmige Isolationselemente verwendet werden, werden sie jeweils zwischen einer Mutter und der Stapelendplatte gepresst und einer Scherbelastung beim festen Einschrauben der Mutter ausgesetzt. Diese Nachteile können in der vorliegenden Ausführungsform vermieden werden.

Der elektrische Kontakt zum Endplattenvorsprung kann über einen elektrischen Anschluss erfolgen, welcher durch die Trennschicht und die Schliessplatte elektrisch isoliert verläuft.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Stapelendplatte und die weitere Stapelendplatte jeweils in der Form einer Baugruppe ausgebildet. Dies erlaubt einen symmetrischen Aufbau des Druckelektrolyseurs. Vorzugsweise sind die erste Stapelendplatte und die weitere Stapelendplatte gleich ausgebildet, sodass nur eine einzige Stapelendplatte konzipiert werden muss, welche für beide Ende des Gehäusekörpers passen.

Die Merkmale des Endplattenvorsprungs, welche in der oben beschriebenen einteiligen Ausführungsform der Stapelendplatte offenbart sind, sind für den Endplattenvorsprung als Element der Baugruppe ebenfalls anwendbar.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schliessplatte als eine flache, überall gleich dicke Platte ausgebildet, deren Herstellung günstig ist. In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Endplattenvorsprung zwischen der Stempelfläche und einer der Stempelfläche abgewandten, d.h. dem Zellenstapel abgewandten, den Endplattenvorsprung in axialer Richtung begrenzenden Zwischenfläche. Bevorzugt verlaufen die Stempelfläche und die Zwischenfläche parallel zueinander und senkrecht zur axialen Richtung.

In einer solcher Ausführungsform erstreckt sich die axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs von der Stempelfläche bis zum Fuss des Endplattenvorsprungs, welcher Fuss sich auf der Höhe der Zwischenfläche befindet

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Trennschicht dieselbe Form wie die Zwischenfläche auf, insbesondere denselben Querschnitt, um die Zwischenfläche in Gebrauchsstellung abzudecken. Somit ist eine Isolation des Endplattenvorsprungs von der Schliessplatte über seine ganze Zwischenfläche möglich. Bevorzugt erstreckt sich die Trennschicht über den ganzen Querschnitt des Gehäusekörpers Somit ist die Fläche der Trennschicht grösser als die Zwischenfläche. Dies verhindert elektrische Brücke zwischen dem Endplattenvorsprung und der Schliessplatte.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs derart gestaltet, dass ein axialer Luftspalt zwischen der Schliessplatte und der Stirnwand des Gehäusekörpers in Gebrauchsstellung vorhanden ist. Dies ermöglicht eine elektrische Isolation zwischen dem Gehäusekörper und der Schliessplatte. Vorzugsweise ist die axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs und die Dicke der Trennschicht derart gestaltet, dass der axialer Luftspalt zwischen der Schliessplatte und der Stirnwand in Gebrauchsstellung vorhanden ist, um eine zuverlässigere Isolation zu gewährleisten.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Endplattenvorsprung als eine Elektrolysezelle ausgebildet, deren Zellrahmen eine auf der der Schliessplatte zugewandte Seite eine verdickte Wand aufweist, wobei die verdickte Wand dazu bestimmt ist, die externe Dichtung aufzunehmen. Die Verdickte Wand umfasst folglich den Dichtungsabschnitt. Somit kann die Produktionskapazität des Druckelektrolyseurs optimiert werden.

Der Druckbehälter ist gegenüber dem Umgebungsdruck abgedichtet, weist in seinem Innenraum den Zellenstapel auf und ist bei Durchführung der Elektrolyse mit Druck beaufschlagt. Insbesondere kann der Druckbehälter bei Durchführung der Elektrolyse mit einem Druck von mindestens 5 bar, bevorzugt von mindestens 30 bar, besonders bevorzugt von mindestens 40 bar beaufschlagt sein. Ein höherer Druck von mindestens 200 bar, etwa von 350 bar oder von 700 bar ist ebenfalls möglich und bevorzugt. Besonders bevorzugt ist der Druckbehälter bei Durchführung der Elektrolyse mit dem Arbeitsdruck der Elektrolysezellen beaufschlagt.

Die Anordnung des Zellenstapels im Druckbehälter ermöglicht, dass bei Durchführung der Elektrolyse innerhalb der Elektrolysezellen, also in den Hohlräumen der Elektrolysezellen, sowie ausserhalb der Elektrolysezellen im Wesentlichen die gleichen Druckverhältnisse herrschen und kein Druckunterschied oder nur ein geringer Druckunterschied auf den Zellenstapel, insbesondere auf die Endplatten des Zellenstapels, wirkt. Der an den einzelnen Zellrahmen der Elektrolysezellen anliegende Druck ist also an der Innenseite sowie an der Aussenseite der Elektrolysezellen ungefähr gleich hoch. Dadurch wirken auf die Zellrahmen sowie auf die internen Dichtungen der Elektrolysezellen deutlich geringere mechanische Kräfte, als wenn der Zellenstapel von atmosphärischem Druck umgeben wäre. Zellrahmen und interne Dichtungen der Elektrolysezellen sind somit einer geringeren mechanischen Belastung ausgesetzt, weshalb sie aus dünnerem und/oder preisgünstigerem Material gefertigt sein können und langlebiger sind als beispielsweise bei den aus den Druckschriften DE 10 2014 010 813 A1 sowie EP 1 464 730 A1 bekannten, bei Umgebungsdruck arbeitenden Druckelektrolyseuren.

Sowohl beim vorliegenden Druckelektrolyseur als auch beim vorliegenden Verfahren sind die Zellrahmen, so genannte Stack-Rahmen, und die zugehörigen internen Dichtungen zwischen den Zellrahmen, nicht dem Druckunterschied zwischen Arbeitsdruck und Umgebung ausgesetzt, sondern arbeiten bei einem allenfalls sehr geringen Druckunterschied. Dies verringert das Risiko eines Versagens der internen Dichtung und damit das Risiko des Austretens von Lauge aus den jeweiligen Elektrolysezellen. Ein Versagen der internen Dichtung würde zu einer Verschlechterung der Leistung und/oder der Lebensdauer des Zellenstapels führen.

Aufgrund der Anordnung des Zellenstapels im Druckbehälter herrscht kein Druckunterschied zwischen der Umgebung der Elektrolysezellen und den Hohlräumen der Elektrolysezellen. Somit werden geringere Anforderungen an die Druckbeständigkeit des Zellenstapels gestellt. Dies erhöht die Lebensdauer des Zellenstapels, insbesondere der Zellrahmen und der internen Dichtungen, deutlich. Bei einem Arbeitsdruck der Elektrolysezellen von 30 bar und einem im Druckbehälter anliegenden Druck von etwa 30 bar wird die Lebensdauer der Zellrahmen und internen Dichtungen im Vergleich zu einem konventionellen, unter Umgebungsdruck arbeitenden Zellenstapel etwa verdoppelt. Ferner können auch die Zellrahmen und internen Dichtungen aus einer grösseren Auswahl an Materialien angefertigt werden, weil sie geringeren mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Beispielsweise können die Zellrahmen aus Ethylen-Propylen-Dien- (Monomer)-Kautschuk, sogenanntem EPDM, gefertigt sein. Als weiteres vorteilhaftes Abgrenzungskriterium der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ist die Tatsache zu werten, dass die Elektrolyse im Druckbehälter bei einem Arbeitsdruck von über 100 bar und bis zu 700 bar durchgeführt werden kann, d.h. bei einem Druckunterschied zur Umgebung des Elektrolyseurs, welchen die Elektrolysezellen und deren Dichtungen kaum bis überhaupt nicht mechanisch ertragen. Höhere Arbeitsdrücke im Zellenstapel führen aber zu einer besseren Effizienz und sind somit vorteilhaft. Wasser ist nämlich unter Druck, was die Elektrolysereaktion unterstützt. Ferner kann bei einem höheren Arbeitsdruck ein komprimiertes Gasprodukt erzeugt werden, bspw. Wasserstoff unter einem Druck von 300 bar oder höher, sodass ein weiterer Kompressor zur Kompression des Gasprodukts für eine Verwendung nicht mehr nötig ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Endplattenvorsprung mit einem radialen Abstand zur inneren Mantelfläche des Gehäusekörpers, insbesondere zur inneren Mantelfläche des Arbeitsabschnitts, angeordnet, wobei die externe Dichtung sich durch den radialen Abstand erstreckt. Die externe Dichtung dient somit zudem als Abstandshalter und unterstützt eine koaxiale Anordnung der inneren Mantelfläche des Gehäusekörpers zu den Stapelendplatten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Zellenstapel ebenfalls mit einem radialen Abstand zur inneren Mantelfläche des Gehäusekörpers angeordnet, bevorzugt mit demselben radialen Abstand wie der radiale Abstand des Endplattenvorsprungs.

Der Druckelektrolyseur ist vorzugsweise zur Bereitstellung von Wasserstoff mittels elektrochemischer Elektrolyse von Wasser ausgebildet.

Die vorliegende Erfindung betrifft zudem eine Elektrolyseanlage umfassend einen Druckelektrolyseur gemäss der vorstehend dargelegten Art und mindestens einen Gasspeicherbehälter, der das Gasprodukt aufnimmt und dazu ausgebildet ist, das Gasprodukt von mitgeführtem Elektrolyt zu trennen. Diese Elektrolyseanlage profitiert von den Vorteilen des Druckelektrolyseurs, was sich in einer höheren Sicherheit und tiefere Wartungskosten niederschlägt. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Bereitstellung mindestens eines Gasprodukts mittels Elektrolyse,, insbesondere von Wasserstoff, welches Verfahren in einem Druckelektrolyseur gemäss einer der vorstehend dargelegten Ausführungsformen durchgeführt wird, wobei bei Durchführung der Elektrolyse im Innenraum des Druckbehälters ein Druck von mindestens 5 bar, etwa mindestens 30 bar, bevorzugt zwischen 40 bar bis 50 bar, ebenfalls bevorzugt über 100 bar, insbesondere zwischen 150 bar bis mindestens 200 bar, etwa bis 350 bar oder bis 700 bar, anliegt. Ein solcher Arbeitsdruck ist mit den dargelegten Ausführungsformen möglich, weil die Elektrolysezellen durch den Gehäusekörper von der Umgebungsdruck des Druckelektrolyseurs isoliert sind. Dabei kann der Gehäusekörper optimiert für diesen ausgelegt werden, wie dies dargelegt wurde. Höhere Arbeitsdrücke im Druckbehälter führen zu einer besseren Effizienz. Ferner kann bei einem höheren Arbeitsdruck ein komprimiertes Gasprodukt erzeugt werden. Das Gasprodukt, bspw. Wasserstoff, kann somit komprimiert bereitgestellt werden und braucht nicht im Anschluss an die Elektrolyse zusätzlich komprimiert werden, um als Treibstoff oder zur Speicherung zu dienen. Dies spart Energie und Kosten für den Druckkompressor oder vermeidet den Einsatz eines weiteren Druckkompressors.

Beschreibung der Figuren

Wie bereits vorstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter anderem anhand des durch die Figuren 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt: Fig. 1 in Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Druckelektrolyseur gemäss der vorliegenden Erfindung, der nach dem Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung arbeitet;

Fig. 2 einen Längsschnitt des Druckelektrolyseurs aus Figur 1 entlang der in Figur 1 eingezeichneten Linie A-A;

Fig. 3 einen Längsschnitt des Druckelektrolyseurs aus Figur 1 entlang der in Figur 1 eingezeichneten Linie B-B;

Fig.4 in Detailansicht den in Figur 2 mit «C» gekennzeichneten Bereich;

Fig. 5 einen Längsschnitt einerweiteren Ausführungsform des Druckelektrolyseurs; und

Fig. 6 in Detailansicht den in Figur 5 mit «D» gekennzeichneten Bereich.

Figur 1 zeigt einen Druckelektrolyseur 100 zur Bereitstellung mindestens eines Gasprodukts, nämlich einen alkalischen Elektrolyseur zur Bereitstellung von Wasserstoff und Sauerstoff mittels elektrochemischer Elektrolyse von Wasser.

Zur Durchführung der Elektrolyse hat der Druckelektrolyseur 100 einen Zellenstapel 10 mit mehreren, in axialer Richtung X in Reihe geschalteten Elektrolysezellen 12. Der Zellenstapel weist mehrere, insbesondere mindestens 10, beispielsweise 20, etwa 60, durchaus auch 120, Elektrolysezellen auf. In axialer Richtung X ist der Zellenstapel 10 zwischen einer ersten Stapelendplatte 22, welche als anodische Endplatte ausgebildet ist, und einer weiteren Stapelendplatte 24, welche als kathodische Endplatte ausgebildet ist, angeordnet.

Jede Elektrolysezelle 12 weist einen zwischen einer anodischen Platte und einer kathodischen Platte angeordneten Hohlraum und einen den Hohlraum umlaufenden stabilisierenden Zellrahmen auf. In diesem Hohlraum liegt bei Durchführung der Elektrolyse ein Arbeitsdruck, beispielsweise von 30 bar, etwa von 350 bar oder von 700 bar, an. Die jeweiligen Elektrolysezellen 12 sind also dazu ausgebildet, unter einem Arbeitsdruck zu arbeiten. Um die anodische Platte und die kathodische Platte voneinander zu trennen, ist in dem Hohlraum der Elektrolysezellen 12 jeweils eine Membran angeordnet. Als Elektrolyt dient Kalilauge.

Um den Hohlraum der Elektrolysezelle gegenüber der Umgebung abzudichten und/oder um benachbarte Elektrolysezellen voneinander abzudichten, ist im Zellenstapel 10 jeweils zwischen zwei Zellrahmen eine interne Dichtung 14 angeordnet. Figur 4 zeigt gestapelte Elektrolysezellen und interne Dichtungen 14, welche internen Dichtungen zwischen den Zellrahmen liegen. Die internen Dichtungen sind jeweils zwischen zwei Zellrahmen eingespannt, wobei die Zellrahmen jeweils eine Rahmennut zur Aufnahme der internen Dichtung aufweisen. Die Rahmennuten weisen jeweils eine Dichtfläche auf, welche einen Boden der Rahmennut bilden. Vorliegend verläuft der Boden der Rahmennut parallel zur Ebene des jeweiligen Zellrahmens. Die Dichtflächen der Rahmennuten wirken jeweils auf die internen Dichtungen in Richtung der Längsachse X des Gehäusekörpers, beispielsweise in horizontaler Richtung.

Der Druckelektrolyseur umfasst einen Druckbehälter 18, welcher einen druckfesten, röhrenförmigen, kreiszylinderförmigen Gehäusekörper 20, als Deckfläche die erste Stapelendplatte 22 und als Grundfläche die weitere Stapelendplatte 24 umfasst. Die erste Stapelendplatte 22 ist lösbar mit dem Gehäusekörper 20 verbindbar und dazu ausgebildet, eine axiale Öffnung des Gehäusekörpers 20 druckdicht zu verschliessen.

Der Zellenstapel 10 ist im Innenraum des Druckbehälters 18 in einem Arbeitsabschnitt 21 des Gehäusekörpers aufgenommen. Dieser Druckbehälter ist bei Durchführung der Elektrolyse mit Überdruck, bevorzugt mit dem Arbeitsdruck der Zellen, beispielsweise mit 30 bar oder mit 350 bar oder mit 700 bar, beaufschlagt.

Bei dem gezeigten Druckelektrolyseur 100 ist also der Zellenstapel 10 in einen druckfesten kreiszylinderförmigen Gehäusekörper 20, etwa ein drucktragendes Rohr, eingesetzt, das axial mit den Stapelendplatten 22, 24 des Zellenstapels 10 verbunden ist. Die Stapelendplatten 22, 24 sind in Gebrauchsstellung des Druckbehälters druckdicht mit dem Gehäusekörper 20 verbunden.

An seinem axialen Ende, welches der ersten Stapelendplatte 22 zugewandt ist, weist der Gehäusekörper eine Stirnwand 20a auf, welche in einer sich rechtwinklig zur axialen Richtung X erstreckenden Ebene verläuft.

Mindestens eine von der ersten Stapelendplatte oder von der weiteren Stapelendplatte weist einen axialen Endplattenvorsprung auf. Vorliegend weist die erste Stapelendplatte 22 den Endplattenvorsprung 28 auf.

Um den Innenraum des Druckbehälters gegenüber dem Umgebungsdruck des Druckelektrolyseurs 100 abzudichten, ist eine externe Dichtung 26 in radialer Richtung Y zwischen dem Gehäusekörper 20 und einem Dichtungsabschnitt 28a des Endplattenvorsprungs 28 verspannt.

Der Endplattenvorsprung 28 weist einen kreisförmigen Querschnitt über seine axiale Gesamtlänge auf. Somit weist der Dichtungsabschnitt 28a denselben kreisförmigen Querschnitt welcher, in Gebrauchsstellung, dem kreisförmigen Querschnitt des Arbeitsabschnitts 21 eingeschrieben ist.

Zudem weist der Endplattenvorsprung 28 an seiner dem Zellenstapel 10 zugewandten Seite eine, im Innenraum des Druckbehälters angeordnete, senkrecht zur axialen Richtung ausgerichtete, Stempelfläche 23 auf, welche in Gebrauchsstellung des Druckelektrolyseurs den Zellenstapel in axialer Richtung drückt, um den Zellenstapel zwischen der ersten und der weiteren Stapelendplatte 24 einzuspannen. Vorliegend weist die weitere Stapelendplatte 24 ebenfalls eine senkrecht zur axialen Richtung ausgerichtete Stempelfläche 25 auf, welche durch die dem Zellstapel zugewandte Wand der weiteren Stapelendplatte 24 ausgebildet ist. Auf diese Weise ist der Zellenstapel 10 zwischen den Stapelendplatten 22, 24 eingespannt. Ferner ragt der Dichtungsabschnitt 28a in den Arbeitsabschnitt 21 des Gehäusekörpers 20. In der gezeigten Ausführungsform ist die erste Stapelendplatte 22 als eine Baugruppe ausgebildet, wie dies besser in Fig. 4 ersichtlich ist. Konkret umfasst die erste Stapelendplatte 22 eine Schliessplatte 22a, welche als Deckfläche wirkt, den Endplattenvorsprung 28, und eine aus elektrisch isolierendem Material gebildete Trennschicht 33. Die Schliessplatte und der Endplattenvorsprung sind folglich durch die Trennschicht elektrisch isoliert voneinander.

Ein Kurzschluss zwischen den beiden Stapelendplatten 22, 24 kann verhindert werden, indem die erste Stapelendplatte 22 in zwei Teile geteilt wird, welche durch die Trennschicht 33 elektrisch isoliert voneinander sind. Die externe Dichtung 26 um läuft den Aussenumfang des Endplattenvorsprungs 28.

Die externe Dichtung 26 ist ein doppelter O-Ring wie dies auch in Fig. 4 gezeigt ist. In dieser Ausführungsform, weist der Endplattenvorsprung 28 zwei umlaufende Dichtungsnuten zur Aufnahme des doppelten O-Rings auf. Jeder O-Ring ist zwischen dem Gehäusekörper 20 und einer radialen Dichtfläche 29 verspannt, wobei die Dichtfläche 29 einen Boden der Dichtungsnut bildet. Vorliegend verlaufen die Böden, im longitudinalen Querschnitt gesehen, parallel zur axialen Richtung X.

Die zwei Dichtungsnuten sind mittels eines Abstandelements 27 des Endplattenvorsprungs 28 voneinander beanstandet.

Die weitere Stapelendplatte 24 ist direkt, insbesondere integral mit dem Gehäusekörper 20 verbunden in der gezeigten Ausführungsform. Wie in Figur 1 gezeigt, sind die Stapelendplatten 22, 24 parallel zueinander angeordnet. Der Aussenumfang der Stapelendplatten 22, 24 überragt den Aussenumfang des Gehäusekörpers 20, so dass die Stapelendplatten 22, 24 einen sich vom Innenraum des Druckbehälters nach radial aussen erstreckenden, äusseren Bereich oder Überstand aufweisen. Um den Druckbehälter besonders zuverlässig zu verschliessen, sind die Stapelendplatten 22, 24, an ihrem hervorstehenden Bereich, mittels Befestigungselemente 30, 32, insbesondere Zuganker, welche sich in Richtung der Längsachse X des Gehäusekörpers 20 erstrecken, derart miteinander verspannt, dass der Zellenstapel 10 axial zwischen der Stempelfläche 23 und der weiteren Stapelendplatte 24 eingespannt ist. Die Funktionen Abdichten des Hohlraums der Elektrolysezellen und Abdichten des Innenraums des Druckbehälters werden von zwei separaten Elementen, nämlich einerseits von den internen Dichtungen und andererseits von der externen Dichtung erfüllt.

Fig. 4 zeigt eine Detailansicht der zwischen dem Zellenstapel 10 und der ersten Stapelendplatte 22 verspannten externen Dichtung 26. Der Zellenstapel ist mit einem radialen Abstand 44 zum Druckbehälter, insbesondere zum Gehäusekörper 20 angeordnet.

Die Befestigungselemente 30 und 32 weisen Gewindestangen auf, welche mittels aufgesetzter Muttern die Elektrolysezellen axial zwischen den Stapelendplatten verspannen. In der Ausführungsform der Fig. 5 und Fig. 6 müssen die Befestigungselemente von der ersten Stapelendplatte und der weiteren Stapelendplatte elektrisch isoliert sein, wenn sie elektrisch leitend sind. In der Ausführungsform der Fig. 1 und Fig. 4 stellt die Trennschicht 33 sicher, dass die weitere Endplatte 24 und der Endplattenvorsprung 28 elektrisch isoliert sind. Ferner ist der Gehäusekörper elektrisch über einen radialen Abstand 44 isoliert von dem Zellenstapel. Der elektrische Kontakt zum Endplattenvorsprung 28 erfolgt über einen elektrischen Anschluss 31 , welcher durch die Trennschicht und die Schliessplatte elektrisch isoliert verläuft.

Des Weiteren ist in den Dichtungsnuten jeweils ein Stützelement 54 angeordnet. Das Stützelement 54 erstreckt sich durch den zwischen dem Zellenstapel 10 und Gehäusekörper 20 des Druckbehälters angeordneten radialen Abstand 44. Das Stützelement 54 erstreckt sich in radialer Richtung zwischen der inneren Mantelfläche des Gehäusekörpers und dem Endplattenvorsprung 28, sowie in axialer Richtung zwischen der externen Dichtung 26 und eine radiale Wand der Dichtungsnut. Das Stützelement 54 unterstützt eine koaxiale Anordnung der inneren Mantelfläche des Gehäusekörpers zum Endplattenvorsprung 28. Zudem stützt das Stützelement 54 die externe Dichtung 26, was insbesondere bei hohem Druck vorteilhaft ist, um ein Verrutschen der externen Dichtung 26 zu verhindern. Vorteilhafterweise ist das Stützelement 54 aus elektrisch isolierendem Material gebildet und wirkt als Isolatorelement. Dies bewirkt, dass ein Kurzschluss zwischen der inneren Mantelfläche des Gehäusekörpers und dem Endplattenvorsprung 28 zuverlässiger verhindert wird.

Die axiale Gesamtlänge des Endplattenvorsprungs 28 und die Dicke der Trennschicht 33 ist derart gestaltet, dass ein axialer Luftspalt 56 zwischen der Schliessplatte 22a und der Stirnwand 20a in Gebrauchsstellung vorhanden ist.

Der Druckraum um den Zellenstapel 10 kann mit Produktgas gespült werden. Zum Einlassen des Produktgases, beispielsweise von Wasserstoff, ist ein Einlass 50 vorgesehen (vgl. Fig. 3). Zudem kann ein Ablass 52 für eventuell austretende Lauge, etwa von Kalilauge, vorgesehen sein.

Bei dem in den Figuren gezeigten Druckelektrolyseur ist also der Zellenstapel 10 in einem mit dem Arbeitsdruck des Zellenstapels 10 beaufschlagten Druckbehälter angeordnet. Somit herrscht kein oder allenfalls nur ein geringer Druckunterschied zwischen dem Hohlraum innerhalb der Elektrolysezellen und der Umgebung der Elektrolysezellen. Der Zellenstapel 10 und seine internen Dichtungen 14 sind axial zwischen den Stapelendplatten verspannt. Die internen Dichtungen 14 wirken also in axialer Richtung. Die zum Abdichten des Druckbehälters ausgebildete externe Dichtung 26 ist radial zwischen der Stapelendplatte 22 und dem Gehäusekörper 20 verspannt. Die externe Dichtung 26 wirkt also in radialer Richtung. Da die internen Dichtungen 14 im Druckraum angeordnet sind und die externe Dichtung 26 ein von den internen Dichtungen unabhängiges Element ist, sind die internen Dichtung 14 und die externe Dichtung 26 deutlich geringeren mechanischen Belastungen ausgesetzt, als bei konventionellen, unter Umgebungsdruck arbeitenden Elektrolyseuren.

Der Druckelektrolyseur gemäss Fig. 5 und Fig. 6 ist ähnlich aufgebaut wie der in den Fig. 1 bis 4 offenbarten Ausführungsform. Nachstehend werden nur die Unterschiede besprochen. Gleiche Merkmale sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform der Fig. 1 bis 4 ist die erste Stapelendplatte 22 integral und einstückig ausgebildet, d.h. die Schliessplatte und der Endplattenvorsprung bilden eine Einheit. Um den Innenraum des Druckbehälters gegenüber dem Umgebungsdruck des Druckelektrolyseurs 100 abzudichten, wie dies besser in Fig. 6 sichtbar ist, ist die externe Dichtung 26 ebenfalls in radialer Richtung Y zwischen dem Gehäusekörper 20 und dem Dichtungsabschnitt 28a des Endplattenvorsprungs 28 verspannt. Ferner ragt der Dichtungsabschnitt 28a in den Arbeitsabschnitt 21 des Gehäusekörpers 20.

Die Befestigungselemente 30 und 32 weisen Gewindestangen auf, welche mittels aufgesetzter Muttern die Elektrolysezellen axial zwischen den Stapelendplatten verspannen. In der Ausführungsform der Fig. 5 sind die Befestigungselemente von der ersten Stapelendplatte und der weiteren Stapelendplatte elektrisch isoliert. Ferner ist der Gehäusekörper elektrisch isoliert von dem Zellenstapel.

Bezugszeichenliste

10 Zellenstapel mit einer Vielzahl an Elektrolysezellen 12

12 Elektrolysezelle

14 interne Dichtung des Zellenstapels 10

18 Druckbehälter

20 Gehäusekörper des Druckbehälters

20a Stirnwand des Gehäusekörpers

21 Arbeitsabschnitt des Gehäusekörpers

22 erste Stapelendplatte

22a Schliessplatte

23 Stempelfläche des Endplattenvorsprungs

24 als Grundfläche des Druckbehälters ausgebildete, weitere Stapelendplatte

25 Stempelfläche der weiteren Stapelendplatte 24

26 externe Dichtung

27 Abstandselement des Endplattenvorsprungs 28 Endplattenvorsprung

28a Dichtungsabschnitt

29 radiale Dichtfläche

30 erstes Befestigungselement 31 elektrischer Anschluss

32 weiteres Befestigungselement

33 Trennschicht

44 radialer Abstand zwischen dem Zellenstapel 10 und Gehäusekörper 20 des

Druckbehälters 50 Einlass

52 Auslass, beispielsweise Ablass für eventuell austretendes Elektrolyt, etwa für

Lauge

54 Stützelement für die externe Dichtung 26

56 axialer Luftspalt 100 Druckelektrolyseur, insbesondere Hochdruck-Elektrolyseur

X axiale Richtung bzw. in Richtung der Längsachse des Gehäusekörpers 20 angeordnete Richtung

Y radiale Richtung bzw. in Richtung des Radius des Gehäusekörpers 20 angeordnete Richtung