DE102007003913B3

DE102007003913B3 - Anordnung mit zumindest zwei dicht aneinander liegenden, jeweils mit einem Fluid gefüllten Kammern

Info

Publication number: DE102007003913B3
Application number: DE102007003913A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dotzler
Original assignee: Mechanik Center Erlangen GmbH
Current assignee: Kyra 1 GmbH
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2027-01-20
Also published as: FR2911614A1

Abstract

In einem äußeren Umfangsbereich von zumindest zwei mit ansonsten zueinander offenen Stirnflächen (1.2; 2.2) unter Zwischenlage einer diese abdeckenden Membran (4) dicht aneinander liegenden, mit jeweils einem Fluid definierten Prozessdruck gefüllten, insbesondere aus Prozess-Ringkanälen (1.1; 2.1) gebildeten, Kammern ist zur Verhinderung eines Austritts des jeweiligen Fluids zwischen den Stirnflächen (1.2; 2.2) der Austritts-Gefährdungsbereich von einem äußeren entgegendrückenden Sperrfluid, insbesondere in einem Sperr-Ringkanal (3), mit einem gegenüber dem Prozessdruck entsprechend erhöhten Sperrdruck umschlossen; der Sperr-Ringkanal (3) ist in Reihe zu den Prozess-Ringkanälen (1.1; 2.1) geschaltet, derart, dass bei zu geringem Sperrdruck im Sinne einer Selbstabschaltung kein Prozessfluid gefördert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung mit zumindest zwei in einem äußeren Umfangsbereich von zueinander offenen Stirnflächen dicht aneinander liegenden, mit jeweils einem Fluid definierten Prozessdrucks gefüllten Kammern.
Eine derartige Anordnung mit einer die offenen Stirnflächen abdeckenden gasdichten, jedoch protonendurchlässigen Membran sowie einem Fluid in Form eines Wasserstoff-Deionat-Gemisches in der einen der zwei Kammern bzw. in Form eines Sauerstoff-Deionat-Gemisches in der anderen der zwei Kammern findet man als wesentliche Bestandteile einer Zelleneinheit eines Elektrolyseurs.
Zur Abdichtung der "Wasserstoff-Seite" der einen Kammer gegenüber der "Sauerstoff-Seite" der anderen Kammer ist es bekannt, die Membran außenrandseitig unter Zwischenlage von elastischen Dichtmitteln, insbesondere so genannten O-Ringen, zwischen die aneinander liegenden Stirnflächen im Presssitz gegenseitig abdichtend zu halten WO 01/48845 A2 .
Die betriebsmäßig höheren pulsierenden mechanischen Druckbeanspruchungen ausgesetzte Membran kann durch eine auf ihrer Fläche angeordnete, insbesondere eingeformte bzw. eingegossene, Gewebeschicht vorteilhaft verstärkt werden; diese Gewebeschicht-Verstärkung bringt jedoch eine gewisse Flächenrauhigkeit mit sich, aufgrund derer zur Gewährleistung einer hinreichenden Abdichtung der Druck auf die Dichtflächen der im Presssitz zwischen den Stirnflächen gehaltenen Außenränder der Membran entsprechend zu erhöhen wäre; da die Membran jedoch nur begrenztem mechanischen Druck ausgesetzt werden darf, sind der Verwendung von bekannten gummielastischen Dichtmitteln, insbesondere in Form von Flachdichtungen oder O-Ringen, Grenzen gesetzt.
Weiterhin ist ein Elektrolyseur mit in einem druckfesten Gehäuse angeordneten, von einem Pufferraum komplett umgebenden Elektrolysezellenblock bekannt ( DE 20 2005 003 934 U1 ), wobei der Pufferraum von einem Pufferfluid beaufschlagt ist, dessen Betriebsdruck stets über dem Elektrolysesystemdruck liegt; durch einen solchen Überdruck soll ein ungewolltes Austreten der an der Elektrolyse beteiligten Medien im Leckagefall aus dem den Elektrolysezellenblock aufnehmenden Gehäuse verhindert werden.
Gemäß Aufgabe vorliegender Erfindung soll daher eine Anordnung der eingangs genannten Art geschaffen werden, die ohne überhöhte mechanische Belastung der Membran mit einfachen Mitteln eine sichere gegenseitige Abdichtung der Kammern, insbesondere im Fall eines Elektrolyseurs bzw. einer Brennstoffzelle, gewährleistet und ein Austreten von Wasserstoffgas einerseits und Sauerstoffgas andererseits und damit die Gefahr einer Vermischung dieser Gase zu einem explosiven Knallgas verhindert.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
Unter Beibehaltung des grundsätzlichen Aufbaus der Anordnung, insbesondere eines Elektrolyseurs bzw. einer Brennstoffzelle, kann durch den Überdruck des zusätzlich vorgesehenen Sperrfluids ein Ausdringen des jeweiligen Fluids aus den Kammern im Randbereich der zwischen den Stirnflächen liegenden Membran und damit ein Zusammentreffen von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas im Fall eines Elektrolyseurs bzw. einer Brennstoffzelle mit einfachen Mitteln und im Fall hoher mechanischer Membran-Belastung mit ungehinderter Verwendung einer Gewebeschicht-Verstärkung mit Sicherheit vermieden werden; in fertigungstechnisch besonders einfacher Weise ist dabei das Sperrfluid von einem die aneinander liegenden Stirnflächen in dem abzudichtenden Umfangsbereich umgebenden, mit den Kammern in Durchtrittsverbindung stehenden Sperr-Ringkanal aufgenom men. Durch die Hintereinschaltung der Sperrfluids-Strömung mit der anschließenden Prozessfluid-Strömung wird bei einem angenommenen Schadensfall eines abfallenden oder ganz ausfallenden Sperrdruckes durch die dadurch ausfallende Förderung des Prozessfluids durch die Kammern quasi eine Sicherheits-Selbstabschaltung erreicht, die verhindert, dass es zu einem gefährlichen Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch wegen des fehlenden dichtenden Sperrfluids-Gegendruckes kommt.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Kammern – ähnlich wie im Fall des Sperr-Ringkanals – aus Prozess-Ringkanälen als Teil der Polplatten gebildet.
Vorteilhaft ist zur Anpassung des Sperrdruckes des nach dem Durchströmen der Kammer, insbesondere der Prozess-Ringkanäle, austretenden Sperrfluids an den Prozessdruck des in die Prozesskanäle eintretenden Prozessfluids eine Druckreduziervorrichtung in der Strömungs-Verbindung zwischen dem Ausgang des Sperr-Ringkanals und dem Eingang des Prozess-Ringkanals vorgesehen.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden, ohne Beschränkung auf diese, im Folgenden anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; darin zeigen:
1 einen axialen Schnitt durch eine einzelne erfindungsgemäße Zelleneinheit einer Elektrolyseur-Anlage;
2 einen axialen Schnitt durch einen mehrere Zelleneinheiten enthaltenden Zellenstack einer Elektrolyseur-Anlage ohne detaillierte Angabe der Fluidverhältnisse;
3 die Zelleneinheit gemäß 1 in Ansicht III;
4 die Zelleneinheit gemäß 1 in Ansicht IV;
5 die Zelleneinheit gemäß 1 in einem vergrößerten Teilausschnitt.
In den Figuren wird die Erfindung in Anwendung auf eine Elektrolyseur-Anlage erläutert, in der Wasser durch Elektrolyse in seine Grundkomponenten Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird; der umgekehrte Prozess läuft in einer Brennstoffzelle ab. Der grundsätzliche mechanische Aufbau ist, z.B. aus der WO 01/48845 A2 , bekannt, wobei insbesondere die gegenseitige Abdichtung zwischen den Zellen und der Membran durch eine mit entsprechendem Dichtungsdruck an die Membran angepresste elastische Dichtung erfolgt.
Eine anodenseitige (+ Pol) Polplatte 1 in Form eines Titan-Grundkörpers mit einer Stirnfläche 1.2 liegt unter Zwischenlage einer elektrischen Isolierung 10 an einer kathodenseitigen (– Pol) Polplatte 2 in Form eines Titan-Grundkörpers mit einer Stirnfläche 2.2 an.
In den voreinander liegenden Stirnflächen sind Kammern bildende, stirnseitig offene Prozess-Ringkanäle 1.1; 2.1 zur Aufnahme des jeweiligen Prozessfluids vorgesehen, die durch eine protonendurchlässige Membrane 4, insbesondere PEM-Membrane, mit beidseitigen Elektroden voneinander derart getrennt sind, dass bei Anlegung einer Spannung durch katalytische Wirkung das anodenseitig in den Prozess-Ringkanälen 1.1 geführte Deionat zersetzt wird und Sauerstoff, freie Elektronen sowie Wasserstoff-Ionen entstehen, die durch die Membrane 4 auf die Kathoden-Seite diffundieren, wo sie mit den Elektronen zu Wasserstoff kombinieren.
Die Polplatten 1 bzw. 2 sind außenrandseitig unter Zwischenlage von Abstandshaltern 11 durch Schrauben 12 gegeneinander verspannbar. Zur Steigerung der Kompaktheit eines Zellenstacks können gemäß 2 die dabei benachbarten Polplatten als Doppel-Polplatten mit beidstirnseitigen Prozess-Ringkanälen ausgebildet sein.
Die gegenüber der bekannten Lösung vorteilhafte, in der Patentanmeldung 10 2005 037 370 B3 beschriebene, Abdichtung zur Vermeidung eines explosiven Sauerstoff-Wasserstoff-Gemi sches wird im Folgenden im Wesentlichen unter Bezugnahme auf die Ausschnittsvergrößerung gemäß 5 erläutert.
5 zeigt als Ausschnittsvergrößerung aus 1 in einem äußeren Umfangsbereich dicht aneinander liegende Stirnflächen 1.2 bzw. 2.2 von Polplatten 1 bzw. 2 in Form jeweils eines Titan-Grundkörpers. Als ein Prozessfluid, insbesondere ein Deionat, aufnehmende Kammern sind in der anodenseitigen Polplatte 1 stirnflächenseitig offene Prozess-Ringkanäle 1.1 und in der kathodenseitigen Polplatte 2 stirnflächenseitig offene Prozess-Ringkanäle 2.1 vorgesehen.
Der anodenseitige Prozess-Ringkanal 1.1 weist eine Prozessfluid-Eintrittsöffnung 1.11 sowie eine Sauerstoff-Prozessfluid-Austrittsöffnung 1.12 auf; der kathodenseitige Prozess-Ringkanal 2.1 weist eine Prozessfluid-Eintrittsöffnung 2.11 sowie eine Wasserstoff-Prozessfluid-Austrittsöffnung 2.12 auf.
Die offenen Seiten der anodenseitigen Prozess-Ringkanäle 1.1 sind gegenüber den offenen Seiten der kathodenseitigen Ringkanäle 2.1 in an sich bekannter Weise durch eine PEM-Membrane 4 mit einer anodenseitigen Iridium-Beschichtung 8 und einer kathodenseitigen Platin-Beschichtung 9 sowie einer beidseitigen porösen Titan-Sinterscheibe 13 getrennt. In eine Stirnfläche der PEM-Membrane 4 ist eine – hier nicht dargestellte – Gewebeschicht-Verstärkung integriert, z.B. eingegossen.
Radial außerhalb der Membrane 4 ist vorteilhaft ein umlaufender Sperr-Ringkanal 3, insbesondere sowohl als Teil der anodenseitigen Polplatte 1 als auch der kathodenseitigen Polplatte 2, vorgesehen und, z.B. über einen Druckübertragungsspalt 3.3, in Verbindung mit möglichen Druckräumen für das anodenseitige und/oder kathodenseitige Fluid gestellt; der Sperr-Ringkanal 3 kann auch nur Teil einer der Polplatten sein.
Die druckbelastungsempfindliche PEM-Membran 4 ist durch ein elastisches Membran-Halterungsmittel 7 zwischen den Stirnflächen 1.1; 2.1 aufgenommen, dessen Halterungsdruck vorteilhaft wesentlich geringer sein kann als ein bekanntermaßen auch zur Gewährleistung einer sicheren Abdichtung notwendiger Pressdruck.
Die eigentliche Abdichtung wird durch den Überdruck des Sperrfluids in dem Sperr-Ringkanal 3 erreicht, durch den das Ausdringen von Sauerstoff-Gas im Bereich zwischen der Membran 4 und der Stirnfläche 1.1 einerseits bzw. von Wasserstoff-Gas im Bereich zwischen der Membran 4 und der Stirnfläche 2.1 andererseits und damit das Entstehen eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches mit einfachen Mitteln sicher verhindert werden kann.
Möglicherweise aufgrund des Überdrucks von dem Sperr-Ringkanal 3 in einen Prozess-Ringkanal 1.1 bzw. 2.1 einsickerndes Sperr-Deionat stört den chemischen bzw. katalytischen Prozess eines Elektrolyseurs oder einer im chemischen bzw. katalytischen Umkehrprozess arbeitenden Brennstoffzelle nicht.
Nach radial außen kann eine Leckage des Sperr-Ringkanals 3 vorteilhaft durch ein zwischen den Stirnflächen außerhalb der Membran mit hinreichendem Dichtungsdruck einpressbares zusätzlichen Außen-Dichtmittel 6, insbesondere einem O-Ring, verhindert werden.
Eine zusätzliche Sicherheit gegenüber einer unerwünschten Knallgasbildung aus einem Wasserstoff-Sauerstoffgemisch kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, dass der Sperr-Ringkanal 3 derart mit den Kammern, insbesondere mit deren Prozess-Ringkanälen 1.1; 2.1, in Verbindung steht, dass das Sperrfluid nach Durchströmen des Sperr-Ringkanals 3 als Prozessfluid den Kammern, insbesondere deren Prozess-Ringkanälen 1.1; 2.1, zuführbar ist.
Im Einzelnen ist dazu die Sperrfluid-Austrittsöffnung über eine Strömungs-Verbindung 14 mit Verzweigungen 14.1 bzw. 14.2 mit den Prozessfluid-Eintrittsöffnungen 1.11 bzw. 2.11 der Polplatten 1 bzw. 2 verbunden; über eine in der Strömungsverbindung 14 angeordnete Druckreduzier-Vorrichtung 15 ist der Sperrdruck des Sperrfluids dem Prozessdruck des Prozessfluids anpassbar.
Über die Sperrfluid-Eintrittsöffnung 3.1 ist das Sperrfluid erstmalig einfüllbar oder während des Betriebes nachfüllbar; das mit Sauerstoff bzw. Wasserstoff aus den Prozessfluid-Austrittsöffnungen 1.12 bzw. 2.12 austretende Deionat kann nach dem Abscheiden des Sauerstoffes bzw. des Wasserstoffes und nach Erhöhung auf Sperrdruck über die Sperrfluid-Eintrittsöffnung 3.1 dem Fluid-Kreislauf wieder zugeführt werden.
Die Erfindung lässt sich im Wesentlichen wie folgt zusammenfassen:
In einem äußeren Umfangsbereich von zumindest zwei mit ansonsten zueinander offenen Stirnflächen 1.2; 2.2 unter Zwischenlage einer diese abdeckenden Membran 4 dicht aneinander liegenden, mit jeweils einem Fluid definierten Prozessdruckes gefüllten, insbesondere aus Prozess-Ringkanälen 1.1; 2.1 gebildeten, Kammern ist zur Verhinderung eines Austritts des jeweiligen Fluids zwischen den Stirnflächen 1.2; 2.2 der Austritts-Gefährdungsbereich von einem äußeren entgegendrückenden Sperrfluid, insbesondere in einem Sperr-Ringkanal 3, mit einem gegenüber dem Prozessdruck entsprechend erhöhten Sperrdruck umschlossen; der Sperr-Ringkanal 3 ist in Reihe zu den Prozess-Ringkanälen 1.1; 2.1 geschaltet, derart dass bei zu geringem Sperrdruck im Sinne einer Selbstabschaltung kein Prozessfluid gefördert wird.

Claims

Anordnung mit zumindest zwei in einem äußeren Umfangsbereich von ansonsten zueinander offenen Stirnflächen (1.2; 2.2) unter Zwischenlage einer diese abdeckenden Membran (4) dicht aneinander liegenden, mit jeweils einem Prozessfluid definierten Prozessdrucks gefüllten Kammern, wobei als Mittel zur Verhinderung eines Austritts des Prozessfluids zwischen den Stirnflächen (1.1; 2.2) ein von außen entgegendrückendes Sperrfluid mit einem gegenüber dem Prozessdruck entsprechend erhöhten Sperrdruck in einem die aneinander liegenden Stirnflächen (1.2; 2.2) und die Membran (4) in dem Umfangsbereich umgebenden, mit den Kammern in Durchtrittsverbindung stehenden Sperr-Ringkanal (3) vorgesehen ist, der derart mit den Kammern in Verbindung steht, dass das Sperrfluid nach Durchströmen des Sperr-Ringkanals (3) als Prozessfluid den Kammern zuführbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, – mit einer Bildung der Kammern aus Prozess-Ringkanälen (1.1; 2.1).
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, – mit jedem Sperr-Ringkanal (3) zugeordneter Sperrfluid-Eintrittsöffnung (2.12) einerseits und Prozessfluid-Austrittsöffnung (3.2) andererseits – mit jeder Kammer zugeordneter Prozessfluid-Eintrittsöffnung (1.11; 2.11) einerseits und Prozessfluid-Austrittsöffnung (1.12; 2.12) andererseits – mit einer Strömungsverbindung (14, 14.1, 14.2) von der Sperrfluid-Austrittsöffnung (3.2) zu der Prozessfluid-Eintrittsöffnung (1.11; 2.11).
Anordnung nach Anspruch 3, – mit einer Druckreduziervorrichtung (15) in der Strömungs-Verbindung (14) zwischen dem Sperr-Ringkanal (3) und den Kammern und/oder den Prozess-Ringkanälen (1.1; 2.1,) mittels welcher der Sperrdruck des Sperrfluids dem Prozessdruck des Prozessfluids anpassbar ist.
Anordnung nach Anspruch 4, – mit einer Verwendung der Sperrfluid-Eintrittsöffnung als Einfüll- und/oder Nachfüllöffnung für das Sperrfluid mit dem erhöhten Sperrdruck.
Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, – mit einer Anordnung des Sperr-Ringkanals (3) in den in dem Umfangsbereich aneinander liegenden Stirnflächen (1.2; 2.2) der Kammern.
Anordnung nach Anspruch 6, – mit einer Ausbildung der einen Kammer mit in ihrer Stirnfläche (1.2) verlaufenden, gegenüber der mit ihrer einen Stirnseite anliegenden Membran (4) geöffneten Prozess-Ringkanälen (1.1) und/oder gegenüber der Stirnfläche (2.2) der anderen Kammer geöffnetem Sperr-Ringkanal (3) – mit einer Ausbildung der anderen Kammer mit in ihrer Stirnfläche (2.2) verlaufenden, gegenüber der mit ihrer anderen Stirnseite anliegenden Membran (4) geöffneten Prozess-Ringkanälen (2.1) und/oder gegenüber der Stirnfläche (1.2) der einen Kammer geöffneten Sperr-Ringkanäle (3).
Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, – mit einer gasdichten, protonendurchlässigen Membran, insbesondere Polymer-Membran, als die offenen Bereiche der Stirnflächen (1.2; 2.2) abdeckende Membran (4).
Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, – mit einer Ausbildung als Zelleneinheit eines Elektrolyseurs.
Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, – mit einer Ausbildung als Zelleneinheit einer Brennstoffzelle.