电解装置的制作方法

本发明涉及一种电解装置，所述电解装置具有：多个电解池，所述电解池电串联连接并且所述电解池至少部分地在堆叠方向上相继设置，其中串联连接可与电能量源电耦合；池供给单元，所述池供给单元用于给电解池供给至少一种运行物质以用于常规运行；和连接到池供给单元上并且连接到相继设置的电解池的相对置的端部上的供给管路。

背景技术：

1、用于在电的作用下将化学物质转换成其他化学物质的电解池在现有技术中是广泛已知的。通常，借助于电流引起化学反应、即物质转换。这被称为电解。一种已知的并且多方面使用的电解形式是水电解。在水电解中，利用电流将水分解成其组成部分、即氢气和氧气。然而，原则上，其他物质也能够经历电解，例如二氧化碳等。

2、通常，在这种情况下涉及流体物质，所述流体物质能够经由对应的供给管路输送给电解池，在所述电解池中执行实际的电解。电解产物通常同样呈流体形式，并且经由另外的供给管路从电解池中导出。供给管路通常连接到池供给单元上，所述池供给单元用于给电解池供给相应的物质或至少一种运行物质，以用于常规运行。也就是说，供给在此不仅意味着运行物质或要电解的物质的输送，而且还意味着相应的电解产物的导出。

3、氢气的提供被证明为在工业上是特别感兴趣的，尤其氢气能够是一种可多方面使用的能量载体。氢气能够借助于也称为电解器的电解装置利用可再生地产生的电能来提供。产生氢气的一种可能性在于，使用如下电解装置，所述电解装置的电解池基于质子交换膜(英文：proton exchange membrane，pem)。基于pem的电解装置或基于pem的电解池的原理在现有技术中是已知的，因此对此不作进一步的阐述。例如，通过de 10 2011 007 759al公开了一种用于从水中产生氢气和氧气的电解池。但是de 10 2019 205 316al也公开了一种用于能量高效地进行氧气制备的对应的电解池。此外，de 21 2018 000 414ul公开了一种氢气产生系统。

4、一般的电解装置通常具有多个电解池，所述电解池通常电串联连接。由此形成的串联连接与提供合适电压的电能量源电耦合，使得能够借助于电解池实现电化学物质转换的预定的过程。

5、此外，电解池在堆叠方向上相继设置，使得所述电解池形成池堆叠。通过堆叠的设置可行的是，相继设置的电解池能够直接电接触，使得能够在很大程度上减少电解池的单独的电端子。

6、在池堆叠内，还设有供给管路系统(英文：manifold)，所述供给管路系统用于给电解池输送或者从其中导出至少一种运行物质。运行物质例如能够包括经输送的流体、例如水，和/或反应产物、例如氢气和氧气。池堆叠(英文：stack)通常以特定的电解功率运行，使得电流尽可能小，但是电压尽可能大。这是通过在池堆叠中合适地堆叠电解池来实现的。由此，在池堆叠中的相应的电解池上的电压能够加和为池堆叠电压，而以所述方式串联连接的电解池能够以基本上相同的电流运行。

7、电解功率通过能量源提供，所述能量源出于该目的可连接到池堆叠的相应的对置的端部上。在池堆叠中能够设置有多个电解池，例如多于100个电解池，尤其数百个电解池，然而优选不多于大约400个电解池。在水电解成氢气和氧气时，电解池中的一个相应的电解池处的电压为大约1.5v至2.5v。由此对应地得出池堆叠上的电压，使得池堆叠处的电压通常超过100v，甚至能够是数百伏。

8、除了池堆叠以外，电解装置还包括对于电解装置或电解池的常规运行所需的其他部件，例如泵、热交换器、分离容器。所述部件当前通过用于给电解池供给至少一种运行物质以用于常规运行的池供给单元组成。

9、池供给单元经由连接到相继设置的电解池的相对置的端部上的供给管路与在堆叠方向上相继设置的电解池连接。供给管路通常由诸如金属等的材料形成。

10、在池堆叠或相继设置的电解池的端部之间出现对应地高的电压。因此，对于通常由金属形成的供给管路，需要所述供给管路具有相应的电绝缘部段，所述电绝缘部段用于避免在相继设置的电解池的端部之间从而在电能量源的电端子之间的能良好导电的连接。

11、虽然根据现有技术的应用原则上已证明是适合的，然而已发现，尤其在供给管路的连接到电绝缘部段上的区域的在常规运行时加载有电能量源的正电势的区域中，可能出现腐蚀。这不仅对电解装置本身有害，而且还可能导致至少一种运行物质的污染，从而导致在电解池的常规运行时的干扰。

12、为了减少所述问题，在现有技术中已知的是，将水的比电导率保持得尽可能小，并且通过在相应的绝缘部段的区域中的尽可能长的绝缘段或横截面减小来在动力学上抑制腐蚀，从而在时间上拉伸效果。然而，腐蚀由此原则上无法避免。尤其地，始终存在的、即使低的水的电导率，尤其在通过绝缘部段形成的绝缘段内的电导率，导致水中的杂散电流，尤其在绝缘段内的杂散电流。由此，腐蚀的问题仍然继续存在。

技术实现思路

1、本发明基于如下目的，减少所谓的腐蚀问题。

2、作为解决方案，本发明提出根据独立权利要求1所述的电解装置。

3、有利的改进方案通过从属权利要求的特征中得出。

4、关于一般的电解装置，通过本发明尤其提出，电能量源的负电势可与池供给单元的参考电势电耦合。因此，在电解装置的运行中，电能量源的负电势与池供给单元的参考电势电耦合。

5、本发明尤其基于如下基本思想：通过电解装置的根据本发明的构造能够实现，优选地，池供给单元从而还有通过相继设置的电解池形成的池堆叠的与电能量源的负电势连接的端部，具有电解装置的最小电势。池堆叠的所述端部在下文中也被称为第一端部。

6、电连接能够通过如下方式来实现：池堆叠的第一端部借助于电线路连接到池供给单元的参考电势上。池供给单元的参考电势例如能够是池供给单元的接地电势。池供给单元的参考电势能够例如间接地或直接地与接地电势电耦合。此外，当然也能够提出，供给管路至少部分地由能导电的材料形成。尤其地，供给管路的材料能够具有金属。由此可行的是，与电线路无关，更确切地说，如果供给管路中的至少一个供电线路(如电线路那样)在其整个纵向延伸部上提供电导率，也借助于供给管路中的至少一个供给管路提供导电连接。

7、应理解的是，这当然仅能够适用于与池堆叠的第一端部连接的供给管路。至少，与池堆叠的第一端部相对置的池堆叠的第二端部连接的供给管路相反具有绝缘部段，使得防止池堆叠的第二端部与池供给单元的参考电势电连接。

8、如果借助于电线路实现电连接，那么所有供给管路能够具有相应的绝缘部段，尤其当所述供给管路基本上具有金属作为材料时。但是，供给管路也能够由电绝缘材料形成。

9、尤其地，供给管路的朝向池供给单元的部段直至可选地存在的相应的绝缘部段不需要具有小于池供给单元的电势、尤其小于参考电势的电势。由此，在可选地存在的相应的绝缘部段与池供给单元之间的供给管路的区域中，能够在很大程度上避免腐蚀效应。因此，腐蚀问题能够转移到相应的电绝缘部段的分别相对置的侧上，在所述电绝缘部段的区域中能够设有对应的补充处理，以便在此也在很大程度上避免或甚至完全防止腐蚀效应。

10、这尤其能够通过如下方式实现：相继设置的电解池相对于池供给单元不再是无电势的，而是通过根据本发明的构造能够保证池供给单元总是在电解装置中提供最小的电势。池堆叠的相继设置的电解池在此此外总体上保持电串联连接。

11、也就是说，通过根据本发明的构造尤其能够实现，能够降低腐蚀效应，因为对腐蚀效应有害的条件能够减少。由于供给管路的绝缘部段处的电势差，在现有技术中，电流可能出现在通过相应的供给管路引导的流体中，尤其当流体是水时。因此，可能释放氢气和氢氧离子。通过本发明，能够减少对于腐蚀效应而言重要的条件、即尤其氢氧离子。优选地，氢氧离子能够至少部分地在池堆叠中通过在该处设置的电解池处理或消耗。因此，氢氧离子不再可用于不期望的腐蚀效应。因此，证明特别有利的是，绝缘部段尽可能靠近地在相应的端部的区域中设置。因此，本发明总体上实现：减少或甚至完全避免不期望的腐蚀作用。

12、例如，电解池能够相继设置在唯一的池堆叠中。优选地，电解池在池堆叠内电串联连接。池堆叠的相对置的端部、更确切地说第一端部和第二端部，可连接到电能量源的相应的电势上。例如，所述端部能够直接连接到电能量源上。然而，优选地，所述端部经由控制单元连接到电能量源上，使得能够根据需要设定电解池的功能。

13、例如，电能量源能够是有能力提供用于通过电解池执行电解的足够的功率的任意电压源或还有电流源。电解功率能够在比表面电流密度下根据相应的电解池的尺寸、尤其所述电解池在电解技术上有效的区域来确定。

14、供给管路具有贯通口，所述贯通口合适的内直径或横截面，以便能够以尽可能无损耗的方式将相应的运行物质引导至电解池和/或能够以尽可能无损耗的方式从相应的电解池或子堆叠处导出。

15、根据一个改进方案提出，供给管路的材料具有金属，其中电解池设置在至少两个子堆叠中，其中至少两个子堆叠中的每个子堆叠借助于至少一个连接到池供给单元上并且连接在相应的子堆叠的第一端部上的第一供给管路以及至少一个连接到池供给单元上并且连接在相应的子堆叠的沿着堆叠方向与第一端部相对置的第二端部上的第二供给管路与池供给单元连接，其中连接在所述子堆叠的可与电能量源的负电势耦合的第一端部上的第一供给管路导电地连接到池供给单元上，并且所有其他供给管路具有相应的电绝缘部段。

16、在所述改进方案中，优选地，子堆叠的电解池此外串联连接，其中相应的子堆叠整体上也串联连接。相反，关于到池供给单元上的连接，子堆叠原则上基本上在流体技术上并联连接。由此，在相应的子堆叠的相应的对置的端部处的堆叠电压当然能够明显小于通过电能量源在整个串联连接处提供的电压。同时，在此也能够减少或在很大程度上避免一开始描述的腐蚀效应。

17、供给管路的电绝缘部段也对应地构成，所述电绝缘部段例如能够由合适的材料形成，所述材料能够与相应的供给管路机械地牢固连接。例如能够涉及环形部段，所述环形部段设置在相应的供给管路的相应的端部处。此外，绝缘部段当然也能够集成到供给管路中，使得供给管路具有两个彼此电绝缘的供给管路部段，所述供给管路部段通过绝缘部段彼此分开。所述由此形成的单元优选地以流体密封的方式彼此连接，其中优选地，为相应的运行物质提供基本上恒定的内部横截面。

18、例如塑料、陶瓷还有氧化物例如二氧化钛、铝氧化物等能够设置为用于电绝缘部段的材料。此外，还能够设有复合材料，所述复合材料例如能够由能够例如纤维增强的塑料形成。当然，也能够设置其几乎任意的组合，所述组合优选地选择成，使得基本上避免与分别待引导的运行物质的化学反应。

19、供给管路的材料至少具有金属。例如，金属能够是钢、尤其是不锈钢。此外，当然也能够使用另外的金属，例如钛等。当然，也能够设有对应的金属合金。

20、根据一个改进方案提出，在相应的绝缘部段的朝向相应的子堆叠的相应的端部的绝缘部段端部处在供给管路内侧设置有电绝缘层。在此构成的绝缘层实现：进一步降低腐蚀效应。电绝缘层能够例如通过塑料、陶瓷等形成，所述电绝缘层在内侧在相应的供给管路处设置在分别预设的区域中。由此，能够在供给管路内侧进一步减小用于腐蚀效应的表面。

21、证明为特别有利的是，电绝缘层从相应的绝缘部段延伸直至相应的子堆叠的相应的端部。由此能够在供给管路侧基本上完全避免腐蚀效应。因此，所述改进方案实现进一步改进本发明的效果。

22、此外提出，电绝缘层具有由绝缘材料构成的覆层。覆层能够例如由塑料、漆、其组合等形成。在安装在相应的供给管路处之前，覆层能够在内侧设置在供给管路的贯通口的区域中。覆层仅需要延伸直至电绝缘部段。由此，能够以有限的耗费实现关于防腐蚀的良好效果。

23、此外提出，电绝缘层具有耐腐蚀的含金属的物质。由此能够实现非常鲁棒的表面，所述表面能够与供给管路良好地连接。

24、优选地，耐腐蚀的含金属的物质是金属氧化物。金属氧化物例如能够是陶瓷材料、二氧化钛、氧化铝等。

25、根据一个改进方案提出，子堆叠的朝向相应的绝缘部段的相应的端部相对于电解池电绝缘。由此能够实现：在绝缘部段与子堆叠的相应的端部之间的区域中在很大程度上避免腐蚀效应。由此能够进一步改进本发明的作用。

26、此外提出，池供给单元至少间接地电接地，也就是说，池供给单元可连接到接地端上。通过接地能够将池供给单元连同与所述池供给单元电耦合的供给管路置于预设的参考电势。由此，电能量源的经由供给管路与池供给单元电耦合的负电势同时也能够同样间接地至少接地。因此，与在现有技术中不同，由子堆叠形成的池堆叠相对于接地电势在限定的电势上，从而不再承受浮动电势。因此，由此能够在相应的电绝缘部段处实现限定的电势差或电压。这允许进一步改进本发明的功能的可靠性。

27、此外提出，接地端具有牺牲阳极和/或电压源，借助于所述牺牲阳极和/或电压源，池供给单元可施加有相对于接地电势为负的电势。由此能够实现“阴极腐蚀保护”。如果使用电压源，那么电压源的负电势能够与池供给单元和连接到所述池供给单元上的供给管路电连接。电压源的负电势在此优选地同时对应地接地。为了以所述方式实现的防腐蚀的良好功能，能够提出，电压源提供相对于接地电势为大约-2v至大约零伏的范围内的电压。证明特别有利的是，所述电压在大约-1v至大约-0.8v的范围内选择。通过在所述范围内选择的电压能够避免即使在海上条件下、尤其在离岸应用中例如不锈钢的腐蚀。尤其能够由此减少或防止外部腐蚀现象。

28、为了同样减少或避免内部腐蚀现象，优选地能够提出，在池供给单元的区域中设置用于阴极腐蚀保护的呈反电极类型的另一电极。内部腐蚀现象尤其涉及电解装置内的腐蚀效应，尤其是池供给单元内的腐蚀效应。例如，在这种情况下能够涉及钛电极或钛阳极，所述钛电极或钛阳极能够覆层有混合氧化物。优选地，以所述方式形成的阳极设置在池供给单元的氧气分离容器的液相中。

29、特别有利地，子堆叠在供给方面并联连接到池供给单元上。以所述方式，能够为子堆叠实现至少一种运行物质的良好供给。供给能够包括运行物质或在电解期间产生的物质的输送还有导出。

30、在子堆叠或电解池中构成的供给结构能够用作为内部绝缘段。在此，在相应的子堆叠内(除了在相应的电解池的相应的活性池面的区域中)接触例如待电解的水的材料能够满足以下三个要求中的至少一个要求：-材料是非金属的；

31、-电势施加的金属通过氧化稳定层覆层，所述氧化稳定层例如是二氧化钛、聚合物等；

32、-未覆层的金属是非电结合的，即基本上不无电势地结合、尤其浮动地结合的。

33、也就是说，通过本发明能够实现，电解池的活性池面的电极能够用作为阳极的反电极。由此，例如能够在电解池的相应的阳极处以最小程度更多地形成氧气，并且能够在相应的电解池的相应的阴极处以最小程度更少地形成氢气。然而，在电解期间的所述变化并不显著地影响电解装置的效率和安全性。更确切地说，本发明的优点在于，由于杂散电流，不能从金属部件中释放杂质离子。

34、如果不形成子堆叠，那么针对子堆叠中的相应的子堆叠给出的设计方案和优点原则上(在相应地调整后)当然也适用于整个池堆叠。

35、以上在说明书中提及的特征和特征组合以及以下在附图描述中提及的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅可在分别给出的组合中而且可在其他组合中使用，而不脱离本发明的范围。

36、以下阐述的实施例涉及本发明的优选的实施方式。先前在说明书中给出的特征、特征组合以及也在实施例的以下描述中提及的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅可在分别给出的组合中而且可在其他组合中使用。因此也包括本发明的如下实施方案或将其视为公开，所述实施方案在附图中未明确示出和阐述，然而通过分开的特征组合由所阐述的实施方式得知和可产生。根据实施例示出的特征、功能和/或作用能够自身分别示出本发明的单独的、可视为彼此独立的特征、功能和/或作用，所述特征、功能和/或作用分别也彼此独立地改进本发明。因此，实施例也应包括与所阐述的实施方式中的组合不同的组合。此外，所描述的实施方式也能够通过本发明的已经描述的特征、功能和/或作用中的其他特征、功能和/或作用来补充。