具有多个电解池的电解设备的制作方法

本发明涉及具有多个电解池的电解设备。

背景技术：

1、已知的电解设备具有多个电解池，其用于在电的作用下将化学物质转化为其他化学物质。通常，借助电流发生化学反应、即物质转化。

2、例如，当今借助质子交换膜(pem)电解或碱性电解来生产氢。然后这些电解设备借助电能由供应的水产生氢和氧。

3、电解设备在此具有多个彼此相邻布置的电解池。借助水的电解例如在电解池中将水分解为氢和氧。在pem电解器中，通常在阳极侧供应蒸馏水作为底物，并在可透过质子的膜(英语：“proton-exchange-membrane”；pem)处将其分裂为氢和氧。水在此在阳极处氧化成氧。质子穿过可透过质子的膜。在阴极侧产生氢。水在此通常从底侧输送到阳极室和/或阴极室中。

4、在水的电解中，利用电流将水分解为其组成部分，即氢和氧。不过，原则上其他初始物质、例如二氧化碳或类似物质，也可以作为底物进行电解。

5、在此通常涉及的是流体物质，其在电解设备中可通过相应的供给管路供应给在其中实际执行电解的电解池。电解产物通常同样是流体形式的并通过另外的供给管路从电解池排出。供给管路通常连接至池子供给单元，该池子供给单元用于为了电解池的按规定运行而向电解池供给相应的物质或至少一种运行物质。这里的供给不仅指供应运行物质或要电解的物质，还指排出相应的电解产物，即包括供应底物流体和排出由电化学转化过程获得的产物流体。

6、已证实氢的供应在工业规模上特别令人感兴趣，尤其是因为氢是一种多方面用途的能量载体。可以用也称为电解器的电解设备通过利用再生产生的电能来提供氢。产生氢的一种可行方案是使用其电解池基于质子交换膜(英语：proton exchange menbrane，pem)的电解设备。基于pem的电解设备或基于pem的电解池的原理在现有技术中是已知的，因此在此省略了进一步的解释。例如，专利文献de 102011007 759a1公开了用于由水产生氢和氧的电解池。不过专利文献de 102019 205 316a1也描述了用于高效节能地制氢的相应的电解池。此外，专利文献de 21 2018 000 414 ul公开了氢生成系统。

7、这种类型的电解设备通常具有多个电解池，这些电解池通常电气串联连接。由此形成的串联电路与提供合适电压的电能量源电耦合，从而可以借助电解池实现设置的电化学物质转化过程。

8、电解池此外沿堆叠方向相继布置，从而形成池堆。通过堆叠布置，相继布置的电解池可以比如通过机械挤压彼此直接电接触，从而可以大大减少电解池的单独的电连接部。

9、在池堆内还设有供给管路系统(英语：manifold)，其用于向电解池供应或排出至少一种运行物质。运行物质例如可以包括供应的流体(例如水)和/或反应产物(例如氢和氧)。池堆(英语：stack)通常以特定的电解功率运行，使得电流尽可能小但电压尽可能大。这通过在池堆中适当地堆叠电解池来实现。由此，池堆中的各电解池处的电压可以加和为池堆电压，同时以这种方式串联连接的电解池可以以基本上相等的电流运行。

10、用于运行电解设备的电解功率由能源提供，该能源为此可连接至池堆的相应的对置的端部。在池堆中可以布置多个电解池，例如超过100个电解池，尤其是数百个电解池，但优选不超过约400个电解池。在将水电解产生氢和氧时，各电解池之一处的电压约为1.5v至2.5v。由此相应地得到池堆处的电压，从而池堆处的电压经常超过100v，甚至可达数百伏。

11、电解设备除了包括池堆之外还包括对于电解设备或电解池的按规定运行所需的其他部件，例如泵、热交换器、分离容器。当前，这些部件通过池子供给单元归纳合并，该池子供给单元用于为了按规定运行而向电解池供给至少一种运行物质。

12、池子供应单元通过供给管路连接至沿堆叠方向相继布置的电解池，所述供给管路连接至相继布置的电解池的对置的端部。所述供给管路通常由比如金属或类似物的材料制成。

13、在池堆或相继布置的电解池的端部之间出现相应地高的电压。因此，通常由金属形成的供给管路需要具有相应的电绝缘区段，其用于避免在相继布置的电解池的端部之间以及因此在电能量源的电连接部之间形成良好的导电连接。

14、根据现有技术的应用基本上已经经受住了考验，但是仍然发现，尤其是在供给管路的邻接电绝缘区段的区域中，该区域在按规定运行中被施加电能量源的正电势，可能会发生腐蚀。在供给管路的该阳极区域中，金属的管道材料发生氧化分解。这不仅对电解设备本身有害，还可能导致至少一种运行物质的污染，并因此导致对电解池的按规定运行的干扰。

15、为了减少该问题，在现有技术中已知的是，保持水的比电导率尽可能小，并通过使隔离段尽可能长或亦通过在相应绝缘区段的区域中减小横截面来在动力学上减缓腐蚀，这样在时间上延缓该效应。然而，由此无法从根本上避免腐蚀。具体地，尤其是在由绝缘区段形成的隔离段内，水的电导率尽管很低但始终存在，这导致水中有杂散电流，尤其是在绝缘段内。结果，腐蚀问题依旧存在，这对于电解设备的使用寿命是不利的。除了特殊且繁琐的水管理之外，还已知具有保护电极的概念来抵消例如在用于电解装置的电解质的输入管路和输出管路中经常出现的腐蚀效应。例如，在专利文献de 4136 917c1中提出在电解装置中设置一些保护电极，这些电极与相对于大地绝缘的金属轨导电连接。这实现很容易地以足够的精度测量从各保护电极流向金属轨的电流。由此可以监测保护电极的功能完好性。

技术实现思路

1、本发明基于的目的是，提供一种电解设备，该电解设备进一步减少上文提及的腐蚀问题并且配备有与已知解决方案相比有所改进的保护概念。

2、根据本发明，通过如下电解设备来实现该目的，该电解设备具有多个电解池，这些电解池电气串联连接并且至少部分地沿堆叠方向相继布置，其中，该串联连接可与电能量源电耦合；该电解设备包括池子供给单元，该池子供给单元用于向电解池供给至少一种运行物质以按规定运行；还包括供给管路，该供给管路连接到池子供应单元和依次布置的电解池的对置的端部，其中，所述供给管路的材料具有金属；并且其中，至少一个所述供给管路具有电绝缘区段，其具有至少部分地伸入到绝缘区段内部中的控制电极，该控制电极具有催化剂材料，该控制电极在供给管路的阳极侧上与供给管路的金属管道区段电接触。

3、由从属权利要求的特征得出有利的改进方案。

4、本发明在此已经基于如下认识，即电解设备的关于避免和消除退化现象的迄今运行概念主要是就破坏性的腐蚀效应而言在设备技术方面很繁琐，并且在经济性方面具有显著缺点。特别地，传统方案尚未提出有效且可持续的解决方案。相反，腐蚀问题仍然存在，这对于电解设备的使用寿命是不利的。

5、因为在电解设备的运行期间，在由绝缘区段形成的隔离段上通常施加有数百伏的电压，所以由于高的电压差在一条供给管路上存在显著的电子过剩而在另一条供给管路上相应地电子不足。电压在此大到从热力学的角度看会发生电极反应。通过降低水的比导电性或延长或收缩隔离段，基本上可以减慢、即在动力学上减缓该反应。但该反应永远不会完全被抑制，所以这只是权宜之计。隔离段内的水始终具有低的导电性，从而在供给管路的绝缘区段的区域中，杂散电流流过运行物质，尤其是流过水(在水的电解的情况下)。

6、在电子过剩的阴极侧，水将会分裂，产生氢和氢氧根离子。氢以微小的气泡的形式或以溶解的形式存在，并且随水被带走。所产生的量非常小，因此氢不会产生任何破坏性的影响。氢氧根离子以溶解的形式存在于水中，并且由于其负电荷以及主导电场的方向，倾向于从供给管路的阴极侧朝向绝缘区段和供给管路的随后连接的位于其后的阳极侧迁移。

7、与此相反，在阳极侧，供给管路的金属管道材料被氧化分解。比如，在供给管路由不锈钢制成的情况下，金属铁fe由于阳极腐蚀而以fe3+的形式进入溶液，从而随着时间的推移，大量fe3+外来离子被引入水中。不过，也可能形成其他种类，例如锈，其就地留在表面上并且可以通过表征性的棕色来识别。除了铁之外，钢中存在的其他金属也可能被溶解并在此形成有害的阳离子。由于带正电荷，所以这些金属阳离子倾向于沿与氢氧化物相反的方向迁移，这会由于形成所谓的铁丹而导致进一步不利的随后现象。铁丹是极细的含铁颗粒，其分布在管道管路和电解系统的部件中。

8、金属离子可从氧侧进入膜电极单元(mea)并在那里积聚也被认为是一个重大缺点。该过程尤其会导致更高的池电压。此外，mea损坏机理与这些金属离子有关。例如，在电极处形成的h2o2在与金属离子接触时会转化为自由基，该自由基会以化学的方式攻击mea的膜结构，并从而影响其使用寿命。

9、在此有针对性地应用本发明，即在电解设备中在隔离区段的区域中尽可能避免供给管路中破坏性阳离子的临界外来离子浓度的形成和释放，并采取相应的预防措施。通过为此设置的部分伸入到绝缘区段内部中并且具有催化剂材料的控制电极，可以实现特别是在绝缘区段的阳极侧处杂散电流不经由供给管路的金属管道材料流走，而是有针对性地经由起催化作用的控制电极。由此抑制了阳极侧的腐蚀，因为不会有破坏性的金属阳离子，比如fe3+，从供给管路的含铁材料进入溶液。如上所述，可以非常有效地且尤其可以持续地抑制并几乎完全避免损坏过程，尤其是阳极侧上的那些过程。有利地提高了电解设备的使用寿命。绝缘区段被设计为管形的并且在流动技术方面密封地连接到供给管路中，例如以连接法兰的形式。因此，具有绝缘区段的供给管路中的运行物质能够以流体密封的方式被引导通过绝缘区段。绝缘区段具有沿轴向方向、即沿运行物质的流动方向的轴向伸展。控制电极部分地伸入到绝缘区段的内部中。根据能减轻腐蚀的杂散电流吸收的设计方案和可实现的控制效率，从绝缘区段的阳极侧测量，控制电极可沿轴向方向伸入到绝缘区段内部的30％至70％之间，优选地约40％至60％。控制电极在此与阳极侧的供给管路的金属管道区段电接触并被置于相应的电势，从而有效避免了在供给管路的阳极区段中从连接管路的金属管道材料释放金属阳离子，比如fe3+并实现了腐蚀保护。控制电极在此起电作用和催化作用，并且由于其尺寸和几何形状以及对环流流体相应低的流阻，不影响或不显著影响供给管路中运行物质的输送。在控制电极的基体上施加催化剂材料。涂敷部的催化剂材料在此被选择为有利于将水电化学分解为质子和氧。除了控制电极在绝缘区段中的定位和布置方案之外，其通过催化剂材料的催化作用也承担了特别有效的腐蚀保护。

10、在电解设备的优选的设计方案中，从绝缘区段的阳极侧测量，控制电极沿轴向方向伸入到绝缘区段内部的30％至70％之间，尤其是约40％至60％。

11、已经确定，具有催化剂材料的控制电极在绝缘区段内的轴向定位影响腐蚀保护的保护效果和控制效率。根据设计方案和可实现的控制效率，事实表明，控制电极在绝缘区段内的轴向位置的该工作区域对于减少腐蚀的杂散电流吸收特别有效。由此促进了特别有效的电子捕获以及通过控制电极将电子在阳极侧排出到阳极侧的金属管道材料中。

12、根据电解设备的特别有利的改进方案提出，将电解池布置成至少两个子堆，其中，至少两个所述子堆中的每个子堆均借助至少一条第一供给管路以及至少一条第二供给管路与池子供给单元相连接，所述第一供给管路连接至池子供应单元和相应子堆的第一端部，所述第二供给管路连接至池子供应单元和相应子堆的沿堆叠方向与第一端部对置的第二端部，其中，连接到子堆的能够与电能量源的负电势联接的第一端部的第一供给管路导电连接到池子供给单元，并且所有其他供给管路具有相应的电绝缘区段，其中，多个所述绝缘区段具有相应的控制电极，该控制电极至少部分地伸入到绝缘区段内部。

13、若有需要，所有绝缘区段都有利地配有相应的至少部分地伸入到绝缘区段内部的控制电极。

14、由此在电解设备中实现了特别全面的腐蚀保护，因为在大多数电绝缘区段中都导出了破坏性的杂散电流，在需要的情况下如果担心该腐蚀效应的话甚至还可以在每个电绝缘区段中都导出。由此即使在具有电解池的多个子堆的复杂电解设备中，也能有效且持续地抑制金属阳离子的释放。因此，本发明的腐蚀保护概念还可以灵活地应用于并适配具有高电解功率的工业规模的电解设备。在此，有针对性地对供给管路的易于腐蚀的电绝缘区段，尤其是在阳极作用侧上配备相应的至少部分地伸入到绝缘区段内部中的控制电极。该控制电极部分地伸入到绝缘区段内部中。根据能减轻腐蚀地吸收杂散电流的设计方案和可实现的控制效率，控制电极可沿轴向方向伸入到绝缘区段内部的大致30％至70％之间，优选地约40％至60％。这可以根据连接管路和绝缘区段的区域中的局部几何形状以及对腐蚀保护的要求来灵活设计。

15、用于电绝缘区段的材料例如可以是塑料、陶瓷，但也可以是金属氧化物，例如二氧化钛、氧化铝和/或类似物。此外，还可以设置复合材料，其例如可以由塑料形成，该塑料例如可以是经纤维增强的。当然，也可以设置这些材料的几乎任何组合，优选地以基本上避免与要供应的运行材料发生化学反应的方式来选择它们。

16、供给管路的材料至少包含金属。该金属例如可以是钢，尤其是不锈钢。此外当然也可以使用其他金属，例如钛或类似金属。当然，也可以设置相应的金属合金。

17、电解设备的电能量源例如可以是能够为通过电解池进行的电解提供足够功率的任何电压源或电流源。电解功率可以在比表面电流密度下根据相应电解池的尺寸，尤其是其在电解技术方面有效的面积确定。

18、供给管路具有带有合适内径或横截面的贯通开口，以便能够以尽可能小的损失将相应的运行物质引至电解池和/或能够以尽可能小的损失将其从相应的电解池或子堆排出。

19、在电解设备的另外的优选的设计方案中，所述控制电极被布置成使得在按规定运行中，在供给运行物质时，经由控制电极通过其阳极效应能够导出供给管路中的杂散电流。

20、控制电极的阳极侧电连接和效果是特别有效的，并且因此是有利的，因为在邻近绝缘区段的供给管路的阳极侧的区域中，由于杂散电流而导致的金属阳离子的释放是特别具有腐蚀性的且因此是破坏性的。

21、在优选的设计方案中，控制电极被设计为线形的、杆形的或栅格形的。原则上，可以灵活地采用多种几何设计方案和材料组成。使控制电极由金属线制成和/或具有杆形或栅格形的几何形状是特别有利的，因为在安装状态中具有良好的局部适应性且流动阻力很小，控制电极在运行中在绝缘区段内部中以该流动阻力对抗在供给管路中输送的运行物质。控制电极也可以由圆柱形或杯形的编织网来设计。因此在供给管路的内横截面上提供了更大的控制电极有效面积，以便几乎完全导出或抑制破坏性的致使腐蚀的杂散电流。同时，这种几何形状确保电控制电极对供给管路内的运行物质的输送具有足够低的流动阻力。

22、此外，控制电极优选地具有涂覆有催化剂材料的高导电性的载体金属，尤其是钛。

23、这样，控制电极的基体例如可以具有高导电性的抗氧化材料或由其构成。钛在这里是优选的选择。这样，例如钛金属板网或者如所描述的杆形或线形的设计方案，也可以充当控制电极的载体或基体。在该基体上施加催化剂材料。涂覆部的催化剂材料在此优选地选择为使得其有利于例如将水电化学分解为质子和氧。

24、在优选的设计方案中，催化剂材料具有贵金属氧化物。更优选地，控制电极的涂覆部包含催化剂材料，该催化剂材料具有包含铱和/或钌的混合氧化物。

25、因此，例如，可以使用钛混合氧化物阳极形式的钛基控制电极，其具有由钛制成的载体，载体由混合氧化物层来活化。这些层主要由具有其他掺杂的铂族金属的贵金属氧化物组成，从而形成所谓的金属混合氧化物阳极(mmo)。

26、根据要求，例如mmo阳极也可以用作电解设备的绝缘区段中的起阳极作用的控制电极，正如其用于电泳涂覆工艺那样。这些优选地基于铱钽活化，比如每平方米的a型钛金属板网用12.5g铱，该a型钛金属板网比如具有紧固元件，该紧固元件比如以焊接的钩的形式来实现，用于控制电极在供给管路的阳极侧处的紧固和电接触。

27、用于电绝缘区段的材料例如可以是塑料、陶瓷，但也可以是金属氧化物，例如二氧化钛、氧化铝和/或类似物。此外，还可以设置复合材料，其例如可以由塑料形成，该塑料例如可以是经纤维增强的。当然，也可以设置这些材料的几乎任何组合，优选地以基本上避免与要供应的运行物质发生化学反应的方式来选择它们。

28、供给管路的材料至少包含金属。该金属例如可以是钢，尤其是不锈钢。此外，也可以使用其他金属，例如钛或类似金属。当然，也可以设置相应的金属合金。

29、在电解设备的特别有利的设计方案中，子堆的朝向相应绝缘区段的相应端部相对于电解池电绝缘。

30、因此可以确保在绝缘区段和子堆的相应端部之间的区域中很大程度上避免腐蚀效应。由此能够进一步改善本发明的效果。

31、在电解设备的优选的设计方案中，设置连接到池子供应单元的电压源，使得可以对池子供应单元施加相对于地电势为负的电势。

32、由此，在电解设备中将池子供应单元至少间接地电接地。通过该接地部，可以用与池子供应单元电耦合的供给管路将池子供应单元置于预先给定的参考电势。由此，电能量源的经由供给管路与池子供给单元电耦合的负电势同时也可以间接地至少接地。与现有技术不同，由子堆形成的池堆因此相对于地电势处于限定电势并且因此其电势不再是浮动的。因此，由此可以在相应的电绝缘区段处实现限定的电势差或电压。这实现进一步改善本发明的功能的可靠性。

33、此外，在有利的实施方式中提出，接地部具有牺牲阳极和/或电压源，借助其能够对池子供应单元施加相对于地电势为负的电势。由此可以实现“阴极腐蚀保护”。如果使用了电压源，则电压源的负电势可以与池子供给单元和连接到其上的供给管路电连接。电压源的负电势在此优选地同时相应地接地。为了使以这种方式实现的腐蚀保护有良好的功能，可以规定，电压源提供在相对于地电势约-2v至约0伏范围内的电压。事实表明，若该电压选择在约-1v至约-0.8v的范围内，则是特别有利的。通过在该范围中选择的电压，即使是在海事条件下，例如在离岸应用中，也可以避免例如不锈钢的腐蚀。特别地，由此可以减少或防止外部的腐蚀现象。

34、在特别有利的设计方案中，子堆在供给技术方面并联地连接到池子供应单元。通过这种方式，可以实现对子堆良好地供给至少一种运行物质。所述供给可以包括输入以及排出运行物质或在电解期间产生的物质。

35、为了同样减少或避免内部的腐蚀现象，可以优选地规定，在池子供给单元的区域中以对应电极的形式布置另一电极以用于阴极腐蚀保护。内部的腐蚀现象特指电解设备内、尤其是池子供应单元内的腐蚀效应。此处所指的例如可以是钛电极或钛阳极，其可以涂覆有混合氧化物。优选地，以此方式形成的阳极布置在池子供应单元的氧分离容器的液相中。

36、特别有利地，子堆在供给技术方面并联地连接到池子供应单元。通过这种方式，可以实现对子堆良好地供给至少一种运行物质。所述供给可以包括输入以及排出运行物质或在电解期间产生的物质。