DE10059432A1

DE10059432A1 - Method of operating an electrolyzer

Info

Publication number: DE10059432A1
Application number: DE2000159432
Authority: DE
Inventors: Rolf Reichel
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2002-06-20
Also published as: EP1337691A2; WO2002044442A2; WO2002044442A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs, das die korrekte Messung der Füllstände umfaßt. Es ist gekennzeichnet durch die Schritte: DOLLAR A - Füllstandsensoren werden mit Betriebsmitteln gereinigt, DOLLAR A - anhaftende Partikel werden vom Füllstandsensor abgelöst, DOLLAR A - die Füllstandhöhe wird gemessen. DOLLAR A Auf Grund der Löslichkeit der Partikel im Betriebsmittel werden diese vom Füllstandsensor abgelöst und ein korrekter Füllstand gemessen. Bei zu niedrigen Füllständen erfolgt rechtzeitig die Zudosierung von Betriebsmittel bzw. die Notabschaltung des Elektrolyseurs. Dadurch wird die Sicherheit des Elektrolyseurs erhöht. DOLLAR A Die Reinigung der Füllstandsensoren mit Betriebsmittels kann im Betrieb des Elektrolyseurs erfolgen. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin einen Füllstandsensor, der Mittel zur Reinigung des Füllstandsensors mit Betriebsmitteln umfasst, z. B. eine auf den Füllstandsensor gerichtete Düse am Ende einer Betriebsmittel-Zuleitung.The invention relates to a method for operating an electrolyzer, which comprises the correct measurement of the fill levels. It is characterized by the following steps: DOLLAR A - level sensors are cleaned with equipment, DOLLAR A - adhering particles are detached from the level sensor, DOLLAR A - the level is measured. DOLLAR A Due to the solubility of the particles in the equipment, they are replaced by the level sensor and a correct level is measured. If the fill level is too low, the equipment is added in good time or the electrolyser is switched off in an emergency. This increases the safety of the electrolyzer. DOLLAR A The level sensors can be cleaned with operating fluids while the electrolyser is operating. DOLLAR A The invention further relates to a level sensor, which comprises means for cleaning the level sensor with operating resources, for. B. a nozzle directed at the level sensor at the end of an operating medium supply line.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs.The invention relates to a method for operating an electrolyser.

Ein Elektrolyseur weist in der Regel eine Vielzahl von hintereinander geschalteten Elektrolysezellen (Zellen) auf, wie der Druckschrift DE 196 07 235 C1 zu entnehmen ist. Über einen oder mehrere Kanäle, auch Betriebsmit tel-Zuleitungen genannt, werden den Zellen Betriebsmit tel zugeleitet.An electrolyser usually has a variety of electrolysis cells (cells) connected in series on how to find the document DE 196 07 235 C1 is. Via one or more channels, also with called tel supply lines, the cells are Betriebsmit tel forwarded.

Eine einzelne Zelle eines Elektrolyseurs besteht aus zwei Elektroden und einem dazwischen liegenden Dia phragma. Ein Raum, in dem sich eine Elektrode befindet, wird Elektrodenraum genannt. Ein Betriebsmittel wird einem Elektrolyten zugegeben, den Elektroden zugeführt und in seine Bestandteile (z. B. Produktgase) zerlegt. Das oder die produzierten Gase können in Gasabscheidern und von dort aus an einen Speicher (z. B. Wasserstoff tank, Hydridspeicherelement) unter Anwendung von Druck weitergeleitet werden. Das Gas kann von dort über Ent nahmestationen in Flaschen abgefüllt werden.A single cell of an electrolyser consists of two electrodes and a slide in between phragma. A room with an electrode in it is called the electrode space. It becomes a resource added to an electrolyte, supplied to the electrodes and broken down into its components (e.g. product gases). The gas or gases produced can be in gas separators and from there to a storage facility (e.g. hydrogen tank, hydride storage element) using pressure to get redirected. The gas can pass from there via Ent collection stations are bottled.

Die Betriebsmittel können auch direkt in die Gasab scheider über die Betriebsmittel-Zuleitungen des Elektrolyseurs zugeführt werden. In den Gasabscheidern werden zusätzlich die Produktgase vom Elektrolyt ge trennt. The equipment can also be fed directly into the gas separator via the equipment supply lines of the Electrolysers are supplied. In the gas separators the product gases from the electrolyte are also ge separates.

Im Falle eines Wasser-Elektroyseurs wird als Betriebs mittel Wasser zugegeben, welches dann auch als Speise wasser bezeichnet wird. Wasserstoff und Sauerstoff wer den erzeugt. Die Gase werden in den Gasabscheidern von der als Elektrolyt dienenden Kalilauge (30%-ige KOH) getrennt.In the case of a water electroyseurs is considered an operating medium water added, which then also as food is called water. Hydrogen and oxygen who that generated. The gases are in the gas separators from the potassium hydroxide solution (30% KOH) serving as the electrolyte Cut.

Während der Elektrolyse wird regelmäßig aus betriebs- und sicherheitstechnischen Gründen der Füllstand des Elektrolyts in den Gasabscheidern ermittelt. Die Füll standhöhe wird genutzt, um die zu dosierende Betriebs mittelmenge über die Betriebsmittel-Zuleitungen zu steuern. In einem Wasser-Elektrolyseur wird beispiels weise bei einem zu niedrigen KOH-Füllstand Speisewasser zudosiert.During the electrolysis, and safety reasons the level of the Electrolytes determined in the gas separators. The filling stand height is used to control the operation to be metered amount of medium via the equipment supply lines Taxes. In a water electrolyzer, for example if the KOH level is too low, feed water added.

Auch das Notabschaltsystem des Elektrolyseurs kann auf der Messung der Füllstandhöhe beruhen. Die korrekte Messung der Füllstandhöhe ist somit für die Sicherheit eines Elektrolyseurs unerlässlich.The electrolyser's emergency shutdown system can also be opened based on the measurement of the level. The correct one Measuring the level is therefore for safety of an electrolyser is essential.

Als Füllstandsensoren werden im Stand der Technik bei spielsweise Schwimmkörper oder meist stabförmige kera mische bzw. teflonummantelte Füllstandsensoren einge setzt, die die Füllstandhöhe kapazitiv messen. Auf Än derung der Kapazität arbeitende Füllstandsensoren bie ten den Vorteil, bei kleiner Baugröße hohen Betriebs drücken von 60-200 bar Stand zu halten. Hohe Betriebs drücke dienen der kompakten Bauweise des Elektroly seurs, da die Nachverdichtung abzufüllender Gase ent fallen kann. Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs wird erhöht.The level sensors used in the prior art include for example floating bodies or mostly rod-shaped kera mix or Teflon-coated level sensors which capacitively measure the level. On Än change in capacity working level sensors bie ten advantage with a small size and high operation pressures of 60-200 bar to withstand. High operating pressures serve the compact construction of the electroly seurs, since the post-compression of gases to be filled ent can fall. The efficiency of the electrolyzer will elevated.

Teflonummantelte sowie keramische Füllstandsensoren sind vorteilhaft weitgehend inert gegenüber den chemischen Bestandteilen der Reaktanden eines Elektro lyseurs. Gleichzeitig halten diese Füllstandsensoren hohen Drücken bei Betriebstemperaturen von bis zu 500°C stand.Teflon-coated and ceramic level sensors are advantageously largely inert to the chemical components of the reactants of an electro lyseurs. At the same time, these level sensors hold high pressures at operating temperatures of up to 500 ° C stood.

Nachteilig können sich an diesen Füllstandsensoren Par tikel ablagern. Ablagerungen von Bestandteilen der Elektroden und Diaphragmen sowie auch des Elektrolyts an den Füllstandsensoren bewirken nachteilig die Anzei ge falscher Füllstandhöhen.A disadvantage of these level sensors can be par deposit the item. Deposits of components of the Electrodes and diaphragms as well as the electrolyte on the level sensors adversely affect the display incorrect fill level.

Im Falle eines alkalischen Wasser-Elektrolyseurs kann beispielsweise nachteilig durch Ablagerung von KOH an den Füllstandsensoren ein höherer Füllstand angezeigt werden als tatsächlich gegeben ist. Dies gefährdet die Sicherheit des Elektrolyseurs.In the case of an alkaline water electrolyser for example disadvantageous due to the deposition of KOH the level sensors show a higher level be than is actually given. This endangers the Electrolyser safety.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein einfaches Ver fahren zum dauerhaften Betrieb eines Elektrolyseurs be reitzustellen. Dieses umfaßt die korrekte Messung der Füllstandhöhe. Ein solches Verfahren stellt eine Grund lage für einen dauerhaften und sicheren Betrieb eines Elektrolyseurs dar. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfin dung, einen Füllstandsensor sowie einen Elektrolyseur bereitzustellen, die die genannten Nachteile regelmäßig verringern.The object of the invention is therefore a simple Ver drive to the permanent operation of an electrolyser Semi note. This includes the correct measurement of the Filling level. Such a procedure is one reason location for permanent and safe operation of a Electrolysers. It is also the responsibility of the inventor a level sensor and an electrolyser provide the disadvantages mentioned regularly reduce.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch einen Füllstandsensor und einen Elektrolyseur gemäß der Nebenansprüche ge löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils rückbezogenen Unteransprüchen. The task is accomplished through a process with the characteristics of the main claim and a level sensor and an electrolyser according to the subclaims solves. Advantageous configurations result from the in each case related subclaims.

Verfahrensgemäß werden die Füllstandsensoren des Elektrolyseurs mit Betriebsmitteln gereinigt. Dadurch werden anhaftende Partikel vom Füllstandsensor abge löst. Anschließend wird die Füllstandhöhe gemessen.According to the method, the level sensors of the Electrolysers cleaned with equipment. Thereby adhering particles are removed from the level sensor solves. The level is then measured.

Mit Betriebsmitteln ist vorzugsweise ein durch Elektro lyse zu zersetzendes Edukt gemeint. Das Betriebsmittel wird nach dessen Zersetzung entsprechend wieder zudo siert. Es dient dann vorteilhaft auch als Lösungs- bzw. Reinigungsmittel für anhaftende Partikel an den Füll standsensoren. Es ist aber auch denkbar, nicht ein Edukt, sondern ein anderes im Betrieb benötigtes Be triebsmittel zusätzlich als Reinigungsmittel einzuset zen, solange dies den Elektrolysebetrieb nicht beein trächtigt.With resources is preferably one by electrical lysis meant starting material to be decomposed. The resource is correspondingly closed again after its decomposition Siert. It then advantageously also serves as a solution or Detergent for adhering particles to the filling level sensors. But it is also conceivable not one Educt, but another Be required in operation as a cleaning agent zen as long as this does not affect the electrolysis operation adversely.

Im Falle eines alkalischen Wasser-Elektroyseurs ist als Betriebsmittel Speisewasser vorgesehen (Anspruch 2).In the case of an alkaline water electrosseur is as Equipment feed water provided (claim 2).

Das zuzuführende Speisewasser wird während der Dosie rung gezielt auf die Füllstandsensoren gespritzt. Das Speisewasser dient dann vorteilhaft auch zur Reinigung der Füllstandsensoren von anhaftender KOH. Diese wird abgelöst. Die Füllstandhöhe kann korrekt gemessen wer den.The feed water to be supplied is during the dose sprayed specifically onto the level sensors. The Feed water is then also advantageously used for cleaning the level sensors of adhering KOH. This will replaced. The level can be measured correctly the.

Ohne Einschränkung der Erfindung kann das Prinzip der Reinigung der Füllstandsensoren mit Betriebsmitteln auch auf andere Elektrolyseure und Elektrolyse- Verfahren übertragen werden, z. B. auf die elektrolyti sche Raffination von Metallen und auf die Synthese von Chlor-Gasen.Without limiting the invention, the principle of Cleaning the level sensors with equipment also to other electrolysers and electrolysers Procedures are transferred, e.g. B. on the electrolytic refining of metals and on the synthesis of Chlorine gases.

Vorteilhaft erfolgt im Betrieb des Elektrolyseurs die Reinigung der Füllstandsensoren (Anspruch 3). The operation of the electrolyser advantageously takes place Cleaning the level sensors (claim 3).

Während der Reinigung der Füllstandsensoren kann also der Elektrolyseur weiterbetrieben werden, denn die Rei nigung der Füllstandsensoren erfolgt mit der Dosierung des Betriebsmittels. Das Abschalten des Elektrolyseurs und der Ausbau von Füllstandsensoren zwecks Reinigung entfällt.So while cleaning the level sensors the electrolyser continues to operate, because the Rei The level sensors are adjusted with the dosage of the equipment. Switching off the electrolyser and the removal of level sensors for cleaning eliminated.

Der Füllstandsensor gemäß Nebenanspruch umfaßt Mittel zur Reinigung des Füllstandsensors mit Betriebsmitteln (Anspruch 4).The level sensor according to the independent claim comprises means for cleaning the level sensor with equipment (Claim 4).

Dadurch wird vorteilhaft ein Füllstandsensor bereit ge stellt, der auf einfache Weise im Betrieb des Elektro lyseurs mit Betriebsmitteln gereinigt werden kann.This advantageously provides a level sensor provides a simple way of operating the electrical system lyseurs can be cleaned with equipment.

Als Mittel kann eine auf den Füllstandsensor gerichtete Düse einer Betriebsmittel-Zuleitung vorgesehen sein (Anspruch 5).As a means can be directed to the level sensor Nozzle of an equipment supply line can be provided (Claim 5).

Eine Betriebsmittel-Zuleitung kann beispielsweise bis an den Füllstandsensor heranreichen und an ihrem Ende kann die Düse, im einfachsten Fall ein kleines Loch, gezielt auf den Füllstandsensor gerichtet sein.An equipment supply line can, for example, up to reach the level sensor and at its end the nozzle, in the simplest case a small hole, be aimed specifically at the level sensor.

Über die Düse oder auch einen Düsenkranz wird somit der Füllstandsensor mit Betriebsmitteln, im Falle eines al kalischen Wasser-Elektroyseurs mit Speisewasser, gerei nigt.The nozzle or a nozzle ring is the Level sensor with resources, in the case of an al Kalische Wasser-Elektrroyseurs with feed water, gerei nigt.

Die Betriebsmittel-Zuleitung zum Bespritzen des Füll standsensors kann auch mehrstückig sein. Sie weist dann vorteilhaft Verbindungsmittel zum Befestigen an das übrige Betriebsmittel-Zuleitungssystem des Elektroly seurs in die Gasabscheider auf.The equipment supply line for spraying the filling level sensor can also be in several pieces. Then she points advantageous connecting means for attachment to the other equipment supply system of the electroly seurs into the gas separator.

Das Betriebsmittel wird vorzugsweise derart an den Füllstandsensor gespritzt, daß an den Füllstandsensoren anhaftende Partikel, z. B. KOH und/oder andere aus dem Elektrolysebetrieb stammende Partikel, an dessen gesam ter Oberfläche abgespült werden.The equipment is preferably sent to the Level sensor that is injected onto the level sensors adhering particles, e.g. B. KOH and / or others from the Particles originating from electrolysis, on its total surface are rinsed off.

Im Falle eines stabförmigen Füllstandsensors kann bei spielsweise die Betriebsmittel-Zuleitung an das Ende des Füllstandsensors herangeführt sein, welches nicht in den Elektrolyten eintaucht. Unter Druck durch die Betriebsmittel-Zuleitung auf den Füllstandsensor ge spritztes Betriebsmittel reinigt dann den Füllstandsen sor auf dessen gesamter Oberfläche, wobei die Partikel samt Speisewasser in den Elektrolyten fließen.In the case of a rod-shaped level sensor, for example the equipment supply line to the end of the level sensor, which is not immersed in the electrolyte. Under pressure from the Equipment supply line to the level sensor ge sprayed equipment then cleans the fill level sor on its entire surface, the particles flow together with the feed water into the electrolyte.

Die Aufgabe wird weiterhin durch einen Elektrolyseur gemäß des Nebenanspruchs gelöst. Der Elektrolyseur um faßt Gasabscheider und Betriebsmittel-Zuleitungen in die Gasabscheider. Er ist durch mindestens einen Füll standsensor mit Mitteln zur Reinigung durch Betriebs mittel gekennzeichnet (Anspruch 6).The task continues through an electrolyzer solved according to the subsidiary claim. The electrolyzer around summarizes gas separators and equipment supply lines the gas separators. It is through at least one fill level sensor with means for cleaning by operation medium characterized (claim 6).

Der Elektrolyseur weist dadurch alle Vorteile des an spruchsgemäßen Füllstandsensors auf.The electrolyser thus shows all the advantages of according to the level sensor.

Vorteilhaft umfaßt ein Elektrolyseur Mittel in den Be triebsmittel-Zuleitungen, die eine Mischung der Pro duktgase in den Betriebsmittel-Zuleitungen verhindern (Anspruch 7).An electrolyzer advantageously includes means in the loading propellant feed lines, which are a mixture of the Pro Prevent duct gases in the equipment supply lines (Claim 7).

Als Mittel sind insbesondere Rückschlagklappen oder Ventile vorgesehen. Solche Mittel können in unmittelba rer Nähe der Eintrittsöffnung der Betriebsmittel- Zuleitung zu einem der Gasabscheider eingebaut werden. Es verhindert vorteilhaft die Mischung von Produktgasen im Betriebsmittel-Zuleitungssystem.Non-return valves or Valves provided. Such funds can be near the entrance opening of the equipment Supply line to one of the gas separators must be installed. It advantageously prevents the mixing of product gases in the equipment supply system.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur erläutert.In the following the invention based on the description an embodiment with reference to the attached figure explained.

Fig. 1 zeigt schematisch einen alkalischen Wasser- Elektrolyseur. Fig. 1 shows schematically an alkaline water electrolyzer.

Der als Kreis dargestellte Gasabscheider 1 enthält den aus der Elektrolyse des Wassers stammenden Sauerstoff, der Gasabscheider 11 den Wasserstoff. In den Gasab scheidern 1, 11 sind die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff unter hohem Druck komprimiert. In beiden Gasabscheidern ist jeweils ein stabförmiger Füllstand sensor 3, 13 zentral zur Messung der Füllstandhöhe an geordnet. Die Füllstandsensoren 3, 13 tauchen in den Elektrolyten (30%-ige KOH) ein. Die Füllstandsensoren 3, 13 sind teflonummantelt. Die Messung der Füllstand höhe erfolgt kapazitiv. Um den Wasser-Elektrolyseur dauerhaft und sicher betreiben zu können, müssen die KOH-Füllstände in den Gasabscheidern 1 und 11 korrekt gemessen werden. Hierzu umfasst der Elektrolyseur Be triebsmittel-Zuleitungen aus Edelstahl 2, 12, an deren Ende in den Gasabscheidern 1, 11 sich jeweils Düsen zum Bespritzen der Füllstandsensoren 3, 13 mit Speisewasser befinden. Je Füllstandsensor 3, 13 werden zwei Zulei tungen 2 bzw. 12 mit je einer Düse an die Sensoren 3, 13 herangeführt. Durch diese Leitungen wird das Speise wasser auf die Füllstandsensoren 3, 13 gespritzt. Der Innendurchmesser der Zuleitungen ist an die Leistung des Elektrolyseurs und seines Betriebsdrucks angepaßt. Eine solche Zuleitung ist geeignet, auch in Hochdruck- Elektrolyseuren eingesetzt zu werden.The gas separator 1 shown as a circle contains the oxygen originating from the electrolysis of the water, the gas separator 11 contains the hydrogen. In the gas separators 1 , 11 , the product gases hydrogen and oxygen are compressed under high pressure. In both gas separators a rod-shaped level sensor 3 , 13 is arranged centrally for measuring the level. The fill level sensors 3 , 13 are immersed in the electrolyte (30% KOH). The level sensors 3 , 13 are teflon-coated. The level is measured capacitively. In order to operate the water electrolyzer permanently and safely, the KOH levels in the gas separators 1 and 11 must be measured correctly. For this purpose, the electrolyser comprises operating medium supply lines made of stainless steel 2 , 12 , at the end of which there are nozzles in each of the gas separators 1 , 11 for spraying the level sensors 3 , 13 with feed water. For each fill level sensor 3 , 13 , two feed lines 2 and 12 , each with a nozzle, are brought up to the sensors 3 , 13 . Through these lines, the feed water is sprayed onto the level sensors 3 , 13 . The inside diameter of the supply lines is adapted to the performance of the electrolyser and its operating pressure. Such a supply line is also suitable for use in high-pressure electrolysers.

Das Speisewasser wird aus einem nicht in der Figur ein gezeichneten Tank durch eine Pumpe 6 zu den Gasabschei dern 1, 11 gepumpt und an den jeweils oberen Teil der senkrecht in den Gasabscheidern aufgehängten stabförmi gen Füllstandsensoren 3, 13 gespritzt. An den Füll standsensoren 3, 13 anhaftende KOH und andere aus dem Elektrolysebetrieb stammende Partikel werden über deren gesamte Oberfläche abgespült und fließen in den Elekt rolyten.The feed water is pumped from a tank (not shown in the figure) by a pump 6 to the gas separators 1 , 11 and sprayed onto the upper part of the rod-shaped fill level sensors 3 , 13 which are suspended vertically in the gas separators. On the level sensors 3 , 13 adhering KOH and other particles originating from the electrolysis operation are rinsed over their entire surface and flow into the electrolyte.

Das Speisewasser passiert bei der Zuleitung zu den Gas abscheidern 1, 11 unter anderem das sicherheitstech nisch relevante T-Stück 5. An T-Stück 5 kann potentiell eine Knallgasreaktion entstehen, z. B. bei Wassermangel in den Gasabscheidern 1, 11. Dann können Sauerstoff und Wasserstoff durch die Zuleitungen 2, 12 bis an das T- Stück 5 gedrückt werden und die Knallgasreaktion ablau fen. Deshalb befinden sich zwischen T-Stück 5 und den Zuleitungen 2, 12 zu den Gasabscheidern 1 und 11 Rück schlagklappen 4 und 14. Diese verhindern die Mischung der Produktgase und dadurch die Knallgasreaktion.The feed water passes through the supply line to the gas separators 1 , 11, among other things, the safety-technically relevant T-piece 5 . A detonating gas reaction can potentially occur at T-piece 5 , e.g. B. if there is a lack of water in the gas separators 1 , 11 . Then oxygen and hydrogen can be pressed through the feed lines 2 , 12 to the T-piece 5 and the detonating gas reaction ablau fen. Therefore there are flaps 4 and 14 between the T-piece 5 and the feed lines 2 , 12 to the gas separators 1 and 11 . These prevent the mixing of the product gases and thereby the detonating gas reaction.

Claims

1. Method for operating an electrolyser, characterized by the steps:

- Level sensors ( 3 , 13 ) are cleaned with equipment,
- adhering particles are detached from the level sensors ( 3 , 13 ),
- The level is measured.

2. The method according to claim 1, characterized, that feed water is provided as the operating medium.

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that in the operation of the electrolyser cleaning the Level sensors are carried out.

4. level sensor, comprising means for cleaning the level sensor ( 3 , 13 ) with operating resources.

5. level sensor according to the preceding claim, comprising one directed at the level sensor Nozzle of an equipment supply line.

6. electrolyzer, comprising gas separator ( 1 , 11 ) and operating material supply lines ( 2 , 12 ) in the gas separator ( 1 , 11 ), characterized by at least one level sensor ( 3 , 13 ) according to claim 4 or 5.

7. Electrolyser according to claim 6, comprising means in the operating material supply lines ( 2 , 12 ), which prevent mixing of the product gases in the operating material supply lines ( 2 , 12 ).