DE102010020265A1 - Process for producing hydrogen from water by means of a high-temperature electrolyzer - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Erzeugung von Wassestoff aus Wasser mittels eines Hochtemperatur-Elektrolyseurs und umfasst folgende Schritte: – Aufheizen des Wasser auf eine Prozesstemperatur des Elektrolyseurs (2) von mehr als 500°C, – Elektrolyse des Wassers im Elektrolyseurs (2) zu Produktgasen Wasserstoff (H2O) und Sauerstoff (O2), – Verdichten des Produktgases Wasserstoff (H2O) mittels einer Verdichtungsvorrichtung (4), – Abkühlen des verdichteten Wasserstoffs (H2) mittels eines Kühlmediums (6) und – Zuführen der im Kühlmedium (6) angereicherten Wärmeenergie in den Aufheizprozess des Wassers.The invention relates to a method for generating hydrogen from water by means of a high-temperature electrolyzer and comprises the following steps: heating the water to a process temperature of the electrolyzer (2) of more than 500 ° C., electrolysis of the water in the electrolyzer (2) to form product gases Hydrogen (H2O) and oxygen (O2), - compression of the product gas hydrogen (H2O) by means of a compression device (4), - cooling of the compressed hydrogen (H2) by means of a cooling medium (6) and - supply of the thermal energy enriched in the cooling medium (6) in the heating process of the water.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mittels eines Hochtemperatur-Elektrolyseurs nach dem Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff, die einen Hochtemperatur-Elektrolyseur umfasst, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.The invention relates to a method for producing hydrogen from water by means of a high-temperature electrolyzer according to claim 1 and a device for generating hydrogen, which comprises a high-temperature electrolyzer, according to the preamble of patent claim 11.

Die Speicherung großer Mengen elektrischer Energie aus regenerativen Quellen (z. B. Windenergie, Solarstrom) wird durch den schnellen Ausbau der regenerativen Energien erforderlich. Dabei geht es sowohl um eine kurzfristige Pufferung aufgrund der täglichen Schwankung als auch um eine langfristige Speicherung wegen der jahreszeitlichen Schwankungen der regenerativen Energieerzeugung sowie des Bedarfs an elektrischer Energie. Wenn die Speicherung elektrischer Energie durch Hochtemperaturelektrolyse von Wasserdampf durchgeführt wird, was wegen der niedrigen Elektrolysezellspannung vorteilhaft ist, muss dabei zusätzlich Energieaufwand für die Verdampfung von flüssigem Wasser und für die Kompression der Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff aufgewendet werden. Dieser Energieaufwand ist zu minimieren, um den Wirkungsgrad für die Speicherung elektrischer Energie zu maximieren.The storage of large amounts of electrical energy from renewable sources (eg wind energy, solar power) is required by the rapid expansion of renewable energies. This involves short-term buffering due to the daily fluctuation as well as long-term storage due to the seasonal fluctuations in regenerative energy production and the demand for electrical energy. If the storage of electrical energy is carried out by high-temperature electrolysis of water vapor, which is advantageous because of the low electrolysis cell voltage, additional energy must be expended for the evaporation of liquid water and for the compression of the product gases hydrogen and oxygen. This energy expenditure must be minimized in order to maximize the efficiency for storing electrical energy.

Soweit die Speicherung elektrischer Energie durch Hochtemperatur-Elektrolyse von Wasserdampf durchgeführt wird, wurde bisher ein Verdampfer für flüssiges Wasser am Systemeingang und Kompressoren für die Produktgase am Systemausgang verwendet. Dabei muss dem Verdampfer die Verdampfungsenthalpie für den benötigten Edukt-Wasserdampf und den Kompressoren die Kompressionsenergie für die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden.As far as the storage of electrical energy is performed by high-temperature electrolysis of water vapor, a liquid water evaporator has been used at the system inlet and compressors for the product gases at the system outlet so far. The evaporation enthalpy for the required reactant water vapor must be made available to the evaporator and the compression energy for the product gases hydrogen and oxygen to the compressors.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, durch das Wasser über eine Hochtemperaturelektrolyse zu Wasserstoff umgewandelt wird, das gegenüber dem Stand der Technik eine deutlich verbesserte Energiebilanz aufweist.The invention is therefore based on the object to provide an apparatus and a method is converted by the water via a high-temperature electrolysis to hydrogen, which has a significantly improved energy balance over the prior art.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einer Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.The solution of the problem consists in a method for generating hydrogen with the features of claim 1 and in a device for generating hydrogen with the features of claim 11.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mittels eines Hochtemperatur-Elektrolyseurs umfasst folgende Schritte:
Zunächst wird das Wasser auf eine Prozesstemperatur des Elektrolyseurs aufgeheizt, wobei die Prozesstemperatur in der Regel höher als 500°C, insbesondere zwischen 600°C und 800°C, liegt. Im nächsten Schritt erfolgt eine Elektrolyse des Wassers im Elektrolyseur, wobei aus dem Edukt Wasser die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff entstehen. Im Weiteren wird das Produktgas Wasserstoff mit einer Verdichtungsvorrichtung verdichtet und der verdichtete Wasserstoff wird mittels eines Kühlmediums abgekühlt. Die bei der Abkühlung im Kühlmedium angereicherte Wärmeenergie wird in den Aufheizprozess des Wassers, das das Edukt des Prozesses bildet, eingespeist.The process according to the invention for producing hydrogen from water by means of a high-temperature electrolyzer comprises the following steps:
First, the water is heated to a process temperature of the electrolyzer, the process temperature is usually higher than 500 ° C, in particular between 600 ° C and 800 ° C. In the next step, an electrolysis of the water takes place in the electrolyzer, whereby the product gases hydrogen and oxygen are produced from the reactant water. In addition, the product gas hydrogen is compressed with a compression device and the compressed hydrogen is cooled by means of a cooling medium. The heat energy enriched in the cooling medium during cooling is fed into the heating process of the water forming the starting material of the process.

Die Kompression des erzeugten Produktgases Wasserstoff ist notwendig bzw. zweckmäßig, um den Wasserstoff in möglichst kleinem Volumen zwischenzulagern, bis er erneut zur Energiegewinnung eingesetzt wird. Durch die Kompression wird jedoch Arbeit in das Produktgas Wasserstoff (Hz) eingebracht. Durch diese eingebrachte Kompressionsarbeit wird der Wasserstoff stark erhitzt, so dass er bei einem Druck, der beispielsweise bei 100 bar nach der Kompression liegt, je nach äußeren Rahmenbedingungen Temperaturen von über 400°C aufweisen kann. Erfindungsgemäß wird diese Energie in Form und Wärme des Wasserstoffes an ein Kühlmedium übertragen, wobei sich das Kühlmedium aufheizt und seinerseits die Wärmeenergie des nun abgekühlten Wasserstoffes in sich trägt. Diese Wärmeenergie wird zweckmäßigerweise wieder dazu benutzt, das Wasser, das den Ausgangsstoff, also das Edukt des Elektrolyseprozesses bildet, aufzuheizen. Somit wird die Energiebilanz des Gesamtprozesses deutlich verbessert.The compression of the product gas produced hydrogen is necessary or expedient to temporarily store the hydrogen in the smallest possible volume until it is used again for energy. However, compression introduces work into the product gas hydrogen (Hz). As a result of this introduced compression work, the hydrogen is strongly heated, so that it can have temperatures of more than 400 ° C., depending on the external conditions, at a pressure which, for example, is 100 bar after compression. According to the invention, this energy is transmitted in the form and heat of the hydrogen to a cooling medium, wherein the cooling medium heats up and in turn carries the heat energy of the now cooled hydrogen in itself. This heat energy is expediently used again to heat the water which forms the starting material, that is to say the educt of the electrolysis process. Thus, the energy balance of the overall process is significantly improved.

Das Aufnehmen der Wärmeenergie durch ein Kühlmittel kann auch als Wärmetauschprozess bezeichnet werden. Um den Wärmetauschprozess möglichst effizient zu gestalten, kann es zweckmäßig sein, den Kompressionsvorgang und den damit verbundenen Wärmetausch- bzw. Abkühlprozess in mehreren Stufen, also kaskadiert, auszugestalten.The absorption of heat energy by a coolant may also be referred to as a heat exchange process. In order to make the heat exchange process as efficient as possible, it may be expedient to design the compression process and the associated heat exchange or cooling process in several stages, ie cascaded.

Bei dem Wärmetauschprozess ist es zweckmäßig, dass die Verdichtungsvorrichtung, beispielsweise ein Kompressor, bereits durch das Kühlmedium gekühlt wird. Die Wärmetauschvorrichtung ist somit integraler Bestandteil der Verdichtungsvorrichtung.In the heat exchange process, it is expedient that the compression device, for example a compressor, is already cooled by the cooling medium. The heat exchange device is thus an integral part of the compression device.

Andererseits kann es auch zweckmäßig sein, die Verdichtungsvorrichtung gegen ihre Umgebung zumindest teilweise in den stark temperaturbelasteten Bereichen zu isolieren, und das verdichtete Gas beispielsweise in der darauffolgenden Gasleitung mittels einer Wärmetauschvorrichtung abzukühlen.On the other hand, it may also be expedient to isolate the compaction device against its surroundings at least partially in the areas exposed to high temperatures, and to cool the compressed gas, for example in the subsequent gas line, by means of a heat exchange device.

Grundsätzlich ist es in allen Alternativen zweckmäßig, die Verdichtungsvorrichtung mit Kühlkanälen zu durchziehen, so dass die Wärme, die in der Verdichtungsvorrichtung anfällt, bereits zweckmäßig genutzt werden kann.Basically, it is expedient in all alternatives to run through the compression device with cooling channels, so that the heat in the compacting device accumulates, can already be used appropriately.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltungsform umfasst das Kühlmedium, das das komprimierte Produktgas Wasserstoff abkühlt und Teil der Wärmetauschvorrichtung ist, das Wasser, das wiederum das Edukt für den Elektrolyseprozess darstellt. Dabei wird eben das Edukt Wasser (Prozesswasser) als Kühlmittel durch die Wärmetauschvorrichtungen durchgeleitet und schließlich in verdampfter Form in den Elektrolyseur mit der entsprechenden Temperatur eingeleitet.In a further expedient embodiment, the cooling medium, which cools the compressed product gas hydrogen and forms part of the heat exchange device, comprises the water, which in turn constitutes the educt for the electrolysis process. In this case, just the educt of water (process water) is passed as a coolant through the heat exchange devices and finally introduced in vaporized form in the electrolyzer with the appropriate temperature.

Ebenfalls als zweckmäßig hat sich herausgestellt, den Wasserstoff, der aus dem Elektrolyseur austritt, der ebenfalls die Prozesstemperatur des Elektrolyseurs von ca. 500°C bis 800°C aufweist, abzukühlen, bevor er verdichtet wird. Dieser Abkühlvorgang vor der Kompression ist zweckmäßig, um die Kompressionsvorrichtung nicht in unnötigerweise thermisch zu belasten. Dabei ist es zweckmäßig, dass das heiße Produktgas Wasserstoff und/oder das heiße Produktgas Sauerstoff in einen Wärmetauschprozess mit dem Edukt Wasser in dampfförmiger Form eintreten. Durch diesen Wärmetauschprozess, der bevorzugt auch in Form eines Gegenstromwärmetauschers angewandt wird, kann die Abwärme der Produktgase direkt zur Aufheizung des Eduktes eingesetzt werden. Bei besonders guter Isolierung des Elektrolyseurs an sich und bei einem effektiven Wärmeaustausch der Produkte und Edukte ist der Energieverlust des Hochtemperatur-Elektrolyseurs äußerst gering.It has also been found to be expedient to cool the hydrogen which emerges from the electrolyzer, which likewise has the process temperature of the electrolyzer of about 500 ° C. to 800 ° C., before it is compressed. This cooling process before compression is expedient so as not to unnecessarily thermally stress the compression device. It is expedient that the hot product gas hydrogen and / or the hot product gas oxygen enter into a heat exchange process with the reactant water in vapor form. Through this heat exchange process, which is preferably also used in the form of a counterflow heat exchanger, the waste heat of the product gases can be used directly for heating the starting material. With particularly good isolation of the electrolyzer per se and with an effective heat exchange of the products and reactants of the energy loss of the high-temperature electrolyzer is extremely low.

Bei dem bisher beschriebenen Verfahren wird insbesondere der Wasserstoff als Produktgas verdichtet und die dabei entstandene Energie dem Aufheizprozess des Wassers wieder zugefügt. Grundsätzlich kann es auch zweckmäßig sein, den Sauerstoff zu verdichten und in einem speziell dafür vorgesehenen Tank zwischenzuspeichern. Sollte der Sauerstoff auch verdichtet werden, kann die dabei entstandene Kompressionswärme ebenfalls analog dem vorher Beschriebenen abgeführt werden und der Aufheizung des Wassers zugefügt werden, was die Effizienz des Prozesses noch mehr erhöht.In the method described so far, in particular the hydrogen is compressed as product gas and the resulting energy is added back to the heating process of the water. In principle, it may also be expedient to compress the oxygen and to buffer it in a specially provided tank. If the oxygen is also compressed, the resulting heat of compression can also be dissipated analogously to the previously described and added to the heating of the water, which increases the efficiency of the process even more.

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff. Diese Vorrichtung umfasst einen Hochtemperatur-Elektrolyseur zur Umwandlung von Wasser in Wasserstoff. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Verdichtungsvorrichtung zur Verdichtung des erzeugten Wasserstoffs. Die Verdichtungsvorrichtung wiederum umfasst eine Wärmetauschvorrichtung, die zur Übertragung der Kompressionswärme, die bei dem Verdichtungsprozess entsteht, auf das Edukt Wasser des Hochtemperatur-Elektrolyseurs dient. Die Verdichtungsvorrichtung ist dabei bevorzugt in Form eines Kompressors ausgestaltet.Another component of the invention is a device for generating hydrogen. This device comprises a high-temperature electrolyzer for converting water into hydrogen. Furthermore, the device comprises a compression device for compressing the generated hydrogen. The compression device, in turn, comprises a heat exchange device which serves to transfer the heat of compression which arises in the compression process to the educt water of the high-temperature electrolyzer. The compression device is preferably designed in the form of a compressor.

Die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11 dient insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 und weist dieselben jeweils bereits erläuterten Vorteile auf.The device according to claim 11 is used in particular for carrying out a method according to one of claims 1 to 9 and has the same in each case already explained advantages.

Dabei kann es zweckmäßig sein, dass die Verdichtungsvorrichtung in ihrer Umgebung insbesondere in den stark temperaturbelasteten Bereichen isoliert ist. Hierbei gibt die Verdichtungsvorrichtung die entstandene Kompressionswärme nicht an die Umgebung ab, die entstandene Kompressionswärme kann gezielt durch einer anschließenden Wärmetauschvorrichtung nach dem Kompressionsprozess dem Wasserstoff entzogen werden.It may be expedient that the compression device is isolated in its environment, especially in the heavily temperature-stressed areas. In this case, the compression device does not release the resulting heat of compression to the environment, the resulting heat of compression can be selectively withdrawn from the hydrogen by a subsequent heat exchange device after the compression process.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann es zweckmäßig sein, dass die Wärmetauschvorrichtung die Verdichtungsvorrichtung teilweise umgibt, indem beispielsweise Kühlkanäle die Verdichtungsvorrichtung durchlaufen und somit die durch die Kompressionseinheit eingebrachte Wärmeenergie der Verdichtungsvorrichtung entzieht.Alternatively or additionally, it can be expedient that the heat exchange device partially surrounds the compression device, for example by cooling channels passing through the compression device and thus removing the heat energy of the compression device introduced by the compression unit.

Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei werden Merkmale, die dieselbe Benennung, aber unterschiedliche Ausgestaltungen haben, mit demselben Bezugszeichen versehen.Further embodiments and further features of the invention will be explained in more detail with reference to the following drawings. In this case, features that have the same name, but different configurations, provided with the same reference numerals.

Es zeigen:Show it:

1 einen schematischen Ablauf einer Wasserstofferzeugung durch einen Hochtemperatur-Elektrolyseur mit anschließender Kompression des Wasserstoffs, 1 a schematic sequence of a hydrogen production by a high-temperature electrolyzer with subsequent compression of the hydrogen,

2 eine schematische Darstellung eines Prozessablaufes wie in 2, wobei ein Kühlmedium in Form des Eduktwassers ausgestaltet ist, 2 a schematic representation of a process flow as in 2 , wherein a cooling medium is designed in the form of educt water,

3 eine Kompressionsvorrichtung, die mit Kühlkanälen durchzogen ist und 3 a compression device that is traversed by cooling channels and

4 eine Kompressionsvorrichtung mit einer Isolierung und einem anschließenden Wärmetauscher. 4 a compression device with an insulation and a subsequent heat exchanger.

Im Folgenden soll anhand von 1 schematisch der Ablauf des Verfahrens zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mittels Hochtemperaturelektrolyse erläutert werden. Zunächst wird flüssiges Wasser gekennzeichnet durch H2Of über eine Wasserzuführung 18 in einen Wärmetauscher 10 geleitet. In diesem Wärmetauscher 10 befindet sich bereits ein erhitztes Kühlmedium 6, auf dessen Erwärmung im weiteren Verlauf auch noch eingegangen werden wird, durch das das flüssige Wasser auf eine Temperatur im Bereich des Siedepunktes erhitzt wird und verdampft.The following is based on 1 the course of the process for the production of hydrogen from water by means of high temperature electrolysis will be explained schematically. First, liquid water is characterized by H 2 O f via a water supply 18 in a heat exchanger 10 directed. In this heat exchanger 10 there is already a heated cooling medium 6 , on whose warming in the further course also still received will be, by which the liquid water is heated to a temperature in the range of the boiling point and evaporated.

Im nächsten Schritt wird das verdampfte Wasser, das mit H2Og bezeichnet wird, also gasförmiges Wasser, in einen weiteren Wärmetauscher 10' gebracht. Durch diesen Wärmetauscher 10' wird der Wasserdampf bzw. das gasförmige Wasser H2Og annähernd auf die Prozesstemperatur des Hochtemperatur-Elektrolyseurs 2 aufgeheizt. Das gasförmige Wasser H2Og, das in den Hochtemperatur-Elektrolyseur 2 eingeleitet wird, weist eine Temperatur von ca. 500 bis 800°C auf. In dem Elektrolyseur 2, der auch als Solid-Oxide-Electrolyseur (SOE) bezeichnet wird, wird das Wasser H2Og in an sich bekannter Weise in die Produktgase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) umgewandelt. Die Produktgase, von denen im Weiteren insbesondere der Wasserstoff behandelt wird, treten aus dem Elektrolyseur 2 aus und weisen dabei ebenfalls nahezu die Prozesstemperatur des Elektrolyseurs auf. Die Produktgase, insbesondere der Wasserstoff, werden wiederum in einem Wärmetauscher 10' auf eine Temperatur abgekühlt, die bevorzugt unter 100°C, insbesondere bevorzugt bei etwa Raumtemperatur oder erhöhter Raumtemperatur (ca. 50°C), liegt.In the next step, the evaporated water, which is designated H 2 O g , ie gaseous water, in another heat exchanger 10 ' brought. Through this heat exchanger 10 ' the water vapor or the gaseous water H 2 O g is approximately at the process temperature of the high-temperature electrolyzer 2 heated. The gaseous water H 2 O g , which is in the high temperature electrolyzer 2 is introduced, has a temperature of about 500 to 800 ° C. In the electrolyzer 2 , which is also referred to as solid-oxide electrolyzer (SOE), the water H 2 O g is converted in a conventional manner in the product gases hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ). The product gases, of which the hydrogen is treated in particular, emerge from the electrolyzer 2 and also have almost the same process temperature of the electrolyzer. The product gases, in particular the hydrogen, are in turn in a heat exchanger 10 ' cooled to a temperature which is preferably below 100 ° C, more preferably at about room temperature or elevated room temperature (about 50 ° C).

Die beiden Wärmetauscher 10' sind aus rein graphischen Gründen in 1 zwar in einem Kreislauf, aber an getrennten Stellen dargestellt. Bevorzugt wird für den Wärmetauscher 10' ein so genannter Gegenstromwärmetauscher angewandt, wobei in zwei ineinander verschlungenen Kanälen auf der einen Seite das relativ kühle Kühlmedium, in diesem Fall das gasförmige Wasser, und auf der anderen Seite das heiße Medium, in diesem Fall der aus dem Elektrolyseur austretende Wasserstoff, eingeleitet werden, wobei sich diese beiden Medien gegenseitig, obwohl vom System her getrennt voneinander, aufheizen. Das bedeutet, der etwa 100° heiße Wasserdampf tritt auf der einen Seite des Gegenstromwärmetauschers 14 ein und trifft dort auf den etwa 600 bis 800°C heißen Wasserstoff. Beim Gegeneinanderdurchströmen dieses Wärmetauschers kühlt sich der Wasserstoff H2 immer weiter ab, bis er in etwa die Ausgangstemperatur des einströmenden Wasserdampfes, also in etwa 100°C, aufweist. Im Gegenzug dazu heizt sich der Wasserdampf H2Og beim Durchlaufen des Gegenstromwärmetauschers 14 immer stärker auf, bis er beim Austritt aus dem Wärmetauscher 14 nahezu die Temperatur des aus dem Elektrolyseur 2 austretenden Wasserstoffs H2 aufweist.The two heat exchangers 10 ' are purely for graphical reasons in 1 Although presented in a cycle, but in separate places. It is preferred for the heat exchanger 10 ' a so-called countercurrent heat exchanger applied, wherein in two intertwined channels on the one hand, the relatively cool cooling medium, in this case the gaseous water, and on the other side, the hot medium, in this case the exiting from the electrolyzer hydrogen, are introduced whereby these two media heat each other, although separated from each other by the system. This means that the approximately 100 ° hot steam occurs on one side of the countercurrent heat exchanger 14 and there meets the about 600 to 800 ° C hot hydrogen. When flowing against each other, this heat exchanger, the hydrogen H 2 continues to cool until it has approximately the starting temperature of the incoming steam, ie in about 100 ° C. In return, the water vapor heats H 2 O g while passing through the countercurrent heat exchanger 14 getting stronger until it exits the heat exchanger 14 almost the temperature of the electrolyser 2 having exiting hydrogen H 2 .

Sicherlich gibt es bei diesem Wärmetauscher gewisse Wärmeverluste, diese sind aber bei einer guten Isolierung des Gesamtsystems, also der ein- und austretenden Gase und dem Elektrolyseur 2, an sich relativ gering, wenn das Gesamtsystem einmal auf Prozesstemperatur zwischen 600°C und 800°C aufgeheizt ist. Der Energieverlust des Hochtemperatur-Elektrolyseurs ist also durch den vorbeschriebenen Wärmetauschprozess und einer an sich guten Isolierung der Gesamtvorrichtung relativ gering.Certainly, there are certain heat losses in this heat exchanger, but these are at a good insulation of the entire system, so the incoming and outgoing gases and the electrolyzer 2 , in itself relatively low, when the entire system is heated once to process temperature between 600 ° C and 800 ° C. The energy loss of the high-temperature electrolyzer is thus relatively low by the above-described heat exchange process and a good per se isolation of the overall device.

Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass dem Edukt Wasser aus prozesstechnischen Gründen geringe Mengen Wasserstoff, der dem austretenden Produktwasserstoff abgezweigt wird, zugeführt wird.It should be noted at this point that the educt of water from process engineering reasons, small amounts of hydrogen, which is diverted to the exiting product hydrogen, is supplied.

Der nun auf eine Temperatur um 100° abgekühlte Wasserstoff, der im weiteren Verlauf auch noch weiter abkühlen kann oder mit einem weiteren Wärmetauscher abgekühlt werden kann, muss im Weiteren zu einer wirtschaftlichen Lagerung komprimiert werden. Es kann dabei zweckmäßig sein, eine Kompression des Wasserstoffes auf etwa 100 bar vorzunehmen. Bei einer 100fachen Druckspeicherung gegenüber des Atmosphärendruckes wird das Volumen des Gases um ein 100faches reduziert. Ziel ist es, den Wasserstoff in einem Speichertank möglichst platzsparend zu speichern. Ein Speicherdruck von ca. 100 bar (insbesondere zwischen 50 bar und 200 bar) hat sich als technisch zweckmäßig herausgestellt und ist wirtschaftlich zu realisieren.The now cooled to a temperature of 100 ° hydrogen, which can continue to cool down or cooled with another heat exchanger, must be further compressed to an economic storage. It may be expedient to carry out a compression of the hydrogen to about 100 bar. With a 100-fold pressure storage compared to the atmospheric pressure, the volume of the gas is reduced by a 100-fold. The aim is to save the hydrogen in a storage tank as space-saving as possible. A storage pressure of about 100 bar (in particular between 50 bar and 200 bar) has proven to be technically expedient and is economically feasible.

Dennoch wird er bei der Kompression des Wasserstoffes Kompressionsarbeit bzw. Verdichtungsarbeit in das Gas, also dem Wasserstoff (bzw. bei analoger Anwendung auch in das zweite Produktgas Sauerstoff), eingebracht. Diese Kompressionsarbeit wird im komprimierten Gassystem in wärme umgewandelt, weshalb sich der komprimierte Wasserstoff stark erhitzt. Je nach äußeren Rahmenbedingungen weist der komprimierte Wasserstoff bei einem Druck von üblicherweise 100 bar eine Temperatur von 200 bis 600°C auf. Im Wesentlichen handelt es sich bei dieser Wärmeenergie des Gases um die Energie, die vorher in Form von elektrischer Energie in den Kompressor eingebracht wurde und die an sich verlorengehen würde, würde das Gas, wie es üblicherweise vonstatten geht, abgekühlt werden. Diese Energie würde an die Umgebung abgegeben werden. Hierbei handelt es sich jedoch um einen unwirtschaftlichen Prozess, weshalb an dieser Stelle in zweckmäßiger Weise ebenfalls ein Wärmetauschprozess eingeführt wird, der dem komprimierten Gas die Wärmeenergie entzieht und diese entzogene Wärmeenergie wiederum dem Edukt Wasser, insbesondere dem flüssigen Wasser, zugeführt wird. Dies ist in 1 durch die beiden Wärmetauscher 10 am Anfang des Prozesses und am Ende des Prozesses dargestellt. Die Wärmetauscher 10 am unteren Teil der 1, also im Bereich des flüssigen Wassers H2Of und der Wärmetauscher 10 im oberen Bereich der 1 im Bereich des zu komprimierenden Wasserstoffes H2, stellen eine Einheit dar, sie sind über Leitungen 7, die das entsprechende Kühlmedium 6 transportieren, miteinander verbunden und sind daher mit einem Bezugszeichen versehen.Nevertheless, it is in the compression of the hydrogen compression work or compression work in the gas, so the hydrogen (or in analogous application in the second product gas oxygen) introduced. This compression work is converted into heat in the compressed gas system, which is why the compressed hydrogen heats up strongly. Depending on the external conditions, the compressed hydrogen at a pressure of usually 100 bar at a temperature of 200 to 600 ° C. Essentially, this heat energy of the gas is the energy that was previously introduced in the form of electrical energy into the compressor and that would be lost in itself, the gas would, as is usually going to be cooled. This energy would be released to the environment. However, this is an uneconomical process, which is why at this point in a convenient manner, a heat exchange process is introduced, the heat extracted from the compressed gas and this extracted heat energy in turn the educt of water, especially the liquid water, is supplied. This is in 1 through the two heat exchangers 10 presented at the beginning of the process and at the end of the process. The heat exchangers 10 at the bottom of the 1 , So in the range of liquid water H 2 O f and the heat exchanger 10 in the upper area of the 1 in the area of the hydrogen to be compressed H 2 , represent a unit, they are via lines 7 containing the appropriate cooling medium 6 transport, connected to each other and are therefore provided with a reference numeral.

Der Wärmetauscher 10 im oberen Bereich umschließt eine Kompressionsvorrichtung 4, die beispielsweise wie in 3 und 4 dargestellt, in Form eines Kompressors 12 ausgestaltet sein kann, und entzieht der Kompressionsvorrichtung 4 die Wärmeenergie. Dies kann in einem Abkühlschritt geschehen, es kann jedoch auch kaskadiert geschehen, indem mehrere Kompressionsvorrichtungen 4 mit Wärmetauschvorrichtungen 10 hintereinandergeschaltet werden, wie dies exemplarisch in 1 dargestellt ist.The heat exchanger 10 in the upper area encloses a compression device 4 which, for example, like in 3 and 4 shown in the form of a compressor 12 can be configured, and deprives the compression device 4 the heat energy. This can be done in a cooling step, but it can also be done cascaded by multiple compression devices 4 with heat exchange devices 10 be connected in series, as exemplified in 1 is shown.

Das fertig komprimierte Produktgas, hier beispielsweise der Wasserstoff, wird nun in einem schematisch dargestellten Tank 16 komprimiert gelagert. Auf der rechten Seite, neben dem Verlauf des Wasserstoffes ist exemplarisch noch der Austritt des Sauerstoffes O2 dargestellt, der üblicherweise nicht verdichtet wird, da sich eine Lagerung von Sauerstoff nur in wenigen Fällen lohnt, grundsätzlich wäre es jedoch möglich, mit dem Sauerstoff ebenso zu verfahren, wie mit dem Wasserstoff, was die Energiebilanz des Wärmeaustauschers im vorbeschriebenen System noch effizienter gestalten würde.The finished compressed product gas, here, for example, the hydrogen, is now in a schematically illustrated tank 16 stored compressed. On the right side, in addition to the course of the hydrogen, the exit of the oxygen O 2 is shown as an example, which is usually not compressed, since a storage of oxygen is only worth a few cases, but in principle it would be possible with the oxygen as well as with hydrogen, which would make the energy balance of the heat exchanger even more efficient in the system described above.

In dem in 1 beschriebenen Prozess verläuft das Kühlmedium 6 jeweils in einem geschlossenen Kreislauf, einen anderen Verlauf nimmt dabei das Prozessmedium, also das Wasser, das als Edukt in den Elektrolyseur 2 gelangt und zu Wasserstoff umgewandelt wird. In 2 ist eine Alternative hierzu dargestellt, wobei das Kühlmedium 6 in Form des Prozesswassers ausgestaltet ist. Im oberen rechten Bereich der 2 wird das flüssige Wasser, gekennzeichnet durch H2Of, in das Kühlleitungssystem der Kühlleitungen 7 als Kühlmedium 6 eingespeist, es durchläuft den Wärmetauscher 10, der dem komprimierten Wasserstoff die Wärme entzieht. Dabei wird das Wasser bereits aufgeheizt, bevorzugt auf eine Temperatur über 100°, es liegt nun im Weiteren in einem gasförmigen Zustand vor und wird entlang der Leitung 7 in den nächsten Wärmetauscher 10' gebracht, der wiederum in einer günstigen Ausgestaltungsform in Form eines Gegenstromwärmetauschers ausgestaltet sein kann. Hierbei wird das Wasser (H2Og) mit dem sehr heißen Produktgas H2 (> 500°C) konfrontiert und tauscht mit diesem die Wärmeinhalte aus. Nach Verlaufen dieses Wärmetauschers 10' bzw. 14 wird das nun bereits fast auf Prozesstemperatur von etwa 600° bis 800°C vorgeheizte gasförmige Wasser in den Elektrolyseur 2 eingeleitet und wird dann in an sich bekannter Weise in Wasserstoff umgewandelt. Selbstverständlich kann noch eine zusätzliche thermische Aufheizung erfolgen, um Wärmeverluste an die Umgebung zu kompensieren.In the in 1 described process runs the cooling medium 6 in each case in a closed cycle, the process medium, ie the water, which as educt enters the electrolyser, takes on a different course 2 passes and is converted to hydrogen. In 2 an alternative to this is shown, wherein the cooling medium 6 is designed in the form of process water. In the upper right area of the 2 is the liquid water, characterized by H 2 O f , in the cooling line system of the cooling lines 7 as a cooling medium 6 fed, it passes through the heat exchanger 10 which removes the heat from the compressed hydrogen. In this case, the water is already heated, preferably to a temperature above 100 °, it is now further in a gaseous state and is along the line 7 in the next heat exchanger 10 ' brought, which in turn can be configured in a favorable embodiment in the form of a countercurrent heat exchanger. Here, the water (H 2 O g ) is confronted with the very hot product gas H 2 (> 500 ° C) and exchanges heat with it. After bleeding this heat exchanger 10 ' respectively. 14 Now, the gaseous water preheated almost to the process temperature of about 600 ° to 800 ° C in the electrolyzer 2 is introduced and is then converted in a conventional manner into hydrogen. Of course, an additional thermal heating can be done to compensate for heat losses to the environment.

Der Wasserstoff tritt aus dem Elektrolyseur aus, wird in den Wärmetauscher 14 wie beschrieben abgekühlt, erreicht dann wiederum Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 100° und wird durch die Kompressionseinrichtung 4 komprimiert. Im Weiteren wird in diesem Beispiel nach 2 anders als in 1 nicht die Kompressionsvorrichtung direkt gekühlt, sondern wie noch später erwähnt werden wird, isoliert, so dass der heiße Wasserstoff im weiteren Verlauf im Wärmetauscher 10 wie beschrieben abgekühlt wird. Es kann eine weitere kaskadierte Kompression in einer weiteren Kompressionsvorrichtung 4 erfolgen, wonach der nun vollständig komprimierte Wasserstoff wiederum in einen entsprechenden Tank 16 gelagert wird. Eine Isolierung der Kompressionsvorrichtung und der anschließende Wärmetausch ist selbstverständlich auch auf die Ausführung in 1 anwendbar.The hydrogen exits the electrolyser and enters the heat exchanger 14 cooled as described, then in turn reaches temperatures between room temperature and 100 ° and is passed through the compression device 4 compressed. Furthermore, in this example, after 2 unlike in 1 not the compression device directly cooled, but as will be mentioned later, isolated, so that the hot hydrogen in the further course in the heat exchanger 10 is cooled as described. There may be another cascaded compression in another compression device 4 take place, after which the now completely compressed hydrogen in turn into a corresponding tank 16 is stored. An isolation of the compression device and the subsequent heat exchange is of course also on the execution in 1 applicable.

In den 3 und 4 werden exemplarisch schematische Darstellungen einer Kompressionsvorrichtung 4 gegeben, die jeweils einen Verdichtungsraum 20 sowie einen Hubkolben 26 aufweisen. Der Kompressionsvorgang ist hierbei sehr schematisch wiedergegeben und die 3 und 4 legen keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Beiden Kompressoren 12 in 3 und 4 ist es zu eigen, dass sie sowohl eine Wasserstoffzuführung 22 und eine Wasserstoffabführung 23 aufweisen. Der Hubkolben 26 wird im Verdichtungsraum 20 auf und ab bewegt, was durch den Doppelpfeil an der Seite des Hubkolbens dargestellt ist. Der Hubkolben 26 wird bevorzugt durch eine Excentervorrichtung, beispielsweise durch eine Nockenwelle, angetrieben.In the 3 and 4 are exemplary schematic representations of a compression device 4 given, each one a compression space 20 and a reciprocating piston 26 exhibit. The compression process is very schematically reproduced here and the 3 and 4 do not claim to be complete. Both compressors 12 in 3 and 4 it is too peculiar that they are both a hydrogen feed 22 and a hydrogen removal 23 exhibit. The reciprocating piston 26 is in the compression room 20 moved up and down, which is represented by the double arrow on the side of the reciprocating piston. The reciprocating piston 26 is preferably driven by an Excentervorrichtung, for example by a camshaft.

In 3 ist der Kompressor 12, also eine spezielle Ausgestaltungsform der allgemeinen Verdichtungsvorrichtung 4, durch Kühlkanäle 8 durchzogen. Diese Kühlkanäle 8 nehmen die beim Kompressionsvorgang entstandene Wärme auf und führen diese ab. Die Kühlkanäle 8 sind somit Bestandteil der Wärmetauschvorrichtung 10 in einer konkreten Ausgestaltung.In 3 is the compressor 12 , So a special embodiment of the general compaction device 4 , through cooling channels 8th traversed. These cooling channels 8th absorb the heat generated during the compression process and carry it off. The cooling channels 8th are thus part of the heat exchange device 10 in a concrete embodiment.

In der Ausgestaltungsform gemäß 4 ist die Verdichtungsvorrichtung 4 bzw. der Kompressor 12 mit einer Isolierung 28 versehen, wobei ebenfalls eine Wasserstoffzuführung 22 einer Wasserstoffabführung 23 vorgesehen ist, der Kompressor 12 an sich arbeitet dabei auf einer erhöhten Prozesstemperatur und der Wasserstoff, der bereits in komprimierter Form aus der Leitung 23 herauskommt, wird nun durch einen separaten Wärmetauscher 10 abgekühlt. Auch die hierbei entzogene Wärmeenergie wird wie bereits beschrieben zur Aufheizung des Prozesswassers verwendet. Selbstverständlich kann auch die Kompressionsvorrichtung 4 aus 3 eine Isolierung aufweisen, wodurch die erzeugte Wärmeenergie konzentriert durch die Kühlkanäle 8 abgeführt wird.In the embodiment according to 4 is the compaction device 4 or the compressor 12 with insulation 28 provided, wherein also a hydrogen supply 22 a hydrogen removal 23 is provided, the compressor 12 it works on an elevated process temperature and the hydrogen, which already in compressed form from the line 23 Now comes out through a separate heat exchanger 10 cooled. The heat energy withdrawn in this case is also used for heating the process water, as already described. Of course, the compression device 4 out 3 have insulation, whereby the heat energy generated concentrated by the cooling channels 8th is dissipated.

Claims (15)

Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mittels eines Hochtemperatur-Elektrolyseurs, umfassend folgende Schritte: – Aufheizen des Wassers auf eine Prozesstemperatur des Elektrolyseurs (2) von mehr als 500°C, – Elektrolyse des Wassers im Elektrolyseur (2) zu Produktgasen Wasserstoff (H2O) und Sauerstoff (O2), – Verdichten des Produktgases Wasserstoff (H2) mittels einer Verdichtungsvorrichtung (4), – Abkühlen des verdichteten Wasserstoffs (H2) mittels eines Kühlmediums (6) und – Zuführen der im Kühlmedium (6) angereicherten Wärmeenergie in den Aufheizprozess des Wassers.A method for producing hydrogen from water by means of a high-temperature electrolyzer, comprising the following steps: - heating the water to a process temperature of the electrolyzer ( 2 ) of more than 500 ° C, - electrolysis of the water in the electrolyser ( 2 ) to product gases hydrogen (H 2 O) and oxygen (O 2 ), - compressing the product gas hydrogen (H 2 ) by means of a compression device ( 4 ), - Cooling of the compressed hydrogen (H 2 ) by means of a cooling medium ( 6 ) and - feeding in the cooling medium ( 6 ) Enriched heat energy in the heating process of the water. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten des Wasserstoffs (H2) in mehreren Verdichtungsschritten erfolgt, denen wiederum mehrere Abkühlprozesse angegliedert sind.A method according to claim 1, characterized in that the compression of the hydrogen (H 2 ) takes place in several compression steps, which in turn several cooling processes are affiliated. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (4) durch das Kühlmedium (6) gekühlt wird, dessen Wärmeenergie dem Aufheizprozess des Wassers zugeführt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the compacting device ( 4 ) through the cooling medium ( 6 ) is cooled, the heat energy is supplied to the heating process of the water. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (4) zumindest teilweise gegenüber ihrer Umgebung isoliert wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the compression device ( 4 ) is at least partially isolated from its environment. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (4) mit Kühlkanälen (8) durchzogen ist.Method according to claim 3 or 4, characterized in that the compacting device ( 4 ) with cooling channels ( 8th ) is traversed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser, das dem Elektrolyseur (2) zur Reaktion zugeführt wird, zumindest teilweise das Kühlmedium umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the water that the electrolyzer ( 2 ) is supplied to the reaction, at least partially comprising the cooling medium. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff (H2) nach dem Austreten aus dem Elektrolyseur (2) und vor dem Verdichten mittels eines Wärmetauschprozesses abgekühlt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the hydrogen (H 2 ) after leaving the electrolyzer ( 2 ) and is cooled prior to compression by means of a heat exchange process. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff (H2) nach dem Austreten aus dem Elektrolyseur (2) durch einen Gegenstromwärmetauscher abgekühlt wird.A method according to claim 7, characterized in that the hydrogen (H 2 ) after leaving the electrolyzer ( 2 ) is cooled by a countercurrent heat exchanger. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser, das dem Elektrolyseur (2) zugeführt wird, in dampfförmiger Form als Kühlmedium im Wärmetauschprozess den Wasserstoff (H2) abkühlt und dabei aufgeheizt wird.A method according to claim 7 or 8, characterized in that the water that the electrolyzer ( 2 ) is supplied, cooled in the form of vapor as a cooling medium in the heat exchange process, the hydrogen (H 2 ) and thereby heated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Produktgas Wasserstoff (H2) Sauerstoff (O2) als weiters Produktgas ebenfalls verdichtet wird, abgekühlt wird und die dabei abgeführte Wärmeenergie dem Aufheizprozess des Wassers zugeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in addition to the product gas hydrogen (H 2 ) oxygen (O 2 ) is further compressed as weiters product gas is cooled and the heat energy thereby dissipated is supplied to the heating process of the water. Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff umfassend einen Hochtemperatur-Elektrolyseur (2) zur Umwandlung von Wasser in Wasserstoff (H2) sowie eine Verdichtungsvorrichtung (4) zur Verdichtung des erzeugten Wasserstoffes, wobei die Verdichtungsvorrichtung (4) eine Wärmetauschvorrichtung (10), die zur Übertragung der im Verdichtungsprozess auftretenden Kompressionswärme auf das dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (2) zuzuführenden Wassers dient, umfasst.Device for producing hydrogen comprising a high-temperature electrolyzer ( 2 ) for the conversion of water into hydrogen (H 2 ) and a compacting device ( 4 ) for compressing the generated hydrogen, the compression device ( 4 ) a heat exchange device ( 10 ), which are used to transfer the compression heat occurring in the compression process to the high-temperature electrolyzer ( 2 ) water to be supplied, comprises. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (4) in Form eines Kompressors (12) ausgestaltet ist.Device according to claim 11, characterized in that the compacting device ( 4 ) in the form of a compressor ( 12 ) is configured. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (4) zumindest teilweise isoliert ist.Device according to claim 11 or 12, characterized in that the compacting device ( 4 ) is at least partially isolated. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (4) zumindest teilweise von der Wärmetauschvorrichtung (10) umgeben ist.Device according to one of claims 11 to 13, characterized in that the compression device ( 4 ) at least partially from the heat exchange device ( 10 ) is surrounded. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschvorrichtung (10) zumindest teilweise in Form von Kühlkanälen (8) die Verdichtungsvorrichtung (4) durchläuft.Device according to one of claims 11 to 14, characterized in that the heat exchange device ( 10 ) at least partially in the form of cooling channels ( 8th ) the compacting device ( 4 ) goes through.
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