DE102011083831A1 - Überwachung einer elektrochemischen Anlage - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überwachung einer elektrochemischen Anlage mit zumindest einem Zellblock aus zumindest mehreren elektrochemischen Zellen, bei denen jeweils eine Anodenseite und eine Kathodenseite durch eine Membran voneinander getrennt sind, wobei die elektrochemischen Zellen zwischen einem Zellblockanfang und einem Zellblockende geschichtet sind, auf einen Defekt in den Membranen. Um eine Lösung anzugeben, mit der eine defekte Membran in einer elektrochemischen Anlage detektiert und lokalisiert werden kann, wird vorgeschlagen, dass am Zellblockanfang und am Zellblockende mittels jeweils zumindest eines Sensors eine sich durch den Zellblock bewegenden akustische Welle bzw. Erschütterung detektiert wird, dass Signale der Sensoren an eine Auswerteeinheit übertragen werden und dass anhand eines Unterschieds in den Zeitpunkten, zu denen ein Auftreffen der akustischen Welle bzw. Erschütterung von den zumindest zwei Sensoren detektiert wird, ein Ursprung der akustischen Welle bzw. Erschütterung innerhalb des Zellblocks lokalisiert wird. Durch die Lokalisierung der defekten Zellen wird beispielsweise eine Instandsetzung / Reparatur der elektrochemischen Anlage natürlich wesentlich vereinfacht, was nicht zuletzt auch Kosten spart.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Anlage mit zumindest einem Zellblock aus zumindest mehreren elektrochemischen Zellen, bei denen jeweils eine Anodenseite und eine Kathodenseite durch eine Membran voneinander getrennt sind, wobei die elektrochemischen Zellen zwischen einem Zellblockanfang und einem Zellblockende geschichtet sind.
  • Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Überwachung einer elektrochemischen Anlage mit zumindest einem Zellblock aus zumindest mehreren elektrochemischen Zellen, bei denen jeweils eine Anodenseite und eine Kathodenseite durch eine Membran voneinander getrennt sind, wobei die elektrochemischen Zellen zwischen einem Zellblockanfang und einem Zellblockende geschichtet sind, auf einen Defekt in den Membranen.
  • Eine derartige elektrochemische Anlage bzw. ein derartiges Verfahren kommt insbesondere auf dem Gebiet der Wasser-Elektrolyse sowie bei dem umgekehrten Prozess, der Stromgewinnung aus Wasserstoff und Sauerstoff, zum Einsatz. Eine elektrochemische Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung kann also als Elektrolyseanlage oder als Brennstoffzellenanlage ausgeführt sein, wobei diese auch für einen reversiblen Betrieb geeignet sein können. Eine Elektrolyseanlage (Elektrolyseur) oder eine Brennstoffzellenanlage besteht für gewöhnlich aus mindestens einem Zellblock, welcher wiederum aus geschichteten (oder auch „gestapelten“, von engl. „stack“) Zellen aufgebaut ist. Im Falle einer Wasserelektrolyse, die im Folgenden als Beispiel dient, sind die Wasserkreisläufe der H2-Seite und der O2-Seite der Anlage durch eine Membran voneinander getrennt. Ein mechanischer Defekt der Membran führt zur Vermischung der beiden Prozessmedien in der betroffenen Zelle. Bei größeren Rissen können sich zündfähige Gasgemische bilden und es zur Rekombination des H2 und O2 kommen. Es ist notwendig, den Defekt möglichst frühzeitig zu erkennen, um die betroffenen Anlagenteile abzuschalten, weitere Schäden zu vermeiden und einen sicheren Betrieb der Anlage gewährleisten zu können. Eine Lokalisierung der defekten Zelle im Zellblock würde eine Instandsetzung vereinfachen und beschleunigen.
  • Bekannt sind Lösungen, bei denen anhand einer Zellspannungs- oder Zelltemperaturüberwachung eine Funktionstüchtigkeit einer Elektrolyseanlage überwacht wird, bei denen es sich aber bisher als schwierig gestaltet, auf einen Defekt einer Membran zu schließen. Die Änderung der Zellspannung bzw. der Anstieg der Zelltemperatur, die durch eine exotherme Rekombination der H2- und O2-Gase hervorgerufen werden, sind sehr klein gegenüber den Spannungs- und Temperaturschwankungen, die sich durch Änderungen von Betriebsbedingungen der Anlage ergeben. Die Zellspannung bleibt selbst bei erheblichen Defekten der Membran noch relativ konstant.
  • Deswegen werden zusätzlich die Temperaturen von angeschlossenen Katalysatoren überwacht. Zur Reinigung der Produktgase sind Katalysatoren in den Wasserstoff- und Sauerstoff-Gasableitungen eingebaut, in denen bei Vorhandensein eines Fremdgases (O2 auf der H2-Seite bzw. H2 auf der O2-Seite) eine katalytische Verbrennung stattfindet. Mit dem Grad der Verunreinigung durch das Fremdgas steigt die Temperatur im Katalysator und kann als Überwachungssystem der Anlage dienen. Dabei ist das Abschaltekriterium in entscheidendem Maße vom Alterungszustand des Katalysators, vom Abstand des Temperatursensors zur Verbrennungszone im Katalysator, sowie vom Gasdurchsatz abhängig. Da beim Hochfahren der Anlage auf Betriebsdruck kein oder nur sehr wenig Produktgas durch die Katalysatoren geleitet wird, ist zu diesem Zeitpunkt eine Zellüberwachung nicht möglich. Außerdem ist prinzipbedingt eine Lokalisierung der defekten Zelle durch Überwachung der Katalysatortemperatur ebenfalls nicht möglich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, mit der eine defekte Membran in einer elektrochemischen Anlage detektiert und lokalisiert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Anlage der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass am Zellblockanfang und am Zellblockende jeweils zumindest ein Sensor angeordnet ist, mittels dem eine sich durch den Zellblock bewegende akustische Welle bzw. Erschütterung detektierbar ist, wobei durch eine Auswerteeinheit, an die Signale der Sensoren übertragbar sind, ein Ursprung dieser Welle bzw. Erschütterung innerhalb des Zellblocks anhand der zumindest zwei Sensorsignale lokalisierbar ist.
  • Weiter wird die Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass am Zellblockanfang und am Zellblockende mittels jeweils zumindest eines Sensors eine sich durch den Zellblock bewegenden akustische Welle bzw. Erschütterung detektiert wird, dass Signale der Sensoren an eine Auswerteeinheit übertragen werden und dass anhand eines Unterschieds in den Zeitpunkten, zu denen ein Auftreffen der akustischen Welle bzw. Erschütterung von den zumindest zwei Sensoren detektiert wird, ein Ursprung der akustischen Welle bzw. Erschütterung innerhalb des Zellblocks lokalisiert wird.
  • Eine defekte Membran sowie die daraus folgende Kombination bzw. Rekombination des Wasserstoffs und Sauerstoffs emittieren akustische Signale und führen zu Erschütterungen, welche mit geeigneten Sensoren und einer entsprechenden Signalaufbereitung der Zellüberwachung dienen können. Als geeignete Sensoren kommen sowohl passive als auch aktive akustische Sensoren oder auch Beschleunigungsaufnehmer in Betracht, die in mechanischem Kontakt zum Zellblock stehen. Denkbar ist aber auch eine Erfassung der akustischen Wellen bzw. Erschütterungen mittels geeigneter optischer Sensoren.
  • Zur Lokalisierung einer defekten Zelle werden erfindungsgemäß am Anfang und am Ende eines Zellblocks jeweils mindestens ein Sensor angebracht – zur Verbesserung der Erfassung können beispielsweise auch jeweils Kombinationen der o.g. Sensortypen eingesetzt werden. Die durch einen Membrandefekt hervorgerufenen akustischen Wellen bzw. Erschütterungen breiten sich entlang des Zellblocks aus. Die Laufzeitunterschiede der Signale zwischen den Sensoren am Anfang und am Ende des Zellblocks lassen Rückschlüsse auf den Signalursprung (die defekte Zelle) zu. Vorteilhafterweise ist dafür die Gesamtlaufzeit zwischen Zellblockanfang und Zellblockende bzw. die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle bzw. Erschütterung bekannt. Im einfachsten Beispiel – wenn eine akustische Welle bzw. Erschütterung gleichzeitig am Zellblockanfang und am Zellblockende detektiert wird – ist natürlich klar, dass sich die defekte Zelle in der Mitte zwischen Anfang und Ende des Zellblocks befindet.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung können Membrandefekte frühzeitig – insbesondere bei einer ausreichend schnellen Signalerfassung und -auswertung – erkannt werden und zudem auch die defekten Zellen lokalisiert werden. Diese Informationen können beispielsweise an eine Überwachungszentrale geleitet werden und somit dem Bedienpersonal unverzüglich zur Verfügung gestellt werden. Dieses kann dann die notwendigen Maßnahmen veranlassen, wobei durch die Lokalisierung der defekten Zellen beispielsweise eine Instandsetzung / Reparatur der Elektrolyse- oder Brennstoffzellenanlage natürlich wesentlich vereinfacht wird, was nicht zuletzt auch Kosten spart.
  • In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung ist die Membran als Polymer-Elektrolyt-Membran ausgebildet bzw. wird als Membran eine Polymer-Elektrolyt-Membran verwendet. Diese bekannte „PEM-Elektrolyse“ gewinnt zunehmend an Bedeutung und hat gegenüber z.B. der alkalischen Elektrolyse Vorteile wie beispielsweise kurze Hochfahrzeiten. Ebenso bekannt sind natürlich PEM-Brennstoffzellen. Die PEM ist durchlässig für positiv geladene Wasserstoffionen und beidseitig mit Elektronen beschichtet, ist also Bestandteil einer sogenannten Membran-Elektroden-Einheit (MEA, „membrane electrode assembly“).
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die elektrochemische Anlage als Hochdruck-Anlage für einen Druck von mehr als 10 bar ausgebildet bzw. wird die elektrochemische Anlage als Hochdruck-Anlage mit einem Druck von mehr als 10 bar betrieben. Hierbei und insbesondere bei einer PEM-Hochdruck-Elektrolyse bzw. -Brennstoffzelle werden besonders gute Wirkungsgrade erzielt. Die erfindungsgemäße Lösung ist natürlich allgemein für die Überwachung von elektrochemischen Anlagen geeignet, insbesondere aber auch für die Hochdruckelektrolyse bzw. Brennstoffzelle mit Polymerelektrolyt über 10 bar oder 15 bar Systemdruck, da die Funktionsfähigkeit der vorliegenden Erfindung auch bei hohen Systemdrücken (bis zumindest 100 bar) gegeben ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mittels einer Ausgabeeinheit bei Detektion einer akustischen Welle bzw. Erschütterung ein Warnsignal und/oder der Ursprung der akustischen Welle bzw. Erschütterung optisch und/oder akustisch ausgebbar bzw. werden die genannten Informationen über die Ausgabeeinheit ausgegeben. Hierdurch kann also direkt vor Ort an der elektrochemischen Anlage selbst – und nicht nur ggf. in einer weiter entfernten Einsatzzentrale – erkannt werden, dass ein Membranbruch vorliegt und/oder bei welcher Elektrolyse- oder Brennstoffzelle ein Defekt in der Membran aufgetreten ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mittels zumindest eines Sensors eine Amplitude der akustischen Welle bzw. Erschütterung messbar und bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Amplitude ein Notsignal optisch und/oder akustisch ausgebbar und/oder eine Notabschaltung zumindest eines Teils der elektrochemischen Anlage auslösbar bzw. wird eine solche Amplitude gemessen, bei Überschreiten eines Grenzwertes ein Notsignal ausgegeben und/oder eine Notabschaltung ausgelöst. Auf diese Weise kann auch bei schweren Defekten, die auch mehrere Zellen betreffen können, die Sicherheit gewährleistet werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Die Figur zeigt:
    eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Anlage.
  • Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße elektrochemische Anlage 1 mit einem Zellblock 2, der mehrere elektrochemische Zellen 3 aufweist, die zwischen zwei sogenannten Endplatten 12 eingespannt sind. Die Elektrolyse- bzw. Brennstoffzellen 3 haben jeweils eine Anodenseite 4 und eine Kathodenseite 5 sowie eine dazwischenliegende Membran 6. Vorteilhafterweise wird als Membran 6 eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) verwendet, d.h. es handelt sich um einen PEM-Elektrolyseur bzw. eine PEM-Brennstoffzelle 1, der bzw. die in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform als Hochdruck-PEM-Elektrolyseur bzw. -Brennstoffzellenanlage 1 ausgeführt ist.
  • Der Zellblock 2 weist definitionsgemäß einen Zellblockanfang 7 und ein Zellblockende 8 auf, die den elektrochemischen Zellen 3 abgewandten Außenseiten der Endplatten 12 entsprechen. Am Zellblockanfang 7 und Zellblockende 8 ist jeweils ein – beispielsweise akustischer – Sensor 9 angeordnet. Die durch einen Defekt in einer Membran 6 hervorgerufenen akustischen Wellen bzw. Erschütterungen breiten sich entlang des Zellblocks 2 aus. Detektieren die Sensoren 9 das Auftreffen der akustischen Welle bzw. Erschütterungen, werden die Sensorsignale von einer Auswerteeinheit 10 ausgewertet. Die Laufzeitunterschiede der Signale zwischen den Sensoren 9 am Anfang 7 und Ende 8 des Zellblocks 2 lassen Rückschlüsse auf den Signalursprung – also die defekte Zelle 3 – zu. Die defekte Zelle 3 wird, ggf. mit einem Warnsignal, vorteilhafterweise an einer Ausgabeeinheit 11 angezeigt, so dass das Wartungspersonal gleich vor Ort informiert ist.
  • Durch eine geeignete Sensorik 9 und deren Anbringung an Zellblockanfang 7 und -ende 8 wird mit der erfindungsgemäßen Lösung – insbesondere mit einer ausreichend schnellen Signalerfassung und -auswertung – eine frühzeitige Erkennung von Membrandefekten und eine Lokalisierung der defekten Zellen 3 erreicht. Dabei ist die erfindungsgemäße Lösung grundsätzlich für die Überwachung von elektrochemischen Anlagen 1 geeignet, insbesondere aber auch für Hochdruck-Anlagen mit Polymerelektrolyt über 10–15 bar Systemdruck, da die Funktionsfähigkeit auch bei hohen Systemdrücken (bis zumindest 100 bar) gegeben ist.
  • Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Überwachung einer elektrochemischen Anlage mit zumindest einem Zellblock aus zumindest mehreren elektrochemischen Zellen, bei denen jeweils eine Anodenseite und eine Kathodenseite durch eine Membran voneinander getrennt sind, wobei die elektrochemischen Zellen zwischen einem Zellblockanfang und einem Zellblockende geschichtet sind, auf einen Defekt in den Membranen. Um eine Lösung anzugeben, mit der eine defekte Membran in einer elektrochemischen Anlage detektiert und lokalisiert werden kann, wird vorgeschlagen, dass am Zellblockanfang und am Zellblockende mittels jeweils zumindest eines Sensors eine sich durch den Zellblock bewegenden akustische Welle bzw. Erschütterung detektiert wird, dass Signale der Sensoren an eine Auswerteeinheit übertragen werden und dass anhand eines Unterschieds in den Zeitpunkten, zu denen ein Auftreffen der akustischen Welle bzw. Erschütterung von den zumindest zwei Sensoren detektiert wird, ein Ursprung der akustischen Welle bzw. Erschütterung innerhalb des Zellblocks lokalisiert wird. Durch die Lokalisierung der defekten Zellen wird beispielsweise eine Instandsetzung / Reparatur der elektrochemischen Anlage natürlich wesentlich vereinfacht, was nicht zuletzt auch Kosten spart.

Claims (10)

  1. Elektrochemische Anlage (1) mit zumindest einem Zellblock (2) aus zumindest mehreren elektrochemischen Zellen (3), bei denen jeweils eine Anodenseite (4) und eine Kathodenseite (5) durch eine Membran (6) voneinander getrennt sind, wobei die elektrochemischen Zellen (3) zwischen einem Zellblockanfang (7) und einem Zellblockende (8) geschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass am Zellblockanfang (7) und am Zellblockende (8) jeweils zumindest ein Sensor (9) angeordnet ist, mittels dem eine sich durch den Zellblock (2) bewegende akustische Welle bzw. Erschütterung detektierbar ist, wobei durch eine Auswerteeinheit (10), an die Signale der Sensoren (9) übertragbar sind, ein Ursprung dieser Welle bzw. Erschütterung innerhalb des Zellblocks (2) anhand der zumindest zwei Sensorsignale lokalisierbar ist.
  2. Elektrochemische Anlage nach Anspruch 1, wobei die Membran (6) als Polymer-Elektrolyt-Membran ausgebildet ist.
  3. Elektrochemische Anlage nach Anspruch 1 oder 2, ausgebildet als Hochdruck-Anlage (1) für einen Druck von mehr als 10 bar.
  4. Elektrochemische Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels einer Ausgabeeinheit (11) bei Detektion einer akustischen Welle bzw. Erschütterung ein Warnsignal und/oder der Ursprung der akustischen Welle bzw. Erschütterung optisch und/oder akustisch ausgebbar ist.
  5. Elektrochemische Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels zumindest eines Sensors (9) eine Amplitude der akustischen Welle bzw. Erschütterung messbar ist und bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Amplitude ein Notsignal optisch und/oder akustisch ausgebbar ist und/oder eine Notabschaltung zumindest eines Teils der elektrochemischen Anlage (1) auslösbar ist.
  6. Verfahren zur Überwachung einer elektrochemischen Anlage (1) mit zumindest einem Zellblock (2) aus zumindest mehreren elektrochemischen Zellen (3), bei denen jeweils eine Anodenseite (4) und eine Kathodenseite (5) durch eine Membran (6) voneinander getrennt sind, wobei die elektrochemischen Zellen (3) zwischen einem Zellblockanfang (7) und einem Zellblockende (8) geschichtet sind, auf einen Defekt in den Membranen (6), dadurch gekennzeichnet, dass am Zellblockanfang (7) und am Zellblockende (8) mittels jeweils zumindest eines Sensors (9) eine sich durch den Zellblock (2) bewegenden akustische Welle bzw. Erschütterung detektiert wird, dass Signale der Sensoren (9) an eine Auswerteeinheit (10) übertragen werden und dass anhand eines Unterschieds in den Zeitpunkten, zu denen ein Auftreffen der akustischen Welle bzw. Erschütterung von den zumindest zwei Sensoren (9) detektiert wird, ein Ursprung der akustischen Welle bzw. Erschütterung innerhalb des Zellblocks (2) lokalisiert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei als Membran (6) eine Polymer-Elektrolyt-Membran verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die elektrochemische Anlage (1) als Hochdruck-Anlage mit einem Druck von mehr als 10 bar betrieben wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei mittels einer Ausgabeeinheit (11) bei Detektion einer akustischen Welle bzw. Erschütterung ein Warnsignal und/oder der Ursprung der akustischen Welle bzw. Erschütterung optisch und/oder akustisch ausgegeben wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei mittels zumindest eines Sensors (9) eine Amplitude der akustischen Welle bzw. Erschütterung gemessen wird und bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Amplitude ein Notsignal optisch und/oder akustisch ausgegeben wird und/oder eine Notabschaltung zumindest eines Teils der elektrochemischen Anlage (1) ausgelöst wird.
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