DE102019129430B4

DE102019129430B4 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung des Mischungsverhältnisses von brennbaren und oxidativen Gasen in einer explosionsgefährdeten Hochdruckumgebung und Anordnung

Info

Publication number: DE102019129430B4
Application number: DE102019129430.4A
Authority: DE
Inventors: Joachim Löffler; Georg Ranft
Original assignee: Avx/kumatec Hydrogen & Co Kg GmbH
Current assignee: KYROS HYDROGEN SOLUTIONS GMBH, DE
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-08-12
Anticipated expiration: 2039-11-01
Also published as: DE102019129430A1

Abstract

Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung des Mischungsverhältnisses von brennbaren und oxidativen Gasen in einer explosionsgefährdeten Hochdruckumgebung durch Quantifizierung der Gase in einem Gasgemisch, wobei das zu prüfende Gasgemisch unter Hochdruck vorliegt, mindestens aufweisend die folgenden Schritte:- kontinuierliches Ableiten eines Teilstroms an zu prüfendem Gasgemisch aus einem Gasstrom mit hohem Druck eines Gasgemischs mindestens zweier verschiedener Gase,- Bereitstellen eines konstanten Volumenstroms an zu prüfendem Gas aus dem Teilstrom bei Reduzierung auf atmosphärischen Druck,- kontinuierliches Zuführen des auf einen konstanten Volumenstrom geregelten Teilstroms des zu prüfenden Gasgemischs einer Messzelle (240; 340), wobei in der Messzelle (240; 340) das zugeführte Gasgemisch unter atmosphärischen Druck im Hinblick auf ein explosionsfähiges Mischungsverhältnis durch Mengenermittlung der Gase des Gasgemischs gemessen wird, und wobei über eine eigensichere Schaltung (120) die in die Messzelle (240; 340) eingebrachte Energie auf einen Schwellenwert begrenzt wird, der unterhalb eines Werts zum Entzünden eines explosionsfähigen Gasgemischs der zugeführten Gase liegt, sowie- kontinuierliches Abführen des Gasgemischs aus der Messzelle (240; 340).

Description

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung von brennbaren und oxidativen Gasen in einer explosionsgefährdeten Hochdruckumgebung sowie eine Anordnung mit einer solchen Vorrichtung beschrieben.
Hintergrund
In Systemen unterschiedlicher Ausgestaltung und Anwendung kann es durch vorhandene Gase zu einem Gasgemisch kommen, welches explosionsfähig ist.
Liegen in einem System bspw. Sauerstoff und Wasserstoff nebeneinander vor, so kann es bei einem entsprechenden Mischungsverhältnis der beiden Gase zu einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre kommen, die durch eine Zündquelle zur Explosion führen kann. Es ist in diesem Zusammenhang aufgrund von Systemparametern nicht immer möglich, eine Durchmischung der beiden Gase zu vermeiden. In der Regel fällt diese Durchmischung sehr gering aus und die Mischungsverhältnisse befinden sich entweder oberhalb der oberen Explosionsgrenze oder unterhalb der unteren Explosionsgrenze.
Ein solches Gasgemisch kann bspw. bei der alkalischen Elektrolyse auftreten. Bei der alkalischen Elektrolyse wird durch Anlegen einer Spannung an einer Kathode Wasserstoff und an einer Anode Sauerstoff aus der elektrochemischen Zersetzung eines Elektrolyten gebildet. Die beiden Gasräume sind durch ein Diaphragma bzw. Membran getrennt, die in gewisser Weise gasdurchlässig sind. Dies hat zur Folge, dass es zwangsläufig in einem geringen Ausmaß zu einer Durchmischung der bei der Elektrolyse entstehenden Gase kommt. Um die Qualität der entstehenden Gase zu überwachen und gegebenenfalls Maßnahmen einleiten zu können, welche die Bildung einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre verhindern, muss eine Überwachung durchgeführt werden.
Ein solchen Gasgemisch kann auch bei einem Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseur oder PEM-Elektrolyseur auftreten.
In einem „Protonen-Austausch-Membran“- oder „PEM“-Elektrolyseur wird destilliertes Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der PEM-Elektrolyseur weist eine protonendurchlässige Polymermembran („proton exchange membrane“ - „PEM“) auf.
Diese ist kathodenseitig mit einer porösen Elektrode aus auf Kohlenstoff geträgertem Platin und anodenseitig mit metallischen oder als Oxid vorliegenden Edelmetallen (z.B. Iridium und Ruthenium) beschichtet. An diese Elektroden wird eine äußere Spannung angelegt. Auf der Anodenseite des Elektrolyseurs wird Wasser zugeführt. In weiteren Varianten können auch beide Halbzellen der Elektrolysezelle oder auch nur die Kathodenseite mit Wasser geflutet werden - in Abhängigkeit des Verwendungszwecks. Die katalytische Wirkung der Edelmetall-Elektroden führt zur Zersetzung des Wassers an der Anodenseite. Es entstehen Sauerstoff, freie Elektronen und positiv geladene H⁺-Ionen. Die Wasserstoff-Ionen diffundieren durch die protonenleitende Membran auf die Kathodenseite, wo sie mit den Elektronen zu Wasserstoff kombinieren.
Reversible Brennstoffzellen auf PEM-Basis können sowohl als Brennstoffzelle als auch als Elektrolyseur arbeiten und können damit in Kombination mit einem Gasspeicher als Energiespeicher dienen.
Ebenso können explosive Gasgemische bei der Hochtemperatur-Elektrolyse entstehen.
Hochtemperatur-Elektrolyse arbeiten bei Arbeitstemperaturen von ca. 900 °C. Dabei wird ein Teil der notwendigen Reaktionsenthalpie als Wärme eingekoppelt. Dadurch sinkt der Strombedarf für die Elektrolyse und der Wirkungsgrad gegenüber der alkalischen Elektrolyse steigt.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik bekannte Einrichtungen zur Bestimmung des Mischungsverhältnisses weisen den Nachteil auf, dass diese nur für einen bestimmten Druckbereich eingesetzt werden können, d.h. dass ein Einsatz in einer Hockdruckumgebung, bspw. bei einer Hochdruckelektrolyse von Drücken im Bereich von 100 bar und größer, nicht möglich ist. Es ist hierbei notwendig ein Gasgemisch bspw. in einem separaten Messraum aufzunehmen und das Gemisch auf atmosphärischen Druck zu bringen. Dies bedeutet aber, dass kein kontinuierliches Messen bzw. Bestimmen des Mischungsverhältnisses möglich ist.
Gerade für Gasgemische, die in einer Hochdruckumgebung erzeugt werden oder vorliegen, ist die Bestimmung des Mischungsverhältnisses häufig wichtig, da aufgrund des Hochdrucks auch die Entzündbarkeit bzw. Explosionsfähigkeit maßgeblich beeinflusst werden kann. Für die Hochdruck-Elektrolyse, wobei Wasserstoff und Sauerstoff bei Drücken im Bereich von 100 bar erzeugt werden, ist keine Einrichtung bekannt, die eine kontinuierliche Bestimmung des Mischungsverhältnisses ermöglicht.
Es kann nicht nur für die Gase Wasserstoff und Sauerstoff zu einem explosionsfähigen Gasgemisch kommen, sondern auch bei anderen brennbaren oder oxidativen Gasen.
Aus DE 10 2009 019 261 A1 ist ein Messsystem zur Charakterisierung des möglichen korrosiven Verhaltens heißer fluider Medien innerhalb von Behältern, Rohrleitungen und anderen Komponente bekannt, wobei ein Teilstrom des Mediums über ein Ventil entnommen wird und in eine hermetisch abgeschlossene Messkammer bestimmten Volumens eingeschlossen und darin an mindestens zwei oder mehreren Elektroden das Redoxpotential potentiometrisch und durch zwei weitere Elektroden und intermittierend mit einer zeitabhängigen Spannung beaufschlagt und der dabei fließende Strom registriert wird, aus dem nach Kalibrierung die Masse der Redoxspezies aus dem Peakstrom bestimmt wird und der Teilstrom über ein weiteres Ventil und eine Pumpe wieder zurückgeführt wird.
DE 10 2006 042 618 A1 offenbart ein Verfahren zur Messung von Brennwerten von Brenngasen und ein Brennwertmessgerät, wobei eine Minimierung der Verbrennungswärmeleistung bei vollständigem Stoffumsatz und hinreichender Stabilität der Flamme bezüglich Schwankungen der Gaszusammensetzung und des Volumenstroms gewährleistet werden soll. Es wird hierzu vorgeschlagen, ein Brenngas-Luft/Sauerstoff-Gemisch durch eine dünne Brennerkapillare in eine miniaturisierte Mikrobrennkammer einzuleiten, den Brennvorgang durch Zündung und Erzeugung einer Wärmeleistung auszulösen, die bei der Verbrennung generierte Wärmeleistung zur Messung über Thermosäulen in eine temperaturgeregelte Wärmesenke zu leiten und den Brennwert des Brenngases aus der gemessenen Wärmeleistung zu ermitteln.
DE 689 09 260 T2 offenbart eine Messvorrichtung und eine zugehörige Verbrennungskammer zur Verbrennung in einer Leitung zirkulierenden Brennstoffs und eine Kette zur Messung des Luftfaktors, mit dem die Verbrennungskammer beaufschlagt wird, wobei sie eine Hauptdüse mit einer Schallverengung mit variablem Querschnitt, die in der Hauptleitung angeordnet ist, und einen Nebenkreis für eine bekannte geringe Fraktion des Massendurchsatzes des in der Hauptleitung zirkulierenden Gasstroms zur Beaufschlagung der geregelten Verbrennungskammer mit dieser geringen Fraktion aufweist, wobei der Nebenkreis in einer Zone der Hauptleitung beginnt, welche sich stromaufwärts der Hauptdüse befindet, und eine Nebendüse mit einer Schallverengung fixer Geometrie aufweist, wobei die Verbrennungskammer des Nebenkreises mit Verbrennungsluft über eine Rohrleitung gespeist wird, an der eine Einrichtung zur Zählung des Massendurchsatzes der zur Verbrennung der Fraktion verwendeten Verbrennungsluft, mit der die Verbrennungskammer beaufschlagt wird, angeordnet ist, und wobei sie Rechen- und Anzeige- oder Aufzeichnungsmittel umfasst, die mit der Zähleinrichtung und der Kette zur Messung oder Regelung des Luftfaktors zwecks Bestimmens und Anzeigens des Werts der Wärmeleistung des in der Hauptleitung zirkulierenden Brennstoffs, ausgehend von den Informationen über den Massendurchsatz von Verbrennungsluft, die von der Zahleinrichtung übermittelt werden, und über den Luftfaktor, die von der Mess- oder Regelungskette übermittelt werden, verbunden sind.
Aufgabe
Es ist daher Aufgabe eine Lösung anzugeben, die eine kontinuierliche Bestimmung des Mischungsverhältnisses von brennbaren und oxidativen Gasen in einer explosionsgefährdeten Hochdruckumgebung bereitstellt. Insbesondere soll im Weiteren eine Lösung zur kontinuierlichen Bestimmung des Mischungsverhältnisses der bei einer Hochdruck-Elektrolyse erzeugten Gase bereitgestellt werden.
Lösung
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung des Mischungsverhältnisses von brennbaren und oxidativen Gasen in einer explosionsgefährdeten Hochdruckumgebung durch Quantifizierung der Gase in einem Gasgemisch gelöst, wobei das zu prüfende Gasgemisch unter Hochdruck vorliegt, mindestens aufweisend die folgenden Schritte:

- kontinuierliches Ableiten eines Teilstroms an zu prüfendem Gasgemisch aus einem Gasstrom mit hohem Druck eines Gasgemischs mindestens zweier verschiedener Gase,
- Bereitstellen eines konstanten Volumenstroms an zu prüfendem Gas aus dem Teilstrom bei Reduzierung auf atmosphärischen Druck,
- kontinuierliches Zuführen des auf einen konstanten Volumenstrom geregelten Teilstroms des zu prüfenden Gasgemischs einer Messzelle, wobei in der Messzelle das zugeführte Gasgemisch unter atmosphärischen Druck im Hinblick auf ein explosionsfähiges Mischungsverhältnis durch Mengenermittlung der Gase des Gasgemischs gemessen wird, und wobei über eine eigensichere Schaltung die in die Messzelle eingebrachte Energie auf einen Schwellenwert begrenzt wird, der unterhalb eines Werts zum Entzünden eines explosionsfähigen Gasgemischs der zugeführten Gase liegt, sowie
- kontinuierliches Abführen des Gasgemischs aus der Messzelle.

Das Verfahren ermöglicht die Bestimmung des Mischungsverhältnisses in einer Hochdruckumgebung, wie sie bspw. bei der Hochdruck-Elektrolyse vorherrscht. Ferner wird eine kontinuierliche Bestimmung des Mischungsverhältnisses erreicht, was eine sofortige Reaktion bei der Feststellung eines explosionsfähigen Gemischs ermöglicht. Gerade gegenüber einer verzögerten Bestimmung bei bekannten Einrichtungen können hier vorheilhaft laufende Prozesse stetig in Echtzeit überwacht und ggf. Maßnahmen ergriffen werden.
Die eigensichere Schaltung stellt sicher, dass es durch den in der Messzelle fließenden Strom nicht zu einer Entzündung des Gasgemischs kommt, falls ein zündfähiges Gemisch vorliegen sollte. Die eingebrachte Energie zur Messung wird stets unterhalb der Mindestzündenergie für ein explosionsfähiges Gasgemisch gehalten. Das Verfahren und eine entsprechend ausgebildete Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung des Mischungsverhältnisses von brennbaren und oxidativen Gasen können daher in explosionsgefährdeten Räumen eingesetzt werden.
Für die Bestimmung der Mischverhältnisse sind unabhängig von der Ausbildung der Messzelle und bspw. eines darin angeordneten Gassensors für eine repräsentative Messung ein konstanter Volumenstrom und eine konstante Druckstufe im Bereich des Gassensors notwendig. Es können einfach ausgebildete Messzellen verwendet werden, wenn die Messung bzw. die Bestimmung der Mischverhältnisse in atmosphärischer Umgebung erfolgt.
Für die kontinuierliche Bestimmung wird aus dem Gasstrom kontinuierlich ein Teilstrom abgeleitet, welcher Teilstrom dann über eine entsprechende Einrichtung zur Massendurchflussregelung auf einen konstanten Volumenstrom und eine konstante Druckstufe (bspw. 1 bar) gebracht wird. Es erfolgt dann ein kontinuierliches Zuführen des so geregelten Gasstroms der Messzelle. Es können hierbei bekannte Messzellen verwendet werden, da eine Begrenzung des zugeführten Gasstroms vorab erfolgt. Die Abfuhr des eigentlichen Gasstroms, von dem der Teilstrom abgezweigt wird, wird nicht unterbrochen. Daher kann das Verfahren vorteilhaft bei laufenden Prozessen zur Anwendung kommen, ohne dass der Prozess oder die Produkte (abgeführte Gase) beeinträchtigt werden. Im Weiteren wird zur Bestimmung der Massenverhältnisse nur eine relativ geringe Menge eines Gasgemisches benötigt, so dass - in Abhängigkeit der Größe des eigentlichen Gasstroms - die Menge des abgeführten eigentlichen Gasstroms durch die Bestimmung des Mischverhältnisses im Wesentlichen nicht verändert wird. Da die Messung kontinuierlich durchgeführt wird, kann die tatsächlich abgeführte Menge des Gasstroms so geregelt werden, dass die abgeführte Menge für die Bestimmung mit eingerechnet wird.
Das Messergebnis der Messzelle kann über eine Auswerteeinheit ausgewertet werden, die dann eine entsprechende Information an weitere Recheneinheiten und/oder Darstellungseinheiten (z.B. Bildschirm oder Display) ausgibt, worüber eine lesbare Anzeige des Mischungsverhältnisses angegeben wird. Darüber hinaus kann die Auswerteeinheit bei Überschreiten einer unteren Explosionsgrenze und bei Unterschreiten einer oberen Explosionsgrenze Maßnahmen zur Beeinflussung des Mischungsverhältnisses auslösen. Maßnahmen können bspw. eine Veränderung der Menge dem Prozess zugeführten Gase, um hierüber das Mischungsverhältnis zu verändern, das Zu- und/oder Abführen weiterer Stoffe und/oder das Aktivieren oder Deaktivieren von Einrichtungen umfassen (z.B. Gebläse). Vorteilhaft erfolgt nach der Feststellung des Vorliegens eines explosionsfähigen Gasgemischs weiterhin eine Bestimmung des Mischungsverhältnisses. Es kann daher überprüft werden, ob die Maßnahmen Wirkung zeigen oder weitere Maßnahmen ergriffen werden müssen.
Beispielsweise ermöglicht das Verfahren die Bestimmung des Mischungsverhältnisses von Wasserstoff und Sauerstoff zueinander. In weiteren Ausführungen können beispielsweise auch Mischungsverhältnisse von Methan und anderen brennbaren Gasgemischen bestimmt werden. Ferner kann auch, in Abhängigkeit der Ausbildung einer Messzelle, eine Bestimmung der Mischungsverhältnisse von oxidativen Gasgemischen erfolgen.
Aus der Messzelle wird das zur Bestimmung des Mischungsverhältnisses herangezogene Gas auch kontinuierlich abgeführt, so dass permanent neues Gasgemisch zur Messung zugeführt werden kann.
In weiteren Verfahrensschritten kann der abgeleitete Gasstrom einer Filterung und/oder Feuchtigkeitsabschneidung unterzogen werden. Die Filterung und/oder Feuchtigkeitsabscheidung erfolgen vor dem Schritt der Bereitstellung eines konstanten Volumenstroms. Hierdurch wird die Messung in der Messzelle verbessert, da keine die Messung beeinträchtigenden Bestandteile im zu prüfenden Gasgemisch enthalten sind.
In der Messzelle kann eine katalytische Bestimmung der Konzentration an brennbaren Gasen oder eine galvanische Bestimmung der Konzentration an oxidativen Gasen durchgeführt werden. Je nachdem welche Bestandteile das Gasgemisch aufweist und welches Gas des Gasgemischs den überwiegenden Anteil ausmacht, wird ein entsprechender Sensor verwendet. Hierzu sind galvanische Sensorelemente bekannt, die eine Messung von oxidativen Gasen ermöglichen. Dabei wird der Anteil der oxidativen Gase an dem Gasgemisch ermittelt. Dies kann bspw. über elektrochemisch arbeitende Sensoren erfolgen, die eine Spannung als Ausgangssignal liefern. Der Spannungswert ist dann repräsentativ für den Gasgehalt an oxidativem Gas in dem Gasgemisch. Über katalytische Sensoren kann bspw. die Bestimmung des Anteils an brennbaren Gasen in einem Gasgemisch erfolgen. Hierbei kann eine Temperaturbestimmung nach Maßgabe der an einer katalytisch wirkenden Oberfläche verbrannten Menge an Wasserstoff erfolgen. Der gemessene Temperaturwert am Sensor ist dann repräsentativ für den Gasgehalt des Gasgemischs.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung des Mischungsverhältnisses von brennbaren und oxidativen Gasen in einer explosionsgefährdeten Hochdruckumgebung durch Quantifizierung der Gase in einem Gasgemisch gelöst, wobei das zu prüfende Gasgemisch unter Hochdruck vorliegt, mindestens aufweisend:

- eine Einrichtung zur Massendurchflussregelung, welche einen kontinuierlich zugeführten Gasstrom mit hohem Druck eines Gasgemischs mindestens zweier verschiedener Gase auf einen einstellbaren konstanten Volumenstrom und atmosphärischen Druck regelt,
- eine Messzelle, in welcher das zugeführte Gasgemisch unter atmosphärischem Druck im Hinblick auf ein explosionsfähiges Mischungsverhältnis durch Mengenermittlung der Gase des Gasgemischs kontinuierlich messbar ist, und
- eine eigensichere Schaltung, welche dazu ausgebildet ist, den in der Messzelle fließenden Strom zur Ermittlung des Mischverhältnisses kontinuierlich auf einen Schwellenwert zu begrenzen, der unterhalb eines Werts zum Entzünden eines explosionsfähigen Gasgemischs der zugeführten Gase liegt.

Unter Hochdruck wird hierin ein Druck ab 40 bar, insbesondere 100 bar verstanden, wobei auch Drücke im Bereich von mehreren hundert bar darunter zu verstehen sind.
Die Vorrichtung weist einen Hochdruckbereich und einen atmosphärischen Bereich auf. Der Hochdruckbereich umfasst die Komponenten, welchen ein Gas bzw. Gasgemisch mit Hochdruck zugeführt wird. Der atmosphärische Bereich umfasst die Komponenten, welchen ein Gas bzw. Gasgemisch mit atmosphärischem Druck (ca. 1 bar) zugeführt wird. Die Einrichtung zur Massendurchflussregelung bildet den Übergang zwischen diesen Bereichen und kann somit auch als den beiden Bereichen zugehörig angesehen werden.
Die Vorrichtung zeichnet sich zur kontinuierlichen Bestimmung des Mischungsverhältnisses ebenso aus wie das Verfahren. Es wird hierzu auf die vorstehenden Ausführungen für das Verfahren verwiesen.
So kann die Vorrichtung in weiteren Ausführungen auch mindestens einen Koaleszenzfilter aufweisen, welcher der Einrichtung zur Massendurchflussregelung in Strömungsrichtung des Gasstroms zur Reinigung und Feuchtigkeitsabscheidung des Gasstroms vorgeschaltet ist.
Die Messzelle kann im Hinblick auf das zu überwachende Gasgemisch in Abhängigkeit des Gases, welches gemessen werden soll, eine katalytische Messezelle zur Bestimmung der Konzentration an brennbaren Gasen oder eine galvanische Messzelle zur Bestimmung der Konzentration an oxidativen Gasen aufweisen.
Ferner wird die vorstehend genannte Aufgabe auch durch eine Anordnung zur Elektrolyse gelöst, mindestens aufweisend einen Elektrolyseur, in welchem durch Anlegen einer Spannung an einer Kathode Wasserstoff und an einer Anode Sauerstoff unter Hochdruck aus der elektrochemischen Zersetzung eines Elektrolyten gebildet werden und der erzeugte Wasserstoff und der erzeugte Sauerstoff getrennt abführbar sind, wobei eine Abführung für den Wasserstoff und eine Abführung für den Sauerstoff jeweils eine Abzweigung und die Abzweigungen jeweils eine Vorrichtung gemäß einer der vorstehend beschrieben Ausführungen zur kontinuierlichen Bestimmung des Mischungsverhältnisses von Wasserstoff und Sauerstoff aufweisen, wobei den Vorrichtungen ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff zuführbar ist.
Für die Hochdruck-Elektrolyse mit Drücken im Bereich von 100 bis 350 oder auch 700 bar wird durch die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen eine Möglichkeit geschaffen, kontinuierlich eine Bestimmung des Gasgemisches der erzeugten Gase Wasserstoff und Sauerstoff und damit eine kontinuierliche Überwachung bereitzustellen. Der Betrieb eines Hochdruck-Elektrolyseurs kann mit den Vorrichtungen zur Bestimmung der Mischverhältnisse fortlaufend überwacht werden, ohne in den Prozess einzugreifen.
Bei der Elektrolyse werden in einem geschlossenen Elektrolyseraum, der sich bspw. in einem aus Stahl gefertigten Druckbehälter befindet, die Gase Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Bei der Hochdruck-Elektrolyse können die Gase mit Drücken von 100 bar und darüber im Druckbehälter aufgenommen sein.
Die Anordnung kann für einen Elektrolyseur zur alkalischen Elektrolyse, einen PEM-Elektrolyseur und auch für einen Hochtemperatur-Elektrolyseur mit Temperaturen von etwa 900 °C Verwendung finden.
Eine Elektrolysezelle eines Elektrolyseurs besteht im Wesentlichen aus den Elektroden (Anode und Kathode), dem Elektrolyten und einer ionenleitenden oder protonendurchlässigen Membran. Die für die Elektrolyse benötigte Energie wird über die Elektroden als Gleichstrom zugeführt. Über den Elektrolyten, der als Ionenleiter dient, wird der Stromfluss zwischen den Elektroden bereitgestellt. Über die Membran werden die sich entwickelnden Produktgasströme für Sauerstoff und Wasserstoff getrennt.
Anodenseitig wird Sauerstoff und kathodenseitig Wasserstoff erzeugt. Wie eingangs bereits ausgeführt, kann es trotz der Membran zu einem Gasgemisch der eigentlich getrennten Gase Wasserstoff und Sauerstoff kommen. Bei bestimmten Konzentrationen ist ein solches Gasgemisch explosionsfähig.
Die in den getrennten Bereichen erzeugte Gase bzw. Gasgemische mit jeweils einem geringen Anteil des jeweiligen anderen Gases werden über Abführleitungen aus dem Druckbehälter heraus- und einer Anwendung zugeführt. Bspw. können die Gase gespeichert, einer direkten Verwertung zugeführt oder für eine Speicherung verdichtet werden.
An den Abführleitungen sind Abzweigungen vorgesehen, die zu den Vorrichtungen führen. Dabei weist der Strang auf der Wasserstoffseite eine Abzweigung und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Massenverhältnisses auf. Das Gasgemisch mit dem überwiegenden Anteil an Wasserstoff wird über die Messzelle im Hinblick auf Bestandteile von Sauerstoff hin untersucht. In Abhängigkeit des Ergebnisses können die Prozessparameter im Elektrolyseur oder die Menge an zugeführten Stoffen verändert werden. Ebenso weist der Strang auf der Sauerstoffseite eine Abzweigung und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Massenverhältnisses zwischen Sauerstoff und Wasserstoff auf. Das Gasgemisch mit dem überwiegenden Anteil an Sauerstoff wird über die korrespondierende Messzelle im Hinblick auf Bestandteile von Wasserstoff hin untersucht. In Abhängigkeit des Ergebnisses können auch hier Maßnahmen ergriffen werden.
Vorteilhaft ist, dass eine kontinuierliche Bestimmung der Mischungsverhältnisse durchgeführt werden kann, wobei die abgeführten Gasströme Wasserstoff und Sauerstoff in den Abführungen keiner Herabsetzung des Drucks unterzogen werden müssen. Die entsprechend benötigte geringe Druckstufe und der konstante Volumenstrom des für die Bestimmung erforderlichen Teilstroms des jeweiligen Gasgemischs werden in der Abzweigung über die Einrichtung zur Massendurchflussregelung bereitgestellt.
Die hierin beschriebene Lösung zeichnet sich durch die Druckstabilität für den Elektrolyseur aus. Die Bestimmung der Mischungsverhältnisse hat keine Auswirkungen auf den Betrieb des Elektrolyseurs und die bereitgestellten Gase. Darüber hinaus können gewöhnliche Messzellen verwendet werden, die nur atmosphärisch stabil sind. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die kontinuierliche Bestimmung der Mischungsverhältnisse.
Weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen.
Figurenliste
In den Zeichnungen zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Hochdruck-Elektrolyseurs mit Einrichtungen zur Regelung des Hochdruck-Elektrolyseurs;
2 eine perspektivische Darstellung einer Einrichtung mit zwei Messketten zur Quantifizierung von Wasserstoff und Sauerstoff für einen Hockdruck-Elektrolyseur;
3 eine perspektivische Darstellung eines Ventils zur kontinuierlichen Vordruckregelung von Wasserstoff und Sauerstoff für einen Hochdruck-Elektrolyseur in einer beispielhaften Ausführungsform;
4 eine schematische Schnittansicht durch einen Teil des Ventils von 3;
5 eine weitere schematische Schnittansicht des Ventils von 3;
6 eine vergrößerte Darstellung eines Teils des Ventils von 3;
7 eine noch weitere schematische Schnittansicht des Ventils von 3;
8 eine perspektivische Darstellung einer Messeinrichtung zur kontinuierlichen Messung der Leitfähigkeit eines Elektrolyten in einem Hochdruck-Elektrolyseur;
9 eine perspektivische Darstellung der Messzelle der Messeinrichtung von 8;
10 eine schematische Vorderansicht der Messzelle von 9; und
11 eine schematische Darstellung einer Füllstandsmesseinrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der Füllstandshöhe eines Elektrolyten in einer Hochdruckumgebung eines Hochdruck-Elektrolyseurs.

In den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehene Elemente entsprechen im Wesentlichen einander, sofern nichts anderes angegeben ist. Darüber hinaus wird darauf verzichtet, Bestandteile zu zeigen und zu beschreiben, welche nicht wesentlich zum Verständnis der hierin offenbarten technischen Lehre sind. Im Weiteren werden nicht für alle bereits eingeführten und dargestellten Elemente die Bezugszeichen wiederholt, sofern die Elemente selbst und deren Funktion bereits beschrieben wurden oder für einen Fachmann bekannt sind.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Hochdruck-Elektrolyseur 100
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Hochdruck-Elektrolyseurs 100 mit Einrichtungen zur Regelung des Hochdruck-Elektrolyseurs 100.
Ein Hochdruck-Elektrolyseur 100 für die alkalische Elektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff weist einen Druckbehälter auf. Innerhalb des Druckbehälters befindet sich die Elektrolysezelle 140. In der Elektrolysezelle 140 sind eine Anode und eine Kathode angeordnet, die mit einem Elektrolyten in Verbindung stehen. Die Anordnung der Anode und der Kathode ist derart gewählt, dass diese in den flüssigen Elektrolyten ragen. Der Raum der Elektrolysezelle 140, in welchem sich die Anode befindet, und der Raum der Elektrolysezelle 140, in dem sich die Kathode befindet, sind über eine Membran vollständig voneinander getrennt. Bei der Membran handelt es sich um ein gasdichtes Diaphragma, welches zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff einen Transport von OH^--Ionen durch die Membran hindurch zulässt. Durch Anlegen einer Gleichspannung an die Anode und die Kathode wird an der Anode Sauerstoff (O₂) und an der Kathode Wasserstoff (H₂) erzeugt. Der Transport der OH^--Ionen erfolgt von der Kathode durch den Elektrolyten zu der Anode. Die entstehenden Produktgase sind über die Membran voneinander getrennt. Als Elektrolyt kann bspw. eine Kalilauge (Kaliumhydroxid - KOH) im Druckbehälter aufgenommen sein.
Allgemein ist eine gewisse Permeabilität der Gase durch die Membran hindurch nicht vollständig auszuschließen. Die Permeabilität hängt insbesondere von der verwendeten Membran ab. Für Membranen wird daher die Permeabilität in Liter pro Minute und Fläche bei einem konstanten Druck angegeben. Die Menge an durch die Membran dringenden Gase hängt dabei auch davon ab, wie groß die Fläche der Membran ist, die nicht im Elektrolyten steht. Ein weiterer entscheidender Faktor ist der Druck in den jeweiligen Räumen. Je größer der Druckunterschied ist, desto größer ist die Menge an Gas, welches durch die Membran gelangt. Vorzugsweise sollte daher kein Druckunterschied vorliegen, damit die Durchmischung von Gasen unterbunden wird.
Der Aufbau des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 kann in der Form und Größe der Bestandteile unterschiedlich ausgebildet sein. Die Elektroden des Hochdruck-Elektrolyseurs 100, Kathode und Anode, können beispielsweise als Rohre ausgebildet sein, die konzentrisch zueinander angeordnet und über die Membran voneinander getrennt sind, wie bspw. in DE 10 2012 112 559 B3 beschrieben.
Für den Betrieb eines Hochdruck-Elektrolyseurs 100 mit einer Anordnung von rohrförmigen Elektroden und destilliertem Wasser, welches die Anordnung umgibt, ist die Leitfähigkeit des destillierten Wassers kontinuierlich zu überwachen. Eine Veränderung in der Leitfähigkeit deutet darauf hin, dass eine Undichtigkeit vorliegt, was zu einer Schädigung des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 führen kann.
Bei der Hochdruckelektrolyse werden die Gase unter einem Druck größer 100 bar erzeugt. Der hohe Druck in der Elektrolysezelle 140 resultiert aus dem Druck, der durch die Gasproduktion entsteht. Über entsprechende Ventile 400 wird der Druck im System hochgehalten und geregelt.
Die erzeugten Gase Wasserstoff und Sauerstoff werden aus den jeweiligen Räumen über Rohrleitungen separat ab- und einer Anwendung zugeführt. Hierzu sind Ventile vorgesehen. Über die Ventile lässt sich auch der Gasdruck im Druckbehälter in den entsprechenden Räumen regeln. Die erzeugten Gase bzw. Gasgemische liegen auch unter Hochdruck vor.
Der erzeugte Wasserstoff kann bspw. weiter komprimiert und anschließend in entsprechenden Behältern gespeichert werden. Der darin gespeicherte Wasserstoff kann bspw. zur Energieversorgung und zum Antrieb von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen verwendet werden.
Der Hochdruck-Elektrolyseur 100 weist Vorrichtungen zur kontinuierlichen Bestimmung des Mischungsverhältnisses von Wasserstoff und Sauerstoff mit zwei Messketten 200, 300 zur Quantifizierung, Ventile 400 zur kontinuierlichen Vordruckregelung von Wasserstoff und Sauerstoff, eine Leitfähigkeitsmesseinrichtung 500 und Füllstandsmesseinrichtungen 600 auf, welche die Füllstandshöhe des Elektrolyten in den jeweiligen Kammern der Elektrolysezelle 140 des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 kontinuierlich messen. Der Hochdruck-Elektrolyseur 100 weist ferner eine Vielzahl an weiteren Komponenten auf. Der Hochdruck-Elektrolyseur 100 weist darüber hinaus weitere Einrichtungen zur Erfassung und Regelung von Parametern des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 auf.
Ein Teil der Komponenten wird nachfolgend beschrieben. Komponenten, die nicht wesentlich für die hierin beschriebene Lehre sind, werden nachfolgend nicht beschrieben.
Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung des Mischungsverhältnisses
Trotz Auswahl hochdichter Materialien und einer Abdichtung der über die Membran getrennten Gasräume kann es während der Elektrolyse zu einer Vermischung der erzeugten Gase Wasserstoff und Sauerstoff kommen. Es besteht somit die Gefahr, dass es zur Bildung eines explosiven Gasgemischs kommt. Daher müssen die erzeugten Gase Wasserstoff und Sauerstoff bzw. die Gasgemische aus Wasserstoff und einem Anteil Sauerstoff bzw. Sauerstoff mit einem Anteil Wasserstoff fortlaufend in ihrer Zusammensetzung überprüft werden. Die Durchmischung der Gasgemische fällt in der Regel gering aus und die Mischungsverhältnisse befinden sich entweder oberhalb einer oberen Explosionsgrenze oder unterhalb einer unteren Explosionsgrenze.
Für den Fall, dass die Mischungsverhältnisse die Grenzen überschreiten und ein explosionsfähiges Gasgemisch vorliegt, müssen Maßnahmen ergriffen werden. Die Maßnahmen können beispielsweise die Veränderung von Systemparametern des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 und die Zu- und Abfuhr von Stoffen aus dem Hochdruck-Elektrolyseur 100 betreffen.
Systemparameter umfassen bspw. den Druck und die Füllstandshöhe des Elektrolyten im Druckbehälter. Die Zu- und Abfuhr von Stoffen umfasst beispielsweise die Zufuhr des Elektrolyten und die Abfuhr an erzeugten Gasen Wasserstoff und Sauerstoff.
Weitere Maßnahmen können die Zufuhr von Frischluft in einen Ausstellungsraum des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 oder die Aktivierung eines Gebläses zum Abtransport des Gasgemischs umfassen. Eine weitere Maßnahme umfasst das Abschalten des Hochdruck-Elektrolyseurs 100, sodass der Prozess der Elektrolyse unterbrochen wird.
Die Messung der Gasgemische bedient sich der über die Rohrleitungen zum Abführen der Gase Wasserstoff und Sauerstoff abgeführten Gasgemische. In den Rohrleitungen sind Abzweigungen vorhanden, an deren Enden sich die Messstrecken 200, 300 befinden, damit der Durchsatz an Gasen in den Rohrleitungen nicht beeinträchtigt wird. Hierbei werden aus den Gasströmen in den Rohrleitungen Teilgasströme abgeleitet. Diese Teilgasströme werden kontinuierlich der Mischverhältnisbestimmung zugeführt. Nachfolgend werden die Teilgasströme auch als Gasströme bezeichnet.
Die Anforderungen an die Bestimmung der Mischungsverhältnisse sind in der kontinuierlichen Quantifizierung der Gasströme unter Bereitstellung eines konstanten Volumenstroms mit einer konstanten Druckstufe anzusehen. Dabei muss die Bestimmung der Mischungsverhältnisse zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen in einer Hochdruckumgebung einsetzbar sein.
Eine kontinuierliche Überwachung der Mischungsverhältnisse wird durch die in 2 dargestellte Einrichtung mit zwei Messketten 200, 300 zur Quantifizierung von Wasserstoff und Sauerstoff erreicht. Die Einrichtung ist Bestandteil des Hochdruck-Elektrolyseurs 100. In 2 sind dabei nur wesentliche Bestandteile der Einrichtung gezeigt. Es fehlen somit Komponenten des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 und Anbindungen an die restlichen Komponenten des Hockdruck-Elektrolyseurs 100. Es ist ersichtlich, dass in konkreten Ausführungen anderer Systeme eine abgewandelte Messkette vorgesehen sein kann, die nur zur Bestimmung der Bestandteile eines Gasgemischs ausgebildet ist. Ein solches System muss auch nicht die Elektrolyse betreffen, sondern kann bspw. zur Bestimmung der Zusammensetzung von Methan oder anderen brennbaren Gasgemischen und oxidativen Gasgemischen verwendet werden.
Die hier vorgestellte Einrichtung für einen Hochdruck-Elektrolyseur 100 gliedert sich in eine Wasserstoff-Messkette 200 und in eine Sauerstoff-Messkette 300. Die Messketten 200, 300 weisen im Wesentlichen die gleichen Bestandteile auf und unterscheiden sich nur in den Messzellen 240 und 340.
Von den Rohrleitungen zum Abführen der erzeugten Gase erstreckt sich eine Abzweigung, die über die Anschlüsse 212, 312 jeweils mit einem Koaleszenzfilter 210, 310 verbunden ist.
Die Koaleszenzfilter 210, 310 dienen zur Filterung und Reinigung der Gasgemische, welche die Messketten 200, 300 durchströmen. In den Koaleszenzfiltern 210, 310 erfolgt beispielsweise eine Feuchtigkeitsabscheidung von Bestandteilen, welche dem Gasstrom des jeweils zugeführten Gasgemischs anhaften. Hierzu werden die Gasströme durch die Koaleszenzfilter 210, 310 geleitet und treten über die Anschlüsse 214, 314 aus. An den Anschlüssen 212, 312 liegen die Gasströme als Hochdruck-Gasströme vor. Der Druck der Gasströme kann im Wesentlichen dem Systemdruck im Hochdruck-Elektrolyseur 100 entsprechen oder geringer vorliegen. Eine Reduzierung des Drucks kann aufgrund der Motorventile 400 (siehe 3 bis 7) auftreten, die zur Regelung des Systemdrucks im Druckbehälter des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 vorgesehen sind. In der Regel kann bei den Gasströmen auch bei einer vorstehend angegebenen Reduzierung des Drucks immer noch von Hochdruck-Gasströmen gesprochen werden. Im Anfahrbetrieb des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 ist der Gasdruck an den Anschlüssen 212, 312 verhältnismäßig gering, weil die Menge an erzeugten Gasen noch gering ist. Im Normalbetrieb liegen an den Anschlüssen 212, 312 die zugeführten Gasströme bei einem Systemdruck im Hochdruck-Elektrolyseur 100 von bspw. 100 bar im Wesentlichen im gleichen Umfang vor.
Bei dem Durchströmen der Koaleszenzfilter 210, 310 kommt es zu keinem nominellen Druckreduzierung der Gasströme. Ein durch das Filtermaterial bedingter Druckabfall, welches in den Koaleszenzfiltern 210, 310 zur Reinigung, Filterung und Feuchtigkeitsabscheidung enthalten ist, ist vernachlässigbar. Die Koaleszenzfilter 210, 310 weisen im Inneren beispielsweise Sand, Faser- oder (Draht-)Gewebepackungen auf.
Von den Anschlüssen 214, 314 gelangen die Gasströme über Anschlüsse 222, 322 in Einrichtungen 220, 320 zur Massendurchflussregelung. Die Einrichtungen 220, 320 weisen ein Ventil auf, dass über eine Regeleinrichtung den Durchfluss derart geregelt, dass am Ausgang über die Anschlüsse 224, 324 ein konstanter Volumenstrom vorliegt. Es sind verschiedene Ausführungen von Massendurchflussreglern aus dem Stand der Technik bekannt, welche für die hierin beschriebenen Messketten 200, 300 verwendet werden können. Zudem wird über die Einrichtungen 220, 320 der Druck an den Ausgängen bei den Anschlüssen 224, 324 auf einen einstellbaren Wert geregelt. Für die hierin beschriebene Bestimmung der Mischungsverhältnisse kann der Volumenstrom der Gase beispielsweise auf 0,5 l/min geregelt werden. Der Druck der Gasströme wird auf 1 bar (Atmosphärendruck) geregelt. Die Reduzierung der Volumenströme der Gase und die Druckbegrenzung ermöglichen die Verwendung von einfach ausgebildeten Messzellen 240, 340. Es können somit gewöhnliche Messzellen zur Bestimmung der Mischungsverhältnisse verwendet werden, da der Druck auf 1 bar begrenzt wird.
Die Einrichtungen 220, 320 bilden in den Messketten 200, 300 die Schnittstelle zwischen dem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich bzw. dem Atmosphären-Druckbereich. Es kann daher eine kontinuierliche Bestimmung Mischungsverhältnis durchgeführt werden, ohne dass zur Bestimmung die Zufuhr der Gasströme unterbrochen werden muss. Insbesondere können über die Einrichtungen 220, 320 kontinuierlich Hochdruck-Gasströme zugeführt werden.
Von den Anschlüssen 224, 324 gelangen die über die Einrichtungen 220, 320 gedrosselten Gasströme über Anschlüsse 232, 332 in Verbindungsleitungen 230, 330 und von dort über weitere Anschlüsse 234, 334 zu Anschlüssen 242, 342 der Messzellen 240, 340. In den Messzellen 240, 340 kann eine katalytische Bestimmung der Konzentration an brennbaren Gasen oder eine galvanische Bestimmung der Konzentration an oxidativen Gasen durchgeführt werden. Je nachdem, welche Bestandteile das Gasgemisch aufweist, und welches Gas des Gasgemischs den überwiegenden Anteil ausmacht, wird ein entsprechender Sensor verwendet.
Die Messzelle 240 ist als galvanische Messzelle ausgebildet und dient zur Bestimmung des Anteils an Sauerstoff im Gasstrom des Wasserstoffs. Die Messzelle 240 weist ein galvanisches Sensorelement auf, das in einem Messraum der Messzelle 240 angeordnet ist. Das Sensorelement bestimmt elektrochemisch den Sauerstoffgehalt am Gasgemisch. Nach Maßgabe des Sauerstoffanteils am Gasgemisch steigt oder sinkt die Spannung eines Ausgangssignals des Sensors. Die Ausgangsspannung ist repräsentativ für Anteil an Sauerstoff. Eine dritte Auswerteeinheit 110 erhält das Ausgangssignal (Ausgangsspannung) und gleicht diese mit in einem Speicher hinterlegten Werten ab. Überschreitet der Wert einen Schwellenwert, so liegt ein explosionsfähiges Gasgemisch vor. Es können dann Maßnahmen ergriffen werden, um die Zusammensetzung des Gasgemischs wieder unter den Schwellenwert zu bringen. Hierzu kann die dritte Auswerteeinheit 110 eigenständig Befehle zur Initiierung von Maßnahmen ausgeben oder die Information über das Vorliegen eines explosionsfähigen Gasgemischs an eine weitere Steuerung übermitteln, welche dann das Einleiten von Maßnahmen regelt.
Die Bestimmung des Sauerstoffgehalts an dem WasserstoffGasstrom wird fortlaufend durchgeführt und liefert permanent eine Rückmeldung über die Zusammensetzung des Gasgemischs. Die Messzelle 240 weist wie auch die Messzelle 340 ein Ventil auf, über welches permanent das in den Messraum der Messzelle 240 eingebrachte Gasgemisch entweichen kann. Anstelle eines Ventils können auch andere Mittel vorgesehen sein, die ein kontinuierliches Ableiten des kontinuierlich in den Messraum der Messzelle 240 eingebrachten Gasgemischs bereitstellen. Die zugeführte Menge an Gasgemisch ist verhältnismäßig gering und kann in die Umwelt abgelassen werden. Sofern das zur Bestimmung der Mischungsverhältnisse abgelassene Gasgemisch in einen Raum gelangt, muss sichergestellt werden, dass dieser Raum ausreichend belüftet ist. Denkbar wäre auch eine Rückführung der Gase aus den Messzellen 240, 340, wobei jedoch eine Erhöhung des Drucks der gemessenen Gase erforderlich ist. Dafür wären eine zusätzliche Einrichtung zur Erhöhung des Gasdrucks und eine Anbindung an die entsprechende Hauptleitung erforderlich, was im Verhältnis zur Menge an zurückzuführender Gase gegenüber dem Gasstrom in den Hauptleitungen nur in besonderen Fällen sinnvoll erscheint.
Bei der Messzelle 340 handelt es sich um eine katalytische Messzelle zur Bestimmung des Anteils an Wasserstoff im Gasstrom des Sauerstoffs. Die Messzelle 340 weist hierzu ein katalytisches Sensorelement auf, das in einem Messraum der Messzelle 340 angeordnet ist. Das Sensorelement weist eine katalytisch wirkende Oberfläche auf, an welcher Wasserstoff oxidiert wird. Die dadurch entstehende Wärme lässt die Temperatur am Sensorelement ansteigen, wobei die Temperatur repräsentativ für den Wasserstoffanteil ist. Die Temperatur wird gemessen und als Wert an die dritte Auswerteeinheit 110 weitergeleitet. Dort wird der gemessene Wert kontinuierlich mit einem Schwellenwert verglichen. Kommt es zum Überschreiten eines Schwellenwerts so liegt ein explosionsfähiges Gasgemisch vor und es werden Maßnahmen ergriffen, wie bereits vorstehend ausgeführt.
In weiteren Ausführungsformen können auch Sensorelemente für die Messzellen 240, 340 verwendet werden, die mit einem anderen Wirkprinzip arbeiten.
Die Messketten 200, 300 weisen die gemeinsame dritte Auswerteeinheit 110 zur Bestimmung der Mischungsverhältnisse auf.
Die Komponenten Koaleszenzfilter 210, 310, Einrichtungen 220, 320 und die Meszellen 240, 340 befinden sich in einem sogenannten Explosionsraum und sind daher geschützt auszuführen. Es ist darauf zu achten, dass durch die Komponenten keine Zündung des Gasgemischs auftreten kann, falls ein explosionsfähiges Gasgemisch vorliegt. Eine Kommunikationsschnittstelle 130, die dritte Auswerteeinheit 110 sowie die eigensichere Schaltung 120 befinden sich außerhalb des Explosionsraums und sind nur über entsprechende Leitungen mit den im Explosionsraum angeordneten Komponenten verbunden.
Die Kommunikationsschnittstelle 130 ist mit den Einrichtungen 220, 320 verbunden und regelt nach Maßgabe von einstellbaren Vorgaben hinsichtlich Druckes und Volumenstrom die Ventile in den Einrichtungen 220, 320. Die Kommunikationsschnittstelle 130 kann ferner mit einer weiteren zentralen Steuerung des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 verbunden sein. Die Kommunikationsschnittstelle 130 kann auch direkt mit der dritten Auswerteeinheit 110 gekoppelt sein.
Die eigensichere Schaltung 120 begrenzt die in den Messzellen 240, 340 abgegebene Energie auf einen Wert, der unterhalb der Mindestzündenergie für die möglicherweise auftretenden Wasserstoff-Sauerstoff-Gasgemische liegt. Die Mindestzündenergie eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischs liegt bei etwa 1,2 µJ. Die maximal zugeführte Energie wird daher auf diesen Wert beschränkt. Die eigensichere Schaltung 120 begrenzt die anliegende Spannung und den fließenden Strom. Dazu müssen auch die Sensorelemente der Messzellen 240, 340 entsprechende Leistungsdaten aufweisen, so dass auch bei geringer Energiezufuhr die Bestimmung der Mischungsverhältnisse durch das Messen der Gasanteile erfolgen kann. Es ist ferner darauf zu achten, dass die Leitungslängen für die Sensorelemente gering gehalten werden und insgesamt eine induktionsarme Verdrahtung vorliegt.
Zur Bestimmung des Mischungsverhältnisses von Sauerstoff und Wasserstoff werden die Gasgemische aus der Elektrolysezelle 140 über die jeweiligen Rohrleitungen abgeführt. Über die Abzweigungen gelangen die Gasströme zu den Einrichtungen 200, 300. Es erfolgt dabei ein kontinuierliches Ableiten eines Teilstroms an dem zu prüfenden Gasgemisch aus dem Gasstrom (Wasserstoff/Sauerstoff) in den Hauptleitungen. Anschließend erfolgt über die Einrichtungen 200, 300 das Bereitstellen eines konstanten Volumenstroms an zu prüfendem Gas aus dem Teilstrom bei Reduzierung auf atmosphärischen Druck. Danach wird der auf einen konstanten Volumenstrom geregelte Teilstrom des zu prüfenden Gasgemischs einer Messzelle 240, 340 kontinuierlich zugeführt, wobei in der Messzelle 240, 340 das zugeführte Gasgemisch unter atmosphärischen Druck im Hinblick auf ein explosionsfähiges Mischungsverhältnis durch Mengenermittlung der Gase des Gasgemischs gemessen wird. Über die eigensichere Schaltung 120 wird die in die Messzellen 240, 340 eingebrachte Energie unterhalb eines Wertes gehalten, der für das Entzünden eines explosionsfähigen Gasgemischs der zugeführten Gase erforderlich ist. Ferner erfolgt ein kontinuierliches Abführen der Gasgemische aus den Messzellen 240, 340.
Die Ausbildung der Messketten 200, 300 bietet gegenüber bekannten Messeinrichtungen den Vorteil, dass ein kontinuierliches Bestimmen der Gasgemische in einer Hochdruckumgebung erreicht werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist die eigensichere Ausgestaltung und damit die Eignung für explosionsgefährdete Bereiche durch die Beschränkung der zugeführten Energie unterhalb der Mindestzündenergie für das Wasserstoff-Sauerstoff-Gasgemisch.
Bei entsprechend anderweitig ausgebildeten Systemen zur Bestimmung der Mischungsverhältnisse weiterer Gase ist eine eigensichere Schaltung entsprechend an die zur Zündung erforderliche Mindestenergie anzupassen.
Ventile 400
In 1 sind schematisch die Rohrleitungen gezeigt, über welche die erzeugten Gase bzw. Gasgemische Wasserstoff und Sauerstoff abgeführt werden. In den Hauptleitungen befinden sich die Ventile 400, die als motorgesteuerte Ventile ausgebildet sind. Die Ventile 400 dienen zur Vordruckregelung. Über die Ventile 400 wird der Druck in den Rohrleitungen und im Druckbehälter des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 geregelt, wie nachfolgend mit Bezug auf die 3 bis 7 beschrieben.
Vor den Ventilen 400 erstrecken sich die Abzweigungen, an deren Enden sich die Messketten 200, 300 befinden.
Der Hochdruck-Elektrolyseur 100 weist eine Messkette 200 zur Bestimmung von Wasserstoff und einer Messkette 300 zur Bestimmung von Sauerstoff auf, wie mit Bezug auf 2 beschrieben. Über die Messketten 200, 300 erfolgt die Bestimmung der Mischungsverhältnisse der Gasgemische.
Die Ventile 400 dienen zur kontinuierlichen Vordruckregelung und weisen einen Schrittmotor 490, einen Ventilkörper 410 sowie eine drehbar gelagerte Ventilwelle 440 und einen Stößel 450 auf. Die Ventile 400 weisen Ventilanschlüsse 422, 424 zur Zufuhr und Abfuhr des Gasgemischs auf, die mit der Abzweigung bzw. einer Schnittstelle der Hauptleitungen und mit Anschlüssen für die Messketten 200, 300 verbunden sind. Die Anschlüsse der Ventile 400 sind versetzt zueinander angeordnet, damit ein Durchleiten des Gasstroms durch den Ventilkanal 426 möglich ist. Die Ventilwelle 440 ist im Ventilkörper 410 drehbar gelagert und weist einen exzentrischen Abschnitt 442 auf, der auf den Stößel 450 wirkt. Der Schrittmotor 490 ist mit der Ventilwelle 440 gekoppelt, wobei ein Abschnitt des Stößels 450 in den Ventilkanal 426 ragt und der Stößel 450 eine Schulter 452 aufweist, die auf einer Dichtungsanordnung 470 aufliegt, welche sich mindestens abschnittsweise zwischen den Anschlüssen 422, 424 befindet und den Stößel 450 umgibt. Der Stößel 450 weist mindestens einen Kanal 454 auf, der durch die Schulter 452 verläuft und die Räume zu beiden Seiten der Schulter 452 verbindet. In Abhängigkeit der Ansteuerung des Schrittmotors 490 werden der exzentrische Abschnitt 442 und damit auch der Stößel 450, der auf die Dichtungsanordnung 470 wirkt, verlagert. Hierdurch lässt sich kontinuierlich der Vordruck der Gasgemische exakt regeln. Zusätzlich kann das Ventil 400 auch eine Einrichtung 494 zur Nullpunktbestimmung aufweisen, wie in 7 schematisch gezeigt.
Das Ventil 400 weist weitere Bestandteile auf, welche für die Funktion des Ventils 400 nur eine untergeordnete Rolle spielen. Hierunter sind beispielsweise Befestigungsmittel und Anschlusselemente zu verstehen. Die konstruktive Ausgestaltung, insbesondere im Hinblick auf Größe und Ausbildung der Bestandteile des Ventilkörpers 410, hängt auch von der Einbaulage und den Gegebenheiten im System, hier im Hochdruck-Elektrolyseur 100, ab.
Die Ausbildung der Ventile 400 stellt sicher, dass auch bei hohen Drücken eine exakte Vordruckregelung erreicht wird.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Ventils 400 einer beispielhaften Ausführungsform.
Der Ventilkörper 410 weist zwei Gehäuse 420 und 430 auf, die über Schrauben miteinander verbunden sind. Das untere Gehäuse 420 weist einen Anschluss 422 zur Zufuhr eines gasförmigen Mediums, entweder Sauerstoff oder Wasserstoff, und einen Anschluss 424 zum Abgeben des gedrosselten gasförmigen Mediums auf. Über die Anschlüsse 422, 424 kann das Ventil 400 mit korrespondierenden Schnittstellen von Verbindungsleitungen verbunden werden. Das Ventil 400 kann hierüber zur Vordruckregelung in ein System eingebaut werden.
Die Gehäuse 420, 430 bestehen aus einem Edelstahl und sind daher gegenüber den gasförmigen Medien widerstandsfähig, so dass keine Verschlechterung oder Beschädigung durch den Kontakt mit den gasförmigen Medien auftritt.
Insbesondere sind alle medienberührenden Bestandteile des Ventils 400 aus Edelstahl oder einem speziellen Kunststoff, wie beispielsweise EPDM, gefertigt.
Der Schrittmotor 490 steht mit einer Motorwelle 492 in Kontakt mit der Ventilwelle 440. Motorwelle 492 und Ventilwelle 440 können über eine entsprechende Schnittstelle miteinander verbunden sein. Eine Rotation der Motorwelle 492 ruft daher eine entsprechende Rotation der Ventilwelle 440 hervor. Der Schrittmotor 490 kann schrittweise verfahren werden und eignet sich daher insbesondere für die Verstellung des Ventils 400, da die Verstellwege des Stößels 450 durch eine entsprechende Anzahl an Schritten eingestellt werden können.
4 zeigt eine schematische Schnittansicht durch einen Teil des Ventils 400 von 3. 4 zeigt insbesondere den Schnitt durch das Gehäuse 420 mit dem in einem Ventilkanal 426 aufgenommenen Stößel 450.
Das Gehäuse 420 weist den Ventilkanal 426 auf, der sich im Wesentlichen von dem unteren Anschluss 422 zur Zufuhr des gasförmigen Mediums bis nach oben zum Anschluss 424 zur Abfuhr des gasförmigen Mediums erstreckt. Der Ventilkanal 426 geht in Öffnungen 428 und 429 in einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt des Gehäuses 420 über. Durch die Öffnungen 428 und 429 ragt der Stößel 450 teilweise aus dem Gehäuse 420 hervor. Am oberen Ende weist der Stößel 450 eine Öffnung 456 auf, die als Aufnahme für einen korrespondierenden Abschnitt eines Stifts 484 ausgebildet ist. Der Stift 484 ist Bestandteil einer Anordnung mit einem Lager 480, welches in Bezug auf die 5 bis 7 näher beschrieben wird.
Im Bereich der Öffnungen 428, 429 befinden sich Zentrierhülsen 466, die über O-Ringe 464 am Gehäuse 420 gelagert sind. In den Öffnungen 428, 429 befinden sich weiterhin Gleitbuchsen 460 und O-Ringe 462, die gemeinsam mit den Zentrierhülsen 466 und den O-Ringen 464 zur Zentrierung des Stößels 450 und zur Abdichtung dienen.
Die O-Ringe 462 und 464 bestehen aus einem für den Einsatz geeigneten Material, welches sowohl eine Abdichtung bereitstellt als auch beständig gegenüber den Medien ist. Die Abdichtung muss speziell für Hochdruckanwendungen geeignet sein. Die Beständigkeit gegenüber den Medien zeichnet sich dadurch aus, dass es zu keiner Verschlechterung der Dichteigenschaften kommt, beispielsweise durch Zersetzung oder Verschlechterung der Eigenschaften der O-Ringe.
Als geeignetes Material kann bspw. EPDM oder FEPM (Tetrafluorethylen/Propylen-Kautschuk) eingesetzt werden. Weiterhin sind auch O-Ringe mit einem Kern aus FKM (Fluorkautschuk) oder VMQ, PVMQ, FVMQ (Silikon Kautschuk) und einem Mantel aus FEP (Fluorethylenpropylen) oder PFA (Perfluoralkoxy) für die Verwendung geeignet. Bei den vorstehend aufgelisteten Materialien ist zu berücksichtigen, dass diese sich teilweise nur für die Verwendung bei brennbaren oder bei oxidativen Gasen eignen.
Der Ventilkanal 426 ist daher nach oben und unten hin abgedichtet, sodass kein Austreten von Gas über die Öffnungen 428 und 429 auftreten kann. Die Zu- und Abfuhr von gasförmigen Medien erfolgt nur über die Anschlüsse 422 und 424, die mit dem Ventilkanal 426 in Verbindung stehen. Die Anschlüsse 422 und 422, 424 befinden sich derart gegenüberliegend an den einem unteren und einem oberen Abschnitt des Ventilkanals 426, dass gasförmige Medien stets die Dichtungsanordnung 470 passieren müssen, welche den Stößel 450 abschnittsweise umgibt.
Der Stößel 450 weist eine Schulter 452 auf. Durch die Schulter 452 verlaufen Kanäle 454, welche zum Durchströmen eines gasförmigen Mediums vorgesehen sind. Die Kanäle 454 verlaufen schräg durch die Schulter 452. Unterhalb der Schulter 452 befindet sich die Dichtungsanordnung 470. Die Dichtungsanordnung 470 besteht aus einem Paket mehrerer Unterlegscheiben 472 und Dichtungsringe, die in Abhängigkeit der Ausrichtung des exzentrischen Abschnitts 442 mehr oder weniger stark zusammengedrückt werden.
Die Dichtungsanordnung 470 besteht aus einem Paket mehrerer abwechselnd angeordneter Unterlegscheiben 472 und O-Ringe 474. Die Unterlegscheiben 472 bestehen aus Edelstahl. Die O-Ringe 474 können aus dem gleichen Material bestehen, wie die O-Ringe 462 und 464. Die O-Ringe 474 sind den gasförmigen Medien ausgesetzt und müssen daher genauso widerstandsfähig ausgebildet sein und auch bei hohen Drücken eine sichere Abdichtung gewährleisten.
Der Stößel 450 kann über den Stift 484, der nach Maßgabe des exzentrischen Abschnitts 442 der Ventilwelle 440 verlagerbar ist, nach unten gedrückt werden. Dabei werden die O-Ringe 474 zwischen den Unterlegscheiben 472 gegeneinander verpresst und der unterste O-Ring 474 gegen die untere Fläche des Ventilkanal 462 gedrückt.
In der nichtbetätigten Stellung des Ventils 400, wobei das Ventil 400 den Ventilkanal 426 maximal freigibt und sich der Stößel 450 an einem oberen Endpunkt befindet, liegen die O-Ringe 474 im Wesentlichen an der äußeren Umfangswand des Ventilkanals 426 an. Daher bestehen Freiräume zwischen dem Stößel 450 und den O-Ringen 474 sowie den Unterlegscheiben 472. Die Freiräume zwischen den Unterlegscheiben 472 und dem Stößel 450 sowie der äußeren Umfangswand des Ventilkanals 426 sind so groß zu wählen, dass ein Durchströmen eines Mediums auftreten kann, die Unterlegscheiben 472 jedoch kein großes Spiel in dem Ventilkanal 426 aufweisen.
Das Zusammenpressen der O-Ringe 474 und damit eine zunehmend stärkere Abdichtung, wodurch der durch das Ventil 400 strömende Volumenstrom reduziert wird, erfolgt durch die Verlagerung des Stößels 450 nach unten, wobei die Schulter 452 auf das Paket der Dichtungsanordnung 470 drückt. Dabei werden die O-Ringe 474 zusammengedrückt und dichten gegenüber der äußeren Umfangshand des Ventilkanals 426 und zusätzlich gegenüber dem Stößel 450 immer stärker ab, bis die O-Ringe 474 sowohl an der äußeren Umfangswand des Ventilkanals 426 als auch am Stößel 450 abdichtend anliegen und zuletzt kein Volumenstrom mehr durch das Ventil 400 hindurch möglich ist. Der Stößel 450 befindet sich dann an einem unteren Endpunkt.
Der Stößel 450 kann über die Ventilwelle 44 in sehr feinen Stufen verlagert werden, sodass eine sehr feine Einstellung der Volumenströme durch das Ventil 400 hindurch möglich ist.
Die Verlagerung des Stößels 450 in die entgegengesetzte Richtung zur Vergrößerung der Volumenströme durch das Ventil 400 hindurch erfolgt wiederum über den exzentrischen Abschnitt 442. Die Ventilwelle 440 wird so verdreht, dass ein Weg für die Verlagerung des Stößels 450 nach oben freigegeben wird. Aufgrund des hohen Drucks, der über das Gas auf den Stößel 450 wirkt, wird der Stößel 450 dann so weit nach oben verlagert, bis der exzentrische Abschnitt 442 der Ventilwelle 440 eine weitere Verlagerung begrenzt.
Der Ventilabschnitt mit dem Ventilkanal 426 ist vom restlichen Ventilkörper 410 entkoppelt. Dadurch ist der medienberührte Raum - der Ventilkanal 426 - sehr klein und damit äußerst druckstabil.
5 zeigt eine weitere schematische Schnittansicht des Ventils 400 von 3. Der Schrittmotor 490 des Ventils 400 ist über eine Motorwelle 492 mit der Ventilwelle 440 verbunden. Die Ventilwelle 440 ist drehbar im Gehäuse 430 gelagert. Hierzu sind im Gehäuse 430 Lager 432 angeordnet. Bei den Lagen 432 kann es sich um Kugellager handeln, wie in den 6 und 7 gezeigt.
Der exzentrische Abschnitt 442 der Ventilwelle 440 weist einen Vorsprung auf, sodass bei einer Rotation der Ventilwelle 440 der Stößel 450, welcher in Kontakt mit dem exzentrischen Abschnitt 442 steht, nach Maßgabe der Position des exzentrischen Abschnitts 442 verlagert wird. Die Ventilwelle 440 kann daher auch als Exzenterwelle bezeichnet werden.
Die Ventilwelle 440 weist eine Schnittstelle 444 auf. Die Schnittstelle 444 dient zur Kopplung mit einer Einrichtung 494 zur Nullpunktbestimmung. Die Einrichtung 494 zur Nullpunktbestimmung ist in 7 gezeigt.
Der Schrittmotor 490 wird über eine nicht dargestellte Steuerung zur Verlagerung des Stößel 54 angesteuert. Hierzu wird in definierten Schritten die Motorwelle 492 verdreht, was zu einer entsprechenden Rotation der Ventilwelle 440 führt. Über den exzentrischen Abschnitt 442 kann der Stößel 450 nach unten oder aufgrund des Gasdrucks nach oben gedrückt werden, bis der Stößel 450 am exzentrischen Abschnitt 442 anstößt.
Die Bestimmung der Ansteuerung zur Einstellung der Volumenströme durch das Ventil 400 hindurch erfolgt nach Maßgabe von Systemparametern, die der Steuerung mitgeteilt werden. Hierbei kann es sich um den gemessenen Vordruck, die Füllstandshöhe eines Elektrolyten oder gemessene Temperaturen handeln. Zur Bestimmung des Vordrucks können separate Druckmesseinrichtungen vorgesehen sein.
Für den Hochdruck-Elektrolyseur 100, wie er in 1 schematisch gezeigt ist, werden die beiden Ventile 400 derart angesteuert, dass der Differenzvordruck in den jeweiligen Gasräumen für Wasserstoff und Sauerstoff gegen Null geht oder dass kein Differenzdruck vorliegt. Die exakte Einstellung wird durch die Entkopplung des medienberührenden Raums im Ventilkanal 426 von den Stellelementen (Ventilwelle 440, Schrittmotor 490) erreicht, wobei dadurch der medienberührende Raum sehr klein gehalten wird. Ferner wird ein geringer Stellweg über die Anordnung ermöglicht, was die sehr feine Regelung der Volumenströme ermöglicht.
Es kann daher, nach Maßgabe der Baugröße des Ventils 400, eine Vordruckregelung ohne Differenzdrücke für Hochdruckanwendungen bereitgestellt werden.
6 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teils des Ventils 400 von 5 sowie eine vergrößerte Darstellung, wie sie auch aus 7 ersichtlich ist. 6 zeigt einen Schnitt durch die Lagerstelle der Ventilwelle 440 im Bereich des exzentrischen Abschnitts 442.
Über die Kugellager der Lager 432 ist die Ventilwelle 440 drehbar im Gehäuse 430 gelagert. Die Lage der Rotationssachse der Ventilwelle 440 wird daher nicht verändert. Das Lager 480 befindet sich im Bereich des exzentrischen Abschnitts 442. Der exzentrische Abschnitt 442 ist als Abschnitt der Ventilwelle 440 ausgebildet, dessen Mantelwand in radialer Richtung zur Rotationssachse der Ventilwelle 440 bereichsweise zu und wieder abnimmt. Der Abstand zwischen der Mantelwand der Ventilwelle 440 und der Rotationsachse ist im exzentrischen Abschnitt 442 in Bereichen größer als in anderen Bereichen.
Wenn die Ventilwelle 440 rotiert wird, erfolgt daher eine Verlagerung des exzentrischen Abschnitts 442, der auf den Stift 484 wirkt. Der Stift 484 ist fest mit einem oberen Ende des Stößels 450 in der Öffnung 456 verbunden. In der gezeigten Ausführungsform umgibt eine ebenfalls als Kugellager ausgebildete Anordnung den exzentrischen Abschnitt 442. Der Stift 484 weist an seinem oberen Ende eine kugelförmige Ausgestaltung auf und ist Bestandteil der Kugellageranordnung. Nach Maßgabe der Rotation der Ventilwelle 44 wird der kugelförmige Abschnitt des Stifts 484 über den exzentrischen Abschnitt 442 nach unten gedrückt und bewirkt damit eine Verlagerung des Stößels 450 zur Veränderung der Volumenströme durch das Ventil 400 hindurch, wie vorstehend beschrieben.
Die Ausbildung des Lagers 480 stellt sicher, dass es aufgrund des auf den exzentrischen Abschnitts 442 über den Stößel 450 und den Stift 484 wirkenden Drucks wegen des Gasdrucks des Mediums auf den Stößel 450 zu keiner Verlagerung der Ventilwelle 440 kommt.
Im Betrieb dreht der Schrittmotor 490 die Ventilwelle 440, was den Stößel 450 entweder nach oben oder nach unten bewegt. Je weiter sich der Stößel 450 nach unten bewegt, desto stärker werden die O-Ringe 474 zwischen den Unterlegscheiben 472 verpresst (siehe 4) und dichten weiter ab, wodurch der Durchfluss reduziert wird. Im Stößel 450 sind Gaskanäle eingebracht, durch die das Gas aus der Dichtungsanordnung 470 entweichen kann. Durch eine entsprechende Regelung der Schrittweite oder Geschwindigkeit des Schrittmotors 490 ist es damit möglich, sehr kleine Volumenströme zu erzeugen, was sich in einer sehr feinfühligen Druckregelung des vorgeschalteten Systems äußert. Gekoppelt mit einem weiteren solchen Ventil 400 zur Vordruckregelung ist es möglich, die Hochdruck-Elektrolyse nahezu differenzdrucklos zu betreiben, obwohl bei diesem Vorgang immer doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff entsteht.
Die Regelung der Schritte bzw. der Schrittgeschwindigkeit des Schrittmotors 490 kann auf die entsprechenden Viskositäten der zu verwendeten Gase (Wasserstoff/Sauerstoff) angepasst werden, was das Ventil 400 in dem beschriebenen Bereich universell einsetzbar macht.
Der einzustellende Durchfluss und die damit verbundene Druckschwankung hängt stark von der Größe des vorgeschalteten Systems und der Gasproduktionsrate des Systems ab.
7 zeigt eine noch weitere schematische Schnittansicht des Ventils 400 von 3. In 7 ist die Einrichtung 494 zur Nullpunktbestimmung für die Ventilwelle 440 gezeigt. Es ist für eine exakte Regelung der Volumenströme durch das Ventil 400 hindurch notwendig, dass die Ventilwelle 440 eine definierte Position einnimmt. Hierzu ist die Einrichtung 494 vorgesehen, welche die über den Schrittmotor 490 verursachte Rotation der Ventilwelle 44 überwacht und gegebenenfalls Korrekturen vornimmt. Hierzu ist die Einrichtung 494 ebenfalls mit der Steuerung zur Ansteuerung des Schrittmotor 490 gekoppelt. Für die Steuerung der Einrichtung 494 kann ebenfalls auf Messdaten aus dem System, im gezeigten Ausführungsbeispiel des Hochdruck-Elektrolyseurs 100, zurückgegriffen werden.
Leitfähigkeitsmesseinrichtung 500
8 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Leitfähigkeitsmesseinrichtung 500 zur kontinuierlichen Messung der Leitfähigkeit eines Elektrolyten in einem Hochdruck-Elektrolyseur 100.
Für die alkalische Elektrolyse, insbesondere die Hochdruck-Elektrolyse, kann die Bestimmung der Leitfähigkeit des zugeführten Elektrolyten wesentlich sein. Bei dem zugeführten Elektrolyten handelt es sich um eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit, deren Leitfähigkeit bei einem Temperaturanstieg zunimmt. Daher lässt die Leitfähigkeit Rückschlüsse auf die Temperatur des Systems zu. Eine erhöhte Leitfähigkeit im Elektrolyten hat auch einen schnelleren Transport der OH-Ionen zur Folge, was sich auf die Erzeugung der Gase Wasserstoff und Sauerstoff auswirkt. Die Bestimmung der Leitfähigkeit ist deswegen für einen sicheren Betrieb des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 wesentlich.
Im Gegensatz zu bekannten Einrichtungen wird über die Messeinrichtung 500 der absolute Temperaturwert erfasst. Die Schwierigkeit besteht darin, die Leitfähigkeitsmessung in der Hochdruckumgebung (z.B. 100 bar) in der Elektrolysezelle 140 durchzuführen, wobei die Auswertung in der ersten Auswerteeinheit 510 außerhalb des Hochdruckraums der Elektrolysezelle 140 erfolgt.
Ein weiteres zu überwachendes Medium ist das destillierte Wasser, das in dem Hochdruck-Elektrolyseur 100 die rohrförmige Anordnung umgibt.
Die Messeinrichtung 500 weist die erste Auswerteeinheit 510, eine Messzelle 530, eine Glasdurchführung 520, Leitungen 512, 522 und einen Temperatursensor 524 auf. Die Leitung 512 verbindet die Auswerteeinheit 510 mit der Glasdurchführung 520. Die Leitung 522 verbindet Elektroden der Messzelle 530 mit der Glasdurchführung 520. Der Temperaursensor 524, bspw. ein PT 100 Temperaurfühler, ist hochdruckseitig mit der Glasdurchführung 520 verbunden.
Die Messzelle 530 weist zwei Elektroden auf, die in den Elektrolyten, bspw. innerhalb der Elektrolysezelle oder die Elektrolysezelle umgebend, ragen. An den Elektroden wird eine Wechselspannung angelegt. Der Stromfluss zwischen den Elektroden und damit der Widerstand der Anordnung hängt von der Leitfähigkeit des Elektrolyten ab, welche wiederum auch von der Temperatur abhängig ist. Nach Maßgabe der Leitfähigkeit des zwischen den Elektroden befindlichen Elektrolyten oder destilliertem Wasser verändert sich daher der Strom, der über die Leitung 522 zurückfließt. Der Aufbau der Messzelle 530 ist in den 9 und 10 gezeigt und wird nachfolgend mit Bezug auf die 9 und 10 näher beschrieben.
Die Glasdurchführung 520 weist einen Druckkörper oder Gehäuse auf. Der Druckkörper oder das Gehäuse umgeben einen Glaskörper. In dem Glaskörper sind Kontaktstifte aufgenommen, die den Glaskörper durchdringen. Die Verbindung erfolgt durch ein Umgießen der Kontaktstifte. Nach dem Aushärten des Glaskörpers sind die Kontaktstifte dauerhaft mit dem Glaskörper verbunden. Der Glaskörper besteht aus einem technischen Glas (Hartglas) oder einer Keramik und ist daher gegenüber hohen Drücken äußerst widerstandsfähig. Die Kontaktstifte bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material oder weisen ein solches auf, wie bspw. Kupfer oder Gold. Damit die Kontaktstifte für die Hochdruckumgebung im Elektrolyseraum der Elektrolysezelle 140 entsprechend widerstandsfähig sind, können diese eine veredelte Oberfläche aufweisen. Hierfür können die Kontaktstifte bspw. mit einem Edelstahl beschichtet sein. Die Kontaktstifte können auch aus Edelstahl bestehen.
Das Gehäuse oder der Druckkörper, welche den Glaskörper umgeben, bestehen aus einem druckfesten Metall oder weisen ein solches auf, wie bspw. Titan oder Tantal.
Der Glaskörper, das Gehäuse und die Kontaktstifte weisen verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wodurch Spannungen nach dem Schmelzvorgang auftreten. Durch die Einhaltung besonderer Gestaltungsprinzipien werden die Spannungen dazu ausgenutzt, dass besonders stabile Strukturen erzeugt werden und es zu keiner Schwächung kommt.
Das Gehäuse bzw. der Druckkörper der Glasdurchführung 520 sind in dem Druckbehälter des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 aufgenommen. Die Verbindung zwischen dem Druckkörper und dem Druckbehälter des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 erfolgt über eine druckdichte Verbindung. Beispielsweise können spezielle Dichtungen zwischen dem Druckkörper und dem Druckbehälter vorgesehen sein. Die Glasdurchführung 520 kann alternativ auch durch eine Lötverbindung oder eine Klebeverbindung mit der Hülle des Druckbehälters verbunden sein.
Drähte der Leitungen 522 und der Temperatursensor 524 sind mit den Kontaktstiften in der Glasdurchführung 520 verbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite sind die Kontaktstifte mit Drähten der Leitung 512 verbunden. Die Glasdurchführung 520 bildet eine Schnittstelle zur Übertragung von Signalen und Informationen aus der Hochdruckumgebung des Hochdruck-Elektrolyseur 100 in der Elektrolysezelle 140 auf die Hochdruckseite 580 zu der ersten Auswerteeinheit 510, die sich außerhalb der Hochdruckumgebung und der Elektrolysezelle 140 auf der Atmosphärendruckseite 590 befindet. Die Auswerteeinheit befindet sich in einer Umgebung, in der atmosphärische Druckverhältnisse vorliegen (~ 1 bar). Über die Glasdurchführung 520 können auch andere Leitungen aus dem Hochdruckraum nach „außen“ geführt werden. Hierzu sind entsprechende Kontaktstifte vorzusehen. Nicht belegte bzw. mit Leitungen verbundene Kontaktstifte der Glasdurchführung haben keine Auswirkung auf die im Elektrolyseraum der Elektrolysezelle 140 ablaufenden Prozesse.
Die erste Auswerteeinheit 510 weist eine Recheneinheit auf, welche die über die Glasdurchführung 520 übertragenen Signale in entsprechende Informationen umwandelt. Die erste Auswerteeinheit 510 kann nach Maßgabe der erfassten Informationen Maßnahmen auslösen, welche den Betrieb des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 betreffen. Beispielsweise können die Zu- und Abfuhr von Medien und andere Systemparameter des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 verändert werden. Die Zufuhr von Medien umfasst beispielsweise die Zufuhr des Elektrolyten bzw. von deionisiertem Wasser.
9 zeigt eine perspektivische Darstellung der Messzelle 530 der Messeinrichtung 500 von 8 und 10 zeigt eine schematische Vorderansicht der Messzelle 530 von 9.
Die Messzelle 530 weist einen Kunststoffkörper 536 auf. Der Kunststoffkörper 536 besteht aus einem elektrisch nichtleitenden Kunststoff und ist druckstabil. Ein geeigneter Kunststoff für den Kunststoffkörper ist bspw. POM (Polyoxymethylen).
Der Kunststoffkörper weist Öffnungen 538 auf, die zur Durchführung und Aufnahme des Temperatursensors 524 dienen. Nach dem Einbringen des Temperatursensors 524, der in thermisch leitendem Kontakt mit wärmeleitenden Metalloberflächen von Elektroden der Messzelle 530 steht, können die Freiräume mit einem geeigneten Füllmaterial, wie beispielsweise einem Epoxidharz oder Polyurethan vergossen werden.
Der Kunststoffkörper 536 umgibt die Elektroden 532. Zwischen den Elektroden 532 befinden sich im Freiraum 540 die eigentliche Messzellen der Messzelle 530. Die Elektroden 532 weisen an ihrem unteren, dem freien Messabschnitt zwischen den Elektroden 532 Aufnahmen 534 auf. In die Aufnahmen werden Leitungen 522 bzw. Drähte der Leitungen 522 mit der jeweils entsprechenden Elektrode 532 eingesetzt und hierüber mit den Elektroden verbunden. Nach dem Einbringen der Leitungen 522 bzw. der Drähte in die Aufnahmen 534 werden die Freiräume 539, wie die Freiräume in den Öffnungen 538 mit einem elektrisch isolierenden Harz oder Kunststoff verfüllt. Der Abschnitt mit den im Freiraum 540 freiliegenden Elektroden 532 befindet sich im destillierten Wasser oder Elektrolyten.
Die Elektroden 532 bestehen aus einem elektrisch leitenden Edelstahl. Die Verwendung von Edelstahl für die Elektroden 532 stellt sicher, dass die Elektroden 532 durch den Elektrolyten nicht angegriffen und abgebaut werden.
Über die erste Auswerteeinheit 510 wird eine Spannung an den Elektroden 532 angelegt und der ohmsche Widerstand zwischen den Elektroden 532 bestimmt, der Rückschlüsse auf die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten zulässt. Nach entsprechender Kalibrierung im Vorfeld, d.h. vor der Inbetriebnahme der Leitfähigkeitsmesseinrichtung 500, kann die Leitfähigkeit direkt bestimmt werden.
Eine Veränderung der Leitfähigkeit des destillierten Wassers lässt darauf schließen, dass Undichtigkeiten im System bestehen, so dass bspw. Elektrolyt aus der Elektrolysezelle 140 in das destillierte Wasser gelangt, welches in dem Druckbehälter aufgenommen, aber über ein weiteres Rohr von der Elektrolysezelle 140 und den Elektroden getrennt ist.
Vorteilhafterweise kommt es durch die Aufteilung der Leitfähigkeitsmesseinrichtung 500 in die Hochdruckseite 580 und die Atmosphärendruckseite 590 zu keiner Schädigung von sensiblen Bauteilen der ersten Auswerteeinheit 510 zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Elektrolyten und zu Ermittlung der Temperatur an den Elektroden 532, welche sowohl thermisch als auch elektrisch in leitendem Kontakt mit dem Elektrolyten stehen.
Füllstandsmesseinrichtungen 600
Zur Messung der Füllstandshöhe des Elektrolyten in den über die Membran getrennten Räumen sind zwei Füllstandsmesseinrichtungen 600 vorgesehen, wie in 1 schematisch gezeigt.
Die Füllstandsmesseinrichtungen 600 messen induktiv die Höhe des Elektrolyten in den entsprechenden Räumen. Hierzu weisen die Füllstandsmesseinrichtungen 600 einen Leitungsabschnitt 640 auf, der geradlinig nach unten verläuft. Dieser ist über einen quer verlaufenden Leitungsabschnitt mit einem Spulenabschnitt 630 verbunden. Der Spulenabschnitt 630 und der parallel zum Spulenabschnitt 630 verlaufende Leitungsabschnitt 640 der jeweiligen Füllstandsmesseinrichtungen 600 sind über druckstabile Schnittstellen 620 mit einer zweiten Auswerteeinheit 601 verbunden. An der Leitungsanordnung auf der Hochdruckseite 680 liegt eine hochfrequente Wechselspannung an. Über die zweite Auswerteeinheit 610 wird die Induktivität der Spule gemessen. Das Elektrolyt ist elektrisch leitfähig, sodass über das Elektrolyt ein Kurzschluss zwischen dem parallel verlaufenden Leitungsabschnitt 640 und dem Spulenabschnitt 630 erzeugt wird. Verändert sich die Füllstandshöhe des Elektrolyten, so verändert sich auch der Abschnitt der Spule, welcher von Strom durchflossen wird, sodass sich die Induktivität der Spulenanordnung verändert. Dies ermöglicht eine permanente und stufenlose Erfassung der Füllstandshöhe des Elektrolyten.
11 zeigt eine schematische Darstellung der Füllstandsmesseinrichtung 600 zur kontinuierlichen Bestimmung der Füllstandshöhe eines Elektrolyten in einer Hochdruckumgebung eines Hochdruck-Elektrolyseurs 100.
11 zeigt die Füllstandsmesseinrichtung 600, welche eine zweite Auswerteeinheit 610, einen Leitungsabschnitt mit Leitungen 612, Schnittstellen 620 und einen Leitungsabschnitt mit einem geradlinigen Leitungsabschnitt 640 und einem Spulenabschnitt 630 aufweist.
Die zweite Auswerteinheit 610 ist mit den Leitungen 612 verbunden. Die Leitungen 612 sind über die Schnittstellen 620 mit dem Leitungsabschnitt 640 und dem Spulenabschnitt 630 verbunden. Der Leitungsabschnitt 640 und der Spulenabschnitt 630 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander und sind über einen unteren weiteren Leitungsabschnitt miteinander verbunden.
Die Schnittstellen 620 sind als druckfeste Schnittstellen ausgebildet. Die Schnittstellen 620 sind im Druckbehälter des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 aufgenommen.
Bei den Schnittstellen 620 kann es sich um Glasdurchführungen handeln. Glasdurchführungen eignen sich besonders zur Übertragung von Signalen und Strömen zwischen Räumen mit verschiedenen Druckniveaus, da diese - je nach Ausbildung und Wahl der verwendeten Materialien - druckdichte Durchführungen bei Systemen mit Druckunterschieden von über 100 bar ermöglichen. Glasdurchführungen weisen Kontakte in Form von Leitern (z.B. Kontaktstifte) auf, die durch einen Glaskörper geführt sind. Der Glaskörper ist von einem metallischem Druckkörper umgeben, welcher mit der Hülle des Druckbehälters des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 druckdicht und dauerhaft verbunden ist. Eine solche Verbindung kann unter Zuhilfenahme von Dichtungen erfolgen. Es kann ferner alternativ oder zusätzlich ein Verkleben oder ein Verschweißen zur Befestigung mit dem Druckbehälter gewählt werden.
Für die Ausbildung von Schnittstellen 620, die als Glasdurchführungen ausgebildet sind, wird Bezug auf 8 genommen und auf die Ausführungen zu der Glasdurchführung 520 der Leitfähigkeitsmesseinrichtung 500 verwiesen.
Die zweite Auswerteeinheit 610 und die Leitungen 612 befinden sich auf der Atmosphärendruckseite 690, wobei ein Druck von etwa 1 bar vorherrscht. Der Leitungsabschnitt 640 und der Spulenabschnitt 630 befinden sich auf der Hochdruckseite 680. Die zweite Auswerteeinheit 610 der Füllstandsmesseinrichtung 600 ist von der Hochdruckumgebung in der Elektrolysezelle 140 innerhalb des Druckbehälters entkoppelt. Durch die Trennung der Bestandteile der Füllstandsmesseinrichtung 600 kann die zweite Auswerteeinheit 610 einfach ausgebildet werden und wird durch den hohen Druck im Hochdruck-Elektrolyseur 100 nicht beschädigt. Für die zweite Auswerteeinheit 610 können daher Bauelemente verwendet werden, die druckempfindlich sind und in einer Hochdruckumgebung beschädigt werden würden.
Ein Vorteil der Anordnung aufgrund der Trennung zwischen den Bestandteilen auf der Hochdruckseite 680 und den Bestandteilen auf der Atmosphärendruckseite 690 ist in den geringen baulichen Anforderungen an die zweite Auswerteeinheit 610 zu sehen. Die zweite Auswerteeinheit 610 wird weder durch einen hohen Druck beschädigt noch durch die Medien im Hochdruckraum angegriffen. Dies gilt für alle Einrichtungen (z.B. erste Auswerteeinheit 510, etc.), die außerhalb des Hochdruckraums angeordnet und über entsprechende Schnittstellen mit Messelementen im Hochdruckraum verbunden sind.
Die Bestandteile der Füllstandsmesseinrichtung 600 auf der Hochdruckseite 680 bestehen aus einem Edelstahl. Edelstähle sind gegenüber aggressiven Medien unempfindlich und eignen sich daher besonders für die Verwendung in der Elektrolysezelle 140. Die Bestandteile der Füllstandsmesseinrichtung 600, die sich auf der Hochdruckseite 680 befinden, sind einfach ausgeführt, so dass im Betrieb mit keiner Beschädigung zu rechnen ist.
Der Spulenabschnitt 630 ist als Zylinderspule ausgebildet. Im Betrieb des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 sind zumindest ein Teil der Windungen der Zylinderspule im Elektrolyten aufgenommen.
Der Spulenabschnitt 630 bildet den Messabschnitt, über den die Füllstandshöhe ermittelt werden kann. Der Spulenabschnitt 630 ragt zur Bestimmung der Füllstandshöhe des Elektrolyten, hier einer KOH-Lösung, in den Elektrolyten. Die Anordnung des Spulenabschnitts 630 erfolgt in der Regel so, dass ein großer Bereich der Elektrolysezelle 140 abgedeckt wird. Es sollte dabei die Anordnung derart erfolgen, dass ein maximaler und ein minimaler Füllstand durch die Füllstandsmesseinrichtung 600, insbesondere den Spulenabschnitt 630, abgedeckt werden können. Zusätzlich sollte hierzu noch eine Reserve mit eingerechnet werden, sodass der Spulenabschnitt 630 tatsächlich unter einem zulässigen minimalen Füllstand und über einem zulässigen maximalen Füllstand endet.
Vor der Inbetriebnahme der Füllstandsmesseinrichtung 600 muss eine Kalibrierung durchgeführt werden. Die Kalibrierung erfolgt durch die Einstellung eines Maximal- und Minimalwertes vor dem Einbau der Leitfähigkeitsmesseinrichtung 600 und kann auf die jeweilige Anwendung angepasst werden. Der Füllstand des Elektrolyten steht dann im linearen Zusammenhang mit der induzierten Spannung über die zweite Auswerteeinheit 610. Vorteilhafterweise kann hierdurch auf die Bestimmung mehrerer repräsentativer Füllstandswerte verzichtet werden. Die Linearität der Füllstandsmesseinrichtung 600 erlaubt daher eine einfache und schnelle Kalibrierung sowie eine einfache Umsetzung der gemessenen Induktivität in eine Füllstandshöhe.
Zudem ermöglicht die Füllstandsmesseinrichtung 600 eine stufenlose und kontinuierliche Füllstandsmessung. Hierzu wird im Betrieb des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 und der Füllstandsmesseinrichtungen 600 über die zweiten Auswerteeinheiten 610 eine hochfrequente Wechselspannung an die Leitungsanordnungen auf der Hochdruckseite 680 eingebracht.
Bei dem Hochdruck-Elektrolyseur 100 befindet sich eine Füllstandsmesseinrichtungen 600 in der Elektrolysezelle 140 auf der Seite der Kathode und eine weitere Füllstandsmesseinrichtung 600 auf der Seite der Anode, wie in 1 schematisch gezeigt.
Der Stromfluss zwischen dem Spulenabschnitt 630 und dem Leitungsabschnitt 640 erfolgt aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrolyten in Abhängigkeit der Füllstandshöhe des elektrisch leitenden Elektrolyten. Der Elektrolyt sorgt dabei für einen Kurzschluss zwischen dem Leitungsabschnitt 640 und dem Spulenabschnitt 630. Es ist daher offensichtlich, dass es in Abhängigkeit der Füllstandshöhe des Elektrolyten zu einer Veränderung der Länge des Spulenabschnitts 630 kommt, welcher von Strom durchflossen wird. Dementsprechend kommt es auch zu einer Veränderung der Induktivität im Spulenabschnitt 630 nach Maßgabe der von Strom durchflossenen Windungsabschnitte der Zylinderspule. Die über den von Strom durchflossenen Spulenabschnitt 630 erzeugte Induktivität wird über die Auswerteeinheit 610 gemessen. Steigt oder fällt die Füllstandshöhe des Elektrolyten, so verändert sich entsprechend die Länge des Spulenabschnitts 630, der von Strom durchflossen wird. Dies wird über die zweite Auswerteeinheit 610 erfasst. Die zweite Auswerteeinheit 610 bestimmt aus der gemessenen Induktivität die Füllstandshöhe aufgrund der Linearität für die bekannten minimalen und maximalen Füllstandswerte an den Endabschnitten des Spulenabschnitts 630. Die Füllstandsmesseinrichtung 600 ermöglicht eine stufenlose Bestimmung der Füllstandshöhe des Elektrolyten unabhängig von der im Elektrolyseraum vorherrschenden Druckstufe und der Leitfähigkeit des Elektrolyten.
In Abhängigkeit der erfassten Füllstandshöhe in den über die Membran getrennten Kammern der Elektrolysezelle 140 kann deionisiertes Wasser dem Elektrolyten zugeführt werden.
Weitere Ausführungen
Die Komponenten des Hochdruck-Elektrolyseurs 100, insbesondere die mit dem Elektrolyten und den Gasgemischen in Verbindung stehenden Teile bestehen aus entsprechend widerstandsfähigem Material. Es können hierbei entsprechende Kunststoffe und Metalle bzw. Metalllegierungen verwendet werden.
Die erste Auswerteeinheit 510, die zweite Auswerteeinheit 610 und/oder die dritte Auswerteinheit 110 können auch als gemeinsame Auswerteeinheit ausgebildet sein. Die erste Auswerteeinheit 510, die zweite Auswerteeinheit 610 und die dritte Auswerteeinheit 110 können auch Teil einer Steuereinheit sein, wie bspw. einer zentralen Steuereinheit für den Hochdruck-Elektrolyseur 100. Die zentrale Steuereinheit kann sämtliche Prozesse des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 regeln und auch das Ergreifen von Maßnahmen zur Vermeidung von Störungen regeln.
Im Rahmen der hierin offenbarten Einrichtungen und Verfahren wird unter atmosphärischem Druck sowohl ein Druck in etwa von 1 bar als auch ein Druck verstanden, der gegenüber dem Druck im Druckbehälter des Hochdruck-Elektrolyseurs 100 abweicht. Dieser abweichende Druck ist geringer als der Druck im Druckbehälter und kann bspw. einen Bereich von 0,1 bis 20 bar umfassen.
In weiteren nicht dargestellten Ausführungsformen kann anstelle einer alkalischen Elektrolyse in einem Hochdruck-Elektrolyseur 100 die Elektrolyse in einem PEM-Elektrolyseur oder in einem Hochtemperatur-Elektrolyseur erfolgen. Hierzu weisen die anderen Typen von Elektrolyseuren die eingangs genannten Unterschiede auf. Die Erfassung der jeweiligen Zustände und Parameter kann jedoch im Wesentlichen derart erfolgen, wie für den Elektrolyseur 100 beschrieben. Die dafür notwendigen Anpassungen liegen im Rahmen der hierin offenbarten technischen Lehre.
Bezugszeichenliste

100: Hochdruck-Elektrolyseur
110: dritte Auswerteeinheit
120: eigensichere Schaltung
130: Kommunikationsschnittstelle
140: Elektrolysezelle
180: Anwendung
200: Messkette
210: Koaleszenzfilter
212: Anschluss
214: Anschluss
220: Einrichtung
222: Anschluss
224: Anschluss
230: Verbindungsleitung
232: Anschluss
234: Anschluss
240: Messzelle
242: Anschluss
300: Messkette
310: Koaleszenzfilter
312: Anschluss
314: Anschluss
320: Einrichtung
322: Anschluss
324: Anschluss
330: Verbindungsleitung
332: Anschluss
334: Anschluss
340: Messzelle
342: Anschluss
400: Ventil
410: Ventilkörper
420: Gehäuse
422: Anschluss
424: Anschluss
426: Ventilkanal
428: Öffnung
429: Öffnung
430: Gehäuse
432: Lager
440: Ventilwelle
442: exzentrischer Abschnitt
444: Schnittstelle
450: Stößel
452: Schulter
454: Kanal
456: Öffnung
460: Gleitbuchse
462: O-Ring
464: O-Ring
466: Zentrierhülse
470: Dichtungsanordnung
472: Unterlegscheibe
474: O-Ring
480: Lager
484: Stift
490: Schrittmotor
492: Motorwelle
494: Einrichtung
500: Leitfähigkeitsmesseinrichtung
510: erste Auswerteeinheit
512: Leitung
520: Glasdurchführung
522: Leitung
524: Temperatursensor
530: Messzelle
532: Elektrode
534: Aufnahme
536: Kunststoffkörper
538: Öffnung
539: Freiraum
540: Freiraum
580: Hochdruckseite
590: Atmosphärendruckseite
600: Füllstandsmesseinrichtung
610: zweite Auswerteeinheit
612: Leitungen
620: Schnittstellen
630: Spulenabschnitt
640: Leitungsabschnitt
680: Hochdruckseite
690: Atmosphärendruckseite

Claims

Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung des Mischungsverhältnisses von brennbaren und oxidativen Gasen in einer explosionsgefährdeten Hochdruckumgebung durch Quantifizierung der Gase in einem Gasgemisch, wobei das zu prüfende Gasgemisch unter Hochdruck vorliegt, mindestens aufweisend die folgenden Schritte: - kontinuierliches Ableiten eines Teilstroms an zu prüfendem Gasgemisch aus einem Gasstrom mit hohem Druck eines Gasgemischs mindestens zweier verschiedener Gase, - Bereitstellen eines konstanten Volumenstroms an zu prüfendem Gas aus dem Teilstrom bei Reduzierung auf atmosphärischen Druck, - kontinuierliches Zuführen des auf einen konstanten Volumenstrom geregelten Teilstroms des zu prüfenden Gasgemischs einer Messzelle (240; 340), wobei in der Messzelle (240; 340) das zugeführte Gasgemisch unter atmosphärischen Druck im Hinblick auf ein explosionsfähiges Mischungsverhältnis durch Mengenermittlung der Gase des Gasgemischs gemessen wird, und wobei über eine eigensichere Schaltung (120) die in die Messzelle (240; 340) eingebrachte Energie auf einen Schwellenwert begrenzt wird, der unterhalb eines Werts zum Entzünden eines explosionsfähigen Gasgemischs der zugeführten Gase liegt, sowie - kontinuierliches Abführen des Gasgemischs aus der Messzelle (240; 340).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der abgeleitete Gasstrom einer Filterung und/oder Feuchtigkeitsabschneidung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der Messzelle (240; 340) eine katalytische Bestimmung der Konzentration an brennbaren Gasen oder eine galvanische Bestimmung der Konzentration an oxidativen Gasen durchgeführt wird.
Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung des Mischungsverhältnisses von brennbaren und oxidativen Gasen in einer explosionsgefährdeten Hochdruckumgebung durch Quantifizierung der Gase in einem Gasgemisch, wobei das zu prüfende Gasgemisch unter Hochdruck vorliegt, mindestens aufweisend: - eine Einrichtung (600) zur Massendurchflussregelung, welche einen kontinuierlich zugeführten Gasstrom mit hohem Druck eines Gasgemischs mindestens zweier verschiedener Gase auf einen einstellbaren konstanten Volumenstrom und atmosphärischen Druck regelt, - eine Messzelle (240; 340), in welcher das zugeführte Gasgemisch unter atmosphärischem Druck im Hinblick auf ein explosionsfähiges Mischungsverhältnis durch Mengenermittlung der Gase des Gasgemischs kontinuierlich messbar ist, und - eine eigensichere Schaltung (120), welche dazu ausgebildet ist, den in der Messzelle (240; 340) fließenden Strom zur Ermittlung des Mischverhältnisses kontinuierlich auf einen Schwellenwert zu begrenzen, der unterhalb eines Werts zum Entzünden eines explosionsfähigen Gasgemischs der zugeführten Gase liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner aufweisend mindestens einen Koaleszenzfilter (210; 310), welcher der Einrichtung zur Massendurchflussregelung in Strömungsrichtung des Gasstroms zur Reinigung und Feuchtigkeitsabscheidung des Gasstroms vorgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Messzelle (240; 340) eine katalytische Messezelle (340) zur Bestimmung der Konzentration an brennbaren Gasen oder eine galvanische Messzelle (240) zur Bestimmung der Konzentration an oxidativen Gasen aufweist.
Anordnung zur Elektrolyse, mindestens aufweisend einen Elektrolyseur, in welchem durch Anlegen einer Spannung an einer Kathode Wasserstoff und an einer Anode Sauerstoff unter Hochdruck aus der elektrochemischen Zersetzung eines Elektrolyten gebildet werden und der erzeugte Wasserstoff und der erzeugte Sauerstoff getrennt abführbar sind, wobei eine Abführung für den Wasserstoff und eine Abführung für den Sauerstoff jeweils eine Abzweigung und die Abzweigungen jeweils eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 zur kontinuierlichen Bestimmung des Mischungsverhältnisses von Wasserstoff und Sauerstoff aufweisen, wobei den Vorrichtungen ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff zuführbar ist.