DE102019129437A1 - Messeinrichtung zur Bestimmung der Füllstandshöhe von flüssigen Medien in einer Hochdruckumgebung, Verfahren zur Bestimmung der Füllstandshöhe und Anordnung mit einer Messeinrichtung - Google Patents

Abstract

Es werden eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Füllstandshöhe von flüssigen Medien in einer Hochdruckumgebung, ein Verfahren zur Bestimmung der Füllstandshöhe und eine Anordnung mit einer Messeinrichtung beschrieben. Die Messeinrichtung weist mindestens eine Leitungsanordnung und eine Auswerteeinheit (610) auf. Die Auswerteeinheit (610) ist außerhalb des Raums in einer Umgebung mit atmosphärischem Druck angeordnet, wobei in einer den Raum umgebenden Hülle mindestens eine druckstabile Schnittstelle (620) zwischen der Leitungsanordnung und der Auswerteeinheit (610) angeordnet ist, die auf der Hochdruckseite (680) im Raum mit der Leitungsanordnung und auf der Atmosphärenseite außerhalb des Raums mit der Auswerteinheit (610) verbunden ist. Über die Auswerteeinheit (610) wird eine hochfrequente Wechselspannung an die Leitungsanordnung angelegt, wobei die Füllstandshöhe des Mediums durch eine Veränderung der über die Auswerteeinheit (610) gemessenen Induktivität des Spulenabschnitts (630) aufgrund eines Kurzschlusses zwischen dem geradlinigen Leitungsabschnitt (640) und dem Spulenabschnitt (630) in Abhängigkeit der Füllstandshöhe des leitfähigen Mediums bestimmbar ist.

Description

• Es werden eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Füllstandshöhe von flüssigen Medien in einer Hochdruckumgebung, ein Verfahren zur Bestimmung der Füllstandshöhe und eine Anordnung mit einer Messeinrichtung beschrieben.
• Hintergrund
• Die Füllstandshöhe eines Mediums, insbesondere in einer Hochdruckumgebung, ist eine wesentliche Information, wenn es um die Regelung der Zufuhr des Mediums in einen Vorratsraum oder ein System geht. Häufig laufen Prozesse in einem optimierten Bereich nur dann ab, wenn die Füllstandshöhe auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Schwierigkeiten ergeben sich bei der Bestimmung der Füllstandshöhe dann, wenn es sich um geschlossene Räume mit hohen Drücken, aggressiven Medien und/oder volatilen Medien handelt.
• Ein solches System betrifft bspw. die alkalische Elektrolyse, insbesondere die Hochdruck-Elektrolyse.
• Bei der alkalischen (Hochdruck)-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 bzw. Kammern der Elektrolysezelle sind durch ein Diaphragma bzw. Membran getrennt. Die Membran lässt einen Transport von OH^--Ionen durch die Membran hindurch zu. Durch Anlegen einer Gleichspannung an die Anode und die Kathode wird an der Anode Sauerstoff (0₂) 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 in den Kammern sind über die Membran voneinander getrennt.
• Der Füllstand eines Elektrolyten ist für den Betrieb eines Elektrolyseurs maßgeblich, so dass dieser überwacht werden muss. Das Absenken des Elektrolyten ohne ein Ergreifen von Maßnahmen kann die Leistung des Elektrolyseurs senken. Sinkt der Füllstand weiter ab, so kann dies gravierende Auswirkungen auf die Leistung des Elektrolyseurs und auf die Sicherheit des Systems haben.
• Insbesondere bei der Hochdruck-Elektrolyse ist daher eine Überwachung der Füllstandshöhe des Elektrolyten in den jeweiligen über die Membran getrennten Kammern wichtig. Temperaturveränderungen beim Betrieb des Elektrolyseurs können die Füllstandshöhe beeinflussen, so dass eine kontinuierliche Bestimmung der tatsächlich vorliegenden Füllstandshöhe eine entscheidende Information bei der Elektrolyse darstellt.
• Weiterhin ist auch bei anderen Arten von Elektrolyseuren die Füllstandshöhe eines Elektrolyten ein zu überwachender Parameter.
• 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.
• 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
• Gewöhnliche Messeinrichtungen weisen Schwimmer oder dergleichen auf, welche eine relative Aussage über den Füllstand zulassen, bspw. voll oder leer.
• Für Elektrolyseure wurde ferner eine Einrichtung zur Füllstandsmessung in einem Elektrolyseur beschrieben, wobei in einem röhrenförmigen Gasabscheider ein Schwimmer angeordnet ist, der über ein Verbindungsmittel mit einem Körper verbunden ist, wobei der Schwimmer in dem röhrenförmigen Gasabscheider in Abhängigkeit des Füllstands eines Elektrolyten in dem röhrenförmigen Gasabscheider auf und ab bewegbar ist. Der Körper besteht aus einem Metall, wobei an der äußeren Umfangsfläche des Rücklaufrohres mindestens zwei voneinander beabstandete Spulen angeordnet sind, über welche eine Detektion der Position des Körpers erfolgt. Der Schwimmer ist dabei aus einem Hohlkörper gebildet, der eine Öffnung aufweist, die mit einem flexiblen schlauchartigen Element in Verbindung steht, über welches ein Druckausgleich zwischen dem Hohlraum des Hohlkörpers und dem ihn umgebenden Raum erfolgt. Eine solche Einrichtung ist aus DE 10 2012 112 561 B3 bekannt.
• Die Einrichtung weist jedoch mehrere Nachteile auf. Zum einen kann keine stufenlose und kontinuierliche Bestimmung der Füllstandshöhe des Elektrolyten bereitgestellt werden. Vielmehr existieren verschiedene Abschnitte, die diverse Füllstandshöhen angeben. Darüber hinaus ist die Einrichtung komplex aufgebaut und benötigt eine Einrichtung zum Druckausgleich.
• Ferner weist die Einrichtung den Nachteil auf, dass Sensorelemente (beanstandete Spulen) an der Außenseite des Rücklaufrohres vorgesehen sein müssen, sodass zusätzliche Einrichtungen in den Elektrolyseur eingebracht werden müssen.
• Aufgabe
• Demgegenüber besteht die Aufgabe darin, eine Lösung zur kontinuierlichen und stufenlosen Füllstandsmessung eines Mediums in einer Hochdruckumgebung anzugeben, wobei die Nachteile des Stands der Technik behoben sind.
• Es soll zudem eine Lösung angegeben werden, welche einen sehr einfachen Aufbau aufweist und dadurch störungsunanfällig ist.
• Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Lösung zur Bestimmung der Füllstandshöhe eines Elektrolyten in einem Hochdruck-Elektrolyseur anzugeben, die gegenüber bekannten Messeinrichtungen zur Bestimmung der Füllstandshöhe eines Elektrolyten einfacher ausgebildet ist und eine genauere Messung ermöglicht.
• Lösung
• Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Füllstandshöhe von flüssigen, elektrisch leitfähigen Medien in einer Hochdruckumgebung eines Raums gelöst, mindestens aufweisend eine Leitungsanordnung, die in einem geschlossenen Raum angeordnet ist, und mindestens eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Füllstandshöhe eines Mediums in dem Raum, die mit der Leitungsanordnung verbunden ist, wobei
• - die Auswerteeinheit außerhalb des Raums in einer Umgebung mit atmosphärischem Druck angeordnet ist,
• - in einer den Raum umgebenden Hülle mindestens eine druckstabile Schnittstelle zwischen der Leitungsanordnung und der Auswerteeinheit angeordnet ist, die auf der Hochdruckseite im Raum mit der Leitungsanordnung und auf der Atmosphärenseite außerhalb des Raums mit der Auswerteinheit verbunden ist,
• - die Leitungsanordnung einen Spulenabschnitt und einen geradlinigen Leitungsabschnitt aufweist, die miteinander verbunden sind,
• - der Spulenabschnitt und der geradlinige Leitungsabschnitt mindestens teilweise in einem Medium aufgenommen sind,
• - die Auswerteeinheit eine hochfrequente Wechselspannung an die Leitungsanordnung anlegt, und
• - die Füllstandshöhe des Mediums im Raum durch eine Veränderung der über die Auswerteeinheit gemessenen Induktivität des Spulenabschnitts aufgrund eines Kurzschlusses zwischen dem geradlinigen Leitungsabschnitt und dem Spulenabschnitt in Abhängigkeit der Füllstandshöhe des leitfähigen Mediums bestimmbar ist.
• Die Füllstandsmesseinrichtung nutzt die Leitfähigkeit des Mediums zur Bestimmung der Füllstandshöhe, wobei sich zwischen dem geradlinigen Leitungsabschnitt und dem Spulenabschnitt ein Kurzschluss über das Medium einstellt, sodass die Länge des Spulenabschnitts, welcher von Strom durchflossen wird, in Abhängigkeit der Füllstandshöhe des Mediums variiert.
• Eine stromdurchflossene Spule erzeugt eine Induktivität, die über die an die Leitungsanordnung angeschlossene Auswerteeinheit gemessen werden kann. Steigt oder sinkt die Füllstandshöhe des Mediums, so wird der Abschnitt der Spulenanordnung, welcher von Strom durchflossen wird, entsprechend größer oder kleiner. Dementsprechend verändert sich auch die durch die Spulenanordnung erzeugte Induktivität.
• Ein Vorteil besteht darin, dass somit stufenlos die Füllstandshöhe ermittelt werden kann. Dies erlaubt eine exakte Bestimmung der Füllstandshöhe, sodass das Einleiten von Maßnahmen gezielter erfolgen kann, als dies bisher im Stand der Technik möglich war. Beispielsweise kann die Füllstandshöhe eines Mediums im Wesentlichen konstant gehalten werden. Aus dem Stand der Technik sind bisher Einrichtungen bekannt, die beispielsweise einen Behälter in verschiedene Abschnitte unterteilen. Den Abschnitten sind Sensoren zugeordnet, so dass die Bestimmung der Füllstandshöhe nur abschnittsweise erfolgt. Es ist somit möglich, den Abschnitt zu bestimmen, welcher dem Füllstand des Mediums entspricht. Dies erlaubt eine Aussage darüber, dass der Füllstand sich zwischen einem Maximal- und Minimalwert innerhalb des Abschnitts befindet. Eine Bestimmung der tatsächlich vorliegenden Füllstandshöhe ist damit aber nicht möglich. Dementsprechend ist es bei bekannten Einrichtungen aus dem Stand der Technik in der Regel nicht möglich, einen konstanten Füllstand bereitzuhalten.
• Die hierin beschriebene Füllstandsmesseinrichtung bietet demgegenüber die Möglichkeit, die tatsächliche Füllstandshöhe anzugeben. Große Schwankungen von Füllständen können über die hierin beschriebene Messeinrichtung verhindert werden, weil ein damit gekoppeltes System sofort reagieren kann.
• Vor einer Inbetriebnahme der Füllstandsmesseinrichtungen kann eine Kalibrierung vorgenommen werden. Hierzu können ein Maximal- und ein Minimalwert für die Endabschnitte der Spulenabschnitt ermittelt werden. An den jeweiligen Endabschnitten gemessene Induktivitäten entsprechen dann einer vorgegebenen Füllstandshöhe. Zwischen diesen Abschnitten verhält sich der Füllstand des Mediums linear mit der induzierten Spannung über die Auswerteeinheit.
• Die Füllstandsmesseinrichtung weist einen sehr einfachen Aufbau auf und ist aufgrund der Trennung in einen Hochdruckabschnitt und einen Atmosphärendruckabschnitt über die Schnittstelle zur Bestimmung der Füllstandshöhe in Hochdruckräumen, wie beispielsweise bei einem Hochdruck-Elektrolyseur, geeignet. Die in dem Hochdruckraum vorherrschende Temperatur, der darin vorherrschende Hochdruck und das aufgenommene Medium beeinflussen die Auswerteeinheit nicht direkt, sodass lediglich eine Messung der über die Auswerteeinheit induzierten Spannung hinsichtlich der Induktivitäten über die Spulenanordnung erfolgen kann. Die Auswerteeinheit kann einen Speicher aufweisen, welcher die durch die Kalibrierung erfassten Werte enthält, sodass über die Auswerteeinheit direkt eine Rückmeldung über die Füllstandshöhe gegeben werden kann.
• Einrichtungen zum Druckausgleich, wie im Stand der Technik vorgesehen, sind für die Füllstandsmesseinrichtungen der hierin beschriebenen technischen Lehre nicht erforderlich. Ein besonderer Vorteil der Füllstandsmesseinrichtungen besteht darin, dass die Messeinheiten (Spulenabschnitt) auf der Hochdruckseite von der Auswerteeinheit entkoppelt sind.
• In weiteren Ausführungen können der Spulenabschnitt und der geradlinige Leitungsabschnitt der Leitungsanordnung parallel zueinander verlaufen. Hierüber wird sichergestellt, dass über den geradlinigen Leitungsabschnitt, der bspw. den Rückleiter bildet, keine Beeinflussung des Spulenabschnitts auftritt. Eine Beeinflussung des Spulenabschnitt und damit der über den Spulenabschnitt erzeugten Induktivitäten könnte dann auftreten, wenn der geradlinigen Leitungsabschnitt unter einem Winkel zu dem Spulenabschnitt, jedoch nicht parallel, zum Spulenabschnitt verläuft.
• Die mindestens eine druckstabile Schnittstelle kann durch eine Klemmringverschraubung realisiert werden, durch welche die Leitungen durch ein vergossenes Edelstahlrohr nach außen geführt werden.
• In weiteren Ausführungsformen kann die mindestens eine druckstabile Schnittstelle eine Glasdurchführung aufweisen. Glasdurchführungen eignen sich als Schnittstellen zur Übertragung von elektrischer Energie und Signalen zwischen Räumen unterschiedlicher Druckstufen, ohne dass über die Schnittstelle ein Druckausgleich erfolgt. Bei der Verwendung der Füllstandsmesseinrichtung in einem (Hockdruck-)Elektrolyseur kann die Schnittstelle in dem Druckbehälter des Elektrolyseurs aufgenommen sein.
• In weiteren Ausführungen kann die Leitungsanordnung eine Edelstahlbeschichtung oder -schicht aufweisen. Dies bietet die Möglichkeit andere Metalle anstelle von Edelstählen als Leiter für die Leitungsanordnung zu verwenden. Über die Beschichtung wird jedoch sichergestellt, dass keine Beschädigung oder Zersetzung der Leitungsanordnung auftritt.
• In noch weiteren Ausführungen kann der Spulenabschnitt als Zylinderspule ausgebildet sein. Eine Zylinderspule weist eine Vielzahl an Windungen auf, die parallel zueinander verlaufen. Durch die Windungen ergibt sich eine verhältnismäßig große Länge des Spulenabschnitts. Dadurch kann die Bestimmung der Füllstandshöhe noch feiner erfolgen.
• Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der tatsächlichen Füllstandshöhe von flüssigen, elektrisch leitfähigen Medien in einer Hochdruckumgebung eines Raums gelöst, mindestens aufweisend eine Messeinrichtung gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungen, wobei
• - durch die Auswerteeinheit eine hochfrequente Wechselspannung an die Leitungsanordnung angelegt wird,
• - durch die Auswerteeinheit die Induktivität des Spulenabschnitts kontinuierlich gemessen wird, und
• - die sich verändernde Induktivität der Spulenanordnung aufgrund des Kurzschlusses zwischen dem geradlinigen Leitungsabschnitt und dem Spulenabschnitt über das elektrisch leitende Medium in Abhängigkeit der Füllstandshöhe des elektrisch leitenden Mediums bestimmt wird.
• Das Verfahren zeichnet sich durch eine kontinuierliche Bestimmung des Füllstands eines Mediums in einem Raum unter Hochdruck aus, ohne dass ein Druckausgleich bereitgestellt werden muss oder aufwendige Messverfahren durchgeführt werden müssen. Die Füllstandbestimmung erfolgt direkt über die Auswerteeinheit, wozu die Auswerteeinheit die über den Spulenabschnitt erzeugte Induktivität misst. Verändert sich der Füllstand des elektrisch leitenden Mediums verändert sich auch die Induktivität. Daraus kann dann die Füllstandshöhe bestimmt werden.
• In einem weiteren vorgelagerten Verfahrensschritt kann eine Kalibrierung erfolgen, wobei die Induktivität gemessen wird, wenn ein minimaler Füllstand vorliegt, bspw. am unteren Ende des Spulenabschnitts. Es wird auch die Induktivität gemessen, wenn ein maximaler Füllstand vorliegt, bspw. am oberen Ende des Spulenabschnitts. Für diese Füllstände werden die gemessenen Induktivitäten hinterlegt. Hierzu kann bspw. ein Speicher vorgesehen sein, der Bestandteil der Auswerteeinheit ist. Zwischen diesen Extremwerten steht der Füllstand im linearen Zusammenhang mit der induzierten Spannung. Dies ermöglicht eine einfache Bestimmung der Füllstandshöhe.
• Ferner wird die vorstehend genannte Aufgabe 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, und eine Messeinrichtung gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungen zur kontinuierlichen Bestimmung der tatsächlichen Füllstandshöhe des im Elektrolyseur aufgenommenen Elektrolyten, wobei aufgrund des Kurzschlusses zwischen dem geradlinigen Leitungsabschnitt und dem Spulenabschnitt durch den elektrisch leitenden Elektrolyten die sich dadurch verändernde Induktivität des Spulenabschnitts durch die Auswerteeinheit bestimmbar ist.
• Für den Betrieb des Elektrolyseurs ist es von essenzieller Bedeutung den Füllstand des Elektrolyten zu Überwachen und deionisiertes Wasser dem Prozess bei Bedarf zuzuführen. Da sich der Füllstand im Betrieb durch die Gasproduktion volatil verhält, kann kein Füllstandschalter eingesetzt werden, weil dieser kein repräsentatives Ergebnis liefert.
• Für die Anwendung im Elektrolyten einer Hochdruckelektrolyseanlage liefert die hierin beschriebene Messeinrichtung eine kontinuierliche und stufengenaue Messung, welche Aufschluss über die Performance des laufenden Systems liefert. So kann unerwünschten Trends, welche die Laufleistung negativ beeinflussen würden, vorgebeugt werden.
• Eine der großen Herausforderungen ist, dass die Füllstandsmessung bspw. in einem Milieu konzentrierter Kaliumhydroxidlösung (KOH) und entweder Sauerstoff oder Wasserstoff bei einem Betriebsdruck von 100 bar eingesetzt wird. Daher sind die medienberührenden Teile aus Edelstahl und die Messeinrichtung unterteilt sich in einen druckstabilen Messkopf (Leitungsanordnung im Druckbehälter) und eine Auswerteeinheit, die druckseitig entkoppelt ist.
• Im Bereich der Spule wird durch Eintragen einer Wechselspannung mit einer definierten Frequenz eine Induktivität erzeugt. Mit steigendem Füllstand der leitfähigen Kaliumhydroxidlösung nimmt die Anzahl der von Strom durchflossenen Windungen der Spule ab und die Induktivität wird dazu proportional geringer. Auf diese Weise ist es möglich, unabhängig von der Druckstufe den Füllstand einer leitfähigen Flüssigkeit in einem Behälter zu bestimmen.
• In Abhängigkeit von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit/des Mediums kann die Frequenz der Wechselspannung angepasst werden, sodass die Messeinrichtung auch für andere Flüssigkeiten eingesetzt werden kann.
• Die Länge des Spulenabschnitts kann nach Maßgabe des Einsatzzwecks und des Einsatzortes variieren, wodurch die Messeinrichtung vielfältig einsetzbar ist.
• Die Kalibrierung kann durch die Einstellung eines Maximal- und Minimalwertes vor dem Einbau erfolgen, wobei eine Anpassung an die jeweilige Anwendung vorgenommen wird.
• 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.
• 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 (0₂) 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

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102012112561 B3 [0012]
• DE 102012112559 B3 [0049]

Claims (7)

1. Messeinrichtung zur Bestimmung der Füllstandshöhe von flüssigen, elektrisch leitfähigen Medien in einer Hochdruckumgebung eines Raums, mindestens aufweisend eine Leitungsanordnung, die in einem geschlossenen Raum angeordnet ist, und mindestens eine Auswerteeinheit (610) zur Bestimmung der Füllstandshöhe eines Mediums in dem Raum, die mit der Leitungsanordnung verbunden ist, wobei - die Auswerteeinheit (610) außerhalb des Raums in einer Umgebung mit atmosphärischem Druck angeordnet ist, - in einer den Raum umgebenden Hülle mindestens eine druckstabile Schnittstelle (620) zwischen der Leitungsanordnung und der Auswerteeinheit (610) angeordnet ist, die auf der Hochdruckseite (680) im Raum mit der Leitungsanordnung und auf der Atmosphärenseite außerhalb des Raums mit der Auswerteinheit (610) verbunden ist, - die Leitungsanordnung einen Spulenabschnitt (630) und einen geradlinigen Leitungsabschnitt (640) aufweist, die miteinander verbunden sind, - der Spulenabschnitt (630) und der geradlinige Leitungsabschnitt (640) mindestens teilweise in einem Medium aufgenommen sind, - die Auswerteeinheit (610) eine hochfrequente Wechselspannung an die Leitungsanordnung anlegt, und - die Füllstandshöhe des Mediums im Raum durch eine Veränderung der über die Auswerteeinheit (610) gemessenen Induktivität des Spulenabschnitts (630) aufgrund eines Kurzschlusses zwischen dem geradlinigen Leitungsabschnitt (640) und dem Spulenabschnitt (630) in Abhängigkeit der Füllstandshöhe des leitfähigen Mediums bestimmbar ist.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Spulenabschnitt (630) und der geradlinige Leitungsabschnitt (640) der Leitungsanordnung parallel zueinander verlaufen.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine druckstabile Schnittstelle (620) eine Glasdurchführung aufweist.
4. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Leitungsanordnung eine Edelstahlbeschichtung oder - schicht aufweist.
5. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Spulenabschnitt (630) als Zylinderspule ausgebildet ist.
6. Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der tatsächlichen Füllstandshöhe von flüssigen, elektrisch leitfähigen Medien in einer Hochdruckumgebung eines Raums, mindestens aufweisend eine Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei - durch die Auswerteeinheit (610) eine hochfrequente Wechselspannung an die Leitungsanordnung angelegt wird, - durch die Auswerteeinheit (610) die Induktivität des Spulenabschnitts (630) kontinuierlich gemessen wird, und - die sich verändernde Induktivität der Spulenanordnung (630) aufgrund des Kurzschlusses zwischen dem geradlinigen Leitungsabschnitt (640) und dem Spulenabschnitt (630) über das elektrisch leitende Medium in Abhängigkeit der Füllstandshöhe des elektrisch leitenden Mediums bestimmt wird.
7. 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, und eine Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur kontinuierlichen Bestimmung der tatsächlichen Füllstandshöhe des im Elektrolyseur aufgenommenen Elektrolyten, wobei aufgrund des Kurzschlusses zwischen dem geradlinigen Leitungsabschnitt (640) und dem Spulenabschnitt (630) durch den elektrisch leitenden Elektrolyten die sich dadurch verändernde Induktivität des Spulenabschnitts (630) durch die Auswerteeinheit (610) bestimmbar ist.

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