DE102021214205A1 - Electrolysis system and electrolysis method for the electrolysis of water - Google Patents

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DE102021214205A1 DE102021214205.2A DE102021214205A DE102021214205A1 DE 102021214205 A1 DE102021214205 A1 DE 102021214205A1 DE 102021214205 A DE102021214205 A DE 102021214205A DE 102021214205 A1 DE102021214205 A1 DE 102021214205A1
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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem (100) Elektrolysesystem (100) umfassend eine Elektrolysekammer (101), lediglich einen Wasserkreislauf (103) zur Versorgung der Elektrolysekammer (101) mit Wasser, eine Dosiereinheit (105) zum Eindosieren von Wasser in den Wasserkreislauf (103), ein Kontrollgerät (107), wobei das Kontrollgerät (107) dazu konfiguriert ist, eine dem Wasserkreislauf (103) durch die Dosiereinheit (103) einzudosierende Zufuhrmenge Wasser zu bestimmen, und wobei das Kontrollgerät (107) dazu konfiguriert ist, die Zufuhrmenge anhand einer durch das Elektrolysesystem (100) verbrauchten Verbrauchsmenge Wasser zu ermitteln. Ferner umfasst die Erfindung ein Elektrolyseverfahren (200) zur Elektrolyse von Wasser mittels eines derartigen Elektrolysesystems (100).The invention presented relates to an electrolysis system (100) electrolysis system (100) comprising an electrolysis chamber (101), only one water circuit (103) for supplying the electrolysis chamber (101) with water, a metering unit (105) for metering water into the water circuit (103 ), a control device (107), wherein the control device (107) is configured to determine a supply quantity of water to be metered into the water circuit (103) by the dosing unit (103), and wherein the control device (107) is configured to determine the supply quantity based on to determine a consumption amount of water consumed by the electrolysis system (100). The invention also includes an electrolysis method (200) for the electrolysis of water by means of such an electrolysis system (100).

Description

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem und ein Elektrolyseverfahren zur Elektrolyse von Wasser.The invention presented relates to an electrolysis system and an electrolysis method for the electrolysis of water.

Stand der TechnikState of the art

Die Versorgung eines Elektrolyseurs, insbesondere eines zellbasierten-Elektrolyseurs mit vollentsalztem Reinstwasser stellt einen erheblichen Aufwand für ein System zur Versorgung einer Elektrolysekammer, wie bspw. einem Zellstapel, dar.The supply of an electrolyser, in particular a cell-based electrolyser, with deionized ultrapure water represents a considerable effort for a system for supplying an electrolysis chamber, such as a cell stack.

Die maximale Fremdionenkonzentration im Reinstwasser wird durch dessen elektrische Leitfähigkeit quantifiziert. Diese sollte kleiner als 0,15 µS/cm sein.The maximum foreign ion concentration in ultrapure water is quantified by its electrical conductivity. This should be less than 0.15 µS/cm.

In bekannten Systemen wird dies durch eine Kopplung von zwei Kreisläufen erreicht. Dabei durchströmt Reinstwasser den Primärkreislauf, den Zellstapel und einen ersten lonentauscher, der die Einhaltung einer geforderten Reinstwasserqualität ermöglicht.In known systems, this is achieved by coupling two circuits. Ultrapure water flows through the primary circuit, the cell stack and a first ion exchanger, which enables the required ultrapure water quality to be maintained.

Periodisch wird durch einen Elektrolyseprozess verbrauchtes Wasser durch Eindosieren von Wasser aus einem Sekundärkreislauf in den Primärkreislauf ersetzt. Die Qualität des Reinstwassers aus dem Sekundärkreislauf wird dabei durch permanentes Durchspülen von in dem Sekundärkreislauf strömendem Wasser durch einen zweiten lonentauscher sichergestellt. Beide lonentauscher weisen ein Speichervolumen auf, weshalb diese auch als sogenannte „lon-X +Buffer“ bezeichnet werden.Water used up by an electrolysis process is periodically replaced by dosing water from a secondary circuit into the primary circuit. The quality of the ultrapure water from the secondary circuit is ensured by constantly flushing the water flowing in the secondary circuit through a second ion exchanger. Both ion exchangers have a storage volume, which is why they are also referred to as so-called "lon-X +buffers".

Die Versorgung des Sekundärkreislaufs mit Reinstwasser wird in der Regel durch eine zentrale Wasseraufbereitung eines Labors oder Elektrolyseur-Parks übernommen. Diese können in der Regel eine Wasserqualität von ca.1 µS/cm sicherstellen.The supply of the secondary circuit with ultrapure water is usually taken over by a central water treatment of a laboratory or electrolyser park. These can usually ensure a water quality of approx. 1 µS/cm.

Entsprechend sind ausgehend von bekannten Systemen ausgehend von der Wasserversorgung eines Labors mit ca. 1 µS/cm zumindest folgende Komponenten notwendig:

  1. 1. eine erste Wasserpumpe für den Primärkreislauf,
  2. 2. eine zweite Wasserpumpe für den Sekundärkreislauf,
  3. 3. eine dritte Wasserpumpe zur Speisung des Primärkreislaufs aus dem Sekundärkreislauf,
  4. 4. ein erster lonentauscher für den Primärkreislauf,
  5. 5. ein zweiter lonentauscher für den Sekundärkreislauf,
  6. 6. ein erster Leitfähigkeitssensor in dem Primärkreislauf,
  7. 7. ein zweiter Leitfähigkeitssensor in dem Sekundärkreislauf.
Accordingly, based on known systems based on the water supply of a laboratory with approx. 1 µS/cm, at least the following components are necessary:
  1. 1. a first water pump for the primary circuit,
  2. 2. a second water pump for the secondary circuit,
  3. 3. a third water pump to feed the primary circuit from the secondary circuit,
  4. 4. a first ion exchanger for the primary circuit,
  5. 5. a second ion exchanger for the secondary circuit,
  6. 6. a first conductivity sensor in the primary circuit,
  7. 7. A second conductivity sensor in the secondary circuit.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Elektrolysesystem und ein Elektrolyseverfahren vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Elektrolysesystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Elektrolyseverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.As part of the presented invention, an electrolysis system and an electrolysis method are presented. Further features and details of the invention result from the respective dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the electrolysis system according to the invention naturally also apply in connection with the electrolysis method according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to reciprocally.

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein kompaktes und robustes Elektrolysesystem bereitzustellen.The invention presented serves in particular to provide a compact and robust electrolysis system.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Elektrolysesystem vorgestellt. Das Elektrolysesystem umfasst eine Elektrolysekammer, lediglich einen Wasserkreislauf zur Versorgung der Elektrolysekammer mit Wasser, eine Dosiereinheit zum Eindosieren von Wasser in den Wasserkreislauf und ein Kontrollgerät.An electrolysis system is thus presented according to a first aspect of the presented invention. The electrolysis system comprises an electrolysis chamber, just a water circuit for supplying the electrolysis chamber with water, a dosing unit for dosing water into the water circuit and a control device.

Das Kontrollgerät ist dazu konfiguriert, eine dem Wasserkreislauf durch die Dosiereinheit einzudosierende Zufuhrmenge Wasser zu bestimmen und die Zufuhrmenge anhand einer durch das Elektrolysesystem verbrauchten Verbrauchsmenge Wasser zu ermitteln.The control device is configured to determine a supply amount of water to be metered into the water circuit by the dosing unit and to determine the supply amount based on a consumption amount of water consumed by the electrolysis system.

Unter einer Elektrolysekammer ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Raum zu verstehen, in dem ein Elektrolyseprozess stattfindet. Insbesondere kann eine Elektrolysekammer ein Stapel mit Elektrolysezellen bzw. ein sogenannter „Stack“ sein.In the context of the invention presented, an electrolysis chamber is to be understood as a space in which an electrolysis process takes place. In particular, an electrolysis chamber can be a stack with electrolysis cells or a so-called “stack”.

Das vorgestellte Elektrolysesystem bzw. der vorgestellte Elektrolyseur, basiert auf dem Prinzip, dass lediglich ein einzelner Wasserkreislauf zur Versorgung der Elektrolysekammer des Elektrolysesystems verwendet wird. Dabei wird nicht, wie bei bekannten Elektrolysesystemen üblich, regelmäßig bzw. periodisch eine vorgegebene Menge Wasser aus einem Sekundärkreislauf in einen Primärkreislauf geleitet, sondern eine verbrauchsabhängige Zufuhrmenge an Wasser insbesondere kontinuierlich in den einzigen Wasserkreislauf des vorgestellten Elektrolysesystems eindosiert. Entsprechend erfolgt die Zufuhr von Wasser in den Wasserkreislauf des vorgestellten Elektrolysesystems verbrauchabhängig und, dadurch bedingt, betriebsabhängig bzw. dynamisch.The presented electrolysis system or the presented electrolyser is based on the principle that only a single water circuit is used to supply the electrolysis chamber of the electrolysis system. In this case, a predetermined amount of water is not fed regularly or periodically from a secondary circuit into a primary circuit, as is usual in known electrolysis systems, but a consumption-dependent supply amount of water is metered in particular continuously into the single water circuit of the electrolysis system presented. Correspondingly, the supply of water into the water circuit of the electrolysis system presented is consumption-dependent and, as a result, operation-dependent or dynamic.

Dadurch bedingt, dass die Zufuhr von Wasser in den Wasserkreislauf des vorgestellten Elektrolysesystems betriebsabhängig und insbesondere kontinuierlich erfolgt, ist eine pro Zeiteinheit in den Wasserkreislauf eindosierte Zufuhrmenge geringer als bei einer Eindosierung einer vorgegebenen Menge Wasser, wie im Stand der Technik üblich. Entsprechend kann die geringe Zufuhrmenge Wasser durch einen mit dem Wasserkreislauf verbundenen lonentauscher entsalzt werden, da dem lonentauscher mehr Zeit pro Volumen zugeführtem Wasser bleibt, sodass auf einen zweiten Wasserkreislauf mit einem zusätzlichen lonentauscher verzichtet werden kann.Due to the fact that the supply of water into the water circuit of the electrolysis system presented is operation-dependent and, in particular, continuous, a supply quantity metered into the water circuit per unit of time is lower than when a predetermined quantity of water is metered in, as is customary in the prior art. Correspondingly, the small amount of water supplied can be desalinated by an ion exchanger connected to the water circuit, since the ion exchanger has more time per volume of water supplied, so that a second water circuit with an additional ion exchanger can be dispensed with.

Exemplarisch ist nachfolgend eine Konfiguration einer Ausführungsform des vorgestellten Elektrolysesystems beschrieben, die folgendes umfasst: a) elektrischer Energieverbrauch der Elektrolysekammer: 4,88 kWh/Nm3 H2 b) produzierter Wasserstoffstrom: 2,05 Nm3/h c) Reinstwasserverbrauch: 1,65 NI/h d) Pumpleistung im Wasserkreislauf: ca. 10NI/min e) Reinstwasservolumen im Wasserkreislauf: ca. 10NI f) Entsalzungsleistung lonentauscher 10Ipm: 0,01µS/cm A configuration of an embodiment of the presented electrolysis system is described below as an example, which comprises the following: a) electrical energy consumption of the electrolysis chamber: 4.88 kWh / Nm3H2 b) produced hydrogen stream: 2.05 Nm3 /h c) Ultrapure water consumption: 1.65 Nl/h d) Pump capacity in the water circuit: approx. 10NI/min e) Ultrapure water volume in the water circuit: approx. 10NI f) desalination performance ion exchanger 10Ipm: 0.01µS/cm

Beim Vergleich der Punkte c) und d) zeigt sich, dass die Zufuhrmenge Wasser nur ca. 0,3% des permanent in dem Wasserkreislauf umgewälzten Volumenstroms beträgt.A comparison of points c) and d) shows that the amount of water supplied is only approx. 0.3% of the volume flow that is permanently circulated in the water circuit.

Die Durchmischung des Speisewassers aus dem Labor (angenommene Leitfähigkeit von 1 µS/cm) mit dem Reinstwasser-Wasser im Wasserkreislauf (Leitfähigkeit=0,15 µS/cm) erhöht letzteren Wert rechnerisch auf eine Leitfähigkeit von 0,1526 µS/cm. Der Anstieg von 0,0026 µS/cm kann leicht vom lonentauscher bereits bei einmaligem Durchströmen kompensiert werden.Mixing the feed water from the laboratory (assumed conductivity of 1 µS/cm) with the ultrapure water in the water circuit (conductivity=0.15 µS/cm) increases the latter value to a calculated conductivity of 0.1526 µS/cm. The increase of 0.0026 µS/cm can easily be compensated by the ion exchanger with a single flow.

Es kann vorgesehen sein, dass das Elektrolysesystem einen Wasserstoffsensor zum Ermitteln einer durch das Elektrolysesystem erzeugten Wasserstoffmenge umfasst, wobei das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, die Verbrauchsmenge mittels einer vorgegebenen mathematischen Wasserstoffformel anhand einer durch den Wasserstoffsensor ermittelten Wasserstoffmenge zu bestimmen.Provision can be made for the electrolysis system to include a hydrogen sensor for determining a quantity of hydrogen generated by the electrolysis system, with the control device being configured to determine the consumption quantity using a predefined mathematical hydrogen formula based on a quantity of hydrogen determined by the hydrogen sensor.

Um die Zufuhrmenge Wasser betriebsabhängig und dynamisch zu bestimmen, kann eine von dem vorgestellten Elektrolysesystem erzeugte Wasserstoffmenge ermittelt werden, sodass anhand der ermittelten Wasserstoffmenge stöchiometrisch auf eine zum Erzeugen der Wasserstoffmenge benötigte bzw. verbrauchte Verbrauchsmenge Wasser geschlossen werden kann. Dabei kann der stöchiometrische Zusammenhang zwischen ermittelter Wasserstoffmenge und verbrauchtem Wasser mathematisch durch eine Wasserstoffformel, insbesondere einen Koeffizienten, abgebildet werden. Bspw. kann die mathematische Formel einen Verlustkoeffizienten umfassen, der einen Verlust an Wasserstoff bzw. einen Verlust an Wasser durch das Elektrolysesystem berücksichtigt.In order to dynamically determine the amount of water supplied depending on the operation, an amount of hydrogen generated by the electrolysis system can be determined, so that the determined amount of hydrogen can be used to stoichiometrically infer a consumption amount of water required or consumed to generate the amount of hydrogen. The stoichiometric relationship between the amount of hydrogen determined and the water consumed can be represented mathematically by a hydrogen formula, in particular a coefficient. For example, the mathematical formula can include a loss coefficient that takes into account a loss of hydrogen or a loss of water through the electrolysis system.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Elektrolysesystem einen Stromsensor zum Messen eines durch die Elektrolysekammer strömenden elektrischen Stroms umfasst, wobei das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, die Verbrauchsmenge mittels einer vorgegebenen mathematischen Stromformel anhand einer durch den Stromsensor ermittelten Stromstärke zu bestimmen.Provision can also be made for the electrolysis system to include a current sensor for measuring an electric current flowing through the electrolysis chamber, with the control device being configured to determine the amount consumed using a predetermined mathematical current formula based on a current strength determined by the current sensor.

Um die Zufuhrmenge Wasser betriebsabhängig und dynamisch zu bestimmen, kann ein durch die Elektrolysekammer strömender elektrischer Strom ermittelt werden, sodass anhand der ermittelten Stromstärke auf eine zum Erzeugen der Wasserstoffmenge benötigte bzw. verbrauchte Verbrauchsmenge Wasser geschlossen werden kann. Dabei kann der mathematische Zusammenhang zwischen ermittelter Stromstärke und verbrauchtem Wasser mathematisch durch eine Stromformel, insbesondere einen Koeffizienten, abgebildet werden. Bspw. kann die mathematische Formel einen Verlustkoeffizienten umfassen, der einen Verlust an Wasserstoff bzw. einen Verlust an Wasser durch das Elektrolysesystem berücksichtigt.In order to dynamically determine the amount of water supplied depending on the operation, an electric current flowing through the electrolysis chamber can be determined, so that the amount of water required or consumed to generate the amount of hydrogen can be inferred from the determined current intensity. In this case, the mathematical relationship between the current intensity determined and the water consumed can be represented mathematically by a current formula, in particular a coefficient. For example, the mathematical formula can include a loss coefficient that takes into account a loss of hydrogen or a loss of water through the electrolysis system.

Es kann vorgesehen sein, dass die vorgegebene mathematische Stromformel eine vorgegebene Faraday-Effizienz des Elektrolysesystems umfasst.Provision can be made for the predefined mathematical current formula to include a predefined Faraday efficiency of the electrolysis system.

Da jedes Elektrolysesystem eine spezifische elektrische Verlustleistung aufweist, kann diese durch die spezifische Faraday-Effizienz des Elektrolysesystems quantifiziert werden, sodass die spezifische elektrische Verlustleistung in der Stromformel korrigiert werden kann und die Berechnung der Verbrauchsmenge Wasser nicht verfälscht wird.Since each electrolysis system has a specific electrical power loss, this can be quantified by the specific Faraday efficiency of the electrolysis system, so that the specific electrical power loss can be corrected in the current formula and the calculation of the amount of water consumed is not falsified.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, beim Ermitteln der Zufuhrmenge einen Effizienzpuffer auf die ermittelte Verbrauchsmenge aufzuschlagen, wobei der Effizienzpuffer zwischen 1% und 10%, insbesondere zwischen 2% und 5% der Verbrauchsmenge beträgt.Provision can furthermore be made for the control device to be configured to add an efficiency buffer to the determined consumption quantity when determining the supply quantity, the efficiency buffer being between 1% and 10%, in particular between 2% and 5% of the consumption quantity.

Durch einen Effizienzpuffer können bspw. durch Schwankungen von Umgebungsbedingungen bedingte Veränderungen der Zufuhrmenge ausgeglichen werden und ein stabiler Betrieb des Elektrolysesystems sichergestellt werden.An efficiency buffer can be used, for example, to compensate for changes in the supply quantity caused by fluctuations in ambient conditions and to ensure stable operation of the electrolysis system.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Elektrolysesystem lediglich eine Pumpe zum Fördern von Wasser durch den Wasserkreislauf, lediglich einen lonentauscher und lediglich einen Leitfähigkeitssensor umfasst, wobei der Leitfähigkeitssensor zum Ermitteln einer elektrischen Leitfähigkeit von durch den Wasserkreislauf gefördertem Wasser konfiguriert ist.Provision can furthermore be made for the electrolysis system to comprise only one pump for pumping water through the water circuit, only one ion exchanger and only one conductivity sensor, with the conductivity sensor being configured to determine an electrical conductivity of water pumped through the water circuit.

Dadurch bedingt, dass das vorgestellte Elektrolysesystem lediglich einen Wasserkreislauf benötigt, kann das Elektrolysesystem besonders kompakt ausgestaltet werden, indem die Anzahl von Systemkomponenten des Elektrolysesystems minimiert wird. Insbesondere durch lediglich einen Leitfähigkeitssensor kann eine Standzeit des Elektrolysesystems maximiert werden, da lediglich eine Schnittstelle zu dem Wasserkreislauf benötigt wird.Due to the fact that the presented electrolysis system requires only one water circuit, the electrolysis system can be made particularly compact by minimizing the number of system components of the electrolysis system. In particular, a service life of the electrolysis system can be maximized with only one conductivity sensor, since only one interface to the water circuit is required.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Volumen des Wasserkreislaufs, eine Entsalzungsleistung des lonentauschers und die Zufuhrmenge derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Zufuhrmenge einer Summe aus der Verbrauchsmenge und einem minimalen Effizienzpuffer entspricht.Provision can furthermore be made for a volume of the water circuit, a desalination capacity of the ion exchanger and the supply quantity to be matched to one another in such a way that the supply quantity corresponds to a sum of the consumption quantity and a minimum efficiency buffer.

Durch eine aufeinander abgestimmte Auslegung von Wasserkreislauf, lonentauscher und Zufuhrmenge kann ein Effizienzpuffer minimiert werden.An efficiency buffer can be minimized by a coordinated design of the water circuit, ion exchanger and supply quantity.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Dosiereinheit eine Pumpe und/oder ein Ventil umfasst.Provision can furthermore be made for the dosing unit to comprise a pump and/or a valve.

Durch eine als Ventil ausgestaltete Dosiereinheit kann auf eine zusätzliche Pumpe zum Eindosieren von frischen Reinstwasser verzichtet werden. Dabei kann das Ventil bspw. ein Magnetventil sein, das durch das vorgestellte Kontrollgerät mittels entsprechender Kontrollbefehle kontrolliert wird.A dosing unit designed as a valve means that an additional pump for dosing in fresh ultrapure water can be dispensed with. The valve can be a solenoid valve, for example, which is controlled by the control device presented by means of corresponding control commands.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Elektrolyseverfahren zur Elektrolyse von Wasser mittels eines einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Elektrolysesystems.According to a second aspect, the presented invention relates to an electrolysis method for the electrolysis of water by means of a possible embodiment of the presented electrolysis system.

Das Elektrolyseverfahren umfasst das Betreiben des Elektrolysesystems zur Elektrolyse von Wasser, das Ermitteln einer Zufuhrmenge von Wasser anhand einer durch das Elektrolysesystem verbrauchten Verbrauchsmenge Wasser, und das Eindosieren der ermittelten Zufuhrmenge Wasser in den Wasserkreislauf des Elektrolysesystems.The electrolysis method includes operating the electrolysis system for the electrolysis of water, determining a supply quantity of water based on a consumption quantity of water consumed by the electrolysis system, and metering the determined supply quantity of water into the water circuit of the electrolysis system.

Optional umfasst das vorgestellte Elektrolyseverfahren das Bereitstellen von entsalztem Reinstwasser zum Eindosieren der ermittelten Zufuhrmenge Wasser in den Wasserkreislauf des Elektrolysesystems.Optionally, the electrolysis process presented includes the provision of desalinated ultrapure water for dosing the determined supply amount of water into the water circuit of the electrolysis system.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination.

Es zeigen:

  • 1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Elektrolysesystems,
  • 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Elektrolyseverfahrens.
Show it:
  • 1 a possible design of the presented electrolysis system,
  • 2 a possible embodiment of the presented electrolysis process.

In 1 ist ein Elektrolysesystem 100 dargestellt. Das Elektrolysesystem 100 umfasst eine Elektrolysekammer 101 in Form eines Zellstapels, lediglich einen Wasserkreislauf 103 zur Versorgung der Elektrolysekammer 101 mit Wasser, eine Dosiereinheit 105 zum Eindosieren von Wasser in den Wasserkreislauf 103 und ein Kontrollgerät 107.In 1 an electrolysis system 100 is shown. The electrolysis system 100 comprises an electrolysis chamber 101 in the form of a cell stack, just a water circuit 103 for supplying the electrolysis chamber 101 with water, a dosing unit 105 for dosing water into the water circuit 103 and a control device 107.

Optional umfasst das Elektrolysesystem 100 einen lonentauscher 109, eine Pumpe 111, einen Leitfähigkeitssensor 113, einen Wasserstoffsensor 115 und/oder einen Stromsensor 117.Optionally, the electrolysis system 100 includes an ion exchanger 109, a pump 111, a conductivity sensor 113, a hydrogen sensor 115 and/or a current sensor 117.

Der Wasserstoffsensor 115 ist vorliegend exemplarisch an einem Flüssigkeits/Gas-Abscheider 119 angeordnet, der gasförmigen Wasserstoff von flüssigem Wasser trennt und das flüssige Wasser zurück in den Wasserkreislauf 103 leitet.In the present example, the hydrogen sensor 115 is arranged on a liquid/gas separator 119 which separates gaseous hydrogen from liquid water and directs the liquid water back into the water circuit 103 .

Ferner umfasst das Elektrolysesystem einen Flüssigkeits/Gas-Abscheider 121, der gasförmigen Sauerstoff von flüssigem Wasser trennt und das Wasser zurück in den Wasserkreislauf 103 leitet.The electrolysis system also includes a liquid/gas separator 121 which separates gaseous oxygen from liquid water and feeds the water back into the water circuit 103 .

Um eine Zufuhrmenge von durch die Dosiereinheit 105 in den Wasserkreislauf 103 einzudosierenden Reinstwasser zu ermitteln, wertet das Kontrollgerät 107 durch den Wasserstoffsensor 115 oder durch den Stromsensor 117 ermittelte Messwerte aus und berechnet, anhand entsprechend vorgegebener mathematischer Formeln, eine Verbrauchsmenge von durch das Elektrolysesystem 100 verbrauchtem Wasser.In order to determine a supply quantity of ultrapure water to be metered into the water circuit 103 by the metering unit 105, the control device 107 evaluates the measured values determined by the hydrogen sensor 115 or by the current sensor 117 and calculates a consumption quantity of that consumed by the electrolysis system 100 using correspondingly predefined mathematical formulas Water.

Der ermittelten Verbrauchsmenge ordnet das Kontrollgerät 107, bspw. unter Verwendung eines vorgegebenen Zuordnungsschemas, eine Zufuhrmenge an zuzuführendem Reinstwasser zu.The control device 107 assigns a supply quantity of ultrapure water to be supplied to the determined consumption quantity, for example using a predetermined assignment scheme.

Dabei kann die Verbrauchsmenge kontinuierlich oder periodisch aktualisiert werden.The consumption quantity can be updated continuously or periodically.

Die Dosiereinheit 105 umfasst vorliegend exemplarisch ein 2-Wege-Ventil und dient als sogenannter „Splitter“. Dies bedeutet, dass die Dosiereinheit einen dem Wasserkreislauf 103 zugeführten Volumenstrom aus einem Reservoir an Reinstwasser und einem durch die Elektrolysekammer geleiteten Wasserstrom generiert.In the present case, the dosing unit 105 comprises a 2-way valve, for example, and serves as a so-called “splitter”. This means that the dosing unit generates a volume flow fed to the water circuit 103 from a reservoir of ultrapure water and a water flow conducted through the electrolysis chamber.

Das Kontrollgerät 107 übermittelt Kontrollsignale an die Dosiereinheit 105, die die Dosiereinheit derart einstellen bzw. konfigurieren, dass diese einen der ermittelten Zufuhrmenge entsprechenden Volumenstrom an Reinstwasser aus dem Reservoir in den Wasserkreislauf 103 eindosiert. Insbesondere wird dabei die Dosiereinheit 103 kontinuierlich angesteuert, sodass die Dosiereinheit kontinuierlich geöffnet ist und ein pro Zeiteinheit minimaler Volumenstrom an Reinstwasser in den Wasserkreislauf 103 eindosiert wird. Entsprechend ist eine Belastung des lonentauschers 109 pro Zeiteinheit durch das eindosierte Reinstwasser minimal, sodass der lonentauscher eine geforderte Qualität für der Elektrolysekammer zuzuführendes Wasser bereits bei einmaligem Durchströmen bereitstellen kann.The control device 107 transmits control signals to the dosing unit 105, which set or configure the dosing unit in such a way that it doses a volume flow of ultrapure water from the reservoir into the water circuit 103, which volume flow corresponds to the determined supply quantity. In particular, the dosing unit 103 is continuously activated, so that the dosing unit is continuously open and a minimum volume flow of ultrapure water per unit of time is metered into the water circuit 103 . Correspondingly, the loading of the ion exchanger 109 per time unit by the ultrapure water metered in is minimal, so that the ion exchanger can already provide a required quality for the water to be supplied to the electrolysis chamber with a single flow.

In 2 ist ein Elektrolyseverfahren 200 dargestellt. Das Elektrolyseverfahren 200 umfasst einen Betriebsschritt 201, bei dem ein Elektrolysesystem, wie bspw. das Elektrolysesystem 100 zur Elektrolyse von Wasser betrieben wird, einen Ermittlungsschritt 203, bei dem eine Zufuhrmenge von Wasser anhand einer durch das Elektrolysesystem verbrauchten Verbrauchsmenge Wasser ermittelt wird, und einen Dosierschritt 205, bei dem die ermittelte Zufuhrmenge Wasser in den Wasserkreislauf des Elektrolysesystems eindosiert wird.In 2 an electrolysis process 200 is shown. The electrolysis method 200 comprises an operating step 201, in which an electrolysis system, such as the electrolysis system 100 for the electrolysis of water, is operated, a determination step 203, in which a supply amount of water is determined based on a consumption amount of water consumed by the electrolysis system, and a dosing step 205, in which the determined feed quantity of water is metered into the water circuit of the electrolysis system.

Claims (10)

Elektrolysesystem (100) umfassend: - eine Elektrolysekammer (101), - lediglich einen Wasserkreislauf (103) zur Versorgung der Elektrolysekammer (101) mit Wasser, - eine Dosiereinheit (105) zum Eindosieren von Wasser in den Wasserkreislauf (103), - ein Kontrollgerät (107), wobei das Kontrollgerät (107) dazu konfiguriert ist, eine dem Wasserkreislauf (103) durch die Dosiereinheit (103) einzudosierende Zufuhrmenge Wasser zu bestimmen, und wobei das Kontrollgerät (107) dazu konfiguriert ist, die Zufuhrmenge anhand einer durch das Elektrolysesystem (100) verbrauchten Verbrauchsmenge Wasser zu ermitteln.Electrolysis system (100) comprising: - an electrolysis chamber (101), - Only one water circuit (103) for supplying the electrolysis chamber (101) with water, - a metering unit (105) for metering water into the water circuit (103), - a control device (107), the control device (107) being configured to determine a supply quantity of water to be metered into the water circuit (103) by the dosing unit (103), and wherein the controller (107) is configured to determine the supply amount based on a consumption amount of water consumed by the electrolysis system (100). Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolysesystem (100) einen Wasserstoffsensor (115) zum Ermitteln einer durch das Elektrolysesystem (100) erzeugten Wasserstoffmenge umfasst, wobei das Kontrollgerät (107) dazu konfiguriert ist, die Verbrauchsmenge mittels einer vorgegebenen mathematischen Wasserstoffformel anhand einer durch den Wasserstoffsensor (115) ermittelten Wasserstoffmenge zu bestimmen.Electrolysis system (100) according to claim 1 , characterized in that the electrolysis system (100) comprises a hydrogen sensor (115) for determining an amount of hydrogen generated by the electrolysis system (100), the control device (107) being configured to calculate the amount consumed by means of a predetermined mathematical hydrogen formula based on a hydrogen sensor (115) to determine the amount of hydrogen determined. Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolysesystem (100) einen Stromsensor (117) zum Messen eines durch die Elektrolysekammer (101) strömenden elektrischen Stroms umfasst, wobei das Kontrollgerät (107) dazu konfiguriert ist, die Verbrauchsmenge mittels einer vorgegebenen mathematischen Stromformel anhand einer durch den Stromsensor (117) ermittelten Stromstärke zu bestimmen.Electrolysis system (100) according to claim 1 , characterized in that the electrolysis system (100) comprises a current sensor (117) for measuring an electric current flowing through the electrolysis chamber (101), the control unit (107) being configured to calculate the consumption quantity by means of a predetermined mathematical current formula using a To determine current sensor (117) detected current. Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene mathematische Stromformel eine vorgegebene Faraday-Effizienz des Elektrolysesystems umfasst.Electrolysis system (100) according to claim 3 , characterized in that the predetermined mathematical current formula includes a predetermined Faraday efficiency of the electrolysis system. Elektrolysesystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollgerät (107) dazu konfiguriert ist, beim Ermitteln der Zufuhrmenge einen Effizienzpuffer auf die ermittelte Verbrauchsmenge aufzuschlagen, wobei der Effizienzpuffer zwischen 1% und 10%, insbesondere zwischen 2% und 5% der Verbrauchsmenge beträgt.Electrolysis system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the control device (107) is configured to add an efficiency buffer to the determined consumption quantity when determining the supply quantity, the efficiency buffer being between 1% and 10%, in particular between 2% and 5% of the consumption amount. Elektrolysesystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolysesystem (100) umfasst: - lediglich eine Pumpe (111) zum Fördern von Wasser durch den Wasserkreislauf, - lediglich einen lonentauscher (109), - lediglich einen Leitfähigkeitssensor (113), wobei der Leitfähigkeitssensor (113) zum Ermitteln einer elektrischen Leitfähigkeit von durch den Wasserkreislauf (103) gefördertem Wasser konfiguriert ist.Electrolysis system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolysis system (100) comprises: - only one pump (111) for conveying water through the water circuit, - only one ion exchanger (109), - only one conductivity sensor (113 ), wherein the conductivity sensor (113) is configured to determine an electrical conductivity of water conveyed through the water circuit (103). Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen des Wasserkreislaufs (103), eine Entsalzungsleistung des lonentauschers (109) und die Zufuhrmenge derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Zufuhrmenge einer Summe aus der Verbrauchsmenge und einem minimalen Effizienzpuffer entspricht.Electrolysis system (100) according to claim 6 , characterized in that a volume of the water circuit (103), a desalination capacity of the ion exchanger (109) and the supply quantity are matched to one another in such a way that the supply quantity corresponds to a sum of the consumption quantity and a minimum efficiency buffer. Elektrolysesystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (105) eine Pumpe und/oder ein Ventil umfasst.Electrolysis system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the dosing unit (105) comprises a pump and/or a valve. Elektrolyseverfahren (200) zur Elektrolyse von Wasser mittels eines Elektrolysesystems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Elektrolyseverfahren (200) umfasst: - Betreiben (201) des Elektrolysesystems zur Elektrolyse von Wasser, - Ermitteln (203) einer Zufuhrmenge von Wasser anhand einer durch das Elektrolysesystem verbrauchten Verbrauchsmenge Wasser, - Eindosieren (205) der ermittelten Zufuhrmenge Wasser in den Wasserkreislauf des Elektrolysesystems.Electrolysis method (200) for the electrolysis of water by means of an electrolysis system (100) according to one of Claims 1 until 8th , wherein the electrolysis method (200) comprises: - operating (201) the electrolysis system for the electrolysis of water, - determining (203) a supply quantity of water based on a consumption quantity of water consumed by the electrolysis system, - metering (205) the determined supply quantity of water into the Water circuit of the electrolysis system. Elektrolyseverfahren (200) nach Anspruch 9, wobei das Elektrolyseverfahren (200) weiterhin umfasst: - Bereitstellen von entsalztem Reinstwasser zum Eindosieren der ermittelten Zufuhrmenge Wasser in den Wasserkreislauf des Elektrolysesystems.Electrolysis method (200) according to claim 9 , wherein the electrolysis process (200) further comprises: - Provision of desalinated ultrapure water for dosing the determined amount of water into the water circuit of the electrolysis system.
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