DE102022128480A1 - Verfahren zum erkennen eines lecks in einem wasserelektrolyseur, verfahren zur erzeugung von wasserstoff, programm zum erkennen eines lecks in einem wasserelektrolyseur und wasserelektrolyseur - Google Patents

Verfahren zum erkennen eines lecks in einem wasserelektrolyseur, verfahren zur erzeugung von wasserstoff, programm zum erkennen eines lecks in einem wasserelektrolyseur und wasserelektrolyseur Download PDF

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Abstract

Um erkennen zu können, ob ein Leck ein externes Leck oder ein Querleck in einem Wasserelektrolyseur ist, werden ein in einem sauerstoffseitigen Pfad installiertes Ventil und ein in einem wasserstoffseitigen Pfad installiertes Ventil geschlossen; eine Wasserelektrolyse-Reaktion an einer Wasserelektrolysezelle wird fortgesetzt, und ein Leck im sauerstoffseitigen Pfad und ein Leck im wasserstoffseitigen Pfad werden basierend auf der Änderung eines Innendrucks eingestellt; und ein Differenzdruck wird zwischen dem sauerstoffseitigen Pfad und dem wasserstoffseitigen Pfad bewirkt, und ein Leck aus einer festen Elektrolytmembran aus Polymer wird basierend auf der Änderung des Differenzdrucks bestimmt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Erkennen eines Lecks bzw. einer Leckage in einem Wasserelektrolyseur.
  • STAND DER TECHNIK
  • In der Patentliteratur 1 wird offenbart, dass das Druckverhalten in der Leitung für in einem Wasserelektrolyseur erzeugtes Gas überwacht und bestimmt wird, dass ein Leck aufgetreten ist, wenn der Druck im Vergleich zum Druckverhalten im Normalzustand langsamer als eine vorbestimmte Geschwindigkeit ansteigt oder abfällt.
  • ZITIERUNGSLISTE
  • Patentliteratur
  • Patentliteratur 1: JP 2013-249508 A
  • KURZFASSUNG
  • Technisches Problem
  • Nach dem Stand der Technik ist es nicht möglich, gesondert zu erkennen, ob das Leck von einem Dichtungs-Abschnitt von Rohrverbindungen usw. herrührt (externes Leck) oder auf den Bruch einer festen Polymer-Elektrolytmembran (PEM) zurückzuführen ist, die in einer Wasserelektrolysezelle bereitgestellt bzw. vorhanden ist (Querleck).
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Erkennen von externen Lecks oder Querlecks in einer Wasserelektrolysezelle zu ermöglichen.
  • Lösung des Problems
  • Als Ergebnis intensiver Studien des Erfinders der vorliegenden Offenbarung zum Stand der Technik kam er auf die Idee, dass ein auf dem Druckverhalten in der Leitung basierendes Erkennen bei einer Wasserelektrolyse-Reaktion ein Unterscheiden von externen Lecks und Querlecks bei abnormalem Druckverhalten verhindert, und er führte Mittel zum Erkennen eines Lecks ein, wobei externe Lecks und Querlecks unterschieden werden, und vervollständigte dadurch die vorliegende Offenbarung, die im Einzelnen wie folgt lautet.
  • Die vorliegende Anmeldung offenbart ein Verfahren zum Erkennen eines Lecks in einem Wasserelektrolyseur, wobei der Wasserelektrolyseur eine Wasserelektrolysezelle, die eine sauerstofferzeugende Elektrode, die auf einer Seite davon über eine Festelektrolytmembran aus Polymer angeordnet ist, und eine wasserstofferzeugende Elektrode aufweist, die auf einer anderen Seite davon angeordnet ist, einen sauerstoffseitigen Pfad, der eine Leitung aufweist, die so angeordnet ist, dass der in der Wasserelektrolysezelle erzeugte Sauerstoff darin strömen kann, und einen wasserstoffseitigen Pfad aufweist, der eine Leitung aufweist, die so angeordnet ist, dass der in der Wasserelektrolysezelle erzeugte Wasserstoff darin strömen kann, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Schließen eines in dem sauerstoffseitigen Pfad installierten Ventils und eines in dem wasserstoffseitigen Pfad installierten Ventils; Fortsetzen einer Wasserelektrolyse-Reaktion an der Wasserelektrolysezelle, und Bestimmen eines Lecks in dem sauerstoffseitigen Pfad und eines Lecks in dem wasserstoffseitigen Pfad basierend auf einer Änderung eines Innendrucks; und Bewirken bzw. Einstellen eines Differenzdrucks zwischen dem sauerstoffseitigen Pfad und dem wasserstoffseitigen Pfad, und Bestimmen eines Lecks an der Festelektrolytmembran aus Polymer basierend auf einer Änderung des Differenzdrucks.
  • Die vorliegende Anmeldung offenbart auch ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugung von Wasserstoff mit Erkennen eines periodischen Lecks gemäß dem vorgenannten Verfahren zusätzlich zur normalen Erzeugung von Wasserstoff mit der Wasserelektrolysezelle.
  • Die vorliegende Anmeldung offenbart auch ein Programm zum Erkennen eines Lecks in einem Wasserelektrolyseur, wobei der Wasserelektrolyseur eine Wasserelektrolysezelle, die eine sauerstofferzeugende Elektrode, die auf einer Seite davon über einer Festelektrolytmembran aus Polymer angeordnet ist, und eine wasserstofferzeugende Elektrode aufweist, die auf einer anderen Seite davon angeordnet ist, einen sauerstoffseitigen Pfad aufweist, der eine Leitung beinhaltet, die so angeordnet ist, dass der in der Wasserelektrolysezelle erzeugte Sauerstoff darin strömt, und einen wasserstoffseitigen Pfad, der eine Leitung beinhaltet, die so angeordnet ist, dass der in der Wasserelektrolysezelle erzeugte Wasserstoff darin strömt, wobei das Programm Folgendes aufweist: Ausführen einer Anweisung zum Schließen eines in dem sauerstoffseitigen Pfad installierten Ventils und eines in dem wasserstoffseitigen Pfad installierten Ventils; Fortsetzen einer Wasserelektrolyse-Reaktion an der Wasserelektrolysezelle und Bestimmen eines Lecks in dem sauerstoffseitigen Pfad und eines Lecks in dem wasserstoffseitigen Pfad basierend auf einer Änderung eines Innendrucks; und Einstellen eines Differenzdrucks zwischen dem sauerstoffseitigen Pfad und dem wasserstoffseitigen Pfad und Bestimmen eines Lecks an der Festelektrolytmembran basierend auf einer Änderung des Differenzdrucks.
  • Die vorliegende Anmeldung offenbart auch einen Wasserelektrolyseur, der Folgendes aufweist: eine Wasserelektrolysezelle, die eine sauerstofferzeugende Elektrode, die auf einer Seite davon über einer Festelektrolytmembran aus Polymer angeordnet ist, und eine wasserstofferzeugende Elektrode aufweist, die auf einer anderen Seite davon angeordnet ist; einen sauerstoffseitigen Pfad, der eine Leitung beinhaltet, die angeordnet ist, damit der an der Wasserelektrolysezelle erzeugte Sauerstoff darin strömen kann; einen wasserstoffseitigen Pfad, der eine Leitung beinhaltet, die angeordnet ist, damit der an der Wasserelektrolysezelle erzeugte Wasserstoff darin strömen kann; ein Ventil und ein Druckmesser, die in dem sauerstoffseitigen Pfad angeordnet sind; ein weiteres Ventil und einen weiteren Druckmesser, die im wasserstoffseitigen Pfad angeordnet sind; und ein Steuergerät, das elektrisch mit dem Ventil, dem Druckmesser, dem weiteren Ventil und dem weiteren Druckmesser verbunden ist, wobei das vorgenannte Programm zum Erkennen eines Lecks in einem Wasserelektrolyseur im Steuergerät aufgezeichnet ist und das Steuergerät basierend auf dem Programm Signale empfängt, die von dem Druckmesser und dem weiteren Druckmesser angegebene Druckwerte darstellen, und Signale sendet, die Anweisungen zum Öffnen und Schließen des Ventils und des weiteren Ventils darstellen.
  • Vorteilhafte Wirkungen
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, getrennt zu erkennen, ob ein externes Leck und ob ein Querleck in einem Wasserelektrolyseur aufgetreten ist.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Wasserelektrolyseurs 10 veranschaulicht;
    • 2 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau einer Wasserelektrolysezelle 21 veranschaulicht;
    • 3 ist eine schematische Darstellung eines Computers 50 (Steuergeräts 50);
    • 4 zeigt den Ablauf eines Verfahrens zum Erkennen eines Lecks in einem Wasserelektrolyseur S10; und
    • 5 veranschaulicht Zustände von Drücken etc. beim Erkennen eines Lecks in einem Wasserelektrolyseur.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1. Wasserelektrolyseur
  • 1 zeigt schematisch ein Wasserelektrolyseur 10 gemäß einer Ausführungsform.
  • In dieser Ausführungsform weist der Wasserelektrolyseur 10 einen Wasserelektrolysestapel 20, einen sauerstoffseitigen Pfad 30, einen wasserstoffseitigen Pfad 40, und ein Steuergerät 50 auf. Der Wasserelektrolyseur 10 ist eine Vorrichtung, um einen elektrischen Strom durch reines Wasser, das vom sauerstoffseitigen Pfad 30 den Wasserelektrolysezellen 21, mit denen der Wasserelektrolysestapel 20 ausgestattet ist, zugeführt wird, zu leiten und wodurch das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten und der erhaltene Wasserstoff getrennt in den wasserstoffseitigen Pfad 40 geleitet wird.
  • 1.1. Wasserelektrolysestapel und Wasserelektrolysezellen
  • 2 zeigt schematisch eine Funktionsweise einer der Wasserelektrolysezellen 21. Die Wasserelektrolysezelle 21 ist eine Einheit zur Zerlegung von reinem Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Eine Mehrzahl solcher Wasserelektrolysezellen 21 wird gestapelt und in den Wasserelektrolysestapel 20 eingesetzt.
  • Die Wasserelektrolysezelle 21 ist wie bekannt. In dieser Ausführungsform ist die Wasserelektrolysezelle 21 aus mehreren Schichten gebildet: eine Seite davon über einer Festelektrolytmembran 22 aus Polymer ist eine sauerstofferzeugende Elektrode (Anode), die andere Seite davon ist eine wasserstofferzeugende Elektrode (Kathode).
  • Das Material, aus dem die Festelektrolytmembran 22 aus Polymer besteht, ist ein festes Polymermaterial, und ein Beispiel dafür ist eine protonenleitfähige Ionenaustauschmembran, die aus einem Harz auf Fluorbasis, einem Harzmaterial auf Kohlenwasserstoffbasis oder ähnlichem gebildet ist. Diese weist eine ausgezeichnete Protonenleitfähigkeit (elektrische Leitfähigkeit) im nassen Zustand auf. Ein spezifischeres Beispiel ist Nafion (eingetragenes Warenzeichen), welches eine Membran aus Perfluorsulfonsäure ist.
  • Die sauerstofferzeugende Elektrode ist mit einer Sauerstoff-Elektroden-Katalysatorschicht 23, einer Sauerstoff-Elektroden-Gasdiffusionsschicht 24 und einem Sauerstoff-Elektroden-Separator 25 in dieser Reihenfolge von der Seite der Festelektrolytmembran 22 aus bereitgestellt.
  • Die Sauerstoff-Elektroden-Katalysatorschicht 23 ist eine Schicht, die einen Elektrodenkatalysator aufweist, der mindestens einen enthält, ausgewählt aus Edelmetallkatalysatoren wie Pt, Ru und Ir und deren Oxiden.
  • Die Gasdiffusionsschicht 24 der Sauerstoffelektrode ist aus einem elektrisch leitenden Element gebildet, das eine Gasdurchlässigkeit aufweist. Ein spezifisches Beispiel für ein solches Element ist ein poröses elektrisch leitendes Element, das aus einer Metallfaser oder einem Metallteilchen gebildet wird.
  • Der Separator 25 für die Sauerstoffelektrode ist ein Element, das mit Strömungswegen 25a bereitgestellt wird, durch die reines Wasser, das der Gasdiffusionsschicht 24 der Sauerstoffelektrode zugeführt werden soll, und der erhaltene Sauerstoff strömen.
  • Die wasserstofferzeugende Elektrode wird auf einer Oberfläche der Festelektrolytmembran 22 aus Polymer auf der entgegengesetzten Seite der anderen Oberfläche installiert, auf der die sauerstofferzeugende Elektrode angeordnet ist. Die wasserstofferzeugende Elektrode ist mit einer Wasserstoff-Elektroden-Katalysatorschicht 26, einer Wasserstoff-Elektroden-Gasdiffusionsschicht 27 und einem Wasserstoff-Elektroden-Separator 28 in dieser Reihenfolge von der Seite der Festelektrolytmembran 22 aus bereitgestellt.
  • Ein Beispiel für die Wasserstoff-Elektroden-Katalysatorschicht 26 ist eine Schicht, die Pt oder dergleichen enthält.
  • Die Wasserstoff-Elektroden-Gasdiffusionsschicht 27 ist aus einem elektrisch leitenden Element gebildet, das eine Gasdurchlässigkeit aufweist. Ein spezifisches Beispiel für ein solches Element ist ein poröses Element wie ein Kohlenstofftuch und ein Kohlenstoffpapier.
  • Der Wasserstoff-Elektroden-Separator 28 ist ein Element, das mit Strömungswegen 28a bereitgestellt wird, durch die der abgeschiedene Wasserstoff und das begleitende Wasser strömen.
  • Zwischen der sauerstofferzeugenden Elektrode und der wasserstofferzeugenden Elektrode wird ein elektrischer Strom geleitet, wodurch reines Wasser (H2O), das über die Strömungswege 25a des Sauerstoff-Elektroden Separators 25 der sauerstofferzeugenden Elektrode zugeführt wird, in der Sauerstoff-Elektroden Katalysatorschicht 23, die dann elektrisches Potential aufweist, in Sauerstoff, Elektronen und Protonen (H+) zerlegt wird. Zu diesem Zeitpunkt durchdringen die Protonen die Festelektrolytmembran 22 und bewegen sich zur Katalysatorschicht 26 der Wasserstoff-Elektrode. Die in der Sauerstoff-Elektroden-Katalysatorschicht 23 abgetrennten Elektronen durchdringen eine externe Schaltung, um zur Wasserstoff-Elektroden-Katalysatorschicht 26 zu gelangen. Die Protonen empfangen die Elektronen in der Wasserstoff-Elektroden-Katalysatorschicht 26, so dass Wasserstoff erzeugt wird. Der erzeugte Wasserstoff erreicht den Wasserstoff-Elektroden-Separator 28, wird über die Strömungswege 28a abgegeben und bewegt sich zum wasserstoffseitigen Pfad 40. Der in der Sauerstoff-Elektroden-Katalysatorschicht 23 abgeschiedene Sauerstoff erreicht den Sauerstoff-Elektroden-Separator 25, wird über den Strömungsweg 25a abgegeben und bewegt sich zum sauerstoffseitigen Pfad 30.
  • 1.2. Sauerstoffseitiger Pfad (Pfad zur Wasserversorgung)
  • Der sauerstoffseitige Pfad (Pfad zur Wasserversorgung) 30 ist ein Pfad, der dazu dient, dem Wasserelektrolysestapel 20 reines Wasser zuzuführen und Sauerstoff zu erhalten, und der eine Leitung beinhaltet. Im sauerstoffseitigen Pfad 30 wird dem Wasserelektrolysestapel 20 von einer Pumpe 31 reines Wasser zugeführt, und erzeugter Sauerstoff und ungenutztes Wasser werden aus dem Wasserelektrolysestapel 20 abgegeben und einem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 32 zugeführt. In dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 32 werden reines Wasser und Sauerstoff abgetrennt. Der abgetrennte Sauerstoff wird abgegeben, und das Reinwasser wird wieder der Pumpe 31 zugeführt. Wenn das der Pumpe 31 zuzuführende Reinwasser zur Neige geht, wird von einer Pumpe 33 reines Wasser in den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 32 geleitet. Diese Geräte sind über die Leitung verbunden.
  • Im sauerstoffseitigen Pfad 30 ist ein Ventil 34 (in dieser Ausführungsform ein Magnetventil) zwischen einer Abgabestelle des Wasserelektrolysestapels 20 und dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 32 angeordnet; ferner ist ein Druckmesser 35 zwischen dem Ventil 34 und der Abgabestelle des Wasserelektrolysestapels 20 bereitgestellt.
  • 1.3. Wasserstoffseitiger Pfad
  • Der wasserstoffseitige Pfad 40 ist ein Pfad, der eine Leitung beinhaltet, um den im Wasserelektrolysestapel 20 abgetrennten Wasserstoff zu entnehmen. Im wasserstoffseitigen Pfad 40 wird der aus dem Wasserelektrolysestapel 20 abgegebene Wasserstoff und Wasser (Reinwasser) einem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 41 zugeführt. In dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 41 werden Wasser und Wasserstoff abgetrennt. Der abgetrennte Wasserstoff wird gesammelt; das Wasser wird mit einer Pumpe 42 zum Gas-Flüssigkeits-Abscheider 32 im sauerstoffseitigen Pfad 30 geleitet und wieder verwertet. Diese Geräte sind über die Leitung verbunden.
  • Im wasserstoffseitigen Pfad 40 ist ein Ventil 43 (in dieser Ausführungsform ein Magnetventil) zwischen einer Abgabestelle des Wasserelektrolysestapels 20 und dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 41 angeordnet; und zwischen dem Ventil 43 und der Abgabestelle des Wasserelektrolysestapels 20 ist ferner ein Druckmesser 44 bereitgestellt.
  • 1.4. Steuergerät
  • Das Steuergerät 50 ist ein Steuergerät zum Durchführen eines Verfahrens zum Erkennen eines Lecks in einem Wasserelektrolyseur 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Modus des Steuergeräts 50 ist nicht besonders beschränkt, aber das Steuergerät 50 kann typischerweise durch einen Computer konfiguriert werden. 3 zeigt schematisch ein Beispiel für die Konfiguration eines Computers 50 als Steuergerät 50.
  • Der Computer 50 ist mit einer CPU (zentrale Verarbeitungseinheit) 51, die ein Prozessor ist, einem RAM (Direktzugriffsspeicher) 52, der als Arbeitsbereich in Betrieb ist, einem ROM (Nur-Lese-Speicher) 53 als Speichermedium, einer Empfangseinheit 54, die eine Schnittstelle für den Computer 50 ist, um sowohl verdrahtete als auch drahtlose Informationen zu empfangen, und einer Ausgabeeinheit 55, die eine Schnittstelle für den Computer 50 ist, um sowohl verdrahtete als auch drahtlose Informationen nach außen zu übertragen, bereitgestellt.
  • Das Druckmesser 35 im sauerstoffseitigen Pfad 30 und das Druckmesser 44 im wasserstoffseitigen Pfad 40 sind elektrisch mit der Empfangseinheit 54 verbunden, so dass die Empfangseinheit 54 so konfiguriert ist, dass sie den Wert jedes Messgeräts (den von diesem angegebenen Druck) als Signal empfangen kann.
  • Das Ventil 34 im sauerstoffseitigen Pfad 30 und das Ventil 43 im wasserstoffseitigen Pfad 40 sind elektrisch mit der Ausgabeeinheit 55 verbunden. Das Öffnen und Schließen dieser Ventile 34 und 43 wird durch Signale des Controllers 50 gesteuert.
  • Ein Computerprogramm zum Ausführen der Schritte des Verfahrens zum Erkennen eines Lecks in einem Wasserelektrolyseur gemäß der vorliegenden Beschreibung ist in dem Computer 50 als spezifische Anweisungen gespeichert. In dem Computer 50 arbeiten die CPU 51, der RAM 52 und der ROM 53 als Hardware-Ressourcen mit dem Computerprogramm zusammen. Konkret führt die CPU 51 in dem als Arbeitsbereich betriebenen RAM 52 das im ROM 53 aufgezeichnete Computerprogramm basierend auf den über die Empfangseinheit 54 erfassten, die Druckwerte darstellenden Signalen der Druckmesser 35 und 44 aus und setzt dadurch den Betrieb um. Die von der CPU 51 erfassten oder erzeugten Informationen werden im RAM 52 gespeichert. Die Signale des Öffnens und Schließens werden basierend auf den Schritten des Verfahrens zum Erkennen eines Lecks in einem Wasserelektrolyseur gemäß der vorliegenden Erfindung gegebenenfalls auch über die Ausgabeeinheit 55 an die Ventile 34 und 43 übermittelt.
  • Nachfolgend wird das Verfahren zum Erkennen eines Lecks in einem Wasserelektrolyseur konkret beschrieben.
  • 2. Verfahren zum Erkennen eines Lecks in einem Wasserelektrolyseur
  • 4 zeigt ein Ablauf eines Verfahrens zum Erkennen eines Lecks in einem Wasserelektrolyseur S 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung (im Folgenden als „Erkennungsverfahren S10“ bezeichnet). Wie in 4 zu sehen ist, beinhaltet das Erkennungsverfahren S10 die Schritte S 11 bis S22. Das vorgenannte, im Steuergerät 50 gespeicherte Computerprogramm beinhaltet spezifische Anweisungen für den Computer, um jeden der Schritte in diesem Erkennungsverfahren S10 auszuführen.
  • 5 zeigt ein Beispiel für den Übergang des Drucks, der von dem in dem sauerstoffseitigen Pfad 30 installierten Druckmesser 35 angegeben wird, ein Beispiel für den Übergang des Drucks, der von dem in dem wasserstoffseitigen Pfad 40 installierten Druckmesser 44 angegeben wird, und ein Beispiel für den Übergang eines elektrischen Stroms, der für die Wasserelektrolyse geleitet wird, in dem Verfahren S10. In 5 zeigt die horizontale Achse die abgelaufene Zeit.
  • 2.1. Schritt S11
  • Im Schritt S11 werden das im sauerstoffseitigen Pfad 30 installierte Ventil 34 und das im wasserstoffseitigen Pfad 40 installierte Ventil 43 geschlossen. Dies entspricht dem Ablauf der Zeit von t0 bis t1 in 5. Hier sind nur die Ventile 34 und 43 geschlossen, aber es wird kein elektrischer Strom geleitet. Somit sind die durch die Druckmesser 35 und 44 angegebenen Drücke jeweils konstant.
  • 2.2. Schritt S 12
  • Im Schritt S12 wird ein elektrischer Strom geleitet, um eine Wasserelektrolyse-Reaktion auszulösen. Diese entspricht der abgelaufenen Zeit von t1 bis t2. Hier wird ein konstanter elektrischer Strom geleitet, auf den eine Wasserelektrolyse-Reaktion folgt, wodurch Wasserstoff und Sauerstoff (heißt: Gas) erzeugt werden. Daher erhöhen sich die von den Druckmessern 35 und 44 angegebenen Drücke jeweils allmählich.
  • 2.3. Schritt S13
  • Im Schritt S13 wird das Durchleiten eines elektrischen Stroms gestoppt, wenn die Druckmesser 35 und 44 jeweils einen vorbestimmten Druck angeben (wenn der Innendruck einen vorbestimmten Druck erreicht), so dass die Wasserelektrolyse-Reaktion gestoppt wird. Dies entspricht der abgelaufenen Zeit t2. Dies stoppt die Gaserzeugung, so dass die Drücke nicht mehr ansteigen.
  • 2.4. Schritt S14
  • Im Schritt S14 wird während einer vorbestimmten Zeit (Ablauf unmittelbar nach t2 bis t3) eine Änderung des von jedem der Druckmesser 35 und 44 angegebenen Drucks (Änderung des Innendrucks) gemessen.
  • 2.5. Schritte S15 und S16
  • Im Schritt S15 wird bestimmt, ob die im Schritt S14 gemessene Änderung des Innendrucks in einem Bereich von Schwellenwerten liegt.
  • Wenn sich der Innendruck auf außerhalb des Bereichs der Schwellenwerte ändert (verringert), wird Nein gewählt. Dies ist z. B. der Fall, wenn sich der Druck wie durch die gestrichelten Linien zwischen t2 und t3 in 5 angegeben ändert. In diesem Fall ist mindestens ein externes Leck zu verzeichnen. Das Verfahren fährt also mit dem Schritt S16 fort, und es wird bestimmt, dass ein externes Leck aufgetreten ist. Im Schritt S16 wird dem Außenstehenden, z.B. auf einem Display, mitgeteilt, dass ein externes Leck aufgetreten ist.
  • Wenn sich der Innendruck nicht auf außerhalb des Bereich der Schwellenwerte ändert, wird Ja gewählt. Dies ist zum Beispiel der Übergang, wie er durch die durchgezogenen Linien zwischen t2 und t3 in 5 angegeben ist. In diesem Fall ist mindestens das externe Leck nicht aufgetreten, und somit geht das Verfahren zum Schritt S17 über.
  • 2.6. Schritt S17
  • Im Schritt S17 wird der Druck im sauerstoffseitigen Pfad 30 oder im wasserstoffseitigen Pfad 40 verringert, um eine Druckdifferenz (Differenzdruck) zwischen dem sauerstoffseitigen Pfad 30 und dem wasserstoffseitigen Pfad 40 zu bewirken, was insbesondere durch das Öffnen des Ventils 34 bzw. 43 durchgeführt werden kann. Dies entspricht der verstrichenen Zeit t3 im Beispiel von 5. Hier wird das Ventil 34 auf der Sauerstoffpfadseite geöffnet. In 5 gibt der Druckmesser 44 auch weiter einen hohen Druck an, während sich der vom Druckmesser 35 angegebene Druck verringert.
  • 2.7. Schritt S18
  • Im Schritt S18 wird eine Änderung zu einem höheren Druck unter den Drücken, bei denen die Druckdifferenz im Schritt S17 eingestellt wurde (Änderung des Innendrucks), während einer vorbestimmten Zeit (Ablaufzeit unmittelbar nach t3 bis t4) gemessen. Im Beispiel von 5 ist dies die Änderung des Drucks im wasserstoffseitigen Pfad 40 (angegeben durch das Druckmesser 44).
  • 2.8. Schritt S19, S20 und S21
  • Im Schritt S19 wird bestimmt, ob die im Schritt S18 gemessene Änderung des Innendrucks in einem Bereich von Schwellenwerten liegt.
  • Wenn sich der Innendruck nach außerhalb des Bereichs der Schwellenwerte ändert (verringert), wird Nein gewählt. Dies ist z. B. der Fall, wenn sich der Druck wie durch die gestrichelte Linie zwischen t3 und t4 in 5 angegeben ändert. In diesem Fall ist ein Querleck aus der Festelektrolytmembran 22 des Polymers aufgetreten. Somit geht das Verfahren zum Schritt S20 über, und es wird bestimmt, dass ein Querleck aufgetreten ist. Im Schritt S20 wird der Außenwelt mitgeteilt, dass ein Querleck aufgetreten ist, zum Beispiel auf einem Display.
  • Wenn sich der Innendruck nicht nach auserhalb des Bereichs der Schwellenwerte heraus verändert, wird Ja ausgewählt. Dies ist zum Beispiel der Übergang, der durch die durchgezogene Linie zwischen t3 und t4 in 5 angegeben ist. In diesem Fall ist kein Querleck aufgetreten, so dass das Verfahren zum Schritt S21 weitergeht. In dem Schritt S21 wird bestimmt, dass kein Querleck aufgetreten ist. Im Schritt S21 wird der Außenwelt, z.B. auf ein Display, mitgeteilt, dass kein Leck ist aufgetreten, da aus jedem der bisherigen Schritte deutlich wird, dass weder ein externes Leck noch ein Querleck aufgetreten ist.
  • 2.9. Schritt S22
  • Im Schritt S22 wird der unter den Drücken im sauerstoffseitigen Pfad 30 und dem wasserstoffseitigen Pfad 40 im Schritt S17 nicht verringerte Druck nach den Schritten S20 und S21 verringert (druckentlastet), um das Erkennen eines Lecks in der Wasserelektrolysevorrichtung zu beenden, was insbesondere durch Öffnen eines noch geschlossenen Ventils unter den Ventilen 34 und 43 durchgeführt werden kann. Dies entspricht der abgelaufenen Zeit t4 im Beispiel von 5. Hier wird das Ventil 43 im wasserstoffseitigen Pfad 40 geöffnet. Daher verringert sich der vom Druckmesser 44 in 5 angegebene Druck.
  • Damit ist das Erkennen beendet.
  • 3. Wirkungen etc.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, getrennt zu erkennen, ob ein externes Leck und ob ein Querleck in einem Wasserelektrolyseur aufgetreten ist. Die vorliegende Erfindung, die mit dem Steuergerät 50 bereitgestellt wird, ermöglicht auch, ein solches Erkennen automatisch mit einem Computerprogramm durchzuführen.
  • Eine solche Erkennung kann ein Verfahren zum periodischen Erkennen eines Lecks durch das Verfahren zum Erkennen eines Lecks in einem Wasserelektrolyseur gemäß der vorliegenden Offenbarung zusätzlich zum normalen Herstellen von Wasserstoff mit Wasserelektrolysezellen bieten, was es ermöglicht, das Auftreten eines Lecks und die Ursache des Lecks schnell zu erfassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Wasserelektrolyseur
    20
    Wasserelektrolysestapel
    21
    Wasserelektrolysezelle
    30
    sauerstoffseitiger Pfad (Pfad zur Wasserversorgung)
    34
    Ventil
    35
    Druckmesser
    40
    wasserstoffseitiger Pfad
    43
    Ventil
    44
    Druckmesser
    50
    Steuergerät
  • 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
    • JP 2013249508 A [0003]

Claims (4)

  1. Verfahren zum Erkennen eines Lecks in einem Wasserelektrolyseur, wobei der Wasserelektrolyseur eine Wasserelektrolysezelle, die eine sauerstofferzeugende Elektrode, die auf einer Seite davon über einer Festelektrolytmembran aus Polymer angeordnet ist, und eine wasserstofferzeugende Elektrode aufweist, die auf einer anderen Seite davon angeordnet ist, einen sauerstoffseitigen Pfad, der eine Leitung beinhaltet, die so angeordnet ist, dass der in der Wasserelektrolysezelle erzeugte Sauerstoff darin strömt, und einen wasserstoffseitigen Pfad aufweist, der eine Leitung beinhaltet, die so angeordnet ist, dass der in der Wasserelektrolysezelle erzeugte Wasserstoff darin strömt, wobei das Verfahren umfasst: Schließen eines im sauerstoffseitigen Pfad installierten Ventils, und eines im wasserstoffseitigen Pfad installierten Ventils; Fortsetzen einer Wasserelektrolyse-Reaktion an der Wasserelektrolysezelle und Bestimmen eines Lecks in dem sauerstoffseitigen Pfad und eines Lecks in dem wasserstoffseitigen Pfad basierend auf einer Änderung eines Innendrucks; und Einstellen eines Differenzdrucks zwischen dem sauerstoffseitigen Pfad und dem wasserstoffseitigen Pfad, und Bestimmen eines Lecks an der Festelektrolytmembran basierend auf einer Änderung des Differenzdrucks.
  2. Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen von Wasserstoff mit periodischem Erkennen eines Lecks nach dem in Anspruch 1 definierten Verfahren zusätzlich zum normalen Erzeugen von Wasserstoff mit der in Anspruch 1 definierten Wasserelektrolysezelle.
  3. Programm zum Erkennen eines Lecks in einem Wasserelektrolyseur, wobei der Wasserelektrolyseur eine Wasserelektrolysezelle, die eine sauerstofferzeugende Elektrode, die auf einer Seite davon über einer Festelektrolytmembran aus Polymer angeordnet ist, und eine wasserstofferzeugende Elektrode aufweist, die auf einer anderen Seite davon angeordnet ist, einen sauerstoffseitigen Pfad, der eine Leitung beinhaltet, die so angeordnet ist, dass in der Wasserelektrolysezelle erzeugter Sauerstoff darin strömt, und einen wasserstoffseitigen Pfad aufweist, der eine Leitung beinhaltet, die so angeordnet ist, dass in der Wasserelektrolysezelle erzeugter Wasserstoff darin strömt, wobei das Programm beinhaltet: Ausführen einer Anweisung zum Schließen eines in dem sauerstoffseitigen Pfad installierten Ventils und eines in dem wasserstoffseitigen Pfad installierten Ventils; Fortsetzen einer Wasserelektrolyse-Reaktion an der Wasserelektrolysezelle und Bestimmen eines Lecks in dem sauerstoffseitigen Pfad und eines Lecks in dem wasserstoffseitigen Pfad basierend auf einer Änderung eines Innendrucks; und Einstellen eines Differenzdrucks zwischen dem sauerstoffseitigen Pfad und dem wasserstoffseitigen Pfad, und Bestimmen eines Lecks an der Festelektrolytmembran basierend auf einer Änderung des Differenzdrucks.
  4. Ein Wasserelektrolyseur, der aufweist: eine Wasserelektrolysezelle, die eine sauerstofferzeugende Elektrode, die auf einer Seite davon über einer Festelektrolytmembran aus Polymer angeordnet ist, und eine wasserstofferzeugende Elektrode aufweist, die auf einer anderen Seite davon angeordnet ist; einen sauerstoffseitigen Pfad, der eine Leitung beinhaltet, die so angeordnet ist, dass der in der Wasserelektrolysezelle erzeugte Sauerstoff darin strömen kann; einen wasserstoffseitigen Pfad, der eine Leitung beinhaltet, die so angeordnet ist, dass der in der Wasserelektrolysezelle erzeugte Wasserstoff darin strömt; ein Ventil und ein Druckmesser, die in dem sauerstoffseitigen Pfad angeordnet sind; ein weiteres Ventil und ein weiteres Druckmesser, die im wasserstoffseitigen Pfad angeordnet sind; und ein Steuergerät, das elektrisch mit dem Ventil, dem Druckmesser, dem anderen Ventil und dem anderen Druckmesser verbunden ist, wobei das in Anspruch 3 definierte Programm zum Erkennen eines Lecks in einem Wasserelektrolyseur in dem Steuergerät aufgezeichnet ist, und basierend auf dem Programm, das Steuergerät Signale empfängt, die von dem Druckmesser und dem anderen Druckmesser angegebene Druckwerte darstellen, und Signale sendet, die Anweisungen zum Öffnen und Schließen des Ventils und des anderen Ventils darstellen.
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