DE102022130188A1

DE102022130188A1 - Elektrolyseanlage und verfahren zur spaltung von prozesswasser

Info

Publication number: DE102022130188A1
Application number: DE102022130188.5A
Authority: DE
Inventors: Frank Hoffmann; Damon Quasravie
Original assignee: Rwe Tech International GmbH; RWE Technology International GmbH
Current assignee: Rwe Tech International GmbH; RWE Technology International GmbH
Priority date: 2022-11-15
Filing date: 2022-11-15
Publication date: 2024-05-16
Also published as: WO2024104908A1

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist eine Elektrolyseanlage (12) zur elektrochemischen Spaltung von Prozesswasser (10) in molekularen Sauerstoff (O2) und molekularen Wasserstoff (H2), mit einer Elektrolyseureinheit (13) umfassend eine Mehrzahl von Elektrolyseurstacks (1) zur Spaltung von Prozesswasser (10), wobei die Elektrolyseurstacks (1) jeweils eine Vielzahl von zu einem Stapel (S) gestapelten elektrochemischen Zellen (2) aufweisen und wobei die elektrochemischen Zellen (2) über eine Protonen-Austausch-Membran (PEM - Proton Exchange Membrane) (9) separierte Elektroden (7,8) aufweisen. Damit große Mengen Wasserstoff wirtschaftlicher erzeugt werden können, ist vorgesehen, dass wenigstens ein mehrere Elektrolyseurstacks (1) umfassender Prozesswasserkreislauf (16) der Elektrolyseureinheit (13) zum Rückführen von nicht in den mehreren Elektrolyseurstacks (1) umgesetztem Prozesswasser (10) zu den mehreren Elektrolyseurstacks (1) vorgesehen ist und dass der wenigstens eine Prozesswasserkreislauf (16) der Elektrolyseureinheit (13) zum Austausch von Prozesswasser (10) mit einem Reinigungskreislauf (19) für Prozesswasser (10) umfassend wenigstens einen Mischbettfilter (22) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseanlage zur elektrochemischen Spaltung von Prozesswasser in molekularen Sauerstoff und molekularen Wasserstoff, mit einer Elektrolyseureinheit umfassend eine Mehrzahl von Elektrolyseurstacks zur Spaltung von Prozesswasser, wobei die Elektrolyseurstacks jeweils eine Vielzahl von zu einem Stapel gestapelten elektrochemischen Zellen aufweisen und wobei die elektrochemischen Zellen über eine Protonen-Austausch-Membran (PEM - Proton Exchange Membrane) separierte Elektroden aufweisen.
Durch die zunehmende Abkehr von fossilen Energieträgern gewinnt regenerativ hergestellter Wasserstoff zunehmend Bedeutung. Die regenerative Herstellung von Wasserstoff beruht derzeit im Wesentlichen auf der Wasserelektrolyse mittels regenerativ erzeugtem Strom. Für eine effiziente Umwandlung von Strom in Wasserstoff werden grundsätzlich elektrochemische Zellen bevorzugt, die zu Stapeln, mithin Zellstapeln, sogenannten Zellstacks, gestapelt werden. Man spricht bei diesen Zellen und Zellstacks auch von Elektrolyseurzellen und Elektrolyseurstacks. Die Elektrolyseurzellen umfassen dabei zwei Halbzellen mit jeweils einer Elektrode, wobei die Elektroden durch Protonen-Austausch-Membran (PEM - Proton Exchange Membrane) separiert sein können. Die PEM erlauben einen Protonentransport zwischen den Elektroden einer Elektrolyseurzelle, wenn an die Elektroden der Elektrolysezellen eine hinreichende Spannung angelegt wird. Infolge der angelegten Spannung dissoziiert durch die Zelle geleitetes Prozesswasser an einer Elektrode in molekularen Sauerstoff und ein Proton (Wasserstoff-Ion). Die Protonen bilden nach dem Übertritt über die PEM an der anderen Elektrode unter Aufnahme von Elektronen molekularen Wasserstoff. Dieses Prinzip ist im Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Um sehr große Mengen an Wasserstoff zu produzieren, bedarf es einer Mehrzahl von Elektrolyseurstacks, die zusammen in einer Elektrolyseeinheit der Elektrolyseanlage betrieben werden. Elektrolyseurstacks können nämlich aus technischen Gründen schlicht nicht beliebig groß ausgebildet werden. Sowohl die Elektrodenfläche als auch die Anzahl der Zellen unterliegen gewissen Beschränkungen, insbesondere wenn ein wirtschaftlicher und zuverlässiger Betrieb des Elektrolyseurstacks beabsichtigt ist. Allerdings führt das Betreiben von mehreren Elektrolyseurstacks ebenfalls zu erhöhten spezifischen Kosten, jedenfalls bei einer entsprechend großen Anzahl an Elektrolyseuren der Elektrolyseanlage. Zudem muss sichergestellt werden, dass die Elektrolyseurstacks mit sehr reinem Wasser betrieben werden, das auch als Reinstwasser bezeichnet werden kann. Dieses Reinstwasser kann auf unterschiedliche Weisen erzeugt werden. Aus wirtschaftlichen Gründen bietet sich dazu die Vollentsalzung bzw. Deionisation von Leitungswasser an. In entsprechender Weise behandeltes Wasser wird auch als vollentsalztes Wasser oder kurz VE-Wasser bezeichnet. Anlagen zur Vollentsalzung bzw. Deionisation sind aus dem Stand der Technik in diesem und in anderen Zusammenhängen bekannt.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Elektrolyseanlage und das Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass große Mengen Wasserstoff wirtschaftlicher erzeugt werden können.
Diese Aufgabe ist bei einer Elektrolyseanlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass wenigstens ein mehrere Elektrolyseurstacks umfassender Prozesswasserkreislauf der Elektrolyseureinheit zum Rückführen von nicht in den mehreren Elektrolyseurstacks umgesetztem Prozesswasser zu den mehreren Elektrolyseurstacks vorgesehen ist und dass der wenigstens eine Prozesswasserkreislauf der Elektrolyseureinheit zum Austausch von Prozesswasser mit einem Reinigungskreislauf für Prozesswasser umfassend wenigstens einen Mischbettfilter verbunden ist.
Die genannte Aufgabe ist ferner gemäß Anspruch 12 gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage, bei dem die Elektrolyseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
Es wird also vorgeschlagen, mehrere Elektrolyseurstacks der Elektrolyseureinheit in einem gemeinsamen Prozesswasserkreislauf zusammenzuführen. Der eine Prozesswasserkreislauf sorgt dabei dafür, dass das aus den entsprechenden Elektrolyseurstacks austretende Prozesswasser zusammen zurückgeführt wird, um das in den Elektrolyseurstacks nicht umgesetzte Prozesswasser den Elektrolyseurstacks erneut zuzuführen. Dabei muss das Prozesswasser zunächst gesammelt und anschließend wieder auf die Elektrolyseurstacks aufgeteilt werden. Mithin ist ein zusätzlicher konstruktiver und apparativer Aufwand erforderlich.
Dieser Zusätzliche konstruktive und apparative Aufwand wäre eigentlich zu vermeiden, um einen wirtschaftlicheren Betrieb der Elektrolyseanlage zu erreichen. Tatsächlich ermöglicht dieser zusätzliche Aufwand jedoch, den wenigstens einen Prozesswasserkreislauf der Elektrolyseureinheit zum Austausch von Prozesswasser mit einem Reinigungskreislauf für Prozesswasser zu verbinden, der wenigstens einen Mischbettfilter aufweist. So kann das im Kreislauf geführte Prozesswasser mehrerer Elektrolyseurstacks gemeinsam in einem gemeinsamen Reinigungskreislauf gereinigt und anschließend wieder auf die unterschiedlichen Elektrolyseurstacks aufgeteilt werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Elektrolyseurstacks mit hinreichend reinem Prozesswasser betrieben werden. Effizienzeinbußen infolge von Verunreinigungen des Prozesswassers können mithin vermieden und die Wirtschaftlichkeit der Elektrolyseanlage gesteigert werden. Zudem kann die Reinigung des Prozesswassers in einer effizienten und daher wirtschaftlich bevorzugten Weise erfolgen.
Die vorliegend besonders relevanten Verunreinigungen stellen im Prozesswasser gelöste Ionen dar. Auch wenn die Elektrolyseanlage mit Reinstwasser betrieben wird, reichern sich über die Zeit dennoch Ionen im Prozesswasser an, die beispielsweise aus der Elektrolyseanlage herausgewaschen werden. Diese Ionen können die Funktion der PEM der Elektrolyseurzellen beeinträchtigen. Mittels des vorgesehenen und mit dem wenigstens einen Prozesswasserkreislauf verbundenen Reinigungskreislaufs kann eine Anreicherung von Ionen im Prozesswasser sicher und mit geringem Aufwand für eine große Zahl von Elektrolyseurstacks verhindert werden.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung der Elektrolyseanlage umfasst der Prozesswasserkreislauf der Elektrolyseureinheit alle Elektrolyseurstacks der Elektrolyseanlage. Es werden dann alle Elektrolyseurstacks in einem Prozesswasserkreislauf zusammengefasst. Das Prozesswasser des Prozesswasserkreislaufs kann dann in gewünschter Weise über alle Elektrolyseurstacks verteilt und von allen Elektolyseurstacks zusammengeführt werden. Dies dient letztlich einem gleichmäßigeren Anlagenbetrieb und führt zu einem geringen apparativen Aufwand, um einen gleichmäßigen Anlagenbetrieb sicherzustellen. Alternativ oder zusätzlich können allen Elektrolyseurstacks der Elektrolyseanlage mit dem wenigstens einen Reinigungskreislauf verbunden sein. So kann das Prozesswasser für alle Elektrolyseurstacks in geeigneter Weise aufbereitet werden. Dabei bietet es sich besonders an, wenn alle Elektrolyseurstacks mit einem einzigen Reinigungskreislauf verbunden sind. Es können dann Reinigungskreisläufe eingespart werden, auch wenn der einzige Reinigungskreislauf größer dimensioniert werden muss. So wird zudem auch ein gleichmäßigerer Anlagenbetrieb erreicht, der zuverlässiger geregelt werden kann.
Der wenigstens eine Reinigungskreislauf kann wenigstens zwei Mischbettfilter aufweisen. So kann sichergestellt werden, dass stets eine ausreichende Menge von Ionen aus dem Prozesswasser abgeschieden wird, selbst wenn es zu Betriebsstörungen in einem Mischbettfilter kommt. Dies ist insbesondere dann zuverlässig möglich, wenn die wenigstens zwei Mischbettfilter in Reihe betrieben werden. Alternativ oder zusätzlich kann es sich aber auch anbieten, wenn wenigstens zwei Mischbettfilter parallel zueinander von Prozesswasser durchströmbar vorgesehen werden. Dann kann eine entsprechende Redundanz geschaffen werden, die es beispielsweise erlaubt, wenigstens einen Mischbettfilter zu regenerieren, während wenigstens ein anderer Mischbettfilter die Reinigung des Prozesswassers übernimmt und sicherstellt.
Besonders hohe Reinheiten des Prozesswassers können zudem einfach und zuverlässig erreicht werden, wenn der wenigstens eine Mischbettfilter ein Anionenaustauscherharz zur Abscheidung von Fluoridionen und/oder anderen Anionen aus dem Prozesswasser aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der wenigstens eine Mischbettfilter auch ein Kationenaustauscherharz zur Abscheidung von Kationen aus dem Prozesswasser aufweisen. Je nach der Anzahl der betriebenen Mischbettfilter können einzelne Mischbettfilter mit einem Anionenaustauscherharz und andere Mischbettfilter mit einem Kationenaustauscherharz ausgestattet sein. Denkbar und in vielen Fällen bevorzugt wird es jedoch sein, wenn der wenigstens eine Mischbettfilter sowohl ein Anionenaustauscherharz als auch ein Kationenaustauscherharz aufweist. Dann kann das Verhältnis von Anionenaustauscherharz zu Kationenaustauscherharz je nach Anwendungsfall gezielt und damit effizient eingestellt werden.
Bei den Ionenaustauscherharzen handelt es sich bevorzugt um Harze auf Polystyrolbasis, die mit Divinylbenzolgruppen vernetzt werden. Die Harzoberflächen sind dabei mit funktionalen Gruppen für den Ionenaustausch belegt, die H⁺-Ionen und OH--Ionen im Austausch gegen Kationen und Anionen im Prozesswasser abgeben. Beispielsweise können Sulfonsäuregruppen für den Kationenaustausch und quarternäre Ammoniumverbindungen für den Anionenaustausch vorgesehen sein.
Um einen Eintrag von unerwünschten Ionen in die Elektrolyseanlage von vornherein zu vermeiden, kann die Elektrolyseanlage einen Reinstwasseranschluss zur Zuführung von Reinstwasser aufweisen. Dieser Reinstwasseranschluss kann dann im Reinigungskreislauf vorgesehen sein, so dass das Reinstwasser sicherheitshalber zunächst über den wenigstens einen Mischbettfilter geleitet wird, bevor das zugeführte Reinstwasser in einen Elektrolyseurstack gelangt. Da in der Elektrolyseanlage Ionen ausgewaschen werden können oder andere Verunreinigungen möglich sind, wird das Wasser in der Elektrolyseanlage als Prozesswasser bezeichnet. Die Bezeichnung des Reinstwassers als solches bringt dabei zum Ausdruck, dass es sich dabei um besonders reines Wasser handelt, wie etwa vollentsalztes oder deionisiertes Wasser. Eine versehentliche Kontamination von Elektrolyseurstacks durch das Reinstwasser, wenn dessen Qualität zu wünschen übrig lässt, kann vermieden werden, wenn der wenigstens eine Mischbettfilter im Reinigungskreislauf in Strömungsrichtung des Prozesswassers zwischen dem Reinstwasseranschluss und dem wenigstens einen Prozesswasserkreislauf angeordnet ist. Wenn der wenigstens eine Mischbettfilter hinreichend leistungsfähig ist, kann auf das Zuführen von Reinstwasser, wie beispielsweise VE-Wasser verzichtet werden. Dann kann auch Wasser mit einer geringeren Reinheit zugeführt werden. Dies kann beispielsweise Leitungswasser oder Wasser aus einer Umkehrosmose sein.
Damit der Reinigungskreislauf verhältnismäßig klein ausgebildet und kostengünstig betrieben werden kann, bietet es sich an, wenn der Reinstwasseranschluss zum Zuführen von vollentsalztem Wasser (VE-Wasser) ausgebildet ist. Dies lässt sich zudem einfach erreichen, wenn der Reinstwasseranschluss mit einer Quelle von vollentsalztem Wasser verbunden ist. Wenn Reinstwasser, etwa VE-Wasser, nicht oder nur mit einem hohen Aufwand bereitgestellt werden kann, kann es sich anbieten, den wenigstens einen Mischbettfilter hinreichend leistungsfähig auszubilden, um auch Wasser einer geringeren Reinheit nutzen zu können. Dies kann beispielsweise Leitungswasser oder Wasser aus einer Umkehrosmose sein.
Die Betriebssicherheit der Elektrolyseanlage kann erhöht werden, wenn der wenigstens eine Prozesswasserkreislauf der Elektrolyseureinheit und der Reinigungskreislauf über einen Vorlagebehälter miteinander verbunden sind. Dies dient insbesondere einem gleichmäßigeren Betrieb und ermöglicht damit einen kleineren Reinigungskreislauf. Alternativ oder zusätzlich können zudem der Reinstwasseranschluss und der wenigstens eine Reinigungskreislauf über einen Vorlagebehälter miteinander verbunden sein. Auch dies dient einem gleichmäßigeren Betrieb der Elektrolyseanlage und einem kleiner dimensionierten Reinigungskreislauf. Alternativ oder zusätzlich kann im Reinigungskreislauf ein Vorlagebehälter, etwa für Reinstwasser, wie beispielsweise VE-Wasser, und im Prozesswasserkreislauf ein Prozesswassersammelbehälter für Prozesswasser jeweils vor der Verbindung zwischen dem Reinigungskreislauf und dem Prozesswasserkreislauf vorgesehen sein. So steht bedarfsweise Reinstwasser zur Regeneration des wenigstens einen Mischbettfilters zur Verfügung. Um den Prozesswasserkreislauf aufrechtzuerhalten und verbrauchtes Prozesswasser durch Reinstwasser ersetzen zu können, kann zwischen dem Vorlagebehälter und der Verbindung zwischen dem Reinigungskreislauf und dem Prozesswasserkreislauf und zwischen dem Prozesswassersammelbehälter und der Verbindung zwischen dem Reinigungskreislauf und dem Prozesswasserkreislauf jeweils eine Pumpe für Reinstwasser und Prozesswasser vorgesehen sein.
Einer weiteren apparativen und verfahrensmäßigen Vereinfachung kann es dienlich sein, wenn wenigstens eine Wasserstoffaufbereitung zum Trennen von molekularem Wasserstoff und Prozesswasser mit wenigstens einem Elektrolyseurstack verbunden ist. Der erzeugte molekulare Wasserstoff verlässt den Elektrolyseur regelmäßig wassergesättigt und verunreinigt mit geringen Mengen an Sauerstoff, so dass eine Wasserstoffaufbereitung zweckmäßig ist, in der der Sauerstoff mit Wasserstoff katalytisch zu Wasser umgesetzt und das Wasser insgesamt abgeschieden wird. So kann der Wasserstoff möglichst rein abgegeben und das Prozesswasser möglichst umfangreich zurückgewonnen werden. Dabei ist es apparativ und verfahrensmäßig besonders einfach, wenn mit mehreren Elektrolyseurstacks, insbesondere allen Elektrolyseurstacks, der Elektrolyseanlage eine gemeinsame Wasserstoffaufbereitung zum Umsetzen von restlichem Sauerstoff und zum Trennen von molekularem Wasserstoff und Prozesswasser verbunden ist. Bedarfsweise kann also eine einzige Wasserstoffaufbereitung ausreichen. Unabhängig davon kann die wenigstens eine Wasserstoffaufbereitung zum Rückführen des in der Wasserstoffaufbereitung abgetrennten Prozesswassers über eine Prozesswasserrückführung mit dem wenigstens einen Reinigungskreislauf verbunden sein. So wird eine einfache Prozesswasserrückgewinnung ermöglicht und ein Verlust von Prozesswasser vermieden.
Ein geeignetes Ausschleusen von molekularem Sauerstoff kann erreicht werden, wenn in dem wenigstens einen Prozesswasserkreislauf der Elektrolyseureinheit wenigstens eine Sauerstoffaufbereitung zum Trennen von molekularem Sauerstoff und Prozesswasser vorgesehen ist. Bevor das Prozesswasser in die Elektrolyseurstacks zurückgeführt wird, kann mithin der erzeugte molekulare Sauerstoff abgezweigt und von dem Prozesswasser getrennt werden. Der Einfachheit halber kann die wenigstens eine Sauerstoffaufbereitung in Strömungsrichtung des Prozesswassers zwischen den mehreren Elektrolyseurstacks und einer Verbindung mit dem Reinigungskreislauf vorgesehen sein. Der molekulare Sauerstoff kann also abgetrennt werden, bevor das Prozesswasser wenigstens teilweise in den Reinigungskreislauf gelangt. Auch im Zusammenhang mit der Sauerstoffaufbereitung ist es besonders bevorzugt, wenn alle Elektrolyseurstacks mit einer einzigen Sauerstoffaufbereitung verbunden sind. Eine einzige Sauerstoffaufbereitung ist dann für die gesamte Elektrolyseanlage ausreichend.
Wenn der wenigstens eine Prozesswasserkreislauf der Elektrolyseureinheit eine Pumpe aufweist, kann der Prozesswasserkreislauf einfach separat betrieben und gesteuert werden. Wenn der wenigstens eine Prozesswasserkreislauf einen Wärmetauscher zum Erwärmen des Prozesswassers aufweist, kann ein erheblicher Wärmeverlust ausgeglichen und sichergestellt werden, dass die Elektrolyse bei ausreichender Temperatur und mit hoher Effizienz durchgeführt wird.
Um eine einfache und dennoch effiziente Elektrolyseanlage bereitzustellen, können die mehreren Elektrolyseurstacks des wenigstens einen Prozesswasserkreislaufs hydraulisch parallel verschaltet werden. Dies verringert die Druckverluste und vermeidet den Eintrag von gebildetem Sauerstoff in einen folgenden Elektrolyseurstack, in dem die Sauerstoffbildung dadurch gehemmt werden könnte. Alternativ oder zusätzlich können die mehreren Elektrolyseurstacks des wenigstens einen Prozesswasserkreislaufs elektrisch parallel verschaltet werden. Auf diese Weise ist eine geringere Spannung an die Elektrolyseurstacks anzulegen um eine effiziente Wasserstoffbildung zu initiieren.
Nachfolgend wir die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

1 ein Elektrolyseurstack zur Herstellung von molekularem Wasserstoff und molekularem Sauerstoff in einer schematischen Ansicht,
2 eine erfindungsgemäße Elektrolyseanlage mit mehreren Elektrolyseurstacks gemäß 1 in einer schematischen Fließbilddarstellung und
3 eine alternative erfindungsgemäße Elektrolyseanlage mit mehreren Elektrolyseurstacks gemäß 1 in einer schematischen Fließbilddarstellung.

In der 1 ist ein beispielhafter Elektrolyseurstack 1 in einer schematischen Ansicht dargestellt. Der Elektrolyseurstack 1 setzt sich im Wesentlichen zusammen aus einer Reihe in einer gemeinsamen Stapelrichtung R zu einem Stapel S gestapelter elektrochemischer Zellen 2. Der Stapel 3 von elektrochemischen Zellen 2 bildet dabei den Kern des Elektrolyseurstacks 1. Der Stapel 3 von elektrochemischen Zellen 2 ist dabei typischerweise zwischen gegenüberliegenden Endkappen 4 aufgenommen, an welche über eine Spannungsquelle 5 eine äußere Spannung angelegt werden kann. Die Endkappen 4 können gegeneinander gepresst werden, um den Stapel 3 von elektrochemischen Zellen 2 dazwischen flüssigkeitsdicht und gasdicht zu verspannen.
Die elektrochemischen Zellen 2 werden ihrerseits jeweils durch zwei Halbzellen 6 gebildet, denen jeweils eine Elektrode 7,8 zugeordnet ist. Die Elektroden 7,8 einer elektrochemischen Zelle 2 sind über eine Protonen-Austausch-Membran (PEM - Proton Exchange Membrane) 9 separiert. Die PEM 9 ist jedoch, wie der Name schon sagt, für Protonen passierbar. Eine der Elektroden 7 wird dabei von Prozesswasser 10 durchströmt oder wenigstens angeströmt, das infolge der angelegten elektrischen Spannung in ein Proton (Wasserstoff-Ion) und molekularen Sauerststoff O₂ dissoziiert. Der molekulare Sauerstoff O₂ wird zusammen mit nicht ungesetztem Prozesswasser 10 aus den elektrochemischen Zellen 2 abgezogen. Die Protonen, die über die PEM 9 zur gegenüberliegenden Elektrode 8 gelangen nehmen dort Elektronen auf und bilden dabei molekularen Wassersoff H₂, der aus der entsprechenden Elektrode 8 abgezogen wird. Der molekulare Wasserstoff H₂ und der molekulare Sauerstoff O₂ lassen sich abtrennen und separat nutzen. Der Sauerstoff O₂ kann beispielsweise gespeichert und bedarfsweise zusammen mit Luftsauerstoff mittels einer Brennstoffzelle wieder zu Wasser H₂O umgesetzt werden, wobei elektrischer Strom abgegeben wird.
Die elektrochemischen Zellen 2 des Elektrolyseurstacks 1 können elektrisch in Reihe oder parallel zueinander verschaltet werden. In einer parallelen Verschaltung können grundsätzlich höhere Potentialdifferenzen an die einzelnen elektrochemischen Zellen 2 angelegt werden. Die elektrochemischen Zellen 2 sind daher bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Elektrolyseurstack 1 über eine Isolationsschicht 11 elektrisch gegeneinander isoliert. Es können aber auch beispielsweise jeweils gleiche Elektroden 7,8 verschiedener elektrochemischer Zellen 2 paarweise angeordnet werden. Im Falle einer Verschaltung der elektrochemischen Zellen 2 in Reihe können die elektrochemischen Zellen 2 über Bipolarplatten voneinander getrennt werden. Die elektrische Verschaltung ist in der 1 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht im Einzelnen dargestellt. Hydraulisch sind die elektrochemischen Zellen 2 des Elektrolyseurstacks 1 parallel zueinander verschaltet. Dies bedeutet, dass das zuströmende Prozesswasser 10 auf die elektrochemischen Zellen 2 aufgeteilt und nach dem parallelen Durchströmen der elektrochemischen Zellen 2 wieder gesammelt wird.
In der 2 ist eine Elektrolyseanlage 12 mit einer Vielzahl von Elektrolyseurstacks 1 der zuvor beschriebenen Art dargestellt, ohne dass die Elektrolyseurstacks 1 dabei auf eine bestimmte Art von Elektrolyseurstacks 1 beschränkt sein sollen. Die in einer Elektrolyseureinheit 13 zusammengefassten Elektrolyseurstacks 1 sind nicht alle dargestellt, sondern teilweise durch „..." symbolisiert. Bevorzugt ist es dabei, wenn wenigstens fünf, weiter bevorzugt wenigstens zehn, insbesondere wenigstens fünfzehn Elektrolyseurstacks 1 in der Elektrolyseureinheit 13 vorgesehen sind. Bei der dargestellten und insoweit besonders bevorzugten Elektrolyseanlage 12 sind sogar zwanzig oder mehr Elektrolyseurstacks 1 zur Elektrolyseureinheit 13 zusammengefasst. Die Elektrolyseurstacks 1 sind dabei sowohl hydraulisch als auch elektrisch parallel verschaltet. Die Elektrolyseurstacks 1 werden mithin parallel mit dem Prozesswasser 10 durchströmt, während an die Elektrolyseurstacks 1 in einer elektrischen Parallelschaltung eine Spannung angelegt wird, um die Herstellung von molekularem Wasserstoff H₂ zu bewirken.
Die Elektrolyseurstacks 1 sind alle an eine Wasserstoffaufbereitung 14 zum Abscheiden und Ausschleusen von molekularem Wasserstoff H₂ und eine Sauerstoffaufbereitung 15 zum Abscheiden und Ausschleusen von molekularem Sauerstoff O₂ angeschlossen. Die Sauerstoffaufbereitung 15 ist dabei in einen Prozesswasserkreislauf 16 integriert, über den aus den Elektrolyseurstacks 1 austretendes Prozesswasser 10 gesammelt, zurückgeführt und wieder auf die Elektrolyseurstacks 1 aufgeteilt wird, so dass das Prozesswasser 10 erneut durch die Elektrolyseurstacks 1 strömen kann. Um die Strömung des Prozesswassers 10 im Prozesswasserkreislauf 16 aufrechthalten zu können, ist bei der dargestellten und insoweit bevorzugten Elektrolyseanlage 12 eine Pumpe 17 in den Prozesswasserkreislauf 16 integriert. Ferner ist in dem Prozesswasserkreislauf 16 ein Wärmetauscher 18 zum Erwärmen des Prozesswassers 10 vorgesehen.
Mit dem Prozesswasserkreislauf 16 ist ein Reinigungskreislauf 19 angeschlossen. Über den Reinigungskreislauf 19 kann Prozesswasser 10 aus dem Prozesswasserkreislauf 16 abgezogen werden. Bei der dargestellten und insoweit bevorzugten Elektrolyseanlage 12 wird das Prozesswasser 10 in Strömungsrichtung des Prozesswassers im Prozesswasserkreislauf 16 nach dem Wärmetauscher 18 aus dem Prozesswasserkreislauf 16 abgezogen. Zwingend ist dies jedoch nicht.
Das aus dem Prozesswasserkreislauf 16 abgezogene Prozesswasser 10 kann in einem Vorlagebehälter 20 mit Reinstwasser H₂O aus einem Reinstwasseranschluss 26, hier in Form von vollentsalztem Wasser (VE-Wasser) vermischt werden, um Prozesswasser 10 zu ersetzen, das in molekularen Sauerstoff O₂ und molekularen Wasserstoff H₂ umgesetzt worden ist. Das Prozesswasser 10 wird anschließend über eine Pumpe 21 aus dem Vorlagebehälter 20 abgezogen und zwei parallel zueinander betriebenen Mischbettfiltern 22 zugeführt. Die Mischbettfilter 22 können gemeinsam oder redundant zueinander betrieben werden, um einen Mischbettfilter 22 zu regenerieren, während der andere Mischbettfilter 22 zum Abscheiden von Ionen, insbesondere Fluorid-Ionen, aus dem Prozesswasser 10 genutzt wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass ein verbrauchter Mischbettfilter 22 durch einen regenerierten Mischbettfilter 22 ausgetauscht wird, während der andere Mischbettfilter 22 die Reinigung des Prozesswassers 10 übernimmt. Der verbrauchte Mischbettfilter 22 lässt sich dann vorzugsweise zur erneuten Verwendung extern regenerieren. Denkbar ist auch, eine größere Anzahl an Mischbettfiltern 22 zu verwenden, die wenigstens teilweise seriell und/oder teilweise parallel zueinander betrieben werden.
Das gereinigte Prozesswasser 10 wird bei der dargestellten und insoweit bevorzugten Elektrolyseanlage 12 in einem weiteren Vorlagebehälter 23 mit dem Prozesswasser 10 des Prozesswasserkreislaufs 16 gemischt und mithin in den Prozesswasserkreislauf 16 zurückgeführt. Bei der dargestellten und insoweit bevorzugten Elektrolyseanlage 12 ist der Vorlagebehälter 23 in Strömungsrichtung des Prozesswassers 10 im Prozesswasserkreislauf 16 hinter der Sauerstoffaufbereitung 15 und vor dem Abzug von Prozesswasser 10 in den Reinigungskreislauf 19 vorgesehen. Zwingend ist dies jedoch nicht.
Die Wasserstoffaufbereitung 14 ist mit einer Rückführung 24 für Prozesswasser 10 und einer Pumpe 25 verbunden, mit denen in der Wasserstoffaufbereitung 14 anfallendes Prozesswasser 10 in den Reinigungskreislauf 19 zurückgeführt werden kann. Das anfallende Prozesswasser 10 wird insbesondere aus dem Gasstrom auskondensiert. Es wird teilweise gebildet bei einer katalytischen Umsetzung von Sauerstoffanteilen im Gasstrom mit dem ebenfalls enthaltenen Wasserstoff. Das Zurückführen des Prozesswassers 10 geschieht bei der dargestellten und insoweit bevorzugten Elektrolyseanlage 12 in dem Vorlagebehälter 20.
Durch die Zusammenfassung der Elektrolyseurstacks 1 zu einer Elektrolyseureinheit 13 in einem an einen Reinigungskreislauf 19 angeschlossenen Prozesswasserkreislauf 16 kann die Elektrolyseanlage 12 durch bloße Variation der Anzahl der Elektrolyseurstacks 1 in der Elektrolyseureinheit 13 skaliert werden. Die übrigen Aggregate der Elektrolyseanlage 1 können bedarfsweise beibehalten werden und müssen allenfalls hinsichtlich ihrer Dimension an die Anzahl der Elektrolyseurstacks 14 angepasst werden. Dies eröffnet eine besonders hohe Flexibilität, die wiederum zu einer Kostensenkung führen kann. Falls gewünscht können aber auch einzelne Aggregate in größerer Anzahl vorgesehen werden, wenn dies etwa aus wirtschaftlichen Gründen gewünscht sein sollte. Auch diesbezüglich besteht also ein hohes Maß an Flexibilität, das zur Kostensenkung genutzt werden kann.
In der 3 ist eine alternative Elektrolyseanlage 30 dargestellt, die sehr ähnlich zu der Elektrolyseanlage 12 der 2 ausgebildet ist. Deshalb sind in den 2 und 3 gleiche Bauteile grundsätzlich auch mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Elektrolyseanlage 12 gemäß 2 reichen grundsätzlich recht kleine und weniger leistungsfähige Mischbettfilter 22 aus, um die Elektrolyseanlage 12 zuverlässig zu betreiben. Dies wird teilweise durch das Zuführen von Reinstwasser, etwa in Form von vollentsalztem Wasser (VE-Wasser), über den Reinstwasseranschluss 26 ermöglicht. In einem solchen Fall muss nur eine geringe Menge an Ionen in den Mischbettfiltern 22 abgeschieden werden, die über das zurückgeführte Prozesswasser 10 oder mögliche Verunreinigungen des Reinstwassers in die Mischbettfilter 22 eingetragen werden. Es sind somit Mischbettfilter 22 mit entsprechend geringer Leistungsfähigkeit ausreichend. Der Elektrolyseanlage 30 gemäß 3 kann problemlos auch normales Leitungswasser, Wasser aus einer Umkehrosmose oder dergleichen zugeführt werden. Dafür sind die Mischbettfilter 22 aber so groß und leistungsfähig ausgelegt, dass die Elektrolyseanlage 30 trotzdem immer mit hinreichend reinem Prozesswasser 10 betrieben werden kann.
Neben den größeren und leistungsfähigeren Mischbettfiltern 22 weist die Elektrolyseanlage 30 der 3 auch eine etwas andere Verschaltung im Bereich des Prozesswasserkreislaufs 16 auf, was aber nicht zwingend der Fall sein müsste. In dem Prozesswasserkreislauf 16 ist ein zusätzlicher Prozesswassersammelbehälter 27 vorgesehen, in dem das Prozesswasser 10 aus der Sauerstoffaufbereitung 15 gesammelt werden kann. Dagegen wird in dem hinter den Mischbettfiltern 22 vorgesehenen Vorlagebehälter 23 VE-Wasser gesammelt, welches beim Durchströmen wenigstens eines Mischbettfilters 22 gewonnenes wird. Die Mischbettfilter 22 sind so ausgebildet, dass das über den Wasseranschluss 28 zugeführte Leitungswasser, in einer Umkehrosmose vorgereinigtes Wasser oder ähnliches Wasser in dem wenigstens einen Mischbettfilter 22 soweit entsalzt bzw. deionisiert wird, dass Wasser in der Reinheit von VE-Wasser in den Vorlagebehälter 23 gelangt. Gleiches gilt auch für das Prozesswasser 10, das über den Reinigungskreislauf 19 und/oder die Rückführung 24 in den wenigstens einen Mischbettfilter 22 gelangt. Das entsprechende Prozesswasser 10 kann dabei mit dem über den Wasseranschluss 28 zugeführten Wasser in dem Vorlagebehälter 20 gemischt kann, bevor das Wasser zur Aufbereitung dem wenigstens einen Mischbettfilter 22 zugeführt wird.
Das VE-Wasser wird im Vorlagebehälter 23 unabhängig von dem Prozesswasser 10 im Prozesswassersammelbehälter 27 gesammelt, so dass das VE-Wasser genutzt werden kann, um die Mischbettfilter 22 bei Bedarf regenerieren zu können. Dabei werden vereinfacht gesprochen die zuvor in den Mischbettfiltern 22 abgeschiedenen Ionen aus den Mischbettfiltern 22 ausgewaschen, etwa indem die Mischbettfilter 22 mit dem VE-Wasser rückgespült werden. Die Wasserqualität von mit Prozesswasser 10 versetztem VE-Wasser wäre für eine Regeneration der Mischbettfilter 22 nicht oder allenfalls nur bedingt ausreichend. Über die Pumpe 17 kann VE-Wasser aus dem Vorlagebehälter 23 in den Prozesswasserkreislauf 16 nachgeführt werden, um so verbrauchtes Prozesswasser 10 zu ersetzen. Ansonsten oder zusätzlich wird Prozesswasser 10 aus dem Prozesswassersammelbehälter 27 über die Pumpe 29 an die Elektrolyseureinheit 13 zurückgeführt. Zuvor wird das Prozesswasser 10 aber noch im Wärmetauscher 18 erwärmt.
Der Vorlagebehälter 23 und die zugehörige Pumpe 17 sind bei der dargestellten und insoweit bevorzugten Elektrolyseanlage 30 ebenso wie der Prozesswassersammelbehälter 27 und die zugehörige Pumpe 29 jeweils vor der Verbindung zwischen dem Reinigungskreislauf 19 und dem Prozesswasserkreislauf 16 angeordnet. Prozesswasser 10 kann zur Aufbereitung in wenigstens einem Mischbettfilter 22 später im Prozesswasserkreislauf 16 abgezogen werden, wie dies in der 3 dargestellt ist. Dies könnte alternativ aber auch vor der zuvor beschriebenen Verbindung zwischen dem Reinigungskreislauf 19 und dem Prozesswasserkreislauf 16 erfolgen. In vielen Fällen wird nur recht wenig Prozesswasser 10 im Prozesswasserkreislauf 16 durch Reinstwasser aus dem Vorlagebehälter 23 ersetzt werden müssen, so dass dieser Unterschied vielfach nicht ins sonderlich ins Gewicht fallen wird.
Bezugszeichenliste

1: Elektrolyseurstack
2: elektrochemische Zelle
3: Stapel
4: Endkappe
5: Spannungsquelle
6: Halbzelle
7,8: Elektrode
9: Protonen-Austausch-Membran
10: Prozesswasser
11: Isolationsschicht
12: Elektrolyseanlage
13: Elektrolyseureinheit
14: Wasserstoffaufbereitung
15: Sauerstoffaufbereitung
16: Prozesswasserkreislauf
17: Pumpe
18: Wärmetauscher
19: Reinigungskreislauf
20: Vorlagebehälter
21: Pumpe
22: Mischbettfilter
23: Vorlagebehälter
24: Rückführung
25: Pumpe
26: Reinstwassersanschluss
27: Prozesswassersammelbehälter
28: Wasseranschluss
29: Pumpe
30: Elektrolyseanlage
R: Stapelrichtung
S: Stapel

Claims

Elektrolyseanlage (12) zur elektrochemischen Spaltung von Prozesswasser (10) in molekularen Sauerstoff (O₂) und molekularen Wasserstoff (H₂), mit einer Elektrolyseureinheit (13) umfassend eine Mehrzahl von Elektrolyseurstacks (1) zur Spaltung von Prozesswasser (10), wobei die Elektrolyseurstacks (1) jeweils eine Vielzahl von zu einem Stapel (S) gestapelten elektrochemischen Zellen (2) aufweisen und wobei die elektrochemischen Zellen (2) über eine Protonen-Austausch-Membran (PEM - Proton Exchange Membrane) (9) separierte Elektroden (7,8) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein mehrere Elektrolyseurstacks (1) umfassender Prozesswasserkreislauf (16) der Elektrolyseureinheit (13) zum Rückführen von nicht in den mehreren Elektrolyseurstacks (1) umgesetztem Prozesswasser (10) zu den mehreren Elektrolyseurstacks (1) vorgesehen ist und dass der wenigstens eine Prozesswasserkreislauf (16) der Elektrolyseureinheit (13) zum Austausch von Prozesswasser (10) mit einem Reinigungskreislauf (19) für Prozesswasser (10) umfassend wenigstens einen Mischbettfilter (22) verbunden ist.
Elektrolyseanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozesswasserkreislauf (16) der Elektrolyseureinheit alle Elektrolyseurstacks (1) der Elektrolyseanlage (12) umfasst und/oder dass allen Elektrolyseurstacks (1) der Elektrolyseanlage (12) ein, insbesondere ein einziger, Reinigungskreislauf (19) für Prozesswasser (10) zugeordnet ist.
Elektrolyseanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Reinigungskreislauf (19) wenigstens zwei alternativ und/oder parallel zueinander von Prozesswasser (10) durchströmbare Mischbettfilter (22) aufweist.
Elektrolyseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Mischbettfilter (22) ein Aniontauscherharz zur Abscheidung von Fluorid-Ionen aus dem Prozesswasser (10) aufweist und dass, vorzugsweise, der wenigstens eine Mischbettfilter (22) ein Kationtauscherharz zur Abscheidung von Kationen aus dem Prozesswasser (10) aufweist.
Elektrolyseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reinstwasseranschluss (26) zur Zuführung von Reinstwasser, vorzugsweise im Reinigungskreislauf (19), vorgesehen ist und dass, vorzugsweise der wenigstens eine Mischbettfilter (22) im Reinigungskreislauf (19) in Strömungsrichtung des Prozesswassers (10) zwischen dem Reinstwasseranschluss (26) und dem wenigstens einen Prozesswasserkreislauf (16) angeordnet ist.
Elektrolyseanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinstwasseranschluss (26) zum Zuführen von vollentsalztem Wasser (VE-Wasser) ausgebildet ist und dass, vorzugsweise, der Reinstwasseranschluss (26) mit einer Quelle von vollentsalztem Wasser (VE-Wasser) verbunden ist.
Elektrolyseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Prozesswasserkreislauf (16) der Elektrolyseureinheit (13) und der Reinigungskreislauf (19) über einen Vorlagebehälter (23) miteinander verbunden sind und/oder dass der Reinstwasseranschluss (26) und der wenigstens eine Reinigungskreislauf (19) über einen Vorlagebehälter (20) miteinander verbunden sind und/oder dass im Reinigungskreislauf (19) ein Vorlagebehälter (23) und im Prozesswasserkreislauf (16) ein Prozesswassersammelbehälter (27) jeweils vor der Verbindung zwischen dem Reinigungskreislauf (19) und dem Prozesswasserkreislauf (16) vorgesehen ist.
Elektrolyseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit wenigstens einem Elektrolyseurstack (1), vorzugsweise mehreren Elektrolyseurstacks (1), wenigstens eine Wasserstoffaufbereitung (14) zum Trennen von molekularem Wasserstoff (H₂) und Prozesswasser (10) verbunden ist und dass, vorzugsweise, die wenigstens eine Wasserstoffaufbereitung (14) zum Rückführen des in der Wasserstoffaufbereitung (14) abgetrennten Prozesswassers (10) über eine Prozesswasserrückführung (24) mit dem wenigstens einen Reinigungskreislauf (19) verbunden ist.
Elektrolyseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem wenigstens einen Prozesswasserkreislauf (16) der Elektrolyseureinheit (13) wenigstens eine Sauerstoffaufbereitung (15) zum Trennen von molekularem Sauerstoff (O₂) und Prozesswasser (10) vorgesehen ist und dass, vorzugsweise, die wenigstens eine Sauerstoffaufbereitung (15) in Strömungsrichtung des Prozesswassers (10) zwischen den mehreren Elektrolyseurstacks (1) und einer Verbindung mit dem Reinigungskreislauf (19) vorgesehen ist.
Elektrolyseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Prozesswasserkreislauf (16) der Elektrolyseureinheit (13) eine Pumpe (17) und/oder einen Wärmetauscher (18) zum Erwärmen des Prozesswassers (10) aufweist.
Elektrolyseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Elektrolyseurstacks (1) des wenigstens einen Prozesswasserkreislaufs (16) hydraulisch und/oder elektrisch parallel zueinander verschaltet sind.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage, bei dem die Elektrolyseanlage (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Elektrolyseanlage (12), insbesondere dem Reinigungskreislauf (19), Reinstwasser, insbesondere vollentsalztes Wasser (VE-Wasser), zugeführt wird und/oder bei dem in dem wenigstens einen Mischbettfilter (22) Fluorid-Ionen aus dem Prozesswasser (10) abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem über wenigstens eine Sauerstoffaufbereitung (15) molekularer Sauerstoff (O₂) abgegeben wird und/oder bei dem über wenigstens eine Wasserstoffaufbereitung (14) molekularer Wasserstoff (H₂) abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Elektrolyseurstacks (1) hydraulisch und/oder elektrisch parallel betrieben werden und/oder bei dem ein wenigstens 5 mal, vorzugsweise wenigstens 10 mal, insbesondere wenigstens 15 mal größerer Prozesswasserstrom im Prozesswasserkreislauf (16) als im Reinigungskreislauf (19) gefördert wird.