DE102022203691A1

DE102022203691A1 - Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage und Elektrolyseanlage

Info

Publication number: DE102022203691A1
Application number: DE102022203691.3A
Authority: DE
Inventors: Klaus Scheffer; Erik Wolf
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2022-04-12
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2023-10-12
Also published as: WO2023198328A2; WO2023198328A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage (1) umfassend einen Elektrolyseur (3) zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) als Produktgase, wobei Wasser als Edukt-Wasser (5) dem Elektrolyseur (1) zugeführt wird und an einer ionendurchlässigen Membran (7) zu Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufgespalten wird. Vor der Aufspaltung wird das Edukt-Wasser (5) hinsichtlich des Drucks (pE) und der Temperatur (TE) in einen thermodynamischen Zustand in der Nähe des Siedepunktes des Wassers gebracht und in diesem Zustand der Membran (7) zugeführt. Dabei wird Edukt-Wasser (5) an der Membran (7) zum Sieden gebracht und in die Gasphase überführt, wobei Edukt-Wasser (5) in der Gasphase an der Membran (7) aufgespalten wird.Die Erfindung betrifft weiterhin eine Elektrolyseanlage (1) mit einem Elektrolyseur (3) zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) als Produktgase.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage sowie eine Elektrolyseanlage mit einem Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase
Wasserstoff ist ein wichtiger Stoff, der in zahllosen Anwendungen in der Industrie und der Technik eingesetzt wird. In der Regel kommt Wasserstoff auf der Erde lediglich in einem gebundenen Zustand vor. Einer dieser Stoffe, der Wasserstoff im gebundenen Zustand enthält, ist Wasser. Wasserstoff kann darüber hinaus auch als Energiespeicher dienen, insbesondere um mittels regenerativer Energieerzeugungsmethoden erzeugte elektrische Energie für spätere Anwendungen zu speichern.
Ein wichtiges Verfahren zum Gewinnen von Wasserstoff ist die Elektrolyse von Wasser, insbesondere unter Nutzung von elektrischer Energie. Wasserstoff kann hier unter anderem als Energiespeicher dienen, indem er beispielsweise als Brennstoff genutzt wird, um die elektrische Energieversorgung insbesondere aus erneuerbaren Energien, wie zum Beispiel Windkraft, Photovoltaik oder dergleichen zu verstetigen. Aber auch für andere Prozesse, bei denen ein Brennstoff oder ein Reduktionsmittel benötigt wird, kann Wasserstoff eingesetzt werden. Der bei der Elektrolyse gewonnene Wasserstoff kann somit beispielsweise industriell genutzt werden oder es kann unter Nutzung von Brennstoffzellen auf elektrochemische Weise wieder elektrische Energie gewonnen werden.
Das Trennen von Wasser in seine chemischen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff kann mittels geeigneter Elektrolysezellen durchgeführt werden. Diese können hierfür als sogenannte Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolysezellen ausgebildet sein. Bei einer derartigen Elektrolysezelle ist in der Regel eine Membran vorgesehen, die an voneinander abgewandten Oberflächen eine jeweilige Katalysatorschicht aufweist. An die Katalysatorschichten grenzen in der Regel jeweilige Gasdiffusionsschichten, an die ihrerseits jeweilige elektrisch leitfähige Kontaktplatten angrenzen, gelegentlich auch Bipolarplatten genannt, die unter anderem der elektrischen Kontaktierung dienen. Vorzugsweise sind die Kontaktplatten beziehungsweise die Bipolarplatten zugleich auch so ausgebildet, dass sie den erforderlichen Stofftransport im bestimmungsgemäßen Betrieb während der Elektrolyse in der Elektrolysezelle ermöglichen können. Zu diesem Zwecke können entsprechende Kanäle zum Zuführen eines jeweils geeigneten Elektrolyten sowie zum Abführen der Reaktionsprodukte der Elektrolyse, nämlich einem Wasserstoffgas und einem Sauerstoffgas, vorgesehen sein. Die Gasdiffusionsschicht stellt in der Regel eine elektrische Leitfähigkeit bereit, um die Kontaktplatten und die Katalysatorschichten elektrisch miteinander zu koppeln. Dadurch kann im Bereich der Katalysatorschichten die gewünschte elektrochemische Reaktion realisiert werden.
Handelt es sich bei der Elektrolysereaktion um eine Reaktion im alkalischen Bereich, so ist als Membran eine Anion-Austausch-Membran (englisch: anion exchange membrane; AEM) vorgesehen. Findet die Elektrolysereaktion dagegen im sauren Bereich statt, ist stattdessen eine Proton-Austausch-Membran (englisch: proton exchange membrane; PEM) vorgesehen.
Das Erzeugen von Wasserstoff aus Wasser erfolgt über den Prozess Elektrolyse. Es handelt sich hierbei um einen elektrochemischen Vorgang, bei dem Wasser in seine chemischen Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff getrennt wird. Die elektrochemischen Zellreaktionen können je nach Betriebsweise wie folgt beschrieben und unterschieden werden: Alkalische Elektrolyse:

Anodenelektrode 40H ^- → 2H ₂O + O₂ + 4e ^- (1)

Kathodenelektrode 2H ₂O + 2e ^- → 2OH ^- + H ₂ (2)

Saure Elektrolyse:

Anodenelektrode 2H ₂O → 4H ⁺ + O₂ + 4e ^- (1)

Kathodenelektrode 4H ⁺ + 4e ^- → H ₂ (2)
Bei einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse werden die jeweiligen zwei Teilreaktionen räumlich durch eine Ionenleitfähige Membran getrennt. Bei einer Elektrolyse im alkalischen Bereich ist hier eine Anion Exchange Membrane (AEM) vorgesehen, wohingegen bei einer Elektrolyse in einem sauren Milieu eine Proton-Exchange Membrane (PEM) vorgesehen ist. Der konstruktive Aufbau der Membranelektrodenanordnung (MEA) kann jedoch in beiden Fällen dem Grunde nach vergleichbar ausgebildet sein.
Diese Elektrolysen finden meist bei Drucken und Temperaturen statt, in denen das zu zersetzende Wasser im flüssigen Aggregatzustand vorliegt, so dass man von Niedertemperatur-Elektrolyse spricht. Dies ist sowohl bei den weit verbreiteten alkalischen Elektrolysen als auch bei den PEM-Elektrolysen der Fall. Ein großer Teil der für diese Art der Elektrolyse aufzubringenden elektrischen Energie wird für den erforderlichen Phasenwechsel des flüssigen Wassers in die Gasphase aufgewendet. Erst dadurch wird die für die elektrochemische Zerlegung des Wassers notwendige thermodynamische Phasenänderung ermöglicht, um schließlich die oben beschriebenen Elektrodenreaktionen in der Gasphase zu bewirken. Eine entsprechend große Zellspannung bzw. Überspannung muss für diese Prozessführung bei der Niedertemperatur-Elektrolyse vorgehalten werden. Weiterhin sind aufwändige anlagentechnische Systeme zu verzeichnen sowie teure Materialien, wie etwa Katalysatoren aus seltenen und sehr teuren Materialien, insbesondere bei der PEM-Elektrolyse, die zur Degradation neigen.
Es sind Systeme vorgeschlagen worden für Hochtemperatur-Elektrolysen (HTE), wie beispielswese ein Festoxid-Elektrolyseur, bei dem der Elektrolyseur bereits mit dampfförmig vorliegendem Wasser sehr hoher Temperatur gespeist wird. Dabei werden die Hochtemperatur-Elektrolyseure weit jenseits der Siedetemperatur des Wassers bei typischerweise deutlich über 500°C des Wasserdampfes betrieben. Eine zuverlässige technische Umsetzung dieser Technologie im industriellen Maßstab ist derzeit jedoch mit vielen ungelösten technischen Herausforderungen verbunden, obschon grundlegende Ansätze schon lange bekannt sind.
So ist beispielsweise in der DE 31 01 210 A1 die konstruktive Ausgestaltung einer Moduleinheit für die Hochtemperatur-Elektrolyse beschrieben. Hierbei werden für eine Hochtemperatur-Dampfelektrolyse eine Vielzahl von Zirkonoxid-Elektrolyserohre zu Moduleinheiten zusammengeschaltet. An der Verbindungsstelle von Elektrolyserohr und Trägerkörper sind sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Stabilität bei Arbeitstemperaturen von ca. 950°C und absoluter Gasdichtigkeit gestellt. Diese Anforderungen gehen mit einem hohen Materialeinsatz an teuren Hochtemperatur-Werkstoffen einher, beispielsweise Zirkonoxid.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Hochtemperatur-Dampf-Elektrolyse ist in der DE 10 2005 017 727 A1 beschrieben. Bei der dort beschriebenen Hochtemperatur-Dampf-Elektrolyse - auch als „Delyse“ bezeichnet ist die Delyse-Zelle als zweikanaliges Gefäß mit einem Festkörperelektrolyten ausgebildet. In den äußeren der beiden Kanäle wird Wasserdampf unter hohem Druck und hoher Temperatur eingeleitet und in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, wobei der ionisierte Sauerstoff durch den Festkörperelektrolyten transportiert, entladen und abgeleitet wird. Dabei liegt eine Prozesstemperatur des zugeführten Heißdampfs von größer als 700°C bei einem Prozessdruck von größer als 40 bar vor, bevorzugt sogar eine Prozesstemperatur von 800°C bei einem Prozessdruck von 50 bar. Dies ist technisch äußerst anspruchsvoll für eine industriellen Betrieb zu beherrschen und erfordert neben massiven Druckgefäßen und Reaktionsräumen auch einen sehr hohen und aufwändigen Materialeinsatz für die Elektroden, beispielweise Platin und Zirkonoxid. Überdies sind die Betriebsbereiche der HTE derzeit schmal, d.h. sehr begrenzt, so dass die Wirkungsgradvorteile durch die hohen Prozesstemperaturen diesen Nachteil nur bedingt kompensieren. Problematisch für die Verwendung von fluktuierendem Elektrolysestrom ist der im Vergleich zur alkalischen oder PEM-Elektrolyseur schmalere Betriebsbereich, sowie die aufgrund der hohen thermischen Spannungen unvermeidbaren Materialbeanspruchungen bei Lastwechseln.
Vor diesem Hintergrund dieser Nachteile ist es die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage anzugeben, mit der ein besonders effizienter und flexibler Betrieb bei hoher Verfügbarkeit erreichbar ist.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe einer Elektrolyseanlage, wobei ein effizienter und flexibler Betrieb technisch einfach realisierbar ist.
Die auf ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, wobei Wasser als Edukt-Wasser dem Elektrolyseur zugeführt wird und an einer ionendurchlässigen Membran zu Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, wobei vor der Aufspaltung das Edukt-Wasser hinsichtlich Druck und Temperatur in einen thermodynamischen Zustand in der Nähe des Siedepunktes des Wassers gebracht wird und in diesem Zustand der Membran zugeführt wird, wobei Edukt-Wasser an der Membran zum Sieden gebracht und dadurch in die Gasphase überführt wird, und wobei Edukt-Wasser in der Gasphase an der Membran aufgespalten wird.
Die Erfindung geht bereits von der Erkenntnis aus, dass sowohl die Niedertemperatur-Elektrolysen als auch die Hochtemperatur-Elektrolysen Nachteile aufweisen. So muss bei einer Niedertemperatur-Elektrolyse ein großer Teil der für diese Art der Elektrolyse aufzubringenden elektrischen Energie für die erforderliche Aufheizung des flüssigen Wassers und dessen Phasenwechsel in die Gasphase aufgewendet werden. Erst dadurch wird die für die elektrochemische Zerlegung des Wassers notwendige thermodynamische Phasenänderung ermöglicht, um schließlich die oben beschriebenen Elektrodenreaktionen in der Gasphase zu bewirken und die Produktgase - Wasserstoff und Sauerstoff - auszutreiben. Eine entsprechend große Zellspannung bzw. Überspannung muss für diese Prozessführung bei der Niedertemperatur-Elektrolyse vorgehalten werden, um dies zu erreichen. Weiterhin sind aufwändige anlagentechnische Systeme vorzusehen sowie teure Materialien, wie etwa Katalysatoren aus seltenen und sehr teuren Materialien, insbesondere bei der PEM-Elektrolyse, die im Betrieb zur Degradation neigen. Dadurch ist beispielsweise die Dauer der Einsetzbarkeit - die sogenannte „Standzeit“ des Katalysators bzw. der Membran begrenzt, da die Elektrolyseanlage nur mit hinreichender Aktivität und Selektivität wirtschaftlich betrieben werden kann.
Obschon sie als Arbeitsmedium (Edukt-Wasser) für die Elektrolyse bereits mit hocherhitztem Wasser unter hohen Drucken in der Gasphase arbeiten, bestehen indes auch Nachteile der Hochtemperatur-Elektrolysen, die neben der geringen Betriebsflexibilität vor allem auch den Materialeinsatz betreffen. Die Auswahl der Materialien für die Elektroden und den Elektrolyten in einer Festoxid-Elektrolysezelle ist hier bedeutsam. Eine Option, die für den Prozess untersucht wird, benutzt Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ) Elektrolyte, Nickel-Cermet Dampf- / Wasserstoffelektroden und Mischoxide aus Lanthan-, Strontium- und Cobalt-Sauerstoffelektroden. Für den wirtschaftlichen Betrieb ist jedoch neben der Verfügbarkeit von günstigen, CO₂-neutralen Energiequellen auch eine Reduktion der Kapitalkosten nötig, die derzeit (Stand 2018) mit etwa 2.500,- € / kWel und damit erheblich über denen der alkalischen Elektrolyse mit 1.000,-€ / kWel angegeben werden.
Die Erfindung erkennt diese Nachteile und überwindet diese gezielt, indem der maßgebliche thermodynamische Betriebspunkt der Elektrolyse - abweichend sowohl von den üblichen Niedertemperatur-Elektrolysen als auch von den Hochtemperatur-Elektrolysen - in der Verfahrensführung und in der konstruktiven Auslegung der Elektrolyseanlage auszugestalten ist. Dabei wird für die Betriebsführung die Temperatur des dem Elektrolyseprozess zugeführten und zu zersetzenden Edukt-Wassers gebildet so eingestellt, dass das Edukt-Wasser sich bereits vor der Aufspaltung hinsichtlich des Drucks und der Temperatur in einem Zustand nahe oder sehr nahe am Siedepunkt des Wassers befindet.
Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Siedepunkt, Verdampfungspunkt oder auch Kochpunkt von reinem, vollentsalztem Wasser für die genannten Elektrolysezwecke ein Wertepaar im Phasendiagramm verstanden, das aus zwei Größen besteht: der Sättigungstemperatur (speziell auch Siedetemperatur) und dem Sättigungsdampfdruck (speziell auch Siededruck) an der Phasengrenzlinie zwischen Gas und Flüssigkeit. Der Siedepunkt des Wassers setzt sich also aus den beiden Zustandsgrößen Druck und Temperatur beim Übergang des Wassers vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand zusammen. Bei einem offenen Behälter mit Wasser ist der Siedepunkt daher der Punkt auf der Temperaturskala, bei der der Dampfdruck gleich dem atmosphärischen Druck ist. In Tabellenwerken werden die Siedetemperaturen bei Normaldruck angegeben, also bei 1013,25 hPa. Dieser Siedepunkt wird als Normalsiedepunkt, die angegebene Siedetemperatur als Normalsiedetemperatur bezeichnet.
Die Siedetemperatur ist daher druckabhängig entsprechend der Dampfdruckkurve des Wassers und entspricht nicht notwendigerweise der Siedetemperatur unter dem Normaldruck, was sich das Verfahren der Erfindung vorteilhaft zu Nutze macht.
Durch die hier vorgeschlagene thermodynamische Betriebsführung des Edukt-Wassers nahe oder sehr nahe an der Siedetemperatur führt bereits ein geringer Wärmeeintrag infolge der ohmschen Verlustwärme des Elektrolyseprozesses in das Edukt-Wasser zu einem Sieden und zur Verdampfung des Edukt-Wassers. In einer lokalen Betrachtung in einem Bereich oder einem Volumenelement in denen die Zersetzung des Edukt-Wassers an der Elektrode stattfindet, etwa an der Anode bei einer PEM-Elektrolyse, führt dieser thermisch-induzierte Siedevorgang dazu, dass das Edukt-Wasser in die Gasphase übergeht. Dadurch wird dem Elektrolyseprozess das Wasser zumindest teilweise bereits gasförmig zugeführt, d.h. mit einem hohen Gasanteil des Wassers oder zumindest in einer Wasser-/Dampf Mischphase entsprechend dem Sättigungsdampfdruck mit hohem Gasanteil.
Hierdurch reduziert sich vorteilhafterweise die für die Zersetzung des Wassers benötigte Zellspannung, was einen hohen betrieblichen Nutzen mit sich bringt. Entsprechend der Nernst-Gleichung ist das Elektrodenpotential temperaturabhängig und die für die Elektrolyse bereitzustellende Potenzialdifferenz über der Zelle, die so genannte Zellspannung, nimmt mit der absoluten Temperatur ab. Dadurch verringert sich der Energiebedarf der Elektrolyse in dem Maße wie die Zellspannung sinkt, sofern entlang der Dampfdruckkurve ein Arbeitspunkt mit einer höheren Siedetemperatur als unter Normalbedingungen bei der Normalsiedetemperatur eingestellt wird. Bei einer Temperatur von 25°C beträgt die reversible Zellspannung sowohl der Wasserelektrolyse als auch der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle 1,23 V bei 1013,25 hPa Normaldruck.
Weiterhin ergeben sich aufgrund der veränderten thermodynamischen Betriebsbedingungen Vorteile für die Wahl des Katalysatormaterials und den noch erforderlichen Materialeinsatz, so dass Materialkosten eingespart werden können.
Von großem Vorteil erweisen sich auch die Effekte einer geringeren internen Zellspannung hinsichtlich entsprechend geringerer Degradationseffekte der Elektrolysezelle, insbesondere der Membranelektrodenanordnung, d.h. der mit einem jeweiligen Katalysatormaterial anodenseitig bzw. kathodenseitig beschichteten Membran. Höhere Potenzialdifferenzen begünstigen die Alterungseffekte, dem vorliegend gezielt entgegengewirkt wird.
In besonders bevorzugter Ausführung des Verfahrens wird Edukt-Wasser durch lokalen Wärmeeintrag an der Membran von der Temperatur nahe unterhalb der Siedetemperatur auf die Siedetemperatur erwärmt, wodurch Edukt-Wasser von der flüssigen Phase in die Gasphase überführt wird.
Hier wir die vorhandene ohmsche Verlustwärme im Elektrolyseprozess gezielt und lokal an der Membran genutzt, um den Übergang in die Gasphase durch die eine noch erforderliche vergleichsweise geringe Temperaturerhöhung herbeizuführen. Da der thermodynamische Zustand des Edukt-Wassers so eingestellt wird, dass dieser schon nahe unterhalb Siedetemperatur am Siedepunkt ist, ist vorteilhafterweise nur noch eine geringe Temperaturdifferenz zu überwinden und ein geringer Wärmeeintrag erforderlich, der aus dem Prozess verfügbar ist. Die geringe Temperaturerhöhung in der flüssigen Phase skaliert mit der Wärmekapazität des Wassers von 4,18 kJ/kg·°C. Die für die Verdampfung notwendige Verdampfungsenthalpie von Wasser beträgt bei 100°C und 2,26 kJ/kg. Sie ist unabhängig vom Druck und sinkt mit größerer Siedetemperatur des Wassers.
Vorzugsweise wird eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Edukt-Wassers und der Siedetemperatur von kleiner als 5°C, insbesondere vorzugsweise zwischen 1,5°C und 2,5°C, eingestellt. Dadurch kann Edukt-Wasser in der flüssigen Phase nahe unterhalb der Siedetemperatur noch effizient dem Elektrolyseur zugeführt werden und schließlich lokal die ionenleitende Membran für den Aufspaltungsprozess mit dem Edukt-Wasser beaufschlagt werden, wobei der Wärmeeintrag bewirkt wird. Im Idealfall wird vorteilhafterweise nahezu sämtliche Verlustwärme für den Wärmeeintrag aufgewendet, d.h. für die Temperaturerhöhung und Verdampfung des Edukt-Wassers. Der Siedevorgang wird lokal genau dort bewirkt, wo die Verlustwärme des Elektrolyseprozesses entsteht, und wird in der Prozessführung ausgenutzt. Vorteilhafterweise geht mit der Verdampfung eine lokale Kühlung des Elektrolyseurs, insbesondere der Membran und des Katalysators einher, so dass eine Verdampfungskühlung herbeigeführt wird. Zusätzliche Kühlung ist nicht mehr erforderlich.
In bevorzugter Ausführung des Verfahrens wird das Edukt-Wasser bei einem Druck von einer niedrigen Temperatur auf eine höhere Temperatur erwärmt, so dass der thermodynamische Zustand in der Nähe des Siedepunkts erreicht wird. Eine isobare Prozessführung ausgehend von einem vorbestimmten und festgelegten Druck des Edukt-Wassers zu bevorzugen. Eine Temperaturerhöhung kann einfach realisiert werden. Die niedrige Temperatur kann beispielsweise die Anfangstemperatur oder Ausgangstemperatur des vollentsalzten Frischwassers sein, das dem Elektrolyseur als Edukt-Wasser zugeführt wird, beispielsweise zunächst unter einer Normaltemperatur von 25°C. Dieses Edukt-Wasser wird dann durch Wärmezufuhr und Erhitzen oder Wärmetausch auf das höhere Temperaturniveau gebracht. Ausgehend von der höheren Temperatur wird lediglich die Verlustwärme im Prozess selbst ausgenutzt, um die Siedebedingungen zu erreichen und die Verdampfung des Edukt-Wassers lokal an der Membran zu bewirken. Der Druck des Edukt-Wassers wird dabei vorteilhafterweise durch einen Betriebsdruck des Elektrolyseurs charakterisiert oder bestimmt, oder entspricht einem bevorzugten Betriebsdruck. Hierbei kann zwischen anodenseitigem Prozess und kathodenseitigem Prozess unterschieden werden, mit einem jeweiligen Druck, der weitgehend konstant gehalten wird.
In weiter bevorzugter Ausführung des Verfahrens wird das Edukt-Wasser auf eine Betriebstemperatur der Niedertemperatur-Elektrolyse erwärmt, die der höheren Temperatur entspricht, wobei eine höhere Temperatur von bis zu 130°C, insbesondere zwischen 90°C und 120°C, eingestellt wird.
Der Temperaturbereich ist gut beherrschbar und es steht hierfür neben externer Wärmezufuhr (Vorwärmstrecke) insbesondere aber nahezu die gesamte Prozesswärme aus dem Betrieb der Elektrolyseanlage zur Verfügung, die hierfür besonders vorteilhaft ausgenutzt wird. Das Edukt-Wasser wird etwa durch Wärmezufuhr, beispielsweise durch Erhitzen oder Wärmetausch von einem Frischwasser-Temperaturniveau auf das gewünschte höhere Temperaturniveau für den Betrieb der Elektrolyseanlage gebracht, so dass der gewünschte thermodynamische Zustand des Edukt-Wassers in der Nähe des Siedepunkts erreicht wird.
In besonders bevorzugter Ausführung des Verfahrens wird Edukt-Wasser bei einer Temperatur von einem hohen Druck auf einen niedrigeren Druck gebracht, so dass der thermodynamische Zustand in der Nähe des Siedepunkts erreicht wird.
Die Absenkung des Betriebsdrucks bei konstanter Temperatur ist eine besonders vorteilhafte und einfache Methode, um den Siedepunkt bzw. die Siedebedingungen durch Erzeugung eines Unterdrucks zu erreichen, so dass Edukt-Wasser in die Gasphase bei der Temperatur gebracht wird. Hierbei ist die festgelegte Temperatur des Wassers nicht besonders eingeschränkt, wird aber vorteilhaft im Bereich der Niedertemperatur-Elektrolyse bei einer Temperatur von 60°C bis 80°C eingestellt, also unterhalb der Normalsiedetemperatur von Wasser. Bestimmend ist für diese Verfahrensführung der Sättigungsdampfdruck des Wassers, speziell auch Siededruck bezeichnet, an der Phasengrenzlinie zwischen Gas und Flüssigkeit in der Dampfdruckkurve. Der für das Sieden erforderliche niedrige Druck oder Unterdruck wird vorteilhaft entsprechend der Temperatur des Edukt-Wassers im Elektrolyseur bzw. lokal an der Membran eingestellt bzw. herbeigeführt.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren Edukt-Wasser einem Anodenraum und einem durch die Membran räumlich getrennten Kathodenraum zugeführt wird, wobei in dem Anodenraum der niedrigere Druck eingestellt wird. Vorteilhaft wird die Absendung des Betriebsdrucks auf der Anodenseite der Reaktion durchgeführt. Beispielsweise bei einer PEM-Wasserelektrolyse oder einer alkalischen Elektrolyse ist dies die Sauerstoffseite, so dass im Anodenraum Sauerstoff als Produktgas an der ionenleitenden Membran gebildet wird, welcher als molekularer Sauerstoff in der Gasphase entsteht bzw. in die Gasphase übergeht. Durch die vorgesehene Siedebedingung im Anodenraum wird der Phasenübergang von flüssig zu gasförmig bereits durch das Edukt-Wasser vor der eigentlichen elektrochemischen Zersetzung herbeigeführt. Dadurch ist eine Gasphasenreaktion von molekularem Wasser an der mit einem Katalysator beschichteten Membran und Abspaltung von Sauerstoff (OER: Oxygen-Evolution-Reaction) bereits in der Gasphase begünstigt bzw. der Gasphasenprozess dominiert.
Bevorzugt wird dabei in dem im Anodenraum als niedrigerer Druck ein Druck von 200 mbar bis 500 mbar, insbesondere von 300 mbar bis 400 mbar eingestellt. Somit sind Betriebstemperaturen von etwa 60°C bis 80°C realisierbar, wobei entsprechend der Dampfdruckkurve des Wassers eine entsprechende Temperatur des Edukt-Wassers nahe unterhalb der Siedetemperatur eingestellt wird. Der Druck im Anodenraum wird dabei bevorzugt größer als im Anodenraum eingestellt, so dass die Siedebedingung allein im Anodenraum erzielt ist, d.h. auf der Sauerstoffseite eines PEM-Elektrolyseurs oder eines alkalischen Elektrolyseurs.
Hierdurch wird für die Anodenreaktion im Anodenraum ein Unterdruckbetrieb eingestellt, der besonders vorteilhaft und einfach umsetzbar ist. Ein Unterdruck-Betrieb bis zu einem Betriebsdruck von bevorzugt kleiner als 600-800 mbar ist dadurch im Grunde genommen noch effektiv möglich, oder aber wahlweise ein Niederdruckbetrieb mit Betriebsdrucken darüber hinaus bis maximal 1013 mbar im Anodenraum, also bei atmosphärischem Druck oder Normaldruck.
Vorzugsweise wird Edukt-Wasser im Anodenraum verdampft, so dass eine Siedekühlung der Membran bewirkt wird. Der Siedevorgang wird vorteilhafterweise lokal genau dort in Gang gesetzt, wo die Verlustwärme des Elektrolyseprozesses entsteht, die für die Verdampfung ausgenutzt wird. Dies führt zu einer örtlich und auch bzgl. der Temperaturbelastung punktgenauen Verdampfungskühlung der empfindlichen Membran und weiterer Komponenten und Materialien der Elektrolysezelle im Anodenraum und im Kathodenraum. Selbst wenn ein gewisser Anteil des entstehenden Wasserdampfes dabei nicht elektrolytisch zersetzt wird, so kann dieser Dampf auf dem gleichen Wege wie der beim Elektrolyseprozess entstehende Sauerstoff aus dem Anodenraum entweichen. Die Wärmeabfuhr ist damit mit einer „Heatpipe“ vergleichbar, also ein Wärmerohr. Eine „Heatpipe“ oder auch Wärmerohr ist ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung der Verdampfungsenthalpie eines Mediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Auf diese Weise können große Wärmemengen auf kleiner Querschnittsfläche übertragen werden. Die Fähigkeit, Energie zu transportieren, hängt bei einem Wärmerohr maßgeblich von der spezifischen Verdampfungsenthalpie (in kJ/mol oder kJ/kg) des Arbeitsmediums ab und vorteilhafterweise nicht von der Wärmeleitfähigkeit von Gefäßwand oder Arbeitsmedium. Um ein Kilogramm Wasser bei 100°C und 1013 mbar (Normalbedingungen) zu verdampfen, ist die Abtrennarbeit ΔW = 2088 kJ aufzuwenden, Wärme die durch den Siedeprozess als hohe Kühlleistung infolge der Verdampfung der Umgebung unmittelbar entzogen wird.
Dies bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich:

Aufgrund der Verfahrensführung mit einer besonders effizienten und zuverlässigen Siedekühlung kann auf eine Kühlung des Kathodenraums, also der Wasserstoffseite des Elektrolyseurs oder der Elektrolysezelle vorteilhafterweise verzichtet werden. Damit entfallen auf der Wasserstoffseite, also beim Kathodenraum, bei geeigneter Anlagenauslegung nicht nur die Komponenten von in der Regel benötigten aufwändigen Kühlungssystemen, sondern auch die Notwendigkeit eines forcierten Wasserkreislaufs, was erhebliche Vereinfachungen der verbundenen Verfahrenstechnik nach sich zieht.

Weitere Vorteile der Siedekühlung ergeben sich auch daraus, dass die temperaturempfindliche Membran nunmehr lokal, d.h. punktgenau gekühlt wird. Somit kann die Betriebstemperatur der Elektrolysezellen aufgrund der wegfallenden Notwendigkeit der Berücksichtigung möglicher Hotspots bedarfsweise erhöht werden. Dies verbessert einerseits den Zellwirkungsgrad und ermöglicht andererseits eine Wärmeauskopplung und Verwendung der Verlustwärme auf einem höherem Temperaturniveau, was von der thermodynamischen Prozessführung her deutlich effizienter ist.
Da bei dem Verfahren praktisch sämtliche Verlustwärme in der Elektrolysezelle in die Erwärmung und Verdampfung des Edukt-Wassers gesteckt wird, ist keine weitere Kühlung des auf im Anodenraum, d.h. auf der Sauerstoffseite der Reaktion, vorhandenen Edukt-Wassers erforderlich. Üblicherweise im Prozesswasserkreislauf installierte Wärmetauscher und sonstige Komponenten des Kühlsystems können somit in einer Elektrolyseanlage weitestgehend entfallen.
Vorzugsweise wird in dem Kathodenraum ein höherer Druck als in dem Anodenraum eingestellt wird, wobei ein Differenzdruck Δp von 10 bar bis 15 bar aufrechterhalten wird.
Damit genügt es für die Verfahrensführung, dass allein in dem Anodenraum ein Unterdruck erzeugt wird. Ein Differenzdruckbetrieb erweist sich auch anlagentechnisch als besonders vorteilhaft und effizient. Eine Absenkung des Betriebsdruckes auf der Sauerstoffseite der Elektrolysezelle wird bevorzugt bis zum Erreichen der Siedebedingungen durchgeführt. Bei bevorzugten Drucken von 200 mbar bis 500 mbar für den Unterdruckbetrieb im Anodenraum ergäbe sich eine mit heute bekannten Polymermembranen realisierbare Betriebstemperatur von 60°C bis 80°C. Bei diesen Temperaturen weisen heutige Polymermembranen noch eine ausreichende Festigkeit auf, welche einen Differenzdruckbetrieb erlaubt. Somit besteht vorteilhafterweise keine zwingende Notwendigkeit, den Kathodenraum, d.h. die Wasserstoffseite der Reaktion, ebenfalls mit einem Unterdruck zu betreiben, dass also im Anodenraum und im Kathodenraum derselbe Druck über der Membran ansteht, so genannter Gleichdruckbetrieb. Stattdessen ergibt sich mit dem Verfahren der Erfindung ein wirtschaftlicherer Betrieb der Wasserstoffseite mit einigen bar Überdruck im Kathodenraum gegenüber dem Anodenraum.
Die auf eine Elektrolyseanlage gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolyseanlage mit einem Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, bei der der Elektrolyseur eine Zufuhrleitung für Edukt-Wasser sowie einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist, wobei der Anodenraum und der Kathodenraum durch eine ionendurchlässige Membran getrennt sind, und wobei eine Produktgas-Leitung an den Anodenraum angeschlossen ist, in die eine Unterdruckpumpe geschaltet ist, so dass ein Unterdruck in dem Anodenraum erzeugbar ist.
Mit der an den Anodenraum über die Produktgas-Leitung angeschlossenen Unterdruckpumpe ist in dem Anodenraum ein Unterdruck bereitstellbar, so dass im Betrieb des Elektrolyseurs bei einer Beaufschlagung des Anodenraums mit Edukt-Wasser die Siedebedingung durch eine vorteilhafterweise im Wesentlichen isotherme Absenkung des Drucks bewirkbar ist. Dabei wird die Unterdruckpumpe so geschaltet, dass die Saugseite der Unterdruckpumpe an den Anodenraum angeschlossen ist. Neben der Unterdruckbedingung ist mit der Unterdruckpumpe zugleich auch eine sehr wirksame Entnahme und Förderung des Produktgases auf der Sauerstoffseite erzielbar. Dies sind im Wesentlichen der Produkt-Sauerstoff aus dem Elektrolyseprozess an der Membran im Anodenraum sowie nicht elektrochemisch aufgespaltenes Edukt-Wasser in der Gasphase, sowie ggf. geringe Fremdgasbestandteile wie Produkt-Wasserstoff.
Die anlagentechnische Realisierung eines Unterdruckes in dem Anodenraum, d.h. auf der Sauerstoffseite ist hier mit konventionellen Mitteln wie z.B. sehr einfachen und robusten Schraubenverdichtern möglich. Dem anlagentechnischen und energetischen Mehraufwand für die Unterdruckpumpe bzw. des Verdichter-Aggregats stehen neben den bereits oben zu dem Verfahren beschriebenen Vorteilen zusätzlich folgende Vorteile gegenüber:

Auf der Ausgangsseite, d.h. der Druckseite des den Unterdruck erzeugenden Verdichters oder der Unterdruckpumpe ergibt sich aufgrund der Druckerhöhung im Verdichter eine Temperaturerhöhung des durchströmenden Sauerstoff-/Wasserdampf-Gemisches. Dieses Temperaturniveau ist energetisch weiter nutzbar.

In bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist daher in die Produktgas-Leitung ein Gaskühler geschaltet, der der Unterdruckpumpe auf deren Druckseite nachgeschaltet ist.
Über den nachgeschalteten Gaskühler kann die Abwärme des Elektrolyseurs so auf einem thermodynamisch wertvolleren erhöhtem Temperaturniveau zur weiteren Verwendung ausgekoppelt werden. Bei geeigneter Auslegung wird der Wasserdampf vorteilhafterweise im Gaskühler kondensiert, so dass Kondensationswärme verfügbar ist. Der Verdichter erfüllt hier dann die Nebenfunktion einer integrierten Wärmepumpe in vorteilhafter Verbindung mit dem Gaskühler.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist eine in die Produktgas-Leitung einmündende Zufuhr-leitung vorgesehen, in die ein Gasdruck-Regelventil geschaltet ist, so dass über die Zufuhrleitung ein Gas, insbesondere gefilterte Umgebungsluft, der Produktgas-Leitung zuführbar ist.
Eine präzise Druckregelung kann vorteilhafterweise - ergänzend zu einer Drehzahlregelung auf der Verdichterseite - durch ein Gasdruck-Regelventil erfolgen, welches bei Drucken unterhalb eines betrieblichen Sollwertes beispielsweise über einen Filter gefilterte Umgebungsluft in die Elektrolyseanlage einströmen lässt.
Vorzugsweise weist die Elektrolyseanlage alternativ oder zusätzlich einen Gasbehälter auf, der an die Zufuhrleitung angeschlossen ist, so dass aus dem Gasbehälter ein Gas über das Gasdruck-Regelventil entnehmbar und der Produktgas-Leitung zuführbar ist.
Hier bietet es sich vorteilhaft an, als Gas Sauerstoff in dem Gasbehälter vorzuhalten und zu bevorraten. Sauerstoff fällt als Produktgas bei der Wasserelektrolyse im Anodenraum ohnehin an und ist damit verfügbar. Dies hat einen positiven Nebeneffekt für die Betriebssicherheit der Elektrolyseanlage, das nämlich in einem Teillastbetrieb ggf. verstärkt auftretende und unerwünscht hohe Fremdgaskonzentrationen, insbesondere Wasserstoff als Fremdgasbestandteil im Sauerstoff im Anodenraum, mit den vorgesehenen einfachen anlagentechnischen Komponenten sehr effektiv verdünnt werden kann.
Alternativ kann wie beschrieben anstelle der Umgebungsluft zuvor vom Wasserstoff befreiter Sauerstoff eingesaugt werden, wobei in beiden Ausführungen der verfügbare Unterdruck auf der Saugseite der Unterdruckpumpe effizient ausnutzbar ist. Um dies zu bewirken, ist die Einmündung bzw. der Anschluss der Zufuhrleitung an die Produktgas-Leitung daher vorteilhaft auf der Saugseite der Unterdruckpumpe vorgenommen, d.h. in einem Leitungsabschnitt der Produktgas-Leitung zwischen dem Austritt aus dem Anodenraum und dem Eintritt in die Unterdruckpumpe auf deren Saugseite.
Vorzugsweise ist die Elektrolyseanlage ausgestattet mit einer an die Unterdruckpumpe angeschlossenen Drehzahl-Regeleinrichtung, mit der die Drehzahl der Unterdruckpumpe regelbar ist.
Somit ist ergänzend zu einer präzisen Druckregelung über das Gasdruck-Regelventil eine Drehzahlregelung des Verdichters vorteilhaft implementiert. Somit kann bedarfsweise auch die Drehzahl präzise geregelt werden, typischerweise auf einen vorgebbaren konstanten Drehzahl-Sollwert für ein gewünschtes Druckverhältnis bzw. Verdichtungsverhältnis bezüglich der Druckseite und der Saugseite.
Bevorzugt ist die Unterdruckpumpe als Schraubenverdichter ausgestaltetet.
Vorteilhaft ist der Schraubenverdichter als ölfreier Verdichter ausgestaltet. Hierdurch wird eine schädigende Diffusion oder Übertritt von Öldampf oder sonstigen Schmiermitteln in den Anodenraum mit der empfindlichen ionendurchlässigen Membran ausgeschlossen, was die Betriebssicherheit weiter erhöht. Dies ist eine für den Einsatzzweck daher besonders zuverlässige und robuste Lösung. Bei dem Schraubenverdichter, die auch als Schraubenspindelpumpe, Schraubenpumpe, Wendelkolbenpumpe bezeichnet wird, handelt es sich um eine so genannte Verdrängerpumpe, bei der die Form der rotierenden Verdränger der einer Spindelschraube ähnelt. Sie ist die schrägverzahnte Variante der Zahnradpumpe und gehört zu den Schraubenverdichtern. Die Schraubenspindelpumpe besteht bevorzugt aus zwei oder mehr gegenläufigen Rotoren und einem Gehäuse, das die Rotoren umschließt. Die Rotoren sind mit einer regelmäßigen, gewindeförmigen Profilierung ausgebildet und greifen zahnradartig ineinander. Die Hohlräume, die durch diese drei Konstruktionselemente gebildet werden, bilden die Förderräume für das Fördermedium. Bei der Rotordrehung wandern sie in eine Maschinenrichtung aus und fördern das Medium von der Saugseite (Einlass) zur Druckseite (Auslass).
Der Schraubenverdichter arbeitet nicht leistungsgeregelt, sondern mit konstanter Drehzahl. Wird in einem bevorzugten Teillastbetrieb „zu wenig“ Sauerstoff produziert, so wird durch das Gasdruck-Regelventil automatisch z.B. auf einfache gefilterte Umgebungsluft nachgespeist. Alternativ oder zusätzlich ist Sauerstoff aus dem Gasbehälter zuführbar. Bei 25% Teillast ist damit der produzierte Sauerstoff mitsamt der unerwünschten Wasserstoffanteile 1:3 auf ein unschädliches Mischungsverhältnis verdünnbar. Dies ermöglicht ein Betriebsintervall bei einer vergleichsweise sehr niedrigen Teillast, welche heutzutage aufgrund der auftretenden hohen Fremdgaskonzentrationen H₂-in-O₂ bisher nicht im Betrieb gefahren werden kann.
Alternativ kann an Stelle der Umgebungsluft zuvor vom Wasserstoff befreiter Sauerstoff eingesaugt werden, wobei der verfügbare Unterdruck ausgenutzt wird. Der erzielbare Verdünnungseffekt wäre im Wesentlichen der gleiche. Umgebungsluft selbst enthält allerdings Kohlenstoffdioxid, welches sich im Prozesswasser löst und wiederum Einfluss auf die Membran und Einbauten der Elektrolyse nehmen kann, was durch die Zufuhr von reinem Sauerstoff zu Verdünnung sicher ausgeschlossen werden kann.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage sind der Anodenraum und der Kathodenraum durch eine protonendurchlässige Membran getrennt, so dass eine PEM-Elektrolyse durchführbar ist.
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Elektrolyseanlage anzusehen und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den einzigen Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht:

1 eine Elektrolyseanlage ausgestaltet für einen Differenzdruckbetrieb;
2 eine Elektrolyseanlage in alternativer Ausgestaltung;
3 in einem Phasendiagramm veranschaulicht verschiedene Zustandsänderungen des Edukt-Wassers;
4 in schematischer Darstellung ein Temperaturverlauf für das Edukt-Wasser bei der Wasserelektrolyse.

Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung.
In 1 ist in stark vereinfachter Darstellung eine Elektrolyseanlage 1 für die Elektrolyse von Wasser am Beispiel einer PEM-Elektrolyse dargestellt. Die Elektrolyseanlage 1 weist einen Elektrolyseur 3 auf mit einem Anodenraum 9 und einem Kathodenraum 11. Der Anodenraum 9 und der Kathodenraum 11 sind über eine protonendurchlässige Membran 7 getrennt. Die Membran 7 ist sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig mit einem jeweiligen Katalysatormaterial beschichtet, wodurch eine Membranelektrodeneinheit gebildet ist. Der Elektrolyseur 3 kann dabei Elektrolysezellenstapel aufweisen, die eine Vielzahl von nicht näher dargestellten in einer Stapelrichtung gestapelter Elektrolysezellen gebildet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur ein Anodenraum 9 und ein Kathodenraum 11 mit der Membran 7 gezeigt, wobei funktional eine anodische Halbzelle und die kathodische Halbzelle gebildet sind, die durch die Membran 7 getrennt sind. Das Membranmaterial weist PFSA - „Perfluorosulfonic acid“ auf.
Die Elektrolyseanlage 1 mit dem Elektrolyseur 3 ist zur Erzeugung von Wasserstoff H₂ und Sauerstoff O₂ als Produktgase ausgestaltet, wobei ein Betrieb am oder nahe des Siedepunkts des Wassers vorgesehen ist. Hierzu weist der Elektrolyseur 3 eine Zufuhrleitung 13A für Edukt-Wasser 5 auf und eine Produktgas-Leitung 15A, die an den Anodenraum 9 angeschlossen ist. Die Zufuhrleitung 13A mündet in den Anodenraum 9 ein. Eine Zufuhrleitung 13B für Edukt-Wasser 7, die in den Kathodenraum 11 einmündet, ist lediglich optional vorhanden. Für eine Versorgung und Zufuhr von Edukt-Wasser 7 zu dem Elektrolyseur ist die Zufuhr-Leitung 13A ausreichend, wodurch sowohl der Anodenraum 9 als auch der Kathodenraum 11 gleichermaßen versorgt werden können. Eine Zirkulationspumpe 29 in der Zufuhrleitung 13A sorgt für eine besonders gleichmäßige Umwälzung und Zirkulation von Edukt-Wasser 5 unter möglichst konstanten Druckbedingungen. Der Kreislauf ist dabei so eingerichtet, dass - in der 1 nicht näher gezeigt - frisches vollentsalztes Wasser H₂O zuführbar ist, um den Verbrauch an Edukt-Wasser 5 durch den Elektrolyseprozess und die Aufspaltung von Wasser H₂O in die Produktgase Wasserstoff H₂ und Sauerstoff O₂ kontinuierlich zu kompensieren. Auch über die optionale Zufuhrleitung 15B ist bedarfsweise frisches und vollentsalztes Wasser H₂O direkt dem Kathodenraum 11 zuführbar.
Eine Produktgas-Leitung 15A ist an den Anodenraum 9 angeschlossen. Durch die Produktgas-Leitung 15A sind die anodenseitigen Produkte Sauerstoff O₂ und ein Rest Wasser in der Gasphase aus der Anodenraum 9 herausleitbar. Hierzu ist in die Produktgas-Leitung 15A stromab des Anodenraums 9 eine Unterdruckpumpe 17 geschaltet, die als Schraubenverdichter ausgestaltet ist. Die Saugseite der Unterdruckpumpe 17 ist dabei dem Anodenraum 9 zugewandt und die Druckseite ist dem Anodenraum abgewandt, so dass im Betrieb der Elektrolyseanlage permanent ein Unterdruck in dem Anodenraum 9 erzeugbar ist, der einen thermodynamischen Zustand nahe dem Siedepunkt des Edukt-Wassers 7 bereitstellt und aufrechterhält. Stromabwärts der Unterdruckpumpe 17 ist in die Produktgas-Leitung 15A ein Gaskühler 19 eingebracht. Hierdurch steht nutzbare Wärme infolge der Verdichtung der anodenseitigen Produkte zur Verfügung, die übertragbar und für weitere Verwendung in der Elektrolyseanlage 1 energetisch nutzbar ist. So kann eine Vorwärmung von Edukt-Wasser 7 in einer Vorwärmstecke erfolgen, vor der Zufuhr zum Anodenraum 9 über die Zufuhrleitung 13A zum Elektrolyseprozess.
Weiterhin mündet in die Produktgas-Leitung 15A eine Zufuhrleitung 21, in die ein Gasdruck-Regelventil 23 geschaltet ist. Über die Zufuhrleitung 21 ist reiner Sauerstoff O₂ der Produktgas-Leitung 15A bedarfsweise zuführbar. Hierzu ist Sauerstoff O₂ in einem Gasbehälter 27 bevorratet, der an die Zufuhrleitung 21 angeschlossen ist. Somit ist aus dem Gasbehälter 27 Sauerstoff über das Gasdruck-Regelventil 23 entnehmbar und der Produktgas-Leitung 15A zuführbar. Ein solcher Bedarf kann sich beispielsweise in einem tiefen Teillastbetrieb der Elektrolyseanlage 1 ergeben, wenn eine unerwünscht hohe Fremdkonzentration an Wasserstoff H₂ in dem Produktgas Sauerstoff O₂ auf der Anodenraum 9 zu verzeichnen ist, dem wirksam zu begegnen ist. An die Unterdruckpumpe 17 ist eine Drehzahl-Regeleinrichtung 25 angeschlossen, so dass die Drehzahl der Unterdruckpumpe 17 präzise regelbar ist.
Gegenüber 1 zeigt 2 eine alternative Ausgestaltung der Elektrolyseanlage 1 hinsichtlich der Zufuhrleitung 13A für das Edukt-Wasser 5 und der Zufuhrleitung 21, die an die Produktgas-Leitung 15A mündet. So ist in 2 in die Zufuhrleitung 13A statt einer Zirkulationspumpe 29 ein auf einen Solldruck einstellbares Druckhalteventil 31 oder Drossel eingebaut. Das Druckhalteventil 31 sorgt dafür, dass der Druck auf der Eingangsseite des Ventils konstant bleibt. Es wird dort eingesetzt, um zu gewährleisten, dass der Leitungsdruck in der Zufuhrleitung 15A konstant bleibt oder wo ein bestimmter Gegendruck für z.B. die Unterdruckpumpe 17 erzeugt werden muss, was vorliegend sehr vorteilhaft ist.
Das Druckhalteventil 31, auch Druckbegrenzungsventil genannt, stellt dabei sicher, dass der vorgegebene Arbeitsdruck für das Druckhalteventil 31 aufrechterhalten wird, und damit ein möglichst konstanter Arbeitsdruck im Anodenraum 9 sichergestellt ist über eine druckgeregelte Zufuhr von Edukt-Wasser 5 durch die Zufuhrleitung 13A in den Anodenraum 9. Wenn der Druckabfall zu groß ist, schließt das Druckbegrenzungsventil 31, um zu verhindern, dass noch mehr Druck abgelassen wird; wenn der eingestellte Druck erreicht ist, öffnet sich das Druckhalteventil 31 wieder, um den Druck vor dem Ventil konstant zu halten.
Weiterhin ist in 2 eine gegenüber 1 alternative Ausgestaltung der Zufuhrleitung 21 gezeigt, die in die Produktgas-Leitung 15A angeschlossen ist. Diese ist derart eingerichtet, dass bedarfsweise als Gas gefilterte Umgebungsluft angesaugt werden kann. Hierzu ist ein Ansaugstutzen mit einem Filterelement 33 vorgesehen und statt des Sauerstoff Gasbehälters 27 der 2 an die Zufuhrleitung 21 angeschlossen. Das Gasdruck-Regelventil 23 sorgt für eine bedarfsweise Zufuhr gereinigter und gefilterter Umgebungsluft, etwa für einen Teillastbetrieb. Hierbei sorgt im Teillast- oder ggf. im Regelbetrieb der Elektrolyseanlage 1 der über die Unterdruckpumpe 17 bereitgestellte Unterdruck für ein selbsttätiges Einströmen der Umgebungsluft in die Produktgas-Leitung 15A, sobald das Gasdruck-Regelventil entsprechend öffnet.
Im Betrieb der beispielhaften Elektrolyseanlage 1 wird in dem Elektrolyseur 3 eine PEM-Elektrolyse unter Siedebedingungen des Edukt-Wassers 5 durchgeführt. Dabei wird Wasserstoff H₂ und Sauerstoff O₂ als Produktgase aus dem in die Gasphase gebrachten Edukt-Wasser 5 erzeugt. Dabei wird Wasser als Edukt-Wasser 5 dem Elektrolyseur 1 über die Zufuhrleitung 13A zugeführt und an der protonendurchlässigen Membran zu Wasserstoff H₂ und Sauerstoff O₂ aufgespalten. Vor der elektrochemischen Aufspaltung wird das Edukt-Wasser 5 hinsichtlich Druck p_E und Temperatur T_E bereits in einen thermodynamischen Zustand in der Nähe des Siedepunktes des Wassers gebracht und in diesem Zustand der protonendurchlässigen Membran 7 zugeführt. Das so hinsichtlich des thermodynamischen Zustands konfektionierte Edukt-Wasser 5 wird im Anodenraum 9 erst unmittelbar an der Membran 7 zum Sieden gebracht und dadurch in die Gasphase überführt. Hierdurch wird das Edukt-Wasser 5 in der Gasphase an der Membran 7 aufgespalten.
Dabei ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels der in 1 und 2 gezeigten Elektrolyseanlage 1 ganz besonders vorteilhaft eine Verfahrensführung in einem Unterdruckbetrieb möglich, um die Siedebedingung bei moderaten Betriebstemperaturen zu erreichen. Hierbei wird Edukt-Wasser 5 zunächst von einer Anfangstemperatur T₁ und einem Anfangsdruck p₁ über die Zufuhrleitung 13A dem Elektrolyseur 3 zugeführt oder als vollentsalztes Frischwasser nachgeführt. Der Wert der Anfangstemperatur T₁ in der Zufuhrleitung 13A kann Frischwassertemperatur von beispielsweise T₁ = 25°C betragen oder das Edukt-Wasser 5 kann durch eine Zirkulation in dem Prozess betriebsbedingt bereits auf eine entsprechend höhere Temperatur T₁ ≥ 25°C vorgewärmt sein. Der Anfangsdruck p₁ beträgt mindestens p₁ = 1013 mbar. Das Edukt-Wasser 5 wird über die Zufuhrleitung 13A in dem Anodenraum 9 zugeführt und durch Wärmeübertragung unter Ausnutzung der anfallenden Prozesswärme des Elektrolyseprozesses auf die Betriebstemperatur T_E gebracht, wobei die Temperatur T_E von 60°C bis 80°C als Betriebstemperatur eingestellt wird. Von dem Anfangsdruck oder hohen Druck p₁ von p₁ ≥ 1013 mbar, also mindestens Atmosphärendruck, wird nun das Edukt-Wasser 5 im Anodenraum 9 auf einen niedrigeren Druck p_E gebracht, so dass der thermodynamische Zustand in der Nähe des Siedepunkts bei der eingestellten Betriebstemperatur T_E erreicht wird. Dabei wird Edukt-Wasser 5 einem Anodenraum 9 und einem durch die Membran 7 räumlich getrennten Kathodenraum 11 zugeführt, wobei in dem Anodenraum 9 der niedrigere Druck p_E eingestellt wird, so dass ein Differenzdruckbetrieb mit einem Differenzdruck Δp durchgeführt wird. In dem Anodenraum 9 wird als niedrigerer Druck p_E ein Druck von 200 mbar bis 500 mbar, insbesondere von 300 mbar bis 400 mbar eingestellt. Dieses Druckniveau wird durch den Betrieb der Unterdruckpumpe 17 erreicht und aufrechterhalten. Das Edukt-Wasser 5 wird in dem Anodenraum 9 verdampft, so dass zugleich eine sehr effiziente Siedekühlung der Membran 7 bewirkt wird, was durch die für die Verdampfung des Edukt-Wassers 5 aus der Prozesswärme der Elektrolyse verfügbare Verdampfungsenthalpie erreicht wird. Somit wird nahezu die gesamte betriebsbedingte „Verlustwärme“ unmittelbar in den Elektrolyseprozess zurückgegeben und lokal wirksam an der Membran 7 ausgenutzt, anstatt die Wärme über externe Kühlkreisläufe und Wärmesenken aus dem Prozess abzuführen. Bei dieser Unterdruckbetriebsweise mit einem Differenzdruck Δp wird in dem Kathodenraum 11 ein höherer Druck als in dem Anodenraum 9 eingestellt. Ein konstanter Differenzdruck Δp im Bereich von 10 bar bis 15 bar, wahlweise im Bereich 12 bar bis 14 bar wird dabei aufrechterhalten. In dem Anodenraum 9 wird eine Temperatur aufrechterhalten, die der Siedetemperatur T_S von Wasser unter dem gewählten thermodynamischen Zustand für den Betrieb entspricht, wobei bei dem Druck p_E für die Temperaturen gilt T_E ≈ T_S. Für den Kathodenraum 11 ist es vorteilhaft, dass die Temperatur in etwa auf derselben Temperatur T_E eingestellt wird, wie im Anodenraum 9. Hingegen ist es vorteilhaft, den Druck in dem Kathodenraum 11 höher einzustellen als den Druck p_E im Anodenraum 9, wie oben ausgeführt. Dadurch wird die Siedebedingung gezielt nur lokal im Anodenraum 9 herbeigeführt. Vorteilhaft kann durch die Einstellung desselben Temperaturniveaus in dem Kathodenraum 11 und in dem Anodenraum 9 das Edukt-Wasser 5 gleichermaßen anodenseitig und kathodenseitig verwendet werden und unverbrauchtes Edukt-Wasser 5 oder nachgefülltes vollentsalztes Frischwasser zirkulieren. Man benötigt keine vollständig getrennten Kreisläufe für die Versorgung mit Edukt-Wasser 5.
Prinzipiell sind mit der Erfindung verschiedene Möglichkeiten eröffnet, um die Siedebedingung zu erreichen. Die Betriebsführung bzw. das Verfahren ist also nicht auf einen Unterdruckbetrieb beschränkt, wie in 1 und 2 ausgeführt. Es ist ebenso möglich einen Niederdruckbetrieb mit Drucken p_E von bis etwa 1013 mbar - atmosphärischer Druck zu fahren, wobei die Siedebedingung erreicht wird. Ebenso Niedertemperatur-Elektrolysen mit Betriebstemperaturen von bis zu 130°C sind vorteilhaft und flexibel möglich, unter Ausnutzung der Verlustwärme für den Verdampfungsprozess.
Die prinzipiell zur Verfügung stehenden Möglichkeiten werden nachfolgend anhand 3 veranschaulicht. 3 zeigt anhand des Phasendiagramms des Wassers verschiedene Zustandsänderungen des Edukt-Wassers 7 in einem Betriebsbereich bei einer beispielhaften Temperatur von T_E ≈ 80°C. In diesem beispielhaft gewählten Ausgangspunkt befindet sich das Edukt-Wasser 7 im Gleichgewicht mit seiner Gasphase beim einer Siedetemperatur T_E ≈ T_S = 80°C und einem Siededruck oder Sättigungsdampfdruck von p_E ≈ p_S = 474 mbar: H₂O (g) ↔ H₂O (1)
Die Reaktionen des Systems auf die Änderungen einzelner Zustandsgrößen wie Druck und Temperatur laufen auf eine Verschiebung der Gleichgewichtslage hinaus. Es läuft derjenige Phasenübergang verstärkt ab, der die Störung wieder rückgängig macht, gemäß dem Prinzip des kleinsten Zwangs. Wir betrachten verschiedene thermodynamische Zustandsänderungen P₁, P₂, P₃, P₄ in der Nähe des Siedepunkts T_S.
P₁: Wird das System auf eine Temperatur von T_E = 70°C abgekühlt, so ist der Dampfdruck der Gasphase zu hoch, und Wasserdampf kondensiert so lange, bis der Dampfdruck den neuen Gleichgewichtswert von 312 mbar aufweist oder kein gasförmiges Wasser mehr übrig ist. Diese Prozessführung führt zur Kondensation und würde das Edukt-Wasser 5 in einen thermodynamischen Zustand vom Siedepunkt des Wassers wegführen.
P₂: Wird das System hingegen auf 90°C erwärmt, so ist der Dampfdruck der Gasphase zu niedrig, und Wasser verdampft so lange, bis der Dampfdruck den neuen Gleichgewichtswert von 702 mbar aufweist oder kein flüssiges Wasser mehr übrig ist. Dies entspricht einer isobaren Temperaturerhöhung bis zum Sieden des Edukt-Wassers 7 und ist auch vorteilhaft auf den Bereich einer Niedertemperatur-Elektrolyse bis 130°C anwendbar und übertragbar.
P₃: Wird hingegen der Druck bei gleichbleibender Temperatur von 474 mbar auf 700 hPa erhöht, so ist der Dampfdruck der Gasphase zu hoch, und gasförmiges Wasser kondensiert so lange, bis der Dampfdruck den alten Gleichgewichtswert von 474 mbar aufweist oder kein Wasserdampf mehr übrig ist. Diese Prozessführung führt zur Kondensation und würde das Edukt-Wasser 5 in einen thermodynamischen Zustand vom Siedepunkt des Wassers wegführen.
P₄: Wird der Druck bei gleichbleibender Temperatur von 474 mbar auf 250 mbar erniedrigt, so ist der Dampfdruck der Gasphase zu niedrig, und Wasser verdampft so lange, bis der Dampfdruck den alten Gleichgewichtswert von 474 hPa aufweist oder kein flüssiges Wasser mehr übrig ist. Dies entspricht dem Unterdruckbetrieb mit der Siedekühlung, bei der eine isotherme Druckerniedrigung vorgenommen wird, wie anhand der Ausführungsbeispiele der Elektrolyseanlage gemäß 1 und 2 erläutert.
Daher ist es gemäß der Erfindung vorgeschlagen, zur Erzielung einer Verdampfung des Edukt-Wasser 5 den Prozess unter Ausnutzung der Zustandsänderungen P₂ oder P₄ vorteilhaft durchzuführen. Dabei sind auch Kombinationen dieser Zustandsänderungen möglich, um die jeweilige Siedebedingung durch Temperaturerhöhung gemäß P₂ und/oder Druckerniedrigung gemäß P₄ zu erreichen. Es sind auch thermodynamische Zustände bzw. Betriebsbedingungen jenseits des Normalsiedepunkts Y mit Temperaturen T_E ≈ T_S oberhalb der Normalsiedetemperatur von 100°C und Drucken oberhalb des Normalsiededrucks von 1013 mbar möglich unter Anwendung der Siedebedingung im Anodenraum 9. Wichtig ist, dass hinsichtlich Druck und Temperatur das Edukt-Wasser 5 in einen thermodynamischen Zustand in der Nähe des jeweiligen Siedepunkts gebracht wird.
Durch einen lokalen Wärmeeintrag wird dann das Edukt-Wasser an der Membran beispielsweise von der Temperatur T_E nahe unterhalb der Siedetemperatur T_S auf die Siedetemperatur T_S erwärmt, wodurch Edukt-Wasser 5 von der flüssigen Phase in die Gasphase überführt wird. Der letzte Schritt der Verfahrensführung ist der Verdampfungsschritt. Dieser erfolgt lokal unmittelbar an der Membran 7 unter Ausnutzung der Verlustwärme. Die Temperaturdifferenz der Temperatur T_E des Edukt-Wassers 5 und der Siedetemperatur T_S wird daher gering gewählt, bevorzugt ist diese Temperaturdifferenz deutlich kleiner als 5°C, besser noch beträgt diese lediglich zwischen 1,5°C und 2,5°C.
In 4 ist beispielhaft in einem schematischen und stark vereinfachten Diagramm ein Temperaturverlauf mit Energieaufwand einer Normmenge von 1 kg Edukt-Wassers 7 gezeigt, das als Frischwasser unter Normalbedingungen 1013 mbar und 25°C in den Elektrolyseur 3 einer Elektrolyseanlage 1 eingespeist wird und das dem Prozess unterworfen wird. Dabei wird in einer einfachen Betrachtung der Druck konstant gehalten bei einem Anfangsdruck p₁ = P_E = 1013 mbar, d.h. der Druck bleibt unverändert. Das Edukt-Wasser 5 wird nun bei dem konstanten Druck p_E von einer niedrigen Temperatur T₁ = 25°C auf die höhere Temperatur T_E = 97,5°C erwärmt, z.B. auf einer Vorwärmstrecke in der Zufuhrleitung 13A und in dem Anodenraum 9 selbst. Dadurch wird das Edukt-Wasser 5 nahe unterhalb der Siedetemperatur des Wassers T_S = 100°C bei dem Normaldruck gebracht, so dass ein thermodynamischer Zustand in der Nähe des Siedepunkts erreicht wird, mit T_S - T_E = 2,5 °C. Als Wärmeenergie wird hierbei die zur Verfügung stehende Prozesswärme aus der Elektrolyse aufgewendet, die auf das Edukt-Wasser 5 in dieser Aufwärmphase A übertragen. In unmittelbarer Nähe der Oberfläche der katalytisch beschichteten Membran 7 erfolgt die weitere Aufwärmung bzw. Erhitzung des Edukt-Wassers 5 bis zum Erreichen der Siedetemperatur T_S = 100°C, bis das Sieden herbeigeführt wird. Hierzu ist ein Energiebedarf in der Aufwärmphase von ΔW = 315 kJ/kg erforderlich, da eine Temperaturdifferenz von 75°C aufgewendet wurde. In der sich anschließenden Verdampfungsphase V wird das Edukt-Wasser nun vollständig verdampft und in die Gasphase überführt für die elektrolytische Zersetzungsreaktion an der Membran 7.
Während des Phasenübergangs der Flüssigkeit zum Gas jedoch bleibt die Temperatur konstant, sofern auch der Druck konstant bleibt, was hier der Fall ist. Sämtliche zugeführte thermische Energie wird somit in die Zustandsänderung investiert. In der Verdampfungsphase V ist eine Verdampfungsenthalpie von ΔH erforderlich, die aus der Prozesswärme unmittelbar an der Membran 7 und aus dem Anodenraum 8 entnommen wird, wodurch eine effektive Siedekühlung der empfindlichen Membran 7 erreicht wird. Die Siedekühlung oder Verdampfungskühlung ist im Vergleich mit den konkurrierenden Methoden wie Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung die wirkungsvollste Möglichkeit, einem System oder Gegenstand Wärme bzw. thermische Energie zu entziehen, was hier sehr vorteilhaft ausgenutzt wird. Die unter isobaren Verhältnissen bei 100 °C und 1013 mbar pro kg Wasser zuzuführende Verdampfungsenthalpie beträgt in der Verdampfungsphase V ΔH = 2.257 kJ/kg. Die Aufspaltung des Edukt-Wassers 7 erfolgt an der Membran 7 ausschließlich oder überwiegend in der Gasphase, was sehr effizient ist. Eine weitere Aufheizung des gasförmigen Edukt-Wassers 5 jenseits der Verdampfungsphase spielt daher praktisch keine Rolle. Diese Phase weiterer Temperaturerhöhung ist daher in dem Diagramm der 4 nur gestrichelt angedeutet.
Es ist damit möglich, das Edukt-Wassers 5 auf eine Betriebstemperatur der Niedertemperatur-Elektrolyse zu erwärmen, die einer gegenüber der Anfangstemperatut T₁ von 25°C deutlich höheren Temperatur T_E entspricht, wobei eine höhere Temperatur T_E von bis zu 130°C eingestellt werden kann. Damit einhergehend ist auch ein entsprechend höherer Betriebsdruck p_E zum Erreichen der Siedebedingung anwendbar. Vorteilhaft wird für eine Niedertempertatur-Elektrolyse eine Temperatur T_E zwischen 90°C und 120°C eingestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3101210 A1 [0010]
DE 102005017727 A1 [0011]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage (1) umfassend einen Elektrolyseur (3) zur Erzeugung von Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) als Produktgase, wobei Wasser als Edukt-Wasser (5) dem Elektrolyseur (1)zugeführt wird und an einer ionendurchlässigen Membran (7) zu Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) aufgespalten wird, wobei vor der Aufspaltung das Edukt-Wasser (5) hinsichtlich Druck (p_E) und Temperatur (T_E) in einen thermodynamischen Zustand in der Nähe des Siedepunktes des Wassers gebracht wird und in diesem Zustand der Membran (7) zugeführt wird, wobei Edukt-Wasser (5) an der Membran (7) zum Sieden gebracht und dadurch in die Gasphase überführt wird, und wobei Edukt-Wasser (5) in der Gasphase an der Membran (7) aufgespalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Edukt-Wasser (5) durch einen lokalen Wärmeeintrag an der Membran (7) von der Temperatur (T_E) nahe unterhalb der Siedetemperatur (T_S) auf die Siedetemperatur (T_S) erwärmt wird, wodurch Edukt-Wasser (5) von der flüssigen Phase in die Gasphase überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem eine Temperaturdifferenz der Temperatur (T_E) und der Siedetemperatur (T_S) von kleiner als 5°C, insbesondere zwischen 1,5°C und 2,5°C, eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Edukt-Wasser (5) bei einem Druck (p_E) von einer niedrigen Temperatur (T₁) auf eine höhere Temperatur (T_E) erwärmt wird, so dass der thermodynamische Zustand in der Nähe des Siedepunkts erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Edukt-Wasser (5) auf eine Betriebstemperatur der Niedertemperatur-Elektrolyse erwärmt wird, die der höheren Temperatur (T_E) entspricht, wobei eine höhere Temperatur (T_E) von bis zu 130°C, insbesondere zwischen 90°C und 120°C, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem Edukt-Wasser (5) bei einer Temperatur (T_E) von einem hohen Druck (p₁) auf einen niedrigeren Druck (p_E) gebracht wird, so dass der thermodynamische Zustand in der Nähe des Siedepunkts erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem Edukt-Wasser (5) einem Anodenraum (9) und einem durch die Membran (7) räumlich getrennten Kathodenraum (11) zugeführt wird, wobei in dem Anodenraum (9) der niedrigere Druck (p_E) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem im Anodenraum (9) als niedrigerer Druck (p_E) ein Druck von 200 mbar bis 500 mbar, insbesondere von 300 mbar bis 400 mbar eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem Edukt-Wasser (5) im Anodenraum (9) verdampft wird, so dass eine Siedekühlung der Membran (7) bewirkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem in dem Kathodenraum (11) ein höherer Druck als in dem Anodenraum (9) eingestellt wird, wobei ein Differenzdruck (Δp) von 10 bar bis 15 bar aufrechterhalten wird.
Elektrolyseanlage (1) mit einem Elektrolyseur (3) zur Erzeugung von Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) als Produktgase, bei der der Elektrolyseur (3) eine Zufuhrleitung (13) für Edukt-Wasser (5) sowie einen Anodenraum (9) und einen Kathodenraum (11) aufweist, wobei der Anodenraum (9) und der Kathodenraum (11) durch eine ionendurchlässige Membran (7) getrennt sind, und wobei eine Produktgas-Leitung (15A) an den Anodenraum (9) angeschlossen ist, in die eine Unterdruckpumpe (17) geschaltet ist, so dass ein Unterdruck in dem Anodenraum (9) erzeugbar ist.
Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 11, mit einem in die Produktgas-Leitung (15A) geschalteten Gaskühler (19), der der Unterdruckpumpe (17) auf deren Druckseite nachgeschaltet ist.
Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 11 oder 12, mit einer in die Produktgas-Leitung (15) einmündenden Zufuhrleitung (21), in die ein Gasdruck-Regelventil (23) geschaltet ist, so dass über die Zufuhrleitung (21) ein Gas, insbesondere gefilterte Umgebungsluft, der Produktgas-Leitung (15) zuführbar ist.
Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 13, mit einem Gasbehälter (27), der an die Zufuhrleitung (21) angeschlossen ist, so dass aus dem Gasbehälter (27) ein Gas über das Gasdruck-Regelventil (23) entnehmbar und der Produktgas-Leitung (15) zuführbar ist.
Elektrolyseanlage (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, ausgestattet mit einer an die Unterdruckpumpe (17) angeschlossenen Drehzahl-Regeleinrichtung (25), mit der die Drehzahl der Unterdruckpumpe (17) regelbar ist.
Elektrolyseanlage (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, mit einer als Schraubenverdichter ausgestalteten Unterdruckpumpe (17).
Elektrolyseanlage (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei der der Anodenraum (9) und der Kathodenraum (11) durch eine protonendurchlässige Membran (7) getrennt sind, so dass eine PEM-Elektrolyse durchführbar ist.