DE102022210095A1 - Electrolyzer and method for operating an electrolyzer - Google Patents

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Erik Wolf
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) mittels elektrischen Stroms, umfassend eine Vielzahl von Elektrolysezellen (2), die in Elektrolyse-Stacks aufgeteilt sind, wobei jede Elektrolysezelle (2) eine protonendurchlässige Polymer-Membran (4)aufweist, auf der beidseitig Elektroden (6, 8) anliegen, an welche im Betrieb eine äußere Spannung angelegt wird, wobei anodenseitig eine erste Wasser-Zuleitung (10) zum Zuführen von Wasser zu einem Anodenraum (12) vorgesehen ist, eine Sauerstoff-Produktleitung (14) zum Abführen des erzeugten Sauerstoffs (O2) aus dem Anodenraum (12) angeschlossen ist und kathodenseitig eine Wasserstoff-Produktleitung (16) zum Abführen des erzeugten Wasserstoffs (H2) aus einem Kathodenraum (18) vorgesehen ist, umfassend weiterhin ein Kontrollsystem (22) zum Steuern des Betriebs der Elektrolyse-Stacks. Um einen sicheren Betrieb des Elektrolyseurs zu gewährleisten und die negativen Folgen eines Membranschadens in Betrieb eines Elektrolyseurs zu minimieren, ist das Kontrollsystem (22) dafür eingerichtet, einen höheren Druck (pa) im Anodenraum (12) als im Kathodenraum (18) einzustellen, wobei der Druck (pa) im Anodenraum (12) 2-fach bis 20-fach, insbesondere 4-fach bis 7-fach höher ist als der Druck (pk) im Kathodenraum (18).The invention relates to an electrolyzer for splitting water into hydrogen (H2) and oxygen (O2) using electric current, comprising a plurality of electrolysis cells (2) which are divided into electrolysis stacks, each electrolysis cell (2) having a proton-permeable polymer. Membrane (4) on which electrodes (6, 8) rest on both sides, to which an external voltage is applied during operation, a first water supply line (10) being provided on the anode side for supplying water to an anode space (12), an oxygen product line (14) for discharging the generated oxygen (O2) from the anode space (12) is connected and a hydrogen product line (16) is provided on the cathode side for discharging the generated hydrogen (H2) from a cathode space (18), comprising furthermore a control system (22) for controlling the operation of the electrolysis stacks. In order to ensure safe operation of the electrolyzer and to minimize the negative consequences of membrane damage during operation of an electrolyzer, the control system (22) is set up to set a higher pressure (pa) in the anode space (12) than in the cathode space (18), whereby the pressure (pa) in the anode space (12) is 2 times to 20 times, in particular 4 times to 7 times higher than the pressure (pk) in the cathode space (18).

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels elektrischen Stroms, umfassend eine Vielzahl von Elektrolysezellen, die mehrere Elektrolyse-Stacks bilden, wobei jede Elektrolysezelle eine protonendurchlässige Polymer-Membran aufweist, auf der beidseitig Elektroden anliegen, an welche im Betrieb eine äußere Spannung angelegt wird, wobei anodenseitig eine Wasser-Zuleitung zum Zuführen von Wasser zu einem Anodenraum vorgesehen ist, eine Sauerstoff-Produktleitung zum Abführen des erzeugten Sauerstoffs aus dem Anodenraum angeschlossen ist und kathodenseitig eine Wasserstoff-Produktleitung zum Abführen des erzeugten Wasserstoffs aus dem Kathodenraum vorgesehen ist, umfassend weiterhin ein Kontrollsystem zum Steuern des Betriebs der Elektrolyse-Stacks.The invention relates to an electrolyzer for splitting water into hydrogen and oxygen using electric current, comprising a large number of electrolysis cells that form several electrolysis stacks, each electrolysis cell having a proton-permeable polymer membrane on which electrodes rest on both sides, which are applied during operation an external voltage is applied, with a water supply line being provided on the anode side for supplying water to an anode compartment, an oxygen product line for removing the generated oxygen from the anode compartment and a hydrogen product line being connected on the cathode side for removing the generated hydrogen from the cathode compartment is provided, further comprising a control system for controlling the operation of the electrolysis stacks.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels elektrischen Stroms, umfassend eine Vielzahl von Elektrolysezellen, die mehrere Elektrolyse-Stacks bilden, wobei jede Elektrolysezelle eine protonendurchlässige Polymer-Membran aufweist, auf der beidseitig Elektroden anliegen, an welche im Betrieb eine äußere Spannung angelegt wird, wobei anodenseitig in einen Anodenraum Wasser zugefügt wird und der hergestellte Sauerstoff aus dem Anodenraum abgeführt wird und kathodenseitig aus einem Kathodenraum der hergestellte Wasserstoff durch eine Wasserstoff-Produktleitung abgeführt wird.The invention further relates to a method for operating an electrolyzer for splitting water into hydrogen and oxygen using electric current, comprising a plurality of electrolysis cells that form several electrolysis stacks, each electrolysis cell having a proton-permeable polymer membrane on which electrodes rest on both sides , to which an external voltage is applied during operation, with water being added to an anode space on the anode side and the oxygen produced being removed from the anode space and the hydrogen produced being removed from a cathode space on the cathode side through a hydrogen product line.

Wasserstoff wird heutzutage beispielsweise mittels PEM-Elektrolyse erzeugt. Bestandteil einer PEM-Elektrolysezelle ist eine protonendurchlässige Polymer-Membran (Proton Exchange Membrane), die auf beiden Seiten von porösen Platinelektroden (Anode und Kathode) kontaktiert wird. An diese wird eine äußere Spannung angelegt und auf der Anodenseite des Elektrolyseurs wird Wasser zugeführt. Durch die katalytische Wirkung des Platins wird das Wasser an der Anodenseite zersetzt. Es entstehen dabei Sauerstoff, freie Elektronen und positiv geladene Wasserstoffionen H+. Die Wasserstoffionen H+ diffundieren durch die protonenleitende Membran auf die Kathodenseite, wo sie mit den Elektronen aus dem äußeren Stromkreis zu Wasserstoffmolekülen H2 kombinieren.Hydrogen is now produced, for example, using PEM electrolysis. The component of a PEM electrolysis cell is a proton-permeable polymer membrane (proton exchange membrane), which is contacted on both sides by porous platinum electrodes (anode and cathode). An external voltage is applied to this and water is supplied to the anode side of the electrolyzer. The catalytic effect of the platinum decomposes the water on the anode side. This creates oxygen, free electrons and positively charged hydrogen ions H+. The hydrogen ions H+ diffuse through the proton-conducting membrane to the cathode side, where they combine with the electrons from the external circuit to form hydrogen molecules H2 .

Die oben beschriebenen Elektrolysezellen sind in Stacks zusammengefasst. In dem unter Gleichspannung stehenden Stack wird Wasser eingebracht und nach dem Durchlauf durch die Elektrolysezellen treten zwei Produktströme hinaus, bestehend aus Wasser und Gasblasen als Sauerstoff bzw. Wasserstoff. Systemimmanent ist dabei, dass im Produktstrom des einen Produktgases jeweils das andere Produktgas lediglich in geringen Mengen vorliegt. In der Praxis befinden sich im Sauerstoffgasstrom kleine Mengen an Wasserstoff und im Wasserstoffgasstrom kleine Mengen an Sauerstoff. Die Quantität des jeweiligen Fremdgases hängt vom Elektrolysezelldesign ab und variiert auch unter dem Einfluss von Stromdichte, Katalysatorzusammensetzung, Alterung und bei einer PEM-Elektrolyseanlage vom Membranmaterial. Unter Umständen kann es dabei erforderlich sein, die Fremdgaskonzentration zu reduzieren, und zwar bereits unmittelbar an bzw. direkt nach der Elektrolysezelle bzw. dem Elektrolyse-Stack, z.B. in einer dem Elektrolyseur nachgeschalteten Gasabscheidevorrichtung. Das Problem wird im Teillastbetrieb und bei gealterten Membranen verstärkt und führt zu Einschränkungen der Betriebsweise.The electrolysis cells described above are grouped together in stacks. Water is introduced into the stack, which is under direct voltage, and after passing through the electrolysis cells, two product streams emerge, consisting of water and gas bubbles as oxygen and hydrogen, respectively. It is inherent in the system that in the product stream of one product gas, the other product gas is only present in small quantities. In practice, there are small amounts of hydrogen in the oxygen gas stream and small amounts of oxygen in the hydrogen gas stream. The quantity of the respective foreign gas depends on the electrolysis cell design and also varies under the influence of current density, catalyst composition, aging and, in a PEM electrolysis system, the membrane material. Under certain circumstances, it may be necessary to reduce the foreign gas concentration, directly on or directly after the electrolysis cell or the electrolysis stack, for example in a gas separation device connected downstream of the electrolyzer. The problem is exacerbated in part-load operation and with aged membranes and leads to restrictions in operation.

Im Folgenden ist daher eine Gasabscheidung notwendig. Hierbei ist es üblich, dass über eine Verrohrung mehrerer Elektrolysezellen und weiterhin mehrere Elektrolyseeinheiten miteinander verbunden werden und das jeweils austretende Gas-Wasser-Gemisch einem zentralen Gasabscheider zugeführt wird. Eine hierzu vorteilhafte Ausführung ist beispielsweise aus der WO 2020/020611 A1 bekannt.Gas separation is therefore necessary in the following. It is common practice here for several electrolysis cells and several electrolysis units to be connected to one another via piping and for the emerging gas-water mixture to be fed to a central gas separator. An advantageous embodiment for this is, for example, from WO 2020/020611 A1 known.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen sicheren Betrieb des Elektrolyseurs zu gewährleisten und die negativen Folgen eines Membranschadens in Betrieb eines Elektrolyseurs zu minimieren.The invention is therefore based on the object of ensuring safe operation of the electrolyzer and minimizing the negative consequences of membrane damage during operation of an electrolyzer.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Elektrolyseur zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels elektrischen Stroms, umfassend eine Vielzahl von Elektrolysezellen, die in Elektrolyse-Stacks aufgeteilt sind, wobei jede Elektrolysezelle eine protonendurchlässige Polymer-Membran aufweist, auf der beidseitig Elektroden anliegen, an welche im Betrieb eine äußere Spannung angelegt wird, wobei anodenseitig eine erste Wasser-Zuleitung zum Zuführen von Wasser zu einem Anodenraum vorgesehen ist, eine Sauerstoff-Produktleitung zum Abführen des erzeugten Sauerstoffs aus dem Anodenraum angeschlossen ist und kathodenseitig eine Wasserstoff-Produktleitung zum Abführen des erzeugten Wasserstoffs aus einem Kathodenraum vorgesehen ist, umfassend weiterhin ein Kontrollsystem zum Steuern des Betriebs der Elektrolyse-Stacks, wobei das Kontrollsystem dafür eingerichtet ist, einen höheren Druck im Anodenraum als im Kathodenraum einzustellen, wobei der Druck im Anodenraum 2-fach bis 20-fach, insbesondere 4-fach bis 7-fach höher ist als der Druck im Kathodenraum.The object is achieved according to the invention by an electrolyzer for splitting water into hydrogen and oxygen using electric current, comprising a large number of electrolysis cells which are divided into electrolysis stacks, each electrolysis cell having a proton-permeable polymer membrane on which electrodes rest on both sides, to which an external voltage is applied during operation, a first water supply line being provided on the anode side for supplying water to an anode compartment, an oxygen product line for discharging the generated oxygen from the anode compartment is connected and a hydrogen product line for discharging the generated oxygen from the anode compartment is connected on the cathode side hydrogen produced from a cathode compartment is provided, further comprising a control system for controlling the operation of the electrolysis stacks, the control system being set up to set a higher pressure in the anode compartment than in the cathode compartment, the pressure in the anode compartment being 2 times to 20 times , in particular 4 times to 7 times higher than the pressure in the cathode space.

Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels elektrischen Stroms, umfassend eine Vielzahl von Elektrolysezellen, die in Elektrolyse-Stacks aufgeteilt sind, wobei jede Elektrolysezelle eine protonendurchlässige Polymer-Membran aufweist, auf der beidseitig Elektroden anliegen, an welche im Betrieb eine äußere Spannung angelegt wird, wobei anodenseitig in einen Anodenraum über eine erste Wasser-Zuleitung Wasser zugefügt wird und der hergestellte Sauerstoff über eine Sauerstoff-Produktleitung aus dem Anodenraum abgeführt wird und kathodenseitig aus einem Kathodenraum der hergestellte Wasserstoff über eine Wasserstoff-Produktleitung abgeführt wird, umfassend weiterhin ein Kontrollsystem zum Steuern des Betriebs der Elektrolyse-Stacks, wobei mittels des Kontrollsystems im Anodenraum ein höherer Druck eingestellt wird als im Kathodenraum, wobei der Druck im Anodenraum 2-fach bis 20-fach, insbesondere 4-fach bis 7-fach höher ist als der Druck im Kathodenraum.The task is further solved according to the invention by a method for operating an electric rolysers for splitting water into hydrogen and oxygen using electric current, comprising a large number of electrolysis cells which are divided into electrolysis stacks, each electrolysis cell having a proton-permeable polymer membrane on which electrodes are applied on both sides, to which an external voltage is applied during operation is created, wherein water is added to an anode compartment via a first water supply line on the anode side and the oxygen produced is removed from the anode compartment via an oxygen product line and the hydrogen produced is removed on the cathode side from a cathode compartment via a hydrogen product line, further comprising a Control system for controlling the operation of the electrolysis stacks, with the control system being used to set a higher pressure in the anode space than in the cathode space, the pressure in the anode space being 2 times to 20 times, in particular 4 times to 7 times higher than that Pressure in the cathode compartment.

Die in Bezug auf den Elektrolyseur nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf das Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs übertragen.The advantages and preferred embodiments listed below with regard to the electrolyzer can be applied analogously to the method for operating an electrolyzer.

Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen jede Elektrolyse mit einem Differenzdruck zu betreiben. Der Druck auf der Anodenseite wird dabei höher eingestellt als auf der Kathodenseite. Das Druckverhältnis zwischen Anodenseite und Kathodenseite beträgt 2 bis 20 bar, insbesondere 4 bis 7 bar. Dies bedeutet, dass wenn im Kathodenraum z.B. ein Druck von 5 bar vorliegt, dass im Anodenraum insbesondere 20 bar eingestellt sind.According to the invention, it is proposed to operate each electrolysis with a differential pressure. The pressure on the anode side is set higher than on the cathode side. The pressure ratio between the anode side and cathode side is 2 to 20 bar, in particular 4 to 7 bar. This means that if, for example, there is a pressure of 5 bar in the cathode compartment, in particular 20 bar is set in the anode compartment.

Ein niedrigerer Druck auf der Kathodenseite gegenüber der Anodenseite bringt mehrere Vorteile mit sich. Zum einen, es wird das Wandern der Wassermoleküle durch die Membran unterstützt. Zum anderen, bei einem Durchbruch der Membran kommt weniger Fremdgas durch. Und nicht zuletzt liegt im Betrieb eine Verbesserung der Fremdgaskonzentration vor.A lower pressure on the cathode side compared to the anode side has several advantages. Firstly, it supports the migration of water molecules through the membrane. Secondly, if the membrane breaks through, less foreign gas gets through. And last but not least, there is an improvement in the foreign gas concentration during operation.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Kontrollsystem dafür eingerichtet, eine Zirkulation des Wassers im Anodenraum zu ermöglichen. Vorzugsweise dient die Sauerstoff-Abführleitung auch als Wasser-Abführleitung. Wenn das Wasser lediglich anodenseitig zirkuliert, liegt auf der WasserstoffSeite eine befeuchtete Zelle vor. Der Betrieb eines PEM-Elektrolyseurs mit nur einem Wasserkreislauf ist weniger aufwendig als mit zwei Kreisläufen.According to a preferred embodiment, the control system is set up to enable circulation of the water in the anode space. Preferably, the oxygen discharge line also serves as a water discharge line. If the water only circulates on the anode side, there is a humidified cell on the hydrogen side. Operating a PEM electrolyser with just one water circuit is less complicated than with two circuits.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Kontrollsystem dafür eingerichtet, eine Zirkulation des Wassers im Kathodenraum zu ermöglichen. Hierbei dient die Wasserstoff-Produktleitung insbesondere auch zum Wasser abführen. Durch die Wasserzirkulation wird die inhärente Sicherheit der Elektrolysezelle verbessert. Die Zirkulationsrate im Kathodenraum ist dabei insbesondere kleiner als die im Anodenraum. Das Verhältnis der Wasserzirkulation auf der Wasserstoffseite gegenüber der Sauerstoffseite beträgt 0,9 bis 0,01. Bei einem Membranbruch würde der hindurchtretende Sauerstoff sich normallerweise mit dem Wasserstoff vermischen und ein reaktionsfähiges Gasgemisch bilden können. Es ist daher von großem Vorteil, wenn sich dabei diskrete, kleinere Volumen aus dem Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch bilden, die z.B. als Blasen in Wasser eingebettet sind. Durch das kleinere Gesamtreaktionsvolumen ist auch die Energiefreisetzung geringer.According to a further preferred embodiment, the control system is set up to enable circulation of the water in the cathode space. The hydrogen product line is used in particular to remove water. Water circulation improves the inherent safety of the electrolytic cell. The circulation rate in the cathode space is in particular smaller than that in the anode space. The ratio of water circulation on the hydrogen side versus the oxygen side is 0.9 to 0.01. In the event of a membrane rupture, the oxygen passing through would normally mix with the hydrogen and form a reactive gas mixture. It is therefore of great advantage if discrete, smaller volumes are formed from the hydrogen-oxygen mixture, for example embedded as bubbles in water. Due to the smaller total reaction volume, the energy release is also lower.

Vorzugsweise liegt ein horizontaler Zellenaufbau vor, bei dem der Anodenraum über dem Kathodenraum angeordnet ist. Alternativ kann die Zelle auch vertikal orientiert sein.Preferably there is a horizontal cell structure in which the anode space is arranged above the cathode space. Alternatively, the cell can also be oriented vertically.

Im Hinblick auf eine besondere hohe Sicherheit beim Elektrolyseprozess, ist gemäß einer bevorzugten Ausführung in der Wasserstoff-Produktleitung ein Rekombinationskatalysator zum Rekombinieren vom Wasserstoff und dem Sauerstoff zu Wasser integriert. Mit Hilfe des Rekombinationskatalysators wird verhindert, dass aufgrund von Sauerstoff-Gehalt im Wasserstoff-Produktstrom ein reaktionsfähiges Produktgas-Gemisch in einen nachgeschalteten Gasabscheider bzw. in stromabwärts gelegene Bereiche wie z.B. Verdichter gelangen kann.With regard to a particularly high level of safety in the electrolysis process, according to a preferred embodiment, a recombination catalyst for recombining hydrogen and oxygen to form water is integrated in the hydrogen product line. The recombination catalyst prevents a reactive product gas mixture from reaching a downstream gas separator or downstream areas such as compressors due to the oxygen content in the hydrogen product stream.

Vorzugsweise ist das Kontrollsystem dafür eingerichtet, zumindest einen Temperaturwert in der Wasserstoff-Produktleitung zu erfassen und der Temperaturwert oder eine mit dem Temperaturwert korrelierte Temperatur mit einem Schwellwert zu vergleichen und beim Überschreiten des Schwellwerts die Wasserstoff-Produktleitung zu sperren und eine Bypass-Leitung zu öffnen. Der erfasste Temperaturwert kann beispielsweise eine absolute Temperatur im oder nach dem Rekombinationskatalysator, eine Temperaturveränderung über die Zeit, eine Eintritts- und Austrittstemperatur bezogen auf den Rekombinationskatalysator oder eine Differenz zweier Temperaturwerte aus der Wasserstoff-Produktleitung sein. Im Rekombinationskatalysator findet eine exotherme Reaktion mit Temperaturerhöhung statt. Wenn also die Temperatur im Rekombinationskatalysator oder eine andere Temperatur in der Wasserstoff-Produktleitung über den vorgegebenen Schwellwert steigt, ist dies ein Indikator dafür, dass besonders viel Fremd-Sauerstoff im Wasserstoff-Produktstrom vorhanden ist. Dies deutet wiederum auf einen Membrandefekt hin. Es ist somit essenziell, beim Überschreiten des Schwellwerts die Wasserstoff-Produktleitung zu sperren, um den Zugang zum Gasabscheider zu verhindern, und die Bypass-Leitung zu öffnen, welche das reaktive Gemisch aus Sauerstoff und Wasserstoff aus den weiteren Komponenten der Elektrolyseanlage hinausleitet.Preferably, the control system is set up to detect at least one temperature value in the hydrogen product line and to compare the temperature value or a temperature correlated with the temperature value with a threshold value and to block the hydrogen product line and open a bypass line when the threshold value is exceeded . The recorded temperature value can be, for example, an absolute temperature in or after the recombination catalyst, a temperature change over time, an inlet and outlet temperature based on the recombination catalyst or a difference between two temperature values from the hydrogen product line. An exothermic reaction with an increase in temperature takes place in the recombination catalyst. So if the temperature in the recombination catalyst or another temperature in the hydrogen product line rises above the specified threshold, this is an indicator that there is a particularly large amount of foreign oxygen in the hydrogen product stream. This again indicates a membrane defect. It is therefore essential to block the hydrogen product line when the threshold value is exceeded in order to ensure access to the gas separator and to open the bypass line, which leads the reactive mixture of oxygen and hydrogen out of the other components of the electrolysis system.

Bevorzugt ist das Kontrollsystem dafür eingerichtet, beim Überschreiten der Schwellwerts den elektrischen Strom zum Elektrolyse-Stack abzuschalten. Auf diese Weise wird rechtzeitig eine Erhöhung der Konzentration von Fremd-Sauerstoff in auf der Wasserstoffseite verhindert.The control system is preferably set up to switch off the electrical current to the electrolysis stack when the threshold value is exceeded. In this way, an increase in the concentration of foreign oxygen on the hydrogen side is prevented in a timely manner.

Vorteilhafterweise ist gemäß einer weiteren Sicherheitsmaßnahme das Kontrollsystem dafür eingerichtet, ein Inertgas in die Kathodenräume des abgeschalteten Elektrolyse-Stacks einzuleiten. Insbesondere wird Stickstoff verwendet, mit dem der Elektrolyse-Stack kathodenseitig durchgespült wird.Advantageously, according to a further safety measure, the control system is set up to introduce an inert gas into the cathode spaces of the switched off electrolysis stack. In particular, nitrogen is used to flush the electrolysis stack on the cathode side.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht:

  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Elektrolysezelle in vertikaler Ausrichtung,
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Elektrolysezelle in horizontaler Ausrichtung,
  • 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Elektrolysezelle in horizontaler Ausrichtung,
  • 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Elektrolysezelle in horizontaler Ausrichtung,
  • 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Elektrolysezelle in horizontaler Ausrichtung, und
  • 6 eine vertikal ausgerichtete Elektrolysezelle mit nachgeschlagenen Komponenten.
An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail with reference to a drawing. Herein show schematically and greatly simplified:
  • 1 a first exemplary embodiment of an electrolytic cell in a vertical orientation,
  • 2 a second embodiment of an electrolytic cell in a horizontal orientation,
  • 3 a third embodiment of an electrolytic cell in horizontal orientation,
  • 4 a fourth exemplary embodiment of an electrolytic cell in a horizontal orientation,
  • 5 a fifth embodiment of an electrolytic cell in a horizontal orientation, and
  • 6 a vertically oriented electrolytic cell with components looked up.

Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung.The same reference numbers have the same meaning in the figures.

In 1 ist eine vertikal ausgerichtete Elektrolysezelle 2 dargestellt, welche Teil eines hier nicht gezeigten Elektrolyseurs zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 mittels elektrischen Stroms ist. Mehrere solche Elektrolysezellen 2 sind in Elektrolyse-Stacks hintereinandergeschaltet. Jede Elektrolysezelle 2 weist eine protonendurchlässige Polymer-Membran 4 auf, auf der beidseitig Elektroden 6, 8 anliegen, an welche im Betrieb eine äußere Spannung angelegt wird. Anodenseitig ist eine erste Wasser-Zuleitung 10 zum Zuführen von Wasser zu einem Anodenraum 12 vorgesehen ist. Aus dem Anodenraum 12 wird der in der Elektrolysezelle 2 erzeugte Sauerstoff O2 über eine Sauerstoff-Produktleitung 14 abgeführt. Kathodenseitig ist eine Wasserstoff-Produktleitung 16 zum Abführen des erzeugten Wasserstoffs aus einem Kathodenraum 18 vorgesehen. Gemäß 1 ist zudem auch kathodenseitig eine zweite Wasser-Zuleitung 20 angeschlossen. Somit zirkuliert Wasser nicht nur durch den Anodenraum 12, sondern auch durch den durch den Kathodenraum 16.In 1 a vertically aligned electrolysis cell 2 is shown, which is part of an electrolyzer, not shown here, for splitting water into hydrogen H 2 and oxygen O 2 using electric current. Several such electrolysis cells 2 are connected in series in electrolysis stacks. Each electrolysis cell 2 has a proton-permeable polymer membrane 4, on which electrodes 6, 8 rest on both sides, to which an external voltage is applied during operation. On the anode side, a first water supply line 10 is provided for supplying water to an anode space 12. The oxygen O 2 generated in the electrolytic cell 2 is removed from the anode space 12 via an oxygen product line 14. On the cathode side, a hydrogen product line 16 is provided for discharging the hydrogen produced from a cathode space 18. According to 1 A second water supply line 20 is also connected on the cathode side. Water therefore circulates not only through the anode space 12, but also through the cathode space 16.

Weiterhin ist ein Kontrollsystem 22 zum Steuern des Betriebs der Elektrolyse-Stacks vorgesehen, der symbolisch durch den Block 22 angedeutet ist. Mit Hilfe des Kontrollsystems 22 wird im Anodenraum 12 ein höherer Druck pa eingestellt als der Druck pk im Kathodenraum 18, wobei der anodenseitige Druck pa etwa 2-fach bis 20-fach höher ist. Bevorzugt ist der Druck pa im Anodenraum 12 insbesondere 4-fach bis 7-fach höher ist als der Druck pk im Kathodenraum 18. Auf diese Weise werden die negativen Folgen eines Membranschadens in Betrieb eines Elektrolyseurs minimiert, da bei einem Durchbruch der Membran 4 weniger Fremdgas durchkommt.Furthermore, a control system 22 is provided for controlling the operation of the electrolysis stacks, which is symbolically indicated by block 22. With the help of the control system 22, a higher pressure p a is set in the anode space 12 than the pressure p k in the cathode space 18, the anode-side pressure p a being approximately 2 times to 20 times higher. Preferably, the pressure p a in the anode space 12 is in particular 4 times to 7 times higher than the pressure p k in the cathode space 18. In this way, the negative consequences of membrane damage during operation of an electrolyzer are minimized, since if the membrane 4 breaks through less foreign gas gets through.

Die Elektrolysezelle 2 in 2 weist einen horizontalen Aufbau auf, bei dem der Anodenraum 12 über dem Kathodenraum 18 angeordnet ist. Der Kathodenraum 18 ist dabei lediglich teilgeflutet, d.h. über die zweite Wasser-Zuleitung 20 wird zwar Wasser in den Kathodenraum 18 eingeleitet, allerdings ist der Raum nicht komplett mit Wasser befüllt.The electrolytic cell 2 in 2 has a horizontal structure in which the anode space 12 is arranged above the cathode space 18. The cathode space 18 is only partially flooded, ie water is introduced into the cathode space 18 via the second water supply line 20, but the space is not completely filled with water.

Die horizontale Elektrolysezelle 2 gemäß 3 unterscheidet sich von der Elektrolysezelle 2 in 2 lediglich dadurch, dass der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 18 nicht gleich groß sind, sondern der Anodenraum 12 ist größer ausgebildet als der Kathodenraum 18, d.h. es liegt eine unsymmetrische Anordnung der Polymer-Membran 4 mit den Elektroden 6, 8 vor.The horizontal electrolytic cell 2 according to 3 differs from the electrolytic cell 2 in 2 only because the anode space 12 and the cathode space 18 are not the same size, but the anode space 12 is larger than the cathode space 18, that is, there is an asymmetrical arrangement of the polymer membrane 4 with the electrodes 6, 8.

Im Unterschied zu 2 wird in 4 in den Kathodenraum 18 kein flüssiges Wasser zugeführt, sondern Wasserdampf, so dass kathodenseitig eine befeuchtete Halbzelle vorliegt.In contrast to 2 is in 4 No liquid water is fed into the cathode space 18, but water vapor, so that there is a moistened half-cell on the cathode side.

Bei der Ausführung der Elektrolysezelle 2 gemäß 5 liegt kathodenseitig ebenfalls eine befeuchtete Halbzelle vor, dabei ist auch hier, wie in 3, der Anodenraum 12 größer ausgebildet als der Kathodenraum 16.When designing the electrolytic cell 2 according to 5 There is also a moistened half cell on the cathode side, here too, as in 3 , the anode space 12 is larger than the cathode space 16.

Die im Zusammenhang mit den horizontal ausgerichteten Elektrolysezellen 2 gemäß 2, 3, 4 und 5 gezeigten Ausführungen lassen sich auch auf vertikal ausgerichtete Elektrolysezelle 2 übertragen und umgekehrt.The in connection with the horizontally aligned electrolysis cells 2 according to 2 , 3 , 4 and 5 The embodiments shown can also be transferred to a vertically aligned electrolytic cell 2 and vice versa.

In 6 sind weitere Komponenten des Elektrolyseurs und deren Zusammenwirkung im Betrieb gezeigt. In der Wasserstoff-Produktleitung 16 ist ein Rekombinationskatalysator 24 zum Rekombinieren integriert, in dem der Wasserstoff H2 und der Sauerstoff O2 zu Wasser rekombiniert werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind vor und nach dem Rekombinationskatalysator 22 Temperatursensoren, 26, 28 angebracht, die jeweils ein Temperaturwert T1, T2 in der Wasserstoff-Produktleitung 16 erfassen. Die Temperaturwerte T1, T2 werden dem Kontrollsystem 22 zur Verfügung gestellt und daraus wird durch das Kontrollsystem 22 ein Temperatur-Differenzwert ΔT gebildet und dieser wird mit einem vorgegebenen Schwellwert Ts vergleichen. Anstelle des Temperatur-Differenzwerts ΔT kann direkt ein gemessener Temperaturwert wie z.B. T2 oder eine andere mit dem Temperaturwert T2 korrelierte Temperatur verwendet werden. Auf diese Weise wird eine Temperaturentwicklung der exothermen Reaktion im Rekombinationskatalysator 24 überwacht.In 6 Further components of the electrolyser and their interaction during operation are shown. A recombination catalyst 24 for recombination is integrated in the hydrogen product line 16, in which the hydrogen H 2 and the oxygen O 2 are recombined to form water. In the exemplary embodiment shown there are and after the recombination catalyst 22 temperature sensors, 26, 28 are attached, each of which detects a temperature value T 1 , T 2 in the hydrogen product line 16. The temperature values T 1 , T 2 are made available to the control system 22 and from this a temperature difference value ΔT is formed by the control system 22 and this is compared with a predetermined threshold value T s . Instead of the temperature difference value ΔT, a measured temperature value such as T 2 or another temperature correlated with the temperature value T 2 can be used directly. In this way, a temperature development of the exothermic reaction in the recombination catalyst 24 is monitored.

Wenn der Temperatur-Differenzwert ΔT den Schwellwert Ts überschreitet, wird die Wasserstoff-Produktleitung 16 durch das Ventil 30 gesperrt und ein Bypass-Ventil 32 wird geöffnet, so dass die Mischung aus Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 über eine Bypass-Leitung 34 hinausgeleitet wird. Beim Überschreiten der Schwellwerts Ts wird zudem aus Sicherheitsgründen der elektrische Strom zu dem jeweiligen Elektrolyse-Stack abgeschaltet. Zusätzlich wird ein in der zweiten Wasser-Zuleitung 20 eingebautes Stickstoff-Ventil 36 geöffnet, so dass in die Kathodenräume 18 des abgeschalteten Elektrolyse-Stacks Stickstoff N2 oder ein anderes Inertgas eingeleitet wird.If the temperature difference value ΔT exceeds the threshold value T s , the hydrogen product line 16 is blocked by the valve 30 and a bypass valve 32 is opened so that the mixture of hydrogen H 2 and oxygen O 2 via a bypass line 34 is directed out. If the threshold value T s is exceeded, the electrical current to the respective electrolysis stack is also switched off for safety reasons. In addition, a nitrogen valve 36 installed in the second water supply line 20 is opened so that nitrogen N 2 or another inert gas is introduced into the cathode spaces 18 of the switched-off electrolysis stack.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2020020611 A1 [0005]WO 2020020611 A1 [0005]

Claims (15)

Elektrolyseur zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) mittels elektrischen Stroms, umfassend eine Vielzahl von Elektrolysezellen (2), die in Elektrolyse-Stacks aufgeteilt sind, wobei jede Elektrolysezelle (2) eine protonendurchlässige Polymer-Membran (4)aufweist, auf der beidseitig Elektroden (6, 8) anliegen, an welche im Betrieb eine äußere Spannung angelegt wird, wobei anodenseitig eine erste Wasser-Zuleitung (10) zum Zuführen von Wasser zu einem Anodenraum (12) vorgesehen ist, eine Sauerstoff-Produktleitung (14) zum Abführen des erzeugten Sauerstoffs (O2) aus dem Anodenraum (12) angeschlossen ist und kathodenseitig eine Wasserstoff-Produktleitung (16) zum Abführen des erzeugten Wasserstoffs (H2) aus einem Kathodenraum (18) vorgesehen ist, umfassend weiterhin ein Kontrollsystem (22) zum Steuern des Betriebs der Elektrolyse-Stacks, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollsystem (22) dafür eingerichtet ist, einen höheren Druck (pa) im Anodenraum (12) als im Kathodenraum (18) einzustellen, wobei der Druck (pa) im Anodenraum (12) 2-fach bis 20-fach, insbesondere 4-fach bis 7-fach höher ist als der Druck (pk) im Kathodenraum (18).Electrolyzer for splitting water into hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) using electric current, comprising a plurality of electrolysis cells (2) which are divided into electrolysis stacks, each electrolysis cell (2) having a proton-permeable polymer membrane ( 4), on which there are electrodes (6, 8) on both sides, to which an external voltage is applied during operation, with a first water supply line (10) being provided on the anode side for supplying water to an anode space (12), an oxygen -Product line (14) for discharging the generated oxygen (O 2 ) from the anode space (12) is connected and a hydrogen product line (16) is provided on the cathode side for discharging the generated hydrogen (H 2 ) from a cathode space (18), comprising further a control system (22) for controlling the operation of the electrolysis stacks, characterized in that the control system (22) is set up to set a higher pressure (p a ) in the anode space (12) than in the cathode space (18), the Pressure (p a ) in the anode space (12) is 2 times to 20 times, in particular 4 times to 7 times higher than the pressure (p k ) in the cathode space (18). Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollsystem (22) dafür eingerichtet ist, eine Zirkulation des Wassers im Anodenraum (12) zu ermöglichen.Electrolyzer after Claim 1 , characterized in that the control system (22) is arranged to enable circulation of the water in the anode chamber (12). Elektrolyseur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollsystem (22) dafür eingerichtet ist, eine Zirkulation des Wassers im Kathodenraum (18) zu ermöglichen.Electrolyser according to one of the preceding claims, characterized in that the control system (22) is set up to enable circulation of the water in the cathode space (18). Elektrolyseur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein horizontaler Zellenaufbau vorliegt, bei dem der Anodenraum (12) über dem Kathodenraum (18) angeordnet ist.Electrolyser according to one of the preceding claims, characterized in that there is a horizontal cell structure in which the anode space (12) is arranged above the cathode space (18). Elektrolyseur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wasserstoff-Produktleitung (16) ein Rekombinationskatalysator (24) zum Rekombinieren vom Wasserstoff (H2) und dem Sauerstoff (O2) zu Wasser integriert ist.Electrolyzer according to one of the preceding claims, characterized in that a recombination catalyst (24) for recombining hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) to form water is integrated in the hydrogen product line (16). Elektrolyseur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollsystem (22) dafür eingerichtet ist, zumindest einen Temperaturwert (T1, T2) in der Wasserstoff-Produktleitung (16) zu erfassen und der Temperaturwert (T1, T2) oder eine mit dem Temperaturwert (T1, T2) korrelierte Temperatur (ΔT) mit einem Schwellwert (Ts) zu vergleichen und beim Überschreiten des Schwellwerts (Ts) die Wasserstoff-Produktleitung (16) zu sperren und eine Bypass-Leitung (34) zu öffnen.Electrolyzer according to one of the preceding claims, characterized in that the control system (22) is set up to detect at least one temperature value (T 1 , T 2 ) in the hydrogen product line (16) and the temperature value (T 1 , T 2 ) or to compare a temperature (ΔT) correlated with the temperature value (T 1 , T 2 ) with a threshold value (T s ) and, when the threshold value (T s ) is exceeded, to block the hydrogen product line (16) and create a bypass line ( 34) to open. Elektrolyseur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollsystem (22) dafür eingerichtet ist, beim Überschreiten des Schwellwerts (Ts) den elektrischen Strom zum jeweiligen Elektrolyse-Stack abzuschalten.Electrolyzer after Claim 6 , characterized in that the control system (22) is designed to switch off the electrical current to the respective electrolysis stack when the threshold value (T s ) is exceeded. Elektrolyseur nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollsystem (22) dafür eingerichtet ist, ein Inertgas (N2) in die Kathodenräume (18) des abgeschalteten Elektrolyse-Stacks einzuleiten.Electrolyzer after Claim 6 or 7 , characterized in that the control system (22) is set up to introduce an inert gas (N 2 ) into the cathode spaces (18) of the switched off electrolysis stack. Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) mittels elektrischen Stroms, umfassend eine Vielzahl von Elektrolysezellen (2), die in Elektrolyse-Stacks aufgeteilt sind, wobei jede Elektrolysezelle (2) eine protonendurchlässige Polymer-Membran (4) aufweist, auf der beidseitig Elektroden (6, 8) anliegen, an welche im Betrieb eine äußere Spannung angelegt wird, wobei anodenseitig in einen Anodenraum (12) über eine erste Wasser-Zuleitung (10) Wasser zugefügt wird und der hergestellte Sauerstoff (O2) über eine Sauerstoff-Produktleitung (14) aus dem Anodenraum (12) abgeführt wird und kathodenseitig aus einem Kathodenraum (18) der hergestellte Wasserstoff (H2) über eine Wasserstoff-Produktleitung (16) abgeführt wird, umfassend weiterhin ein Kontrollsystem (22) zum Steuern des Betriebs der Elektrolyse-Stacks, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Kontrollsystems (22) im Anodenraum (12) ein höherer Druck (pa) eingestellt wird als im Kathodenraum (18), wobei der Druck (pa) im Anodenraum 2-fach bis 20-fach, insbesondere 4-fach bis 7-fach höher ist als der Druck (pk) im Kathodenraum.Method for operating an electrolyzer for splitting water into hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) using electric current, comprising a plurality of electrolysis cells (2) which are divided into electrolysis stacks, each electrolysis cell (2) being a proton-permeable Polymer membrane (4), on which electrodes (6, 8) rest on both sides, to which an external voltage is applied during operation, water being added to an anode space (12) via a first water supply line (10) on the anode side and the produced oxygen (O 2 ) is discharged from the anode space (12) via an oxygen product line (14) and on the cathode side the produced hydrogen (H 2 ) is discharged from a cathode space (18) via a hydrogen product line (16), comprising further a control system (22) for controlling the operation of the electrolysis stacks, characterized in that by means of the control system (22) a higher pressure (p a ) is set in the anode space (12) than in the cathode space (18), the pressure ( p a ) in the anode space is 2 times to 20 times, in particular 4 times to 7 times higher than the pressure (p k ) in the cathode space. Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser durch den Anodenraum (12) zirkuliert.Method for operating an electrolyzer Claim 9 , characterized in that water circulates through the anode space (12). Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser durch den Kathodenraum (18) zirkuliert.Method for operating an electrolyser according to one of the Claims 9 or 10 , characterized in that water circulates through the cathode chamber (18). Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wasserstoff-Produktleitung (16) ein Rekombinationskatalysator (24) integriert ist, in dem der Wasserstoff (H2) und der Sauerstoff (O2) zu Wasser rekombiniert werden.Method for operating an electrolyzer according to one of the Claims 9 until 11 , characterized in that a recombination catalyst (24) is integrated in the hydrogen product line (16), in which the hydrogen (H 2 ) and the oxygen (O 2 ) are recombined to form water. Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Temperaturwert (T1, T2) in der Wasserstoff-Produktleitung (16) erfasst wird und der Temperaturwert (T1, T2) oder eine mit dem Temperaturwert korrelierte Temperatur (ΔT) mit einem Schwellwert (Ts) vergleichen wird und beim Überschreiten des Schwellwerts (Ts) die Wasserstoff-Produktleitung (16) gesperrt und eine Bypass-Leitung (34) geöffnet wird.Method for operating an electrolyzer Claim 12 , characterized in that at least one temperature value (T 1 , T 2 ) is recorded in the hydrogen product line (16) and the Temperature value (T 1 , T 2 ) or a temperature (ΔT) correlated with the temperature value is compared with a threshold value (T s ) and when the threshold value (T s ) is exceeded, the hydrogen product line (16) is blocked and a bypass line ( 34) is opened. Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, beim Überschreiten des Schwellenwerts (Ts) der elektrische Strom zu dem jeweiligen Elektrolyse-Stack abgeschaltet wird.Method for operating an electrolyzer Claim 13 , characterized in that when the threshold value (T s ) is exceeded, the electrical current to the respective electrolysis stack is switched off. Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in die Kathodenräume (18) des abgeschalteten Elektrolyse-Stacks ein Inertgas (N2) eingeleitet wird.Method for operating an electrolyzer Claim 14 , characterized in that an inert gas (N 2 ) is introduced into the cathode spaces (18) of the switched-off electrolysis stack.
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