DE3837354C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Sicherung einer Druckwasserelektrolyseanlage mit einem Elektrolysezellenblock und demgegenüber höher angeordneten Sauerstoff- und Wasserstoffseparatoren.

Bei der sog. Druckwasserelektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff ist es bekannt, beim Betriebsdruck von bis zu 0,5 bar zu arbeiten, wobei der für den Einsatz von Gasen erforderliche Druck durch Verdichter erzeugt wird. Bekannt sind auch Druckelektrolyseure mit Zellen, die für den betreffenden Betriebsdruck ausgelegt sind, wobei ein vergleichsweise großer Aufwand getrieben werden muß, um alle Meß- und Regel- und Analyseeinrichtungen explosionsgeschützt auszuführen.

Eine Sicherheitsvorrichtung für Elektrolysezellen ist durch die DE 36 03 244 A1 bekannt, bei der die Gase durch Betätigung eines Flüssigkeitsablaßventils über eine Sicherheitsabtauchung abgeleitet werden. Die Sicherheitsabtauchung ist ohne Absperrventile mit einer Rohrleitung über Dach verbunden und der erzielbare Betriebsdruck der Elektrolysezellen auf die Länge der Sicherheitsabtauchung von z. B. 5 m, entsprechend 0,5 bar, begrenzt.

Aus der DE 36 03 244 A1 ist weiter bekannt, die Gase bei höheren Drücken über Sicherheitsabtauchungen abzuleiten, die mit entsprechenden Regeleinrichtungen zur Erfassung des Druckes und der Niveaus ausgerüstet sind und Ventile betätigen, um die Gase über Dach abzuleiten. Bei einer Fehlfunktion der Regeleinrichtungen oder der entsprechenden Ventile kann es zur Knallgasbildung kommen. Die Elektrolysezellen müssen mit einem erheblichen Aufwand für den höheren Betriebsdruck ausgelegt werden.

Aus der FR 24 60 342 A1 ist bekannt, horizontale Separatoren über den Elektrolysezellen anzuordnen und die Gasableitung aus diesen Separatoren durch Erfassung des Differenzdrucks und Betätigung entsprechender Ventile abzuleiten. Der Elektrolyt- Kreislauf wird durch geregelte Pumpen vorgenommen. Die Elektrolysezellen müssen für den jeweiligen Betriebsdruck ausgelegt werden und die Knallgasbildung bei einer Fehlfunktion der Regeleinrichtungen oder der von dieser Regeleinrichtung betätigten Gasableitventile wird nicht verhindert.

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens mit dem der Sicherungsaufwand bei der Druckwasserelektrolyse verringert und mit einfachen Mitteln die notwendige Sicherheit erreicht wird, sowie die Bereitstellung einer Vorrichtung mit der auch die Verwendung von Elektrolysezellen, ausgelegt für die drucklose Elektrolyse, möglich wird.

Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Elektrolysezellenblock von einem unter Druck stehendem Fluid, das unter einem höheren Druck gehalten wird als der Innendruck der Elektrolysezellen innerhalb einer druckfesten Kapselung umspült wird.

Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird erreicht, daß z. B. der Austritt von Gasen aus dem Elektrolysezellenblock in gewünschter Weise verhindert wird, da in der Kapselung außen Überdruck herrscht. Damit wird bereits mit einfachen Mitteln ein großer Aufwand zur Erzielung ausreichender Sicherheit vermieden.

In Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, daß als Fluid Speisewasser vorgesehen wird, welches in einer Kapselung den Elektrolysezellenblock umspült und mittels einer oberhalb der Separatoren angeordneten Vorlage einem der Separatoren zugeführt wird.

Die Ausgestaltung hat den Vorteil, daß bei einer evtl. Leckage der Elektrolysezellen von außen allenfalls Speisewasser eintritt, was in diesen Zellen ohnehin verarbeitet wird. Die Anordnung der Separatoren oberhalb der Elektrolysezelle sorgt, wenn zusätzliche Pumpen nicht eingesetzt werden, für einen vorbestimmten Innendruck in den Elektrolysezellen. Um diesen sicherzustellen, kann vorgesehen sein, daß in den Separatoren der Flüssigkeitsfüllstand überwacht und bei Erreichen von Grenzwerten nachgeregelt wird; eine Regelungsart, die für sich gesehen bekannt ist.

Das Vorsehen einer oberhalb der Separatoren angeordneten Vorlage für das Speisewasser sorgt im übrigen für die Aufrechterhaltung eines bestimmten Druckes in der Kapselung alleine durch die zur Verfügung stehende Wassersäule, d. h. mit der Lage dieses Anlagenteiles kann das Druckniveau genau eingestellt werden.

Eine besondere Sicherungsmaßnahme besteht darin, daß zwischen den beiden Flüssigkeitssümpfen der Separatoren eine tiefer liegende Vorlage vorgesehen wird, die mit der Flüssigkeitszufuhr der Elektrolysezellen verbunden ist, wobei bei Verschieben eines Flüssigkeitsvorrats in einem Separator durch übermäßige Druckerhöhung und bei Eintritt eines Elektrolysegases in die Vorlage dieses Gas über Dach abgeleitet wird.

Die unten liegende Vorlage im Kupplungsbereich der beiden Flüssigkeitssümpfe der beiden Separatoren ermöglicht eine sehr einfache und sehr wirkungsvolle Schutzregelung zur Verhinderung von Knallgasbildung in der Weise, daß bei übermäßigem Ansteigen des Innendruckes in einem Separator das Flüssigkeitsvolumen aus diesem durch die Vorlage hindurch in den anderen Separator hinein gedrückt wird, solange bis in die untere Flüssigkeitsvorlage Gas eintritt, das über Dach, etwa durch die Schaltung eines Schwimmer-gesteuerten Ventiles abgeleitet werden kann, das öffnet, wenn keine Flüssigkeit mehr in der Vorlage vorhanden ist.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrensweise besteht darin, daß der Füllstand in den Sümpfen der Separatoren über Niveauregler geregelt wird, die einen Füllstandsausgleich zwischen Sauerstoff- und Wasserstoff- Separator gewährleisten, wobei ein Wasserstoff-Elektrolyt- Separator mit dem doppelten Volumen des Sauerstoff- Elektrolyt-Separators vorgesehen wird. Die vorbeschriebene Ausgestaltung des Erfindungsgedankens macht es möglich, den gekapselten Raum um die Elektrolysezellen mit Speisewasser zu beaufschlagen.

Ein gleicher Schutzeffekt kann aber auch nach der Erfindung dadurch erzielt werden, daß als Fluid ein Inertgas vorgesehen wird. Hierbei kann es zweckmäßig sein, daß Vertikalseparatoren mit getrennten Separatorräumen eingesetzt werden.

Zweckmäßig kann es sein, daß in den Vertikalseparatoren die oben angeordneten Speisewasserräume über eine Vorlage derart miteinander verbunden werden, daß bei Verschiebung des Flüssigkeitsvorrates in einem Speisewasserraum durch übermäßige Druckerhöhung und damit bei Eintritt eines Elektrolysegases in die Vorlage dieses Gas über Dach abgeleitet wird.

Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die Vorlage, die zur Regelung bzw. Verhinderung der Knallgasbildung dient, ausschließlich mit Speisewasser beaufschlagt wird und nicht etwa mit dem Elektrolyten bzw. einem Speisewasser-Elektrolytgemisch.

In zweckmäßiger weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß sowohl der entstehende Sauerstoff als auch der entstehende Wasserstoff in ihren jeweiligen Separatoren über Tauchungen durch die jeweiligen Speisewasservolumina zur Gasreinigung geführt und über Entnebler und/oder Aerosolabscheider, denen katalytische Gasreiniger nachgeschaltet sein können, dem weiteren Verbrauch zugeführt werden.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß durch Überwachung der Temperatur der katalytischen Gasreiniger die Knallgasbildung überwacht wird.

Diese Überwachung ist besonders einfach, da nur in jedem katalytischen Gasreiniger einfache Temperatursensoren eingesetzt werden müssen, beispielsweise ein eigensicherer, zweikanaliger Grenzwertschalter mit Leitungsbruchüberwachung der Meßkreise. Erreicht die Temperatur in einem Gasreiniger den eingestellten Grenzwert können mit einfachen Mitteln Ventile geschaltet werden die überschüssiges Gas über Dach fortführen und etwa eine Stickstoffspülung der Elektrolyseeinrichtung einleiten.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung auch Vorrichtungen mit den Merkmalen der weiteren Unteransprüche vor.

Wesentlich dabei ist, daß der Elektrolyseblock druckdicht in einer Kapselung untergebracht ist, die von einem Fluid durchströmbar ist. Vorteilhaft kann es dabei sein, sowohl die Kapselung als auch die Flüssigkeitszufuhr und die Gasabführleitungen des Zellenblocks an einer gemeinsamen Druckplatte vorzusehen, die durch die gewählte Betriebsweise, insbesondere als steife Platte in Sandwich- oder Leichtbauweise ausgebildet sein kann. Der gegenüber dem Zellenblock höhere Spaltdruck zwischen Zellenaußenseiten und Kapselung entlastet die Flansche so, daß die Druckplatte leichter gestaltet sein kann als z. B. ein massiver Blindflansch.

Die Aufstellung einer Speisewasservorlage an der höchsten Stelle der Vorrichtung macht es möglich, über die Wassersäule den Druck in der Kapselung zu regeln, Lage und Aufstellung der Elektrolytseparatoren vermögen den Innendruck im Zellenblock zu bestimmen.

Die wirkmäßige Verbindung der beiden Flüssigkeitssümpfe in den Elektrolyseseparatoren bzw. die Verbindung der Speisewassersümpfe in den Teilbereichen der Horizontalseparatoren ermöglicht eine besonders einfache Sicherung gegen Knallgasbildung, insofern, als durch Druckerhöhungen in einem Separator das dort vorhandene Flüssigkeitsvolumen durch das übermäßig entstehende Gas in den anderen Separator eingedrückt wird, solange, bis das Gas selbst die vorgesehene Flüssigkeitsvorlage an den tiefsten Stellen der Verbindungsleitung erreicht, dort ein Ventil auslöst und über Dach abgeführt werden kann.

Die vorgesehenen katalytischen Gasreiniger eignen sich in besonderer Weise zur Überwachung der Knallgasbildung, weil dort die Temperatur mit einfachen Mitteln überwacht werden kann.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in

Fig. 1 ein Anlagenschaltbild nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und in

Fig. 2 ein anderes Anlagenschaltbild nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte, allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung besteht aus den folgenden wesentlichen Anlageteilen:
Dem Druckelektrolyseapparat 2, einem Sauerstoffseparator 3, einem Wasserstoffseparator 4, einer oberen Flüssigkeitsvorlage 5 sowie einer unteren Flüssigkeitsvorlage 6 mit den dazugehörigen Leitungen.

Der Druckelektrolyseapparat 2 besteht aus einer Mehrzahl von Elektrolysezellen 7 in einem Gehäuse 8, das an einer statisch steifen Platte 9 in Leichtbauweise einseitig befestigt ist. Auf Abstand dazu ist an der gleichen Platte 9 eine Druckkapselung 10 vorgesehen. Über eine Pumpe 11 bzw. eine Leitung 12 wird in den Spaltraum 13 zwischen Elektrolysezellenkapselung 8 und Druckgefäß 10 Speisewasser eingepumpt, das diesen umflutet und über eine Leitung 14 der an höchster Stelle angeordneten Flüssigkeitsvorlage 5 zugeführt wird. Über eine Falleitung 15 und eine sog. Tauchung 16 beaufschlagt diese Speisewasserzufuhr den O₂-Separator 3, dessen Gasraum 3 a mit einer O₂- Abnahmeleitung 17 verbunden ist. Der mit einem Gemisch aus Elektrolyt und Speisewasser gefüllte Sumpf 3 b des Separators 3 ist über eine Leitung 18 mit der unteren Vorlage 6 verbunden. Das Elektrolysegas O₂ wird vom Katalysatorblock 2 dem Separator 3 über die Leitung 19 zugeführt.

Eine ähnliche Ausgestaltung weist auch der H₂-Separator 4 auf. Er muß bei gleichem Durchmesser doppelt so lang ausgeführt sein wie der Separator 3, da er das doppelte Gasvolumen zu verarbeiten hat. Auch dort ist der Gasraum 4 a mit einer Abfuhrleitung 29 verbunden, während der Sumpf 4 b über eine Leitung 21 ebenfalls mit der unteren Vorlage 6 in Verbindung steht. Die H₂ Zufuhrleitung ist mit 22 bezeichnet. Die Vorlage 6 ist über eine Leitung 20 mit dem Elektrolysezellenblock 2 verbunden.

Die Regelung ist dabei folgende:
Wird beispielsweise kein H₂ abgenommen und der Elektrolysezellenblock 2 weiter betrieben, bei gleichzeitiger Entnahme von O₂ steigt der Druck im Gasraum 4 a des Separators 4 an und verschiebt damit das im Sumpf 4 b befindliche Elektrolytvolumen von dort über die untere Vorlage 6 in den Separator 3. Ist das gesamte Volumen verschoben, wird auch das Flüssigkeitsvolumen in der unteren Vorlage 6 ausgedrückt, so daß ein Schwimmerschalter 23 ein Ventil 24 öffnet, derart, daß das einströmende H₂ über Dach 25 entlüftet werden kann.

Eine Flüssigkeitsentspannung kann über das Sicherheitsventil 26 bei Überdruck ebenfalls vorgenommen werden.

Eine weitere Regelung kann über Niveauregler 27 bzw. Druckregler 28 vorgenommen werden, die entsprechende Ventile in den Ableitungen 17 bzw. 20 öffnen und schließen, um auch dort über Dach entlüften zu können.

In Fig. 2 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der dort mit 1 a allgemein bezeichneten Vorrichtung dargestellt. Soweit es sich um funktionale gleiche Vorrichtungsteile handelt, wie die in Fig. 1, sind in Fig. 2 die gleichen Bezugszeichen eingesetzt worden, allerdings mit einem kleinen Strich versehen.

In Fig. 2 ist der Elektrolysezellenblock 2′ ebenfalls mit einer Druckkapsel 10′ an einer gemeinsamen, statisch steifen Platte 9′ in Leichtbauweise versehen, allerdings ist hier eine Spülung mit N₂ vorgesehen, was mit den Pfeilen 30 angedeutet ist. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, daß hier die Separatoren 3′ und 4′ in jeweils zwei Separatorräume eingeteilt sind, und zwar im wesentlichen einen unteren, teilweise mit Elektrolyt gefüllten Separatorraum 31 und einen oberen Separatorraum 32, bzw. einen unteren Separatorraum 41 und einen oberen Separatorraum 42. Die Füllstände der jeweiligen Flüssigkeit sind dabei mit kleinen Flüssigkeitsstandsymbolen angedeutet.

Hier tritt das Speisewasser, gefördert von einer Pumpe 33 in die obere Tauchung 34 in den oberen Separatorraum 32 des O₂-Separators 3′ von dort über eine Leitung 35 und eine Vorlage 36 und eine weitere Leitung 37 in den oberen Separatorraum 42 des H₂-Separators 4′.

Die Vorlage 36 ist in ähnlicher Weise gestaltet wie die Vorlage 6 beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, d. h. auch hier ist über eine entsprechende Regelung 38 und ein Ventil 39 eine Über-Dach-Entlüftung 25′ möglich.

Bei normalem Betrieb wird das zu zersetzende Speisewasser dann vom oberen Separatorraum 42 über eine Tauchung 43 dem unteren Separatorraum 41 zugeführt und über die Leitung 44 dem weiteren System.

Die über die Leitungen 45 bzw. 46 strömenden O₂- bzw. H₂-Gase werden von den unteren Separatorräumen 31 bzw. 41 über entsprechenden Tauchungen 47 bzw. 48 den jeweils oberen Separatorräumen 32 bzw. 42 zugeführt, wobei automatisch eine Durchströmung des Speisewasservolumens erfolgt, das zu einer zusätzlichen Reinigung führt. Jeweils gekreuzt sind Entnebler bzw. Aerosolabscheider 49 vorgesehen, um möglichst trockene Gase zum weiteren Verbrauch zu erreichen.

Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist auch das Vorsehen der katalytischen Reiniger 50 bzw. 51, über deren Temperatur mittels einer entsprechenden Steuerung 52 bzw. 53 die Anlage überwacht werden kann.

Die jeweilige Steuerung ist dabei so getroffen, daß bei Erreichen unzulässig hoher Temperaturen, beispielsweise in den katalytischen Gasreinigern eine Über-Dach-Entlüftung der jeweiligen Gasräume in den entsprechenden Separatoren erfolgt mit gleichzeitiger Abschaltung des Elektrolysezellenblockes.

Über Niveauregler kann z. B. die Speisewasserzufuhr geregelt werden, ebenso wie über eine Konzentrationsmessung des Elektrolyten.

Claims (20)

1. Verfahren zur Sicherung einer Druckwasserelektrolyseanlage mit einem Elektrolysezellenblock und demgegenüber höher angeordneten Sauerstoff- und Wasserstoffseparatoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolysezellenblock von einem unter Druck stehendem Fluid, das unter einem höheren Druck gehalten wird als der Innendruck der Elektrolysezellen, innerhalb einer druckfesten Kapselung umspült wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid Speisewasser vorgesehen wird, das in einer Kapselung den Elektrolysezellenblock umspült und mittels einer oberhalb der Separatoren angeordneten Vorlage einem der Separatoren zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Separatoren der Flüssigkeitsfüllstand überwacht und bei Erreichen von Grenzwerten nachgeregelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Flüssigkeitssümpfen der Separatoren eine tiefer liegende Vorlage vorgesehen ist, die mit der Flüssigkeitszufuhr der Elektrolysezellen verbunden ist, wobei bei Verschieben eines Flüssigkeitsvorrates in einem Separator durch übermäßige Druckerhöhung und bei Eintritt eines Elektrolysegases in die Vorlage dieses Gas über Dach abgeleitet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstand in den Sümpfen der Separatoren über Niveauregler geregelt wird, die einen Füllstandausgleich zwischen Sauerstoff- und Wasserstoffseparator gewährleisten, wobei ein Wasserstoff-/Elektrolyt-Separator mit dem doppelten Volumen des Sauerstoff-/Elektrolyt- Separators vorgesehen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid ein Inertgas vorgesehen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Vertikalseparatoren mit getrennten Separatorräumen eingesetzt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Vertikalseparatoren die oben angeordneten Speisewasserräume über eine Vorlage derart miteinander verbunden werden, daß bei Verschiebung des Flüssigkeitsvorrates in einem Speisewasserraum durch übermäßige Druckerhöhung und damit bei Eintritt eines Elektrolysegases in die Vorlage dieses Gas über Dach abgeleitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der entstehende Sauerstoff als auch der entstehende Wasserstoff in ihren jeweiligen Separatoren über Tauchungen durch die jeweiligen Speisewasservolumina zur Gasreinigung geführt und über Entnebler und/oder Aerosolabscheider, denen katalytische Gasreiniger nachgeschaltet sein können, dem weiteren Verbrauch zugeführt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch Überwachung der Temperatur der katalytischen Gasreiniger die Knallgasbildung überwacht wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolysezellenblock (2) druckdicht von einer von einem Fluid gespülten Kapselung (10) umgeben ist, wobei die Elektrolytzufuhr- und Gasabführleitungen (20, 19, 22) des Zellenblocks (2) mit der Kapselung (10) an einer gemeinsamen Druckplatte (9) vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (9) als statisch steife Platte in Leichtbauweise ausgebildet ist.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Separatoren (3, 4) eine Speisewasservorlage (5) vorgesehen ist, mit einer den Flüssigkeitssumpf des darunter liegenden Sauerstoff-Elektrolytseparators (3) beaufschlagenden Überlaufleitung (15).

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Sauerstoffseparators (3) halb so groß ist wie das Volumen des Wasserstoffseparators (4).

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitssümpfe (3 b bzw. 4 b) der Separatoren (3 bzw. 4) über eine U-förmige Rohrleitung (18, 21) zur freien Verschiebung ihrer Flüssigkeitsvolumina miteinander verbunden sind, wobei an der tiefsten Stelle des U-Rohres (18, 21) eine Vorlage (6) mit Schwimmerventil (23, 24) und Über-Dach-Entlüftungsleitung (25) vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß von der Vorlage (6) die Flüssigkeitszufuhrleitung (20) zum Elektrolysezellenblock (2) vorgesehen ist.

17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Elektrolysezellenblocks (2′) zwei vertikal angeordnete Separatoren (3′, 4′) mit zwei getrennten Separatorräumen (31, 32 bzw. 41, 42) vorgesehen sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in den jeweils oberen Separatorräumen (32, 42) Speisewassersümpfe vorgesehen sind, die über eine Speisewasservorlage (36) mit einem Niveauregler (38) mit Ventil (39) und Über-Dach-Entlüftung (25′) ausgerüstet ist.

19. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Reingasabführleitungen katalytische Gasreiniger (50, 51) vorgesehen sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasreiniger (50, 51) mit einer Temperaturüberwachungseinrichtung (53) versehen sind.