EP2459773A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von wasserstoff und sauerstoff - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von wasserstoff und sauerstoff

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EP2459773A1
EP2459773A1 EP10739322A EP10739322A EP2459773A1 EP 2459773 A1 EP2459773 A1 EP 2459773A1 EP 10739322 A EP10739322 A EP 10739322A EP 10739322 A EP10739322 A EP 10739322A EP 2459773 A1 EP2459773 A1 EP 2459773A1
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electrolysis
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gases
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Alexander Hahn
Wolfgang Schilling
Werner Straub
Manfred Waidhas
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Siemens AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of hydrogen and oxygen, in particular, the excess energy from wind turbines to be used.
  • the invention also relates to an associated apparatus for performing the method, in which a PEM fuel cell is used as an electrolyzer.
  • Fuel cell can be used for the production of hydrogen on the one hand and oxygen on the other hand.
  • the fuel cell then works as an electrolyzer and must be supplied with electrical power.
  • the electric power of wind turbines comes into question.
  • the electrical power generated is used as wind energy directly on site to generate electricity.
  • the system must be shut down or the energy dissipated by a long-range distribution in case of excess generation. Both reduce the degree of utilization of the system.
  • the electrolysis devices used hitherto for the production of hydrogen on the one hand and oxygen on the other hand are devices which generally operate at atmospheric pressure.
  • An application of such devices is z. B. the use of hydrogen as corrosion protection in pipe systems in the restricted area of nuclear power plants.
  • the object of the invention in contrast, is to propose a method and to provide the associated device with which, in particular, hydrogen is used as the process gas with high energy. can be generated content, wherein the hydrogen can serve as energy storage on the one hand or as synthesis gas for other industrial plants.
  • the surplus energy of wind turbines which is not polluted by CO2, should be used.
  • the use of the known high pressure electrolysis i. Specifically, the water circuit, the electrolysis cell and the gas separation realized such that the facilities were designed as a pressure vessel. This advantageously an operating pressure of up to 110 bar was possible. However, constructive measures increase the operating pressure even further.
  • An advantage of the described high-pressure electrolysis system according to the invention is the direct generation of the high gas pressure ckes without additional compressors.
  • the high pressure electrolysis may precompress the gas only to subsequently compress the pressure by compressors in a simple and inexpensive manner. Since the amount of gas generated depends directly on the adjustable current density, the possibility of being able to set higher current densities with increasing pressures is another advantage of the high-pressure system.
  • the use of surplus electricity makes the use of the
  • Electrolysis for the production of particular hydrogen particularly useful The otherwise unused power can now be used to generate gas and the produced gas can be z. B. chemical industry o. The like. continue to be sold.
  • the PEM electrolysis offers the advantage that it can be operated highly dynamically, which is not possible with the other electrolysis systems. The latter must be run at great expense in each case to achieve reasonably steady operating conditions.
  • Figure 1 is a block diagram of a high-pressure electrolysis plant with gas cleaning and the associated storage tanks and
  • FIG. 2 is a graph of the operating voltage of a cell used in Figure 1 as a function of the current density.
  • 1 denotes a so-called high-pressure electrolyzer.
  • Such a high-pressure electrolyzer realizes a water electrolysis by applying a voltage to the Electrodes and supplies as a result, on the one hand gaseous oxygen and on the other hand gaseous hydrogen.
  • the electrolysis takes place by applying an electrical voltage to the corresponding fuel cell and thus realizes an energy converter. That electrical energy output is converted into a process gas as energy storage.
  • an electrolyzer can also be used for the generation of electrical energy power, in which case can be spoken of a fuel cell.
  • the starting point is an MEA (membrane-electrode assembly) (assembly), whereby the PEM fuel cell has already been extensively tested in practice.
  • MEA membrane-electrode assembly
  • a catalyst is still necessary.
  • high-pressure electrolysis is carried out by designing the fuel cell as a high-pressure device.
  • the generated hydrogen on the one hand and the oxygen produced on the other hand under appropriate pressure.
  • pressure is generated up to 110 bar.
  • a compressor 5 can be connected downstream, which compresses the oxygen and the hydrogen in a suitable manner. Furthermore, the gases thus generated, ie the oxygen on the one hand and the hydrogen on the other hand, are processed via units for gas purification and closing fed to a separate tank. This means that in the tank 10, the oxygen is stored at a corresponding pressure and in the tank 20, the hydrogen with a corresponding pressure. Of the tanks 10, 20, the gases can be filled as operating or process gases, in particular for the chemical industry or other purposes in bottles 11, 21.
  • the gases already compressed by the production process can be easily processed and monitored by any gas analysis systems that may be present.
  • the storage of the gases can then take place in the pressure-resistant gas tanks 10, 20.
  • Gas cylinders can then be filled with suitable filling devices, optionally also allowing direct filling of gas cylinders without gas tanks as a buffer.
  • Electrolyzer and compressor to match such that an economical and effective system concept is achieved. It can be shown that the operation of the electrolysis devices at higher operating pressures has a positive influence on the operating point of the system. This will be explained in detail with reference to FIG.
  • the abscissa represents the current density in mA / cm 2 and the ordinate the voltage in volts.
  • measured values from experiments with atmospheric pressure are shown in comparison with measured values in tests at 100 bar, resulting in graphs 25 and 26.

Abstract

Die Erzeugung von Gasen mittels Elektrolyse ist bekannt, wobei beim Stand der Technik die elektrische Energie hierzu aus dem Netz entnommen wird. Gemäß der Erfindung erfolgt die Elektrolyse als Hochdruck-Elektrolyseur, der Sauerstoff einerseits und der Wasserstoff andererseits mit entsprechendem Druck erzeugt wird. Diese Gase können gegebenenfalls ohne weitere Kompression gespeichert werden. Für den Prozess wird der PEM-Brennstoffzellenprozess in Umkehrung herangezogen. Vorteilhaft ist dabei, dass Überschussenergie von Windkraftanlagen eingesetzt werden kann. Bei der zugehörigen Vorrichtung ist ein Hochdruck-Elektrolyseur (1) vorhanden, der mit umweltfreundlicher Windkraftenergie betrieben wird. Durch den verbesserten Arbeitspunkt des Hochdruck-Elektrolyseurs ergibt sich eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Wirtschaftlichkeit des Erzeugungsverfahrens für insbesondere Wasserstoff als Energiespeicher.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff, wobei insbesondere die Überschussenergie aus Windkraftanlagen eingesetzt werden soll. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei dem eine PEM-Brennstoffzelle als Elektrolyseur zum Einsatz kommt.
Durch Umkehrung des Brennstoffzellenprozesses kann eine
Brennstoffzelle zur Herstellung von Wasserstoff einerseits und Sauerstoff andererseits verwendet werden. Die Brennstoffzelle arbeitet dann als Elektrolyseur und muss mit elektrischer Leistung versorgt werden. Dazu kommt beispielsweise die elektrische Leistung von Windkraftanlagen in Frage. Bei Windkraftanlagen wird die erzeugte elektrische Leistung als Windenergie direkt vor Ort dazu benutzt, um Strom zu erzeugen. Bei Mangel an Windenergie müssen andere Kraftwerke die Windkraftanlage ersetzen. Wird die installierte Windleistung vergrößert, muss im Falle einer Überschusserzeugung die Anlage abgeschaltet werden oder die Energie durch eine weiträumige Verteilung abgebaut werden. Beides verringert den Nutzungsgrad der Anlage.
Die bisher eingesetzten Elektrolyseeinrichtungen zur Erzeu- gung von Wasserstoff einerseits und Sauerstoff andererseits sind Vorrichtungen, die in der Regel bei Atmosphärendruck arbeiten. Eine Anwendung solcher Vorrichtungen ist z. B. die Nutzung des Wasserstoffes als Korrosionsschutz in Rohrsystemen im Sperrbereich von Kernkraftwerken.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren vorzuschlagen und die zugehörige Vorrichtung zu schaffen, mit dem insbesondere Wasserstoff als Prozessgas mit hohem Ener- gieinhalt erzeugt werden kann, wobei der Wasserstoff als Energiespeicher einerseits oder als Synthesegas für andere Industrieanlagen dienen kann. Dabei soll insbesondere die Überschussenergie von Windkraftanlagen, die nicht CO2- belastet ist, verwendet werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Abfolge der Verfahrensschritte gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist im Patentanspruch 11 angegeben. Weiterbildun- gen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der zugehörigen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Mit der Erfindung kann in einfacher Weise die bei Windkraftanlagen anfallende Überschussenergie genutzt werden. Diese Überschussenergie wird insbesondere in Form von Wasserstoff gespeichert, wobei durch die Anwendung eines Hochdruck- Elektrolyseurs diese Speicherung vergleichsweise einfach wird. Dazu kommt insbesondere die PEM-Hochdruck-Elektrolyse in Frage, bei der Drücken von größer als 10 bar realisierbar sind. Bei der zugehörigen Vorrichtung ist dabei das Befüllen von Gasspeichern mittels geeigneter Einrichtungen und Kompressor wesentlich vereinfacht und kann sogar ganz entfallen, Entscheidender Vorteil einer als Vorrichtung verwendeten Hochdruckzelle ist, dass mit steigendem Prozessdruck die ZeI- Ie mit höheren Stromdichten betrieben werden kann. Speziell für PEM-Hochdruck-Zellen wurde dies in der Praxis erprobt.
Im Rahmen der Erfindung wurde die Anwendung der bekannten Elektrolyse im Hochdruckbereich, d.h. im Einzelnen der Was- serkreislauf, die Elektrolysezelle und die Gasabscheidung derart realisiert, dass die Einrichtungen als Druckbehälter ausgelegt wurden. Damit wurde vorteilhafterweise ein Betriebsdruck von bis zu 110 bar möglich. Durch konstruktive Maßnahmen ist der Betriebsdruck jedoch noch weiter steiger- bar.
Ein Vorteil der beschriebenen erfindungsgemäßen Hochdruck- Elektrolyseanlage ist die direkte Erzeugung des hohen Gasdru- ckes ohne zusätzliche Kompressoren. Alternativ kann die Hochdruckelektrolyse das Gas nur vorkomprimieren, daran anschließend wird der Druck durch Kompressoren auf eine einfache und preisgünstige Weise weiter komprimiert. Da die erzeugte Gas- menge direkt von der einstellbaren Stromdichte abhängt, ist die Möglichkeit, mit steigenden Drücken höhere Stromdichten einstellen zu können, ein weiterer Vorteil des Hochdrucksystems . Die Verwendung von Überschussstrom macht die Nutzung der
Elektrolyse zur Erzeugung von insbesondere Wasserstoff besonders sinnvoll. Der sonst ungenutzte Strom kann jetzt zur Gaserzeugung verwendet werden und das produzierte Gas kann z. B. chemische Industrie o. dgl . weiter verkauft werden.
Insgesamt bietet die PEM-Elektrolyse den Vorteil, dass sie hochdynamisch betrieben werden kann, was bei den anderen Elektrolysesystemen nicht möglich ist. Letztere müssen jeweils mit großem Aufwand hochgefahren werden, um einigermaßen stationäre Betriebsbedingungen zu erreichen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Patentansprüchen.
Es zeigen
Figur 1 ein Blockschaltbild einer Hochdruck-Elektrolyseanlage mit Gasreinigung und den zugehörigen Speichertanks und
Figur 2 eine graphische Darstellung der Betriebsspannung einer in Figur 1 verwendeten Zelle in Abhängigkeit von der Stromdichte. In Figur 1 ist mit 1 ein so genannter Hochdruck-Elektrolyseur bezeichnet. Ein solcher Hochdruck-Elektrolyseur realisiert eine Wasserelektrolyse durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden und liefert als Ergebnis einerseits gasförmigen Sauerstoff und andererseits gasförmigen Wasserstoff.
Die Elektrolyse erfolgt durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die entsprechende Brennstoffzelle und realisiert somit einen Energiewandler. D.h. elektrische Energie-Leistung wird in ein Prozessgas als Energiespeicher gewandelt. Umgekehrt kann ein Elektrolyseur auch zur Generierung von elektrischer Energie-Leistung verwendet werden, wobei in diesem Fall von einer Brennstoffzelle gesprochen werden kann.
Bei der so genannten PEM-Brennstoffzelle (Polymer-Elektrolyt- Membran) geht man von einer MEA (Membran-Elektroden-Einheit) (Assembly) aus, wobei die PEM-Brennstoffzelle bereits weitge- hend in der Praxis erprobt wurde. Für solche PEM-Brennstoff- zellen ist weiterhin ein Katalysator notwendig.
Bei Verwendung der PEM-Brennstoffzelle als Elektrolyseur muss - wie erwähnt - elektrische Energie bereitgestellt werden. Dafür dient in zunehmendem Maße eine Windkraftanlage, und zwar insbesondere dann, wenn bei der Windkraftanlage Überschussenergie anfällt, die nicht direkt in das Stromnetz eingespeist werden kann. In diesem Fall kann mittels der von der Windkraftanlage erzeugten elektrischen Leistung Wasserstoff als Energieträger erzeugt werden.
Im vorliegenden Fall erfolgt eine Hochdruck-Elektrolyse durch Auslegung der Brennstoffzelle als Hochdruck-Vorrichtung. In diesem Fall fällt der erzeugte Wasserstoff einerseits und der erzeugte Sauerstoff andererseits unter entsprechendem Druck an. Beispielsweise wird Druck bis zu 110 bar erzeugt.
Da in dem Elektrolyseur 1 die Gase nicht mit gewünschtem Druck erzeugt werden, kann ein Kompressor 5 nachgeschaltet werden, der den Sauerstoff und den Wasserstoff in geeigneter Weise verdichtet. Weiterhin werden die so erzeugten Gase, d.h. der Sauerstoff einerseits und der Wasserstoff andererseits, über Einheiten zur Gasreinigung aufbereitet und an- schließend einem getrennten Tank zugeführt. Dies bedeutet, dass im Tank 10 der Sauerstoff mit entsprechendem Druck und im Tank 20 der Wasserstoff mit entsprechendem Druck gespeichert wird. Von den Tanks 10, 20 können die Gase als Be- triebs- bzw. Prozessgase insbesondere für die chemische Industrie oder andere Zwecke in Flaschen 11, 21 abgefüllt werden .
Mit dem beschriebenen Prozess ist es in geeigneter Weise mög- lieh, dass die durch den Erzeugungsprozess bereits verdichteten Gase leicht aufbereitet werden können und durch eventuell vorhandene Gasanalysesysteme überwacht werden. Die Speicherung der Gase kann dann in den druckfesten Gastanks 10, 20 erfolgen. Mit geeigneten Abfüllvorrichtungen können dann Gas- flaschen gefüllt werden, wobei gegebenenfalls auch eine direkte Befüllung von Gasflaschen ohne Gastanks als Puffer möglich ist.
Mit letztem Anlagekonzept wird insbesondere ein diskontinu- ierlicher Betrieb angestrebt. Dies bedeutet, dass man die Anlage nur dann betreibt, wenn nachts oder zu anderen Zeitpunkten mit geringem Strombedarf Überschussstrom aus der Windkraftanlage vorhanden ist. Sofern eine weitere Komprimierung der erzeugten Gase erwünscht ist, wird diese durch den bereits vorhandenen Vordruck vereinfacht. Beispielsweise ist eine Druckerhöhung von 20 bar auf 200 bar, dem üblichen Gasflaschendruck, möglich und durch einen einstufigen Kompressor zu erreichen. Mit ei- ner solchen Vorgehensweise lässt sich neben der technischen Vereinfachung eine Reduktion der Kosten um die Hälfte erreichen im Vergleich zu mehrstufigen Kompressionssystemen des Standes der Technik, die eine Druckerhöhung von 1 bar auf 200 bar erreichen müssen. Insbesondere ist die Möglichkeit gegeben, die Druckbereiche der einzelnen Komponenten, wie
Elektrolyseur und Kompressor, derart aufeinander abzustimmen, dass ein wirtschaftliches und effektives Anlagenkonzept erreicht ist. Es kann gezeigt werden, dass der Betrieb der Elektrolyseeinrichtungen bei höheren Betriebsdrücken einen positiven Ein- fluss auf den Arbeitspunkt des Systems hat. Dies wird im Ein- zelnen anhand Figur 2 erläutert.
In Figur 2 sind auf der Abszisse die Stromdichte in mA/cm2 und auf der Ordinate die Spannung in Volt aufgetragen. Beispielhaft sind dargestellt Messwerte aus Versuchen mit Atmo- sphärendruck im Vergleich mit Messwerten bei Versuchen mit 100 bar, wobei sich Graphen 25 und 26 ergeben.
Insgesamt zeigt sich anhand von Figur 2, dass sich die Span- nungs-Stromdichtekennlinien mit steigendem Prozessdruck än- dern. Mit steigendem Druck wird die resultierende Gleichgewichtsspannung etwas höher, jedoch setzt hier die Sättigung des Wassers mit Gasblasen aufgrund deren Komprimierung später ein. Dadurch arbeitet bei höheren Drücken die Anlage effektiver und kann somit mit höheren Stromdichten betrieben werden. Die Gasausbeute der Anlage wird dadurch bei gleichbleibender Eingangsleistung verbessert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff, bei dem Wasser einer elektrochemischen Elektrolyse unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyse bei Drücken über Atmosphärendruck erfolgt, wobei eine PEM-Hochdruck- Elektrolyse angewandt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Elektrolyse bei Drücken > 10 bar, insbesondere
> 100 bar erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die PEM-Hochdruck-Elektrolyse im Temperaturbe- reich 5°C bis 1000C betrieben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anfallenden Gase in einem Hochdruckspeicher gespeichert werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anfallenden Gase in Gasflaschen gespeichert werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff als Energieträger verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Betrieb der Hochdruck-Elektrolyse
Überschussenergie aus Windkraftanlagen verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung umweltfreundlicher Energie die Cθ2-Gesamtbilanz verbessert wird.
9. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Elektrolyse einen Vordruck von ca. 10 bar erzeugt und die weitere Komprimierung über einen mechanischen Kompressor erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte Gas gereinigt wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis .., mit einem Elektrolyseur zur Umwandlung von elektrischer Energie in gasförmige Energie, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur ein Hoch- druck-Elektrolyseur (1) ist, von dem die erzeugten Gase im Druckbehälter (10, 20) geleitet werden, wobei der Hochdruck- Elektrolyseur eine gekapselte PEM-Hochdruckelektrolyse (1) ist .
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Elektrolyseur ein weiterer Kompressor (5) nachge- schaltet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Gasflaschen (11, 21) zum unmittelbaren Abfüllen der erzeugten Gase vorhanden sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Einheiten (6, 7) für eine Reinigung der erzeugten Gase vorhanden sind.
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