EP2459773A1 - Method and device for generating hydrogen and oxygen - Google Patents

Method and device for generating hydrogen and oxygen

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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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EP
European Patent Office
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pressure
electrolysis
electrolyzer
energy
gases
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10739322A
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German (de)
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Inventor
Alexander Hahn
Wolfgang Schilling
Werner Straub
Manfred Waidhas
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • 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
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/05—Pressure cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • 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

The generation of gases using electrolysis is known, wherein in the prior art the electrical energy therefor is taken from the grid. According to the invention, the electrolysis occurs as a high-pressure electrolyzer, oxygen being produced on one side and hydrogen on the other side, with corresponding pressure. Said gases may optionally be stored without additional compression. The PEM fuel cell process is used in reverse for the process. It is advantageous that excess energy may be used by wind power plants. In the associated device, a high-pressure electrolyzer (1) is present which is operated using environmentally friendly air power. Due to the improved operating point of the high-pressure electrolyzer, improved economy results for the generation process compared to the prior art, in particular for hydrogen as an energy storage means.

Description

Beschreibung description
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff Method and device for generating hydrogen and oxygen
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. The invention relates to a process for the production of hydrogen and oxygen, in particular, the excess energy from wind turbines to be used. In addition, the invention also relates to an associated apparatus for performing the method, in which a PEM fuel cell is used as an electrolyzer.
Durch Umkehrung des Brennstoffzellenprozesses kann eine By reversing the fuel cell process, a
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. 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. For example, the electric power of wind turbines comes into question. In wind turbines, the electrical power generated is used as wind energy directly on site to generate electricity. In the absence of wind energy other power plants have to replace the wind turbine. If the installed wind power is increased, 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.
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. 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.
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. 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. In particular, the surplus energy of wind turbines, which is not polluted by CO2, should be used.
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. The object is achieved by the sequence of process steps according to claim 1. An associated device is specified in claim 11. Further developments of the method according to the invention or of the associated device are the subject matter of the dependent claims.
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. With the invention can be used in a simple manner resulting from wind turbines excess energy. This excess energy is stored in particular in the form of hydrogen, whereby the storage becomes comparatively easy by the use of a high-pressure electrolyzer. In particular, the PEM high-pressure electrolysis in question, in which pressures greater than 10 bar can be realized. In the associated device, the filling of gas storage by means of suitable devices and compressor is much easier and can even be dispensed with, decisive advantage of a high-pressure cell used as a device is that with increasing process pressure, the cell can be operated with higher current densities. This has been tested in practice, especially for PEM high-pressure cells.
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. Within the scope of the invention, 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.
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 derAn 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. Alternatively, 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
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. 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.
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. Overall, 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.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Patentansprüchen. Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments in conjunction with the claims.
Es zeigen Show it
Figur 1 ein Blockschaltbild einer Hochdruck-Elektrolyseanlage mit Gasreinigung und den zugehörigen Speichertanks und Figure 1 is a block diagram of a high-pressure electrolysis plant with gas cleaning and the associated storage tanks and
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. Figure 2 is a graph of the operating voltage of a cell used in Figure 1 as a function of the current density. In FIG. 1, 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.
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. 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. Conversely, an electrolyzer can also be used for the generation of electrical energy power, in which case can be spoken of a fuel cell.
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. In the case of the so-called PEM fuel cell (polymer electrolyte membrane), the starting point is an MEA (membrane-electrode assembly) (assembly), whereby the PEM fuel cell has already been extensively tested in practice. For such PEM fuel cells, a catalyst is still necessary.
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. When using the PEM fuel cell as an electrolyzer - as mentioned - electrical energy must be provided. This is increasingly a wind turbine, and in particular when the wind turbine excess energy accumulates, which can not be fed directly into the grid. In this case, hydrogen can be generated as an energy source by means of the electrical power generated by the wind turbine.
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. In the present case, high-pressure electrolysis is carried out by designing the fuel cell as a high-pressure device. In this case, the generated hydrogen on the one hand and the oxygen produced on the other hand, under appropriate pressure. For example, pressure is generated up to 110 bar.
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 . Since in the electrolyzer 1, the gases are not generated with the desired pressure, 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.
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. With the described process, it is suitably possible that 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.
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, wieWith the last investment concept, in particular a discontinuous operation is aimed for. This means that you only operate the system when at night or at other times with low power requirements excess power from the wind turbine is available. If a further compression of the gases produced is desired, this is simplified by the already existing form. For example, an increase in pressure of 20 bar to 200 bar, the usual gas cylinder pressure, possible and can be achieved by a single-stage compressor. With such an approach, in addition to the technical simplification, a reduction in costs can be achieved in half compared to multi-stage compression systems of the prior art, which must achieve an increase in pressure from 1 bar to 200 bar. In particular, the possibility exists, the pressure ranges of the individual components, such as
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. 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.
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. In FIG. 2, the abscissa represents the current density in mA / cm 2 and the ordinate the voltage in volts. By way of example, 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.
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. Overall, it can be seen from FIG. 2 that the voltage-current density characteristics change with increasing process pressure. With increasing pressure, the resulting equilibrium voltage becomes slightly higher, but here saturates the water with gas bubbles due to their compression later. As a result, the system works more effectively at higher pressures and can therefore be operated with higher current densities. The gas yield of the system is thereby improved while maintaining the input power.

Claims

Patentansprüche claims
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. A process for producing hydrogen and oxygen, in which water is subjected to an electrochemical electrolysis, characterized in that the electrolysis is carried out at pressures above atmospheric pressure, wherein a PEM high-pressure electrolysis is applied.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Elektrolyse bei Drücken > 10 bar, insbesondere2. The method according to claim 1, characterized in that the high-pressure electrolysis at pressures> 10 bar, in particular
> 100 bar erfolgt. > 100 bar.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die PEM-Hochdruck-Elektrolyse im Temperaturbe- reich 5°C bis 1000C betrieben wird. 3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the PEM high-pressure electrolysis in the temperature range 5 ° C to 100 0 C is operated.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anfallenden Gase in einem Hochdruckspeicher gespeichert werden. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the resulting gases are stored in a high-pressure accumulator.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anfallenden Gase in Gasflaschen gespeichert werden. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the resulting gases are stored in gas cylinders.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff als Energieträger verwendet wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the hydrogen is used as an energy source.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Betrieb der Hochdruck-Elektrolyse7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for the operation of the high-pressure electrolysis
Überschussenergie aus Windkraftanlagen verwendet wird. Excess energy from wind turbines is used.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung umweltfreundlicher Energie die Cθ2-Gesamtbilanz verbessert wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that by using environmentally friendly energy, the CO 2 total balance is improved.
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. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the high-pressure electrolysis generates a pre-pressure of about 10 bar and the further compression takes place via a mechanical compressor.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte Gas gereinigt wird. 10. The method according to claim 9, characterized in that the generated gas is purified.
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 . 11. An apparatus for carrying out the method according to claim 1 or one of claims 2 to .., with an electrolyzer for the conversion of electrical energy into gaseous energy, characterized in that the electrolyzer is a high-pressure electrolyzer (1), of which the gases produced are conducted in the pressure vessel (10, 20), the high-pressure electrolyzer being an encapsulated PEM high-pressure electrolysis (1).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Elektrolyseur ein weiterer Kompressor (5) nachge- schaltet ist. 12. The device according to claim 11, characterized in that the electrolyzer another compressor (5) is connected downstream.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Gasflaschen (11, 21) zum unmittelbaren Abfüllen der erzeugten Gase vorhanden sind. 13. Device according to one of claims 11 to 14, characterized in that gas cylinders (11, 21) for direct filling of the generated gases are present.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Einheiten (6, 7) für eine Reinigung der erzeugten Gase vorhanden sind. 14. Device according to one of claims 11 to 13, characterized in that units (6, 7) are present for a purification of the gases produced.
EP10739322A 2009-07-31 2010-07-21 Method and device for generating hydrogen and oxygen Withdrawn EP2459773A1 (en)

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