EP4158083A1 - Method for operating an electrolysis system, and electrolysis system - Google Patents

Method for operating an electrolysis system, and electrolysis system

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EP4158083A1
EP4158083A1 EP21755704.0A EP21755704A EP4158083A1 EP 4158083 A1 EP4158083 A1 EP 4158083A1 EP 21755704 A EP21755704 A EP 21755704A EP 4158083 A1 EP4158083 A1 EP 4158083A1
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EP
European Patent Office
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gas
product
electrolysis system
product gas
secondary gas
Prior art date
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Pending
Application number
EP21755704.0A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Purucker
Erik Wolf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • C25B15/02—Process control or regulation
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    • C25B15/025—Measuring, analysing or testing during electrolytic production of electrolyte parameters
    • C25B15/029—Concentration
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/083—Separating products
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
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    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • 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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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an electrolysis system comprising an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases, with the product gas streams being discharged from the electrolyzer.
  • the invention also relates to an electrolysis system comprising an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases, at least one product gas line for discharging the product gases from the electrolyzer, with a gas separation device being arranged on the at least one product gas line.
  • Hydrogen is nowadays produced, for example, by means of PEM electrolysis.
  • a component of a PEM electrolytic 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 electrolyser.
  • the water on the anode side is decomposed by the catalytic effect of the platinum.
  • 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.
  • the electrolytic cells described above are combined in stacks. Water is introduced into the stack, which is under DC voltage, and after passing through the electrolysis cells, two product streams emerge, consisting of water and gas bubbles as oxygen or hydrogen f . It is inherent in the system that in the product stream of one product gas only small quantities of the other product gas are present. In practice, the oxygen contains f- gas stream small amounts of hydrogen and in the hydrogen gas stream small amounts of oxygen. 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 the case of a PEM electrolysis system, the membrane material. Under certain circumstances, it may be necessary to reduce the concentration of foreign gases, namely immediately before or after. directly after the electrolysis cell or . the electrolysis stack, e.g. B. in a gas separation device downstream of the electrolyzer.
  • both product gas streams are fed to a respective, catalytically activated recombiner in which a catalyst allows the hydrogen to recombine with the oxygen, so that the respective product stream recombines in water.
  • the gas flow must first be heated to at least 80 °C so that the conversion rates of the recombiner are sufficiently high.
  • a further possibility for treating the foreign gas problem is to produce recombination-active surfaces inside the electrolytic cell by means of special treatment measures, which, however, can be economically disadvantageous.
  • the invention is therefore based on the object of proposing a novel method for reducing the foreign gas in a product gas stream of a hydrogen electrolysis plant.
  • the object is achieved according to the invention by a method for operating an electrolysis system comprising an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases, the product gas streams being discharged from the electrolyzer and a secondary gas being mixed with at least one of the product gas streams.
  • the electrolysis system can be a high-pressure electrolysis system or a low-pressure electrolysis system that is laid for a PEM electrolysis or for alkaline electrolysis.
  • the oxygen or hydrogen produced in the electrolysis plant is referred to as product gas.
  • the product gas stream is the oxygen soapy or hydrogen soapy stream which, in addition to the respective product gas and a. may also contain other components, e.g. B. Water or the respective product foreign gas.
  • the invention is based on the idea of supplying an additional gas stream containing the secondary gas, which is either provided externally or comes from the electrolysis system's own production, with the aim of reducing the foreign gas concentration in the product gas stream to be treated by increasing the total volume flow.
  • the secondary gas can be fed to the electrolysis system at several points, e.g. B. in a gas separation device and/or in the exit area of the electrolysis stack and/or in the entry area of the electrolysis cell. Depending on the position of the feed point, the secondary gas mixes with the product gas either immediately or later when the product gas is produced.
  • the method according to the invention is essential for trouble-free and safe operation of the electrolytic system and represents a technical measure that does not require changes to the electrolytic cell that are relevant to aging and efficiency.
  • the secondary gas contains the same product gas as in the product gas stream with which it is mixed, and/or it contains an inert gas.
  • the inert gas is intended in particular for the oxygen product side.
  • the secondary gas consists in particular of hydrogen.
  • the secondary gas is a gas produced in the electrolysis system, which is cleaned and recycled. This means that only oxygen is used on the oxygen product side and/or only hydrogen is used as secondary gas on the hydrogen product side. This design has the significant advantage that no external gas is provided or must be stored for use in the electrolysis plant.
  • At least part of the product gas flow is preferably cleaned after a gas separation device and used as secondary gas.
  • a gas separation device is understood here to mean a liquid/gaseous phase separator for gas separation. This procedure requires a minimum structural outlay, in that part of a product gas generated during the electrolysis is branched off after the gas separation device and fed back into the electrolysis plant.
  • the secondary gas is returned to the gas separation device under pressure, i. H .
  • the pressure of the secondary gas is at least higher than the pressure in the gas separation device.
  • a blower or a compressor is used in particular.
  • a foreign gas concentration in the product gas flow which is mixed with the secondary gas is advantageously determined and the volume flow of the secondary gas is adjusted as a function of the foreign gas concentration.
  • the foreign gas concentration can be determined by calculation or by measurements using gas sensors.
  • the gas sensors measure z. B. via the thermal conductivity, in particular the distance from the ignition limit.
  • the degree of foreign gas concentration and thus the amount of secondary gas supply required can be determined and optimally adjusted via a differential temperature measurement via the recombiner.
  • the gas composition can also be determined via thermal conductivity, speed of sound and gas chroma tographs are determined.
  • the foreign gas concentration is determined on the outlet side of the gas separation device.
  • At least part of a product gas is preferably branched off and temporarily stored in a gas reservoir, the stored product gas being fed back as secondary gas when the electrolysis system is started up.
  • the branch is z. B. from or after the gas separation device.
  • the product gas is also cleaned, e.g. B. in a recombiner. In order to be able to start the electrolysis system, the cleaned product gas is fed back and mixed with the product gas flow at a point in time at which the recycling of the product gases is not yet active, since no product gases have yet been produced.
  • an electrolysis system comprising an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases, at least one first product gas line and a second product gas line for discharging the product gases from the electrolyzer, with a secondary gas line being provided , Through which a secondary gas is mixed with at least one of the product gas streams in one of the product gas lines.
  • the secondary gas line preferably opens into a gas separation device downstream of the electrolyzer.
  • the secondary gas line is preferably branched off from the at least one product gas line after the gas separation device.
  • a recombiner is preferably arranged on the at least one product gas line for the purification of the product gas before it is fed back as secondary gas.
  • the secondary gas line expediently contains a blower.
  • the electrolysis system also includes a measuring device for measuring a foreign gas concentration in the product gas stream, which is mixed with the secondary gas, and a control device that is suitable for adjusting the volume flow of the secondary gas depending on the foreign gas concentration.
  • the secondary gas line is fluidically connected to a gas reservoir for the secondary gas.
  • an electrolysis system 1 comprising an electrolyzer 2 .
  • the electrolysis system 1 also has an oxygen soapy, first gas separation device 4 and a hydrogen soapy, second gas separation device 6 .
  • the electrolyzer 2 is connected to the first gas separation device 4 via a first product gas line 8 and to the second gas separation device 6 via a second product gas line 10 . Accordingly, a mixture of water and oxygen is transported via the first product gas line 8 .
  • a mixture of water and hydrogen is conducted out of the electrolyzer 2 through the second product gas line 10 .
  • a liquid/gas separation then takes place in the respective gas separation device 4 , 6 .
  • water is returned from the first gas separation device 4 to the electrolyzer 2 via a water return line 12 .
  • the water from the second gas separation device 6 is fed into a water supply line 14 of the electrolyzer 2 .
  • the oxygen gas flow in the first product gas line 8 contains small amounts of hydrogen and the hydrogen gas flow in the second product gas line 8 contains small amounts of oxygen.
  • oxygen 16 and hydrogen 18 are cleaned in the respective gas separation device 4 , 6 Recombiner 20, 22 downstream, in which the gaseous hydrogen is oxidized catalytically with the gaseous oxygen to form water.
  • a portion of the respective product gas 16, 18 processed in this way is returned to the respective gas separation device 4, 6 via a secondary gas line 24.
  • a fan 26 is integrated in the secondary gas line 24, with the aid of which the pressure of the purified oxygen or hydrogen product gas upstream of the gas separation device 4, 6 is increased. Due to the branched off, pure product gas, the foreign gas concentration in the product gas flow to be treated in the product gas lines 8, 12 is reduced by increasing the total volume flow.
  • measuring devices are attached to the product gas lines 8, 12, which, however, are not shown in the figure.
  • Another option is to temporarily store the cleaned product gas, which is intended as a secondary gas, in a gas reservoir and return it to the gas separator when the electrolysis system is started up.
  • the gas reservoir not shown in detail, is fluidically connected in particular to the respective secondary gas line 24 .
  • the secondary gas can be fed into the outlet area from the electrolyzer 2 and/or into the inlet area of the electrolyzer 2 .
  • an internet gas such as nitrogen
  • the product gas stream is mixed with a secondary gas on both the oxygen and hydrogen side.
  • the secondary gas can only be fed in on one side of the product, e.g. only on the oxygen side.

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Abstract

The invention relates to a method for operating an electrolysis system (1) comprising an electrolyzer (2) for generating hydrogen and oxygen as product gases, the product gas streams being discharged from the electrolyzer (2). A secondary gas is mixed with at least one of the product gas streams with the goal of reducing the foreign gas concentration in the product gas stream to be treated by means of an increase of the overall volume flow.

Description

Beschreibung description
Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage sowie Elektrolyseanlage Method for operating an electrolysis system and electrolysis system
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase , wobei die Produktgasströme aus dem Elektrolyseur abgeführt werden . Die Erfindung betri f ft weiterhin eine Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase , zumindest eine Produktgas-Leitung zum Abführen der Produktgase aus dem Elektrolyseur, wobei an der zumindest einen Produktgas-Leitung eine Gasabscheidevorrichtung angeordnet ist . The invention relates to a method for operating an electrolysis system comprising an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases, with the product gas streams being discharged from the electrolyzer. The invention also relates to an electrolysis system comprising an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases, at least one product gas line for discharging the product gases from the electrolyzer, with a gas separation device being arranged on the at least one product gas line.
Wasserstof f 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 Sauerstof f , freie Elektronen und positiv geladene Wasserstof f ionen H+ . Die Wasserstof f ionen H+ di f fundieren durch die protonenleitende Membran auf die Ka- thodenseite , wo sie mit den Elektronen aus dem äußeren Stromkreis zu Wasserstof fmolekülen H2 kombinieren . Hydrogen is nowadays produced, for example, by means of PEM electrolysis. A component of a PEM electrolytic 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 electrolyser. The water on the anode side is decomposed by the catalytic effect of the platinum. 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 Sauerstof f bzw . Wasserstof f . Systemimmanent ist dabei , dass im Produktstrom des einen Produktgases j eweils das andere Produktgas lediglich in geringen Mengen vorliegt . In der Praxis befinden sich im Sauerstof f- gasstrom kleine Mengen an Wasserstof f und im Wasserstof fgasstrom kleine Mengen an Sauerstof f . Die Quantität des j eweiligen Fremdgases hängt vom Elektrolysezelldesign ab und variiert auch unter dem Einfluss von Stromdichte , Katalysatorzusammensetzung, Alterung und bei einer PEM-Elektrolyse- anlage vom Membranmaterial . Unter Umständen kann es dabei erforderlich sein, die Fremdgaskonzentration zu reduzieren, und zwar bereits unmittelbar an- bzw . direkt nach der Elektroyse- zelle bzw . dem Elektrolysestack, z . B . in einer dem Elektrolyseur nachgeschalteten Gasabscheidevorrichtung . The electrolytic cells described above are combined in stacks. Water is introduced into the stack, which is under DC voltage, and after passing through the electrolysis cells, two product streams emerge, consisting of water and gas bubbles as oxygen or hydrogen f . It is inherent in the system that in the product stream of one product gas only small quantities of the other product gas are present. In practice, the oxygen contains f- gas stream small amounts of hydrogen and in the hydrogen gas stream small amounts of oxygen. 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 the case of a PEM electrolysis system, the membrane material. Under certain circumstances, it may be necessary to reduce the concentration of foreign gases, namely immediately before or after. directly after the electrolysis cell or . the electrolysis stack, e.g. B. in a gas separation device downstream of the electrolyzer.
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, werden insbesondere beide Produktgasströmen einem j eweiligen, katalytisch aktivierten Rekombinator zugeführt , in dem ein Katalysator den Wasserstof f mit dem Sauerstof f rekombinieren lässt , so dass der j eweilige Produktstrom in Wasser rekombiniert . Dazu muss der Gasstrom zuvor auf mindestens 80 ° C aufgehei zt werden, damit die Umsatzraten des Rekombinators ausreichend hoch sind . In order to solve the problem described above, in particular both product gas streams are fed to a respective, catalytically activated recombiner in which a catalyst allows the hydrogen to recombine with the oxygen, so that the respective product stream recombines in water. To do this, the gas flow must first be heated to at least 80 °C so that the conversion rates of the recombiner are sufficiently high.
Eine weitere Möglichkeit zur Behandlung des Fremdgasproblems ist es , rekombinationsaktive Oberflächen innerhalb der Elektrolysezelle durch spezielle Behandlungsmaßnahmen zu erzeugen, was j edoch ökonomisch unvorteilhaft sein kann . A further possibility for treating the foreign gas problem is to produce recombination-active surfaces inside the electrolytic cell by means of special treatment measures, which, however, can be economically disadvantageous.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , ein neuartiges Verfahren zur Reduzierung des Fremdgases in einem Produktgasstrom einer Wasserstof f elektrolyseanlage vorzuschlagen . The invention is therefore based on the object of proposing a novel method for reducing the foreign gas in a product gas stream of a hydrogen electrolysis plant.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase , wobei die Produktgasströme aus dem Elektrolyseur abgeführt werden und wobei ein Sekundärgas mit zumindest einem der Produktgasströme vermischt wird . The object is achieved according to the invention by a method for operating an electrolysis system comprising an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases, the product gas streams being discharged from the electrolyzer and a secondary gas being mixed with at least one of the product gas streams.
Die Elektrolyseanlage kann hierbei eine Hochdruckelektrolyseanlage oder eine Niederdruckelektrolyseanlage sein, die aus- gelegt ist für eine PEM-Elektrolyse oder für alkalische Elektrolyse . The electrolysis system can be a high-pressure electrolysis system or a low-pressure electrolysis system that is laid for a PEM electrolysis or for alkaline electrolysis.
Mit Produktgas wird hierbei der in der Elektrolyseanlage hergestellte Sauerstof f oder Wasserstof f bezeichnet . Unter Produktgasstrom wird der Sauerstof f seif ige- oder Wasserstof f seifige Strom verstanden, der neben dem j eweiligen Produktgas u . a . auch weitere Komponenten enthalten kann, z . B . Wasser oder das j eweilige Produkt-Fremdgas . In this case, the oxygen or hydrogen produced in the electrolysis plant is referred to as product gas. The product gas stream is the oxygen soapy or hydrogen soapy stream which, in addition to the respective product gas and a. may also contain other components, e.g. B. Water or the respective product foreign gas.
Die Erfindung basiert auf der Idee , einen zusätzlichen Gasstrom enthaltend das Sekundärgas , das entweder extern bereitgestellt wird oder aus der Eigenproduktion der Elektrolyseanlage stammt , zuzuführen, mit dem Ziel durch das Erhöhen des Gesamtvolumenstroms die Fremdgaskonzentration im zu behandelnden Produktgasstrom zu reduzieren . Das Sekundärgas kann dabei an mehreren Stellen der Elektrolyseanlage zugeführt werden, z . B . in eine Gasabscheidevorrichtung und/oder in den Austrittsbereich des Elektrolysestacks und/oder in den Ein- trittsbereich der Elektrolysezelle . Je nach Position der Zufuhrstelle vermischt sich das Sekundärgas mit Produktgas entweder gleich oder erst später, wenn das Produktgas hergestellt wird . Abhängig vom Elektrolysezellaufbau ist das erfindungsgemäße Verfahren essentiell für einen störungs freien und sicheren Betrieb der Elektrolyseanlage und stellt eine technische Maßnahme dar, die ohne alterungs- und wirkungsgradrelevante Veränderungen an der Elektrolysezelle auskommt . The invention is based on the idea of supplying an additional gas stream containing the secondary gas, which is either provided externally or comes from the electrolysis system's own production, with the aim of reducing the foreign gas concentration in the product gas stream to be treated by increasing the total volume flow. The secondary gas can be fed to the electrolysis system at several points, e.g. B. in a gas separation device and/or in the exit area of the electrolysis stack and/or in the entry area of the electrolysis cell. Depending on the position of the feed point, the secondary gas mixes with the product gas either immediately or later when the product gas is produced. Depending on the electrolytic cell structure, the method according to the invention is essential for trouble-free and safe operation of the electrolytic system and represents a technical measure that does not require changes to the electrolytic cell that are relevant to aging and efficiency.
Gemäß einer bevorzugten Aus führung enthält das Sekundärgas das gleiche Produktgas wie im Produktgasstrom, mit welchem es vermischt wird, und/oder es enthält ein Inertgas . Das Inertgas ist insbesondere für die Sauerstof f-Produktseite vorgesehen . Durch das Beimischen vom Inertgas und/oder von zusätzlichem Sauerstof f in den Sauerstof f seif igen Produktgasstrom wird die relative Konzentration von zurückdi f fundiertem Wasserstof f reduziert . Auf der Wasserstof f-Produktseite besteht das Sekundärgas insbesondere aus Wasserstof f . Gemäß einer weiteren bevorzugten Aus führung ist das Sekundärgas ein in der Elektrolyseanlage erzeugtes Gas , welches aufgereinigt und zurückgeführt wird . Dies bedeutet , dass auf der Sauerstof f-Produktseite lediglich Sauerstof f und/oder auf der Wasserstof f-Produktseite lediglich Wasserstof f als Sekundärgas eingesetzt wird . Diese Aus führung hat den wesentlichen Vorteil , dass kein externes Gas bereitgestellt bzw . für den Einsatz in der Elektrolyseanlage gespeichert werden muss . According to a preferred embodiment, the secondary gas contains the same product gas as in the product gas stream with which it is mixed, and/or it contains an inert gas. The inert gas is intended in particular for the oxygen product side. By admixing inert gas and/or additional oxygen to the oxygen-soapy product gas stream, the relative concentration of reversed hydrogen is reduced. On the hydrogen product side, the secondary gas consists in particular of hydrogen. According to a further preferred embodiment, the secondary gas is a gas produced in the electrolysis system, which is cleaned and recycled. This means that only oxygen is used on the oxygen product side and/or only hydrogen is used as secondary gas on the hydrogen product side. This design has the significant advantage that no external gas is provided or must be stored for use in the electrolysis plant.
Bevorzugt wird zumindest ein Teil des Produktgasstroms nach einer Gasabscheidevorrichtung aufgereinigt und als Sekundärgas eingesetzt . Unter Gasabscheidevorrichtung wird hierbei ein f lüssig/gas förmig-Phasentrenner zur Gasseparation verstanden . Dieses Vorgehen erfordert einen minimalen bautechnischen Aufwand, indem ein Teil eines bei der Elektrolyse erzeugten Produktgases nach der Gasabscheidevorrichtung abgezweigt und in die Elektrolyseanlage zurückgeführt wird . At least part of the product gas flow is preferably cleaned after a gas separation device and used as secondary gas. A gas separation device is understood here to mean a liquid/gaseous phase separator for gas separation. This procedure requires a minimum structural outlay, in that part of a product gas generated during the electrolysis is branched off after the gas separation device and fed back into the electrolysis plant.
Vorzugsweise wird das Sekundärgas unter Druck in die Gasabscheidevorrichtung zurückgeführt , d . h . der Druck des Sekundärgases ist zumindest höher als der Druck in der Gasabscheidevorrichtung . Um den Druck zu erhöhen, wird insbesondere ein Gebläse oder ein Verdichter verwendet . Preferably, the secondary gas is returned to the gas separation device under pressure, i. H . the pressure of the secondary gas is at least higher than the pressure in the gas separation device. In order to increase the pressure, a blower or a compressor is used in particular.
Im Hinblick auf einen möglichst flexiblen und präzisen Betrieb der Elektrolyseanlage wird vorteilhafterweise eine Fremdgaskonzentration im Produktgasstrom, welches mit dem Sekundärgas vermischt wird, bestimmt und der Volumenstrom des Sekundärgases wird in Abhängigkeit von der Fremdgaskonzentration angepasst . Die Bestimmung der Fremdgaskonzentration kann rechnerisch oder über Messungen mit Hil fe von Gassensoren erfolgen . Die Gassensoren messen z . B . über die thermische Leitfähigkeit insbesondere den Abstand von der Zündgrenze . Uber eine di f f erenzielle Temperaturmessung über den Rekombinator lassen sich der Grad der Fremdgaskonzentration und damit die Menge der erforderlichen Sekundärgas zufuhr bestimmen und optimiert anpassen . Alternativ kann die Gas zusammensetzung auch über Wärmeleitfähigkeit , Schallgeschwindigkeit und Gaschroma- tographen ermittelt werden . Beispielsweise wird die Fremdgaskonzentration austrittsseitig an der Gasabscheidevorrichtung bestimmt . With a view to operating the electrolysis system as flexibly and precisely as possible, a foreign gas concentration in the product gas flow which is mixed with the secondary gas is advantageously determined and the volume flow of the secondary gas is adjusted as a function of the foreign gas concentration. The foreign gas concentration can be determined by calculation or by measurements using gas sensors. The gas sensors measure z. B. via the thermal conductivity, in particular the distance from the ignition limit. The degree of foreign gas concentration and thus the amount of secondary gas supply required can be determined and optimally adjusted via a differential temperature measurement via the recombiner. Alternatively, the gas composition can also be determined via thermal conductivity, speed of sound and gas chroma tographs are determined. For example, the foreign gas concentration is determined on the outlet side of the gas separation device.
Vorzugsweise wird zumindest ein Teil eines Produktgases abgezweigt und in einem Gasspeicher zwischengespeichert , wobei das gespeicherte Produktgas beim Anfahren der Elektrolyseanlage als Sekundärgas zurückgeführt wird . Die Abzweigung erfolgt z . B . von der oder nach der Gasabscheidevorrichtung . Das Produktgas wird zudem auf gereinigt , z . B . in einem Rekombina- tor . Um die Elektrolyseanlage starten zu können, wird das gereinigte Produktgas zu einem Zeitpunkt , zu dem das Rezyklie- ren der Produktgase noch nicht aktiv ist , da noch keine Produktgase hergestellt sind, zurückgeführt und mit dem Produktgasstrom vermischt . At least part of a product gas is preferably branched off and temporarily stored in a gas reservoir, the stored product gas being fed back as secondary gas when the electrolysis system is started up. The branch is z. B. from or after the gas separation device. The product gas is also cleaned, e.g. B. in a recombiner. In order to be able to start the electrolysis system, the cleaned product gas is fed back and mixed with the product gas flow at a point in time at which the recycling of the product gases is not yet active, since no product gases have yet been produced.
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase , zumindest eine erste Produktgas-Leitung und eine zweite Produktgas- Leitung zum Abführen der Produktgase aus dem Elektrolyseur, wobei eine Sekundärgas-Leitung vorgesehen ist , durch welche ein Sekundärgas mit zumindest einem der Produktgasströme in einer der Produktgas-Leitungen vermischt wird . Die in Bezug auf das Verfahren bereits angeführte Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Elektrolyseanlage übertragen . The object is also achieved according to the invention by an electrolysis system comprising an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases, at least one first product gas line and a second product gas line for discharging the product gases from the electrolyzer, with a secondary gas line being provided , Through which a secondary gas is mixed with at least one of the product gas streams in one of the product gas lines. The advantages and preferred configurations already mentioned in relation to the method can be transferred analogously to the electrolysis plant.
Vorzugsweise mündet dabei die Sekundärgas-Leitung in eine dem Elektrolyseur nachgeschaltete Gasabscheidevorrichtung . Bevorzugt ist die Sekundärgas-Leitung von der zumindest eine Produktgas-Leitung nach der Gasabscheidevorrichtung abgezweigt . Für die Aufreinigung des Produktgases , bevor es als Sekundärgas zurückgeführt wird, ist vorzugsweise an der zumindest einen Produktgas-Leitung ein Rekombinator angeordnet . Darüber hinaus enthält die Sekundärgas-Leitung zweckdienlicherweise ein Gebläse . Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Elektrolyseanlage zudem eine Messvorrichtung zum Messen einer Fremdgaskonzentration im Produktgasstrom, welcher mit dem Sekundärgas vermischt wird, sowie eine Steuervorrichtung, die dafür geeignet ist , den Volumenstrom des Sekundärgases in Abhängigkeit von der Fremdgaskonzentration anzupassen . Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Sekundärgas- Leitung fluidtechnisch mit einem Gasspeicher für das Sekundärgas verbunden . The secondary gas line preferably opens into a gas separation device downstream of the electrolyzer. The secondary gas line is preferably branched off from the at least one product gas line after the gas separation device. A recombiner is preferably arranged on the at least one product gas line for the purification of the product gas before it is fed back as secondary gas. In addition, the secondary gas line expediently contains a blower. According to a preferred embodiment, the electrolysis system also includes a measuring device for measuring a foreign gas concentration in the product gas stream, which is mixed with the secondary gas, and a control device that is suitable for adjusting the volume flow of the secondary gas depending on the foreign gas concentration. According to a further preferred embodiment, the secondary gas line is fluidically connected to a gas reservoir for the secondary gas.
Ein Aus führungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert . Hierin zeigt die einzige Figur eine Elektrolyseanlage 1 umfassend einen Elektrolyseur 2 . Die Elektrolyseanlage 1 verfügt außerdem über eine Sauerstof f seifige , erste Gasabscheidevorrichtung 4 sowie über eine Wasserstof f seif ige , zweite Gasabscheidevorrichtung 6 . Der Elektrolyseur 2 ist über eine erste Produktgas-Leitung 8 mit der ersten Gasabscheidevorrichtung 4 und über eine zweite Produktgas-Leitung 10 mit der zweiten Gasabscheidevorrichtung 6 verbunden . Über die erste Produktgas-Leitung 8 wird demnach ein Gemisch aus Wasser und Sauerstof f transportiert . Durch die zweite Produktgas-Leitung 10 wird ein Gemisch aus Wasser und Wasserstof f aus dem Elektrolyseur 2 hinausgeführt . Anschließend findet in der j eweiligen Gasabscheidevorrichtung 4 , 6 eine Flüssig-Gas-Trennung statt . From an exemplary embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the drawing. Here, the only figure shows an electrolysis system 1 comprising an electrolyzer 2 . The electrolysis system 1 also has an oxygen soapy, first gas separation device 4 and a hydrogen soapy, second gas separation device 6 . The electrolyzer 2 is connected to the first gas separation device 4 via a first product gas line 8 and to the second gas separation device 6 via a second product gas line 10 . Accordingly, a mixture of water and oxygen is transported via the first product gas line 8 . A mixture of water and hydrogen is conducted out of the electrolyzer 2 through the second product gas line 10 . A liquid/gas separation then takes place in the respective gas separation device 4 , 6 .
Weiterhin wird über eine Wasserrückführleitung 12 Wasser aus der ersten Gasabscheidevorrichtung 4 in den Elektrolyseur 2 zurückgeführt . Furthermore, water is returned from the first gas separation device 4 to the electrolyzer 2 via a water return line 12 .
Das Wasser aus der zweiten Gasabscheidevorrichtung 6 wird in eine Wasserversorgungsleitung 14 des Elektrolyseurs 2 hineingeleitet . The water from the second gas separation device 6 is fed into a water supply line 14 of the electrolyzer 2 .
In der Praxis enthält der Sauerstof fgasstrom in der ersten Produktgas-Leitung 8 kleine Mengen Wasserstof f und der Wasserstof fgasstrom in der zweiten Produktgas-Leitung 8 enthält kleine Mengen an Sauerstof f . Um diese Fremdgase zu entfernen, d . h . die Produktgase Sauerstof f 16 und Wasserstof f 18 auf zureinigen, ist der j eweiligen Gasabscheidevorrichtung 4 , 6 ein Rekombinator 20, 22 nachgeschaltet, in dem der gasförmige Wasserstoff katalytisch mit dem gasförmigen Sauerstoff zu Wasser oxidiert. In practice, the oxygen gas flow in the first product gas line 8 contains small amounts of hydrogen and the hydrogen gas flow in the second product gas line 8 contains small amounts of oxygen. To remove these foreign gases, i . H . the product gases oxygen 16 and hydrogen 18 are cleaned in the respective gas separation device 4 , 6 Recombiner 20, 22 downstream, in which the gaseous hydrogen is oxidized catalytically with the gaseous oxygen to form water.
Ein Teil des auf diese Weise aufbereiteten, jeweiligen Produktgases 16, 18 wird über eine Sekundärgas-Leitung 24 in die jeweilige Gasabscheidevorrichtung 4, 6 zurückgeführt. In der Sekundärgas-Leitung 24 ist hierbei ein Gebläse 26 integriert, mit dessen Hilfe der Druck des auf gereinigten Produktgases Sauerstoff bzw. Wasserstoff vor der Gasabscheidevorrichtung 4, 6 erhöht wird. Durch das abgezweigte, reine Produktgas wird die Fremdgaskonzentration im zu behandelnden Produktgasstrom in den Produktgas-Leitungen 8, 12 durch das Erhöhen des Gesamtvolumenstroms reduziert. A portion of the respective product gas 16, 18 processed in this way is returned to the respective gas separation device 4, 6 via a secondary gas line 24. In this case, a fan 26 is integrated in the secondary gas line 24, with the aid of which the pressure of the purified oxygen or hydrogen product gas upstream of the gas separation device 4, 6 is increased. Due to the branched off, pure product gas, the foreign gas concentration in the product gas flow to be treated in the product gas lines 8, 12 is reduced by increasing the total volume flow.
Darüber hinaus ist es möglich, einen besonders flexiblen Betrieb zu gewährleisten, indem die Fremdgaskonzentration im jeweiligen Produktgasstrom bestimmt wird und der Volumenstrom des Sekundärgases in Abhängigkeit dieser Fremdgaskonzentration variiert wird. Hierfür sind an den Produktgas-Leitungen 8, 12 Messvorrichtungen angebracht, welche jedoch in der Figur nicht gezeigt sind. In addition, it is possible to ensure particularly flexible operation by determining the foreign gas concentration in the respective product gas flow and varying the volume flow of the secondary gas as a function of this foreign gas concentration. For this purpose, measuring devices are attached to the product gas lines 8, 12, which, however, are not shown in the figure.
Eine weitere Option besteht darin, das gereinigte Produktgas, welches als Sekundärgas vorgesehen ist, in einem Gasspeicher zwischenzuspeichern und beim Anfahren der Elektrolyseanlage in den Gasabscheider zurückzuführen. Der nicht näher gezeigte Gasspeicher ist insbesondere mit der jeweiligen Sekundärgas- Leitung 24 fluidtechnisch verbunden. Another option is to temporarily store the cleaned product gas, which is intended as a secondary gas, in a gas reservoir and return it to the gas separator when the electrolysis system is started up. The gas reservoir, not shown in detail, is fluidically connected in particular to the respective secondary gas line 24 .
Alternativ zu einer Zuführung des Sekundärgases in die Gasabscheidevorrichtung, kann dieses in den Austrittsbereich aus dem Elektrolyseur 2 und/oder in den Eintrittsbereich des Elektrolyseurs 2 hineingeleitet werden. Als weitere Alternative ist zudem denkbar, anstelle eines auf gereinigten Produktgases zumindest Sauerstoff seitig als Sekundärgas ein Internetgas, wie z.B. Stickstoff, zuzuführen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Produktgasstrom sowohl Sauerstoff- als auch Wasserstoff seitig mit einem Sekundärgas vermischt. Jedoch ist eine Zuführung des Sekundärgases auf nur einer Produktseite möglich, z.B. nur sauerstof f sei- tig . As an alternative to feeding the secondary gas into the gas separation device, it can be fed into the outlet area from the electrolyzer 2 and/or into the inlet area of the electrolyzer 2 . As a further alternative, it is also conceivable to supply an internet gas, such as nitrogen, at least on the oxygen side as a secondary gas instead of a purified product gas. In the exemplary embodiment shown, the product gas stream is mixed with a secondary gas on both the oxygen and hydrogen side. However, the secondary gas can only be fed in on one side of the product, e.g. only on the oxygen side.

Claims

9 Patentansprüche 9 patent claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage (1) umfassend einen Elektrolyseur (2) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, wobei die Produktgasströme aus dem Elektrolyseur (2) abgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sekundärgas mit zumindest einem der Produktgasströme vermischt wird. 1. A method for operating an electrolysis system (1) comprising an electrolyzer (2) for generating hydrogen and oxygen as product gases, the product gas streams being discharged from the electrolyzer (2), characterized in that a secondary gas is mixed with at least one of the product gas streams .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärgas das gleiche Produktgas wie im Produktgasstrom, mit welchem es vermischt wird, enthält und/oder ein Inertgas enthält. 2. The method according to claim 1, characterized in that the secondary gas contains the same product gas as in the product gas stream with which it is mixed and/or contains an inert gas.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärgas ein in der Elektrolyseanlage (1) erzeugtes Gas ist, welches aufgereinigt und zurückgeführt wird. 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the secondary gas is a gas generated in the electrolysis system (1), which is cleaned and recycled.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Produktgasstroms nach einer Gasabscheidevorrichtung (4, 6) aufgereinigt und als Sekundärgas eingesetzt wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that at least part of the product gas stream is purified after a gas separation device (4, 6) and used as a secondary gas.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärgas unter Druck in die Gasabscheidevorrichtung (4, 6) zurückgeführt wird. 5. The method according to any one of claims 4, characterized in that the secondary gas is returned to the gas separation device (4, 6) under pressure.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fremdgaskonzentration im Produktgasstrom, welches mit dem Sekundärgas vermischt wird, bestimmt wird und der Volumenstrom des Sekundärgases in Abhängigkeit von der Fremdgaskonzentration angepasst wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a foreign gas concentration in the product gas flow, which is mixed with the secondary gas, is determined and the volume flow of the secondary gas is adjusted depending on the foreign gas concentration.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil eines Produktgases abgezweigt wird und in einem Gasspeicher zwischengespeichert wird, wobei das gespeicherte Produktgas beim An- fahren der Elektrolyseanlage (1) als Sekundärgas zurückgeführt wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least part of a product gas is branched off and temporarily stored in a gas storage facility, the stored product gas upon arrival drive the electrolysis system (1) is recycled as a secondary gas.
8. Elektrolyseanlage (1) umfassend einen Elektrolyseur (2) zur Erzeugung von Wasserstoff (18) und Sauerstoff (16) als Produktgase, eine erste Produktgas-Leitung (8) und eine zweite Produktgas-Leitung (10) zum Abführen der Produktgase aus dem Elektrolyseur (2) , dadurch gekennzeichnet, dass eine Sekundärgas-Leitung (24) vorgesehen ist, durch welche ein Sekundärgas mit zumindest einem der Produktgasströme in einer der Produktgas-Leitungen (8, 10) vermischt wird. 8. Electrolysis system (1) comprising an electrolyzer (2) for generating hydrogen (18) and oxygen (16) as product gases, a first product gas line (8) and a second product gas line (10) for discharging the product gases from the Electrolyser (2), characterized in that a secondary gas line (24) is provided, through which a secondary gas is mixed with at least one of the product gas streams in one of the product gas lines (8, 10).
9. Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärgas-Leitung (24) in eine dem Elektrolyseur (2) nachgeschaltete Gasabscheidevorrichtung (4, 6) mündet. 9. Electrolysis system (1) according to claim 8, characterized in that the secondary gas line (24) opens into a gas separation device (4, 6) connected downstream of the electrolyzer (2).
10. Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärgas-Leitung (24) von der zumindest einen Produktgas-Leitung (8, 10) nach der Gasabscheidevorrichtung (4, 6) abgezweigt ist. 10. Electrolysis system (1) according to claim 9, characterized in that the secondary gas line (24) is branched off from the at least one product gas line (8, 10) after the gas separation device (4, 6).
11. Elektrolyseanlage (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der zumindest einen Produktgas-Leitung (8, 10) ein Rekombinator (20, 22) angeordnet ist. 11. Electrolysis system (1) according to one of claims 8 to 10, characterized in that a recombiner (20, 22) is arranged on the at least one product gas line (8, 10).
12. Elektrolyseanlage (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärgas-Leitung (24) ein Gebläse (26) enthält. 12. electrolysis system (1) according to any one of claims 8 to 11, characterized in that the secondary gas line (24) contains a fan (26).
13. Elektrolyseanlage (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch eine Messvorrichtung zum Messen einer Fremdgaskonzentration im Produktgasstrom, welcher mit dem Sekundärgas vermischt wird, sowie durch eine Steuervorrichtung, die dafür geeignet ist, den Volumenstrom des Sekundärgases in Abhängigkeit von der Fremdgaskonzentration anzupassen. 11 13. Electrolysis system (1) according to one of Claims 8 to 12, characterized by a measuring device for measuring a foreign gas concentration in the product gas flow which is mixed with the secondary gas, and by a control device which is suitable for controlling the volume flow of the secondary gas as a function of the Adjust foreign gas concentration. 11
14. Elektrolyseanlage (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärgas-Leitung (24) fluidtechnisch mit einem Gasspeicher für das Sekundärgas verbunden ist. 14. Electrolysis system (1) according to any one of claims 8 to 13, characterized in that the secondary gas line (24) is fluidly connected to a gas reservoir for the secondary gas.
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