EP4334497A1 - Elektrolysesystem mit einem hilfsionentauscher - Google Patents

Elektrolysesystem mit einem hilfsionentauscher

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Publication number
EP4334497A1
EP4334497A1 EP22724774.9A EP22724774A EP4334497A1 EP 4334497 A1 EP4334497 A1 EP 4334497A1 EP 22724774 A EP22724774 A EP 22724774A EP 4334497 A1 EP4334497 A1 EP 4334497A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
anode
cathode
branch
flow
water circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22724774.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Du-Fhan Choi
Alexander Tremel
Markus Ungerer
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4334497A1 publication Critical patent/EP4334497A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/085—Removing impurities
    • 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
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/087—Recycling of electrolyte to electrochemical cell
    • 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to an electrolysis system for the electrochemical decomposition of water to produce hydrogen and oxygen with a number of electrolysis cells, with an anode-side water circuit and a cathode-side water circuit for separating the gases and cooling the water being present. It is important to ensure the purity of the water using ion exchangers.
  • electrolysis systems Various designs of electrolysis systems are known from the prior art. In any case, such a system includes an electrolyser. Various designs are used for this purpose, with a so-called PEM electrolyser often being used. This has a plurality of electrolytic cells, which by a
  • Polymer electrolyte membrane are divided into an anode chamber and a cathode chamber.
  • the electrolysis of water takes place in the electrolysis cells, for which purpose there is an inlet at least in the anode chamber.
  • anode side there is usually a water circuit from the outlet of the anode chamber with an oxygen separator, a circulation pump, a cooling device and a filter arrangement to the inlet at the anode chamber.
  • an ion exchanger is often used in the anode-side water circuit.
  • WO 2021228412 A1 proposes directing a partial flow from the cooling device directly to the electrolyzer, while another partial flow is guided through a cleaning branch. This includes an additional pump, an additional cooling device and the required ion exchanger. This deionized partial flow is mixed with the other partial flow before it is introduced into the electrolyzer.
  • JP 2002-173788 A An alternative embodiment with a cleaning branch is disclosed in JP 2002-173788 A.
  • a partial flow from an anode-side water circuit is branched off before a circulating pump after the oxygen separation. This partial flow is fed to an ion exchanger and fed back to the oxygen separator by a pump.
  • the generic electrolysis system is used for the electrochemical decomposition of water and thus for the production of hydrogen and oxygen.
  • the electrolysis system has at least one electrolysis unit.
  • the Electrolysis unit in turn comprises several electrolysis cells.
  • Each individual electrolytic cell has an anode chamber and a cathode chamber on the opposite side, which is separated by a membrane.
  • the type of membrane involved is initially irrelevant, with a polymer-electrolyte membrane preferably being used.
  • An anode is located in the anode chamber and a cathode is located opposite in the cathode chamber. In the operation of the electrolysis system, a voltage is intended to be applied between the anode and the cathode.
  • the electrolysis system has a water circuit on the anode side. This starts at an anode-side outlet of the anode chamber and leads back to an anode-side inlet at the anode chamber via a hydrogen separator, a main pump and a cooling device.
  • the order of the elements is initially irrelevant, as is whether there are other facilities in the water cycle.
  • the hydrogen produced is generically discharged together with a proportion of water from an outlet on the cathode side of the cathode chamber to a hydrogen separator.
  • a water circuit on the cathode side is preferably used for this purpose, in which there is also a main pump and a cooling device.
  • the cathode-side water circuit here leads to a cathode-side inlet of the cathode chamber.
  • an anode-side partial flow branch with an auxiliary ion exchanger arranged therein is used according to the invention.
  • the anode-side partial flow branch starts at a branch in the anode-side water circuit and leads back to a collection point in the anode-side water circuit.
  • the branch on the anode-side water circuit is positioned downstream of the arrangement comprising the separator, the main pump and the cooling device and in front of the anode-side inlet of the anode chambers of the electrolytic cells in the direction of flow of the anode-side water circuit.
  • the invention provides that the collection point is positioned downstream of the anode-side outlet of the anode chambers of the electrolytic cells in flow direction and upstream of the separator in flow direction of the anode-side water circuit.
  • the embodiment according to the invention with an auxiliary ion exchanger in the partial flow branch makes it possible to clean the water or deionize it without having to design the entire water flow.
  • this arrangement enables the auxiliary ion exchanger to be used with the partial flow branch, even if the electrolysis system is otherwise not in use.
  • an analogous arrangement is particularly preferably used on the cathode side.
  • the electrolysis system has a partial flow branch on the cathode side, which leads from a branch in the water circuit on the cathode side via an auxiliary ion exchanger to a collection point in the water circuit on the cathode side. If there is no reference to the anode side or the cathode side in the following, the same applies to both the anode side and the cathode side. However, it is not necessary for both sides to be identical. Instead, it is also possible to provide two different embodiments for the anode side and the cathode side.
  • a partial flow pump is preferably arranged in the partial flow branch.
  • water from the anode-side water circuit flows through the anode chambers from their inlet to their outlet, and water from the cathode-side water circuit flows through the cathode chambers from their inlet to their outlet.
  • a flow from the anode-side partial flow pump from the anode-side output to the anode-side input of the anode chambers or a flow from the cathode-side partial-flow pump from the cathode-side output to the cathode-side input of the cathode chambers is particularly preferred.
  • an auxiliary ion exchanger in the partial flow branch connected to the water circuit enables its use during the operation of the electrolysis system. If a partial flow pump is present, a bypass that can be switched via valves is preferably present for this purpose, so that flow through the partial flow branch is possible without operation of the partial flow pump.
  • the water can be kept clean even during operation of the electrolysis system with the auxiliary ion exchanger will.
  • a flow through the partial flow branch preferably takes place parallel to the electrolytic cell, so that only the water circuit with the flow has to be designed accordingly.
  • an additional cleaning branch is connected to the water circuit.
  • a main ion exchanger is arranged in the cleaning branch. It is provided here that a certain part of the water in the water circuit is routed through the cleaning branch. Since only part of the water flowing in the water circuit flows through the cleaning branch, dimensioning to this lower proportion and thus the installation effort are reduced.
  • the cleaning branch is connected to the separator with both ends.
  • the connection should be made in such a way that the oxygen or hydrogen has already been derived from the water coming from the separator.
  • a first end of the cleaning branch starts at the water cycle following the separator.
  • the second end of the cleaning branch can in turn be connected to the separator.
  • a circulation is also effected here in the separator and the main ion exchanger.
  • a cooling device is preferably also arranged in the cleaning branch, which improves the performance of the
  • Main ion exchanger can have a positive effect.
  • the cooling device is preferably located between the cleaning pump and the main ion exchanger.
  • a cleaning pump is not required to bring about a flow through the cleaning branch.
  • the water circulates out of the separator and back into the separator.
  • the other end of the cleaning branch is in turn connected directly to the separator or to the water circuit in front of the separator. Accordingly, the circulation through the main ion exchanger is effected by the main pump.
  • the branch to the cleaning branch is particularly preferably to be arranged in the flow direction after the cooling device in the water circuit, so that no separate cooling device is required in the cleaning branch.
  • a circulation of the water can be avoided in that the cleaning branch is flowed through in sections parallel to the water circuit.
  • a first end of the cleaning branch is preferably located at an outlet of the separator or on the water circuit downstream of the separator in the direction of flow.
  • a cleaning pump should again preferably be provided.
  • the point at which it is merged with the water cycle is of secondary importance.
  • an arrangement of a second end of the cleaning branch in the water circuit in the direction of flow downstream of the main pump and preferably downstream of the cooling device in the water circuit appears to be suitable.
  • the water circulating in the water circuit and through the electrolyser should be free of particles of any kind.
  • a filter device is arranged directly in the water circuit and/or in the partial flow branch and/or in the cleaning branch. It is particularly advantageous if a filter device is present for each ion exchanger in the direction of flow downstream or at least in front of the inlet of the anode chamber or the inlet of the cathode chamber.
  • connection variant on the cathode side it is always advantageous if the cross-flow connection leads to the oxygen separator of the anode-side water circuit.
  • the cross-flow connection leads from the cathode-side water circuit to the anode-side water circuit. It is particularly advantageous if the cross-flow connection from
  • Hydrogen separator of the cathode-side water cycle branches off.
  • the cross-flow connection leads from the partial flow branch on the cathode side to the water circuit on the anode side. It is particularly advantageous if the cross-flow connection branches off at a point downstream of the auxiliary ion exchanger.
  • the cross-current connection begins at the cathode-side cleaning branch.
  • the branch is arranged downstream of the main ion exchanger.
  • a cross-flow ion exchanger and a cross-flow pump are advantageously arranged in the cross-flow connection.
  • a cooling device and/or a filter device is advantageously present in the cross-flow connection.
  • an ion exchanger and a pump in the cross-flow connection are not absolutely necessary, since an ion exchanger is already present in the partial flow branch or the cleaning branch (depending on the version) (which is why the branch should preferably be arranged downstream).
  • the necessary flow in the cross-flow connection can already be brought about by the flow caused by a respective pump in the partial flow branch or the cleaning branch.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an electrolysis system according to the invention with a cross-flow connection between the two separators;
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of an electrolysis system according to the invention, in which a cleaning branch is dispensed with;
  • FIG 3 shows a third exemplary embodiment of an electrolysis system according to the invention with a cross-flow connection from the cleaning branch to the oxygen separator.
  • an electrolysis system generally includes one or more electrolyzers, each in turn having a plurality of electrolysis cells with a corresponding anode chamber and cathode chamber.
  • An electrolytic cell is only sketched in the illustrations as an example. The structure of an electrolyzer and the electrolytic cell will not be discussed further at this point.
  • a first exemplary embodiment of an electrolysis system 01 is now shown in FIG. This 01 comprises the electrolytic cell 31 as an essential element, which has an anode chamber 32 and a cathode chamber 33 .
  • anode-side water circuit 02 Connected to the anode chamber 32 is an anode-side water circuit 02 , which begins at an outlet of the anode chamber 32 and leads via a hydrogen separator 34 . Furthermore, there is a main pump 36 and a cooling device 37 in the water circuit 02. A filter device 38 is also arranged in the water circuit 02 between this 37 and an inlet on the anode chamber 32.
  • the cathode side is constructed analogously with a cathode-side water circuit 03 connected to the cathode chamber 33. Accordingly, this 03 starts analogously at an outlet of the cathode chamber 33 and leads to a hydrogen separator 35 Cooling device 37 and a filter device 38 before the water circuit 03 ends at the inlet of the cathode chamber 33.
  • Essential to the invention is the arrangement of an auxiliary ion exchanger 49 in an anode-side partial flow branch 04 and/or in a cathode-side partial flow branch 05.
  • the partial flow branch 04, 05 is on the respective water circuit 02, 03 with both ends, one branch 42 and a collection point 43 connected.
  • the electrolytic cell 31 is located on one side of the partial flow branch 04 or 05 between the branch 42 and the collection point 43.
  • the respective separator 34 or 35 and the main pump 36 the cooling device 37 and the filter device 38 are arranged in the respective water circuit 02 or 03.
  • One object of the invention is to enable the water to be cleaned even when the electrolysis system is at a standstill and the electrolysis cells are not live.
  • a partial flow pump 46 is also arranged in the partial flow branch 04 or 05.
  • a filter device 48 is additionally used for this purpose.
  • this arrangement enables the water in the respective water circuit 02 or 03 to circulate from and to the anode chambers 32 or the cathode chambers 33 when the electrolysis system 01 is in operation.
  • the main pump 36 can be switched off and circulation can be effected via the partial flow branch 04 or 05 by means of the respective partial flow pump 46 with deionization in the auxiliary ion exchanger 49.
  • the purity of the water can also be guaranteed over long periods of standstill of the electrolysis system 01.
  • FIGS. 2 and 3 also show the partial flow branch 04 or 05 with the partial flow pump 46 and the auxiliary ion exchanger 49, each connected to the water circuit 02 or 03.
  • the partial flow branch 04 or 05 is only traversed for cleaning when the main pump 36 is switched off. Since in this case there is no gas formation, it is provided that an opposite flow through the anode chamber 32 or the Cathode chamber 33 takes place in a way that corresponds to the normal flow during operation of the electrolysis system 01.
  • this embodiment proposes connecting a cleaning branch 06 or 07 to the respective separator 34 or 35.
  • the anode-side cleaning circuit 06 leads from the hydrogen separator 34 via a cleaning pump 56 and a cooling device 57 through a main ion exchanger 59 and finally through a filter device 58 and back to the hydrogen separator 34.
  • the structure on the cathode side is analogous with a cathode-side cleaning branch 07 starting at the hydrogen separator 35 via the main pump 56, the cooling device 57, through the main ion exchanger 59 and the filter device 58 back to the hydrogen separator 35. Consequently, there is circulation out and into the respective separator 34 or 35.
  • cross-flow connection 08 from the hydrogen separator 35 to the oxygen separator 34 .
  • a cross-flow pump 66 , a cooling device 67 and a cross-flow ion exchanger 69 and a filter device 68 are arranged in the cross-flow connection 08 .
  • the embodiment from FIG. 2 is clearly simpler.
  • an additional cleaning branch is dispensed with.
  • the partial flow branch 14 or 15 with the respective auxiliary ion exchanger 49 is used. Since in this case the respective main pump 36 brings about the circulation in the water circuit 12 or 13 during operation, a bypass 47 to the partial flow pump 46 is also provided. It is obvious that valves at least in the bypass (not shown) for switching between the states of operation of the electrolysis system 11 with a flow through the water circuit 12 or 13 and the Non-operation with a circulation only through the respective partial flow branch 14 or 15 and the anode chamber 32 or cathode chamber 33 are necessary.
  • the water circuit 22 or 23 connected to the anode chamber 32 or cathode chamber 33 of the electrolytic cell 31 with the oxygen separator 34 or hydrogen separator 35, the main pump 36, the cooling device 37 and the filter device 38 is also present .
  • the order of the elements from the branch 42 to the collection point 43 is selected in accordance with the previous examples with the partial flow pump 46, the auxiliary ion exchanger 49 and the filter device 48.
  • the branch 42 is located between the outlet on the anode chamber 32 or the cathode chamber 33 and the oxygen separator 34, respectively
  • Hydrogen separator 35 The collection point 43 is accordingly located in front of the inlet. Provision is made here for the anode chamber 32 or the cathode chamber 33 to circulate through the water circuit 22 or 23 both when the electrolysis system 21 is in operation and when it is not in operation a circulation takes place through the partial flow branch 24 or 25 in the same direction.
  • a cleaning branch 26 or 27 is present. Changing the connection to the water circuit 22 or 23, however, eliminates the need for a cleaning pump and an additional cooling device in the cleaning branch 26 or 27.
  • the cleaning branch 26, 27 is connected to the water circuit 22, 23 downstream of the main pump 36 and the cooling device 37.
  • the main ion exchanger 59 and a filter device 58 are located in the cleaning branch 26, 27.
  • FIG -Separator 35 In accordance with the example from FIG -Separator 35.
  • a cross-flow connection 28 is connected to the cathode-side cleaning branch 27, with the branch being arranged downstream of the main ion exchanger 59 and the filter device 58. This means that there is no need to arrange an ion exchanger in the cross-flow connection 28.
  • the overflowing water is returned to the anode-side water circuit 22 consistent with the previous examples with a connection of the cross-flow connection 28 with the oxygen separator 34.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem (01) mit mehreren Elektrolysezellen (31) zur Wasserelektrolyse. Ein anodenseitiger Wasserkreislauf (02) führt von einem anodenseitigen Auslass über einen Sauerstoff-Separator (34), eine Hauptpumpe (36) und eine Kühleinrichtung (37) zu einem anodenseitigen Einlass einer Anodenkammer (32). Ein kathodenseitiger Wasserkreislauf (03) führt analog von einem kathodenseitigen Auslass über einen Sauerstoff-Separator (34), eine Hauptpumpe (36) und eine Kühleinrichtung (37) zu einem kathodenseitigen Einlass einer Kathodenkammer (33). Eine Reinigung des Wassers bei Nicht-Betrieb des Elektrolysesystems (01) wird erreicht durch Ergänzung um einen anodenseitigen Teilstromzweig (04), welcher (04) von einem Abzweig (42) über einen Hilfsionentauscher (49) zu einem Sammelpunkt (43) im anodenseitigen Wasserkreislauf (02,12,22) führt.

Description

Beschreibung
Elektrolysesystem mit einem Hilfsionentauscher
Die Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem zur elektrochemischen Zerlegung von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoffmitmehreren Elektrolysezellen,wobei ein anodenseitiger Wasserkreislauf und ein kathodenseitiger Wasserkreislauf zur Abtrennung der Gase und Kühlung des Wassers vorhanden sind. Dabei gilt es die Reinheit des Wassers mittels Ionentauscher zu gewährleisten.
Elektrolysesysteme sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt. In jedem Fall umfasst ein solches einen Elektrolyseur.Hierzu werden wiederum verschiedene Ausführungen eingesetzt, wobei häufig ein sogenannter PEM Elektrolyseur eingesetzt wird. Dieser weist eine Mehrzahl von Elektrolysezellen auf, welche durch eine
Polymer-Elektrolyt-Membran in eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer aufgeteilt sind. In den Elektrolysezellen findet die Wasserelektrolyse statt, wozu zumindest an der Anodenkammer ein Einlass vorhanden ist. An der Oberseite der Anodenkammer sowie an der Oberseite der Kathodenkammer befindet sich ein Auslass, über die jeweils das entstandene Gas mit einem Anteil Wasser abgeführt wird.
Auf einer Anodenseite gibt es üblicherweise einen Wasserkreislauf vom Auslass der Anodenkammer mit einem Sauerstoff-Separator, einer Umwälzpumpe, einer Kühlvorrichtung und einer Filteranordnung zum Einlass an der Anodenkammer.Um die hinreichende Reinheit des Wassers zu gewährleisten, wird vielfach ein Ionentauscher im anodenseitigen Wasserkreislauf eingesetzt .
Wenngleich sich die bekannten Ausführungen bewährt haben, so zeigt sich jedoch einerseits das Problem, dass der Ionentauscher bei voller Durchströmung im Wasserkreislauf größer als es zur Reinigung des Wassers erforderlich ist, dimensioniert werden muss.
Um nicht die gesamte umgewälzte Wassermenge durch den Ionentauscher führen zu müssen wird in der WO 2021228412 Al vorgeschlagen, einen Teilstrom von der Kühleinrichtung direkt zum Elektrolyseur zu führen, während ein anderer Teilstrom durch einen Reinigungszweig geführt wird. Dieser umfasst dabei eine weitere Pumpe, eine zusätzliche Kühleinrichtung und den erforderlichen Ionentauscher. Dieser deionisierte Teilstrom wird mit dem anderen Teilstrom vor der Einleitung in den Elektrolyseur vermischt.
Eine alternative Ausführung mit einem Reinigungszweig offenbart die JP 2002-173788 A. In dieser Ausführung ist vorgesehen, dass ein Teilstrom aus einem anodenseitigen Wasserkreislauf nach der Sauerstoff-Abscheidung vor einer Umwälzpumpe abgezweigt wird. Dieser Teilstrom wird einem Ionentauscher zugeführt und von einer Pumpe wieder zurück in den Sauerstoff-Separator geführt.
Weiterhin als nachteilig hat es sich gezeigt, dass bei längeren Stillstandszeiten die Wasserqualität im Elektrolyseur abnimmt und bei neuer Inbetriebnahme die Effizienz reduziert und die Lebensdauer beeinträchtigt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eineMöglichkeit zur Verfügung zu stellen, die Reinheit des Wassers auch bei einem Nicht-Betrieb des Elektrolyseurs gewährleisten zu können und dabei den Aufwand für die Reinigung gering zu halten.
Die gestellte Aufgabe wird durch ein Elektrolysesystem nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das gattungsgemäße Elektrolysesystem dient zur elektrochemischen Zerlegung von Wasser und somit zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff. Dabei weist das Elektrolysesystem zumindest eine Elektrolyseeinheit auf. Die Elektrolyseeinheit umfasst wiederum mehrere Elektrolysezellen. Jede einzelne Elektrolysezelle besitzt dabei eine Anodenkammer und auf einer durch eine Membran getrennten gegenüberliegenden Seite eine Kathodenkammer. Um welche Art von Membran es sich hierbei handelt ist zunächst unerheblich, wobei vorzugsweise eine Polymer-Elektrolyt-Membran eingesetzt wird. In der Anodenkammer befindet sich eineAnode und gegenüberliegend in der Kathodenkammer eine Katode. Im Betrieb des Elektrolysesystems wird bestimmungsgemäß zwischen der Anode und der Katode eine Spannung angelegt.
Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Wasserzufuhr zur Elektrolysezelle erforderlich. Weiterhin ist die getrennte Ableitung der entstehenden Gase zu gewährleisten. Hierzu weist das Elektrolysesystem einen anodenseitigen Wasserkreislauf auf. Dieser beginnt an einem anodenseitigen Auslass der Anodenkammer und führt über einen Wasserstoff-Separator, eine Hauptpumpe und eine Kühleinrichtung zurück zu einem anodenseitigen Einlass an der Anodenkammer. Die Reihenfolge der Elemente ist zunächst unerheblich und ebenso, ob weitere Einrichtungen im Wasserkreislauf vorhanden sind.
Auf der Kathodenseite erfolgt im Betrieb des Elektrolysesystems gattungsgemäß eine Ableitung des entstehenden Wasserstoffes zusammen mit einem Anteil Wasser von einem kathodenseitigen Auslass an der Kathodenkammer zu einem Wasserstoff-Separator. Vorzugsweise wird hierzu analog ein kathodenseitiger Wasserkreislauf eingesetzt, in dem sich weiterhin eine Hauptpumpe und eine Kühleinrichtung befindet. Der kathodenseitige Wasserkreislauf führt hierbei zu einem kathodenseitigen Einlass der Kathodenkammer.
Um nunmehr die Reinheit des Wassers in Stillstandszeiten des Elektrolysesystems gewährleisten zu können und gleichfalls den Aufwand für die Installation eines Ionentauschers im Rahmen zu halten, wird erfindungsgemäß ein anodenseitiger Teilstromzweig mit einem darin angeordneten Hilfsionentauscher eingesetzt. Dabei beginnt der anodenseitige Teilstromzweig an einem Abzweig im anodenseitigen Wasserkreislauf und führt wieder zurück zu einem Sammelpunkt im anodenseitigen Wasserkreislauf.
Dabei ist vorgesehen, dass der Abzweig am anodenseitigen Wasserkreislauf in Strömungsrichtung des anodenseitigen Wasserkreislaufes nach der Anordnung umfassend den Separator, die Hauptpumpe und die Kühleinrichtung und vor dem anodenseitigen Einlass der Anodenkammern der Elektrolysezellen positioniert wird.
Zur Realisierung eines Reinigungsstroms durch die Elektrolysezellen ohne eine Durchströmung des Separators ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Sammelpunkt in Strömungsrichtung nachfolgend dem anodenseitigen Ausgang der Anodenkammern der Elektrolysezellen und in Strömungsrichtung des anodenseitigen Wasserkreislaufes vor dem Separator positioniert wird.
Hierdurch wird ein verkürzter Kreislauf durch die Elektrolysezelle und den Teilstromzweig mit dem Hilfsionentauscher ermöglicht, ohne dass eine Durchströmung des Separators, der Hauptpumpe und der Kühleinrichtung im anodenseitigen Wasserkreislauf erforderlich sind.
Durch die erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem Hilfsionentauscher im Teilstromzweig wird eine Reinigung des Wassers, bzw. eine Deionisierung ermöglicht, ohne dass eine Auslegung für den gesamten Wasserstrom erforderlich ist. Insbesondere ermöglicht diese Anordnung den Einsatz des Hilfsionentauschers mit dem Teilstromzweig, auch wenn das Elektrolysesystem ansonsten nicht im Einsatz ist.
Besonders bevorzugt wird eine analoge Anordnung auf der Kathodenseite eingesetzt. Entsprechend weist das Elektrolysesystem einen kathodenseitigen Teilstromzweig auf, welcher von einem Abzweig im kathodenseitigen Wasserkreislauf über einen Hilfsionentauscher zu einem Sammelpunkt im kathodenseitigen Wasserkreislauf führt. Sofern im Folgenden kein Bezug auf die Anodenseite oder die Kathodenseite vorhanden ist, so gilt entsprechendes sowohl für die Anodenseite als auch für die Kathodenseite. Dabei ist es jedoch nicht erforderlich, dass beide Seiten übereinstimmend ausgeführt sind.Vielmehr ist es ebenso möglich zwei verschiedene Ausführungsformen für die Anodenseite und die Kathodenseite vorzusehen .
Um eine Durchströmung der Elektrolysezelle und des Hilfsionentauschers im Nicht-Betrieb des Elektrolysesystems zu ermöglichen ist bevorzugt im Teilstromzweig eine Teilstrompumpe angeordnet .
Im regulären Betrieb des Elektrolysesystems ist vorgesehen, dass Wasser vom anodenseitigen Wasserkreislauf die Anodenkammern von deren Einlass zu deren Auslass sowie getrennt Wasser vom kathodenseitigen Wasserkreislauf die Kathodenkammern von deren im Einlass zu deren Auslass durchströmt.
Zur effektiven Reinhaltung des Wassers im Nichtbetrieb wird besonders bevorzugt eine Strömung von der anodenseitigen Teilstrompumpe vom anodenseitigen Ausgang zum anodenseitigen Eingang der Anodenkammern respektive eine Strömung von der kathodenseitigen Teilstrompumpe vom kathodenseitigen Ausgang zum kathodenseitigen Eingang der Kathodenkammern bewirkt.
Weiterhin ermöglicht die Anordnung eines Hilfsionentauschers im an den Wasserkreislauf angeschlossenen Teilstromzweig dessen Verwendung auch im Betrieb des Elektrolysesystems. Bei Vorhandensein einer Teilstrompumpe ist hierzu vorzugsweise ein über Ventile schaltbarer Bypass vorhanden, sodass eine Durchströmung des Teilstromzweiges ohne Betrieb der Teilstrompumpe möglich ist.
Durch die vorteilhafte Ausführungsform des Elektrolysesystems kann die Reinhaltung des Wassers auch im Betrieb des Elektrolysesystems bereits mit dem Hilfsionentauscher erreicht werden. Dabei erfolgt vorzugsweise eine Durchströmung des Teilstromzweiges parallel zur Elektrolysezelle, so dass lediglich der Wasserkreislauf mit der Strömung entsprechend auszulegen ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein zusätzlicher Reinigungszweig an den Wasserkreislauf angeschlossen. Dabei ist im Reinigungszweig ein Hauptionentauscher angeordnet.Vorgesehen ist hierbei, dass ein gewisser Teil des Wassers im Wasserkreislauf durch den Reinigungszweig geführt wird. Da hierbei nur ein Teil des im Wasserkreislauf strömenden Wassers den Reinigungszweig durchströmt, ist eine Dimensionierung auf diesen geringeren Anteil und somit der Aufwand zur Installation reduziert.
Zur Realisierung stehen hierbei verschiedene Alternativen zur Verfügung.
In einer vorteilhaften Alternative wird der Reinigungszweig mit beiden Enden am Separator angeschlossen. Dabei sollte der Anschluss derart erfolgen, dass aus dem vom Separator kommenden Wasser bereits der Sauerstoff respektive Wasserstoff abgeleitet wurde.
Bei einer weiteren vorteilhaften Alternative kann vorsehen sein, dass das Wasser aus dem Wasserkreislauf in Strömungsrichtung nachfolgend dem Separator in den Reinigungszweig ausgeleitet wird. D.h. ein erstes Ende des Reinigungszweiges beginnt am Wasserkreislauf nachfolgend dem Separator. Das zweite Ende des Reinigungszweiges kann dabeiwiederum am Separator angeschlossen werden. Entsprechend wird auch hierbei eine Zirkulation den Separator und dem Hauptionentauscher bewirkt.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Rückleitung des deionisierten Wassers aus dem Reinigungszweig in den Wasserkreislauf vor dem Separator vorgenommen wird. D.h. das zweite Ende des Reinigungskreises ist am Wasserkreislauf in Strömungsrichtung vor dem Separator angeschlossen. Sollte der Reinigungszweig mit dem ersten Enden am Separator angeschlossen sein, so ist in jedem Fall im Reinigungszweig eine Reinigungspumpe erforderlich, so dass eine Zirkulation aus dem Separator durch den Hauptionentauscher im Reinigungszweig zurück unmittelbar oder mittelbar in den Separator ermöglicht wird.
Bevorzugt wird weiterhin im Reinigungszweig eine Kühleinrichtung angeordnet, welche die Leistungsfähigkeit des
Hauptionentauscher positiv beeinflussen kann. Dabei befindet sich die Kühleinrichtung bevorzugt zwischen der Reinigungspumpe und dem Hauptionentauscher.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Reinigungspumpe nicht erforderlich, um eine Durchströmung durch den Reinigungszweig zu bewirken. Dabei kommt es gleichwohl zu einer Zirkulation des Wassers aus dem Separator und zurück in den Separator. Hierzu ist es notwendig, einen Abzweig vom Wasserkreislauf in Strömungsrichtung nachfolgend der Hauptpumpe anzuordnen. Das andere Ende des Reinigungszweiges ist dabei wiederum unmittelbar am Separator oder am Wasserkreislauf vor dem Separator angeschlossen. Entsprechend wird hierbei die Zirkulation durch den Hauptionentauscher von der Hauptpumpe bewirkt.
Gleichfalls ist es in diesem Fall vorteilhaft, wenn eine Kühleinrichtung in Strömungsrichtung vor dem Hauptionentauscher vorhanden ist. Hierzu ist der Abzweig zum Reinigungszweig besonders bevorzugt in Strömungsrichtung nach der Kühleinrichtung im Wasserkreislauf anzuordnen, sodass keine separate Kühleinrichtung im Reinigungszweig erforderlich ist.
Bei Verwendung einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine Zirkulation des Wassers vermieden werden, indem der Reinigungszweig abschnittsweise parallel zum Wasserkreislauf durchströmt wird.Vorzugsweise befindet sich hierbei ein erstes Ende des Reinigungszweiges an einem Ausgang des Separators oder am Wasserkreislauf im Strömungsrichtung nachfolgend dem Separator.
Zur Gewährleistung der hinreichenden Durchströmung des Hauptionentauscher abschnittsweise parallel zum Wasserkreislauf ist wiederum bevorzugt eine Reinigungspumpe vorzusehen. An welcher Stelle die Zusammenführung mit dem Wasserkreislauf erfolgt, ist demgegenüber von untergeordneter Bedeutung. Als geeignet erscheint jedoch vorzugsweise eine Anordnung eines zweiten Endes des Reinigungszweiges in den Wasserkreislauf in Strömungsrichtung nachfolgend der Hauptpumpe und bevorzugt nachfolgend der Kühleinrichtung im Wasserkreislauf.
In diesem Falle kann es auch vorteilhaft sein, eine Kühleinrichtung im Reinigungszweig in Strömungsrichtung vor dem Hauptionentauscher anzuordnen.
Grundsätzlich sollte das im Wasserkreislauf und durch den Elektrolyseur zirkulierende Wasser frei von Partikel jeglicher Art sein.Um jedoch zu verhindern, dass sich aus den durchströmten Elementen gelöste Partikel in der Anodenkammer respektive in der Kathodenkammer absetzen, ist es weiterhin besonders vorteilhaft, einen oder mehrere Filtereinrichtungen einzusetzen. Dabei kann vorgesehen sein, dass eine Filtereinrichtung unmittelbar im Wasserkreislauf und/oder im Teilstromzweig und/oder im Reinigungszweig angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn zu jedem Ionentauscher in Strömungsrichtung nachfolgend oder zumindest vor dem Einlass der Anodenkammer respektive dem Einlass der Kathodenkammer eine Filtereinrichtung vorhanden ist.
An dieser Stelle ist nochmal deutlich darauf hinzuweisen, dass es nicht erforderlich ist, dass die Anodenseite übereinstimmend mit der Kathodenseite ausgeführt ist.
Prozessbedingt kommt es in der Regel zu einem Übertritt von Wasser aus der Anodenkammer in die Kathodenkammer. Um eine Rückführung des Wassers von der Kathodenseite zurAnodenseite zu ermöglichen, ist in besonders vorteilhafter Weise eine Querstromverbindung vorhanden. Dabei stehen verschiedene Implementierungsmöglichkeiten zur Verfügung.
Unabhängig von der gewählten Anschlussvariante auf der Kathodenseite ist es in jedem Fall vorteilhaft, wenn die Querstromverbindung zum Sauerstoff-Separator des anodenseitigen Wasserkreislaufes führt.
In einer ersten vorteilhaften Variante führt die Querstromverbindung vom kathodenseitigen Wasserkreislauf zum anodenseitigen Wasserkreislauf. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Querstromverbindung vom
Wasserstoff-Separator des kathodenseitigen Wasserkreislaufes abzweigt.
In einer zweiten vorteilhaften Variante führt die Querstromverbindung vom kathodenseitigen Teilstromzweig zum anodenseitigen Wasserkreislauf. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Querstromverbindung an einer Stelle stromab des Hilfsionentauscher abzweigt.
In einer dritten Variante beginnt die Querstromverbindung am kathodenseitigen Reinigungszweig. Ebenso wie zuvor ist es besonders vorteilhaft, wenn der Abzweig stromab des Hauptionentauschers angeordnet ist.
Besonders in der ersten Variante, aber auch bei den anderen beiden Varianten einsetzbar, wird vorteilhafterweise in der Querstromverbindung ein Querstromionentauscher und eine Querstrompumpe angeordnet. Hierdurch kann die Rückströmung des übergetretenen Wassers von der Kathodenseite zur Anodenseite aktiv herbeigeführt und dabei die Reinheit des Wassers gewährleistet werden.
Weiterhin ist in diesem Fall vorteilhaft in der Querstromverbindung eine Kühleinrichtung und/oder eine Filtereinrichtung vorhanden. Demgegenüber ist in der zweiten Variante und der dritten Variante ein Ionentauscher sowie eine Pumpe in der Querstromverbindung nicht zwingend erforderlich, da bereits im Teilstromzweig respektive dem Reinigungszweig (je nach Ausführung) ein Ionentauscher vorhanden ist (weshalb auch der Abzweig vorzugsweise nachfolgend anzuordnen ist). Ebenso kann bereits durch die von einer jeweiligen Pumpe bewirkten Strömung im Teilstromzweig respektive dem Reinigungszweig die notwendige Strömung in der Querstromverbindung bewirkt werden.
In den nachfolgenden Figuren werden verschiedene beispielhafte Anordnungen für ein erfindungsgemäßes Elektrolysesystem skizziert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Elektrolysesystem mit einer Querstromverbindung zwischen den beiden Separatoren;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Elektrolysesystem, bei dem auf einen Reinigungszweig verzichtet wird;
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Elektrolysesystem mit einer Querstromverbindung vom Reinigungszweig zum Sauerstoff-Separator .
In den nachfolgenden Figuren werden die möglichen Anordnungen für ein erfindungsgemäßes Elektrolysesystem schematisch skizziert, wobei gleiche, wiederkehrende Elemente gleich bezeichnet sind. Weiterhin umfasst ein Elektrolysesystem in der Regel ein oder mehrere Elektrolyseure, wobei jedes wiederum mehrere Elektrolysezellen mit entsprechender Anodenkammer und Kathodenkammer aufweist. Wobei in den Darstellungen lediglich beispielhaft eine Elektrolysezelle skizziert ist.Auf den Aufbau eines Elektrolyseurs und der Elektrolysezelle soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden. In der Fig.1 wird nunmehr ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Elektrolysesystem 01 dargestellt. Dieses 01 umfasst als wesentliches Element die Elektrolysezelle 31, welche 31 eine Anodenkammer 32 und eine Kathodenkammer 33 aufweist.
Angeschlossen an die Anodenkammer 32 ist ein anodenseitiger Wasserkreislauf 02, welcher 02 an einem Auslass der Anodenkammer 32 beginnt und über einen Wasserstoff-Separator 34 führt. Weiterhin befindet sich im Wasserkreislauf 02 eine Hauptpumpe 36 sowie eine Kühleinrichtung 37. Zwischen dieser 37 und einem Einlass an der Anodenkammer 32 ist weiterhin eine Filtereinrichtung 38 im Wasserkreislauf 02 angeordnet.
Die Kathodenseite ist analog aufgebaut mit einem an der Kathodenkammer 33 angeschlossenen kathodenseitigen Wasserkreislauf 03. Entsprechend beginnt dieser 03 analog an einem Auslass der Kathodenkammer 33 und führt zu einem Wasserstoff-Separator 35. Gleichfalls befindet sich im Wasserkreislauf 03 in Strömungsrichtung folgend eine Hauptpumpe 36, eine Kühleinrichtung 37 sowie eine Filtereinrichtung 38bevor der Wasserkreislauf 03 am Einlass der Kathodenkammer 33 endet.
Wesentlich für die Erfindung, unabhängig von der konkreten Ausführung, ist die Anordnung eines Hilfsionentauschers 49 in einem anodenseitigen Teilstromzweig 04 und/oder in einem kathodenseitigen Teilstromzweig 05.Dabei ist der Teilstromzweig 04, 05 am jeweiligen Wasserkreislauf 02, 03 mit beiden Enden, einem Abzweig 42 und einem Sammelpunkt 43 angeschlossen.
Wie der Darstellung zu entnehmen ist, befindet sich auf einer Seite des Teilstromzweiges 04 bzw.05 zwischen dem Abzweig 42 und dem Sammelpunkt 43 die Elektrolysezelle 31.Demgegenüber sind auf der anderen Seite des Teilstromzweiges 04 bzw. 05 der jeweilige Separator 34 bzw. 35 und die Hauptpumpe 36, die Kühleinrichtung 37 und die Filtereinrichtung 38 im jeweiligen Wasserkreislauf 02 bzw. 03 angeordnet. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Reinigung des Wassers auch bei Stillstand des Elektrolysesystems, bei dem die Elektrolysezellen nicht unter Spannung stehen, zu ermöglichen. Hierzu ist im Teilstromzweig 04 bzw. 05 weiterhin eine Teilstrompumpe 46 angeordnet. Dazu wird ergänzend eine Filtereinrichtung 48 eingesetzt.
Diese Anordnung ermöglicht einerseits im Betrieb des Elektrolysesystems 01 eine Zirkulation des Wassers im jeweiligen Wasserkreislauf 02 bzw. 03 von und zu den Anodenkammern 32 respektive den Kathodenkammern 33.
Ist nunmehr das Elektrolysesystems 01 nicht im Betrieb, d.h.die Elektrolysezellen 31 sind nicht mit Strom versorgt, so kann die Hauptpumpe 36 ausgeschaltet sein und eine Zirkulation über den Teilstromzweig 04 bzw. 05 mittels der jeweiligen Teilstrompumpe 46 mit einer Deionisierung im Hilfsionentauscher 49 bewirkt werden. Entsprechend kann die Reinheit des Wassers auch über längere Zeiten des Stillstands des Elektrolysesystems 01 gewährleistet werden.
Der in Fig. 1 skizzierte anodenseitige Wasserkreislauf 02 und kathodenseitige Wasserkreislauf 03 beginnend an derAnodenkammer 32 respektive der Kathodenkammer 33 über den Separator 34,35, der Hauptpumpe 36, der Kühleinrichtung 37 und der Filtereinrichtung 38 ist wiederkehrend gleichfalls in den nachfolgenden Ausführungsformen aus Fig. 2 und Fig. 3 vorhanden.
Weiterhin findet sich auch in den beiden weiteren Ausführungsbeispielen in den Fig. 2 und 3 der Teilstromzweig 04 bzw. 05 mit der Teilstrompumpe 46 und dem Hilfsionentauscher 49, jeweils angeschlossen am Wasserkreislauf 02 bzw. 03.
In der Ausführung aus Fig. 1 ist vorgesehen, dass der Teilstromzweig 04 bzw. 05 nur zur Reinigung bei ausgeschalteter Hauptpumpe 36 durchströmt wird. Da in diesem Falle keine Gasbildung erfolgt, ist vorgesehen, dass eine entgegengesetzte Durchströmung durch die Anodenkammer 32 respektive die Kathodenkammer 33 erfolgt, als es der üblichen Durchströmung im Betrieb des Elektrolysesystems 01 entspricht.
Um die Wasserqualität auf beiden Seiten im Betrieb der Anlage zu gewährleisten, schlägt diese Ausführungsform vor, jeweils einen Reinigungszweig 06 bzw. 07 am jeweiligen Separator 34 bzw. 35 anzuschließen. Dabei führt der anodenseitige Reinigungskreis 06 vom Wasserstoff-Separator 34 über eine Reinigungspumpe 56 und eine Kühleinrichtung 57 durch einen Hauptionentauscher 59 und abschließend durch eine Filtereinrichtung 58 und zurück zum Wasserstoff-Separator 34.
Auf der Kathodenseite erfolgt in diesem Beispiel der Aufbau analog mit einem kathodenseitigen Reinigungszweig 07 beginnend am Wasserstoff-Separator 35 über die Hauptpumpe 56, die Kühleinrichtung 57, durch den Hauptionentauscher 59 und die Filtereinrichtung 58 zurück zum Wasserstoff-Separator 35. Folglich gibt es eine Zirkulation aus und in den jeweiligen Separator 34 bzw. 35.
Der Darstellung ist weiterhin zu entnehmen, dass in diesem Ausführungsbeispiel eine Querstromverbindung 08 vom Wasserstoff-Separator 35 zum Sauerstoff-Separator 34 vorhanden ist. Dabei ist in der Querstromverbindung 08 eine Querstrompumpe 66, eine Kühleinrichtung 67 sowie ein Querstromionentauscher 69 und eine Filtereinrichtung 68 angeordnet.
Die Ausführung aus Fig. 2 stellt sich demgegenüber deutlich einfacher dar. Hier wird auf einen zusätzlichen Reinigungszweig verzichtet. Um auch hier die Deionisierung im Betrieb des Elektrolysesystems 11 gewährleisten zu können, wird der Teilstromzweig 14 respektive 15 mit dem jeweiligen Hilfsionentauscher 49 eingesetzt. Da in diesem Fall im Betrieb die jeweilige Hauptpumpe 36 die Zirkulation im Wasserkreislauf 12 respektive 13 bewirkt, ist weiterhin ein Bypass 47 zur Teilstrompumpe 46 vorgesehen. Es naheliegend, dass Ventile zumindest im Bypass (nicht dargestellt) zur Schaltung zwischen den Zuständen des Betriebs des Elektrolysesystems 11 mit einer Durchströmung des Wasserkreislaufes 12 respektive 13 und des Nicht-Betriebs mit einer Zirkulation nur durch den jeweiligen Teilstromzweig 14 bzw. 15 und die Anodenkammer 32 bzw. Kathodenkammer 33 notwendig sind.
Weiteres Unterscheidungsmerkmal gegenüber vorherigerAusführung ist es, dass im Ausführungsbeispiel in Fig.2 eine Querstromverbindung 18 vom kathodenseitigen Teilstromzweig 15 zum Sauerstoff-Separator 34 vorgesehen ist. Mit dem Abzweig stromab des Hilfsionentauschers 49 ist bereits die Reinheit gewährleistet, sodass in der Querstromverbindung 18 kein weiterer Ionentauscher notwendig ist.
In der beispielhaften Ausführung aus Fig. 3 ist gleichfalls der an der Anodenkammer 32 respektive Kathodenkammer 33 der Elektrolysezelle 31 angeschlossene Wasserkreislauf 22 respektive 23 mit dem Sauerstoff-Separator 34 respektive Wasserstoff-Separator 35, der Hauptpumpe 36,der Kühleinrichtung 37 und der Filtereinrichtung 38 vorhanden.
Ebenso ist als für die Erfindung wesentlich der jeweilige Teilstromzweig 24 respektive 25 auf der Anodenseite und der Kathodenseite vorhanden, welcher 24, 25 von einem jeweiligem Abzweig 42 zu einem Sammelpunkt 43 im jeweiligen Wasserkreislauf 22 respektive 23 führt. Die Reihenfolge der Elemente vom Abzweig 42 zum Sammelpunkt 43 ist übereinstimmend mit den vorherigen Beispielen gewählt mit der Teilstrompumpe 46, dem Hilfsionentauscher 49 und der Filtereinrichtung 48.
Im Gegensatz zu den vorherigen Beispielen ist hier jedoch eine entgegengesetzte Strömungsrichtung im Teilstromzweig 24, 25 vorgesehen. Entsprechend befindet sich der Abzweig 42 zwischen dem Auslass an der Anodenkammer 32 respektive der Kathodenkammer 33 und dem Sauerstoff-Separator 34 respektive
Wasserstoff-Separator 35.Der Sammelpunkt 43 ist dementsprechend vor dem Einlass angeordnet. Dabei ist vorgesehen, dass die Anodenkammer 32 respektive der Kathodenkammer 33 sowohl im Betrieb des Elektrolysesystems 21mit einer Zirkulation durch den Wasserkreislauf 22 respektive 23 als auch im Nicht-Betrieb mit einer Zirkulation durch den Teilstromzweig 24 respektive 25 in gleicher Richtung erfolgt.
Ähnlich wie beim ersten Beispiel aus Fig.1 ist auch hier in diesem Beispiel in Fig. 3 vorgesehen, dass ein Reinigungszweig 26 respektive 27 vorhanden ist. Mit einer Änderung des Anschlusses an den Wasserkreislauf 22 respektive 23 entfällt jedoch die Notwendigkeit einer Reinigungspumpe und einer zusätzlichen Kühleinrichtung im Reinigungszweig 26 respektive 27. Hierzu ist der Reinigungszweig 26, 27 am Wasserkreislauf 22, 23 stromab der Hauptpumpe 36 und der Kühleinrichtung 37 angeschlossen. Im Reinigungszweig 26, 27 befindet sich der Hauptionentauscher 59 sowie eine Filtereinrichtung 58. Übereinstimmend mit dem Beispiel aus Fig. 1 führt in dieser Ausführung des Elektrolysesystems 21 der anodenseitige Reinigungszweig 26 zurück in den Sauerstoff-Separator 34 und der kathodenseitige Reinigungszweig 27 zurück in den Wasserstoff-Separator 35.
Eine Querstromverbindung 28 ist in diesem Fall am kathodenseitigen Reinigungszweig 27 angeschlossen, wobei der Abzweig stromab zum Hauptionentauscher 59 und der Filtereinrichtung 58 angeordnet ist.Hierdurch erübrigt sich die Anordnung eines Ionentauschers in der Querstromverbindung 28. Die Rückführung des übertretenden Wassers in den anodenseitigen Wasserkreislauf 22 erfolgt übereinstimmend mit den vorherigen Beispielen mit einem Anschluss der Querstromverbindung 28mit dem Sauerstoff-Separator 34.
Bezugszeichenliste
01,11,21 Elektrolysesystem 02,12,22 anodenseitiger Wasserkreislauf 03,13,23 kathodenseitiger Wasserkreislauf 04,14,24 anodenseitiger Teilstromzweig 05,15,25 kathodenseitiger Teilstromzweig 06, 26 anodenseitiger Reinigungszweig 07, 27 kathodenseitiger Reinigungszweig
08,18,28 QuerStromverbindung 31 Elektrolysezellen
32 Anodenkammer
33 Kathodenkammer
34 Sauerstoff-Separator 35 Wasserstoff-Separator
36 Hauptpumpe
37 Kühleinrichtung
38 Filtereinrichtung 42 Abzweig 43 Sammelpunkt
46 Teilstrompumpe
47 Bypass
48 Filtereinrichtung
49 Hilfsionentauscher 56 Reinigungspumpe
57 Kühleinrichtung
58 Filtereinrichtung
59 Hauptionentauscher 66 Querstrompumpe 67 Kühleinrichtung
68 Filtereinrichtung
69 Querstromionentauscher

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolysesystem (01,11,21) zur elektrochemischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff umfassend
- mehrere Elektrolysezellen (31), welche (31) jeweils eine Anodenkammer (32) mit einer Anode und auf einer durch eine Membran getrennten gegenüberliegenden Seite eine Kathodenkammer (33) mit einer Kathode aufweist, wobei bestimmungsgemäß zwischen Anode und Kathode eine Spannung angelegt werden kann; und
- einen anodenseitigen Wasserkreislauf (02,12,22), welcher (02,12,22) von einem anodenseitigen Auslass zu einem anodenseitigen Einlass der Anodenkammern (32) führt und einen Sauerstoff-Separator (34)und eine Hauptpumpe (36)und eine Kühleinrichtung (37) aufweist; und
- einen anodenseitigen Teilstromzweig (04, 14, 24), welcher (04, 14, 24) von einem Abzweig (42) zu einem Sammelpunkt (43) im anodenseitigen Wasserkreislauf (02,12,22) führt und einen Hilfsionentauscher (49) aufweist, wobei der Abzweig (42) in Strömungsrichtung nachfolgend der Hauptpumpe (36) und der Kühleinrichtung (37) und vor dem anodenseitigen Einlass der Anodenkammern (32) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelpunkt (43) in Strömungsrichtung nachfolgend dem anodenseitigen Auslass derAnodenkammern (32)und vor dem Sauerstoff-Separator (34) angeordnet ist.
2. Elektrolysesystem (01,11,21) nach Anspruch 1, umfassend
- einen kathodenseitigen Wasserkreislauf (03,13,23), welcher (03,13,23) von einem kathodenseitigen Auslass zu einem kathodenseitigen Einlass der Kathodenkammern (33) führt und einen Wasserstoff-Separator (35) und eine Hauptpumpe (36) und eine Kühleinrichtung (37) aufweist; und
- einen kathodenseitigen Teilstromzweig (04, 15, 25), welcher (04, 15, 25) von einem Abzweig (42) zu einem Sammelpunkt (43) im kathodenseitigen Wasserkreislauf
(03,13,23) führt und einen Hilfsionentauscher (49)aufweist, wobei der Abzweig (42) in Strömungsrichtung nachfolgend der Hauptpumpe (36) und der Kühleinrichtung (37) und vor dem kathodenseitgenseitigen Einlass der Kathodenkammern (33) angeordnet ist, wobei der Sammelpunkt (43) in Strömungsrichtung nachfolgend dem anodenseitigenAuslass derAnodenkammern (33)und vor dem Wasserstoff-Separator (34) angeordnet ist.
3. Elektrolysesystem (01,11,21) nach Anspruch 1 oder 2, wobei im anodenseitigen Teilstromzweig (04,14,24) eine Teilstrompumpe (46) angeordnet ist; und/oder wobei im kathodenseitigen Teilstromzweig (05,15,25) eine Teilstrompumpe (46) angeordnet ist.
4. Elektrolysesystem (11) nach Anspruch 3, wobei die Teilstrompumpe (46)bei Stillstand der Elektrolyse eine Strömung vom anodenseitigen Ausgang zum anodenseitigen Eingang der Anodenkammer (32); und/oder wobei die Teilstrompumpe (46)bei Stillstand der Elektrolyse eine Strömung vom kathodenseitigen Ausgang zum kathodenseitigen Eingang der Kathodenkammer (33) bewirkt.
5. Elektrolysesystem (01,11,21) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der anodenseitige Teilstromzweig (14) einen schaltbaren Bypass (47) zur Teilstrompumpe (46) aufweist; und/oder wobei der kathodenseitige Teilstromzweig (15) einen schaltbaren Bypass (47) zur Teilstrompumpe (46) aufweist.
6. Elektrolysesystem (01,21) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei an dem anodenseitigen Wasserkreislauf (02,22) ein Reinigungszweig (06, 26) mit einem Hauptionentauscher (59) angeschlossen ist; und/oder wobei an dem kathodenseitigen Wasserkreislauf (03,23) ein Reinigungszweig (07,27) mit einem Hauptionentauscher (59) angeschlossen ist.
7. Elektrolysesystem (01) nach Anspruch 6, wobei der Reinigungszweig (06; 07) eine Reinigungspumpe (56) und eine Kühleinrichtung (57) umfasst.
8. Elektrolysesystem (01; 21) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Reinigungszweig (06; 07) mit einem ersten Ende an einem Ausgang des Separators (34; 35)oder am Wasserkreislauf (22; 23) in Strömungsrichtung nachfolgend dem Separator (34; 35) angeschlossen ist.
9. Elektrolysesystem (01; 21) nach Anspruch 8, wobei der Reinigungszweig (06; 07) mit dem zweiten Ende an einem Eingang des Separators (34; 35)oder am Wasserkreislauf (22; 23) in Strömungsrichtung vor dem Separator (34; 35) angeschlossen ist, wobei im Betrieb eine Zirkulation aus dem Separator (34; 35) und zurück in den Separator (34; 35) gegeben ist.
10. Elektrolysesystem (01) nach Anspruch 8, wobei der Reinigungszweig (06; 07) mit dem zweiten Ende an am Wasserkreislauf (22; 23) in Strömungsrichtung nachfolgend dem ersten Ende angeschlossen ist, wobei im Betrieb eine Teilmenge aus dem Wasserkreislauf (22; 23) abschnittsweise parallel zum Wasserkreislauf (22; 23) geführt wird.
11. Elektrolysesystem (01,11,21) nach einem der Ansprüche 1 bis
10, wobei eine Querstromverbindung (08,18,28) vom kathodenseitigen Wasserkreislauf (03,13,23) oder vom kathodenseitigen Teilstromzweig (05,15,25) oder vom kathodenseitigen Reinigungszweig (07,27) zum anodenseitigen Wasserkreislauf (02,12,22) vorhanden ist.
12. Elektrolysesystem (01) nach Anspruch 11, wobei die Querstromverbindung (08,18,28) zum Sauerstoff-Separator (34) führt.
13. Elektrolysesystem (01,11,21) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Querstromverbindung (08) vom Wasserstoff-Separator (35) abzweigt; oder wobei die Querstromverbindung (18) vom kathodenseitigen Teilstromzweig (15) in Strömungsrichtung nachfolgend dem Hilfsionentauscher (49) abzweigt; oder wobei die Querstromverbindung (28) vom kathodenseitigen Reinigungszweig (27) in Strömungsrichtung nachfolgend dem Hauptionentauscher (59) abzweigt.
14. Elektrolysesystem (01,11,21) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei in der Querstromverbindung (08) ein
Querstromionentauscher (69)und eine Querstrompumpe (66)und eine Kühleinrichtung (67) angeordnet ist.
15. Elektrolysesystem (01,11,21) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei im Wasserkreislauf (02,12,22; 03,13,23) und/oder im Teilstromzweig (04,14,24; 05,15,25) und/oder im Reinigungszweig (06,26; 07,27) und/oder in der
Querstromverbindung (08,18,28) eine Filtereinrichtung (38, 48, 58, 68) angeordnet ist.
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