EP4334498A1 - Method for operating an electrolysis plant, and electrolysis plant - Google Patents

Method for operating an electrolysis plant, and electrolysis plant

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Publication number
EP4334498A1
EP4334498A1 EP22727306.7A EP22727306A EP4334498A1 EP 4334498 A1 EP4334498 A1 EP 4334498A1 EP 22727306 A EP22727306 A EP 22727306A EP 4334498 A1 EP4334498 A1 EP 4334498A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
recombiner
hydrogen
product gas
gas
oxygen
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
EP22727306.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Bielmeier
Stefan Braun
Udo Reckels
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
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 EP4334498A1 publication Critical patent/EP4334498A1/en
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
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/56—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids
    • C01B3/58—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids including a catalytic reaction
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an electrolysis system comprising an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases and a control unit.
  • the invention also relates to such an electrolysis system.
  • Hydrogen is now generated, for example, by means of proton exchange membrane (PEM) electrolysis or alkaline electrolysis.
  • PEM proton exchange membrane
  • the electrolyzers use electrical energy to produce hydrogen and oxygen from the water supplied. This process takes place in an electrolysis stack composed of several electrolysis cells.
  • water is introduced as the educt, with two fluid flows consisting of water and gas bubbles (O 2 or H 2 ) exiting after passing through the electrolysis cells.
  • both product gas streams are given a respective, catalytically activated fed to the fourth recombiner, in which a catalyst allows the hydrogen to recombine with the oxygen to form water.
  • the gas flow must first be heated to at least 80°C so that the conversion rates of the recombiner are sufficiently high and the required gas purity is achieved.
  • the process engineering plant used for this is expensive and, due to its energy requirements, reduces the system efficiency of the electrolysis plant, which in turn results in increased OPEX expenditure.
  • the invention is therefore based on the object of enabling a reduction in the energy requirement when purifying the foreign gas from a product gas of an electrolysis system.
  • the object is achieved according to the invention by a method for operating an electrolysis system comprising an electrolyser for generating hydrogen and oxygen as product gases and a control unit, with at least the hydrogen product gas, which also contains oxygen as a foreign gas, being compressed and then the hydrogen product gas is fed to a recombiner that contains a catalytic converter in which the oxygen is recombined with the hydrogen to form water, with a pressure and a temperature being determined both at the inlet and at the outlet of the recombiner and the measured values determined being processed in the control unit are, and wherein the determined pressure and the determined temperature are compared in the control unit with a respective reference value, and where when the reference value is exceeded, a bypass line is opened, through which at least a portion of the compressed product gas to the recombinant r is passed.
  • an electrolysis system comprising an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases and a control unit, the hydrogen product gas also containing oxygen as a foreign gas, with a product flow line is provided for the hydrogen product gas, wherein a compressor is installed in the product flow line, the compressor being followed by a recombiner which contains a catalyst for recombination of the oxygen with the hydrogen to form water, and measuring devices for a pressure and a temperature measurement are arranged at the inlet and at the outlet of the recombiner, the control unit being set up to process the measurement signals and to compare the determined pressure and the determined temperature with a respective reference value and, if the reference value is exceeded, a bypass To open line through which at least a part of the compressed product gas can be guided past the recombiner.
  • the electrolyser is designed for PEM electrolysis or for alkaline electrolysis.
  • the control unit is used to record and evaluate parameters and, if necessary, to control components of the electrolytic system.
  • the gas temperature of the hydrogen product gas is brought to a desired temperature level of more than about 80°C and the temperature is monitored via the control unit and kept at this value if possible in order to thermally activate the catalyst but not overheat it at the same time
  • a downstream recombiner which contains, for example, platinum or rhodium as the catalytically active material, so that the catalytic recombination is initiated and stably maintained during operation.
  • the main advantage here is that the recombiner does not require any additional heat supply so that the catalytic recombination can take place, but the heating of the product gas by the compression process itself is used optimally and purposefully for the catalytic cleaning of foreign gas.
  • the temperature of the hydrogen product gas is increased by the compression and brought to a temperature level greater than 80° C., so that the compression-induced heat supply brings about the catalytic recombination, with the recombination process being maintained in a controlled manner .
  • the design of the recombination catalyst is pressure and pulsation resistant.
  • the recombiner is in particular integrated within the compressor or directly downstream of the compressor and can be adjusted in relation to the ideal pressure level. This saves space and costs.
  • a two-stage or multi-stage compression is preferably used and the recombination is carried out after at least two compression stages, in particular the recombination is carried out after each of the compression stages.
  • the recombination After the exhaust valve, the recombination til and in front of an intercooler or a cooler of the last compressor stage.
  • the recombination of the H 2 /O 2 mixture to H 2 O takes place in an exothermic reaction.
  • the final temperature increases with higher proportions of O 2 in the H 2 and may have to be limited.
  • the product gas is therefore preferably cooled immediately after the recombiner or within the recombiner.
  • the cooling is preferably carried out by adding water and/or hydrogen. In this way, cooling that is inexpensive and technically easy to implement is possible, since both water and hydrogen are available in the electrolytic system.
  • At least part of the water vapor in the product gas condenses during the cooling of the product gas and the condensate is fed into the electrolyzer.
  • the cooling device downstream of the recombiner not only serves to condition the gas temperature for the following compressor stage or the fol lowing process step, but is also designed to ensure that part of the water vapor in the gas condenses. This condensate is reused by feeding it to the electrolysis plant, e.g. to reduce the need for electrolysis water.
  • the temperature of the condensate is preferably determined and processed in the control unit.
  • the determined pressure or the determined temperature is preferably compared in the control unit with a respective reference value and when the reference value is exceeded, a bypass line is opened, through which at least part of the compressed product gas is conducted to the recombiner. Part of the gas flow is not treated delt, which affects the released heat. This makes it easy to control the outlet temperature.
  • the catalyst for example platinum or rhodium, is advantageously applied to a ceramic support and/or a metallic support.
  • the degree of purity of the product gas can be adjusted via the catalyst volume.
  • FIG. 1 shows an electrolysis system with a hydrogen-side, single-stage compressor
  • FIG. 2 shows an electrolysis system with a hydrogen-side, multi-stage compressor.
  • an electrolysis system 2 with a PEM or Al kali electrolyzer 4 is shown.
  • the electrolyzer 4 comprises at least one electrolytic cell, not shown in detail here, for separating water.
  • the electrolysis system 2 also has a control unit 6, which is shown symbolically in the figure.
  • the control unit 6 controls components of the electrolysis system 2 depending on various stored, calculated or recorded parameters.
  • a reactant flow of water is introduced into the electrolyzer 4 via a reactant flow line 8 .
  • the water is broken down into the product gases hydrogen and oxygen in the electrolyser 4 and both product streams are discharged separately.
  • the electrolyzer 4 has a product flow line 10, with the aid of which a first product, here hydrogen, is fed out.
  • the structure described below refers to the hydrogen product stream, but the same structure can exist on the oxygen side.
  • the hydrogen product gas in product stream line 10 contains oxygen impurities that must be removed.
  • the hydrogen product stream is first compressed in a compressor 12, with its temperature increasing to over 80.degree.
  • the heated hydrogen product stream is fed to a recombiner 14 containing platinum or rhodium as catalyst material.
  • the re combiner 14 can also be integrated in the compressor 12.
  • the catalyst is applied to a ceramic or metal carrier.
  • the catalyst allows the hydrogen to recombine with the oxygen to form water.
  • the product stream is then cooled in a cooling device 16, since the reaction in the combiner 14 is exothermic. The cooling takes place by adding water and/or hydrogen through a cooling line 22.
  • the cooling medium then leaves the cooling device 16 through the line 24.
  • the cooling can still take place in the recombiner 14 so that the cooling device 16 is integrated in the recombiner 14 .
  • a pressure p and a temperature T of the product gas are recorded both at the inlet and at the outlet of the recombiner 14 via corresponding measuring devices for pressure p and temperature T and fed to the control unit 6 .
  • the determined actual values are monitored in particular with regard to exceeding a respective reference value p R , T R .
  • a bypass line 18 is opened, which conducts at least part of the compressed product gas past the recombiner 14 . This ensures stable and trouble-free operation of the Recombiner 14 causes and in particular avoids overheating of the catalyst, especially if the reference value T R for the temperature T is exceeded.
  • the second exemplary embodiment according to FIG. 2 differs essentially in that multi-stage compression is carried out.
  • two compressor stages 12a and 12b are installed.
  • Each of the compressor stages 12a, 12b is followed by a respective recombiner 14a, 14b and a respective cooling device 16a, 16b.
  • the respective temperature measuring point and the pressure measuring point upstream of the recombiner 14a, 14b and downstream of the recombiner 14a, 14b are not specifically shown here in the schematic representation of FIG. However, these measuring devices are attached in a manner analogous to FIG. 1 to the product flow line 10 of the electrolysis system 2 at the input and output of the recombiner 14a, 14b.

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Abstract

The invention relates to a method for operating an electrolysis plant (2) comprising an electrolyser (4) for generating hydrogen and oxygen as product gases, and a control unit (6). At least the hydrogen product gas, which also contains oxygen as an external gas, is compressed. According to the invention, the energy required in the purification of the foreign gas in the product gas of the electrolysis plant (2) can be reduced by making optimum use of the heating of the product gas by the compression process, whereby the hydrogen product gas is subsequently fed to a recombiner (14, 14a, 14b) which contains a catalyst in which the oxygen recombines with the hydrogen to form water. The invention also relates to an electrolysis plant (2) designed for efficient product gas purification, by means of which hydrogen purified from oxygen as an impurity gas can be produced as a product gas.

Description

Beschreibung description
Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage und Elektro lyseanlage Method for operating an electrolysis system and electrolysis system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase sowie eine Kontrolleinheit . Die Erfindung betrifft weiterhin eine solche Elektrolyseanlage . The invention relates to a method for operating an electrolysis system comprising an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases and a control unit. The invention also relates to such an electrolysis system.
Wasserstoff wird heutzutage beispielsweise mittels Proton Exchange Membrane (PEM)-Elektrolyse oder alkalische Elektro lyse erzeugt. Die Elektrolyseure produzieren mit Hilfe elektrischer Energie Wasserstoff und Sauerstoff aus dem zuge führten Wasser. Dieser Prozess findet in einem Elektrolyse stack, zusammengesetzt von mehreren Elektrolysezellen, statt. In dem unter DC Spannung stehenden Elektrolysestack wird als Edukt Wasser eingebracht, wobei nach dem Durchlauf durch die Elektrolysezellen zwei Fluidströme, bestehend aus Wasser und Gasblasen (02 bzw. H2) austreten. Hydrogen is now generated, for example, by means of proton exchange membrane (PEM) electrolysis or alkaline electrolysis. The electrolyzers use electrical energy to produce hydrogen and oxygen from the water supplied. This process takes place in an electrolysis stack composed of several electrolysis cells. In the electrolysis stack, which is under DC voltage, water is introduced as the educt, with two fluid flows consisting of water and gas bubbles (O 2 or H 2 ) exiting after passing through the electrolysis cells.
In der Praxis befinden sich im Sauerstoffgasstrom dabei klei ne Mengen an Wasserstoff und im Wasserstoffgasstrom kleine Mengen an Sauerstoff. Die Quantität des jeweiligen Fremdgases hängt vom Elektrolyse-Zelldesign ab und variiert auch unter dem Einfluss von Stromdichte, Katalysatorzusammensetzung, Al terung und bei einer PEM-Elektrolyseanlage vom Membranmateri al ab. Systemimmanent ist dabei, dass im Gasstrom des einen Produktgases jeweils das andere Produktgas in sehr geringen Mengen vorliegt. Im weiteren Prozessverlauf werden in der Re gel die Sauerstoffspuren aus dem Wasserstoff entfernt, insbe sondere wenn eine hohe Produktgasqualität gefordert ist, wie dies es bei der Nutzung des Wasserstoffs z.B. für Brennstoff zellen der Fall ist. In practice, there are small amounts of hydrogen in the oxygen gas stream and small amounts of oxygen in the hydrogen gas stream. 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, on the membrane material. It is inherent in the system that in the gas stream of one product gas, the other product gas is present in very small amounts. In the further course of the process, the traces of oxygen are usually removed from the hydrogen, especially if a high product gas quality is required, as is the case when hydrogen is used for fuel cells, for example.
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, werden insbesonde re beide Produktgasströme einem jeweiligen, katalytisch akti- vierten Rekombinator zugeführt, in dem ein Katalysator den Wasserstoff mit dem Sauerstoff zu Wasser rekombinieren lässt. Dazu muss der Gasstrom zuvor auf mindestens 80°C aufgeheizt werden, damit die Umsatzraten des Rekombinators ausreichend hoch sind und somit die geforderte Gasreinheit erreicht wird. Die dafür genutzte verfahrenstechnische Anlage ist jedoch teuer und reduziert auf Grund ihres Energiebedarfs den Sys temwirkungsgrad der Elektrolyseanlage, was wiederum erhöhte OPEX Ausgaben zur Folge hat. In order to solve the problem described above, in particular both product gas streams are given a respective, catalytically activated fed to the fourth recombiner, in which a catalyst allows the hydrogen to recombine with the oxygen to form 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 and the required gas purity is achieved. However, the process engineering plant used for this is expensive and, due to its energy requirements, reduces the system efficiency of the electrolysis plant, which in turn results in increased OPEX expenditure.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Redukti on des Energiebedarfs bei der Bereinigung des Fremdgases aus einem Produktgas einer Elektrolyseanlage zu ermöglichen. The invention is therefore based on the object of enabling a reduction in the energy requirement when purifying the foreign gas from a product gas of an electrolysis system.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage umfassend einen Elekt rolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase sowie eine Kontrolleinheit, wobei zumindest das Wasserstoff-Produktgas, welches auch Sauerstoff als Fremdgas enthält, verdichtet wird und anschließend das Wasserstoff- Produktgas einem Rekombinator zugeführt wird, der einen Kata lysator enthält, in welchem der Sauerstoff mit dem Wasser stoff zu Wasser rekombiniert, wobei ein Druck und eine Tempe ratur sowohl am Eintritt als auch am Austritt des Rekombina tors ermittelt werden und die ermittelten Messwerte in der Kontrolleinheit verarbeitet werden, und wobei der ermittelte Druck bzw. die ermittelte Temperatur in der Kontrolleinheit mit einem jeweiligen Referenzwert verglichen werden, und wo bei bei einem Überschreiten des Referenzwerts eine Bypass- Leitung geöffnet wird, durch welche zumindest ein Teil des verdichteten Produktgases an dem Rekombinator vorbeigeführt wird. The object is achieved according to the invention by a method for operating an electrolysis system comprising an electrolyser for generating hydrogen and oxygen as product gases and a control unit, with at least the hydrogen product gas, which also contains oxygen as a foreign gas, being compressed and then the hydrogen product gas is fed to a recombiner that contains a catalytic converter in which the oxygen is recombined with the hydrogen to form water, with a pressure and a temperature being determined both at the inlet and at the outlet of the recombiner and the measured values determined being processed in the control unit are, and wherein the determined pressure and the determined temperature are compared in the control unit with a respective reference value, and where when the reference value is exceeded, a bypass line is opened, through which at least a portion of the compressed product gas to the recombinant r is passed.
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase sowie eine Kontrolleinheit, wobei das Wasserstoff-Produktgas auch Sauer stoff als Fremdgas enthält, wobei eine Produktstrom-Leitung für das Wasserstoff-Produktgas vorgesehen ist, wobei in der Produktstrom-Leitung ein Verdichter eingebaut ist, wobei dem Verdichter ein Rekombinator nachgeschaltet ist, der einen Ka talysator zur Rekombination des Sauerstoffs mit dem Wasser stoff zu Wasser enthält, und wobei Messvorrichtungen für eine Druck- und eine Temperaturmessung am Eintritt und am Austritt des Rekombinators angeordnet sind, wobei die Kon-trolleinheit dafür eingerichtet ist, die Messsignale zu verarbeiten und den ermittelten Druck und die ermittelte Temperatur mit einem jeweiligen Referenzwert zu vergleichen und bei einem Über schreiten des Referenzwerts eine Bypass-Leitung zu öffnen, durch welche zumindest ein Teil des verdichteten Produktgases an dem Rekombinator vorbeiführbar ist. The object is also achieved according to the invention by an electrolysis system comprising an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases and a control unit, the hydrogen product gas also containing oxygen as a foreign gas, with a product flow line is provided for the hydrogen product gas, wherein a compressor is installed in the product flow line, the compressor being followed by a recombiner which contains a catalyst for recombination of the oxygen with the hydrogen to form water, and measuring devices for a pressure and a temperature measurement are arranged at the inlet and at the outlet of the recombiner, the control unit being set up to process the measurement signals and to compare the determined pressure and the determined temperature with a respective reference value and, if the reference value is exceeded, a bypass To open line through which at least a part of the compressed product gas can be guided past the recombiner.
Die in Bezug auf das Verfahren nachstehend angeführten Vor teile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Elektrolyseanlage übertragen. The advantages and preferred configurations listed below in relation to the method can be transferred analogously to the electrolysis system.
Der Elektrolyseur ist hierbei für eine PEM-Elektrolyse oder für alkalische Elektrolyse ausgelegt. The electrolyser is designed for PEM electrolysis or for alkaline electrolysis.
Die Kontrolleinheit dient zur Erfassung und Auswertung von Parametern und ggf. Steuerung von Komponenten der Elektroly seanlage. The control unit is used to record and evaluate parameters and, if necessary, to control components of the electrolytic system.
Viele Applikationen der Elektrolyse erfordern eine Erhöhung des produktseitigen Gasdrucks. Vor allem die Niederdru ckelektrolyse benötigt eine weitere Gasverdichtung. Dafür werden insbesondere Kolbenverdichter verwendet. Die durch den Verdichtungsprozess erzeugte Wärme und die damit einhergehen de Temperaturerhöhung des Produktgases macht sich die Erfin dung gezielt zu nutze. Zugleich wird ein Druck und eine Tem peratur am Eintritt und am Austritt des Rekombinators ermit telt und der ermittelte Messwert wird in der Kontrolleinheit verarbeitet. Die Erfassung der Betriebsparameter des Produkt gases ermöglichen eine Überwachung und ggf. Steuerung der Um satzrate und weiterer Performanceparameter, sowie einen si cheren und störungsfreien Betrieb mit hoher Zuverlässigkeit, so dass insbesondere eine Überhitzung des Katalysators vermi- den wird. Durch die Verdichtung wird die Gastemperatur des Wasserstoff-Produktgases daher gezielt auf ein gewünschtes Temperaturniveau von größer als etwa 80°C gebracht und die Temperatur über die Kontrolleinheit überwacht und möglichst auf diesem Wert gehalten, um den Katalysator thermisch zu ak tivieren zugleich aber nicht zu überhitzen Dies erlaubt es, in einem nachgeschalteten Rekombinator, der als katalytisch aktives Material, z.B. Platin oder Rhodium enthält, den Pro zess der Sauerstoffentfernung durchzuführen, so dass die ka talytische Rekombination in Gang gesetzt und im Betrieb stabil aufrechterhalten wird. Der wesentliche Vorteil hierbei ist, dass der Rekombinator keine zusätzliche Wärmezufuhr be nötigt, damit die katalytische Rekombination stattfinden kann, sondern die Erwärmung des Produktgases durch den Ver dichtungsprozess selbst wird optimal und zielgerichtet für die katalytische Rereinigung vom Fremdgas eingesetzt. Many electrolysis applications require an increase in the gas pressure on the product side. Above all, low-pressure electrolysis requires further gas compression. Piston compressors in particular are used for this. The invention makes targeted use of the heat generated by the compression process and the associated increase in the temperature of the product gas. At the same time, a pressure and a temperature at the inlet and at the outlet of the recombiner are determined and the measured value determined is processed in the control unit. The recording of the operating parameters of the product gas enables the conversion rate and other performance parameters to be monitored and, if necessary, controlled, as well as safe and trouble-free operation with a high degree of reliability. so that in particular overheating of the catalytic converter is avoided. Due to the compression, the gas temperature of the hydrogen product gas is brought to a desired temperature level of more than about 80°C and the temperature is monitored via the control unit and kept at this value if possible in order to thermally activate the catalyst but not overheat it at the same time This allows the process of oxygen removal to be carried out in a downstream recombiner, which contains, for example, platinum or rhodium as the catalytically active material, so that the catalytic recombination is initiated and stably maintained during operation. The main advantage here is that the recombiner does not require any additional heat supply so that the catalytic recombination can take place, but the heating of the product gas by the compression process itself is used optimally and purposefully for the catalytic cleaning of foreign gas.
Mithin wird in bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens durch die Verdichtung die Temperatur des Wasserstoff-Produktgases erhöht und auf ein Temperaturniveau größer als 80°C gebracht, so dass durch die kompressionsinduzierte Wärmezufuhr die ka talytische Rekombination bewirkt wird, wobei der Rekombinati onsprozess in kontrollierter Weise aufrechterhalten wird. Therefore, in a preferred embodiment of the method, the temperature of the hydrogen product gas is increased by the compression and brought to a temperature level greater than 80° C., so that the compression-induced heat supply brings about the catalytic recombination, with the recombination process being maintained in a controlled manner .
Die Ausführung des Rekombinationskatalysators ist dabei druck- und pulsationsfest. Der Rekombinator ist insbesondere innerhalb des Verdichters integriert oder dem Verdichter un mittelbar nachgeschaltet und kann in Bezug auf das ideale Druckniveau eingestellt werden. Somit werden Platz und Kosten gespart. The design of the recombination catalyst is pressure and pulsation resistant. The recombiner is in particular integrated within the compressor or directly downstream of the compressor and can be adjusted in relation to the ideal pressure level. This saves space and costs.
Im Hinblick auf eine weitere Steigerung der Reinigungsquali tät vom Fremdgas wird bevorzugt eine zwei- oder mehrstufige Verdichtung angewandt und die Rekombination wird nach zumin dest zwei Verdichtungsstufen durchführt, insbesondere wird die Rekombination nach jeder der Verdichtungsstufen durchge führt. Der Rekombinationskatalysator ist nach dem Auslassven- til und vor einem Zwischenkühler bzw. einem Kühler der letz ten Verdichterstufe integriert. With regard to a further increase in the cleaning quality from foreign gas, a two-stage or multi-stage compression is preferably used and the recombination is carried out after at least two compression stages, in particular the recombination is carried out after each of the compression stages. After the exhaust valve, the recombination til and in front of an intercooler or a cooler of the last compressor stage.
Die Rekombination des H2/O2 Gemisches zu H2O erfolgt in einer exothermen Reaktion. Die Endtemperatur steigt mit höheren An teilen an O2 im H2 und muss gegebenenfalls begrenzt werden. Vorzugsweise wird das Produktgas daher unmittelbar nach dem Rekombinator oder innerhalb des Rekombinators gekühlt. The recombination of the H 2 /O 2 mixture to H 2 O takes place in an exothermic reaction. The final temperature increases with higher proportions of O 2 in the H 2 and may have to be limited. The product gas is therefore preferably cooled immediately after the recombiner or within the recombiner.
Die Kühlung erfolgt dabei vorzugsweise durch eine Zugabe von Wasser und/oder Wasserstoff. Auf diese Weise ist eine kosten günstige und technisch einfach realisierbare Kühlung möglich, da sowohl Wasser als auch Wasserstoff in der Elektrolyseanla ge verfügbar ist. The cooling is preferably carried out by adding water and/or hydrogen. In this way, cooling that is inexpensive and technically easy to implement is possible, since both water and hydrogen are available in the electrolytic system.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung kondensiert bei der Küh lung des Produktgases zumindest ein Teil des im Produktgas befindlichen Wasserdampfes und das Kondensat wird in den Elektrolyseur zugeführt. Die dem Rekombinator nachgeschaltete Kühlvorrichtung dient dabei nicht nur der Konditionierung der Gastemperatur für die folgende Verdichterstufe bzw. den fol genden Prozessschritt, sondern ist zusätzlich dafür ausge legt, dass ein Teil des im Gas befindlichen Wasserdampfes kondensiert. Dieses Kondensat wird erneut verwendet, indem es der Elektrolyseanlage zugeführt wird, z.B. zur Reduzierung des Elektrolysewasserbedarfs. According to a preferred embodiment, at least part of the water vapor in the product gas condenses during the cooling of the product gas and the condensate is fed into the electrolyzer. The cooling device downstream of the recombiner not only serves to condition the gas temperature for the following compressor stage or the fol lowing process step, but is also designed to ensure that part of the water vapor in the gas condenses. This condensate is reused by feeding it to the electrolysis plant, e.g. to reduce the need for electrolysis water.
Alternativ oder ergänzend dazu wird vorzugsweise die Tempera tur des Kondensats ermittelt und in der Kontrolleinheit ver arbeitet. As an alternative or in addition to this, the temperature of the condensate is preferably determined and processed in the control unit.
Bevorzugt wird der ermittelte Druck bzw. die ermittelte Tem peratur in der Kontrolleinheit mit einem jeweiligen Referenz wert verglichen und beim Überschreiten des Referenzwerts wird eine Bypass-Leitung geöffnet, durch welche zumindest ein Teil des verdichteten Produktgases an den Rekombinator vorbeige führt wird. Ein Teil des Gasstroms wird dabei nicht behan- delt, was Auswirkung auf die freigesetzte Wärme hat. Dadurch wird die Austrittstemperatur auf einfache Weise kontrolliert. The determined pressure or the determined temperature is preferably compared in the control unit with a respective reference value and when the reference value is exceeded, a bypass line is opened, through which at least part of the compressed product gas is conducted to the recombiner. Part of the gas flow is not treated delt, which affects the released heat. This makes it easy to control the outlet temperature.
Vorteilhafterweise ist der Katalysator, z.B. Platin oder Rho dium, auf einem keramischen Träger und/oder einem metalli schen Träger aufgebracht. Über das Katalysatorvolumen kann dabei der Reinheitsgrad des Produktgases eingestellt werden. The catalyst, for example platinum or rhodium, is advantageously applied to a ceramic support and/or a metallic support. The degree of purity of the product gas can be adjusted via the catalyst volume.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich nung näher erläutert. Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht : Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to a drawing. Herein show schematically and greatly simplified:
FIG 1 eine Elektrolyseanlage mit einem wasserstoffseiti- gen, einstufigen Verdichter, und FIG 2 eine Elektrolyseanlage mit einem wasserstoffseiti- gen, mehrstufigen Verdichter. 1 shows an electrolysis system with a hydrogen-side, single-stage compressor, and FIG. 2 shows an electrolysis system with a hydrogen-side, multi-stage compressor.
Gleiche Bezugszeichen habe in den Figuren die gleiche Bedeu tung. The same reference symbols have the same meaning in the figures.
In FIG 1 ist eine Elektrolyseanlage 2 mit einem PEM- oder Al kali-Elektrolyseur 4 gezeigt. Der Elektrolyseur 4 umfasst mindestens eine hier nicht näher gezeigte Elektrolysezelle zum Zerlegen von Wasser. Die Elektrolyseanlage 2 weist zudem eine Kontrolleinheit 6 auf, die in der Figur symbolisch dar gestellt ist. Die Kontrolleinheit 6 steuert Komponenten der Elektrolyseanlage 2 in Abhängigkeit von diversen hinterleg ten, berechneten oder erfassten Parametern. In FIG 1, an electrolysis system 2 with a PEM or Al kali electrolyzer 4 is shown. The electrolyzer 4 comprises at least one electrolytic cell, not shown in detail here, for separating water. The electrolysis system 2 also has a control unit 6, which is shown symbolically in the figure. The control unit 6 controls components of the electrolysis system 2 depending on various stored, calculated or recorded parameters.
Im Elektrolyseur 4 wird über eine Eduktstrom-Leitung 8 ein Eduktstrom aus Wasser eingeführt. Das Wasser wird im Elektro lyseur 4 in die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff zer legt und beide Produktströme werden separat hinausgeleitet. Der Elektrolyseur 4 weist hierzu eine Produktstrom-Leitung 10 auf, mit deren Hilfe ein erstes Produkt, hier Wasserstoff, hinausgeführt wird. Der nachfolgend beschriebene Aufbau be- zieht sich auf den Wasserstoff-Produktstrom, sauerstoffseitig kann jedoch der gleiche Aufbau vorliegen. A reactant flow of water is introduced into the electrolyzer 4 via a reactant flow line 8 . The water is broken down into the product gases hydrogen and oxygen in the electrolyser 4 and both product streams are discharged separately. For this purpose, the electrolyzer 4 has a product flow line 10, with the aid of which a first product, here hydrogen, is fed out. The structure described below refers to the hydrogen product stream, but the same structure can exist on the oxygen side.
Das Wasserstoff-Produktgas in der Produktstrom-Leitung 10 enthält Sauerstoff-Verunreinigungen, die entfernt werden müs sen. Der Wasserstoff-Produktstrom wird hierzu zunächst in ei nem Verdichter 12 komprimiert, wobei sich seine Temperatur auf über 80°C erhöht. Unmittelbar danach wird der erwärmte Wasserstoff-Produktstrom einem Rekombinator 14 zugeführt, der als Katalysatormaterial Platin oder Rhodium enthält. Der Re kombinator 14 kann dabei auch im Verdichter 12 integriert sein. Der Katalysator ist dabei auf einem keramischen oder metallischen Träger aufgebracht. Im Rekombinator 14 lässt der Katalysator den Wasserstoff mit dem Sauerstoff rekombinieren, so dass Wasser entsteht. Der Produktstrom wird anschließend in einer Kühlvorrichtung 16 gekühlt, da die Reaktion im Re kombinator 14 exotherm verläuft. Die Kühlung erfolgt dabei durch eine Zugabe von Wasser und/oder Wasserstoff durch eine Kühlleitung 22. Das Kühlmedium verlässt anschließend die Kühlvorrichtung 16 durch die Leitung 24. The hydrogen product gas in product stream line 10 contains oxygen impurities that must be removed. For this purpose, the hydrogen product stream is first compressed in a compressor 12, with its temperature increasing to over 80.degree. Immediately thereafter, the heated hydrogen product stream is fed to a recombiner 14 containing platinum or rhodium as catalyst material. The re combiner 14 can also be integrated in the compressor 12. The catalyst is applied to a ceramic or metal carrier. In the recombiner 14, the catalyst allows the hydrogen to recombine with the oxygen to form water. The product stream is then cooled in a cooling device 16, since the reaction in the combiner 14 is exothermic. The cooling takes place by adding water and/or hydrogen through a cooling line 22. The cooling medium then leaves the cooling device 16 through the line 24.
Alternativ kann die Kühlung noch im Rekombinator 14 stattfin den, so dass die Kühlvorrichtung 16 im Rekombinator 14 inte griert ist. Alternatively, the cooling can still take place in the recombiner 14 so that the cooling device 16 is integrated in the recombiner 14 .
Um den Rekombinationsprozess zu kontrollieren, werden im ge zeigten Ausführungsbeispiel ein Druck p und eine Temperatur T des Produktgases sowohl am Eintritt als auch am Austritt des Rekombinators 14 über entsprechende Messeinrichtungen für Druck p und Temperatur T erfasst und der Kontrolleinheit 6 zugeführt. In der Kontrolleinheit 6 werden die ermittelten Ist-Werte insbesondere im Hinblick auf eine Überschreitung eines jeweiligen Referenzwerts pR, TR überwacht. Im Falle ei ner Abweichung von den zulässigen Betriebsparameter wird eine Bypass-Leitung 18 geöffnet, welche zumindest einen Teil des verdichteten Produktgases an den Rekombinator 14 vorbeiführt. Hierdurch wird ein stabiler und störungsfreier Betrieb des Rekombinators 14 bewirkt und insbesondere eine Überhitzung des Katalysators vermieden, insbesondere sofern der Referenz wert TR für die Temperatur T überschritten wird. Bei der Kühlung des Wasserstoff-Produktstroms kondensiert zu mindest ein Teil des im Gas befindlichen Wasserdampfes und das Kondensat wird über eine Rückführleitung 20 in den Elekt rolyseur 4 zugeführt. Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß FIG 2 unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch, dass eine mehrstufige Verdichtung durchgeführt wird. Entsprechend sind zwei Verdichterstufen 12a und 12b eingebaut. Jede der Verdichterstufen 12a, 12b ist ein jeweiliger Rekombinator 14a, 14b und eine jeweilige Kühl- Vorrichtung 16a, 16b nachgeschaltet. Die jeweilige Tempera turmessstelle sowie die Druckmessstelle vor dem Rekombinator 14a, 14b und nach dem Rekombinator 14a, 14b sind in der sche matischen Darstellung der FIG 2 hier nicht eigens darge stellt. Diese Messvorrichtungen sind aber in analoger Weise wie in FIG 1 an der Produktstrom-Leitung 10 der Elektrolyse anlage 2 am jeweils am Eingang und am Ausgang der Rekombina tors 14a, 14b angebracht. In order to control the recombination process, in the exemplary embodiment shown, a pressure p and a temperature T of the product gas are recorded both at the inlet and at the outlet of the recombiner 14 via corresponding measuring devices for pressure p and temperature T and fed to the control unit 6 . In the control unit 6, the determined actual values are monitored in particular with regard to exceeding a respective reference value p R , T R . In the event that there is a deviation from the permissible operating parameters, a bypass line 18 is opened, which conducts at least part of the compressed product gas past the recombiner 14 . This ensures stable and trouble-free operation of the Recombiner 14 causes and in particular avoids overheating of the catalyst, especially if the reference value T R for the temperature T is exceeded. When the hydrogen product stream is cooled, at least part of the water vapor in the gas condenses and the condensate is fed into the elec- trolyser 4 via a return line 20. The second exemplary embodiment according to FIG. 2 differs essentially in that multi-stage compression is carried out. Correspondingly, two compressor stages 12a and 12b are installed. Each of the compressor stages 12a, 12b is followed by a respective recombiner 14a, 14b and a respective cooling device 16a, 16b. The respective temperature measuring point and the pressure measuring point upstream of the recombiner 14a, 14b and downstream of the recombiner 14a, 14b are not specifically shown here in the schematic representation of FIG. However, these measuring devices are attached in a manner analogous to FIG. 1 to the product flow line 10 of the electrolysis system 2 at the input and output of the recombiner 14a, 14b.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage (2) umfas send einen Elektrolyseur (4) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase sowie eine Kontrolleinheit (6), wobei zumindest das Wasserstoff-Produktgas, welches auch Sauerstoff als Fremdgas enthält, verdichtet wird und anschließend das Wasserstoff-Produktgas einem Rekombinator (14, 14a, 14b) zugeführt wird, der einen Katalysator ent hält, in welchem der Sauerstoff mit dem Wasserstoff zu Wasser rekombiniert, wobei ein Druck (p) und eine Tempe ratur (T) sowohl am Eintritt als auch am Austritt des Re- kombinators (14, 14a, 14b) ermittelt werden und die ermit telten Messwerte in der Kontrolleinheit (6) verarbeitet werden, und wobei der ermittelte Druck (p) bzw. die ermit telte Temperatur (T) in der Kontrolleinheit (6) mit einem jeweiligen Referenzwert (pR, TR) verglichen werden und bei einem Überschreiten des Referenzwerts (pR, TR) eine By pass-Leitung (18) geöffnet wird, durch welche zumindest ein Teil des verdichteten Produktgases an dem Rekombinator (14, 14a, 14b) vorbeigeführt wird. 1. A method for operating an electrolysis system (2) comprising an electrolyzer (4) for generating hydrogen and oxygen as product gases and a control unit (6), wherein at least the hydrogen product gas, which also contains oxygen as a foreign gas, is compressed and then the hydrogen product gas is fed to a recombiner (14, 14a, 14b) containing a catalyst in which the oxygen recombines with the hydrogen to form water, with a pressure (p) and a temperature (T) both at the inlet and are also determined at the outlet of the recombiner (14, 14a, 14b) and the determined measured values are processed in the control unit (6), and the determined pressure (p) or the determined temperature (T) in the control unit (6) are compared with a respective reference value (p R , T R ) and when the reference value (p R , T R ) is exceeded, a bypass line (18) is opened, through which at least part of the v compressed product gas is guided past the recombiner (14, 14a, 14b).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei durch die Verdichtung die die Temperatur des Wasserstoff-Produktgases erwärmt und auf ein Temperaturniveau größer als 80°C gebracht wird, so dass durch die Wärmezufuhr die katalytische Rekombination bewirkt wird. 2. The method according to claim 1, wherein the temperature of the hydrogen product gas is heated by the compression and brought to a temperature level greater than 80° C., so that the catalytic recombination is brought about by the supply of heat.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine zwei- oder mehrstufige Verdichtung angewandt wird und die Rekombina tion nach zumindest zwei Verdichtungsstufen (12a, 12b) durchführt wird, insbesondere nach jeder der Verdichtungs stufen durchgeführt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein a two-stage or multi-stage compression is used and the recombination is carried out after at least two compression stages (12a, 12b), in particular after each of the compression stages is carried out.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Produktgas unmittelbar vor oder nach dem Rekombinator (14, 14a, 14b) oder innerhalb des Rekombinators (14, 14a, 14b) gekühlt wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the product gas is cooled immediately before or after the recombiner (14, 14a, 14b) or within the recombiner (14, 14a, 14b).
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Kühlung durch eine Zugabe von Wasser und/oder Wasserstoff erfolgt. 5. The method according to claim 4, wherein the cooling takes place by adding water and/or hydrogen.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei bei der Kühlung des Produktgases zumindest ein Teil des im Produktgas be findlichen Wasserdampfes kondensiert und das Kondensat in den Elektrolyseur (4) zugeführt wird. 6. The method according to claim 4 or 5, wherein during the cooling of the product gas at least part of the be in the product gas-sensitive water vapor condenses and the condensate is fed into the electrolyzer (4).
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Temperatur des Kon densats ermittelt und in der Kontrolleinheit (6) verarbei tet wird. 7. The method according to claim 6, wherein the temperature of the condensate is determined and processed in the control unit (6).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Katalysator auf einem keramischen Träger und/oder ei nem metallischen Träger aufgebracht ist. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the catalyst is applied to a ceramic support and / or egg nem metallic support.
9. Elektrolyseanlage (2) umfassend einen Elektrolyseur (4) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produkt gase sowie eine Kontrolleinheit (6), wobei das Wasser stoff-Produktgas auch Sauerstoff als Fremdgas enthält, wo bei eine Produktstrom-Leitung (10) für das Wasserstoff- Produktgas vorgesehen ist, wobei in der Produktstrom- Leitung (10) ein Verdichter (12, 12a, 12b) eingebaut ist, und wobei dem Verdichter (12, 12a, 12b) ein Rekombinator (14, 14a, 14b) nachgeschaltet ist, der einen Katalysator zur Rekombination des Sauerstoffs mit dem Wasserstoff zu Wasser enthält, und wobei Messvorrichtungen für eine Druck- und eine Temperaturmessung am Eintritt und am Aus tritt des Rekombinators (14, 14a, 14b) angeordnet sind, wobei die Kontrolleinheit (6) dafür eingerichtet ist, die Messsignale (p, T) zu verarbeiten und den ermittelten Druck (p) und die ermittelte Temperatur (T) mit einem je weiligen Referenzwert (pR, TR) zu vergleichen und bei ei nem Überschreiten des Referenzwerts (pR, TR) eine Bypass- Leitung (18) zu öffnen, durch welche zumindest ein Teil des verdichteten Produktgases an dem Rekombinator (14, 14a, 14b) vorbeiführbar ist. 9. Electrolysis system (2) comprising an electrolyzer (4) for generating hydrogen and oxygen as product gases and a control unit (6), wherein the hydrogen product gas also contains oxygen as a foreign gas, where at a product flow line (10) for the hydrogen product gas is provided, a compressor (12, 12a, 12b) being installed in the product flow line (10), and a recombiner (14, 14a, 14b) being connected downstream of the compressor (12, 12a, 12b). , which contains a catalyst for recombination of the oxygen with the hydrogen to form water, and measuring devices for measuring pressure and temperature at the inlet and outlet of the recombiner (14, 14a, 14b) are arranged, with the control unit (6) therefor is set up to process the measurement signals (p, T) and to compare the determined pressure (p) and the determined temperature (T) with a respective reference value (p R , T R) and, if the reference value (p R , T R) to open a bypass line (18) through which at least part of the compressed product gas at the recombiner (14, 14a, 14b) can be guided past.
10. Elektrolyseanlage (2) nach Anspruch 9, welche einen zwei- oder mehrstufigen Verdichter (12a, 12b) umfasst und nach zumindest zwei Verdichtungsstufen jeweils ein Rekom- binator (14a, 14b) vorgesehen ist, insbesondere nach jeder der Verdichtungsstufen ein Rekombinator (14a, 14b) vorge sehen. 10. The electrolysis system (2) according to claim 9, which comprises a two- or multi-stage compressor (12a, 12b) and a recombiner (14a, 14b) is provided after at least two compression stages, in particular after each of the compression stages a recombiner (14a , 14b) provided.
11. Elektrolyseanlage (2) nach Anspruch 9, bei der vor oder nach dem Rekombinator (14, 14a, 14b) oder innerhalb des Rekombinators eine Kühlervorrichtung (16, 16a, 16b) zum Kühlen des Produktgases installiert ist. 11. Electrolysis plant (2) according to claim 9, in which a cooler device (16, 16a, 16b) for cooling the product gas is installed before or after the recombiner (14, 14a, 14b) or inside the recombiner.
12. Elektrolyseanlage (2) nach Anspruch 11, wobei die Küh lervorrichtung (16, 16a, 16b) für eine Zugabe von Wasser und/oder Wasserstoff als Kühlmittel über eine Kühlleitung (22) ausgelegt ist. 12. Electrolysis system (2) according to claim 11, wherein the cooling device (16, 16a, 16b) is designed for adding water and/or hydrogen as a coolant via a cooling line (22).
13. Elektrolyseanlage (2) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Kühlervorrichtung (16, 16a, 16b) für eine zumindest teilweise Kondensation des im Produktgas befindlichen Was serdampfes ausgelegt ist und eine Rückführleitung (20) für das Kondensat vorgesehen ist, welche in den Elektrolyseur (4) mündet. 13. The electrolysis system (2) according to claim 11 or 12, wherein the cooling device (16, 16a, 16b) is designed for at least partial condensation of the water vapor present in the product gas and a return line (20) is provided for the condensate, which Electrolyser (4) opens.
14. Elektrolyseanlage (2) nach Anspruch 13, wobei eine wei tere Messvorrichtung zum Ermitteln der Temperatur des Kon densats vorgesehen ist, und die Kontrolleinheit (6) dafür eingerichtet ist, das Messsignal der weiteren Messvorrich tung zu verarbeiten. 14. Electrolysis system (2) according to claim 13, wherein a further measuring device is provided for determining the temperature of the condensate, and the control unit (6) is set up to process the measuring signal of the further measuring device.
15. Elektrolyseanlage (2) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der Katalysator auf einem keramischen Träger und/oder einem metallischen Träger aufgebracht ist. 15. Electrolysis system (2) according to any one of claims 9 to 14, wherein the catalyst is applied to a ceramic support and / or a metallic support.
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