EP4334500A1 - Method for operating an electrolysis plant, and electrolysis plant - Google Patents

Method for operating an electrolysis plant, and electrolysis plant

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EP4334500A1
EP4334500A1 EP22728108.6A EP22728108A EP4334500A1 EP 4334500 A1 EP4334500 A1 EP 4334500A1 EP 22728108 A EP22728108 A EP 22728108A EP 4334500 A1 EP4334500 A1 EP 4334500A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydrogen
gas
buffer tank
gas separator
oxygen
Prior art date
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Pending
Application number
EP22728108.6A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Du-Fhan Choi
Markus Ungerer
Dirk Wall
Erik Wolf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4334500A1 publication Critical patent/EP4334500A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • 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
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C25B15/023—Measuring, analysing or testing during electrolytic production
    • 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
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • 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 a method for operating an electrolysis system comprising an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases.
  • the invention also relates to such an electrolysis plant.
  • 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.
  • An electrolyzer generally has a large number of electrolytic cells which are arranged adjacent to one another. Using water electrolysis, water is broken down into hydrogen and oxygen in the electrolysis cells. In a PEM electrolyser, distilled water is typically fed in as starting material on the anode side and passed through a proton-permeable membrane (“proton exchange membrane”);
  • PEM split into hydrogen and oxygen.
  • the water is oxidized to oxygen at the anode.
  • the protons pass through the proton-permeable membrane.
  • Hydrogen is produced on the cathode side.
  • the water is generally conveyed from an underside into the anode compartment and/or cathode compartment.
  • This electrolysis process takes place in what is known as the electrolysis stack, which is made up of several electrolysis cells.
  • the electrolysis stack which is under DC voltage
  • water is introduced as educt, with two fluid streams consisting of water and gas bubbles (oxygen O 2 or hydrogen H 2 ) emerging after passing through the electrolysis cells.
  • oxygen O 2 or hydrogen H 2 oxygen
  • the quantity of the respective foreign gas depends on the electrolysis cell design and also varies under the influence of current density, catalyst composition, aging and, in the case of a PEM electrolysis system, depends 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 quantities.
  • Such an electrolysis system with a downstream gas cleaning system is shown, for example, in WO 2020/095664 A1.
  • the hydrogen product gas generated during the electrolysis in an electrolytic seur which also contains oxygen as a foreign gas, is first fed to a gas separator.
  • the hydrogen product gas is led out of the gas separator via a product gas line and completely transferred to a cleaning system through which the hydrogen product gas flows repeatedly and cyclically.
  • the oxygen is removed from the hydrogen product gas by reacting the oxygen with the hydrogen in a recombination catalyst (DeOxo catalyst) to form water. Due to the cyclic use, the hydrogen product gas is almost completely freed from oxygen, so that finally hydrogen of high quality and purity is available.
  • WO 2020/095664 A1 has an electrolyzer, a gas separator and the DeOxo catalyst connected in series. Due to the series connection, the hydrogen product gas can be very efficiently separated, transferred and then cleaned in the gas separator.
  • a multiple through- The cleaning system with the DeOxo catalyst runs through multiple cleaning steps in a cycle via an intermediate tank.
  • the hydrogen which has been brought to a desired level of purity and cleaned accordingly, is transferred to a tank and stored or kept ready for other purposes.
  • both product gas streams in particular can be fed to a respective, catalytically activated recombiner in which a catalyst allows the hydrogen to recombine with the oxygen to form water (DeOxo unit).
  • 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 processing plant used for this is expensive and, due to its energy requirements, reduces the system efficiency of the entire electrolysis plant. For this reason, attention must be paid to the purity and quality of the product gas streams initially produced in the electrolyser and discharged from the electrolyser, also in order to keep operational safety aspects and the costs and effort for the subsequent cleaning steps within reasonable limits.
  • the purity or quality of the product gas streams of the gases originally produced in the electrolyzer depends on many parameters and can also change during the operation of an electrolyzer.
  • the problem here is when the concentration of oxygen in hydrogen increases. If a certain concentration limit is exceeded here, especially in the gas separator (container) directly downstream of the electrolysis, the hydrogen gas produced can no longer be handed over for other purposes. If the proportion of oxygen continues to rise, a combustible or explosive mixture can even form. Then there is a potentially dangerous operating condition that must be avoided at all costs for safety reasons.
  • Reliable and continuous monitoring of the gas quality during operation on the hydrogen side i.e. monitoring the concentration of oxygen as a foreign gas in the hydrogen produced before a complex downstream gas cleaning system (DeOxo unit) is an important protective measure here in order to identify critical operating states and to take safety measures up to and including shutting down the system.
  • DeOxo unit complex downstream gas cleaning system
  • the invention is therefore based on the object of enabling improved operation in terms of safety and plant efficiency in an electrolysis plant.
  • the object is achieved according to the invention by a method for operating an electrolysis system for generating hydrogen and oxygen as product gases, in which the hydrogen product gas from an electrolyzer, which also contains oxygen as foreign gas, is fed to a downstream gas separator, with when a certain limit value for the oxygen concentration in the hydrogen product gas is exceeded, hydrogen with a low oxygen concentration is taken from a buffer tank and fed to the gas separator, so that the oxygen concentration in the hydrogen product gas is lowered.
  • an electrolysis system comprising an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases, in which the hydrogen product gas also contains oxygen as an extraneous gas, in which the electrolyzer is connected to a gas via a product flow line for the hydrogen product gas -Separator is connected and the gas separator is connected via a supply line to a buffer tank, the buffer tank being designed to supply hydrogen with a low oxygen concentration to the gas separator as required, with a valve being connected in the supply line, which acts as a bidirectional re gel valve is configured so that in normal operation the buffer tank can be loaded with hydrogen product gas and, if necessary, hydrogen product gas can be fed to the gas separator in an exact dosage, with a desired dilution of the oxygen as foreign gas being adjustable in the gas separator is.
  • the invention is based on the knowledge that previous operating concepts for electrolysis systems with regard to the monitoring and elimination of critical operating states with regard to the quality of the hydrogen produced are complex and economically disadvantageous.
  • the concentration of oxygen in the hydrogen product gas in the gas separator is usually measured and monitored in previous operating concepts. If the concentration exceeds a predetermined limit value, the operation of the electrolyzer is stopped and all of the hydrogen product gas in the gas separator is discarded. The hydrogen product gas is completely drained from the container volume of the gas separator and any supply lines of the hydrogen gas system. For this purpose, the gas separator is completely vented. The entire gas system, including the gas separator, is then flushed with nitrogen from a storage container in the nitrogen system of the electrolysis plant using a complex flushing procedure to make it inert. The nitrogen system must be designed with a correspondingly large volume for this safety-relevant need for nitrogen in order to provide sufficient nitrogen.
  • the electrolysis is restarted. Due to the inert gas nitrogen in the gas system, the newly produced hydrogen product gas must first be discarded until the desired gas quality quality is reached again. In addition to the provision of a large-volume nitrogen inerting system and nitrogen storage, it is also precisely the discarding of the hydrogen product gas produced from an economic point of view that is particularly disadvantageous.
  • the present invention starts in a targeted manner by reducing a critical foreign gas concentration of oxygen in the hydrogen product gas in the gas separator downstream of the electrolyzer by taking hydrogen of better quality from the hydrogen product gas, i.e. with a low oxygen concentration, from a buffer tank and storing it in more targeted and the hydrogen is fed to the gas separator in a well-dosed manner.
  • the supply causes the gases to mix in the gas separator, which results in a reduction in the oxygen concentration.
  • the oxygen concentration is reduced simply because of the effect of the gas mixture and the dilution of the oxygen in the hydrogen product gas, which is used to particular advantage in the invention. This avoids discarding the hydrogen product gas in the gas separator, since it remains in this container in the procedure proposed here.
  • the gas volume can therefore be used when restarting the electrolyser.
  • the hydrogen yield of the electrolysis system increases, since practically no high-quality hydrogen that has already been produced is discarded.
  • the complex and complete inerting of the gas system, in particular the gas separator, with nitrogen can be omitted and a nitrogen system that is still required on the electrolytic system can be correspondingly smaller in size.
  • the pressure in the gas separator is lowered in such a way that, due to a pressure difference that is achieved as a result, hydrogen with a low oxygen concentration flows from the buffer tank into the gas separator.
  • hydrogen of good quality and purity can be supplied to the gas separator in a particularly simple manner.
  • a pressure difference can preferably be generated by partially and only slightly venting hydrogen product gas in the gas separator.
  • the oxygen concentration in the gas separator is measured.
  • the measurement and monitoring of the oxygen concentration is carried out using correspondingly sensitive gas sensors, with monitoring and control units for selective gas sensors preferably also being used in order to reliably determine and monitor the oxygen concentration in the hydrogen product gas "in situ". This applies on the one hand to the regular operation of the electrolysis system, but advantageously also during the process of lowering the oxygen concentration in the hydrogen product gas below the desired, predetermined, critical limit value.
  • the hydrogen with a low oxygen concentration is taken from a buffer tank as required, in which hydrogen product gas of high purity and quality is stored and has a low foreign gas component of oxygen. This ensures that hydrogen is only supplied when required to dilute and lower the oxygen concentration.
  • the buffer tank is loaded with hydrogen product gas of good quality, that is to say with a low or very low foreign gas concentration of oxygen.
  • a corresponding supply of gas is stored or maintained in the buffer tank.
  • the buffer tank is designed as a container that is designed and structurally adapted to meet requirements in terms of volume.
  • the buffer tank is advantageously charged with hydrogen product gas during normal operation of the electrolyser, ie during the electrochemical decomposition of water into hydrogen and oxygen, so that a supply of hydrogen product gas of good quality is kept in the buffer tank. It is also possible that during normal operation of the electrolyser the buffer tank is continuously flowed through, so that a volume is available at any given time should the gas quality deteriorate beyond the critical value of an oxygen concentration that is still tolerable.
  • Hydrogen product gas with an oxygen concentration below the predetermined limit value for the oxygen concentration is thus advantageously fed to the buffer tank.
  • hydrogen product gas from the gas separator is preferably fed to the buffer tank.
  • a buffer tank is advantageously integrated into the operating concept of the electrolysis system downstream of the gas separator.
  • This buffer tank is usually pressurized and contains good quality hydrogen.
  • the electrolysis process is stopped. Instead of now discarding the gas in the gas separator, the pressure in the separator is only lowered to such an extent that clean gas is again fed to the gas separator from the buffer tank. Clean hydrogen gas is fed to the gas separator until the gas quality is sufficient, ie the oxygen concentration is less than the predetermined limit value.
  • hydrogen of high purity is taken from a second buffer tank and fed to the gas separator.
  • hydrogen of high purity means that the foreign gas contamination with oxygen in the hydrogen stored in the second buffer tank is even lower is than the gas quality of the hydrogen product gas in the gas separator. It proves to be of particular advantage here that for the desired dilution and thus quality improvement of the hydrogen product gas, a smaller quantity of hydrogen of high purity has to be supplied in comparison to the supply from the buffer tank. A smaller volume of gas is required.
  • the respective hydrogen removal and respective supply from the buffer tank and the second buffer tank can also be flexibly combined.
  • hydrogen with a low oxygen concentration is fed from the buffer tank to a recombiner that contains a catalyst, so that the oxygen recombines with the hydrogen to form water, with hydrogen of high purity being obtained with the second buffer tank is loaded.
  • the hydrogen of high purity that is to say with an at most still very low foreign gas concentration of oxygen or, from a practical point of view, with no oxygen concentration worth mentioning, is thus obtained in an advantageous manner during operation of the electrolysis system itself. Thanks to the advantageous catalytic gas cleaning step, the gas quality in the second buffer tank is very good and again significantly better than in the buffer tank.
  • the production of hydrogen and oxygen in the electrolyzer is stopped. Normal operation is therefore advantageously only interrupted until the supply of catalytically purified hydrogen of high purity from the second buffer tank, or hydrogen product gas with a low oxygen concentration from the buffer tank, into the gas separator for dilution and reduction of the oxygen concentration is below the limit.
  • the maintenance time required with the associated downtime of the electrolyzer for the method according to the invention is advantageously significantly reduced compared to the conventional method.
  • the electrolysis system comprises an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases, in which the hydrogen product gas also contains oxygen as a foreign gas, the electrolyzer being connected to a gas separator via a product flow line for the hydrogen product gas and the gas separator via a supply line to a buffer tank configured to supply hydrogen having a low oxygen concentration to the gas separator as needed.
  • a bidirectional control valve is connected into the supply line, so that the buffer tank can be charged with hydrogen product gas during normal operation. If required, in particular in a shutdown mode, hydrogen product gas can be fed to the gas separator in a precise metering. As a result, a desired dilution of the oxygen as foreign gas can be set in the gas separator.
  • the buffer tank is preferably designed as a container and, as explained in more detail above for the method, can be charged with hydrogen containing a low concentration of oxygen as the foreign gas and can be filled with it.
  • the buffer tank advantageously serves as a hydrogen product gas store with a corresponding gas quality. Hydrogen of good quality can be fed from the buffer tank into the gas separator through the feed line.
  • a valve which is designed as a control valve, is connected into the supply line.
  • the design of the Ven TILs as a control valve allows precise dosing of the gas supply to the gas separator.
  • the valve position of the crizven TILs can advantageously with a hydraulic or electromechanical valve control or valve control device are controlled.
  • the valve is designed as a control valve through which flow can take place in both directions, or as a control fitting.
  • the bidirectional design of the control valve allows a particularly flexible mode of operation and mode change with egg ner loading of the buffer tank on the one hand, for example during normal operation of the electrolyser, in which hydrogen product gas can be fed to the buffer tank and this can be loaded.
  • hydrogen product gas can be fed to the gas separator in the opposite direction through the supply line, if necessary.
  • the electrolysis system is designed in such a way that, for example, a sudden, gradual, one-time or lasting change in the gas quality of the hydrogen product gas in the gas separator can be flexibly and quickly reacted to in a controlled manner.
  • the desired dilution effect is brought about by metering in, so that a lower value for the concentration of oxygen as foreign gas in the hydrogen product gas in the gas separator can be set.
  • the supply line can be used in both flow directions due to the bidirectional design of the control valve, which has cost advantages.
  • a bypass line having a shut-off valve is provided, which branches off from the feed line and is connected fluidically parallel to the feed line in such a way that the bypass line bypasses the valve, in particular the control valve.
  • the electrolysis system has a second buffer tank, which is connected to the buffer tank via a line, with a recombiner being connected in the line, which contains a catalyst, so that the oxygen can be recombined with the hydrogen to form water and High purity hydrogen for loading the second buffer tank is recoverable.
  • the second buffer tank is preferably connected to the gas separator via a supply line, so that hydrogen of high purity can be supplied from the second buffer tank to the gas separator as required.
  • a valve is connected, which is designed in particular as a control valve, this is preferably designed for bidirectional operation. This configuration is used for the precise dosing of cleaned hydrogen product gas having a high quality and purity and the controlled supply into the gas separator via the supply line.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of an electrolysis system with a buffer tank according to the invention
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of an electrolysis system with a gas cleaning system and a further buffer tank.
  • FIG. 1 shows an electrolysis system 100 in a greatly simplified detail of system parts.
  • the electrolysis system 100 has an electrolyzer 1, which is made of a PEM or alkaline electrolyzer.
  • the Electrolyzer 4 comprises at least one electrolytic cell, not shown in detail here, for the electrochemical decomposition of water.
  • the electrolysis system 100 also has a nitrogen system 23 which includes a nitrogen tank 25 .
  • a compressor 33 is connected to the nitrogen system 23 to supply the nitrogen system 23 .
  • the nitrogen system 23 is connected to a gas separator 3 via a flushing line 27, so that nitrogen for flushing the gas separator 3 can be taken from the nitrogen container 25 and fed to the gas separator 3 (nitrogen inerting) if required.
  • the nitrogen container 25 is dimensioned and pressurized to correspond to the large volume required for nitrogen in the electrolysis system 100 . For an inerting are - among other tasks - required, large amounts of stick material required that are to keep vorzu in the nitrogen tank 25.
  • a reactant flow of water is introduced into the electrolyzer 1 via a reactant flow line 21 .
  • the water is electrochemically decomposed in the electrolyser 1 into the product gases hydrogen and oxygen, and both product streams are passed out of the electrolyser 1 separately.
  • the electrolyzer 1 has a per duct stream line 11, with the help of which a first product, here hydrogen, is led out.
  • the structure of the electrolysis system 100 described here relates to the hydrogen product stream. On the oxygen side, however, the electrolysis system 100 can have a similar technical installation, which is not shown or explained in more detail in FIG. 1 for reasons of clarity.
  • the electrolyzer 1 is ruled out via the product flow line 11 to a gas separator 3 .
  • a ventilation line 31 is connected to the gas separator 3, via which the gas separator 3 can be emptied. Furthermore, a buffer tank 5 is attached to the gas separator 3 connected via a supply line 13a in which a valve 15a is arranged. Hydrogen product gas from the electrolysis can be supplied to the buffer tank 5 by the gas separator 3 via the supply line 13a. In this way, the buffer tank 5 is loaded with hydrogen product gas for other purposes, in particular gas cleaning.
  • Hydrogen product gas is fed to the gas separator 3 during operation of the electrolyzer 1 in the system concept shown in FIG.
  • the concentration of oxygen in the hydrogen product gas in the gas separator 3 is measured and monitored in this operating concept. If the concentration exceeds a predetermined limit value, the operation of the electrolyzer 1 is stopped and all of the hydrogen product gas in the gas separator is discarded.
  • the hydrogen product gas is completely drained from the container volume of the gas separator 3 and any supply lines of the hydrogen-side gas system. For this purpose, the gas separator 3 is completely vented via the ventilation line 31 .
  • the entire gas system including the gas separator 3 is then flushed with nitrogen from a nitrogen tank 25 in the nitrogen system 23 of the electrolysis system 100 by means of a complex flushing procedure for inerting.
  • the nitrogen system 23 must be designed with a correspondingly large volume for this safety-relevant need for nitrogen in order to provide sufficient nitrogen. After the cause of the critical quality of the hydrogen product gas has been eliminated, the electrolysis is restarted. Due to the inert gas nitrogen in the gas system and in particular in the gas separator 3, the newly produced hydrogen product gas must first be discarded until the desired gas quality is achieved again. In addition to having a large-volume nitrogen inerting system and sufficient nitrogen Material stockpiling just the discarding of what hydrogen product gas produced from an economic point of view particularly disadvantageous.
  • the buffer tank 5 is üb SHORT- under pressure and contains hydrogen product gas with a low oxygen concentration from the electrolytic se, so hydrogen product gas with a good quality and correspondingly low foreign gas concentration.
  • the buffer tank 5 is fluidically connected to the gas separator 3 via the supply line 13a.
  • a valve 15a which is designed as a control valve, is connected into the supply line 13a.
  • valve 15a As a control fitting, a very precise metering of the gas supply to the gas separator 3 is achieved.
  • the valve position of the valve 15a is equipped with a hydraulic or electromechanical valve control and can be controlled by a valve control device.
  • a bypass line 19 branches off from the supply line 13a and is routed parallel to the supply line 13a in terms of flow, the bypass line 19 bypassing the valve 15a.
  • a shut-off valve 17 is connected, which is designed as an automatic shut-off valve. Consequently, no valve 17 with a control function is provided for the flow of hydrogen product gas from the gas separator 3 to the buffer tank 5 for loading it during normal operation of the electrolyzer 1, which is a cost advantage.
  • the pressure on the hydrogen side can be adjusted elsewhere, for example by adjusting the pressure in the gas separator 3 an overflow of hydrogen product gas from the gas separator 3 through the bypass line 19 into the buffer tank 5 is achieved in a simple manner.
  • the valve 15a is designed as a control valve for the well-dosed and controlled supply or recirculation of hydrogen with a low oxygen concentration, that is to say of good quality, from the buffer tank 5 into the gas separator 3 as required. Because of the generally required lower volume flows for dilution, this valve 15a can be dimensioned correspondingly smaller and more cost-effectively, in particular with regard to the necessary flow diameter.
  • the oxygen content in the hydrogen product gas in the gas separator 3 downstream of the electrolyzer 1 is reduced by adding hydrogen of better quality to the hydrogen product gas, i.e. with a low oxygen concentration in a targeted and is supplied in a well-dosed manner.
  • This targeted supply then causes the gases to mix in the gas separator 3, as a result of which the oxygen concentration is reduced.
  • the oxygen concentration is reduced al lein due to the effect of the gas mixture and the Ver dilution of the oxygen in the hydrogen product gas, which is used particularly advantageously in the invention. This avoids discarding the hydrogen product gas in the gas separator 3, since it remains in this container in the procedure proposed here.
  • the gas volume can therefore be used when restarting the electrolyser.
  • the electrolysis process is stopped. Now instead of discarding the gas in the gas separator 3, the pressure in the gas separator 3 is lowered only to the extent that from the Buffer tank 5 clean hydrogen gas is supplied to the gas separator 3 again. Clean hydrogen gas is supplied to the gas separator 3 until the gas quality is good, that is, the oxygen concentration is less than the predetermined limit.
  • valve 15a in the supply line 13a is designed as a control valve through which flow can take place in both directions, ie a bidirectional control fitting is used.
  • the bidirectional design of the valve 15a as a control valve allows a particularly flexible mode of operation and mode change with a loading of the buffer tank 5 on the one hand in normal operation of the electrolyzer 1, in which hydrogen product gas can be fed to the buffer tank and this can be loaded.
  • the gas separator 3 can be fed with hydrogen product gas in the opposite direction.
  • FIG. 4 shows that hydrogen of high purity obtained in a gas purification stage can be fed to the gas separator 3 via a supply line 15b.
  • a second buffer tank 7 with water of high purity is provided and integrated into the position 100 of the electrolysis system.
  • the second buffer tank 7 is connected via a line 29 to the buffer tank 5 and the buffer tank 5 fluidically downstream.
  • a recombiner 9 is integrated into the line 29, a so-called DeOxo unit, where a gas cleaning step can be carried out on the hydrogen product gas from the buffer tank 5.
  • the hydrogen product stream is fed to the recombiner 3, which contains platinum or radium as catalyst material.
  • the catalyst is advantageously applied to a ceramic or metallic support.
  • the catalyst allows the hydrogen to recombine with the oxygen, so that water is formed.
  • the product stream is then cooled in a cooling device, not shown, since the reaction in the recombiner 3 is exothermic.
  • the second buffer tank 7 can be loaded with hydrogen of particularly high purity with respect to foreign gas contamination with oxygen, since the gas quality after the catalytic gas cleaning in the recombiner 9 is significantly improved.
  • a pressure p and a temperature T of the hydrogen product gas are preferably recorded both at the inlet and at the outlet of the recombiner 3 and fed to a control unit (not shown).
  • the line 29 is provided as a connection between the gas separator 3 and the purified hydrogen in the second buffer tank 7 according to FIG.
  • a valve 15b is connected, which is designed as a regulating valve.
  • valve 15a can now be designed as a shut-off valve in a cost-effective variant (see FIG. 1).
  • the fitting in the supply line 13a between the gas separator 3 and the buffer tank 5 can also be designed according to FIG. 2 or FIG.
  • the amount of nitrogen that is required for service purposes of the gas separator 3 can be provided, for example, by means of stick material bottle bundles or a nitrogen tank, which, although as before, by the volume of Gas separator 3 is intended, but now very long sam can be filled during normal operation. This is particularly so because maintenance work can be planned better and because the conventional procedure of double provision of the nitrogen volume required if required in the event of a (repeated) fault shutdown during commissioning or shortly thereafter is no longer necessary. This type of error can be dealt with very economically using the procedure described above.

Abstract

The invention relates to a method for operating an electrolysis plant (100) for producing hydrogen and oxygen as product gases, wherein the hydrogen product gas, which additionally contains oxygen as a foreign gas, is fed from an electrolyser (1) to a downstream gas separator (3), wherein when a predefined limit value for the oxygen concentration in the hydrogen product gas is exceeded, hydrogen having a low oxygen concentration is fed to the gas separator (3) such that the oxygen concentration in the hydrogen product gas is lowered. The invention further relates to a corresponding electrolysis plant (100).

Description

Beschreibung description
Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage und Elektroly seanlage Process for operating an electrolysis plant and electrolytic plant
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Elekt rolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase. Die Erfindung be trifft 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. The invention also relates to such an electrolysis plant.
Wasserstoff wird heutzutage beispielsweise mittels Proton Exchange Membrane (PEM)-Elektrolyse oder alkalischer Elektro lyse erzeugt. Die Elektrolyseure produzieren mit Hilfe elektrischer Energie Wasserstoff und Sauerstoff aus dem zuge führten Wasser. 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.
Ein Elektrolyseur weist dabei in der Regel eine Vielzahl von Elektrolysezellen auf, welche benachbart zueinander angeord net sind. Mittels der Wasserelektrolyse wird in den Elektro lysezellen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Bei einem PEM-Elektrolyseur wird typischerweise anodenseitig des tilliertes Wasser als Edukt zugeführt und an einer protonen durchlässigen Membran (engl.: „Proton-Exchange-Membrane";An electrolyzer generally has a large number of electrolytic cells which are arranged adjacent to one another. Using water electrolysis, water is broken down into hydrogen and oxygen in the electrolysis cells. In a PEM electrolyser, distilled water is typically fed in as starting material on the anode side and passed through a proton-permeable membrane (“proton exchange membrane”);
PEM) zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Das Wasser wird dabei an der Anode zu Sauerstoff oxidiert. Die Protonen pas sieren die protonendurchlässige Membran. Kathodenseitig wird Wasserstoff produziert. Das Wasser wird dabei in der Regel von einer Unterseite in den Anodenraum und/oder Kathodenraum gefördert. PEM) split into hydrogen and oxygen. The water is oxidized to oxygen at the anode. The protons pass through the proton-permeable membrane. Hydrogen is produced on the cathode side. In this case, the water is generally conveyed from an underside into the anode compartment and/or cathode compartment.
Dieser Elektrolyseprozess findet in dem so genannten Elektro lysestack, zusammengesetzt aus 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 (Sauerstoff O2 bzw. Wasserstoff H2) aus treten. 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 hängt bei einer PEM-Elektrolyseanlage vom Membran material ab. Systemimmanent ist dabei, dass im Gasstrom des einen Produktgases jeweils das andere Produktgas in sehr ge ringen Mengen vorliegt. Im weiteren Prozessverlauf werden in der Regel in nachgeschalteten Schritten der Gasreinigung selbst geringe Sauerstoffspuren aus dem Wasserstoff mit zum Teil sehr aufwändigen und kostenintensiven Reinigungsschrit ten entfernt, insbesondere wenn eine besonders hohe Produkt gasqualität gefordert ist, wie dies etwa bei der Nutzung des Wasserstoffs z.B. für Brennstoffzellen der Fall ist. This electrolysis process takes place in what is known as the electrolysis stack, which is made up of several electrolysis cells. In the electrolysis stack, which is under DC voltage, water is introduced as educt, with two fluid streams consisting of water and gas bubbles (oxygen O 2 or hydrogen H 2 ) emerging after passing through the electrolysis cells. 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, depends 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 quantities. In the further course of the process, even small traces of oxygen are usually removed from the hydrogen in downstream gas cleaning steps, which can sometimes be very complex and expensive cleaning steps, especially if a particularly high product gas quality is required, as is the case when hydrogen is used for fuel cells, for example the case is.
Eine derartige Elektrolyseanlage mit nachgeschalteter Gasrei nigungsanlage ist beispielsweise in der WO 2020/095664 Al ge zeigt. Dabei wird das bei der Elektrolyse in einem Elektroly seur erzeugte Wasserstoff-Produktgas, das auch Sauerstoff als Fremdgas enthält, zunächst einem Gas-Separator zugeführt.Such an electrolysis system with a downstream gas cleaning system is shown, for example, in WO 2020/095664 A1. The hydrogen product gas generated during the electrolysis in an electrolytic seur, which also contains oxygen as a foreign gas, is first fed to a gas separator.
Nach Abtrennung des Wassersanteils im Gas-Separator wird das Wasserstoff-Produktgas über eine Produktgas-Leitung aus dem Gas-Separator herausgeführt und vollständig an eine Reini gungsanlage übergeben, die von dem Wasserstoff-Produktgas wiederholt und zyklisch durchströmt wird. In der Reinigungs anlage wird der Sauerstoff aus dem Wasserstoff-Produktgas entfernt, indem der Sauerstoff in einem Rekombinationskataly sator (DeOxo-Katalysator) mit dem Wasserstoff zu Wasser rea giert. Durch die zyklische Anwendung wird das Wasserstoff- Produktgas nahezu vollständig von Sauerstoff befreit, so dass schließlich Wasserstoff hoher Qualität und Reinheit zur Ver fügung steht. Anlagentechnisch ist in der WO 2020/095664 Al ein Elektrolyseur, ein Gas-Separator und der DeOxo- Katalysator in Serie geschaltet. Durch die Serienschaltung kann der Wasserstoff-Produktgas im Gas-Separator sehr effi zient abgetrennt, übergeben und nachfolgend gereinigt werden. Für eine besonders hohe Gasreinheit ist ein mehrfaches Durch- laufen der Reinigungsanlage mit dem DeOxo-Katalysator durch in einem Kreislauf mehrfach ausgeführte Reinigungsschritte über einen Zwischentank vorgesehen. Schließlich wird der auf eine gewünschte hohe Reinheit gebrachte und entsprechend auf gereinigte Wasserstoff in einem Tank übergeben und für weite re Zwecke gespeichert bzw. bereitgehalten. After separating the water content in the gas separator, the hydrogen product gas is led out of the gas separator via a product gas line and completely transferred to a cleaning system through which the hydrogen product gas flows repeatedly and cyclically. In the cleaning system, the oxygen is removed from the hydrogen product gas by reacting the oxygen with the hydrogen in a recombination catalyst (DeOxo catalyst) to form water. Due to the cyclic use, the hydrogen product gas is almost completely freed from oxygen, so that finally hydrogen of high quality and purity is available. In terms of system technology, WO 2020/095664 A1 has an electrolyzer, a gas separator and the DeOxo catalyst connected in series. Due to the series connection, the hydrogen product gas can be very efficiently separated, transferred and then cleaned in the gas separator. For a particularly high gas purity, a multiple through- The cleaning system with the DeOxo catalyst runs through multiple cleaning steps in a cycle via an intermediate tank. Finally, the hydrogen, which has been brought to a desired level of purity and cleaned accordingly, is transferred to a tank and stored or kept ready for other purposes.
Im Allgemeinen können auf diese Weise in einer Elektrolysean lage zur Gasreinigung der Produktgasströme aus dem Elektroly seur insbesondere beide Produktgasströme einem jeweiligen, katalytisch aktivierten Rekombinator zugeführt werden, in dem ein Katalysator den Wasserstoff mit dem Sauerstoff zu Wasser rekombinieren lässt (DeOxo-Einheit). Dazu muss der Gasstrom zuvor auf mindestens 80°C aufgeheizt werden, damit die Um satzraten 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 Systemwirkungsgrad der ge samten Elektrolyseanlage. Deswegen ist bereits auf die Rein heit und Qualität der im Elektrolyseur zunächst entstehenden und aus dem Elektrolyseur abgeführten Produktgasströme zu achten, auch um neben Betriebssicherheitsaspekten auch die Kosten und Aufwand für die nachfolgenden Reinigungsschritte noch in vertretbarem Rahmen zu halten. In general, both product gas streams in particular can be fed to a respective, catalytically activated recombiner in which a catalyst allows the hydrogen to recombine with the oxygen to form water (DeOxo unit). 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 processing plant used for this is expensive and, due to its energy requirements, reduces the system efficiency of the entire electrolysis plant. For this reason, attention must be paid to the purity and quality of the product gas streams initially produced in the electrolyser and discharged from the electrolyser, also in order to keep operational safety aspects and the costs and effort for the subsequent cleaning steps within reasonable limits.
Die Reinheit bzw. Qualität der Produktgasströme der ursprüng lich im Elektrolyseur produzierten Gase ist dabei von vielen Parametern abhängig und kann sich auch im Laufe des Betriebs einer Elektrolyseanlage ändern. Problematisch ist hierbei, wenn die Konzentration von Sauerstoff in Wasserstoff sich er höht. Wird hier ein bestimmtes Konzentrationslimit über schritten, vor allem im Gasseparator (Behälter) unmittelbar stromab der Elektrolyse, so kann das produzierte Wasserstoff gas nicht mehr für weitere Zwecke übergeben werden. Steigt der Anteil von Sauerstoff weiter, dann kann sogar ein brenn bares bzw. explosives Gemisch entstehen. Dann herrscht in dem Gasseparator (Behälter) ein potenziell gefährlicher Betriebs- zustand, den es aus Sicherheitsgründen unbedingt zu vermeiden gilt. The purity or quality of the product gas streams of the gases originally produced in the electrolyzer depends on many parameters and can also change during the operation of an electrolyzer. The problem here is when the concentration of oxygen in hydrogen increases. If a certain concentration limit is exceeded here, especially in the gas separator (container) directly downstream of the electrolysis, the hydrogen gas produced can no longer be handed over for other purposes. If the proportion of oxygen continues to rise, a combustible or explosive mixture can even form. Then there is a potentially dangerous operating condition that must be avoided at all costs for safety reasons.
Eine zuverlässige und kontinuierliche Überwachung der Gasqua lität im Betrieb auf der Wasserstoffseite, d.h. die Überwa chung der Konzentration von Sauerstoff als Fremdgas in dem produzierten Wasserstoff bereits vor einer nachgeschalteten aufwändigen Gasreinigungsanlage (DeOxo-Einheit) ist hier eine wichtige Schutzmaßvorkehrung, um kritische Betriebszustände zu erkennen und um Sicherheitsmaßnahmen bis hin zum Abschal ten der Anlage zu ergreifen. Reliable and continuous monitoring of the gas quality during operation on the hydrogen side, i.e. monitoring the concentration of oxygen as a foreign gas in the hydrogen produced before a complex downstream gas cleaning system (DeOxo unit) is an important protective measure here in order to identify critical operating states and to take safety measures up to and including shutting down the system.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde bei einer Elektrolyseanlage einen hinsichtlich Sicherheit und Anla geneffizienz verbesserten Betrieb zu ermöglichen. The invention is therefore based on the object of enabling improved operation in terms of safety and plant efficiency in an electrolysis plant.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage zur Erzeugung von Wasser stoff und Sauerstoff als Produktgase, bei dem das Wasser stoff-Produktgas aus einem Elektrolyseur, welches auch Sauer stoff als Fremdgas enthält, einem nachgeschalteten Gas- Separator zugeführt wird, wobei bei Überschreiten eines vor bestimmten Grenzwerts für die Sauerstoffkonzentration im Was serstoff-Produktgas bedarfsweise Wasserstoff mit einer gerin gen Sauerstoffkonzentration einem Puffertank entnommen und dem Gas-Separator zugeführt wird, so dass die Sauerstoffkon zentration im Wasserstoff-Produktgas abgesenkt wird. The object is achieved according to the invention by a method for operating an electrolysis system for generating hydrogen and oxygen as product gases, in which the hydrogen product gas from an electrolyzer, which also contains oxygen as foreign gas, is fed to a downstream gas separator, with when a certain limit value for the oxygen concentration in the hydrogen product gas is exceeded, hydrogen with a low oxygen concentration is taken from a buffer tank and fed to the gas separator, so that the oxygen concentration in the hydrogen product gas is lowered.
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, bei dem das Wasserstoff-Produktgas auch Sauerstoff als Fremdgas enthält, bei der der Elektrolyseur über eine Produktstrom-Leitung für das Wasserstoff-Produktgas an einen Gas-Separator angeschlos sen ist und der Gas-Separator über eine Zufuhrleitung an ei nen Puffertank, wobei der Puffertank zur bedarfsweisen Zufuhr von Wasserstoff mit einer geringen Sauerstoffkonzentration zu dem Gas-Separator ausgestaltet ist, wobei in die Zufuhrlei tung ein Ventil geschaltet ist, das als bidirektionales Re- gelventil ausgestaltetet ist, so dass in einem Normalbetrieb eine Beladung des Puffertanks mit Wasserstoff-Produktgas durchführbar ist und bedarfsweise Wasserstoff-Produktgas in einer genauen Dosierung dem Gas-Separator zuführbar ist, wo bei im Gas-Separator eine gewünschte Verdünnung des Sauer stoffs als Fremdgas einstellbar 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, in which the hydrogen product gas also contains oxygen as an extraneous gas, in which the electrolyzer is connected to a gas via a product flow line for the hydrogen product gas -Separator is connected and the gas separator is connected via a supply line to a buffer tank, the buffer tank being designed to supply hydrogen with a low oxygen concentration to the gas separator as required, with a valve being connected in the supply line, which acts as a bidirectional re gel valve is configured so that in normal operation the buffer tank can be loaded with hydrogen product gas and, if necessary, hydrogen product gas can be fed to the gas separator in an exact dosage, with a desired dilution of the oxygen as foreign gas being adjustable in the gas separator is.
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.
Die Erfindung geht dabei bereits von der Erkenntnis aus, dass bisherige Betriebskonzepte für Elektrolyseanlagen hinsicht lich der Überwachung und Behebung der kritischer Betriebszu stände in Bezug auf die Qualität des erzeugten Wasserstoffs aufwändig sind und wirtschaftlich von erheblichem Nachteil. The invention is based on the knowledge that previous operating concepts for electrolysis systems with regard to the monitoring and elimination of critical operating states with regard to the quality of the hydrogen produced are complex and economically disadvantageous.
Für eine Qualitätsmessung wird in bisherigen Betriebskonzep ten üblicherweise die Konzentration von Sauerstoff im Wasser stoff-Produktgas im Gas-Separator gemessen und überwacht. Überschreitet die Konzentration einen vorbestimmten Grenz wert, so wird der Betrieb des Elektrolyseurs angehalten und das gesamte Wasserstoff-Produktgas im Gas-Separator verwor fen. Das Wasserstoff-Produktgas wird aus dem Behältervolumen des Gas-Separators und eventuellen Zuleitungen des Wasser stoffseitigen Gassystems vollständig abgelassen. Hierzu wird der Gas-Separator vollständig entlüftet. Das gesamte Gassys tem inklusive Gas-Separator wird anschließend durch eine auf wändige Spülprozedur zur Inertisierung mit Stickstoff aus ei nem Speicherbehälter im Stickstoff-System der Elektrolysean lage gespült. Das Stickstoff-System muss für diesen sicher- heitsrelevanten Bedarf an Stickstoff entsprechend großvolumig ausgelegt werden, um ausreichend Stickstoff vorzuhalten. Nachdem die Ursache für die kritische Qualität des Wasser stoff-Produktgases behoben ist, wird die Elektrolyse wieder gestartet. Durch das Inertgas Stickstoff im Gassystem muss zunächst auch das neu produzierte Wasserstoff-Produktgas ver worfen werden, und zwar so lange, bis die gewünschte Gasqua- lität wieder erreicht ist. Es ist also neben dem Vorhalten eines großvolumigen Stickstoff-Inertisierungssystem und Stickstoffbevorratung gerade auch das Verwerfen des erzeugten Wasserstoff-Produktgases unter wirtschaftlichen Gesichtspunk ten besonders nachteilig. For a quality measurement, the concentration of oxygen in the hydrogen product gas in the gas separator is usually measured and monitored in previous operating concepts. If the concentration exceeds a predetermined limit value, the operation of the electrolyzer is stopped and all of the hydrogen product gas in the gas separator is discarded. The hydrogen product gas is completely drained from the container volume of the gas separator and any supply lines of the hydrogen gas system. For this purpose, the gas separator is completely vented. The entire gas system, including the gas separator, is then flushed with nitrogen from a storage container in the nitrogen system of the electrolysis plant using a complex flushing procedure to make it inert. The nitrogen system must be designed with a correspondingly large volume for this safety-relevant need for nitrogen in order to provide sufficient nitrogen. After the cause of the critical quality of the hydrogen product gas has been eliminated, the electrolysis is restarted. Due to the inert gas nitrogen in the gas system, the newly produced hydrogen product gas must first be discarded until the desired gas quality quality is reached again. In addition to the provision of a large-volume nitrogen inerting system and nitrogen storage, it is also precisely the discarding of the hydrogen product gas produced from an economic point of view that is particularly disadvantageous.
Hier setzt die vorliegende Erfindung gezielt an, indem eine kritische Fremdgaskonzentration an Sauerstoff im Wasserstoff- Produktgas in dem dem Elektrolyseur nachgeschalteten Gas- Separator dadurch reduziert wird, dass dem Wasserstoff- Produktgas Wasserstoff besserer Qualität, das heißt mit einer geringen Sauerstoffkonzentration einem Puffertank entnommen und in gezielter und der Wasserstoff in wohldosierter Weise dem Gas-Separator zugeführt wird. Die Zufuhr bewirkt im Gas- Separator eine Mischung der Gase, wodurch eine Absenkung der Sauerstoffkonzentration erzielt wird. Die Sauerstoffkonzent ration reduziert sich allein schon aufgrund des Effekts der Gasmischung und der Verdünnung des Sauerstoffs im Wasser stoff-Produktgas, der bei der Erfindung besonders vorteilhaft ausgenutzt wird. Somit ist ein Verwerfen des Wasserstoff- Produktgases im Gas-Separator vermieden, da es bei der hier vorgeschlagenen Prozedur in diesem Behälter verbleibt. Das Gasvolumen kann daher beim Wiederanfahren des Elektrolyseurs verwendet werden. Die Wasserstoffausbeute der Elektrolysean lage erhöht sich, da praktisch kein bereits erzeugter hoch wertiger Wasserstoff verworfen wird. Ebenso kann die aufwän dige und vollständige Inertisierung des Gassystems, insbeson dere des Gas-Separators, mit Stickstoff entfallen und ein noch erforderliches Stickstoff-System an der Elektrolyseanla ge entsprechend kleiner dimensioniert werden. This is where the present invention starts in a targeted manner by reducing a critical foreign gas concentration of oxygen in the hydrogen product gas in the gas separator downstream of the electrolyzer by taking hydrogen of better quality from the hydrogen product gas, i.e. with a low oxygen concentration, from a buffer tank and storing it in more targeted and the hydrogen is fed to the gas separator in a well-dosed manner. The supply causes the gases to mix in the gas separator, which results in a reduction in the oxygen concentration. The oxygen concentration is reduced simply because of the effect of the gas mixture and the dilution of the oxygen in the hydrogen product gas, which is used to particular advantage in the invention. This avoids discarding the hydrogen product gas in the gas separator, since it remains in this container in the procedure proposed here. The gas volume can therefore be used when restarting the electrolyser. The hydrogen yield of the electrolysis system increases, since practically no high-quality hydrogen that has already been produced is discarded. Likewise, the complex and complete inerting of the gas system, in particular the gas separator, with nitrogen can be omitted and a nitrogen system that is still required on the electrolytic system can be correspondingly smaller in size.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Druck in dem Gas-Separator derart abgesenkt, dass aufgrund einer dadurch erzielten Druckdifferenz Wasserstoff mit einer geringen Sauerstoffkonzentration aus dem Puffertank in den Gas-Separator einströmt. Dadurch ist eine Zufuhr von Wasserstoff guter Qualität und Reinheit in den Gas-Separator auf besonders einfache Weise erzielt. Eine Druckdifferenz kann bevorzugt etwa durch partielles und nur geringfügiges Ablassen von Wasserstoff-Produktgas in dem Gas-Separator er zeugt werden. Alternativ ist es auch möglich, durch Einstel len eines entsprechenden höheren Druckniveaus des zugeführten Wasserstoffs eine Strömung in den Gas-Separator zur Verdün nung zu erreichen. In a particularly advantageous embodiment of the method, the pressure in the gas separator is lowered in such a way that, due to a pressure difference that is achieved as a result, hydrogen with a low oxygen concentration flows from the buffer tank into the gas separator. As a result, hydrogen of good quality and purity can be supplied to the gas separator in a particularly simple manner. A pressure difference can preferably be generated by partially and only slightly venting hydrogen product gas in the gas separator. Alternatively, it is also possible to achieve a flow into the gas separator for dilution by setting a correspondingly higher pressure level for the hydrogen supplied.
Vorteilhafterweise wird die Sauerstoffkonzentration in dem Gas-Separator gemessen. Die Messung und Überwachung der Sauerstoffkonzentration wird unter Anwendung von entsprechend sensitiven Gassensoren durchgeführt, wobei bevorzugt auch Überwachungs- und Kontrolleinheiten für eine selektive Gas- Sensorik zur Anwendung kommen, um die Sauerstoffkonzentration im Wasserstoff-Produktgas zuverlässig „in-situ" zu bestimmen und zu überwachen. Dies gilt einerseits für den regulären Be trieb der Elektrolyseanlage, aber vorteilhafterweise auch während des Verfahrens des Absenkens der Sauerstoffkonzentra tion im Wasserstoff-Produktgas unter den gewünschten vorbe stimmten, kritischen Grenzwert. Advantageously, the oxygen concentration in the gas separator is measured. The measurement and monitoring of the oxygen concentration is carried out using correspondingly sensitive gas sensors, with monitoring and control units for selective gas sensors preferably also being used in order to reliably determine and monitor the oxygen concentration in the hydrogen product gas "in situ". This applies on the one hand to the regular operation of the electrolysis system, but advantageously also during the process of lowering the oxygen concentration in the hydrogen product gas below the desired, predetermined, critical limit value.
In dem Verfahren wird der Wasserstoff mit geringer Sauer stoffkonzentration bedarfsweise einem Puffertank entnommen, in dem Wasserstoff-Produktgas hoher Reinheit und Qualität be vorratet wird und einen geringe Fremdgasbestandteil an Sauer stoff aufweist. Somit ist erreicht, dass nur im Bedarfsfall eine Zufuhr von Wasserstoff zur Verdünnung und Absenkung der Sauerstoffkonzentration vorgenommen wird. Der Puffertank ist dabei mit Wasserstoff-Produktgas guter Qualität, das heißt mit geringer oder sehr geringer Fremdgaskonzentration an Sau erstoff beladen. In dem Puffertank wird ein entsprechenden Gasvorrat gespeichert bzw. vorgehalten. Der Puffertank ist als Behälter ausgebildet, der hinsichtlich Volumen entspre chend bedarfsgerecht ausgelegt und konstruktiv angepasst ist. Der Puffertank wird vorteilhafterweise im Normalbetrieb des Elektrolyseurs, das heißt bei der elektrochemischen Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, mit Wasserstoff- Produktgas beladen, so dass ein Gasvorrat an Wasserstoff- Produktgas mit guter Qualität im Puffertank vorgehalten wird. Es ist auch möglich, dass im Normalbetrieb des Elektrolyseurs der Puffertank kontinuierlich durchströmt werden, so dass je derzeit ein Volumen zur Verfügung steht, sollte die Gasquali tät sich über den kritischen Wert einer noch tolerierbaren Sauerstoffkonzentration verschlechtern. In the process, the hydrogen with a low oxygen concentration is taken from a buffer tank as required, in which hydrogen product gas of high purity and quality is stored and has a low foreign gas component of oxygen. This ensures that hydrogen is only supplied when required to dilute and lower the oxygen concentration. The buffer tank is loaded with hydrogen product gas of good quality, that is to say with a low or very low foreign gas concentration of oxygen. A corresponding supply of gas is stored or maintained in the buffer tank. The buffer tank is designed as a container that is designed and structurally adapted to meet requirements in terms of volume. The buffer tank is advantageously charged with hydrogen product gas during normal operation of the electrolyser, ie during the electrochemical decomposition of water into hydrogen and oxygen, so that a supply of hydrogen product gas of good quality is kept in the buffer tank. It is also possible that during normal operation of the electrolyser the buffer tank is continuously flowed through, so that a volume is available at any given time should the gas quality deteriorate beyond the critical value of an oxygen concentration that is still tolerable.
Vorteilhafterweise wird somit dem Puffertank Wasserstoff- Produktgas mit einer Sauerstoffkonzentration unterhalb des vorbestimmten Grenzwerts für die Sauerstoff-Konzentration zu geführt. Dabei wird vorzugsweise dem Puffertank Wasserstoff- Produktgas aus dem Gas-Separator zugeführt. Wie beschrieben, ist es im Normalbetrieb des Elektrolyseurs möglich und vor teilhaft, den Puffertank mit Wasserstoff-Produktgas guter Qualität, d.h. mit geringer Sauerstoffkonzentration, zu bela den. Hydrogen product gas with an oxygen concentration below the predetermined limit value for the oxygen concentration is thus advantageously fed to the buffer tank. In this case, hydrogen product gas from the gas separator is preferably fed to the buffer tank. As described, it is possible and advantageous during normal operation of the electrolyser to load the buffer tank with hydrogen product gas of good quality, i.e. with a low oxygen concentration.
Vorteilhafterweise erfolgt die Einbindung eines Puffertanks stromab des Gas-Separators in das Betriebskonzept der Elekt rolyseanlage. Dieser Puffertank steht üblicherweise unter ei nem Druck und enthält Wasserstoff mit einer guten Qualität. A buffer tank is advantageously integrated into the operating concept of the electrolysis system downstream of the gas separator. This buffer tank is usually pressurized and contains good quality hydrogen.
Indiziert nun Qualitätsmessung im Gas-Separator eine schlech te Qualität, wird der Elektrolyseprozess angehalten. Anstatt nun das Gas im Gas-Separator zu verwerfen, wird der Druck im Separator nur soweit abgesenkt, dass aus dem Puffertank wie der sauberes Gas dem Gas-Separator zugeführt wird. Es wird so lange sauberes Wasserstoffgas dem Gas-Separator zugeführt, bis die Gasqualität ausreichend ist, das heißt die Sauer stoffkonzentration ist kleiner als der vorbestimmte Grenz wert. If the quality measurement in the gas separator now indicates poor quality, the electrolysis process is stopped. Instead of now discarding the gas in the gas separator, the pressure in the separator is only lowered to such an extent that clean gas is again fed to the gas separator from the buffer tank. Clean hydrogen gas is fed to the gas separator until the gas quality is sufficient, ie the oxygen concentration is less than the predetermined limit value.
In einer weiterhin besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird Wasserstoff hoher Reinheit aus einem zweiten Puffertank entnommen und dem Gas-Separator zugeführt. In a further particularly preferred embodiment of the method, hydrogen of high purity is taken from a second buffer tank and fed to the gas separator.
Wasserstoff hoher Reinheit bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Fremdgasverunreinigung mit Sauerstoff des in dem zweiten Puffertank gespeicherten Wasserstoffs noch geringer ist als die Gasqualität des Wasserstoff-Produktgases in dem Gas-Separator. Von besonderem Vorteil erweist sich hier, dass zur angestrebten Verdünnung und damit Qualitätsverbesserung des Wasserstoff-Produktgases eine im Vergleich zur Zufuhr aus dem Puffertank geringere Menge an Wasserstoff hoher Reinheit zugeführt werden muss. Es wird ein geringeres Gasvolumen be nötigt. Dabei ist die jeweilige Wasserstoffentnähme und je weilige Zufuhr aus dem Puffertank und dem zweiten Puffertank auch flexibel kombinierbar. In this context, hydrogen of high purity means that the foreign gas contamination with oxygen in the hydrogen stored in the second buffer tank is even lower is than the gas quality of the hydrogen product gas in the gas separator. It proves to be of particular advantage here that for the desired dilution and thus quality improvement of the hydrogen product gas, a smaller quantity of hydrogen of high purity has to be supplied in comparison to the supply from the buffer tank. A smaller volume of gas is required. The respective hydrogen removal and respective supply from the buffer tank and the second buffer tank can also be flexibly combined.
In bevorzugter Ausgestaltung wird dabei Wasserstoff mit ge ringer Sauerstoffkonzentration aus dem Puffertank einem Re- kombinator zugeführt wird, der einen Katalysator enthält, so dass der Sauerstoff mit dem Wasserstoff zu Wasser rekombi- niert, wobei Wasserstoff hoher Reinheit gewonnen wird, mit dem der zweite Puffertank beladen wird. Der Wasserstoff hoher Reinheit, das heißt mit einer allenfalls noch sehr geringen Fremdgaskonzentration an Sauerstoff oder aus praktischer Sicht mit keiner nennenswerten Sauerstoffkonzentration, wird somit auf vorteilhafte Weise im Betrieb der Elektrolyseanlage selbst gewonnen. Durch den vorteilhaften katalytischen Gas reinigungsschritt ist die Gasqualität in dem zweiten Puffer tank sehr gut und nochmals deutlich besser als in dem Puffer tank. In a preferred embodiment, hydrogen with a low oxygen concentration is fed from the buffer tank to a recombiner that contains a catalyst, so that the oxygen recombines with the hydrogen to form water, with hydrogen of high purity being obtained with the second buffer tank is loaded. The hydrogen of high purity, that is to say with an at most still very low foreign gas concentration of oxygen or, from a practical point of view, with no oxygen concentration worth mentioning, is thus obtained in an advantageous manner during operation of the electrolysis system itself. Thanks to the advantageous catalytic gas cleaning step, the gas quality in the second buffer tank is very good and again significantly better than in the buffer tank.
In bevorzugter Ausgestaltung wird die Erzeugung von Wasser stoff und Sauerstoff in dem Elektrolyseur angehalten. Der Normalbetrieb wird also vorteilhafterweise nur so lange un terbrochen, bis durch die Zufuhr von katalytisch gereinigtem Wasserstoff hoher Reinheit aus dem zweiten Puffertank, oder Wasserstoff-Produktgas mit einer geringen Sauerstoffkonzent ration aus dem Puffertank, in den Gas-Separator zur Verdün nung und Absenkung der Sauerstoffkonzentration unter den Grenzwert erreicht ist. Dadurch ist die benötigte Wartungs zeit mit einhergehendem Betriebsstillstand des Elektrolyseurs für das Verfahren gemäß der Erfindung vorteilhafterweise er heblich reduziert gegenüber den herkömmlichen Verfahren. Bei diesen erfolgt ein vollständiges Ablassen des Wasserstoff- Produktgases, wobei der Gas-Separator entleert wird und an schließend das Gassystem mit Stickstoff vollständig inerti- siert wird und schließlich die Elektrolyseanlage wieder ange fahren wird bis zum Erreichen bzw. Wiederaufnahme eines Nor malbetriebszustands des Elektrolyseurs. In a preferred embodiment, the production of hydrogen and oxygen in the electrolyzer is stopped. Normal operation is therefore advantageously only interrupted until the supply of catalytically purified hydrogen of high purity from the second buffer tank, or hydrogen product gas with a low oxygen concentration from the buffer tank, into the gas separator for dilution and reduction of the oxygen concentration is below the limit. As a result, the maintenance time required with the associated downtime of the electrolyzer for the method according to the invention is advantageously significantly reduced compared to the conventional method. With these, the hydrogen product gas, whereby the gas separator is emptied and then the gas system is completely rendered inert with nitrogen and finally the electrolysis system is started up again until a normal operating state of the electrolyzer is reached or resumed.
Die Elektrolyseanlage gemäß der Erfindung umfasst einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, bei dem das Wasserstoff-Produktgas auch Sau erstoff als Fremdgas enthält, wobei der Elektrolyseur über eine Produktstrom-Leitung für das Wasserstoff-Produktgas an einen Gas-Separator angeschlossen ist und der Gas-Separator über eine Zufuhrleitung an einen Puffertank, der zur bedarfs weisen Zufuhr von Wasserstoff mit einer geringen Sauerstoff konzentration zu dem Gas-Separator ausgestaltet ist. In die Zufuhrleitung ist ein bidirektionales Regelventil geschaltet, so dass in einem Normalbetrieb eine Beladung des Puffertanks mit Wasserstoff-Produktgas durchführbar ist. Bedarfsweise ist, insbesondere in einem Abschaltbetrieb, Wasserstoff- Produktgas in einer genauen Dosierung dem Gas-Separator zu- führbar. In dem Gas-Separator ist dadurch eine gewünschte Verdünnung des Sauerstoffs als Fremdgas einstellbar. The electrolysis system according to the invention comprises an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases, in which the hydrogen product gas also contains oxygen as a foreign gas, the electrolyzer being connected to a gas separator via a product flow line for the hydrogen product gas and the gas separator via a supply line to a buffer tank configured to supply hydrogen having a low oxygen concentration to the gas separator as needed. A bidirectional control valve is connected into the supply line, so that the buffer tank can be charged with hydrogen product gas during normal operation. If required, in particular in a shutdown mode, hydrogen product gas can be fed to the gas separator in a precise metering. As a result, a desired dilution of the oxygen as foreign gas can be set in the gas separator.
Der Puffertank ist vorzugsweise als Behälter ausgeführt und, wie oben bei dem Verfahren näher ausgeführt, mit Wasserstoff enthaltend eine geringe Konzentration an Sauerstoff als Fremdgas beaufschlagbar und damit füllbar. Der Puffertank dient vorteilhafterweise als Wasserstoff-Produktgasspeicher mit entsprechender Gasqualität. Durch die Zufuhrleitung ist Wasserstoff guter Qualität aus dem Puffertank in den Gas- Separator zuführbar. The buffer tank is preferably designed as a container and, as explained in more detail above for the method, can be charged with hydrogen containing a low concentration of oxygen as the foreign gas and can be filled with it. The buffer tank advantageously serves as a hydrogen product gas store with a corresponding gas quality. Hydrogen of good quality can be fed from the buffer tank into the gas separator through the feed line.
Dabei ist in die Zufuhrleitung ein Ventil geschaltet, das als ein Regelventil ausgestaltet ist. Die Ausgestaltung des Ven tils als Regelarmatur gestattet eine genaue Dosierung der Gaszufuhr zum Gas-Separator. Die Ventilposition des Regelven tils kann vorteilhafterweise mit einer hydraulischen oder elektromechanischen Ventilsteuerung oder Ventil- Regeleinrichtung angesteuert werden. In this case, a valve, which is designed as a control valve, is connected into the supply line. The design of the Ven TILs as a control valve allows precise dosing of the gas supply to the gas separator. The valve position of the Regelven TILs can advantageously with a hydraulic or electromechanical valve control or valve control device are controlled.
Dabei ist das Ventil als ein in beide Richtungen durchström- bares Regelventil oder eine Regelarmatur ausgestaltet. Die bidirektionale Ausführung des Regelventils erlaubt eine be sonders flexible Betriebsweise und Betriebsartwechsel mit ei ner Beladung des Puffertanks einerseits, beispielsweise im Normalbetrieb des Elektrolyseurs, bei dem Wasserstoff- Produktgas dem Puffertank zuführbar und dieser beladbar ist. Andererseits ist bedarfsweise im Abschaltbetrieb des Elektro lyseurs dem Gas-Separator Wasserstoff-Produktgas in der Ge genrichtung durch die Zufuhrleitung zuführbar. Durch diese Ausführung ist die Elektrolyseanlage so ausgelegt, dass bei spielsweise auf eine sprunghafte, graduelle, einmalige oder anhaltende Änderung der Gasqualität des Wasserstoff- Produktgases im Gas-Separator flexibel rasch und in kontrol lierter Weise reagiert werden kann. Durch die Zudosierung ist der gewünschte Verdünnungseffekt bewirkt, so dass ein niedri gerer Wert der Konzentration von Sauerstoff als Fremdgas in dem Wasserstoff-Produktgas im Gas-Separator einstellbar ist. Vorteilhafterweise ist durch die bidirektionale Ausführung des Regelventils die Zufuhrleitung in beiden Strömungsrich tungen nutzbar, was Kostenvorteile hat. In this case, the valve is designed as a control valve through which flow can take place in both directions, or as a control fitting. The bidirectional design of the control valve allows a particularly flexible mode of operation and mode change with egg ner loading of the buffer tank on the one hand, for example during normal operation of the electrolyser, in which hydrogen product gas can be fed to the buffer tank and this can be loaded. On the other hand, when the electrolyser is switched off, hydrogen product gas can be fed to the gas separator in the opposite direction through the supply line, if necessary. With this design, the electrolysis system is designed in such a way that, for example, a sudden, gradual, one-time or lasting change in the gas quality of the hydrogen product gas in the gas separator can be flexibly and quickly reacted to in a controlled manner. The desired dilution effect is brought about by metering in, so that a lower value for the concentration of oxygen as foreign gas in the hydrogen product gas in the gas separator can be set. Advantageously, the supply line can be used in both flow directions due to the bidirectional design of the control valve, which has cost advantages.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist eine ein Absperr ventil aufweisende Bypassleitung vorgesehen, die von der Zu fuhrleitung abzweigt und strömungstechnisch parallel der Zu fuhrleitung derart geschaltet ist, dass die Bypassleitung das Ventil, insbesondere das Regelventil, umgeht. In a particularly preferred embodiment, a bypass line having a shut-off valve is provided, which branches off from the feed line and is connected fluidically parallel to the feed line in such a way that the bypass line bypasses the valve, in particular the control valve.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage weist diese einen zweiten Puffertank auf, der über eine Lei tung mit dem Puffertank verbunden ist, wobei in die Leitung ein Rekombinator geschaltet ist, der einen Katalysator ent hält, so dass der Sauerstoff mit dem Wasserstoff zu Wasser rekombinierbar und Wasserstoff hoher Reinheit zur Beladung des zweiten Puffertanks gewinnbar ist. Der zweite Puffertank ist vorzugsweise über eine Zufuhrlei tung an den Gas-Separator angeschlossen, so dass bedarfsweise eine Zufuhr von Wasserstoff hoher Reinheit aus dem zweiten Puffertank zu dem Gas-Separator erzielbar ist. In die Zufuhr leitung ist ein Ventil geschaltet ist, das insbesondere als Regelventil ausgestaltet ist, bevorzugt ist dieses zum bidi rektionalen Betrieb ausgestaltet. Diese Ausgestaltung dient der präzisen Dosierung von gereinigtem Wasserstoff-Produktgas aufweisend eine hohe Qualität und Reinheit und der kontrol lierten Zufuhr in den Gas-Separator über die Zufuhrleitung. In a particularly preferred embodiment of the electrolysis system, it has a second buffer tank, which is connected to the buffer tank via a line, with a recombiner being connected in the line, which contains a catalyst, so that the oxygen can be recombined with the hydrogen to form water and High purity hydrogen for loading the second buffer tank is recoverable. The second buffer tank is preferably connected to the gas separator via a supply line, so that hydrogen of high purity can be supplied from the second buffer tank to the gas separator as required. In the supply line, a valve is connected, which is designed in particular as a control valve, this is preferably designed for bidirectional operation. This configuration is used for the precise dosing of cleaned hydrogen product gas having a high quality and purity and the controlled supply into the gas separator via the supply line.
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 Stickstoff-System zur1 shows an electrolysis plant with a nitrogen system
Inertisierung, inerting,
FIG 2 eine Elektrolyseanlage mit Wasserstoff-Puffertank gemäß der Erfindung, 2 shows an electrolysis system with a hydrogen buffer tank according to the invention,
FIG 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrolyse anlage mit Puffertank gemäß der Erfindung, 3 shows a further exemplary embodiment of an electrolysis system with a buffer tank according to the invention,
FIG 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrolyse anlage mit einer Gasreinigung und einem weiteren Puffertank. 4 shows a further exemplary embodiment of an electrolysis system with a gas cleaning system and a further buffer tank.
Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeu tung. The same reference symbols have the same meaning in the figures.
In FIG 1 ist eine Elektrolyseanlage 100 in einem stark ver einfachten Ausschnitt von Anlagenteilen dargestellt. Die Elektrolyseanlage 100 weist einen Elektrolyseur 1 auf, der aus einem PEM- oder Alkali-Elektrolyseur ausgeführt ist. Der Elektrolyseur 4 umfasst mindestens eine hier nicht näher ge zeigte Elektrolysezelle zum elektrochemischen Zerlegen von Wasser. Die Elektrolyseanlage 100 weist zudem ein Stickstoff- System 23 auf, das einen Stickstoff-Behälter 25 umfasst. Ein Verdichter 33 ist an das Stickstoff-System 23 angeschlossen, um das Stickstoff-System 23 zu versorgen. Über eine Spüllei tung 27 ist das Stickstoff-System 23 an einen Gas-Separator 3 angeschlossen, so dass bei Bedarf Stickstoff zur Spülung des Gas-Separators 3 dem Stickstoff-Behälter 25 entnommen und dem Gas-Separator 3 zuführbar ist (Stickstoff-Inertisierung). Der Stickstoff-Behälter 25 ist für den Bedarf an Stickstoff in der Elektrolyseanlage 100 entsprechend großvolumig dimensio niert und druckbeaufschlagt. Für eine Inertisierung sind - neben anderen Aufgaben - bedarfsweise große Mengen an Stick stoff erforderlich, die in dem Stickstoff-Behälter 25 vorzu halten sind. FIG. 1 shows an electrolysis system 100 in a greatly simplified detail of system parts. The electrolysis system 100 has an electrolyzer 1, which is made of a PEM or alkaline electrolyzer. the Electrolyzer 4 comprises at least one electrolytic cell, not shown in detail here, for the electrochemical decomposition of water. The electrolysis system 100 also has a nitrogen system 23 which includes a nitrogen tank 25 . A compressor 33 is connected to the nitrogen system 23 to supply the nitrogen system 23 . The nitrogen system 23 is connected to a gas separator 3 via a flushing line 27, so that nitrogen for flushing the gas separator 3 can be taken from the nitrogen container 25 and fed to the gas separator 3 (nitrogen inerting) if required. . The nitrogen container 25 is dimensioned and pressurized to correspond to the large volume required for nitrogen in the electrolysis system 100 . For an inerting are - among other tasks - required, large amounts of stick material required that are to keep vorzu in the nitrogen tank 25.
Im Elektrolyseur 1 wird über eine Eduktstrom-Leitung 21 ein Eduktstrom aus Wasser eingeführt. Das Wasser wird im Elektro lyseur 1 in die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff elekt rochemisch zerlegt und beide Produktströme werden separat aus dem Elektrolyseur 1 hinausgeleitet. Für die Hinausleitung des Wasserstoff-Produktstroms weist der Elektrolyseur 1 eine Pro duktstrom-Leitung 11 auf, mit deren Hilfe ein erstes Produkt, hier Wasserstoff, hinausgeführt wird. Der hier beschriebene Aufbau der Elektrolyseanlage 100 bezieht sich auf den Wasser stoff-Produktstrom. Sauerstoffseitig kann jedoch ein ähnli cher anlagentechnischer Aufbau in der Elektrolyseanlage 100 vorliegen, was in der FIG 1 aus Übersichtsgründen nicht näher gezeigt und ausgeführt ist. Der Elektrolyseur 1 ist über die Produktstrom-Leitung 11 an einen Gas-Separator 3 angeschlos sen. An den Gas-Separator 3 ist eine Entlüftungsleitung 31 angeschlossen, über die der Gas-Separator 3 entleert werden kann. Weiterhin ist an den Gas-Separator 3 ein Puffertank 5 über eine Zufuhrleitung 13a angeschlossen, in der ein Ventil 15a angeordnet ist. Dem Puffertank 5 ist Wasserstoff- Produktgas aus der Elektrolyse über die Zufuhrleitung 13a von dem Gas-Separator 3 zuführbar. Der Puffertank 5 wird auf die se Weise mit Wasserstoff-Produktgas beladen für weitere Zwe cke, insbesondere eine Gasreinigung. A reactant flow of water is introduced into the electrolyzer 1 via a reactant flow line 21 . The water is electrochemically decomposed in the electrolyser 1 into the product gases hydrogen and oxygen, and both product streams are passed out of the electrolyser 1 separately. For the outfeed of the hydrogen product stream, the electrolyzer 1 has a per duct stream line 11, with the help of which a first product, here hydrogen, is led out. The structure of the electrolysis system 100 described here relates to the hydrogen product stream. On the oxygen side, however, the electrolysis system 100 can have a similar technical installation, which is not shown or explained in more detail in FIG. 1 for reasons of clarity. The electrolyzer 1 is ruled out via the product flow line 11 to a gas separator 3 . A ventilation line 31 is connected to the gas separator 3, via which the gas separator 3 can be emptied. Furthermore, a buffer tank 5 is attached to the gas separator 3 connected via a supply line 13a in which a valve 15a is arranged. Hydrogen product gas from the electrolysis can be supplied to the buffer tank 5 by the gas separator 3 via the supply line 13a. In this way, the buffer tank 5 is loaded with hydrogen product gas for other purposes, in particular gas cleaning.
Im Betrieb des Elektrolyseurs 1 im Anlagenkonzept der FIG 1 wird Wasserstoff-Produktgas dem Gas-Separator 3 zugeführt.Hydrogen product gas is fed to the gas separator 3 during operation of the electrolyzer 1 in the system concept shown in FIG.
Für eine Qualitätsmessung des Wasserstoff-Produktgases wird in diesem Betriebskonzept die Konzentration von Sauerstoff im Wasserstoff-Produktgas im Gas-Separator 3 gemessen und über wacht. Überschreitet die Konzentration einen vorbestimmten Grenzwert, so wird der Betrieb des Elektrolyseurs 1 angehal ten und das gesamte Wasserstoff-Produktgas im Gas-Separator verworfen. Das Wasserstoff-Produktgas wird aus dem Behälter volumen des Gas-Separators 3 und eventuellen Zuleitungen des wasserstoffseitigen Gassystems vollständig abgelassen. Hierzu wird der Gas-Separator 3 vollständig über die Entlüftungslei tung 31 entlüftet. Das gesamte Gassystem inklusive Gas- Separator 3 wird anschließend durch eine aufwändige Spülpro zedur zur Inertisierung mit Stickstoff aus einem Stickstoff- Behälter 25 im Stickstoff-System 23 der Elektrolyseanlage 100 gespült. Das Stickstoff-System 23 muss für diesen sicher- heitsrelevanten Bedarf an Stickstoff entsprechend großvolumig ausgelegt werden, um ausreichend Stickstoff vorzuhalten. Nachdem die Ursache für die kritische Qualität des Wasser stoff-Produktgases behoben ist, wird die Elektrolyse wieder gestartet. Durch das Inertgas Stickstoff im Gassystem und insbesondere in dem Gas-Separator 3 muss zunächst auch das neu produzierte Wasserstoff-Produktgas verworfen werden, und zwar so lange, bis die gewünschte Gasqualität wieder erreicht ist. Es ist also neben dem Vorhalten eines großvolumigen Stickstoff-Inertisierungssystems und ausreichender Stick- Stoffbevorratung gerade auch das Verwerfen des erzeugten Was serstoff-Produktgases wirtschaftlichen Gesichtspunkten beson ders nachteilig. For a quality measurement of the hydrogen product gas, the concentration of oxygen in the hydrogen product gas in the gas separator 3 is measured and monitored in this operating concept. If the concentration exceeds a predetermined limit value, the operation of the electrolyzer 1 is stopped and all of the hydrogen product gas in the gas separator is discarded. The hydrogen product gas is completely drained from the container volume of the gas separator 3 and any supply lines of the hydrogen-side gas system. For this purpose, the gas separator 3 is completely vented via the ventilation line 31 . The entire gas system including the gas separator 3 is then flushed with nitrogen from a nitrogen tank 25 in the nitrogen system 23 of the electrolysis system 100 by means of a complex flushing procedure for inerting. The nitrogen system 23 must be designed with a correspondingly large volume for this safety-relevant need for nitrogen in order to provide sufficient nitrogen. After the cause of the critical quality of the hydrogen product gas has been eliminated, the electrolysis is restarted. Due to the inert gas nitrogen in the gas system and in particular in the gas separator 3, the newly produced hydrogen product gas must first be discarded until the desired gas quality is achieved again. In addition to having a large-volume nitrogen inerting system and sufficient nitrogen Material stockpiling just the discarding of what hydrogen product gas produced from an economic point of view particularly disadvantageous.
Hier setzt das neue Betriebskonzept der Erfindung an mit ei ner vorteilhaften Einbindung des Puffertanks 5 stromab des Gas-Separators 3, wie in FIG 2 nachstehend näher erläutert wird. Dabei entfällt gegenüber der Ausgestaltung der Elektro lyseanlage 100 gemäß der FIG 1 die Verbindung des Stickstoff- Systems 23 mit dem Gas-Separator 3 über die Spülleitung 27 zur Inertisierung mit Stickstoff. Der Puffertank 5 steht üb licherweise unter Druck und enthält Wasserstoff-Produktgas mit einer geringen Sauerstoffkonzentration aus der Elektroly se, also Wasserstoff-Produktgas mit einer guten Qualität und entsprechend geringer Fremdgaskonzentration. Der Puffertank 5 ist über die Zufuhrleitung 13a mit dem Gas-Separator 3 strö mungstechnisch verbunden. In die Zufuhrleitung 13a ist ein Ventil 15a geschaltet, dass als Regelventil ausgestaltet ist. Mit der Ausgestaltung des Ventils 15a als Regelarmatur ist eine sehr genaue Dosierung der Gaszufuhr zum Gas-Separator 3 erreicht. Die Ventilposition des Ventils 15a ist mit einer hydraulischen oder elektromechanischen Ventilsteuerung ausge stattet und durch eine Ventil-Regeleinrichtung ansteuerbar. Eine Bypass-Leitung 19 zweigt von der Zufuhrleitung 13a ab und ist strömungstechnisch parallel zu der Zufuhrleitung 13a geführt, wobei die Bypass-Leitung 19 das Ventil 15a umgeht.This is where the new operating concept of the invention comes in, with an advantageous integration of the buffer tank 5 downstream of the gas separator 3, as will be explained in more detail below in FIG. Compared to the configuration of the electrolysis system 100 according to FIG. 1, the connection of the nitrogen system 23 to the gas separator 3 via the flushing line 27 for inerting with nitrogen is omitted. The buffer tank 5 is üb SHORT- under pressure and contains hydrogen product gas with a low oxygen concentration from the electrolytic se, so hydrogen product gas with a good quality and correspondingly low foreign gas concentration. The buffer tank 5 is fluidically connected to the gas separator 3 via the supply line 13a. A valve 15a, which is designed as a control valve, is connected into the supply line 13a. With the design of the valve 15a as a control fitting, a very precise metering of the gas supply to the gas separator 3 is achieved. The valve position of the valve 15a is equipped with a hydraulic or electromechanical valve control and can be controlled by a valve control device. A bypass line 19 branches off from the supply line 13a and is routed parallel to the supply line 13a in terms of flow, the bypass line 19 bypassing the valve 15a.
In die Bypass-Leitung ist ein Absperrventil 17 geschaltet, welches als automatisches Absperrventil ausgeführt ist. Für die Strömung von Wasserstoff-Produktgas vom Gas-Separator 3 zum Puffertank 5 zu dessen Beladung im Normalbetrieb des Elektrolyseurs 1 ist mithin kein Ventil 17 mit Regelfunktion vorgesehen, was von Kostenvorteil ist. Die Druckeinstellung auf der Wasserstoffseite kann an anderer Stelle vorgenommen werden, etwa durch Einstellung des Drucks im Gas-Separator 3 ist ein Überströmen von Wasserstoff-Produktgas aus dem Gas- Separator 3 durch die Bypass-Leitung 19 in den Puffertank 5 auf einfache Weise erzielt. Für die bedarfsweise wohldosierte und geregelte Zufuhr bzw. Rückführung von Wasserstoff mit ei ner geringen Sauerstoffkonzentration, also guter Qualität, aus dem Puffertank 5 in den Gas-Separator 3 ist das Ventil 15a als Regelventil ausgeführt. Dieses Ventil 15a kann wegen der im allgemeinen erforderlichen geringeren Volumenströme zur Verdünnung entsprechend kleiner und kostengünstiger di mensioniert sein, insbesondere hinsichtlich des notwendigen Strömungsdurchmessers . In the bypass line, a shut-off valve 17 is connected, which is designed as an automatic shut-off valve. Consequently, no valve 17 with a control function is provided for the flow of hydrogen product gas from the gas separator 3 to the buffer tank 5 for loading it during normal operation of the electrolyzer 1, which is a cost advantage. The pressure on the hydrogen side can be adjusted elsewhere, for example by adjusting the pressure in the gas separator 3 an overflow of hydrogen product gas from the gas separator 3 through the bypass line 19 into the buffer tank 5 is achieved in a simple manner. The valve 15a is designed as a control valve for the well-dosed and controlled supply or recirculation of hydrogen with a low oxygen concentration, that is to say of good quality, from the buffer tank 5 into the gas separator 3 as required. Because of the generally required lower volume flows for dilution, this valve 15a can be dimensioned correspondingly smaller and more cost-effectively, in particular with regard to the necessary flow diameter.
Im Betrieb wird nun bei einer kritischen Fremdgaskonzentrati on der Sauerstoffanteil im Wasserstoff-Produktgas, in dem dem Elektrolyseur 1 nachgeschalteten Gas-Separator 3, dadurch re duziert, dass dem Wasserstoff-Produktgas Wasserstoff besserer Qualität, das heißt mit einer geringen Sauerstoffkonzentrati on in gezielter und wohldosierter Weise zugeführt wird. Diese gezielte Zufuhr bewirkt dann im Gas-Separator 3 eine Mischung der Gase, wodurch eine Absenkung der Sauerstoffkonzentration erzielt wird. Die Sauerstoffkonzentration reduziert sich al lein schon aufgrund des Effekts der Gasmischung und der Ver dünnung des Sauerstoffs im Wasserstoff-Produktgas, der bei der Erfindung besonders vorteilhaft ausgenutzt wird. Somit ist ein Verwerfen des Wasserstoff-Produktgases im Gas- Separator 3 vermieden, da es bei der hier vorgeschlagenen Prozedur in diesem Behälter verbleibt. Das Gasvolumen kann daher beim Wiederanfahren des Elektrolyseurs verwendet wer den. During operation, when there is a critical foreign gas concentration, the oxygen content in the hydrogen product gas in the gas separator 3 downstream of the electrolyzer 1 is reduced by adding hydrogen of better quality to the hydrogen product gas, i.e. with a low oxygen concentration in a targeted and is supplied in a well-dosed manner. This targeted supply then causes the gases to mix in the gas separator 3, as a result of which the oxygen concentration is reduced. The oxygen concentration is reduced al lein due to the effect of the gas mixture and the Ver dilution of the oxygen in the hydrogen product gas, which is used particularly advantageously in the invention. This avoids discarding the hydrogen product gas in the gas separator 3, since it remains in this container in the procedure proposed here. The gas volume can therefore be used when restarting the electrolyser.
Indiziert nun eine Qualitätsmessung im Gas-Separator 3 eine schlechte Qualität, wird der Elektrolyseprozess angehalten. Anstatt nun das Gas im Gas-Separator 3 zu verwerfen, wird der Druck im Gas-Separator 3 nur insoweit abgesenkt, dass aus dem Puffertank 5 wieder sauberes Wasserstoffgas dem Gas-Separator 3 zugeführt wird. Es wird so lange sauberes Wasserstoffgas dem Gas-Separator 3 zugeführt, bis die Gasqualität gut ist, das heißt die Sauerstoffkonzentration ist kleiner als der vorbestimmte Grenzwert. If a quality measurement in the gas separator 3 now indicates poor quality, the electrolysis process is stopped. Now instead of discarding the gas in the gas separator 3, the pressure in the gas separator 3 is lowered only to the extent that from the Buffer tank 5 clean hydrogen gas is supplied to the gas separator 3 again. Clean hydrogen gas is supplied to the gas separator 3 until the gas quality is good, that is, the oxygen concentration is less than the predetermined limit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Elektroly seanlage 100 gemäß FIG 3 ist gegenüber der FIG 2 sogar die Bypass-Leitung 19 entbehrlich. Hierzu ist in der Zufuhrlei tung 13a das Ventil 15a als ein in beide Richtungen durch- strömbares Regelventil ausgestaltet, also eine bidirektionale Regelarmatur eingesetzt. Die bidirektionale Ausführung des Ventils 15a als ein Regelventil erlaubt eine besonders fle xible Betriebsweise und Betriebsartwechsel mit einer Beladung des Puffertanks 5 einerseits in einem Normalbetrieb des Elektrolyseurs 1, bei dem Wasserstoff-Produktgas dem Puffer tank zuführbar und dieser beladbar ist. Andererseits ist be darfsweise im Abschaltbetrieb des Elektrolyseurs 1 dem Gas- Separator 3 Wasserstoff-Produktgas in der Gegenrichtung zu führbar. In a further advantageous embodiment of the electrolytic plant 100 according to FIG. 3, even the bypass line 19 can be dispensed with compared to FIG. For this purpose, the valve 15a in the supply line 13a is designed as a control valve through which flow can take place in both directions, ie a bidirectional control fitting is used. The bidirectional design of the valve 15a as a control valve allows a particularly flexible mode of operation and mode change with a loading of the buffer tank 5 on the one hand in normal operation of the electrolyzer 1, in which hydrogen product gas can be fed to the buffer tank and this can be loaded. On the other hand, if the electrolyzer 1 is switched off, the gas separator 3 can be fed with hydrogen product gas in the opposite direction.
FIG 4 zeigt in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausge staltung und flexiblen Weiterbildung der Erfindung, dass ein in einer Gasreinigungsstufe gewonnener Wasserstoff hoher Reinheit über eine Zufuhrleitung 15b dem Gas-Separator 3 zu führbar ist. Hierzu ist ein zweiter Puffertank 7 mit Wasser stoff hoher Reinheit bereitgestellt und in die Elektrolysean lage 100 integriert. Der zweite Puffertank 7 ist über eine Leitung 29 an den Puffertank 5 angeschlossen und dem Puffer tank 5 strömungstechnisch nachgeschaltet. In die Leitung 29 ist ein Rekombinator 9 integriert, eine so genannte DeOxo- Einheit, wo ein Gasreinigungsschritt an dem Wasserstoff- Produktgas aus dem Puffertank 5 durchführbar ist. Hierzu wird der Wasserstoff-Produktstrom dem Rekombinator 3 zugeführt, der als Katalysatormaterial Platin oder Radium enthält. Der Katalysator ist dabei vorteilhafterweise auf einem kerami schen oder metallischen Träger aufgebracht. Im Rekombinator 3 lässt der Katalysator den Wasserstoff mit dem Sauerstoff re- kombinieren, so dass Wasser entsteht. Der Produktstrom wird anschließend in einer nicht näher dargestellten Kühlvorrich tung gekühlt, da die Reaktion im Rekombinator 3 exotherm ver läuft. Der zweite Puffertank 7 ist dadurch mit Wasserstoff besonders hoher Reinheit bzgl. Fremdgasverunreinigung mit Sauerstoff beladbar, da die Gasqualität nach der katalyti schen Gasreinigung im Rekombinator 9 deutlich verbessert ist. Um den Rekombinationsprozess zu kontrollieren, werden im ge zeigten Ausführungsbeispiel vorzugsweise ein Druck p und eine Temperatur T des Wasserstoff-Produktgases sowohl am Eintritt als auch am Austritt des Rekombinators 3 erfasst und einer nicht näher dargestellten Kontrolleinheit zugeführt. In a further particularly advantageous embodiment and flexible development of the invention, FIG. 4 shows that hydrogen of high purity obtained in a gas purification stage can be fed to the gas separator 3 via a supply line 15b. For this purpose, a second buffer tank 7 with water of high purity is provided and integrated into the position 100 of the electrolysis system. The second buffer tank 7 is connected via a line 29 to the buffer tank 5 and the buffer tank 5 fluidically downstream. A recombiner 9 is integrated into the line 29, a so-called DeOxo unit, where a gas cleaning step can be carried out on the hydrogen product gas from the buffer tank 5. For this purpose, the hydrogen product stream is fed to the recombiner 3, which contains platinum or radium as catalyst material. The catalyst is advantageously applied to a ceramic or metallic support. In the recombiner 3, the catalyst allows the hydrogen to recombine with the oxygen, so that water is formed. The product stream is then cooled in a cooling device, not shown, since the reaction in the recombiner 3 is exothermic. The second buffer tank 7 can be loaded with hydrogen of particularly high purity with respect to foreign gas contamination with oxygen, since the gas quality after the catalytic gas cleaning in the recombiner 9 is significantly improved. In order to control the recombination process, in the exemplary embodiment shown, a pressure p and a temperature T of the hydrogen product gas are preferably recorded both at the inlet and at the outlet of the recombiner 3 and fed to a control unit (not shown).
Da nach dem Gasreinigungsprozess die Gasqualität deutlich besser ist, wird weniger Volumenstrom für die Zufuhr von Was serstoff aus dem zweiten Puffertank 7 in den Gas-Separator 3 benötigt, um den gewünschten Verdünnungseffekt im Gas- Separator 3 hinsichtlich der gewünschten Reduzierung der Sauerstoffkonzentration unter den vorbestimmten Grenzwert zu erzielen. Entsprechend ist gemäß in FIG 4 die Leitung 29 als Verbindung zwischen Gas-Separator 3 und dem gereinigten Was serstoff im zweiten Puffertank 7 vorgesehen. Since the gas quality is significantly better after the gas cleaning process, less volume flow is required for the supply of hydrogen from the second buffer tank 7 into the gas separator 3 in order to achieve the desired dilution effect in the gas separator 3 with regard to the desired reduction in the oxygen concentration below the predetermined ones to achieve limit. Correspondingly, the line 29 is provided as a connection between the gas separator 3 and the purified hydrogen in the second buffer tank 7 according to FIG.
In die Leitung 29 ist ein Ventil 15b geschaltet, das als Re gelarmatur ausgestaltet ist. Dadurch kann unabhängig davon, ob sich die Gasqualität sprunghaft oder graduell ändert und auch unabhängig von Zeitskalen, in denen dieser Zustand auf- tritt oder anhält, eine betriebliche Unterbrechung vermieden werden. So wird zeitlicher Raum für eine flexiblere Service planung geschaffen, insbesondere sind Service- und Wartungs- arbeiten, die von Zeit zu Zeit an der Elektrolyseanlage 1 durchzuführen sind, besser planbar. In the line 29, a valve 15b is connected, which is designed as a regulating valve. As a result, an operational interruption can be avoided regardless of whether the gas quality changes suddenly or gradually and also regardless of the time scales in which this condition occurs or persists. This creates time for more flexible service planning, in particular service and maintenance work to be carried out on the electrolysis system 1 from time to time can be better planned.
Auch für die Verbindung von Gas-Separator und dem Puffertank 3 bedeutet dies eine höhere konstruktive Flexibilität der An lagenauslegung der Elektrolyseanlage 100 dergestalt, dass das Ventil 15 a nun entweder in einer kostengünstigen Variante als Absperrventil ausgeführt sein kann (siehe FIG 1). In die sem Fall sollte bevorzugt und unabhängig vom Fehlerverlauf, der die verschlechterte Gasqualität ausgelöst, sei es ein sprunghaftes oder graduelles, einmaliges oder länger anhal tendes Überschreiten des Grenzwerts der Sauerstoffkonzentra- tion, die Verdünnung des Wasserstoff-Produktgases im Gas- Separator 3 über den zweiten Puffertank 5 nach dem Gasreini gungsschritt im Rekombinator 7 erfolgen. For the connection of the gas separator and the buffer tank 3, this also means greater structural flexibility in the system design of the electrolysis system 100 in such a way that the valve 15a can now be designed as a shut-off valve in a cost-effective variant (see FIG. 1). In this case, the dilution of the hydrogen product gas in the gas separator 3 over the second buffer tank 5 after the gas cleaning step in the recombiner 7 supply.
In alternativer und weiter bevorzugter Ausgestaltung kann die Armatur in der Zufuhrleitung 13a zwischen Gas-Separator 3 und Puffertank 5 auch entsprechend FIG 2 oder FIG 3 ausgeführt werden und ermöglicht somit viele Freiheitsgrade und Hand lungsoptionen für eine auf den Fehlerfall angepasste Be triebsführung . In an alternative and more preferred embodiment, the fitting in the supply line 13a between the gas separator 3 and the buffer tank 5 can also be designed according to FIG. 2 or FIG.
Als besonderer wirtschaftlicher Vorteil erweist sich, dass das Stickstoff-System 23 durch die vorgeschlagene Anlagenkon zept für die Elektrolyseanlage 100 deutlich kompakter gestal tet werden kann. Mit dem Konzept ist es ausreichend, ledig lich noch den kontinuierlichen Stickstoffverbrauch für den so genannten Kompressorbetrieb bereitzustellen. The fact that the nitrogen system 23 can be made significantly more compact by the proposed system concept for the electrolysis system 100 proves to be a particular economic advantage. With the concept, it is sufficient to only provide the continuous nitrogen consumption for the so-called compressor operation.
Die Menge an Stickstoff, die für Servicezwecke des Gas- Separators 3 benötigt wird, kann beispielsweise über Stick stoff-Flaschenbündel bereitgestellt werden oder über einen Stickstofftank, der zwar wie bisher durch das Volumen des Gas-Separators 3 bestimmt ist, allerdings nunmehr sehr lang sam während des Normalbetriebs gefüllt werden kann. Dies ins besondere deswegen, da Wartungsarbeiten besser geplant werden können und da die herkömmliche Vorgehensweise einer doppelten Vorhaltung des bei Bedarf erforderlichen Stickstoffvolumens für den Fall einer (erneuten) Fehlerabschaltung während der Inbetriebnahme oder kurz danach nicht mehr notwendig ist. Dieser Fehlerfall kann mit der oben beschriebenen Verfahrens weise sehr wirtschaftlich behandelt werden. The amount of nitrogen that is required for service purposes of the gas separator 3 can be provided, for example, by means of stick material bottle bundles or a nitrogen tank, which, although as before, by the volume of Gas separator 3 is intended, but now very long sam can be filled during normal operation. This is particularly so because maintenance work can be planned better and because the conventional procedure of double provision of the nitrogen volume required if required in the event of a (repeated) fault shutdown during commissioning or shortly thereafter is no longer necessary. This type of error can be dealt with very economically using the procedure described above.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage (100) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, bei dem das Wasserstoff-Produktgas aus einem Elektrolyseur (1), welches auch Sauerstoff als Fremdgas enthält, einem nachgeschalteten Gas-Separator (3) zugeführt wird, wobei bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwerts für die Sauerstoffkonzentration im Wasserstoff-Produktgas bedarfs weise Wasserstoff mit einer geringen Sauerstoffkonzentra tion einem Puffertank (5, 7) entnommen und dem Gas- Separator (3) zugeführt wird, so dass die Sauerstoffkon zentration im Wasserstoff-Produktgas abgesenkt wird. 1. A method for operating an electrolysis system (100) for generating hydrogen and oxygen as product gases, in which the hydrogen product gas from an electrolyzer (1), which also contains oxygen as an extraneous gas, is fed to a downstream gas separator (3), wherein when a predetermined limit value for the oxygen concentration in the hydrogen product gas is exceeded, hydrogen with a low oxygen concentration is removed from a buffer tank (5, 7) and fed to the gas separator (3), so that the oxygen concentration in the hydrogen product gas is lowered will.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Druck in dem Gas- Separator (3) derart abgesenkt wird, dass aufgrund einer dadurch erzielten Druckdifferenz Wasserstoff mit einer ge ringen Sauerstoffkonzentration aus dem Puffertank (5, 7) in den Gas-Separator (3) einströmt. 2. The method according to claim 1, in which the pressure in the gas separator (3) is lowered in such a way that due to a pressure difference achieved thereby, hydrogen with a low oxygen concentration wrestles from the buffer tank (5, 7) into the gas separator (3 ) flows in.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Sauerstoff konzentration in dem Gas-Separator (3) gemessen wird. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the oxygen concentration in the gas separator (3) is measured.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Puffertank (5) Wasserstoff-Produktgas mit einer Sauer stoffkonzentration unterhalb des vorbestimmten Grenzwerts für die Sauerstoff-Konzentration zugeführt wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the buffer tank (5) hydrogen product gas with an oxygen concentration below the predetermined limit value for the oxygen concentration is supplied.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Puffertank (5) Wasserstoff-Produktgas aus dem Gas- Separator (3) zugeführt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the buffer tank (5) hydrogen product gas from the gas separator (3) is supplied.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Wasserstoff hoher Reinheit aus einem zweiten Puffertank6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the hydrogen of high purity from a second buffer tank
(7) entnommen und dem Gas-Separator (3) zugeführt wird. (7) removed and fed to the gas separator (3).
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem Wasserstoff mit gerin ger Sauerstoffkonzentration aus dem Puffertank (3) einem Rekombinator (9) zugeführt wird, der einen Katalysator enthält, so dass der Sauerstoff mit dem Wasserstoff zu Wasser rekombiniert, wobei Wasserstoff hoher Reinheit ge wonnen wird, mit dem der zweite Puffertank (7) beladen wird. 7. The method according to claim 6, wherein the hydrogen with low oxygen concentration ger from the buffer tank (3). Recombiner (9) is supplied, which contains a catalyst, so that the oxygen recombines with the hydrogen to form water, with hydrogen of high purity being obtained, with which the second buffer tank (7) is loaded.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff in dem Elekt rolyseur (3) angehalten wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, in which the production of hydrogen and oxygen in the electrolyser (3) is stopped.
9. Elektrolyseanlage (100) umfassend einen Elektrolyseur (1) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produkt gase, bei dem das Wasserstoff-Produktgas auch Sauerstoff als Fremdgas enthält, wobei der Elektrolyseur (1) über ei ne Produktstrom-Leitung (11) für das Wasserstoff- Produktgas an einen Gas-Separator (3) angeschlossen ist und der Gas-Separator (3) über eine Zufuhrleitung (13a) an einen Puffertank (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Puffertank (5) zur be darfsweisen Zufuhr von Wasserstoff mit einer geringen Sauerstoffkonzentration zu dem Gas-Separator (3) ausge staltet ist, wobei in die Zufuhrleitung (13a) ein Ventil (15a) geschaltet ist, das als bidirektionales Regelventil ausgestaltetet ist, so dass in einem Normalbetrieb eine Beladung des Puffertanks (5) mit Wasserstoff-Produktgas durchführbar ist und bedarfsweise Wasserstoff-Produktgas in einer genauen Dosierung dem Gas-Separator (3) zuführbar ist, wobei im Gas-Separator (3) eine gewünschte Verdünnung des Sauerstoffs als Fremdgas einstellbar ist. 9. Electrolysis system (100) comprising an electrolyzer (1) for generating hydrogen and oxygen as product gases, in which the hydrogen product gas also contains oxygen as a foreign gas, wherein the electrolyzer (1) via ei ne product flow line (11) for the hydrogen product gas is connected to a gas separator (3) and the gas separator (3) via a supply line (13a) to a buffer tank (5), characterized in that the buffer tank (5) for supplying hydrogen as required with a low oxygen concentration to the gas separator (3), with a valve (15a) being connected in the supply line (13a), which is designed as a bidirectional control valve, so that in normal operation the buffer tank (5) is loaded can be carried out with hydrogen product gas and, if required, hydrogen product gas can be fed to the gas separator (3) in a precise dosage, with a desired dilution of the oxygen in the gas separator (3). s can be set as a foreign gas.
10. Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 9, mit einer ein Absperrventil (17) aufweisenden Bypassleitung (19), die von der Zufuhrleitung (13a) abzweigt und strömungstech- nisch parallel der Zufuhrleitung (13a) derart geschaltet ist, dass die Bypassleitung (19) das Ventil (15a) umgeht. 10. Electrolysis system (100) according to claim 9, with a bypass line (19) having a shut-off valve (17), which branches off from the supply line (13a) and is fluidically connected parallel to the supply line (13a) in such a way that the bypass line (19 ) bypasses the valve (15a).
11. Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 9 oder 10, umfas send einen zweiten Puffertank (7), der über eine Leitung (29) mit dem Puffertank (5) verbunden ist, wobei in die Leitung (29) ein Rekombinator (9) geschaltet ist, der ei- nen Katalysator enthält, so dass der Sauerstoff mit dem11. Electrolysis system (100) according to claim 9 or 10, comprising a second buffer tank (7) which is connected to the buffer tank (5) via a line (29), a recombiner (9) being connected into the line (29). is, which contains a catalyst, so that the oxygen with the
Wasserstoff zu Wasser rekombinierbar und Wasserstoff hoher Reinheit zur Beladung des zweiten Puffertanks (7) gewinn bar ist. Hydrogen can be recombined into water and hydrogen of high purity can be obtained for loading the second buffer tank (7).
12. Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 11, wobei der zweite Puffertank (7) über eine Zufuhrleitung (13b) an den Gas-Separator (3) angeschlossen ist, so dass bedarfsweise eine Zufuhr von Wasserstoff hoher Reinheit aus dem zweiten Puffertank (7) zu dem Gas-Separator (3) erzielbar ist. 12. The electrolysis system (100) according to claim 11, wherein the second buffer tank (7) is connected to the gas separator (3) via a supply line (13b), so that hydrogen of high purity can be supplied from the second buffer tank (7) as required. to the gas separator (3) can be achieved.
13. Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 12, wobei in die Zufuhrleitung (13b) ein Ventil (15B) geschaltet ist, das insbesondere als Regelventil ausgestaltet ist. 13. Electrolysis system (100) according to claim 12, wherein a valve (15B) is connected into the supply line (13b), which is designed in particular as a control valve.
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