EP4334501A1 - Verfahren zum betrieb einer elektrolyseanlage und elektrolyseanlage - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer elektrolyseanlage und elektrolyseanlage

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EP4334501A1
EP4334501A1 EP22728257.1A EP22728257A EP4334501A1 EP 4334501 A1 EP4334501 A1 EP 4334501A1 EP 22728257 A EP22728257 A EP 22728257A EP 4334501 A1 EP4334501 A1 EP 4334501A1
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EP
European Patent Office
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gas
compressed air
hydrogen
oxygen
gas separator
Prior art date
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Pending
Application number
EP22728257.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Du-Fhan Choi
Markus Ungerer
Dirk Wall
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms

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.
  • gas separators or gas separators The respective separation of the water and gas phase in the fluid flows takes place in gas separators or gas separators.
  • 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).
  • a catalyst allows the hydrogen to recombine with the oxygen to form water
  • the gas flow must first be heated to at least 80°C so that the conversion rates of the recombiner are sufficiently high and the required gas purity is achieved.
  • the process engineering plant used for this is expensive and, due to its energy requirements, reduces the system efficiency of the entire electrolytic plant.
  • the purity or quality of the two product gas streams of the gases originally produced in the electrolyzer depends on many parameters and can also change during the operation of an electrolysis system. On the one hand, this is problematic and particularly relevant to safety when the concentration of oxygen in hydrogen increases, but on the other hand it also occurs when the concentration of hydrogen in oxygen increases. If a certain concentration limit is exceeded here, especially in the respective gas separator (container) immediately downstream of the electrolysis, the oxygen gas produced can no longer be handed over for other purposes, for example.
  • Reliable and continuous monitoring of the gas quality of the product gases during operation of the electrolysis plant is therefore essential. This also applies in particular to the oxygen side of the electrolyser, ie the monitoring of the concentration of hydrogen as a foreign gas in the oxygen produced during the electrolysis. Monitoring and the corresponding operational management represent an important protective measure in order to identify critical operating states and to take safety measures, including temporarily shutting down the electrolysis 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 by a method for operating an electrolysis plant for the production of hydrogen and oxygen as product gases, in which the oxygen product gas from an electrolyzer, which also contains hydrogen contains as foreign gas, is fed to a downstream gas separator, wherein when a predetermined limit value for the hydrogen concentration in the oxygen product gas is exceeded, compressed air is fed to the gas separator, so that in the gas separator the mixing of the gases causes a dilution of the hydrogen in the gas oxygen product gas is effected, whereby the hydrogen concentration in the oxygen product gas is lowered.
  • an electrolysis system comprising an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases, in which the oxygen product gas also contains hydrogen as a foreign gas, and a compressed air system with a gas tank for storing compressed air, the electrolyzer is connected to a gas separator via a product flow line for the oxygen product gas, and the compressed air system is connected to the gas separator via a supply line, so that compressed air from the gas tank can be fed to the gas separator as required .
  • the invention is based on the knowledge that previous operating concepts for electrolysis systems with regard to the monitoring and rectification of critical operating states with regard to the quality of the oxygen produced are complex in terms of system technology and therefore have considerable economic disadvantages.
  • the concentration of hydrogen in the oxygen product gas in the corresponding 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. A depressurization is carried out on the gas separator containing the oxygen, ie this gas container is completely vented and depressurized. Disposal of the oxygen gas and complete replacement of the gas in the gas tank is required. Due to the depressurization or complete venting on the oxygen side, the entire valuable hydrogen product gas must also be discarded in the corresponding gas separator on the hydrogen side, in particular to counteract the high differential pressure caused by the venting and to prevent system damage across the PEM membrane avoid.
  • the hydrogen product gas is therefore also completely drained from the container volume of the gas separator and any supply lines of the gas system on the hydrogen side.
  • the gas separator is fully vented.
  • the entire gas system, including the gas separators, is then flushed with nitrogen from a storage tank 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 oxygen product gas has been remedied, 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 is achieved again. In addition to the provision of a large-volume nitrogen inerting system and nitrogen storage, it is precisely the discarding of the hydrogen product gas produced that is particularly disadvantageous from an economic point of view.
  • the present invention starts in a targeted manner, in that a critical foreign gas concentration of hydrogen in the oxygen product gas, which is in the corresponding gas separator downstream of the electrolyser, is reduced in that the oxygen product gas is made inert by compressed air of good quality Quality in a targeted and well-dosed way way is supplied.
  • the targeted supply of compressed air from the compressed air system causes the gases to mix in the gas separator, which reduces the hydrogen concentration in the oxygen, with the dilution effect being utilized by the mixing of the gases.
  • the compressed air thus fulfills the task of inerting and diluting, similar to an inert gas, in order to counteract critical conditions in the gas separator.
  • the hydrogen concentration is reduced simply because of the effect of the intimate gas mixture and the dilution of the hydrogen in the oxygen product gas through the supply of compressed air for inerting or dilution, so that, for example, a risk of explosion from an ignitable mixture is avoided.
  • This effect is used particularly advantageously in the invention.
  • discarding of the oxygen product gas in the gas separator on the oxygen side is avoided, since it remains in this container in the procedure proposed here, with a container pressure being maintained.
  • the gas volume can therefore be used when restarting the electrolyser.
  • the oxygen yield of the electrolysis plant increases, since practically no high-quality oxygen that has already been produced is discarded.
  • air is sucked in at atmospheric pressure and compressed to a working pressure and fed to the gas separator as compressed air.
  • air is advantageously sucked in from the environment, which is at atmospheric pressure.
  • the compression brings the air to a desired pressure level of the working pressure, which can be flexibly adjusted to the container pressure of the oxygen product gas in the gas separator depending on the current operating status and mode of operation of the electrolysis system.
  • flow control elements can be used, such as pressure reducers, pressure regulators, control valves or orifices, which are preferably operated via a measuring and control device.
  • the compressed air fulfills the task of inerting and diluting, similar to the effect of an inert gas, whereby ambient air can simply be used, which is very cost-effective and easier to implement in terms of location.
  • the hydrogen concentration in the gas separator is measured.
  • concentration of hydrogen as a foreign gas in the oxygen product gas is particularly preferably measured and monitored in situ in the gas separator.
  • the measurement and monitoring of the hydrogen concentration is carried out using correspondingly sensitive gas sensors, with monitoring and control units for selective gas sensors preferably also being used.
  • critical operating states in the gas separator are reliably detected and dangerous operating states, in particular with regard to the risk of explosion due to ignitable gas mixtures of hydrogen in the oxygen product gas, can be counteracted at an early stage.
  • Compressed air is preferably taken from a pressurized gas tank and fed to the gas separator.
  • the pressurized gas tank which is compressed air is therefore introduced as inerting or dilution gas under a pressure, gespei chert and stored and kept available for dilution purposes in suffi sponding volume for the need.
  • the pressurized gas tank therefore acts as a store or storage tank for the inert gas and is dimensioned accordingly.
  • the gas container is preferably loaded with compressed air of good quality, that is to say of high purity, that is to say the compressed air of inert gas has a low or very low concentration of harmful foreign gases.
  • compressed air of good quality that is to say of high purity, that is to say the compressed air of inert gas has a low or very low concentration of harmful foreign gases.
  • water-soluble foreign gas components in the compressed air should be avoided, since when they are fed into the gas separator, they can dissolve in the process water (educt) for further water electrolysis due to the phase mixture and have a disadvantageous effect on the operation and service life of the electrolysis system, at least in the long term. This is because a media exchange takes place at the liquid/gas phase boundary in the gas separator. For the stationary state, one can assume that the gas phase of the product gases is completely saturated with water vapor.
  • the gas tank is designed as a pressure tank, which is designed accordingly in terms of volume and adapted to the needs.
  • the gas tank is advantageously charged with compressed air during normal operation of the electrolyser, i.e. during the electrochemical decomposition of water into hydrogen and oxygen, so that a supply of compressed air of good quality is kept in the gas tank, which then acts as a buffer store or storage tank. It is also conceivable that during normal operation of the electrolyser the gas tank is continuously flowed through so that a volume is available at all times should the gas quality deteriorate beyond the critical value of a still tolerable hydrogen concentration in the oxygen product gas.
  • air is sucked in at atmospheric pressure, for example from the environment, compressed and the gas container is loaded with the compressed air, i.e. filled with compressed air.
  • a compressor that is oil-free is preferably used to compress the air, in order to prevent the entry of oil-based foreign gas components avoid in the air.
  • the pressure ratio and the compression capacity are adjusted accordingly.
  • the inert gas is advantageously sucked in by the compressor at atmospheric pressure and compressed to the desired pressure level, in particular for loading the gas container.
  • the integration of the gas tank for compressed air for the required supply of compressed air to the gas separator on the oxygen side takes place in the operating concept of the electrolysis system.
  • This gas container is usually under a working pressure and contains compressed air of good quality or high purity with regard to foreign gas components.
  • the compressed air is freed from water-soluble foreign matter such as carbon dioxide (CO 2 ) and/or sulfur dioxide (SO 2 ) in a cleaning step.
  • a gas cleaning is preferably carried out before the compressed air is fed to the gas separator to dilute its use for reducing the hydrogen concentration in the oxygen product gas.
  • the cleaning step advantageously ensures that no significant components remain in the which are chemically dissolved in water and/or adversely affect the reactions on the oxygen side of the electrolytic cell.
  • An example of this is carbon dioxide.
  • Other components such as sulfur dioxide, depending on the concentration in the intake air, can play a site-specific role that should be avoided in the inert gas. A suitable purification step is therefore provided for these components.
  • the compressed air is preferably brought into contact with an adsorbent and/or an absorbent in the cleaning step such that the water-soluble foreign gas components are separated and bound from the compressed air, with the inert gas of high purity being obtained.
  • the design of the cleaning step using adsorption or absorption or combinations of both separation methods is particularly effective in order to separate or separate the foreign gas components from the inert gas.
  • Adsorption is the accumulation of substances from gases or liquids on the surface of a solid, more generally on the interface between two phases. This differs from absorption, in which the substances penetrate into the interior of a solid or a liquid.
  • the inert gas for example based on air, with high purity and quality.
  • a PEM electrolyzer is preferably used as the electrolyzer, with a differential pressure between the hydrogen product gas and the oxygen product gas being regulated in such a way that a maximum pressure difference across the proton exchange membrane is not exceeded.
  • the membrane in particular is protected, since the pressure difference between the oxygen side and the hydrogen soap is run at a permissible target value in order to achieve the highest possible system efficiency and corresponding hydrogen yield while at the same time ensuring operational safety.
  • the differential pressure can advantageously continue to be controlled in the invention via existing control valves and control devices for operational management.
  • the pressure levels can therefore be different on the hydrogen side and the oxygen side, as long as a permissible differential pressure is observed with a view to the membrane, which is used for regulation.
  • electrolysers are designed and well suited for operation in differential pressure mode.
  • the hydrogen side can be operated at high pressure, while the oxygen side is simultaneously vented to the atmosphere without pressure.
  • both the hydrogen side and the oxygen side can also be at a respective higher working pressure than the atmosphere.
  • the generation of hydrogen and oxygen in the electrolyzer is preferably stopped, in particular only temporarily.
  • the normal operation of the electrolysis system is thus advantageously only interrupted until the supply of compressed air of good quality and high purity from the gas tank into the oxygen-side gas separator for dilution and reduction of the hydrogen concentration below the limit value is reached.
  • the time required for troubleshooting with the accompanying downtime of the electrolyzer for the method according to the invention is advantageously significantly reduced compared to conventional methods.
  • both the oxygen product gas and the hydrogen product gas are discharged completely , whereby the respective gas separator is emptied.
  • the gas system is then completely rendered inert with stick material from the nitrogen system of the electrolysis system and finally the electrolysis system is started up again until the electrolyzer reaches or resumes a normal operating state with good product gas quality.
  • the volume of air or compressed air that is required to eliminate a potentially dangerous state of high hydrogen concentration in the gas separator for dosing and dilution is significantly lower than in the known methods, since the gas separator is not intended to be completely emptied and flushed . Since, moreover, a multiple of purified compressed air is required for the generation of nitrogen in a nitrogen system, the necessary capacity of the compressed air system according to the present invention falls in the Compared to an electrolysis plant, in which nitrogen is used on site to completely inertize the gas separator on the oxygen side, it is significantly lower.
  • the electrolysis system accordingly comprises an electrolyzer for generating hydrogen and oxygen as product gases, in which the oxygen product gas also contains hydrogen as a foreign gas, and a compressed air system with a gas tank for storing compressed air, the electrolyzer having a Product flow line for the oxygen product gas is connected to a gas separator, and the compressed air system is connected to the gas separator via a supply line, so that compressed air from the gas tank can be fed to the gas separator as required is.
  • the separation of the water and gas phase takes place in the gas separator or gas separator.
  • the gas separator is preferably constructed as a gravity separator, so that the water phase can be removed from the bottom and the gas phase, in this case the oxygen product gas, can be removed from the top.
  • the water column inside the separator also serves as a buffer storage for changing load specifications.
  • a media exchange takes place at the phase boundary in the gas separator.
  • the gas phase of the product gas in this case oxygen product gas
  • a gas separator on the hydrogen side of the electrolysis plant with the phase separation of hydrogen product gas and process water (educt) for the electrolysis.
  • a valve is preferably switched into the supply line, which is designed in particular as a control valve.
  • the design of the valve as a control valve allows a precise dosing of the gas supply of inert gas to the gas separator on the oxygen side.
  • the valve position of the control valve can advantageously be adjusted with a hydraulic or electromechanical valve control or valve control device. to be controlled.
  • a corresponding control and regulation device as well as sensor devices are preferably integrated into the system concept of the electrolysis system.
  • a cleaning device for the compressed air is preferably connected into the supply line, so that foreign matter can be separated from the compressed air.
  • the cleaning device has an adsorption agent and/or an absorption agent, by means of which foreign gas components from the compressed air can be adsorbed and/or absorbed.
  • the materials can be selected accordingly in order to adapt the cleaning device to the requirements.
  • the deposition or separation of water-soluble foreign gas components in the compressed air or traces of originally present components which is particularly important when using ambient air as the inert gas.
  • Adsorption or absorption of carbon monoxide or sulfur dioxide from the air is particularly advantageous here.
  • An adsorbent or adsorbent is used to remove trace substances from the air. The same applies to absorbents or absorbents.
  • the electrolysis system has a compressor to which the gas tank is connected via a connecting line, so that compressed air, ie compressed air, can be fed to the gas tank or metered into the gas tank.
  • the compressor is preferably designed as an oil-lubricated air compressor, which is followed by an oil filter.
  • the oil filter is designed to be correspondingly efficient in terms of filtering oil components in the compressed air.
  • Oil residues as gaseous foreign matter in the compressed air should also generally be avoided as far as possible in order to ensure reliable operation of the electrolysis system with a high level of availability. This can be done in two ways, for example.
  • an appropriate oil filter can advantageously be installed before the compressed air is used for inerting. With the use of such highly efficient oil filters, a class 2 oil-free status can be achieved with very low residual oil quantities of less than 0.1 mg/m 3 .
  • oil-free compressors can also be used so that the compressed air fed to the gas separator is also completely oil-free.
  • the compressor is therefore designed as an oil-free compressor.
  • FIG. 1 shows an electrolysis system 100 in a greatly simplified detail of system parts.
  • the electrolysis system 100 has an electrolyzer 1 which designed as a PEM or alkaline electrolyser.
  • the electrolyzer 1 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 3 which includes a nitrogen tank 5 .
  • a compressor 7 is connected to the nitrogen system 3 to supply the nitrogen system 3 .
  • the nitrogen system 3 is connected to a gas separator 11 via a flushing line 9, so that nitrogen for flushing the gas separator 3 can be taken from the nitrogen container 5 if required and fed to the gas separator 3 via the flushing line 9 ( nitrogen inerting).
  • the nitrogen container 3 is dimensioned to have a correspondingly large volume and is pressurized for the nitrogen requirement in the electrolysis system 100 .
  • the nitrogen container 3 is dimensioned to have a correspondingly large volume and is pressurized for the nitrogen requirement in the electrolysis system 100 .
  • Inerti tion are - among other tasks - required, large amounts of nitrogen in the electrolysis system are required, which are to be held in the nitrogen tank 5.
  • a reactant flow of water is introduced into the electrolyzer 1 via a reactant flow line 13 .
  • the water is electrochemically broken down in the electrolyzer 1 into the product gases hydrogen and oxygen, and both product streams are passed out of the electrolyzer 1 separately.
  • the electrolyzer 1 has a product stream line 15, with the help of which a first product, here oxygen from the electrolysis, is led out.
  • the structure of the electrolysis plant 100 described here considers the oxygen product stream.
  • On the hydrogen side there is a corresponding plant engineering structure in the electrolysis plant 100, which is not shown in more detail in FIG. 1 for reasons of clarity and is explained in detail.
  • a pro duct stream line 17 is specially provided for the outflow of the hydrogen product stream from the electrolyzer 1, with the help of which a second Product, namely the hydrogen obtained from electrolysis, is carried out.
  • the hydrogen obtained is then treated in further components of the electrolysis system 100--not shown in greater detail in FIG. 1--and processed further in terms of process technology.
  • the electrolyzer 1 is connected to the gas separator 11 on the oxygen side via the product current line 15 .
  • a vent line 19 is connected to the gas separator 11, via which the gas separator 11 can be completely emptied by depressurizing it if necessary, so that the water is depressurized or under atmospheric pressure.
  • a compressed air system 21 comprising a gas tank 23 and an air compressor 25 is provided, so that the gas tank 23 can be supplied with compressed air from the air compressor 25 via the connecting line 27 .
  • the gas tank 23 can be loaded with compressed air L (compressed air) and stored for other purposes.
  • the compressed air system 21 is connected via a supply line 29a.
  • Another consumption unit 31 is supplied with compressed air L via a supply line 29b.
  • oxygen product gas is fed to the gas separator 11 .
  • the concentration of hydrogen in the oxygen product gas in the gas separator 11 is continuously measured and monitored in this operating concept. If the concentration exceeds a certain limit value before, the operation of the electrolyzer 1 is stopped and the entire oxygen product gas in the gas separator 11 is discarded. The oxygen product gas is completely drained from the container volume of the gas separator 11 and any supply lines of the oxygen-side gas system. to let. For this purpose, the gas separator 11 is completely vented via the vent line 19 and depressurized. The entire gas system including gas separator 11 is then flushed walked d by a complex and costly flushing procedure for inerting with nitrogen from a nitrogen tank 5 in the nitrogen system 3 of the electrolysis system 100.
  • the nitrogen system 3 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 oxygen product gas has been eliminated, electrolysis is restarted. By flushing the gas system with nitrogen and in particular in the gas separator 11, the newly produced oxygen product gas must first be discarded until the desired gas quality is achieved again.
  • FIG. 2 shows an electrolysis system 1 with a compressed air system according to the invention.
  • the new operating concept of the invention starts with an advantageous integration of the compressed air system 21 and design of the same as an inert gas system, which is connected to the gas separator 11 on the oxygen side.
  • the flushing line 9 which connects the nitrogen system 3 to the gas separator 3 for rendering the entire gas system inert with nitrogen, is omitted.
  • the compressed air system 21 is connected to the gas separator 11 via the supply line 37, so that compressed air L can be removed from the gas tank 23 as required.
  • the gas tank 23 is a store for storing and providing compressed air.
  • the compressed air system 21 has an air compressor 25 and a gas tank 23 which are connected to one another via a connecting line 27 .
  • the air compressor 25 is designed as an oil-free compressor.
  • a cleaning device 33 is connected, which has an absorption agent and/or an adsorbent.
  • harmful foreign gas components can be removed from the compressed air L stored in the gas container 23 and an inert or diluent gas of very high quality and purity is produced.
  • carbon dioxide and/or sulfur dioxide can be removed from the compressed air L by means of the cleaning device 33 .
  • the heat energy released by adsorption or absorption can be used for other purposes by cooling the cleaning device 33, for example in a heat exchange process by coupling a heat exchanger.
  • a control valve 35 is connected in the flow direction of the compressed air L downstream of the cleaning device 33 in the supply line 37, the valve position of which can be regulated by a control device (not shown in detail) to the requirement and the pressure level of compressed air L for the supply to the gas separator 11. Downstream of the control valve 35, the supply line 37 opens into the gas separator 11. During operation of the electrolysis system 100, the foreign gas concentration of hydrogen in the oxygen product gas from the electrolyzer 1 in the oxygen-side downstream gas separator 11 is continuously measured and monitored.
  • the hydrogen concentration is reduced in that the oxygen product gas is treated with cleaned compressed air L of good quality and purity, that is, with all if very small impurities or harmful foreign gas components is supplied in a targeted and well-dosed manner via the control valve 35.
  • This targeted supply then causes an intimate mixture of the gases in the gas separator 11, as a result of which the hydrogen concentration is reduced.
  • the hydrogen concentration is already reduced because of the effect of the gas phase mixture and the dilution of the hydrogen in the oxygen product gas by metering in compressed air L, an effect that is used particularly advantageously and specifically in the invention.
  • the nitrogen system 3 can be made significantly more compact for the electrolysis system 100 using the proposed system concept according to FIG. 2 compared to the concept according to FIG.
  • the corresponding parts of the system, in particular the nitrogen tank 5, can be made smaller.

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage (100) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, bei dem das Sauerstoff-Produktgas aus einem Elektrolyseur (1), welches auch Wasserstoff als Fremdgas enthält, einem nachgeschalteten Gas-Separator (11) zugeführt wird, wobei bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwerts für die Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff-Produktgas dem Gas-Separator (11) ein Inertgas (L) zugeführt wird, so dass die Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff-Produktgas abgesenkt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Elektrolyseanlage (100).

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage und Elektroly seanlage
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.
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.
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";
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.
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) als austreten. Die jeweilige Trennung der Wasser- und Gasphase in den Fluidströmen erfolgt in Gasabscheidern oder Gas- Separatoren .
In der Praxis befinden sich im Sauerstoffgasstrom dabei klei ne Mengen an Wasserstoff und im Wasserstoffgasstrom kleine Mengen an Sauerstoff. Die Quantität des jeweiligen Fremdgases hängt vom Elektrolyse-Zelldesign ab und variiert auch unter dem Einfluss von Stromdichte, Katalysatorzusammensetzung, Al terung und bei einer PEM-Elektrolyseanlage vom Membranmateri al ab. Systemimmanent ist dabei, dass im Gasstrom des einen Produktgases jeweils das andere Produktgas in sehr geringen Mengen vorliegt. Im weiteren Prozessverlauf werden in der Re gel in nachgeschalteten Schritten der Gasreinigung selbst ge ringe Sauerstoffspuren aus dem Wasserstoff mit zum Teil sehr aufwändigen und kostenintensiven Reinigungsschritten ent fernt, insbesondere wenn eine besonders hohe Produktgasquali tät gefordert ist, wie dies etwa bei der Nutzung des Wasser stoffs z.B. für Brennstoffzellen der Fall ist.
Beispielsweise können in einer Elektrolyseanlage zur Gasrei nigung der Produktgasströme aus dem Elektrolyseur insbesonde re beide Produktgasströme einem jeweiligen, katalytisch akti vierten Rekombinator zugeführt werden, in dem ein Katalysator den Wasserstoff mit dem Sauerstoff zu Wasser rekombinieren lässt (DeOxo-Einheit). Dazu muss der Gasstrom zuvor auf min destens 80°C aufgeheizt werden, damit die Umsatzraten des Re- kombinators ausreichend hoch sind und somit die geforderte Gasreinheit erreicht wird. Die dafür genutzte verfahrenstech nische Anlage ist jedoch teuer und reduziert auf Grund ihres Energiebedarfs den Systemwirkungsgrad der gesamten Elektroly seanlage. Deswegen ist bereits auf die Reinheit und Qualität der im Elektrolyseur zunächst entstehenden und aus dem Elekt rolyseur abgeführten Produktgasströme zu achten, auch um ne ben Betriebssicherheitsaspekten auch die Kosten und Aufwand für die nachfolgenden Reinigungsschritte noch in vertretbarem Rahmen zu halten. Die Reinheit bzw. Qualität der beiden Produktgasströme der ursprünglich im Elektrolyseur produzierten Gase ist dabei von vielen Parametern abhängig und kann sich auch im Laufe des Betriebs einer Elektrolyseanlage ändern. Problematisch und besonders sicherheitsrelevant ist hierbei einerseits, wenn sich die Konzentration von Sauerstoff in Wasserstoff erhöht, andererseits aber auch, wenn sich die Konzentration von Was serstoff in Sauerstoff erhöht. Wird hier ein bestimmtes Kon zentrationslimit überschritten, vor allem im jeweiligen Gas- Separator (Behälter) unmittelbar stromab der Elektrolyse, so kann beispielsweise das produzierte Sauerstoffgas nicht mehr für weitere Zwecke übergeben werden. Steigt der Anteil von Wasserstoff im Sauerstoff-Produktgas weiter, dann kann sogar ein brennbares bzw. explosives Gemisch entstehen. Dann herrscht in dem Gas-Separator (Behälter) ein potenziell ge fährlicher Betriebszustand, den es aus Sicherheitsgründen un bedingt zu vermeiden gilt. Dies gilt entsprechend auch auf der Wasserstoffseite.
Daher ist eine zuverlässige und kontinuierliche Überwachung der Gasqualität der Produktgase im Betrieb des Elektrolysean lage unerlässlich. Dies gilt in besonderer Weise auch auf der Sauerstoffseite des Elektrolyseurs, das heißt die Überwachung der Konzentration von Wasserstoff als Fremdgas in dem bei der Elektrolyse produzierten Sauerstoff. Die Überwachung und ent sprechende Betriebsführung stellt eine wichtige Schutzvorkeh rung dar, um kritische Betriebszustände zu erkennen und um Sicherheitsmaßnahmen bis hin zum temporären Abschalten der Elektrolyseanlage zu ergreifen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde bei einer Elektrolyseanlage einen hinsichtlich Sicherheit und Anla geneffizienz verbesserten Betrieb zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage zur Erzeugung von Wasser stoff und Sauerstoff als Produktgase, bei dem das Sauerstoff- Produktgas aus einem Elektrolyseur, welches auch Wasserstoff als Fremdgas enthält, einem nachgeschalteten Gas-Separator zugeführt wird, wobei bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwerts für die Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff- Produktgas dem Gas-Separator Druckluft zugeführt wird, so dass im Gas-Separator durch die Mischung der Gase eine Ver dünnung des Wasserstoffs im Sauerstoff-Produktgas bewirkt wird, wobei die Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff- Produktgas abgesenkt wird.
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, bei dem das Sauerstoff-Produktgas auch Wasserstoff als Fremdgas enthält, sowie ein Druckluft-System mit einem Gasbehälter zur Bevorra tung von Druckluft, wobei der Elektrolyseur über eine Pro duktstrom-Leitung für das Sauerstoff-Produktgas an einen Gas- Separator angeschlossen ist, und wobei das Druckluft-System über eine Zufuhrleitung mit dem Gas-Separator verbunden ist, so dass bedarfsweise dem Gas-Separator Druckluft aus dem Gas behälter zuführbar ist.
Die in Bezug auf das Verfahren nachstehend angeführten Vor teile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Elektrolyseanlage übertragen.
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 Sauerstoffs anlagentechnisch aufwändig sind und daher wirtschaftlich er hebliche Nachteile aufweisen.
Für eine Qualitätsmessung auf der Sauerstoffseite einer Elektrolyseanlage wird in bisherigen Betriebskonzepten übli cherweise die Konzentration von Wasserstoff im Sauerstoff- Produktgas im entsprechenden Gas-Separator gemessen und über wacht. Überschreitet die Konzentration einen vorbestimmten Grenzwert, so wird der Betrieb des Elektrolyseurs angehalten. An dem den Sauerstoff enthaltenden Gas-Separator wird eine Druckentlastung durchgeführt, das heißt dieser Gasbehälter wird vollständig entlüftet und drucklos gestellt. Ein Verwer fen des Sauerstoffgases und ein kompletter Austausch des Ga ses in dem Gasbehälter ist erforderlich. Durch die Drucken- lastung bzw. vollständige Entlüftung auf der Sauerstoffseite muss auch auf der Wasserstoffseite das gesamte wertvolle Was serstoff-Produktgas im entsprechenden Gas-Separator verworfen werden, insbesondere um dem hohen Differenzdruck durch die Entlüftung entgegenzuwirken und um Systemschäden über der PEM-Membran zu vermeiden. Auch das Wasserstoff-Produktgas wird daher aus dem Behältervolumen des Gas-Separators und eventuellen Zuleitungen des wasserstoffseitigen Gassystems vollständig abgelassen. Hierzu wird der Gas-Separator voll ständig entlüftet. Das gesamte Gassystem inklusive der Gas- Separatoren wird anschließend durch eine aufwändige Spülpro zedur zur Inertisierung mit Stickstoff aus einem Speicherbe hälter im Stickstoff-System der Elektrolyseanlage gespült.
Das Stickstoff-System muss für diesen sicherheitsrelevanten Bedarf an Stickstoff entsprechend großvolumig ausgelegt wer den, um ausreichend Stickstoff vorzuhalten. Nachdem die Ursa che für die kritische Qualität des Sauerstoff-Produktgases behoben ist, wird die Elektrolyse wieder gestartet. Durch das Inertgas Stickstoff im Gassystem 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 Stick stoff-Inertisierungssystems und einer Stickstoffbevorratung gerade auch das Verwerfen des erzeugten Wasserstoff- Produktgases unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten besonders nachteilig .
Hier setzt die vorliegende Erfindung gezielt an, indem eine kritische Fremdgaskonzentration an Wasserstoff im Sauerstoff- Produktgas, welches sich in dem entsprechenden, dem Elektro lyseur nachgeschalteten Gas-Separator, befindet, dadurch re duziert wird, dass zur Inertisierung dem Sauerstoff-Produkt gas Druckluft guter Qualität in gezielter und wohldosierter Weise zugeführt wird. Die gezielte Zufuhr von Druckluft aus dem Druckluft-System bewirkt im Gas-Separator eine Mischung der Gase, wodurch eine Absenkung der Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff erreicht wird, wobei der Verdünnungseffekt durch die Mischung der Gase ausgenutzt wird. Die Druckluft erfüllt somit die Aufgabe der Inertisierung und Verdünnung, ähnlich eines Inertgases, um kritischen Zuständen im Gas- Separator zu begegnen. Die Wasserstoffkonzentration reduziert sich allein schon aufgrund des Effekts der innigen Gasmi schung und der Verdünnung des Wasserstoffs im Sauerstoff- Produktgas durch die Zufuhr von Druckluft zur Inertisierung bzw. Verdünnung, so dass beispielsweise eine Explosionsgefahr durch ein zündfähiges Gemisch vermieden wird. Dieser Effekt wird bei der Erfindung besonders vorteilhaft ausgenutzt. So mit wird einerseits ein Verwerfen des Sauerstoff-Produktgases im Gas-Separator auf der Sauerstoffseite vermieden, da es bei der hier vorgeschlagenen Prozedur in diesem Behälter ver bleibt, wobei ein Behälterdruck aufrechterhalten wird. Das Gasvolumen kann daher beim Wiederanfahren des Elektrolyseurs verwendet werden. Die Sauerstoffausbeute der Elektrolyseanla ge erhöht sich, da praktisch kein bereits erzeugter hochwer tiger Sauerstoff verworfen wird.
Von ganz besonderem Vorteil erweist sich nun aber anderer seits, dass auf der Wasserstoffseite ein Verwerfen des wert vollen Wasserstoff-Produktgases im Gas-Separator dadurch ebenfalls vermieden wird. Das Wasserstoff-Produktgas ver bleibt bei der hier vorgeschlagenen Prozedur der Erfindung in dem wasserstoffseifigen Behälter des Gas-Separators, wobei ein Behälterdruck aufrechterhalten wird und keine vollständi ge Entlüftung vorgenommen wird. Vorteilhaft kann hierdurch ein nennenswerter Anstieg des Differenzdruckes zwischen Sau erstoffseite und Wasserstoffseite des Elektrolyseurs, insbe sondere über der Membran eines PEM-Elektrolyseurs, gezielt vermieden werden. Das Gasvolumen an Wasserstoff-Produktgas im Gasbehälter, dem wasserstoffseifigen Gas-Separator, kann nun mehr beim Wiederanfahren des Elektrolyseurs verwendet werden, was die Wirtschaftlichkeit erhöht. Ebenso kann die aufwändige und vollständige Spülung und Iner tisierung des gesamten Gassystems, insbesondere des Gas- Separators, mit Stickstoff entfallen und ein noch erforderli ches Stickstoff-System an der Elektrolyseanlage aufgrund der Nutzung des Druckluft-Systems entsprechend kleiner dimensio niert werden.
In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens wird Luft bei Atmosphärendruck angesaugt und auf einen Arbeitsdruck kompri miert und als Druckluft dem Gas-Separator zugeführt. Hierbei wird vorteilhafterweise Luft aus der Umgebung angesaugt, die sich auf Atmosphärendruck befindet. Durch die Komprimierung wird die Luft auf ein gewünschtes Druckniveau des Arbeits drucks gebracht, das dadurch flexibel anpassbar ist an den Behälterdruck des Sauerstoff-Produktgases im Gas-Separator je nach aktuellem Betriebszustand und Fahrweise der Elektrolyse anlage. Zur präzisen Einstellung des Arbeitsdrucks auf das gewünschte Druckniveau und die Zufuhr der Druckluft in den Gas-Separator können strömungstechnische Stellelemente ver wendet werden, wie beispielsweise Druckminderer, Druckregler, Regelventile oder Blenden, die bevorzugt über eine Mess- und Steuereinrichtung betrieben werden. Die Druckluft erfüllt die Aufgabe der Inertisierung und Verdünnung, ähnlich wie die Wirkung eines Inertgases, wobei einfach auf Umgebungsluft zu rückgegriffen werden kann, was sehr kostengünstig ist und an lagentechnisch einfacher realisierbar.
Vorzugsweise wird die Wasserstoffkonzentration in dem Gas- Separator gemessen. Besonders bevorzugt wird die Konzentra tion von Wasserstoff als Fremdgas in dem Sauerstoff-Produkt gas dabei in-situ in dem Gas-Separator gemessen und über wacht.
Die Messung und Überwachung der Wasserstoffkonzentration wird dabei unter Anwendung entsprechend sensitiver Gassensoren durchgeführt, wobei bevorzugt auch Überwachungs- und Kontrol- leinheiten für eine selektive Gas-Sensorik zur Anwendung kom- men, um die Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff-Produktgas zuverlässig „in-situ" zu bestimmen und zu überwachen. Dies gilt einerseits für den regulären Betrieb der Elektrolysean lage, aber vorteilhafterweise auch während des Verfahrens des Absenkens der Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff-Produkt gas unter den gewünschten vorbestimmten, kritischen Grenz wert. Hierdurch werden kritische Betriebszustände im Gas- Separator zuverlässig erkannt und gefährlichen Betriebszu ständen, insbesondere hinsichtlich einer Explosionsgefahr durch zündfähige Gasgemische aus Wasserstoff in dem Sauer stoff-Produktgas, kann frühzeitig entgegengewirkt werden.
Vorzugsweise wird Druckluft einem druckbeladenen Gasbehälter entnommen und dem Gas-Separator zugeführt. In dem druckbela denen Gas-Behälter wird mithin Druckluft als Inertisierungs oder Verdünnungsgas unter einem Druck eingebracht, gespei chert und bevorratet und für die Verdünnungszwecke in ausrei chendem Volumen für den Bedarf vorgehalten. Der druckbeladene Gas-behälter wirkt daher als Speicher oder Vorratsbehälter für das Inertgas und ist entsprechend dimensioniert.
Somit ist erreicht, dass nur im Bedarfsfall eine Zufuhr von Inertgas zur Verdünnung und Absenkung der Wasserstoffkonzent ration vorgenommen wird. Der Gasbehälter ist dabei bevorzugt mit Druckluft guter Qualität, also hoher Reinheit, beladen, das heißt die Druckluft Inertgas weist eine geringe oder sehr geringe schädigende Fremdgaskonzentration auf. Insbesondere sind wasserlösliche Fremdgasbestandteile in der Druckluft zu vermeiden, da diese bei Zufuhr in den Gas-Separator sich auf grund des Phasengemisches in dem Prozesswasser (Edukt) für die weitere Wasserelektrolyse auflösen können und zumindest langfristig nachteilig auf den Betrieb und die Standzeiten der Elektrolyseanlage auswirken. An der Phasengrenze flüssig gasförmig in dem Gas-Separator findet nämlich ein Medienaus tausch statt. Für den stationären Zustand kann man annehmen, dass die Gasphase der Produktgase vollständig mit Wasserdampf gesättigt vorliegt. In dem Gasbehälter wird ein entsprechenden Gasvorrat an Druckluft gespeichert und vorgehalten. Der Gasbehälter ist als Druckbehälter ausgebildet, der hinsichtlich Volumen ent sprechend bedarfsgerecht ausgelegt und konstruktiv angepasst ist. Der Gasbehälter wird vorteilhafterweise im Normalbetrieb des Elektrolyseurs, das heißt bei der elektrochemischen Zer legung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, mit Druck luft beladen, so dass ein Gasvorrat an Druckluft mit guter Qualität in dem dann als Pufferspeicher oder Vorratstank wir kenden Gasbehälter vorgehalten wird. Es ist auch denkbar, dass im Normalbetrieb des Elektrolyseurs der Gasbehälter kon tinuierlich durchströmt wird, so dass jederzeit ein Volumen zur Verfügung steht, sollte die Gasqualität sich über den kritischen Wert einer noch tolerierbaren Wasserstoffkonzent- ration im Sauerstoff-Produktgas verschlechtern.
In vorteilhafter Ausgestaltung wird Luft bei Atmosphärendruck angesaugt etwa aus der Umgebung, komprimiert und der Gasbe hälter wird mit der komprimierten Luft beladen, also mit Druckluft gefüllt Zur Kompression der Luft wird bevorzugt ein Kompressor eingesetzt, der ölfrei ist, um die den Eintrag von ölbasierten Fremdgasbestandteilen in die Luft zu vermeiden. Das Druckverhältnis und die Kompressionsleistung sind ent sprechend angepasst. Das Inertgas wird vorteilhafterweise bei Atmosphärendruck von dem Kompressor angesaugt und auf das ge wünschte Druckniveau, insbesondere zur Beladung des Gasbehäl ters, komprimiert. Vorteilhafterweise erfolgt die Einbindung des Gasbehälters für Druckluft zur bedarfsweisen Zufuhr von Druckluft zu dem Gas-Separator auf der Sauerstoffseite in das Betriebskonzept der Elektrolyseanlage. Dieser Gasbehälter steht üblicherweise unter einem Arbeitsdruck und enthält Druckluft mit einer guten Qualität bzw. hoher Reinheit bzgl. Fremdgasbestandteilen .
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird in einem Reinigungsschritt die Druckluft von wasserlöslichen Fremdbestandteilen wie Kohlenstoffdioxid (CO2) und/oder Schwefeldioxid (SO2) , befreit. Für den Fall, dass die Quali- tat und Reinheit der Druckluft nicht ausreichend ist, wird bevorzugt eine Gasreinigung durchgeführt, bevor die Druckluft zur Verdünnung seiner Verwendung zur Reduzierung der Wasser stoffkonzentration im Sauerstoff-Produktgas Gas-Separator zu geführt wird.
Auf die Qualität der verwendeten Druckluft wird vorteilhaf terweise ein ganz besonderes Augenmerk gelegt, insbesondere dass sich keine ggf. die Elektrolyseanlage schädigenden Fremdgasbestandteile in einer kritischen Konzentration mehr im Inertgas befinden. Beispielsweise wird bei der Verwendung von Luft oder Druckluft als Inertgas durch den Reinigungs schritt vorteilhafterweise dafür gesorgt, dass keine nennens werten Bestandteile in der verbleiben, die in Wasser chemisch gelöst werden und/oder die Reaktionen auf der Sauerstoffseite der Elektrolysezelle nachteilig beeinflussen. Hier ist bei spielsweise Kohlenstoffdioxid anzuführen. Weitere Bestandtei le wie etwa Schwefeldioxid je nach Konzentration in der ange saugten Luft können standortspezifisch eine Rolle spielen, die es im Inertgas zu vermeiden gilt. Für diese Bestandteile ist daher ein geeigneter Reinigungsschritt vorgesehen.
Hierzu wird bevorzugterweise in dem Reinigungsschritt die Druckluft mit einem Adsorptionsmittel und/oder einem Absorp tionsmittel derart in Kontakt gebracht, so dass die wasser löslichen Fremdgasbestandteile aus der Druckluft abgeschieden und gebunden werden, wobei dass Inertgas hoher Reinheit ge wonnen wird. Die Ausgestaltung des Reinigungsschritts unter Ausnutzung der Adsorption oder der Absorption oder Kombinati onen aus beiden Trennverfahren ist dabei besonders wirksam, um die Fremdgasbestandteile aus dem Inertgas herauszulösen bzw. abzuscheiden. Als Adsorption bezeichnet man die Anrei cherung von Stoffen aus Gasen oder Flüssigkeiten an der Ober fläche eines Festkörpers, allgemeiner an der Grenzfläche zwi schen zwei Phasen. Davon unterscheidet sich die Absorption, bei der die Stoffe in das Innere eines Festkörpers oder einer Flüssigkeit eindringen. Hierdurch kann das Inertgas, bei- spielsweise basierend auf Luft, mit hoher Reinheit und Quali tät gewonnen werden.
Vorzugsweise wird als Elektrolyseur ein PEM-Elektrolyseur verwendet, wobei ein Differenzdruck zwischen Wasserstoff- Produktgas und dem Sauerstoff-Produktgas derart geregelt wird, dass ein maximaler Druckunterschied über der Proton- Exchange-Membrane nicht überschritten wird.
Mit einer Differenzdruckregelung einer PEM-basierten Elektro lyseanlage wird insbesondere die Membran geschützt, da die Druckdifferenz zwischen Sauerstoffseite und Wasserstoffseife auf einem zulässigen Sollwert gefahren wird, um einen mög lichst hohen Anlagenwirkungsgrad und entsprechende Wasser stoffausbeute zu erzielen bei gleichzeitiger Betriebssicher heit. Über vorhandene Regelventile und Regeleinrichtungen für die Betriebsführung kann vorteilhafterweise der Differenz druck auch bei der Erfindung weiterhin geregelt werden. Die Druckniveaus können daher auf der Wasserstoffseite und der Sauerstoffseite unterschiedlich sein, solange ein zulässiger Differenzdruck mit Blick auf die Membran beachtet wird, auf den hin geregelt wird. Generell sind Elektrolyseure für den Betrieb im Differenzdruckmodus konzipiert und gut geeignet.
So kann beispielsweise die Wasserstoffseite mit einem hohen Druck gefahren werden, während die Sauerstoffseite gleichzei tig drucklos in die Atmosphäre entlüftet. Es können sich aber auch sowohl Wasserstoffseite als auch Sauerstoffseite auf ei nem jeweiligen höheren Arbeitsdruck gegenüber der Atmosphäre befinden.
Vorzugsweise wird die Erzeugung von Wasserstoff und Sauer stoff in dem Elektrolyseur, insbesondere nur vorübergehend, angehalten .
Der Normalbetrieb der Elektrolyseanlage wird also vorteilhaf terweise nur so lange unterbrochen, bis durch die Zufuhr von Druckluft guter Qualität und hoher Reinheit aus dem Gasbehäl ter in den sauerstoffseitigen Gas-Separator zur Verdünnung und Absenkung der Wasserstoffkonzentration unter den Grenz wert erreicht ist. Dadurch ist die benötigte Zeit zur Fehler behebung mit einhergehendem Betriebsstillstand des Elektroly seurs für das Verfahren gemäß der Erfindung vorteilhafter weise erheblich reduziert gegenüber den herkömmlichen Verfah ren. Bei diesen herkömmlichen Verfahren erfolgt ein vollstän diges Ablassen sowohl des Sauerstoff-Produktgases als auch des Wasserstoff-Produktgases, wobei der jeweilige Gas-Separa tor entleert wird. Anschließend wird das Gassystem mit Stick stoff aus dem Stickstoff-System der Elektrolyseanlage voll ständig inertisiert und schließlich die Elektrolyseanlage wieder angefahren bis zum Erreichen bzw. Wiederaufnahme eines Normalbetriebszustands des Elektrolyseurs mit guter Qualität der Produktgase.
Daher ist es besonders vorteilhaft die Verdünnung mit kompri mierter Luft, also Druckluft, vorzunehmen. Die Verfügbarkeit von Luft bzw. Druckluft ist bei einer Elektrolyseanlage ein fach gegeben, da Elektrolyseanlagen üblicherweise bereits über ein Druckluft-System verfügen. Somit ist Luft bzw. Druckluft verfügbar, indem zur Besorgung des Verdünnungsgases vorteilhaft auf das Druckluft-System zurückgegriffen werden kann. Dies ist auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten sehr günstig. Bevorzugt sind dabei Reinigungsschritte zur Konfek tionierung des Inertgases für den Einsatzzweck angewendet, wie oben beschrieben. Im Vergleich zur Verwendung des Stick stoffsystems ist die Einbindung des Druckluft-Systems in das Anlagenkonzept der Elektrolyseanlage sehr viel günstiger.
Das Volumen an Luft bzw. Druckluft, welches zur Beseitigung eines potenziell gefährlichen Zustandes hoher Wasserstoffkon zentration im Gas-Separator zur Zudosierung und Verdünnung benötigt wird, ist deutlich geringer als bei den bekannten Verfahren, da keine vollständige Entleerung und Spülung des Gas-Separators vorgesehen ist. Da zudem für die Erzeugung von Stickstoff in einem Stickstoff-System ein Vielfaches an ge reinigter Druckluft nötig ist, fällt die notwendige Kapazität des Druckluft-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einer Elektrolyseanlage, in dem Stickstoff vor Ort zur vollständigen Inertisierung des Gas-Separators auf Sauerstoffseite verwendet wird, deutlich niedriger aus.
Die Elektrolyseanlage gemäß der Erfindung umfasst demenspre- chend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, bei dem das Sauerstoff-Produktgas auch Wasserstoff als Fremdgas enthält, sowie ein Druckluft- System mit einem Gasbehälter zur Bevorratung von Druckluft, wobei der Elektrolyseur über eine Produktstrom-Leitung für das Sauerstoff-Produktgas an einen Gas-Separator angeschlos sen ist, und wobei das Druckluft-System über eine Zufuhrlei tung mit dem Gas-Separator verbunden ist, so dass bedarfs weise dem Gas-Separator Druckluft aus dem Gasbehälter zuführ- bar ist.
Die Trennung der Wasser- und Gasphase erfolgt in dem Gas- Separator oder Gasabscheider. Der Gas-Separator ist dabei be vorzugt als Schwerkraftabscheider aufgebaut, sodass die Was serphase unten und die Gasphase, vorliegend das Sauerstoff- Produktgas, oben abgenommen werden kann. Die Wassersäule in nerhalb der Abscheider dient zudem als Pufferspeicher bei wechselnden Lastvorgaben. An der Phasengrenze in dem Gas- Separator findet ein Medienaustausch statt. Für den stationä ren Zustand kann angenommen werden, dass die Gasphase des Produktgases, vorliegend Sauerstoff-Produktgas, vollständig mit Wasserdampf gesättigt vorliegt. Entsprechendes gilt für einen Gas-Separator auf der Wasserstoffseite der Elektrolyse anlage mit der Phasentrennung von Wasserstoff-Produktgas und Prozesswasser (Edukt) für die Elektrolyse.
Dabei ist bevorzugt in die Zufuhrleitung ein Ventil geschal tet, das insbesondere als Regelventil ausgestaltet ist. Die Ausgestaltung des Ventils als Regelarmatur gestattet eine ge naue Dosierung der Gaszufuhr von Inertgas zum Gas-Separator auf der Sauerstoffseite. Die Ventilposition des Regelventils kann vorteilhafterweise mit einer hydraulischen oder elektro mechanischen Ventilsteuerung oder Ventil-Regeleinrichtung an- gesteuert werden. Eine entsprechende Steuer- und Regelein richtung sowie Sensoreinrichtungen ist in das Anlagenkonzept der Elektrolyseanlage bevorzugt integriert.
Vorzugsweise ist in die Zufuhrleitung eine Reinigungseinrich tung für die Druckluft geschaltet, so dass Fremdbestandteile aus der Druckluft abtrennbar sind.
Weiter bevorzugt weist die Reinigungseinrichtung ein Adsorp tionsmittel und/oder ein Absorptionsmittel auf, mittels derer Fremdgasbestandteile aus der Druckluft adsorbierbar und/oder absorbierbar sind. Die Materialien können entsprechend ge wählt werden, um die Reinigungseinrichtung auf die Anforde rung anzupassen. Von besonderem Interesse ist die Abscheidung bzw. Abtrennung von wasserlöslichen Fremdgasbestandteilen in der Druckluft oder Spuren von ursprünglich vorhandenen Be standteilen, was insbesondere bei der Verwendung von Luft aus der Umgebung als Inertgas bedeutsam ist. Hier ist eine Ad sorption bzw. Absorption von Kohlenstoffmonoxid oder Schwe feldioxid aus der Luft besonders vorteilhaft. Ein Adsorbens oder Adsorptionsmittel dient zur Entfernung von Spurenstoffen aus der Luft. Entsprechendes gilt für Absorbenzien oder Ab sorptionsmittel .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage weist diese einen Kompressor auf, an den der Gasbehälter über eine Verbindungsleitung angeschlossen ist, so dass kompri mierte Luft, also Druckluft, dem Gasbehälter zuführbar bzw. in den Gasbehälter hinein dosierbar ist.
Weiterhin bevorzugt ist der Kompressor als ölgeschmierter Luftkompressor ausgestaltet, dem ein Ölfilter nachgeschaltet ist. Der Ölfilter ist entsprechend leistungsfähig hinsicht lich der Filterleistung von Ölbestandteilen in der kompri mierten Luft ausgestaltet.
Bei der Qualität bzw. der Reinheit der Druckluft ist insbe sondere darauf zu achten, dass ausreichende Ölfreiheit ge- währleistet ist. Ansonsten bestünde die Gefahr, dass sich Ölrückstände in der Sauerstoffatmosphäre entzünden. Auch sind Ölrückstände als gasförmige Fremdbestandteile in der Druck luft im Allgemeinen möglichst zu vermeiden, um einen zuver lässigen Betrieb der Elektrolyseanlage mit einer hohen Ver fügbarkeit sicherzustellen. Dies kann beispielsweise auf zwei Wegen erfolgen. So kann bei Verwendung eines ölgeschmierten Luftkompressors vor dem Einsatz der Druckluft zur Inertisie rung vorteilhafterweise ein entsprechender Ölfilter instal liert sein. Mit dem Einsatz solcher hocheffizienten Ölfilter kann eine Ölfreiheit der Klasse 2, mit sehr geringen Restöl mengen von weniger als 0,1 mg/m3 erzielt werden.
Alternativ können bei der Verdichtung der Luft auf das ge wünschte Druckniveau auch ölfreie Kompressoren eingesetzt werden, so dass dann auch die dem Gas-Separator zugeführte Druckluft komplett ölfrei ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist der der Kompressor daher als ölfreier Kompressor ausgestaltet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich nung näher erläutert. Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :
FIG 1 eine bekannte Elektrolyseanlage mit Stickstoff-
System zur Inertisierung und Spülung,
FIG 2 eine Elektrolyseanlage mit Druckluft--System gemäß der Erfindung,
Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeu tung.
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 als ein PEM- oder Alkali-Elektrolyseur ausgeführt ist. Der Elektrolyseur 1 umfasst mindestens eine hier nicht näher ge zeigte Elektrolysezelle zum elektrochemischen Zerlegen von Wasser. Die Elektrolyseanlage 100 weist zudem ein Stickstoff- System 3 auf, das einen Stickstoff-Behälter 5 umfasst. Ein Verdichter 7 ist an das Stickstoff-System 3 angeschlossen, um das Stickstoff-System 3 zu versorgen. Über eine Spülleitung 9 ist das Stickstoff-System 3 an einen Gas-Separator 11 ange schlossen, so dass bei Bedarf Stickstoff zur Spülung des Gas- Separators 3 dem Stickstoff-Behälter 5 entnommen und dem Gas- Separator 3 über die Spülleitung 9 zuführbar ist (Stickstoff- Inertisierung) . Der Stickstoff-Behälter 3 ist für den Bedarf an Stickstoff in der Elektrolyseanlage 100 entsprechend groß- volumig dimensioniert und druckbeaufschlagt. Für eine Inerti sierung sind - neben anderen Aufgaben - bedarfsweise große Mengen an Stickstoff in der Elektrolyseanlage erforderlich, die in dem Stickstoff-Behälter 5 vorzuhalten sind.
In den Elektrolyseur 1 wird über eine Eduktstrom-Leitung 13 ein Eduktstrom aus Wasser eingeführt. Das Wasser wird im Elektrolyseur 1 in die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch zerlegt und beide Produktströme werden sepa rat aus dem Elektrolyseur 1 hinausgeleitet. Für die Hinaus leitung des Sauerstoff-Produktstroms weist der Elektrolyseur 1 eine Produktstrom-Leitung 15 auf, mit deren Hilfe ein ers tes Produkt, hier Sauerstoff aus der Elektrolyse, hinausge führt wird. Der hier beschriebene Aufbau der Elektrolyseanla ge 100 betrachtet den Sauerstoff-Produktstrom. Wasserstoff seitig liegt ein entsprechender anlagentechnischer Aufbau in der Elektrolyseanlage 100 vor, was in der FIG 1 aus Über- sichtsgründen nicht näher gezeigt und im Detail ausgeführt ist. Dementsprechend ist für die Hinausleitung des Wasser stoff-Produktstroms aus dem Elektrolyseur 1 eigens eine Pro duktstrom-Leitung 17 vorgesehen, mit deren Hilfe ein zweites Produkt, nämlich der aus der Elektrolyse gewonnene Wasser stoff, hinausgeführt wird. Der gewonnene Wasserstoff wird an schließend in weiteren - in der FIG 1 nicht näher dargestell ten - Komponenten der Elektrolyseanlage 100 behandelt und prozesstechnisch weiterverarbeitet.
Der Elektrolyseur 1 ist sauerstoffseitig über die Produkt strom-Leitung 15 an den Gas-Separator 11 angeschlossen. An den Gas-Separator 11 ist eine Entlüftungsleitung 19 ange schlossen, über die der Gas-Separator 11 bei Bedarf vollstän dig durch Druckentlastung entleert werden kann, so dass die ser drucklos steht bzw. unter Atmosphärendruck. Weiterhin ist ein Druckluft-System 21 umfassend einen Gasbehälter 23 und einen Luftkompressor 25 vorgesehen, so dass dem Gasbehälter 23 komprimierte Luft aus dem Luftkompressor 25 über die Ver bindungsleitung 27 zuführbar ist. Der Gasbehälter 23 kann auf diese Weise mit komprimierter Luft L (Druckluft) beladen für weitere Zwecke bevorratet werden. So ist zur Versorgung des Stickstoff-Systems 3 mit komprimierter Luft L das Druckluft- System 21 über eine Versorgungsleitung 29a angeschlossen. Die Versorgung einer anderen Verbrauchseinheit 31 mit komprimier ter Luft L erfolgt über eine Versorgungsleitung 29b.
Im Betrieb des Elektrolyseurs 1 im Anlagenkonzept der FIG 1 wird Sauerstoff-Produktgas dem Gas-Separator 11 zugeführt.
Für eine Qualitätsmessung des Sauerstoff-Produktgases wird in diesem Betriebskonzepten die Konzentration von Wasserstoff im sauerstoff-Produktgas im Gas-Separator 11 fortlaufend gemes sen und überwacht. Überschreitet die Konzentration einen vor bestimmten Grenzwert, so wird der Betrieb des Elektrolyseurs 1 angehalten und das gesamte Sauerstoff-Produktgas im Gas- Separator 11 verworfen. Das Sauerstoff-Produktgas wird aus dem Behältervolumen des Gas-Separators 11 und eventuellen Zu leitungen des sauerstoffseitigen Gassystems vollständig abge- lassen. Hierzu wird der Gas-Separator 11 vollständig über die Entlüftungsleitung 19 entlüftet und drucklos gestellt. Das gesamte Gassystem inklusive Gas-Separator 11 wird anschlie ßend durch eine aufwändige und kostenintensive Spülprozedur zur Inertisierung mit Stickstoff aus einem Stickstoff- Behälter 5 im Stickstoff-System 3 der Elektrolyseanlage 100 gespült. Das Stickstoff-System 3 muss für diesen sicherheits relevanten Bedarf an Stickstoff entsprechend großvolumig aus gelegt werden, um ausreichend Stickstoff vorzuhalten. Nachdem die Ursache für die kritische Qualität des Sauerstoff- Produktgases behoben ist, wird die Elektrolyse wieder gestar tet. Durch das Spülen des Gassystems mit Stickstoff und ins besondere in des Gas-Separators 11 muss zunächst auch das neu produzierte Sauerstoff-Produktgas verworfen werden, und zwar so lange, bis die gewünschte Gasqualität wieder erreicht ist.
Durch die Druckentlastung bzw. vollständige Entlüftung auf der Sauerstoffseite in dem Gas-Separator 11 für die Spülpro zedur mit Stickstoff muss auch auf der Wasserstoffseite das gesamte wertvolle Wasserstoff-Produktgas in einem entspre chenden - in der FIG 1 nicht näher gezeigten - Gas-Separator vollständig verworfen werden, insbesondere um dem hohen Dif ferenzdruck durch die Entlüftung entgegenzuwirken und um Sys temschäden über der PEM-Membran zu vermeiden. Es ist also ne ben dem Vorhalten eines großvolumigen Stickstoff-Systems 3 zur Inertisierung und ausreichender Stickstoffbevorratung ge rade auch das damit einhergehende Verwerfen des erzeugten Wasserstoff-Produktgases auf der Wasserstoffseite unter wirt schaftlichen Gesichtspunkten ganz besonders nachteilig.
FIG 2 zeigt eine Elektrolyseanlage 1 mit Druckluft-System ge mäß der Erfindung. Das neue Betriebskonzept der Erfindung setzt an mit einer vorteilhaften Einbindung des Druckluft- Systems 21 und Ausgestaltung desselben als Inertgas-System, das sauerstoffseitig an den Gas-Separator 11 angeschlossen ist. Dabei entfällt gegenüber einer Ausgestaltung der Elekt rolyseanlage 100 gemäß der FIG 1 die Spülleitung 9, die das Stickstoff-System 3 mit dem Gas-Separator 3 zur Inertisierung des gesamten Gassystems mit Stickstoff verbindet. Gemäß FIG 2 ist das Druckluft-System 21 über die Zufuhrleitung 37 mit dem Gas-Separator 11 verbunden, so dass bedarfsweise Druckluft L dem Gasbehälter 23 entnehmbar ist. Der Gasbehälter 23 ist ein Speicher zur Bevorratung und Bereitstellung von Druckluft.
Das Druckluft-System 21 weist einen Luftkompressor 25 und ei nen Gasbehälter 23 auf, die über eine Verbindungsleitung 27 miteinander verbunden sind. Der Luftkompressor 25 ist hierbei als ölfreier Kompressor ausgestaltet. In die Zufuhrleitung 37 ist eine Reinigungseinrichtung 33 geschaltet, die ein Absorp tionsmittel und/oder ein Adsorptionsmittel aufweist. Somit können schädigende Fremdgasbestandteile in der in dem Gasbe hälter 23 eingespeicherten Druckluft L entfernt werden und ein Inert- bzw. Verdünnungsgas mit sehr hoher Qualität und Reinheit ist erzeugt. Beispielsweise können Kohlenstoffdioxid und/oder Schwefeldioxid mittels der Reinigungseinrichtung 33 aus der Druckluft L entfernt werden. Die durch eine Adsorpti on oder Absorption freiwerdende Wärmeenergie kann durch Küh lung der Reinigungseinrichtung 33 beispielsweise in einem Wärmetauschprozess durch Ankopplung eines Wärmetauschers für weitere Zwecke genutzt werden. In Strömungsrichtung der Druckluft L stromab der Reinigungseinrichtung 33 ist in die Zufuhrleitung 37 ein Regelventil 35 geschaltet, dessen Ven tilposition durch eine nicht näher dargestellte Regeleinrich tung auf den Bedarf und das Druckniveau an Druckluft L für die Zufuhr zu dem Gas-Separator 11 regelbar ist. Stromab der Regelventils 35 mündet die Zufuhrleitung 37 in den Gas- Separator 11. Im Betrieb der Elektrolyseanlage 100 wird die Fremdgaskon zentration von Wasserstoff im Sauerstoff-Produktgas aus dem Elektrolyseur 1 im sauerstoffseitig nachgeschalteten Gas- Separator 11 kontinuierlich gemessen und überwacht. Ergibt der Messwert eine kritische Fremdgaskonzentration an Wasser stoff oberhalb eines vorbestimmten Grenzwerts für einen noch zulässigen Wasserstoffanteil im Sauerstoff-Produktgas im Gas- Separator 11, so wird die Wasserstoffkonzentration dadurch reduziert, dass dem Sauerstoff-Produktgas gereinigte Druck luft L mit guter Qualität und Reinheit, das heißt, mit allen falls sehr geringen Verunreinigungen oder schädigenden Fremd gasbestandteilen in gezielter und wohldosierter Weise über das Regelventil 35 zugeführt wird. Diese gezielte Zufuhr be wirkt dann im Gas-Separator 11 eine innige Mischung der Gase, wodurch eine Absenkung der Wasserstoffkonzentration erzielt wird. Die Wasserstoffkonzentration reduziert sich dabei schon aufgrund des Effekts der Gasphasenmischung und der Verdünnung des Wasserstoffs im Sauerstoff-Produktgas durch die Zudosie rung von Druckluft L, ein Effekt der bei der Erfindung beson ders vorteilhaft und gezielt ausgenutzt wird. Somit ist ei nerseits ein Verwerfen des Sauerstoff-Produktgases im Gas- Separator 11 vermieden, da dieses Elektrolyseprodukt bei der hier vorgeschlagenen Prozedur in dem Gas-Separator 11 unter Druck verbleibt. Das Gasvolumen im sauerstoffseitigen Gas- Separator 11 kann daher beim Wiederanfahren des Elektroly seurs 1 verwendet werden. Indiziert also eine Qualitätsmes sung im Gas-Separator 11 eine schlechte Qualität, wird der Elektrolyseprozess angehalten. Anstatt nun das Gas im Gas- Separator 11 zu verwerfen, wird gereinigte Druckluft L dem Gasbehälter 23 entnommen und dem Gas-Separator 11 zugeführt. Diese Zufuhr erfolgt unter Aktivierung und Öffnen einer Ven tilsteuerung für das Regelventil 35 so lange bis die Gasqua lität den Anforderungen wieder genügt, das heißt die Wasser- Stoffkonzentration kleiner ist als der vorbestimmte Grenzwert für einen sicheren Normalbetrieb des Elektrolyseurs 1.
Mit der Elektrolyseanlage 100 mit Druckluft-System 21 gemäß der Erfindung entfällt eine vollständige Entlüftung und eine damit bisher einhergehende Druckentlastung auf der Sauer stoffseite in dem Gas-Separator 11. Durch die hier vorge schlagene Zufuhr von druckbeaufschlagter gereinigter Luft L, mithin der Druckluft L, kann vorteilhafterweise auch auf der Wasserstoffseite das gesamte wertvolle Wasserstoff-Produktgas in einem entsprechenden - in der FIG 2 nicht näher gezeigten - wasserstoffseitigen Gas-Separator oder Gasabscheider wei terhin genutzt werden. Bislang war eine Entlüftung auch auf der Wasserstoffseite geboten, um dem hohen Differenzdrucks durch die Entlüftung entgegenzuwirken und um Systemschäden über der PEM-Membran aufgrund eines zu großen Differenzdrucks zu vermeiden. Die damit einhergehende Nutzung des erzeugten Wasserstoff-Produktgases auf der Wasserstoffseite ist sowohl unter betriebstechnischen Aspekten als auch unter wirtschaft lichen Gesichtspunkten ganz besonders vorteilhaft.
Als weiterer wirtschaftlicher Vorteil erweist sich, dass das Stickstoff-System 3 durch das vorgeschlagene Anlagenkonzept nach FIG 2 für die Elektrolyseanlage 100 im Vergleich zu der Konzeption nach FIG 1 deutlich kompakter gestaltet werden kann. Die entsprechenden Anlagenteile, insbesondere der Stickstoffbehälter 5, können kleiner dimensioniert werden.
Mit dem Betriebskonzept der Erfindung ist es ausreichend, le diglich noch den kontinuierlichen Stickstoffverbrauch für den so genannten Kompressorbetrieb der Anlage bereitzustellen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage (100) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, bei dem das Sauerstoff-Produktgas aus einem Elektrolyseur (1), welches auch Wasserstoff als Fremdgas enthält, einem nachgeschalteten Gas-Separator (11) zugeführt wird, wobei bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwerts für die Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff-Produktgas dem Gas- Separator (11) Druckluft (L) zugeführt wird, so dass im Gas-Separator (11) durch die Mischung der Gase eine Ver dünnung des Wasserstoffs im Sauerstoff-Produktgas bewirkt wird, wobei die Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff- Produktgas abgesenkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Luft bei Atmosphären druck angesaugt und auf einen Arbeitsdruck komprimiert wird und als Druckluft (L) dem Gas-Separator (11) zuge führt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Wasserstoff konzentration in-situ in dem Gas-Separator (11) gemessen und überwacht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem Druckluft (L) einem druckbeladenen Gasbehälter (23) ent nommen und dem Gas-Separator (11) zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem Luft bei Atmosphären druck angesaugt und zu Druckluft (L) komprimiert wird, und wobei der Gasbehälter (23) mit Druckluft (L) beladen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in einem Reinigungsschritt die Druckluft (L) von wasser löslichen Fremdbestandteilen wie Kohlenstoffdioxid (CO2) und/oder oder Schwefeldioxid (SO2) befreit wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem in dem Reinigungs schritt die Druckluft (L) mit einem Adsorptionsmittel und/oder einem Absorptionsmittel in Kontakt gebracht wird, so dass die wasserlöslichen Fremdbestandteile aus der Druckluft (L) abgeschieden und gebunden werden, wobei Druckluft (L) hoher Reinheit gewonnen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Elektrolyseur (1) ein PEM-Elektrolyseur verwendet wird, wobei ein Differenzdruck zwischen dem Wasserstoff- Produktgas und dem Sauerstoff-Produktgas derart geregelt wird, dass ein maximaler Druckunterschied über der Proton- Exchange-Membran nicht überschritten wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bedarfsweise die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff in dem Elektrolyseur (1) angehalten wird.
10. Elektrolyseanlage (100) umfassend einen Elektrolyseur (1) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Pro duktgase, bei dem das Sauerstoff-Produktgas auch Wasser stoff als Fremdgas enthält, sowie ein Druckluft-System (21) mit einem Gasbehälter (23) zur Bevorratung von Druck luft (L), wobei der Elektrolyseur (1) über eine Produkt strom-Leitung (15) für das Sauerstoff-Produktgas an einen Gas-Separator (11) angeschlossen ist, und wobei das Druck luft-System (21) über eine Zufuhrleitung (37) mit dem Gas-Separator (11) verbunden ist, so dass bedarfsweise dem Gas-Separator (11) Druckluft (L) aus dem Gasbehälter (23) zuführbar ist. a
11. Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 10, umfassend ein in die Zufuhrleitung (37) geschaltetes Ventil (35), insbe sondere ein Regelventil.
12. Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 10 oder 11, mit einer in die Zufuhrleitung (37) geschalteten Reinigungs- einrichtung (33) für die Druckluft (L), so dass Fremdbe standteile aus der Druckluft (L) abtrennbar sind.
13. Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 12, bei der die Reinigungseinrichtung (33) ein Adsorptionsmittel und/oder ein Absorptionsmittel aufweist, mittels derer Fremdbe standteile aus der Druckluft (L) adsorbierbar und/oder ab sorbierbar sind.
14. Elektrolyseanlage (100) nach einem der Ansprüche 10 bis
13, umfassend einen Kompressor (25), an den der Gasbehäl ter (23) über eine Verbindungsleitung (27) angeschlossen ist, so dass komprimierte Luft als Druckluft (L) dem Gas behälter (23) zuführbar ist.
15. Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 14, bei der der Kompressor (25) als ölgeschmierter Luftkompressor ausge staltet ist, dem ein Ölfilter nachgeschaltet ist.
16. Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 14, bei der der
Kompressor (25) als ölfreier Luftkompressor ausgestaltet ist.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4357483A1 (de) 2022-10-18 2024-04-24 Linde GmbH Verfahren und anlage zur herstellung eines oder mehrerer elektrolyseprodukte
EP4488413A1 (de) * 2023-07-03 2025-01-08 Linde GmbH Verfahren zum betreiben einer elektrolyseanlage und elektrolyseanlage
EP4488412A1 (de) * 2023-07-03 2025-01-08 Linde GmbH Verfahren zum betreiben einer elektrolyseanlage und elektrolyseanlage
DE102023208828A1 (de) 2023-09-12 2025-03-13 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Elektrolysesystem und Verfahren zum Betreiben eines Elektrolysesystems
DE102024126341B3 (de) * 2024-09-12 2025-09-11 Quest One Gmbh Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom und Verfahren zum Betreiben desselben
US20260092386A1 (en) * 2024-09-27 2026-04-02 New Hydrogen Ip, Llc System and method to control hydrogen-to-oxygen ratio in an anode side at turndown in electrolyzers
CN121295208A (zh) * 2025-10-22 2026-01-09 鄂尔多斯应用技术学院 一种电解水制氢辅助装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3603244A1 (de) * 1986-02-03 1987-08-06 Ht Hydrotechnik Gmbh Sicherheitsvorrichtung fuer elektrolysezellen
DE10258525A1 (de) * 2002-12-14 2004-07-01 GHW Gesellschaft für Hochleistungselektrolyseure zur Wasserstofferzeugung mbH Druckelektrolyseur und Verfahren zur Abschaltung eines Druckelektrolyseurs
DE602007011050D1 (de) * 2007-07-11 2011-01-20 Swiss Hydrogen Power Shp Sa Hochdruckelektrolyseanlage und Verfahren zur Inertisierung einer solchen Anlage
JP2011208259A (ja) * 2010-03-30 2011-10-20 Honda Motor Co Ltd 水電解システム
JP6594601B1 (ja) * 2018-03-22 2019-10-23 株式会社トクヤマ アルカリ水電解装置及びガス製造方法
DE102018222388A1 (de) * 2018-12-20 2020-06-25 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage und Elektrolyseanlage
CN210057076U (zh) * 2019-02-02 2020-02-14 张建国 可对排出氢气进行回流的电解水制氢制氧呼吸装置
JP7050851B2 (ja) * 2019-05-23 2022-04-08 株式会社神鋼環境ソリューション 水素・酸素発生装置および水素ガスの製造方法
CN119265634A (zh) * 2024-11-21 2025-01-07 三一氢能有限公司 碱性电解制氢系统的安全控制方法、控制装置及制氢系统

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