EP4339327A1 - Method for operating an electrolysis system, and electrolysis system - Google Patents

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EP4339327A1
EP4339327A1 EP22020442.4A EP22020442A EP4339327A1 EP 4339327 A1 EP4339327 A1 EP 4339327A1 EP 22020442 A EP22020442 A EP 22020442A EP 4339327 A1 EP4339327 A1 EP 4339327A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrolysis
water
oxygen
fluid stream
gas
Prior art date
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Pending
Application number
EP22020442.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Daniela Lauchner
Felix Flegiel
Pankaj Puri
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.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP22020442.4A priority Critical patent/EP4339327A1/en
Priority to PCT/EP2023/025328 priority patent/WO2024056203A1/en
Publication of EP4339327A1 publication Critical patent/EP4339327A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/02Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/08Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/083Separating products
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/08Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/087Recycling of electrolyte to electrochemical cell
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/13Single electrolytic cells with circulation of an electrolyte
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19Cells 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, in particular for water electrolysis, such an electrolysis system, which is used, for example, to obtain hydrogen, and a use and a method for producing an axial cyclone.
  • electrolysis in which, for example, water is split or converted into oxygen and hydrogen using electrical energy. This is also referred to as water electrolysis.
  • PEM electrolysis proton exchange membrane electrolysis
  • the temperature of the water usually rises.
  • large amounts of water can be recirculated.
  • a large part of the water usually remains on the oxygen side of the membrane during PEM electrolysis.
  • the oxygen initially remains in the water and is then typically separated from the water in a container, at least that proportion of oxygen that exceeds the solubility limit in water under given conditions.
  • the container is therefore used as a gas separator or in this case in particular as an oxygen separator or oxygen-water separator.
  • oxygen or oxygen bubbles need a certain amount of time to rise to the surface in the water and be considered separated; The exact time can depend on the flow direction and size of the container, for example. However, the longer the water (with any oxygen dissolved in it) stays in the container, the larger it has to be in order to be able to circulate the necessary amount of PEM or the electrolysis unit. This can lead to high costs. This basically also applies to other types of electrolysis, in which a gas is circulated in liquid Medium remains. Remaining oxygen in the water can have a negative effect on electrolysis. against this background, the task is to improve the separation of gas such as oxygen from a liquid such as water.
  • the invention deals with electrolysis and electrolysis systems and their operation. Electrolysis systems are typically used to produce or obtain hydrogen using electrolysis.
  • water electrolysis in which water is converted (split) into hydrogen and oxygen (in addition to hydrogen, oxygen is also always obtained or produced).
  • AEL alkaline water electrolysis
  • PEM electrolysis proton exchange membrane electrolysis
  • SOEC electrolysis Solid Oxide Electrolysis Cell
  • AEM electrolysis anion exchange membrane electrolysis
  • Solid oxide electrolyzer cell electrolysis is also suitable, for example, for obtaining carbon monoxide from carbon dioxide, i.e. for carbon dioxide electrolysis (CO 2 electrolysis);
  • CO 2 electrolysis carbon dioxide electrolysis
  • co-electrolysis in which carbon dioxide and water are converted into various products such as CO, synthesis gas or ethylene, ethanol, formate.
  • chlorine-alkali electrolysis There is also the so-called chlorine-alkali electrolysis.
  • PEM electrolysis for example, water, and in particular demineralized water, is fed as the feed medium to an electrolysis unit with a proton exchange membrane (PEM), in which the feed medium, i.e. the water, is converted (split) into hydrogen and oxygen.
  • PEM proton exchange membrane
  • PEM electrolysis of water usually results in an increase in the temperature of the water. To limit the temperature rise, large amounts of water can be recirculated. In this case, a large part of the water in PEM electrolysis usually remains on the oxygen side of the membrane or the oxygen side of the electrolysis unit. While the hydrogen, for example, diffuses through the membrane, the oxygen initially remains in the water and is then typically separated from the water in a container, at least the proportion of oxygen that exceeds the (maximum) solubility in water.
  • oxygen or oxygen bubbles need a certain amount of time to rise to the surface due to the density difference in the water and be considered separated; The exact time can depend, for example, on the size of the bubble, the direction of flow and the size of the container. However, the longer the water stays in the container, the larger it has to be in order to be able to circulate the necessary amount of PEM. This can lead to high costs. If the time spent in the container is kept too short, oxygen can remain in the water. In particular, small oxygen bubbles can have a negative impact on electrolysis, particularly with regard to the performance, efficiency and service life of the electrolysis system or electrolysis unit.
  • an axial cyclone has a so-called guide element (also referred to as a “swirl element”) that lies in a fluid stream.
  • a guide element also referred to as a “swirl element”
  • a twist is imposed on the fluid, which leads to the heavier phase of the fluid flow being at the edge of the Axial cyclone or the line collects, while the lighter phase lies in the middle, i.e. in the core flow. Both phases can then - at least to a certain extent - be subtracted separately from each other.
  • an electrolysis system circulates water with possibly oxygen in it; This takes place between the electrolysis unit with, for example, the PEM and the container in which, for example, the oxygen is separated from the water.
  • several fluid lines are provided between the container and the electrolysis unit, on the one hand in the flow direction from the container to the electrolysis unit and on the other hand in the flow direction from the electrolysis unit to the container.
  • One or more fluid lines can be provided in each direction, depending on the size or diameter of the fluid lines and the size of the electrolysis system.
  • an electrolysis system with an output of 24 MW for example, one or two fluid lines, for example in the form of pipes, with a diameter of, for example, 700 mm per flow direction can be used.
  • an axial cyclone is now arranged or used in such a way that a fluid stream with water and at least temporarily oxygen is guided through the axial cyclone.
  • the axial cyclone can be arranged in one of the fluid lines mentioned. If there are several fluid lines in one flow direction, an axial cyclone can also be arranged in each fluid line.
  • the fluid lines or pipes, which are generally necessary anyway, are particularly suitable for the use of axial cyclones.
  • the oxygen collects after the axial cyclone (in the direction of flow) in the middle of the pipe or centrally and can then be removed from there, e.g. through a thin pipe inserted there that is led to the outside.
  • the axial cyclones can be operated at speeds from, for example, approx. 2 m/s (and higher), which fits very well with the typical speeds in a typical electrolysis plant on the oxygen side.
  • both this container and the lines between the axial cyclone and the separator can then be made significantly smaller or more compact than without the use of the axial cyclone.
  • a more compact design also allows easier or better standardization of such containers, e.g. in a skid design of the oxygen-water separator.
  • the use of such an axial cyclone (or possibly several) enables the coalescence and/or separation of tiny bubbles.
  • the subsequent separator can be made smaller or more compact than without the use of the axial cyclone.
  • installations in the separator can be saved if necessary.
  • Ultrasound treatment removes small floating gas bubbles from the liquid and reduces the dissolved gas content to the natural equilibrium value.
  • An even higher degree of separation can be achieved through a combination of axial cyclone(s), containers and ultrasound.
  • the ultrasound can be used, for example, between the electrolysis unit and the container as well as in the container itself.
  • the electrolysis or electrolysis is described in relation to the water electrolysis or in particular the PEM electrolysis
  • the axial cyclones mentioned can also be used in other electrolysis systems such as those mentioned above, in which a liquid medium in the electrolysis unit in at least one gaseous product is implemented, and accordingly between A fluid stream is circulated in the container and the electrolysis unit, which has liquid medium and at least temporarily gas.
  • the mode of operation of the axial cyclone is not limited to oxygen and water, but generally extends to two mixed media that have different densities, and therefore in particular to a mixture of liquid (liquid medium) and gas.
  • the axial cyclones used in the electrolysis system may need to be adapted to the existing sizes or diameters of fluid lines or pipes in the electrolysis system.
  • it is particularly useful if the shape and/or material of an axial cyclone is specifically adapted to its use there. This can be done particularly easily and well if the axial cyclone or at least its guide element is manufactured using additive manufacturing, also known as 3D printing.
  • an electrolysis system 100 according to the invention is shown schematically in a preferred embodiment, in which a method according to the invention can also be carried out.
  • An example is an electrolysis system for water electrolysis using PEM.
  • the electrolysis system shown here and generally described within the scope of the invention is an electrolysis system on an industrial scale, for example to produce hydrogen on an industrial scale.
  • a typical output of such an electrolysis system is, for example, more than 10 MW or even more than 20 MW.
  • the electrolysis system 100 has an electrolysis unit 110, or a so-called electrolysis cell, in which a proton exchange membrane (PEM) 112 is provided.
  • PEM proton exchange membrane
  • the electrolysis system 100 also has a container 120, which serves as a gas separator, here in particular as an oxygen separator or oxygen-water separator.
  • the container 120 is connected to the electrolysis unit 110 via one or more fluid lines 122, e.g. pipes. Through the one or more fluid lines 122, a fluid stream b can be pumped from the container 120 to the electrolysis unit, for example by means of a pump 124.
  • the electrolysis unit 110 is also connected to the container 120 via one or more fluid lines 126, for example pipes.
  • a fluid stream c can be pumped from the electrolysis unit 110, there the oxygen side 114, to the container 120 through the one or more fluid lines 126;
  • the pump 124 is also sufficient for this.
  • the electrolysis system 100 has a further gas separator 130, here a hydrogen separator or hydrogen-water separator.
  • electrolysis unit 110 Although only one electrolysis unit 110 is shown here, several of them can also be provided, for example depending on the size and performance of the electrolysis system 100. Several electrolysis units can then, for example, still be connected to a common container for gas or oxygen separation and/or a common one Hydrogen separator must be connected.
  • the fluid stream b which contains water
  • the electrolysis unit 110 When the electrolysis system 100 is in operation, the fluid stream b, which contains water, is pumped from the container 120 to the electrolysis unit 110. There the water is converted into oxygen and hydrogen.
  • an electrical voltage is applied to the electrolysis unit 110, the hydrogen diffuses through the PEM 112 to the hydrogen side 116 and from there, possibly mixed with water vapor, can be fed to the hydrogen separator 130 as current e.
  • the hydrogen can be separated there and discharged or stored as electricity f, for example for further use.
  • the oxygen remains together with the water on the oxygen side 114 and, as mentioned, is pumped to the container 120 as a fluid stream c.
  • a fluid stream is circulated between the container 120 and the electrolysis unit 110.
  • the fluid flow or partial fluid flow c has more oxygen than the fluid flow or partial fluid flow b, since the fluid flow c includes the oxygen generated in the electrolysis unit 110. In the fluid stream b, however, oxygen has already been separated at least in the container 120.
  • oxygen is separated from water in container 120;
  • the oxygen separated or deposited here can be discharged or stored as stream d, for example for further use.
  • This water a can, for example, be prepared beforehand, but this is no longer relevant to the present invention. Likewise, if necessary, water separated in the hydrogen separator 130 can be fed back into the container 120, if necessary also after previous processing.
  • the electrolysis system 100 has, for example, an axial cyclone 140, which is only indicated schematically here.
  • the axial cyclone 140 is arranged in the fluid line 126 and thus in the flow direction between the electrolysis unit 110 and the container 120. It is conceivable to arrange an axial cyclone - alternatively or additionally - in the direction of flow between the container 120 and the electrolysis unit 110, as shown for example at 140 '.
  • the axial cyclone serves here to separate oxygen from the water in the fluid stream. Separated oxygen can be discharged as a stream g, for example for further use and, if necessary, stored.
  • the stream g can also be combined with the stream d or fed to the separator 120.
  • FIG 2 is a schematic of the axial cyclone 140 Figure 1 presented in more detail.
  • the axial cyclone 140 is arranged in the fluid line 126 and has a guide element comprising a base body 142 and guide vanes 144 which are arranged or formed on the base body 144.
  • the fluid flow c comprising water h and oxygen i, comes from the right and hits the axial cyclone 140 or its guide element.
  • the oxygen i shown here as thick dots
  • the water h shown here as fine or small dots. Due to the flow speed of the fluid stream c, a swirl is generated in the fluid stream by the axial cyclone 140, which causes the water h to collect as a heavy phase at the edge of the fluid line 126, while the oxygen i as a light phase collects in the middle or in the middle Center of the flow.
  • This is indicated to the left of the axial cyclone 140 by thick dots that are getting closer and closer together, which are finally only shown as a thick line in the middle - there is then only oxygen there.
  • a line 150 is introduced into the fluid line 126, which has an opening which lies in the middle of the fluid line 126 and is at a suitable distance from the axial cyclone 140.
  • the line 150 is then, for example, guided to the outside, for example through a wall or in the fluid line 126 (here, for example, a suitable seal must be made). Because the oxygen collects in the middle of the fluid line 126, it passes through the opening of the line 150 due to the flow velocity and can be discharged as flow g, if necessary via a valve 152, as already mentioned.
  • the fluid flow c Downstream, the fluid flow c then has less oxygen than before. As an example, no oxygen in a gaseous state is shown in the water anymore. In this way, the fluid stream c, when it then reaches the container 120, contains significantly less oxygen than without the use of the axial cyclone.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage (100), in der ein flüssiges Medium in einer Elektrolyseeinheit (110) in zumindest ein gasförmiges Produkt umgesetzt wird, wobei zwischen einem als Gas-Abscheider verwendeten Behälter (120) und der Elektrolyseeinheit (110) ein Fluidstrom (b, c) umgewälzt wird, der flüssiges Medium und zumindest zeitweise Gas aufweist, wobei der Fluidstrom (b, c) durch wenigstens einen Axialzyklon (140) geführt wird, um in dem Fluidstrom Gas von dem flüssigen Medium abzutrennen, wobei das abgetrennte Gas (g) aus dem Fluidstrom (b, c) abgeführt wird. Die Erfindung betrifft auch eine entsprechende Elektrolyseanlage (100) sowie eine Verwendung und eine Herstellung eines Axialzyklons (140).The invention relates to a method for operating an electrolysis system (100), in which a liquid medium is converted into at least one gaseous product in an electrolysis unit (110), with a container (120) used as a gas separator and the electrolysis unit (110) a fluid stream (b, c) is circulated, which has liquid medium and at least temporarily gas, the fluid stream (b, c) being guided through at least one axial cyclone (140) in order to separate gas from the liquid medium in the fluid stream, wherein the separated gas (g) is removed from the fluid stream (b, c). The invention also relates to a corresponding electrolysis system (100) and to the use and production of an axial cyclone (140).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage, insbesondere zur Wasserelektrolyse, eine solche Elektrolyseanlage, die z.B. zur Gewinnung von Wasserstoff eingesetzt wird, sowie eine Verwendung und ein Verfahren zur Herstellung eines Axialzyklons.The invention relates to a method for operating an electrolysis system, in particular for water electrolysis, such an electrolysis system, which is used, for example, to obtain hydrogen, and a use and a method for producing an axial cyclone.

Stand der TechnikState of the art

Zur Gewinnung von Wasserstoff kann die sog. Elektrolyse eingesetzt werden, bei der z.B. Wasser durch elektrische Energie in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespaltet bzw. umgesetzt wird. Hierbei wird auch von der Wasser-Elektrolyse gesprochen. Hier kommt z.B. die sog. Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse, "Proton Exchange Membrane"-Elektrolyse) in Betracht.To obtain hydrogen, so-called electrolysis can be used, in which, for example, water is split or converted into oxygen and hydrogen using electrical energy. This is also referred to as water electrolysis. Here, for example, the so-called proton exchange membrane electrolysis (PEM electrolysis, “proton exchange membrane” electrolysis) comes into consideration.

Bei der Elektrolyse von Wasser kommt es in der Regel zu einem Temperaturanstieg des Wassers. Um den Temperaturanstieg zu begrenzen, können große Mengen an Wasser umgewälzt werden. Ein Großteil des Wassers verbleibt bei der PEM-Elektrolyse in diesem Fall in der Regel auf der Sauerstoffseite der Membran. Während der Wasserstoff z.B. durch die Membran diffundiert, verbleibt der Sauerstoff zunächst im Wasser und wird danach typischerweise in einem Behälter aus dem Wasser abgeschieden, zumindest derjenige Anteil an Sauerstoff, der über die Löslichkeitsgrenze in Wasser bei gegebenen Bedingungen hinausgeht. Der Behälter wird also als Gas-Abscheider bzw. in diesem Fall insbesondere als Sauerstoff-Abscheider bzw. Sauerstoff-Wasser-Abscheider verwendet.When water is electrolyzed, the temperature of the water usually rises. To limit the temperature rise, large amounts of water can be recirculated. In this case, a large part of the water usually remains on the oxygen side of the membrane during PEM electrolysis. For example, while the hydrogen diffuses through the membrane, the oxygen initially remains in the water and is then typically separated from the water in a container, at least that proportion of oxygen that exceeds the solubility limit in water under given conditions. The container is therefore used as a gas separator or in this case in particular as an oxygen separator or oxygen-water separator.

Sauerstoff bzw. Sauerstoffblasen benötigen jedoch eine gewisse Zeit, um im Wasser an die Oberfläche zu steigen und als abgeschieden zu gelten; die genaue Zeit kann z.B. von Flussrichtung und Größe des Behälters abhängen. Je höher die Verweildauer des Wassers (mit ggf. darin gelöstem Sauerstoff) im Behälter ist, desto größer muss dieser jedoch sein, um die nötige Menge an der PEM bzw. der Elektrolyseeinheit umwälzen zu können. Dies kann zu hohen Kosten führen. Dies trifft im Grunde auch auf andere Arten der Elektrolyse zu, bei denen ein Gas in umgewälztem flüssigem Medium verbleibt. Verbleibender Sauerstoff im Wasser kann sich negativ auf die Elektrolyse auswirken. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, das Abscheiden von Gas wie z.B. Sauerstoffaus einer Flüssigkeit wie z.B. Wasser zu verbessern.However, oxygen or oxygen bubbles need a certain amount of time to rise to the surface in the water and be considered separated; The exact time can depend on the flow direction and size of the container, for example. However, the longer the water (with any oxygen dissolved in it) stays in the container, the larger it has to be in order to be able to circulate the necessary amount of PEM or the electrolysis unit. This can lead to high costs. This basically also applies to other types of electrolysis, in which a gas is circulated in liquid Medium remains. Remaining oxygen in the water can have a negative effect on electrolysis. Against this background, the task is to improve the separation of gas such as oxygen from a liquid such as water.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage, eine Elektrolyseanlage sowie eine Verwendung und ein Verfahren zur Herstellung eines Axialzyklons mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.This object is achieved by a method for operating an electrolysis system, an electrolysis system and a use and a method for producing an axial cyclone with the features of the independent patent claims. Refinements are the subject of the dependent patent claims and the following description.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung beschäftigt sich mit der Elektrolyse sowie Elektrolyseanlagen bzw. deren Betrieb. Elektrolyseanlagen dienen typischerweise dem Erzeugen oder Gewinnen von Wasserstoff mittels Elektrolyse. Hier wird dann von der sog. Wasser-Elektrolyse gesprochen, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt (gespaltet) wird (neben Wasserstoff wird also zugleich auch immer Sauerstoff gewonnen bzw. erzeugt). Bei der Wasser-Elektrolyse gibt es z.B. die sog. alkalische Wasser-Elektrolyse (AEL, "Alkaline Electrolysis") oder die sog. Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse, "Proton Exchange Membrane"-Elektrolyse). Die Grundlagen hierzu sind an sich bekannt, z.B. aus " Bessarabov et al: PEM electrolysis for Hydrogen production. CRC Press ."The invention deals with electrolysis and electrolysis systems and their operation. Electrolysis systems are typically used to produce or obtain hydrogen using electrolysis. Here we are talking about the so-called water electrolysis, in which water is converted (split) into hydrogen and oxygen (in addition to hydrogen, oxygen is also always obtained or produced). When it comes to water electrolysis, there is, for example, the so-called alkaline water electrolysis (AEL, "Alkaline Electrolysis") or the so-called proton exchange membrane electrolysis (PEM electrolysis, "Proton Exchange Membrane" electrolysis). The basics for this are known, for example from " Bessarabov et al: PEM electrolysis for hydrogen production. CRC Press ."

Daneben gibt es auch die sog. Festoxid-Elektrolyseurzellen-Elektrolyse (SOEC-Elektrolyse, "Solid Oxide Electrolysis Cell"-Elektrolyse) und die Anionen-Austausch-Membran-Elektrolyse (AEM-Elektrolyse, "Anion Exchange Membrane"-Elektrolyse). Insbesondere diejenigen Elektrolyse-Technologien, die bei niedrigen Temperaturen erfolgen, also z.B. die PEM-, AEL- und AEM-Elektrolyse, eignen sich aufgrund der Möglichkeiten eines flexiblen Betriebs zur Unterstützung des Übergangs der Energiegewinnung hin zu erneuerbaren Energien.There is also the so-called solid oxide electrolyzer cell electrolysis (SOEC electrolysis, "Solid Oxide Electrolysis Cell" electrolysis) and the anion exchange membrane electrolysis (AEM electrolysis, "Anion Exchange Membrane" electrolysis). In particular, those electrolysis technologies that take place at low temperatures, such as PEM, AEL and AEM electrolysis, are suitable for supporting the transition of energy production to renewable energies due to the possibilities of flexible operation.

Die Festoxid-Elektrolyseurzellen-Elektrolyse eignet sich dabei z.B. auch zur Gewinnung von Kohlenstoffmonoxid aus Kohlenstoffdioxid, also zur Kohlenstoffdioxid-Elektrolyse (CO2-Elektrolyse); ebenso gibt es die sog. Co-Elektrolyse, bei der Kohlenstoffdioxid und Wasser in verschiedene Produkte wie z.B. CO, Synthesegas oder auch Ethylen, Ethanol, Format umgewandelt werden. Ebenso gibt es die sog. Chlor-Alkali-Elektrolyse.Solid oxide electrolyzer cell electrolysis is also suitable, for example, for obtaining carbon monoxide from carbon dioxide, i.e. for carbon dioxide electrolysis (CO 2 electrolysis); There is also the so-called co-electrolysis, in which carbon dioxide and water are converted into various products such as CO, synthesis gas or ethylene, ethanol, formate. There is also the so-called chlorine-alkali electrolysis.

Bei der PEM-Elektrolyse z.B. wird Wasser, und zwar insbesondere demineralisiertes Wasser, als Einsatzmedium einer Elektrolyseeinheit mit einer Protonen-Austausch-Membran (PEM) zugeführt, in der das Einsatzmedium, also das Wasser, in Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt (gespaltet) wird.In PEM electrolysis, for example, water, and in particular demineralized water, is fed as the feed medium to an electrolysis unit with a proton exchange membrane (PEM), in which the feed medium, i.e. the water, is converted (split) into hydrogen and oxygen.

Bei der PEM-Elektrolyse von Wasser kommt es in der Regel zu einem Temperaturanstieg des Wassers. Um den Temperaturanstieg zu begrenzen, können große Mengen an Wasser umgewälzt werden. Ein Großteil des Wassers verbleibt bei der PEM-Elektrolyse in diesem Fall in der Regel auf der Sauerstoffseite der Membran bzw. der Sauerstoffseite der Elektrolyseeinheit. Während der Wasserstoff z.B. durch die Membran diffundiert, verbleibt der Sauerstoff zunächst im Wasser und wird danach typischerweise in einem Behälter aus dem Wasser abgeschieden, zumindest derjenige Anteil an Sauerstoff, der über die (maximale) Löslichkeit in Wasser hinausgeht.PEM electrolysis of water usually results in an increase in the temperature of the water. To limit the temperature rise, large amounts of water can be recirculated. In this case, a large part of the water in PEM electrolysis usually remains on the oxygen side of the membrane or the oxygen side of the electrolysis unit. While the hydrogen, for example, diffuses through the membrane, the oxygen initially remains in the water and is then typically separated from the water in a container, at least the proportion of oxygen that exceeds the (maximum) solubility in water.

Sauerstoff bzw. Sauerstoffblasen benötigen jedoch eine gewisse Zeit, um aufgrund der Dichtedifferenz im Wasser an die Oberfläche zu steigen und als abgeschieden zu gelten; die genaue Zeit kann z.B. von Blasengröße, Flussrichtung und Größe des Behälters abhängen. Je höher die Verweildauer des Wassers im Behälter ist, desto größer muss dieser jedoch sein, um die nötige Menge an der PEM umwälzen zu können. Dies kann zu hohen Kosten führen. Wird die Verweildauer im Behälter zu kurz gehalten, kann Sauerstoff im Wasser verbleiben. Insbesondere Kleinstblasen an Sauerstoff können die Elektrolyse negativ beeinträchtigen, insbesondere hinsichtlich Leistung, Effizienz und Lebensdauer der Elektrolyseanlage bzw. der Elektrolyseeinheit.However, oxygen or oxygen bubbles need a certain amount of time to rise to the surface due to the density difference in the water and be considered separated; The exact time can depend, for example, on the size of the bubble, the direction of flow and the size of the container. However, the longer the water stays in the container, the larger it has to be in order to be able to circulate the necessary amount of PEM. This can lead to high costs. If the time spent in the container is kept too short, oxygen can remain in the water. In particular, small oxygen bubbles can have a negative impact on electrolysis, particularly with regard to the performance, efficiency and service life of the electrolysis system or electrolysis unit.

Vor diesem Hintergrund wird der Einsatz eines oder ggf. mehrerer Axialzyklone in einer Elektrolyseanlage vorgeschlagen, insbesondere sog. Inline-Axialzyklone, d.h. Axialzyklone, die in Leitungen bzw. Rohren eingebaut bzw. angeordnet werden. Ein Axial-Zyklon weist ein sog. Leitelement (auch als "swirl element" bezeichnet) auf, das in einem Fluidstrom liegt. Mit dem Leitelement wird dem Fluid ein Drall aufgezwungen, der dazu führet, dass die schwerere Phase des Fluidstroms sich am Rand des Axialzyklons bzw. der Leitung sammelt, die leichtere Phase hingegen in der Mitte, also in der Kernströmung liegt. Beide Phasen können dann - zumindest bis zu einem gewissen Grad - getrennt voneinander abgezogen werden.Against this background, the use of one or possibly several axial cyclones in an electrolysis system is proposed, in particular so-called inline axial cyclones, ie axial cyclones that are installed or arranged in lines or pipes. An axial cyclone has a so-called guide element (also referred to as a “swirl element”) that lies in a fluid stream. With the guide element, a twist is imposed on the fluid, which leads to the heavier phase of the fluid flow being at the edge of the Axial cyclone or the line collects, while the lighter phase lies in the middle, i.e. in the core flow. Both phases can then - at least to a certain extent - be subtracted separately from each other.

Eine typische Nutzung solcher Axialzyklone ist eigentlich in Unterseeanwendungen z.B. bei der Erdölförderung. Dort wird das Erdöl von Wasser getrennt, sodass das Erdöl gewonnen werden kann. Die Erfinder haben nunmehr aber erkannt, dass mittels eines solchen Axialzyklons auch besonders gut ein Gas wie z.B. Sauerstoff von einer Flüssigkeit wie z.B. Wasser abgetrennt werden kann.A typical use of such axial cyclones is actually in undersea applications, for example in oil production. There the petroleum is separated from water so that the petroleum can be extracted. However, the inventors have now recognized that such an axial cyclone can also be used particularly well to separate a gas such as oxygen from a liquid such as water.

Wie erwähnt, wird bei einer Elektrolyseanlage Wasser mit ggf. Sauerstoff darin umgewälzt; dies erfolgt zwischen der Elektrolyseeinheit mit z.B. der PEM und dem Behälter, in dem z.B. der Sauerstoff vom Wasser abgeschieden wird. Entsprechend sind zwischen dem Behälter und der Elektrolyseeinheit mehrere Fluidleitungen vorgesehen, und zwar einerseits in Strömungsrichtung von dem Behälter zur Elektrolyseeinheit und andererseits in Strömungsrichtung von der Elektrolyseeinheit zum Behälter. In jede Richtung können jeweils eine oder mehrere Fluidleitungen vorgesehen sein, je nach Größe oder Durchmesser der Fluidleitungen und Größe der Elektrolyseanlage. Bei einer Elektrolyseanlage mit einer Leistung von 24 MW können z.B. ein oder zwei Fluidleitungen, z.B. in Form von Rohren, mit einem Durchmesser von beispielsweise 700 mm je Strömungsrichtung verwendet werden.As mentioned, an electrolysis system circulates water with possibly oxygen in it; This takes place between the electrolysis unit with, for example, the PEM and the container in which, for example, the oxygen is separated from the water. Accordingly, several fluid lines are provided between the container and the electrolysis unit, on the one hand in the flow direction from the container to the electrolysis unit and on the other hand in the flow direction from the electrolysis unit to the container. One or more fluid lines can be provided in each direction, depending on the size or diameter of the fluid lines and the size of the electrolysis system. In an electrolysis system with an output of 24 MW, for example, one or two fluid lines, for example in the form of pipes, with a diameter of, for example, 700 mm per flow direction can be used.

Ein Axialzyklon wird hier nun derart angeordnet bzw. verwendet, dass ein Fluidstrom mit Wasser und zumindest zeitweise Sauerstoff durch den Axialzyklon geführt wird. Hierzu kann der Axialzyklon in einer der erwähnten Fluidleitungen angeordnet werden. Bei mehreren Fluidleitungen in einer Strömungsrichtung kann auch in jeder Fluidleitung ein Axialzyklon angeordnet werden. Die in aller Regel ohnehin nötigen Fluidleitungen bzw. Rohre eignen sich besonders für den Einsatz von Axialzyklonen.An axial cyclone is now arranged or used in such a way that a fluid stream with water and at least temporarily oxygen is guided through the axial cyclone. For this purpose, the axial cyclone can be arranged in one of the fluid lines mentioned. If there are several fluid lines in one flow direction, an axial cyclone can also be arranged in each fluid line. The fluid lines or pipes, which are generally necessary anyway, are particularly suitable for the use of axial cyclones.

Der Sauerstoff sammelt sich nach dem Axialzyklon (in Strömungsrichtung) in der Mitte des Rohres bzw. zentral und kann von dort dann abgeführt werden, z.B. durch eine dort eingebrachte dünne Leitung, die nach außen geführt wird.The oxygen collects after the axial cyclone (in the direction of flow) in the middle of the pipe or centrally and can then be removed from there, e.g. through a thin pipe inserted there that is led to the outside.

Durch die hohen Beschleunigungen von bis zu 100 g in radialer Richtung spielt es dabei auch keine Rolle, ob der Axialzyklon vertikal oder horizontal angeordnet wird. Die Axialzyklone können mit Geschwindigkeiten ab z.B. ca. 2 m/s (und höher) betrieben werden, was sehr gut zu den typischen Geschwindigkeiten in einer typischen Elektrolyseanlage auf der Sauerstoffseite passt.Due to the high accelerations of up to 100 g in the radial direction It doesn't matter whether the axial cyclone is arranged vertically or horizontally. The axial cyclones can be operated at speeds from, for example, approx. 2 m/s (and higher), which fits very well with the typical speeds in a typical electrolysis plant on the oxygen side.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn ein solcher Axialzyklon (oder ggf. auch mehrere) in Strömungsrichtung zwischen der Elektrolyseeinheit und dem Behälter verwendet werden. Damit wird eine erhebliche Menge an Sauerstoff bereits aus dem Fluidstrom bzw. dem Wasser abgeschieden bevor dieser bzw. dieses den Behälter erreicht, der eigentlich zur Sauerstoff-Abscheidung verwendet wird. Entsprechend können sowohl dieser Behälter als auch die Leitungen zwischen Axialzyklon und Abscheider (Behälter) dann deutlich kleiner oder kompakter dimensioniert werden als ohne die Verwendung des Axialzyklons. Eine kompaktere Bauweise erlaubt damit außerdem eine einfachere oder bessere Standardisierung solcher Behälter, z.B. in Skid-Bauweise des Sauerstoff-Wasser-Trennteils.It is particularly useful if such an axial cyclone (or possibly several) are used in the flow direction between the electrolysis unit and the container. This means that a significant amount of oxygen is already separated from the fluid stream or the water before it reaches the container that is actually used for oxygen separation. Accordingly, both this container and the lines between the axial cyclone and the separator (container) can then be made significantly smaller or more compact than without the use of the axial cyclone. A more compact design also allows easier or better standardization of such containers, e.g. in a skid design of the oxygen-water separator.

Neben der Grobabscheidung von Sauerstoff ermöglicht der Einsatz eines solchen Axialzyklons (oder ggfs. auch mehreren) die Koaleszenz und/oder Abtrennung von Kleinstblasen. Auch in diesem Fall kann der nachfolgende Abscheider kleiner oder kompakter dimensioniert werden als ohne die Verwendung des Axialzyklons. Darüber hinaus können ggfs. Einbauten im Abscheider eingespart werden.In addition to the coarse separation of oxygen, the use of such an axial cyclone (or possibly several) enables the coalescence and/or separation of tiny bubbles. In this case too, the subsequent separator can be made smaller or more compact than without the use of the axial cyclone. In addition, installations in the separator can be saved if necessary.

Ebenso ist eine zusätzliche Abscheidung von Sauerstoff von dem Wasser mittels Ultraschall zweckmäßig. Durch die Ultraschallbehandlung werden kleine schwebende Gasbläschen aus der Flüssigkeit entfernt und der Gehalt an gelöstem Gas auf den natürlichen Gleichgewichtswert gesenkt. Durch eine Kombination von Axialzyklon(en), Behälter und Ultraschall kann ein noch höherer Abscheidegrad erreicht werden. Der Ultraschall kann dabei z.B. sowohl zwischen Elektrolyseeinheit und Behälter als auch im Behälter selbst angewendet werden.An additional separation of oxygen from the water using ultrasound is also useful. Ultrasound treatment removes small floating gas bubbles from the liquid and reduces the dissolved gas content to the natural equilibrium value. An even higher degree of separation can be achieved through a combination of axial cyclone(s), containers and ultrasound. The ultrasound can be used, for example, between the electrolysis unit and the container as well as in the container itself.

Wenngleich die Elektrolyse bzw. Elektrolyse in Bezug auf die Wasser-Elektrolyse bzw. insbesondere die PEM-Elektrolyse beschrieben wird, so können die erwähnte Axialzyklone auch bei anderen Elektrolyseanlagen wie z.B. vorstehend erwähnt eingesetzt werden, bei denen ein flüssiges Medium in der Elektrolyseeinheit in zumindest ein gasförmiges Produkt umgesetzt wird, und dementsprechend zwischen dem Behälter und der Elektrolyseeinheit ein Fluidstrom umgewälzt wird, der flüssiges Medium und zumindest zeitweise Gas aufweist. Die Wirkungsweise des Axialzyklons ist nicht auf Sauerstoff und Wasser beschränkt, sondern erstreckt sich generell auf zwei vermischte Medien, die unterschiedliche Dichte aufweisen, und damit insbesondere auch auf eine Mischung aus Flüssigkeit (flüssiges Medium) und Gas.Although the electrolysis or electrolysis is described in relation to the water electrolysis or in particular the PEM electrolysis, the axial cyclones mentioned can also be used in other electrolysis systems such as those mentioned above, in which a liquid medium in the electrolysis unit in at least one gaseous product is implemented, and accordingly between A fluid stream is circulated in the container and the electrolysis unit, which has liquid medium and at least temporarily gas. The mode of operation of the axial cyclone is not limited to oxygen and water, but generally extends to two mixed media that have different densities, and therefore in particular to a mixture of liquid (liquid medium) and gas.

Die in der Elektrolyseanlage verwendeten Axialzyklone müssen ggf. an vorhandene Größen oder Durchmesser von Fluidleitungen bzw. Rohren der Elektrolyseanlage angepasst werden. Insofern ist es besonders zweckmäßig, wenn ein Axialzyklon in Form und/oder Material gezielt an die Verwendung dort angepasst wird. Dies kann besonders einfach und gut erfolgen, wenn der Axialzyklon oder zumindest dessen Leitelement mittels additivier Fertigung ("additive manufacturing", auch als 3D-Druck bekannt) hergestellt wird.The axial cyclones used in the electrolysis system may need to be adapted to the existing sizes or diameters of fluid lines or pipes in the electrolysis system. In this respect, it is particularly useful if the shape and/or material of an axial cyclone is specifically adapted to its use there. This can be done particularly easily and well if the axial cyclone or at least its guide element is manufactured using additive manufacturing, also known as 3D printing.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, welche eine Anlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.The invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawing, which shows a system according to a preferred embodiment of the present invention.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1
zeigt schematisch eine erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage in einer bevorzugten Ausführungsform.
Figur 2
zeigt schematisch einen Axialzyklon in einer Rohrleitung.
Short description of the drawing
Figure 1
shows schematically an electrolysis system according to the invention in a preferred embodiment.
Figure 2
shows schematically an axial cyclone in a pipeline.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

In Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Elektrolyseanlage 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, bei der auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Beispielhaft handelt es sich um eine Elektrolyseanlage zur Wasser-Elektrolyse mittels PEM. Insbesondere handelt sich bei der hier gezeigt sowie allgemein im Rahmen der Erfindung beschriebene Elektrolyseanlage um eine Elektrolyseanlage im industriellen Maßstab, um z.B. Wasserstoff in industriellem Maßstab zu gewissen. Eine typische Leistung einer solchen Elektrolyseanlage liegt z.B. bei mehr als 10 MW oder auch mehr als 20 MW.In Figure 1 an electrolysis system 100 according to the invention is shown schematically in a preferred embodiment, in which a method according to the invention can also be carried out. An example is an electrolysis system for water electrolysis using PEM. In particular, the electrolysis system shown here and generally described within the scope of the invention is an electrolysis system on an industrial scale, for example to produce hydrogen on an industrial scale. A typical output of such an electrolysis system is, for example, more than 10 MW or even more than 20 MW.

Die Elektrolyseanlage 100 weist eine Elektrolyseeinheit 110, oder auch eine sog. Elektrolysezelle, auf, in der eine Protonen-Austausch-Membran (PEM) 112 vorgesehen ist. Die PEM 112 trennt die Elektrolyseeinheit 110 in eine Sauerstoffseite 114 und eine Wasserstoffseite 116.The electrolysis system 100 has an electrolysis unit 110, or a so-called electrolysis cell, in which a proton exchange membrane (PEM) 112 is provided. The PEM 112 separates the electrolysis unit 110 into an oxygen side 114 and a hydrogen side 116.

Die Elektrolyseanlage 100 weist weiterhin einen Behälter 120 auf, der als Gas-Abscheider, hier insbesondere als Sauerstoff-Abscheider bzw. Sauerstoff-Wasser-Abscheider dient. Der Behälter 120 ist über eine oder mehrere Fluidleitungen 122, z.B. Rohre, mit der Elektrolyseeinheit 110 verbunden. Durch die eine oder mehreren Fluidleitungen 122 kann ein Fluidstrom b aus dem Behälter 120 zur Elektrolyseeinheit gepumpt werden, z.B. mittels einer Pumpe 124. Die Elektrolyseeinheit 110 ist zudem über eine oder mehrere Fluidleitungen 126, z.B. Rohre, mit dem Behälter 120 verbunden. Durch die eine oder mehreren Fluidleitungen 126 kann ein Fluidstrom c aus der Elektrolyseeinheit 110, dort der Sauerstoffseite 114, zum Behälter 120 gepumpt werden; hierfür ist ebenfalls die Pumpe 124 ausreichend.The electrolysis system 100 also has a container 120, which serves as a gas separator, here in particular as an oxygen separator or oxygen-water separator. The container 120 is connected to the electrolysis unit 110 via one or more fluid lines 122, e.g. pipes. Through the one or more fluid lines 122, a fluid stream b can be pumped from the container 120 to the electrolysis unit, for example by means of a pump 124. The electrolysis unit 110 is also connected to the container 120 via one or more fluid lines 126, for example pipes. A fluid stream c can be pumped from the electrolysis unit 110, there the oxygen side 114, to the container 120 through the one or more fluid lines 126; The pump 124 is also sufficient for this.

Außerdem weist die Elektrolyseanlage 100 einen weiteren Gas-Ascheider 130, hier einen Wasserstoff-Abscheider bzw. Wasserstoff-Wasser-Abscheider auf.In addition, the electrolysis system 100 has a further gas separator 130, here a hydrogen separator or hydrogen-water separator.

Wenngleich hier nur eine Elektrolyseeinheit 110 gezeigt ist, so können auch mehrere davon vorgesehen sein, z.B. je nach Größe und Leistung der Elektrolyseanlage 100. Mehrere Elektrolyseeinheiten können dann z.B. trotzdem an einen gemeinsamen Behälter zur Gas- bzw. Sauerstoff-Abscheidung und/oder einen gemeinsamen Wasserstoff-Abscheider angeschlossen sein.Although only one electrolysis unit 110 is shown here, several of them can also be provided, for example depending on the size and performance of the electrolysis system 100. Several electrolysis units can then, for example, still be connected to a common container for gas or oxygen separation and/or a common one Hydrogen separator must be connected.

Bei einem Betrieb der Elektrolyseanlage 100 wird nun der Fluidstrom b, der Wasser aufweist, vom Behälter 120 zur Elektrolyseeinheit 110 gepumpt. Dort wird das Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff umgesetzt. Hierzu wird eine elektrische Spannung an die Elektrolyseeinheit 110 angelegt, der Wasserstoff diffundiert durch die PEM 112 auf die Wasserstoffseite 116 und kann von dort, ggf. noch mit Wasserdampf vermischt, als Strom e dem Wasserstoff-Abscheider 130 zugeführt werden. Dort kann der Wasserstoff abgeschieden werden und als Strom f z.B. für eine weitere Verwendung abgeführt oder gespeichert werden.When the electrolysis system 100 is in operation, the fluid stream b, which contains water, is pumped from the container 120 to the electrolysis unit 110. There the water is converted into oxygen and hydrogen. For this purpose, an electrical voltage is applied to the electrolysis unit 110, the hydrogen diffuses through the PEM 112 to the hydrogen side 116 and from there, possibly mixed with water vapor, can be fed to the hydrogen separator 130 as current e. The hydrogen can be separated there and discharged or stored as electricity f, for example for further use.

Der Sauerstoff verbleibt zusammen mit dem Wasser auf der Sauerstoffseite 114 und wird, wie erwähnt, als Fluidstrom c zum Behälter 120 gepumpt. Insgesamt wird also ein Fluidstrom zwischen dem Behälter 120 und der Elektrolyseeinheit 110 umgewälzt. Dabei weist der Fluidstrom bzw. Teil-Fluidstrom c mehr Sauerstoff auf als der Fluidstrom bzw. Teil-Fluidstrom b, da im Fluidstrom c der in der Elektrolyseeinheit 110 erzeugte Sauerstoff umfasst ist. Im Fluidstrom b hingegen wurde Sauerstoff zumindest im Behälter 120 schon abgeschieden.The oxygen remains together with the water on the oxygen side 114 and, as mentioned, is pumped to the container 120 as a fluid stream c. Overall, a fluid stream is circulated between the container 120 and the electrolysis unit 110. The fluid flow or partial fluid flow c has more oxygen than the fluid flow or partial fluid flow b, since the fluid flow c includes the oxygen generated in the electrolysis unit 110. In the fluid stream b, however, oxygen has already been separated at least in the container 120.

Wie erwähnt, wird im Behälter 120 Sauerstoff vom Wasser abgetrennt; der hierbei abgetrennte bzw. abgeschiedene Sauerstoff kann als Strom d z.B. für eine weitere Verwendung abgeführt oder gespeichert werden.As mentioned, oxygen is separated from water in container 120; The oxygen separated or deposited here can be discharged or stored as stream d, for example for further use.

Da in der Elektrolyseeinheit 110 Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff umgesetzt wird und der Sauerstoff und der Wasserstoff abgeführt werden, wird die Menge an Wasser geringer und kann daher - um einen kontinuierlichen Betrieb aufrechtzuerhalten - als Strom a von extern neues Wasser (sog. Make-Up-Wasser) zugeführt werden.Since water is converted into oxygen and hydrogen in the electrolysis unit 110 and the oxygen and hydrogen are removed, the amount of water becomes smaller and can therefore - in order to maintain continuous operation - be used as a stream of externally new water (so-called make-up -water).

Dieses Wasser a kann zuvor z.B. noch aufbereitet werden, was für die vorliegende Erfindung jedoch nicht weiter relevant ist. Ebenso kann ggf. im Wasserstoff-Abscheider 130 abgeschiedenes Wasser wieder in den Behälter 120, ggf. ebenfalls nach vorheriger Aufbereitung, geführt werden.This water a can, for example, be prepared beforehand, but this is no longer relevant to the present invention. Likewise, if necessary, water separated in the hydrogen separator 130 can be fed back into the container 120, if necessary also after previous processing.

Weiterhin weist die Elektrolyseanlage 100 beispielhaft einen Axialzyklon 140, auf, der hier nur schematisch angedeutet ist. Der Axialzyklon 140 ist in der Fluidleitung 126 und damit in Strömungsrichtung zwischen der Elektrolyseeinheit 110 und dem Behälter 120 angeordnet. Denkbar ist an sich, einen Axialzyklon - alternativ oder zusätzlich - auch in Strömungsrichtung zwischen dem Behälter 120 und Elektrolyseeinheit 110 anzuordnen, wie beispielhaft mit 140' gezeigt.Furthermore, the electrolysis system 100 has, for example, an axial cyclone 140, which is only indicated schematically here. The axial cyclone 140 is arranged in the fluid line 126 and thus in the flow direction between the electrolysis unit 110 and the container 120. It is conceivable to arrange an axial cyclone - alternatively or additionally - in the direction of flow between the container 120 and the electrolysis unit 110, as shown for example at 140 '.

Wie erwähnt, dient der Axialzyklon hier zum Abtrennen, in dem Fluidstrom, von Sauerstoff von dem Wasser. Abgetrennter Sauerstoff kann als Strom g z.B. für eine weitere Verwendung abgeführt und ggf. gespeichert werden. Auch kann der Strom g mit dem Strom d vereinigt, oder dem Abscheider 120 zugeführt werden.As mentioned, the axial cyclone serves here to separate oxygen from the water in the fluid stream. Separated oxygen can be discharged as a stream g, for example for further use and, if necessary, stored. The stream g can also be combined with the stream d or fed to the separator 120.

In Figur 2 ist schematisch der Axialzyklon 140 aus Figur 1 detaillierter dargestellt. Der Axialzyklon 140 ist in der Fluidleitung 126 angeordnet und weist ein Leitelement umfassend einen Grundkörper 142 und Leitschaufeln 144, die an dem Grundkörper 144 angeordnet oder ausgebildet sind.In Figure 2 is a schematic of the axial cyclone 140 Figure 1 presented in more detail. The axial cyclone 140 is arranged in the fluid line 126 and has a guide element comprising a base body 142 and guide vanes 144 which are arranged or formed on the base body 144.

Der Fluidstrom c, umfassend Wasser h und Sauerstoff i, trifft hier von rechts kommend auf den Axialzyklon 140 bzw. dessen Leitelement. Vor dem Axialzyklon 140 ist der Sauerstoff i, hier als dicke Punkte dargestellt, mit dem Wasser h, hier als feine bzw. kleine Punkte dargestellt, vermischt. Aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms c wird in dem Fluidstrom durch den Axialzyklon 140 ein Drall erzeugt, der dazu führt, dass sich das Wasser h als schwere Phase am Rand der Fluidleitung 126 sammelt, der Sauerstoff i als leichte Phase hingegen in der Mitte bzw. im Zentrum der Strömung. Dies ist links vom Axialzyklon 140 durch immer näher zusammenrückende dicke Punkte angedeutet, die schließlich mittig nur noch als dicker Strich gezeigt sind - dort befindet sich dann nur noch Sauerstoff.The fluid flow c, comprising water h and oxygen i, comes from the right and hits the axial cyclone 140 or its guide element. In front of the axial cyclone 140, the oxygen i, shown here as thick dots, is mixed with the water h, shown here as fine or small dots. Due to the flow speed of the fluid stream c, a swirl is generated in the fluid stream by the axial cyclone 140, which causes the water h to collect as a heavy phase at the edge of the fluid line 126, while the oxygen i as a light phase collects in the middle or in the middle Center of the flow. This is indicated to the left of the axial cyclone 140 by thick dots that are getting closer and closer together, which are finally only shown as a thick line in the middle - there is then only oxygen there.

Weiterhin ist in der Fluidleitung 126 eine Leitung 150 eingebracht, die eine Öffnung aufweist, die in der Mitte der Fluidleitung 126 liegt und einen geeigneten Abstand zum Axialzyklon 140 hat. Die Leitung 150 ist dann z.B. nach außen geführt, z.B. durch eine Wandung bzw. in der Fluidleitung 126 hindurch (hier ist z.B. eine geeignete Abdichtung vorzunehmen). Dadurch, dass sich der Sauerstoff in der Mitte der Fluidleitung 126 sammelt, gelangt dieser aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit durch die Öffnung die Leitung 150 und kann, ggf. über ein Ventil 152, als Strom g abgeführt werden, wie schon erwähnt.Furthermore, a line 150 is introduced into the fluid line 126, which has an opening which lies in the middle of the fluid line 126 and is at a suitable distance from the axial cyclone 140. The line 150 is then, for example, guided to the outside, for example through a wall or in the fluid line 126 (here, for example, a suitable seal must be made). Because the oxygen collects in the middle of the fluid line 126, it passes through the opening of the line 150 due to the flow velocity and can be discharged as flow g, if necessary via a valve 152, as already mentioned.

Stromabwärts weist der Fluidstrom c dann weniger Sauerstoff auf als vorher. Beispielhaft ist hier kein Sauerstoff in gasförmigem Zustand mehr im Wasser gezeigt. Auf diese Weise umfasst der Fluidstrom c, wenn er dann den Behälter 120 erreicht, deutlich weniger Sauerstoff als ohne die Verwendung des Axialzyklons.Downstream, the fluid flow c then has less oxygen than before. As an example, no oxygen in a gaseous state is shown in the water anymore. In this way, the fluid stream c, when it then reaches the container 120, contains significantly less oxygen than without the use of the axial cyclone.

Claims (12)

Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage (100), in der ein flüssiges Medium in einer Elektrolyseeinheit (110) in zumindest ein gasförmiges Produkt umgesetzt wird, wobei zwischen einem als Gas-Abscheider verwendeten Behälter (120) und der Elektrolyseeinheit (110) ein Fluidstrom (b, c) umgewälzt wird, der flüssiges Medium und zumindest zeitweise Gas aufweist, wobei der Fluidstrom (b, c) durch wenigstens einen Axialzyklon (140, geführt wird, um in dem Fluidstrom Gas von dem flüssigen Medium abzutrennen, wobei das abgetrennte Gas (g) aus dem Fluidstrom (b, c) abgeführt wird. Method for operating an electrolysis system (100), in which a liquid medium is converted into at least one gaseous product in an electrolysis unit (110), wherein a fluid stream (b, c) which contains liquid medium and at least temporarily gas is circulated between a container (120) used as a gas separator and the electrolysis unit (110), wherein the fluid stream (b, c) is passed through at least one axial cyclone (140) in order to separate gas from the liquid medium in the fluid stream, the separated gas (g) being removed from the fluid stream (b, c). Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Fluidstrom (c), in Strömungsrichtung, zwischen der Elektrolyseeinheit (110) und dem Behälter (120) durch einen Axialzyklon (140) geführt wird.Method according to claim 1, wherein the fluid stream (c), in the direction of flow, is guided through an axial cyclone (140) between the electrolysis unit (110) and the container (120). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem Fluidstrom weiterhin mittels Ultraschall Gas von dem flüssigen Medium abgetrennt wird.A method according to claim 1 or 2, wherein gas is further separated from the liquid medium in the fluid stream by means of ultrasound. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Elektrolyseeinheit (110) Wasser als flüssiges Medium in Wasserstoff und Sauerstoff als gasförmige Produkte umgesetzt wird, und wobei der Fluidstrom (b, c) Wasser und zumindest zeitweise Sauerstoff als Gas aufweist.Method according to one of the preceding claims, wherein in the electrolysis unit (110) water as a liquid medium is converted into hydrogen and oxygen as gaseous products, and wherein the fluid stream (b, c) has water and at least temporarily oxygen as gas. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Elektrolyseeinheit (110) eine Protonen-Austausch-Membran aufweist, an der das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt wird.The method according to claim 4, wherein the electrolysis unit (110) has a proton exchange membrane on which the water is converted into hydrogen and oxygen. Elektrolyseanlage (100) mit einer Elektrolyseeinheit (110), in der ein flüssiges Medium in zumindest ein gasförmiges Produkt umsetzbar ist, mit einem als Gas-Abscheider zu verwendenden Behälter (120), und mit mehreren Fluidleitungen (122, 126), über die der Behälter (120) und die Elektrolyseeinheit (110) verbunden sind, wobei die Elektrolyseanlage (100) eingerichtet ist, zwischen dem Behälter (120) und der Elektrolyseeinheit (110) einen Fluidstrom (b, c) durch die mehreren Fluidleitungen (122, 126) umzuwälzen, wobei der Fluidstrom (b,) flüssiges Medium und zumindest zeitweise Gas aufweist, wobei die Elektrolyseanlage (100) wenigstens einen Axialzyklon (140) zum Abtrennen von Gas von dem flüssigen Medium in dem Fluidstrom aufweist, wobei der wenigstens einen Axialzyklon (140) in zumindest einer der mehreren Fluidleitungen (122, 126) angeordnet ist, und wobei die Elektrolyseanlage (100) eingerichtet ist, das mittels des wenigstens einen Axialzyklons (140) abgetrennte Gas (g) aus dem Fluidstrom (b, c) abzuführen Electrolysis system (100) with an electrolysis unit (110), in which a liquid medium can be converted into at least one gaseous product, with a container (120) to be used as a gas separator, and with several fluid lines (122, 126) via which the Container (120) and the electrolysis unit (110) are connected, wherein the electrolysis system (100) is set up to circulate a fluid stream (b, c) through the plurality of fluid lines (122, 126) between the container (120) and the electrolysis unit (110), the fluid stream (b,) being liquid medium and at least has gas at times, wherein the electrolysis system (100) has at least one axial cyclone (140) for separating gas from the liquid medium in the fluid stream, wherein the at least one axial cyclone (140) is arranged in at least one of the plurality of fluid lines (122, 126), and wherein the electrolysis system (100) is set up to remove the gas (g) separated from the fluid stream (b, c) by means of the at least one axial cyclone (140). Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 6, wobei ein Axialzyklon (140) in einer in Strömungsrichtung zwischen der Elektrolyseeinheit (110) und dem Behälter (120) angeordneten Fluidleitung (126) angeordnet ist.Electrolysis system (100) according to claim 6, wherein an axial cyclone (140) is arranged in a fluid line (126) arranged in the flow direction between the electrolysis unit (110) and the container (120). Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 6 oder 7, die weiterhin dazu eingerichtet ist, in dem Fluidstrom mittels Ultraschall Gas von dem flüssigen Medium abzutrennen.Electrolysis system (100) according to claim 6 or 7, which is further adapted to separate gas from the liquid medium in the fluid stream using ultrasound. Elektrolyseanlage (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, die zur Wasserelektrolyse eingerichtet ist, wobei in der Elektrolyseeinheit (110) Wasser als flüssiges Medium in Wasserstoff und Sauerstoff als gasförmige Produkte umsetzbar ist, und wobei der Fluidstrom (b, c) Wasser und zumindest zeitweise Sauerstoff als Gas aufweist.Electrolysis plant (100) according to one of claims 6 to 8, which is set up for water electrolysis, wherein in the electrolysis unit (110) water as a liquid medium can be converted into hydrogen and oxygen as gaseous products, and wherein the fluid stream (b, c) is water and at least temporarily has oxygen as a gas. Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 9, wobei die Elektrolyseeinheit (110) eine Protonen-Austausch-Membran aufweist, an der das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umsetzbar ist.Electrolysis system (100) according to claim 9, wherein the electrolysis unit (110) has a proton exchange membrane on which the water can be converted into hydrogen and oxygen. Verwendung eines Axialzyklons (140) in einer Elektrolyseanlage (100), insbesondere nach einem der Ansprüche 6 bis 10, zum Abtrennen von Gas (g) von einem flüssigen Medium in einem Fluidstrom (c) in der Elektrolyseanlage (100).Use of an axial cyclone (140) in an electrolysis system (100), in particular according to one of claims 6 to 10, for separating gas (g) from a liquid medium in a fluid stream (c) in the electrolysis system (100). Verfahren zum Herstellen eines Axialzyklons (140) zur Verwendung in einer Elektrolyseanlage (100), insbesondere nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei zumindest ein Leitelement (142, 144) des Axialzyklons (140) mittels additivier Fertigung hergestellt wird.Method for producing an axial cyclone (140) for use in an electrolysis system (100), in particular according to one of claims 6 to 10, wherein at least one guide element (142, 144) of the axial cyclone (140) is produced by means of additive manufacturing.
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6383361B1 (en) * 1998-05-29 2002-05-07 Proton Energy Systems Fluids management system for water electrolysis
US20050172589A1 (en) * 2002-06-11 2005-08-11 Rune Gammelsaeter Device for a cyclone scrubber
US20140116255A1 (en) * 2012-10-31 2014-05-01 Intevep, S.A. Axial gas-liquid cyclone separator
WO2015133647A1 (en) * 2014-03-07 2015-09-11 栗田工業株式会社 Gas/liquid separated solution storage device, persulfuric acid generation system, and gas/liquid separation method for electrolyte solution
JP2018017407A (en) * 2016-07-25 2018-02-01 荏原冷熱システム株式会社 Gas-liquid separator of compression refrigerating machine
WO2021048461A1 (en) * 2019-09-12 2021-03-18 Lappeenrannan-Lahden Teknillinen Yliopisto Lut A system and a method for alkaline water electrolysis
CN113278991A (en) * 2021-05-26 2021-08-20 华东理工大学 Method and device for enhancing electrolysis efficiency by using rotational flow field
EP3960903A1 (en) * 2020-08-24 2022-03-02 Covestro Deutschland AG Device and method for operating an electrolysis system

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6383361B1 (en) * 1998-05-29 2002-05-07 Proton Energy Systems Fluids management system for water electrolysis
US20050172589A1 (en) * 2002-06-11 2005-08-11 Rune Gammelsaeter Device for a cyclone scrubber
US20140116255A1 (en) * 2012-10-31 2014-05-01 Intevep, S.A. Axial gas-liquid cyclone separator
WO2015133647A1 (en) * 2014-03-07 2015-09-11 栗田工業株式会社 Gas/liquid separated solution storage device, persulfuric acid generation system, and gas/liquid separation method for electrolyte solution
JP2018017407A (en) * 2016-07-25 2018-02-01 荏原冷熱システム株式会社 Gas-liquid separator of compression refrigerating machine
WO2021048461A1 (en) * 2019-09-12 2021-03-18 Lappeenrannan-Lahden Teknillinen Yliopisto Lut A system and a method for alkaline water electrolysis
EP3960903A1 (en) * 2020-08-24 2022-03-02 Covestro Deutschland AG Device and method for operating an electrolysis system
CN113278991A (en) * 2021-05-26 2021-08-20 华东理工大学 Method and device for enhancing electrolysis efficiency by using rotational flow field

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BESSARABOV ET AL.: "PEM electrolysis for Hydrogen production", CRC PRESS

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