EP4466485A1 - Gaszwischenspeicher, elektrolyseanlage und verfahren zur protonen-austausch-elektrolyse - Google Patents

Gaszwischenspeicher, elektrolyseanlage und verfahren zur protonen-austausch-elektrolyse

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EP4466485A1
EP4466485A1 EP23700433.8A EP23700433A EP4466485A1 EP 4466485 A1 EP4466485 A1 EP 4466485A1 EP 23700433 A EP23700433 A EP 23700433A EP 4466485 A1 EP4466485 A1 EP 4466485A1
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EP
European Patent Office
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electrolysis
pressure
gas
setpoint
storage container
Prior art date
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Pending
Application number
EP23700433.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Braun
Frank Hannemann
Andreas Volkmann
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a gas buffer for an electrolysis system for low-pressure proton exchange electrolysis as well as an electrolysis system for low-pressure proton exchange electrolysis and a method for operating an electrolysis system for proton exchange electrolysis.
  • a chemical reaction in particular a redox reaction, is initiated using electrical current, whereby electrical energy is converted into chemical energy.
  • the electrical energy required for this is supplied by a direct voltage source which has two electrical poles, an anode and a cathode.
  • a direct electrical current is passed through two electrodes, the anode and the cathode, into a conductive electrolyte, such as a conductive liquid.
  • PEM electrolysis proton exchange electrolysis
  • conduction takes place at least partially through a proton exchange membrane, which is permeable to positively charged protons.
  • reaction products of the electrochemical reaction are created from the substances or elements contained in the electrolyte or the liquid through electrolysis, that is, by conducting the direct current of the direct voltage source, for example by means of protons, from one electrode to the other.
  • electrolysis that is, by conducting the direct current of the direct voltage source, for example by means of protons, from one electrode to the other.
  • alkaline electrolyzers are also known and frequently used.
  • the direct voltage source causes a lack of electrons in the electrode connected to the positive pole, the anode, and an excess of electrons in the electrode connected to the negative pole, the cathode. Electroneutral or positively charged substances absorb and become electrons at the cathode thereby reduced. At the anode, electrons are released into the electrode or anode, whereby the substance or substances can be oxidized there.
  • a common form of electrolysis is water electrolysis, by means of which water is broken down into hydrogen and oxygen.
  • a simple reaction equation can be 2H2O -> 2H2 + O2.
  • PEM electrolysis from English Proton Exchange Membrane Electrolysis
  • the polymer electrolyte more precisely a polymer electrolyte membrane or the proton exchange membrane, is responsible for the conduction of protons, hydrogen ions, the separation of product gases and the electrical insulation of the electrodes.
  • the product gases produced during low-pressure PEM electrolysis are molecular oxygen f O2 and molecular hydrogen f H2 from water H2O.
  • the polymer electrolyte membrane Due to its solid structure, the polymer electrolyte membrane has a low gas transfer rate, resulting in a very high product gas purity. Maintaining a high level of gas purity is important for storage safety and the direct use of the product gas, for example in a fuel cell.
  • Water electrolysis using PEM electrolysis is a promising technology for energy storage in conjunction with renewable energy sources due to dynamic reaction times and high efficiencies.
  • PEM electrolysis for example, it can store excess electricity in the form of energy when there are temporary surpluses of electricity in excess of demand, for example in the production of renewable energy.
  • Such a PEM electrolysis system is described, for example, in EP 3 489 388 A1, in which, in order to achieve a high gas purity of the product gases, particularly in the event of an intrusion of foreign gas as a result of a pressure loss and possible leaks, A gas buffer is provided, the storage container of which is designed as a membrane storage. This gas buffer is arranged downstream of the electrolyzer and is fluidly connected to it via pipelines, so that, for example, the product gas hydrogen f can be absorbed by the storage container. This provides a very simple measure to dampen pressure fluctuations, with the membrane accumulator acting as a passive flow element and buffer container with a suitable volume.
  • the membrane provides a certain fluidic pressure tolerance and, together with the sufficiently large container volume of the storage container, a certain inertia against the transmission of pressure fluctuations in the system, also for downstream fluidic elements, such as a compressor.
  • the measure described in EP 3 489 388 A1 is inadequate for industrial requirements of water electrolysis and stable operation in certain applications.
  • the flow-technical passive damping proves to be very inflexible and disadvantageous for subsequent processing processes of the hydrogen, especially since only very limited pressure fluctuations can be dampened within certain limits and thus the operational flexibility is quite limited. This particularly affects the use of atmospheric water electrolysis on a large-scale industrial scale, where a particular need is expected.
  • EP 3 489 388 A1 describes a gas buffer that is designed as a simple membrane reservoir and has a membrane.
  • the storage container is lined with the membrane, which can expand towards the container wall when the pressure increases slowly.
  • the membrane only acts as a passive damping element and dampens any pressure fluctuations that occur, but does not keep the pressure constant at a setpoint or return it to a setpoint after the damping or pressure change has occurred.
  • This concept of passive damping is inadequate, particularly for short-term pressure changes. Occur quickly Pressure fluctuations even of smaller amplitudes, for example in the range of seconds, cannot be compensated for or be dampened.
  • the operating pressure cannot be adjusted to a desired value. can be reliably tracked, which is of increasing importance, especially for transient operation or partial load operation, and for a safe supply of the hydrogen produced to the downstream compressor under a target pressure as the input pressure.
  • the object of the present invention is therefore to provide a device and a method by means of which an electrolysis system can be designed for a particularly flexible driving style, so that load changes are possible with stable operation at the same time.
  • a gas buffer for an electrolysis system with a storage container with a storage space, into which a channel of a gas extraction unit opens, via which gas generated during electrolysis can be introduced into the storage space
  • the storage container being a pressure control device comprises, by means of which the gas introduced into the storage space can be subjected to a pressure setpoint, the pressure control device comprising a membrane and an actuator, the actuator acting on the membrane (42) in such a way that the pressure setpoint is adjustable.
  • the invention is based on the knowledge that conventional electrolysis systems are not sufficiently designed for transient operation.
  • a key finding is that the already known passive measures for dampening pressure fluctuations in an electrolysis system are not sufficient here.
  • hydrogen and oxygen are produced at low overpressures. From today's perspective, atmospheric water electrolysis represents a particularly preferred solution for achieving high performance flexibility while minimizing costs, both from an economic and technological perspective.
  • a pressure increase using a compressor is required in many downstream processes or to store the hydrogen.
  • the invention provides pressure maintenance via a constant pressure operating mode.
  • the gas buffer can advantageously effectively regulate the smallest and short-term pressure changes in the range of seconds to the pressure setpoint.
  • the pressure changes no longer affect the downstream compression, as isobaric operation of the gas buffer is provided, which is achieved by changing the volume of the storage volume via the combination of a membrane and an actuator is brought about as an actuator.
  • the actuator acts on the membrane in such a way that the pressure setpoint can be adjusted or occurs instantaneously even with small pressure fluctuations lasting approximately a few seconds. With an instantaneous pressure increase, a larger volume is released and with an instantaneous pressure reduction, a smaller volume is released.
  • the gas buffer of the invention can be used flexibly in various, preferably atmospheric, electrolysis systems, so that it can advantageously be used in alkaline electrolysis as well as in low-pressure proton exchange electrolysis
  • the invention therefore proposes the use of a gas buffer under constant pressure for low-pressure gas storage of the hydrogen produced, the operating principle of which is the change in volume and not the change in pressure.
  • the storage volume to be stored or buffered is changed at a constant pressure and can thus decouple the dynamic behavior of the processes and especially the interactions between electrolysis and compression and avoid pressure fluctuations particularly efficiently.
  • the buffering is advantageously carried out by a geometric change in volume of the storage space of the gas buffer, with the operating pressure in the system remaining almost constant.
  • the design principle of the gas buffer storage allows the geometric volume of the container to be changed at almost constant pressure using a membrane and the actuator, so that this can serve particularly advantageously as a compensating buffer between electrolysis and the downstream compressor.
  • the mass flows of electrolysis and compressor can be equalized by the respective control mechanisms of the two units, so that stable operation is achieved.
  • the actuator has an actuator which, due to its weight, acts on the membrane in such a way that the pressure setpoint is established.
  • the weight of the actuator on the membrane causes a change in volume to enable an isobaric change in the state of the gas.
  • the pressure setpoint and thus the working pressure can thus be kept largely constant.
  • the storage container viewed downstream in the flow direction of the gas produced, can be fluidly connected to a gas removal device and/or to a compressor device, the pressure control device being arranged in such a way that pressure maintenance of the pressure setpoint is achieved and pressure fluctuations are passed on through the storage container is avoided.
  • the actuator preferably has a vertically guided piston rod which acts on the membrane so that the pressure setpoint is effected via the membrane position.
  • the pressure setpoint is maintained and operation under constant pressure is enabled.
  • a vertically arranged guide sleeve is provided, into which the piston rod engages in a movable manner. This achieves vertical guidance of the solid piston rod and precise vertical movement of the mass and force on the membrane for a required isobaric volume change in order to counteract the pressure fluctuations of the gas that occur.
  • the volume change through the membrane can advantageously be controlled via mechanical devices, such as. B. Weights or spring hangers are used and a more complex electrical control device is avoided. Because of the proposed gas buffer in low-pressure operation, the system between electrolysis and compressor is particularly stable and can work at almost constant pressure, any damage to the electrolysis membrane caused by pressure fluctuations in the system is avoided.
  • a second aspect of the invention relates to an electrolysis system, with an electrolyzer and with at least one gas buffer according to the invention connected to the electrolyzer.
  • the use of the gas buffer in an electrolysis system is particularly advantageous due to the possibility of loading and operating the gas buffer under constant pressure.
  • a compressor device is provided in the electrolysis system, which is connected downstream to the gas buffer in the direction of flow of the gas produced.
  • a pressure monitoring device is arranged between the electrolyzer and the gas buffer. More preferably, a pressure monitoring device is arranged between the gas buffer and the compressor. This means that the inlet pressure on the inlet side of the gas buffer and the output pressure on the outlet side of the gas buffer can be monitored. Ideally, the inlet pressure and outlet pressure do not differ or only differ very slightly and both values are at the desired target pressure in regular operation. In low-pressure proton exchange electrolysis, this is less than 10 bar, preferably between 1.0 and 1.5 bar, typically 1.1 bar is set. This is also the constant inlet pressure for the compressor device. The preferred pressure range between approximately 1.0 to 1.5 bar is advantageously applicable for atmospheric electrolysis.
  • the pressure monitoring device In addition to the operation and monitoring of the target pressure of the gas buffer, the pressure monitoring device also has safety advantages for the operation of the electrolysis system, in particular the electrolyzer.
  • the pressure monitoring device makes it possible, for example, in a particularly advantageous manner to monitor the gas pressure in the connecting lines and thus also at the point of origin of the gas in the electrolysis cell or the electrolysis module, with which, for example, a pressure drop, in particular in an area below the ambient pressure, can be detected.
  • the pressure monitoring device can, for example, include a warning element which, for example, sends out acoustic and/or visual warning signals, so that a particularly quick reaction to a pressure drop can be made, whereby measures can be taken within a particularly short period of time in order, for example, to ensure a particularly high level of gas purity To ensure production gas, especially molecular hydrogen.
  • a warning element which, for example, sends out acoustic and/or visual warning signals, so that a particularly quick reaction to a pressure drop can be made, whereby measures can be taken within a particularly short period of time in order, for example, to ensure a particularly high level of gas purity To ensure production gas, especially molecular hydrogen.
  • the electrolysis system has a two-stage control device, comprising a first control stage, which is designed as a leading power control and further comprising a second control stage, which is designed as a stabilizing pressure control, so that a controlled interaction of electrolysis and compression can be achieved .
  • the two-stage constant pressure control enables particularly stable operation.
  • a stepped control of the electrolyzer and compressor device is proposed in a further advantageous embodiment of the electrolysis system.
  • the leading power control can be assigned to either the compressor or the electrolysis, which in the case of a hydrogen electrolysis system is either used as hydrogen production power or Amount of hydrogen gas produced per unit of time or current intensity or Current density of the electrolysis current can be specified.
  • the downstream control function serves to regulate pressure, which is assigned to the downstream control device, either the electrolysis or the compressor, as a controlled variable.
  • This pressure setpoint also represents the desired pressure setpoint in the gas buffer. The pressure setpoint must be selected so that the membrane of the gas buffer can move back into an intermediate position after the transient process has ended.
  • the pressure setpoint can be adjusted by using the membrane position. Due to the described construction principle of the gas buffer and by using the stepped control, the working pressure in the system between electrolysis and compressor is kept almost constant and any damage to the electrolysis membrane caused by pressure fluctuations is prevented. Furthermore, a constant inlet pressure at the compressor or the compressor device is ensured and a correspondingly stable compression process at the desired pressure setpoint, in particular without any damaging feedback on the compressor.
  • a third aspect of the invention relates to a method for operating an electrolysis system.
  • a channel of a gas extraction unit is used during electrolysis, which opens into a storage container of a gas buffer , generated gas is introduced into the storage container and the gas introduced into the storage container is brought to a predetermined pressure setpoint by means of a pressure control device of the storage container, the gas being supplied to a compressor device at the pressure setpoint, and the gas being compressed in the compressor device.
  • the electrolysis and the subsequent compression of gas produced in the electrolysis are carried out in a combined procedure.
  • it is carried out in two stages, with the electrolysis being regulated as the first control stage via a leading power control with a power setpoint for the electrolysis power, and the second control stage being regulated via a pressure control with a constant pressure setpoint for the compression.
  • a pressure target value of less than 10 bar, in particular between 1.0 and 1.5 bar, is set.
  • a pressure setpoint of approximately 1.1 bar is particularly advantageous. This results in a good adaptation and driving style for the operation of an atmospheric electrolysis system.
  • the current strength of the electrolysis, the current density of the electrolysis or the product mass flow of hydrogen produced is preferably used as the power setpoint for the leading electrolysis power.
  • the pressure is regulated to the pressure setpoint by bringing about an isobaric volume change of the gas.
  • FIG. 1 shows a gas buffer for an electrolysis system for low-pressure proton exchange electrolysis with a storage container according to the prior art
  • FIG 3 shows an electrolysis system with an electrolyzer, a gas buffer and a compressor device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a gas buffer 10 for an electrolysis system 12 for low-pressure proton exchange electrolysis (low-pressure PEM electrolysis) with a storage container 14.
  • the PEM electrolysis system 12 which carries out an electrolysis of water H2O into molecular oxygen f O2 and molecular hydrogen f H2 in order to obtain the respective product gas O2 or H2, can provide a particularly pure respective product gas.
  • a channel 16 of a gas sampling unit 18 opens into the storage container 14.
  • Gas 20, so-called product gas, generated during electrolysis can be introduced into the storage container 14 via the channel 16, the storage container 14 comprising at least one pressure element 22, by means of which the gas inserted into the storage container conducted gas 20 is pressurized.
  • the gas buffer 10 serves here primarily to avoid an intrusion of foreign gas or to maintain an excess pressure relative to an environment 24 of the electrolysis system 12.
  • a leak i.e. a leak
  • the gas volume 26 which can be taken in by the gas 20 produced in the electrolysis system 12
  • an excess pressure which is generated in particular by the pressure element 22
  • the storage container 14 is fluidically connected to a gas removal device 30 downstream in the flow direction 28 of the generated gas 20, with the at least one pressure element 22 being used to pass on pressure fluctuations which occur in the channel 16 and/or the gas removal device 30. can be dampened through the storage container 14.
  • a compressor device 48 instead of or in addition to the gas removal device 30, can be fluidically connected to the storage container 14.
  • the storage container 14 is designed as a membrane storage with a membrane 32, the membrane 32 at least partially forming the pressure element 22.
  • the embodiment of the gas buffer 10 shown has a pressure monitoring device 34, which is arranged downstream of the gas sampling unit 18 and additionally upstream of the storage container 14 in the channel 16.
  • the pressure monitoring device 34 By means of the pressure monitoring device 34, it can be monitored, for example, whether an excess pressure relative to the environment 24 is maintained in the electrolysis system 12 or the gas storage 10, so that an intrusion of foreign gas, for example from the environment 24, can be avoided.
  • the pressure monitoring device 34 can do this For example, cause respective valves 36 to be moved from an open position, in which the gas 20 can flow through the respective valve 36, to a closed position, in which the gas flow is stopped.
  • a volume 38 of the storage container 14, which is used to hold the gas 20 that is generated by the electrolysis is larger than the volume, the so-called gas volume 26, of the electrolysis system 12, in particular an electrolysis cell or an electrolysis module of the electrolysis system 12.
  • the gas buffer 10 which is fed by the gas 20 generated during the electrolysis, can ensure over the longest possible period of time that an excess pressure is present in the areas of the electrolysis system 12 that are fluidically connected to the channel 16, such as the gas volume 26 Overpressure, especially in contrast to the environment 24, can be maintained.
  • a method for operating the electrolysis system 12 can be carried out.
  • gas 20 generated is introduced into the storage container 14 via the channel 16 of the gas extraction unit 18, which opens into the storage container 14 of the gas buffer 10.
  • the gas 20 introduced into the storage container 14 is pressurized by means of a pressure element 22 , the membrane 32 , of the storage container 14 .
  • a gas buffer 100 according to the invention is shown in FIG.
  • the gas buffer 100 has a storage container 14 with a storage space 106 for a gas 20.
  • the storage space 106 has a storage volume.
  • a channel 16 for supplying gas 20 generated in the electrolysis opens into the storage space 106.
  • hydrogen f can be introduced into the storage space 106 as a product gas from the water electrolysis.
  • the storage container 14 has a pressure control device 40, so that the gas pressure of the gas 20 in the storage space 106 can be adjusted or can be regulated, in particular to a desired and as constant pressure setpoint as possible.
  • the pressure control device 40 includes a membrane 42 and an actuator 44.
  • the actuator 44 acts on the membrane 42 so that the pressure setpoint is maintained.
  • the membrane 42 separates the storage space 106 with the storage volume in a gas-tight manner within the storage container 14, so that a partial space that can be supplied with gas 20 from the electrolysis is formed.
  • the further subspace has the actuator 44.
  • the actuator 44 has an actuator 46 which is designed as a vertically guided piston rod which is movably guided in a likewise vertically aligned guide sleeve 50.
  • an outlet channel 108 is provided, which is in fluid communication with the storage space 106.
  • the outlet channel 108 can be implemented by an outlet nozzle or a pipeline, in particular designed as a flange connection, and is located downstream of the channel 16 for supplying gas 20.
  • the outlet channel 108 serves to transport the gas 20 in order to supply it for further use.
  • the white Further use and processing can take place, for example, in the gas removal device 30, which is not detailed, and which can be connected to the gas buffer 100.
  • the storage container is then fluidically connected to a gas removal device 30, viewed downstream in the flow direction of the generated gas 20.
  • a gas removal device 30 viewed downstream in the flow direction of the generated gas 20.
  • the connection is made to a compressor device 48, not shown in detail in FIG. 1, which is explained in more detail below using the example of FIG. 3 of an electrolysis system 102.
  • the pressure control device 40 is arranged in such a way that pressure maintenance of the pressure setpoint is achieved and a transmission of pressure fluctuations through the storage container 14, or through the storage space 106, is particularly effectively avoided.
  • the actuator 44 which has a piston rod guided vertically in a guide sleeve 40, acts on the membrane 42, so that the pressure setpoint is effected via the membrane position.
  • the pressure is thus maintained largely in a self-regulating manner due to the weight of the piston rod, which acts on the membrane 32 and enables an isobaric volume change of the storage space 106.
  • smaller pressure fluctuations in the range of seconds can be easily compensated for in a self-regulating manner, while the control amplitude is still sufficient for use in electrolysis, in particular water electrolysis to produce hydrogen as a gas 20.
  • This particularly interesting application of the gas buffer 100 is explained in more detail below using the example.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an electrolysis system 102 according to the invention.
  • the electrolysis system 102 has an electrolyzer 104, a gas buffer 100 and a compressor device 48.
  • the gas buffer 100 is via the channel 16 and the outlet channel 108b fluidly connected between the electrolyzer 104 and the compressor device 48, so that the product gas hydrogen f H2 from the electrolysis can be fed to the compressor device 48 via the gas buffer 100.
  • the compressor device 48 is connected downstream in the flow direction of the generated hydrogen H2 to the gas buffer 100 via the outlet channel 108.
  • a pressure monitoring device 34 is connected to the gas-carrying line between the electrolyzer 104 and the gas buffer 100.
  • a pressure monitoring device 34 is connected to the gas-carrying line between the gas buffer 100 and the compressor device 48.
  • the electrolysis system 102 can be designed with an electrolyzer 104 for a PEM electrolysis for a low-pressure proton exchange electrolysis, or based on an alkaline electrolysis.
  • the electrolysis system 102 is characterized by a two-stage control device which has a first control stage 110A and a second control stage HOB.
  • the first control stage 110A forms the leading power control with a power setpoint L.
  • the power setpoint L characterizes the electrolysis line as the leading variable for the operation of the electrolysis system 102 or the electrolysis performance of the electrolyzer 104.
  • the electrolysis current I is suitable as a physical operating measurement and parameter for the first control stage 110A. Alternative setpoints are given, for example, by the current density in the electrolyzer 104 or the hydrogen product mass flow of the electrolysis.
  • the second control stage H OB is a pressure control that stabilizes the electrolysis operation, so that a controlled interaction between the electrolysis process and compression is brought about.
  • the working pressure is specified as the pressure setpoint P, as it is in the gas buffer 100 or in the channel 16 and the outlet channel 108 must be set and adhered to.
  • pressure setpoints P typically in low pressure proton exchange electrolysis there are pressure setpoints P of less than 10 bar is desired, in particular set between 1.0 and 1.5 bar.
  • a pressure setpoint of approximately 1.1 bar is particularly advantageous.
  • gas 20 generated during electrolysis is introduced into the storage container 14 via the channel 16 of a gas extraction unit 18, which opens into the storage container 14 with a storage space 106 of the gas buffer 100, and the gas 20 introduced into the storage container 14 by means of a pressure control device 40 of the storage container 14 is brought to a predetermined pressure setpoint P.
  • the gas 20 with the pressure setpoint P is then fed to a compressor device 48.
  • the gas 20 is finally further compressed in the compressor device 48 to a desired pressure for various applications or further transport.
  • the electrolysis process and the subsequent compression of gas 20 produced in the electrolysis are carried out in two stages in a combined driving style.
  • a first control stage 110A for the electrolysis forms the leading power control with a power setpoint L for the electrolysis power, which is regulated accordingly.
  • a pressure control is implemented with a constant pressure setpoint P as necessary.
  • predeterminable input pressure for the subsequent compression of the gas 20 in the compressor device 48.
  • the pressure when there is a control intervention by the pressure control device 40, the pressure reaches the pressure setpoint P regulated by bringing about an isobaric volume change of the gas 20.
  • a target/actual comparison 112 in relation to the predetermined pressure target value P can also be used via the actuating state or the membrane position Z of the membrane 42 or of the actuator 46 is carried out as a measured variable and the values are compared for any necessary control intervention.
  • the membrane 42 moves completely down into a rest position at a standstill solely due to its weight of the vertically guided actuator 44, in particular designed as a solid piston rod.
  • the storage space 106 for gas 20 is closed or closed. the volume in the storage space is reduced - the gas 20 is pressed out.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gaszwischenspeicher (100) für eine Elektrolyseanlage (102), insbesondere zur Niederdruck- Protonen-Austausch-Elektrolyse, mit einem Speicherbehältnis (14) mit einem Speicherraum (106), in welchen ein Kanal (16) einer Gasentnahmeeinheit (18) mündet, über welchen während der Elektrolyse erzeugtes Gas (20) in den Speicherraum (106) einleitbar ist. Das Speicherbehältnis (14) weist eine Druckregelvorrichtung (40) auf, mittels derer das in den Speicherraum (106) eingeleitete Gas (20) mit einem Drucksollwert beaufschlagbar ist. Die Druckregelvorrichtung (40) umfasst eine Membran (42) und einen Aktuator (44), wobei der Aktuator (44) auf die Membran (42) derart einwirkt, dass der Drucksollwert einstellbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Elektrolyseanlage (102) mit einem Gaszwischenspeicher (100) sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage (102).

Description

Beschreibung
Gas zwischenspeicher, Elektrolyseanlage und Verfahren zur Pro- tonen-Austausch-Elektrolyse
Die Erfindung betri f ft einen Gas zwischenspeicher für eine Elektrolyseanlage zur Niederdruck-Protonen-Austausch- Elektrolyse sowie eine Elektrolyseanlage zur Niederdruck- Protonen-Austausch-Elektrolyse und ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage für die Protonen-Austausch- Elektrolyse .
Bei einer Elektrolyse wird mittels elektrischen Stroms eine chemische Reaktion, insbesondere eine Redoxreaktion, angestoßen, wobei elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird . Die dafür benötigte elektrische Energie liefert eine Gleichspannungsquelle , welche zwei elektrische Pole , eine Anode und eine Kathode , aufweist . Durch zwei Elektroden, die Anode und die Kathode , wird ein elektrischer Gleichstrom in einen leitenden Elektrolyten, beispielsweise eine leitende Flüssigkeit , geleitet . Bei einer Protonen-Austausch-Elektro- lyse ( PEM-Elektrolyse ) erfolgt die Leitung zumindest teilweise durch eine Protonen-Austausch-Membran, welche für positiv geladene Protonen durchlässig ist . An den Elektroden entstehen durch die Elektrolyse , das heißt durch Leiten des Gleichstroms der Gleichspannungsquelle , beispielsweise mittels Protonen, von der einen zur anderen Elektrode , Reaktionsprodukte der elektrochemischen Reaktion aus den im Elektrolyten beziehungsweise der Flüssigkeit enthaltenen Stof fen beziehungsweise Elementen . Neben PEM-Elektrolyseanlagen, die im sauren Milieu arbeiten sind beispielsweise auch alkalische Elektrolyseure bekannt und häufig verwendet .
Die Gleichspannungsquelle bewirkt einen Elektronenmangel in der mit dem Pluspol verbundenen Elektrode , der Anode , und einen Elektronenüberschuss in der mit dem Minuspol verbundenen Elektrode , der Kathode . An der Kathode nehmen elektroneutrale oder positiv geladene Stof fe Elektronen auf und werden dadurch reduziert . An der Anode erfolgt die Abgabe von Elektronen in die Elektrode beziehungsweise Anode , wobei der Stof f beziehungsweise die Stof fe dort oxidiert werden können .
Eine häufige Form der Elektrolyse ist die Wasserelektrolyse , mittels welcher einer Zerlegung von Wasser in Wasserstof f und Sauerstof f stattfindet , wobei eine einfache Reaktionsgleichung 2H2O -> 2H2 + O2 lauten kann . Dies kann mittels Protonen- Austausch-Elektrolyse ( PEM-Elektrolyse aus dem Englischen Proton Exchange Membrane Electrolysis ) erfolgen, dabei wird Wasser in einer Elektrolysezelle mit einem festen Polymerelektrolyten gespaltet . Der Polymerelektrolyt , genauer eine Polymer-Elektrolyt-Membran beziehungsweise die Proton-Austausch-Membran, ist dabei für die Leitung von Protonen, den Wasserstof f ionen, die Trennung von Produktgasen und die elektrische I solierung der Elektroden verantwortlich . Als Produktgase entstehen bei der Niederdruck-PEM-Elektrolyse molekularer Sauerstof f O2 sowie molekularer Wasserstof f H2 aus Wasser H2O . Die Polymer-Elektrolyt-Membran weist aufgrund ihrer festen Struktur eine geringe Gasübertragungsrate auf , was zu einer sehr hohen Produktgasreinheit führt . Die Aufrechterhaltung einer hohen Gasreinheit ist wichtig für die Lagersicherheit und den direkten Einsatz des Produktgases beispielsweise in einer Brennstof f zelle .
Die Wasserelektrolyse mittels PEM-Elektrolyse ist beispielsweise aufgrund von dynamischen Reaktions zeiten und hohen Wirkungsgraden eine vielversprechende Technologie zur Energiespeicherung in Verbindung mit erneuerbaren Energiequellen . So kann sie beispielsweise bei den sogenannten Power-to-Gas- Konzepten bei über dem Bedarf liegenden temporären Stromüberschüssen, beispielsweise bei der Produktion erneuerbarer Energie , überschüssigen Strom in Form von Energie speichern .
Eine solche PEM-Elektrolyseanlage ist beispielsweise in der EP 3 489 388 Al beschrieben, bei der zur Erzielung einer hohen Gasreinheit der Produktgase insbesondere bei einem Fremdgaseinbruch infolge eines Druckverlusts und möglicher Lecka- gen ein Gas zwischenspeicher vorgesehen ist , dessen Speicherbehälter als Membranspeicher ausgebildet ist . Dieser Gas zwischenspeicher ist stromab des Elektrolyseurs angeordnet und mit diesem über Rohrleitungen strömungstechnisch verbunden, so dass beispielsweise das Produktgas Wasserstof f von dem Speicherbehälter aufgenommen werden kann . Hierdurch ist eine sehr einfache Maßnahme angegeben, um Druckschwankungen zu dämpfen, wobei der Membranspeicher als passives Strömungselement und Puf ferbehälter mit geeignetem Volumen wirkt . Die Membran vermittelt eine gewisse strömungstechnische Drucktoleranz und zusammen mit dem hinreichend großen Behältervolumen des Speicherbehälters eine gewisse Trägheit gegenüber der Weitergabe von Druckschwankungen in dem System, auch für strömungstechnisch nachgeschaltete Elemente , wie etwa einen Verdichter . Allerdings ist die in der EP 3 489 388 Al beschriebene Maßnahme für industrielle Anforderungen der Wasserelektrolyse und einen stabilen Betrieb in bestimmten Einsatz fällen unzureichend . Die strömungstechnisch passive Dämpfung erweist sich als sehr unflexibel und nachteilig für nachfolgende Verarbeitungsprozesse des Wasserstof fs , vor allem da nur sehr eingeschränkt Druckschwankungen in gewissen Grenzen zu dämpfen sind und damit die Betriebs flexibilität recht einschränkt ist . Dies betri f ft in besonderer Weise den Einsatz der atmosphärischen Wasserelektrolyse im großtechnischen industriellen Maßstab, wo ein besonderer Bedarf zu erwarten ist .
In der EP 3 489 388 Al ist ein Gas zwischenspeicher beschrieben, der als einfacher Membranspeicher ausgebildet ist und eine Membran aufweist . Der Speicherbehälter ist mit der Membran ausgekleidet , die sich bei einem langsamen Druckanstieg in Richtung Behälterwand ausdehnen kann . Die Membran wirkt dabei lediglich als ein passives Dämpfungselement und dämpft auftretende Druckschwankungen, hält den Druck aber nicht konstant auf einem Sollwert oder führt ihn nach der erfolgten Dämpfung oder Druckänderung auf einen Sollwert zurück . Insbesondere für kurz fristige Druckänderungen ist dieses Konzept einer passiven Dämpfung unzureichend . Zeitlich rasch auftre- tende Druckschwankungen auch kleinerer Amplitude etwa im Sekundenbereich können nicht kompensiert bzw . gedämpft werden . Überdies ist der Betriebsdruck nicht auf einen gewünschten Wert einstellbar bzw . zuverlässig nachführbar, was für insbesondere für einen transienten Betrieb oder Teillastbetrieb von zunehmender Bedeutung ist und für eine sichere Zufuhr des erzeugten Wasserstof fs zum nachgeschalteten Verdichter unter einem Solldruck als Eingangsdruck .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mittels welcher eine Elektrolyseanlage für eine besonders flexible Fahrweise ausgestaltet werden kann, so dass Lastwechsel bei gleichzeitig stabilem Betrieb möglich sind .
Die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gas zwischenspeicher für eine Elektrolyseanlage , mit einem Speicherbehältnis mit einem Speicherraum, in welchen ein Kanal einer Gasentnahmeeinheit mündet , über welchen während der Elektrolyse erzeugtes Gas in den Speicherraum einleitbar ist , wobei das Speicherbehältnis eine Druckregelvorrichtung umfasst , mittels derer das in den Speicherraum eingeleitete Gas mit einem Drucksollwert beaufschlagbar ist , wobei die Druckregelvorrichtung eine Membran und einen Aktuator umfasst , wobei der Aktuator auf die Membran ( 42 ) derart einwirkt , dass der Drucksollwert einstellbar ist .
Die Erfindung geht dabei bereits von der Erkenntnis aus , dass herkömmliche Elektrolyseanlagen für einen transienten Betrieb nicht ausreichend ausgelegt sind . Es fehlt insbesondere an Dynamik bei der Fahrweise einer Elektrolyseanlage bei notwendigen betriebsbedingten Laständerungen und an Anschluss flexibilität zu nachfolgenden Verarbeitungsprozesse , etwa das Produktgas Wasserstof f aus dem Elektrolyseprozess nachfolgend zu verdichten . Eine wesentliche Erkenntnis ist , dass die bereits bekannten passiven Maßnahmen zur Dämpfung von Druckschwankungen bei einer Elektrolyseanlage hier nicht ausreichend sind . Bei der atmosphärischen Wasserelektrolyse werden Wasserstof f und Sauerstof f bei geringen Überdrucken erzeugt . Die atmosphärische Wasserelektrolysen stellen aus heutiger Sicht sowohl aus wirtschaftlichen als auch technologischen Überlegungen eine besonders präferierte Lösung zur Erreichung einer hohen Leistungs flexibilität bei gleichzeitiger Kostenminimierung dar . Für die Nutzung dieser durch Elektrolyse erzeugten Gase ist in vielen nachgeschalteten Prozessen oder auch zur Speicherung des Wasserstof fes eine Druckerhöhung mittels Verdichter erforderlich . Aufgrund der geringen Dichte von Wasserstof f werden hierfür überwiegend Kolben- oder Membranverdichter eingesetzt , da die für Verdichtungsprozesse üblicherweise verwendeten konventionellen Turboverdichter aufgrund der notwendigen hohen Stufenzahl unwirtschaftlich herstellbar wären . Das Konstruktionsprinzip der Kolbenverdichter verursacht aber sowohl auf der Saug- als auch auf der Druckseite nachteilige Druckschwankungen, die zu einer Lebensdauerreduzierung der Elektrolyse oder betrieblichen Aus fällen führen können . Die der Elektrolyse nachgelagerte Verdichtung aber auch andere nachfolgende Prozessschritte haben zusätzlich ein von der Elektrolyse abweichendes dynamisches Verhalten bei transienten Vorgängen und müssen für einen stabilen Betrieb entkoppelt werden . Ein zwischengeschalteter Speicher mit festem Volumen, dessen Wirkprinzip für Ein- und Ausspeichervorgänge aus der Druckvariation besteht , steht hierfür nicht zur Verfügung, da diese Druckvarianz bei atmosphärischen Anwendungen zu gering wäre und zu enormen Speichervolumina und damit Kosten und Platzbedarf führen würde .
Daher sieht die Erfindung gegenüber den Lösungen im Stand der Technik eine Druckhaltung über eine Betriebsweise mit Konstantdruck vor . Hierbei kann der Gas zwischenspeicher vorteilhafterweise kleinste und kurz fristige Druckänderungen im Sekundenbereich wirksam auf den Drucksollwert regeln . Für die nachgelagerte Verdichtung schlagen die Druckänderungen nicht mehr durch, da ein isobarer Betrieb des Gas zwischenspeichers vorgesehen ist , der durch Volumenänderung des Speichervolumens über die Kombination einer Membran und eines Aktuators als Stellglied herbeigeführt wird . Der Aktuator wirkt hierbei auf die Membran derart ein, dass der Drucksollwert einstellbar bzw . sich instantan selbst bei kleinen Druckschwankungen etwa im Sekundenbereich einstellt . Bei einer instantanen Druckerhöhung wird somit ein größeres Volumen freigegeben und bei einer instantanen Druckverminderung ein geringeres Volumen . Dabei ist der Gas zwischenspeicher der Erfindung flexibel bei verschiedenen, vorzugsweise atmosphärischen Elektrolyseanlagen einsetzbar, so dass sowohl eine Anwendung bei einer alkalischen Elektrolyse also auch bei einer eine Niederdruck- Protonen-Austauch-Elektrolyse vorteilhaft möglich ist
Vorgeschlagen wird durch die Erfindung mithin der Einsatz eines Gas zwischenspeichers unter Konstantdruck zur Niederdruckgasspeicherung des erzeugten Wasserstof fs , dessen Wirkprinzip die Volumenänderung und nicht die Druckänderung ist . Hierfür wird das zu speichernde oder zu puf fernde Speichervolumen bei konstantem Druck verändert und kann so eine Entkopplung des dynamischen Verhaltens der Prozesse und speziell der Wechselwirkungen von Elektrolyse und Verdichtung bewirken und Druckschwankungen besonders ef fi zient vermeiden . Die Puf ferung erfolgt dabei in vorteilhafter Weise durch eine geometrische Volumenänderung des Speicherraums des Gas zwischenspeichers , wobei der Betriebsdruck im System nahezu konstant bleibt . Das Konstruktionsprinzip des Gas zwischenspeichers gestattet die Änderung des geometrischen Volumens des Behälters bei nahezu konstantem Druck mittels einer Membran und dem Aktuator, so dass dieser besonders vorteilhaft als Ausgleichspuf fer zwischen Elektrolyse und nachgeschaltetem Verdichter dienen kann . Überdies wird eine Angleichung der Massenströme von Elektrolyse und Verdichter durch die j eweiligen Regelmechanismen der beiden Einheiten ermöglicht , so dass ein stabiler Betrieb erzielt ist .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung weist der Aktuator ein Stellglied auf , das aufgrund seiner Gewichtskraft auf die Membran derart einwirkt , dass sich der Drucksollwert einstellt . Hierdurch wird für die Druckregelvorrichtung eine sich selbstregulierende Einstellung und weitgehend schwankungs freie Druckhaltung ermöglicht , ohne aufwändige aktive angesteuerte Stellelemente und Antriebe . Die Gewichtskraft des Stellglieds auf die Membran sorgt für eine Volumenänderung, um eine isobare Zustandsänderung des Gases zu ermöglichen . Der Drucksollwert und damit der Arbeitsdruck können somit weitgehend konstant gehalten werden .
In weiter bevorzugter Ausgestaltung ist das Speicherbehältnis in Strömungsrichtung des erzeugten Gases stromabwärts betrachtet fluidisch leitend an eine Gasabnahmeeinrichtung und/oder an eine Verdichtereinrichtung anschließbar, wobei die Druckregelvorrichtung derart angeordnet ist , dass eine Druckhaltung des Drucksollwerts erzielt ist und eine Weitergabe von Druckschwankungen durch das Speicherbehältnis hindurch vermieden ist .
Vorzugsweise weist der Aktuator eine vertikal geführte Kolbenstange auf , die auf die Membran einwirkt , so dass der Drucksollwert über die Membranstellung bewirkt ist . Insbesondere wird der Drucksollwert damit gehalten und der Betrieb unter Konstantdruck ermöglicht .
Weiter bevorzugt ist eine vertikal angeordnete Führungshülse vorgesehen, in die die Kolbenstange beweglich eingrei ft . Somit ist eine vertikale Führung der massiven Kolbenstange erreicht und eine präzise vertikale Bewegung der Masse und Krafteinwirkung auf die Membran für eine erforderliche isobare Volumenänderung, um den auftretenden Druckschwankungen des Gases entgegenzuwirken .
Durch den atmosphärischen Betrieb des Elektrolyseurs in einer Elektrolyseanlage kann die Volumenänderung durch die Membran vorteilhafterweise über mechanische Vorrichtungen, wie z . B . Gewichte oder Federhänger erfolgen und eine aufwendigere elektrische Regeleinrichtung vermieden werden . Da durch den vorgeschlagenen Gas zwischenspeicher im Niederdruckbetrieb das System zwischen Elektrolyse und Verdichter besonders stabil und bei nahezu konstantem Druck arbeiten kann, werden eventuelle Schädigungen der Elektrolysemembran durch Druckschwankungen im System vermieden .
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betri f ft eine Elektrolyseanlage , mit einem Elektrolyseur und mit zumindest einem an den Elektrolyseur angeschlossenen erfindungsgemäßen Gas zwischenspeicher . Die Anwendung des Gas zwischenspeichers bei einer Elektrolyseanlage ist aufgrund der Möglichkeit der Beladung und Fahrweise des Gas zwischenspeichers unter konstantem Druck besonders vorteilhaft .
Vorzugsweise ist in der Elektrolyseanlage eine Verdichtereinrichtung vorgesehen, die in Strömungsrichtung des erzeugten Gases stromabwärts an den Gas zwischenspeicher angeschlossen ist . Somit ist ein Gesamtanlagenkonzept einer Elektrolyseanlage realisiert , dass Wasserstof f erzeugung im Elektrolyseur, Zwischenspeicherung des erzeugten Wasserstof f-Produktgases und anschließende Verdichtung integriert .
In bevorzugter Ausgestaltung ist eine Drucküberwachungsvor- richtung zwischen Elektrolyseur und Gas zwischenspeicher angeordnet . Weiter bevorzugt ist eine Drucküberwachungsvorrich- tung zwischen Gas zwischenspeicher und Verdichter angeordnet . Somit kann der Eingangsdruck eingangsseitig beim Gas zwischenspeicher und der Ausgangsdruck ausgangsseitig am Gas zwischenspeicher überwacht werden . Idealerweise unterscheiden sich Eingangsdruck und Ausgangsdruck nicht oder nur sehr geringfügig und die beide Werte liegen im regulären Betrieb beim gewünschten Solldruck . Dieser beträgt bei der Niederdruck- Protonen-Austausch-Elektrolyse weniger als 10 bar, vorzugsweise zwischen 1 , 0 und 1 , 5 bar, typischerweise werden 1 , 1 bar eingestellt . Dies ist auch der konstante Eingangsdruck für die Verdichtereinrichtung . Der bevorzugte Druckbereich zwischen etwa 1 , 0 bis 1 , 5 bar ist vorteilhaft für atmosphärische Elektrolysen anwendbar . Neben dem Betrieb und der Überwachung des Solldrucks des Gaszwischenspeichers hat die Drucküberwachungsvorrichtung zusätzlich sicherheitstechnische Vorteile für den Betrieb der Elektrolyseanlage , insbesondere des Elektrolyseurs . Durch die Drucküberwachungsvorrichtung ist es beispielsweise in besonders vorteilhafter Weise möglich, den Gasdruck in den Verbindungsleitungen und somit auch am Entstehungsort des Gases in der Elektrolysezelle beziehungsweise dem Elektrolysemodul zu überwachen, womit beispielsweise ein Druckabfall , insbesondere in einem Bereich unterhalb des Umgebungsdrucks , erkennbar ist . Dabei kann die Drucküberwachungsvorrichtung beispielsweise ein Warnelement , welches beispielsweise akustische und/oder optische Warnsignale aussendet , umfassen, sodass auf einen Druckabfall besonders schnell reagiert werden kann, wodurch innerhalb einer besonders kurzen Zeitspanne Maßnahmen ergri f fen werden können, um beispielsweise eine besonders hohe Gasreinheit des Produktionsgases , insbesondere des molekularen Wasserstof fs , zu gewährleisten .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage weist diese eine zweistufige Regeleinrichtung auf , umfassend eine erste Regelstufe , die als führende Leistungsregelung ausgestaltet ist und weiter umfassend eine zweite Regelstufe , die als eine stabilisierende Druckregelung ausgestaltet ist , so dass ein geregeltes Zusammenwirken von Elektrolyse und Verdichtung erzielbar ist . Durch die zweistufige Konstantdruck-Regelung ist ein besonders stabiler Betrieb ermöglicht .
Auch um die betriebliche Stabilität bei transienten Laständerungen zusätzlich zu verbessern, wird in einer weiteren vorteilhaften Aus führung der Elektrolyseanlage eine gestufte Regelung von Elektrolyseur und Verdichtereinrichtung vorgeschlagen . Hierfür kann entweder dem Verdichter oder der Elektrolyse die führende Leistungsregelung zugewiesen werden, welche im Falle einer Wasserstof f-Elektrolyseanlage entweder als Wasserstof f-Erzeugungsleistung bzw . Menge an erzeugtem Wasserstof f gas pro Zeiteinheit oder auch Stromstärke bzw . Stromdichte des Elektrolysestroms vorgegeben werden kann . Als nachgeschaltete Regel funktion dient eine Druckregelung, welche der nachgeordneten Regeleinrichtung, entweder der Elektrolyse oder dem Verdichter als Regelgröße zugewiesen wird . Dieser Drucksollwert stellt gleichzeitig den gewünschten Drucksollwert im Gas zwischenspeicher dar . Der Drucksollwert ist dabei so zu wählen, dass die Membran des Gas zwischenspeichers nach Beendigung des transienten Vorganges wieder in eine Zwischenstellung fahren kann . Die Anpassung des Drucksollwertes kann dabei durch Nutzung der Membranstellung erfolgen . Durch das beschriebene Konstruktionsprinzip des Gas zwischenspeichers und durch Anwendung der gestuften Regelung wird der Arbeitsdruck im System zwischen Elektrolyse und Verdichter nahezu konstant gehalten und eventuelle Schädigungen der Elektrolysemembran durch Druckschwankungen unterbunden . Des Weiteren ist für einen konstanten Eingangsdruck am Verdichter bzw . der Verdichtereinrichtung gesorgt und ein entsprechend stabiler Verdichtungsprozess beim gewünschten Drucksollwert , insbesondere ohne eine schädigende Rückkopplung auf den Verdichter zu verzeichnen .
Ein dritter Aspekt der Erfindung betri f ft ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage . Um eine Elektrolyseanlage mittels des Verfahrens besonders vorteilhaft für eine besonders flexible Fahrweise zu betreiben, so dass Lastwechsel und Transienten bei gleichzeitig stabilem Betrieb möglich sind, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren während der Elektrolyse über einen Kanal einer Gasentnahmeeinheit , welcher in ein Speicherbehältnis eines Gas zwischenspeichers mündet , erzeugtes Gas in das Speicherbehältnis eingeleitet und das in das Speicherbehältnis eingeleitete Gas mittels einer Druckregelvorrichtung des Speicherbehältnisses auf einen vorgegebenen Drucksollwert gebracht , wobei das Gas mit dem Drucksollwert einer Verdichtereinrichtung zugeführt wird, und wobei das Gas in der Verdichtereinrichtung verdichtet wird .
In bevorzugter Aus führung des Verfahrens werden dabei die Elektrolyse sowie die anschließende Verdichtung von in der Elektrolyse erzeugtem Gas in einer kombinierten Fahrweise re- gelungstechnisch zweistufig geführt , wobei als erste Regelstufe die Elektrolyse über eine führende Leistungsregelung mit einem Leistungssollwert für die Elektrolyseleistung geregelt wird, und wobei als zweite Regelstufe über eine Druckregelung mit einem konstanten Drucksollwert für die Verdichtung geregelt wird .
Hierbei wird ein Drucksollwert kleiner als 10 bar, insbesondere zwischen 1 , 0 bis 1 , 5 bar eingestellt . Für die Nieder- druck-Protonen-Austausch-Elektrolyse ist insbesondere ein Drucksollwert von etwa 1 , 1 bar vorteilhaft . Damit ist eine gute Anpassung und Fahrweise für den Betrieb einer atmosphärischen Elektrolyseanlage erzielt .
Bei dem Verfahren wird bevorzugt als Leistungssollwert für die führende Elektrolyseleistung die Stromstärke der Elektrolyse , die Stromdichte der Elektrolyse oder der Produkt- Massenstrom an erzeugtem Wasserstof f herangezogen .
Weiterhin ist es bei dem Betriebsverfahren besonders bevorzugt , dass bei einem Regeleingri f f durch die Druckregelvorrichtung der Druck auf den Drucksollwert dadurch geregelt wird, indem eine isobare Volumenänderung des Gases herbeigeführt wird . Durch diese Ausgestaltung ist vorteilhafterweise eine Konstantdruckregelung realisiert .
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten beziehungsweise dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt .
Weitere Vorteile , Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Aus führungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung . Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den einzigen Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der j e- weils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen .
Aus führungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert . Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :
FIG 1 einen Gas zwischenspeicher für eine Elektrolyseanlage zur Niederdruck-Protonen-Austausch-Elektrolyse mit einem Speicherbehältnis nach dem Stand der Technik;
FIG 2 einen Gas zwischenspeicher für eine Elektrolyseanlage gemäß der Erfindung;
FIG 3 eine Elektrolyseanlage mit einem Elektrolyseur, einem Gas zwischenspeicher und einer Verdichtereinrichtung gemäß der Erfindung .
Gleiche Bezugs zeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung .
Die FIG 1 zeigt einen Gas zwischenspeicher 10 für eine Elektrolyseanlage 12 zur Niederdruck-Protonen-Austausch- Elektrolyse (Niederdruck-PEM- Elektrolyse ) mit einem Speicherbehältnis 14 . Mittels des Gas zwischenspeichers 10 kann die PEM-Elektrolyseanlage 12 , welche eine Elektrolyse von Wasser H2O in molekularen Sauerstof f O2 und molekularen Wasserstof f H2 durchführt , um das j eweilige Produktgas O2 beziehungsweise H2 zu erhalten, ein besonders reines j eweiliges Produktgas bereitstellen . Dazu mündet ein Kanal 16 einer Gasentnahmeeinheit 18 in das Speicherbehältnis 14 . Über den Kanal 16 ist während der Elektrolyse erzeugtes Gas 20 , sogenanntes Produktgas , in das Speicherbehältnis 14 einleitbar, wobei das Speicherbehältnis 14 wenigstens ein Druckelement 22 umfasst , mittels dessen das in das Speicherbehältnis einge- leitete Gas 20 mit einem Druck beaufschlagt ist . Der Gas zwischenspeicher 10 dient hier vorrangig zur Vermeidung eines Fremdgaseinbruchs beziehungsweise zur Aufrechterhaltung eines Überdrucks gegenüber einer Umgebung 24 der Elektrolyseanlage 12 . So kann mittels des Gas zwischenspeichers 10 beispielsweise bei einer Leckage , das heißt einer undichten Stelle , welche fluidleitend mit dem Gasvolumen 26 , welches von dem erzeugten Gas 20 in der Elektrolyseanlage 12 einnehmbar ist , mittels eines Überdrucks , welcher insbesondere von dem Druckelement 22 erzeugt wird, das Einströmen eines prozess fremden Gases vermieden werden .
Im gezeigten Aus führungsbeispiel ist das Speicherbehältnis 14 in Strömungsrichtung 28 des erzeugten Gases 20 stromabwärts liegend fluidisch leitend mit einer Gasabnahmeeinrichtung 30 verbunden, wobei mittels des wenigstens einen Druckelements 22 eine Weitergabe von Druckschwankungen, welche im Kanal 16 und/oder der Gasabnahmeeinrichtung 30 auf treten, durch das Speicherbehältnis 14 hindurch dämpfbar ist . Alternativ kann anstelle beziehungsweise zusätzlich zu der Gasabnahmeeinrichtung 30 eine nicht näher gezeigte Verdichtereinrichtung 48 fluidisch leitend mit dem Speicherbehältnis 14 verbunden sein .
In der gezeigten Aus führungs form nach dem Stand der Technik ist das Speicherbehältnis 14 als Membranspeicher mit einer Membran 32 ausgebildet , wobei die Membran 32 zumindest teilweise das Druckelement 22 ausbildet . Ferner weist die gezeigte Aus führungs form des Gas zwischenspeichers 10 eine Druck- überwachungsvorrichtung 34 auf , welche stromabwärts der Gasentnahmeeinheit 18 und zusätzlich stromaufwärts des Speicherbehältnisses 14 in dem Kanal 16 angeordnet ist . Mittels der Drucküberwachungsvorrichtung 34 kann beispielsweise überwacht werden, ob eine Aufrechterhaltung eines Überdrucks gegenüber der Umgebung 24 in der Elektrolyseanlage 12 beziehungsweise dem Gasspeicher 10 eingehalten wird, sodass ein Fremdgaseinbruch beispielsweise aus der Umgebung 24 vermieden werden kann . Dazu kann die Drucküberwachungsvorrichtung 34 beispielsweise veranlassen, dass j eweilige Ventile 36 von einer Of fenstellung, bei welcher das Gas 20 durch das j eweilige Ventil 36 strömen kann, in eine Schließstellung, bei welcher der Gas fluss gestoppt ist , bewegt werden .
In der gezeigten Aus führungs form ist ein Volumen 38 des Speicherbehältnisses 14 , welches zum Aufnehmen des Gases 20 , welches durch die Elektrolyse erzeugt wird, größer als das Volumen, das sogenannte Gasvolumen 26 , der Elektrolyseanlage 12 , insbesondere einer Elektrolysezelle beziehungsweise eines Elektrolysemoduls der Elektrolyseanlage 12 . Somit kann der Gas zwischenspeicher 10 , welcher von dem bei der Elektrolyse erzeugten Gas 20 gespeist wird, über einen möglichst langen Zeitraum sicherstellen, dass ein Überdruck in den fluidisch leitend mit dem Kanal 16 verbundenen Bereichen der Elektrolyseanlage 12 , wie beispielsweise dem Gasvolumen 26 , ein Überdruck, insbesondere im Gegensatz zur Umgebung 24 , aufrechterhalten werden kann . Mittels der gezeigten Aus führungs form des Gas zwischenspeichers 10 für eine Niederdruck-Protonen- Austausch-Elektrolyse mit der gezeigten Elektrolyseanlage 12 kann ein Verfahren zum Betreiben der Elektrolyseanlage 12 durchgeführt werden . Dabei wird während der Elektrolyse über den Kanal 16 der Gasentnahmeeinheit 18 , welcher in das Speicherbehältnis 14 des Gas zwischenspeichers 10 mündet , erzeugtes Gas 20 in das Speicherbehältnis 14 eingeleitet . Dabei wird das in das Speicherbehältnis 14 eingeleitete Gas 20 mittels eines Druckelements 22 , der Membran 32 , des Speicherbehältnisses 14 mit einem Druck beaufschlagt .
Insbesondere für kurz fristige Druckänderungen ist dieses Konzept einer passiven Dämpfung nach dem Stand der Technik allerdings unzureichend . Vor allem zeitlich rasch auftretende Druckschwankungen etwa im Sekundenbereich können damit nicht kompensiert bzw . gedämpft werden . Überdies ist der Betriebsdruck nicht auf einen gewünschten Wert einstellbar bzw . nachführbar . Der Speicherbehälter 14 ist mit einer Membran 32 ausgekleidet , die sich bei einem Druckanstieg ausdehnen kann . Um einen Druck konstant zu halten bzw . auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln und zu halten, ist diese Ausgestaltung hingegen nicht geeignet . Insbesondere wie sich die Membran bei Druckentlastung wieder zurückbewegen soll . Daher wird hier nur eine Dämpfung von Druckschwankungen auf der Erzeugungsseite beim Elektrolyseur und dadurch eine gewisse Entkopplung zu den nachfolgenden Prozessen erreicht - nicht aber eine Druckregelung, wie sie für stabil aus zuführende Transienten gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird .
In FIG 2 ist ein Gas zwischenspeicher 100 gemäß der Erfindung dargestellt . Der Gas zwischenspeicher 100 weist ein Speicherbehältnis 14 auf mit einem Speicherraum 106 für ein Gas 20 . Der Speicherraum 106 hat ein Speichervolumen . Ein Kanal 16 zur Zufuhr von in der Elektrolyse erzeugtem Gas 20 mündet in den Speicherraum 106 . Dadurch ist beispielsweise Wasserstof f als Produktgas aus der Wasserelektrolyse dem Speicherraum 106 einleitbar . Das Speicherbehältnis 14 weist eine Druckregelvorrichtung 40 auf , so dass der Gasdruck des Gases 20 in dem Speicherraum 106 einstellbar bzw . regelbar ist , insbesondere auf einen gewünschten und möglichst konstanten Drucksollwert . Hierzu umfasst die Druckregelvorrichtung 40 eine Membran 42 und einen Aktuator 44 . Der Aktuator 44 wirkt auf die Membran 42 ein, so dass der Drucksollwert eingehalten ist . Die Membran 42 trennt den Speicherraum 106 mit dem Speichervolumen gasdicht innerhalb des Speicherbehältnisses 14 ab, so dass ein mit Gas 20 aus der Elektrolyse zustellbarer Teilraum gebildet ist . Der weitere Teilraum weist den Aktuator 44 auf .
Der Aktuator 44 weist ein Stellglied 46 auf , das als vertikal geführte Kolbenstange ausgeführt ist , die in einer ebenfalls vertikal ausgerichteten Führungshülse 50 beweglich geführt ist . Zur Abfuhr von Gas 20 aus dem Speicherraum 106 ist ein Auslaufkanal 108 vorgesehen, der in strömungstechnischer Verbindung mit dem Speicherraum 106 steht . Der Auslaufkanal 108 kann durch einen Auslauf stutzen oder eine Rohrleitung realisiert sein, insbesondere als Flanschverbindung ausgeführt , und befindet sich stromabwärts des Kanals 16 zur Zufuhr von Gas 20 . Der Auslaufkanal 108 dient dem Transport des Gases 20 , um dieses einer weiteren Verwendung zuzuführen . Die wei- tere Verwendung und Verarbeitung kann etwa in der nicht näher ausgeführten Gasabnahmeeinrichtung 30 erfolgen, die an den Gas zwischenspeicher 100 anschließbar ist .
Bei dem Gas zwischenspeicher 100 ist dann das Speicherbehältnis in Strömungsrichtung des erzeugten Gases 20 stromabwärts betrachtet fluidisch leitend an eine Gasabnahmeeinrichtung 30 angeschlossen . In einer weiteren und besonders vorteilhaften Anwendung bei einer Elektrolyse erfolgt der Anschluss an eine in FIG 1 nicht näher dargestellte Verdichtereinrichtung 48 , was weiter unten am Beispiel der FIG 3 einer Elektrolyseanlage 102 näher ausgeführt wird . In dem Gas zwischenspeicher 100 ist die Druckregelvorrichtung 40 derart angeordnet , dass eine Druckhaltung des Drucksollwerts erzielt ist und eine Weitergabe von Druckschwankungen durch das Speicherbehältnis 14 , respektive durch den Speicherraum 106 hindurch, besonders effektiv vermieden ist .
Dabei wirkt der Aktuator 44 , der eine vertikal in einer Führungshülse 40 geführte Kolbenstange aufweist , auf die Membran 42 ein, so dass der Drucksollwert über die Membranstellung bewirkt ist . Die Druckhaltung erfolgt damit weitgehend selbstregulierend aufgrund der Gewichtskraft der Kolbenstange , die auf die Membran 32 einwirkt und eine isobare Volumenänderung des Speicherraums 106 ermöglicht . Hierdurch können kleinere Druckschwankungen im Sekundenbereich auf einfache Weise selbstregulierend kompensiert werden, bei noch ausreichender Regelamplitude für den Einsatz in der Elektrolyse , insbesondere der Wasserelektrolyse zur Erzeugung von Wasserstof f als Gas 20 . Diese besonders interessante Anwendung des Gas zwischenspeichers 100 ist nachfolgend am Beispiel näher ausgeführt .
FIG 3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Elektrolyseanlage 102 gemäß der Erfindung . Die Elektrolyseanlage 102 weist einen Elektrolyseur 104 , einen Gas zwischenspeicher 100 und eine Verdichtereinrichtung 48 auf . Der Gas zwischenspeicher 100 ist über den Kanal 16 und den Auslaufkanal 108b strömungstechnisch zwischen den Elektrolyseur 104 und die Verdichtereinrichtung 48 geschaltet , so dass das Produktgas Wasserstof f H2 aus der Elektrolyse über den Gas zwischenspeicher 100 der Verdichtereinrichtung 48 zuführbar ist . Die Verdichtereinrichtung 48 ist dabei in Strömungsrichtung des erzeugten Wasserstof fs H2 stromabwärts an den Gas zwischenspeicher 100 über den Auslaufkanal 108 angeschlossen . Zur Drucküberwachung ist eine Drucküberwachungsvorrichtung 34 in die gas führende Leitung zwischen Elektrolyseur 104 und Gas zwischenspeicher 100 geschaltet . Weiterhin ist eine Drucküberwachungsvorrichtung 34 in die gas führende Leitung zwischen Gaszwischenspeicher 100 und Verdichtereinrichtung 48 geschaltet . Die Elektrolyseanlage 102 kann mit einem Elektrolyseur 104 für eine PEM-Elektrolyse ausgestaltet sein für eine Nieder- druck-Protonen-Austausch-Elektrolyse , oder auf einer alkalischen Elektrolyse basieren .
Die Elektrolyseanlage 102 zeichnet sich durch eine zweistufige Regeleinrichtung aus , die eine erste Regelstufe 110A sowie eine zweite Regelstufe H OB aufweist . Die erste Regelstufe 110A bildet hierbei die führende Leistungsregelung mit einem Leistungssollwert L . Der Leistungssollwert L charakterisiert die Elektrolyseleitung als führende Größe für den Betrieb der Elektrolyseanlage 102 respektive die Elektrolyseleistung des Elektrolyseurs 104 . Als physikalische Betriebsmessgrößen und Parameter für die erste Regelstufe 110A eignet sich die Elektrolysestromstärke I . Alternative Sollwerte sind beispielsweise durch die Stromdichte im Elektrolyseur 104 oder den Wasserstof f-Produktmassenstrom der Elektrolyse gegeben .
Als zweite Regelstufe H OB ist eine den Elektrolysebetrieb stabilisierende Druckregelung vorgesehen, so dass ein geregeltes Zusammenwirken von Elektrolyseprozess und Verdichtung herbeigeführt ist . In der zweiten Regelstufe H OB ist der Arbeitsdruck als Drucksollwert P vorgegeben, wie er im Gas zwischenspeicher 100 bzw . in dem Kanal 16 und dem Auslaufkanal 108 einzustellen und einzuhalten ist . Typischerweise sind bei der Niederdruck-Protonen-Austausch-Elektrolyse Drucksollwerte P von kleiner als 10 bar gewünscht , insbesondere zwischen 1 , 0 bis 1 , 5 bar eingestellt . Für die Niederdruck-Protonen-Aus- tausch-Elektrolyse ist insbesondere ein Drucksollwert von etwa 1 , 1 bar vorteilhaft . Mit der Druckregelung der zweiten Regelstufe H OB ist ein vorgegebener und möglichst konstant gehaltener Eingangsdruck an der Verdichtereinrichtung 48 einstellbar . Die zuverlässige Konstantdruckregelung wird in dem Regelkonzept in gewissen Grenzen unterstützt durch den Gaszwischenspeicher 100 mit den oben beschriebenen Vorteilen im Hinblick auf die Kompensation kleiner und kleinster Druckschwankungen im Sekundenbereich in einem Schwankungsbereich Bereich von 10 mbar bis zu einigen 100 mbar um den Drucksollwert von beispielsweise P = 1 , 1 bar .
Im Betrieb der Elektrolyseanlage 102 wird während der Elektrolyse über den Kanal 16 einer Gasentnahmeeinheit 18 , welcher in das Speicherbehältnis 14 mit einem Speicherraum 106 des Gas zwischenspeichers 100 mündet , erzeugtes Gas 20 in das Speicherbehältnis 14 eingeleitet und das in das Speicherbehältnis 14 eingeleitete Gas 20 mittels einer Druckregelvorrichtung 40 des Speicherbehältnisses 14 auf einen vorgegebenen Drucksollwert P gebracht . Dabei wird das Gas 20 mit dem Drucksollwert P anschließend einer Verdichtereinrichtung 48 zugeführt . Das Gas 20 wird schließlich in der Verdichtereinrichtung 48 auf einen gewünschten Druck weiter verdichtet für verschiedene Applikationen oder den Weitertransport . Regelungstechnisch wird der Elektrolyseprozess und die anschließende Verdichtung von in der Elektrolyse erzeugtem Gas 20 in einer kombinierten Fahrweise regelungstechnisch zweistufig geführt . Eine erste Regelstufe 110A für die Elektrolyse bildet die führende Leistungsregelung mit einem Leistungssollwert L für die Elektrolyseleistung, die entsprechend geregelt wird . Als zweite Regelstufe ( H OB ) ist eine Druckregelung implementiert mit einem konstanten Drucksollwert P als ggf . wahlweise vorgebbarer Eingangsdruck für die anschließende Verdichtung des Gases 20 in der Verdichtereinrichtung 48 . Dabei wird bei der Druckregelung bei einem Regeleingri f f durch die Druckregelvorrichtung 40 der Druck auf den Drucksollwert P geregelt , indem eine isobare Volumenänderung des Gases 20 herbeigeführt wird . Ein Soll-/ I st-Vergleich 112 in Bezug auf den vorgegebenen Drucksollwert P kann zusätzlich über den Stell zustand bzw . die Membranstellung Z der Membran 42 bzw . des Stellglieds 46 als Messgröße durchgeführt und die Werte abgeglichen werden, für einen eventuell erforderlichen Regeleingri f f . Bei Bedarf oder für auch für einen sicherheitsrelevanten Abschaltbetrieb ist es möglich das Gas 20 , insbesondere Wasserstof f-Produktgas , über ein Abblaseventil aus der Anlage sicher abzublasen, etwa auch beim Stillstand der Elektrolyseanlage 102 zu Servicezwecken . Besonders vorteilhaft erweist sich hier, dass bei dem Gas zwischenspeicher 100 der Erfindung bei einem Stillstand der Elektrolyseanlage 102 die Membran 42 allein aufgrund ihrer Gewichtskraft des vertikal geführten Aktuators 44 , insbesondere ausgeführt als massive Kolbenstange , vollständig nach unten fährt in eine Ruheposition im Stillstand . Dadurch wird der Speicherraum 106 für Gas 20 geschlossen bzw . das Volumen im Speicherraum reduziert - das Gas 20 wird herausgedrückt . Damit ist kein Wasserstof f- Produktgas mehr im Speicherraum und die Spülmenge an erforderlichem Stickstof f als Spülgas zur Inertisierung wird entsprechend verringert für das Stillstandsmanagement , etwa bei notwendigen Servicearbeiten . Bedarfsweise kann zusätzlich Gas 20 über die Abblasevorrichtungen 52A, 52B aus dem System abgeblasen werden .

Claims

Patentansprüche
1. Gaszwischenspeicher (100) für eine Elektrolyseanlage (102) , mit einem Speicherbehältnis (14) mit einem Speicherraum (106) , in welchen ein Kanal (16) einer Gasentnahmeeinheit (18) mündet, über welchen während der Elektrolyse erzeugtes Gas (20) in den Speicherraum (106) einleitbar ist, wobei das Speicherbehältnis (14) eine Druckregelvorrichtung (40) umfasst, mittels derer das in den Speicherraum (106) eingeleitete Gas (20) mit einem Drucksollwert (P) beaufschlagbar ist, wobei die Druckregelvorrichtung (40) eine Membran (42) und einen Aktuator (44) umfasst, wobei der Aktuator (44) auf die Membran (42) derart einwirkt, dass der Drucksollwert einstellbar ist.
2. Gaszwischenspeicher (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (44) ein Stellglied (46) aufweist, das aufgrund seiner Gewichtskraft auf die Membran (42) derart einwirkt, dass sich der Drucksollwert einstellt.
3. Gaszwischenspeicher (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherbehältnis (14) in Strömungsrichtung (18) des erzeugten Gases (20) stromabwärts betrachtet fluidisch leitend an eine Gasabnahmeeinrichtung (30) und/oder einer Verdichtereinrichtung (48) anschließbar ist, wobei die Druckregelvorrichtung (40) derart angeordnet ist, dass eine Druckhaltung des Drucksollwerts erzielt ist und eine Weitergabe von Druckschwankungen durch das Speicherbehältnis (14) hindurch vermieden ist.
4. Gaszwischenspeicher (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (44) eine vertikal geführte Kolbenstange aufweist, die auf die Membran (42) einwirkt, so dass der Drucksollwert über die Membranstellung bewirkt ist. 5. Gaszwischenspeicher (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine vertikal angeordnete Führungshülse (50) vorgesehen ist, in die die Kolbenstange beweglich eingreift.
6. Elektrolyseanlage (102) für eine Niederdruck-Protonen- Austausch-Elektrolyse, mit einem Elektrolyseur (104) und mit zumindest einem an den Elektrolyseur (104) angeschlossenen Gaszwischenspeicher (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
7. Elektrolyseanlage (102) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdichtereinrichtung (48) vorgesehen ist, die in Strömungsrichtung des erzeugten Gases stromabwärts an den Gaszwischenspeicher (100) angeschlossen ist.
8. Elektrolyseanlage (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drucküberwachungs- vorrichtung (34) zwischen Elektrolyseur (104) und Gaszwischenspeicher (100) angeordnet ist.
9. Elektrolyseanlage (102) nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine zweistufige Regeleinrichtung, die als erste Regelstufe (110A) eine führende Leistungsregelung und als zweite Regelstufe (HOB) eine stabilisierende Druckregelung aufweist, so dass ein geregeltes Zusammenwirken von Elektrolyse und Verdichtung bewirkt ist.
10. Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanalage (102) für die Niederdruck-Protonen-Austausch-Elektrolyse, bei dem während der Elektrolyse über einen Kanal (16) einer Gasentnahmeeinheit (18) , welcher in ein Speicherbehältnis (14) mit einem Speicherraum (106) eines Gaszwischenspeichers (100) mündet, erzeugtes Gas (20) in das Speicherbehältnis (14) eingeleitet wird und das in das Speicherbehältnis (14) eingeleitete Gas
(20) mittels einer Druckregelvorrichtung (40) des Speicherbehältnisses (14) auf einen vorgegebenen Drucksollwert (P) gebracht wird, wobei das Gas (20) auf dem vorgegebenen Drucksollwert (P) einer Verdichtereinrichtung (48) zugeführt wird, und wobei das Gas (20) in der Verdichtereinrichtung (48) verdichtet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Elektrolyse und die anschließende Verdichtung von in der Elektrolyse erzeugtem Gas (20) in einer kombinierten Fahrweise regelungstech- nisch zweistufig geführt werden, wobei als erste Regelstufe (110A) die Elektrolyse über eine führende Leistungsregelung mit einem Leistungssollwert (L) für die Elektrolyseleistung geregelt wird, und wobei als zweite Regelstufe (HOB) über eine Druckregelung auf einen konstanten Drucksollwert (P) für die Verdichtung geregelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Drucksollwert kleiner als 10 bar, insbesondere zwischen 1,0 bar bis 1,5 bar eingestellt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, bei dem als Leistungssollwert (L) für die führende Elektrolyseleistung die Stromstärke (I) der Elektrolyse, die Stromdichte der Elektrolyse oder der Produkt-Massenstrom an erzeugtem Wasserstoff herangezogen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem bei einem Regeleingriff durch die Druckregelvorrichtung (40) der Druck auf den Drucksollwert (P) geregelt wird, indem eine isobare Volumenänderung des Gases (20) herbeigeführt wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3904976C1 (de) 1989-02-18 1990-03-01 Gerhard Dr.-Chem. 8521 Langensendelbach Hager Produktion von Wasserstoff in Laufwasser-Energieparks mittels Elektrolyse
DE102012018243A1 (de) 2012-09-17 2014-03-20 Propuls Gmbh Verfahren und System zum Betreiben eines Elektrolyseurs
US9045209B2 (en) * 2013-03-14 2015-06-02 Sanko Tekstil Isletmeleri Sanayi Ve Ticaret A.S. Active volume energy level large scale sub-sea energy fluids storage methods and apparatus for power generation and integration of renewable energy sources
JP2014189480A (ja) * 2013-03-28 2014-10-06 Sumitomo Seika Chem Co Ltd 水素ガスの精製方法および精製装置
EP3489388A1 (de) 2017-11-24 2019-05-29 Siemens Aktiengesellschaft Gaszwischenspeicher, elektrolyseanlage und verfahren zur protonen-austausch-elektrolyse
DE102019116399A1 (de) * 2019-06-17 2020-12-17 Andreas Döring Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung von Fluiden
DE102019116400A1 (de) * 2019-06-17 2020-12-17 Andreas Döring Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung von Fluiden

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