EP4526497A2 - Wasserelektrolyseur-system - Google Patents

Wasserelektrolyseur-system

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Publication number
EP4526497A2
EP4526497A2 EP23727510.2A EP23727510A EP4526497A2 EP 4526497 A2 EP4526497 A2 EP 4526497A2 EP 23727510 A EP23727510 A EP 23727510A EP 4526497 A2 EP4526497 A2 EP 4526497A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
water
module
water electrolyzer
electrolyzer system
media
Prior art date
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Pending
Application number
EP23727510.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joerg ZIUBER
Markus Berger
Annika UTZ
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch 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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4526497A2 publication Critical patent/EP4526497A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections
    • C25B9/66—Electric inter-cell connections including jumper switches
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
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    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to a water electrolyzer system for producing hydrogen. Furthermore, the invention relates to a hydrogen factory, which includes at least one such water electrolyzer system.
  • the core of a PEM water electrolyzer is the electrolysis stack.
  • the general trend for industrial hydrogen production is towards very powerful units with several MW of output.
  • the electrolyser also includes various supply units, the so-called Balance of Plant (BoP). These units are water pumps, gas-water separators, ion filters, heat exchangers, temperature sensors, pressure sensors, gas sensors, ultrapure water treatment, hydrogen post-treatment and purification, transformers, rectifiers, control and monitoring units, cables, pipes and valves. How these components are connected to each other and whether these components supply one stack or several stacks is within the manufacturer's design and discretion. Depending on the design principle, different combinations and pre-assembled units can be advantageous.
  • DE 10 055 973 A1 discloses an offshore power plant with several individual power plants, each with its own energy storage device.
  • the power systems are electrically connected to a busbar.
  • the energy storage devices have electrolyzers with which hydrogen and oxygen can be produced from water that is stored in pressure tanks.
  • In the energy storage device is one Fuel cell arrangement arranged, with which electrical energy can be generated from the hydrogen.
  • the system includes several solar panels and several wind turbines to generate energy.
  • the system has one or more electrolyzers with which water, hydrogen and oxygen can be produced.
  • the costs are primarily influenced by transport to the construction site and the effort involved in assembly and commissioning.
  • the delivery of individual components may be cheap for transport, but assembly and commissioning require a lot of time and personnel.
  • the object underlying the invention is to provide a water electrolyzer system with which a simpler, faster and more cost-effective construction of such a system is possible.
  • the invention specifies a water electrolyzer system for producing hydrogen.
  • the water electrolyzer system includes at least one electrolysis stack for converting water into hydrogen, power electronics for supplying the electrolysis stack, components for media preparation and media conveyance of the process media supplied to and removed from the electrolysis stack, and a control unit for controlling the electrolysis stack, the power electronics and the Components for media preparation and media promotion.
  • At least the electrolysis stack, the power electronics and the control unit are together as an electrolyzer module, and the components for media preparation and Media conveying is designed together as a process module, with connection options being provided on the modules, via which the individual modules can be fluidically and electrically connected to one another.
  • the electrolysis stack is advantageously a PEM electrolysis stack.
  • a module is understood to be a structural unit that is manufactured together in a manufacturing factory. These modules are preferably manufactured automatically. After production, the modules are transported, for example by truck or ship, to the location where a hydrogen factory is to be built or expanded. According to the invention, the electrolyzer system only has the assemblies of the electrolysis module, the process module and the control module. Depending on the size of the hydrogen factory, several of these modules can be provided. Automated production in the factory significantly reduces the time and personnel required to set up and connect the individual components and the costs for such a system.
  • the modules can be built and expanded according to a modular principle.
  • the modular design also reduces the transport effort, as by combining the individual components into modules, fewer trips are necessary to bring all the components on site.
  • the electrolysis stacks In order to ensure easy transport of the electrolyzer module, the electrolysis stacks have a maximum output of 1 MW. With such performance, the weight does not exceed any limit necessary for transportability.
  • the power of the electrolysis stacks is preferably between 500kW and 1500kW.
  • the modules only have to be connected on site using the connection options, which can be standardized, for example. This means that only lines between these connection options are necessary, which reduces the number of lines. This also reduces the effort required to connect the modules to one another.
  • the electrolyzer module or the entire water electrolyzer system is arranged in a sea freight container housing.
  • the power electronics are designed to transform an alternating current into direct current. Direct current must be applied to the electrolysis stacks. If the water electrolyzer system is supplied with alternating current, then a corresponding transformation is necessary.
  • connection options are designed as plug and/or flange connections.
  • the use of plug and flange connections has the advantage that connections do not have to be made using, for example, complex welding. This can save costs for a welder.
  • the connections can be formed quickly, for example by tightening screws. This allows the modules to be connected quickly and cost-effectively.
  • the modules are connected to one another exclusively using prefabricated process media and power lines.
  • the prefabricated process media and power lines have already been manufactured, for example, in an automated production process. These are only connected to connect the connection options. This means that no connecting cables need to be laboriously laid. This also significantly reduces the manufacturing costs of such a water electrolyzer system and the time required for it.
  • a power line is designed as a common busbar, which projects into both the electrolyzer module and the process module. All electrical consumers of the electrolyzer module and process module can be connected to the busbar and are therefore preferably only supplied with electrical power via this busbar.
  • connection option is preferably designed in such a way that a data and a power connection can be connected via a common plug.
  • the plug therefore has both contacts for establishing a power connection and contacts for a data connection. This means that only a single plug is necessary to ensure a power and data connection.
  • a plug has the advantage that no tools are necessary to prepare the power and data cables for a connection and to connect them. This makes it quick and easy to establish a connection.
  • the plugs are designed to be interchangeable, so that even a non-expert in this area can connect them correctly.
  • the process module additionally has a pump for circulating the water through the electrolysis stack.
  • Arranging the pump in the process module has the advantage that the pump can supply several electrolyzer modules.
  • the electrolyzer module has the pump for circulating the water through the electrolysis stack.
  • Arranging the pump in the electrolyzer module instead of arranging it in the process module, has the advantage that a smaller pump can be used for each electrolyzer module.
  • the pump fails, not all electrolyzer modules are deactivated, but only that Electrolyzer module in which the pump is arranged. This means that the water electrolyzer system remains in operation, creating redundancy. If a defect in a pump causes metal chips to enter the electrolysis stack, only this electrolysis stack needs to be replaced instead of all electrolysis stacks.
  • the modules are designed such that their size is smaller than or equal to the size of a sea freight container.
  • the size of such a sea freight container is determined according to the ISO standard.
  • the advantage of such containers is that they can be easily transported by ship, train or truck. This means that no heavy goods transport or a separate transport route is necessary to transport the modules to the installation site. This significantly reduces the costs and time for transporting the components.
  • the electrolyzer module and the control unit together have a common connection option to the process module.
  • a common connection option is understood to mean that the connections of the control unit and the electrolyzer module are arranged directly next to one another. Therefore, only the process module needs to be connected to the common connection option. This further simplifies the connection of the modules, so that only power and process lines need to be provided between the common connection option and the process module.
  • the common connection option is advantageously arranged in such a way that when the modules are positioned, the distance between the common connection option and a connection option on the process module is minimal, or is directly opposite one another.
  • several electrolyzer modules form a common connection option to the process module.
  • the several electrolyzer modules are thus arranged in a common housing.
  • the process and data lines of the electrolyzer modules are connected to each other within the housing and are located on the housing only common connection option for all electrolyzer modules to the process module.
  • the connections between the electrolyzer modules are preferably carried out automatically during the production of the modules. The manufacturing costs of connecting the electrolyzer modules to one another are reduced because they do not have to be formed on site. All that needs to be established is a connection between the common connection option and the process module.
  • a hydrogen factory is also specified, which includes at least one such water electrolyzer system.
  • a hydrogen factory includes at least one such water electrolyzer system.
  • the advantages mentioned above are essentially achieved.
  • Such a hydrogen factory can therefore be set up quickly, economically and easily.
  • the modular design ensures that the hydrogen factory can be easily expanded, especially in terms of output.
  • FIG. 1 Water electrolyzer system according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 Water electrolyzer system according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the water electrolyzer system 1 shows a water electrolyzer system 1 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the water electrolyzer system 1 according to the exemplary embodiment includes two electrolysis modules 4, each of which has an electrolysis stack 8 (only shown for one electrolysis module) for converting water into hydrogen.
  • power electronics 12 are arranged in the electrolysis module 4, via which a supplied alternating current is preferably converted into direct current.
  • a pump 16 is arranged in the electrolysis module 4, with which water or the process medium can be circulated through the electrolysis stack 8.
  • the water electrolyzer system 1 additionally includes a control unit 18, which is arranged in a control device 20.
  • the control unit 18 is connected via control data lines 24 to the electrolysis modules 4, for controlling the electrolysis stacks 8, the power electronics 12 and the pump 16.
  • the control data line 24 is connected together with a power line 28 to a common first electrolysis module connection option 32. Both lines 24, 28 can be connected via a common plug to the first electrolysis module connection option 32, which is designed as a socket.
  • the two electrolysis modules 4 and the control unit 18 are arranged in a common electrolyzer module 36, which is preferably housed in a housing, for example a sea freight container.
  • a second electrolysis module connection option 40 is arranged on the electrolysis modules 4, via which process media lines 44 of the electrolysis modules 4 are connected to a common housing connection option 48.
  • a control data line 24 of the control unit 18 is also connected to this common housing connection option 48.
  • the water electrolyzer system 1 additionally includes a process module 52, which has various components for preparing and conditioning the process media.
  • the process module 52 has a heat exchanger 56, with which the cooling water for the power electronics 12 and the water for the electrolysis stack 8 is cooled.
  • the heat exchanger 56 is connected to a cooling water connection 60.
  • a cathode gas-water separator 64 is additionally arranged in the process module 52, in which the hydrogen coming from the cathode is separated from the cathode process medium and directed to a hydrogen connection 68.
  • an anode gas-water separator 72 is arranged in the process module 52, in which the oxygen is separated from the anode process medium and directed to an oxygen connection 76.
  • the process medium is deionized in an ion exchanger 80 for use in the electrolysis stack 8.
  • the process module 52 has a common process module connection option 84 to which the components of the process module 52 are connected.
  • the housing connection option 48 is connected to the process module connection option 84 via connecting lines 88.
  • the power line 28 is designed as a common busbar. Both electrolysis modules 4, as well as the control module 20 and the process module 52, have electrical connections to this common busbar.
  • the water electrolyzer system 1 has two electrolysis modules 4, each with an electrolysis stack 8 and power electronics 12.
  • the power electronics 12 preferably each have transfer switches and/or transformers.
  • the two electrolysis modules 4 together with the control unit 18 form an electrolyzer module 36.
  • the water electrolyzer system 1 further comprises a process module 52.
  • the pump 16, the heat exchanger 56, the cathode gas-water separator 64, the anode gas-water separator 72 and the ion exchanger 80 are arranged in the process module 52.
  • Process media lines 44 are arranged between the electrolyzer module 36 and the process module 52, over which the media lines (in particular water and hydrogen) run between the two modules 36, 52.
  • the water electrolyzer system 1 also has the busbar designed as a common power line 28, which protrudes into both the electrolyzer module 36 and the process module 52.
  • the electrical consumers, such as the electrolysis stacks 8, the pump 16 and the control unit 18, have electrical connections to the busbar 28.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wasserelektrolyseur-System (1) zur Produktion von Wasserstoff. Das Wasserelektrolyseur-System (1) umfasst dabei einen Elektrolysestack (8) zur Umwandlung von Wasser in Wasserstoff, eine Leistungselektronik (12), zum Transformieren des Wechselstroms in Gleichstrom zur Versorgung des Elektrolysestacks (8), Komponenten (56, 64, 72, 80) zur Medienaufbereitung der zum Elektrolysestack (8) zu- und abgeführten Prozessmedien, und eine Kontrolleinheit (18), zum Steuern des Elektrolysestacks (8), der Leistungselektronik (12) und der Komponenten (56, 64, 72, 80) zur Medienaufbereitung. Dabei sind zumindest der Elektrolysestack (8), die Leistungselektronik (12) und die Kontrolleinheit (18) zusammen als Elektrolyseurmodul (36) und die Komponenten (56, 64, 72, 80) zur Medienaufbereitung und Medienförderung zusammen als Prozessmodul (52) ausgebildet. An den Modulen (36, 52) sind Verbindungsmöglichkeiten (32, 40, 48, 84) vorgesehen, über welche die einzelnen Module (36, 52) fluidisch und elektrisch miteinander verbindbar sind.

Description

Beschreibung
Titel:
Wasserelektrolyseur-System
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserelektrolyseur-System zur Produktion von Wasserstoff. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Wasserstofffabrik, welches wenigstens ein solches Wasserelektrolyseur-System umfasst.
Stand der Technik
Der Kern eines PEM Wasserelektrolyseurs ist der Elektrolyse-Stack. Der allgemeine Trend für die industrielle Wasserstoffproduktion geht hier zu sehr leistungsstarken Einheiten mit mehreren MW Leistung. Zum Elektrolyseur gehören außerdem noch verschiedenen Versorgungseinheiten, das sog. Balance of Plant (BoP). Diese Einheiten sind Wasserpumpen, Gas-Wasser-Separator, lonenfilter, Wärmetauscher, Temperatursensoren, Drucksensoren, Gassensoren, Reinstwasseraufbereitung, Wasserstoffnachbehandlung und -aufreinigung, Transformatoren, Gleichrichter, Steuer- und Kontrolleinheiten, Kabel, Rohre und Ventile. Wie diese Komponenten miteinander verbunden sind und ob diese Komponenten einen Stack oder mehrere Stacks versorgen, liegt dabei im Design- und Ermessensspielraum des Herstellers. Je nach Designprinzip können unterschiedliche Zusammenstellungen und vormontierte Einheiten vorteilhaft sein.
Die DE 10 055 973 A1 offenbart ein Hochsee- Kraftwerk mit mehreren einzelnen Kraftanlagen mit jeweils eigener Energiespeichervorrichtung. Die Kraftanlagen sind dabei elektrisch mit einer Sammelschiene verbunden. Die Energiespeichervorrichtungen weisen Elektrolyseure auf, mit welchen Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser herstellbar ist, der in Drucktanks gelagert wird. In der Energiespeichervorrichtung ist eine Brennstoffzellenanordnung angeordnet, mit welchem elektrische Energie aus dem Wasserstoff erzeugbar ist.
Aus der DE 20 2019 003 849 U1 ist System zur Energieerzeugung und Energiemanagement bekannt. Das System umfasst dabei mehrere Solarpanele und mehrere Windkraftanlagen zum Erzeugen von Energie. Das System weist ein oder mehrere Elektrolyseure auf, mit welchen aus Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff herstellbar ist.
Beim Aufbau des Elektrolyseurs beim Kunden (z.B. neben Solarfeld) spielen für die Kosten vor allem der Transport zur Baustelle und der Aufwand für Montage und Inbetriebnahme eine Rolle. Die Anlieferung von Einzelkomponenten mag dabei für den Transport günstig sein, die Montage und Inbetriebnahme erfordert dafür hohen Zeit- und Personalaufwand.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe liegt darin, ein Wasserelektrolyseur-System anzugeben, mit welchem ein einfacher, schnellerer und kostengünstigerer Aufbau eines solchen Systems möglich ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Wasserelektrolyseur-System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung gibt ein Wasserelektrolyseur-System zur Produktion von Wasserstoff an. Das Wasserelektrolyseur-System umfasst dabei wenigstens einen Elektrolysestack zur Umwandlung von Wasser in Wasserstoff, eine Leistungselektronik zur Versorgung des Elektrolysestacks, Komponenten zur Medienaufbereitung und Medienförderung der zum Elektrolysestack zu- und abgeführten Prozessmedien, und eine Kontrolleinheit, zum Steuern des Elektrolysestacks, der Leistungselektronik und der Komponenten zur Medienaufbereitung und Medienförderung. Dabei sind zumindest der Elektrolysestack, die Leistungselektronik und die Kontrolleinheit zusammen als Elektrolyseurmodul, und die Komponenten zur Medienaufbereitung und Medienförderung zusammen als Prozessmodul ausgebildet, wobei an den Modulen Verbindungsmöglichkeiten vorgesehen sind, über welche die einzelnen Module fluidisch und elektrisch miteinander verbindbar sind.
Der Elektrolysestack ist vorteilhafterweise ein PEM-Elektrolysestack. Unter einem Modul wird im Sinne der Erfindung eine bauliche Einheit verstanden, welche zusammen in einer Herstellungsfabrik gefertigt wird. Vorzugsweise werden diese Module automatisiert gefertigt. Nach der Herstellung werden die Module beispielsweise mittels eine Lastkraftwagens oder eines Schiffes an den Ort verbracht, an welchem eine Wasserstofffabrik errichtet oder erweitert werden soll. Gemäß der Erfindung weist das Elektrolyseur-System lediglich die Baugruppen des Elektrolysemoduls, des Prozessmoduls und des Kontrollmoduls auf. Von diesen Modulen können dabei, abhängig von der Größe der Wasserstofffabrik, mehrere vorgesehen sein. Durch die automatisierte Fertigung in der Fabrik wird der Zeit- und Personalaufwand zum Aufbau und Verbindung der einzelnen Komponenten und die Kosten für eine solche Anlage wesentlich reduziert.
Die Module können dabei nach einem Baukastenprinzip aufgebaut und erweitert werden. Durch die modulare Ausbildung wird zusätzlich der Transportaufwand reduziert, da durch die Zusammenfassung der Einzelbauteile zu Modulen, weniger Fahrten notwendig werden, um alle Bauteile vor Ort zu bringen. Um eine gute Transportierbarkeit des Elektrolyseurmoduls zu gewährleisten, weisen die Elektrolysestacks eine Leistung von maximal 1 MW auf. Bei einer solchen Leistung übersteigt das Gewicht keinen für die Transportierbarkeit notwendigen Grenzwert. Vorzugsweise ist die Leistung der Elektrolysestacks zwischen 500kW und 1500kW. Vor Ort müssen die Module lediglich über die Verbindungsmöglichkeiten, welche beispielsweise standardisiert ausgebildet sein können, verbunden werden. Es sind somit lediglich Leitungen zwischen diesen Verbindungsmöglichkeiten notwendig, wodurch Leitungsanzahl verringert wird. Dadurch wird der Verbindungsaufwand der Module untereinander ebenfalls reduziert. In bevorzugten Ausführungen sind das Elektrolyseurmodul oder das gesamte Wasserelektrolyseur-System in einem Seefracht-Containergehäuse angeordnet. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Leistungselektronik zum Transformieren eines Wechselstroms in Gleichstrom ausgestaltet. An den Elektrolysestacks muss Gleichstrom angelegt werden. Wird das Wasserelektrolyseur-System mit Wechselstrom versorgt, dann ist eine entsprechende Transformation notwendig.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Verbindungsmöglichkeiten als Steck- und/oder Flanschverbindungen ausgebildet. Die Verwendung von Steck- und Flanschverbindungen hat den Vorteil, dass Verbindungen nicht über beispielsweise aufwändige Schweißungen hergestellt werden müssen. Dadurch können Kosten für einen Schweißer eingespart werden. Zusätzlich können die Verbindungen schnell, durch beispielsweise ein Anziehen von Schrauben, ausgebildet werden. Dadurch können die Module schnell und kostengünstig verbunden werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Module untereinander ausschließlich mit vorgefertigten Prozessmedien- und Stromleitungen verbunden. Mit anderen Worten sind die vorgefertigten Prozessmedien- und Stromleitungen bereits beispielsweise in einem automatisierten Produktionsprozess hergestellt worden. Diese werden nur noch zum Verbinden der Verbindungsmöglichkeiten angeschlossen. Es müssen somit keine Verbindungsleitungen aufwändig verlegt werden. Auch dadurch werden die Herstellungskosten eines solchen Wasserelektrolyseur-Systems und die dazu benötigte Zeit wesentlich reduziert.
Besonders bevorzugt ist eine Stromleitung als gemeinsame Stromschiene ausgeführt, welche sowohl in das Elektrolyseurmodul als auch in das Prozessmodul hineinragt. Alle elektrischen Verbraucher von Elektrolyseurmodul und Prozessmodul können an der Stromschiene angeschlossen werden und werden demzufolge bevorzugt nur über diese Stromschiene mit elektrischem Strom versorgt.
Vorteilhafterweise ist ein Prozessmodul mit mehreren Elektrolyseurmodulen verbunden. Dadurch kann ein solches Wasserelektrolyseur-System zu größeren Anlagen skaliert werden. Je nach Leistungsfähigkeit können dann einzelne Komponenten zur Medienaufbereitung und Medienförderung dem Prozessmodul, also mehrere Elektrolyseurmodule versorgend, oder den einzelnen Elektrolyseurmodulen selbst, also immer nur ein Elektrolyseurmodul versorgend, zugeordnet sein. Die Anlage des Wasserelektrolyseur-Systems bleibt somit variabel, insbesondere in ihrer Leistungsgröße.
In vorteilhaften Ausführungen weist das Elektrolyseurmodul mehrere Elektrolysestacks auf. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Bauraumgröße - beispielsweise ein Seefracht-Container - entsprechend die Anordnung mehrerer Elektrolysestacks in einem Elektrolyseurmodul zulässt. Weiterhin ist dies von Vorteil, wenn sich mehrere Elektrolysestacks eine Kontrolleinheit des Elektrolyseurmoduls teilen können.
Vorzugsweise ist die Verbindungsmöglichkeit derart ausgebildet, dass eine Daten- und eine Stromverbindung über einen gemeinsamen Stecker verbindbar ist. Der Stecker weist somit sowohl Kontakte zum Herstellen einer Strom- als auch Kontakte für eine Datenverbindung auf. Es ist somit lediglich ein einziger Stecker notwendig, um eine Strom- und Datenverbindung zu gewährleisten. Ein Stecker hat dabei den Vorteil, dass kein Werkzeug notwendig ist, um die Strom- und Datenkabel für eine Verbindung vorzubereiten und diese zu verbinden. Dadurch lässt sich schnell und einfach eine Verbindung herstellen.
Vorteilhafterweise sind die Stecker vertausch sicher ausgebildet, so dass auch ein Nichtfachmann in diesem Bereich diese korrekt anschließen kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Prozessmodul zusätzlich eine Pumpe, zur Zirkulation des Wassers durch den Elektrolysestack, auf. Die Anordnung der Pumpe in dem Prozessmodul hat den Vorteil, dass die Pumpe mehrere Elektrolyseurmodule versorgen kann.
In einer alternativen vorteilhaften Weiterbildung weist das Elektrolyseurmodul die Pumpe, zur Zirkulation des Wassers durch den Elektrolysestack, auf. Eine Anordnung der Pumpe in dem Elektrolyseurmodul, anstelle der Anordnung in dem Prozessmodul, hat den Vorteil, dass eine kleinere Pumpe für jedes Elektrolyseurmodul verwendet werden kann. Zusätzlich werden bei einem Ausfall der Pumpe nicht alle Elektrolyseurmodule deaktiviert, sondern lediglich das Elektrolyseurmodul, in welchem die Pumpe angeordnet ist. Dadurch bleibt das Wasserelektrolyseur-System weiter in Betrieb, so dass eine Redundanz geschaffen ist. Falls bei einer Pumpe durch einen Defekt Metallspäne in den Elektrolysestack geleitet werden, muss lediglich dieser Elektrolysestack ausgetauscht werden, anstelle von allen Elektrolysestacks.
Vorteilhafterweise sind die Module derart ausgebildet, dass deren Größe kleiner oder gleich der Größe eines Seefracht-Containers ist. Die Größe eines solchen Seefracht-Container ist nach der ISO-Norm festgelegt. Der Vorteil solcher Container ist, dass diese einfach mittels des Schiffs, der Eisenbahn oder dem Lastkraftwagen transportiert werden können. Zum Transport der Module zum Aufstellort ist somit kein Schwerlasttransport und keine gesonderte Transportroute notwendig. Dadurch werden Kosten und Zeit für den Transport der Komponenten wesentlich reduziert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung weisen das Elektrolyseurmodul und die Kontrolleinheit zusammen eine gemeinsame Verbindungsmöglichkeit zu dem Prozessmodul auf. Unter einer gemeinsamen Verbindungsmöglichkeit wird dabei verstanden, dass die Anschlüsse der Kontrolleinheit und des Elektrolyseurmoduls direkt nebeneinander angeordnet sind. Es muss somit lediglich das Prozessmodul mit der gemeinsamen Verbindungsmöglichkeit verbunden werden. Dadurch wird die Verbindung der Module weiter vereinfacht, so dass lediglich Strom- und Prozessleitungen zwischen der gemeinsamen Verbindungsmöglichkeit und dem Prozessmodul vorgesehen werden müssen.
Die gemeinsame Verbindungsmöglichkeit ist dabei vorteilhafterweise derart angeordnet, dass bei positionierten Modulen die Entfernung zwischen der gemeinsamen Verbindungsmöglichkeit und einer Verbindungsmöglichkeit am Prozessmodul minimal, beziehungsweise sich direkt gegenüberliegen.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung bilden mehrere Elektrolyseurmodule eine gemeinsame Verbindungsmöglichkeit zu dem Prozessmodul aus. Die mehreren Elektrolyseurmodule sind somit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Innerhalb des Gehäuses sind die Prozess- und Datenleitungen der Elektrolyseurmodule miteinander verbunden und stellen am Gehäuse eine einzige gemeinsame Verbindungsmöglichkeit aller Elektrolyseurmodule zu dem Prozessmodul bereit. Die Verbindungen der Elektrolyseurmodule untereinander wird dabei vorzugsweise automatisiert, im Zuge der Herstellung der Module, ausgeführt. Die Herstellungskosten der Verbindung der Elektrolyseurmodule untereinander werden dadurch reduziert, da diese nicht vor Ort ausgebildet werden müssen. Es muss somit lediglich eine Verbindung zwischen der gemeinsamen Verbindungsmöglichkeit und dem Prozessmodul hergestellt werden.
Es wird zusätzlich eine Wasserstofffabrik angegeben, welche wenigstens ein solches Wasserelektrolyseur-System umfasst. Mit einer solchen Wasserstofffabrik werden im Wesentlichen die zuvor genannten Vorteile erzielt. Eine solche Wasserstofffabrik lässt sich somit schnell, wirtschaftlich und einfach aufbauen. Zusätzlich wird durch die modulare Bauweise eine einfache Erweiterungsmöglichkeit der Wasserstofffabrik, insbesondere deren Leistungsgröße, gewährleistet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 Wasserelektrolyseur-System nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 2 Wasserelektrolyseur-System nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In der Figur 1 ist ein Wasserelektrolyseur-System 1 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Wasserelektrolyseur-System 1 nach dem Ausführungsbeispiel umfasst zwei Elektrolysemodule 4, welche jeweils einen Elektrolysestack 8 (nur für ein Elektrolysemodul gezeigt), zum Umwandeln von Wasser in Wasserstoff, aufweist. Zusätzlich ist in dem Elektrolysemodul 4 eine Leistungselektronik 12 angeordnet, über welche bevorzugt ein zugeführter Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt wird. Darüber hinaus ist in dem Elektrolysemodul 4 eine Pumpe 16 angeordnet, mit welcher Wasser beziehungsweise das Prozessmedium durch den Elektrolysestack 8 zirkulierbar ist.
Das Wasserelektrolyseur-System 1 umfasst zusätzlich eine Kontrolleinheit 18, welche in einem Steuergerät 20 angeordnet ist Die Kontrolleinheit 18 ist dabei über Kontrolldatenleitungen 24 mit den Elektrolysemodulen 4, zum Steuern der Elektrolysestacks 8, der Leistungselektronik 12 und der Pumpe 16 verbunden. Die Kontrolldatenleitung 24 ist zusammen mit einer Stromleitung 28 an einer gemeinsamen ersten Elektrolysemodul-Verbindungsmöglichkeit 32 angeschlossen. Beide Leitungen 24, 28 können dabei über einen gemeinsamen Stecker mit der als Buchse ausgebildeten ersten Elektrolysemodul- Verbindungsmöglichkeit 32 verbunden werden.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Elektrolysemodule 4 und die Kontrolleinheit 18 in einem gemeinsamen Elektrolyseurmodul 36 angeordnet, welches bevorzugt in einem Gehäuse, beispielsweise ein einem Seefracht- Container, untergebracht ist. An den Elektrolysemodulen 4 ist eine zweite Elektrolysemodul-Verbindungsmöglichkeit 40 angeordnet, über die Prozessmedienleitungen 44 der Elektrolysemodule 4 mit einer gemeinsamen Gehäuse-Verbindungsmöglichkeit 48 verbunden sind. An dieser gemeinsamen Gehäuse-Verbindungsmöglichkeit 48 ist ebenso eine Kontrolldatenleitung 24 der Kontrolleinheit 18 angeschlossen.
Das Wasserelektrolyseur-System 1 umfasst zusätzlich ein Prozessmodul 52, welches verschiedene Komponenten zur Aufbereitung und Konditionierung der Prozessmedien aufweist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Prozessmodul 52 einen Wärmetauscher 56 auf, mit welchem das Kühlwasser für die Leistungselektronik 12 und das Wasser für den Elektrolysestack 8 gekühlt wird. Der Wärmetauscher 56 ist dazu mit einem Kühlwasseranschluss 60 verbunden. In dem Prozessmodul 52 ist zusätzlich ein Kathoden Gas-Wasser Separator 64 angeordnet, in welchem der von der Kathode kommende Wasserstoff aus dem Kathodenprozessmedium abgetrennt und zu einem Wasserstoffanschluss 68 geleitet wird. Darüber hinaus ist in dem Prozessmodul 52 ein Anoden Gas-Wasser Separator 72 angeordnet, in welchem der Sauerstoff aus dem Anodenprozessmedium abgetrennt und zu einem Sauerstoffanschluss 76 geleitet wird. In einem lonentauscher 80 wird das Prozessmedium zur Verwendung in dem Elektrolysestack 8 deionisiert.
Das Prozessmodul 52 weist eine gemeinsame Prozessmodul- Verbindungsmöglichkeit 84 auf, mit welchem die Komponenten des Prozessmoduls 52 verbunden sind. Über Verbindungsleitungen 88 ist die Gehäuse-Verbindungsmöglichkeit 48 mit der Prozessmodul- Verbindungsmöglichkeit 84 verbunden.
In bevorzugten Ausführungen ist die Stromleitung 28 als gemeinsame Stromschiene ausgeführt. Beide Elektrolysemodule 4, sowie das Kontrollmodul 20 und das Prozessmodul 52, weisen elektrische Verbindungen zu dieser gemeinsamen Stromschiene auf.
In der Figur 2 ist ein weiteres Wasserelektrolyseur-System 1 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Wasserelektrolyseur- System 1 weist zwei Elektrolysemodule 4 mit je einem Elektrolysestack 8 und einer Leistungselektronik 12 auf. Die Leistungselektroniken 12 weisen dabei bevorzugt jeweils Netzumschalter und/oder Transformatoren auf. Die beiden Elektrolysemodule 4 bilden zusammen mit der Kontrolleinheit 18 ein Elektrolyseurmodul 36 aus. Das Wasserelektrolyseur-System 1 umfasst weiterhin ein Prozessmodul 52. In dem Prozessmodul 52 sind die Pumpe 16, der Wärmetauscher 56, der Kathoden Gas-Wasser Separator 64, der Anoden Gas- Wasser Separator 72 und der lonentauscher 80 angeordnet.
Zwischen dem Elektrolyseurmodul 36 und dem Prozessmodul 52 sind Prozessmedienleitungen 44 angeordnet, über welche die Medienführungen (insbesondere Wasser und Wasserstoff) zwischen den beiden Modulen 36, 52 laufen.
In bevorzugten Ausführungen weist das Wasserelektrolyseur-System 1 weitehrin die als gemeinsame Stromleitung 28 ausgeführte Stromschiene auf, welche sowohl in das Elektrolyseurmodul 36 als auch in das Prozessmodul 52 ragt. Die elektrischen Verbraucher, wie beispielsweise die Elektrolysestacks 8, die Pumpe 16 und die Kontrolleinheit 18, weisen elektrische Anschlüsse zu der Stromschiene 28 auf.

Claims

Ansprüche
1 . Wasserelektrolyseur-System (1) zur Produktion von Wasserstoff, umfassend wenigstens: einen Elektrolysestack (8) zur Umwandlung von Wasser in Wasserstoff, eine Leistungselektronik (12) zur Versorgung des Elektrolysestacks (8), Komponenten (16, 56, 64, 72, 80) zur Medienaufbereitung und Medienförderung der zum Elektrolysestack (8) zu- und abgeführten Prozessmedien, und eine Kontrolleinheit (18), zum Steuern des Elektrolysestacks (8), der Leistungselektronik (12) und der Komponenten (16, 56, 64, 72, 80) zur Medienaufbereitung und Medienförderung, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Elektrolysestack (8), die Leistungselektronik (12) und die Kontrolleinheit (18) zusammen als Elektrolyseurmodul (36) und die Komponenten (16, 56, 64, 72, 80) zur Medienaufbereitung und Medienförderung zusammen als Prozessmodul (52) ausgebildet sind, wobei an den Modulen (36, 52) Verbindungsmöglichkeiten (32, 40, 48, 84) vorgesehen sind, über welche die einzelnen Module (36, 52) fluidisch und elektrisch miteinander verbindbar sind.
2. Wasserelektrolyseur-System (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (12) zum Transformieren eines Wechselstroms in Gleichstrom ausgestaltet ist.
3. Wasserelektrolyseur-System (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmöglichkeiten (32, 40, 48, 84) als Steck- und/oder Flanschverbindungen ausgebildet sind.
4. Wasserelektrolyseur-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (36, 52) untereinander ausschließlich mit vorgefertigten Prozessmedien- und Stromleitungen (28) verbunden sind. Wasserelektrolyseur-System (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromleitung (28) als gemeinsame Stromschiene ausgeführt ist, welche sowohl in das Elektrolyseurmodul (36) als auch in das Prozessmodul (52) hineinragt. Wasserelektrolyseur-System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolyseurmodul (36) mehrere Elektrolysestacks (8) aufweist. Wasserelektrolyseur-System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmodul (52) mittels Prozessmedienleitungen (44) mit einem oder mehreren Elektrolyseurmodulen (36) verbunden ist. Wasserelektrolyseur-System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmöglichkeit (32, 40, 48, 84) derart ausgebildet ist, dass eine Daten- und eine Stromverbindung über einen gemeinsamen Stecker verbindbar ist. Wasserelektrolyseur-System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmöglichkeit (32, 40, 48, 84) derart ausgebildet ist, dass alle Prozessmedien über einen gemeinsamen Stecker verbindbar sind. Wasserelektrolyseur-System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmodul (52) eine Pumpe (16), zur Zirkulation des Wassers durch den mindestens einen Elektrolysestack (8), aufweist. Wasserelektrolyseur-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolyseurmodul (36) eine Pumpe (16), zur Zirkulation des Wassers durch den mindestens einen Elektrolysestack (8), aufweist. Wasserelektrolyseur-System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (36, 52) derart ausgebildet sind, dass deren Größe kleiner oder gleich der Größe eines Seefracht-Containers ist.
13. Wasserelektrolyseur-System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolysestack (8), die
Leistungselektronik (12) und die Kontrolleinheit (18) zusammen eine gemeinsame Verbindungsmöglichkeit (48) zu dem Prozessmodul (52) aufweisen. 14. Wasserelektrolyseur-System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Elektrolysestacks (8) eine gemeinsame Verbindungsmöglichkeit (48) zu dem Prozessmodul (52) ausbilden. 15. Wasserstofffabrik umfassend wenigstens ein Wasserelektrolyseur-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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