EP4540438A2 - Elektrolysesystem mit einem ionentauscher - Google Patents

Elektrolysesystem mit einem ionentauscher

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EP4540438A2
EP4540438A2 EP23730132.0A EP23730132A EP4540438A2 EP 4540438 A2 EP4540438 A2 EP 4540438A2 EP 23730132 A EP23730132 A EP 23730132A EP 4540438 A2 EP4540438 A2 EP 4540438A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
connection
anode
cathode
chamber
water
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP23730132.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Merkl
Markus Ungerer
Klaus Scheffer
Henning Schramm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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 Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4540438A2 publication Critical patent/EP4540438A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/083—Separating products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/087—Recycling of electrolyte to electrochemical cell
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to an electrolysis system for the electrochemical separation of water to produce hydrogen and oxygen with electrolysis cells, with an anode-side water circuit and a cathode-side water circuit for separating the gases. It is important to ensure the purity of the water using ion exchangers.
  • Electrolysis systems are known from the prior art in various designs. In any case, this includes an electrolyzer. Different designs are used for this purpose, with a so-called PEM electrolyzer often being used.
  • This has a plurality of electrolysis cells, which are divided into an anode chamber and a cathode chamber by a polymer electrolyte membrane. Water electrolysis takes place in the electrolysis cells, for which there is at least an inlet in the anode chamber. On the top of the anode chamber and on the top of the cathode chamber there is an outlet through which the resulting gas with a portion of water is removed.
  • anode-side water circuit On an anode side there is usually a water circuit from the outlet of the anode chamber with an oxygen separator back to the inlet at the anode chamber. If necessary, a circulation pump, a cooling device and a filter arrangement are also present in the water circuit. In order to ensure sufficient purity of the water, an ion exchanger is used in the anode-side water circuit in some versions.
  • the cathode side is usually constructed in the same way as the anode side and therefore also has a water circuit Output of the cathode chamber via a hydrogen separator back to the entrance of the cathode chamber.
  • the object of the present invention is to provide a way to ensure the purity of the water even when the electrolyzer is not in operation, while keeping the effort for cleaning low.
  • the task is solved by an electrolysis system according to the teaching of claim 1.
  • Advantageous embodiments are the subject of the subclaims.
  • the generic electrolysis system is used for the electrochemical decomposition of water and thus for the production of hydrogen and oxygen.
  • the electrolysis system has at least one electrolysis cell.
  • an electrolysis unit is used, which in turn has several electrolysis cells.
  • the one or each individual electrolysis cell has an anode chamber and, on an opposite side separated by a membrane, a cathode chamber. What type of membrane this is is initially irrelevant, although a polymer electrolyte membrane is preferably used.
  • the cathode chamber and the anode chamber are generally flowed through from bottom to top during operation of the electrolysis system.
  • the electrolysis system has a water circuit on the anode side. This can be divided into an anode side Water connection and an anode-side gas connection.
  • the anode-side gas connection leads from an outlet of the anode chamber and to an oxygen separator.
  • the gas compound carries a mixture of gas and water from the anode chamber to the oxygen separator as intended. From there, a water connection leads back to an anode-side inlet on the anode chamber. Accordingly, during operation, water flows through the anode-side water connection from the oxygen separator to the anode chamber as intended.
  • the electrolysis system has a water circuit on the cathode side. This begins at a cathode-side outlet of the cathode chamber and leads to a hydrogen separator via a gas connection.
  • this gas compound also carries a mixture of gas and water from the cathode chamber to the hydrogen separator. From there, a water connection also leads back to a cathode-side inlet on the cathode chamber. Accordingly, during operation, water flows through the cathode-side water connection from the hydrogen separator to the cathode chamber.
  • a main pump and/or a cooling device and/or a filter can also be provided both in the anode-side water circuit and in the cathode-side water circuit.
  • the order of the elements is also initially irrelevant, as is whether there are other devices in the water cycle.
  • a compensating connection is provided, which leads from the cathode-side water connection to the anode-side water circuit.
  • a pump and an ion exchanger are provided in the compensation connection.
  • a cooling device and/or a filter can advantageously be provided in the compensating connection.
  • the order of the elements is also initially irrelevant, as is whether further devices are present in the compensating connection.
  • the compensating connection is not led directly to the anode-side water circuit, but first to a node. From there an operating line leads to the water circuit on the anode side and, as a branch, an additional quiet line leads to the gas connection on the cathode side.
  • this embodiment makes it possible to deionize transfer water to be returned from the cathode side to the anode side during the return in a known manner.
  • the possibility created by the special embodiment of continuing to operate a cleaning circuit when the electrolysis is at a standstill is particularly advantageous.
  • the compensation connection is intended to enable water that has passed over the electrolytic cell to be returned via the operating line. Cleaning using an ion exchanger is necessary in order to avoid adverse ion contamination on the anode side.
  • flow preferably flows through the compensation connection and subsequently the operating line, so that there is a flow from the cathode-side water connection to the anode-side water circuit at least to compensate for the water that has passed over into the electrolysis cell.
  • connection of the compensating connection can be at various points on the cathode side Water connection takes place. It is also possible to connect the operating line at various points in the anode-side water circuit.
  • a water channel connecting the individual cathode chambers or the individual anode chambers is arranged on the underside of the cathode chambers and/or on the underside of the anode chamber, from which an inflow into the cathode chambers or anode chamber is possible.
  • the piping coming from the hydrogen separator or oxygen separator of the associated cathode-side water connection or anode-side water connection is preferably connected to the cathode-side water channel or anode-side water channel, i.e. the water channel forms one Part of the water connection.
  • a gas channel connecting the individual cathode chambers or individual anode chambers is arranged on the top of the cathode chambers and / or on the top of the anode chamber, from which the gas-water formed during operation can be removed. Mixture of the cathode chambers or anode chambers is possible.
  • the piping of the associated gas connection to the hydrogen separator or the oxygen separator is connected to the associated gas channel, i.e. the gas channel is part of the gas connection.
  • the water channels on the anode side and cathode side are advantageously connected to one another with the cross-current connection.
  • a controllable valve or a check valve is arranged in the cross-current connection.
  • connection of the compensating connection to the cathode-side water connection can take place at different points. It is obvious that the connection can be made to one of the Hydrogen separator with the piping connecting the cathode chamber as a branch.
  • connection to the hydrogen separator is included, ensuring that only water and no gas is discharged via the compensation connection.
  • a connection on the underside of the cathode chamber for example adjacent to the connection of the piping from the hydrogen separator, is also possible.
  • This enables the transfer water to be drained away immediately before it enters the cathode chamber.
  • water is drained from the cathode chamber, essentially only water and no gas is drained away. To do this, it must be ensured that the flow from the piping coming from the hydrogen separator is diverted directly into the equalization line without flowing through into the cathode chamber.
  • the compensating connection is advantageously connected to the cathode-side water channel below the cathode chamber.
  • the compensating connection can be connected to the cross connection in a particularly advantageous manner. This means that part of the cross-current connection from the connection of the compensating connection to the cathode chamber also forms the Compensating connection. This enables particularly simple and at the same time suitable piping.
  • the operating line can also be connected to the anode-side water circuit at any point.
  • the operating line is connected to the anode-side water connection.
  • the water circuit on the anode side is least influenced by the return of the transfer water and is therefore easy to implement.
  • the operating line is connected to the underside of the anode chamber.
  • the returned transfer water is fed to the anode chamber via a short route.
  • connection of the operating line to the anode chamber can be made through a connection to the underside of the anode chamber parallel to a piping coming from the oxygen separator. If there is an anode-side water channel on the underside of the anode chamber, the operating line can also advantageously be connected to the anode-side water channel.
  • the operating line can advantageously be connected to the cross connection.
  • Part of the cross connection from the connection of the operating line to the anode chamber also forms a section of the operating line. This enables particularly simple and at the same time suitable piping.
  • the operating line is connected to the gas connection on the anode side.
  • the operating line is connected to the top of the oxygen separator.
  • a connection to the cathode-side gas channel - if available - is preferably provided for this purpose.
  • valves in the lines or connections or branches. It can be provided that a valve is present in the compensation line and/or a valve in the operating line and/or in the rest line. It would also be possible to provide a multi-way valve in the junction.
  • valves in the anode-side water connection and/or the cathode-side water connection and/or in the anode-side gas connection and/or in the cathode-side gas connection in order to control the flow both in operation and in the idle state to be able to influence.
  • the quiet line is advantageously shut off, for example by means of a valve, so that there is no flow there.
  • the rest line In the resting state, however, when no voltage is applied to the electrolysis cell, the rest line is preferably flowed through, with it preferably being provided that a flow from the rest line to the cathode chamber and from there via the cathode-side water connection to the compensation connection.
  • the operating line is interrupted or flows through, depending on the type of piping.
  • the flow in the chambers of the electrolysis cell inevitably occurs from bottom to top due to the gas formation.
  • no direction is predetermined for the resting state of the electrolytic cell.
  • a flow through the cathode chamber and/or the anode chamber from top to bottom against the flow direction given during operation is particularly preferred.
  • a connection is preferably provided in a piping of the gas connection connecting the cathode chamber with the hydrogen separator or a connection to a gas channel on the cathode side. If there is a flow at rest through the cathode chambers from top to bottom, the water must obviously be returned from the underside of the cathode chambers to the compensation connection.
  • a backflow occurs at least in sections via the cathode-side water connection.
  • the water which flows through the cathode chamber from top to bottom in the opposite direction, is also guided back to the compensating connection via the cathode-side water connection in the opposite direction to the flow direction present during operation. If the compensation connection is connected to the piping between the hydrogen separator and the cathode chamber, the section from the cathode chamber to the compensation connection will obviously flow backwards in the idle state. However, if the compensation connection is connected to the hydrogen separator, in this version the water naturally flows back to the hydrogen separator in the idle state and from there into the compensation connection.
  • the compensating connection is connected directly to the underside of the cathode chamber, then in the idle state there is no flow through the piping of the cathode-side water connection, i.e. from the hydrogen separator to the underside of the cathode chamber.
  • the compensation connection can be connected to a cathode-side water channel or to a cross connection.
  • the operating line is also used in the idle state to direct a water flow to the anode chamber. This means that in the operating state essentially only the operating line is flowed through and in the idle state the water deionized in the compensating connection is divided between the operating line and the resting line.
  • the operating line is particularly advantageously connected to the gas connection on the anode side.
  • a further second quiet line for the anode-side gas connection is used parallel to the quiet line to the cathode-side gas connection. It makes sense that the operating line runs to the water connection on the anode side. It can be provided here that the second idle line branches off from the first idle line or is connected to the compensation connection via another node. At least during operation of the electrolysis system there is a flow via the operating line essentially to the anode-side water connection and in the resting state via the resting line to the anode-side gas connection and via the second resting line to the cathode-side gas connection.
  • the water can advantageously be transferred via the idle state
  • a second embodiment is particularly advantageous in which the compensation connection is connected directly to the cross-current connection.
  • the water can flow from both the anode chamber and the cathode chamber via the cross current connection from both sides to the compensation connection.
  • a cleaning loop can be provided which leads from and back to the anode-side water circuit.
  • a pump and an ion exchanger are also required in the cleaning loop.
  • a cooling device and a filter can also be provided.
  • the cleaning loop leads from the water connection on the anode side, for example from the oxygen separator, to the gas connection on the anode side. This results in a water flow from the oxygen separator via the cleaning loop back to the oxygen separator, particularly during operation, and in the idle state, a water flow from the anode-side water connection, for example from the oxygen separator, via the cleaning loop to the anode-side gas connection and through the anode chamber back into the anode side Water connection possible.
  • the electrolysis system according to the invention enables a new method according to the invention for controlling such an electrolysis system.
  • the essential and advantageous process steps result obviously from the previous description of the electrolysis system according to the invention and its advantageous design.
  • the water from the cathode-side water connection is particularly advantageously led via the compensating connection on the one hand via the rest line to the cathode chamber and on the other hand via the operating line or a second rest line to the anode chamber.
  • 1 shows a first exemplary embodiment of an electrolysis system with a compensating connection connected to the hydrogen separator, an operating line to the anode chamber;
  • 2 shows a second exemplary embodiment of an electrolysis system, in which, in addition to the embodiment from FIG. 1, a second rest line leads to the gas connection on the anode side;
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of an electrolysis system with a compensating connection connected to a cross-current connection
  • Fig. 4 shows a fourth embodiment of an optional cleaning loop on the anode side.
  • This 07 includes a cathode-side water connection 15 from the hydrogen separator 05 to the cathode chamber 03 and a cathode-side gas connection 17 from the cathode chamber 03 to the hydrogen separator 05.
  • water flows from the hydrogen separator 05 through the cathode-side water connection 15 to the underside of the cathode chamber 03 and a gas-water mixture flows from the top of the cathode chamber 03 through the cathode-side gas connection 17 to the hydrogen separator 05.
  • This 06 includes an anode-side water connection 14 from the oxygen separator 04 to the anode chamber 02 and an anode-side gas connection 16 from the anode chamber 02 to the oxygen separator 04.
  • water flows from the oxygen separator 04 to the underside of the anode chamber 02 and a gas-water mixture flows from the top of the anode chamber 02 through the anode-side gas connection 16 to the oxygen separator 04.
  • the direction of flow during operation of the electrolysis system 21 is outlined with the long arrows 08.
  • a cooler 11 is provided in each of the water connections 14, 15.
  • transverse current connection 18 which connects the underside of the anode chamber 02 to the underside of the cathode chamber 03, i.e. in this case connects the respective water channels of the two chambers 02, 03 to one another.
  • a cleaning loop 26 which leads 26 from the oxygen separator 04 to the gas connection 16 on the anode side.
  • a pump 13, an ion exchanger 12 and a cooler 11 are arranged in the cleaning loop 26.
  • a compensating connection 22 is connected to the hydrogen separator 05, which leads 22 via a node 23 and an operating line 24 to the underside of the anode chamber 02, i.e. to the anode-side water channel.
  • a pump 13, an ion exchanger 12 and a cooler 11 are arranged in the compensation connection 22.
  • the quiet line 25 is interrupted.
  • the operating line 24 is shut off and the flow from the compensating connection
  • the intended flow direction for the resting state is outlined by the short arrows 09.
  • FIG. 31 A further exemplary embodiment of an electrolysis system 31 according to the invention is sketched in the following FIG. Again the electrolysis cell 01 with the anode chamber 02 and the Cathode chamber 03 present as well as the oxygen separator 04 and the hydrogen separator 05.
  • anode-side water circuit 06 with the anode-side water connection 14 and the anode-side gas connection 16. Also consistent with the previous example, the cathode-side water circuit 07 is present with the cathode-side water connection 15 and the cathode-side gas connection 17.
  • the compensating connection 32 with the adjoining operating line 34 is present.
  • the operating line 34 is activated and the rest lines 35a, 35b are shut off during operation of the electrolysis system 31.
  • the water flowing backwards in the cathode chamber 03 is, as before, returned to the hydrogen separator 05 via the cathode-side water line 15.
  • the water flowing backwards in the anode chamber 02 is first guided via the cross-flow connection 18 to the underside of the cathode chamber 03, so that the water can be returned from there via the cathode-side water connection 15.
  • FIG. 41 A further preferred exemplary embodiment of an electrolysis system 41 according to the invention is sketched in FIG. In accordance with previous examples, this again has the electrolytic cell 01 with the anode chamber 02 and the cathode chamber 03. Likewise, the oxygen separator 04 and the hydrogen separator 05 are present, which 04, 05 are each integrated into the corresponding anode-side water circuit 06 and cathode-side water circuit 07, respectively.
  • the compensation connection 42 is connected to the cross-current connection 18.
  • the compensating connection 42 also has a pump 13, the ion exchanger 12 and a cooler 11.
  • the operating line 44 now leads from the node 43 following the compensating connection 42 to the anode-side gas connection 16.
  • the rest connection 45 connects the node 43 to the cathode-side gas connection 17, analogous to the previous examples.
  • a proportion of the purified water coming from the compensating connection 42 is also supplied proportionally via the rest line to the cathode-side gas connection 17 during operation of the electrolysis system 41.
  • FIG. 51 A further example of an electrolysis system 51 is sketched in FIG. In particular, an alternative piping for cleaning on the anode side is shown.
  • the illustration of the connection according to the invention of a quiet line from the compensating connection 52 to the cathode-side gas connection 17 has been omitted.
  • a cleaning loop that corresponds to the first exemplary embodiment from FIG. 1 is first sketched.
  • the same procedure as the first example is possible.
  • the flow is guided from a cleaning connection 56 connected to the oxygen separator 04 via a node 57 and a cleaning operation line 58 to the anode-side water connection 14 near the inlet into the anode chamber 02 . This prevents any impairment of the flow of the gas-water mixture present in the gas connection 16.
  • the cleaning operation line 58 is shut off and the flow takes place as in the first exemplary embodiment Cleaning connection 56 via a cleaning rest line 59 to the anode-side gas connection 16.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem (21) umfassend zumindest eine Elektrolysezelle (01) und einen kathodenseitigen Wasserkreislauf (07) mit einem Wasserstoff-Separator (05) und einen anodenseitigen Wasserkreislauf (06) mit einem Sauerstoff-Separator (04) und eine Ausgleichsverbindung (22), welche von einer kathodenseitigen Wasserverbindung (15) kommend über eine Pumpe (13) und einen Ionentauscher (12) über einen Knotenpunkt (23) und eine Betriebsleitung (24) zum anodenseitigen Wasserkreislauf (06) führt, und eine Ruheleitung (25), welche (25) vor der Betriebsleitung (24) abzweigt und zur kathodenseitigen Gasverbindung (17) führt.

Description

Beschreibung
Elektrolysesystem mit einem lonentauscher
Die Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem zur elektrochemischen Zerlegung von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff mit Elektrolysezellen, wobei ein anodenseitiger Wasserkreislauf und ein kathodenseitiger Wasserkreislauf zur Abtrennung der Gase vorhanden sind. Dabei gilt es, die Reinheit des Wassers mittels lonentauscher zu gewährleisten .
Elektrolysesysteme sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt. In jedem Fall umfasst ein solches einen Elektrolyseur. Hierzu werden wiederum verschiedene Ausführungen eingesetzt, wobei häufig ein sogenannter PEM-Elektrolyseur eingesetzt wird. Dieser weist eine Mehrzahl von Elektrolysezellen auf, welche durch eine Polymer-Elektrolyt-Membran in eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer aufgeteilt sind. In den Elektrolysezellen findet die Wasserelektrolyse statt, wozu zumindest an der Anodenkammer ein Einlass vorhanden ist. An der Oberseite der Anodenkammer sowie an der Oberseite der Kathodenkammer befindet sich ein Auslass, über die jeweils das entstandene Gas mit einem Anteil Wasser abgeführt wird.
Auf einer Anodenseite gibt es üblicherweise einen Wasserkreislauf vom Auslass der Anodenkammer mit einem Sauerstoff-Separator zurück zum Einlass an der Anodenkammer. Gegebenenfalls sind im Wasserkreislauf weiterhin eine Umwälzpumpe, eine Kühlvorrichtung und eine Filteranordnung vorhanden. Um die hinreichende Reinheit des Wassers zu gewährleisten, wird bei einigen Ausführungen ein lonentauscher beim anodenseitigen Wasserkreislauf eingesetzt.
Die Kathodenseite wird in der Regel analog zur Anodenseite aufgebaut und weist somit ebenfalls einen Wasserkreislauf vom Ausgang der Kathodenkammer über einen Was serstof f-Separator zurück zum Eingang der Kathodenkammer auf.
Bei denjenigen Systemen, bei denen ein lonentauscher direkt im jeweiligen Wasserkreislauf angeordnet ist, führt dies zur Notwendigkeit, diesen auf die volle Durchströmung des Wasserkreislaufes auszulegen und ist als Folge in der Regel größer als es zur Reinigung des Wassers erforderlich ist.
Alternativ sind Ausführungen bekannt, bei denen ein Reinigungskreislauf vom jeweiligen Separator und zurück in den Separator vorhanden ist, wobei im Reinigungskreislauf eine Pumpe und ein lonentauscher vorhanden sind. Somit kann dieser vorteilhaft dimensioniert werden.
Weiterhin als nachteilig hat es sich jedoch gezeigt, dass bei längeren Stillstandszeiten die Wasserqualität im Elektrolyseur abnimmt und bei neuer Inbetriebnahme die Effizienz reduziert und die Lebensdauer beeinträchtigt ist.
Weiterhin zu berücksichtigen, ist der im Betrieb des Elektrolyseurs vorhandene Wasserübertritt von der Anodenseite zur Kathodenseite durch die PEM Membran. Das übergetretene Wasser muss folglich wieder zurückgeführt werden. Dabei sind bei bekannten Systemen Verbindungen vom kathodenseitigen Wasserkreislauf zum anodenseitigen Wasserkreislauf vorgesehen, wobei in der Verbindung in der Regel eine Pumpe und ein lonentauscher vorhanden ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit zur Verfügung zu stellen, die Reinheit des Wassers auch bei einem Nicht-Betrieb des Elektrolyseurs gewährleisten zu können und dabei den Aufwand für die Reinigung gering zu halten .
Die gestellte Aufgabe wird durch ein Elektrolysesystem nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Das gattungsgemäße Elektrolysesystem dient zur elektrochemischen Zerlegung von Wasser und somit zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff. Dabei weist das Elektrolysesystem zumindest eine Elektrolysezelle auf. In der Regel wird eine Elektrolyseeinheit verwendet, welche wiederum mehrere Elektrolysezellen besitzt. Die eine bzw. jede einzelne Elektrolysezelle besitzt dabei eine Anodenkammer und auf einer durch eine Membran getrennten gegenüberliegenden Seite eine Kathodenkammer . Um welche Art von Membran es sich hierbei handelt, ist zunächst unerheblich, wobei vorzugsweise eine Polymer-Elektrolyt-Membran eingesetzt wird. In der Anodenkammer befindet sich eine Anode und gegenüberliegend in der Kathodenkammer eine Katode.
Bestimmungsgemäß ist vorgesehen, dass im Betrieb des Elektrolysesystems eine Spannung zwischen der Anode und der Kathode der einen bzw. der jeweiligen Elektrolysezelle angelegt ist, so dass der Prozess der Elektrolyse stattfinden kann und dabei Wasserstoff und Sauerstoff gebildet wird.
Demgegenüber ist bestimmungsgemäß vorgesehen, dass in einem Ruhezustand des Elektrolysesystems keine Spannung zwischen der Anode und der Kathode vorhanden ist und folglich auch keine Gasbildung vorhanden ist.
Bei der Elektrolyse entstehen in den Kammern Gase, so dass sich eine Strömung von unten nach oben ausbildet. Dabei ist die getrennte Ableitung der entstehenden Gase zu gewährleisten. Entsprechend werden naheliegend die Kathodenkammer und die Anodenkammer im Betrieb des Elektrolysesystems in der Regel von unten nach oben durchströmt .
Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Wasserzufuhr zur Elektrolysezelle erforderlich. Hierzu weist das Elektrolysesystem einen anodenseitigen Wasserkreislauf auf. Dieser kann aufgeteilt werden in eine anodenseitige Wasserverbindung und eine anodenseitige Gasverbindung . Dabei führt die anodenseitige Gasverbindung von einem Auslass der Anodenkammer und zu einem Sauerstoff -Separator . Im Betrieb der Elektrolysezelle führt die Gasverbindung bestimmungsgemäß ein Gemisch von Gas und Wasser von der Anodenkammer zum Sauerstoff-Separator. Von dort führt eine Wasserverbindung zurück zu einem anodenseitigen Einlass an der Anodenkammer. Entsprechend wird im Betrieb die anodenseitige Wasserverbindung vom Sauerstof f-Separator zur Anodenkammer bestimmungsgemäß von Wasser durchströmt.
Analog weist das Elektrolysesystem einen kathodenseitigen Wasserkreislauf auf. Dieser beginnt an einem kathodenseitigen Auslass der Kathodenkammer und führt mittels einer Gasverbindung zu einem Wasserstoff-Separator. Im Betrieb der Elektrolysezelle führt auch diese Gasverbindung ein Gemisch von Gas und Wasser von der Kathodenkammer zum Wasserstoff- Separator. Von dort führt gleichfalls eine Wasserverbindung zurück zu einem kathodenseitigen Einlass an der Kathodenkammer. Entsprechend wird im Betrieb die kathodenseitige Wasserverbindung vom Wasserstoff-Separator zur Kathodenkammer von Wasser durchströmt.
Sowohl im anodenseitigen Wasserkreislauf als auch im kathodenseitigen Wasserkreislauf kann weiterhin eine Hauptpumpe und/oder eine Kühleinrichtung und/oder ein Filter vorgesehen sein. Die Reihenfolge der Elemente ist dabei gleichfalls zunächst unerheblich und ebenso, ob weitere Einrichtungen im Wasserkreislauf vorhanden sind.
Um die Rückführung des im Betrieb von der Anodenkammer zur Kathodenkammer übergetretenen Wassers zu ermöglichen, ist eine Ausgleichsverbindung vorgesehen, welche von der kathodenseitigen Wasserverbindung zum anodenseitigen Wasserkreislauf führt. Um die Reinheit des zurückgeführten Wassers sicherzustellen sind dabei in der Ausgleichsverbindung eine Pumpe und ein lonentauscher vorgesehen . Dabei kann in der Ausgleichs Verbindung vorteilhaft eine Kühleinrichtung und/oder ein Filter vorgesehen sein. Die Reihenfolge der Elemente ist dabei gleichfalls zunächst unerheblich und ebenso, ob weitere Einrichtungen in der Ausgleichsverbindung vorhanden sind.
Erfindungsgemäß wird jedoch die Ausgleichsverbindung nicht unmittelbar zum anodenseitigen Wasserkreislauf geführt, sondern zunächst zu einem Knotenpunkt. Von dort führt eine Betriebsleitung zum anodenseitigen Wasserkreislauf und als Abzweig zusätzlich eine Ruheleitung zur kathodenseitigen Gasverbindung .
Mit dieser Ausführungsform wird es einerseits ermöglicht, in bekannter Weise von der Kathodenseite zur Anodenseite zurückzuführendes Transferwasser bei der Rückführung zu Deionisieren. Besonders vorteilhaft ist jedoch die durch die besondere Ausführungsform geschaffene Möglichkeit, bei einem Stillstand der Elektrolyse weiterhin einen Reinigungskreislauf zu betreiben.
Grundsätzlich ist die Ausgleichs Verbindung dafür vorgesehen, eine Rückführung über die Betriebsleitung von in der Elektrolysezelle übergetretenem Wasser zu ermöglichen. Dabei ist die Reinigung mittels eines lonentauschers notwendig, um eine nachteilige lonenbelastung auf der Anodenseite zu vermeiden .
Im Betrieb des Elektrolysesystems ist die Ausgleichsverbindung und folgend die Betriebsleitung bevorzugt durchströmt, so dass eine Strömung von der kathodenseitigen Wasserverbindung zum anodenseitigen Wasserkreislauf zumindest zum Ausgleich des in der Elektrolysezelle übergetretenen Wassers erfolgt.
Dabei kann der Anschluss der Ausgleichsverbindung an verschiedenen Stellen in der kathodenseitigen Wasserverbindung erfolgen. Ebenso ist der Anschluss der Betriebsleitung an verschiedenen Stellen im anodenseitigen Wasserkreislauf möglich.
Bei Vorhandensein von mehreren Elektrolysezellen kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass an der Unterseite der Kathodenkammern und/oder an der Unterseite der Anodenkammer jeweils ein die einzelnen Kathodenkammern respektive die einzelnen Anodenkammern verbindender Wasserkanal angeordnet ist, vom dem ein Zulauf in die Kathodenkammern respektive Anodenkammer möglich ist.
Bei Vorhandensein eines Wasserkanals an der Unterseite der Kathodenkammer und/oder der Anodenkammer erfolgt bevorzugt der Anschluss der vom Wasserstoff-Separator respektive vom Sauerstoff-Separator kommenden Verrohrung der zugehörigen kathodenseitigen Wasserverbindung respektive anodenseitigen Wasserverbindung an den kathodenseitigen Wasserkanal respektive anodenseitigen Wasserkanal, d.h. der Wasserkanal bildet einen Teil der Wasserverbindung.
Bei Vorhandensein von mehreren Elektrolysezellen kann ebenso vorteilhaft vorgesehen sein, dass an der Oberseite der Kathodenkammern und/oder an der Oberseite der Anodenkammer jeweils ein die einzelnen Kathodenkammern respektive einzelnen Anodenkammern verbindender Gaskanal angeordnet ist, vom dem eine Abführung des im Betrieb gebildeten Gas-Wasser- Gemischs aus den Kathodenkammern respektive Anodenkammern möglich ist.
Bei Vorhandensein eines Gaskanals erfolgt der Anschluss einer Verrohrung der zugehörigen Gasverbindung zum Wasserstoff- Separator respektive zum Sauerstof f-Separator an den zugehörigen Gaskanal, d.h. der Gaskanal ist Teil der Gasverbindung .
Die Flexibilität hinsichtlich der Verfahrensführung sowohl im Betrieb, d.h. wenn eine Spannung zwischen der Anode und der Kathode angelegt ist und die Elektrolyse stattfindet, als auch im Ruhezustand, wenn keine Spannung bei der Elektrolysezelle angelegt ist, wird verbessert, wenn eine Quer Stromverbindung von der Kathodenkammer zur Anodenkammer vorhanden ist. Dabei ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit vom Betriebszustand eine Strömung von der Kathodenkammer zur Anodenkammer oder von der Anodenkammer zur Kathodenkammer durch die Querstromverbindung möglich ist.
Vorteilhaft handelt es sich um einen freien Durchgang von der Unterseite der Anodenkammer, d.h. im Bereich des Zulaufs in die Anodenkammer, zur Unterseite der Kathodenkammer, d.h. gleichfalls im Bereich des Zulaufs in die Kathodenkammer.
Sofern ein anodenseitiger Wasserkanal und/oder kathodenseitiger Wasserkanal vorhanden ist, so werden mit der Quer Stromverbindung vorteilhaft die Wasserkanäle auf Anodenseite und Kathodenseite miteinander verbunden.
Wenngleich im Betrieb vorgesehen ist, dass das durch den Prozess übergetretenes Wasser über die Ausgleichsverbindung und folgend die Betriebsleitung zurückgeführt wird, so kann einerseits vorgesehen sein, dass zusätzlich ein Teil des Wassers über die Querstromverbindung zurückgeführt wird. Anderseits kann auch vorgesehen sein, dass über die Ausgleichsverbindung mehr Wasser zurückgeführt wird, als im Prozess bei den Kammern übertritt. In diesem Fall ist eine Querströmung von der Anodenseite durch die Quer Stromverbindung zur Kathodenseite möglich.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass in der Quer Stromverbindung ein regelbares Ventil oder ein Rückschlagventil angeordnet wird.
Die Verbindung der Ausgleichsverbindung an die kathodenseitige Wasserverbindung kann an unterschiedlicher Stelle erfolgen. Naheliegend kann der Anschluss an einer den Wasserstoff-Separator mit der Kathodenkammer verbindenden Verrohrung als Abzweig erfolgen.
Gleichfalls als Alternative ist ein Anschluss an dem Wasserstoff-Separator umfasst, wobei sicherzustellen ist, dass ausschließlich Wasser und kein Gas über die Ausgleichsverbindung abgeführt wird. Naheliegend können am Wasserstoff-Separator beispielsweise zwei benachbarte Wasseranschlüsse vorhanden sein, wobei an einem die Leitung zur Kathodenkammer und am anderen die Ausgleichsverbindung angeschlossen ist.
Weiterhin ist alternativ ein Anschluss an der Unterseite der Kathodenkammer, beispielsweise benachbart zum Anschluss der Verrohrung vom Was serstof f-Separator möglich. Hierdurch wird eine Ableitung des Transferwassers unmittelbar vor dessen Eintritt in die Kathodenkammer ermöglicht. Hier gilt gleiches wie zuvor, dass bei einer Ableitung von Wasser an der Kathodenkammer im Wesentlichen nur Wasser und kein Gas abgeleitet wird. Hierzu ist sicherzustellen, dass die Strömung aus der vom Wasserstof f-Separator kommenden Verrohrung anteilig, ohne in die Kathodenkammer zu durchströmen, direkt in die Ausgleichsleitung abgezweigt wird .
Sofern ein kathodenseitiger Wasserkanal vorhanden ist und vorgesehen ist, dass die Ausgleichsverbindung an der Unterseite der Kathodenkammer angeschlossen werden soll, so erfolgt der Anschluss der Ausgleichs Verbindung vorteilhaft an den kathodenseitigen Wasserkanal unterhalb der Kathodenkammer .
Bei Vorhandensein einer Querverbindung kann in besonders vorteilhafter Weise die Ausgleichsverbindung an der Querverbindung angeschlossen werden. Somit bildet ein Teil der Querstromverbindung vom Anschluss der Ausgleichsverbindung bis zur Kathodenkammer zugleich die Ausgleichsverbindung . Hierdurch wird eine besonders einfache und zugleich taugliche Verrohrung ermöglicht.
Bei allen Varianten der Ableitung des Transferwassers von der Unterseite der Kathodenkammer ist bei der Abführung des Transferwassers unmittelbar vor dessen Zulauf in die Kathodenkammer zu gewährleisten, so dass eine Ableitung von gebildetem Gas im Wesentlichen ausgeschlossen werden kann.
Der Anschluss der Betriebsleitung an den anodenseitigen Wasserkreislauf kann ebenso zunächst an beliebiger Stelle erfolgen .
In einer bevorzugten Ausführung erfolgt der Anschluss der Betriebsleitung an die anodenseitige Wasserverbindung. Hierdurch wird im Betrieb des Elektrolysesystems der anodenseitige Wasserkreislauf durch die Rückführung des Transferwassers am wenigsten beeinflusst und ist somit einfach zu realisieren.
Für den Anschluss der Betriebsleitung an die anodenseitige Wasserverbindung gilt analog gleiches wie für den Anschluss der Ausgleichsverbindung an die kathodenseitige Wasserverbindung .
Entsprechend ist es möglich, die Betriebsleitung bei der anodenseitigen Wasserverbindung an eine vom Sauerstoff- Separator zur Anodenkammer führende Verrohrung anzuschließen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die Betriebsleitung an der Unterseite der Anodenkammer angeschlossen. Hierdurch wird das rückgeführte Transferwasser auf kurzem Wege der Anodenkammer zugeführt.
Die Verbindung der Betriebsleitung zur Anodenkammer kann dabei durch einen Anschluss an die Unterseite der Anodenkammer parallel zu einer vom Sauerstof f-Separator kommenden Verrohrung erfolgen. Sofern ein anodenseitiger Wasserkanal an der Unterseite der Anodenkammer vorhanden ist, so kann weiterhin in vorteilhafter Weise ein Anschluss der Betriebsleitung an den anodenseitigen Wasserkanal erfolgen.
Sofern eine Querverbindung vorhanden ist, kann vorteilhaft die Betriebsleitung an die Querverbindung angeschlossen werden. Dabei bildet ein Teil der Querverbindung vom Anschluss der Betriebsleitung bis zur Anodenkammer zugleich einen Abschnitt der Betriebsleitung. Hierdurch wird eine besonders einfache und zugleich taugliche Verrohrung ermöglicht .
Besonders vorteilhaft bei allen Varianten mit dem Anschluss der Betriebsleitung an die Unterseite der Anodenkammer ist die Rückführung des Transferwassers unmittelbar zum Zulauf in die Anodenkammer.
In einer alternativen Ausführung erfolgt der Anschluss der Betriebsleitung an die anodenseitige Gasverbindung . Dieses erfordert zwar mehr Aufwand bei der Berücksichtigung des in die anodenseitige Gasverbindung eingeleiteten Transferwassers, jedoch ermöglicht diese Variante weitere Optionen insbesondere hinsichtlich der Betriebsführung im Ruhezustand .
Beim Anschluss der Betriebsleitung an die anodenseitige Gasverbindung ist darauf zu achten, dass im Betrieb des Elektrolysesystems das aus der Betriebsleitung zugeführte Wasser zusammen mit dem Gas-Wasser-Gemisch aus der anodenseitigen Gas Verbindung zum Sauerstof f-Separator geführt wird .
Dabei kann ebenso vorgesehen sein, dass der Anschluss der Betriebsleitung an der Oberseite des Sauerstoff-Separators erfolgt . Für den Fall, dass der Anschluss der Ruheleitung an die kathodenseitige Gasverbindung an der Oberseite der Kathodenkammer erfolgen soll - beispielsweise aus Gründen einer einfacheren Verrohrung, wird hierzu bevorzugt ein Anschluss an den kathodenseitigen Gaskanal - sofern vorhanden - vorgesehen.
Um verschiedene Strömungszustände im Betrieb des Elektrolysesystems und im Ruhezustand zu ermöglichen, sind sowohl vorteilhaft als auch naheliegend Ventile in den Leitungen bzw. Verbindungen oder Abzweigen einzusetzen. Dabei kann vorgesehen sein, dass ein Ventil in der Ausgleichsleitung und/oder ein Ventil in der Betriebsleitung und/oder in der Ruheleitung vorhanden ist. Auch wäre es möglich, ein Mehrwegeventil im Knotenpunkt vorzusehen.
Darüber hinaus ist es ebenso möglich, in der anodenseitigen Wasserverbindung und/oder der kathodenseitigen Wasserverbindung und/oder in der anodenseitigen Gas Verbindung und/oder in der kathodenseitigen Gas Verbindung jeweils ein oder mehrere Ventile vorzusehen, um die Strömung sowohl im Betrieb als auch im Ruhezustand beeinflussen zu können.
Vorteilhafterweise ist im Betrieb die Ruheleitung beispielsweise mittels eines Ventils abgesperrt, so dass dort keine Strömung vorhanden ist.
Es ist jedoch auch möglich, dass auch im Betrieb des Elektrolysesystems bestimmungsgemäß eine anteilige Strömung durch die Ruheleitung vorhanden ist und insofern ein Reinigungskreislauf aus dem Wasserstoff-Separator und zurück zum Wasserstoff-Separator vorhanden ist.
Im Ruhezustand hingegen, wenn keine Spannung an der Elektrolysezelle angelegt ist, ist die Ruheleitung vorzugsweise durchströmt, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass eine Strömung von der Ruheleitung zur Kathodenkammer und von dort über die kathodenseitige Wasserverbindung zur Ausgleichsverbindung vorhanden ist.
In Abhängigkeit davon, ob über den lonentauscher in der Ausgleichsverbindung im Ruhezustand nur das Wasser in der Kathodenkammer oder auch das Wasser in der Anodenkammer gereinigt werden soll, ist je nach Art der Verrohrung die Betriebsleitung unterbrochen oder gleichfalls durchströmt.
Mit der in der Ausgleichsverbindung vorhandenen Pumpe kann eine Strömung von der kathodenseitigen Wasserverbindung durch die Ausgleichsverbindung und folgend die Ruheleitung zur kathodenseitigen Gasverbindung bewirkt werden. D.h. die Strömungsrichtung in der Ausgleichsverbindung von der kathodenseitigen Wasserverbindung bis zum Knotenpunkt ist sowohl im Betrieb als auch im Ruhezustand des Elektrolysesystems gleich.
Die Strömung in den Kammern der Elektrolysezelle erfolgt im Betrieb des Elektrolysesystems aufgrund der Gasbildung zwangsläufig von unten nach oben. Hingegen ist für den Ruhezustand der Elektrolysezelle keine Richtung vorbestimmt. Insofern wäre es möglich, die Kammern für die Reinigung gleichfalls von unten nach oben zu durchströmen. Besonders bevorzugt wird jedoch für den Ruhezustand eine Strömung durch die Kathodenkammer und/oder die Anodenkammer von oben nach unten entgegen der im Betrieb gegebenen Strömungsrichtung.
Mit der bevorzugten entgegengesetzten Durchströmung der Kathodenkammer ist beim Anschluss der Ruheleitung an die kathodenseitige Gasverbindung darauf zu achten, dass eine Strömung von der Ruheleitung zur Oberseite der Kathodenkammer im Ruhezustand möglich ist. Dabei wird bevorzugt eine Verbindung in eine die Kathodenkammer mit dem Wasserstoff- Separator verbindenden Verrohrung der Gas Verbindung vorgesehen oder ein Anschluss an einen kathodenseitigen Gaskanal . Bei einer Strömung im Ruhezustand durch die Kathodenkammern von oben nach unten muss naheliegend das Wasser von der Unterseite der Kathodenkammern zur Ausgleichsverbindung zurückgeführt werden.
Hierzu stehen verschiedene Varianten zur Verfügung. In einer ersten Ausführung erfolgt eine Rückströmung zumindest abschnittsweise über die kathodenseitige Wasserverbindung.
Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass das Wasser, welches entgegengesetzt die Kathodenkammer von oben nach unten durchströmt, über die kathodenseitige Wasserverbindung gleichfalls entgegen gesetzt zur im Betrieb vorhandenen Strömungsrichtung zurück zur Ausgleichsverbindung geführt wird. Sofern die Ausgleichsverbindung an der Verrohrung zwischen dem Wasserstoff-Separator und der Kathodenkammer angeschlossen ist, wird naheliegend der Abschnitt von der Kathodenkammer bis zur Ausgleichsverbindung im Ruhezustand rückwärts durchströmt. Ist hingegen die Ausgleichsverbindung am Wasserstoff-Separator angeschlossen, strömt in dieser Ausführung naheliegend im Ruhezustand das Wasser zurück zum Wasserstoff-Separator und von dort in die Ausgleichs Verbindung .
Ist hingegen die Ausgleichsverbindung unmittelbar an der Unterseite der Kathodenkammer angeschlossen, so ist im Ruhezustand die Verrohrung der kathodenseitigen Wasserverbindung, d.h. vom Wasserstoff-Separator bis zur Unterseite der Kathodenkammer, nicht durchströmt. Dabei kann, wie zuvor ausgeführt, die Ausgleichs Verbindung an einem kathodenseitigen Wasserkanal oder an einer Querverbindung angeschlossen sein.
Weiterhin ist es vorteilhaft möglich, über die Ausgleichsverbindung im Ruhezustand beide Kammern zu durchströmen. D.h. es erfolgt eine Strömung von der Ausgleichsverbindung über den Knotenpunkt und die Ruheleitung zur Kathodenkammer und weiterhin über eine andere Leitung eine Strömung von der Ausgleichs Verbindung zur Anodenkammer.
Hierzu stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. In einer ersten Variante wird die Betriebsleitung auch im Ruhezustand zur Leitung eines Wasserstroms zur Anodenkammer eingesetzt. D.h. im Betriebs zustand wird im Wesentlichen nur die Betriebsleitung durchströmt und im Ruhezustand erfolgt eine Aufteilung des in der Ausgleichsverbindung deionisierten Wassers auf die Betriebsleitung und die Ruheleitung.
Besonders vorteilhaft wird hierzu die Betriebsleitung an die anodenseitige Gasverbindung angeschlossen.
In einer zweiten Variante wird parallel zu der Ruheleitung zur kathodenseitigen Gasverbindung eine weitere zweite Ruheleitung zur anodenseitigen Gasverbindung eingesetzt. Hierbei verläuft sinnvollerweise die Betriebsleitung zur anodenseitigen Wasserverbindung. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die zweite Ruheleitung von der ersten Ruheleitung abzweigt oder über einen weiteren Knotenpunkt mit der Ausgleichsverbindung verbunden ist. Zumindest erfolgt im Betrieb des Elektrolysesystems eine Strömung über die Betriebsleitung im Wesentlichen zur anodenseitigen Wasserverbindung und im Ruhezustand über die Ruheleitung zur anodenseitigen Gas Verbindung und über die zweite Ruheleitung zur kathodenseitigen Gasverbindung.
Im Falle der Reinigung des Wassers aus der Anodenkammer über die Ausgleichsverbindung ist naheliegend eine Rückführung des Wassers von der Anodenkammer auf die Kathodenseite notwendig.
Hierzu kann bei Vorhandensein der Querstromverbindung vorteilhaft das Wasser im Ruhezustand über die
Quer Stromverbindung von der Anodenkammer zur Kathodenkammer bzw. von einem vorteilhaft vorhandenen anodenseitigen Wasserkanal über die Querstromverbindung zu einem vorteilhaft vorhandenen kathodenseitigen Wasserkanal geleitet werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine zweite Ausführung, bei der die Ausgleichs Verbindung unmittelbar an der Quer Stromverbindung angeschlossen ist. Somit kann im Ruhezustand das Wasser sowohl aus der Anodenkammer als auch aus der Kathodenkammer über die Quer Stromverbindung von beiden Seiten zur Ausgleichs Verbindung strömen.
Sofern auch eine Reinigung des Wassers auf der Anodenseite im Betrieb gefordert wird, kann eine Reinigungsschleife vorgesehen sein, welche vom und zurück zum anodenseitigen Wasserkreislauf führt. Dabei ist gleichfalls eine Pumpe und ein lonentauscher in der Reinigungsschleife erforderlich. Darüber hinaus können weiterhin eine Kühleinrichtung und ein Filter vorgesehen sein.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Reinigungsschleife von der anodenseitigen Wasserverbindung, beispielsweise vom Sauerstoff-Separator, zur anodenseitigen Gasverbindung führt. Hierdurch wird insbesondere im Betrieb eine Wasserführung vom Sauerstoff-Separator über die Reinigungsschleife zurück zum Sauerstof f-Separator und im Ruhezustand eine Wasserführung von der anodenseitigen Wasserverbindung, beispielsweise vom Sauerstoff-Separator, über die Reinigungsschleife zur anodenseitigen Gasverbindung und durch die Anodenkammer zurück in die anodenseitige Wasserverbindung ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Elektrolysesystem ermöglicht ein neues erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung eines solchen Elektrolysesystems . Die wesentlichen sowie die vorteilhaften Verfahrensschritte ergeben sich in offensichtlicher Weise aus vorheriger Beschreibung des erfindungsgemäßen Elektrolysesystem sowie dessen vorteilhafter Gestaltung.
Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen dem Zustand des Betriebs des Elektrolysesystems und dessen Ruhezustand. Im Betrieb wird eine Spannung zwischen der Anode und der Kathode angelegt, wodurch es zur Elektrolyse und somit der Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff kommt. Dabei entsteht eine Kreislauf Strömung im anodenseitigen Wasserkreislauf und eine Kreislauf Strömung im kathodenseitigen Wasserkreislauf. Von der jeweiligen Kammer strömt ein Gas-Wasser-Gemisch durch die zugehörige Gasverbindung zum zugehörigen Separator. Dort erfolgt die Abtrennung des jeweiligen Gases, wobei das Wasser über die zugehörige Wasserverbindung zurück zur zugehörigen Kammer geführt wird.
Zugleich tritt im Betrieb Wasser von der Anodenkammer in die Kathodenkammer über. Zum Ausgleich ist daher vorgesehen, dass Wasser aus der anodenseitigen Wasserverbindung über die Ausgleichsverbindung und folgend die Betriebsleitung zurück zum anodenseitigen Wasserkreislauf geführt wird. Die Strömung wird durch die Pumpe in der Ausgleichsverbindung bewirkt, wobei weiterhin ein lonentauscher zur Reinigung des Wassers vorhanden ist.
Im Ruhezustand demgegenüber ist die Verbindung von der Anode zur Kathode spannungslos und somit entfällt naheliegend die Elektrolyse mit der Gasbildung. Demgegenüber wird die Pumpe in der Ausgleichsverbindung weiterhin betrieben, wobei jedoch durch das Wasser durch die Ruheleitung zu der Kathodenkammer geleitet wird.
Besonders vorteilhaft wird im Ruhezustand das Wasser aus der kathodenseitigen Wasserverbindung über die Ausgleichsverbindung einerseits über die Ruheleitung zur Kathodenkammer und anderseits über die Betriebsleitung oder eine zweite Ruheleitung zur Anodenkammer geführt.
In den nachfolgenden Figuren werden beispielhafte Ausführungen für ein Elektrolysesystem skizziert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Elektrolysesystem mit einer Ausgleichsverbindung angeschlossen am Wasserstoff-Separator, einer Betriebsleitung zur Anodenkammer; Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein Elektrolysesystem, wobei ergänzend zur Ausführung aus Fig. 1 eine zweite Ruheleitung zur anodenseitigen Gas Verbindung führt;
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel für ein Elektrolysesystem mit einer an einer Quer Stromverbindung angeschlossenen Ausgleichs Verbindung;
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel für eine optionale Reinigungsschleife auf der Anodenseite.
In der Figur 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Elektrolysesystem 21 skizziert. Dieses 21 weist zunächst einmal die Elektrolysezelle 01 mit der darin befindlichen an Anodenkammer 02 und Kathodenkammer 03 auf. Die beiden Kammern 02, 03 sind durch eine PEM-Membran getrennt. An der Unterseite der jeweiligen Kammer 02, 03 befindet sich jeweils ein Wasserkanal um die einfache Zuführung des Wassers in die jeweilige Kammer 02, 03 gewährleisten zu können. Weiterhin umfasst das Elektrolysesystem 21 einen Sauerstoff-Separator 04 sowie einen Was serstof f-Separator 05.
Auf der rechten Seite der Figur 1 befindet sich der kathodenseitige Wasserkreislauf 07. Dieser 07 umfasst eine kathodenseitige Wasserverbindung 15 vom Wasserstof f-Separator 05 bis zur Kathodenkammer 03 sowie eine kathodenseitige Gasverbindung 17 von der Kathodenkammer 03 bis zum Wasserstoff-Separator 05. Im Betrieb des Elektrolysesystems 21 strömt dabei Wasser vom Wasserstoff-Separator 05 durch die kathodenseitige Wasserverbindung 15 zur Unterseite der Kathodenkammer 03 und ein Gas-Wasser-Gemisch von der Oberseite der Kathodenkammer 03 durch die kathodenseitige Gasverbindung 17 zum Wasserstof f-Separator 05. Auf der linken Seite der Figur 1 befindet sich der anodenseitige Wasserkreislauf 06. Dieser 06 umfasst eine anodenseitige Wasserverbindung 14 vom Sauerstof f-Separator 04 zur Anodenkammer 02 sowie eine anodenseitige Gasverbindung 16 von der Anodenkammer 02 zum Sauerstof f-Separator 04. Im Betrieb des Elektrolysesystems 21 strömt dabei Wasser vom Sauerstoff-Separator 04 zur Unterseite der Anodenkammer 02 und ein Gas-Wasser-Gemisch von der Oberseite der Anodenkammer 02 durch die anodenseitige Gasverbindung 16 zum Sauerstoff- Separator 04.
Die Strömungsrichtung im Betrieb des Elektrolysesystems 21 ist mit den langen Pfeilen 08 skizziert.
In den Wasserverbindungen 14, 15 ist jeweils ein Kühler 11 vorgesehen .
Weiterhin dargestellt ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Quer Stromverbindung 18, welche 18 die Unterseite der Anodenkammer 02 mit der Unterseite der Kathodenkammer 03 verbindet, d.h. in diesem Falle die jeweiligen Wasserkanäle der beiden Kammern 02, 03 miteinander verbindet.
Weiterhin dargestellt ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Reinigungsschleife 26, welche 26 vom Sauerstof f separator 04 zur anodenseitigen Gasverbindung 16 führt. Dabei ist in der Reinigungsschleife 26 eine Pumpe 13, ein lonentauscher 12 und ein Kühler 11 angeordnet.
Mittels der Reinigungsschleife 26 ist im Betrieb des Elektrolysesystems 21 eine anteilige Reinigung des im anodenseitigen Wasserkreislauf umlaufenden Wassers möglich.
Alternativ wäre es hierzu auch möglich, die Reinigungsschleife 26 unmittelbar zum Sauerstof f-Separator 04 zurückzuführen - siehe alternative Leitung 27. Besonders vorteilhaft ist mit der Reinigungsschleife 26 im Ruhezustand des Elektrolysesystems 21 eine fortgesetzte Reinigung des Wassers in der Anodenkammer 02 möglich. Dabei strömt das Wasser von der Reinigungs schleif e 26 in entgegengesetzter Richtung durch die Anodenkammer 02 und durch die anodenseitige Wasserverbindung 14 gleichfalls in entgegengesetzter Richtung zurück zum Sauerstof f-Separator 04.
Auf der Kathodenseite ist am Was serstof f-Separator 05 eine Ausgleichsverbindung 22 angeschlossen, welche 22 über einen Knotenpunkt 23 und einer Betriebsleitung 24 zur Unterseite der Anodenkammer 02, d.h. zum anodenseitige Wasserkanal führt. In der Ausgleichverbindung 22 ist eine Pumpe 13, ein lonentauscher 12 sowie ein Kühler 11 angeordnet. Somit kann im Betrieb des Elektrolysesystems 21 das in der Elektrolysezelle 01 übergetretenen Wasser über die Ausgleichsverbindung 22 gereinigt wieder zur Anodenseite zurückgeführt werden.
Weiterhin vorhanden ist eine Ruheleitung 25, welche 25 vom Knotenpunkt 23 zur kathodenseitige Gasverbindung 17 führt. Dabei ist vorgesehen, dass im Betrieb des Elektrolysesystems
21 die Ruheleitung 25 unterbrochen ist. Im Ruhezustand des Elektrolysesystems 21 wird demgegenüber die Betriebsleitung 24 abgesperrt und die Strömung von der Ausgleichsverbindung
22 führt über die Ruheleitung 25 zur Kathodenkammer 03. Diese 03 wird rückwärts durchströmt, wobei das Wasser im Folgenden durch die kathodenseitige Wasserverbindung 15 rückwärts zurück zum Sauerstof f-Separator 05 geführt wird.
Die vorgesehene Strömungsrichtung für den Ruhezustand, wird hierbei durch die kurzen Pfeile 09 skizziert.
In der nachfolgenden Figur 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Elektrolysesystem 31 skizziert. Wiederum ist die Elektrolysezelle 01 mit der Anodenkammer 02 und der Kathodenkammer 03 vorhanden sowie der Sauerstof f-Separator 04 und der Wasserstoff separator 05.
Gleichfalls gibt es einen anodenseitigen Wasserkreislauf 06 mit der anodenseitigen Wasserverbindung 14 und der anodenseitigen Gas Verbindung 16. Gleichfalls übereinstimmend mit vorherigem Beispiel ist der kathodenseitige Wasserkreislauf 07 mit der kathodenseitigen Wasserverbindung 15 und der kathodenseitigen Gasverbindung 17 vorhanden.
Ebenso ist übereinstimmend mit vorherigem Beispiel ist die Ausgleichsverbindung 32 mit der sich daran anschließenden Betriebsleitung 34 vorhanden.
Im Unterschied zum vorherigen Beispiel ist nunmehr jedoch vorgesehen, dass es ergänzend zur Rohrleitung 35a vom Knotenpunkt 33a zur kathodenseitigen Gasverbindung 17 zusätzlich eine zweite Ruheleitung 35b von einem zweiten Knotenpunkt 33b zur anodenseitigen Gasverbindung 16 gibt.
Zunächst ist übereinstimmend mit vorherigem Beispiel vorgesehen, dass im Betrieb des Elektrolysesystems 31 die Betriebsleitung 34 freigeschaltet und die Ruheleitungen 35a, 35b abgesperrt sind.
Demgegenüber ist im Ruhezustand des Elektrolysesystems 31 bei gesperrter Betriebsleitung 34 eine Strömung durch beide Ruheleitungen 35a und 35b parallel einerseits zur Anodenkammer 02 und andererseits zur Kathodenkammer 03 gegeben .
Das in der Kathodenkammer 03 rückwärts strömende Wasser wird wie zuvor über die kathodenseitige Wasserleitung 15 zum Wasserstoff-Separator 05 zurückgeführt.
Demgegenüber wird das in der Anodenkammer 02 rückwärts strömende Wasser zunächst über die Querstromverbindung 18 zur Unterseite der Kathodenkammer 03 geführt, sodass das Wasser von dort über die kathodenseitige Wasserverbindung 15 zurückgeleitet werden kann.
In der Figur 3 wird ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Elektrolysesystem 41 skizziert. Übereinstimmend mit vorherigen Beispielen weist dieses wiederum die Elektrolysezelle 01 mit der Anodenkammer 02 und der Kathodenkammer 03 auf. Gleichfalls ist der Sauerstoff- Separator 04 und der Wasserstof f-Separator 05 vorhanden, welcher 04, 05 jeweils in den entsprechenden anodenseitige Wasserkreislauf 06 bzw. kathodenseitige Wasserkreislauf 07 eingebunden ist.
Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen ist hier jedoch vorgesehen, dass die Ausgleichsverbindung 42 an der Quer Stromverbindung 18 angeschlossen ist. Dabei weist die Ausgleichsverbindung 42 gleichfalls eine Pumpe 13, den lonentauscher 12 sowie einen Kühler 11 auf.
Die Betriebsleitung 44 führt vom Knotenpunkt 43 nachfolgend der Ausgleichsverbindung 42 nunmehr zur anodenseitige Gasverbindung 16. Die Ruheverbindung 45 verbindet analog zu den vorherigen Beispielen den Knotenpunkt 43 mit der kathodenseitige Gasverbindung 17.
Im Betriebszustand des Elektrolysesystems 41 strömt dabei das von der Kathodenseite zurückzuführende Wasser von der Unterseite der Kathodenkammer 03 durch ein Teilstück der Quer Stromverbindung 18 über die Ausgleichsverbindung 42 und die Betriebsleitung 44 zur anodenseitigen Gasverbindung 16.
Demgegenüber wird im Ruhezustand des Elektrolysesystems 41 eine Strömung von der Ausgleichs Verbindung 42 einerseits durch die Betriebsleitung 44 und andererseits durch die Ruheverbindung 45 einmal zur anodenseitigen Gasverbindung 16 und andererseits zur kathodenseitigen Gas Verbindung 17 ermöglicht. Dies führt zu einer rückwärtigen Strömung durch die Anodenkammer 02 sowie durch die Kathodenkammer 03 . An der Unterseite der Kammern 02 , 03 wird das Wa s ser von beiden Seiten kommend durch die Querstromverbindung 18 wieder zurück zur Ausgleichsverbindung 42 geführt .
Hierbei kann auch vorge sehen sein , das s lastabhängig weiterhin auch im Betrieb de s Elektrolyse systems 41 zusätzlich ein Anteil des gereinigten Was sers von der Ausgleichsverbindung 42 kommend zugleich anteilig über die Ruheleitung der kathodenseitigen Gas Verbindung 17 zugeführt wird .
In der Figur 4 wird ein weiteres Bei spiel für ein Elektrolysesystem 51 s kiz ziert . Hierbei wird insbesondere eine alternative Verrohrung für die Reinigung auf der Anodenseite dargestellt . Auf die Darstellung der erfindungsgemäßen Verbindung einer Ruheleitung von der Ausgleichsverbindung 52 zur kathodenseitigen Gasverbindung 17 wurde dabei verzichtet .
In diesem Aus führungsbeispiel wird zunächst einmal eine mit dem ersten Ausführungsbeispiel aus Figur 1 übereinstimmende Reinigungs schleife s kiz ziert . Insofern ist die mit dem ersten Beispiel gleiche Verfahrensführung möglich .
Jedoch ist vorgesehen , das s im Betrieb de s Ele ktrolysesystems 51 die Strömung von einer am Sauerstof f-Separator 04 ange schlos senen Reinigungsverbindung 56 über einen Knotenpunkt 57 und einer Reinigungsbetriebsleitung 58 zur anodenseitigen Was serverbindung 14 nahe dem Zulauf in die Anodenkammer 02 geführt wird . Hierdurch wird eine Beeinträchtigung der in der Gasverbindung 16 vorhandenen Strömung des Gas-Was ser-Gemi schs vermieden .
Im Ruhezustand wird demgegenüber die Reinigungsbetriebs leitung 58 abgesperrt und die Strömung erfolgt wie im ersten Ausführungsbei spiel von der Reinigungsverbindung 56 über eine Reinigungsruheleitung 59 zur anodenseitigen Gasverbindung 16 .

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolysesystem (21,31,41) zur elektrochemischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff umfassend
- einen Wasserstoff-Separator (05) und einen Sauerstoff- Separator (04) ; und
- zumindest eine Elektrolysezelle (01) mit einer eine Anode aufweisenden Anodenkammer (02) und einer eine Kathode aufweisenden Kathodenkammer (03) ; und
- einen kathodenseitigen Wasserkreislauf (07) mit einer vom Wasserstoff-Separator (05) zur Kathodenkammer (03) führenden Wasserverbindung (15) und einer von der Kathodenkammer (03) zum Wasserstof f-Separator (05) führenden Gasverbindung (17) ; und
- einen anodenseitigen Wasserkreislauf (06) mit einer vom Sauerstof f-Separator (04) zur Anodenkammer (02) führenden Wasserverbindung (14) und einer von der Anodenkammer (02) zum Sauerstof f-Separator (04) führenden Gasverbindung
(16) ; und
- eine Ausgleichsverbindung (22,32, 42) , welche (22,32, 42) von der kathodenseitigen Wasserverbindung (15) kommend über eine Pumpe (13) und einen lonentauscher (12) zu einem Knotenpunkt (23,33,43) führt; und
- eine Betriebsleitung (24,34,44) , welche (24,34,44) vom Knotenpunkt (23,33,43) zum anodenseitigen Wasserkreislauf (06) führt; und
- eine Ruheleitung (25,35, 45) , welche (25,35, 45) vom Knotenpunkt (23,33,43) zur kathodenseitigen Gasverbindung
(17) führt.
Elektrolysesystem (21,31,41) nach Anspruch 1, wobei in einer Wasserverbindung (14,15) oder in beiden Wasserverbindungen (14,15) jeweils ein Kühler (11) und/oder ein Filter und/oder eine Pumpe angeordnet ist; und/oder wobei in der Ausgleichsverbindung (22,32, 42) und/oder der Betriebsleitung (24,34,44) ein Kühler (11) und/oder ein Filter angeordnet ist; und/oder wobei in der Betriebsleitung (24,34,44) und/oder der Ruheleitung (25,35,45) und/oder im Knotenpunkt (23,33, 43) ein Ventil angeordnet ist. Elektrolysesystem (21,31,41) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend eine die Unterseite der Kammern (02,03) verbindende Quer Stromverbindung (18) . Elektrolysesystem (41) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgleichsverbindung (42) abschnittsweise über eine die Unterseite der Kammern (02,03) verbindende Querstromverbindung (18) mit der kathodenseitigen Wasserverbindung (15) verbunden ist oder an der Unterseite der Kathodenkammer (03) angeschlossen ist. Elektrolysesystem (41) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Betriebsleitung (24,34) zur anodenseitigen Wasserverbindung (14) führt; oder wobei die Betriebsleitung (44) zur anodenseitigen Gas Verbindung (16) führt. Elektrolysesystem (21,31) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Betriebsleitung (24,34) abschnittsweise über eine die Unterseite der Kammern (02,03) verbindende Querstromverbindung (18) zur anodenseitigen Wasserverbindung (14) führt oder an der Unterseite der Anodenkammer (02) angeschlossen ist. Elektrolysesystem (21,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , wobei bestimmungsgemäß die Ruheleitung (25,35,45) im Betrieb unterbrochen und im Ruhezustand durchströmt ist; und wobei insbesondere die Betriebsleitung (24,34,44) im Betrieb durchströmt und im Ruhezustand unterbrochen ist. Elektrolysesystem (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei bestimmungsgemäß die Kathodenkammer (03) im Ruhezustand von der Ausgleichsverbindung (22) kommend über die Ruheleitung (25) von oben nach unten durchströmt wird . Elektrolysesystem (31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Betriebsleitung (44) oder eine zweite Ruheleitung (35b) zur anodenseitigen Gas Verbindung (16) führt, wobei bestimmungsgemäß im Ruhezustand von der Ausgleichsverbindung (32,42) kommend die Kathodenkammer (03) über die Ruheleitung (35a, 45) und die Anodenkammer (02) über die Betriebsleitung (44) respektive zweite Ruheleitung (35b) von oben nach unten durchströmt werden. Elektrolysesystem (21,31) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei bestimmungsgemäß im Ruhezustand in der kathodenseitigen Wasserverbindung (15) zumindest abschnittsweise eine Strömung von der Kathodenkammer (03) in Richtung Wasserstoff-Separator (05) gegeben ist. Elektrolysesystem (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend eine Reinigungsschleife (26) , welche (26) von der anodenseitigen Wasserverbindung (14) zur anodenseitigen Gasverbindung (16) führt und eine Pumpe (13) und einen lonentauscher (12) aufweist. Elektrolysesystem (21) nach Anspruch 11, wobei bestimmungsgemäß im Betrieb eine Strömung von der Reinigungsschleife (26) zum Sauerstof f-Separator (04) und im Ruhezustand eine Strömung zur Anodenkammer (02) gegeben ist; und/oder wobei bestimmungsgemäß im Ruhezustand in der anodenseitigen Wasserverbindung (14) eine Strömung von der Anodenkammer (02) in Richtung Sauerstof f-Separator (04) gegeben ist. Verfahren zur Steuerung eines Elektrolysesystems
(21,31,41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Betrieb des Elektrolysesystems (21,31,41) eine Spannung zwischen der Anode und der Kathode angelegt ist und ein Gas-Wasser-Gemisch durch die jeweilige Gas Verbindung (16,17) von der zugehörigen Kammer (02,03) zum zugehörigen Separator (04,05) strömt und Wasser vom jeweiligen Separator (04,05) durch die zugehörige Wasserverbindung (14,15) zur zugehörigen Kammer (02,03) strömt , wobei durch eine Pumpe eine Strömung von der kathodenseitigen Wasserverbindung (15) abgezweigt und durch eine Ausgleichsverbindung (22,32,42) durch einen lonentauscher (12) und durch eine Betriebsleitung (24,34,44) zum anodenseitigen Wasserkreislauf (06) bewirkt wird; und wobei im Ruhezustand des Elektrolysesystems (21,31,41) keine Spannung zwischen der Anode und der Kathode vorhanden ist, wobei durch eine Pumpe (13) eine Strömung von der kathodenseitigen Wasserverbindung (15) durch eine Ausgleichsverbindung (22,32,42) durch einen lonentauscher (12) und durch eine Ruheleitung (25,35,45) zur kathodenseitigen Gasverbindung (17) und weiter zur Kathodenkammer (03) bewirkt wird.
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