EP4698694A1 - Elektrolyseursystem sowie verfahren zum regeln und/oder steuern eines elektrolyseursystems - Google Patents

Elektrolyseursystem sowie verfahren zum regeln und/oder steuern eines elektrolyseursystems

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EP4698694A1
EP4698694A1 EP24720126.2A EP24720126A EP4698694A1 EP 4698694 A1 EP4698694 A1 EP 4698694A1 EP 24720126 A EP24720126 A EP 24720126A EP 4698694 A1 EP4698694 A1 EP 4698694A1
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EP
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pressure
circuit
anode
water
control unit
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Pending
Application number
EP24720126.2A
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Inventor
Philip KUNZ
Dietmar Steiner
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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Abstract

Es wird ein Elektrolyseursystem (10) mit einem Elektrolyseur (11) und einem Wasseraufbereitungskreislauf (12), wobei der Elektrolyseur (11) einen Anodenkreislauf (13) und einen Kathodenkreislauf (14) aufweist, wobei der Anodenkreislauf (13) mindestens eine Anode (15) und einen Sauerstoffabscheider (16) zum Abscheiden von Sauerstoff aufweist, und wobei der Kathodenkreislauf (14) mindestens eine Kathode (17) und einen Wasserstoffabscheider (18) zum Abscheiden von Wasserstoff aufweist, und wobei eine Hochdruckleitung (21) zum Transport von Reinstwasser (22) aus der Kathode (17) über den Wasserstoffabscheider (18) des Kathodenkreislaufs (14) zu einem Wasserreservoir (19) des Wasseraufbereitungskreislaufs (12) vorgesehen ist, und wobei eine Niederdruckleitung (24) zum Transport von Wasser (25) aus dem Wasserreservoir (19) des Wasseraufbereitungskreislaufs (12) über den Sauerstoffabscheider (16) zu der Anode (15) des Anodenkreislaufs (13) vorgesehen ist, wobei der Wasseraufbereitungskreislauf (12) ein Wasserreservoir (19) mit einem Druckhalteventil (20) zum Halten eines Drucks in dem Wasserreservoir (19) aufweist, vorgeschlagen.

Description

Beschreibung und/oder Steuern eines
Die Erfindung betrifft ein Elektrolyseursystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Regeln und/oder Steuern eines Elektrolyseursystems mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9.
Stand der Technik
Moderne Wasserelektrolyseursysteme mit einer Protonenelektrolytmembran (PEM) oder einer Anionenaustauschmembran (AEM) verfügen über eine Wasserrückführung auf der Anodenseite, die einen Gas-/Wasserabscheider enthält. Dabei wird Frischwasser dem Wasserelektrolyseursystem mit einer Förderpumpe aus dem Vorratstank zugeführt Hierfür wird das flüssige Wasser der Kathodenseite entnommen und in den Anodenflüssigkeitskreislauf zurückgeführt oder in den Vorratstank zugeführt. Für die Speicherung und den Transport wird der Wasserstoff in der Regel komprimiert. Um die mechanische Kompressionsarbeit zu verringern, kann der Wasserstoff direkt während der PEM- oder AEM- Elektrolyse auf 10 bis 40 bar verdichtet werden.
Speisewasser und Wasser aus der Kathode werden in den Sauerstoffabscheider des Anodenkreislaufs gepumpt, das heißt, dass das auf der Kathodenseite im Wasserstoffabscheider abgeschiedene Wasser in den Anodenkreislauf zurückgeführt wird. Hierfür sind zwei Pumpen im Elektrolyseursystem vorhanden: Eine versorgt den Wasserrückführungskreislauf auf der Anodenseite und eine speist Frischwasser aus dem Vorratstank in den Wasserrückführungskreislauf ein. Aufgrund der zwei Pumpen bzw. Pumpen im Allgemeinen weist das Elektrolyseursystem eine hohe Komplexität auf. Dies kann sich negativ auf die Zuverlässigkeit ausüben.
Vorteile der Erfindung
Es wird ein Elektrolyseursystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Regeln und/oder Steuern eines Elektrolyseursystems mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 vorgeschlagen. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Elektrolyseursystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Erfindungsgemäß vorgesehen ist ein Elektrolyseursystem mit einem Elektrolyseur und einem Wasseraufbereitungskreislauf. Dabei weist der Elektrolyseur einen Anodenkreislauf und einen Kathodenkreislauf auf, wobei der Anodenkreislauf mindestens eine Anode und einen Sauerstoffabscheider zum Abscheiden von Sauerstoff aufweist, und wobei der Kathodenkreislauf mindestens eine Kathode und einen Wasserstoffabscheider zum Abscheiden von Wasserstoff aufweist. Ferner ist eine Hochdruckleitung zum Transport von Reinstwasser aus der Kathode über den Wasserstoffabscheider des Kathodenkreislaufs zu dem Wasserreservoir des Wasseraufbereitungskreislaufs sowie eine Niederdruckleitung zum Transport von Wasser aus dem Wasserreservoir des Wasseraufbereitungskreislaufs über den Sauerstoffabscheider zu der Anode des Anodenkreislaufs vorgesehen. Dabei weist der Wasseraufbereitungskreislauf ein Wasserreservoir mit einem Druckhalteventil zum Halten eines Drucks in dem Wasserreservoir auf.
Aufgrund des Druckhalteventils kann vor allem auf die Pumpe zum Transport von Wasser aus dem Wasserreservoir in den Anodenkreislauf verzichtet werden, das heißt, dass der Wasseraufbereitungskreislauf pumpenfrei ist. Hierdurch reduziert sich die Komplexität des Elektrolyseursystems und die Zuverlässigkeit steigt Dies ist vor allem für den Einsatz eines Elektrolyseursystems in abgelegenen Regionen von Vorteil, da sich die Instandhaltung des Elektrolyseursystems vereinfacht.
Der Elektrolyseur kann ein Polymerelektrolytmembran-System (PEM-System) oder ein Anionenaustauschmembran-System (A EM -System) oder ein zukünftiges System mit einer Druckdifferenz zwischen Kathode und Anode sein. Dabei weist der Elektrolyseur ein asymmetrisches Druckverhältnis auf, wobei auf der Anodenseite ein Druckniveau nahe dem Umgebungsdruck und auf der Kathodenseite Drücke über 10 bar vorliegen. Die Kathodenseite weist Wasserstoff und Wasser auf, das mittels des osmotischen Widerstands durch die Membran gepresst wird. Bei erhöhtem Druck wird eine größere Wasserstoffmenge in der flüssigen Phase im Wasserstoffabscheider gelöst. Da die flüssige Phase bei hohen Drücken getrennt wird, um den hohen Druck in der Gasphase aufrechtzuerhalten, gast der Wasserstoff aus, sobald der Druck abfällt. Dies geschieht nach einem Ventil vor dem Eintritt in das Wasserreservoir.
Da die Flüssigkeit, also das Wasser, auf der Anodenseite ein Druckniveau nahe dem Umgebungsdruck aufweist und eine zusätzliche Wasserleitung zum Befüllen des Wasserreservoirs einen Druck von einigen Bar Druck hat, ist es möglich, das Wasserreservoir in einem Drucktank mit einem Druck unterhalb der Wasserversorgung der Kathode und/oder der Wasserleitung und oberhalb des Anodenkreislaufs zu beaufschlagen. Das Druckhalteventil regelt somit den Druck im Wasserreservoir in Abhängigkeit der Drücke mit denen das Wasser aus einer Wasserleitung bzw. mit welchem Druckverlust das Wasser aus der Hochdruckleitung kommt. Hierfür liegen in der Hochdruckleitung ein erster Druckabfall und in der Niederdruckleitung ein zweiter Druckabfall vor, wobei der erste Druckabfall wesentlich größer als der zweite Druckabfall ist.
Im Rahmen der Erfindung kann es bei einem Elektrolyseursystem von Vorteil sein, dass in der Niederdruckleitung eine Wasseraufbereitungsanlage angeordnet ist. Dies erhöht die Reinheit des Wassers, welches aufgrund des zweiten Druckabfalls von dem Wasserreservoir in den Sauerstoffabscheider des Anodenkreislaufs strömt Der Reinheitsgrad des Wassers während der Elektrolyse erhöht die Effizienz des Elektrolyseursystems.
Im Rahmen der Erfindung kann bei einem Elektrolyseursystem ferner vorgesehen sein, dass in dem Anodenkreislauf in Strömungsrichtung zwischen dem Sauerstoffabscheider und der Anode eine Zirkulationspumpe und/oder ein Kühler und/oder ein Ionenaustauscher angeordnet ist. Dies erhöht die Effizienz der Elektrolyse.
Es kann zusätzlich bei einem Elektrolyseursystem vorgesehen sein, dass das Druckhalteventil mechanisch ist. Dabei kann das mechanische Druckhalteventil so ausgelegt sein, dass es sich bei einem bestimmten Druck öffnet. Denkbar ist hier auch, dass das Druckventil mechanisch auf verschiedene Drücke voreingestellt werden kann, um sich dann bei dem voreingestellten Druck zu öffnen. Der Einsatz von mechanischen Druckhalteventilen reduziert, aufgrund der geringen Komplexität, die Wartung und Instandhaltungsmaßnahmen des Elektrolyseursystems. Ferner können auch die Kosten des Gesamtsystems reduziert werden.
Ferner kann bei einem Elektrolyseursystem vorgesehen sein, dass das Druckhalteventil über eine Kontrolleinheit des Elektrolyseursystems elektrisch regelbar und/oder steuerbar ist. Mittels eines elektrisch regelbaren und/oder steuerbaren Druckhalteventils kann die Kontrolleinheit das Druckhalteventil in Abhängigkeit des Drucks im System regeln und/oder steuern. Dies lässt ein genaues Einstellen des Elektrolyseursystems zu, sodass die Effizienz der Elektrolyse gesteigert werden kann. Gleichzeitig werden auch mittels eines elektrisch regelbaren und/oder steuerbaren Druckhalteventils die Wartung und Instandhaltungsmaßnahmen sowie die Kosten reduziert.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines Elektrolyseursystems sieht vor, dass in dem Anodenkreislauf ein Temperatursensor und/oder ein Leitfähigkeitssensor und/oder dass in dem Kathodenkreislauf ein Temperatursensor und/oder ein Leitfähigkeitssensor und/oder dass in dem Wasseraufbereitungskreislauf ein Temperatursensor und/oder ein Leitfähigkeitssensor vorgesehen sind. Die Sensordaten ermöglichen eine genaue Überwachung der Funktionsweise des Elektrolyseursystems, und erhöhen somit die Sicherheit des Elektrolyseursystems.
Im Rahmen der Erfindung ist es bei einem Elektrolyseursystem optional möglich, dass ein elektrochemischer Sensor zur Messung der Gaszusammensetzung in dem Wasserreservoir des Wasseraufbereitungskreislaufes vorgesehen ist. Aufgrund der Messung der Gaszusammensetzung wird die Sicherheit des Elektrolyseursystems erhöht, da schon frühzeitig erkannt wird, ob sich der Wasserstoffgehalt im Wasserreservoir einer Explosionsgrenze nähert.
Ferner kann im Rahmen der Erfindung bei einem vorteilhaften Elektrolyseursystem vorgesehen sein, dass die Kontrolleinheit zum Regeln und/oder Steuern des Druckhalteventils des Elektrolyseursystems derart ausgebildet ist, dass die Kontrolleinheit in Abhängigkeit der erfassten Sensordaten der Temperatursensoren und/oder Leitfähigkeitssensoren in dem Anodenkreislauf und/oder Temperatursensoren und/oder Leitfähigkeitssensoren in dem Kathodenkreislauf und/oder Temperatursensoren und/oder Leitfähigkeitssensoren in dem Wasseraufbereitungskreislauf das Druckhalteventil ansteuert.
Dies ermöglicht eine genaue Regelung und/oder Steuerung des Druckhalteventils und somit eine genaue Anpassung des Drucks im Elektrolyseursystem in Abhängigkeit der Temperaturen und Drücke im gesamten Elektrolyseursystem bzw. ein frühzeitiges Eingreifen in das Elektrolyseursystem im Falle eines schlagartigen Druckabfalls oder Druckaufbaus. Somit wird nicht nur die Effizienz gesteigert, sondern auch die Sicherheit erhöht.
Des Weiteren wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Regeln und/oder Steuern eines oben beschriebenen Elektrolyseursystems, aufweisend den folgenden Schritt, vorgeschlagen:
Halten eines Drucks in dem Wasserreservoir auf einem vorgegebenen Druck, durch Entlüften des Druckhalteventils bei Überschreiten des vorgegebenen Drucks. Mit dem Verfahren zum Regeln und/oder Steuern eines oben beschriebenen Elektrolyseursystems können die gleichen Vorteile erreicht werden, wie sie ausführlich zuvor zu dem Elektrolyseursystem beschrieben worden sind.
Durch das Regeln und/oder Steuern des Druckes werden die Drücke und Druckdifferenzen im Elektrolyseursystem gehalten. Das Entlüften sorgt dafür, dass der Druck im Wasseraufbereitungskreislauf immer konstant gehalten wird, sodass das Elektrolyseursystem immer im optimalen Druckzustand ist.
In Bezug auf die vorliegende Erfindung ist es vorstellbar, dass das Druckhalteventil über eine Kontrolleinheit des Elektrolyseursystems elektrisch geregelt und/oder gesteuert wird.
Die Kontrolleinheit lässt ein genaues und schnelles Regeln und/oder Steuern des Druckhalteventils zu. Dabei kann die Kontrolleinheit schnell auf die jeweiligen Begebenheiten des Anodenkreislaufs und/oder Kathodenkreislaufs und/oder Wasseraufbereitungskreislaufs eingehen.
Ferner ist es vorstellbar, dass das Druckhalteventil über die Kontrolleinheit in Abhängigkeit der erfassten Sensordaten der Temperatursensoren und/oder Leitfähigkeitssensoren in dem Anodenkreislauf und/oder Temperatursensoren und/oder Leitfähigkeitssensoren in dem Kathodenkreislauf und/oder Temperatursensoren und/oder Leitfähigkeitssensoren in dem Wasseraufbereitungskreislauf das Druckventil elektrisch geregelt und/oder gesteuert wird.
Dies ermöglicht eine genaue Regelung und/oder Steuerung des Druckhalteventils und somit eine genaue Anpassung des Drucks im Elektrolyseursystem in Abhängigkeit der Temperaturen und Drücke im gesamten Elektrolyseursystem bzw. ein frühzeitiges Eingreifen in das Elektrolyseursystem im Falle eines schlagartigen Druckabfalls oder Druckaufbaus. Somit wird nicht nur die Effizienz gesteigert, sondern auch die Sicherheit erhöht. Im Rahmen der Erfindung kann es bei einem Verfahren von Vorteil sein, dass das Druckhalteventil den Druck im Wasserreservoir so hält oder über die Kontrolleinheit so geregelt und/oder gesteuert wird, dass der Druck in dem Wasseraufbereitungskreislauf 1 bis 6 bar, vorzugsweise 1 ,5 bis 4,5 bar, weiter vorzugsweise 2 bis 3 bar, über dem Druck in dem Anodenkreislauf liegt.
Der aufgrund des Drucks in dem Wasseraufbereitungskreislauf entstehende Druckunterschied führt zu einem optimalen Fluss des Wassers aus dem Wasserreservoir des Wasseraufbereitungskreislaufs zu dem Sauerstoffabscheider des Anodenkreislaufs. Der Druck stellt die Effizienz der Reaktion im Elektrolyseur sicher.
Bevorzugt kann bei einem Verfahren zusätzlich vorgesehen sein, dass das Druckhalteventil den Druck im Wasserreservoir so hält oder über die Kontrolleinheit so geregelt und/oder gesteuert wird, dass der Druck in dem Anodenkreislauf zwischen 1 bis 5 bar liegt.
Dabei spielen auch die Druckdifferenzen in dem Anodenkreislauf eine Rolle. Dieser liegt zwischen 2 bis 3 bar und entsteht aufgrund der Strömungsverluste durch die Leitungen und die verschiedenen integrierten Bauteile, wie beispielsweise eine Zirkulationspumpe, ein Kühler und/oder ein Ionenaustauscher vor der Anode und der Reaktion in der Anode.
Dieser relativ geringe Druck im Anodenkreislauf ermöglicht es, dass Druckgefälle zwischen dem Anodenkreislauf und dem Wasseraufbereitungskreislauf einfach zu erzeugen und konstant zu halten. Dadurch kann das Wasser aus dem Wasserkreislauf effizient in den Sauerstoffabscheider des Anodenkreislaufs fließen.
Es kann im Rahmen der Erfindung bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass das Druckhalteventil den Druck im Wasserreservoir so hält oder über die Kontrolleinheit so geregelt und/oder gesteuert wird, dass der Druck in dem Kathodenkreislauf zwischen 10 bis 50 bar liegt. Je größer die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode, desto schneller kann das Wasser durch den osmotischen Widerstand durch die Membran gepresst werden.
Es kann ferner bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass durch die Kontrolleinheit ein Not-Aus ausgelöst wird, wenn die Kontrolleinheit durch den elektrochemischen Sensor im Wasserreservoir eine Gaszusammensetzung mit einem Wasserstoffgehalt über 4 % oder unter 77 % erfasst. Die Spanne kann zur Erhöhung der Sicherheit auch größer als die Explosionsgrenze gewählt werden.
Dabei kann das Druckhalteventil geöffnet werden, um das Wasserreservoir zu entlüften, also den Wasserstoff entweichen zu lassen, um eine Explosion zu verhindern.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist die Erfindung in den folgenden Figuren gezeigt:
Zeichnung
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Elektrolyseursystems;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Regeln und/oder
Steuern eines Elektrolyseursystems.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 ist ein Elektrolyseursystem 10 mit einem Elektrolyseur 11 und einem Wasseraufbereitungskreislauf 12 dargestellt. Dabei weist der Elektrolyseur 11 einen Anodenkreislauf 13 und einen Kathodenkreislauf 14 auf, wobei der Anodenkreislauf 13 mindestens eine Anode 15 und einen Sauerstoffabscheider 16 zum Abscheiden von Sauerstoff aufweist, und wobei der Kathodenkreislauf 14 mindestens eine Kathode 17 und einen Wasserstoffabscheider 18 zum Abscheiden von Wasserstoff aufweist Dabei ist eine Hochdruckleitung 21 zum Transport von Reinstwasser 22 aus der Kathode 17 über den Wasserstoffabscheider 18 des Kathodenkreislaufs 14 zu dem Wasserreservoir 19 des Wasseraufbereitungskreislaufs 12 vorgesehen. Zum Transport von Wasser 25 aus dem Wasserreservoir 19 des Wasseraufbereitungskreislaufs 12 über den Sauerstoffabscheider 16 zu der Anode 15 des Anodenkreislaufs 13 ist eine Niederdruckleitung 24 vorgesehen. Der Wasseraufbereitungskreislauf 12 weist ein Wasserreservoir 19 mit einem Druckhalteventil 20 zum Halten eines Drucks in dem Wasserreservoir 19 auf. Das Druckhalteventil 20 ermöglicht einen pumpenfreien Wasseraufbereitungskreislauf 12, sodass dieser und damit einhergehend das gesamte Elektrolyseursystem 10 eine geringere Komplexität aufweist.
Zum Reinigen und Aufbereiten des Wassers 25 aus dem Wasseraufbereitungskreislauf 12 ist in der Niederdruckleitung 24 eine Wasseraufbereitungsanlage 27 angeordnet.
Zum effizienten Durchführen der Elektrolyse im Elektrolyseur 11 ist in dem Anodenkreislauf 13 in Strömungsrichtung zwischen dem Sauerstoffabscheider 16 und der Anode 15 eine Zirkulationspumpe 29 und/oder ein Kühler 30 und/oder ein Ionenaustauscher 31 angeordnet.
Für den Einsatz in einem abgelegenen Gebiet kann das Druckhalteventil 20 mechanisch sein. In dem hier gezeigten Beispiel ist das Druckhalteventil 20 über eine Kontrolleinheit 39 des Elektrolyseursystems 10 elektrisch regelbar und/oder steuerbar.
Zur Erhöhung der Sicherheit und zur Überwachung des Elektrolyseursystems 10 sind in dem Anodenkreislauf 13 ein Temperatursensor 32 und ein Leitfähigkeitssensor 33 und in dem Kathodenkreislauf 14 ein Temperatursensor 34 und ein Leitfähigkeitssensor 35 und in dem Wasseraufbereitungskreislauf 12 ein Temperatursensor 36 und ein Leitfähigkeitssensor 37 vorgesehen. Möglich wäre es hier auch nur jeweils einen Sensor 32-37 pro Kreislauf 12, 13, 14 oder nur in einem Kreislauf 12, 13, 14 einen Temperatursensor 32, 34, 36 und ein Leitfähigkeitssensor 33, 35, 37 vorzusehen. Diese Werte werden von der Kontrolleinheit 39 erfasst und verarbeitet und weitergegeben. Hierfür steht die Kontrolleinheit 39 mit dem Wasseraufbereitungskreislauf 12, dem Anodenkreislauf 13 und dem Kathodenkreislauf 14 in Verbindung, um die Daten der Temperatursensoren 32, 34, 36 und der Leitfähigkeitssensoren 33, 35, 37 austauschen zu können. Dies kann beispielsweise über Bluetooth oder eine Kabelverbindung bewerkstelligt werden.
Die dargestellte Kontrolleinheit 39 zum Regeln und/oder Steuern des Druckhalteventils 20 des Elektrolyseursystems 10 ist dabei derart ausgebildet, dass die Kontrolleinheit 39 in Abhängigkeit der erfassten Sensordaten der Temperatursensoren 32 und/oder Leitfähigkeitssensoren 33 in dem Anodenkreislauf 13 und/oder Temperatursensoren 34 und/oder Leitfähigkeitssensoren 35 in dem Kathodenkreislauf 14 und/oder Temperatursensoren 36 und/oder Leitfähigkeitssensoren 37 in dem Wasseraufbereitungskreislauf 12 das Druckhalteventil 20 ansteuert.
Zusätzlich ist ein elektrochemischer Sensor 38 zur Messung der Gaszusammensetzung in dem Wasserreservoir 19 des Wasseraufbereitungskreislaufes 12 vorgesehen.
Fig. 2 zeigt das Verfahren 100 zum Regeln und/oder Steuern 130 eines Elektrolyseursystems 10 gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend den folgenden Schritt:
Halten 110 eines Drucks in dem Wasserreservoir 19 auf einem vorgegebenen Druck, durch Entlüften 120 des Druckhalteventils 20 bei Überschreiten des vorgegebenen Drucks.
Dabei kann das Druckhalteventil 20 über eine Kontrolleinheit 39 des Elektrolyseursystems 10 elektrisch geregelt und/oder gesteuert 130 werden.
Beispielsweise kann das Druckhalteventil 20 über die Kontrolleinheit 39 in
Abhängigkeit der erfassten Sensordaten der Temperatursensoren 32 und/oder Leitfähigkeitssensoren 33 in dem Anodenkreislauf 13 und/oder Temperatursensoren 34 und/oder Leitfähigkeitssensoren 35 in dem Kathodenkreislauf 14 und/oder Temperatursensoren 36 und/oder Leitfähigkeitssensoren 37 in dem Wasseraufbereitungskreislauf 12 das Druckventil elektrisch geregelt und/oder gesteuert 130 werden.
Im Allgemeinen kann das Druckhalteventil 20 den Druck im Wasserreservoir 19 so halten, dass der Druck in dem Wasseraufbereitungskreislauf 12 1 bis 6 bar über dem Druck in dem Anodenkreislauf 13 liegt. Dabei hält das Druckhalteventil 20 den Druck in dem Anodenkreislauf 13 zwischen 1 bis 5 bar und den Druck in dem Kathodenkreislauf 14 zwischen 10 bis 50 bar.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird allerdings das Druckventil über die Kontrolleinheit 39 so geregelt und/oder gesteuert 120, dass der Druck in dem Wasseraufbereitungskreislauf 12 1 bis 6 bar über dem Druck in dem Anodenkreislauf 13 liegt und in diesem Bereich gehalten 110 wird, wobei der Druck im Anodenkreislauf 13 so geregelt und/oder gesteuert 130 wird, dass er zwischen 1 bis 5 bar liegt. Zusätzlich wird über die Kontrolleinheit 39 das Druckhalteventil 20 so geregelt und/oder gesteuert 130, dass der Druck in dem Kathodenkreislauf 14 zwischen 10 bis 50 bar liegt. Auch hier wird der Druck im Wasserreservoir gehalten 110 und erst, wenn der Druck den vorgegebenen Druck überschreitet, regelt und/oder steuert 130 die Kontrolleinheit das Druckhaltventil so, dass das Wasserreservoir entlüftet 120 wird.
Ferner kann durch die Kontrolleinheit 39 ein Not-Aus ausgelöst werden, wenn die Kontrolleinheit 39 durch den elektrochemischen Sensor 38 im Wasserreservoir 19 eine Gaszusammensetzung mit einem Wasserstoffgehalt über 4 % oder unter 77 % erfasst.

Claims

Ansprüche
1 . Elektrolyseursystem (10) mit einem Elektrolyseur (11) und einem Wasseraufbereitungskreislauf (12), wobei der Elektrolyseur (11) einen Anodenkreislauf (13) und einen Kathodenkreislauf (14) aufweist, wobei der Anodenkreislauf (13) mindestens eine Anode (15) und einen Sauerstoffabscheider (16) zum Abscheiden von Sauerstoff aufweist, und wobei der Kathodenkreislauf (14) mindestens eine Kathode (17) und einen Wasserstoffabscheider (18) zum Abscheiden von Wasserstoff aufweist, und wobei eine Hochdruckleitung (21) zum Transport von Reinstwasser (22) aus der Kathode (17) über den Wasserstoffabscheider (18) des Kathodenkreislaufs (14) zu einem Wasserreservoir (19) des Wasseraufbereitungskreislaufs (12) vorgesehen ist, und wobei eine Niederdruckleitung (24) zum Transport von Wasser (25) aus dem Wasserreservoir (19) des Wasseraufbereitungskreislaufs (12) über den Sauerstoffabscheider (16) zu der Anode (15) des Anodenkreislaufs (13) vorgesehen ist, wobei der Wasseraufbereitungskreislauf (12) ein Wasserreservoir (19) mit einem Druckhalteventil (20) zum Halten eines Drucks in dem Wasserreservoir (19) aufweist.
2. Elektrolyseursystem (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Niederdruckleitung (24) eine Wasseraufbereitungsanlage (27) angeordnet ist.
3. Elektrolyseursystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Anodenkreislauf (13) in Strömungsrichtung zwischen dem Sauerstoffabscheider (16) und der Anode (15) eine Zirkulationspumpe (29) und/oder ein Kühler (30) und/oder ein Ionenaustauscher (31) angeordnet ist.
4. Elektrolyseursystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckhalteventil (20) mechanisch ist.
5. Elektrolyseursystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckhalteventil (20) über eine Kontrolleinheit (39) des Elektrolyseursystems (10) elektrisch regelbar und/oder steuerbar ist.
6. Elektrolyseursystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Anodenkreislauf (13) ein Temperatursensor und/oder ein Leitfähigkeitssensor und/oder dass in dem Kathodenkreislauf (14) ein Temperatursensor und/oder ein Leitfähigkeitssensor und/oder dass in dem Wasseraufbereitungskreislauf (12) ein Temperatursensor und/oder ein Leitfähigkeitssensor vorgesehen sind.
7. Elektrolyseursystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrochemischer Sensor (38) zur Messung der Gaszusammensetzung in dem Wasserreservoir (19) des Wasseraufbereitungskreislaufes (12) vorgesehen ist,
8. Elektrolyseursystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (39) zum Regeln und/oder Steuern (130) des Druckhalteventils (20) des Elektrolyseursystems (10) derart ausgebildet ist, dass die Kontrolleinheit (39) in Abhängigkeit der erfassten Sensordaten der Temperatursensoren (32) und/oder Leitfähigkeitssensoren (33) in dem Anodenkreislauf (13) und/oder Temperatursensoren (34) und/oder Leitfähigkeitssensoren (35) in dem Kathodenkreislauf (14) und/oder Temperatursensoren (36) und/oder Leitfähigkeitssensoren (37) in dem Wasseraufbereitungskreislauf (12) das Druckhalteventil (20) ansteuert.
9. Verfahren (100) zum Regeln und/oder Steuern (130) eines Elektrolyseursystems (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend den folgenden Schritt:
Halten (110) eines Drucks in dem Wasserreservoir (19) auf einem vorgegebenen Druck durch Entlüften (120) des Druckhalteventils (20) bei Überschreiten des vorgegebenen Drucks.
10. Verfahren (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckhalteventil (20) über eine Kontrolleinheit (39) des Elektrolyseursystems (10) elektrisch geregelt und/oder gesteuert (130) wird.
11 . Verfahren (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckhalteventil (20) über die Kontrolleinheit (39) in Abhängigkeit der erfassten Sensordaten der Temperatursensoren (32) und/oder Leitfähigkeitssensoren (33) in dem Anodenkreislauf (13) und/oder Temperatursensoren (34) und/oder Leitfähigkeitssensoren (35) in dem Kathodenkreislauf (14) und/oder Temperatursensoren (36) und/oder Leitfähigkeitssensoren (37) in dem Wasseraufbereitungskreislauf (12) das Druckventil elektrisch geregelt und/oder gesteuert (130) wird.
12. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Druckhalteventil (20) den Druck im Wasserreservoir (19) so hält oder über die Kontrolleinheit (39) so geregelt und/oder gesteuert (130) wird, dass der Druck in dem Wasseraufbereitungskreislauf (12) 1 bis 6 bar, vorzugsweise 1 ,5 bis 4,5 bar, weiter vorzugsweise 2 bis 3 bar, über dem Druck in dem Anodenkreislauf (13) liegt.
13. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckhalteventil (20) den Druck im Wasserreservoir (19) so hält oder über die Kontrolleinheit (39) so geregelt und/oder gesteuert (130) wird, dass der Druck in dem Anodenkreislauf (13) zwischen 1 bis 5 bar liegt.
14. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckhalteventil (20) den Druck im Wasserreservoir (19) so hält oder über die Kontrolleinheit (39) so geregelt und/oder gesteuert (130) wird, dass der Druck in dem Kathodenkreislauf (14) zwischen 10 bis 50 bar liegt.
15. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kontrolleinheit (39) ein Not-Aus ausgelöst wird, wenn die Kontrolleinheit (39) durch den elektrochemischen Sensor (38) im Wasserreservoir (19) eine Gaszusammensetzung mit einem Wasserstoffgehalt über 4 % oder unter 77 % erfasst.
EP24720126.2A 2023-04-18 2024-04-16 Elektrolyseursystem sowie verfahren zum regeln und/oder steuern eines elektrolyseursystems Pending EP4698694A1 (de)

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