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Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseanlage zum Umsetzen von Wasser im Rahmen einer Protonen-Austausch-Membran-, PEM-, Elektrolyse oder einer Anionen-Austausch-Membran-, AEM-, Elektrolyse, sowie ein Verfahren zum Bereitstellen einer solchen Elektrolyseanlage.
Stand der Technik
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Zur Gewinnung von Wasserstoff kann die sog. Elektrolyse eingesetzt werden, bei der Wasser durch elektrische Energie in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespaltet bzw. umgesetzt wird. Hierbei wird auch von der Wasser-Elektrolyse gesprochen. Hier kommt z.B. die sog. Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse, "Proton Exchange Membrane"-Elektrolyse) in Betracht. In diesem Zusammenhang ist auch von PEM-Elektrolyseanlagen oder PEM-Elektrolyseuren die Rede. Typischerweise weist eine solche Elektrolyseanlage einen oder mehreren sog. PEM-Stacks auf; ein PEM-Stack weist wiederum mehrere Elektrolysezellen mit je einer Protonen-Austausch-Membran auf. Daneben gibt es auch die sog. Anionen-Austausch-Membran-Elektrolyse (AEM-Elektrolyse, "Anion Exchange Membrane"-Elektrolyse)
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Ein Großteil des Wassers verbleibt bei der PEM-Elektrolyse z.B. in der Regel auf der Sauerstoffseite (Anode) der Membran. Während der Wasserstoff auf der anderen Seite der Membran (Kathode) erzeugt und abgeführt wird, verbleibt der Sauerstoff in Blasenform zunächst im Wasser und wird danach typischerweise in einem Behälter aus dem Wasser als kontinuierliche Phase abgeschieden. Der Druck an der Kathode (Wasserstoffseite bzw. Wasserstoffbildung) liegt hier typischerweise bei über 20 barg oder auch über 30 barg, teils bei bis zu 100 barg. An der Anode (Sauerstoffseite bzw. Wasseraufspaltung) liegt der Druck des Sauerstoffproduktes hingegen unterhalb des Druckes auf der Kathodenseite, z.B. leicht über Atomsphärendruck. Dies erlaubt es, eine Verunreinigung des Wasserstoffs mit Sauerstoff zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Der auf der Sauerstoffseite liegende Teil der Elektrolyseanlage kann dabei grundsätzlich auch auf niedrigere Drücke ausgelegt werden. Hierbei wird auch von einem sog. Differenzdruck-Design der Elektrolyseanlage gesprochen
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Beim Betrieb der Elektrolyseanlage kann nicht vermieden werden, dass Wasserstoff zu einem gewissen Teil auf die Sauerstoffseite zurück diffundiert oder anderweitig, z.B. aufgrund von Defekten oder Rissen in der Membran, dorthin gelangt. Wie sich gezeigt hat, sind selbst faserverstärkte Membranen nicht absolut reißfest. Es kann also ein explosives Gasgemisch entstehen, das sich unter Umständen entzünden und durch die entstehende Explosion die Elektrolyseanlage beschädigen kann. Dies führt dazu, dass zumindest ein Teil der Anlage, die sich in der Nähe z.B. der PEM-Stacks befinden, insbesondere Rohrleitungen und dergleichen, aufgrund des Explosions- oder Detonationsrisikos für hohe Drücke ausgelegt werden müssen. Trotz des geringen Betriebsdrucks auf der Sauerstoffseite lassen sich damit also keine Kosten einsparen, indem entsprechende Teile der Anlage für den geringen Betriebsdruck ausgelegt werden.
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Außerdem wird die Flexibilität der Anlage erheblich reduziert, da die Auslegung auf sehr hohe Betriebsdrücke dazu führt, dass das Design für eine bestimmte Anzahl bzw. geometrische Anordnung an Stacks dies wiederum mit einer bestimmten Anzahl an Elektrolysezellen, ausgelegt wird oder auch werden muss.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine bessere Möglichkeit für eine Elektrolyseanlage bzw. deren Bereitstellung anzugeben, insbesondere um die Elektrolyseanlage variabler und/oder wirtschaftlicher zu machen.
Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch eine Elektrolyseanlage und ein Verfahren zum Bereitstellen einer Elektrolyseanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung beschäftigt sich mit der Wasser-Elektrolyse sowie Elektrolyseanlagen bzw. deren Betrieb sowie deren Bereitstellung, also der Installation von Elektrolyseanlagen. Das Verfahren und die Anlage sollen nachfolgend übergreifend beschrieben werden.
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Solche Elektrolyseanlagen dienen typischerweise dem Erzeugen oder Gewinnen von Wasserstoff mittels Elektrolyse. Bei der sog. Wasser-Elektrolyse wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt (gespalten), d.h. neben Wasserstoff wird also zugleich auch immer Sauerstoff gewonnen bzw. erzeugt. Bei der Wasser-Elektrolyse gibt es verschiedene Arten der Elektrolyse, wobei sich die vorliegende Erfindung mit der sog. Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse, "Proton Exchange Membrane"-Elektrolyse) beschäftigt. Die Grundlagen hierzu sind an sich bekannt, z.B. aus " Bessarabov et al: PEM electrolysis for Hydrogen production. CRC Press." Die vorgeschlagene Erfindung ist aber ebenfalls auf die sog. Anionen-Austausch-Membran (AEM-Elektrolyse) anwendbar, die ähnlich funktioniert.
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Die Elektrolyseanlage und davon insbesondere die nächstkleinere Konstruktionseinheit "Elektrolysemodul" weist einen oder mehrere Stacks auf; je nach Art der Elektrolyseanlage handelt es sich hierbei um PEM-Stacks oder AEM-Stacks. Der eine oder jeder der mehreren Stacks weist dabei jeweils mehrere Elektrolysezellen mit einer Membran auf; je nach Art der Elektrolyseanlage handelt es sich hierbei um eine Protonen-Austausch-Membran oder eine Anionen-Austausch-Membran. Die einzelnen Elektrolysezellen mit ihrer Membran sind dabei typischerweise von flächiger Bauweise, mehrere davon sind dann übereinandergestapelt und bilden einen Stack. Insbesondere können sog. Bipolarplatten dann zwischen zwei benachbarten Membranen vorgesehen sein.
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Bei der Elektrolyse (gilt insbesondere für PEM- und AEM-Elektrolyse) wird Wasser, und zwar insbesondere demineralisiertes Wasser, als Einsatzmedium den Elektrolysezellen zugeführt, in denen das Einsatzmedium, also das Wasser, in Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt (gespalten) wird. Anders als bei PEM-Stacks kommt bei AEM-Stacks vorzugsweise 0,01- bis 3-molare Natron- oder Kalilauge als Elektrolyt und Kühlmittel zum Einsatz, deren Konzentration durch Wasserzufuhr zumindest näherungsweise konstant gehalten wird
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Ein Großteil des Wassers verbleibt bei der Elektrolyse, wie erwähnt, in der Regel auf der Sauerstoffseite der Membran. Während der Wasserstoff auf der anderen Seite der Membran erzeugt und abgeführt wird, verbleibt der Sauerstoff zunächst in Blasenform im Wasser und wird danach typischerweise, als sauerstoffhaltiger Fluidstrom, einem Behälter, dem sog. Sauerstoffstoffabscheider, zugeführt. Dort wird der gasförmige Sauerstoff aus dem Wasser als kontinuierliche Phase abgeschieden, es wird ein sog. Sauerstoffproduktstrom erhalten, der typischerweise in die Atmosphäre geblasen wird und/oder weiterer Nutzung zugeführt werden kann.
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Ein Fluidstrom, der hauptsächlich Wasser enthält, wird vom Sauerstoffabscheider dann der Elektrolysezellen wieder zugeführt. Hierbei handelt es sich also um einen Kreislauf, jedenfalls bezogen auf das Wasser. Ein wasserstoffhaltiger Fluidstrom wird von einer Wasserstoffseite den Elektrolysezellen einem Wasserstoffabscheider zugeführt wird. Anders als bei dem sauerstoffhaltigen Fluidstrom ist der Anteil an Wasser im wasserstoffhaltigen Fluidstrom typischerweise deutlich geringer, trotzdem kann Wasser enthalten sein, das zusammen mit dem Wasserstoff durch die Membrane transportiert wurde.
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Vom Wasserstoffabscheider wird der Wasserstoff vom Wasser abgeschieden, es wird ein sog. Wasserstoffproduktstrom erhalten, der typischerweise zur weiteren Verwendung vorgesehen ist, und hierzu zunächst z.B. aufgereinigt und/oder gespeichert wird.
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Zudem weist die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage einen Druckbehälter auf, der mit Stickstoff - und zwar insbesondere gasförmigem Stickstoff - befüllt ist, oder der eingerichtet ist, mit Stickstoff befüllt zu werden. Bei Betrieb der Elektrolyseanlage jedenfalls ist der Druckbehälter dann mit Stickstoff befüllt. Der eine oder die mehreren Stacks - und damit die mitunter sehr hohen Anzahl an Zellen - sind hierbei in dem Druckbehälter angeordnet.
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Die einzelnen Stacks müssen daher nur gegen einen geringen Außendruck mechanisch ausgelegt sein bzw. werden, da etwaige Probleme durch Explosionen bzw. Detonationen durch den - zumindest beim Betrieb - vorhandenen Stickstoff unterbunden werden. Damit können deutlich effizientere Elektrolysezellen, insbesondere mit sehr dünner Membrane, verwendet bzw. verbaut werden. So kann die Membran z.B. dünner als 100 µm oder sogar dünner als 55 µm sein. Zudem kann eine Vielzahl an Stacks mit einem Prozesswassermodul inkl. Kühlfunktion verschaltet werden. So ist es beispielsweise besonders einfach möglich, mehr als 300, ggf. mehr als 500 oder sogar bis zu 800 oder mehr Zellen seriell zu verschalten. Dies können, je nach Art, z.B. zwei bis 20 Stacks sein, die elektrisch in Serie geschaltet sind und die zusammen in einem Druckbehälter angeordnet sind. Die deutlich geringere resultierende Zellspannung überkommt damit den herkömmlicherweise bei angehobenem Sauerstoff-Produktdruck auftretende höhere Zelldegradation.
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In einer Ausführungsform sind die Elektrolysezellen je Stack horizontal angeordnet, d.h. die einzelnen, flächigen Elektrolysezellen erstrecken sich zumindest im Wesentlichen in einer (auf die Gravitation bezogen) horizontalen Ebene. Ebenso denkbar ist, dass die Elektrolysezellen je Stack vertikal angeordnet sind, d.h. die einzelnen, flächigen Elektrolysezellen erstrecken sich zumindest im Wesentlichen in einer (auf die Gravitation bezogen) vertikalen Ebene. Denkbar ist auch eine Kombination aus horizontal und vertikal ausgerichteten Stacks.
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In einer Ausführungsform sind der eine oder die mehreren Stacks auf einem Rack, insbesondere einem jeweiligen Rack, vormontiert und damit in den Druckbehälter einbringbar. Das Rack bzw. die Racks sind dann besonders einfach in den Druckbehälter einschiebbar, sodass eine einfache Installation der Elektrolyseanlage erreicht wird.
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In einer Ausführungsform ist ein Druck in dem Druckbehälter variabel einstellbar. Dies erlaubt es insbesondere, den Druck des Stickstoffs in dem Druckbehälter möglichst genau auf einen Mindestdruck für den Wasserstoff, der entsteht, einzustellen, d.h. der Druck des Stickstoffs kann auf einen Wert eingestellt werden, der um höchstens einen vorgegebenen Wert größer als der Druck auf der Wasserstoffseite ist, insbesondere aber trotzdem (geringfügig) größer als der Druck auf der Wasserstoffseite. Dieser vorgegebene Wert kann z.B. 10, 100 oder 500 mbar oder auch mehr betragen. Anders betrachtet, kann also der Druck des Wasserstoffs (auf der Wasserstoffseite der Elektrolysezellen; der Wasserstoffproduktdruck) auf einen mit nur geringem negativen Offset (gegenüber dem Druck des Stickstoffs) verbundenen Wert eingestellt werden, und zwar insbesondere variabel. Dabei kann der (absolute) Druck z.B. auf einen Wert zwischen 5 bar und 100 bar eingestellt werden. Damit sind weder eine nachgeschaltete Produktgas-Kompression noch eine Drosselung oder Entspannung nötig, wodurch die Stacks mechanisch nur so stark belastet werden wie nötig.
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Der Druck des Stickstoffs kann bei Bedarf auch erhöht oder erniedrigt werden, auch bereits nach gewisser Laufzeit der Elektrolyseanlage, um so die Anpresskräfte anzupassen, falls nötig. Die Gegendruckerzeugung mit Stickstoff gegenüber den Wasserstoff- und Sauerstoff-Produktdrücken ermöglicht die Wahl einer erheblich simpleren und leichteren Einspannstruktur der Zellen zu Stacks. Insbesondere muss diese nicht den kompletten Druckbereich atmosphärisch bis Betriebsdruck bzw. Designdruck kompensieren. Mit dem Druckbehälterkonzept wird eine weitgehende Kopplung der Aufgaben Gasproduktion bzw. Separation und Abdichtung unter Druck erreicht.
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In einer Ausführungsform werden sowohl die Anodenseite (Sauerstoffseite) als auch die Kathodenseite (Wasserstoffseite) wasserdurchströmt, da dann auch über die weitgehende Symmetrie eine lokale Druckdifferenz innerhalb der einzelnen Elektrolysezelle (in Strömungsrichtung) minimiert werden kann. Die Durchströmung reduziert das Risiko von Totwasserzonen, in denen sich die lonenkonzentration erhöhen und damit das Auftreten schädlicher Kriechströme ermöglicht.
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Die verschleißtechnisch kritischeren, jeweils äußeren Elektrolysezellen eines Stacks, z.B. die äußeren drei oder fünf oder zehn Elektrolysezellen, sind in einer Ausführungsform dicker ausgebildet, z.B. um bis zu 30% oder bis zu 50%, als die anderen Elektrolysezellen. Dies gilt insbesondere auch für die Membran, d.h. die Membran ist dann dicker. Damit sind diese Elektrolysezellen stabiler. Auch können diese äußeren Elektrolysezellen mit größeren Öffnungen versehen sein, so dass ein spezifisch größerer Wasserstrom zu Kühlung bereitsteht.
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In einer Ausführungsform sind bzw. werden Dehnungsmesssteifen auf dem einen oder jedem der mehreren Stacks angebracht. Dies kann z.B. in einer Ebene kritischer Elektrolysezellplatten oder den Endplatten zur Erfassung mechanischer Spannungen dienen, um so bei Bedarf Gegenmaßnahmen wie eine Verringerung der Temperaturdifferenz des Wassers zwischen Eintrifft und Austritt eines Stacks (Erhöhung Wasserumlauf bzw. Reduzierung der resultierenden Stackbetriebsspannung) zu ermöglichen.
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In einer Ausführungsform ist auf der Kathoden- bzw. Wasserstoffseite ein Wasser-Polisher (also eine Wasser-Reinigung oder Wasser-Aufbereitung) angeordnet. Der höhere Sauerstoff-Partialdruck sorgt für eine größere Sauerstoff-Konzentration an der Wasserstoff-bildenden Kathode. Damit sind sowohl die Wahrscheinlichkeit zur Bildung von Peroxiden gemäß Massenwirkungsgesetz erhöht, als auch ist eine erhöhte Fluoridfreisetzung zu erwarten. Um eine Folgereaktionen mit Verrohrung und Apparaten zu minimieren, ist der kathodenseitige Wasserstrom vorzugsweise unmittelbar geeignet zu behandeln, d.h. insbesondere pro Modul
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In einer Ausführungsform ist ein Anwärmer in einem Stickstoffspülkreislauf vorgesehen; dies kann als Maßnahme verwendet werden, um das Wärmeprofil im Druckbehälter anzupassen und somit z.B. einen schnelleren Start-Up (d.h. Hochlauf) zu ermöglichen.
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In einer Ausführungsform ist eine Stickstoffzuleitung, also eine Zuleitung für den Stickstoff zum Druckbehälter, derart angeordnet, dass diese sich im kältesten Bereich des einen oder zumindest eines der mehreren Stacks (also beim Wassereinlauf) und/oder in ebener Führung befindet, um eine Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und der Stickstofftemperatur so klein wie möglich zu halten.
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In einer Ausführungsform weist der eine oder jeder der mehreren Stacks eine Druckdifferenz, insbesondere eine geringe Druckdifferenz von idealerweise max. 500 mbar, zwischen Anoden- und Kathodenraum auf. Damit können eine Bipolarplatte und vor allem die Membran mit geringen Wandstärken ausgelegt werden, was die innere elektrische Leitfähigkeit und auch die Wärmeleitfähigkeit steigert. Damit fällt die Membrankerntemperatur geringer aus als bei dickeren Membranen mit einem größeren Abstand zum kühlenden Prozesswasser.
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Die einzelnen Stacks bauen somit auf Elektrolysezellen auf, die besonders effizient arbeiten, insbesondere deutlich effizienter als bei herkömmlichen Elektrolyseanlagen ohne die Verwendung eines Druckbehälters mit Stickstoff. Damit kann die spezifische Mindestumlaufwassermenge bei - im Vergleich zu herkömmlichen Elektrolyseanlagen - identischen, bewährten Eintritts- und Austrittstemperaturen abgesenkt werden. Durch die deutlich dünnere Membran sind Nachteile der Leitfähigkeit bei geringeren Eintrittstemperaturen (bei konstanter
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Austritts- bzw. Regelungstemperatur) wenig ausschlaggebend. Somit kann eine größere Anzahl von Stacks mit einem Prozesswassermodul verbunden werden, dass eine fixe maximale Wasserumlaufmenge besitzt. Der angehobene Sauerstoffdruck kompensiert den größeren Sauerstofffluss.
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Für die Auswahl von abweichenden Betriebsdrücken müssen bei der vorgeschlagenen Elektrolyseanlage der Stacks bzw. wesentliche Bauelemente wie Dichtungen und Einspannung nicht kostenintensiv neu entwickelt bzw. ausgelegt werden, sondern nur die Produktleitungen und Instrumentierung, was verhältnismäßig einfach ist. Die Adaption beschränkt sich also auf die Peripherie, die aus Standardbauteilen besteht.
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Eine Anpassung der Größe der einzelnen Stacks, also insbesondere Anzahl an Elektrolysezellen je Stack, ist durch den auf niedrigere Kräfte ausgelegten Spannmechanismus (der zum Einspannen der Elektrolysezellen dient) möglich, um sie z.B. auf die Niveaus einer vorhandenen DC-Spannungsquelle abzustimmen
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Der Druckbehälter schützt die empfindlichen Stacks sicher vor atmosphärischen Einflüssen und eignet sich insbesondere für maritime Einsatzbedingungen wie nearshore, nearshore floating und off-shore oder staubbelastete Standorte.
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In einer Ausführungsform wird ein Einsatz- und/oder Kühlwasserstrom zumindest einigen der mehreren Stacks seriell zugeführt. Das Feed- bzw. Kühlwasser wird also nicht allen Stacks parallel zugeführt, sondern zumindest jeweils einigen prozesstechnisch in Serie geschalteten Stacks, was die Wassergleichverteilung vereinfacht. Dies ist möglich, da durch den Druckbehälter weniger atmosphärische Temperatureinflüsse gegeben sind und damit mechanischer Stress homogener auftritt und damit auch größere Temperaturdifferenzen im Vergleich zu den Austrittstemperaturen akzeptabel sind.
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Strömungsfeld-Komponenten (Flowfield-Komponenten) wie eine strukturierte Bipolarplatte und/oder Strömungsleitbleche, die mit der Gasdiffusionsschicht einer jeden Zelle leitend verbunden sind, können in der Ebene heterogen gestaltet sein, um einen höheren Wärme- und Stoffübergang über die Durchströmungslänge zu bewirken. Dieses kann zum Beispiel durch Variation der Strömungskanäle in Form von Breite und/oder Abstand und/oder Tiefe in der Bipolarplatte erreicht werden. Die Flowfield-Komponenten können insbesondere auch oberflächenbeschichtet sein, so dass eine vorteilhafte Blasenablösung stattfindet. Die Beschichtungen können mit lokalen Gradienten versehen werden, z.B. entsprechend simulierten und/oder gemessenen lokalen Bedingungen wie pH-Wert, Temperatur, Blasenkonzentration.
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Verschleißschutzschichten können zudem auf Flowfield-Komponenten der Stacks lokal bewusst unterschiedlich dick aufgebracht werden, je nach z.B. angenommenen und/oder gemessenem Verschleiß unter Betriebsbedingungen. Zusätzlich oder alternativ können die Stacks drehbar gelagert sein, so dass bei symmetrischem Aufbau die Ein- und Austrittsseite einfach gewechselt werden können und ein gleichmäßiger Verschleiß erzielt wird. Die Stacks können also um 180° drehbar gelagert sein; die Ausrichtung der Rotationsachse hängt dabei von der Anordnung von Ein- und Austrittsseite ab, die vertauschbar sei sollen. Als Material der Flowfield-Komponenten kommt insbesondere Edelstahl wie SS316L, bevorzugt mit einer Beschichtung, z.B. Niob, in Betracht.
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Im Idle-Modus (d.h. im Leerlauf oder Ruhezustand) können der eine oder jeder der mehreren Stacks bei sehr niedrigen Strömen gehalten werden, z.B. bei weniger als 1%, oder weniger als 0,5%, oder sogar weniger als 0,1% der Nominal-Strommenge, um den Oxidationszustand eines Misch-Edelmetallkatalysators auf der Anodenseite stabil zu halten. Dabei wird, sobald erforderlich, Stickstoff auf die Wasser-SauerstoffSeite zugegeben, um ausreichenden Abstand von der unteren Explosionsgrenze des Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches zu wahren, was sich durch Gas-Crossover über der Zeit einstellen würde. Die Wasserstoff-Seite wird als weniger kritisch betrachtet, da die obere Explosionsgrenze einen größeren Abstand zum Reingas hat (sie liegt bei 94%, die untere hingegen bei 4%); zudem diffundiert Sauerstoff langsamer in Wasserstoff als umgekehrt, was u.a. durch den effektiven Moleküldurchmesser begründet ist. Optional wird aber auch hier eine Stickstoff-Spülleitung vorgesehen. Beide Seiten können bei längeren Ruhezustandszeiten aber auch entspannt werden, was eine Stickstoff-Dosierung verzögert und reduziert.
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Die Zellblöcke der Stacks werden insbesondere gasdicht verklebt anstatt der herkömmlichen Verspannung (im Bereich der Dichtflächen der Zellplatten); auch können die Einzelzellen zu einem Block mit Polymer vergossen und/oder ausgehärtet werden. Dies erlaubt eine kostengünstigere Herstellung.
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Vorstehend und beschriebene und nachfolgend noch zu beschreibende Ausführungsformen für das Verfahren gelten entsprechend auch für die Anlage, wozu ggf. nötige Komponenten oder Einheiten vorzusehen sind, sowie umgekehrt.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, welche eine Anlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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- Figur 1
- zeigt schematisch eine Elektrolyseanlage in einer Ausführungsform.
- Figur 2
- zeigt schematisch einen Stack der Elektrolyseanlage gemäß Figur 1.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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In Figur 1 ist schematisch eine Elektrolyseanlage 100 in einer Ausführungsform dargestellt, die auch im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt werden kann. Es handelt sich hierbei um eine Elektrolyseanlage zur Wasser-Elektrolyse, beispielsweise mittels PEM. Wie schon erwähnt, könnte es sich auch um eine Wasser-Elektrolyse mittels AEM handeln. Nachfolgend soll daher nur auf Stacks und Membranen Bezug genommen werden, bei denen es sich dann entsprechend um PEM- oder AEM-Stacks bzw. PEM- oder AEM-Membranen handelt. Insbesondere handelt sich bei der hier gezeigten sowie allgemein im Rahmen der Erfindung beschriebene Elektrolyseanlage um eine Elektrolyseanlage im industriellen Maßstab, um z.B. Wasserstoff in industriellem Maßstab zu gewinnen. Eine typische Leistung einer solchen Elektrolyseanlage liegt z.B. bei mehr als 1 MW oder auch mehr als 20 MW.
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Die Elektrolyseanlage 100 weist beispielhaft vier Stacks 110a, 110b, 110c, 110d auf Elektrolyseeinheiten bzw. Stacks 110a, 110b auf. Jeder dieser Stacks weist beispielhaft mehrere Elektrolysezellen auf, in denen jeweils eine Membran vorgesehen ist.
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Weiterhin weist die Elektrolyseanlage 100 einen Druckbehälter 150 auf, in dem die er Stacks 110a, 110b, 110c, 110d angeordnet sind.
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Beispielhaft ist der Stack 110a aus Figur 1 vergrößert in Figur 2 gezeigt. Dort ist mit 120 eine Elektrolysezelle gezeigt, die eine Membran 112 aufweist, die zwischen zwei Bipolarplatten 124, 126 liegt. Die Bipolarplatten können, ggf. von denen äußersten abgesehen, jeweils für zwei benachbarte Elektrolysezellen verwendet werden. Der in Figur 2 gezeigte Stack 110a weist beispielhaft sechs Elektrolysezellen auf.
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Die Membran 122 trennt die Elektrolysezellen jeweils in eine Sauerstoffseite 114 und eine Wasserstoffseite 116; dies ist in Figur 2 nur schematisch angedeutet. Die Sauerstoffseiten 114 und die Wasserstoffseiten 116 können gemeinsam jeweils als Sauerstoffseite bzw. Wasserstoffseite eines Stacks oder auch der gesamten Elektrolyseanlage angesehen werden.
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In Figur 2 sind zudem beispielhaft kartesische Koordinatenachsen x und z gezeigt, wobei die z-Achse vertikal und damit entlang der Gravitationsrichtung ausgerichtet ist. Die (nicht gezeigte) y-Achse steht senkrecht zur Zeichenebene. Die einzelnen Elektrolysezellen sind damit horizontal, also parallel zur x-y-Ebene ausgerichtet.
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Die jeweils äußeren ein oder zwei Elektrolysezellen, also z.B. diejenigen ganz oben und unten (in z-Richtung gesehen) können ggf. etwas dicker ausgebildet sein als die übrigen Elektrolysezellen.
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Die Stacks 110a, 110b, 110c, 110d können alle gleichartig, also wie der Stack 110a, aufgebaut sein, ebenso können noch weitere Stacks dieser Art vorgesehen sein. Allgemein kann eine Elektrolyseanlage mehrere Stacks z.B. zwei, vier, sechs, acht, zehn, zwölf oder mehr, z.B. bis zu 50, Stacks aufweisen; jeder Stack wiederum kann mehrere Elektrolysezellen, z.B. vier, , zehn, 20, 50 , oder auch 100 oder mehr Elektrolysezellen aufweisen. Die Stacks können auf geeignete Weise mit Energie versorgt werden. Es können z.B. zwischen vier und zwölf Elektrolysezellen wiederum jeweils einen Zellblock bilden, sodass ein Stack mehrere Zellblöcke aufweisen kann.
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Die Elektrolyseanlage 100 weist weiterhin einen Behälter 130 auf, der als Sauerstoffabscheider bzw. Sauerstoff-Wasser-Abscheider dient. Der Sauerstoffabscheider 130 ist über eine Fluidverbindung, die durch eine Wand des Druckbehälters 150 führt, mit den Stacks bzw. dort jeder der Elektrolysezellen, verbunden. Hierdurch kann ein Fluidstrom "b" aus dem Sauerstoffabscheider 130 zu den Elektrolysezellen gepumpt werden, z.B. mittels einer Pumpe 134, und zwar über eine geeignete Fluidverbindung 132, z.B. Rohre. Je nach Art der Elektrolyseanlage und z.B. der Anzahl der Elektrolysezellen und/oder Stacks können auch mehrere außerhalb der Stacks liegende Fluidverbindungen (d.h. separate Leitungen) vorgesehen sein. Beispielsweise kann z.B. eine Fluidverbindung für zwei -Stacks vorgesehen sein.
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Die Stacks bzw. die Elektrolysezellen sind zudem über eine Fluidverbindung 136, z.B. Rohre, wiederum über eine Wand des Druckbehälters 150, mit dem Sauerstoffabscheider 120 verbunden. Durch die Fluidverbindung 126 kann ein Fluidstrom "c" aus den Elektrolysezellen, dort der Sauerstoffseite 114 bzw. der Sauerstoffseite einer jeden Elektrolysezelle, zum Sauerstoffabscheider 120 gepumpt werden; hierfür kann ebenfalls die Pumpe 134 ausreichend sein. Je nach Art der Elektrolyseanlage und z.B. der Anzahl der Elektrolysezellen können auch hier mehrere Fluidverbindungen (d.h. separate Leitungen) vorgesehen sein. Beispielsweise kann z.B. eine Fluidverbindung für zwei -Stacks vorgesehen sein.
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Außerdem weist die Elektrolyseanlage 100 einen weiteren Behälter 140 auf, der als Wasserstoffabscheider bzw. Wasserstoff-Wasser-Abscheider dient. Die Stacks bzw. die Elektrolysezellen sind dabei über eine Fluidverbindung 142, z.B. Rohre, über eine Wand des Druckbehälters, mit dem Wasserstoffabscheider 140 verbunden. Durch die Fluidverbindung 142 kann ein Fluidstrom "e" aus den Elektrolysezellen, dort der Wasserstoffseite 116 bzw. der Wasserstoffseite einer jeden Elektrolysezelle, zum Wasserstoffabscheider 140 geführt werden. Je nach Art der Elektrolyseanlage und z.B. der Anzahl der Elektrolysezellen können auch hier mehrere Fluidverbindungen (d.h. separate Leitungen) vorgesehen sein. Beispielsweise kann z.B. eine Fluidverbindung für zwei -Stacks vorgesehen sein. Denkbar sind auch mehrere Wasserstoffabscheider.
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Bei einem Betrieb der Elektrolyseanlage 100 wird nun der Fluidstrom "b", der Wasser aufweist, vom Sauerstoffabscheider 130 zu den Stacks bzw. deren Elektrolysezellen gepumpt. Dort wird das Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff umgesetzt. Hierzu wird eine elektrische Spannung an die Elektrolysezellen angelegt, der Wasserstoff wird elektrochemisch durch die Membran 112 auf die Wasserstoffseite 116 transportiert und kann von dort, ggf. noch mit Wasserdampf und einer flüssigen Wasserphase vermischt, als Strom "e" - einem wasserstoffhaltigen Fluidstrom - dem Wasserstoffabscheider 140 zugeführt werden. Dort kann der Wasserstoff abgeschieden werden und als Strom "f" z.B. für eine weitere Verwendung abgeführt oder gespeichert werden. Im Wasserstoffabscheider 140 abgeschiedenes Wasser kann z.B. einer Behandlung zugeführt (hier nicht gezeigt) und dann als Fluidstrom "g" wieder in den Hauptwasserkreislauf zurückgeführt werden.
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Der Sauerstoff verbleibt zusammen mit dem Großteil des Wassers auf der Sauerstoffseite 114. Der entstehende Fluidstrom "c" weist also Wasser und Sauerstoff auf - es handelt sich um einen sauerstoffhaltigen Fluidstrom. Der Fluidstrom "c" wird, wie erwähnt, dem Sauerstoffabscheider 130 zugeführt.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass der Fluidstrom "c" auch zu einem gewissen geringen Anteil Wasserstoff aufweisen kann. Gleichermaßen kann der Fluidstrom "e" auch zu einem gewissen geringen Anteil Sauerstoff aufweisen.
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Da in den Elektrolysezellen Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff umgesetzt wird und der Sauerstoff und der Wasserstoff abgeführt werden, wird die Menge an Wasser geringer und es kann daher - um einen kontinuierlichen Betrieb aufrechtzuerhalten - als Strom "a" von extern neues Wasser (sog. Make-Up-Wasser, Einsatzstrom) zugeführt werden.
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Dieses Wasser "a" kann zuvor z.B. noch aufbereitet werden (hier nicht gezeigt), was für die vorliegende Erfindung jedoch nicht weiter relevant ist. Es kann ggf. im Wasserstoffabscheider 140 abgeschiedenes Wasser, also der schon erwähnt Fluidstrom "g", dem Strom a und darüber wieder dem Sauerstoffabscheider 130, ggf. ebenfalls nach vorheriger Aufbereitung, zugeführt werden.
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Wie erwähnt, wird im Sauerstoffabscheider 130 Sauerstoff vom Wasser abgetrennt; der hierbei abgetrennte bzw. abgeschiedene Sauerstoff kann als Sauerstoffstrom "d" z.B. für eine weitere Verwendung abgeführt und ggf. gespeichert werden.
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Außerdem weist die Elektrolyseanlage 100 beispielhaft eine Steuereinheit 160 auf, mittels welcher z.B. die Stacks bzw. deren Elektrolyseeinheiten oder deren Energieversorgung gesteuert und ggf. auch überwacht werden können. Ebenso kann die Steuereinheit 160 z.B. eingerichtet sein, (hier nicht gezeigte) steuer- oder regelbare Ventile zu steuern oder zu regeln.
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Für den Betrieb der Elektrolyseanlage 100 wird der Druckbehälter 150 mit Stickstoff befüllt. Beispielhaft ist solcher Stickstoff als Strom h dargestellt. Eine Zuleitung 152 für den Stickstoff ist hierbei im Bereich eines Wasserzulaufs (Eintrittsseite) eines Stacks angeordnet. Der Druck ist dabei insbesondere variabel, z.B. auf einen Wert zwischen 5 bar und 100 bar, einstellbar. Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Druck des Stickstoffs auf einen Wert eingestellt ist, der geringfügig über einem Druck liegt, den der bei der Elektrolyse erhaltene Wasserstoff aufweist. Beispielhaft ist in Figur 1 ein Ventil 154 gezeigt, das veranschaulichen soll, dass der Druck in dem Stickstoffbehälter auf einen vorgegebenen Wert einstellbar oder auch regelbar ist.
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In der Figur 2 sind die Fluidströme "b", "c" und "e" ebenfalls gezeigt, hier für den einzelnen Stack 110a. Hierbei ist zu sehen, dass eine Eintrittsseite des Stacks 110a (in Gravitationsrichtung gesehen) unten liegt, eine Austrittseite hingegen oben. Der Stack 110a kann nun z.B., ggf. in einem Rack, derart drehbar sein, dass die Ein- und Austrittseite vertauscht werden können. Hierzu kann eine Rotationsachse z.B. parallel zur x-Achse oder y-Achse oder zur x-y-Ebene sein. Dazu sei erwähnt, dass die konkrete Ausgestaltung von Ein- und Austritt des Stacks hier nicht gezeigt ist.