WO2011141221A1 - Method for producing hydrogen from water by means of a high temperature electrolyzer - Google Patents

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WO2011141221A1
WO2011141221A1 PCT/EP2011/054768 EP2011054768W WO2011141221A1 WO 2011141221 A1 WO2011141221 A1 WO 2011141221A1 EP 2011054768 W EP2011054768 W EP 2011054768W WO 2011141221 A1 WO2011141221 A1 WO 2011141221A1
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water
compression
electrolyzer
heat
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Martin Ise
Harald Landes
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/02Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/08Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of hydrogen from water using a high-temperature electric ⁇ lyseurs according to claim 1 and a device for generating hydrogen, comprising a high-temperature electric lyseur, according to the preamble of patent claim 11.
  • the invention is therefore based on the object to provide a Vorrich ⁇ tion and a method by the water is umgewan ⁇ punched through a high-temperature electrolysis to hydrogen, which has a significantly improved energy balance over the prior art.
  • the object is achieved in a method for generating hydrogen with the features of claim 1 and in a device for generating hydrogen with the features of claim 11.
  • the inventive method for generating hydrogen from water by means of a high-temperature electrolyzer comprises following steps:
  • the water is brought to a process temperature of
  • Electrolyzer heated the process temperature is usually higher than 500 ° C, in particular between 600 ° C and 800 ° C.
  • an electrolysis of What ⁇ sers takes place in the electrolyzer, wherein the product gases hydrogen and oxygen are formed from the educt of water.
  • the product gas is compressed hydrogen with a Verdichtungsvor ⁇ direction and the compressed hydrogen is cooled with ⁇ means of a cooling medium.
  • the thermal energy enriched in the cooling medium during cooling is fed into the heating process of the water forming the starting material of the process.
  • the compression of the product gas hydrogen produced is necessary or expedient to temporarily store the hydrogen in the smallest possible volume until it is used again for energy recovery.
  • compression introduces work into the product gas hydrogen (H 2 ).
  • the hydrogen is strongly heated, so that it can have temperatures of more than 400 ° C., depending on the external frame conditions, at a pressure which is, for example, 100 bar after compression.
  • this energy is transmitted in the form of heat and what ⁇ serstoffes to a cooling medium, with the cooling medium heats and in turn the heat energy of the now off carries cooled hydrogen in itself.
  • This heat energy is expediently used again to heat the water which forms the starting material, that is to say the educt of the electrolysis process.
  • the energy balance of the overall process is significantly improved.
  • the absorption of heat energy by a coolant may also be referred to as a heat exchange process.
  • a heat exchange process In order to make the heat exchange process as efficient as possible, it may be expedient to design the compression process and the associated heat exchange or cooling process in several stages, ie in a cascaded manner.
  • the compression device for example a compressor
  • the heat exchange device is already cooled by the cooling medium.
  • the heat exchange device is thus an integral part of the compression device.
  • the compression device may also be expedient to isolate the compression device against its environment at least partially in the highly temperature-stressed areas, and to cool the compressed gas, for example in the subsequent Gaslei ⁇ tion by means of a heat exchange device.
  • the cooling medium that cools the compressed product gas is hydrogen from ⁇ and is part of the heat exchange device, the water which in turn is the starting material for the electrolysis process includes.
  • the educt water (process water) as coolant is passed through the heat exchange devices and finally introduced in vaporized form into the electrolyzer with the corresponding temperature.
  • the water ⁇ material, exiting the electrolyser which also comprises the process temperature of the electrolyzer of about 500 ° C to 800 ° C, to cool before it is compacted.
  • This cooling process before compression is expedient in order not to unnecessarily thermally stress the compression device.
  • the hot product gas hydrogen and / or the hot product gas oxygen enter into a heat exchange process with the reactant water in vapor form.
  • the waste heat of the product gases can be used directly for heating the starting material.
  • the hydrogen is compressed as product gas and the resulting energy is added back to the heating process of the water.
  • it may also be expedient to compress the oxygen and store it temporarily in a specially provided tank. If the oxygen is also compressed, the resulting heat of compression can also be dissipated analogously to the previously described and added to the heating of the water, which increases the efficiency of the process even more.
  • Another component of the invention is a device for generating hydrogen.
  • This device comprises egg ⁇ NEN high temperature electrolyzer for converting water into hydrogen.
  • the device further comprises a compaction ⁇ processing apparatus for compressing the produced hydrogen.
  • the compression device in turn, comprises a heat exchange device which serves to transfer the heat of compression, which arises in the compression process, to the educt water of the high-temperature electrolyzer.
  • the compact Processing device is preferably configured in the form of a compres- sor ⁇ sors.
  • the device according to claim 11 is used in particular for carrying out a method according to one of claims 1 to 9 and has the same already explained Vortei ⁇ le on.
  • the compression device is insulated in its surroundings, in particular in the areas subject to high temperatures.
  • the compression device does not release the resulting heat of compression to the environment, the resulting heat of compression can be removed from the hydrogen by a subsequent heat exchange device after the compression process.
  • the heat exchange device partly surrounds the compacting device, for example by cooling channels run through the compression device and thus withdraw introduced by the compression unit heat energy of the compression ⁇ device.
  • FIG. 1 shows a schematic sequence of a hydrogen production by means of a high-temperature electrolyzer with subsequent compression of the hydrogen
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a process sequence as in FIG. 2, wherein a cooling medium in the form of the educt water is designed
  • Figure 3 shows a compression device, which is traversed by cooling channels and
  • Figure 4 shows a compression device with an insulation and a subsequent heat exchanger.
  • liquid water is characterized by H 2 0 f passed through a water supply 18 in a heat exchanger 10.
  • this heat exchanger 10 is already a heated cooling medium 6, the heating will be discussed in the further course, through which the liquid water is heated to a temperature in the range of the boiling point and evaporated.
  • the evaporated water which is designated H 2 0 g , ie gaseous water, brought into another heat exchanger 10 '.
  • the heat exchanger 10 'of the water vapor and the gaseous water is Annae ⁇ hernd heated H 2 0 g to the process temperature of the high temperature electric ⁇ lyseurs. 2
  • the gaseous water H 2 0 g which is introduced into the high-temperature electrolyzer 2, has a temperature of about 500 to 800 ° C.
  • the electrolyzer 2 which is also referred to as solid-oxide electrolyzer (SOE)
  • the water H 2 0 g in a conventional manner in the product gases hydrogen (H 2 ) and oxygen (0 2 ) is converted.
  • the product gases, of which in particular is being treated ⁇ What serstoff hereinafter, step out of the electrolyzer 2 and also in this case have nearly the process temperature of
  • the product gases, in particular the water ⁇ material are in turn cooled in a heat exchanger 10 'to a temperature under 100 ° C, particularly preferably at about room temperature or at elevated room temperature (about 50 °) is preferred.
  • the two heat exchangers 10 ' are in a circuit, but in separate, for purely graphical reasons in Figure 1 Positions shown.
  • a so-called countercurrent heat exchanger is used for the heat exchanger 10 ', wherein in two intertwined channels on the one hand, the relatively cool cooling medium, in this case the gaseous water, and on the other side of the hot medium, in this case from the Electrolyzer leaking hydrogen, a ⁇ are passed, with these two media each other, although separated from the system, heat up each other.
  • the approximately 100 ° hot steam enters on one side of the countercurrent heat exchanger 14 and there meets the approximately 600 to 800 ° C hot hydrogen.
  • the volume of the gas is reduced by a factor of 100 times over 100 times the pressure of the atmospheric pressure.
  • the aim is to save the hydrogen in a storage tank as space-saving as possible.
  • a storage pressure of approximately 100 bar (preferably between 50 bar and 200 bar) has been found to be ⁇ tech nically useful and economically ALISE to re-.
  • the heat exchanger 10 in the upper area encloses a compression device 4, which can be keptstal ⁇ tet, for example, as shown in Figure 3 and Figure 4, in the form of a compressor 12, and withdraws the compression device 4, the heat energy. This can be done in a cooling step, but it can also be done cascaded by a plurality of compression devices 4 are connected in series with heat exchange devices 10, as shown by way of example in Figure 1.
  • the finished compressed product gas here for example the hydrogen
  • the exit of the oxygen O 2 is shown as an example, which is usually not ver ⁇ sealed, since the storage of oxygen is worthwhile in only a few cases, but in principle it would be possible with the oxygen as well as with the hydrogen, which would make the energy balance of the heat exchanger in the behalfSe ⁇ nen system even more efficient.
  • thedeme ⁇ medium 6 runs in each case in a closed circuit, another course takes the process medium, ie the water that enters the electrolyser 2 as starting material and is converted to hydrogen.
  • the cooling medium 6 is configured in the form of the process ⁇ water.
  • the liquid water characterized by H 2 O f
  • the heat exchanger 10 which extracts the heat from the compressed hydrogen.
  • the water is already heated, preferably to a temperature above 100 °, it is now further in a gaseous state and is along the line 7 in the next heat exchanger 10 ' brought, which in turn can be configured in a favorable embodiment in the form of a countercurrent heat exchanger.
  • the water (H 2 0 g) is confronted with the very hot pro ⁇ duktgas H 2 (> 500 ° C) and exchanges data with this heat content from.
  • the gaseous water which has already been preheated almost to the process temperature of about 600 ° to 800 ° C., is introduced into the electrolyzer 2 and is then converted into hydrogen in a manner known per se.
  • an additional thermal heating can be done to compensate for heat losses to the environment.
  • the compression device is not directly cooled but, as will be mentioned later, isolated, so that the hot hydrogen is cooled as described in the heat exchanger 10 as described.
  • An isolation of the compression device and the subsequent heat exchange is of course applicable to the embodiment in Figure 1.
  • FIGS. 3 and 4 exemplary schematic representations of a compression device 4 are given, each having a compression space 20 and a reciprocating piston 26.
  • the compression process is shown here very schematically and Figures 3 and 4 are not exhaustive. Both compressors 12 in Figure 3 and Figure 4, it is inherent that they have both a WasserstoffZu ⁇ leadership 22 and a hydrogen discharge 23.
  • the reciprocating piston 26 is moved up and down in the compression space 20, which is indicated by the double arrow on the side of the reciprocating piston. is is.
  • the reciprocating piston 26 is preferably tervorides by a Excen-, for example, by a camshaft is driven ⁇ .
  • the cooling channels 8 are thus part of the heat exchange device 10 in a specific embodiment.
  • the compression device 4 and the compressor 12 is provided with an insulation 28, wherein also a hydrogen supply 22 of a hydrogen discharge 23 is provided, the compressor 12 itself operates at an elevated process temperature and the hydrogen, which is already in Compressed form comes out of line 23 is now cooled by a separate heat exchanger 10.
  • the case extracted heat energy is used to heat up the process ⁇ water as previously described.
  • the compres sion ⁇ device 4 may include insulation from Figure 3, whereby the heat energy produced is focused through the cooling channels 8 ⁇ dissipated.

Abstract

The invention relates to methods for producing hydrogen from water by means of a high temperature electrolyzer and comprises the following steps: heating the water to a process temperature of the electrolyzer (2) of more than 500° C, electrolyzing the water in the electrolyzer (2) to form product gases hydrogen (H2) and oxygen (O2), compressing the product gas hydrogen (H2) by means of a compressing apparatus (4), cooling the compressed hydrogen (H2) by means of a cooling medium (6) and feeding the thermal energy augmented in the cooling medium (6) to the heating process of the water.

Description

Beschreibung description
Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mittels eines Hochtemperatur-Elektrolyseurs Process for producing hydrogen from water by means of a high-temperature electrolyzer
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mittels eines Hochtemperatur-Elektro¬ lyseurs nach dem Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff, die einen Hochtemperatur-Elektro- lyseur umfasst, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11. The invention relates to a process for the production of hydrogen from water using a high-temperature electric ¬ lyseurs according to claim 1 and a device for generating hydrogen, comprising a high-temperature electric lyseur, according to the preamble of patent claim 11.
Die Speicherung großer Mengen elektrischer Energie aus regenerativen Quellen (z. B. Windenergie, Solarstrom) wird durch den schnellen Ausbau der regenerativen Energien erforderlich. Dabei geht es sowohl um eine kurzfristige Pufferung aufgrund der täglichen Schwankung als auch um eine langfristige Speicherung wegen der jahreszeitlichen Schwankungen der regenerativen Energieerzeugung sowie des Bedarfs an elektrischer Energie. Wenn die Speicherung elektrischer Energie durch Hochtemperaturelektrolyse von Wasserdampf durchgeführt wird, was wegen der niedrigen Elektrolysezellspannung vorteilhaft ist, muss dabei zusätzlich Energieaufwand für die Verdampfung von flüssigem Wasser und für die Kompression der Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff aufgewendet werden. Dieser Ener- gieaufwand ist zu minimieren, um den Wirkungsgrad für die Speicherung elektrischer Energie zu maximieren. The storage of large amounts of electrical energy from renewable sources (eg wind energy, solar power) is required by the rapid expansion of renewable energies. This involves short-term buffering due to the daily fluctuation as well as long-term storage due to the seasonal fluctuations in regenerative energy production and the demand for electrical energy. If the storage of electrical energy by high temperature electrolysis of water vapor is carried out, which is advantageous because of the low electrolysis cell voltage, additional energy must be expended for the evaporation of liquid water and for the compression of the product gases hydrogen and oxygen. This energy expenditure must be minimized in order to maximize the efficiency for the storage of electrical energy.
Soweit die Speicherung elektrischer Energie durch Hochtemperatur-Elektrolyse von Wasserdampf durchgeführt wird, wurde bisher ein Verdampfer für flüssiges Wasser am Systemeingang und Kompressoren für die Produktgase am Systemausgang verwendet. Dabei muss dem Verdampfer die Verdampfungsenthalpie für den benötigten Edukt-Wasserdampf und den Kompressoren die Kompressionsenergie für die Produktgase Wasserstoff und Sau- erstoff zur Verfügung gestellt werden. As far as the storage of electrical energy is performed by high-temperature electrolysis of water vapor, a liquid water evaporator has been used at the system inlet and compressors for the product gases at the system outlet so far. The evaporation enthalpy for the required educt water vapor must be made available to the evaporator and the compression energy for the product gases hydrogen and oxygen to the compressors.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich¬ tung sowie ein Verfahren bereitzustellen, durch das Wasser über eine Hochtemperaturelektrolyse zu Wasserstoff umgewan¬ delt wird, das gegenüber dem Stand der Technik eine deutlich verbesserte Energiebilanz aufweist. Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einer Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mittels eines Hochtemperatur-Elektrolyseurs um- fasst folgende Schritte: The invention is therefore based on the object to provide a Vorrich ¬ tion and a method by the water is umgewan ¬ punched through a high-temperature electrolysis to hydrogen, which has a significantly improved energy balance over the prior art. The object is achieved in a method for generating hydrogen with the features of claim 1 and in a device for generating hydrogen with the features of claim 11. The inventive method for generating hydrogen from water by means of a high-temperature electrolyzer comprises following steps:
Zunächst wird das Wasser auf eine Prozesstemperatur des First, the water is brought to a process temperature of
Elektrolyseurs aufgeheizt, wobei die Prozesstemperatur in der Regel höher als 500°C, insbesondere zwischen 600°C und 800°C, liegt. Im nächsten Schritt erfolgt eine Elektrolyse des Was¬ sers im Elektrolyseur, wobei aus dem Edukt Wasser die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff entstehen. Im Weiteren wird das Produktgas Wasserstoff mit einer Verdichtungsvor¬ richtung verdichtet und der verdichtete Wasserstoff wird mit¬ tels eines Kühlmediums abgekühlt. Die bei der Abkühlung im Kühlmedium angereicherte Wärmeenergie wird in den Aufheizpro- zess des Wassers, das das Edukt des Prozesses bildet, einge- speist. Electrolyzer heated, the process temperature is usually higher than 500 ° C, in particular between 600 ° C and 800 ° C. In the next step, an electrolysis of What ¬ sers takes place in the electrolyzer, wherein the product gases hydrogen and oxygen are formed from the educt of water. In addition, the product gas is compressed hydrogen with a Verdichtungsvor ¬ direction and the compressed hydrogen is cooled with ¬ means of a cooling medium. The thermal energy enriched in the cooling medium during cooling is fed into the heating process of the water forming the starting material of the process.
Die Kompression des erzeugten Produktgases Wasserstoff ist notwendig bzw. zweckmäßig, um den Wasserstoff in möglichst kleinem Volumen zwischenzulagern, bis er erneut zur Energie- gewinnung eingesetzt wird. Durch die Kompression wird jedoch Arbeit in das Produktgas Wasserstoff (H2) eingebracht. Durch diese eingebrachte Kompressionsarbeit wird der Wasserstoff stark erhitzt, so dass er bei einem Druck, der beispielsweise bei 100 bar nach der Kompression liegt, je nach äußeren Rah- menbedingungen Temperaturen von über 400 °C aufweisen kann.The compression of the product gas hydrogen produced is necessary or expedient to temporarily store the hydrogen in the smallest possible volume until it is used again for energy recovery. However, compression introduces work into the product gas hydrogen (H 2 ). As a result of this introduced compression work, the hydrogen is strongly heated, so that it can have temperatures of more than 400 ° C., depending on the external frame conditions, at a pressure which is, for example, 100 bar after compression.
Erfindungsgemäß wird diese Energie in Form und Wärme des Was¬ serstoffes an ein Kühlmedium übertragen, wobei sich das Kühlmedium aufheizt und seinerseits die Wärmeenergie des nun ab- gekühlten Wasserstoffes in sich trägt. Diese Wärmeenergie wird zweckmäßigerweise wieder dazu benutzt, das Wasser, das den Ausgangsstoff, also das Edukt des Elektrolyseprozesses bildet, aufzuheizen. Somit wird die Energiebilanz des Gesamt- prozesses deutlich verbessert. According to the invention, this energy is transmitted in the form of heat and what ¬ serstoffes to a cooling medium, with the cooling medium heats and in turn the heat energy of the now off carries cooled hydrogen in itself. This heat energy is expediently used again to heat the water which forms the starting material, that is to say the educt of the electrolysis process. Thus, the energy balance of the overall process is significantly improved.
Das Aufnehmen der Wärmeenergie durch ein Kühlmittel kann auch als Wärmetauschprozess bezeichnet werden. Um den Wärmetausch- prozess möglichst effizient zu gestalten, kann es zweckmäßig sein, den Kompressionsvorgang und den damit verbundenen Wärmetausch- bzw. Abkühlprozess in mehreren Stufen, also kaska- diert, auszugestalten. The absorption of heat energy by a coolant may also be referred to as a heat exchange process. In order to make the heat exchange process as efficient as possible, it may be expedient to design the compression process and the associated heat exchange or cooling process in several stages, ie in a cascaded manner.
Bei dem Wärmetauschprozess ist es zweckmäßig, dass die Ver- dichtungsvorrichtung, beispielsweise ein Kompressor, bereits durch das Kühlmedium gekühlt wird. Die Wärmetauschvorrichtung ist somit integraler Bestandteil der Verdichtungsvorrichtung. In the heat exchange process, it is expedient that the compression device, for example a compressor, is already cooled by the cooling medium. The heat exchange device is thus an integral part of the compression device.
Andererseits kann es auch zweckmäßig sein, die Verdichtungs- Vorrichtung gegen ihre Umgebung zumindest teilweise in den stark temperaturbelasteten Bereichen zu isolieren, und das verdichtete Gas beispielsweise in der darauffolgenden Gaslei¬ tung mittels einer Wärmetauschvorrichtung abzukühlen. Grundsätzlich ist es in allen Alternativen zweckmäßig, die Verdichtungsvorrichtung mit Kühlkanälen zu durchziehen, so dass die Wärme, die in der Verdichtungsvorrichtung anfällt, bereits zweckmäßig genutzt werden kann. In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltungsform umfasst das Kühlmedium, das das komprimierte Produktgas Wasserstoff ab¬ kühlt und Teil der Wärmetauschvorrichtung ist, das Wasser, das wiederum das Edukt für den Elektrolyseprozess darstellt. Dabei wird eben das Edukt Wasser (Prozesswasser) als Kühlmit- tel durch die Wärmetauschvorrichtungen durchgeleitet und schließlich in verdampfter Form in den Elektrolyseur mit der entsprechenden Temperatur eingeleitet. Ebenfalls als zweckmäßig hat sich herausgestellt, den Wasser¬ stoff, der aus dem Elektrolyseur austritt, der ebenfalls die Prozesstemperatur des Elektrolyseurs von ca. 500°C bis 800°C aufweist, abzukühlen, bevor er verdichtet wird. Dieser Ab- kühlvorgang vor der Kompression ist zweckmäßig, um die Kompressionsvorrichtung nicht in unnötigerweise thermisch zu belasten. Dabei ist es zweckmäßig, dass das heiße Produktgas Wasserstoff und/oder das heiße Produktgas Sauerstoff in einen Wärmetauschprozess mit dem Edukt Wasser in dampfförmiger Form eintreten. Durch diesen Wärmetauschprozess, der bevorzugt auch in Form eines Gegenstromwärmetauschers angewandt wird, kann die Abwärme der Produktgase direkt zur Aufheizung des Eduktes eingesetzt werden. Bei besonders guter Isolierung des Elektrolyseurs an sich und bei einem effektiven Wärmeaus- tausch der Produkte und Edukte ist der Energieverlust des Hochtemperatur-Elektrolyseurs äußerst gering. On the other hand, it may also be expedient to isolate the compression device against its environment at least partially in the highly temperature-stressed areas, and to cool the compressed gas, for example in the subsequent Gaslei ¬ tion by means of a heat exchange device. In principle, it is expedient in all alternatives to run through the compression device with cooling channels, so that the heat obtained in the compacting device can already be used appropriately. In a further expedient embodiment of the cooling medium that cools the compressed product gas is hydrogen from ¬ and is part of the heat exchange device, the water which in turn is the starting material for the electrolysis process includes. In this case, the educt water (process water) as coolant is passed through the heat exchange devices and finally introduced in vaporized form into the electrolyzer with the corresponding temperature. Also expedient has been found, the water ¬ material, exiting the electrolyser, which also comprises the process temperature of the electrolyzer of about 500 ° C to 800 ° C, to cool before it is compacted. This cooling process before compression is expedient in order not to unnecessarily thermally stress the compression device. It is expedient that the hot product gas hydrogen and / or the hot product gas oxygen enter into a heat exchange process with the reactant water in vapor form. Through this heat exchange process, which is preferably also used in the form of a counterflow heat exchanger, the waste heat of the product gases can be used directly for heating the starting material. With a particularly good insulation of the electrolyzer per se and with an effective heat exchange of the products and educts, the energy loss of the high-temperature electrolyzer is extremely low.
Bei dem bisher beschriebenen Verfahren wird insbesondere der Wasserstoff als Produktgas verdichtet und die dabei entstan- dene Energie dem Aufheizprozess des Wassers wieder zugefügt. Grundsätzlich kann es auch zweckmäßig sein, den Sauerstoff zu verdichten und in einem speziell dafür vorgesehenen Tank zwi- schenzuspeichern . Sollte der Sauerstoff auch verdichtet werden, kann die dabei entstandene Kompressionswärme ebenfalls analog dem vorher Beschriebenen abgeführt werden und der Aufheizung des Wassers zugefügt werden, was die Effizienz des Prozesses noch mehr erhöht. In the method described so far, in particular the hydrogen is compressed as product gas and the resulting energy is added back to the heating process of the water. In principle, it may also be expedient to compress the oxygen and store it temporarily in a specially provided tank. If the oxygen is also compressed, the resulting heat of compression can also be dissipated analogously to the previously described and added to the heating of the water, which increases the efficiency of the process even more.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff. Diese Vorrichtung umfasst ei¬ nen Hochtemperatur-Elektrolyseur zur Umwandlung von Wasser in Wasserstoff. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Verdich¬ tungsvorrichtung zur Verdichtung des erzeugten Wasserstoffs. Die Verdichtungsvorrichtung wiederum umfasst eine Wärme- tauschvorrichtung, die zur Übertragung der Kompressionswärme, die bei dem Verdichtungsprozess entsteht, auf das Edukt Was¬ ser des Hochtemperatur-Elektrolyseurs dient. Die Verdich- tungsvorrichtung ist dabei bevorzugt in Form eines Kompres¬ sors ausgestaltet. Another component of the invention is a device for generating hydrogen. This device comprises egg ¬ NEN high temperature electrolyzer for converting water into hydrogen. The device further comprises a compaction ¬ processing apparatus for compressing the produced hydrogen. The compression device, in turn, comprises a heat exchange device which serves to transfer the heat of compression, which arises in the compression process, to the educt water of the high-temperature electrolyzer. The compact Processing device is preferably configured in the form of a compres- sor ¬ sors.
Die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11 dient insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 und weist dieselben jeweils bereits erläuterten Vortei¬ le auf. The device according to claim 11 is used in particular for carrying out a method according to one of claims 1 to 9 and has the same already explained Vortei ¬ le on.
Dabei kann es zweckmäßig sein, dass die Verdichtungsvorrich- tung in ihrer Umgebung insbesondere in den stark temperaturbelasteten Bereichen isoliert ist. Hierbei gibt die Verdichtungsvorrichtung die entstandene Kompressionswärme nicht an die Umgebung ab, die entstandene Kompressionswärme kann ge¬ zielt durch einer anschließenden Wärmetauschvorrichtung nach dem Kompressionsprozess dem Wasserstoff entzogen werden. It may be expedient that the compression device is insulated in its surroundings, in particular in the areas subject to high temperatures. In this case, the compression device does not release the resulting heat of compression to the environment, the resulting heat of compression can be removed from the hydrogen by a subsequent heat exchange device after the compression process.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann es zweckmäßig sein, dass die Wärmetauschvorrichtung die Verdichtungsvorrichtung teilweise umgibt, indem beispielsweise Kühlkanäle die Ver- dichtungsvorrichtung durchlaufen und somit die durch die Kompressionseinheit eingebrachte Wärmeenergie der Verdichtungs¬ vorrichtung entzieht. Alternatively or additionally, it may be expedient that the heat exchange device partly surrounds the compacting device, for example by cooling channels run through the compression device and thus withdraw introduced by the compression unit heat energy of the compression ¬ device.
Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfin- dung werden anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei werden Merkmale, die dieselbe Benennung, aber unterschiedliche Ausgestaltungen haben, mit demselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen: Further embodiments and further features of the invention will be explained in more detail with reference to the following drawings. In this case, features that have the same name, but different configurations, provided with the same reference numerals. Show it:
Figur 1 einen schematischen Ablauf einer Wasserstofferzeugung durch einen Hochtemperatur-Elektrolyseur mit anschließender Kompression des Wasserstoffs, FIG. 1 shows a schematic sequence of a hydrogen production by means of a high-temperature electrolyzer with subsequent compression of the hydrogen,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Prozessablaufes wie in Figur 2, wobei ein Kühlmedium in Form des Eduktwassers ausgestaltet ist, Figur 3 eine Kompressionsvorrichtung, die mit Kühlkanälen durchzogen ist und FIG. 2 shows a schematic representation of a process sequence as in FIG. 2, wherein a cooling medium in the form of the educt water is designed, Figure 3 shows a compression device, which is traversed by cooling channels and
Figur 4 eine Kompressionsvorrichtung mit einer Isolierung und einem anschließenden Wärmetauscher. Figure 4 shows a compression device with an insulation and a subsequent heat exchanger.
Im Folgenden soll anhand von Figur 1 schematisch der Ablauf des Verfahrens zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mit¬ tels Hochtemperaturelektrolyse erläutert werden. Zunächst wird flüssiges Wasser gekennzeichnet durch H20f über eine Wasserzuführung 18 in einen Wärmetauscher 10 geleitet. In diesem Wärmetauscher 10 befindet sich bereits ein erhitztes Kühlmedium 6, auf dessen Erwärmung im weiteren Verlauf auch noch eingegangen werden wird, durch das das flüssige Wasser auf eine Temperatur im Bereich des Siedepunktes erhitzt wird und verdampft. The following is the sequence of the method to produce hydrogen from water will be explained with ¬ means of high-temperature electrolysis schematically with reference to FIG. 1 First, liquid water is characterized by H 2 0 f passed through a water supply 18 in a heat exchanger 10. In this heat exchanger 10 is already a heated cooling medium 6, the heating will be discussed in the further course, through which the liquid water is heated to a temperature in the range of the boiling point and evaporated.
Im nächsten Schritt wird das verdampfte Wasser, das mit H20g bezeichnet wird, also gasförmiges Wasser, in einen weiteren Wärmetauscher 10' gebracht. Durch diesen Wärmetauscher 10' wird der Wasserdampf bzw. das gasförmige Wasser H20g annä¬ hernd auf die Prozesstemperatur des Hochtemperatur-Elektro¬ lyseurs 2 aufgeheizt. Das gasförmige Wasser H20g, das in den Hochtemperatur-Elektrolyseur 2 eingeleitet wird, weist eine Temperatur von ca. 500 bis 800°C auf. In dem Elektrolyseur 2, der auch als Solid-Oxide-Electrolyseur (SOE) bezeichnet wird, wird das Wasser H20g in an sich bekannter Weise in die Produktgase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) umgewandelt. Die Produktgase, von denen im Weiteren insbesondere der Was¬ serstoff behandelt wird, treten aus dem Elektrolyseur 2 aus und weisen dabei ebenfalls nahezu die Prozesstemperatur desIn the next step, the evaporated water, which is designated H 2 0 g , ie gaseous water, brought into another heat exchanger 10 '. Through this heat exchanger 10 'of the water vapor and the gaseous water is Annae ¬ hernd heated H 2 0 g to the process temperature of the high temperature electric ¬ lyseurs. 2 The gaseous water H 2 0 g , which is introduced into the high-temperature electrolyzer 2, has a temperature of about 500 to 800 ° C. In the electrolyzer 2, which is also referred to as solid-oxide electrolyzer (SOE), the water H 2 0 g in a conventional manner in the product gases hydrogen (H 2 ) and oxygen (0 2 ) is converted. The product gases, of which in particular is being treated ¬ What serstoff hereinafter, step out of the electrolyzer 2 and also in this case have nearly the process temperature of
Elektrolyseurs auf. Die Produktgase, insbesondere der Wasser¬ stoff, werden wiederum in einem Wärmetauscher 10' auf eine Temperatur abgekühlt, die bevorzugt unter 100°C, insbesondere bevorzugt bei etwa Raumtemperatur oder erhöhter Raumtempera- tur (ca. 50°C), liegt. Electrolyzers on. The product gases, in particular the water ¬ material are in turn cooled in a heat exchanger 10 'to a temperature under 100 ° C, particularly preferably at about room temperature or at elevated room temperature (about 50 °) is preferred.
Die beiden Wärmetauscher 10' sind aus rein graphischen Gründen in Figur 1 zwar in einem Kreislauf, aber an getrennten Stellen dargestellt. Bevorzugt wird für den Wärmetauscher 10' ein so genannter Gegenstromwärmetauscher angewandt, wobei in zwei ineinander verschlungenen Kanälen auf der einen Seite das relativ kühle Kühlmedium, in diesem Fall das gasförmige Wasser, und auf der anderen Seite das heiße Medium, in diesem Fall der aus dem Elektrolyseur austretende Wasserstoff, ein¬ geleitet werden, wobei sich diese beiden Medien gegenseitig, obwohl vom System her getrennt voneinander, aufheizen. Das bedeutet, der etwa 100° heiße Wasserdampf tritt auf der einen Seite des Gegenstromwärmetauschers 14 ein und trifft dort auf den etwa 600 bis 800°C heißen Wasserstoff. Beim Gegeneinan- derdurchströmen dieses Wärmetauschers kühlt sich der Wasserstoff H2 immer weiter ab, bis er in etwa die Ausgangstempera¬ tur des einströmenden Wasserdampfes, also in etwa 100°C, auf- weist. Im Gegenzug dazu heizt sich der Wasserdampf H20g beim Durchlaufen des Gegenstromwärmetauschers 14 immer stärker auf, bis er beim Austritt aus dem Wärmetauscher 14 nahezu die Temperatur des aus dem Elektrolyseur 2 austretenden Wasserstoffs H2 aufweist. The two heat exchangers 10 'are in a circuit, but in separate, for purely graphical reasons in Figure 1 Positions shown. Preferably, a so-called countercurrent heat exchanger is used for the heat exchanger 10 ', wherein in two intertwined channels on the one hand, the relatively cool cooling medium, in this case the gaseous water, and on the other side of the hot medium, in this case from the Electrolyzer leaking hydrogen, a ¬ are passed, with these two media each other, although separated from the system, heat up each other. This means that the approximately 100 ° hot steam enters on one side of the countercurrent heat exchanger 14 and there meets the approximately 600 to 800 ° C hot hydrogen. When this heat exchanger against each derdurchströmen cools the hydrogen H 2 further and further down until it has the temperature output ¬ structure of the inflowing water vapor, ie about 100 ° C, up to about. In return, the water vapor H 2 0 g heats up more and more on passing through the countercurrent heat exchanger 14 until it almost has the temperature of emerging from the electrolyzer 2 hydrogen H 2 at the exit from the heat exchanger 14.
Sicherlich gibt es bei diesem Wärmetauscher gewisse Wärmeverluste, diese sind aber bei einer guten Isolierung des Gesamt¬ systems, also der ein- und austretenden Gase und dem Elektro¬ lyseur 2, an sich relativ gering, wenn das Gesamtsystem ein- mal auf Prozesstemperatur zwischen 600°C und 800°C aufgeheizt ist. Der Energieverlust des Hochtemperatur-Elektrolyseurs ist also durch den vorbeschriebenen Wärmetauschprozess und einer an sich guten Isolierung der Gesamtvorrichtung relativ gering . Certainly, there are some heat losses in this heat exchanger, but these are relatively low in itself with a good insulation of the total ¬ system, so the incoming and outgoing gases and the electro ¬ lyseur 2, when the total system once on process temperature between 600 ° C and 800 ° C is heated. The energy loss of the high-temperature electrolyzer is thus relatively low by the above-described heat exchange process and a good per se isolation of the overall device.
Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass dem Edukt Wasser aus prozesstechnischen Gründen geringe Mengen Wasserstoff, der dem austretenden Produktwasserstoff abgezweigt wird, zu¬ geführt wird. It should be noted at this point that the educt of water from process engineering reasons small amounts of hydrogen, which is diverted to the exiting product hydrogen, is led to ¬ .
Der nun auf eine Temperatur um 100° abgekühlte Wasserstoff, der im weiteren Verlauf auch noch weiter abkühlen kann oder mit einem weiteren Wärmetauscher abgekühlt werden kann, muss im Weiteren zu einer wirtschaftlichen Lagerung komprimiert werden. Es kann dabei zweckmäßig sein, eine Kompression des Wasserstoffes auf etwa 100 bar vorzunehmen. Bei einer The now cooled to a temperature of 100 ° hydrogen, which can also continue to cool down or can be cooled with another heat exchanger must be further compressed to an economic storage. It may be expedient to carry out a compression of the hydrogen to about 100 bar. At a
lOOfachen Druckspeicherung gegenüber des Atmosphärendruckes wird das Volumen des Gases um ein lOOfaches reduziert. Ziel ist es, den Wasserstoff in einem Speichertank möglichst platzsparend zu speichern. Ein Speicherdruck von ca. 100 bar (insbesondere zwischen 50 bar und 200 bar) hat sich als tech¬ nisch zweckmäßig herausgestellt und ist wirtschaftlich zu re- alisieren. The volume of the gas is reduced by a factor of 100 times over 100 times the pressure of the atmospheric pressure. The aim is to save the hydrogen in a storage tank as space-saving as possible. A storage pressure of approximately 100 bar (preferably between 50 bar and 200 bar) has been found to be ¬ tech nically useful and economically ALISE to re-.
Dennoch wird er bei der Kompression des Wasserstoffes Kompressionsarbeit bzw. Verdichtungsarbeit in das Gas, also dem Wasserstoff (bzw. bei analoger Anwendung auch in das zweite Produktgas Sauerstoff), eingebracht. Diese Kompressionsarbeit wird im komprimierten Gassystem in Wärme umgewandelt, weshalb sich der komprimierte Wasserstoff stark erhitzt. Je nach äu¬ ßeren Rahmenbedingungen weist der komprimierte Wasserstoff bei einem Druck von üblicherweise 100 bar eine Temperatur von 200 bis 600°C auf. Im Wesentlichen handelt es sich bei dieser Wärmeenergie des Gases um die Energie, die vorher in Form von elektrischer Energie in den Kompressor eingebracht wurde und die an sich verlorengehen würde, würde das Gas, wie es übli¬ cherweise vonstatten geht, abgekühlt werden. Diese Energie würde an die Umgebung abgegeben werden. Hierbei handelt es sich jedoch um einen unwirtschaftlichen Prozess, weshalb an dieser Stelle in zweckmäßiger Weise ebenfalls ein Wärme- tauschprozess eingeführt wird, der dem komprimierten Gas die Wärmeenergie entzieht und diese entzogene Wärmeenergie wie- derum dem Edukt Wasser, insbesondere dem flüssigen Wasser, zugeführt wird. Dies ist in Figur 1 durch die beiden Wärme¬ tauscher 10 am Anfang des Prozesses und am Ende des Prozesses dargestellt. Die Wärmetauscher 10 am unteren Teil der Figur 1, also im Bereich des flüssigen Wassers H20f und der Wärme- tauscher 10 im oberen Bereich der Figur 1 im Bereich des zu komprimierenden Wasserstoffes H2, stellen eine Einheit dar, sie sind über Leitungen 7, die das entsprechende Kühlmedium 6 transportieren, miteinander verbunden und sind daher mit einem Bezugszeichen versehen. Nevertheless, it is in the compression of the hydrogen compression work or compression work in the gas, so the hydrogen (or in analog application in the second product gas oxygen) introduced. This compression work is converted into heat in the compressed gas system, which is why the compressed hydrogen heats up strongly. Depending externa ¬ ßeren conditions, the compressed hydrogen at a pressure of usually 100 bar to a temperature of 200 to 600 ° C. Essentially, this thermal energy of the gas is the energy that was previously introduced in the form of electrical energy into the compressor and that would be lost in itself, the gas would, as is übli ¬ cherweise sistatten be cooled. This energy would be released to the environment. However, this is an uneconomical process, which is why at this point a heat exchange process is likewise introduced in an expedient manner, which extracts the heat energy from the compressed gas and supplies this extracted heat energy to the educt water, in particular the liquid water , This is illustrated in Figure 1 by the two heat exchangers ¬ 10 at the beginning of the process and at the end of the process. The heat exchangers 10 at the lower part of FIG. 1, that is to say in the region of the liquid water H20 f and the heat exchanger 10 in the upper region of FIG. 1 in the region of the hydrogen H 2 to be compressed, form a unit, they are connected via lines 7, the corresponding cooling medium. 6 transport, interconnected and are therefore provided with a reference numeral.
Der Wärmetauscher 10 im oberen Bereich umschließt eine Kom- pressionsvorrichtung 4, die beispielsweise wie in Figur 3 und Figur 4 dargestellt, in Form eines Kompressors 12 ausgestal¬ tet sein kann, und entzieht der Kompressionsvorrichtung 4 die Wärmeenergie. Dies kann in einem Abkühlschritt geschehen, es kann jedoch auch kaskadiert geschehen, indem mehrere Kompres- sionsvorrichtungen 4 mit Wärmetauschvorrichtungen 10 hintereinandergeschaltet werden, wie dies exemplarisch in Figur 1 dargestellt ist. The heat exchanger 10 in the upper area encloses a compression device 4, which can be ausgestal ¬ tet, for example, as shown in Figure 3 and Figure 4, in the form of a compressor 12, and withdraws the compression device 4, the heat energy. This can be done in a cooling step, but it can also be done cascaded by a plurality of compression devices 4 are connected in series with heat exchange devices 10, as shown by way of example in Figure 1.
Das fertig komprimierte Produktgas, hier beispielsweise der Wasserstoff, wird nun in einem schematisch dargestellten Tank 16 komprimiert gelagert. Auf der rechten Seite, neben dem Verlauf des Wasserstoffes ist exemplarisch noch der Austritt des Sauerstoffes O2 dargestellt, der üblicherweise nicht ver¬ dichtet wird, da sich eine Lagerung von Sauerstoff nur in we- nigen Fällen lohnt, grundsätzlich wäre es jedoch möglich, mit dem Sauerstoff ebenso zu verfahren, wie mit dem Wasserstoff, was die Energiebilanz des Wärmeaustauschers im vorbeschriebe¬ nen System noch effizienter gestalten würde. In dem in Figur 1 beschriebenen Prozess verläuft das Kühlme¬ dium 6 jeweils in einem geschlossenen Kreislauf, einen anderen Verlauf nimmt dabei das Prozessmedium, also das Wasser, das als Edukt in den Elektrolyseur 2 gelangt und zu Wasserstoff umgewandelt wird. In Figur 2 ist eine Alternative hier- zu dargestellt, wobei das Kühlmedium 6 in Form des Prozess¬ wassers ausgestaltet ist. Im oberen rechten Bereich der Figur 2 wird das flüssige Wasser, gekennzeichnet durch H2Of, in das Kühlleitungssystem der Kühlleitungen 7 als Kühlmedium 6 eingespeist, es durchläuft den Wärmetauscher 10, der dem kompri- mierten Wasserstoff die Wärme entzieht. Dabei wird das Wasser bereits aufgeheizt, bevorzugt auf eine Temperatur über 100°, es liegt nun im Weiteren in einem gasförmigen Zustand vor und wird entlang der Leitung 7 in den nächsten Wärmetauscher 10' gebracht, der wiederum in einer günstigen Ausgestaltungsform in Form eines Gegenstromwärmetauschers ausgestaltet sein kann. Hierbei wird das Wasser (H20g) mit dem sehr heißen Pro¬ duktgas H2 (> 500°C) konfrontiert und tauscht mit diesem die Wärmeinhalte aus. Nach Verlaufen dieses Wärmetauschers 10' bzw. 14 wird das nun bereits fast auf Prozesstemperatur von etwa 600° bis 800°C vorgeheizte gasförmige Wasser in den Elektrolyseur 2 eingeleitet und wird dann in an sich bekannter Weise in Wasserstoff umgewandelt. Selbstverständlich kann noch eine zusätzliche thermische Aufheizung erfolgen, um Wärmeverluste an die Umgebung zu kompensieren. The finished compressed product gas, here for example the hydrogen, is now stored compressed in a schematically illustrated tank 16. On the right side, in addition to the course of the hydrogen, the exit of the oxygen O 2 is shown as an example, which is usually not ver ¬ sealed, since the storage of oxygen is worthwhile in only a few cases, but in principle it would be possible with the oxygen as well as with the hydrogen, which would make the energy balance of the heat exchanger in the vorbeschriebe ¬ nen system even more efficient. In the process described in Figure 1, the Kühlme ¬ medium 6 runs in each case in a closed circuit, another course takes the process medium, ie the water that enters the electrolyser 2 as starting material and is converted to hydrogen. In Figure 2, an alternative to this is shown, wherein the cooling medium 6 is configured in the form of the process ¬ water. In the upper right area of Figure 2, the liquid water, characterized by H 2 O f , is fed into the cooling line system of the cooling lines 7 as the cooling medium 6, it passes through the heat exchanger 10, which extracts the heat from the compressed hydrogen. In this case, the water is already heated, preferably to a temperature above 100 °, it is now further in a gaseous state and is along the line 7 in the next heat exchanger 10 ' brought, which in turn can be configured in a favorable embodiment in the form of a countercurrent heat exchanger. Here, the water (H 2 0 g) is confronted with the very hot pro ¬ duktgas H 2 (> 500 ° C) and exchanges data with this heat content from. After running of this heat exchanger 10 'or 14, the gaseous water, which has already been preheated almost to the process temperature of about 600 ° to 800 ° C., is introduced into the electrolyzer 2 and is then converted into hydrogen in a manner known per se. Of course, an additional thermal heating can be done to compensate for heat losses to the environment.
Der Wasserstoff tritt aus dem Elektrolyseur aus, wird in den Wärmetauscher 14 wie beschrieben abgekühlt, erreicht dann wiederum Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 100° und wird durch die Kompressionseinrichtung 4 komprimiert. Im Weiteren wird in diesem Beispiel nach Figur 2 anders als in Figur 1 nicht die Kompressionsvorrichtung direkt gekühlt, sondern wie noch später erwähnt werden wird, isoliert, so dass der heiße Wasserstoff im weiteren Verlauf im Wärmetauscher 10 wie beschrieben abgekühlt wird. Es kann eine weitere kaska- dierte Kompression in einer weiteren Kompressionsvorrichtung 4 erfolgen, wonach der nun vollständig komprimierte Wasserstoff wiederum in einen entsprechenden Tank 16 gelagert wird. Eine Isolierung der Kompressionsvorrichtung und der anschließende Wärmetausch ist selbstverständlich auch auf die Ausführung in Figur 1 anwendbar. The hydrogen exits the electrolyzer, is cooled in the heat exchanger 14 as described, then again reaches temperatures between room temperature and 100 ° and is compressed by the compression device 4. Furthermore, in this example according to FIG. 2, unlike in FIG. 1, the compression device is not directly cooled but, as will be mentioned later, isolated, so that the hot hydrogen is cooled as described in the heat exchanger 10 as described. There may be a further cascaded compression in a further compression device 4, after which the now completely compressed hydrogen is again stored in a corresponding tank 16. An isolation of the compression device and the subsequent heat exchange is of course applicable to the embodiment in Figure 1.
In den Figuren 3 und 4 werden exemplarisch schematische Dar- Stellungen einer Kompressionsvorrichtung 4 gegeben, die jeweils einen Verdichtungsraum 20 sowie einen Hubkolben 26 aufweisen. Der Kompressionsvorgang ist hierbei sehr schematisch wiedergegeben und die Figuren 3 und 4 legen keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Beiden Kompressoren 12 in Figur 3 und Figur 4 ist es zu eigen, dass sie sowohl eine WasserstoffZu¬ führung 22 und eine Wasserstoffabführung 23 aufweisen. Der Hubkolben 26 wird im Verdichtungsraum 20 auf und ab bewegt, was durch den Doppelpfeil an der Seite des Hubkolbens darge- stellt ist. Der Hubkolben 26 wird bevorzugt durch eine Excen- tervorrichtung, beispielsweise durch eine Nockenwelle, ange¬ trieben . In Figur 3 ist der Kompressor 12, also eine spezielle Ausges¬ taltungsform der allgemeinen Verdichtungsvorrichtung 4, durch Kühlkanäle 8 durchzogen. Diese Kühlkanäle 8 nehmen die beim Kompressionsvorgang entstandene Wärme auf und führen diese ab. Die Kühlkanäle 8 sind somit Bestandteil der Wärmetausch- Vorrichtung 10 in einer konkreten Ausgestaltung. In FIGS. 3 and 4, exemplary schematic representations of a compression device 4 are given, each having a compression space 20 and a reciprocating piston 26. The compression process is shown here very schematically and Figures 3 and 4 are not exhaustive. Both compressors 12 in Figure 3 and Figure 4, it is inherent that they have both a WasserstoffZu ¬ leadership 22 and a hydrogen discharge 23. The reciprocating piston 26 is moved up and down in the compression space 20, which is indicated by the double arrow on the side of the reciprocating piston. is is. The reciprocating piston 26 is preferably tervorrichtung by a Excen-, for example, by a camshaft is driven ¬. In FIG. 3, the compressor 12, that is to say a special Ausges ¬ taltungsform the general compression device 4, crossed by cooling channels 8. These cooling channels 8 absorb the heat generated during the compression process and carry it off. The cooling channels 8 are thus part of the heat exchange device 10 in a specific embodiment.
In der Ausgestaltungsform gemäß Figur 4 ist die Verdichtungsvorrichtung 4 bzw. der Kompressor 12 mit einer Isolierung 28 versehen, wobei ebenfalls eine WasserstoffZuführung 22 einer Wasserstoffabführung 23 vorgesehen ist, der Kompressor 12 an sich arbeitet dabei auf einer erhöhten Prozesstemperatur und der Wasserstoff, der bereits in komprimierter Form aus der Leitung 23 herauskommt, wird nun durch einen separaten Wärmetauscher 10 abgekühlt. Auch die hierbei entzogene Wärmeener- gie wird wie bereits beschrieben zur Aufheizung des Prozess¬ wassers verwendet. Selbstverständlich kann auch die Kompres¬ sionsvorrichtung 4 aus Figur 3 eine Isolierung aufweisen, wodurch die erzeugte Wärmeenergie konzentriert durch die Kühl¬ kanäle 8 abgeführt wird. In the embodiment according to Figure 4, the compression device 4 and the compressor 12 is provided with an insulation 28, wherein also a hydrogen supply 22 of a hydrogen discharge 23 is provided, the compressor 12 itself operates at an elevated process temperature and the hydrogen, which is already in Compressed form comes out of line 23 is now cooled by a separate heat exchanger 10. The case extracted heat energy is used to heat up the process ¬ water as previously described. Of course, the compres sion ¬ device 4 may include insulation from Figure 3, whereby the heat energy produced is focused through the cooling channels 8 ¬ dissipated.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mittels eines Hochtemperatur-Elektrolyseurs, umfassend folgende A process for producing hydrogen from water by means of a high temperature electrolyzer, comprising the following
Schritte: Steps:
- Aufheizen des Wassers auf eine Prozesstemperatur des  Heating the water to a process temperature of
Elektrolyseurs (2) von mehr als 500°C,  Electrolyzers (2) of more than 500 ° C,
- Elektrolyse des Wassers im Elektrolyseur (2) zu  - Electrolysis of the water in the electrolyzer (2) too
Produktgasen Wasserstoff (H20) und Sauerstoff (02) , Product gases hydrogen (H 2 0) and oxygen (0 2 ),
- Verdichten des Produktgases Wasserstoff (H2) mittels einer Verdichtungsvorrichtung (4), Compressing the product gas hydrogen (H 2 ) by means of a compression device (4),
- Abkühlen des verdichteten Wasserstoffs (H2) mittels eines Kühlmediums (6) und - Cooling of the compressed hydrogen (H 2 ) by means of a cooling medium (6) and
- Zuführen der im Kühlmedium (6) angereicherten Wärmeenergie in den Aufheizprozess des Wassers.  - Feeding the enriched in the cooling medium (6) heat energy in the heating process of the water.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten des Wasserstoffs (H2) in mehreren Verdichtungsschritten erfolgt, denen wiederum mehrere Abkühlprozesse angegliedert sind. 2. The method according to claim 1, characterized in that the compression of the hydrogen (H 2 ) takes place in several compression steps, which in turn several cooling processes are affiliated.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (4) durch das Kühlmedium (6) gekühlt wird, dessen Wärmeenergie dem Aufheizprozess des Was- sers zugeführt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the compression device (4) by the cooling medium (6) is cooled, the heat energy is supplied to the heating process of the water sers.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (4) zumindest teilweise gegenüber ihrer Umgebung isoliert wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the compression device (4) is at least partially isolated from their environment.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (4) mit Kühlkanälen (8) durchzogen ist. 5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that the compression device (4) with cooling channels (8) is traversed.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser, das dem Elektrolyseur (2) zur Reaktion zugeführt wird, zumindest teilweise das Kühlme¬ dium umfasst. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the water which is supplied to the electrolyzer (2) for reaction, at least partially comprises the Kühlme ¬ dium.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff (H2) nach dem Austreten aus dem Elektrolyseur (2) und vor dem Verdichten mittels ei- nes Wärmetauschprozesses abgekühlt wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the hydrogen (H 2 ) is cooled after exiting the electrolyzer (2) and before the compression by means of a heat exchange process.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff (H2) nach dem Austreten aus dem Elektrolyseur (2) durch einen Gegenstromwärmetauscher abgekühlt wird. 8. The method according to claim 7, characterized in that the hydrogen (H 2 ) after exiting the electrolyzer (2) is cooled by a countercurrent heat exchanger.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser, das dem Elektrolyseur (2) zugeführt wird, in dampfförmiger Form als Kühlmedium im Wärmetauschprozess den Wasserstoff (H2) abkühlt und dabei aufgeheizt wird. 9. The method according to claim 7 or 8, characterized in that the water, which is supplied to the electrolyzer (2), in the form of a vapor cooling medium in the heat exchange process, the hydrogen (H 2 ) cools and is heated.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Produktgas Wasserstoff (H2) Sauerstoff (02) als weiters Produktgas ebenfalls ver¬ dichtet wird, abgekühlt wird und die dabei abgeführte Wärme- energie dem Aufheizprozess des Wassers zugeführt wird. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in addition to the product gas hydrogen (H 2 ) oxygen (0 2 ) as further product gas is also ver ¬ seals, is cooled and the thereby dissipated heat energy is supplied to the heating process of the water ,
11. Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff umfassend einen Hochtemperatur-Elektrolyseur (2) zur Umwandlung von Wasser in Wasserstoff (H2) sowie eine Verdichtungsvorrichtung (4) zur Verdichtung des erzeugten Wasserstoffes, wobei die Verdichtungsvorrichtung (4) eine Wärmetauschvorrichtung (10), die zur Übertragung der im Verdichtungsprozess auftretenden Kompressionswärme auf das dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (2) zuzuführenden Wassers dient, umfasst. 11. An apparatus for producing hydrogen comprising a high-temperature electrolyzer (2) for converting water into hydrogen (H 2 ) and a compression device (4) for compressing the generated hydrogen, wherein the compression device (4) comprises a heat exchange device (10) for transferring the compression heat occurring in the compression process to the water to be supplied to the high-temperature electrolyzer (2).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (4) in Form eines Kompressors (12) ausgestaltet ist. 12. The device according to claim 11, characterized in that the compression device (4) in the form of a compressor (12) is configured.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (4) zumindest teilweise isoliert ist. 13. The apparatus of claim 11 or 12, characterized in that the compression device (4) is at least partially isolated.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (4) zumindest teilweise von der Wärmetauschvorrichtung (10) umgeben ist . 14. Device according to one of claims 11 to 13, characterized in that the compression device (4) is at least partially surrounded by the heat exchange device (10).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschvorrichtung (10) zumindest teilweise in Form von Kühlkanälen (8) die Verdichtungs¬ vorrichtung (4) durchläuft. 15. Device according to one of claims 11 to 14, characterized in that the heat exchange device (10) at least partially in the form of cooling channels (8) passes through the compression ¬ device (4).
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