WO2014040746A1 - Verfahren und system zum betreiben eines elektrolyseurs - Google Patents

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WO2014040746A1
WO2014040746A1 PCT/EP2013/002780 EP2013002780W WO2014040746A1 WO 2014040746 A1 WO2014040746 A1 WO 2014040746A1 EP 2013002780 W EP2013002780 W EP 2013002780W WO 2014040746 A1 WO2014040746 A1 WO 2014040746A1
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pressure
cell
container
cells
membrane
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PCT/EP2013/002780
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English (en)
French (fr)
Inventor
Cristian Liviu MUTASCU
Bruno Zekorn
Martin Greda
Ulrich Rost
Michael Brodmann
Jeffrey Roth
Andre Wildometz
Jörg Neumann
Original Assignee
Westfälische Hochschule Gelsenkirchen Bocholt Recklinghausen
Propuls Gmbh
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for operating an electrolyzer with at least one Elektroiyseurzelle, which at least partially rests in the interior of a pressurized container and with respect to the
  • the Elektroiyseurzelle comprises two pole plates, between which a membrane electrode assembly is arranged such that the Elektroiyseurzelle is divided into a first, an anode forming half cell and a second, forming a cathode half cell, the pole plates by the Pressure in the container against the membrane-electrode assembly are pressed, and in the operation of the Elektroiyseurzelle in the first half-cell oxygen and in the second half-cell hydrogen is generated, which is passed via a respective output of the Elektroiyseurzelle in each case a pressure accumulator.
  • Electrolysis cells of the aforementioned type are known. They convert electrical energy into chemical energy by applying a DC voltage to split distilled water into hydrogen and oxygen between electrodes, which is commonly known as electrolysis.
  • German patent application DE 10 2009 057 494 A1 describes a device with a plurality of individual cells which form a so-called stack and which can be used as electrolyzer cells.
  • the membrane-electrode assembly of a Elektroiyseurzelle of the aforementioned type consists of an ion-conductive polymer (PEM - polymer electrolyte membrane), on both sides of each a thin, porous and electrically conductive layer
  • CONFIRMATION COPY is applied. These layers form the electrodes. During operation, a DC voltage of at least 1.23V is applied between the electrodes so that one electrode acts as an anode and the other as a cathode. This means that the ion-conducting polymer is between the electrodes, with the membrane separating the electrolyzer cell into two half-cells. Each of the two pole plates surrounds the membrane electrode facing it, ie
  • Electrode-forming layer on the membrane is gas-tight and proton-permeable when wet.
  • the layers are additionally provided with a catalyst, it being possible to use platinum on the cathode side and noble metals such as iridium, ruthenium, platinum or metal oxides of the metals mentioned on the anode side.
  • porous, electrically conductive layers also referred to as diffusion layers, can lie between the pole plates and the membrane electrodes.
  • each half cell is turned by a pole plate facing each pole plate
  • At least on the anode side of the electrolyzer cell water is supplied which at the anode into elemental oxygen and positively charged hydrogen ions i. Protons is decomposed.
  • the elemental oxygen immediately connects to molecular oxygen, the protons diffuse through the proton-conducting
  • Membrane to the cathode, where they first recombine with supplied electrons to elemental hydrogen, which then connects to hydrogen molecules.
  • reaction equations for this electrochemical process are 2 H 2 O 4H + + 4e " + 20; 20 -» O 2 on the anode side
  • the electrolyzer cell collects oxygen in the anode half cell and in the anode half cell Cathode half cell hydrogen.
  • An electrolyzer can thus be used specifically for the production of hydrogen and oxygen.
  • the pressure on the pole plates causes them to be pressed flat over the membrane-electrode assembly, thus reducing the electrical losses and the electrical contact between the individual electrodes
  • Layers of electrolyzer cell is optimal.
  • the pressure on the pole plates significantly affects the efficiency of the electrolysis by reducing the electrical losses.
  • two end plates can be used, between which the electrolyzer cell or a stack formed from a plurality of such cells is arranged, and which are connected via tie rods or
  • Threaded bolts are clamped together.
  • the two end plates transmit the surface pressure to the intermediate electrolyzer cell (s)
  • the compression can also be done hydraulically.
  • the housing of the electrolyzer forms a pressure vessel in which a pressurized medium, such as a liquid or a gas is filled.
  • the Elektrolyseurzelle lies at least partially in the medium, so that the medium transfers the pressure on the pole plates when building up an overpressure in the pressure vessel.
  • Such exerted from the outside on the pole plates pressure then causes a corresponding pressing of the pole plates on the membrane electrode assembly.
  • the electrolyzer cell (s) in elastic pockets so that the medium exerts its pressure first on these pockets which attach to the pole plates and then transfer the pressure to the pole plates.
  • Electrolysis cell in each case a half-cell, in which the correspondingly formed gas can be collected, wherein the half-cells are separated from each other by the gas-tight polymer membrane of the membrane-electrode assembly.
  • Gases are usually stored and transported in pressure bottles.
  • each half-cell can be connected to a mechanical compressor which compresses the corresponding gas into a pressure accumulator.
  • the half cell itself remains essentially unpressurized, so as not to damage the sensitive membrane, as otherwise the membrane may crack and fracture.
  • the pressure is accordingly built up only behind the compressor.
  • electrolyzers which discharge the oxygen produced in the electrolysis of water without pressure into the atmosphere, so that a low pressure gradient is established across the membrane, to which the
  • Membrane must withstand.
  • the membrane must have a certain mechanical stability, which is usually achieved by a thicker membrane.
  • a thicker membrane leads to a lower efficiency of the
  • Electrolysis cell as is the way the protons through the membrane
  • a method for operating an electrolyzer with at least one electrolyzer cell, which at least partially rests in the interior of a pressurized container and opposite to the
  • the Elektrolyseurzelle comprises two pole plates, between which a membrane-electrode assembly is arranged such that the electrolyzer cell is divided into a first, an anode forming half cell and a second, forming a cathode half cell, the pole plates through the Pressure in the container against the membrane-electrode assembly are pressed, and in operation of the electrolyzer cell in the first half-cell oxygen and in the second half-cell hydrogen is generated, which is passed via a respective output of the electrolyzer cell in each case a pressure accumulator, wherein the pressure in the first half-cell and the pressure in the second half-cell are kept substantially equal, and the pressure in the container is tracked to the pressure in the half-cells.
  • the pressure is tracked in particular proportionally, so that one necessary for pressing the pole plates against the membrane-electrode assembly
  • Pressure difference between the interior and the half-cells is kept substantially constant.
  • This method allows the use of an electrolyzer for oxygen and hydrogen production, with direct storage of hydrogen and oxygen without an additional compressor for compression, because the half cells place the two gases directly above atmospheric pressure ready.
  • the electrolyzer according to the invention can thus supply directly compressed oxygen and hydrogen.
  • Membrane of the electrolysis cell that is, it can be a thinner membrane than usual for high pressure electrolyzers, which leads to the
  • Membrane resistance is reduced. By using a thin membrane is thus possible to operate the electrolyzer cell with a higher efficiency.
  • Maintaining the pressures in the half-cells can basically
  • the pressures are measured and the pressure is adjusted according to the other pressure serving as a setpoint specification.
  • volume displacing actuator which is the volume of a half-cell connected to it
  • Connection lines and / or the accumulator changed.
  • the volume of both half-cells can simultaneously be oppositely influenced.
  • Too high a pressure in one of the half-cells are further degraded by the fact that the corresponding gas is discharged in a controlled manner, for example in the atmosphere or another connected pressure vessel. This is
  • the hydrogen is the more valuable gas.
  • the pressures in the half-cells can be matched to one another by means of an external hydraulic pressure compensation device, into which the outlets of the electrolyzer cell flow. This allows a quick pressure equalization can be achieved, so that dynamic pressure changes
  • Pressure pulses and rapid pressure fluctuations on one side can be compensated immediately.
  • the load on the membrane is thereby reduced.
  • the pressure compensating means may be a container having two spaces separated by an elastic membrane. A line coming from the one half cell opens into the one room area, while a line coming from the other half cell opens into the other room area. Through the membrane immediately a pressure equalization between the
  • the hydraulic pressure compensation device has the advantage that an electronic control with sensors, actuators and
  • Control lines can be dispensed with. However, it may also be provided that the automatic pressure compensation device and the electronic pressure control are used in parallel.
  • the electrolyzer cell can be operated at a pressure between 0 bar and 300 bar. Since the two process gases are separated by the membrane, the pressure can theoretically be increased on both sides with adequate pressure maintenance and monitoring. Physically, however, the housing components and connection points of the pole plates and cables are a limiting factor.
  • the electrolyzer is operated at a higher system pressure, In particular, up to 300 bar is operable, an additional compression stage is no longer necessary or can be considerably smaller.
  • the piping can be done with stainless steel pipes.
  • Pressure vessel also the increased pressure requirements, in particular
  • the electrolyzer In the electrolyzer according to the invention, a compression of the half cells, i. of the pole plates, by the pressure in the vessel surrounding the electrolyzer cell. If the pressure in the electrolyzer cell, i. in the two half-cells, the pressure difference between the cell and the container interior is reduced, so that the compression is no longer guaranteed. The pressure difference can even become negative, causing the cell to inflate into the container. The compression and thus the functionality of the cell are no longer given. For this reason, a proportional tracking of the pressure in the container is proposed according to the invention, so that the container pressure is always higher than the
  • the pressure in the housing can be increased as the pressure within the half-cells increases. Further, the pressure in the housing can be reduced when the pressure within the half-cells decreases. In particular, this tracking can be carried out such that always a constant, preferably predetermined pressure difference between the pressure in the container and the pressure between the half-cells or at least a predetermined pressure difference range is maintained.
  • the tracking of the pressure in the container is possible in various ways, for example by changing the internal volume of the container or by introducing further medium into the container, so that a stronger compression of the medium in the container (gas or liquid) takes place, the pressure on the electrolyzer cell transfers.
  • the pressure tracking in the container can be achieved by changing its internal volume. For example, the volume of the interior can be reduced when the pressure in the
  • Half cells rise. Accordingly, the volume of the internal space can be increased as the pressure in the half-cells decreases. It is of particular advantage if the pressure in the container is tracked regulated, with a predetermined pressure difference between the interior of the container and the half-cells should be maintained as the desired value. The pressure difference is required for the compression of the cell.
  • the control can be done by measuring the internal pressure of the container by means of at least one sensor.
  • the change in the volume of the interior of the housing can be changed by means of a mechanical adjusting means, which is preferably controlled by a control.
  • a mechanical adjusting means which is preferably controlled by a control.
  • Such an actuator may be, for example, a motor-operated screw or a piston, which is moved into the interior of the container by its outer wall and thereby reduces the internal volume of the container.
  • a volume change can be made as follows.
  • the container may have a secondary chamber which is connected via an opening closed by an elastic membrane element with the interior of the container.
  • the interior of the secondary chamber is communicatively connected to one of the half cells, so that in operation of the electrolyzer gas from the
  • the pressure in the secondary chamber corresponds to the pressure in this half-cell. If the pressure in the half-cell increases, the pressure in the secondary chamber also increases. This causes the membrane element to expand into the interior of the container; the volume of the secondary chamber increases, whereas the volume in the interior of the container is reduced. As a result, the medium in the container is compressed more and the pressure in the container increases. Since the pressure in the interior of the container must be greater than the pressure in the half-cells to compress the half-cells, it is necessary to bias the membrane element. This can be achieved by a biasing means, for example a pressing against the membrane element in the direction of the interior of the container Spring can be achieved. In this case, the bias is determined by the spring constant.
  • a means that generates a variable bias can also be used a means that generates a variable bias.
  • a pin pushing against the diaphragm can be used here, which is held movably in a guide and, together with the guide, is supported on a wall of the secondary chamber, in particular on the wall opposite the membrane element.
  • the auxiliary chamber is connected to the first half-cell. Since this both oxygen and water escapes, which can be fed back to the electrolysis process as reactant, the secondary chamber can simultaneously as
  • Collection container for this water and for media separation (oxygen, water) and as an intermediate container between a water reservoir and the
  • Secondary chamber to be pumped and pumped from the secondary chamber water in the first half-cell.
  • the secondary chamber may be connected to the second half cell. Since only hydrogen escapes from this, the secondary chamber can also serve as a tank.
  • a system for operating an electrolyzer with at least one electrolyzer cell which lies at least partially in the interior of a pressurized container and comprises two pole plates, between which a membrane-electrode assembly is arranged such that the electrolyzer cell is transformed into a first, an anode forming half-cell and a second, forming a cathode half-cell is divided, wherein the pole plates are pressed by the pressure in the container against the membrane-electrode assembly, and in operation of the electrolyzer cell in the one half cell oxygen and in the other half-cell hydrogen generated is, via each an output of the half-cells in each case an accumulator can be introduced, and wherein the device further comprises means for
  • the means for equalizing the pressure between the half-cells are formed by a surge tank having two space portions, wherein in each case a pressure line from the pole plates opens into one of the space regions, and the space regions are separated by an elastic membrane.
  • the means for tracking the pressure in the container at least a first means for detecting the pressure in one of the half-cells, at least a second means for detecting the pressure in the interior of the container, at least one adjusting means for changing the volume of the interior of the container and thus the Pressure in a half-cell, and a control device for adjusting the actuating means in dependence on the pressure difference between the pressure in the container and the pressure in the half-cells include.
  • the container may have an auxiliary chamber which has an opening to the container interior, which is closed by an elastic membrane element which can move into the container interior as a result of its extensibility.
  • Secondary chamber is communicatively connected to one of the half-cells, so that gas of this half-cell can be introduced into the secondary chamber. Furthermore, a means for generating a bias against the membrane may be present in order to
  • Figure 1 Schematic representation of the structure of an inventive
  • Figure 2 Schematic representation of the structure of a system according to the invention with electrolyzer
  • Figure 3 Schematic representation of the structure of a system according to the invention with electrolyzer, integrated gas collecting container and pressure tracking.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electrolyzer 1 comprising, by way of example, an electrolyzer cell 2 which completely rests in the interior 8 of a pressurized container 3.
  • an electrolyzer cell 2 which completely rests in the interior 8 of a pressurized container 3.
  • two, three or more such electrolyzer cells 2 it is also possible for two, three or more such electrolyzer cells 2 to be arranged in the container 3, the individual cells 2 then being connected electrically in parallel or in series and the
  • the cell 2 is only partially in the container, wherein at least the active part of the cell 2, i. that part in which the electrolysis takes place protrudes into the container 3.
  • the electrolyzer cell 2 is a closed system formed by a housing 11 in which the active components of the cell 2 are enclosed.
  • the active components comprise two pole plates 4, 5, of which the first pole plate 4 forms part of the anode and the second pole plate 5 forms part of the cathode.
  • a gas-tight, proton-permeable membrane electrode assembly 6 (PEM, polymer electrolyte membrane) is arranged between the pole plates 4, 5.
  • PEM proton-permeable membrane electrode assembly 6
  • This consists of a polymer membrane, which is coated on both sides with an electrically conductive layer, which also acts as an electrode.
  • an electrically conductive diffusion layer 7 lies between this PEM 6 and the corresponding pole plate 4, 5. It should be noted that the two diffusion layers 7 are made of
  • a pole plate, a diffusion layer and the layer facing it on the polymer membrane consequently each form one unit, i. an electrode wherein the electrodes are separated only by the electrically insulating polymer membrane.
  • Electrolysis cell in a first, the anode forming half-cell 4a and in a second, the cathode-forming half-cell 5a.
  • the first half-cell 4a thus consists of the the first pole plate 4, the facing half of the membrane electrode assembly 6 and the diffusion layer 7 between them, whereas the second
  • Membrane electrode unit 6 and the lying between these diffusion layer 7 consists.
  • the introduction of the current is about the pole plates 4, 5 itself, at
  • the pole plates 4, 5 have a channel structure, not shown, in which the corresponding gas collects and via which the gas is passed to an outlet. About these outputs, the electrolyzer is connected to a respective pressure vessel 9, 10, see Fig. 2. Such a channel structure is not mandatory. Alternatively, the pole plates may have channel-like depressions on their sides facing the gas diffusion layer, through which the gases are conducted upwards. Such a structure can be used, for example, when the gas diffusion layers consist of a tile.
  • This compression concept represents a hydraulic compression.
  • the pole plates 4, 5 can in this embodiment directly form part of the cell wall 11, so that the pressure p3 in the container 3 is exerted directly on them. At its edge side, the pole plates 4, 5 are then electrically insulated with each other and encapsulate the membrane electrode assembly 6 and the diffusion layers 7 in this way.
  • the cell wall may consist of a flexible plastic, in particular an elastomer, which the
  • an open concept may be used for the pole plates 4, 5 in which the area between the pole plates 4, 5 is open at the top, bottom and sides and in which the pole plates are inserted in an elastic pocket covering the cell wall 11, so that Housing of the cell 2 forms.
  • the bag concept described in DE 10 2009 057 494 A1 can be used here.
  • Hydrogen production by means of electrolysis of water requires electrical energy and heat energy for the separation of water.
  • the energy required results from the reaction enthalpy of water at the operating temperature of the
  • Electrolysers 1 Where: Water + Energy -> Hydrogen + Oxygen.
  • the energy is provided in the form of electrical energy, which is then converted into heat energy and chemical energy.
  • a galvanic cell based on polymer electrolyte membranes is generally divided into two cell halves, of which the pole plates 4, 5 each form a part.
  • electrolysis of water on the one hand (anode) water is to be supplied, which is decomposed into oxygen and hydrogen cations and electrons:
  • the hydrogen cations are transported through the membrane 6 to the other side, the cathode, and recombined with externally supplied electrons to hydrogen: 4H + + 4e " -> 2H 2 .
  • Terminals 20 is applied (see Fig. 2) results from the minimum required cell voltage, which is derived from the principles of thermodynamics, and the overvoltages (including activation overvoltage, overvoltage due to ohmic resistors).
  • the part of the overvoltage that occurs due to the membrane electrode assembly 6 used is directly dependent on the membrane thickness. The following equation illustrates that a lower overvoltage due to membrane resistance requires a lower cell voltage.
  • E E eq + r ⁇ act + R_el + T
  • E the cell voltage
  • E eq the required cell voltage at the prevailing ambient conditions
  • r ⁇ ac the activation overvoltage and ⁇ ⁇ ⁇ the Overvoltage due to ohmic resistances and ⁇ ⁇ the overvoltage through the membrane resistance.
  • inventive measures are significantly reduced compared to conventional designs.
  • the optimum compression pressure at which the ohmic contact resistance is minimized and nevertheless sufficient media supply and removal is ensured reduces the ohmic losses in the cell, and the
  • Pressure tracking in the two half cells allows the use of a thin membrane with reduced membrane resistance.
  • oxygen H 2 is generated in the second half cell 5 a (cathode) and oxygen O 2 in the first half cell 4 a (anode), which is in each case passed into a pressure accumulator (9, 10) (see Fig. 2).
  • Uncoupled water H 2 0 also leaves the one half cell 4 a together with the oxygen O 2 .
  • FIG. 2 shows a system according to the invention in which the electrolyzer 1 according to FIG. 1 is integrated.
  • Hydrogen H 2 collects in the channel structure, not shown
  • Kathodenpolplatte 5 at its output via a corresponding piping with a pressure vessel 9, for example, a conventional gas cylinder, in
  • Compound is, in which the hydrogen H 2 is introduced.
  • Piping is a shut-off valve 16b, which is usually part of the gas cylinder fitting is.
  • the pressure p2 prevails, which is measured via a sensor 17b.
  • the container 30 serves as a pressure equalization tank.
  • the container 30 is divided into an upper space area 30a and a lower space area 30b, this separation being achieved by an elastic membrane 13.
  • the upper space area 30a is communicating with the first half cell 4a
  • the lower space area 30b is communicating with the second half cell 5a
  • Cathode half cell 5a is present.
  • the elastic membrane 13 it is also possible to use a balloon, as is conventionally known in hydraulic systems as hydraulic compensation. If the pressure p2 in the cathode half-cell 5a increased, for example, so that the membrane-electrode unit 6 is pressed between the pole plates 4, 5 to the anode pole plate 4, the membrane 13 in the surge tank 30 would be the same the upper space portion 30a are pressed, so that the pressure p1 in the upper space portion 30a and thus in the anode half-cell 4a is increased. As a result, a bulging of the membrane-electrode unit 6 is counteracted to the anode pole 4.
  • the pressure p3 in the container 3 is tracked in dependence on the leveled pressure p1, p2 in the half-cells 4a, 5a by means of a regulation-related pressure regulation. This is done as follows:
  • the half-cells 4a, 5a are pressed, i. the pole plates 4, 5 press against the membrane-electrode unit 6. This takes place in that the pressure p3 in the container 3 surrounding the electrolyzer cell 2 is always higher than the pressure p1, p2 in the half-cells 4a, 5a. Otherwise, the pole plates 4, 5 would detach from the membrane electrode assembly 6 and inflate into the container. If the pressure p1, p2 in the half-cells 4a, 5a increases, therefore, the pressure p3 in FIG.
  • Container 3 tracked. This is done via a control technology
  • the pressure p3 in the interior 8 of the container 3 is measured by means of a sensor 17c and one of the pressures p1, p2 in the half-cells 4a, 5b by means of at least one further sensor 17a and / or 7b. Since the pressures p1, p2 in the
  • Half-cells 4a, 5a are kept the same, it is not necessary to measure both pressures p1, p2. Nevertheless, for security reasons, the pressure in the corresponding other half cell can be monitored.
  • the pressure control 19 the measured pressure p2 in the cathode half-cell 5a and the measured pressure p3 in the container interior 8 is supplied.
  • the pressure control 19 detects the pressure p3 in the container 3, so that a predetermined pressure difference ⁇ held or at least a pressure difference range is maintained.
  • the change in the pressure p3 in the container is effected by an adjusting means 12, which is controlled by the pressure control 19.
  • the actuating means 12 acts as Volume displacement system and includes a servomotor, which moves a piston or a screw into the interior 8 of the container 3 and thus reduces its volume. This leads to an increase in pressure.
  • the screw is partly in a bore in the container wall and is guided by a thread of the bore, wherein it partially protrudes into the container 3. If this screw is screwed into the interior 8 of the container 3, its volume decreases and the internal pressure p3 increases.
  • the screw is operated by the servo motor electric motor, wherein the electric motor adjusts the position of the screw. The corresponding activation takes place via electrical connections 18, see FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a further embodiment variant of the system according to the invention.
  • the container 3 here has an auxiliary chamber 40, which is connected via an opening 41 closed by an elastic membrane element 42 with the interior 8 of the container 3.
  • the membrane element 42 is pressed into the interior 8 of the container 3.
  • the interior of the auxiliary chamber 40 is
  • Electrolyzer 1 oxygen is introduced from the first half-cell 4a in the auxiliary chamber 40.
  • the pressure p4 in the sub-chamber 40 corresponds to the pressure p1 in this half-cell 4a. If the pressure p1 in the half-cell 4a now increases, the pressure p4 in the auxiliary chamber 40 also increases
  • Membrane element 42 expands into the interior 8 of the container 3.
  • the volume of the auxiliary chamber 40 thereby increases, whereas the volume in the
  • Container interior 8 more compressed and the pressure p3 in the container interior 8 increases. Since this pressure p3 must be greater than the pressure p1, p2 in the half-cells 4a, 5a in order to press the half-cells 4a, 5a, it is necessary to bias the membrane element 42. This is done by a compression spring 43 with a corresponding spring force FF, which is located on the membrane element 42nd
  • Membrane element 42 in the direction of the interior 8 of the container 3 suppressed. On the membrane element 42 then lies on one side in the auxiliary chamber 40, the force of the spring 43 and the pressure p4, which corresponds to the pressure p1, on and on the other side in the interior 8 of the container 3, the pressure p3.
  • FF + p4 * A1 p3 * applies A2, where A1 is the minor chamber side surface of the membrane element 42 and A2, the surface of the membrane element 42 to which the pressure p3 acts. The two surfaces are approximately equal in Fig. 3.
  • the auxiliary chamber 40 is connected to the first half-cell 4a. Since from this both oxygen 0 2 and water H 2 0 emerges, the educt as the
  • the auxiliary chamber 40 serves as a collecting container for this water and for media separation (oxygen, water) and as an intermediate container between the water reservoir 21 and the media separation (oxygen, water) and as an intermediate container between the water reservoir 21 and the media separation (oxygen, water) and as an intermediate container between the water reservoir 21 and the media separation (oxygen, water) and as an intermediate container between the water reservoir 21 and the media separation (oxygen, water) and as an intermediate container between the water reservoir 21 and the
  • Secondary chamber 40 pumped and pumped from the secondary chamber 40 water in the first half-cell 4a.
  • the hydrogen H 2 can be provided at a pressure level above atmospheric conditions without using an additional mechanical compressor stage.
  • 5a thinner membranes can be used with more favorable properties for water electrolysis. It is also through the integrated
  • the membrane thickness d is in addition to the current density i and the water content of the membrane ⁇ decisive for the parasitic
  • TICC ⁇ (d, ⁇ , i)). ⁇ is a measure of the humidification of the membrane.
  • one side of the cell is flooded with water and thus the humidification of the membrane always 100%.
  • the electrolyzer according to the invention has a compact design, since the Elektrolyseurzelle and the adjusting means for increasing the pressure in the container are integrated together in this container.
  • the system can be operated noiselessly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und ein System zum Betreiben eines Elektrolyseurs (1) mit wenigstens einer Elektrolyseurzelle (2), die im Innenraum (8) eines unter Druck (p3) stehenden Behälters (3) zumindest teilweise einliegt und gegenüber dem Innenraum (8) geschlossen ist, wobei die Elektrolyseurzelle (2) zwei Polplatten (4, 5) umfasst, zwischen denen eine Membran-Elektroden-Einheit (6) derart angeordnet ist, dass die Elektrolyseurzelle (2) in eine erste, eine Anode bildende Halbzelle (4a) und eine zweite, eine Kathode bildende Halbzelle(5a) geteilt ist. Die Polplatten (4, 5) werden durch den Druck (p3) im Behälter (3) gegen die Membran-Elektroden-Einheit (6) gepresst. Im Betrieb der Elektrolyseurzelle (2) in der ersten Halbzelle (4a) wird Sauerstoff und in der zweiten Halbzelle (5a) Wasserstoff erzeugt, der über jeweils einen Ausgang der Elektrolyseurzelle (2) in jeweils einen Druckspeicher (9, 10) geleitet wird. Der Druck (p1) in der ersten Halbzelle (4a) und der Druck (p2) in der zweiten Halbzelle (4b) werden im Wesentlichen gleich gehalten und der Druck (p3) im Behälter (3) dem Druck (p1, p2) in den Halbzellen (4a, 5a) nachgeführt.

Description

Verfahren und System zum Betreiben eines Elektrolyseurs
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Betreiben eines Elektrolyseurs mit wenigstens einer Elektroiyseurzelle, die im Innenraum eines unter Druck stehenden Behälters zumindest teilweise einliegt und gegenüber dem
Innenraum geschlossen ist, wobei die Elektroiyseurzelle zwei Polplatten umfasst, zwischen denen eine Membran-Elektroden-Einheit derart angeordnet ist, dass die Elektroiyseurzelle in eine erste, eine Anode bildende Halbzelle und eine zweite, eine Kathode bildende Halbzelle geteilt ist, wobei die Polplatten durch den Druck im Behälter gegen die Membran-Elektroden-Einheit gepresst werden, und im Betrieb der Elektroiyseurzelle in der ersten Halbzelle Sauerstoff und in der zweiten Halbzelle Wasserstoff erzeugt wird, der über jeweils einen Ausgang der Elektroiyseurzelle in jeweils einen Druckspeicher geleitet wird.
Elektrolyseurzellen des vorgenannten Typs sind bekannt. Sie wandeln elektrische Energie in chemische Energie um, indem eine Gleichspannung zur Spaltung von destilliertem Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zwischen Elektroden angelegt wird, was allgemein als Elektrolyse bekannt ist. Beispielsweise beschreibt die deutsche Patentanmeldung DE 10 2009 057 494 A1 eine Vorrichtung mit mehreren Einzelzellen, die einen sogenannten Stack bilden und die als Elektrolyseurzellen eingesetzt werden können.
Die Membran-Elektroden-Einheit einer Elektroiyseurzelle der vorgenannten Gattung besteht aus einem ionenleitfähigen Polymer (PEM - Polymer-Elektrolyt-Membran), auf dem beidseitig jeweils eine dünne, poröse und elektrisch leitfähige Schicht
BESTÄTIGUNGSKOPIE aufgetragen ist. Diese Schichten bilden die Elektroden. Zwischen den Elektroden wird im Betrieb eine Gleichspannung von mindestens 1 ,23V angelegt, sodass die eine Elektrode als Anode und die andere Elektrode als Kathode fungiert. Dies bedeutet, dass sich das ionenleitfähige Polymer zwischen den Elektroden befindet, wobei die Membran die Elektrolyseurzelle in zwei Halbzellen trennt. Jede der beiden Polplatten umschließt die ihr zugewandte Membranelektrode, d.h.
elektrodenbildende Schicht auf der Membran. Die Membran ist gasdicht und im feuchten Zustand protonendurchlässig. Zumeist sind die Schichten zusätzlich noch mit einem Katalysator versehen, wobei auf der Kathodenseite Platin und auf der Anodenseite Edelmetalle wie Iridium, Ruthenium, Platin oder Metalloxide der erwähnten Metalle verwendet sein können.
Für einen besseren An- und Abtransport des Wasserstoffs und des Sauerstoffs können poröse, elektrisch leitfähige Schichten, auch als Diffusionslagen bezeichnet, zwischen den Polplatten und den Membranelektroden liegen. In diesem Fall wird jede Halbzelle durch eine Polplatte, die dieser Polplatte jeweils zugewandte
Oberfläche der Membran und die dazwischen liegende Diffusionslage gebildet. Da besagte Diffusionslagen leitfähig sind und an der jeweiligen Membranelektrode anliegen, bilden sie einen Teil der entsprechenden Elektrode. Dasselbe gilt für die jeweilige Polplatte, die z.B. aus Metall oder Graphit ist und wiederum an der entsprechenden Diffusionslage anliegt.
Zumindest auf der Anodenseite der Elektrolyseurzelle wird Wasser zugeführt, das an der Anode in elementaren Sauerstoff und positiv geladene Wasserstoffionen d.h. Protonen zersetzt wird. Der elementare Sauerstoff verbindet sich sogleich zu molekularem Sauerstoff, die Protonen diffundieren durch die protonenleitende
Membran zur Kathode, wo sie mit zugeführten Elektronen zunächst zu elementarem Wasserstoff rekombinieren, welcher sich sodann zu Wasserstoffmolekülen verbindet.
Die Reaktionsgleichungen für diesen elektrochemischen Prozess lauten auf der Anodenseite 2 H2O 4H+ + 4e" + 20; 20 -» O2 und entsprechend auf der
Kathodenseite 4H+ + 4e" -> 4H; 4H -> 2H2. In den beiden Halbzellen der
Elektrolyseurzelle sammelt sich folglich in der Anodenhalbzelle Sauerstoff und in der Kathodenhalbzelle Wasserstoff. Ein Elektrolyseur kann damit gezielt zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff verwenden werden.
Im Wesentlichen bewirkt der Druck auf die Polplatten, dass diese flächig auf die Membran-Elektroden-Einheit gepresst werden, sodass die elektrischen Verluste reduziert werden und die elektrische Kontaktierung zwischen den einzelnen
Schichten der Elektrolyseurzelle optimal ist. Der Druck auf die Polplatten beeinflusst durch die Reduzierung der elektrischen Verluste wesentlich den Wirkungsgrad der Elektrolyse.
Es sind unterschiedliche Methoden bekannt, um die notwendige Flächenpressung innerhalb der Halbzellen zu realisieren. Beispielsweise können zwei Endplatten verwendet werden, zwischen denen die Elektrolyseurzelle oder ein aus mehreren solcher Zellen gebildeter Stack angeordnet ist, und die über Zuganker oder
Gewindebolzen miteinander verspannt werden. Die beiden Endplatten übertragen den Flächendruck auf die/den dazwischenliegenden Elektrolyseurzellen/
Elektrolyseurzellenstack. Durch die Verwendung von massiven Endplatten kann die an den Zugankern punktuell eingeleitete Kraft auf die gesamte Fläche der Membran- Elektroden-Einheit einigermaßen gleichmäßig verteilt werden, so dass diese weitestgehend homogen verpresst wird. Um die Gleichmäßigkeit zu erhöhen, ist aus der Patentanmeldung DE 1 930 116 A eine technische Konstruktion bekannt, bei der spezielle Hohlräume vorgesehen sind, in denen z. B. gas- oder flüssigkeitsgefüllte Druckkissen angeordnet sind. Bekannt sind auch Hohlräume, die mit einem inkompressiblen Druckmedium gefüllt sind oder die über spezielle
Federanordnungen verfügen, siehe beispielsweise DE 00 03 528 A1.
Weiterhin kann die Verpressung auch hydraulisch erfolgen. In dieser
Ausführungsvariante bildet das Gehäuse des Elektrolyseurs einen Druckbehälter, in dem ein druckbehaftetes Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas eingefüllt ist. Die Elektrolyseurzelle liegt in dem Medium zumindest teilweise ein, so dass beim Aufbau eines Überdrucks in dem Druckbehälter das Medium den Druck auf die Polplatten überträgt. Dies stellt eine "hydraulische Verpressung" der Zellen dar und ist ebenfalls in der DE 10 2009 017 779 A1 und DE 10 2009 057 494 A1 beschrieben. Ein derart von außen auf die Polplatten ausgeübter Druck bewirkt dann eine entsprechende Pressung der Polplatten auf die Membran-Elektroden-Einheit. Es ist auch bekannt, die Elektrolyseurzelle(n) in elastischen Taschen anzuordnen, so dass das Medium seinen Druck zunächst auf diese Taschen ausübt, welche sich an die Polplatten legen und sodann den Druck auf die Polplatten übertragen.
Wie bereits ausgeführt, bilden die Anodenseite und Kathodenseite einer
Elektrolyseurzelle jeweils eine Halbzelle, in der das entsprechend entstehende Gas aufgefangen werden kann, wobei die Halbzellen sind durch die gasdichte Polymer- Membran der Membran-Elektroden-Einheit voneinander getrennt sind.
Gase werden üblicherweise in Druckflaschen gelagert und transportiert.
Zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff kann jede Halbzelle mit einem mechanischen Kompressor verbunden werden, der das entsprechende Gas verdichtet in einen Druckspeicher befördert. Die Halbzelle selbst bleibt dabei im Wesentlichen drucklos, um die empfindliche Membran nicht zu beschädigen, da es bei der Membran anderenfalls zu Rissen und Brüchen kommen kann. Der Druck wird entsprechend erst hinter dem Kompressor aufgebaut.
In einer weiteren Ausführungsvariante sind Elektrolyseure bekannt, die den bei der Wasserelektrolyse erzeugten Sauerstoff drucklos in die Atmosphäre entlassen, sodass sich über der Membran ein geringer Druckgradient einstellt, dem die
Membran standhalten muss. Hierfür muss die Membran eine gewisse mechanische Stabilität aufweisen, was in der Regel durch eine dickere Membran erreicht wird.
Eine dickere Membran führt zu einem geringeren Wirkungsgrad der
Elektrolyseurzelle, da sich der Weg, den die Protonen durch die Membran
zurücklegen müssen, und damit der Membranwiderstand erhöht, der durch eine Anhebung der Elektrolysespannung kompensiert werden muss. Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems zur Wasserstoff- und Sauerstoffherstellung wird zudem durch die für die Verdichtung der Gase erforderliche Kompressorleistung erheblich reduziert. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und System zum Betrieb eines PEM-Elektrolyseurs zur Verfügung zu stellen, das die direkte Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff oberhalb atmosphärischer Bedingungen ermöglicht, sodass auf einen Kompressor zur Verdichtung der Gase, um sie in einem
nachgelagerten Druckbehälter zu speichern, verzichtet werden kann, wobei die Membran der Elektrolyseurzelle weiterhin dünn sein soll.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein System gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und des Systems sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs mit wenigstens einer Elektrolyseurzelle vorgeschlagen, die im Innenraum eines unter Druck stehenden Behälters zumindest teilweise einliegt und gegenüber dem
Innenraum geschlossen ist, wobei die Elektrolyseurzelle zwei Polplatten umfasst, zwischen denen eine Membran-Elektroden-Einheit derart angeordnet ist, dass die Elektrolyseurzelle in eine erste, eine Anode bildende Halbzelle und eine zweite, eine Kathode bildende Halbzelle geteilt ist, wobei die Polplatten durch den Druck im Behälter gegen die Membran-Elektroden-Einheit gepresst werden, und im Betrieb der Elektrolyseurzelle in der ersten Halbzelle Sauerstoff und in der zweiten Halbzelle Wasserstoff erzeugt wird, der über jeweils einen Ausgang der Elektrolyseurzelle in jeweils einen Druckspeicher geleitet wird, wobei der Druck in der ersten Halbzelle und der Druck in der zweiten Halbzelle im Wesentlichen gleich gehalten werden, und der Druck im Behälter dem Druck in den Halbzellen nachgeführt wird.
Dabei wird der Druck insbesondere proportional nachgeführt, so dass eine für das Pressen der Polplatten gegen die Membran-Elektroden-Einheit notwendige
Druckdifferenz zwischen dem Innenraum und den Halbzellen im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Dieses Verfahren ermöglicht die Verwendung eines Elektrolyseurs zur Sauerstoff- und Wasserstofferzeugung, wobei eine direkte Speicherung des Wasserstoffs und Sauerstoffs ohne einen zusätzlichen Kompressor zur Verdichtung möglich ist, denn die Halbzellen stellen die beiden Gase direkt oberhalb des atmosphärischen Drucks bereit. Sind die beiden Halbzellen der Elektrolyseurzelle mit entsprechenden
Druckspeichern verbunden, liefern sie diesen kontinuierlich Gas, wobei mit
fortschreitender Gaserzeugung das bereits erzeugte Gas zunehmend komprimiert wird, da das Gesamtvolumen bestehend aus einer Halbzelle, der entsprechenden Leitung zum Druckspeicher und des Druckspeichers selbst konstant bleibt. Dies hat automatisch eine Verdichtung des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in dem
jeweiligen Druckspeicher zur Folge. Der erfindungsgemäße Elektrolyseur kann somit unmittelbar verdichteten Sauerstoff und Wasserstoff liefern.
Da der Druck in den beiden Halbzellen auf dem gleichen Niveau gehalten wird, stellt sich keine bzw. nur eine einstellungsbedingt geringe Druckdifferenz über der
Membran der Elektrolysezelle ein. Das heißt, es kann eine dünnere Membran als für Hochdruckelektrolyseure üblich gewählt werden, was dazu führt, dass der
Membranwiderstand reduziert wird. Durch die Verwendung einer dünnen Membran ist somit möglich, die Elektrolyseurzelle mit einem höheren Wirkungsgrad zu betreiben.
Das Gleichhalten der Drücke in den Halbzellen kann grundsätzlich
regelungstechnisch erfolgen, wobei die Drücke gemessen werden und der eine Druck entsprechend des als Sollwertvorgabe dienenden anderen Drucks eingeregelt wird.
Dies kann beispielsweise durch ein volumenverdrängendes Stellglied erfolgen, welches das Volumen einer Halbzelle, der daran angeschlossenen
Anschlussleitungen und/ oder des Druckspeichers verändert. Alternativ kann das Volumen beider Halbzellen gleichzeitig entgegengesetzt beeinflusst werden.
Ein zu hoher Druck in einer der Halbzellen dadurch ferner dadurch abgebaut werden, dass das entsprechende Gas kontrolliert abgelassen wird, beispielsweise in die Atmosphäre oder einen weiteren angeschlossen Druckbehälter. Dies ist
insbesondere bei dem hergestellten Sauerstoff eine besonders einfache Lösung, einen Druckausgleich herbeizuführen, sofern der Druck in der ersten Halbzelle größer als der Druck in der zweiten Halbzelle ist. Denn bei dem
Gasgewinnungsprozess durch Elektrolyse ist der Wasserstoff das wertvollere Gas. In einer anderen Ausführungsvariante können die Drücke in den Halbzellen mittels einer externen hydraulischen Druckausgleichseinrichtung, in die die Ausgänge der Elektrolyseurzelle münden, einander angeglichen werden. Hiermit kann ein schneller Druckausgleich erreicht werden, so dass dynamische Druckänderungen wie
Druckimpulse und schnelle Druckschwankungen auf einer Seite, beispielsweise infolge einer Ventilstellungsänderung, unverzüglich kompensiert werden können. Die Belastung der Membran wird dadurch reduziert.
Die Druckausgleichseinrichtung kann beispielsweise ein Behälter sein, der zwei Raumbereiche besitzt, die durch eine elastische Membran getrennt sind. In den einen Raumbereich mündet eine von der einen Halbzelle kommende Leitung, in den anderen Raumbereich mündet eine von der anderen Halbzelle kommende Leitung. Durch die Membran wird unverzüglich ein Druckausgleich zwischen den
Raumbereichen und damit zwischen den Halbzellen erreicht. Druckimpulse werden abgefangen. Des Weiteren hat die hydraulische Druckausgleichseinrichtung den Vorteil, dass auf eine elektronische Regelung mit Sensoren, Stellgliedern und
Steuerleitungen verzichtet werden kann. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die automatische Druckausgleichseinrichtung und die elektronische Druckregelung parallel benutzt werden.
Vorzugsweise kann die Elektrolyseurzelle bei einem Druck zwischen 0 bar und 300 bar betrieben werden. Da die beiden Prozessgase durch die Membran getrennt sind, lässt sich der Druck bei ausreichender Druckhaltung und Überwachung theoretisch auf beiden Seiten beliebig steigern. Physikalisch sind allerdings die Gehäusebauteile und Anschlussstellen der Polplatten und Leitungen ein limitierender Faktor.
Im Allgemeinen ist zur Erhöhung der Speicherdichte der Wasserstoff aufwendig zu komprimieren. Eine zusätzliche Kompressionsstufe, die einem Elektrolyseur zumeist nachgeschaltet ist, erhöht die Systemverluste, was unerwünscht ist. Diese Verluste sind erheblich und belaufen sich im Verhältnis zu den restlichen
Systemkomponenten auf etwa 10 % im Falle einer Verdichung auf 200 bar. Dadurch, dass erfindungsgemäß der Elektrolyseur bei einem höheren Systemdruck, insbesondere bis zu 300 bar betreibbar ist, ist eine zusätzliche Kompressionsstufe nicht mehr nötig bzw. kann erheblich kleiner ausfallen.
Für einen Betriebsdruck in der Größenordnung von 20 bar und mehr sind gesteigerte Anforderungen an alle Systemkomponenten zu stellen. Z.B. kann die Verrohrung mit Edelstahlrohren erfolgen. Ebenso müssen das Zellengehäuse der Elektrolyseurzelle, die Pumpe für die Zuleitung des Wassers, etwaige Ventile, Sensoren und die
Druckbehälter ebenfalls den erhöhten Druckanforderungen, insbesondere
hinsichtlich der jeweiligen Verbindungsstellen genügen.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektrolyseur erfolgt eine Verpressung der Halbzellen, d.h. der Polplatten, durch den Druck in dem Behälter, der die Elektrolyseurzelle umgibt. Steigt nun der Druck in der Elektrolyseurzelle, d.h. in den beiden Halbzellen, reduziert sich die Druckdifferenz zwischen der Zelle und dem Behälterinnenraum, so dass die Verpressung nicht mehr gewährleistet ist. Die Druckdifferenz kann sogar negativ werden, wobei sich die Zelle in den Behälter aufbläht. Die Verpressung und damit die Funktionsfähigkeit der Zelle sind dann nicht mehr gegeben. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß eine proportionale Nachführung des Drucks in dem Behälter vorgeschlagen, so dass der Behälterdruck stets höher als der
Zelleninnendruck ist.
So kann der Druck im Gehäuse erhöht werden, wenn der Druck innerhalb der Halbzellen steigt. Ferner kann der Druck im Gehäuse reduziert werden, wenn der Druck innerhalb der Halbzellen sinkt. Insbesondere kann diese Nachführung derart erfolgen, dass stets eine konstante, vorzugsweise vorgegebene Druckdifferenz zwischen dem Druck im Behälter und dem Druck zwischen den Halbzellen oder zumindest ein vorgegebener Druckdifferenzbereich eingehalten wird.
Die Nachführung des Drucks im Behälter ist auf verschiedene Weise möglich, beispielsweise durch eine Änderung des Innenvolumens des Behälters oder durch Einleitung weiteren Mediums in den Behälter, so dass eine stärkere Verdichtung des im Behälter befindlichen Mediums (Gas oder Flüssigkeit) erfolgt, das den Druck auf die Elektrolyseurzelle überträgt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann die Drucknachführung im Behälter durch eine Änderung seines Innenvolumens erreicht werden. Beispielsweise kann das Volumen des Innenraums reduziert werden, wenn der Druck in den
Halbzellen steigt. Entsprechend kann das Volumen des Innenraums erhöht werden, wenn der Druck in den Halbzellen sinkt. Es ist von besonderem Vorteil, wenn der Druck im Behälter geregelt nachgeführt wird, wobei eine vorgegebene Druckdifferenz zwischen dem Innenraum des Behälters und den Halbzellen als Sollwert eingehalten werden sollte. Die Druckdifferenz ist für die Verpressung der Zelle erforderlich. Die Regelung kann durch Messung des Innendrucks des Behälters mittels wenigstens eines Sensors erfolgen.
Die Änderung des Volumens des Innenraums des Gehäuses kann mittels eines mechanischen Stellmittels verändert werden, welches bevorzugt von einer Regelung angesteuert wird. Ein solches Stellglied kann beispielsweise eine motorisch betätigte Schraube oder ein Kolben sein, die oder der in den Innenraum des Behälters durch seine Außenwand hineinbewegt wird und dadurch das Innenvolumen des Behälters reduziert.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Volumenänderung wie folgt erfolgen. Der Behälter kann eine Nebenkammer aufweisen, die über eine von einem elastischen Membranelement verschlossene Öffnung mit dem Innenraum des Behälters verbunden ist Der Innenraum der Nebenkammer ist kommunizierend mit einer der Halbzellen verbunden, so dass im Betrieb des Elektrolyseurs Gas aus der
entsprechenden Halbzelle in diese Nebenkammer eingeleitet wird. Damit entspricht der Druck in der Nebenkammer dem Druck in dieser Halbzelle. Erhöht sich nun der Druck in der Halbzelle, erhöht sich ebenfalls der Druck in der Nebenkammer. Dies bewirkt, dass sich das Membranelement in den Innenraum des Behälters ausdehnt; das Volumen der Nebenkammer vergrößert sich, wohingegen das Volumen im Innenraum des Behälters verringert wird. Hierdurch wird das Medium im Behälter stärker komprimiert und der Druck im Behälter steigt. Da der Druck im Innenraum des Behälters gegenüber dem Druck in den Halbzellen größer sein muss, um die Halbzellen zu verpressen, ist es erforderlich, das Membranelement vorzuspannen. Dies kann durch ein eine Vorspannung erzeugendes Mittel, beispielsweise eine gegen das Membranelement in Richtung des Innenraums des Behälters drückende Feder erreicht werden. In diesem Fall ist die Vorspannung durch die Federkonstante festgelegt. Es kann jedoch auch ein Mittel eingesetzt werden, das eine veränderbare Vorspannung erzeugt. Beispielsweise kann hier ein gegen die Membran drückender Bolzen verwendet werden, der bewegbar in einer Führung gehalten ist und sich mitsamt der Führung an einer Wand der Nebenkammer, insbesondere an der dem Membranelement gegenüberliegenden Wand abstützt.
Bevorzugt ist die Nebenkammer mit der ersten Halbzelle verbunden. Da aus dieser sowohl Sauerstoff als auch Wasser austritt, das als Edukt dem Elektrolyseprozess wieder zugeführt werden kann, kann die Nebenkammer gleichzeitig als
Auffangbehälter für dieses Wasser und zur Medientrennung (Sauerstoff, Wasser) sowie als Zwischenbehälter zwischen einem Wasservorratsbehälter und dem
Elektrolyseur dienen. So kann von diesem Vorratsbehälter Wasser in die
Nebenkammer gepumpt und von der Nebenkammer Wasser in die erste Halbzelle gepumpt werden. Alternativ kann die Nebenkammer mit der zweiten Halbzelle verbunden sein. Da aus dieser lediglich Wasserstoff austritt, kann die Nebenkammer ebenfalls als Tank dienen.
Erfindungsgemäß wird ferner ein System zum Betreiben eines Elektrolyseurs mit wenigstens einer Elektrolyseurzelle vorgeschlagen, die im Innenraum eines unter Druck stehenden Behälters zumindest teilweise einliegt und zwei Polplatten umfasst, zwischen denen eine Membran-Elektroden-Einheit derart angeordnet ist, dass die Elektrolyseurzelle in eine erste, eine Anode bildende Halbzelle und eine zweite, eine Kathode bildende Halbzelle geteilt ist, wobei die Polplatten durch den Druck im Behälter gegen die Membran-Elektroden-Einheit gepresst werden, und im Betrieb der Elektrolyseurzelle in der einen Halbzelle Sauerstoff und in der anderen Halbzelle Wasserstoff erzeugbar ist, der über jeweils einen Ausgang der Halbzellen in jeweils einen Druckspeicher einleitbar ist, und wobei die Vorrichtung ferner Mittel zum
Ausgleichen des Drucks in bzw. zwischen den Halbzellen und Mittel zur Nachführung des Drucks im Innenraum des Behälters in Abhängigkeit des Drucks in den
Halbzellen umfasst.
Bevorzugt sind die Mittel zum Ausgleichen des Drucks zwischen den Halbzellen durch einen Druckausgleichsbehälter mit zwei Raumbereichen gebildet, wobei jeweils eine Druckleitung von den Polplatten in einen der Raumbereiche mündet, und die Raumbereiche durch eine elastische Membran voneinander getrennt sind.
Ferner können die Mittel zur Nachführung des Drucks im Behälter wenigstens ein erstes Mittel zur Erfassung des Drucks in einer der Halbzellen, wenigstens ein zweites Mittel zur Erfassung des Drucks im Innenraum des Behälters, zumindest ein Stellmittel zur Änderung des Volumens des Innenraums des Behälters und damit des Drucks in einer Halbzelle, und eine Regeleinrichtung zur Einstellung des Stellmittels in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen dem Druck im Behälter und dem Druck in den Halbzellen umfassen.
Ferner kann der Behälter, wie bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits erläutert, eine Nebenkammer aufweisen, die eine Öffnung zum Behälterinnenraum besitzt, welche durch ein elastisches Membranelement verschlossen ist, das sich in Folge seiner Dehnbarkeit in den Behälterinnenraum bewegen kann. Die
Nebenkammer ist kommunizierend mit einer der Halbzellen verbunden, so dass Gas dieser Halbzelle in die Nebenkammer einleitbar ist. Ferner kann ein Mittel zur Erzeugung einer Vorspannung gegen die Membran vorhanden sein, um im
Normalbetrieb des Elektrolyseurs einen höheren Druck im Behälter ais in der Nebenkammer zu erhalten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von drei konkreten Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren erläutert. Dabei bedeuten gleiche Bezugszeichen gleiche oder zumindest funktionsgleiche Teile.
Es zeigen:
Figur 1 : Schematische Darstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen
Elektrolyseurs
Figur 2: Schematische Darstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems mit Elektrolyseur Figur 3: Schematische Darstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems mit Elektrolyseur, integriertem Gassammelbehälter und Drucknachführung.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektrolyseurs 1 umfassend beispielhaft eine Elektrolyseurzelle 2, die im Innenraum 8 eines unter Druck stehenden Behälters 3 vollständig einliegt. Es können jedoch auch zwei, drei oder mehr derartiger Elektrolyseurzellen 2 in dem Behälter 3 angeordnet sein, wobei die Einzelzellen 2 dann elektrische parallel oder in Reihe geschaltet sind und die
Versorgungs- und Entsorgungsanschlüsse parallel liegen. Ferner ist auch möglich, dass die Zelle 2 in dem Behälter nur teilweise einliegt, wobei zumindest der aktive Teil der Zelle 2, d.h. derjenige Teil, in dem die Elektrolyse stattfindet, in den Behälter 3 hineinragt.
Die Elektrolyseurzelle 2 ist ein geschlossenes System, das von einem Gehäuse 11 gebildet wird, in welchem die aktiven Komponente der Zelle 2 einhegen. Die aktiven Komponenten umfassen zwei Polplatten 4, 5, von denen die erste Polplatte 4 einen Teil der Anode bildet und die zweite Polplatte 5 einen Teil der Kathode bildet.
Zwischen den Polplatten 4, 5 ist eine gasdichte, protonendurchlässige Membran- Elektroden-Einheit 6 (PEM , Polymer-Elektrolyt-Membran) angeordnet. Diese besteht aus einer Polymer-Membran, die beidseitig mit einer elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet ist, die ebenfalls jeweils als Elektrode fungiert. Ferner liegt zwischen dieser PEM 6 und der entsprechenden Polplatte 4, 5 jeweils eine elektrisch leitfähige Diffusionslage 7. Es sei angemerkt, dass die beiden Diffusionslagen 7 aus
unterschiedlichen Materialen bestehen können. Entgegen der lediglich der
Veranschaulichung dienenden Darstellung in Figur 1 liegen die Polplatten 4, 5 an den Diffusionslagen 7 an, welche wiederum an der Membran-Elektroden-Einheit 6 anliegen. Elektrisch bilden eine Polplatte, eine Diffusionslage und die dieser zugewandte Schicht auf der Polymer-Membran folglich jeweils eine Einheit, d.h. eine Elektrode wobei die Elektroden lediglich durch die elektrisch isolierende Polymer- Membran voneinander getrennt sind.
Gleichzeitig teilt die Polymer-Membran der Membran-Elektroden-Einheit 6 die
Elektrolyseurzelle in eine erste, die Anode bildende Halbzelle 4a und in eine zweite, die Kathode bildende Halbzelle 5a. Die erste Halbzelle 4a besteht damit aus der ersten Polplatte 4, der dieser zugewandten Hälfte der Membran-Elektroden-Einheit 6 und der zwischen diesen liegenden Diffusionslage 7, wohingegen die zweite
Halbzelle 5a aus der zweiten Polplatte 5, der dieser zugewandten Hälfte der
Membran-Elektroden-Einheit 6 und der zwischen diesen liegenden Diffusionslage 7 besteht. Die Einleitung des Stroms wird über die Polplatten 4, 5 selbst, bei
ausreichend hoher Leitfähigkeit der Polplatten 4, 5 oder über an den Polplatten 4, 5 flächig anliegende Platten, z. B. vergoldete Kupferplatten erzielt.
Die Polplatten 4, 5 besitzen eine nicht dargestellte Kanalstruktur, in der sich das entsprechende Gas sammelt und über die das Gas zu einem Ausgang geleitet wird. Über diese Ausgänge ist der Elektrolyseur mit jeweils einem Druckbehälter 9, 10 verbunden, siehe Fig. 2. Eine derartige Kanalstruktur ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Alternativ können die Polplatten an ihren zur Gasdiffusionslage gerichteten Wandseiten kanalartige Vertiefungen aufweisen, über die die Gase nach oben geleitet werden. Eine derartige Struktur kann beispielsweise verwendet werden, wenn die Gasdiffusionslagen aus einem Flies bestehen.
In dem Behälter 3, der flüssigkeitsgefüllt ist, liegt ein Innendruck p3, durch den die Polplatten 4, 5 gegen die Membran-Elektroden-Einheit 6 gepresst werden, bzw.
zunächst gegen die Gasdiffusionslagen 7 und diese gegen die Membran, so dass die Polplatten 4, 5 mittelbar gegen die Membran drücken. Dieses Verpressungskonzept stellt eine hydraulische Verpressung dar.
Die Polplatten 4, 5 können bei dieser Ausführungsvariante direkt einen Teil der Zellenwand 11 bilden, so dass der Druck p3 im Behälter 3 unmittelbar auf sie ausgeübt wird. An ihren Randseite sind die Polplatten 4, 5 dann elektrisch isoliert miteinander verbunden und kapseln die Membran-Elektroden-Einheit 6 und die Diffusionslagen 7 auf diese Weise ein. Alternativ kann die Zellwand aus einem flexiblem Kunststoff, insbesondere einem Elastomer bestehen, der die
Elektrolyseurzelle vollständig umschließt. Gemäß einer weiteren Alternative kann ein offenes Konzept für die Polplatten 4, 5 verwendet sein, bei dem der Bereich zwischen den Polplatten 4, 5 oben, unten und an den Seiten offen ist und bei denen die Polplatten in einer elastischen Tasche einliegen, die die Zellenwand 11 , also das Gehäuse der Zelle 2 bildet. Beispielsweise kann hier das Taschenkonzept verwendet werden, das in der DE 10 2009 057 494 A1 beschrieben ist.
Die Wasserstofferzeugung mittels Wasserelektrolyse benötigt zur Zerlegung von Wasser elektrische Energie und Wärmeenergie. Die benötigte Energie ergibt sich aus der Reaktionsenthalpie von Wasser bei der Betriebstemperatur des
Elektrolyseurs 1. Dabei folgt: Wasser + Energie -> Wasserstoff + Sauerstoff. Die Energie wird in Form von elektrischer Energie zur Verfügung gestellt, die dann in Wärmeenergie und chemische Energie umgewandelt wird.
Eine galvanische Zelle auf Basis von Polymer-Elektrolyt-Membranen ist allgemein in zwei Zellhälften unterteilt, von denen die Polplatten 4, 5 jeweils ein Teil bilden. Für die Wasserelektrolyse ist auf der einen Seite (Anode) Wasser zuzuführen, welches in Sauerstoff und Wasserstoffkationen und Elektronen zerlegt wird:
2 H20 -> 02 + 4H+ + 4e\
Die Wasserstoffkationen werden durch die Membran 6 auf die andere Seite, die Kathode, transportiert und rekombinieren mit von außen zugeführten Elektronen zu Wasserstoff: 4H+ + 4e" -> 2H2.
Eine Zellspannung an den Polplatten 4, 5 des Elektrolyseurs 1 , die an den
Anschlüssen 20 angelegt wird (siehe Fig. 2) ergibt sich aus der minimal benötigten Zellspannung, die sich aus den Grundsätzen der Thermodynamik ableitet, und den Überspannungen (u.a. Aktivierungsüberspannung, Überspannung aufgrund ohmscher Widerstände). Derjenige Teil der Überspannung, der sich aufgrund der verwendeten Membran-Elektroden-Einheit 6 einstellt, ist direkt abhängig von der Membranstärke. Die nachfolgende Gleichung verdeutlicht, dass eine niedrigere Überspannung aufgrund des Membranwiderstandes eine niedrigere Zellspannung erforderlich macht.
E = Eeq + r\act +™R_el + T| R_ em wobei E die Zellspannung, Eeq die benötigte Zellspannung bei den vorherrschenden Umgebungsbedingungen, r\ac[ die Aktivierungsüberspannung und η^ι die Überspannung durch ohmsche Widerstände und η Μβηι die Überspannung durch den Membranwiderstand ist.
Beim Betrieb einer Elektrolyseurzelle ist dem zur Folge eine höhere Spannung anzulegen als minimal rechnerisch für die Wasserzersetzung notwendig ist. Die aus den internen Verlusten resultierenden Überspannungen können durch die
erfindungsgemäßen Maßnahmen im Vergleich zu üblichen Bauformen deutlich reduziert werden. Dabei reduziert der optimale Verpressdruck, bei dem der ohmsche Kontaktwiderstand minimal und dennoch eine ausreichende Medienzufuhr und Medienabfuhr gewährleistet wird, die ohmschen Verluste in der Zelle, und die
Drucknachführung in den beiden Halbzellen erlaubt die Verwendung einer dünnen Membran mit reduziertem Membranwiderstand.
Durch die Ausnutzung der Prinzipien von Nernst ist es möglich, den Ausgangsdruck der erzeugten Gase im Rahmen der mechanischen Eigenschaften der Komponenten einzustellen. Dieses Prinzip der isothermen Kompression hat energetische Vorteile gegenüber einer mechanischen Kompression.
Im Betrieb der Elektrolyseurzelle 2 nach Fig. 1 wird gemäß der obigen Ausführungen in der zweiten Halbzelle 5a (Kathode) Wasserstoff H2 und in der ersten Halbzelle 4a (Anode) Sauerstoff O2 erzeugt, der jeweils in einen Druckspeicher (9, 10) geleitet wird (siehe Fig. 2). Gemeinsam mit dem Sauerstoff O2 tritt auch nicht aufgespaltenes Wasser H20 aus der einen Halbzelle 4a aus.
Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes System, in dem der Elektrolyseur 1 gemäß Fig. 1 integriert ist.
Über eine Pumpe 15 wird der Elektrolyseurzelle 2 Wasser bereitgestellt, die von dieser in Wasserstoff H2 und Sauerstoff 02 gespalten wird. Der entstehende
Wasserstoff H2 sammelt sich in der nicht dargestellten Kanalstruktur der
Kathodenpolplatte 5, die an ihrem Ausgang über eine entsprechende Verrohrung mit einem Druckbehälter 9, beispielsweise eine konventionelle Gasflasche, in
Verbindung steht, in die der Wasserstoff H2 eingeleitet wird. In der besagten
Verrohrung liegt ein Absperrventil 16b, das in der Regel Teil der Gasflaschenarmatur ist. In der zweiten Halbzelle 5a, der Verrohrung und der Gasflasche herrscht der Druck p2, der über einen Sensor 17b gemessen wird.
Des Weiteren sammelt sich der entstehende Sauerstoff 02 in einer nicht
dargestellten Kanalstruktur der Anodenpolplatte 4, die an ihrem Ausgang ebenfalls über eine entsprechende Verrohrung zu einem Behälter verfügt. Dabei wird über diese Kanalstruktur nicht nur der entstehende Sauerstoff O2 sondern auch das nicht verbrauchte Wasser H20 befördert. Hinter dem Ausgang folgt deshalb eine
Medientrennung in einem Behälter 30, in dem das Wasser 14 gesammelt wird. Wie in Fig. 2 dargestellt, kann aus diesem Behälter 30 das Wasser 14 durch die Pumpe 15 der Elektrolyseurzelle 2 wieder zur Verfügung gestellt werden. Der Sauerstoff 02 sammelt sich in dem Behälter 30 oberhalb des Wassers und wird über ein Ventil 16a in einen weiteren Druckbehälter 0 eingeleitet, der auch hier beispielsweise eine konventionelle Gasflasche sein kann. In der ersten Halbzelle 4a, der Verrohrung zum Behälter 30, im oberen Teil des Behälters 30 sowie in der Gasflasche 10 herrscht der Druck p1 , der über einen ersten Sensor 17a überwacht wird. Aus einem separaten Vorratsbehälter 21 wird Wasser über ein Ventil 16c in den Behälter 30 geleitet.
Erfindungsgemäß wird nun der Druck p1 in der ersten Halbzelle 4a und der Druck p2 in der zweiten Halbzelle 5a im Wesentlichen gleich gehalten. Hierzu dient der Behälter 30 als Druckausgleichsbehälter. Um einen Druckausgleich zu erreichen, ist der Behälter 30 in einen oberen Raumbereich 30a und einen unteren Raumbereich 30b geteilt, wobei diese Trennung durch eine elastische Membran 13 erreicht wird. Der obere Raumbereich 30a ist kommunizierend mit der ersten Halbzelle 4a, der untere Raumbereich 30b ist kommunizierend mit der zweiten Halbzelle 5a
verbunden, so dass im oberen Raumbereich 30a der Druck p1 in der
Anodenhalbzelle 4a und im unteren Raumbereich 30b der Druck p2 in der
Kathodenhalbzelle 5a vorliegt.
Alternativ zu der elastischen Membran 13 kann auch ein Ballon verwendet werden, wie er üblicherweise bei Heizungsanlagen als hydraulischer Ausgleich bekannt ist. Würde der Druck p2 beispielsweise in der Kathodenhalbzelle 5a steigen, so dass die Membran-Elektroden-Einheit 6 zwischen den Polplatten 4, 5 zur Anodenpolplatte 4 gedrückt wird, würde gleichzeigt die Membran 13 im Druckausgleichsbehälter 30 in den oberen Raumbereich 30a gedrückt werden, so dass der Druck p1 im oberen Raumbereich 30a und damit in der Anodenhalbzelle 4a erhöht wird. Hierdurch wird einer Aufwölbung der Membran-Elektroden-Einheit 6 zur Anodenpolplatte 4 entgegengewirkt.
In der Ausführungsvariante gemäß Fig. 2 wird zudem der Druck p3 im Behälter 3 in Abhängigkeit des nivellierten Drucks p1 , p2 in den Halbzellen 4a, 5a durch eine regelungstechnische Druckregelung nachgeführt. Dies erfolgt wie nachfolgend erläutert:
Für die Funktionsfähigkeit und für einen hohen Wirkungsgrad der Elektrolyseurzelle 2 ist es erforderlich, dass die Halbzellen 4a, 5a verpresst werden, d.h. die Polplatten 4, 5 gegen die Membran-Elektroden-Einheit 6 drücken. Dies erfolgt dadurch, dass der Druck p3 in dem die Elektrolyseurzelle 2 umgebenden Behälter 3 stets höher ist als der Druck p1 , p2 in den Halbzellen 4a, 5a ist. Anderenfalls würde sich die Polplatten 4, 5 von der Membran-Elektroden-Einheit 6 lösen und in den Behälter aufblähen. Steigt der Druck p1 , p2 in den Halbzellen 4a, 5a muss daher der Druck p3 im
Behälter 3 nachgeführt werden. Dies erfolgt regelungstechnisch über eine
entsprechende Druckregelungseinheit 19.
Dabei wird der Druck p3 im Innenraum 8 des Behälters 3 mittels eines Sensors 17c und einer der Drücke p1 , p2 in den Halbzellen 4a, 5b mittels zumindest eines weiteren Sensors 17a und/ oder 7b gemessen. Da die Drücke p1 , p2 in den
Halbzellen 4a, 5a gleich gehalten werden, ist es nicht erforderlich, beide Drücke p1 , p2 zu messen. Dennoch kann aus Sicherheitsgründen eine Überwachung des Drucks in der entsprechend anderen Halbzelle erfolgen. Wie in Fig. 2 dargestellt, wird der Druckregelung 19 der gemessene Druck p2 in der Kathodenhalbzelle 5a und der gemessene Druck p3 im Behälterinnenraum 8 zugeführt. In Abhängigkeit der Differenz zwischen diesen Drücken p2, p3 führt die Druckregelung 19 den Druck p3 im Behälter 3 nach, so dass eine vorgegebene Druckdifferenz Δρ gehalten oder zumindest ein Druckdifferenzbereich eingehalten wird.
Die Änderung des Drucks p3 im Behälter erfolgt durch ein Stellmittel 12, das von der Druckregelung 19 angesteuert wird. Das Stellmittel 12 wirkt als Volumenverdrängungssystem und umfasst ein Stellmotor, der einen Kolben oder eine Schraube in den Innenraum 8 des Behälters 3 hineinbewegt und dessen Volumen somit reduziert. Dies führt zu einer Druckerhöhung. Die Schraube liegt zu einem Teil in einer Bohrung in der Behälterwand ein und wird von einem Gewinde der Bohrung geführt, wobei sie teilweise in den Behälter 3 hineinragt. Wird diese Schraube in den Innenraum 8 des Behälters 3 hineingedreht, verringert sich sein Volumen und der Innendruck p3 erhöht sich. Die Schraube ist durch den Stellmotor elektromotorisch betrieben, wobei der Elektromotor die Stellposition der Schraube einstellt. Die entsprechende Ansteuerung erfolgt über elektrische Anschlüsse 18, siehe Fig. 1.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Systems. Der Behälter 3 weist hier eine Nebenkammer 40 auf, die über eine von einem elastischen Membranelement 42 verschlossene Öffnung 41 mit dem Innenraum 8 des Behälters 3 verbunden ist. Das Membranelement 42 wird in den Innenraum 8 des Behälters 3 hineingedrückt. Der Innenraum der Nebenkammer 40 ist
kommunizierend mit der ersten Halbzellen 4a verbunden. Im Betrieb des
Elektrolyseurs 1 wird Sauerstoff aus der ersten Halbzelle 4a in die Nebenkammer 40 eingeleitet. Damit entspricht der Druck p4 in der Nebenkammer 40 dem Druck p1 in dieser Halbzelle 4a. Erhöht sich nun der Druck p1 in der Halbzelle 4a, erhöht sich ebenfalls der Druck p4 in der Nebenkammer 40. Dies bewirkt, dass sich das
Membranelement 42 in den Innenraum 8 des Behälters 3 ausdehnt. Das Volumen der Nebenkammer 40 vergrößert sich dadurch, wohingegen das Volumen im
Innenraum 8 des Behälters 3 verringert wird. Hierdurch wird das Medium im
Behälterinnenraum 8 stärker komprimiert und der Druck p3 im Behälterinnenraum 8 steigt. Da dieser Druck p3 gegenüber dem Druck p1 , p2 in den Halbzellen 4a, 5a größer sein muss, um die Halbzellen 4a, 5a zu verpressen, ist es erforderlich, das Membranelement 42 vorzuspannen. Dies erfolgt durch eine Druckfeder 43 mit einer entsprechenden Federkraft FF, die sich an der dem Membranelement 42
gegenüberliegenden Innenwand der Nebenkammer 40 abstützt und das
Membranelement 42 in Richtung des Innenraums 8 des Behälters 3 drückt. An dem Membranelement 42 liegt dann an der einen Seite in der Nebenkammer 40 die Kraft der Feder 43 und der Druck p4, der dem Druck p1 entspricht, an und an der anderen Seite im Innenraum 8 des Behälters 3 der Druck p3 an. Es gilt FF + p4 * A1 = p3 * A2, wobei A1 , die nebenkammerseitige Fläche des Membranelements 42 ist und A2, die Fläche des Membranelements 42 ist, auf die der Druck p3 wirkt. Die beiden Flächen sind in Fig. 3 annähernd gleich groß.
Die Nebenkammer 40 ist mit der ersten Halbzelle 4a verbunden. Da aus dieser sowohl Sauerstoff 02 als auch Wasser H20 austritt, das als Edukt dem
Elektrolyseprozess wieder zugeführt wird, dient die Nebenkammer 40 gleichzeitig als Auffangbehälter für dieses Wasser und zur Medientrennung (Sauerstoff, Wasser) sowie als Zwischenbehälter zwischen dem Wasservorratsbehälter 21 und der
Elektrolyseurzelle 2. Es wird von diesem Vorratsbehälter 21 Wasser in die
Nebenkammer 40 gepumpt und von der Nebenkammer 40 Wasser in die erste Halbzelle 4a gepumpt.
Auf die vorbeschriebene Weise kann der Wasserstoff H2 bei einem Druckniveau oberhalb atmosphärischer Bedingungen bereitgestellt werden, ohne eine zusätzliche, mechanische Kompressorstufe zu verwenden. Durch den Druckausgleich zwischen den Halbzellen 4a, 5a können dünnere Membranen mit günstigeren Eigenschaften zur Wasserelektrolyse genutzt werden. Zudem ist es durch die integrierte
Verpressung der Elektrolyseurzelle möglich, den Gasdruck der erzeugten
Prozessgase nahezu beliebig zu erhöhen. Eine nachgeschaltete zusätzliche mechanische Kompression der Gase kann entfallen.
Erfindungsgemäß wird folglich über eine intelligente, kaskadierte Regelung zunächst der Druck p1 der Anodenseite 4a und der Druck p2 der Kathodenseite 5a überwacht und geregelt, sodass sich in beiden Zellhälften 4a, 5a der gleiche Druck einstellt, p1 = p2. Darauf aufbauend wird der Druck p3 im Druckbehälter 3, der die Einzelzellen 4a, 5a umschließt, mit einem Stellmittel 12 nachgeführt, das als geregeltes
mechanisches Volumenverdrängungssystem ausgebildet ist. Die Nachführung erfolgt derart, das ein definierter vorgegebener Druckgradient Δρ gemäß Δρ= p3 - p1 bzw. Δρ= p3 - p2, wenn p1 = p2 gilt, einstellt wird. Damit wird sichergestellt, dass die Zelle 2 weiterhin verpresst wird, wenn der Druck p1 , p2 in den Halbzellen 4a, 5a steigt. Der Druckgradient oder Differenzdruck Δρ ist so zu wählen (je nach verwendeten
Komponenten bis 10 bar), dass eine optimale Verpressung der Polplatten 4, 5 mit der Membran-Elektroden-Einheit 6 über dem gesamten Last- und Betriebsbereich des Elektrolyseurs 1 gewährleistet wird.
Mit diesem Prinzip ist es möglich, den mit dem Elektrolyseur 1 erzielbaren
Prozessgasdruck beliebig zu steigern. Limitierender Faktor hierbei ist die
mechanische Stabilität des Druckbehälters 3, der Verrohrung, der Pumpe 15, der Druckausgleicheinrichtung 30 und der Druckbehälter 10 und 9.
Durch die erfindungsgemäße Methode der Druckerhöhung in direkter Kombination mit den Prozessgasdrücken ergeben sich folgende Vorteile gegenüber
konventionellen Elektrolyseur-Konzepten mit zusätzlich angeschlossenen
mechanischen und/oder chemischen Kompressionsstufen: . Die über der Zellmembran anliegende Druckdifferenz zwischen Anode und Kathode, die so gering wie möglich gehalten wird, ermöglicht den Einsatz dünnerer Membranen als allgemein bei Elektrolyseuren üblich, die
Wasserstoff bei einem Druckniveau oberhalb atmosphärischer Bedingungen bereitstellen. Die Membranstärke d ist neben der Stromdichte i und dem Wassergehalt der Membran λ maßgeblich für die parasitären
Überspannungen und damit einhergehenden Verluste verantwortlich (TICC = η (d, λ, i)). λ ist ein Maß für die Befeuchtung der Membran. Bei der
beschriebenen Ausführungsvariante ist eine Seite der Zelle mit Wasser geflutet und damit die Befeuchtung der Membran stets 100%.
2. Durchgeführte Beispielrechnungen zeigen, dass gerade bei kleinen
Baugrößen bei der hier beschriebenen Kompressionstechnik höhere
Wirkungsgrade erzielt werden können als bei der Verwendung von
nachgeschalteten, mechanischen Kompressoren.
3. Der erfindungsgemäße Elektrolyseur besitzt eine kompakte Bauweise, da die Elektrolyseurzelle und das Stellmittel zur Erhöhung des Drucks im Behälter gemeinsam in diesem Behälter integriert sind.
4. Es wird kein Kompressor benötigt.
5. Die Anlage kann geräuschlos betrieben werden.
6. Druckspeicher die für unterschiedliche Drücke ausgelegt sind können direkt betankt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs (1) mit wenigstens einer
Elektrolyseurzelle (2), die im Innenraum (8) eines unter Druck (p3) stehenden Behälters (3) zumindest teilweise einliegt und gegenüber dem Innenraum (8) geschlossen ist, wobei die Elektrolyseurzelle (2) zwei Polplatten (4, 5) umfasst, zwischen denen eine Membran-Elektroden-Einheit (6) derart angeordnet ist, dass die Elektrolyseurzelle (2) in eine erste, eine Anode bildende Halbzelle (4a) und eine zweite, eine Kathode bildende Halbzelle (5a) geteilt ist, wobei die Polplatten (4, 5) durch den Druck (p3) im Behälter (3) gegen die Membran-Elektroden- Einheit (6) gepresst werden, und im Betrieb der Elektrolyseurzelle (2) in der ersten Halbzelle (4a) Sauerstoff und in der zweiten Halbzelle (5a) Wasserstoff erzeugt wird, der über jeweils einen Ausgang der Elektrolyseurzelle (2) in jeweils einen Druckspeicher (9, 10) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p1) in der ersten Halbzelle (4a) und der Druck (p2) in der zweiten
Halbzelle (4b) im Wesentlichen gleich gehalten werden, und dass der Druck (p3) im Behälter (3) dem Druck (p1 , p2) in den Halbzellen (4a, 5a) nachgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichhalten der Drücke (p1 , p2) in den Halbzellen (4a, 5a) regelungstechnisch erfolgt, wobei die Drücke (p1 , p2) gemessen werden und der eine Druck entsprechend des als Sollwertvorgabe dienenden anderen Drucks eingeregelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drücke (p1 , p2) in den Halbzellen (4a, 5a) mittels einer externen hydraulischen
Druckausgleichseinrichtung (30), mit der die Ausgänge der Elektrolyseurzelle (2) kommunizieren, einander angeglichen werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p3) im Behälter (3) erhöht wird, wenn der Druck (p1 , p2) in den Halbzellen (4a, 5a) steigt, und/ oder reduziert wird, wenn der Druck (p1 , p2) in den Halbzellen (4a, 5a) sinkt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Druck (p3) im Behälter (3) durch Änderung des Volumens seines Innenraums (8) verändert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Druckausgleich zwischen den Halbzellen (4a, 5a) dadurch erreicht wird, dass ein höherer Druck in der einen Halbzelle durch kontrolliertes Ablassen von Gas aus dieser Halbzelle abgebaut wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p3) im Behälter (3) durch Änderung der Menge des im Behälter (3) vorhandenen Mediums eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Druck (p3) im Behälter (3) derart proportional geregelt wird, dass eine vorgegebene Druckdifferenz (Δρ) zwischen dem Druck (p3) im Behälter (3) und dem Druck (p1 , p2) in den Halbzellen (4a, 5a) eingehalten wird, oder dass ein vorgegebener Druckdifferenzbereich eingehalten wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wasserstoff und der Sauerstoff ohne einen
zusätzlichen Kompressor in den entsprechenden Druckspeicher (9, 10) geleitet werden.
10.Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Innenraums (8) des Behälters (3) mittels eines
volumenverdrängenden mechanischen Stellgliedes (12) eingestellt wird.
1 1.System zum Betreiben eines Elektrolyseurs (1) mit wenigstens einer
Elektrolyseurzelle (2), die im Innenraum (8) eines unter Druck (p3) stehenden Behälters (3) zumindest teilweise einliegt und zwei Polplatten (4, 5) umfasst, zwischen denen eine Membran-Elektroden-Einheit (6) derart angeordnet ist, dass die Elektrolyseurzelle (2) in eine erste, eine Anode bildende Halbzelle (4a) und eine zweite, eine Kathode bildende Halbzelle (5a) geteilt ist, wobei die Polplatten (4, 5) durch den Druck (p3) im Behälter (3) gegen die Membran-Elektroden- Einheit (6) gepresst werden, und im Betrieb der Elektrolyseurzelle (2) in der ersten Halbzelle (4a) Sauerstoff und in der zweiten Halbzelle (5a) Wasserstoff erzeugbar ist, der über jeweils einen Ausgang der Halbzellen (4a, 5a) in jeweils einen Druckspeicher (9, 10) einleitbar ist, gekennzeichnet durch
- Mittel (30) zum Ausgleichen des Drucks (p1 , p2) in den Halbzellen (4a, 5a) und
- Mittel (12, 17a, 17b, 17c; 40, 42) zur Nachführung des Drucks (p3) im Gehäuse (3) in Abhängigkeit des Drucks (p1 , p2) in zumindest einer der Halbzellen (4a, 5a).
12. System nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (30) zum Ausgleichen des Drucks (p1 , p2) zwischen den Halbzellen (4a, 5a) durch einen Druckausgleichsbehälter (30) mit zwei Raumbereichen (30a, 30b) gebildet sind, wobei jeweils eine Druckleitung von den Halbzellen (4a, 5a) in einen der
Raumbereiche (30a, 30b) mündet und die Raumbereiche (30a, 30b) durch eine elastische Membran (13) voneinander getrennt sind.
13. System nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Nachführung des Drucks (p3) im Behälter (3)
- wenigstens ein erstes Mittel (17a) zur Erfassung des Drucks (p1 , p2) in einer der Halbzellen (4a, 5a), - wenigstens ein zweites Mittel (17b) zur Erfassung des Drucks (p3) im Innenraum (8) des Behälters (3),
- zumindest ein Stellmittel (12, 43) zur Änderung des Drucks (p3) im
Innenraum (8) des Gehäuses (3) und
- eine Regeleinrichtung (19) zur Einstellung des Stellmittels (12) in
Abhängigkeit der Druckdifferenz (Δρ) zwischen dem Druck (p3) im Behälter (3) und dem Druck (p1 , p2) in den Halbzellen (4a, 5a) umfassen.
14.System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellmittel (12) dazu eingerichtet ist, Volumen des Innenraums (8) des Behälters (3) zu verdrängen.
15. System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (40, 42) zur Nachführung des Drucks (p3) im Gehäuse (3) von einer Nebenkammer (40) des Behälters (3) und einem elastischem Membranelement (43) gebildet sind, wobei die Nebenkammer (40) über eine von dem
Membranelement verschlossenen Öffnung (41) mit dem Innenraum (8) des Behälters (3) verbunden ist, und der Innenraum der Nebenkammer (40) kommunizierend mit einer der Halbzellen (4a, 5a) verbunden ist.
16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der
Nebenkammer Mittel (43) zur Vorspannung des Membranelements (42) angeordnet sind.
17. System nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbzelle (4a) mit der Nebenkammer (40) kommunizierend verbunden ist.
18. System nach Anspruch 5 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Halbzelle (5a) mit der Nebenkammer (40) kommunizierend verbunden ist.
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