WO2019238218A1

WO2019238218A1 - Verfahren zum betreiben einer wasserelektrolysevorrichtung zur erzeugung von wasserstoff und sauerstoff

Info

Publication number: WO2019238218A1
Application number: PCT/EP2018/065462
Authority: WO
Inventors: Stefan Höller
Original assignee: Hoeller Electrolyzer Gmbh
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2019-12-19

Abstract

Es handelt sich um ein Verfahren zum Betreiben einer Wasserelektrolysevorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff, bei welcher Wasser aus einem Wasserspeicher (1) einen PEM-Elektrolyseur (5) zugeführt wird, welches zumindest teilweise mittels elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, wobei das den aus dem Elektrolyseur (5) austretenden Gasströmen mitgeführte flüssige und/oder gasförmige Wasser zumindest teilweise abgeschieden und dem Wasserspeicher (1) wieder zugeführt wird. Der aus dem Elektrolyseur (5) austretende Wasserstoffgasstrom mit dem mitgeführten Wasser wird einem ersten Wasserabscheider (11) zugeführt, nachfolgend abgekühlt und dann einem Wasserabscheider (18) oder einem Gasspeicher mit Wasserabscheidung zugeführt, wobei das Abkühlen durch Wärmeübertragung auf das Frischwasser erfolgt, welches dem Wasserspeicher zugeführt wird (Fig. 1).

Description

Beschreibung

[01 ] Die Erfindung betriff† ein Verfahren zum Betreiben einer Wasser- elekfrolysevorrichfung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführfen Merkmalen sowie eine Vorrichtung zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser mit den im Oberbegriff des Anspruchs 5 angege benen Merkmalen.

[02] Bei Elekfrolysevorrichfungen mit einem Elektrolyseur der PEM-Bau- arf zähl† es zum Stand der Technik, das Wasser im Kreislauf zu führen, da das dem Elektrolyseur zugeführfe enfionisierfe Wasser nur zu einem Bruchfeil in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalfen wird und teilweise zusammen mit den Produkfgasen aus dem Elektrolyseur wieder ausfriff. Dies ist zum einen zweckmäßig, da die Aufbereitung des Wassers in en- fionisierfes Wasser aufwendig ist, zum anderen auch um die im Elektroly seur erzeugte und mit dem Wasser mifgeführfe Wärme weiter abführen und nutzen zu können.

[03] Eine solche Elekfrolysevorrichfung ist aus EP 2792769 Al bekannt. Die dort beschriebene Vorrichtung dien† zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, wobei lediglich der Wasserstoff einer weite ren Nutzung zugeführf wird, wohingegen der Sauerstoff über einen Gas- abscheider des Wasserspeichers ungenutzt in die Umgebung ent weich†. Jedoch wird das mit dem Sauerstoff mifgeführfe Wasser in den Wasserspeicher rückgeführt. [04] Derartige PEM-Elek†rolysesys†eme - PEM steh† für Profon Ex change Membrane bzw. Polymer Electrolyte Membrane - dienen zur Herstellung von „grünen Wasserstoff“ aus regenerativen Energien. Sie werden insbesondere eingesetzt zur Erzeugung von Wasserstoff aus überschüssigem Strom von Solar- und Windkraftanlagen, um diesen Wasserstoff zwischenzuspeichern und bei Bedarf wieder in Strom umzu wandeln

oder als Brenngas direkt zu nutzen. Bei derartigen Systemen ist der Wir kungsgrad der Energieumwandlung von entscheidender Bedeutung. PEM-Elektrolyse-Stacks, die Kernkomponenten von PEM-Elektrolysevor- richtungen sind, zeigen hierbei die Eigenschaft, dass der erzeugte Was serstoff zum einen entsprechend der Betriebstemperatur wasserdampf- gesäftig† ist, zum anderen sogar gewisse Mengen flüssigen Wassers ent hält. Um das darin befindliche Wasser nutzen, d. h. zum Wasserspeicher rückführen zu können, muss der Wasserstoffstrom mit dem darin befindli chen Wasser zunächst heruntergekühlt werden, was energetisch un günstig ist, da hierfür zusätzliche Energie erforderlich ist.

[05] Vor diesem Hintergrund lieg† der Erfindung die Aufgabe zugrun de, ein gaftungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Wasserelektro- lysevorrichtung der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff derart auszu bilden, dass diese energetisch günstiger und kostengünstiger arbeite†.

[06] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie eine Vorrich- tung mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteil hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen angegeben.

[07] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Wasser elektrolysevorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff, bei welcher Wasser aus einem Wasserspeicher einem Elektrolyseur, insbe sondere einem PEM-Elektrolyseur, zugeführt wird, welches zumindest teilweise mittels elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, wobei das in den aus dem Elektrolyseur austretenden Produkf- gasströmen mifgeführfe flüssige und/oder gasförmige Wasser zumindest teilweise abgeschieden und dem Wasserspeicher wieder zugeführt wird, sieh† gemäß der Erfindung vor, mindestens einen aus dem Elektro lyseur austretenden Produktgasstrom abzukühlen, wobei gemäß der Erfindung das Abkühlen des mit Wasser angereicherten Produktgass troms durch Wärmeübertragung auf das Frischwasser erfolgt, welches dem Wasserspeicher zugeführt wird. Produktgasstrom im Sinne der vor liegenden Erfindung kann der Wasserstoffgasstrom und/oder der Sauer stoffgasstrom sein.

[08] Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, die im austretenden Produktgasstrom und dem mitgeführten Wasser befindli che Wärme zumindest teilweise durch Wärmeübertragung dazu zu nut zen, das dem System zuzuführende Frischwasser zu erwärmen. Frisch wasser im Sinne der vorliegenden Erfindung ist Betriebswasser, wie es typischerweise mit einer Temperatur von 8°C bis 10 °C als Leitungswas ser aus dem Leitungsnetz der Wasserversorgung austri††, also Trinkwas ser, aber auch Brauchwasser, wie es typischerweise mit Temperaturen von unter 20° C aus Flüssen, Seen, dem Meer oder anderen Wasserspei chern entnommen werden kann. Ein weiterer wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht nur die vorgenannte Wärme nutzung, sondern darüber hinaus auch ein dadurch bedingter sehr ho her Wasserabscheidungsgrad. Diese gezielte Wasserabscheidung er möglich† es, dieses Wasser dem Wasserspeicher wieder rückzuführen und für die weitere Elektrolyse zu nutzen.

[09] Soweit es den austretenden Wasserstoffgasstrom angeh†, ist ge mäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgese- hen, diesen einem ersten Wasserabscheider zuzuführen, erst nachfol gend abzukühlen und dann einem zweiten Wasserabscheider oder ei nem Gasspeicher mit Wasserabscheidung zuzuführen. Hierdurch kann ein sehr hoher Wasserabscheidegrad erreich† werden, was auch pro- dukfgasseifig von Vorfeil ist.

[10] Soweit es den Sauerstoffgasstrom angeh†, kann dieser gemäß ei ner Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zusammen mit dem mifgeführfen Wasser einem ersten Wasserabscheider zugeführf und nachfolgend abgekühlf werden, wobei dieser dann vorzugsweise noch einem weiteren Wasserabscheider zugeführf wird, um den Was serabscheidegrad zu erhöhen. Die vorgenannten Maßnahmen hinsicht lich des Wasserstoffgasstromes und des Sauerstoffgasstromes sind unab hängig voneinander und können alternativ oder kumulativ angewen- de† werden.

[1 1 ] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrolytischen Erzeu gung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser weis† einen Elektroly seur insbesondere der PEM-Bauart auf, einen Wasserspeicher, welcher zum Speisen des Elektrolyseurs mit Wasser vorgesehen ist und der mit dem Eingang des Elektrolyseurs leitungsverbunden ist, gegebenenfalls unter Eingliederung einer Pumpe, um dieses Wasser kontinuierlich zuzu führen. Auch bei dieser Vorrichtung weis† der Elektrolyseur einen Wasser und Wasserstoff führenden ersten Ausgang und einen Wasser und Sau erstoff führenden zweiten Ausgang auf, in denen neben den eigentli chen Produktgasen Wasserstoff und Sauerstoff auch Wasser in flüssiger und gasförmiger Form mitgeführt wird. Gemäß der Erfindung weis† die Vorrichtung mindestens eine mindestens einem Ausgang des Elektroly seurs nachgeschalteten oder zugeordneten Wärmeübertrager auf, des sen andere Seite in eine frischwasserführende Leitung eingegliedert ist, welche im Wasserspeicher münde†. Damit werden die vorrichtungsmä ßigen Voraussetzungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens geschaffen. Wesentliches Bauteil der erfindungsgemäßen Vor richtung ist somit ein Wärmeübertrager, der dem Wasserstoff und/oder Sauerstoff führenden Ausgang zugeordnef oder nachgeschalfef ist, sei es beispielsweise hinter einem Wasserabscheider oder als Teil eines Wasserabscheiders. Ein solcher Wärmeübertrager kann einem oder je weils beiden Produktgasströmen zugeordnet sein, es versteht sich, dass der Wirkungsgrad umso höher ist, umso mehr Produktgaswärme auf das Frischwasser übertragen wird und umso mehr mitgeführtes entionisiertes Wasser wieder dem Kreislauf zugeführt wird.

[12] Auch dieser Vorrichtung liegt der grundlegende Gedanke zu grunde, eine Wärmeübertragung zwischen dem Wasserstoffgass trom/Sauerstoffgasstrom und dem darin mitgeführten Wasser, sei es in gasförmiger oder auch in flüssiger Form oder beides zu nutzen, einer seits, um die Wasserabscheidung zu intensivieren, andererseits jedoch, um das zugeführte Frischwasser zu erwärmen. Diese Wärme ist für die effektive katalytische Elektrolyse vor Eintritt in den PEM-Elektrolyseur sonst zuzuführen, um den Prozess mit hohem Wirkungsgrad betreiben zu können. Ein weiterer den Wirkungsgrad des Systems steigernder Effekt ist dabei die sich dadurch ergebende Möglichkeit der gezielten Rückfüh rung des kondensierten und aus dem Wasserstoffgasstrom/Sauerstoff gasstrom abgeschiedenen Wassers in den Wasserspeicher.

[13] In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteil haft als Frischwasser Brauchwasser verwendet, da dieses in der Regel in einer für die weitere Verarbeitung guten Qualität mit einem bevorzug ten Temperaturniveau und einem ausreichenden Leitungsdruck zur Ver fügung steht. Bei üblichen mitteleuropäischen Bedingungen wird also bei der Vielzahl der Anwendungen keine zusätzliche Pump- oder Kühl vorrichtung erforderlich sein, um das Frischwasser zuzuführen und eine ausreichende Kühlung des Wasserstoffgasstromes mit dem mitgeführten Wasser zu gewährleisten. Die Verwendung von Brauchwasser hat dar- über hinaus den Vorteil, dass für die weitere Behandlung des Wassers keine aufwendigen Filter erforderlich sind, dass lediglich eine Entionisie rung zu erfolgen hat, die in einem Ionenaustauscher erfolg†, dessen Wirksamkeit durch eine Leiffähigkeifsmessung am Ausgang zu überprü- fen ist. Ein solcher Ionenaustauscher kann in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Wärmeübertrager eingegliedert sein, je nach Konzeption der Anlage und in Abhängigkeit der Qualität des zur Verfügung stehen den Wassers.

[14] Als Wärmeübertrager sind grundsätzlich diverse Bauarten denk- bar, bevorzugt findet in diesem Bereich ein Rohrbündelwärmeübertra ger Anwendung, der für diesen Einsatz besonders geeignet erscheint. Dabei ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Rohrbündelwärmeübertrager so angeschlossen, dass das Rohrbündel die frischwasserführende Leitung bildet, wohingegen das umgebende Gehäuse durch den mit Wasser angereicherten Wasserstoffgasstrom bzw. Sauerstoffgasstrom durchström† ist. Diese Anordnung ist auch im Hinblick auf eine dort eintretende Wasserabscheidung sinnvoll, da im Gehäuse entsprechende Abscheideeinrichtungen vorgesehen sein können. Das Rohrbündel hingegen ist von dem Frischwasser, also gas- frei und kontinuierlich, durchström†.

[15] Der Wärmeübertrager muss nicht zwingend hinter dem ersten Wasserabscheider angeordnet sein, er kann gemäß der Erfindung auch Teil des ersten Wasserabscheiders bilden, um den Abscheideprozess und den Wärmeübertragungsprozess nach Möglichkeit in einem ge- meinsamen Bauteil zu intensivieren.

[16] Es versteht sich, dass, je nach Qualität des zugeführten Frischwas sers, eine über den Ionenaustauscher hinausgehende Behandlung er forderlich sein kann, beispielsweise ein Partikelfilter, ein Aktivkohlefilter oder dergleichen. Es versteht sich, dass diese Wasseraufbereitungsein- richtungen zweckmäßigerweise vor dem Ionenaustauscher und auch vor dem Wärmeübertrager angeordnet sein sollten.

[17] Der Ionenaustauscher kann, vorteilhalf† in Strömungsrichtung ge sehen, vor dem Wärmeübertrager, aber auch hinter dem Wärmeüber- träger angeordnet sein. Beide Anordnungen haben Vor- und Nachteile.

[18] Wenn der Ionenaustauscher hinter dem Wärmeübertrager ange- ordne† ist, ha† dies den Vorteil, dass der Wärmeübertrager auf seiner kalten Seife, also vorzugsweise an der Innenseite des Rohrbündels, aus Edelstahl oder auch aus Kunststoff, zum Beispiel in Form einer Beschich- tung, bestehen kann, da das Medium Frischwasser erst nach der Entio nisierung, also nach Durchlaufen des Ionenaustauschers, aggressiv ist und erst dann davor zu schützen ist, dass von den umgebenden Wan dungen Ionen herausgelös† werden, die mit dem Frischwasser mitge- führt werden und vor Eintritt in den PEM-Elektrolyseur zu entfernen sind. [19] Die Anordnung des Ionenaustauschers vor dem Wärmeübertra ger hingegen ha† den Vorteil, dass das den Ionenaustauscher durch strömende Wasser ein deutlich geringeres Temperaturniveau aufweis†, auch ist der Austausch der Mischbettharze des Ionenaustauschers in diesem Bereich voraussichtlich einfacher zu gestalten. [20] Vorteilhaft ist dem Wärmeübertrager auf der warmen Seite ein zweiter Wasserabscheider oder ein Gasspeicher mit Wasserabscheider nachgeordne†. Durch diesen zweiten Wasserabscheider kann nach Abkühlung des Produktgasstromes, insbesondere des Wasserstoffgass tromes das mitgeführte Wasser weitgehend vollständig abgeschieden werden. Andererseits kann es genügen, den abgekühlten und weitge hend wasserfreien Wasserstoffgasstrom in einem möglichst großvolumi- gen Speicher zu lagern, bevor er einer weiteren Nutzung zugeführt wird. In diesem Speicherbehälter wird sich das Wasser am Boden sammeln, sodass es auf einfache Weise mif einer entsprechenden Ablasseinrich- fung, welche in vorgegebenen Zeifinfervallen oder flüssigkeifsspiegel- gesfeuerf abgeführf werden kann. Dann kann das Wasser über eine bodenseifig anschließende Leitung abgeführf werden, zweckmäßiger weise in eine Rückführleitung, welche im Wasserspeicher der Vorrich tung münde†.

[21 ] Vorteilhaft wird mindestens jeweils der erste Wasserabscheider über eine solche Rückführleitung mit dem Wasserspeicher verbunden, um nicht nur die Wärme des Wasserstoffgasstroms/Sauerstoffgasstroms, sondern auch das darin mitgeführte Wasser einer weiteren Verwen dung in der Vorrichtung zuzuführen. Dieses Wasser bedarf grundsätzlich keiner weiteren Aufbereitung und kann also ohne Weiteres wieder in das dem Elektrolyseur zuführende Leitungssystem eingespeist werden. Es hat darüber hinaus den Vorteil, dass die darin befindliche Restwärme in der Vorrichtung weiter genutzt werden kann. Auch der zweite Was serabscheider ist vorteilhaft an diese Rückführleitung angeschlossen, gegebenenfalls auch der Gasspeicher mit Wasserabscheider, sodass das in dem Wasserstoffgasstrom bzw. Sauerstoffgasstrom mitgeführte Wasser nahezu vollständig rückgeführt und somit genutzt werden kann.

[22] Soweit es den Wärmeübertrager angeh†, ist es vorteilhaft, diesen drucktest auszulegen, und zwar entsprechend der ausgangsseitig des PEM-Elektrolyseurs, typischerweise eines PEM-Stacks, zu erwartenden Gasdruckes sowie andererseits hinsichtlich des zu erwartenden Lei tungsdrucks der Frischwasserversorgung. Dann sind keine besonderen Ventilanordnungen, insbesondere Druckminderventile vorzusehen, son dern es kann der Wärmeübertrager unmittelbar in die Leitungen einge- gliedert werden, und zwar in die Wasserstoffgas führende Leitung einer seits und in die Frischwasser führende Leitung andererseits. Wenn, was vorteilhaft ist, die Frischwasser führende Leitung an die örtliche Wasser versorgung angeschlossen ist, dann genügen übliche Druckauslegun- gen, wie sie aus Anwendungen des Flausbereichs bekannt sind. Flöher wird dann der auf der warmen Seite, also auf der Seite, welche durch den Wasserstoffgasstrom durchström† wird, zu erwarten sein. Dies gilt selbstverständlich auch für die Sauerstoffgas führende Leitung, wobei eine Druckfestigkeit dort in der Regel nur erforderlich sein wird, wenn auch der Sauerstoff gespeichert werden soll.

[23] Zweckmäßigerweise wird, wie schon erwähnt, zur Wirkungsgrad steigerung der Vorrichtung der Wasser und Sauerstoff führende zweite Ausgang des Elektrolyseurs, vorzugsweise unter Zwischenschaltung ei- nes Gasabscheiders, zum Wasserspeicher rückgeführt. Der Gasabschei der kann innerhalb des Wasserspeichers vorgesehen sein, gegebenen falls kann der dort anfallende Sauerstoff über geeignete Mittel abge- führt und gesondert gespeichert werden.

[24] Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dar- gestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. in stark vereinfachter Darstellung ein Schaubild einer ers ten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Schaubild einer zweiten Ausführungsform in Darstellung gemäß Fig 1 , Fig. 3 ein Schaubild einer dritten Ausführungsform in Darstellung gemäß Fig. 1 ,

Fig. 4 ein Schaubild einer vierten Ausführungsform in Darstellung gemäß Fig. 1 , Fig. 5 ein Schaubild einer fünften Ausführungsform in Darstellung gemäß Fig. 1 .

[25] Die Vorrichtung zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser weis† einen Wasserspeicher 1 auf, in dem enfionisierfes Wasser gespeichert wird, welches über eine Leitung 2 mit tels einer Pumpe 3 dem Eingang 4 eines PEM-Elektrolyseurs 5 in Form eines Elektrolyse-Stacks 5 zugeführt wird.

[26] Der PEM-Elektrolyse-Stack 5 ist in an sich bekannter Weise aufge- baut, weist eine Vielzahl von PEM-Zellen, jeweils bestehend aus einer protonendurchlässigen Membran mit beidseitig aufgebrachten Elektro den, zum Beispiel aus Platin, auf. Diese PEM-Elektrolyse-Zellen sind je weils unter Eingliederung von aus Titan bestehenden Bipolarplatten zu einem Stack gestapelt. Die zuführenden und abführenden Kanäle sind innerhalb jeder Zelle gebildet und im Stack 5 zusammengeführt. Die Zellen liegen elektrisch in Reihe und sind endseitig des Stacks kontaktiert und zur Bestromung mit Gleichstrom vorgesehen.

[27] Der PEM-Elektrolyseur 5 weist einen Eingang zum Zuführen des Wassers sowie einen ersten Ausgang 6 zum Abführen des erzeugten Wasserstoffs und einen zweiten Ausgang 7 zum Abführen des erzeugten Sauerstoffs auf. Die Gase treten nicht in reiner Form aus, sondern führen Wasser in Form von Wasserdampf und flüssigem Wasser mit.

[28] Da solche Vorrichtungen typischerweise ausschließlich zur Erzeu gung von Wasserstoff verwendet werden, wird der erzeugte Sauerstoff meist nicht genutzt, sondern zusammen mit dem mitgeführten Wasser über eine an den zweiten Ausgang 7 anschließende Leitung 8 in den Wasserspeicher 1 geführt. Der Wasserspeicher 1 weist an seiner Obersei te einen Gasabscheider 9 auf, über welchen der Sauerstoff ins Freie oder gegebenenfalls über ein Leitungssystem ins Freie oder in einen Auffangbehälter gelangen kann.

[29] Der erste Ausgang 6 ist über eine Leitung 10 mit einem ersten Wasserabscheider 1 1 verbunden, in welchem das flüssige Wasser, wel- ches im Wasserstoffgasstrom mitgeführt wird, abgeschieden und über eine Rückführleitung 12 dem Wasserspeicher 1 zugeführt wird. Die Rück führleitung 12 ist nicht ständig mit der zum Wasserspeicher 1 führenden Leitung 13 verbunden, sondern über ein Ventil 14, welches bei Erreichen eines vorbestimmten Pegels innerhalb des ersten Wasserabscheiders 1 1 öffnend angesteuert und dann wieder verschlossen wird. Der erste Was serabscheider 1 1 ist über eine Leitung 15 mit einem Wärmeübertrager 16 verbunden, dessen Ausgang über eine Leitung 17 mit einem zweiten Wasserabscheider 18 verbunden ist, dessen Ausgang 19 wiederum zu einem Speicher oder Verbraucher führt. Auch der zweite Wasserab- scheider 18 ist über ein Ventil 20 an eine Rückführleitung 21 angeschlos sen, welche das dort abgeschiedene Wasser flüssigkeitsspiegelgesteu- ert in den Wasserspeicher 1 rückführ†.

[30] Anstelle des zweiten Wasserabscheiders 18 kann auch hier be reits ein Wasserstoffspeicher vorgesehen sein, welcher über eine boden- seifige mittels des Ventils 20 absperrbare und dort anschließende Lei tung ebenfalls als Wasserabscheider arbeitet.

[31 ] Da in dem PEM-Elektrolyseur 5 Wasser in Sauerstoff und Wasser aufgespalten wird, ist dieser Teil des Wassers zu ersetzen, welcher in Sau erstoff und Wasser aufgespalten worden ist. Hierfür ist eine Frischwasser- leitung 22 vorgesehen, welche Wasser aus einer Brauchwasserquelle 23, hier eine Leitung der örtlichen Trinkwasserversorgung erhält. Das über die Leitung 22 zugeführte Frischwasser wird der kalten Seite des Wärme übertragers 16 zugeführt und gelangt über eine Leitung 24 zu einem Ionenaustauscher 25, wo es entionisiert wird und von dort der zum Was serspeicher 1 führenden Leitung 13 zugeführt wird.

[32] Bei dem Wärmeübertrager 16 handelt es sich um einen Rohrbün delwärmeübertrager, wobei das durch die Leitung 22 zugeführte Frisch- wasser durch das Rohrbündel in die Leitung 23 gelangt, wohingegen der durch die Leitung 15 in den Wärmeübertrager 1 6 eintrefende Was- sersfoffgassfrom mit Wasser in das das Rohrbündel umgebende Gehäu se eintritt, welches ausgangsseifig die Leitung 1 7 anschließ†.

[33] Die Ausführung gemäß Fig 2 unterscheide† sich von der Vorbe- schriebenen durch die Anordnung des Ionenaustauschers 25. Dort ist der Ionenaustauscher 25 in Durchflussrichtung vor dem Wärmeübertra ger 16 angeordne†. Das aus der Brauchwasserquelle 23 in die Leitung 22 gelangende Frischwasser wird also zunächst dem Ionenaustauscher 25 zugeführt, aus dem es über eine Leitung 26 in das Rohrbündel des Wärmeübertragers 16 gelangt, dessen Ausgangsleitung 23 wie bei der vorbeschriebenen Version in die zum Wasserspeicher 1 führende Lei tung 13 münde†.

[34] Anhand der Figuren 3 und 4 sind Ausführungen entsprechend den Figuren 1 und 2 dargestell†, mit dem Unterschied, dass dort die Wärmeübertragung nicht mit dem am Ausgang 6 anstehenden Pro duktgasstrom, sondern mit dem am Ausgang 7 anstehenden Produkt gasstrom, bestehend aus Sauerstoff und Wasser, erfolg†. Dabei ist bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung der Ionenaustauscher 25, ähnlich wie bei der Ausführung gemäß Fig. 1 , dem Wärmeübertrager 16 nach- geschalte†, wohingegen bei der Ausführung gemäß Fig. 4 der Ionen austauscher 25 dem Wärmeübertrager 16 vorgeschaltet ist. Anders als bei den anhand von Fig. 1 und 2 vorbeschriebenen Ausführungsvarian ten wird bei den Ausführungen gemäß den Figuren 3 und 4 der am zweiten Ausgang 7 anstehende Produktgasstrom im Wärmeübertrager 16 mit dem Frischwasserstrom thermisch gekoppelt, d. h„ die im sauer stoffführenden Produktgassfrom enthaltene Wärme wird in dem Wär metauscher 16 auf das Frischwasser übertragen. Auch bei diesen Aus führungsformen ist der Wärmetauscher als Rohrbündelwärmefauscher ausgebildef, wobei das aus der Brauchwasserquelle 23 kommende Frischwasser im Rohrbündel geführt und der aus dem zweiten Ausgang 7 ausfrefende Produktgassfrom im Gehäuse des Wärmeübertragers 1 6 das Rohrbündel umgebend geführt ist.

[35] Bei den dargesfellfen Ausführungsformen durchläuft der sauer- sfoffführende Produktgassfrom zunächst den Wasserspeicher 1 , sodass das dort mitgeführte flüssige Wasser bereits ausgeschieden wird, der Wasserspeicher 1 bilde† somit einen ersten Wasserabscheider. Über eine Leitung 27 wird der dann aus dem Vorratsbehälter 1 austretende Gass trom dem Wärmeübertrager 16 zugeführt, dem wiederum ein zweiter Wasserabscheider 28 nachgeschalte† ist, dessen wasserführender Aus gang über ein Ventil 29 und eine Leitung 30 wiederum mit dem Wasser speicher 1 verbunden ist, um das beim Wasserabscheider 28 ausge schiedene Wasser in Intervallen wieder in den Wasserspeicher 1 zurück zuführen. [36] Bei der anhand von Fig. 5 dargestellten Ausführungsvariante wird der höchste Rückführgrad sowohl hinsichtlich des Wassers als auch hin sichtlich der Wärme erziel†, Fig. 5 stell† eine Kombination der Ausführun gen gemäß Fig. 1 und Fig. 4 dar, d. h. sowohl der aus dem ersten Aus gang 6 austretende Produktgasstrom wird einem ersten Wasserabschei- der 1 1 , nachfolgend einem Wärmeübertrager 1 6 und dann einem zwei ten Wasserabscheider 18 zugeführt, als auch der aus dem zweiten Aus gang 7 austretende Produktgasstrom, der zunächst dem Wasserspei cher 1 als erstem Wasserabscheider, dann dem Wärmeübertrager 1 6 und schließlich dem zweiten Wasserabscheider 18 zugeführt wird. Bezugszeichenliste

1 Wasserspeicher

2 Leitung

3 Pumpe

4 Eingang

5 PEM-Elektrolyseur

6 Erster Ausgang

7 Zweiter Ausgang

8 Leitung

9 Gasabscheider

10 Leitung

1 1 Erster Wasserabscheider

12 Rückführleitung

13 Leitung

14 Ventil

15 Leitung

16 Wärmeübertrager

17 Leitung

18 Zweiter Wasserabscheider

19 Ausgangsleitung H2

20 Ventil

21 Rückführleitung

22 Frischwasserleifung

23 Brauchwasserquelle

24 Leitung

25 Ionenaustauscher

26 Leitung

Claims

Ansprüche

1 . Verfahren zum Betreiben einer Wasserelekfrolysevorrichfung zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff, bei welcher Wasser aus einem Wasserspeicher (1 ) einem Elektrolyseur (5), insbesondere ei- nem PEM-Elekfrolyseur (5), zugeführf wird, welches zumindest teil weise mittels elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zer legt wird, wobei das in mindestens einem aus dem Elektrolyseur (5) austretenden Produktgasstrom mitgeführte flüssige und/oder gas förmige Wasser zumindest teilweise abgeschieden und dem Was- serspeicher (1 ) wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein aus dem Elektrolyseur (5) austretender Pro duktgasstrom mit dem mitgeführten Wasser abgekühlt wird, wobei das Abkühlen durch Wärmeübertragung auf Frischwasser erfolgt, welches dem Wasserspeicher (1 ) zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als

Frischwasser vorzugsweise Brauchwasser verwendet wird, und dass das Frischwasser vor und/oder nach der Wärmeübertragung auf bereite† wird, insbesondere in einem lonentauscher (25) entioni- siert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der austretende Wasserstoffgasstrom einem ersten Wasserabschei der (1 1 ) zugeführt wird, nachfolgend abgekühlt und dann einem zweiten Wasserabscheider (18) oder einem Gasspeicher mit Was- serabscheidung zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der austretende Sauerstoffgasstrom mit dem mitgeführten Wasser einem ersten Wasserabscheider zugeführt, nachfolgend abgekühlf und dann einem zweiten Wasserabschei der zugeführf wird.

5. Vorrichtung zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, insbesondere zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Elektrolyseur (5), ins besondere der PEM-Bauarf, mit einem Wasserspeicher (1 ), der zum Speisen des Elektrolyseurs (5) mit dem Eingang (4) des Elektroly seurs (5) leitungsverbunden ist, mit einem Wasser und Wasserstoff führenden ersten Ausgang (6) des Elektrolyseurs (5) und mit einem Wasser und Sauerstoff führenden zweiten Ausgang (7) des Elektro lyseurs (5), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem Aus gang (6, 7) ein Wärmeübertrager (16) zugeordnet oder nachge schalte† ist, dessen andere Seite in eine Frischwasser führende Lei tung (22, 23) eingegliedert ist, welche im Wasserspeicher (1 ) mün- de†.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Ausgang (6) und/oder dem zweiten Ausgang

(7) des Elek trolyseurs (5) ein erster Wasserabscheider (1 1 ) nachgeschalte† ist und nachfolgend eine Seite des Wärmeübertragers (16) 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager ein Rohrbündelwärmeübertrager ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel die Frischwasser führende Leitung bildet.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1 6) Teil des ersten Wasserabscheiders (1 1 ) bildet.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass in der Frischwasser führenden Leitung (23) zwischen Wärmeübertrager (16) und Wasserspeicher (1 ) ein lonenfauscher (25) eingeglieder† ist.

1 1 . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass in der Frischwasser führenden Leitung (22, 26) in Fließrichfung vor dem Wärmeübertrager (1 6) ein lonen- tauscher (25) eingeglieder† ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass dem Wärmeübertrager (16) ein zwei ter Wasserabscheider (18) oder Gasspeicher mit Wasserabschei der nachgeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass mindestens der erste, vorzugsweise beide Wasserabscheider (1 1 , 18) über eine Rückführleitung (12, 21 ) mit dem Wasserspeicher (1 ) verbunden ist/sind.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1 6) drucktest ausgelegt ist, derart, dass er einerseits mit dem Ausgangsdruck des Wasserstoffausgangs (6) des Elektrolyseurs (5) und andererseits mit dem Leitungsdruck einer Frischwasserversorgung (23), insbesonde re des Drucks der örtlichen Wasserversorgungsleitung (23) beauf schlagbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der Wasser und Sauerstoff führende zweite Ausgang (7) des Elektrolyseurs (5) vorzugsweise unter Zwi- schenschalfung eines Gasabscheiders zum Wasserspeicher (1 ) rückgeführt ist.