WO2023006724A2 - Electrolytic cell having a temperature-control device, electrolyzer stack having a temperature-control device, electrolysis system having the electrolyzer stack, and method for the temperature control of an electrolyzer stack - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an electrolytic cell, in particular a polymer membrane electrolytic cell (PEM) or alkaline solid polymer electrolyte membrane electrolytic cell, which is used for the production (electrolysis) of hydrogen and oxygen from water and is equipped with a temperature control device, an electrolyzer stack having the temperature control device according to the invention, and an electrolysis system having at least one electrolyzer stack according to the invention. Furthermore, the present invention relates to a method for controlling the temperature of an electrolyzer stack, in particular an electrolyzer stack according to the present invention.
  • PEM polymer membrane electrolytic cell
  • alkaline solid polymer electrolyte membrane electrolytic cell which is used for the production (electrolysis) of hydrogen and oxygen from water and is equipped with a temperature control device, an electrolyzer stack having the temperature control device according to the invention, and an electrolysis system having at least one electrolyzer stack according to the invention.
  • the present invention relates to a method for controlling the temperature of an electrolyzer stack, in particular an electrolyzer
  • Protone exchange membrane electrolytic cells so-called PEM electrolytic cells
  • Polar plates come in the form of monopolar plates or bipolar plates.
  • Monopolar plates are understood to be plates that have channel or groove-shaped depressions on only one side that form a flow field and with the help of which gas or oxidant or the reaction product can be transported to or from the membrane.
  • channels or grooves are formed on both sides of the plate.
  • the spatial separation of the reaction partners hydrogen and oxygen is ensured by an electrolyte in such a way that the electron exchange that takes place during the chemical reaction between hydrogen and oxygen does not take place locally but via an external circuit.
  • electricity and heat are generated due to the process.
  • the heat generated must be continuously and specifically dissipated.
  • the chemical process takes place at an operating temperature of around 50°C to 90°C.
  • stacks in particular stacks of electrolytic cells for generating electricity, have appropriately designed cooling devices.
  • Fuel cell stacks or electrolyzer stacks made of graphite for example, have a harmonious heat dissipation characteristic due to the thermal properties of the material graphite, but the respective fuel cell or electrolyzer stack is relatively large and heavy due to the thickness of the material.
  • PEM electrolyzers or PEM electrolysis systems achieve power densities of up to 4.4 W/cm 2 .
  • efficiency of PEM electrolyzers is usually between 40 and 70 percent based on the lower calorific value of hydrogen. This range results from the dependency of the system efficiency on the operating parameters and the design of the electrolyser. It has been shown that the efficiency of a PEM electrolyser depends in particular on the working pressure present, the temperature in the stack and an even temperature distribution over the entire stack.
  • the adjustment to the power output of the renewable energy source can only take place in stages, for example in steps of 1 or 2 megawatts (switching on and off individual electrolyzers), which does not allow optimal utilization of the electrolyzers and thus reduces the overall efficiency of the system.
  • one object of the present invention is to provide an electrolytic cell, in particular a polymer membrane electrolytic cell or alkaline solid polymer electrolyte membrane electrolytic cell, which is set up for the production (electrolysis) of hydrogen and oxygen from water and is equipped with a temperature control device is to provide an electrolyzer stack for generating hydrogen and oxygen from water, an electrolysis system having an electrolyzer stack according to the invention, and a method for controlling the temperature of an electrolyzer stack, in particular the electrolyzer stack according to the invention, which are capable, even in the case of a volatile and fluctuating supply of electrical power or electric current as constant and high an efficiency as possible of the electrolytic cell used, in particular of the electrolytic stack used, to realize the structure of the electrolytic cell being simple and inexpensive to implement.
  • they should be able to produce hydrogen with constant purity, in particular constant relative humidity.
  • an electrolytic cell according to claim 1 an electrolyzer stack according to claim 11, an electrolytic system according to claim 16, a method for temperature control of an electrolyzer stack according to claim 17.
  • Preferred developments of the invention are specified in the dependent claims, the subject matter of the Electrolytic cell related claims can be used in the context of the electrolytic stack, the electrolytic system and the method for tempering an electrolytic stack and vice versa.
  • One of the basic ideas of the present invention is to provide a temperature control device for an electrolytic cell, which is designed to close the electrolytic cell by means of a temperature control section and/or a temperature control plate, which is/are arranged next to the anode and/or the cathode of the electrolytic cell temperature control, in particular to heat and cool.
  • the term “next to” in relation to “next to the anode and/or cathode” includes that the tempering section and/or the tempering plate is/are arranged within the electrolytic cell or at the edge of the electrolytic cell, the latter being in particular in the With regard to the stacked arrangement of the electrolysis cells within an electrolyzer stack.
  • an electrolytic cell particularly polymer membrane electrolytic cell or alkaline solid polymer electrolyte membrane electrolytic cell, configured to produce hydrogen and oxygen from water has: two electrodes, an anode and a cathode, one between the two electrodes arranged proton-conducting membrane as an electrolyte, two bipolar plates, which are set up for electrical contacting of the electrolytic cell, and a media supply for water, wherein the electrolytic cell is also set up to be temperature-controlled by means of a temperature control device, and the temperature control using at least one next to the anode and/or the cathode, preferably next to the anode, arranged temperature control section and/or temperature control plate, wherein the temperature control preferably takes place by cooling or heating the temperature control section and/or the temperature control plate.
  • the electrolytic cell can preferably have the temperature control device according to the invention.
  • the at least one temperature control section and/or the at least one temperature control plate can be provided with at least one flow channel, which is designed for a temperature control fluid, in particular water, to flow through, the at least one flow channel preferably being at least partially transverse to an axial extension of the electrolytic cell, in particular through the tempering section and/or the tempering plate.
  • the flow channel in the temperature control section and/or the temperature control plate runs in a meandering, bifilar or helical or modular manner.
  • the tempering section and/or the tempering plate is/are arranged between the anode and the anode-side bipolar plate, and/or is/are arranged between the cathode and the cathode-side bipolar plate, and/or on an outside of the anode-side bipolar plate, which faces away from the anode, and /or is/are arranged on an outside of the cathode-side bipolar plate, which faces away from the cathode.
  • the electrolytic cell can also have at least one anode-side current collector (current collector plate) which is arranged between the anode and the anode-side bipolar plate, with the tempering section preferably being part of the anode-side current collector.
  • current collector plate anode-side current collector
  • the electrolytic cell can also have at least one anode-side current collector (current collector plate) arranged between the anode and the anode-side bipolar plate, the tempering section preferably being part of the anode-side current collector.
  • anode-side current collector current collector plate
  • the tempering section is part of the anode-side bipolar plate and/or the cathode-side bipolar plate.
  • the tempering section is integrated into the anode-side and/or cathode-side bipolar plate.
  • the anode-side bipolar plate can have at least one first channel structure, which is part of the media supply and is used for collecting and removing the oxygen that has been split off.
  • the anode-side bipolar plate has a second channel structure, which is part of the media supply and is used to supply the proton-conducting membrane with water. Furthermore, it is advantageous that the cathode-side bipolar plate has at least a first channel structure, which is part of the media supply and is used to collect and discharge the hydrogen obtained, wherein the cathode-side bipolar plate can be provided in particular with a second channel structure, which is part of the media supply and serves to supply the proton-conducting membrane with water.
  • the second channel structure for supplying water is optional. Since it is known that the proton-conducting membrane transports water diffusively, it can be sufficient if the water provided for decomposition is fed exclusively to the cathode side or the cathode space of the electrolytic cell.
  • the electrolytic cell can also have a heating element, in particular an electrical heating element (heating resistor), which is arranged in the tempering section and/or the tempering plate.
  • a heating element in particular an electrical heating element (heating resistor), which is arranged in the tempering section and/or the tempering plate.
  • the present invention also relates to an electrolyzer stack for generating hydrogen and oxygen from water, comprising: at least two, preferably a large number of, electrolytic cells, in particular the electrolytic cell according to the invention described above, two end plates which are designed to supply the at least two electrolytic cells with water supply and discharge the generated hydrogen and oxygen as well as being able to introduce the necessary energy, in particular the necessary electricity, and a temperature control device, in particular the temperature control device according to the invention, which is set up to control the temperature of the at least two electrolysis cells, the temperature control using a temperature control section and/or or a temperature control plate, which takes place between an anode and an anode-side bipolar plate at least one of the electrolytic cells is/are arranged, and/or at least one of the electrolytic cells is/are arranged between a cathode and a cathode-side bipolar plate, and/or between the at least two electrolytic cells, preferably between the anode-side bipolar plate of one electrolytic cell and the cathode-
  • the at least two electrolytic cells in particular polymer membrane electrolytic cells or alkaline solid polymer electrolyte membrane electrolytic cells, which are set up to produce hydrogen and oxygen from water, have: two electrodes, an anode and a cathode, one between the proton-conducting membrane arranged at both electrodes as electrolyte, the two bipolar plates, which are set up for electrical contacting of the electrolytic cell, and a media supply for water.
  • the electrolyzer stack also has at least one temperature sensor, which is preferably integrated or installed in the temperature control section and/or the temperature control plate and/or a temperature control fluid discharge line and is set up to increase the temperature of the temperature control section or the temperature control plate or the temperature control fluid capture.
  • the electrolyzer stack can also have at least one humidity sensor, which is preferably integrated or installed in a hydrogen discharge line and is set up to detect humidity or humidity, in particular the relative humidity, of the hydrogen produced.
  • the electrolyzer stack can also have a pressure control valve in an advantageous manner Hydrogen discharge line is integrated or installed and is adapted to control and / or regulate the outlet pressure of the hydrogen produced.
  • the present invention relates to an electrolysis system for generating hydrogen and oxygen from water, comprising: at least one electrolyzer stack according to the invention as described above, a rectifier unit comprising a transformer and a rectifier, a temperature control device comprising a circulation pump, a cooler and a heater, and a Gas management device comprising a pressure regulator for hydrogen and oxygen, a gas separation device and a gas cooler.
  • the present invention relates to a method for temperature control of an electrolyzer stack, in particular the electrolyzer stack according to the invention described above, comprising: detecting at least one temperature of a temperature control section and/or a temperature control plate of one of the at least two electrolysis cells and/or a temperature control fluid used for temperature control, in particular after exiting the electrolytic cell, and controlling and/or regulating a temperature control device which is set up to control the temperature of the at least two electrolytic cells by heating or cooling the temperature control section and/or the temperature control plate, based on the detected at least one temperature.
  • the method can include: detecting further control and/or regulation parameters selected from the group comprising: a large number of temperatures measured in different tempering sections and/or tempering plates of the electrolyzer stack, outlet pressure of the hydrogen produced, outlet pressure of the produced hydrogen oxygen, inlet pressure of the introduced water,
  • Tempering plate based on at least one of the other detected control and / or regulation parameters and / or control and / or controlled variable.
  • the method also has: if it is detected that the energy introduced into the electrolyzer stack, in particular the amount of electricity, is decreasing, it is checked whether the temperature of the electrolyzer stack is decreasing within a predetermined time (triggered by reduction of the reaction waste heat), in particular falls below a preset limit value, and/or it is checked whether the relative humidity of the hydrogen produced increases within a predetermined time (triggered by reduction of the reaction waste heat), and if one of the two limit values is exceeded, one of the control and/or regulation parameters , in particular the temperature of the tempering section to be tempered and/or the to be tempered
  • Tempering plate is adjusted.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of a known PEM electrolysis cell according to the prior art
  • FIG. 2 schematic spatial representation of a PEM stack according to the prior art
  • FIG. 3 schematic spatial representation of a PEM electrolysis system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows schematically the structure of the PEM electrolysis system according to the invention shown in FIG. 3, FIG.
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of the relative humidity in the hydrogen produced as a function of temperature and pressure
  • FIG. 7 schematically shows the structure of a PEM electrolytic cell with temperature control according to a first embodiment of the present invention
  • Fig. 9 schematically shows three different ones
  • FIG 1 shows schematically the structure of a known PEM electrolytic cell 200.
  • the central element of the PEM electrolytic cell 200 is the polymeric membrane 201.
  • the proton conductivity is generally achieved by sulfonated side groups of a tetrafluoroethylene-based polymer (PTFE), also known as an inomer .
  • PTFE tetrafluoroethylene-based polymer
  • the ions are transported via the Grotthus mechanism along water-filled channels 202.
  • the membrane used is generally between 150 and 250 ⁇ m thick.
  • Electrolysis takes place on the surfaces of the catalysts used in the anode 203 and cathode 204.
  • the protons and electrons involved in the reaction must therefore be transported through the electrode layer.
  • Platinum has hitherto been used as the catalyst material, with the platinum being applied to carbon particles in order to reduce the platinum loading.
  • the electrode layers are electrically contacted by current collectors 205. Due to the significantly higher potential of the oxygen evolution reaction of >1.4 V compared to the slightly negative potential of the hydrogen evolution reaction, noble metals such as titanium must be used for the anode-side current collectors. Due to the low potentials of the hydrogen evolution reaction, carbon-based materials can be used on the cathode side. Furthermore, the supply of water and the removal of the product gases takes place via the current collectors 205 .
  • the current collectors 205 are therefore typically made of porous materials. For the anode side titanium-based current collectors 205AN are commonly used Sintered materials or expanded metals used.
  • the current collectors 205KA on the cathode side
  • the product gases generated (hydrogen and oxygen) are introduced into channel structures 202 and discharged from the electrolytic cell 200 .
  • bipolar plates are used in a known manner, which use the rear side of the channel structure for the neighboring cell.
  • the components with the introduced channel structure in other words the bipolar plates, are also subject to high requirements in terms of stability and electrical conductivity; these properties can be provided by precious metals such as titanium or gold.
  • carrier materials with coatings made of the noble metals mentioned are usually used.
  • FIG. 2 shows a schematic three-dimensional representation of a PEM stack according to the prior art.
  • an electrolyzer stack 320 for generating hydrogen and oxygen from water has a multiplicity of electrolytic cells which are arranged one behind the other in the longitudinal direction of the electrolyzer stack 320 .
  • the electrolyzer stack 320 also has two end plates 321, which are arranged at both ends of the electrolytic cells stacked on top of one another and serve to supply the at least two electrolytic cells with water and to discharge the hydrogen and oxygen produced as well as the necessary energy, in particular the necessary electricity. to be able to inject into the stack.
  • FIG. 3 shows a schematic spatial representation of a PEM electrolysis system 300 according to an embodiment of the present invention.
  • the system has a rectifier unit 310 having a transformer 311 and a rectifier 312, an electrolyzer stack 320 and a temperature control device 330 having a circulating pump 331, a cooler 332 and a heater 333.
  • the PEM electrolysis system 300 shown also has product gas lines 333 which carry the product gases (hydrogen and oxygen) to a gas management device 340 having a pressure regulator 341 for hydrogen and oxygen, a gas separator 342 and a gas cooler 343 directs.
  • the system has a feed water supply device 350 which supplies the electrolyzer stack 320 with purified water.
  • the system 300 has a control device 360, a gas freezer 365 and a dry cooler/media connection 370.
  • FIG. 4 schematically shows the structure of the PEM electrolysis system 300 according to the invention shown in FIG.
  • the process steps and the associated system components are shown schematically in FIG.
  • the electrolyzer 320 or the electrolyzer stack is the central system component for the production of hydrogen.
  • the energy fed in from the electrical grid or the renewable energy source (wind turbine, photovoltaic system and the like) is adapted to the requirements of the electrolyzer 320 using power electronics (rectifier unit 310).
  • the product gases leave the electrolyser with a water vapor content which, as already mentioned above, is largely determined by the saturation vapor pressure of the water at the respective operating parameters (working pressure and working temperature of the electrolyser stack).
  • Gas drying in the gas management device 340 reduces the water content for the further process steps reduced.
  • the hydrogen produced can be mechanically compressed by means of a compression device 380 for storage in order to be able to store it in a space-saving manner in downstream high-pressure accumulators 385.
  • FIG. 5 schematically shows a procedural hydraulic diagram of a PEM electrolyser according to a first embodiment.
  • the main component of the electrolyser is the Stack 320, in which individual cells (electrolytic cell 200) are combined into one unit using a stacking technique.
  • the series connection of individual cells increases the active cell area of the overall system and thus the maximum power consumption or . Generation capacity of hydrogen (kg/h).
  • the channel structures 202 of adjacent electrolytic cells 200 can be combined in one component.
  • the mentioned structure with bipolar plates reduces the number of necessary components and thus the cell width.
  • a decisive factor in the design of the so-called Bipolar plates is the pressure loss that occurs as the flow passes through the channel structure 202, which leads to an increased pump output.
  • the electrolyzer system 300 also has at least one temperature control device 330, which serves on the one hand to supply the individual electrolytic cell 200 or the electrolyzer stack 320 with reaction water, which is provided in particular by the feed water supply device 350, and on the other hand to supply the individual electrolytic cell 200 or to bring the electrolyzer stack 320 to the desired working temperature or to keep it there.
  • the PEM electrolysis system can be equipped with two temperature control devices 330, one for temperature control of the anode and the other temperature control device 330 for temperature control of the cathode.
  • the two temperature control devices 330 shown each have a circulation pump 331, a heater 333 and a cooler 332 .
  • the heater 333 and the cooler 332 can also be realized by a heat exchanger.
  • FIG. 6 schematically shows a diagram of the relative humidity in the hydrogen produced as a function of the temperature and the pressure.
  • the product gases leave the electrolyser fully saturated with water vapour.
  • the amount of water vapor results from the saturation vapor pressure of water in hydrogen or oxygen. This depends on the state variables pressure and temperature of the product gas.
  • FIG. 6 shows the relative humidity of hydrogen as a function of the pressure for different temperatures. The isotherms shown clearly show the strong temperature and pressure dependency of the water vapor content.
  • FIG. 7 schematically shows the structure of a PEM electrolytic cell with temperature control according to a first embodiment of the present invention.
  • a PEM electrolytic cell according to the illustrated embodiment has two electrodes, an anode 103 and a cathode 104, a proton-conducting membrane 101 arranged between the two electrodes 103, 104 as the electrolyte, two bipolar plates 106AN, 106KA, which are set up for electrical contacting of the electrolytic cell 100, and a media supply 102 for water.
  • FIG. 7 schematically shows the structure of a PEM electrolytic cell with temperature control according to a first embodiment of the present invention.
  • a PEM electrolytic cell according to the illustrated embodiment has two electrodes, an anode 103 and a cathode 104, a proton-conducting membrane 101 arranged between the two electrodes 103, 104 as the electrolyte, two bipolar plates 106AN, 106KA, which are set up for electrical contacting of the electrolytic cell 100,
  • the electrolytic cell 100 shown also has a temperature control device 110, 330, which is designed to control the temperature of the electrolytic cell 100, in particular to cool or heat it according to the requirements, the temperature control being based on an adjacent temperature control section 111 arranged on the anode 103, which in of this embodiment is integrated into the anode-side current collector 105 AN.
  • the electrolytic cell 100 is further provided with a temperature control plate 112, which is arranged on the right side of the electrolytic cell on the outside of the anode-side bipolar plate 106AN. As a rule, however, it will be sufficient to provide only one tempering section 111 or one tempering plate 112 per electrolytic cell.
  • FIG. 8 schematically shows the structure of a PEM electrolytic cell with temperature control according to a second embodiment of the present invention.
  • temperature control of the temperature control section 111 and/or the temperature control plate 112 by means of a temperature control fluid, such as water, is dispensed with, and only in the temperature control section 111 and/or the temperature control plate 112, which in this case is on the left-hand side of the electrolytic cell 100 is arranged on the outside of the cathode-side bipolar plate 106KA, a heating element 117, in particular a heating resistor, is provided.
  • a temperature control fluid such as water
  • FIG. 9 schematically shows three different embodiments for designing the flow channel within a tempering plate. As can be seen from FIG. 9, it is conceivable to provide the flow channel in the tempering plate 112 in a meandering, bifilar or helical or modular manner. The same applies if the flow channel is provided in the temperature control section 111 .
  • Reference List
  • 105AN Anode side current collector 105KA Cathode side current collector
  • 106A Anode side bipolar plate.
  • 106K Cathode side bipolar plate

Abstract

The present invention relates to an electrolytic cell (100), more particularly a polymer membrane electrolytic cell or an alkaline solid polymer-electrolyte-membrane electrolytic cell, which is designed to produce hydrogen and oxygen from water, comprising: - two electrodes, an anode (103) and a cathode (104); - a proton-conducting membrane (101) as an electrolyte, the membrane being located between the two electrodes (103, 104); - two flow field plates (106), which are designed for the electrical contacting of the electrolytic cell (100); and - a media supply (102) for water; wherein the electrolytic cell (100) is also designed to be temperature-controlled by means of a temperature-control device (110, 330), and the temperature control is accomplished by means of a temperature-control portion (111) and/or temperature-control plate (112) located next to the anode (103) and/or the cathode (104), preferably next to the anode (103). The present invention also relates to an electrolyzer stack (300) having an electrolytic cell (100) according to the invention and to an electrolysis system having at least one electrolyzer stack (300) according to the invention. The present invention further relates to a method for the temperature control of an electrolyzer stack.

Description

ELEKTROLYSEZELLE MIT TEMPERIERVORRICHTUNG, ELEKTROLYSEURSTACK AUFWEISEND EINE TEMPERIERVORRICHTUNG, ELEKTROLYSESYSTEM AUFWEISEND DEN ELEKTROLYSEURSTACK UND VERFAHREN ZUR TEMPERIERUNG EINES ELEKTROLYSEURSTACKS ELECTROLYSIS CELL WITH TEMPERATURE CONTROL DEVICE, ELECTROLYZER STACK HAVING A TEMPERATURE CONTROL DEVICE, ELECTROLYSIS SYSTEM HAVING THE ELECTROLYSER STACK AND METHOD FOR TEMPERATURE CONTROL OF AN ELECTROLYSER STACK
Technisches Gebiet technical field
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere Polymermembran-Elektrolysezelle (PEM) oder Alkalische feste Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezelle, die für die Erzeugung (Elektrolyse) von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser verwendet wird und mit einer Temperiervorrichtung ausgestattet ist, einen Elektrolyseurstack aufweisend die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung, sowie ein zumindest einen erfindungsgemäßen Elektrolyseurstack aufweisendes Elektrolysesystem. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Temperierung eines Elektrolyseurstacks, insbesondere eines Elektrolyseurstacks gemäß der vorliegenden Erfindung. The present invention relates to an electrolytic cell, in particular a polymer membrane electrolytic cell (PEM) or alkaline solid polymer electrolyte membrane electrolytic cell, which is used for the production (electrolysis) of hydrogen and oxygen from water and is equipped with a temperature control device, an electrolyzer stack having the temperature control device according to the invention, and an electrolysis system having at least one electrolyzer stack according to the invention. Furthermore, the present invention relates to a method for controlling the temperature of an electrolyzer stack, in particular an electrolyzer stack according to the present invention.
Stand der Technik State of the art
Polymermembran-Elektrolysezellen bzw . Protone-Exchange- Membrane-Elektrolysezellen sogenannte PEM-Elektrolysezellen sind seit langem bekannt und bewährt, so beschreibt beispielsweise die DE 697 00 772 T2 eine herkömmliche Brennstoffzelle, die für gewöhnlich aus einer mit mehreren zu einem sogenannten Stack zusammengefassten Einzelzellen (Membranelektrodeneinheit; MEA = Membrane Electrode Assembly) besteht, von denen jede zwei Elektroden (Anode und Kathode) aufweist. Der jeweiligen Elektrode schließt sich ein Kathoden- bzw. ein Anodenraum an, wobei diese Räume auf der der Polymermembran abgewandten Seite jeweils von einer Polarplatte zur nächsten Brennstoffzelle hin abgeschlossen sind. Polarplatten gibt es in der Form von Monopolarplatte oder Bipolarplatten. Unter Monopolarplatten werden dabei solche Platten verstanden, die lediglich auf einer Seite kanal- oder rillenförmige Vertiefungen aufweisen, die ein Strömungsfeld ausbilden und mithilfe welcher Gas oder Oxidans oder das Reaktionsprodukt zur Membran hin oder von dieser fort transportiert werden kann. Bei Bipolarplatten sind derartige Kanäle oder Rillen auf beiden Seiten der Platte ausgeformt . Polymer membrane electrolytic cells or . Protone exchange membrane electrolytic cells, so-called PEM electrolytic cells, have been known and proven for a long time, for example DE 697 00 772 T2 describes a conventional fuel cell, which usually consists of a number of individual cells combined to form a so-called stack (membrane electrode unit; MEA = membrane Electrode Assembly), each of which has two electrodes (anode and cathode). The respective electrode is adjoined by a cathode space and an anode space, these spaces being closed off on the side facing away from the polymer membrane in each case from a polar plate to the next fuel cell. Polar plates come in the form of monopolar plates or bipolar plates. Monopolar plates are understood to be plates that have channel or groove-shaped depressions on only one side that form a flow field and with the help of which gas or oxidant or the reaction product can be transported to or from the membrane. In the case of bipolar plates, such channels or grooves are formed on both sides of the plate.
Die räumliche Trennung der Reaktionspartner Wasserstoff und Sauerstoff wird durch einen Elektrolyten gewährleistet, und zwar derart, dass der bei der chemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff stattfindende Elektronenaustausch nicht lokal, sondern über einen äußeren Stromkreis abläuft. Bei dem Betrieb von Brennstoffzellen (Brennstoffzellenstacks oder Elektrolyseurstacks) werden verfahrensbedingt Strom und Wärme erzeugt. Zum sicheren Betrieb des Brennstoffzellen oder Elektrolyseurstacks muss die entstehende Wärme kontinuierlich und gezielt abgeführt werden. Bei einer PEM- Brennstoffzelle findet der chemische Prozess bei einer Betriebstemperatur von etwa 50°C bis 90°C statt. In der Regel treten beispielsweise bei 100 Watt elektrischer Nutzleistung pro Einzelzelle auch 100 Watt Wärme auf, die abgeführt werden muss. Aus diesem Grund weisen Stacks, insbesondere Stacks von Elektrolysezellen zur Erzeugung von elektrischem Strom, entsprechend geeignet ausgebildete Kühlvorrichtungen auf. The spatial separation of the reaction partners hydrogen and oxygen is ensured by an electrolyte in such a way that the electron exchange that takes place during the chemical reaction between hydrogen and oxygen does not take place locally but via an external circuit. During the operation of fuel cells (cell stacks or electrolyser stacks), electricity and heat are generated due to the process. For safe operation of the fuel cell or electrolyzer stack, the heat generated must be continuously and specifically dissipated. In a PEM fuel cell, the chemical process takes place at an operating temperature of around 50°C to 90°C. As a rule, for example, with 100 watts of useful electrical power per individual cell, there is also 100 watts of heat that has to be dissipated. For this reason, stacks, in particular stacks of electrolytic cells for generating electricity, have appropriately designed cooling devices.
Brennstoffzellenstacks oder Elektrolyseurstacks, die beispielsweise aus Graphit bestehen, weisen aufgrund der thermischen Eigenschaften des Werkstoffs Graphit eine harmonische Entwärmungscharakteristik auf, wobei jedoch aufgrund der Dicke des Materials der jeweilige Brennstoffzellen- oder Elektrolyseurstack relativ groß und schwer ausgebildet ist. Fuel cell stacks or electrolyzer stacks made of graphite, for example, have a harmonious heat dissipation characteristic due to the thermal properties of the material graphite, but the respective fuel cell or electrolyzer stack is relatively large and heavy due to the thickness of the material.
Um den gesamten Aufbau von Brennstoffzellen- oder Elektrolyseurstacks wesentlich kompakter zu gestalten, werden diese in jüngster Zeit aus Metallfolien hergestellt. Durch die thermischen Eigenschaften, d.h. die gute Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs Metall entsteht jedoch eine wesentlich sensiblere Ent- bzw. Erwärmungscharakteristik. Zudem stellt sich die elektrische Nutzleistung der Brennstoffzelle bzw. Elektrolysezelle in direkter Abhängigkeit der lokalen, thermischen Ent- bzw. Erwärmung in jeder Zelle ein, was zu lokalen Überhitzungen oder Unterkühlungen führen kann. In order to make the entire structure of fuel cell or electrolyzer stacks much more compact, recently made of metal foils. However, due to the thermal properties, ie the good thermal conductivity of the metal material, a significantly more sensitive heating and cooling characteristic is created. In addition, the useful electrical output of the fuel cell or electrolytic cell is directly dependent on the local, thermal cooling or heating in each cell, which can lead to local overheating or undercooling.
Damit Wasserstoff mittels Elektrolyseuren klimaneutral mit grünem Strom erzeugt werden kann, welcher beispielsweise von Wind- und Solarenergieanlagen bereitgestellt wird, ist es ferner notwendig, die mit erneuerbaren Energiequellen verbundene volatile und fluktuierende Leistungsabgabe bzw. Stromerzeugung und die damit verbundenen Lastschwankungen an den Elektrolyseuren aufzufangen. In order for hydrogen to be produced in a climate-neutral manner using electrolysers with green electricity, which is provided, for example, by wind and solar energy systems, it is also necessary to absorb the volatile and fluctuating power output or power generation associated with renewable energy sources and the associated load fluctuations on the electrolysers.
Kommerzielle PEM-Elektrolyseure bzw. PEM-Elektrolysesysteme erreichen auf dem heutigen Stand der Technik Leistungsdichten von bis zu 4,4 W/cm2. Ferner bewegt sich für gewöhnlich der Wirkungsgrad von PEM-Elektrolyseuren bezogen auf den unteren Heizwert von Wasserstoff zwischen 40 und 70 Prozent. Diese Spanne ergibt sich aus der Abhängigkeit der Systemeffizienz von den Betriebsparametern und der Auslegung des Elektrolyseurs. Hierbei hat sich gezeigt, dass der Wirkungsgrad eines PEM-Elektrolyseurs insbesondere von dem anliegenden Arbeitsdruck, der im Stack vorliegenden Temperatur sowie einer gleichmäßigen Temperaturverteilung über den ganzen Stack abhängig ist. Um den genannten Problemen Rechnung zu tragen, wird im Stand der Technik vorgeschlagen, Elektrolysesysteme, insbesondere im Bereich von mehreren Megawatt, skalierbar auszuführen, und entsprechend den Lastschwankungen einzelne Elektrolyseure (mit beispielsweise einer Leistung von 1 oder 2 Megawatt) an- oder abzuschalten, um die Leistungskapazität des Elektrolysesystems (das beispielsweise eine Gesamtleistung von 10 Megawatt aufweist) an die volatile und fluktuierende Leistungsabgabe der erneuerbaren Energiequelle anzupassen. Dies führ jedoch einerseits zu einem großen Regelungsaufwand, andererseits zu einer Minderung der Lebensdauer der einzelnen Bauelemente der Elektrolyseure bzw. des Elektrolysesystems aufgrund des getakteten Betriebs der Elektrolyseure. Ferner kann die Anpassung an die Leistungsabgabe der erneuerbaren Energiequelle lediglich stufenförmig, in Schritten von beispielsweise 1 oder 2 Megawatt (An- und Abschalten einzelner Elektrolyseure) erfolgen, was eine optimale Auslastung der Elektrolyseure nicht zulässt und somit den Gesamtwirkungsgrad der Anlage reduziert. State-of-the-art commercial PEM electrolyzers or PEM electrolysis systems achieve power densities of up to 4.4 W/cm 2 . Furthermore, the efficiency of PEM electrolyzers is usually between 40 and 70 percent based on the lower calorific value of hydrogen. This range results from the dependency of the system efficiency on the operating parameters and the design of the electrolyser. It has been shown that the efficiency of a PEM electrolyser depends in particular on the working pressure present, the temperature in the stack and an even temperature distribution over the entire stack. In order to take account of the problems mentioned, it is proposed in the prior art to run scalable electrolysis systems, in particular in the range of several megawatts, and to switch individual electrolysers (with an output of 1 or 2 megawatts, for example) on or off in accordance with the load fluctuations the power capacity of the electrolysis system (which, for example, has a total power of 10 megawatts) to adapt to the volatile and fluctuating power output of the renewable energy source. On the one hand, however, this leads to a great deal of control effort and, on the other hand, to a reduction in the service life of the individual components of the electrolyzers or of the electrolyzer system due to the clocked operation of the electrolyzers. Furthermore, the adjustment to the power output of the renewable energy source can only take place in stages, for example in steps of 1 or 2 megawatts (switching on and off individual electrolyzers), which does not allow optimal utilization of the electrolyzers and thus reduces the overall efficiency of the system.
Daher besteht ein großer Bedarf an kostengünstigen Elektrolyseuren, die einerseits ohne großen Aufwand dezentral installiert werden können, andererseits die Möglichkeit bieten, auch bei Lastschwankungen bzw. Schwankungen an der eingespeisten Leistung (Strommenge) einen konstanten und hohen Wirkungsgrad in der Wasserstofferzeugung zu realisieren . There is therefore a great need for inexpensive electrolysers that can be installed decentrally without great effort on the one hand, and on the other hand offer the possibility of achieving constant and high efficiency in hydrogen production even with load fluctuations or fluctuations in the power fed in (amount of electricity).
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Vor dem Hintergrund des oben beschriebenen Bedarfs liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Elektrolysezelle, insbesondere Polymermembran- Elektrolysezelle oder Alkalische feste Polymerelektrolyt membran-Elektrolysezelle, die für die Erzeugung (Elektrolyse) von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser eingerichtet ist und mit einer Temperiervorrichtung ausgestattet ist, einen Elektrolyseurstack zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, ein einen erfindungsgemäßen Elektrolyseurstack aufweisendes Elektrolysesystem sowie ein Verfahren zur Temperierung eines Elektrolyseurstacks, insbesondere des erfindungsgemäßen Elektrolyseurstacks, bereitzustellen, die in der Lage sind, auch bei volatiler und fluktuierender Einspeisung elektrischer Leistung bzw. elektrischen Stroms einen möglichst konstanten und hohen Wirkungsgrad der eingesetzten Elektrolysezelle, insbesondere des verwendeten Elektrolyseurstacks, zu realisieren, wobei der Aufbau der Elektrolysezelle einfach und kostengünstig realisiert werden soll. Zusätzlich sollen diese in der Lage sein, Wasserstoff mit gleichbleibender Reinheit, insbesondere konstanter relativer Feuchte, zu erzeugen. Against the background of the need described above, one object of the present invention is to provide an electrolytic cell, in particular a polymer membrane electrolytic cell or alkaline solid polymer electrolyte membrane electrolytic cell, which is set up for the production (electrolysis) of hydrogen and oxygen from water and is equipped with a temperature control device is to provide an electrolyzer stack for generating hydrogen and oxygen from water, an electrolysis system having an electrolyzer stack according to the invention, and a method for controlling the temperature of an electrolyzer stack, in particular the electrolyzer stack according to the invention, which are capable, even in the case of a volatile and fluctuating supply of electrical power or electric current as constant and high an efficiency as possible of the electrolytic cell used, in particular of the electrolytic stack used, to realize the structure of the electrolytic cell being simple and inexpensive to implement. In addition, they should be able to produce hydrogen with constant purity, in particular constant relative humidity.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Elektrolysezelle nach Anspruch 1, einen Elektrolyseurstack nach Anspruch 11, ein Elektrolysesystem nach Anspruch 16, ein Verfahren zur Temperierung eines Elektrolyseurstacks nach Anspruch 17. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, wobei der Gegenstand der die Elektrolysezelle betreffenden Ansprüche im Rahmen des Elektrolyseurstacks, des Elektrolysesystems sowie des Verfahrens zum Temperieren eines Elektrolyseurstacks zum Einsatz kommen kann und umgekehrt. The stated object is achieved by an electrolytic cell according to claim 1, an electrolyzer stack according to claim 11, an electrolytic system according to claim 16, a method for temperature control of an electrolyzer stack according to claim 17. Preferred developments of the invention are specified in the dependent claims, the subject matter of the Electrolytic cell related claims can be used in the context of the electrolytic stack, the electrolytic system and the method for tempering an electrolytic stack and vice versa.
Hierbei ist einer der Grundgedanken der vorliegenden Erfindung, eine Temperiervorrichtung für eine Elektrolysezelle bereitzustellen, die dazu eingerichtet ist, die Elektrolysezelle mittels eines Temperierabschnitts und/oder einer Temperierplatte, der/die neben der Anode und/oder der Kathode der Elektrolysezelle angeordnet ist/sind zu temperieren, insbesondere zu heizen und zu kühlen. One of the basic ideas of the present invention is to provide a temperature control device for an electrolytic cell, which is designed to close the electrolytic cell by means of a temperature control section and/or a temperature control plate, which is/are arranged next to the anode and/or the cathode of the electrolytic cell temperature control, in particular to heat and cool.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfass der Begriff „neben" in Bezug auf „neben der Anode und/oder Kathode", dass der Temperierabschnitt und/oder die Temperierplatte innerhalb der Elektrolysezelle oder jeweils am Rand der Elektrolysezelle angeordnet ist/sind, letzteres ist insbesondere im Hinblick auf die gestapelte Anordnung der Elektrolysezellen innerhalb eines Elektrolyseurstacks von Bedeutung. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Elektrolysezelle, insbesondere Polymermembran-Elektrolyse zelle oder Alkalische feste Polymerelektrolytmembran- Elektrolysezelle, die zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser eingerichtet ist, auf: zwei Elektroden, eine Anode und eine Kathode, eine zwischen den beiden Elektroden angeordnete Protonen leitende Membran als Elektrolyt, zwei Bipolarplatten, die zur elektrischen Kontaktierung der Elektrolysezelle eingerichtet sind, und eine Medienversorgung für Wasser, wobei die Elektrolysezelle ferner dazu eingerichtet ist mittels einer Temperiervorrichtung temperiert zu werden, und die Temperierung anhand mindestens eines/einer neben der Anode und/oder der Kathode, bevorzugt neben der Anode, angeordneten Temperierabschnitts und/oder Temperierplatte erfolgt, wobei die Temperierung bevorzugt durch Kühlen oder Heizen des Temperierabschnitts und/oder der Temperierplatte erfolgt. Hierbei kann die Elektrolysezelle bevorzugt die erfindungsmäßige Temperiervorrichtung aufweisen. In the context of the present invention, the term "next to" in relation to "next to the anode and/or cathode" includes that the tempering section and/or the tempering plate is/are arranged within the electrolytic cell or at the edge of the electrolytic cell, the latter being in particular in the With regard to the stacked arrangement of the electrolysis cells within an electrolyzer stack. According to one aspect of the present invention, an electrolytic cell, particularly polymer membrane electrolytic cell or alkaline solid polymer electrolyte membrane electrolytic cell, configured to produce hydrogen and oxygen from water has: two electrodes, an anode and a cathode, one between the two electrodes arranged proton-conducting membrane as an electrolyte, two bipolar plates, which are set up for electrical contacting of the electrolytic cell, and a media supply for water, wherein the electrolytic cell is also set up to be temperature-controlled by means of a temperature control device, and the temperature control using at least one next to the anode and/or the cathode, preferably next to the anode, arranged temperature control section and/or temperature control plate, wherein the temperature control preferably takes place by cooling or heating the temperature control section and/or the temperature control plate. In this case, the electrolytic cell can preferably have the temperature control device according to the invention.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der mindestens eine Temperierabschnitt und/oder die mindestens eine Temperierplatte mit mindestens einem Strömungskanal versehen sein, der dazu eingerichtet ist, von einem Temperiertluid, insbesondere Wasser, durchströmt zu werden, wobei der mindestens eine Strömungskanal bevorzugt zumindest teilweise quer zu einer Axialerstreckung der Elektrolysezelle, insbesondere durch den Temperierabschnitt und/oder die Temperierplatte, verläuft. According to one embodiment of the present invention, the at least one temperature control section and/or the at least one temperature control plate can be provided with at least one flow channel, which is designed for a temperature control fluid, in particular water, to flow through, the at least one flow channel preferably being at least partially transverse to an axial extension of the electrolytic cell, in particular through the tempering section and/or the tempering plate.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass der Strömungskanal in dem Temperierabschnitt und/oder der Temperierplatte mäandertörmig, bifilar bzw. schneckenförmig oder modular verläuft. Furthermore, it is advantageous that the flow channel in the temperature control section and/or the temperature control plate runs in a meandering, bifilar or helical or modular manner.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der Temperierabschnitt und/oder die Temperierplatte zwischen der Anode und der anodenseitigen Bipolarplatte angeordnet ist/sind, und/oder zwischen der Kathode und der kathodenseitigen Bipolarplatte angeordnet ist/sind, und/oder an einer Außenseite der anodenseitigen Bipolarplatte, die von der Anode abgewandt ist, und/oder an einer Außenseite der kathodenseitigen Bipolarplatte, die von der Kathode abgewandt ist, angeordnet ist/sind. According to a further embodiment of the present invention, it can be advantageous that the tempering section and/or the tempering plate is/are arranged between the anode and the anode-side bipolar plate, and/or is/are arranged between the cathode and the cathode-side bipolar plate, and/or on an outside of the anode-side bipolar plate, which faces away from the anode, and /or is/are arranged on an outside of the cathode-side bipolar plate, which faces away from the cathode.
Des Weiteren kann die Elektrolysezelle ferner zumindest einen anodenseitigen Stromkollektor (Stromkollektorplatte) aufweisen, der zwischen der Anode und der anodenseitigen Bipolarplatte angeordnet ist, wobei der Temperierabschnitt bevorzugt ein Teil des anodenseitigen Stromkollektors ist. Furthermore, the electrolytic cell can also have at least one anode-side current collector (current collector plate) which is arranged between the anode and the anode-side bipolar plate, with the tempering section preferably being part of the anode-side current collector.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Elektrolysezelle ferner zumindest einen anodenseitigen Stromkollektor (Stromkollektorplatte) der zwischen der Anode und der anodenseitigen Bipolarplatte angeordnet ist, aufweisen, wobei der Temperierabschnitt bevorzugt ein Teil des anodenseitigen Stromkollektors ist. According to a further embodiment of the present invention, the electrolytic cell can also have at least one anode-side current collector (current collector plate) arranged between the anode and the anode-side bipolar plate, the tempering section preferably being part of the anode-side current collector.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass der Temperierabschnitt ein Teil der anodenseitigen Bipolarplatte und/oder der kathodenseitigen Bipolarplatte ist. Mit anderen Worten, der Temperierabschnitt in die anodenseitige und/oder kathodenseitige Bipolarplatte integriert ist. Furthermore, it is advantageous that the tempering section is part of the anode-side bipolar plate and/or the cathode-side bipolar plate. In other words, the tempering section is integrated into the anode-side and/or cathode-side bipolar plate.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die anodenseitige Bipolarplatte zumindest eine erste Kanalstruktur aufweisen, die Teil der Medienversorgung ist und zum Sammeln und Abführen des abgespaltenen Sauerstoffs dient. According to a further configuration, the anode-side bipolar plate can have at least one first channel structure, which is part of the media supply and is used for collecting and removing the oxygen that has been split off.
Ferner ist es bevorzugt, dass die anodenseitige Bipolarplatte eine zweite Kanalstruktur aufweist, die Teil der Medienversorgung ist und zur Versorgung der Protonen leitenden Membran mit Wasser dient. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass die kathodenseitige Bipolarplatte zumindest eine erste Kanalstruktur aufweist, die Teil der Medienversorgung ist und zum Sammeln und Abführen des gewonnen Wasserstoffs dient, wobei die kathodenseitige Bipolarplatten insbesondere mit einer zweiten Kanalstruktur versehen sein kann, die Teil der Medienversorgung ist und zur Versorgung der Proton leitenden Membran mit Wasser dient. Furthermore, it is preferred that the anode-side bipolar plate has a second channel structure, which is part of the media supply and is used to supply the proton-conducting membrane with water. Furthermore, it is advantageous that the cathode-side bipolar plate has at least a first channel structure, which is part of the media supply and is used to collect and discharge the hydrogen obtained, wherein the cathode-side bipolar plate can be provided in particular with a second channel structure, which is part of the media supply and serves to supply the proton-conducting membrane with water.
Die zweite Kanalstruktur zur Versorgung mit Wasser ist optional. Da es bekannt ist, dass die Protonen leitende Membran diffusiv Wasser transportiert, kann es ausreichend sein, wenn das zur Zerlegung bereitgestellte Wasser ausschließlich der Kathodenseite bzw. dem Kathodenraum der Elektrolysezelle zugeführt wird. The second channel structure for supplying water is optional. Since it is known that the proton-conducting membrane transports water diffusively, it can be sufficient if the water provided for decomposition is fed exclusively to the cathode side or the cathode space of the electrolytic cell.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die Elektrolysezelle ferner ein Heizelement aufweisen, insbesondere ein elektrisches Heizelement (Heizwiderstand), das in dem Temperierabschnitt und/oder der Temperierplatte angeordnet ist. According to a further embodiment, the electrolytic cell can also have a heating element, in particular an electrical heating element (heating resistor), which is arranged in the tempering section and/or the tempering plate.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Elektrolyseurstack zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, aufweisend: zumindest zwei, bevorzugt eine Vielzahl von, Elektrolysezellen, insbesondere die oben beschriebene erfindungsgemäße Elektrolysezelle, zwei Endplatten, die dazu eingerichtet sind, die zumindest zwei Elektrolysezellen mit Wasser zu versorgen und den erzeugten Wasserstoff und Sauerstoff abzuführen sowie die notwendige Energie, insbesondere notwendigen Strom, einleiten zu können, und eine Temperiervorrichtung, insbesondere die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die zumindest zwei Elektrolysezellen zu temperieren, wobei die Temperierung anhand eines Temperierabschnitts und/oder einer Temperierplatte erfolgt, die zwischen einer Anode und einer anodenseitigen Bipolarplatte zumindest einer der Elektrolysezellen angeordnet ist/sind, und/oder zwischen einer Kathode und einer kathodenseitigen Bipolarplatte zumindest einer der Elektrolysezellen angeordnet ist/sind, und/oder zwischen den zumindest zwei Elektrolysezellen, bevorzugt zwischen der anodenseitigen Bipolarplatte der einen Elektrolysezelle und der kathodenseitigen Bipolarplatte der anderen Elektrolysezelle, angeordnet ist/sind. The present invention also relates to an electrolyzer stack for generating hydrogen and oxygen from water, comprising: at least two, preferably a large number of, electrolytic cells, in particular the electrolytic cell according to the invention described above, two end plates which are designed to supply the at least two electrolytic cells with water supply and discharge the generated hydrogen and oxygen as well as being able to introduce the necessary energy, in particular the necessary electricity, and a temperature control device, in particular the temperature control device according to the invention, which is set up to control the temperature of the at least two electrolysis cells, the temperature control using a temperature control section and/or or a temperature control plate, which takes place between an anode and an anode-side bipolar plate at least one of the electrolytic cells is/are arranged, and/or at least one of the electrolytic cells is/are arranged between a cathode and a cathode-side bipolar plate, and/or between the at least two electrolytic cells, preferably between the anode-side bipolar plate of one electrolytic cell and the cathode-side bipolar plate of the other electrolytic cell , is/are arranged.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die zumindest zwei Elektrolysezellen, insbesondere Polymermembran-Elektrolysezellen oder Alkalische feste Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellen, die zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser eingerichtet sind, aufweisen: zwei Elektroden, eine Anode und eine Kathode, eine zwischen den beiden Elektroden angeordnete Protonen leitende Membran als Elektrolyt, die beiden Bipolarplatten, die zur elektrischen Kontaktierung der Elektrolysezelle eingerichtet sind, und eine Medienversorgung für Wasser. According to a further embodiment of the present invention, the at least two electrolytic cells, in particular polymer membrane electrolytic cells or alkaline solid polymer electrolyte membrane electrolytic cells, which are set up to produce hydrogen and oxygen from water, have: two electrodes, an anode and a cathode, one between the proton-conducting membrane arranged at both electrodes as electrolyte, the two bipolar plates, which are set up for electrical contacting of the electrolytic cell, and a media supply for water.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Elektrolyseurstack ferner zumindest einen Temperatursensor aufweist, der bevorzugt in den Temperierabschnitt und/oder die Temperierplatte und/oder eine Temperierf luidabführleitung integriert oder installiert ist und dazu eingerichtet ist, die Temperatur des Temperierabschnitts oder der Temperierplatte oder des Temperierfluids zu erfassen. It is advantageous here if the electrolyzer stack also has at least one temperature sensor, which is preferably integrated or installed in the temperature control section and/or the temperature control plate and/or a temperature control fluid discharge line and is set up to increase the temperature of the temperature control section or the temperature control plate or the temperature control fluid capture.
Des Weiteren kann der Elektrolyseurstack ferner zumindest einen Feuchtigkeitssensor aufweisen, der bevorzugt in eine Wasserstoffabführleitung integriert oder installiert ist und dazu eingerichtet ist, eine Feuchte oder Feuchtigkeit, insbesondere die relative Feuchte, des erzeugten Wasserstoffs zu erfassen. Furthermore, the electrolyzer stack can also have at least one humidity sensor, which is preferably integrated or installed in a hydrogen discharge line and is set up to detect humidity or humidity, in particular the relative humidity, of the hydrogen produced.
Hierbei kann in vorteilhafter Weise der Elektrolyseurstack ferner ein Druckregelventil aufweisen, das in die Wasserstoffabführleitung integriert oder installiert ist und dazu eingerichtet ist, den Ausgangsdruck des erzeugten Wasserstoffs zu steuern und/oder zu regeln. In this case, the electrolyzer stack can also have a pressure control valve in an advantageous manner Hydrogen discharge line is integrated or installed and is adapted to control and / or regulate the outlet pressure of the hydrogen produced.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Elektrolysesystem zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, aufweisend: zumindest einen wie oben beschriebenen erfindungsgemäßen Elektrolyseurstack, eine Gleichrichtereinheit aufweisen einen Transformator und einen Gleichrichter, eine Temperiervorrichtung aufweisend eine Kreislaufpumpe, einen Kühler und eine Heizung, und eine Gasmanagementvorrichtung aufweisend einen Druckregler für Wasserstoff und Sauerstoff, eine Gas-Separationsvorrichtung und einen Gaskühler. Furthermore, the present invention relates to an electrolysis system for generating hydrogen and oxygen from water, comprising: at least one electrolyzer stack according to the invention as described above, a rectifier unit comprising a transformer and a rectifier, a temperature control device comprising a circulation pump, a cooler and a heater, and a Gas management device comprising a pressure regulator for hydrogen and oxygen, a gas separation device and a gas cooler.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Temperierung eines Elektrolyseurstacks, insbesondere des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Elektrolyseurstacks, aufweisen: Erfassen mindestens einer Temperatur eines zu temperierenden Temperierabschnitts und/oder einer zu temperierenden Temperierplatte einer der mindestens zwei Elektrolysezellen und/oder eines zur Temperierung verwendeten Temperiertluids, insbesondere nach Austritt aus der Elektrolysezelle, und Steuern und/oder Regeln einer Temperiervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die mindestens zwei Elektrolysezellen durch Heizen oder Kühlen des Temperierabschnitts und/oder der Temperierplatte zu temperieren, basierend auf der erfassten mindestens einen Temperatur . Furthermore, the present invention relates to a method for temperature control of an electrolyzer stack, in particular the electrolyzer stack according to the invention described above, comprising: detecting at least one temperature of a temperature control section and/or a temperature control plate of one of the at least two electrolysis cells and/or a temperature control fluid used for temperature control, in particular after exiting the electrolytic cell, and controlling and/or regulating a temperature control device which is set up to control the temperature of the at least two electrolytic cells by heating or cooling the temperature control section and/or the temperature control plate, based on the detected at least one temperature.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren aufweisen: Erfassen weiterer Steuer- und/oder Regelparameter ausgewählt aus der Gruppe aufweisend: eine Vielzahl von Temperaturen gemessen in unterschiedlichen Temperierabschnitten und/oder Temperierplatten des Elektrolyseurstacks, Ausgangsdruck des erzeugten Wasserstoffs, Ausgangsdruck des erzeugten Sauerstoffs, Eingangsdruck des eingeleiteten Wassers,According to a further embodiment of the present invention, the method can include: detecting further control and/or regulation parameters selected from the group comprising: a large number of temperatures measured in different tempering sections and/or tempering plates of the electrolyzer stack, outlet pressure of the hydrogen produced, outlet pressure of the produced hydrogen oxygen, inlet pressure of the introduced water,
Feuchtigkeit oder Feuchte, insbesondere relative Feuchte, des erzeugten Wasserstoffs und Eingangsleistung (in den Elektrolyseurstack eingeleitete Strommenge), und Steuern der Temperierung des Elektrolyseurstacks, insbesondere des Heizens oder Kühlens des zu temperierendenMoisture or humidity, in particular relative humidity, of the hydrogen produced and input power (introduced into the electrolyzer amount of electricity), and controlling the temperature of the electrolyzer stack, in particular the heating or cooling of the to be tempered
Temperierabschnitts und/oder der zu temperierendenTempering section and / or to be tempered
Temperierplatte basierend auf zumindest einer der erfassten weiteren Steuer- und/oder Regelparameter und/oder Steuer- und/oder Regelgröße. Tempering plate based on at least one of the other detected control and / or regulation parameters and / or control and / or controlled variable.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass das Verfahren ferner aufweist: wenn erfasst wird, dass die in den Elektrolyseurstack eingeleitete Energie, insbesondere Strommenge, sinkt, geprüft wird, ob die Temperatur des Elektrolyseurstacks innerhalb einer vorbestimmten Zeit abnimmt (ausgelöst durch Reduktion der Reaktionsabwärme), insbesondere unter einen voreingestellten Grenzwert sinkt, und/oder geprüft wird, ob die relative Feuchte des erzeugten Wasserstoff innerhalb einer vorbestimmten Zeit steigt (ausgelöst durch Reduktion der Reaktionsabwärme), und falls einer der beiden Grenzwerte überschritten wird, eine der Steuer- und/oder Regelparameter, insbesondere die Temperatur des zu temperierenden Temperierabschnitts und/oder der zu temperierendenFurthermore, it is advantageous that the method also has: if it is detected that the energy introduced into the electrolyzer stack, in particular the amount of electricity, is decreasing, it is checked whether the temperature of the electrolyzer stack is decreasing within a predetermined time (triggered by reduction of the reaction waste heat), in particular falls below a preset limit value, and/or it is checked whether the relative humidity of the hydrogen produced increases within a predetermined time (triggered by reduction of the reaction waste heat), and if one of the two limit values is exceeded, one of the control and/or regulation parameters , in particular the temperature of the tempering section to be tempered and/or the to be tempered
Temperierplatte, angepasst wird. Tempering plate, is adjusted.
Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures
Weitere Merkmale und Vorteile einer Vorrichtung, einer Verwendung und/oder eines Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Von diesen Figuren zeigt: Further features and advantages of a device, a use and/or a method result from the following description of embodiments with reference to the attached figures. From these figures shows:
Fig. 1 schematisch den Aufbau einer bekannten PEM- Elektrolysezelle gemäß dem Stand der Technik, Fig. 2 schematische räumliche Darstellung eines PEM-Stacks gemäß dem Stand der Technik, Fig. 3 schematische räumliche Darstellung eines PEM- Elektrolysesystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 1 schematically shows the structure of a known PEM electrolysis cell according to the prior art, FIG. 2 schematic spatial representation of a PEM stack according to the prior art, FIG. 3 schematic spatial representation of a PEM electrolysis system according to an embodiment of the present invention,
Fig. 4 schematisch den Aufbau des in Fig. 3 dargestellten erfindungsgemäßen PEM-Elektrolysesystems, Fig. 5 schematisch ein verfahrenstechnisches Hydraulik diagramm eines PEM-Elektrolyseurs gemäß einer ersten Ausführungsform, 4 shows schematically the structure of the PEM electrolysis system according to the invention shown in FIG. 3, FIG.
Fig. 6 schematisch ein Diagramm der relativen Feuchte im erzeugten Wasserstoff in Abhängigkeit von der Temperatur und vom Druck, 6 shows a schematic diagram of the relative humidity in the hydrogen produced as a function of temperature and pressure,
Fig. 7 schematisch den Aufbau einer PEM-Elektrolysezelle mit Temperierung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 7 schematically shows the structure of a PEM electrolytic cell with temperature control according to a first embodiment of the present invention,
Fig. 8 schematisch den Aufbau einer PEM-Elektrolysezelle mit Temperierung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 8 schematically shows the structure of a PEM electrolytic cell with temperature control according to a second embodiment of the present invention, and
Fig. 9 zeigt schematisch drei unterschiedlicheFig. 9 schematically shows three different ones
Ausführungsformen zur Ausgestaltung desEmbodiments for the design of
Strömungskanals innerhalb einer Temperierplatte. Beschreibung von Ausführungsformen Flow channel within a tempering plate. Description of Embodiments
Gleiche Bezugszeichen, die in verschiedenen Figuren aufgeführt sind, benennen identische, einander entsprechende, oder funktionell ähnliche Elemente. The same reference symbols that are listed in different figures designate identical, corresponding, or functionally similar elements.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer bekannten PEM- Elektrolysezelle 200. Zentrales Element der PEM- Elektrolysezelle 200 ist die polymere Membran 201. Die Protonleitfähigkeit wird im Allgemeinen durch sulfonierte Seitengruppen eines tetraf luorethylen-basierten Poymers (PTFE), auch als Inomer bekannt, erreicht. Der Ionentransport erfolgt über den Grotthusmechanismus entlang von wassergefüllten Kanälen 202. Die verwendete Membran weist in der Regel eine Dicke zwischen 150 und 250 pm auf. Figure 1 shows schematically the structure of a known PEM electrolytic cell 200. The central element of the PEM electrolytic cell 200 is the polymeric membrane 201. The proton conductivity is generally achieved by sulfonated side groups of a tetrafluoroethylene-based polymer (PTFE), also known as an inomer . The ions are transported via the Grotthus mechanism along water-filled channels 202. The membrane used is generally between 150 and 250 μm thick.
Die Elektrolyse erfolgt an den Oberflächen der verwendeten Katalysatoren in der Anode 203 und Kathode 204. Die an der Reaktion beteiligten Protonen und Elektronen müssen somit durch die Elektrodenschicht transportiert werden. Als Katalysatormaterial wird bisher Platin verwendet, wobei zur Reduktion der Platinbeladung das Platin auf Kohlenstoffpartikel aufgebracht wird. Eine elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten erfolgt durch Stromkollektoren 205. Aufgrund des wesentlich höheren Potentials der Sauerstoffentwicklungsreaktion mit > 1,4 V im Vergleich zu dem geringfügig negativen Potential der Wasserstoffentwicklungsreaktion, müssen für die anodenseitigen Stromkollektoren edle Metalle, wie beispielsweise Titan, verwendet werden. Aufgrund der geringen Potentiale der Wasserstoffentwicklungsreaktion können auf der Kathodenseite kohlenstoffbasierte Materialien verwendet werden. Über die Stromkollektoren 205 erfolgt ferner die Versorgung mit Wasser und der Abtransport der Produktgase. Die Stromkollektoren 205 werden daher in der Regel aus porösen Materialien hergestellt. Für die titanbasierten Stromkollektoren 205AN der Anodenseite werden üblicherweise Sintermaterialien oder Streckmetalle verwendet. Die Stromkollektoren 205KA der Kathodenseite werden als Kohlefaservliese ausgeführt. Electrolysis takes place on the surfaces of the catalysts used in the anode 203 and cathode 204. The protons and electrons involved in the reaction must therefore be transported through the electrode layer. Platinum has hitherto been used as the catalyst material, with the platinum being applied to carbon particles in order to reduce the platinum loading. The electrode layers are electrically contacted by current collectors 205. Due to the significantly higher potential of the oxygen evolution reaction of >1.4 V compared to the slightly negative potential of the hydrogen evolution reaction, noble metals such as titanium must be used for the anode-side current collectors. Due to the low potentials of the hydrogen evolution reaction, carbon-based materials can be used on the cathode side. Furthermore, the supply of water and the removal of the product gases takes place via the current collectors 205 . The current collectors 205 are therefore typically made of porous materials. For the anode side titanium-based current collectors 205AN are commonly used Sintered materials or expanded metals used. The current collectors 205KA on the cathode side are designed as carbon fiber fleece.
Nach dem Austritt aus den Stromkollektoren 205 werden die erzeugten Produktgase (Wasserstoff und Sauerstoff) in Kanalstrukturen 202 eingeleitet und aus der Elektrolysezelle 200 ausgeleitet. Für eine Stackbauweise werden in bekannter Weise Bipolarplatten verwendet, welche die Rückseite der Kanalstruktur für die Nachbarzelle nutzen. Auch an die Bauteile mit der eingebrachten Kanalstruktur, mit anderen Worten an die Bipolarplatten, bestehen hohe Anforderungen an die Stabilität und elektrische Leitfähigkeit, diese Eigenschaften können durch Edelmetalle wie beispielsweise Titan oder Gold bereitgestellt werden. Zur Reduktion des Materialeinsatzes werden üblicherweise Trägermaterialien mit Beschichtungen aus den genannten Edelmetallen verwendet. After exiting the current collectors 205 , the product gases generated (hydrogen and oxygen) are introduced into channel structures 202 and discharged from the electrolytic cell 200 . For a stack construction, bipolar plates are used in a known manner, which use the rear side of the channel structure for the neighboring cell. The components with the introduced channel structure, in other words the bipolar plates, are also subject to high requirements in terms of stability and electrical conductivity; these properties can be provided by precious metals such as titanium or gold. In order to reduce the amount of material used, carrier materials with coatings made of the noble metals mentioned are usually used.
Figur 2 zeigt eine schematische räumliche Darstellung eines PEM-Stacks gemäß dem Stand der Technik. Wie der Figur 2 entnommen werden kann, weist ein Elektrolyseurstack 320 zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser eine Vielzahl von Elektrolysezellen auf, die in Längsrichtung des Elektrolyseurstacks 320 hintereinander angeordnet sind. Der Elektrolyseurstack 320 weist ferner zwei Endplatten 321 auf, die an beiden Enden der aneinander oder aufeinander gestapelten Elektrolysezellen angeordnet sind und dazu dienen, die zumindest zwei Elektrolysezellen mit Wasser zu versorgen und den erzeugten Wasserstoff und Sauerstoff abzuführen sowie die notwendige Energie, insbesondere notwendigen Strom, in den Stack einleiten zu können. FIG. 2 shows a schematic three-dimensional representation of a PEM stack according to the prior art. As can be seen from FIG. 2, an electrolyzer stack 320 for generating hydrogen and oxygen from water has a multiplicity of electrolytic cells which are arranged one behind the other in the longitudinal direction of the electrolyzer stack 320 . The electrolyzer stack 320 also has two end plates 321, which are arranged at both ends of the electrolytic cells stacked on top of one another and serve to supply the at least two electrolytic cells with water and to discharge the hydrogen and oxygen produced as well as the necessary energy, in particular the necessary electricity. to be able to inject into the stack.
Figur 3 zeigt eine schematische räumliche Darstellung eines PEM-Elektrolysesystems 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System weist eine Gleichrichtereinheit 310 aufweisend einen Transformator 311 und einen Gleichrichter 312, einen Elektrolyseurstack 320 sowie eine Temperiervorrichtung 330 aufweisend eine Kreislaufpumpe 331, einen Kühler 332 und eine Heizung 333. Ferner weist das dargestellte PEM-Elektrolysesystem 300 Produktgasleitungen 333 auf, welche die Produktgase (Wasserstoff und Sauerstoff) zu einer Gasmanagementvorrichtung 340 aufweisend einen Druckregler 341 für Wasserstoff und Sauerstoff, eine Gas- Separationsvorrichtung 342 und einen Gaskühler 343 leitet. Des Weiteren weist das System eine Speisewasser- Zufuhreinrichtung 350 auf, welche den Elektrolyseurstack 320 mit gereinigtem Wasser versorgt. Abschließend weist das System 300 eine Steuereinrichtung 360, eine Gas- Tiefkühlvorrichtung 365 sowie eine Trockenkühler- /Medien- Anbindung 370 auf. FIG. 3 shows a schematic spatial representation of a PEM electrolysis system 300 according to an embodiment of the present invention. The system has a rectifier unit 310 having a transformer 311 and a rectifier 312, an electrolyzer stack 320 and a temperature control device 330 having a circulating pump 331, a cooler 332 and a heater 333. The PEM electrolysis system 300 shown also has product gas lines 333 which carry the product gases (hydrogen and oxygen) to a gas management device 340 having a pressure regulator 341 for hydrogen and oxygen, a gas separator 342 and a gas cooler 343 directs. Furthermore, the system has a feed water supply device 350 which supplies the electrolyzer stack 320 with purified water. Finally, the system 300 has a control device 360, a gas freezer 365 and a dry cooler/media connection 370.
Des Weiteren zeigt Figur 4 schematisch den Aufbau des in Figur 3 dargestellten erfindungsgemäßen PEM- Elektrolysesystems 300. Die Herstellung von Wasserstoff in PEM-Elektrolysesystemen 300, insbesondere in Elektrolysesystemen die elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen nutzen, umfasst verschiedene Prozessschritte. Die Prozessschritte und die zugehörigen Systemkomponenten sind in Figur 4 schematisch dargestellt. Wie oben bereits angeführt, ist der Elektrolyseur 320 bzw. der Elektrolyseurstack die zentrale Systemkomponente zur Produktion von Wasserstoff. Die vom elektrischen Netz oder der erneuerbaren Energiequelle (Windanlage, Photovoltaikanlage und dergleichen) eingespeiste Energie wird mit einer Leistungselektronik (Gleichrichtereinheit 310) auf die Anforderungen des Elektrolyseurs 320 angepasst. Die Produktgase verlassen den Elektrolyseur mit einem Wasserdampfanteil, welcher wie oben bereits erwähnt maßgeblich durch den Sättigungsdampfdruck des Wassers bei den jeweiligen Betriebsparametern (Arbeitsdruck und Arbeitstemperatur des Elektrolyseurstacks) bestimmt wird. Durch eine Gastrocknung in der Gasmanagementvorrichtung 340 wird der Wasseranteil für die weiteren Prozessschritte reduziert. Abschließend kann der erzeugte Wasserstoff mittels einer Verdichtungsvorrichtung 380 zur Speicherung mechanisch komprimiert werden, um diesen platzsparend in nachgeschalteten Hochdruckspeichern 385 speichern zu können. Furthermore, FIG. 4 schematically shows the structure of the PEM electrolysis system 300 according to the invention shown in FIG. The process steps and the associated system components are shown schematically in FIG. As already mentioned above, the electrolyzer 320 or the electrolyzer stack is the central system component for the production of hydrogen. The energy fed in from the electrical grid or the renewable energy source (wind turbine, photovoltaic system and the like) is adapted to the requirements of the electrolyzer 320 using power electronics (rectifier unit 310). The product gases leave the electrolyser with a water vapor content which, as already mentioned above, is largely determined by the saturation vapor pressure of the water at the respective operating parameters (working pressure and working temperature of the electrolyser stack). Gas drying in the gas management device 340 reduces the water content for the further process steps reduced. Finally, the hydrogen produced can be mechanically compressed by means of a compression device 380 for storage in order to be able to store it in a space-saving manner in downstream high-pressure accumulators 385.
Des Weiteren zeigt Figur 5 schematisch ein verfahrens technisches Hydraulikdiagramm eines PEM-Eletrolyseurs gemäß einer ersten Ausführungsform. Die wesentliche Komponente des Elektrolyseurs ist der Stack 320, in diesem werden Einzelzellen (Elektrolysezelle 200) durch eine Stapeltechnik (im Englischen: „stack") zu einer Einheit zusammengefasst. Die Reihenschaltung von Einzelzellen erhöht die aktive Zellfläche des Gesamtsystems du damit die maximale Leistungsaufnahme bzw. Erzeugungsleistung von Wasserstoff (kg/h). Durch die Stapeltechnik können die Kanalstrukturen 202 benachbarter Elektrolysezellen 200 in einem Bauteil zusammengefasst werden. Der genannte Aufbau mit Bipolarplatten reduziert die Anzahl an notwendigen Bauteilen und damit die Zellbreite. Eine entscheidende Größe bei der Auslegung der sogenannten Bipolarplatten ist der bei der Durchströmung der Kanalstruktur 202 entstehende Druckverlust, welcher zu einer erhöhten Pumpleistung führt. Furthermore, FIG. 5 schematically shows a procedural hydraulic diagram of a PEM electrolyser according to a first embodiment. The main component of the electrolyser is the Stack 320, in which individual cells (electrolytic cell 200) are combined into one unit using a stacking technique. The series connection of individual cells increases the active cell area of the overall system and thus the maximum power consumption or . Generation capacity of hydrogen (kg/h). Through the stacking technique, the channel structures 202 of adjacent electrolytic cells 200 can be combined in one component. The mentioned structure with bipolar plates reduces the number of necessary components and thus the cell width. A decisive factor in the design of the so-called Bipolar plates is the pressure loss that occurs as the flow passes through the channel structure 202, which leads to an increased pump output.
Das Elektrolyseursystem 300 weist ferner wie oben bereits angeführt zumindest eine Temperiervorrichtung 330 auf, welche einerseits dazu dient, die einzelne Elektrolysezelle 200 bzw. den Elektrolyseurstack 320 mit Reaktionswasser, das insbesondere von der Speisewasser-Zuführeinrichtung 350 bereitgestellt wird, zu versorgen und andererseits die einzelne Elektrolysezelle 200 bzw. den Elektrolyseurstack 320 auf die gewünschte Arbeitstemperatur zu bringen bzw. auf dieser zu halten. Hierzu kann wie in Figur 5 gezeigt ist, dass PEM-Elektrolysesystem mit zwei Temperiervorrichtungen 330 ausgestattet sein, wobei eine zum Temperieren der Anode und die andere Temperiervorrichtung 330 zur Temperierung der Kathode dient. Die beiden gezeigten Temperiervorrichtungen 330 weisen jeweils eine Kreislaufpumpe 331, ein Heizung 333 und einen Kühler 332 auf. Die Heizung 333 und der Kühler 332 können auch durch einen Wärmetauscher realisiert werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, den Kühler 332 durch einen Wärmetauscher mit Radiator und die Heizung 333 als eine elektrische Heizung auszuführen. As already mentioned above, the electrolyzer system 300 also has at least one temperature control device 330, which serves on the one hand to supply the individual electrolytic cell 200 or the electrolyzer stack 320 with reaction water, which is provided in particular by the feed water supply device 350, and on the other hand to supply the individual electrolytic cell 200 or to bring the electrolyzer stack 320 to the desired working temperature or to keep it there. For this purpose, as shown in FIG. 5, the PEM electrolysis system can be equipped with two temperature control devices 330, one for temperature control of the anode and the other temperature control device 330 for temperature control of the cathode. The two temperature control devices 330 shown each have a circulation pump 331, a heater 333 and a cooler 332 . The heater 333 and the cooler 332 can also be realized by a heat exchanger. Alternatively, there is also the possibility of designing the cooler 332 as a heat exchanger with a radiator and the heater 333 as an electric heater.
Figur 6 zeigt schematisch ein Diagramm der relativen Feuchte im erzeugten Wasserstoff in Abhängigkeit von der Temperatur und vom Druck. Wie oben bereits kurz erwähnt, verlassen die Produktgase den Elektrolyseur vollständig mit Wasserdampf gesättigt. Die Wasserdampfmenge ergibt sich aus dem Sättigungsdampfdruck von Wasser in Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff. Dieser ist abhängig von den Zustandsgrößen Druck und Temperatur des Produktgases. In Figur 6 ist die relative Feuchte von Wasserstoff in Abhängigkeit des Drucks für verschiedene Temperaturen dargestellt. Die abgebildeten Isothermen machen die starke Temperatur- und Druckabhängigkeit des Wasserdampfanteils deutlich . FIG. 6 schematically shows a diagram of the relative humidity in the hydrogen produced as a function of the temperature and the pressure. As briefly mentioned above, the product gases leave the electrolyser fully saturated with water vapour. The amount of water vapor results from the saturation vapor pressure of water in hydrogen or oxygen. This depends on the state variables pressure and temperature of the product gas. FIG. 6 shows the relative humidity of hydrogen as a function of the pressure for different temperatures. The isotherms shown clearly show the strong temperature and pressure dependency of the water vapor content.
Figur 7 zeigt schematisch den Aufbau einer PEM- Elektrolysezelle mit Temperierung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie der Figur 7 entnommen werden kann, weist eine PEM-Elektrolysezelle gemäß der dargestellten Ausführungsform zwei Elektroden, eine Anode 103 und eine Kathode 104, eine zwischen den beiden Elektroden 103, 104 angeordnete Protonen leitende Membran 101 als Elektrolyt, zwei Bipolarplatten 106AN, 106KA, die zur elektrischen Kontaktierung der Elektrolysezelle 100 eingerichtet sind, und eine Medienversorgung 102 für Wasser, auf. Wie der Figur 7 ferner entnommen werden kann, weist die gezeigte Elektrolysezelle 100 ferner eine Temperiervorrichtung 110, 330 auf, die dazu eingerichtet ist, die Elektrolysezelle 100 zu temperieren, insbesondere entsprechend den Anforderungen zu kühlen oder zu heizen, wobei, die Temperierung anhand eines neben der Anode 103 angeordneten Temperierabschnitts 111 erfolgt, welcher in dieser Ausführungsform in den anodenseitigen Stromkollektor 105 AN integriert ist. In der dargestellten Ausführungsform ist die Elektrolysezelle 100 ferner mit einer Temperierplatte 112 versehen, welche an der rechten Seite der Elektrolysezelle an der Außenseite der anodenseitigen Bipolarplatte 106AN angeordnet ist. In der Regel wird es jedoch ausreichend sein, pro Elektrolysezelle lediglich nur einen Temperierabschnitt 111 oder eine Temperierplatte 112 vorzusehen . FIG. 7 schematically shows the structure of a PEM electrolytic cell with temperature control according to a first embodiment of the present invention. As can be seen from FIG. 7, a PEM electrolytic cell according to the illustrated embodiment has two electrodes, an anode 103 and a cathode 104, a proton-conducting membrane 101 arranged between the two electrodes 103, 104 as the electrolyte, two bipolar plates 106AN, 106KA, which are set up for electrical contacting of the electrolytic cell 100, and a media supply 102 for water. As can also be seen from FIG. 7, the electrolytic cell 100 shown also has a temperature control device 110, 330, which is designed to control the temperature of the electrolytic cell 100, in particular to cool or heat it according to the requirements, the temperature control being based on an adjacent temperature control section 111 arranged on the anode 103, which in of this embodiment is integrated into the anode-side current collector 105 AN. In the illustrated embodiment, the electrolytic cell 100 is further provided with a temperature control plate 112, which is arranged on the right side of the electrolytic cell on the outside of the anode-side bipolar plate 106AN. As a rule, however, it will be sufficient to provide only one tempering section 111 or one tempering plate 112 per electrolytic cell.
Figur 8 zeigt schematisch den Aufbau einer PEM- Elektrolysezelle mit Temperierung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der hier dargestellten Ausführungsform wird auf die Temperierung des Temperierabschnitts 111 und/oder der Temperierplatte 112 mittels eines Temperiertluids, wie beispielsweise Wasser, verzichtet, und hingegen lediglich in dem Temperierabschnitt 111 und/oder der Temperierplatte 112, die in diesem Fall auf der linken Seite der Elektrolysezelle 100 an der Außenseite der kathodenseitigen Bipolarplatte 106KA angeordnet ist, ein Heizelement 117, insbesondere ein Heizwiderstand, vorgesehen. FIG. 8 schematically shows the structure of a PEM electrolytic cell with temperature control according to a second embodiment of the present invention. In the embodiment shown here, temperature control of the temperature control section 111 and/or the temperature control plate 112 by means of a temperature control fluid, such as water, is dispensed with, and only in the temperature control section 111 and/or the temperature control plate 112, which in this case is on the left-hand side of the electrolytic cell 100 is arranged on the outside of the cathode-side bipolar plate 106KA, a heating element 117, in particular a heating resistor, is provided.
Figur 9 zeigt schematisch drei unterschiedliche Ausführungsformen zur Ausgestaltung des Strömungskanals innerhalb einer Temperierplatte. Wie der Figur 9 entnommen werden kann, ist es denkbar, den Strömungskanal in der Temperierplatte 112 mäanderf örmig, bifilar bzw. schneckenförmig oder modular verlaufend vorzusehen. Gleiches gilt wenn der Strömungskanal in dem Temperierabschnitt 111 vorgesehen wird. Bezugszeichenliste FIG. 9 schematically shows three different embodiments for designing the flow channel within a tempering plate. As can be seen from FIG. 9, it is conceivable to provide the flow channel in the tempering plate 112 in a meandering, bifilar or helical or modular manner. The same applies if the flow channel is provided in the temperature control section 111 . Reference List
100 Elektrolysezelle 100 electrolytic cell
101 Protonen leitende Membran 101 proton conducting membrane
102 Kanalstruktur (en) 102 channel structure(s)
103 Anode 103 anode
104 Kathode 104 cathode
105 Stromkollektor (en) 105 current collector(s)
105AN Stromkollektor der Anodenseite 105KA Stromkollektor der Kathodenseite 105AN Anode side current collector. 105KA Cathode side current collector
106 Bipolarplatte (n) 106 bipolar plate(s)
106A Anodenseitige Bipolarplatte 106K Kathodenseitige Bipolarplatte 106A Anode side bipolar plate. 106K Cathode side bipolar plate
110 Temperiervorrichtung 110 temperature control device
111 Temperierabschnitt 111 tempering section
112 Temperierplatte 112 tempering plate
113 erste Kanalstruktur (anodenseitige Bipolarplatte)113 first channel structure (anode side bipolar plate)
114 zweite Kanalstruktur (anodenseitige Bipolarplatte)114 second channel structure (anode side bipolar plate)
115 erste Kanalstruktur (kathodenseitige Bipolarplatte)115 first channel structure (cathode side bipolar plate)
116 zweite Kanalstruktur (kathodenseitige Bipolarplatte)116 second channel structure (cathode side bipolar plate)
117 Heizelement 117 heating element
200 Elektrolysezelle (Stand der Technik) 200 electrolytic cell (state of the art)
201 Polymere Membran 201 polymeric membrane
202 Kanalstruktur (en) (Medienversorgung) 202 channel structure(s) (media supply)
203 Anode 203 anode
204 Kathode 204 cathode
205 Stromkollektor (en) 205 current collector(s)
205AN Stromkollektor der Anodenseite 205KA Stromkollektor der Kathodenseite 205AN Anode side current collector. 205KA Cathode side current collector
206 Bipolarplatte (n) 206 bipolar plate(s)
300 PEM-Elektrolysesystem 300 PEM electrolysis system
310 Gleichrichtereinheit 310 rectifier unit
311 Transformator 311 transformer
312 Gleichrichter 312 rectifier
320 Elektrolyseurstack 321 Endplatte(n) 320 electrolyser stack 321 end plate(s)
322 Temperatursensor 322 temperature sensor
323 Feuchtigkeitssensor 323 humidity sensor
324 Temperiertluidabführleitung 324 Temperature control fluid discharge line
325 Wasserstoffabführleitung 325 hydrogen exhaust line
326 Druckregelventil 326 pressure control valve
330 Temperiervorrichtung 330 temperature control device
331 Kreislaufpumpe 331 circulation pump
332 Kühler 332 cooler
333 Heizung 333 heating
334 Produktgasleitungen 334 product gas lines
340 Gasmanagement orrichtung 340 gas management device
341 Druckregler 341 pressure regulator
342 Gas-SeparationsVorrichtung 342 gas separation device
343 Gaskühler 343 gas cooler
350 Speisewasser-Zufuhreinrichtung 350 feed water supply device
360 Steuereinrichtung 360 controller
365 Gas-TiefkühlVorrichtung 365 gas freezer
370 Trockenkühler- / Medien-Anbindung 370 dry cooler / media connection
380 VerdichtungsVorrichtung (Gaskompressor)380 compression device (gas compressor)
385 Hochdruckspeicher 385 high pressure accumulator

Claims

ANSPRÜCHE EXPECTATIONS
1. Elektrolysezelle (100), insbesondere Polymermembran-1. Electrolytic cell (100), in particular polymer membrane
Elektrolysezelle oder Alkalische festeElectrolytic Cell or Alkaline Solid
Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezelle, die zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser eingerichtet ist, umfassend : zwei Elektroden, eine Anode (103) und eine Kathode (104), eine zwischen den beiden Elektroden (103, 104) angeordnete Protonen leitende Membran (101) als Elektrolyt, zwei Bipolarplatten (106AN, 106KA), die zur elektrischenPolymer electrolyte membrane electrolytic cell set up to generate hydrogen and oxygen from water, comprising: two electrodes, an anode (103) and a cathode (104), a proton-conducting membrane (101) arranged between the two electrodes (103, 104) as an electrolyte, two bipolar plates (106AN, 106KA) used for electrical
Kontaktierung der Elektrolysezelle (100) eingerichtet sind, und eine Medienversorgung (102) für Wasser, wobei die Elektrolysezelle (100) ferner dazu eingerichtet ist mittels einer Temperiervorrichtung (110, 330) temperiert zu werden, und die Temperierung anhand eines/einer neben der Anode (103) und/oder der Kathode (104), bevorzugt neben der Anode (103), angeordneten Temperierabschnitts (111) und/oderContacting the electrolytic cell (100) are set up, and a media supply (102) for water, wherein the electrolytic cell (100) is also set up to be temperature controlled by means of a temperature control device (110, 330), and the temperature control using a / one next to the anode (103) and/or the cathode (104), preferably next to the anode (103), arranged tempering section (111) and/or
Temperierplatte (112) erfolgt. Tempering plate (112) takes place.
2. Elektrolysezelle (100) nach Anspruch 1, bei welcher der Temperierabschnitt (111) und/oder die Temperierplatte (112) mit mindestens einem Strömungskanal versehen ist, der dazu eingerichtet ist, von einem Temperierfluid, insbesondere Wasser, durchströmt zu werden, wobei der mindestens eine Strömungskanal bevorzugt zumindest teilweise quer zu einer Axialerstreckung der Elektrolysezelle (100) verläuft, insbesondere durch den Temperierabschnitt (111) und/oder die Temperierplatte (112). 2. The electrolytic cell (100) according to claim 1, in which the temperature control section (111) and/or the temperature control plate (112) is/are provided with at least one flow channel through which a temperature control fluid, in particular water, flows at least one flow channel preferably runs at least partially transversely to an axial extent of the electrolytic cell (100), in particular through the temperature control section (111) and/or the temperature control plate (112).
3. Elektrolysezelle (100) nach Anspruch 2, bei welcher der Strömungskanal in dem Temperierabschnitt (111) und/oder der Temperierplatte (112) mäanderf örmig, bifilar bzw. schneckenförmig oder modular verläuft. 3. Electrolytic cell (100) according to claim 2, in which the flow channel in the tempering section (111) and/or the tempering plate (112) runs in a meandering, bifilar or helical or modular manner.
4. Elektrolysezelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Temperierabschnitt (111) und/oder die Temperierplatte (112) zwischen der Anode (103) und der anodenseitigen Bipolarplatte (106AN) angeordnet ist/sind, und/oder zwischen der Kathode (104) und der kathodenseitigen Bipolarplatte (106KN) angeordnet ist/sind, und/oder an einer Außenseite der anodenseitigen Bipolarplatte (106AN) und/oder an einer Außenseite der kathodenseitigen Bipolarplatte (106KA) angeordnet ist/sind. 4. Electrolytic cell (100) according to one of the preceding claims, in which the tempering section (111) and/or the tempering plate (112) is/are arranged between the anode (103) and the anode-side bipolar plate (106AN), and/or between the Cathode (104) and the cathode-side bipolar plate (106KN) is/are arranged, and/or is/are arranged on an outside of the anode-side bipolar plate (106AN) and/or on an outside of the cathode-side bipolar plate (106KA).
5. Elektrolysezelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend zumindest einen anodenseitigen Stromkollektor (105AN) (Stromkollektorplatte) der zwischen der Anode (103) und der anodenseitigen Bipolarplatte (106AN) angeordnet ist, wobei der Temperierabschnitt (111) bevorzugt ein Teil des anodenseitigen Stromkollektors (105AN) ist. 5. Electrolytic cell (100) according to one of the preceding claims, further comprising at least one anode-side current collector (105AN) (current collector plate) which is arranged between the anode (103) and the anode-side bipolar plate (106AN), the temperature control section (111) preferably being a part of the anode side current collector (105AN).
6. Elektrolysezelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei der Temperierabschnitt (111) ein Teil der anodenseitigen Bipolarplatte (106AN) und/oder der kathodenseitigen Bipolarplatte (106KA) ist. 6. Electrolytic cell (100) according to one of the preceding claims 1 to 4, wherein the tempering section (111) is part of the anode-side bipolar plate (106AN) and/or the cathode-side bipolar plate (106KA).
7. Elektrolysezelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die anodenseitige Bipolarplatte (106AN) zumindest eine erste Kanalstruktur (113) aufweist, die Teil der Medienversorgung (102) ist und zum Sammeln und Abführen des abgespaltenen Sauerstoffs dient. 7. Electrolytic cell (100) according to one of the preceding claims, in which the anode-side bipolar plate (106AN) has at least one first channel structure (113) which is part of the media supply (102) and is used to collect and remove the separated oxygen.
8. Elektrolysezelle (100) nach Anspruch 7, bei der die anodenseitige Bipolarplatte (106AN) eine zweite Kanalstruktur (114) aufweist, die Teil der Medienversorgung (102) ist und zur Versorgung der Protonen leitenden Membran (101) mit Wasser dient. 8. Electrolytic cell (100) according to claim 7, in which the anode-side bipolar plate (106AN) has a second channel structure (114) which is part of the media supply (102) and is used to supply the proton-conducting membrane (101) with water.
9. Elektrolysezelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die kathodenseitige Bipolarplatte (106KA) zumindest eine erste Kanalstruktur (115) aufweist, die Teil der Medienversorgung (102) ist und zum Sammeln und Abführen des gewonnen Wasserstoffs dient, wobei die kathodenseitige Bipolarplatten (106KA) insbesondere mit einer zweiten Kanalstruktur (116) versehen ist, die Teil der Medienversorgung (102) ist und zur Versorgung der Proton leitenden Membran (101) mit Wasser dient. 9. Electrolytic cell (100) according to one of the preceding claims, in which the cathode-side bipolar plate (106KA) has at least one first channel structure (115) which is part of the media supply (102) and is used to collect and discharge the hydrogen obtained, the cathode-side bipolar plates (106KA) being provided in particular with a second channel structure (116) which is part of the media supply ( 102) and serves to supply the proton-conducting membrane (101) with water.
10. Elektrolysezelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Heizelement (117), insbesondere elektrisches Heizelement, das in dem Temperierabschnitt (111) und/oder der Temperierplatte (112) angeordnet ist. 10. Electrolytic cell (100) according to any one of the preceding claims, further comprising a heating element (117), in particular an electrical heating element, which is arranged in the tempering section (111) and/or the tempering plate (112).
11. Elektrolyseurstack (320) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, umfassend: zumindest zwei, bevorzugt eine Vielzahl von, Elektrolysezellen (100), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zwei Endplatten (321), die dazu eingerichtet sind, die zumindest zwei Elektrolysezellen (100) mit Wasser zu versorgen und den erzeugten Wasserstoff und Sauerstoff abzuführen sowie die notwendige Energie, insbesondere notwendigen Strom, einleiten zu können, und eine Temperiervorrichtung (110, 330), die dazu eingerichtet ist, die zumindest zwei Elektrolysezellen (100) zu temperieren, wobei die Temperierung anhand eines Temperierabschnitts (111) und/oder einer Temperierplatte (112) erfolgt, die: zwischen einer Anode (103) und einer anodenseitigen Bipolarplatte (106AN) zumindest einer der Elektrolysezellen (100) angeordnet ist/sind, und/oder zwischen einer Kathode (104) und einer kathodenseitigen Bipolarplatte (106KN) zumindest einer der Elektrolysezellen (100) angeordnet ist/sind, und/oder zwischen den zumindest zwei Elektrolysezellen (100), bevorzugt zwischen der anodenseitigen Bipolarplatte (106AN) der einen Elektrolysezelle (100) und der kathodenseitigen Bipolarplatte (106KA) der anderen Elektrolysezelle (100), angeordnet ist/sind. 11. Electrolyzer stack (320) for generating hydrogen and oxygen from water, comprising: at least two, preferably a large number of, electrolysis cells (100), in particular according to one of the preceding claims, two end plates (321) which are designed to have at least to supply two electrolysis cells (100) with water and to discharge the hydrogen and oxygen produced and to be able to introduce the necessary energy, in particular the necessary electricity, and a temperature control device (110, 330) which is set up to heat the at least two electrolysis cells (100) temperature control, wherein the temperature control takes place using a temperature control section (111) and/or a temperature control plate (112), which: is/are arranged between an anode (103) and an anode-side bipolar plate (106AN) of at least one of the electrolysis cells (100), and /or arranged between a cathode (104) and a cathode-side bipolar plate (106KN) of at least one of the electrolysis cells (100). is/are, and/or between the at least two electrolytic cells (100), preferably between the anode-side bipolar plate (106AN) the one electrolytic cell (100) and the cathode-side bipolar plate (106KA) of the other electrolytic cell (100) is/are arranged.
12. Elektrolyseurstack (320) nach Anspruch 11, bei dem die zumindest zwei Elektrolysezellen (100), insbesondere Polymermembran-Elektrolysezelle oder Alkalische feste Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezelle, die zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser eingerichtet sind, umfassen : zwei Elektroden, eine Anode (103) und eine Kathode (104), eine zwischen den beiden Elektroden (103, 104) angeordnete Protonen leitende Membran (101) als Elektrolyt, die beiden Bipolarplatten (106AN, 106KA), die zur elektrischen Kontaktierung der Elektrolysezelle (100) eingerichtet sind, und eine Medienversorgung (102) für Wasser. 12. Electrolyzer stack (320) according to claim 11, in which the at least two electrolytic cells (100), in particular polymer membrane electrolytic cell or alkaline solid polymer electrolyte membrane electrolytic cell, which are set up to generate hydrogen and oxygen from water, comprise: two electrodes, an anode (103) and a cathode (104), a proton-conducting membrane (101) arranged between the two electrodes (103, 104) as the electrolyte, the two bipolar plates (106AN, 106KA) which are set up for making electrical contact with the electrolytic cell (100). , and a media supply (102) for water.
13. Elektrolyseurstack (320) nach Anspruch 11 oder 12, ferner umfassend zumindest einen Temperatursensor (322), der bevorzugt in den Temperierabschnitt (111) und/oder die Temperierplatte (112) und/oder eine13. Electrolyzer stack (320) according to claim 11 or 12, further comprising at least one temperature sensor (322), which is preferably in the tempering section (111) and / or the tempering plate (112) and / or
Temperiertluidabführleitung (324) integriert oder installiert ist und dazu eingerichtet ist, die Temperatur desTemperature-controlled fluid discharge line (324) is integrated or installed and is set up to reduce the temperature of
Temperierabschnitts (111) oder der Temperierplatte (112) oder des Temperiertluids zu erfassen. To detect tempering section (111) or the tempering plate (112) or the tempering fluid.
14. Elektrolyseurstack (320) nach einem der vorhergehenden14. Electrolyzer stack (320) according to one of the preceding
Ansprüche 11 bis 13, ferner umfassend zumindest einen Feuchtigkeitssensor (323), der bevorzugt in eine Wasserstoffabführleitung (325) integriert oder installiert ist und dazu eingerichtet ist, eine Feuchte oderClaims 11 to 13, further comprising at least one humidity sensor (323), which is preferably integrated or installed in a hydrogen discharge line (325) and is adapted to a humidity or
Feuchtigkeit, insbesondere die relative Feuchte, des erzeugten Wasserstoffs zu erfassen. Humidity, in particular the relative humidity to detect the hydrogen produced.
15. Elektrolyseurstack (320) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, ferner umfassend ein Druckregelventil (326), das in die Wasserstoffabführleitung (325) integriert oder installiert ist und dazu eingerichtet ist, den Ausgangsdruck des erzeugten Wasserstoffs zu steuern und/oder zu regeln. 15. electrolyzer stack (320) according to any one of the preceding claims 12 to 14, further comprising a pressure control valve (326) integrated or installed in the hydrogen discharge line (325) and adapted to control and/or regulate the outlet pressure of the hydrogen produced.
16. Elektrolysesystem (300) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, umfassend: zumindest einen Elektrolyseurstack (320) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15, eine Gleichrichtereinheit (310) aufweisen einen Transformator (311) und einen Gleichrichter (312), eine Temperiervorrichtung (330) aufweisend eine Kreislaufpumpe (331), einen Kühler (332) und eine Heizung (333), und eine Gasmanagementvorrichtung (340) aufweisend einen Druckregler (341) für Wasserstoff und Sauerstoff, eine Gas- Separationsvorrichtung (342) und einen Gaskühler (343). 16. Electrolysis system (300) for generating hydrogen and oxygen from water, comprising: at least one electrolyzer stack (320) according to one of the preceding claims 12 to 15, a rectifier unit (310) having a transformer (311) and a rectifier (312), a temperature control device (330) having a circulation pump (331), a cooler (332) and a heater (333), and a gas management device (340) having a pressure regulator (341) for hydrogen and oxygen, a gas separation device (342) and a gas cooler (343).
17. Verfahren zur Temperierung eines Elektrolyseurstacks, insbesondere des Elektrolyseurstacks (320) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15, umfassend: 17. Method for temperature control of an electrolyzer stack, in particular the electrolyzer stack (320) according to one of the preceding claims 12 to 15, comprising:
Erfassen mindestens einer Temperatur eines zu temperierenden Temperierabschnitts (111) und/oder einer zu temperierenden Temperierplatte (112) einer der mindestens zwei Elektrolysezellen und/oder eines zur Temperierung verwendeten Temperiertluids, insbesondere nach Austritt aus der Elektrolysezelle, und detecting at least one temperature of a temperature control section (111) and/or a temperature control plate (112) of one of the at least two electrolytic cells and/or a temperature control fluid used for temperature control, in particular after exiting the electrolytic cell, and
Steuern und/oder Regeln einer Temperiervorrichtung (110, 330), die dazu eingerichtet ist, die mindestens zwei Elektrolysezellen (100) durch Heizen oder Kühlen des Temperierabschnitts (111) und/oder der Temperierplatte (112) zu temperieren, basierend auf der erfassten mindestens einen Temperatur . Controlling and/or regulating a temperature control device (110, 330), which is set up to control the temperature of the at least two electrolytic cells (100) by heating or cooling the temperature control section (111) and/or the temperature control plate (112), based on the detected at least a temperature .
18. Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: 18. The method of claim 17, further comprising:
Erfassen weiterer Steuer- und/oder Regelparameter ausgewählt aus der Gruppe umfassend: einer Vielzahl von Temperaturen gemessen in unterschiedlichenDetecting further control and/or regulation parameters selected from the group comprising: a large number of Temperatures measured in different
Temperierabschnitten (111) und/oder Temperierplatten (112) des Elektrolyseurstacks, Ausgangsdruck des erzeugten Wasserstoffs, Ausgangsdruck des erzeugten Sauerstoffs, Eingangsdruck des eingeleiteten Wassers, Feuchtigkeit oder Feuchte, insbesondere relative Feuchte, des erzeugten Wasserstoffs und Eingangsleistung (in den Elektrolyseurstack eingeleitete Strommenge), und Temperature control sections (111) and/or temperature control plates (112) of the electrolyzer stack, outlet pressure of the hydrogen produced, outlet pressure of the oxygen produced, inlet pressure of the water introduced, humidity or humidity, in particular relative humidity, of the hydrogen produced and input power (amount of electricity introduced into the electrolyzer stack), and
Steuern der Temperierung des Elektrolyseurstacks, insbesondere des Heizens oder Kühlens des zu temperierenden Temperierabschnitts (111) und/oder der zu temperierenden Temperierplatte (112) basierend auf zumindest einer der erfassten weiteren Steuer- und/oder Regelparameter. Controlling the temperature of the electrolyzer stack, in particular the heating or cooling of the temperature-controlled section (111) and/or the temperature-controlled plate (112) based on at least one of the detected further control and/or regulation parameters.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, ferner umfassend: wenn erfasst wird, dass die in den Elektrolyseurstack eingeleitete Energie, insbesondere Strommenge, sinkt, geprüft wird, ob die Temperatur des Elektrolyseurstacks innerhalb einer vorbestimmten Zeit abnimmt (ausgelöst durch Reduktion der Reaktionsabwärme), insbesondere unter einen voreingestellten Grenzwert sinkt, und/oder geprüft wird, ob die relative Feuchte des erzeugten Wasserstoff innerhalb einer vorbestimmten Zeit steigt (ausgelöst durch Reduktion der Reaktionsabwärme), und falls einer der beiden Grenzwerte überschritten wird, eine der Steuer- und/oder Regelparameter, insbesondere die Temperatur des zu temperierenden Temperierabschnitts (111) und/oder der zu temperierenden Temperierplatte (112), angepasst wird. 19. The method according to claim 17 or 18, further comprising: if it is detected that the energy introduced into the electrolyzer stack, in particular the amount of electricity, is decreasing, it is checked whether the temperature of the electrolyzer stack is decreasing within a predetermined time (triggered by reduction of the reaction waste heat), in particular falls below a preset limit value, and/or it is checked whether the relative humidity of the hydrogen produced increases within a predetermined time (triggered by reduction of the reaction waste heat), and if one of the two limit values is exceeded, one of the control and/or regulation parameters , in particular the temperature of the tempering section (111) to be tempered and/or the tempering plate (112) to be tempered is adjusted.
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