WO2023186359A2 - Elektrolyseur und verfahren zum betrieb eines elektrolyseurs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur (1) zur Erzeugung von Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) als Produktgase, mit einem Elektrolysemodul (3) und mit einem Gas-Separator (5), der zur Phasentrennung des Produktgases von Wasser ausgelegt ist, bei der das Elektrolysemodul (3) über eine Produktstrom-Leitung (7) für das Produktgas an den Gas-Separator (5) angeschlossen ist, und bei dem eine Rückführleitung (9) für das abgetrennte Wasser vorgesehen ist, die den Gas-Separator (5) mit dem Elektrolysemodul (3) verbindet. Der Gas-Separator (5) ist derart ausgelegt und auf einer Höhendifferenz (Δh) oberhalb des Elektrolysemoduls (3) angeordnet, dass bei einem Stillstand das Elektrolysemodul (3) allein durch die Höhendifferenz (Δh) getrieben selbsttätig mit Wasser flutbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs (1) mit einem Elektrolysemodul (3), wobei in einem Stillstandsbetrieb der Elektrolysestrom gestoppt wird und eine Sicherheitsabschaltung eingeleitet wird.

Description

Beschreibung

Elektrolyseur und Verfahren und Betrieb eines Elektrolyseurs

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur und ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs.

Ein Elektrolyseur ist eine technische Anlage, die mit Hilfe von elektrischem Strom eine elektrochemische Stoffumwandlung herbeiführt, die so genannte Elektrolyse. Entsprechend der Vielfalt an unterschiedlichen Elektrolysen gibt es auch eine Vielzahl von Elektrolyseuren, wie beispielsweise einen Elektrolyseur für eine Wasserelektrolyse, d.h. die Zerlegung von Wasser als Edukt in Produktgase Sauerstoff und Wasserstoff.

Seit einiger Zeit gehen Überlegungen verstärkt dahin, mit überschüssiger Energie aus erneuerbaren Energiequellen in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlicher Solarstrom- oder Windkrafterzeugung, Wertstoffe zu erzeugen. Ein Wertstoff kann insbesondere Wasserstoff sein, welcher mit Wasser-Elektrolyseuren erzeugt wird. Mittels des Wasserstoffs kann beispielsweise sogenanntes EE-Gas hergestellt werden.

Ein Elektrolyseur weist in der Regel eine Vielzahl von Elektrolysezellen auf, welche benachbart zueinander angeordnet und gestapelt sind. Mittels der Wasserelektrolyse wird in den Elektrolysezellen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Bei einem PEM-Elektrolyseur wird typischerweise anodenseitig destilliertes Wasser als Edukt zugeführt und an einer protonendurchlässigen Membran (engl. : „Proton-Exchange- Membrane"; PEM) zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Das Wasser wird dabei an der Anode zu Sauerstoff oxidiert. Die Protonen passieren die protonendurchlässige Membran. Katho- denseitig wird Wasserstoff produziert. Das Wasser wird dabei in der Regel von einer Unterseite in den Anodenraum und/oder Kathodenraum gefördert. Bei einem Elektrolyseur sind typischerweise die einzelnen Elektrolysezellen zu einem Modul , umfassend eine Viel zahl von Einzel zellen in einer axialen Richtung gestapelt und zu dem Modul oder Elektrolysemodul verbaut . Ein Elektrolyseur weist dabei üblicherweise eine Mehrzahl von Modulen auf , die insgesamt einen sogenannten Elektrolysestack oder einfach „Stack" bilden . So können beispielsweise 50 Elektrolysezellen axial zu einem Modul gestapelt sein und wiederum beispielsweise 5 Module zu einem Stack in axialer Richtung gestapelt sein, so dass ein solcher Elektrolysestack mithin beispielsweise 250 Zellen in einem axialen Gesamtverbund umfassen kann .

Sobald bei einem PEM-Elektrolyseur die Elektrolysemodule , respektive die Elektrolysezellen oder der Elektrolysestack z . B . nach der Fertigung erstmalig mit Wasser gefüllt wurden, muss sichergestellt werden, dass stets Wasser (Eduktwasser ) bzw . im Betrieb des Elektrolyseurs ein Wasser-Gas-Gemisch in den Modulen verbleiben . Ein Trockenlaufen oder Austrocknen muss in j eder Betriebsphase verhindert werden, da dieses zu einer irreversiblen Schädigung des Elektrolyseurs führen würde . Vor allem die Membran muss stets in einem feuchten Milieu gehalten werden, aber auch andere Funktionsteile und Komponenten, wie etwa der Katalysator oder die Elektroden, dürfen nicht austrocknen .

Bei einer Betriebsphase mit einer geplanten und bevorstehenden Wartung- oder Instandhaltung des Elektrolyseurs aus einem Normalbetriebs zustand, etwa zu Servicezwecken, ist ein Stillstandsmanagement des Elektrolyseurs im Allgemeinen gut und vorausschauend planbar und entsprechende Vorkehrungen und Abschaltprozeduren können routinemäßig und sicher eingeleitet werden, so dass insbesondere auch nach dem Abschalten Wasser in den Modulen verbleibt und ggf . zusätzlich noch umgewäl zt wird .

Hingegen können unvorhergesehene und insbesondere sicher- heitsbedingte Schnellabschaltungen in kurzer zeitlicher Frist oder sogar instantane Notabschaltungen bei Störfällen erheb- liehe Probleme bereiten . Diese sind nur recht schwierig und technisch mit hohem Aufwand zu beherrschen, vor allem hinsichtlich der Verhinderung eines Trockenlaufs der Module im Stillstandsbetrieb . Dies gilt umso mehr, als es verschiedene Typen von Elektrolyseuren gibt , mit j eweils unterschiedlichem Aufbau und unterschiedlichen Betriebsparametern, mit denen spezi fische Betriebsrisiken und Ursachen für eine Sicher- heitsabschaltung oder eine Notausschaltung zu berücksichtigen sind . So sind etwa atmosphärische Elektrolyseure bekannt , die bei einem atmosphärischen oder nur geringen Betriebsdruck arbeiten, oder aber auch Druckelektrolyseure , die bei einem hohen Betriebsdruck von 35 bar und darüber hinaus arbeiten .

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Elektrolyseur anzugeben, bei dem ein Stillstandsbetrieb technisch einfach und sicher realisierbar ist , so dass ein Trockenlaufen verhindert ist . Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe eines Verfahrens zum Betrieb eines Elektrolyseurs in einem Stillstandsbetrieb mit geringer Aus fallanfälligkeit und hoher Flexibilität .

Die auf einen Elektrolyseur gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase , mit einem Elektrolysemodul und mit einem Gas-Separator, der zur Phasentrennung des Produktgases von Wasser ausgelegt ist , bei der das Elektrolysemodul über eine Produktstrom-Leitung für das Produktgas an den Gas-Separator angeschlossen ist , und bei dem eine Rückführleitung mit einer Förderpumpe für das abgetrennte Wasser vorgesehen ist , die den Gas-Separator mit dem Elektrolysemodul verbindet , wobei der Gas-Separator derart ausgelegt und auf einer Höhendi f ferenz oberhalb des Elektrolysemoduls angeordnet ist , so dass bei einem Stillstand das Elektrolysemodul allein durch die Höhendi f ferenz getrieben selbsttätig mit Wasser flutbar ist , wobei die Förderpumpe im Stillstand einen geringen Druckverlustkoef fi zienten aufweist , so dass in einem gemeinsamen Zusammenwirken mit dem über die Rückführleitung entleerbaren Gas-Separator ein schnelles Fluten im stromlosen Zustand sichergestellt ist .

Die Erfindung geht dabei bereits von einer Problemerkenntnis aus einer Risikobetrachtung und Bewertung unterschiedlicher Ursachen aus , dass etwa bei zumindest teilweise mit dem Gas gefüllten Elektrolysemodulen mit Wasserstof f auf der Katho- denseite und Sauerstof f der Anodenseite eine sehr schnelle Di f fusion der Gase durch die dünne protonendurchlässige Membran stattfindet . Besonders das kleine Molekül Wasserstof f di f fundiert dann zurück auf die Sauerstof f seite . Der Ef fekt ist stärker bei höherem Betriebsdruck des Elektrolyseurs , da ein Partialdruckunterschied die treibende Kraft der Di f fusion ist . Die Di f fusion kann im Minutenbereich zu gefährlichen Gaskonzentration führen, d . h . zur Erhöhung der Wasserstof fkonzentration auf der Sauerstof f seite bis über die untere Explosionsgrenze von 4 voll hinaus . Da eine Zündquelle nicht ausgeschlossen werden kann, beispielsweise ein trocken liegender Katalysator, ist im schlimmsten Fall eine Explosion möglich .

Ein Trockenlaufen der Elektrolysemodule muss in dieser Situation in j edem Fall verhindert werden .

Im normalen Betrieb entsteht in den Modulen eine Mischphase , das heißt ein Phasengemisch von Wasser und Produktgas . Sobald die Stromzufuhr der Elektrolyse gestoppt wird und keine weiteren Maßnahmen getrof fen werden, würde sich das Gemisch alsbald trennen und sich eine Gasphase zumindest im oberen Bereich der Elektrolysemodule bilden . Eine schnelle Zufuhr von Wasser und das Verdrängen des Gases ist daher auch in allen denkbaren Störfällen zwingend notwendig, um ein Austrocknen zu verhindern . Sicherungsmaßnahmen müssen daher umgehend erfolgen .

Hinzu kommt , dass es ein Entwicklungs ziel bei der PEM - Elektrolyse ist , immer dünnere Membranen einzusetzen, wodurch der elektrische Widerstand geringer wird und der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs höher . Dünnere Membranen führen aber nachteilig zu einer noch höheren Di f fusion und damit zu einer Erhöhung eines möglichen Explosionsrisikos .

Es ist daher von zunehmender Bedeutung, bei einem Elektrolyseur ein besonders schnelles Fluten der Elektrolysemodule mit Wasser sicherzustellen in einem Stillstandsbetrieb . Die bisherigen Lösungen sind hier unzureichend bzw . sehr aufwendig und wenig flexibel mit Blick auf den Arbeitsdruck des Elektrolyseurs .

Hierzu schlägt die Erfindung für den Elektrolyseur ein Flu- tungskonzept der Elektrolysemodule vor, das völlig autark ist und intrinsisch sehr zuverlässig . Es ist unabhängig zusätzlichen und aufwändigen externen Versorgungen und redundanten Systemen oder Backup-Lösungen zur Förderung oder Flutung mittels Pumpen . Dieses Anlagenkonzept für den Elektrolyseur ist unabhängig vom Arbeitsdruck des Elektrolyseurs vorteilhaft einsetzbar, d . h . sowohl auf atmosphärische Elektrolyseure als auch auf Druckelektrolyseure flexibel anwendbar . Insbesondere können kritische Betriebs zustände etwa durch Explosionsgefahr vermieden und zugleich ein Trockenlauf verhindert werden, da eine rasche Entleerung des Gas-Separators durch einen Le- velausgleich aufgrund der Höhendi f ferenz und dadurch der entsprechend vorgehaltenen Druckdi f ferenz infolge der Wassersäule selbsttätig beigeführt und angetrieben ist . Es bedarf insbesondere nicht externen bzw . eigens dafür vorgehaltener Pumpenaggregate und aufwändiger elektrischer Notstromversorgungssysteme , um ein sicheres und sehr schnelles Fluten der Elektrolysemodule herbei zuführen . Somit sind die Elektrolysezellen und insbesondere die Membran geschützt , da diese Komponenten von durch die Rückströmleitung zurückströmendem Wasser geflutet und feucht gehalten werden . Durch Auslegung und Anordnung des Gas-Separators auf einer Höhe oberhalb des Elektrolysemoduls ist im Betrieb eine Füllstandshöhe oder ein Level des Wassers im Gas-Separator vorgehalten und bereits ein hydrostatischer Förderdruck im System bereitgestellt für einen Abschaltbetrieb, insbesondere bei einer sicherheits- technischen Notabschaltung, implementiert . Selbstverständlich ist das Flutungskonzept auch für eine reguläre und planmäßige Abschaltung etwa zu Servicezwecken vorteilhaft nutzbar .

Dabei ist neben der vorgehaltenen Höhendi f ferenz in die Rückführleitung eine Förderpumpe geschaltet , die im Stillstand einen geringen oder sehr geringen Druckverlustkoef fi zienten aufweist , so dass ein besonders schnelles Fluten durch die Kombination der vorgehaltenen Druckdi f ferenz aufgrund des eingestellten Höhenunterschieds und der Ausgestaltung der Förderpumpe in der Rückführleitung bewirkt ist .

Der Druckverlustbeiwert , Druckverlustkoef fi zient oder auch Widerstandsbeiwert (übliches Formel zeichen

- Zeta ) ist in der Strömungslehre ein dimensionsloses Maß für den Druckverlust in einem durchströmten Bauteil , wie einer Rohrleitung oder Armatur . Das heißt , der Druckverlustbeiwert sagt etwas darüber aus , welcher Druckunterschied zwischen Zu- und Abströmung vorliegen muss , um einen bestimmten Durchfluss durch das Bauteil auf recht zuerhalten . Der Druckverlustbeiwert gilt immer für eine bestimmte geometrische Form und ist allgemein von der Reynolds-Zahl und gegebenenfalls von der Oberflächenrauhigkeit des strömungs führenden Bauteils abhängig .

Im Normalbetrieb des Elektrolyseurs ist es sehr vorteilhaft das im Gas-Separator separierte Wasser in den Elektrolyseprozess aktiv zurückzuführen, weshalb eine Förderpumpe in der Rückführleitung vorgesehen ist , die das Wasser zurückpumpt . Allerdings stellt die Förderpumpe ein widerstandbehaftetes Strömungselement dar, das beispielsweise im Abschaltbetrieb einer schnellen Rückströmung des Wassers beim Fluten entgegenwirkt . Daher ist es vorteilhaft , einen möglichst geringen Druckverlustkoef fi zienten im Stillstand für die Förderpumpe vorzusehen, so dass auch im stromlosen Zustand ein schnelles Fluten und Durchströmen der Rückführleitung mit der Förderpumpe erzielt ist . Dieses Anlagenkonzept für einen Elektrolyseur ermöglicht daher ein sicheres und schnelles Fluten der Elektrolysemodule mit Wasser durch die erhöhte Lage der Gas-Separatoren . Gegenüber bekannten Lösungen für Elektrolyseure , ist das vorliegende Sicherheitskonzept überlegen, da es keine Redundanzen benötigt und Versorgungen unabhängig vom Arbeitsdruck des Elektrolyseurs implementierbar sind .

So werden etwa Druckelektrolyseure bei einem Druck von beispielsweise 35 bar betrieben . Bei diesem hohen Arbeitsdruck ist der volumetrische Gasanteil im Elektrolysemodul zwar gering, d . h . nach dem Abschalten kann sich volumetrisch betrachtet nur eine geringe Gasmenge separieren . Die Rohrleitungen vom Elektrolysemodul führen im Allgemeinen steigend zu den Gas-Separatoren, so dass sich nach Abschalten auch in den Rohrleitungen Wasser teilweise separiert und in das Elektrolysemodul zurücklaufen kann . Dies geht aber bei einer Notabschaltung etwa bei einer Explosionsgefahr nicht ausreichend schnell vonstatten und erfordert überdies aktive Komponenten, um das Wasser in die Elektrolysemodule aktiv und schnell zu fördern . Auch muss ein entsprechender Füllstand im Gas- Separator für diese Situation entsprechend vorgehalten sein . Durch den Druckbetrieb ist die Di f fusion von Wasserstof f von der Kathodenseite durch die Membran auf die Anodenseite der Elektrolysezelle erhöht , ein sicherheitsrelevantes Problem, was sich bei zunehmender Auslegung hin zu dünneren Membranen verstärkt .

Im Vergleich zu einem Druckelektrolyseur ist bei einem Elektrolyseur im atmosphärischen Betrieb eine große volumetrische Gasmenge im Elektrolysemodul unter Betriebsbedingungen vorhanden . Die Elektrolysemodule sind sowohl über den Zu- als auch Ablauf direkt mit darüberliegenden Gasseparatoren verbunden . Der Einbau einer Pumpe ist aufgrund des Naturumlaufprozesses im Allgemeinen nicht nötig . Solange sich noch ausreichend viel und ausreichend dispergiertes Gas in den Elektrolysemodulen befindet , kommt dieser Naturumlauf durch den dadurch hervorgerufenen Dichteunterschied auch nicht zum Er- liegen . Nach dem Erliegen des Naturumlaufes ist der Wasserle- vel in den Elektrolysemodulen deutlich unter dem der Gas- Separatoren und es befinden sich keine stark druckverlustbehafteten Einbauten dazwischen, so dass Wasser frei von den Gasseparatoren in die Module laufen und den Wasserstand in den Modulen sicherstellen kann .

Eine klassische Möglichkeit zur Absicherung von Fehlerfällen bei einem forcierten Umlauf mittels Pumpen ist die Nutzung von redundanten Pumpen . Im Falle eines Fehlers einer Pumpe , kann die verbleibende Pumpenkapazität genutzt werden, um die Module schnell mit Wasser zu füllen . Um auch einem Stromausfall entgegenwirken zu können, ist eine unterbrechungs freie Stromversorgung nötig . Zudem sollten Pumpen vollkommen getrennt angesteuert werden, um auch Leittechnikfehler überbrücken zu können . Dies zusammen macht solche Lösungen sehr aufwändig und teuer .

Mit dem Konzept der Erfindung können hingegen sowohl Druckelektrolyseure als auch atmosphärische Elektrolyseure gegenüber Trockenlauf sehr wirkungsvoll gesichert werden und ein besonders rasches und autarkes Fluten ist möglich, ohne Redundanzerfordernisse . Besonders vorteilhaft erweist sich das Konzept bei atmosphärischen Elektrolyseuren, es ist aber, wie dargelegt , nicht darauf beschränkt .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolyseurs ist der Gas-Separator als liegender Behälter ausgestaltet , so dass eine große Oberfläche als Phasengrenz fläche zwischen flüssiger und gas förmiger Phase bereitgestellt ist .

Diese Ausgestaltung des Elektrolyseurs erlaubt eine vergleichsweise geringe Gesamtbauhöhe des Gas-Separators , was bei der vorzusehenden Höhendi f ferenz oberhalb des Elektrolysemoduls sehr vorteilhaft ist . Der als Behälter ausgestaltete Gas-Separator hat demnach einen Behälterboden mit einer Längenabmessung und einer Breitenabmessung, die j eweils deutlich größer ist als die Behälterhöhe . Hierdurch wird trotz der er- forderlichen Höhendifferenz Bauraum eingespart. Zudem schafft die liegende Bauweise eine entsprechend große Phasen-Grenz- fläche im Gas-Separator zwischen dem Wasser am Behälterboden und Produktgas - Sauerstoff oder Wasserstoff - in der Gasphase oberhalb der Phasengrenze, was im Normalbetrieb eine effektivere Phasentrennung zwischen Wasser und Produktgas in dem Phasengemisch begünstigt.

In bevorzugter Ausgestaltung mündet die Rückführleitung in einen unteren Bereich des Elektrolysemodul.

Durch diese Anschlussart der Rückführleitung wird eine möglichst hohe hydrostatische Druckdifferenz infolge des Höhenunterschieds zwischen dem Gas-Separator und dem Elektrolysemodul im Elektrolyseur bereitgestellt. Ein höherer Differenzdruck sorgt für ein schnelleres Rückströmen des Wassers und vollständiges Fluten des Elektrolysemoduls bei einer Sicher- heitsabschaltung . Der Differenzdruck ergibt sich dabei einfach aus dem hydrostatischen Druck der Wassersäule, die bei einer Höhendifferenz zwischen dem normalen Füllstand im Gas- Separator und dem Niveau des Anschlusses der Rückströmleitung in das Elektrolysemodul erzeugt wird. Die treibende Kraft für das Fluten ist der höhere Wasserstand im Gas-Separator gegenüber dem Elektrolysemodul, so dass ein selbsttätiger Le- velausgleich herbeiführbar ist.

Bevorzugt ist dabei die Höhendifferenz so eingestellt, dass als treibende Druckdifferenz für das Fluten mindestens 0,05 bar bis 0,5 bar, insbesondere 0,1 bar, bereitgestellt ist.

Auslegungstechnisch hat sich gezeigt, dass bei diesem Differenzdruck bei typischen Elektrolyseuren im Allgemeinen eine ausreichende treibende Druckkraft für den Levelausgleich bereitgestellt ist, um ein schnellstmögliches Fluten im Bedarfsfall einzuleiten. Das ausreichende Differenzdruckniveau und damit die höhere Positionierung des Gas-Separators gegenüber dem Elektrolysemodul ist dabei vorteilhaft an die jeweilige Situation anpassbar, wobei auch Leitungsquerschnitte, Bauteile und Komponenten, die die Strömungswiderstände in der Rückströmleitung und in dem gesamten zu flutenden Elektrolysemodul beeinflussen, berücksichtigt werden können . Dies kann zu veränderten Di f ferenzdrücken und ggf . höheren Di f ferenzdrücken führen, die erforderlich sind .

Es hat sich gezeigt , dass der Druckverlustkoef fi zient / der Förderpumpe kleiner als / = 5 , insbesondere kleiner als / = 3 bevorzugt ist . Dadurch ist ein Durchströmen bzw . Rückströmen eines ausreichenden Volumenstroms an Wasser durch die Förderpumpe auch im Stillstand bereitgestellt . Die treibende Kraft bleibt aber der Di f ferenzdruck infolge des Höhenunterschieds zwischen Gas-Separator und Elektrolysemodul . Nunmehr ist aber eine entsprechend angepasste und ausgelegte Förderpumpe vorteilhaft in die Elektrolyseanlage integriert , die das Fluten durch den geringen Druckverlustkoef fi zienten passiv unterstützt .

In bevorzugter Ausgestaltung sind mehrere Elektrolysemodule vorgesehen, die über eine gemeinsame Produktstrom-Leitung an den Gas-Separator angeschlossen sind .

Die Leistung des Elektrolyseurs bzw . der Elektrolyseanlage ist somit einfach und flexibel skalierbar, indem weitere Elektrolysemodule vorgesehen sind . Die Elektrolysemodule können dabei in einer Parallelschaltung betrieben werden oder auch in serieller Verschaltung als so genannte Modulreihe oder Kombinationen daraus . Hierbei kann sich begri f flich eine Parallelschaltung auf die rein elektrotechnische Verschaltung hinsichtlich des Elektrolysestroms oder der Elektrolysespannung beziehen und/oder hinsichtlich der Stof fströme , wie etwa die Führung und Leitung des Prozesswasser als Eduktstrom durch die Elektrolysemodule .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung sind bei mehreren Elektrolysemodulen die Elektrolysemodule an die Rückführleitung über eine j eweilige Anschlussleitung angeschlossen, wobei in mindestens einer der Anschlussleitungen ein Regelven- til angeordnet ist . Bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung, bei der in j eder der Anschlussleitungen ein j eweiliges Regelventil vorgesehen ist , da dies eine besonders große Betriebsflexibilität ermöglicht , so etwa das bedarfsweise Fluten nur einer oder nur einzelner Elektrolysemodule zu Servicezwecken oder in einer Sicherheitsabschaltung .

Werden etwa mehrere parallel geschaltete Elektrolysemodule oder Modulreihen durch eine Pumpe bzw . Pumpenstation versorgt , so sind daher bevorzugt j eweilige Regelventile vorgesehen, um eine individuell steuerbare Anströmung j edes Elektrolysemoduls bzw . j eder Modulreihe zu ermöglichen .

Bei Einsatz von mehreren parallelen Pumpen etwa zur Bereitstellung einer Redundanz ist es bevorzugt , dass auch der Durchfluss durch eine Pumpe ausreichend dimensioniert ist , d . h . der Druckverlustbeiwert . Dies erlaubt vorteilhaft beispielsweise das so genannte Abschiebern und den Austausch von Pumpen und den Weiterbetrieb mit mindestens einer frei durchströmbaren Pumpe . Ein Absperrschieber - auch Gas- bzw . Wasserschieber - ist eine Armatur, die gewöhnlich zum vollständigen Öf fnen oder Schließen des gesamten Durchflussquerschnitts eines Rohres oder einer Leitung genutzt wird . Im Gegensatz zu Ventilen werden Absperrschieber nicht in erster Linie zur Regulierung der Durchflussmenge und nicht bei sehr hohem Druck eingesetzt . Absperrschieber dienen oft der Vorabsperrung, also um Wartungsarbeiten an nachfolgenden Armaturen zu ermöglichen, die im regulären Betrieb die Absperrung oder Regulierung übernehmen .

Im Auslegungskonzept der Erfindung für die Elektrolyseanlage verringert sich generell der zulässige Druckverlustkoef fizient auf Komponentenebene , wenn zusätzliche Komponenten auf dem Strömungsweg eingesetzt werden, z . B . Wärmeübertrager, Ventile , Filter . Dies kann vorteilhaft und zumindest in gewissen Grenzen mit der Anpassung der Höhendi f ferenz kompensiert werden, d . h . mit einem entsprechend höheren Di f ferenzdruck als treibende Kraft für das Fluten . Vorzugsweise ist das Regelventil mechanisch auf einen Min- destdurchf luss ausgelegt , der bei einer Regelung nicht unterschreitbar ist . Die Mindestöf fnung kann durch eine entsprechende mechanische Verriegelung realisiert sein . Eine entsprechende Ausgestaltung des Regelventils ist bevorzugt auch bei mehreren Regelventilen vorgesehen, die j eweils in eine Anschlussleitung geschaltet sind .

Diese Mindestöf fnung der Ventilstellung für einen Mindestdurchfluss des Regelventils ist vorteilhaft zusammen mit dem Druckverlustkoef fi zient der Förderpumpe und/oder dem Druckverlustkoef fi zienten einer Pumpenstation umfassend mehrere Pumpen, die in dem Elektrolyseur derart eingestellt und ausgelegt sind, dass eine ausreichend schnelle selbsttätige Rückströmung von Wasser aus dem Gas-Separator zu dem zu flutenden Elektrolysemodul allein aufgrund des Di f ferenzdrucks bzw . des Höhenunterschieds sichergestellt ist .

Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs , bei dem in einem Regelbetrieb einem Elektrolysemodul ein Elektrolysestrom zugeführt wird, so dass Wasser zu Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase in dem Elektrolysemodul erzeugt werden, wobei Produktgas in einem Phasengemisch aus Wasser und Produktgas einem Gas-Separator zugeführt wird, wobei in dem Gas-Separator Wasser von Produktgas getrennt wird, und wobei in einem Stillstandsbetrieb der Elektrolysestrom gestoppt wird und eine Sicherheitsabschaltung eingeleitet wird . Dabei wird in dem Stillstandsbetrieb Wasser aus dem Gas-Separator allein aufgrund einer Höhendi f ferenz selbsttätig durch die Rückführleitung in das Elektrolysemodul getrieben, wobei die stromlos gestellte Förderpumpe von Wasser durchströmt und das Elektrolysemodul geflutet wird, wobei ein schnelles Fluten im stromlosen Zustand sichergestellt wird . Vorzugsweise wird dabei das Elektrolysemodul selbsttätig mit Wasser geflutet , bis der Füllstand von Wasser in dem Gas- Separator und dem Elektrolysemodul angeglichen ist .

Bei einem plötzlichen Betriebsstopp, z . B . infolge einer Si- cherheitsabschaltung oder einer Notabschaltung der Elektrolyse separiert sich Produktgas und Wasser in dem Elektrolysemodul . Es stellt sich ein gewisser Wasserlevel bzw . Füllstand in dem Elektrolysemodul ein . Dadurch, dass der Gas-Separator höher angeordnet ist , wird Wasser umgehend und schnell in das Elektrolysemodul mittels des vorgesehenen Di f ferenzdrucks getrieben und auch vorhandene Strömungselemente in den Leitungen können ausreichend schnell durchströmt werden . Somit wird sehr rasch und selbsttätig ein Levelausgleich herbeigeführt und ein schnelles Fluten des Elektrolysemoduls erreicht . Die Elektrolysezellen in dem Elektrolysemodul und insbesondere die empfindlichen Membranen sind vollständig mit Wasser getränkt und können nicht austrocknen . Ein Trockenlauf ist sicher verhindert .

Weitere Vorteile des Verfahrens ergeben sich entsprechend aus den oben beschriebenen Vorteilen des Elektrolyseurs .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert . Dabei ist zu beachten, dass die in den Zeichnungen dargestellten Aus führungsbeispiele in erster Linie der Erläuterung der Erfindung dienen . Sie sollen j edoch die Erfindung nicht einschränken .

Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :

FIG 1 einen Elektrolyseur mit einem Elektrolysemodul ;

FIG 2 einen Elektrolyseur mit mehreren Elektrolysemodulen;

FIG 3 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Füllstands bei einer Sicherheitsabschaltung . Gleiche Bezugs zeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung .

In FIG 1 ist eine Elektrolyseanlage 1 für die Elektrolyse von Wasser dargestellt . Der Elektrolyseur 1 weist - in der Darstellung vereinfacht - einen Kreislauf auf der Wasserstof fseite auf . Ein entsprechender Kreislauf ist auch auf der Sauerstof f seite in analoger Betrachtung möglich . Dies ist ein einfaches Aus führungsbeispiel für einen Elektrolyseur 1 , um die Erfindung aus zuführen und das Prinzip zu erläutern . Der Elektrolyseur 1 weist ein Elektrolysemodul 3 und einen Gas- Separator 5 auf . Der Gas-Separator 5 ist über eine Produktstrom-Leitung 7 an das Elektrolysemodul 3 angeschlossen . Das Elektrolysemodul 3 umfasst typischerweise einen in der FIG 1 nicht näher dargestellten Elektrolysezellenstapel mit einer Viel zahl von in axialer Richtung gestapelten Elektrolysezellen . Dabei ist eine anodische Halbzelle und die kathodische Halbzelle einer Elektrolysezelle von einer protonendurchlässigen Membran getrennt . Es ist auch möglich, dass mehrere Elektrolysemodule 3 zu einer Modulgruppe zusammengeschaltet sind . Der Elektrolyseur 1 ist zur Erzeugung von Wasserstof f H₂ und Sauerstof f 0₂ als Produktgase in einem PEM-Elektroly- seprozess , beispielsweise unter atmosphärischen Druckbedingungen ausgestaltet . Das Elektrolysemodul 3 ist mit dem Gas- Separator 5 über die Produktstrom-Leitung 7 für das Produktgas an den Gas-Separator 5 angeschlossen . Der Gas-Separator 3 ist dabei zur Phasentrennung des Produktgases von Wasser ausgelegt , vorliegend der Abtrennung von gas förmigem Wasserstof f H₂ aus dem Phasengemisch mit Wasser in dem Gas-Separator 3 . Eine Rückführleitung 9 für das abgetrennte Wasser verbindet strömungstechnisch den Gas-Separator 3 mit dem Elektrolysemodul 3 . Dabei mündet die Rückführleitung 9 an einer möglichst tiefen Anschlussstelle in das Elektrolysemodul 3 , so dass ein entsprechend möglichst hoher hydrostatischer Druck durch die Wassersäule im Gas-Separator 5 in Bezug auf das Füllstandsniveau L_s erzielt ist . In die Rückführleitung 9 ist eine Förderpumpe 13 geschaltet , die bei einem Normalbetrieb des Elektrolyseurs aus dem Phasengemisch abgetrenntes Wasser aus dem Gas-Separator 3 in das Elektrolysemodul 3 aktiv fördert bzw . umwäl zt . Die Förderpumpe 13 ist mit elektrischem Strom versorgt .

Mit diesem einfachen Kreislauf der FIG 1 wird im normalen Betrieb des Elektrolysemoduls 3 mit Wasser für die Elektrolysereaktion versorgt , wobei das Wasser zugleich auch der Kühlung der Zellen dient . Als Produktgas der Elektrolyse wird erzeugter Wasserstof f zusammen mit überschüssigem Wasser in einem Phasengemisch in den Gas-Separator 3 für Wasserstof f geführt . In dem Gas-Separator 3 findet eine Phasentrennung statt und der gas förmige Wasserstof f wird vom flüssigen Wasser abgetrennt , über die Gasleitung 19 für den Wasserstof f H₂ dem Kreislauf entzogen und einer weiteren Verwendung zugeführt . Um den Wasser-Umlauf im Kreislauf auf recht zuerhalten, ist im Kreislauf die Förderpumpe 4 vorgesehen . Verbrauchtes Wasser wird zudem ausgeglichen, indem über eine Zufuhrleitung 21 mit einer Regelarmatur 23 vollentsal ztes Wasser, so genanntes „VE-Wasser" in den Gas-Separator 3 kontrolliert nachgeführt wird .

Der Gas-Separator 5 ist derart ausgelegt und auf einer Höhendi f ferenz Ah oberhalb des Elektrolysemoduls 3 angeordnet , dass bei einem Stillstand das Elektrolysemodul 3 alleinig durch die Höhendi f ferenz Ah getrieben selbsttätig mit Wasser flutbar ist . Hierbei ist die Höhendi f ferenz Ah so eingestellt , dass die zur Verfügung stehende und treibende Druckdi f ferenz zwischen dem Füllstand L_M im Elektrolysemodul 3 und dem Füllstand L_s im Gas-Separator 3 mindestens 0 , 05 bar bis 0 , 5 bar, insbesondere 0 , 1 bar, bereitgestellt ist , siehe entsprechend FIG 3 bei der das Prinzip des Levelausgleichs erläutert wird .

Das Flutungskonzept für das Elektrolysemodul 3 ist völlig autark und intrinsisch sehr zuverlässig . Es ist unabhängig von zusätzlichen und aufwändigen externen Versorgungen und redundanten Systemen oder Backup-Lösungen zur Förderung oder Flu- tung mittels Pumpen . Durch Auslegung und Anordnung des Gas- Separators 5 auf einer ausreichenden Höhe oberhalb des Elektrolysemoduls 3 ist im Betrieb regelmäßig eine Füllstandshöhe L_s oder ein Level L_s des Wassers im Gas-Separator 5 vorgehalten und bereits intrinsisch ein hydrostatischer Förderdruck im System bereitgestellt für einen eventuell notwendigen Abschaltbetrieb, insbesondere bei einer sicherheitstechnischen Notabschaltung . Selbstverständlich ist das Flutungskonzept auch für eine reguläre und planmäßige Abschaltung etwa zu Servicezwecken vorteilhaft nutzbar .

Dabei ist der Gas-Separator 5 als liegender Behälter ausgestaltet mit einer möglichst großen Oberfläche 11 als Phasengrenz fläche , wodurch eine besonders ef fektive Phasentrennung sowie ein reduzierter Bauraum vor allem in der Bauhöhe möglich ist , trotz erhöhter Anordnung des Gas-Separators 5 gegenüber dem Elektrolysemodul 3 auf der Höhendi f ferenz Ah . Die Förderpumpe 13 in der Rückführleitung 9 ist so konzipiert , dass diese im Stillstand einen geringen Druckverlustkoef fi zienten aufweist , so dass in einem gemeinsamen Zusammenwirken, mit dem sich über die Rückführleitung 9 entleerenden Gas-Separator 3 ein schnelles Fluten sichergestellt ist . Typischerweise sind hier bei der Förderpumpe Druckverlustko- ef fi zient

von kleiner als

= 5 , insbesondere kleiner als = 3 vorgesehen .

Bei einem Normalbetrieb oder Regelbetrieb des Elektrolyseurs 1 wird dem Elektrolysemodul 3 ein Elektrolysestrom zugeführt , so dass Wasser zu Wasserstof f H₂ sowie Sauerstof f als Produktgas in dem Elektrolysemodul 3 erzeugt werden . Wasserstof f H₂ wird in einem Phasengemisch mit Wasser als Produktgas dem Gas-Separator 3 zugeführt , wobei in dem Gas-Separator 3 das Wasser von Wasserstof f H₂ abgetrennt wird . In einem Stillstandsbetrieb wird der Elektrolysestrom gestoppt und es wird eine Sicherheitsabschaltung eingeleitet . Hierbei wird Wasser aus dem Gas-Separator 3 selbsttätig aufgrund der Höhendi f ferenz Ah in das Elektrolysemodul 3 getrieben, so dass das Elektrolysemodul 3 vollständig mit Wasser geflutet wird . Dabei wird das Elektrolysemodul so lange selbsttätig mit Wasser geflutet , bis der Füllstand L_s des Wassers in dem Gas- Separator 3 und der Füllstand L_M in dem Elektrolysemodul angeglichen sind . Damit ist ein stationärer und sicherer Zustand erreicht und das Elektrolysemodul 5 mit den kritischen Komponenten wie Membran und Elektroden sind in Wasser getränkt . Ein Trockenlauf ist immanent verhindert , insbesondere ohne auf aktive elektrische Versorgungssysteme oder redundante Backup-Lösungen zurückgrei fen zu müssen .

Das Flutungskonzept der Erfindung kann im Hinblick auf eine sicherheitstechnische Auslegung und Ausgestaltung flexibel auf komplexere Elektrolyseure 1 angewandt werden . Dies ist beispielhaft in FIG 2 verdeutlicht anhand eines Elektrolyseurs 1 mit mehreren Elektrolysemodulen 3a, 3b, 3c . Hier sind drei Elektrolysemodule 3a, 3b, 3c vorgesehen, die über eine gemeinsame Produktstrom-Leitung 7 an den Gas-Separator 3 angeschlossen sind . Ausgangsseitig der Elektrolysemodule 3a, 3b, 3c mündet hierzu eine j eweilige Leitung in die gemeinsame Produktstrom-Leitung 7 . Weiterhin sind die Elektrolysemodule 3a, 3b, 3c an die Rückführleitung 9 über eine j eweilige Anschlussleitung 15a, 15b, 15c angeschlossen . In j eder der Anschlussleitungen 15a, 15b, 15c ist ein Regelventil 17a, 17b, 17c vorgesehen, so dass eine individuelle Ansteuerung erreicht ist . Die Regelventile 15a, 15b, 15c sind dabei mechanisch auf einen Mindestdurchfluss ausgelegt , der bei einer Regelung nicht unterschreitbar ist , so dass eine schnelle und weitgehend ungehinderte Rückströmung durch die Rückströmleitung 9 zur Flutung eines oder mehrerer der Elektrolysemodule 3a, 3b, 3c erzielbar ist . Auch bei diesem Elektrolyseur 1 wird im Notfall dann Wasser aus dem Gas-Separator 3 selbsttätig aufgrund der Höhendi f ferenz Ah in das Elektrolysemodul 3 getrieben, so dass das Elektrolysemodul 3 vollständig mit Wasser geflutet wird .

Ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Füllstands L bei einer Sicherheitsabschaltung ist in FIG 3 vereinfacht dargestellt , um das Prinzip zu erläutern . Auf der Abs zisse ist die Zeit t aufgetragen und auf der Ordinate das Level L, das den Füllstand der entsprechenden Komponente mit Wasser charakterisiert . Ab einem Zeitpunkt to wird aus einem Normalbetrieb kommend ein Stillstandsbetrieb des Elektrolyseurs 1 eingeleitet . Zu diesem Zeitpunkt liegt ein Level L_s im Gas-Separator 5 vor und ein Level L_M in dem Elektrolysemodul L_M . Hierbei gilt L_s > L_M, SO dass anfangs in der Elektrolyseanlage 1 ein entsprechend hoher Di f ferenzdruck als treibende Kraft aufgrund der vorbestimmten Höhendi f ferenz Ah für eine schnelle Flutung durch einen Levelausgleich zur Verfügung steht .

In dem Stillstandsbetrieb zum Zeitpunkt to wird der Elektrolysestrom gestoppt und es wird eine Sicherheitsabschaltung eingeleitet . Dabei wird Wasser aus dem Gas-Separator 3 selbsttätig aufgrund der Höhendi f ferenz Ah in das Elektrolysemodul 3 getrieben und das Elektrolysemodul 3 schnell mit Wasser geflutet . Die Flutung erfolgt selbsttätig mit Wasser bis der Füllstand L_s von Wasser in dem Gas-Separator 5 und der Füllstand oder das Level L_M in dem Elektrolysemodul 3 angeglichen sind . Der Füllstand oder das Level L_s von Wasser in dem Gas-Separator 5 nimmt mit der Zeit t ab, wohingegen der Füllstand oder das Level L_M in dem Elektrolysemodul 3 entsprechend zunimmt , bis beide Füllstände L_M und L_s gleich sind . In kurzer Zeit wird somit der Levelausgleich herbeigeführt , so dass eine Zeit t_A bestimmt ist , bei der der Flu- tungsprozess abgeschlossen ist . Diese Zeitspanne t_A für den Levelausgleich beträgt j e nach Auslegung des Elektrolyseurs 1 nur etwa 60 - 120 Sekunden bis zu wenigen Minuten . Dies ist ausreichend schnell , um ein Trockenlaufen sicher zu verhindern .

Bei einem plötzlichen Stopp der Stromzufuhr und damit des Elektrolyseprozesses separiert sich Gas und Wasser in dem Elektrolysemodul 3 . Es stellt sich ein gewisses Wasserlevel in dem Elektrolysemodul 3 ein . Dadurch, dass der Gas-Separator 3 in der Elektrolyseanlage auf einer entsprechenden Höhendi f ferenz Ah deutlich oberhalb des Elektrolysemoduls 3 angeordnet ist und die Förderpumpe 13 sowie weitere Strömungskomponenten j eweils mit einem geringen Druckverlustkoef f i- zienten

ausgelegt sind, kann der Leitungsweg durch die Rückströmleitung 9 ausreichend schnell durchströmt werden und es findet selbsttätig ein sehr schneller Levelausgleich statt . Die Höhendi f ferenz Ah ist entsprechend an den ef fektiven Druckverlustkoef fi zienten ^_eff des gesamten Strömungswegs der Rückführleitung 9 inklusive der ggf . vorhandenen Strömungselemente wie Pumpen oder Ventile angepasst und bei der Auslegung eines Elektrolyseurs 1 entsprechend größer oder kleiner wählbar .

Mit der Erfindung wird ein selbstregulierendes Flutungskon- zept für einen Elektrolyseur 1 mit höchster Zuverlässigkeit bereitgestellt , ein Aus fall von aktiven Komponenten ist nicht möglich, da auf aktive Komponenten nicht zurückgegri f fen wird . Die Anlagensicherheit eines Elektrolyseurs 1 und der wirksame Schutz eines Elektrolysemoduls 3 vor Trockenlaufen ist hierbei gerade auch in möglichen Fehlersituationen aufrechterhalten, wie etwa ein Stromaus fall , Aus fall der Pumpenansteuerung, Aus fall der Regelventilansteuerung, Fehlbedienung oder ein Pumpenschaden . Überdies ist damit eine sehr einfache und kostengünstige Lösung bereitgestellt , da keine aufwändigen Zusatzausstattungen erforderlich sind, lediglich die gezielte und intelligente Nutzung der vorhandenen Ausstattung und der Auslegung des Elektrolyseurs l . Die Anwendung des Konzepts ist besonders für j eden Elektrolyseur - atmosphärisch oder druckbehaftet - mit einer Pumpenanordnung im Kreislauf möglich und vorteilhaft .

Claims

Patentansprüche

1. Elektrolyseur (1) zur Erzeugung von Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) als Produktgase, mit einem Elektrolysemodul (3) und mit einem Gas-Separator (5) , der zur Phasentrennung des Produktgases von Wasser ausgelegt ist, bei der das Elektrolysemodul (3) über eine Produktstrom-Leitung (7) für das Produktgas an den Gas-Separator (5) angeschlossen ist, und bei dem eine Rückführleitung (9) mit einer Förderpumpe (13) für das abgetrennte Wasser vorgesehen ist, die den Gas- Separator (5) mit dem Elektrolysemodul (3) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas-Separator (5) derart ausgelegt und auf einer Höhendifferenz (Ah) oberhalb des Elektrolysemoduls (3) angeordnet ist, dass bei einem Stillstand das Elektrolysemodul (3) allein durch die Höhendifferenz (Ah) getrieben selbsttätig mit Wasser flutbar ist, wobei die Förderpumpe (13) im Stillstand einen geringen Druckverlustkoeffizienten

aufweist, so dass in einem gemeinsamen Zusammenwirken mit dem über die Rückführleitung (9) entleerbaren Gas-Separator (3) ein schnelles Fluten im stromlosen Zustand sichergestellt ist.

2. Elektrolyseur (1) nach Anspruch 1, bei dem der Gas- Separator (3) als liegender Behälter ausgestaltet ist, so dass eine große Oberfläche (11) als Phasengrenzfläche zwischen flüssiger und gasförmiger Phase bereitgestellt ist.

3. Elektrolyseur (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Rückführleitung (9) in einen unteren Bereich des Elektrolysemoduls (3) mündet.

4. Elektrolyseur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Höhendifferenz (Ah) so eingestellt ist, dass als treibende Druckdifferenz für das Fluten mindestens 0,05 bar bis 0,5 bar, insbesondere 0,1 bar, bereitgestellt ist.

5. Elektrolyseur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Druckverlustkoeffizient

der Förderpumpe (13) kleiner als

= 5, insbesondere kleiner als

= 3 ist.

6. Elektrolyseur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Elektrolysemodule (3a, 3b, 3c) vorgesehen sind, die über eine gemeinsame Produktstrom-Leitung (7) an den Gas-Separator (3) angeschlossen sind.

7. Elektrolyseur (1) nach Anspruch6, bei dem die Elektrolysemodule (3a, 3b, 3c) an die Rückführleitung (9) über eine jeweilige Anschlussleitung (15a, 15b, 15c) angeschlossen sind, in der ein Regelventil (17a, 17b, 17c) angeordnet ist.

8. Elektrolyseur (1) nach Anspruch 7, die dem das Regelventil (15a, 15b, 15c) mechanisch auf einen Mindestdurchfluss ausgelegt ist, der bei einer Regelung nicht unterschreitbar ist.

9. Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs (1) , bei dem ein Elektrolyseur (1) nach einem der vorgehergehenden Ansprüche bereitgestellt wird, und bei dem in einem Regelbetrieb einem Elektrolysemodul (3) ein Elektrolysestrom zugeführt wird, so dass Wasser zu Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff als Produktgase in dem Elektrolysemodul (3) erzeugt werden, wobei Produktgas in einem Phasengemisch aus Wasser und Produktgas einem Gas-Separator (3) zugeführt wird, wobei in dem Gas- Separator Wasser von Produktgas getrennt wird, und wobei in einem Stillstandsbetrieb der Elektrolysestrom gestoppt wird und eine Sicherheitsabschaltung eingeleitet wird, die dadurch gekennzeichnet ist, dass Wasser aus dem Gas-Separator (3) allein aufgrund der Höhendifferenz (Ah) selbsttätig durch die Rückführleitung (9) in das Elektrolysemodul (3) getrieben wird, wobei die stromlos gestellte Förderpumpe (13) von Wasser durchströmt und das Elektrolysemodul (3) geflutet wird, wobei ein schnelles Fluten im stromlosen Zustand sichergestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem selbsttätig mit Wasser geflutet wird, bis der Füllstand von Wasser in dem Gas- Separator (3) und dem Elektrolysemodul (3) angeglichen ist.