WO2025162963A1 - Elektrolysesystem mit sauerstoffvorabscheidung - Google Patents

Elektrolysesystem mit sauerstoffvorabscheidung

Info

Publication number
WO2025162963A1
WO2025162963A1 PCT/EP2025/052186 EP2025052186W WO2025162963A1 WO 2025162963 A1 WO2025162963 A1 WO 2025162963A1 EP 2025052186 W EP2025052186 W EP 2025052186W WO 2025162963 A1 WO2025162963 A1 WO 2025162963A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
oxygen
separator
water
electrolysis
shelf
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2025/052186
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank ALLEBROD
Joachim Herrmann
Matthias Fuchs
Michael KASSEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Quest One GmbH
Original Assignee
Quest One GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Quest One GmbH filed Critical Quest One GmbH
Publication of WO2025162963A1 publication Critical patent/WO2025162963A1/de
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/083—Separating products
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D19/00—Degasification of liquids
    • B01D19/0042—Degasification of liquids modifying the liquid flow
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/087—Recycling of electrolyte to electrochemical cell
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to a system comprising several electrolysis devices with oxygen pre-separation.
  • DE 10 2017 108 413 A1 discloses an electrolysis device with a cell stack composed of multiple cell stack elements.
  • the electrolysis device known from this prior art comprises a force application unit, via which a force can be exerted on the cell stack in order to press the cell stack elements of the cell stack together in a fluid-tight manner.
  • the force application unit comprises opposing end plates, between which the cell stack is arranged and pressed together.
  • the force application unit comprises pressing devices comprising spring elements and struts, wherein the spring force of the spring elements presses the end plates against one another, pressing the cell stack together.
  • Connections are formed on the end plates of the electrolysis device, namely water supply connections, water discharge connections, and hydrogen connections. Water is supplied to the electrolysis device via the water supply connections, and water and oxygen are discharged from the electrolysis device via the water discharge connections.
  • the hydrogen connections serve to discharge the hydrogen produced during electrolysis.
  • EP 2 377 972 A1 discloses a device for producing hydrogen comprising an electrolyzer and a water separation device.
  • the water separation device serves to dry the hydrogen produced during electrolysis, i.e., to separate water from the hydrogen produced.
  • the water separation device has several separation stages, namely several thermal separation stages.
  • EP 2 163 290 A1 discloses a separation tank for operating an electrolyzer.
  • the separation tank disclosed therein comprises a cyclone separator.
  • a mixture of water and oxygen can be supplied to the separation tank via a first connection.
  • the oxygen can be separated using the cyclone separator, with water leaving the separation tank via a first connection and oxygen leaving via a second connection.
  • the mixture of water and oxygen leaving the system's electrolysis devices is conveyed via relatively long pipelines to an oxygen separator, where the oxygen is separated from the water.
  • the oxygen separators known from practice are large components that require a lot of space in the hydrogen production system.
  • the pipelines leading from the electrolysis devices to the oxygen separator are long and have a large diameter.
  • the present invention is based on the object of creating a novel system comprising several electrolysis devices.
  • a system comprising a plurality of electrolysis devices according to claim 1.
  • the system has at least one on the frame or shelf and/or in the frame or shelf and/or in the immediate vicinity of the Pre-separators for oxygen are installed on a rack or shelf to separate oxygen from the water discharged from the electrolysis devices.
  • the electrolysis device(s) according to the invention are PEM (Polymer Exchange Membrane) electrolysis devices.
  • a PEM electrolysis device consists of a cell stack of individual electrolysis cells sandwiched between end plates, with each electrolysis cell comprising a polymer exchange membrane arranged between two half-cells.
  • Each electrolysis device comprises a water side (first half-cells) and a hydrogen side (opposite half-cells).
  • PEM electrolysis is characterized by the transfer of hydrogen ions, which pass through the PEM from the water side to the hydrogen side.
  • the system according to the invention is therefore a PEM system, i.e., a system with PEM-type electrolysis devices.
  • the PEM system has a process water circuit in which process water is passed through the water side of the electrolysis devices. A portion of the process water is split into hydrogen and oxygen; the remaining portion of the process water, which primarily serves for cooling, is returned, treated if necessary, and passed through the electrolysis devices again.
  • Hydrogen produced on the hydrogen side of an electrolysis device is removed.
  • the removed hydrogen is typically freed from residual water or moisture through one or more drying stages.
  • oxygen separation means the separation of gaseous oxygen from a two-phase flow containing liquid water alongside the gaseous oxygen. This involves the separation of gas (oxygen) from a liquid phase (water).
  • the oxygen separation according to the invention relates exclusively to the oxygen separation in the process water circuit, ie removal of unwanted Oxygen from the process water.
  • the invention does not relate to hydrogen treatment. In particular, it does not relate to hydrogen separation or hydrogen drying.
  • the invention also does not relate to other gas drying methods, in particular, oxygen drying, in which water is separated from a gas stream, for example, by thermally induced condensation.
  • the invention also relates to a pre-separator for pre-separating oxygen in an electrolysis device and its use in a system comprising at least one electrolysis device.
  • the pre-separator is associated with the process water circuit, i.e., coupled to it and arranged in the process water circuit.
  • At least one pre-separator for oxygen is installed on the frame or shelf and/or in the frame or shelf and/or in the immediate vicinity of the frame or shelf that accommodates the plurality of electrolysis devices.
  • the invention therefore proposes carrying out oxygen separation in the frame or shelf accommodating the electrolysis devices and/or on the frame or shelf accommodating the electrolysis devices and/or in the immediate vicinity of the frame or shelf accommodating the electrolysis devices. This makes it possible to reduce the piping effort for conveying the mixture of water and oxygen compared to systems known from practice. A mixture of water and oxygen, from which a large portion of the oxygen has already been separated, is led to a final separator (also referred to as the main separator).
  • the final separator is preferably designed as a device that is arranged in a separate frame at a distance from the frame or shelf of the electrolysis devices.
  • the final separator serves to reduce the oxygen content of the process water (also referred to as water for short) conducted in a process water circuit of the system to or below a defined oxygen content. It is designed in particular to remove the (residual) oxygen present in the process water in the form of small bubbles and vesicles (microbubbles) essentially completely or at least below a predefined limit. These bubbles and vesicles, and in particular microbubbles, can have diameters of less than 1 mm. These must also be removed because they lead to cavitation in downstream pumps, heat exchangers and/or resin ion exchangers. The design effort for removing the (residual) oxygen is high.
  • the final separator is assigned to the process water circuit, coupled to it or located within it.
  • the pre-separator(s) used according to the invention are of simple construction and serve to separate only the 'coarse' air components in the process water and are not designed or suitable to sufficiently separate bubbles and vesicles, and in particular microbubbles.
  • the invention When using a main separator, the invention is characterized by the fact that (at least) two-stage oxygen separation from the process water takes place in the process water circuit, with the first stage being realized by (one or more) pre-separators and the second stage by the main separator.
  • the main separator is hydraulically coupled to the or each pre-separator with respect to the process water circuit.
  • the pre-separators and main separators are arranged in the process water circuit.
  • at least one individual oxygen pre-separator is installed on the rack or shelf and/or in the rack or shelf for each electrolysis device.
  • a common oxygen pre-separator is installed on the rack or shelf and/or in the rack or shelf and/or in the immediate vicinity of the rack or shelf for all electrolysis devices.
  • a cascade-specific oxygen pre-separator is installed on the rack or shelf and/or in the rack or shelf and/or in the immediate vicinity of the rack or shelf for each cascade of electrolysis devices connected in series.
  • the respective pre-separator and the lines leading to and from the respective pre-separator are made of plastic. If the pre-separator and preferably also the lines leading to and from the respective pre-separator for conveying the water are made of plastic, there is no risk of, for example, metal ions being introduced into the water and thus contaminating the process water. The water can therefore be reused after the oxygen has been separated and fed back into the electrolysis devices to generate hydrogen.
  • the respective pre-separator is designed such that the oxygen separation rate in it is between 30% and 95%, preferably between 50% and 95%, particularly preferably between 80% and 95%.
  • the residence time of water introduced into the pre-separator is approximately 40% to 60% of the time required for oxygen bubbles to This drastically reduces the amount of oxygen that needs to be piped from the rack or shelf housing the electrolysis devices to a final separator. Ultimately, this can reduce the effort required to separate oxygen from the water.
  • the respective pre-separator has a flow area for water and, above the latter, a collection area for oxygen, wherein oxygen can be discharged from the collection area via an oxygen outlet in such a way that water pressure loss is limited.
  • a throttle or valve is assigned to the oxygen outlet, which opens or closes further depending on a measured variable, e.g., a water pressure or oxygen pressure, a water level in the pre-separator, mechanical vibrations, or another air sensor (air sensor) that directly or indirectly detects the presence of air to be separated.
  • a measured variable e.g., a water pressure or oxygen pressure, a water level in the pre-separator, mechanical vibrations, or another air sensor (air sensor) that directly or indirectly detects the presence of air to be separated.
  • the throttle or valve can be controlled via an active or passive actuator.
  • a suitable passive actuator is a float positioned in the pre-separator, which opens or closes the throttle or valve depending on the changing water level in the pre-separator or the air above it.
  • the valve is then a float valve, whose float acts as an indirect air sensor.
  • An electromagnet preferably integrated into the throttle or valve, can be used as an active actuator. This solenoid is controlled depending on a measurement signal and opens or closes the throttle or valve. All air sensors that detect the presence of air are suitable for generating the measurement signal. directly or indirectly. These include optical sensors such as distance sensors for determining the water level, electromagnetic sensors for detecting the presence of air versus water, e.g., using the phenomenon of light refraction at media transitions, or vibration sensors calibrated to detect different vibration patterns of air or water flow. As mentioned above, water or air can also be detected via pressure fluctuations.
  • the respective pre-separator has an inlet for the mixture of water and oxygen on a first vertical wall, an outlet for water below the inlet, and an outlet for oxygen above the inlet.
  • a partition wall extends from the first vertical wall towards an opposite second vertical wall, is directed downwards towards the second wall, and ends at a distance from the second wall.
  • the outlet for oxygen is formed adjacent to the second vertical wall in the region of an upper wall of the respective pre-separator, said upper wall extending obliquely upwards from the first vertical wall towards the second vertical wall.
  • two or more of the electrolysis devices of the system according to the invention are hydraulically connected in series, so that the water emerging from the water discharge connection of one electrolysis device is introduced into the water inlet connection of the or a subsequent electrolysis device.
  • An oxygen pre-separator is arranged between each of the electrolysis devices hydraulically connected in series. Only because the oxygen released during electrolysis is removed from the water circuit immediately after release via the oxygen pre-separator, it is technically feasible to feed the thus treated water directly into a subsequent electrolysis device. Without the Without oxygen pre-separation, a hydraulic series connection would not be possible without disproportionate performance losses, since the oxygen-enriched process water would negatively influence the electrolysis efficiency.
  • no more than four, and particularly preferably exactly three, electrolysis devices are hydraulically connected in series.
  • Limiting the number of electrolysis devices to four or three in series has the advantage that the process-related heating (waste heat) of the process water can be kept within controlled limits. Since the temperature of the process water increases by a temperature delta AT each time it flows through an electrolysis device, the total delta of the temperature increase can be limited to a multiple of AT corresponding to the number of electrolysis devices, for example, to 3x AT for three electrolysis devices hydraulically connected in series. Thus, each electrolysis device experiences an essentially identical AT, starting from a respective increasing initial temperature level.
  • the system of electrolysis devices is operated in such a way that process water is conveyed successively from a first to a second - and optionally to a third, fourth, fifth... - subsequent electrolysis device, wherein oxygen is separated from the process water between each of the successive electrolysis devices.
  • Other hydraulic connections of individual electrolysis devices are possible.
  • the system of electrolysis devices is expediently arranged in a housing, such as in particular a container, whereby the oxygen separated via the individual pre-separators is directly
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first system according to the invention comprising several electrolysis devices for producing hydrogen from water by means of electric current,
  • Fig. 2 is a schematic representation of a second system according to the invention comprising several electrolysis devices for producing hydrogen from water by means of electric current,
  • Fig. 3 is a schematic representation of a third system according to the invention comprising several electrolysis devices for producing hydrogen from water by means of electric current,
  • Fig. 4 is a schematic representation of a pre-separator for oxygen of a system according to the invention comprising several electrolysis devices.
  • Fig. 1 shows a schematic view of a first system according to the invention comprising a plurality of electrolysis devices 10.
  • the electrolysis devices 10 each have a cell stack 11 composed of a plurality of cell stack elements 12, namely a plurality of electrolysis cells.
  • the cell stack 11 of the respective electrolysis device 10, composed of the plurality of cell stack elements 12, is pressed together in a fluid-tight manner by a force application unit 13 of the respective electrolysis device 10.
  • the force application unit 13 of the respective electrolysis device 10 has end plates 14, 15, between which the cell stack 11 of the respective electrolysis device 10 is arranged and pressed. In order to press the cell stack 11 between the end plates 14, 15, the force application unit 13 of the respective electrolysis device 10 further has a pressing device (not shown).
  • each electrolysis device 10 and thus the system comprising a plurality of electrolysis devices 10 serves to produce hydrogen H2 from water H2O.
  • Oxygen O2 is also produced in the process.
  • Each electrolysis device 10 has water connections via which, on the one hand, water H2O can be supplied to the electrolysis device 10 and from which, on the other hand, water H2O and preferably also oxygen O2 can be discharged from the electrolysis device 10.
  • each electrolysis device 10 has hydrogen connections which serve to discharge the hydrogen H2 from the electrolysis device 10. Fig.
  • FIG. 2 shows a water supply connection 16 and a water discharge connection 17 for each electrolysis device 10, wherein the respective water supply connection 16 serves to supply water H2O to the respective electrolysis device 10 and the respective water discharge connection 17 serves to discharge water H2O and oxygen O2 from the respective electrolysis device 10.
  • the electrolysis devices 10 shown in Fig. 1 are connected in series and thus combined to form a cascade 18 of electrolysis devices 10.
  • a mixture of water and oxygen leaving the left electrolysis device 11 shown in Fig. 1 via the water discharge connection 17 thereof can be fed in the direction of the water supply connection 16 of the electrolysis device 11 connected downstream of this electrolysis device 11 in the cascade 18.
  • the electrolysis devices 10 are accommodated in a frame or shelf 19.
  • the system comprising the electrolysis devices 10 accommodated in the frame or shelf 19 comprises at least one oxygen pre-separator 20, which is installed on the frame or shelf 19 and/or in the frame or shelf 19 and/or in the immediate vicinity of the frame or shelf 19 and which serves to separate oxygen from the water discharged by the electrolysis devices 10.
  • each electrolysis device 10 is assigned an individual pre-separator 20, which is installed in and/or on the frame or shelf 19 in the immediate vicinity of the respective electrolysis device 10.
  • the pre-separators 20 are assigned to the water side of each electrolysis device, i.e., are hydraulically arranged in the process water circuit.
  • the mixture of water and oxygen that leaves the respective electrolysis device 10 via the respective water discharge connection 17 is passed through the pre-separator 20 operatively connected to the respective electrolysis device 10 in order to individually separate oxygen from the water discharged from the respective electrolysis device 10 in the immediate vicinity of the respective electrolysis device 10.
  • the mixture of water and oxygen is fed to a final separator 21 in order to separate as much residual oxygen as possible from the water in the final separator 21.
  • the final separator 21 is assigned to the process water circuit, i.e., hydraulically arranged in the process water circuit.
  • the water obtained in this way which is largely free of oxygen, is fed via a pump 22 back to the electrolysis devices 10 of the cascade 18 shown there, in order to reuse the water for electrolysis.
  • the electrolysis devices 11 accommodated in the rack or frame 19 are arranged together with the pre-separators 20 and together with the final separator 21 in an enclosed space or a container 23 which delimits an explosion-hazardous area of the system.
  • each pre-separator 20 is assigned an individual vent line 24 for the oxygen separated in the respective pre-separator 20, via which the separated oxygen can be removed from the potentially explosive area of the container 23.
  • the vent lines 24 lead from the potentially explosive area of the container 23 into the environment of the container 23.
  • the individual vent lines 24 of the respective pre-separators 20, which interact with the pre-separators 20, open into a common collecting line 25, which leads to a vent line 26 of the final oxygen separator 21. From this vent line 26, the oxygen is ultimately released into the environment in a controlled manner or can be collected in a container.
  • a siphon 27 can be installed to separate water from the oxygen being blown off.
  • the water separated from the oxygen being blown off in the region of the respective siphon 27 of the respective pre-separator 20 is returned via respective drip lines 28, namely directly downstream of the respective pre-separator 20 into the water leaving the respective pre-separator 20.
  • the water separated from the oxygen in the area of the siphon 27 of the blow-off line 26 of the final separator 21 can be fed to a waste water line 31 via a line 29, which is preferably assigned a valve 30.
  • Fig. 2 shows a system for producing water from hydrogen with three cascades 18, each consisting of several electrolysis devices 10 connected in series, all of which are mounted on a common rack or frame 19.
  • each cascade 18 is assigned an individual pre-separator 20 for oxygen, which is mounted in and/or on the rack or frame 19.
  • a pre-separator 20 is not operatively connected to each of the electrolysis devices 10; rather, a pre-separator 20 is operatively connected to each cascade 18 of series-connected electrolysis devices 18.
  • This pre-separator 20 is installed in and/or on the rack or frame 19 and thus, in the immediate vicinity of the electrolysis devices 10 or cascades 18, carries out a pre-separation of oxygen from the mixture of water and oxygen leaving the cascade 18.
  • the embodiment of Fig. 2 corresponds to the embodiment of Fig. 1, so that to avoid unnecessary repetition, the same reference numerals are used for the same components and reference is made to the above explanations regarding the embodiment of Fig. 1.
  • FIG. 3 shows a modification of the system of Fig. 2, wherein in the system of Fig. 3, a common pre-separator 20 is installed on the frame or shelf 19 for all electrolysis devices 10 of all cascades 18 shown, in the immediate vicinity of the frame or shelf 19.
  • This pre-separator 20 can also be installed in the frame 19. This also makes it possible to separate oxygen from the water leaving the electrolysis devices 10 in the immediate vicinity of the frame 19 and thus in the immediate vicinity of the electrolysis devices 10 accommodated by the frame 19, so that the final separator 21 can be dimensioned smaller, as can the pipes leading to the final separator 21 for conveying the water.
  • the respective pre-separator 20 of the embodiments of Figs. 1, 2 and 3 is preferably designed such that the oxygen separation rate therein is between 30% and 95%, preferably between 50% and 95%, particularly preferably between 80% and 95%.
  • the separation rate refers to the mixture of water and oxygen entering the respective pre-separator 20
  • the mixture of water and oxygen leaving the respective pre-separator 20 has 30% to 95%, preferably 50% to 95%, particularly preferably 80% to 95%, less oxygen than the mixture of water and oxygen entering the respective pre-separator 20.
  • the separation rate of the respective pre-separator 20 also applies to the narrow separator 21.
  • the respective pre-separator 20 is designed such that the relative separation rate of oxygen from water therein is at least 30%, preferably at least 50%, particularly preferably at least 80% relative to the separation rate of the main separator 21.
  • each electrolysis device 10 is assigned an individual pre-separator 20
  • the respective pre-separator 20 is designed in particular such that the water leaving the respective pre-separator 20 contains a maximum of 15% to 30% or a maximum of 20% to 25% more oxygen than the water entering the respective electrolysis device 10 assigned to this pre-separator 20. This ensures that effective electrolysis of water and thus effective production of hydrogen is also possible in the electrolysis devices 10 following in a cascade.
  • Fig. 4 shows a preferred embodiment of a pre-separator 20.
  • the pre-separator 20 has a housing 32, wherein in Fig. 4 a first, vertically running housing wall 33 and a second, vertically running housing wall 34 opposite this first, vertically running housing wall 33 are shown. Between these vertically running housing walls 33, 34 extend a lower wall 35 and an upper wall 36 of the housing 33, wherein the lower wall 35 can also be referred to as the bottom wall and the upper wall 36 can also be referred to as the roof wall.
  • An inlet 37 for the mixture of water and oxygen entering the pre-separator 20 is formed on the housing 32. This inlet 37 is formed on the first housing wall 33 at an upper section thereof.
  • the housing 32 of the pre-separator 20 defines a flow area 40 for the water and a collection area 41 for the separated oxygen. Starting from this collection area 41 for the oxygen, the separated oxygen can be blown off via the outlet 39.
  • the pre-separator 20 is preferably designed such that the residence time of water introduced into the pre-separator 20 via the inlet 37 is 40% to 60% of the time required for oxygen bubbles to rise within the pre-separator 20. For this purpose, in the exemplary embodiment of Fig.
  • the flow region 40 of the pre-separator 20 is divided into two sub-regions by a partition wall 42, which are connected to one another in the region of the second vertically extending wall 34.
  • the partition wall 42 extends downward from the first vertically extending wall 33 of the pre-separator 20 from a region formed between the two connections 37, 38 in the direction of the second vertically extending wall 34 of the housing 32 opposite the first vertically extending wall 33, and ends at a distance from the second, vertically extending housing wall 34.
  • the upper wall 36 of the housing 32 extends upwards from the first vertical wall 33 towards the opposite second vertical wall 34 of the housing 32.
  • the residence time of the water is advantageously adjusted in relation to the rising time of the oxygen bubbles, and on the other hand, a desired separation rate for oxygen of at least 30% to 95%, preferably of at least 50% to 95%, particularly preferably of between 80% and 95%, is made possible by simple means.
  • a throttle or valve 43 In the area of the oxygen outlet 39, through which the separated oxygen can be blown out of the pre-separator 20, a throttle or valve 43 is provided, which can be opened and closed passively or actively. This serves in particular to maintain the water pressure, thus preventing excessive pressure loss of the water as it flows through the pre-separator 20.
  • a control or regulating device opens or closes the throttle or valve 43 depending on the pressure of the water in the pre-separator 20 or depending on the pressure of the water immediately upstream of the pre-separator 20.
  • Fig. 4 shows an active control for the throttle or valve 43 using a control device 44, which further opens or closes the throttle or valve 43 depending on the measurement signal from an air sensor 45.
  • the air sensor 45 can, for example, be a pressure sensor, which then further opens or closes the throttle or valve 43 depending on the oxygen pressure in the pre-separator 20.
  • the above-mentioned passive or active control of the opening position of the throttle or valve 43 is preferably dependent on the water pressure in or upstream of the pre-separator 20 or dependent on the oxygen pressure in the pre-separator 20.
  • the valve 43 which is installed in the area of the outlet 39 of the respective pre-separator 20, is not a float valve. It should also be noted that the pre-separator 20 does not have a sponge structure for separating the oxygen. Therefore, the mixture of water and oxygen can flow freely through the pre-separator 20. Only the partition wall 42 directs the flow and divides the flow area of the pre-separator 20 for the water into interconnected sub-areas.
  • the partition wall 41 of the respective pre-separator 20 forms a collecting area for oxygen bubbles, which then, starting from the partition wall 42, reach the collecting area 41 of the respective pre-separator 20.
  • the partition wall 41 of the respective pre-separator 20 ensures an angled flow of the water through the flow area 40 of the respective pre-separator 20.
  • the pre-separators 20 have a base area that approximately corresponds to the base area of an end plate 14, 15 of the respective electrolysis device 10.
  • the base area refers to the horizontal dimension of the respective pre-separator.
  • the height and thus vertical dimension of the pre-separators 20 shown in Fig. 1 is preferably a maximum of 60 cm, preferably a maximum of 50 cm.
  • the respective pre-separator 20 can be an integral component of the respective electrolysis device 10 and can be mounted together with the respective electrolysis device 10 in and/or on the frame or frame 19.
  • the invention enables the provision of an efficient system of electrolysis devices 10, which serves to produce hydrogen through the electrolysis of water. Oxygen produced during electrolysis can be efficiently separated.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

System aus mehreren in einem Gestell oder Regal (19) aufgenommenen Elektrolysevorrichtungen (10) zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom, wobei jede Elektrolysevorrichtung (10) zumindest folgendes aufweist: einen Zellstapel (11) aus mehreren als Elektrolysezellen ausgebildeten Zellstapelelementen (12); sich gegenüberliegende Endplatten (14, 15), wobei der Zellstapel (11) aus den Zellstapelelementen (12) zwischen den Endplatten (14, 15) angeordnet und verpresst ist; mindestens einen an den Endplatten (14, 15) ausgebildeten Wasserzuleitungsanschluss (16), über welchen der jeweiligen Elektrolysevorrichtung (10) Wasser zuführbar ist, und mindestens einen an den Endplatten (14, 15) ausgebildeten Wasserableitungsanschluss (17), über welchen von der jeweiligen Elektrolysevorrichtung (10) Wasser und Sauerstoff abführbar ist. Am Gestell oder Regal (19) und/oder im Gestell oder Regal (19) und/oder in unmittelbarer Nähe zum Gestell oder Regal (19) ist mindestens ein Vorabscheider (20) für Sauerstoff verbaut, um aus dem von den Elektrolysevorrichtungen (10) abgeführten Wasser Sauerstoff abzuscheiden.

Description

Elektrolysesystem mit Sauerstoffvorabscheidung
Die Erfindung betrifft ein System aus mehreren Elektrolysevorrichtungen mit Sauerstoffvorabscheidung.
DE 10 2017 108 413 A1 offenbart eine Elektrolysevorrichtung mit einem Zellstapel aus mehreren Zellstapelelementen. Ferner weist die aus diesem Stand der Technik bekannte Elektrolysevorrichtung eine Kraftbeaufschlagungseinheit auf, über die eine Kraft auf den Zellstapel ausgeübt werden kann, um die Zellstapelelemente des Zellstapels fluiddicht zu verpressen. Die Kraftbeaufschlagungseinheit weist sich gegenüberliegende Endplatten auf, zwischen welchen der Zellstapel angeordnet und verpresset ist. Ferner weist die Kraftbeaufschlagungseinheit Federelemente und Streben umfassende Verpresseinrichtungen auf, wobei die Federkraft der Federelemente die Endplatten unter Verpressen des Zellstapels gegeneinanderdrückt. An den Endplatten der Elektrolysevorrichtung sind Anschlüsse ausgebildet, nämlich Wasserzuleitungsanschlüsse, Wasserableitungsanschlüsse und Wasserstoffanschlüsse. Über die Wasserzuleitungsanschlüsse wird der Elektrolysevorrichtung Wasser zugeführt, über die Wasserableitungsanschlüsse wird Wasser und Sauerstoff von der Elektrolysevorrichtung abgeführt. Die Wasserstoffanschlüsse dienen dem Abführen des bei der Elektrolyse gewonnenen Wasserstoffs.
EP 2 377 972 A1 offenbart ein Gerät zur Erzeugung von Wasserstoff mit einem Elektrolyseur und einer Wasserabscheideeinrichtung. Die Wasserabscheideeinrichtung dient der Trocknung des bei der Elektrolyse gewonnenen Wasserstoffs, also der Abscheidung von Wasser aus dem gewonnenen Wasserstoff. Die Wasserabscheideeinrichtung weist mehrere Abscheidestufen auf, nämlich mehrere thermische Abscheidestufen. EP 2 163 290 A1 offenbart einen Abscheidebehälter für den Betrieb eines Elektrolyseurs. Der dort offenbarte Abscheidebehälter weist einen Zyklonabscheider auf. Dem Abscheidebehälter ist über einen ersten Anschluss ein Gemisch aus Wasser und Sauerstoff zuführbar. Der Sauerstoff kann mithilfe des Zyklonabscheiders abgeschieden werden, wobei den Abscheidebehälter Wasser über einen ersten Leitungsanschluss und Sauerstoff über einen zweiten Leitungsanschluss verlässt.
Bei aus der Praxis bekannten Systemen zur Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser wird das Gemisch aus Wasser und Sauerstoff, welches die Elektrolysevorrichtungen des Systems verlässt, über relativ lange Rohrleitungen zu einem Sauerstoffabscheider geführt, in welchem der Sauerstoff aus dem Wasser abgeschieden wird. Bei den aus der Praxis bekannten Sauerstoffabscheidern handelt es sich um große Bauteile, die in dem System zur Gewinnung von Wasserstoff viel Bauraum benötigen. Die von den Elektrolysevorrichtungen zu dem Sauerstoffabscheider führenden Rohrleitungen sind lang und wiesen einen großen Durchmesser auf.
Es besteht Bedarf an einem System aus mehreren Elektrolysevorrichtungen zur Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser, bei welchem der Aufwand und Bauraumbedarf für die Sauerstoffabscheidung in einem Prozesswasserkreislauf reduziert werden kann.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges System aus mehreren Elektrolysevorrichtungen schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein System aus mehreren Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 1. Erfindungsgemäß weist das System mindestens einen am Gestell oder Regal und/oder im Gestell oder Regal und/oder in unmittelbarer Nähe zum Gestell oder Regal verbauten Vorabscheider für Sauerstoff auf, um aus dem von den Elektrolysevorrichtungen abgeführten Wasser Sauerstoff abzuscheiden.
Bei der bzw. den erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung/en handelt es sich um Elektrolysevorrichtungen der PEM-Bauart (PEM = Polymer Exchange Membrane, zu deutsch Protonenaustauschmembran). Eine PEM-Elektrolysevorrichtung besteht aus einem Zellstapel einzelner zwischen Endplatten miteinander verprasster Elektrolysezellen, wobei jede Elektrolysezelle eine zwischen zwei Halbzellen angeordnete Polymeraustauschmembran umfasst. Jede Elektrolysevorrichtung umfasst eine Wasserseite (erste Halbzellen) und eine Wasserstoffseite (gegenüberliegende Halbzellen). Die PEM-Elektrolyse zeichnet sich durch den Übertritt von Wasserstoffionen aus, die durch die PEM von der Wasserseite auf die Wasserstoffseite übertraten.
Bei dem erfindungsgemäßen System handelt es sich folglich um ein PEM-System, d.h. ein System mit Elektrolysevorrichtungen der PEM-Bauart. Das PEM-System weist einen Prozesswasserkreislauf auf, in dem Prozesswasser über die Wasserseite der Elektrolysevorrichtungen geleitet wird. Ein Anteil des Prozesswassers wird in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten; der übrige Anteil des Prozesswassers, der vornehmlich der Kühlung dient, wird zurückgeleitet, ggfs. aufbereitet und erneut über die Elektrolysevorrichtungen geleitet.
Auf der Wasserstoffseite einer Elektrolysevorrichtung entstehender Wasserstoff wird abgeleitet. Der abgeleitete Wasserstoff wird üblicherweise über eine oder mehrere Trocknungsstufen von Restwasser oder -feuchte befreit.
Im Sinne dieser Schrift bedeutet Sauerstoffabscheidung die Abscheidung von gasförmigem Sauerstoff aus einer Zweiphasenströmung, in der neben dem gasförmigen Sauerstoff flüssiges Wasser geführt wird. Es handelt sich also um eine Gasabscheidung (Sauerstoff) aus einer Flüssigphase (Wasser).
Die erfindungsgemäße Sauerstoffabscheidung betrifft ausschließlich die Sauerstoffabscheidung im Prozesswasserkreislauf, d.h. Entfernung von unerwünschtem Sauerstoff aus dem Prozesswasser. Die Erfindung betrifft keine Wasserstoffbehandlung. Sie betrifft insbesondere keine Wasserstoffabscheidung und auch keine Wasserstofftrocknung. Die Erfindung betrifft auch nicht das Gebiet einer anderweitigen Gastrocknung, insbesondere nicht das Gebiet einer Sauerstofftrocknung, bei der Wasser z.B. durch thermisch induzierte Kondensation aus einem Gasstrom abgeschieden wird.
Die Erfindung betrifft auch einen Vorabscheider zur Vorabscheidung von Sauerstoff in einer Elektrolysevorrichtung sowie dessen Verwendung in einem System umfassend mindestens eine Elektrolysevorrichtung. Der Vorabscheider ist dem Prozesswasserkreislauf zugeordnet, d.h. mit diesem gekoppelt und in dem Prozesswasserkreislauf angeordnet.
Erfindungsgemäß ist am Gestell oder Regal und/oder im Gestell oder Regal und/oder in unmittelbarer Nähe zu dem Gestell oder Regal, welches die mehreren Elektrolysevorrichtungen aufnimmt, mindestens ein Vorabscheider für Sauerstoff verbaut. Die Erfindung schlägt demnach vor, im die Elektrolysevorrichtungen aufnehmenden Gestell oder Regal und/oder am die Elektrolysevorrichtungen aufnehmenden Gestell oder Regal und/oder in unmittelbarer Nähe zum die Elektrolysevorrichtungen aufnehmenden Gestell oder Regal eine Sauerstoffabscheidung vorzunehmen. Hierdurch kann der Verrohrungsaufwand zur Leitung des Gemischs aus Wasser und Sauerstoff gegenüber aus der Praxis bekannten Systemen reduziert werden. Zu einem Endabscheider (auch als Hauptabscheider bezeichnet) wird ein Gemisch aus Wasser und Sauerstoff geführt, aus welchem bereits ein großer Teil des Sauerstoffs abgeschieden wurde. Hierdurch kann der Endabscheider mit geringerem Bauraumbedarf ausgelegt werden, auch die vom Gestell bzw. Regal zum Endabscheider führenden Wasserleitungen können mit geringerem Aufwand bzw. Bauraumbedarf ausgeführt werden. Der Endabscheider ist vorzugsweise als eine Vorrichtung ausgeführt, die räumlich entfernt von dem Gestell oder Regal der Elektrolysevorrichtungen in einem eigenen Gestell angeordnet ist.
Der Endabscheider dient dazu, den Sauerstoffgehalt des in einem Prozesswasserkreislauf des Systems geführten Prozesswassers (verkürzt auch als Wasser bezeichnet) auf oder unter einen definierten Sauerstoffgehalt zu senken. Er ist insbesondere dazu ausgebildet, auch und besonders den im Prozesswasser in kleinen Blasen und Bläschen (Mikrobläschen) vorliegenden (Rest)Sauerstoff im Wesentlichen vollständig oder aber zumindest unter einen vordefinierten Grenzwert abzuscheiden. Diese Blasen und Bläschen, und insb. Mikrobläschen, können Durchmesser von kleiner 1 mm aufweisen. Auch diese müssen abgeschieden werden, da sie zu Kavitation in nachfolgenden Pumpen, Wärmetauschern und/oder Harzio- nenaustauschern führen. Der konstruktive Aufwand zur Abscheidung des (Rest)Sauerstoffs ist hoch. Der Endabscheider ist dem Prozesswasserkreislauf zugeordnet, mit diesem gekoppelt bzw. in diesem angeordnet.
Der bzw. die erfindungsgemäß verwendeten Vorabscheider sind im Gegensatz zu einem Hauptscheider konstruktiv einfach ausgeführt und dienen dazu, nur die .groben' Luftanteile in dem Prozesswasser abzuscheiden und sind nicht dazu ausgelegt oder geeignet, Blasen und Bläschen, und insb. Mikrobläschen, in hinreichendem Maße abzuscheiden.
Die Erfindung zeichnet sich bei Einsatz eines Hauptabscheiders also dadurch aus, dass in dem Prozesswasserkreislauf eine (mindestens) zweistufige Sauerstoffabscheidung des Sauerstoffs aus dem Prozesswasser erfolgt, wobei die erste Stufe durch (einen oder mehrere) Vorabscheider und die zweite Stufe durch den Hauptabscheider realisiert wird. Der Hauptabscheider ist mit dem oder jedem Vorabscheider hydraulisch in Bezug auf den Prozesswasserkreislauf gekoppelt. Vor- und Hauptabscheider sind in dem Prozesswasserkreislauf angeordnet. Vorzugsweise ist für jede Elektrolysevorrichtung jeweils mindestens ein individueller Vorabscheider für Sauerstoff am Gestell oder Regal und/oder im Gestell oder Regal verbaut ist. Alternativ ist für alle Elektrolysevorrichtung ein gemeinsamer Vorabscheider für Sauerstoff am Gestell oder Regal und/oder im Gestell oder Regal und/oder in unmittelbarer Nähe zum Gestell oder Regal verbaut ist. Bevorzugt ist für jede Kaskade aus in Reihe geschalteten Elektrolysevorrichtungen jeweils ein kaskadenindividueller und für die Elektrolysevorrichtungen der Kaskade gemeinsamer Vorabscheider für Sauerstoff am Gestell oder Regal und/oder im Gestell oder Regal und/oder in unmittelbarer Nähe zum Gestell oder Regal verbaut. Mit allen drei Varianten ist es vorteilhaft möglich, in unmittelbarer Nähe zu den Elektrolysevorrichtungen Sauerstoff aus dem die Elektrolysevorrichtungen verlassenden Wasser abzuscheiden. Hierdurch ist es möglich, den Verrohrungsaufwand zwischen dem Gestell oder Regal und dem Endabscheider zu reduzieren. Ferner kann der Endabscheider mit geringeren Dimensionen ausgeführt werden. Insgesamt ist es möglich, den Aufwand für die Abscheidung von Sauerstoff zu reduzieren.
Vorzugsweise bestehen der jeweilige Vorabscheider und zum jeweiligen Vorabscheider hinführende sowie vom jeweiligen Vorabscheider wegführende Leitungen aus Kunststoff. Dann, wenn der Vorabscheider und vorzugsweise auch die zum jeweiligen Vorabscheider hinführenden sowie vom jeweiligen Vorabscheider wegführenden Leitungen zur Führung des Wassers aus Kunststoff gefertigt sind, besteht keine Gefahr, dass zum Beispiel Metallionen in das Wasser eingetragen werden und so das Prozesswasser kontaminieren. Das Wasser kann demnach nach der Abscheidung des Sauerstoffs wiederverwendet und demnach den Elektrolysevorrichtungen erneut zugeführt werden, um Wasserstoff zu erzeugen.
Vorzugsweise ist der jeweilige Vorabscheider derart ausgelegt, dass in demselben die Abscheiderate des Sauerstoffs zwischen 30% und 95%, bevorzugt zwischen 50% und 95%, besonders bevorzugt zwischen 80% und 95%, beträgt. Hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass eine Verweilzeit von in denselben eingeleitetem Wasser etwa 40% bis 60% derjenigen Zeit beträgt, welche Saustoffblasen zum Aufsteigen innerhalb des jeweilige Vorabscheiders benötigen. Hiermit kann der Anteil des Sauerstoffs, der ausgehend dem die Elektrolysevorrichtungen aufnehmenden Gestell oder Regal über Rohrleitungen zu einem Endabscheider geführt werden muss, drastisch reduziert werden. Letztendlich kann hierdurch der Aufwand für die Abscheidung von Sauerstoff aus dem Wasser reduziert werden.
Vorzugsweise weist der jeweilige Vorabscheider einen Durchlaufbereich für Wasser und oberhalb desselben einen Sammelbereich für Sauerstoff auf, wobei Sauerstoff vom Sammelbereich über einen Auslass für Sauerstoff derart abführbar ist, dass ein Wasserdruckverlust begrenzt ist. Dem Auslass für Sauerstoff ist eine Drossel oder ein Ventil zugeordnet, die oder das abhängig von einer Messgröße, z.B. einem Wasserdruck oder Sauerstoffdruck, einem Wasserfüllstand in dem Vorabscheider, mechanischen Vibrationen oder einer anderen Luftsensorik (Luftsensor), die die Präsenz von abzuscheidender Luft direkt oder indirekt detektiert, weiter öffnet oder weiter schließt. Dies erlaubt eine besonders effiziente Abscheidung des Sauerstoffs aus dem Wasser, und zwar ohne die Gefahr, dass bei der Abscheidung des Sauerstoffs zu viel Wasser bei der Sauerstoffabscheidung mitgenommen wird, und ohne die Gefahr, dass der Wasserdruck zu stark reduziert wird.
Die Drossel oder das Ventil können über aktives oder ein passives Stellglied geregelt sein. Als ein passives Stellglied ist u.a. ein in dem Vorabscheider positionierter Schwimmer geeignet, der in Abhängigkeit von einem veränderlichen Wasserstand in dem Vorabscheider bzw. darüber befindlicher Luft die Drossel oder das Ventil öffnet oder schließt. Bei dem Ventil handelt es sich dann um ein Schwimmerventil, dessen Schwimmer als indirekter Luftsensor fungiert.
Als ein aktives Stellglied kann ein vorzugsweise in die Drossel oder das Ventil integrierter Elektromagnet verwendet werden, der in Abhängigkeit eines Messsignals angesteuert wird und die Drossel oder das Ventil öffnet oder schließt. Zur Erzeugung des Messignals eignen sich alle Luftsensoren, die die Präsenz von Luft direkt oder indirekt detektieren. Dies sind u.a. optische Sensoren wie Abstandssensoren zur Ermittlung des Wasserfüllstands, elektromagnetische Sensoren zur Ermittlung der Präsenz von Luft vs. Wasser, bspw. über das Phänomen der Lichtbrechung bei Medienübergängen, oder Vibrationssensoren, die auf unterschiedliche Vibrationsbilder von Luft- bzw. Wasserströmung kalibriert sind. Wie oben erwähnt, kann Wasser- bzw. Luft auch über Druckschwankungen ermittelt werden.
Andere Arten der Drossel- oder Ventilregelung sind möglich.
Vorzugsweise weist der jeweilige Vorabscheider an einer ersten vertikal verlaufenden Wand einen Einlass für das Gemisch aus Wasser und Sauerstoff, unterhalb des Einlasses einen Auslass für Wasser und oberhalb des Einlasses einen Auslass für Sauerstoff auf, wobei sich ausgehend von der ersten vertikal verlaufenden Wand in Richtung auf eine gegenüberliegende zweite vertikal verlaufende Wand eine Trennwand erstreckt, die in Richtung auf die zweite verlaufende Wand nach unten gerichtet ist und mit Abstand von der zweiten Wand endet. Vorzugsweise ist der Auslass für Sauerstoff benachbart zu der zweiten vertikal verlaufenden Wand im Bereich einer oberen Wand des jeweiligen Vorabscheiders ausgebildet ist, wobei sich diese obere Wand ausgehend von der ersten vertikal verlaufenden Wand in Richtung auf die zweite vertikal verlaufenden Wand nach schräg oben erstreckt. Diese Bauform eines Vorabscheiders erlaubt eine besonders effiziente und vorteilhafte Abscheidung von Sauerstoff aus dem Wasser.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind zwei oder mehr der Elektrolysevorrichtungen des erfindungsgemäßen Systems hydraulisch in Reihe geschaltet, so dass das aus dem Wasserableitungsanschluss austretende Wasser von einer Elektrolysevorrichtung in den Wassereinleitungsanschluss der oder einer darauffolgenden Elektrolysevorrichtung eingeleitet wird. Zwischen den hydraulisch in Reihe geschalteten Elektrolysevorrichtungen ist dabei jeweils ein Sauerstoff-Vorabscheider angeordnet. Erst dadurch, dass der während der Elektrolyse abgespaltene Sauerstoff unmittelbar nach Abspaltung über den Sauerstoff-Vorabscheider aus dem Wasserkreislauf entfernt wird, ist es technisch sinnvoll, das so aufbereitete Wasser unmittelbar in eine darauffolgende Elektrolysevorrichtung einzuleiten. Ohne die Sauerstoffvorabscheidung wäre eine hydraulische Reihenschaltung nicht ohne unverhältnismäßige Leistungseinbußen möglich, da das mit Sauerstoff angereicherte Prozesswasser die Elektrolyseeffizienz negativ beeinflussen würde.
Mit einer Reihenschaltung von Elektrolysevorrichtungen können im Vergleich zu einer Parallelschaltung wesentlich kleinere Prozesswasser-Volumenströme (mit allen damit verbundenen Vorteilen) bei gleicher Wasserstoffproduktionsrate im Prozesswasserkreislauf gefahren werden.
Vorzugsweise sind nicht mehr als vier, besonders bevorzugt genau drei Elektrolysevorrichtungen hydraulisch in Reihe geschaltet. Die Begrenzung auf vier bzw. drei Elektrolysevorrichtungen in Reihe hat den Vorteil, dass die prozessbedingte Erwärmung (Abwärme) des Prozesswassers in kontrollierten Grenzen gehalten werden kann. Da die Temperatur des Prozesswassers sich bei jeder Durchströmung einer Elektrolysevorrichtung um ein Temperaturdelta AT erhöht, kann das Gesamtdelta der Temperaturerhöhung auf das der Anzahl der Elektrolysevorrichtungen entsprechende Vielfache AT beschränkt werden, also bspw. auf 3x AT bei drei hydraulisch in Reihe geschalteten Elektrolysevorrichtungen. Somit erfährt jede Elektrolysevorrichtung ausgehend von einem jeweils ansteigenden Temperaturausgangsniveau ein im Wesentlichen identisches AT.
Durch die Beschränkung der Temperaturspanne in jeder Elektrolysevorrichtung können Degradationseffekte der Zellen der Elektrolysevorrichtung selbst bei im Vergleich zu einer Reihenschaltung erhöhten Temperaturen klein gehalten werden.
Vorteilhaft wird das System an Elektrolysevorrichtungen so betrieben, dass Prozesswasser nacheinander von einer ersten in eine zweite - und gegebenenfalls in eine dritte, vierte, fünfte... - darauffolgende Elektrolysevorrichtung gefördert wird, wobei zwischen jeder der aufeinanderfolgenden Elektrolysevorrichtungen Sauerstoff aus dem Prozesswasser abgeschieden wird. Andere hydraulische Verschaltungen von einzelnen Elektrolysevorrichtungen sind möglich.
Zweckmäßig ist das System der Elektrolysevorrichtungen in einer Behausung, wie insbesondere einem Container, angeordnet, wobei die über der über die einzelnen Vorabscheider abgeschiedene Sauerstoff unmittelbar
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematisierte Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Systems aus mehreren Elektrolysevorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom,
Fig. 2 eine schematisierte Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Systems aus mehreren Elektrolysevorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom,
Fig. 3 eine schematisierte Darstellung eines dritten erfindungsgemäßen Systems aus mehreren Elektrolysevorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom,
Fig. 4 eine schematisierte Darstellung eines Vorabscheiders für Sauerstoff eines erfindungsgemäßen Systems aus mehreren Elektrolysevorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine schematisierte Ansicht eines ersten erfindungsgemäßen Systems aus mehreren Elektrolysevorrichtungen 10. In den Elektrolysevorrichtungen 10 wird über die Elektrolyse von Wasser H2O aus dem Wasser H2O Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 unter Verwendung elektrischer Energie gewonnen. Die Elektrolysevorrichtungen 10 verfügen jeweils über einen Zellstapel 11 aus mehreren Zellstapelelementen 12, nämlich aus mehreren Elektrolysezellen. Der Zellstapel 11 der jeweiligen Elektrolysevorrichtung 10 aus den mehreren Zellstapelelementen 12 ist über eine Kraftbeaufschlagungseinheit 13 der jeweiligen Elektrolysevorrichtung 10 fluiddicht verpresst, wobei die Kraftbeaufschlagungseinheit 13 der jeweiligen Elektrolysevorrichtung 10 Endplatten 14, 15 aufweist, zwischen welchen der Zellstapel 11 der jeweiligen Elektrolysevorrichtung 10 angeordnet und verpresst ist. Um den Zellstapel 11 zwischen den Endplatten 14, 15 zu verpressen, weist die Kraftbeaufschlagungseinheit 13 der jeweiligen Elektrolysevorrichtung 10 weiterhin eine nicht gezeigte Verpresseinrichtung.
Wie bereits ausgeführt, dient jede Elektrolysevorrichtung 10 und damit das System aus mehreren Elektrolysevorrichtungen 10 der Gewinnung von Wasserstoff H2 aus Wasser H2O. Hierbei fällt auch Sauerstoff O2 an. Jede Elektrolysevorrichtung 10 verfügt über Wasseranschlüsse, über die einerseits der Elektrolysevorrichtung 10 Wasser H2O zugeführt und von der andererseits von der Elektrolysevorrichtung 10 Wasser H2O und vorzugsweise auch Sauerstoff O2 abgeführt werden kann. Ferner weist jede Elektrolysevorrichtung 10 Wasserstoffanschlüsse auf, die der Abfuhr des Wasserstoffs H2 von der Elektrolysevorrichtung 10 dienen. In Fig. 2 ist für jede Elektrolysevorrichtung 10 jeweils ein Wasserzuleitungsanschluss 16 und jeweils ein Wasserableitungsanschluss 17 gezeigt, wobei der jeweilige Wasserzuleitungsanschluss 16 der Zufuhr von Wasser H2O zu jeweiligen Elektrolysevorrichtung 10 und der jeweilige Wasserableitungsanschluss 17 der Abfuhr von Wasser H2O und Sauerstoff O2 von der jeweiligen Elektrolysevorrichtung 10 dient.
Die in Fig. 1 gezeigten Elektrolysevorrichtungen 10 sind in Reihe geschaltet und demnach zu einer Kaskade 18 aus Elektrolysevorrichtungen 10 zusammengefasst. Ein die in Fig. 1 gezeigte linke Elektrolysevorrichtung 11 über den Wasserableitungsanschluss 17 derselben verlassendes Gemisch aus Wasser und Sauerstoff ist in Richtung auf den Wasserzuleitungsanschluss 16 der dieser Elektrolysevorrichtung 11 in der Kaskade 18 nachgeschalteten Elektrolysevorrichtung 11 zuführbar. Die Elektrolysevorrichtungen 10 sind einem Gestell oder Regal 19 aufgenommen. Erfindungsgemäß umfasst das System aus den in dem Gestell oder Regal 19 aufgenommenen Elektrolysevorrichtungen 10 mindestens einen Vorabscheider 20 für Sauerstoff, der am Gestell oder Regal 19 und/oder im Gestell oder Regal 19 und/oder in unmittelbarer Nähe zum Gestell oder Regal 19 verbaut ist, und der dem Abscheiden von Sauerstoff aus dem von den Elektrolysevorrichtungen 10 abgeführten Wasser dient.
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist jeder Elektrolysevorrichtung 10 jeweils ein individueller Vorabscheider 20 zugeordnet, der im und/oder am Gestell oder Regal 19 in unmittelbarer Nähe zur jeweiligen Elektrolysevorrichtung 10 verbaut ist. Die Vorabscheider 20 sind der Wasserseite jeder Elektrolysevorrichtung zugeordnet, d.h. hydraulisch in dem Prozesswasserkreislauf angeordnet. Das Gemisch aus Wasser und Sauerstoff, welches die jeweilige Elektrolysevorrichtung 10 über den jeweiligen Wasserableitungsanschluss 17 verlässt, wird über den mit der jeweiligen Elektrolysevorrichtung 10 wirkverbundenen Vorabscheider 20 geführt, um Sauerstoff in unmittelbarer Nähe zur jeweiligen Elektrolysevorrichtung 10 aus dem von der jeweiligen Elektrolysevorrichtung 10 abgeführten Wasser individuell abzuscheiden. Innerhalb der in Fig. 1 gezeigten Kaskade 18 aus Elektrolysevorrichtungen 10 wird demnach unmittelbar nach jeder Elektrolysevorrichtung 10 bereits ein Teil des Sauerstoffs aus dem die jeweilige Elektrolysevorrichtung 10 verlassenden Gemisch aus Wasser und Sauerstoff abgeschieden, sodass der jeweiligen in der Kaskade folgenden Elektrolysevorrichtung 10 ein Gemisch aus Wasser und Sauerstoff mit einem reduzierten Sauerstoffanteil zugeführt wird. So kann die Effizienz der Elektrolyse gesteigert werden.
Stromabwärts der in Fig. 1 gezeigten rechten, letzten Elektrolysevorrichtung der dort gezeigten Kaskade 18 und des dieser Elektrolysevorrichtung 10 zugeordneten, individuellen Vorabscheiders 20 wird das Gemisch aus Wasser und Sauerstoff einem Endabscheider 21 zugeführt, um im Endabscheider 21 so viel wie möglich Restsauerstoff aus dem Wasser abzuscheiden. Der Endabscheider 21 ist dem Prozesswasserkreislauf zugeordnet, d.h. hydraulisch in dem Prozesswasserkreislauf angeordnet. Das hierbei gewonnene, von Sauerstoff weitestgehend befreite Wasser wird über eine Pumpe 22 wieder in Richtung auf die Elektrolysevorrichtungen 10 der dort gezeigten Kaskade 18 geführt, um das Wasser erneut zur Elektrolyse zu nutzen. In diesem Zusammenhang ist es von besonderem Vorteil, wenn sämtliche wasserführenden Leitungen, die Vorabscheider 20 sowie auch der Endabscheider 21 aus Kunststoff bestehen. Dies ist von Vorteil, da hierdurch verhindert wird, dass Metallionen das Wasser kontaminieren. Auch dies ist von Vorteil, um eine effiziente Elektrolyse von Wasser und demnach eine effiziente Gewinnung von Wasserstoff zu ermöglichen.
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die in dem Gestell oder Rahmen 19 aufgenommenen Elektrolysevorrichtungen 11 zusammen mit den Vorab- scheidern 20 sowie zusammen mit dem Endabscheider 21 in einem umschlossenen Raum bzw. einem Container 23 angeordnet, welcher einen explosionsgefährdeten Bereich des Systems begrenzt.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist jedem Vorabscheider 20 eine individuelle Abblasleitung 24 für den im jeweiligen Vorabscheider 20 abgeschiedenen Sauerstoff zugeordnet, über welche der jeweils abgeschiedene Sauerstoff aus dem explosionsgefährdeten Bereich des Containers 23 abgeführt werden kann. So führen die Abblasleitungen 24 vom explosionsgefährdeten Bereich des Containers 23 in die Umgebung des Containers 23. Die mit den Vorabscheidern 20 zusammenwirkenden, individuellen Abblasleitungen 24 der jeweiligen Vorabscheider 20 münden in eine gemeinsame Sammelleitung 25, die zu einer Abblasleitung 26 des Endabscheiders 21 für Sauerstoff führt. Ausgehend von dieser Abblasleitung 26 gelangt dann der Sauerstoff letztendlich kontrolliert in die Umgebung oder kann in einem Behälter gesammelt werden.
Im Bereich jeder der Abblasleitungen 24 der Vorabscheider 20 sowie im Bereich der Abblasleitung 26 des Endabscheiders 21 kann jeweils ein Siphon 27 verbaut sein, um von dem jeweils abgeblasenen Sauerstoff Wasser zu trennen. Das im Bereich des jeweiligen Siphons 27 des jeweiligen Vorabscheiders 20 von dem abgeblasenen Sauerstoff getrennte Wasser wird über jeweilige Tropfleitungen 28 zurückgeführt, nämlich unmittelbar stromabwärts des jeweiligen Vorabscheiders 20 in das den jeweiligen Vorabscheider 20 verlassende Wasser.
Das im Bereich des Siphons 27 der Abblasleitung 26 des Endabscheiders 21 vom Sauerstoff getrennte Wasser kann über eine Leitung 29, der vorzugsweise ein Ventil 30 zugeordnet ist, einer Abwasserleitung 31 zugeführt werden.
Fig. 2 zeigt ein System zur Erzeugung von Wasser aus Wasserstoff mit drei Kaskaden 18 aus jeweils mehreren in Reihe geschalteten Elektrolysevorrichtungen 10, die allesamt an einem gemeinsamen Gestell oder Rahmen 19 verbaut sind. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist jeder Kaskade 18 jeweils ein individueller Vorabscheider 20 für Sauerstoff zugeordnet, der im und/oder am Gestell oder Rahmen 19 verbaut ist.
Im Unterschied zur Fig. 1 ist demnach in Fig. 2 nicht mit jeder der Elektrolysevorrichtungen 10 ein Vorabscheider 20 wirkverbunden, vielmehr ist mit jeder Kaskade 18 aus in Reihe geschalteten Elektrolysevorrichtungen 18 ein Vorabscheider 20 wirkverbunden, der im und/oder am Gestell oder Rahmen 19 verbaut ist und demnach in unmittelbarer Nähe zu den Elektrolysevorrichtungen 10 bzw. Kaskaden 18 eine Vorabscheidung von Sauerstoff aus dem die Kaskade 18 verlassenden Gemisch aus Wasser und Sauerstoff vornimmt. Hinsichtlich aller übrigen Details stimmt das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 überein, sodass zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden und auf die obigen Ausführungen zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 verwiesen wird. Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Systems der Fig. 2, wobei beim System der Fig. 3 für alle Elektrolysevorrichtungen 10 aller gezeigten Kaskaden 18 ein gemeinsamer Vorabscheider 20 in unmittelbarer Nähe zum Gestell oder Regal 19 am Gestell oder Regal 19 verbaut ist. Dieser Vorabscheider 20 kann auch im Gestell 19 verbaut sein. Auch hiermit ist es möglich, in unmittelbarer Nähe zu dem Gestell 19 und damit in unmittelbarer Nähe zu den vom Gestell 19 aufgenommenen Elektrolysevorrichtungen 10 bereits Sauerstoff vom die Elektrolysevorrichtungen 10 verlassenden Wasser abzuscheiden, sodass der Endabscheider 21 kleiner dimensioniert werden kann, ebenso wie zum Endabscheider 21 führende Rohrleitungen zur Führung des Wassers.
Der jeweilige Vorabscheider 20 der Ausführungsbeispiele der Fig. 1 , 2 und 3 ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass in demselben die Abscheiderate des Sauerstoffs zwischen 30% und 95%, bevorzugt zwischen 50% und 95%, besonders bevorzugt zwischen 80% und 95%, beträgt.
Dann, wenn dich die Abscheiderate auf das in den jeweiligen Vorabscheider 20 eintretende Gemisch aus Wasser und Sauerstoff bezieht, weist das den jeweiligen Vorabscheider 20 verlassende Gemisch aus Wasser und Sauerstoff um 30% bis 95%, bevorzugt um 50% bis 95%, besonders bevorzugt um 80% bis 95%, weniger Sauerstoff auf als das in den jeweiligen Vorabscheider 20 eintretende Gemisch aus Wasser und Sauerstoff.
Es kann vorgesehen sein, dass sich die Abscheiderate des jeweiligen Vorabscheiders 20 auch auf den Engabscheider 21 bezieht. Dann ist der jeweilige Vorabscheider 20 derart ausgelegt, dass in demselben die relative Abscheiderate von Sauerstoff aus Wasser mindestens 30%, bevorzugt mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 80% relativ zur Abscheiderate des Hauptabscheiders 21 beträgt. Dann, wenn wie in Fig. 1 gezeigt, jeder Elektrolysevorrichtung 10 ein individueller Vorabscheider 20 zugeordnet ist, ist der jeweilige Vorabscheider 20 insbesondere derart ausgelegt, dass das den jeweiligen Vorabscheider 20 verlassende Wasser maximal 15% bis 30% oder maximal 20% bis 25% mehr Sauerstoff aufweist als das in die jeweilige, diesem Vorabscheider 20 zugeordnete Elektrolysevorrichtung 10 eintretende Wasser. So wird sichergestellt, dass auch in den in einer Kaskade nachfolgenden Elektrolysevorrichtungen 10 eine effektive Elektrolyse von Wasser und demnach effektive Gewinnung von Wasserstoff möglich ist.
Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführung eines Vorabscheiders 20. Der Vorabscheider 20 weist ein Gehäuse 32 auf, wobei in Fig. 4 eine erste, vertikal verlaufende Gehäusewand 33 und eine dieser ersten, vertikal verlaufenden Gehäusewand 33 gegenüberliegende zweite, vertikal verlaufende Gehäusewand 34 gezeigt sind. Zwischen diesen vertikal verlaufenden Gehäusewänden 33, 34 erstreckt sich eine untere Wand 35 und eine obere Wand 36 des Gehäuses 33, wobei die untere Wand 35 auch als Bodenwand und die obere Wand 36 auch als Dachwand bezeichnet werden kann. An dem Gehäuse 32 ist ein Einlass 37 für das in den Vorabscheider 20 eintretende Gemisch aus Wasser und Sauerstoff ausgebildet. Dieser Einlass 37 ist an der ersten Gehäusewand 33 an einem oberen Abschnitt derselben ausgeführt.
Ebenfalls an der ersten Gehäusewand 33 ist unterhalb des Einlasses 37 für das Gemisch aus Wasser und Sauerstoff ein Auslass 38 für Wasser ausgebildet. Im Bereich der oberen Wand 36 ist benachbart zu der der ersten Wand 33 gegenüberliegenden zweiten Wand 37 ein Auslass 39 zum Abblasen von Sauerstoff ausgebildet. Das Gehäuse 32 des Vorabscheiders 20 definiert einen Durchlaufbereich 40 für das Wasser und einen Sammelbereich 41 für den abgeschiedenen Sauerstoff auf. Ausgehend von diesem Sammelbereich 41 für den Sauerstoff kann der abgeschiedene Sauerstoff über den Auslass 39 abgeblasen werden. Der Vorabscheider 20 ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass eine Verweilzeit von in den Vorabscheider 20 über den Einlass 37 eingeleitetem Wasser 40% bis 60% derjenigen Zeit beträgt, welche Sauerstoffblasen zum Aufsteigen innerhalb des Vorabscheiders 20 benötigen. Hierzu ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 der Durchlaufbereich 40 des Vorabscheiders 20 über eine Trennwand 42 in zwei Teilbereiche unterteilt, die im Bereich der zweiten vertikal verlaufenden Wand 34 miteinander verbunden sind. Die Trennwand 42 erstreckt sich ausgehend von der ersten vertikal verlaufenden Wand 33 des Vorabscheiders 20 von einem zwischen den beiden Anschlüssen 37, 38 ausgebildeten Bereich in Richtung auf die der ersten vertikal verlaufenden Wand 33 gegenüberliegende zweite vertikal verlaufende Wand 34 des Gehäuses 32 nach unten und endet mit Abstand von der zweiten, vertikal verlaufenden Gehäusewand 34.
Die obere Wand 36 des Gehäuses 32 erstreckt sich ausgehend von der ersten vertikalen verlaufenden Wand 33 in Richtung auf die gegenüberliegende zweite vertikal verlaufende Wand 34 des Gehäuses 32 nach oben.
Durch diese Ausgestaltung des Vorabscheiders 20 wird einerseits die Verweilzeit des Wassers bezogen auf die Aufsteigzeit der Sauerstoffblasen vorteilhaft eingestellt, andererseits wird eine gewünschte Abscheiderate für Sauerstoff von mindestens 30% bis 95%, bevorzugt von mindestens 50% bis 95%, besonders bevorzugt von zwischen 80% und 95%, mit einfachen Mitteln ermöglicht.
Im Bereich des Auslasses 39 für den Sauerstoff, über weichen der abgeschiedene Sauerstoff aus dem Vorabscheider 20 abgeblasen werden kann, ist eine Drossel oder ein Ventil 43 zugeordnet, welches passiv oder aktiv geöffnet und geschlossen werden kann. Dies dient insbesondere dazu, den Druck des Wassers aufrechtzuerhalten, also einen zu großen Druckverlust des Wassers beim Durchströmen des Vorabscheiders 20 zu verhindern. Dann, wenn die Drossel bzw. das Ventil 43 passiv geöffnet oder geschlossen wird, ist insbesondere vorgesehen, dass ein Steuer- oder Regelgerät die Drossel bzw. das Ventil 43 in Abhängigkeit des Drucks des Wassers im Vorabscheider 20 oder abhängig vom Druck des Wassers unmittelbar stromaufwärts des Vorabscheiders 20 öffnet oder schließt.
Fig. 4 zeigt eine aktive Regelung für die Drossel bzw. das Ventil 43 mithilfe eines Regelgeräts 44, welches die Drossel bzw. das Ventil 43 abhängig von dem Messsignal eines Luftsensors 45 weiter öffnet oder weiter schließt. Bei dem Luftsensor 45 kann es sich zum Beispiel um einen Drucksensor handeln, der dann die Drossel bzw. das Ventil 43 abhängig vom Sauerstoffdruck im Vorabscheider 20 weiter öffnet oder weiter schließt.
Alternativ ist es auch möglich, einen Gegendruck im Auslass 39 dadurch zu beeinflussen, dass der Auslass 39 einen relativ kleinen Durchmesser aufweist. Bevorzugt ist jedoch die oben erwähnte passive oder aktive Regelung der Öffnungsstel- lung der Drossel bzw. des Ventils 43 abhängig vom Druck des Wassers im oder stromaufwärts des Vorabscheiders 20 oder abhängig vom Druck des Sauerstoffs im Vorabscheider 20.
Bei dem Ventil 43, welches im Bereich des Auslasses 39 des jeweiligen Vorabscheiders 20 verbaut ist, handelt es sich um kein Schwimmerventil. Auch soll darauf hingewiesen werden, dass der Vorabscheider 20 keine Schwammstruktur zur Abscheidung des Sauerstoffs aufweist. Demnach kann der Vorabscheider 20 von dem Gemisch aus Wasser und Sauerstoff frei durchströmt werden. Lediglich die Trennwand 42 leitet die Strömung und unterteilt den Durchlaufbereich des Vorabscheiders 20 für das Wasser in miteinander verbundene Teilbereiche.
Die Trennwand 41 des jeweiligen Vorabscheiders 20 bildet einen Auffangbereich für Sauerstoffblasen, die dann ausgehend von der Trennwand 42 in den Sammelbereich 41 des jeweiligen Vorabscheiders 20 gelangen. Die Trennwand 41 des jeweiligen Vorabscheiders 20 sorgt für eine verwinkelte Strömung des Wassers durch den Durchlaufbereich 40 des jeweiligen Vorabscheiders 20.
Insbesondere im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 weisen die Vorabscheider 20 eine Grundfläche auf, die in etwa der Grundfläche einer Endplatte 14, 15 der jeweiligen Elektrolysevorrichtung 10 entspricht. Die Grundfläche bezieht sich dabei auf die horizontale Abmessung des jeweiligen Vorabscheiders. Die Höhe und damit vertikale Abmessung der in Fig. 1 gezeigten Vorabscheider 20 beträgt vorzugsweise maximal 60 cm, vorzugsweise maximal 50 cm. Der jeweilige Vorabscheider 20 kann integraler Bestandteil der jeweiligen Elektrolysevorrichtung 10 sein und zusammen mit der jeweiligen Elektrolysevorrichtung 10 im und/am Gestell oder Rahme 19 montiert sein.
Die Erfindung ermöglicht die Bereitstellung eines effizienten Systems aus Elektrolysevorrichtungen 10, welches der Gewinnung von Wasserstoff über die Elektrolyse von Wasser dient. Bei der Elektrolyse anfallender Sauerstoff kann effizient abgeschieden werden.
Bezugszeichenliste
10 Elektrolysevorrichtung
11 Zellstapel
12 Zellstapelelement
13 Kraftbeaufschlagungseinheit
14 Endplatte
15 Endplatte
16 Wasserzuleitungsanschluss
17 Wasserableitungsanschluss
18 Kaskade
19 Gestell, Regal
20 Vorabscheider
21 Endabscheider
22 Pumpe
23 Container
24 Abblasleitung
25 Sammelleitung
26 Abblasleitung
27 Siphon
28 Tropfleitung
29 Leitung
30 Ventil
31 Abwasserleitung
32 Gehäuse
33 Gehäusewand
34 Gehäusewand
35 untere Wand
36 obere Wand
37 Einlasses
38 Auslass
39 Auslass
40 Durchlaufbereich 41 Sammelbereich
42 Trennwand
43 Ventil
44 Regelgerät 45 Luftsensor

Claims

Ansprüche
1. System aus mehreren in einem Gestell oder Regal (19) aufgenommenen Elektrolysevorrichtungen (10) zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom, wobei jede Elektrolysevorrichtung (10) zumindest folgendes aufweist: einen Zellstapel (11 ) aus mehreren als Elektrolysezellen ausgebildeten Zellstapelelementen (12), sich gegenüberliegende Endplatten (14, 15), wobei der Zellstapel (11 ) aus den Zellstapelelementen (12) zwischen den Endplatten (14, 15) angeordnet und verpresst ist, mindestens einen an den Endplatten (14, 15) ausgebildeten Wasserzuleitungsanschluss (16), über weichen der jeweiligen Elektrolysevorrichtung (10) Wasser zuführbar ist, und mindestens einen an den Endplatten (14, 15) ausgebildeten Wasserableitungsanschluss (17), über weichen von der jeweiligen Elektrolysevorrichtung (10) Wasser und Sauerstoff abführbar ist, gekennzeichnet durch mindestens einen am Gestell oder Regal (19) und/oder im Gestell oder Regal (19) und/oder in unmittelbarer Nähe zum Gestell oder Regal (19) verbauten Vorabscheider (20) für Sauerstoff, um aus dem von den Elektrolysevorrichtungen (10) abgeführten Wasser Sauerstoff abzuscheiden.
2. System nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch einen Hauptabscheider (21 ), der mit dem oder jedem Vorabscheider (20) gekoppelt ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens eine Kaskade (13) aus mehreren in Reihe geschalteten Elektrolysevorrichtungen
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kaskaden (19) parallel geschaltet sind.
5. System nach einem der einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Elektrolysevorrichtung (10) jeweils mindestens ein individueller Vorabscheider (20) für Sauerstoff am Gestell oder Regal (19) und/oder im Gestell oder Regal (19) verbaut ist.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für alle Elektrolysevorrichtung (10) ein gemeinsamer Vorabscheider (20) für Sauerstoff am Gestell oder Regal (19) und/oder im Gestell oder Regal (19) und/oder in unmittelbarer Nähe zum Gestell oder Regal (19) verbaut ist.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Kaskade (13) aus Elektrolysevorrichtungen (10) jeweils ein kaskadenindividueller und für die Elektrolysevorrichtungen (10) der Kaskade (19) gemeinsamer Vorabscheider (20) für Sauerstoff am im Gestell oder Regal (19) und/oder im Gestell oder Regal (19) und/oder in unmittelbarer Nähe zum Gestell oder Regal (19) verbaut ist.
8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Vorabscheider (20) und vorzugsweise zum jeweiligen Vorabscheider (20) hinführende sowie vom jeweiligen Vorabscheider (20) wegführende Leitungen aus Kunststoff bestehen.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Vorabscheider (20) derart ausgelegt ist, dass in demselben die Abscheiderate des Sauerstoffs zwischen 30% und 95%, bevorzugt zwischen 50% und 95%, besonders bevorzugt zwischen 80% und 95%, beträgt.
10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Vorabscheider (20) derart ausgelegt ist, dass eine Verweilzeit von in den Vorabscheider (20) eingeleitetem Wasser etwa 40% bis 60% derjenigen Zeit beträgt, welche Saustoffblasen zum Aufsteigen innerhalb des jeweilige Vorabscheiders benötigen.
11 . System nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Vorabscheider (20) einen Durchlaufbereich (40) für Wasser und oberhalb desselben einen Sammelbereich (41 ) für Sauerstoff aufweist, wobei Sauerstoff vom Sammelbereich (41 ) über einen Auslass (39) für Sauerstoff derart abführbar ist, dass ein Wasserdruckverlust begrenzt ist.
12. System nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Auslass (39) für Sauerstoff eine Drossel oder ein Ventil (43) zugeordnet ist, die oder das abhängig von Luftdetektion mittels eines Luftsensors öffnet oder schließt.
13. System nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Vorabscheider (20) an einer ersten vertikal verlaufenden Wand (33) einen Einlass (37) für das Gemisch aus Wasser und Sauerstoff, unterhalb des Einlasses (37) einen Auslass (38) für Wasser und oberhalb des Einlasses (37) den Auslass (39) für Sauerstoff aufweist, wobei sich ausgehend von der ersten vertikal verlaufenden Wand (33) in Richtung auf eine gegenüberliegende zweite vertikal verlaufenden Wand (34) eine in Richtung auf die zweite vertikal verlaufende Wand (34) nach unten gerichtete Trennwand (42) erstreckt, die mit Abstand von der zweiten Wand (34) endet.
14. System nach Ansprüche 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (39) für Sauerstoff benachbart zu der zweiten vertikal verlaufenden Wand (34) im Bereich einer oberen Wand (36) des jeweiligen Vorabscheiders (20) ausgebildet ist, wobei sich diese obere Wand (36) ausgehend von der ersten vertikal verlaufenden Wand (33) in Richtung auf die zweite vertikal verlaufende Wand (34) nach schräg oben erstreckt.
15. System einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr der Elektrolysevorrichtungen (10) hydraulisch so in Reihe geschalten sind, dass Wasser von einem Wasserableitungsanschluss (17) einer Elektrolysevorrichtung (10) mit dem Wasserzuleitungsanschluss (16) einer darauffolgenden Elektrolysevorrichtung (10) verbunden ist, wobei zwischen dem Wasserableitungsanschluss der einen Elektrolysevorrichtung (10) und dem Wasserzuleitungsanschluss (16) der darauffolgenden Elektrolysevorrichtung (10) der oder ein Vorabscheider (20) für Sauerstoff angeordnet ist.
PCT/EP2025/052186 2024-01-30 2025-01-29 Elektrolysesystem mit sauerstoffvorabscheidung Pending WO2025162963A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102024102527.1A DE102024102527A1 (de) 2024-01-30 2024-01-30 Elektrolysesystem mit Sauerstoffvorabscheidung
DE102024102527.1 2024-01-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2025162963A1 true WO2025162963A1 (de) 2025-08-07

Family

ID=94475797

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2025/052186 Pending WO2025162963A1 (de) 2024-01-30 2025-01-29 Elektrolysesystem mit sauerstoffvorabscheidung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102024102527A1 (de)
WO (1) WO2025162963A1 (de)

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2163290A1 (de) 2008-09-12 2010-03-17 H-TEC Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH Abscheidebehälter
EP2377972A1 (de) 2010-04-19 2011-10-19 H-TEC Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH Gerät zur elektrischen Erzeugung von Wasserstoff
CN202989292U (zh) * 2012-12-08 2013-06-12 哈尔滨德卡尔氢能技术开发有限公司 一种清除发动机积碳的双连体罐自动氢氧机
DE102017108413A1 (de) 2017-04-20 2018-10-25 H-Tec Systems Gmbh Elektrochemievorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Elektrochemievorrichtung
US20210172074A1 (en) * 2017-11-24 2021-06-10 Siemens Aktiengesellschaft Electrolysis unit and electrolyser
CN216891239U (zh) * 2021-11-01 2022-07-05 无锡隆基氢能科技有限公司 电解水制氢系统
CN114807959A (zh) * 2022-03-15 2022-07-29 中国船舶重工集团公司第七一八研究所 一种适用于宽功率波动的高效率制氢系统
CN218989424U (zh) * 2022-09-07 2023-05-09 东莞晖创医疗科技有限公司 一种可调节氢氧气体比例的制氢装置
CN116240567A (zh) * 2023-03-27 2023-06-09 国华能源投资有限公司 电解槽组及碱液电解制氢系统
CN117026268A (zh) * 2023-08-21 2023-11-10 陕西清能动力科技有限公司 一种多槽并联碱性水电解制氢及余热回收系统
CN117070976A (zh) * 2023-08-21 2023-11-17 陕西清能动力科技有限公司 一种多槽串联碱性电解水制氢及余热回收系统

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019238218A1 (de) * 2018-06-12 2019-12-19 Hoeller Electrolyzer Gmbh Verfahren zum betreiben einer wasserelektrolysevorrichtung zur erzeugung von wasserstoff und sauerstoff
EP3599292A1 (de) * 2018-07-27 2020-01-29 Siemens Aktiengesellschaft Elektrolyseeinheit und verfahren zum betreiben der elektrolyseeinheit
GB2584869B (en) * 2019-06-18 2023-11-22 Enapter S R L Liquid degassing means and method
DE102022116183A1 (de) * 2022-06-29 2024-01-04 Baumgartner & Lamperstorfer Instruments GmbH Elektrochemischer stapel
CN115369421A (zh) * 2022-09-21 2022-11-22 宁夏宝丰能源集团股份有限公司 一种电解水制氢装置及系统
CN115404492B (zh) * 2022-09-26 2024-07-23 云南电网有限责任公司电力科学研究院 风光电源制氢装置及其制氢方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2163290A1 (de) 2008-09-12 2010-03-17 H-TEC Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH Abscheidebehälter
EP2377972A1 (de) 2010-04-19 2011-10-19 H-TEC Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH Gerät zur elektrischen Erzeugung von Wasserstoff
CN202989292U (zh) * 2012-12-08 2013-06-12 哈尔滨德卡尔氢能技术开发有限公司 一种清除发动机积碳的双连体罐自动氢氧机
DE102017108413A1 (de) 2017-04-20 2018-10-25 H-Tec Systems Gmbh Elektrochemievorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Elektrochemievorrichtung
US20210172074A1 (en) * 2017-11-24 2021-06-10 Siemens Aktiengesellschaft Electrolysis unit and electrolyser
CN216891239U (zh) * 2021-11-01 2022-07-05 无锡隆基氢能科技有限公司 电解水制氢系统
CN114807959A (zh) * 2022-03-15 2022-07-29 中国船舶重工集团公司第七一八研究所 一种适用于宽功率波动的高效率制氢系统
CN218989424U (zh) * 2022-09-07 2023-05-09 东莞晖创医疗科技有限公司 一种可调节氢氧气体比例的制氢装置
CN116240567A (zh) * 2023-03-27 2023-06-09 国华能源投资有限公司 电解槽组及碱液电解制氢系统
CN117026268A (zh) * 2023-08-21 2023-11-10 陕西清能动力科技有限公司 一种多槽并联碱性水电解制氢及余热回收系统
CN117070976A (zh) * 2023-08-21 2023-11-17 陕西清能动力科技有限公司 一种多槽串联碱性电解水制氢及余热回收系统

Also Published As

Publication number Publication date
DE102024102527A1 (de) 2025-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10260494B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer Reinflüssigkeit aus einer Rohflüssigkeit
DE3890001C2 (de) Schmutzwasserkonzentrationsvorrichtung, deren Verwendung zur Schmutzwasserentsorgung und Schmutzwasserkonzentrationsverfahren
EP2377972B1 (de) Gerät zur elektrischen Erzeugung von Wasserstoff
DE69005458T2 (de) Verdampfer und kondensator.
EP3174622B1 (de) Verfahren zur regeneration einer membranwand in einer destillationsvorrichtung
EP1940527A1 (de) Membran-destillationsverfahren und membran-destillationsvorrichtung
DE112014005057B4 (de) Vorrichtung zur Trocknung von Gärresten
EP2008704A1 (de) Filtrationsanlage mit mehreren parallel geschalteten Filtrationsmodulen
EP2307824A2 (de) Vorrichtung und verfahren zum effizienten oberflächenverdampfen und zum effizienten kondensieren
WO2006058845A1 (de) Verfahren zum betrieb einer dampfkraftanlage, insbesondere einer dampfkraftanlage eines kraftwerks zur erzeugung von zumindest elektrischer energie, und entsprechende dampfkraftanlage
DE1767207A1 (de) Destillationsanlage
WO2025162963A1 (de) Elektrolysesystem mit sauerstoffvorabscheidung
EP3256229B1 (de) Mehrstufige destillationsanlage, verfahren zum betreiben einer solchen
EP4507800A1 (de) Vorrichtung zur aufbereitung einer elektrolytflüssigkeit
DE1301972B (de) Wasserverteilungsvorrichtung in einem Entspannungsverdampfer fuer die Destillation von Seewasser od. dgl.
EP3339507B1 (de) Verfahren zum betrieb eines heizgruppenteilsystems und heizgruppenteilsystem
DE3884616T2 (de) Vorrichtung zur verdampfung von flüssigkeiten.
EP0172335A2 (de) Verfahren und Vorrichtung, insbesondere zur Konditionierung von Abwässerschlämmen
DE68912210T2 (de) Destillationsverfahren und -vorrichtung.
DE2717505A1 (de) Zweistufiger verdampfer
DE4201424C2 (de) Vorrichtung für ein kontinuierliches Vakuum-Reinigen von Öl
DE102020215951A1 (de) Wasseraufbereitungsanlage
EP4399017B1 (de) Membranfilter und verfahren zum filtern
DE102013018464A1 (de) Gärrestetrockner sowie Vorrichtung und Verfahren zur Trocknung von Gärresten
EP3029403B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Trocknen der Feststoffisolation des Aktivteils eines elektrischen Gerätes nach der Vapour-Phase Methode

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 25702790

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1