AT512537B1

AT512537B1 - electrolyzer

Info

Publication number: AT512537B1
Application number: ATA50299/2012A
Authority: AT
Inventors: Ewald Wahlmueller; Thomas Stadler; Paul Zwirchmayr; Josef Fueger; Elisabeth Neumair
Original assignee: Fronius Int Gmbh
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2013-09-15
Also published as: WO2014016057A1; AT512537A4; DE112013003695A5

Abstract

Um einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff sehr flexibel einsetzbar zu machen, wird vorgeschlagen, eine Trocknungseinheit vorzusehen, in der ein mehrkreisiger Wärmetauscher (20) mit einem ersten Kreis zur Kühlung des erzeugten Wasserstoffs (H2) und einem zweiten Kreis zur Kühlung des erzeugten Sauerstoffes (O2) vorgesehen ist, wobei beide Kreise des mehrkreisigen Wärmetauschers (20) einen gemeinsamen Kältekreis (27) aufweisen.In order to make an electrolyzer very flexible for generating hydrogen and oxygen, it is proposed to provide a drying unit in which a multi-circuit heat exchanger (20) with a first circuit for cooling the generated hydrogen (H2) and a second circuit for cooling the generated Oxygen (O2) is provided, wherein both circuits of the multi-circuit heat exchanger (20) have a common refrigerant circuit (27).

Description

österreichisches Patentamt AT512 537 B1 2013-09-15Austrian Patent Office AT512 537 B1 2013-09-15

Beschreibungdescription

ELEKTROLYSEURelectrolyzer

[0001] Die gegenständliche Erfindung betrifft einen Elektrolyseur zur Erzeugung der Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff, wobei eine Trocknungseinheit zur Trocknung des Produktgases Wasserstoff vorgesehen ist und ein zugehöriges Verfahren zur Trocknung der in einem Elektrolyseprozess hergestellten Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff.The subject invention relates to an electrolyzer for producing the product gases hydrogen and oxygen, wherein a drying unit for drying the product gas is provided hydrogen and an associated method for drying the product gases produced in an electrolysis process hydrogen and oxygen.

[0002] Zur Erzeugung von Wasserstoff werden häufig Elektrolyseure eingesetzt, die Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten, die dann als Produktgase abgeführt werden. Sauerstoff wird in der Regel nicht wirtschaftlich verwertet, sondern an die Atmosphäre abgegeben. Aufgrund des Elektrolyseprozesses enthalten die Produktgase unvermeidlich einen bestimmten Anteil Wasserdampf, der umso höher ist, umso höher die Elektrolysetemperatur ist. Gleichzeitig wird zwecks Verbesserung der Wärmeauskoppelung und zur Erhöhung des Wirkungsgrades ein möglichst hohes Temperaturniveau im Elektrolyseprozess angestrebt, z.B. 80°C. Zur Speicherung und Lagerung von Wasserstoff muss dieser allerdings auf einen bestimmten Taupunkt getrocknet werden, z.B. auf einen Taupunkt von kleiner minus 45°C. Es ist also notwendig, das in einem Elektrolyseur hergestellte Produktgas Wasserstoff zu trocknen, sodass es auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt gelagert werden kann. Sauerstoff wird dabei aufgrund der Reduzierung des Anlagen- und Energieaufwands in der Regel nicht getrocknet, da dies nicht notwendig ist. Eine Erhöhung der Elektrolysetemperatur führt allerdings zu einem exponentiell erhöhten Trocknungsaufwand, was bei den zumeist eingesetzten Adsorptionstrocknern, z.B. ein Molekularsieb, aufgrund der benötigten Regenerationszyklen zu erheblichen Verkürzungen der Standzeiten und damit auch zu schlechten Gesamtwirkungsgraden führt.For the production of hydrogen electrolysers are often used, which split water into oxygen and hydrogen, which are then removed as product gases. Oxygen is usually not used economically, but released into the atmosphere. Due to the electrolysis process, the product gases inevitably contain a certain amount of water vapor, which is higher the higher the electrolysis temperature is. At the same time, in order to improve the heat decoupling and to increase the efficiency, the highest possible temperature level is desired in the electrolysis process, e.g. 80 ° C. However, to store and store hydrogen, it must be dried to a certain dew point, e.g. to a dew point of less than minus 45 ° C. It is therefore necessary to dry the product gas produced in an electrolyzer hydrogen, so that it can be stored even at temperatures below freezing. Oxygen is not usually dried due to the reduction of plant and energy costs, as this is not necessary. An increase in the electrolysis temperature, however, leads to an exponentially increased drying effort, which is the case with the most commonly used adsorption dryers, e.g. a molecular sieve, due to the required regeneration cycles leads to significant shortening of the service life and thus also to poor overall efficiency.

[0003] Daher sind schon Elektrolyseure bekannt geworden, die das Produktgas Wasserstoff in einem zweistufigen Prozess trocknen. Die TWM 421 948 Y beschreibt z.B. einen PEM (proton exchange membrane) Elektrolyseur, bei dem Wasserstoff in einer ersten Trocknungsstufe in einer Kondensationseinheit vorgetrocknet wird und anschließend in einer zweiten Trocknungsstufe in einem Molekularsieb fertiggetrocknet wird. Der derart getrocknete Wasserstoff wird dann gelagert.Therefore, electrolyzers have already become known which dry the product gas hydrogen in a two-stage process. The TWM 421 948 Y describes e.g. a PEM (proton exchange membrane) electrolyzer, in which hydrogen is predried in a first drying stage in a condensation unit and then finished in a second drying step in a molecular sieve. The thus dried hydrogen is then stored.

[0004] In einem Elektrolyseprozess werden aus Sicherheitsgründen häufig auch Sensoren, z.B. ein Wasserstoffsensor oder ein Sauerstoffsensor, eingesetzt, um Explosionsgrenzen, z.B. die untere Explosionsgrenze (UEG) oder die obere Explosionsgrenze (OEG) zu überwachen und um damit indirekt auch die Dichtheit der Elektrolysemembran zu überwachen. Häufig werden dazu Sensoren zur Messung der Wasserstoffkonzentration im gewonnenen Sauerstoff und/oder Sensoren zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Wasserstoff eingesetzt. Je nach Elektrolysetyp kommen verschiedene Überwachungsprinzipien zur Anwendung. Z.B. ist bei PEM Elektrolyse eine Überwachung der H2 Konzentration im Anodensystem (=Speisewassersystem bzw. 02 Produktgasseite) üblich. Bei alkalischer Elektrolyse werden dagegen z.B. vielfach sowohl Anoden- als auch Kathodensystem (=H2 Produktgasseite) auf Einhaltung der unteren und oberen Explosionsgrenzen überwacht. Allerdings kann auch bei PEM Elektrolyse in Abhängigkeit vom Betriebsbereich (Teillastgrad) und von den Betriebsparametern (Druck auf der Anode bzw. Druckdifferenz zwischen Anode und Kathode) eine beidseitige Konzentrationsüberwachung nötig sein.In an electrolysis process, for safety reasons, sensors, e.g. a hydrogen sensor or an oxygen sensor used to set explosion limits, e.g. To monitor the lower explosion limit (LEL) or the upper explosion limit (OEG) and thus indirectly to monitor the tightness of the electrolysis membrane. Frequently, sensors for measuring the hydrogen concentration in the recovered oxygen and / or sensors for measuring the oxygen concentration in hydrogen are used for this purpose. Depending on the type of electrolysis different monitoring principles are used. For example, In PEM electrolysis monitoring of the H2 concentration in the anode system (= feedwater system or 02 product gas side) is usual. In alkaline electrolysis, on the other hand, e.g. In many cases both anode and cathode systems (= H2 product gas side) are monitored for compliance with lower and upper explosion limits. However, even with PEM electrolysis depending on the operating range (partial load) and the operating parameters (pressure on the anode or pressure difference between the anode and cathode), a double-sided concentration monitoring may be necessary.

[0005] In den Produktgasen Wasserstoff und Sauerstoff ist aber immer Wasserdampf enthalten, der am jeweiligen Sensor kondensieren kann, was die Messergebnisse verfälschen kann. Das ist insbesondere bei der Verwendung von thermischen Halbleitersensoren der Fall. Daher sind an den Sensoren zusätzliche Maßnahmen notwendig, um das zu verhindern. Z.B. werden die Sensoren oftmals beheizt, um eine Kondensation von Wasser am Sensor zu verhindern. Das ist aber mit zusätzlichem Instrumentenaufwand verbunden.In the product gases hydrogen and oxygen but water vapor is always included, which can condense on the respective sensor, which can falsify the measurement results. This is the case in particular when using thermal semiconductor sensors. Therefore, additional measures are necessary at the sensors to prevent this. For example, The sensors are often heated to prevent condensation of water on the sensor. But this is associated with additional instrumentation.

[0006] Es ist daher eine Aufgabe, einen flexibel einsetzbaren Elektrolyseur anzugeben, der anoden-und/oder kathodenseitig mit Sensoren zur Sicherheitsüberwachung ausgestattet wer- 1 /9 österreichisches Patentamt AT512 537 B1 2013-09-15 den kann, ohne dabei aufwendige zusätzliche Maßnahmen am Sensor erforderlich zu machen, und der die einfache Weiternutzung beider erzeugter Produktgase ermöglicht. Gleichsam ist es eine Aufgabe ein zugehöriges Verfahren zur Verfügung zu stellen.It is therefore an object to provide a flexibly applicable electrolyser, the anode and / or cathode-side equipped with sensors for security monitoring can the 1/9 Austrian Patent Office AT512 537 B1 2013-09-15 without costly additional measures required at the sensor, and the simple further use of both generated product gases allows. Likewise, it is a task to provide an associated method.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, in dem in der Trocknungseinheit ein mehrkreisiger Wärmetauscher mit einem ersten Kreis zur Kühlung des Wasserstoffs und einem zweiten Kreis zur Kühlung des Sauerstoffes vorgesehen ist, wobei beide Kreise des mehrkreisigen Wärmetauschers einen gemeinsamen Kältekreis teilen. Auf diese Weise wird der Sauerstoff mit dem Wasserstoff mitgekühlt und dadurch gleichzeitig mitgetrocknet. Stromab des Wärmetauschers enthält der gekühlte und damit getrocknete Sauerstoff somit nur mehr eine geringe Menge Wasser. Die Problem mit der Kondensation von Wasser an einem im Sauerstoffkreis angeordneten Sensor, z.B. ein Wasserstoffsensor zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration, können so erheblich reduziert werden. Da der Wasserstoff ohnehin für die Lagerung getrocknet werden muss, stellt die gleichzeitige Kühlung des Sauerstoffs durch denselben Kältekreis nur einen geringen Mehraufwand dar. Darüber hinaus kann der mitgetrocknete Sauerstoff nun auch einfach, und ohne viel zusätzlichen Anlagenaufwand, weitergenutzt werden, z.B. gespeichert werden. Ein derart ausgeführter Elektrolyseur kann ohne großen zusätzlichen Aufwand in unterschiedlichsten Konfigurationen, z.B. mit oder ohne Sensoren oder auch zur Weiternutzung des Sauerstoffs, und damit sehr flexibel eingesetzt werden.This object is achieved according to the invention in which in the drying unit a multi-circuit heat exchanger is provided with a first circuit for cooling the hydrogen and a second circuit for cooling the oxygen, wherein both circuits of the multi-circuit heat exchanger share a common refrigerant circuit. In this way, the oxygen is co-cooled with the hydrogen and thereby co-dried. Downstream of the heat exchanger, the cooled and therefore dried oxygen contains only a small amount of water. The problem with the condensation of water on a sensor located in the oxygen circuit, e.g. a hydrogen sensor for detecting the hydrogen concentration can be significantly reduced. Since the hydrogen must be dried anyway for storage, the simultaneous cooling of the oxygen by the same refrigeration circuit is only a small overhead. In addition, the dried with oxygen can now also be used easily, and without much additional investment, e.g. get saved. An electrolyzer designed in this way can be installed in a great variety of configurations, e.g. with or without sensors or for the further use of the oxygen, and thus be used very flexibly.

[0008] Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Wärmetauscher so ausgelegt ist oder angesteuert wird, dass der Taupunkt des getrockneten Sauerstoffs unterhalb der Umgebungstemperatur eines in der Sauerstoffleitung angeordneten Sensors zu liegen kommt. Damit wird sichergestellt, dass es zu keiner Kondensation am Sensor kommen kann. Der Wärmetauscher kann dabei sehr einfach z.B. über die Länge des Wärmetauschers, die Volumenströme, die geometrischen Verhältnisse, die Materialen, die Leistung des gemeinsamen Kältekreises, etc. gesteuert (z.B. in einem geschlossenen Regelkreis) oder eingestellt werden.It is particularly advantageous if the heat exchanger is designed or driven so that the dew point of the dried oxygen comes to rest below the ambient temperature of a sensor arranged in the oxygen line. This ensures that no condensation on the sensor can occur. The heat exchanger can be very simple, e.g. controlled by the length of the heat exchanger, the volumetric flows, the geometric relationships, the materials, the performance of the common refrigeration circuit, etc. (e.g., in a closed loop) or adjusted.

[0009] In einer ganz besonders kompakten, einfachen und damit vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Wärmetauscher aus drei ineinandergesteckten, radial beanstandeten Rohren besteht, sodass drei durchströmbare Kanäle entstehen, wobei ein erster Kanal vom Sauerstoff und ein zweiter Kanal vom Wasserstoff durchströmt wird und ein dritter, radial zwischen ersten und zweiten Kanal angeordneter Kanal, vom Kältemittel des Kältekreises durchströmt wird. Solche Wärmetauscher aus drei ineinander gesteckten Rohren sind an sich für andere Medien bekannt, z.B. aus der DE 33 18 722 A1.In a very particularly compact, simple and thus advantageous embodiment, the heat exchanger consists of three nested, radially spaced pipes, so that three flow-through channels are formed, wherein a first channel is traversed by oxygen and a second channel of hydrogen and a third Radial between the first and second channel arranged channel, is flowed through by the refrigerant of the refrigerant circuit. Such heat exchangers of three nested tubes are known per se for other media, e.g. from DE 33 18 722 A1.

[0010] Bevorzugt wird dabei das Medium mit dem höchsten Druck durch das innerste Rohr geführt, da dann die Wandstärken der Rohre minimal gehalten werden können. Ganz besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Drücke der durch die Rohre geführten Medien von innen nach außen abnehmen.Preferably, the medium is passed through the innermost tube with the highest pressure, since then the wall thicknesses of the tubes can be minimized. It is particularly advantageous in this context if the pressures of the media guided through the tubes decrease from the inside to the outside.

[0011] Die Trocknung kann verbessert werden, wenn in der Trocknungseinheit stromab des Wärmetauschers in der Wasserstoffleitung weiters ein Adsorptionstrockner zur Trocknung des Wasserstoffs angeordnet ist und/oder, wenn in der Trocknungseinheit stromaufwärts des Wärmetauschers in der Sauerstoff leitu ng ein Wasserabscheider angeordnet ist.The drying can be improved if in the drying unit downstream of the heat exchanger in the hydrogen line weiters an adsorption dryer for drying the hydrogen is arranged and / or if in the drying unit upstream of the heat exchanger in the oxygen leitu ng a water separator is arranged.

[0012] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die schematischen, nicht einschränkenden Figuren 1 bis 4 näher erläutert, die die Erfindung anhand von vorteilhaften Ausgestaltungen beschreiben, näher erläutert. Dabei zeigt [0013] Fig.1 ein schematisches Blockschaltbild einer regenerativen Energieerzeugungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Elektrolyseurs, [0014] Fig.2 eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Trocknungseinheit des Elektrolyseurs, [0015] Fig.3 einen Querschnitt durch den Wärmetauscher der Trocknungseinheit und [0016] Fig.4 ein schematisches Blockschaltbild der Trocknungseinheit.The subject invention will be explained in more detail with reference to the schematic, non-limiting figures 1 to 4, which describe the invention with reference to advantageous embodiments, explained in more detail. 1 shows a schematic block diagram of a regenerative power generation plant with an electrolyzer according to the invention, FIG. 2 shows an advantageous embodiment of a drying unit of the electrolyzer, FIG. 3 shows a cross section through the heat exchanger of the drying unit, [0016] FIG. 4 shows a schematic block diagram of the drying unit.

[0017] In einer regenerativen Energieerzeugungsanlage wie in Fig.1 dargestellt, wird eine Elektrolyseeinheit 2 eines Elektrolyseurs 1, z.B. ein Hochdruck-PEM-Elektrolyseur, mit Wasser 2/9 österreichisches Patentamt AT512 537 B1 2013-09-15 und mit Strom aus einer Stromquelle 6, z.B. eine Photovoltaikanlage, eine Windkraftanlage, ein elektrisches Versorgungsnetz, etc., versorgt. Daraus erzeugt der Elektrolyseur 1 in bekannter Weise Sauerstoff 02 und Wasserstoff H2. Aufbau und Funktion der verschiedenen Typen eines Elektrolyseurs 1 sind hinlänglich bekannt, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird. Zudem ist der genaue Typ des Elektrolyseurs 1 für die gegenständliche Erfindung auch unerheblich. Der erzeugte Wasserstoff H2 wird in einer Trocknungseinheit 3 auf einen bestimmten Taupunkt getrocknet und in einem Wasserstoffspeicher 4 gespeichert. Von dort kann der Wasserstoff H2 entnommen werden, um in einer Brennstoffzelle 5 elektrischen Strom zu erzeugen. Trocknungseinheit 3 und Elektrolyseeinheit 2 können im Elektrolyseur 1 integriert sein, können aber auch zwei separate Einheiten sein. Die Brennstoffzelle 5 könnte natürlich auch im Elektrolyseur 1 integriert sein. In der Sauerstoffleitung 9 ist ein Wasserstoffsensor 8 zur Messung der Wasserstoffkonzentration im Produktgas Sauerstoff 02 für eine UEG-Überwachung angeordnet. Ebenso kann in der Wasserstoffleitung 11 ein Sauerstoffsensor 10 zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Produktgas Wasserstoff H2 für eine OEG-Überwachung angeordnet sein, wie in Fig.1 angedeutet. Der Sauerstoff 02 wird in der Regel nicht verwendet und wird unter Umgebungsdruck an die Atmosphäre abgegeben, wie in Fig. 1 angedeutet. Selbstverständlich könnte aber auch eine wirtschaftliche Verwertung des Sauerstoffs 02 vorgenommen werden. Dazu kann es zweckmäßig sein, auch den Sauerstoff zu trocknen und eventuell auch auf Überdruck zu bringen.In a regenerative power plant as shown in Fig. 1, an electrolysis unit 2 of an electrolyzer 1, e.g. a high-pressure PEM electrolyzer, with water and with current from a current source 6, e.g. a photovoltaic system, a wind turbine, an electrical supply network, etc., supplied. This produces the electrolyzer 1 in a known manner oxygen 02 and hydrogen H2. Structure and function of the various types of electrolyzer 1 are well known, which is why will not be discussed in detail here. In addition, the exact type of electrolyzer 1 for the subject invention is also irrelevant. The generated hydrogen H2 is dried in a drying unit 3 to a specific dew point and stored in a hydrogen storage 4. From there, the hydrogen H2 can be removed to generate 5 electric power in a fuel cell. Drying unit 3 and electrolysis unit 2 may be integrated in the electrolyzer 1, but may also be two separate units. Of course, the fuel cell 5 could also be integrated in the electrolyzer 1. In the oxygen line 9, a hydrogen sensor 8 for measuring the hydrogen concentration in the product gas oxygen 02 is arranged for a LEL monitoring. Likewise, an oxygen sensor 10 for measuring the oxygen concentration in the product gas hydrogen H2 may be arranged in the hydrogen line 11 for OEG monitoring, as indicated in FIG. The oxygen 02 is generally not used and is released under ambient pressure to the atmosphere, as indicated in Fig. 1. Of course, but could also be made an economic recovery of oxygen 02. For this purpose, it may be appropriate to dry the oxygen and possibly bring to overpressure.

[0018] Die Messwerte des Wasserstoffsensors 8 und/oder des Sauerstoffsensors 10 werden an eine Steuereinheit 7 geliefert, die im Fall einer Überschreitung einer vorgegebenen zulässigen Wasserstoff- und/oder Sauerstoffkonzentration, was auf einen Schaden in der Elektrolyseeinheit 2 des Elektrolyseurs hindeutet, eine Sicherheitsfunktion, z.B. ein Notabschaltung des Elektrolyseurs 1 und/oder der gesamten Anlage, auslöst. Die Steuereinheit 7 kann auch zur Steuerung des Elektrolyseurs 1 und/oder der restlichen Komponenten der regenerativen Energieerzeugungsanlage dienen, wie in Fig.1 durch die strichlierten Linien angedeutet.The measured values of the hydrogen sensor 8 and / or the oxygen sensor 10 are supplied to a control unit 7, which in case of exceeding a predetermined allowable hydrogen and / or oxygen concentration, which indicates damage in the electrolysis unit 2 of the electrolyzer, a safety function , eg an emergency shutdown of the electrolyzer 1 and / or the entire system triggers. The control unit 7 can also be used to control the electrolyzer 1 and / or the remaining components of the regenerative power generation plant, as indicated in Fig.1 by the dashed lines.

[0019] In Fig.2 und 3 ist nun eine vorteilhafte Ausgestaltung der Trocknungseinheit 3 dargestellt. In der Trocknungseinheit 3 ist ein mehrkreisiger, hier ein dreikreisiger, Wärmetauscher 20 angeordnet. In einem ersten Kreis des Wärmetauschers 20 wird Wasserstoff Fl2 geführt, in einem zweiten Kreis Sauerstoff 02 und der dritte Kreis wird durch den Kältekreis 27 gebildet. Der Wärmetauscher 20 besteht hier aus drei konzentrisch ineinander gesteckten und radial beabstandeten Rohren 30, 31, 32 (siehe Fig.3), sodass radial zwischen den Rohren drei axial durchströmbare Kanäle 33, 34, 35 entstehen. Der Wärmetauscher 20 ist hier mäanderförmig gebogen, könnte aber natürlich auch jede andere Form annehmen, z.B. gerade oder zylindrisch in Form einer Spule gewickelt, etc. Die Form des Wärmetauschers 20 wird vorzugsweise an den zur Verfügung stehenden Platz in der Trocknungseinheit 3 angepasst, wobei entsprechend die minimalen Biegeradien der Rohre 30, 31, 32 eingehalten werden. Wesentlich ist hierbei, dass die für die benötigte Kühlleistung erforderliche Länge des Wärmetauschers 20 erreicht wird. Beispielsweise liegt diese im Bereich von 1 bis 3m, in Abhängigkeit der verfügbaren Kühlleistung des Kältekreises 27 und den geometrischen Verhältnissen.In Figures 2 and 3, an advantageous embodiment of the drying unit 3 is now shown. In the drying unit 3, a multi-circuit, here a dreikreisiger, heat exchanger 20 is arranged. In a first circuit of the heat exchanger 20 hydrogen Fl2 is performed, in a second circle oxygen 02 and the third circle is formed by the refrigerant circuit 27. The heat exchanger 20 here consists of three concentrically nested and radially spaced tubes 30, 31, 32 (see Figure 3), so that radially between the tubes three axially durchströmbare channels 33, 34, 35 arise. The heat exchanger 20 is here bent meander-shaped, but could of course take any other form, e.g. The shape of the heat exchanger 20 is preferably adapted to the available space in the drying unit 3, wherein correspondingly the minimum bending radii of the tubes 30, 31, 32 are maintained. It is essential here that the required for the required cooling capacity length of the heat exchanger 20 is achieved. For example, this is in the range of 1 to 3 m, depending on the available cooling capacity of the refrigeration circuit 27 and the geometric conditions.

[0020] Der Wärmetauscher 20 hat einen Eingangsanschluss 24 und einen Ausgangsanschluss 25. Weiters ist ein Kältekreis 27 vorgesehen, der eine Kältemittelleitung 21, sowie ein Kühlsystem 22 umfasst. Das Kühlsystem 22 kann z.B. als Kompressor mit einem geeigneten Kühlmittel ausgeführt sein. Die Abwärme 23 des Kühlsystems 22 kann z.B. auch für andere Prozesse oder zur Speicherung in einem Wärmespeicher verwendet werden.The heat exchanger 20 has an input port 24 and an output port 25. Furthermore, a refrigeration circuit 27 is provided which comprises a refrigerant line 21, and a cooling system 22. The cooling system 22 may be e.g. be designed as a compressor with a suitable coolant. The waste heat 23 of the cooling system 22 may e.g. also be used for other processes or for storage in a heat storage.

[0021] Im Flohlraum 33 des radial innersten Rohres 30 wird z.B. der aus der Elektrolyseeinheit 2 abgegebene Wasserstoff H2, der einen gewissen Anteil an Wasserdampf beinhaltet, geführt. Im Kanal 34 zwischen dem innersten Rohr 30 und dem mittlerem Rohr 31 wird das Kältemittel des Kältekreises 27 geführt. Und im Kanal 35 zwischen dem äußersten Rohr 32 und dem mittlerem Rohr 31 wird der aus der Elektrolyseeinheit 2 abgegebene Sauerstoff 02, der einen gewissen Anteil an Wasserdampf beinhaltet, geführt. Das Kältemittel wird hier im Gegenstrom durch den Wärmetauscher 20 geleitet, wobei das selbstverständlich auch im Gleichstrom erfolgen könnte. Es könnte auch der Wasserstoff Fl2 mit dem Kältemittel im Gegenstrom und der Sauer- 3/9 österreichisches Patentamt AT512 537 B1 2013-09-15In the flohl space 33 of the radially innermost tube 30 is e.g. the output from the electrolysis unit 2 hydrogen H2, which includes a certain proportion of water vapor out. In the channel 34 between the innermost tube 30 and the middle tube 31, the refrigerant of the refrigerant circuit 27 is guided. And in the channel 35 between the outermost tube 32 and the middle tube 31, the discharged from the electrolysis unit 2 oxygen 02, which includes a certain proportion of water vapor, out. The refrigerant is passed here in countercurrent through the heat exchanger 20, which of course could also be done in DC. It could also be the hydrogen Fl2 with the refrigerant in countercurrent and the acidic oxygen AT912 537 B1 2013-09-15

Stoff 02 mit dem Kältemittel im Gleichstrom geführt werden, womit eine geringere Temperaturabsenkung des Sauerstoffs 02 bei vorteilhaft reduziertem Kühlaufwand erreicht werden kann. Das durch die Kühlung des Wasserstoffs H2 und des Sauerstoffs 02 anfallende Kondensat wird über eine Kondensatleitung 26 abgeführt, welche z.B. am Ausgangsanschluss 25 angeordnet ist.Substance 02 are conducted with the refrigerant in the DC, whereby a lower temperature reduction of the oxygen 02 can be achieved at advantageously reduced cooling costs. The condensate resulting from the cooling of the hydrogen H2 and the oxygen O2 is removed via a condensate line 26, which is e.g. is arranged at the output terminal 25.

[0022] Der Wärmetauscher 20 wird nun so ausgelegt oder gesteuert, z.B. über die Länge des Wärmetauschers 20, die Volumenströme, die geometrischen Verhältnisse, die Materialen, die Leistung des Kältekreises 27, etc., dass der Wasserstoff H2 an Ausgang 25 des Wärmetauschers auf einen bestimmten minimalen Taupunkt getrocknet ist. Der Kältekreis 27 könnte dazu auch in einem geschossenen Regelkreis entsprechend geregelt werden. Der Sauerstoff 02 wird auf diese Weise mitgetrocknet und erreicht am Ende des Wärmetauschers 20 im Wesentlichen dieselbe Temperatur wie der Wasserstoff H2. Im Wesentlichen erfolgt im Wärmetauscher 20 eine Kühlung von z.B. ca. 80'C auf ca. 5°C, wodurch entsprechend viel Feuchtigkeit entzogen wird und die Produktgase Wasserstoff H2 und Sauerstoff 02 getrocknet werden. Die Trocknung bewirkt also, dass ein Taupunkt im Bereich von minus 45^ resultiert, obwohl die Produktgase eine Temperatur von 5Ό aufweist. Im Fall, dass das Kältemittel im Gegenstrom geführt wird, wird dieses im Wesentlichen auf die Temperatur des Wasserstoffs H2 am Eingangsanschluss 24, also im Bereich von z.B. 80°C, erwärmt. Dementsprechend kann die Abwärme 23 beispielsweise über einen hier nicht dargestellten weiteren Wärmetauscher effizient genutzt werden. Bevorzugt wird der Wärmetauscher 20 so ausgelegt oder gesteuert, dass der Taupunkt des Sauerstoffs 02 unterhalb der Umgebungstemperatur im Bereich des Wasserstoffsensors 8, die z.B. einfach gemessen werden kann, liegt, sodass eine Kondensation am Wasserstoffsensor 8 ausgeschlossen ist.The heat exchanger 20 will now be designed or controlled, e.g. over the length of the heat exchanger 20, the volume flows, the geometric relationships, the materials, the performance of the refrigeration circuit 27, etc., that the hydrogen is dried at the outlet 25 of the heat exchanger to a certain minimum dew point. The cooling circuit 27 could also be controlled accordingly in a closed loop. The oxygen O 2 is co-dried in this way and reaches at the end of the heat exchanger 20 substantially the same temperature as the hydrogen H 2. Essentially, in the heat exchanger 20, cooling of e.g. about 80'C to about 5 ° C, whereby a corresponding amount of moisture is removed and the product gases hydrogen H2 and 02 are dried oxygen. The drying thus causes a dew point in the range of minus 45 ^ results, although the product gases has a temperature of 5Ό. In the case that the refrigerant is conducted in countercurrent, this is substantially to the temperature of the hydrogen H2 at the input port 24, that is in the range of e.g. 80 ° C, heated. Accordingly, the waste heat 23 can be used efficiently, for example via a further heat exchanger, not shown here. Preferably, the heat exchanger 20 is designed or controlled so that the dew point of the oxygen 02 below the ambient temperature in the region of the hydrogen sensor 8, e.g. can be easily measured, so that condensation on the hydrogen sensor 8 is excluded.

[0023] In einer typischen Ausführung hat das innerste Rohr 30 einen Durchmesser von 6mm und führt im innersten Kanal 33 Wasserstoff H2 mit einem sehr hohen Druck, z.B. 200bar und höher. Das mittlere Rohr 31 hat einen Durchmesser von 12mm und im mittleren Kanal 34 wird Kältemittel mit einem Druck von 10-20bar geführt. Das äußere Rohr 32 hat einen Durchmesser von 16mm und im äußeren Kanal 35 wird Sauerstoff 02 mit Umgebungsdruck geführt. Das Medium mit dem höchsten Druck wird vorteilhaft durch das innerste Rohr 30 geführt, wobei der Druck in den Rohren 30, 31, 32 bevorzugt nach außen hin abnimmt. Damit können die Wandstärken der Rohre 30, 31, 32 minimal gehalten werden. Die Rohre 30, 31,32 werden bevorzugt in Edelstahl ausgeführt. Wesentlich ist dabei eine gute Wärmeleitfähigkeit der Rohre 30, 31,32, sodass die Trocknung der feuchten Produktgase H2, 02 schneller erfolgt. Beschleunigt wird die Trocknung auch durch einen hohen Druck, da das zu kühlende Volumen reduziert wird.In a typical embodiment, the innermost tube 30 has a diameter of 6mm and carries in the innermost channel 33 hydrogen H2 at a very high pressure, e.g. 200bar and above. The middle tube 31 has a diameter of 12mm and in the middle channel 34 refrigerant is fed at a pressure of 10-20bar. The outer tube 32 has a diameter of 16mm and in the outer channel 35 oxygen 02 is conducted at ambient pressure. The medium with the highest pressure is advantageously guided through the innermost tube 30, wherein the pressure in the tubes 30, 31, 32 preferably decreases toward the outside. Thus, the wall thicknesses of the tubes 30, 31, 32 can be minimized. The tubes 30, 31, 32 are preferably made of stainless steel. It is essential here a good thermal conductivity of the tubes 30, 31, 32, so that the drying of the moist product gases H2, 02 takes place more rapidly. Drying is also accelerated by a high pressure, since the volume to be cooled is reduced.

[0024] Der hohe Druck kann dabei durch eine Druckerhöhungseinheit aufgebaut, welche nach dem Wärmetauscher 20 und stromaufwärts der Trocknungseinheit 3 angeordnet sein kann. Als eine mögliche Variante bleibt die Druckerhöhungseinheit während der Elektrolyse im Wesentlichen geschlossen, sodass sich die Produktgase bis zum erforderlichen Druck aufstauen. Ist entsprechend der gewünschte Druck erreicht, wird die Druckerhöhungseinheit geöffnet und die Produktgase durchströmen die Trocknungseinheit 3.The high pressure can be built up by a pressure increasing unit, which can be arranged after the heat exchanger 20 and upstream of the drying unit 3. As a possible variant, the pressure increasing unit remains substantially closed during the electrolysis, so that the product gases build up to the required pressure. If the desired pressure is reached, the pressure increase unit is opened and the product gases flow through the drying unit 3.

[0025] Selbstverständlich könnte auch jede andere geeignete Ausgestaltung eines mehrkreisi-gen Wärmetauschers mit einem gemeinsamen Kältekreis 27 zur Anwendung kommen, z.B. ein mehrkreisiger Plattenwärmetauscher.Of course, any other suitable embodiment of a multi-circuit heat exchanger with a common cooling circuit 27 could be used, e.g. a multi-circuit plate heat exchanger.

[0026] Wie in Fig.4 (ohne Kältekreis 27) dargestellt kann in der Trocknungseinheit 3 stromab des Wärmetauschers 20 zusätzlich noch ein Adsorptionstrockner 37, z.B. ein Molekülsieb, angeordnet sein, um den Wasserstoff H2 noch weiter zu trocknen, bevor dieser im Wasserstoffspeicher 4 eingelagert wird. Der Sauerstoff 02 aus der Elektrolyseeinheit 2 könnte vor dem Wärmetauscher 20 über einen, an sich bekannten, Wasserabscheider 36 geführt werden, um Wasser aus dem Produktgas Sauerstoff 02 abzuscheiden. Das abgeführte Kondensat (reines Wasser) kann über die Kondensatleitung 26 auch in die Elektrolyseeinheit 2 rückgeführt werden.As shown in Fig. 4 (without refrigeration circuit 27), in the drying unit 3 downstream of the heat exchanger 20, an adsorption dryer 37, e.g. a molecular sieve, be arranged to further dry the hydrogen H2 before it is stored in the hydrogen storage 4. The oxygen 02 from the electrolysis unit 2 could be passed in front of the heat exchanger 20 via a, known per se, water separator 36 to separate water from the product gas oxygen 02. The discharged condensate (pure water) can also be recycled via the condensate line 26 into the electrolysis unit 2.

[0027] Indem der Sauerstoff 02 im zweikreisigen Wärmetauscher 20 mitgekühlt wird, enthält es 4/9 österreichisches Patentamt AT 512 537 B1 2013-09-15 stromab der Trocknungseinheit 3 nur mehr so geringe Mengen an Wasser, dass dieses einerseits an einem in der Sauerstoffleitung angeordneten Sensor 8 keine Probleme bereitet. Andererseits kann auch das getrocknete Produktgas Sauerstoff 02, anstelle ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben zu werden, direkt industriell genutzt werden. An den Sensoren 8, 10 sind somit keine zusätzlichen Maßnahmen mehr nötig, um dessen ordnungsgemäße Funktion sicherzustellen. 5/9By the oxygen 02 is also cooled in the two-circuit heat exchanger 20, it contains only so small amounts of water downstream of the drying unit 3 that this one hand on one in the oxygen line arranged sensor 8 causes no problems. On the other hand, the dried product gas oxygen 02, instead of being released into the atmosphere unused, can be directly used industrially. At the sensors 8, 10 thus no additional measures are necessary to ensure its proper functioning. 5.9

Claims

Austrian Patent Office AT 512 537 B1 2013-09-15 1. Electrolyzer for producing the product gases hydrogen (H2) and oxygen (02), wherein a drying unit (3) for drying the product gas hydrogen (H2) is provided, characterized in that in the drying unit (3) a multi-circuit heat exchanger (20) having a first circuit for cooling the hydrogen (H2) and a second circuit for cooling the oxygen (02) is provided, both circles of the mehrkrei-sigen heat exchanger (20) has a common Have refrigerant circuit (27).

2. electrolyzer according to claim 1, characterized in that the heat exchanger (20) is designed or driven so that the dew point of the dried oxygen (02) below the ambient temperature in the region of a in the oxygen line (9) arranged sensor (8) ,

3. electrolyzer according to claim 1 or 2, characterized in that the heat exchanger (20) consists of three nested, radially spaced pipes (30, 31, 32), so that three flow-through channels (33, 34, 35) arise, wherein a first Passage (35) from the oxygen (02) and a second channel (33) from the hydrogen (H2) flows through and a third, radially between the first and second channel disposed third channel (34) is flowed through by the refrigerant of the refrigerant circuit (27).

4. electrolyzer, according to claim 3, characterized in that the medium with the highest pressure through the innermost tube (33) is guided.

5. electrolyzer according to claim 3, characterized in that the pressures of the through the tubes (30, 31, 32) guided media decrease from the inside out.

6. electrolyzer according to one of claims 1 or 5, characterized in that in the drying unit (3) downstream of the heat exchanger (20) in the hydrogen line further an adsorption dryer (37) for drying the hydrogen (H2) is arranged.

7. electrolyzer according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the drying unit (3) upstream of the heat exchanger (20) in the oxygen line, a water separator (36) is arranged.

8. electrolyzer according to one of claims 1 to 7, characterized in that downstream of the drying unit (3) in an oxygen line (9), a hydrogen sensor (8) is arranged.

9. A method for drying the product gases produced in an electrolysis process hydrogen (H2) and oxygen (02), in which the generated hydrogen (H2) and oxygen (02) for cold drying in a multi-circuit heat exchanger (20) with a common refrigerant circuit (27) be cooled.

10. The method according to claim 9, characterized in that the oxygen (02) is dried to a dew point, which is below the ambient temperature of a in the oxygen line (9) arranged sensor (8).

11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that the hydrogen (H2), the oxygen (02) and a refrigerant of the refrigerant circuit (27) through each one of three nested, radially spaced pipes (30, 31,32) out become.

12. The method according to any one of claims 9 to 11, characterized in that in the heat exchanger (20) dried hydrogen (H2) in an adsorption dryer (37) is further dried.

13. The method according to any one of claims 9 to 12, characterized in that the oxygen (02) before the heat exchanger (20) is predried in a water separator (36). 3 sheets of drawings 6/9