DE102013206496A1

DE102013206496A1 - Elektrolysevorrichtung

Info

Publication number: DE102013206496A1
Application number: DE102013206496.9A
Authority: DE
Inventors: Harald Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2033-04-13
Also published as: DE102013206496B4; JP2014205914A; JP6410458B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung (10) zum Erzeugen von Wasserstoffgas. Um ein besonders dynamisches Elektrolyseverfahren zu ermöglichen, umfasst die Elektrolysevorrichtung 10) wenigstens eine Elektrolysezelle (12), die mit wenigstens einer Produktableitung (20, 22) zum Ableiten eines Produkstroms aus der Elektrolysezelle (12) verbunden ist, wobei die Elektrolysevorrichtung (10) ferner wenigstens ein mit der Produktableitung (20, 22) fluidisch verbundenes und stromabwärts der Elektrolysezelle (12) angeordnetes Adsorptionselement (26) zum Adsorbieren wenigstens einer in einem Produktstrom enthaltenen Substanz vorgesehen ist, wobei die Elektrolysezelle (12) durch das Adsorptionselement (26) zumindest teilweise temperierbar ist. Die folgende Erfindung betrifft ferner ein Elektrolyseverfahren sowie ein Verwenden einer Elektrolysevorrichtung (10) oder eines Elektrolyseverfahrens zum temporären Wandeln von Energie.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung, insbesondere einen Wasser-Elektrolyseur. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Elektrolysevorrichtung, wie insbesondere eines Wasser-Elektrolyseurs zum Erzeugen von Wasserstoff.
Stand der Technik
Wasserstoffgas wird heutzutage für eine Vielzahl von Anwendungen benötigt. Beispielsweise kann Wasserstoff in vorteilhafter Weise Verwendung finden in der Herstellung industrieller Produkte beziehungsweise in der Energiewirtschaft. Nicht beschränkende Beispiele für die Verwendung von Wasserstoff liegen in der Herstellung von Raffinerieprodukten unter Verwendung von Wasserstoff als Edukt, in der Entschwefelung von Diesel und Benzin, sowie in den Bereichen der Ölsandaufbereitung oder Kohlevergasung. Auch kann Wasserstoff als Treibstoff zum Betreiben von Brennstoffzellen verwendet werden, etwa zum Antreiben von Fahrzeugen. Zum Erzeugen von Wasserstoff ist beispielsweise das Verwenden einer Elektrolyse von Wasser bekannt.
Das Dokument DE 199 08 863 A1 offenbart beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Synthesegas. Bei einem derartigen Verfahren kann zur Synthesegasgewinnung die Elektrolyse unter Verwendung von textilen Mikrohohlfasern als Feststoffelektrolyt durchgeführt werden. Dabei können die Innen- und Außenoberflächen der Mikrohohlfasern die Anoden beziehungsweise Kathoden tragen.
Aus dem Dokument DE 10 2007 052 149 A1 ist eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Erwärmen einer Brennstoffzelle bekannt. Bei einer derartigen Brennstoffzelle ist an einer Elektrode ein Adsorptionsspeicher vorgesehen, welcher bei einer Adsorption eines Brennstoffs die Elektrode erwärmen soll.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrolysevorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoffgas, aufweisend wenigstens eine Elektrolysezelle, die mit wenigstens einer Produktableitung zum Ableiten eines Produktstroms aus der Elektrolysezelle verbunden ist, wobei die Elektrolysevorrichtung ferner wenigstens ein mit der Produktableitung fluidisch verbundenes und stromabwärts der Elektrolysezelle angeordnetes Adsorptionselement zum Adsorbieren wenigstens einer in einem Produktstrom enthaltenen Substanz vorgesehen ist, wobei die Elektrolysezelle durch das Adsorptionselement zumindest teilweise temperierbar ist.
Unter einer Elektrolysevorrichtung kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, mit welcher einer Elektrolyse, wie beispielsweise eine Wasserelektrolyse, durchführbar ist. Somit umfasst eine Elektrolysevorrichtung insbesondere eine Elektrolysezelle, die grundsätzlich in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein kann. Grundsätzlich kann unter einer Elektrolysezelle eine Anordnung verstanden werden, welche zwei gegenläufig polbare Elektroden aufweist, welche Elektroden durch einen Elektrolyt ionenleitend miteinander verbunden beziehungsweise verbindbar sind. Darüber hinaus sind die Elektroden durch eine elektrisch leitfähige Verbindung elektrisch leitend miteinander verbunden, so dass durch das Anlegen einer Spannung eine Elektrolyse durchführbar sein kann. Die exakte Ausgestaltung der Elektroden, der elektrischen wie auch der ionisch leitenden Verbindung beziehungsweise des Elektrolyten ist dabei insbesondere abhängig von der gewünschten Anwendung. Beispielsweise kann die Elektrolysezelle eine für den Fachmann bekannte alkalische Elektrolysezelle oder PEM-Elektrolysezelle sein. Dabei kann ferner eine Elektrolysezelle oder ein an sich bekannter Stapel an wie gewünscht verschalteten Elektrolysezellen vorgesehen sein.
Unter einer Produktableitung kann ferner im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Leitung beziehungsweise eine Führung verstanden werden, wie beispielsweise ein röhrenförmiges Gebilde, durch welches selektiv ein Produkt der mit der Elektrolysevorrichtung durchführbaren Elektrolyse oder eine mit dem Produkt auftretende Substanz aus der Elektrolysevorrichtung abführbar ist. Somit ist die Produktableitung insbesondere fluidisch verbunden mit der Elektrolysezelle beziehungsweise mit einem Anodenraum und/oder einem Kathodenraum der Elektrolysezelle.
Ein Adsorptionselement zum Adsorbieren wenigstens einer in einem Produktstrom enthaltenen Substanz kann weiterhin im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Element umfassen oder daraus bestehen, welches insbesondere ein Adsorptionsmittel aufweist oder daraus besteht, welches bevorzugt selektiv ein oder eine Mehrzahl von Substanzen adsorbiert, welche in einem Produktstrom enthalten sind, also insbesondere in der Produktabführung auftreten. Dabei kann ein Elektrolyseprodukt selbst oder auch beispielsweise ein Edukt der Elektrolyse durch das Adsorptionselement adsorbierbar sein.
Durch eine vorbeschriebene Elektrolysevorrichtung wird es möglich, ein Elektrolyseverfahren besonders dynamisch durchführen zu können, indem die Elektrolysevorrichtung besonders schnell an sich verändernde Anforderungen anpassbar sein kann und ferner besonders schnell die notwendigen Betriebsbedingungen einhalten kann.
Dazu umfasst eine derartige Elektrolysevorrichtung wenigstens eine Elektrolysezelle, die mit wenigstens einer Produktableitung zum Ableiten von einem Elektrolyseprodukt aus der Elektrolysezelle verbunden ist. Die Elektrolysezelle kann dabei wie vorstehend beschrieben ausgestaltet sein. Dadurch kann in an sich bekannter Weise eine Wasserelektrolyse durchführbar sein, so dass insbesondere ausgehend von einer wässrigen Elektrolytlösung durch das Anlegen einer Spannung Wasser zersetzt werden kann, wobei als Elektrolyseprodukte Wasserstoffgas und Sauerstoffgas entstehen. Um die Elektrolyseprodukte, wie beispielsweise Wasserstoffgas und Sauerstoffgas, insbesondere getrennt voneinander und selektiv aus dem Anodenraum und/oder dem Kathodenraum abführen zu können, also aus der Elektrolysevorrichtung beziehungsweise der Elektrolysezelle zu führen, ist ferner wenigstens eine Produktableitung vorgesehen. Die Produktableitung kann beispielsweise ein röhrenförmiges Gebilde sein, welches mit dem Anodenraum beziehungsweise Kathodenraum fluidisch verbunden sein kann, so dass die Elektrolyseprodukte oder zusammen mit den Elektrolyseprodukten auftretende Substanzen durch die Produktabführung geleitet werden können.
Weiterhin ist wenigstens ein Adsorptionselement zum Adsorbieren wenigstens einer in einem Produktstrom enthaltenen Substanz vorgesehen, welches stromabwärts der Elektrolysezelle angeordnet ist. Das Adsorptionselement ist somit derart angeordnet, dass es mit wenigstens einem Elektrolyseprodukt oder einer mit einem Elektrolyseprodukt auftretenden Substanz während des Betriebs der Elektrolysevorrichtung in Kontakt kommen kann. Für den beispielhaften und nicht beschränkenden Fall einer Wasserelektrolyse kann das Adsorptionselement beziehungsweise ein Adsorptionsmittel des Adsorptionselements somit beispielsweise Wasserstoffgas und/oder Sauerstoffgas als Produkte oder Wasser als mit den Produkten auftretende Substanz adsorbieren. Insbesondere ist das Adsorptionselement fluidisch, also in gasführendem Kontakt, mit der Produktgasabführung verbunden, insbesondere um selektiv ein Elektrolyseprodukt oder eine mit diesem auftretenden Substanz zu adsorbieren. Dabei ist das Adsorptionsmittel des Adsorptionselements insbesondere derart ausgestaltet, dass es bei einem Adsorptionsprozess wenigstens einer in einem Produktstrom enthaltenen Substanz Adsorptionswärme freigibt. Somit kann durch das in Kontakt bringen wenigstens eines Elektrolyseprodukts mit dem Adsorptionselement beziehungsweise mit dem Adsorptionsmittel des Adsorptionselements letzteres in definierter Weise Wärme erzeugen.
Die so freigegebene Wärme kann dabei bei einer vorbeschriebenen Elektrolysevorrichtung dazu genutzt werden, die Elektrolysevorrichtung durch das Adsorptionselement zumindest teilweise, also zumindest lokal begrenzt, oder auch vollständig, zu temperieren beziehungsweise insbesondere zu heizen. In anderen Worten kann durch das bei einer Elektrolyse auftretende Elektrolyseprodukt oder eine mit dieser auftretenden Substanz, welches oder welche von dem Adsorptionselement adsorbiert wird, eine selbständig arbeitende Temperierung beziehungsweise Heizung zumindest eines Bereichs der Elektrolysevorrichtung, wie etwa der Elektrolysezelle, möglich sein.
Eine derartige Elektrolysevorrichtung kann es in vorteilhafter Weise ermöglichen, die gewünschten Betriebsbedingungen besonders dynamisch einstellen zu können. Im Detail benötigen Elektrolysevorrichtungen oftmals eine erhöhte Temperatur, wie beispielsweise eine Betriebstemperatur in einem Bereich von beispielhaft 60 °C oder auch darüber, welche im Betrieb oftmals aufgrund der erzeugten Reaktionswärme eines Elektrolyseverfahrens selbstständig aufrechterhalten werden kann. Problematisch kann jedoch das Anfahren und damit das Erhitzen der Elektrolysevorrichtung auf die genannte Temperatur nach einer Stillstandszeit sein. In Abhängigkeit der Stillstandszeiten kühlen Elektrolysesysteme oftmals ab, nachdem sie abgeschaltet wurden, so dass sie ihre Betriebstemperatur verlieren und ein kurzfristiges Einschalten nicht möglich beziehungsweise ein Anfahren der Elektrolysevorrichtung mit einem Zeitverlust bis zum Erreichen der Redaktionstemperatur verbunden ist.
Bedingt durch das Adsorptionselement in einer vorbeschriebenen Elektrolysevorrichtung kann ein Erhitzen der Elektrolysevorrichtung dabei signifikant beschleunigt werden. Denn sobald die Elektrolysevorrichtung mit ihrem Elektrolyseverfahren beginnt, wird die Vorrichtung nicht nur durch die Reaktionswärme erhitzt, sondern zusätzlich durch die von dem Adsorptionselement entstehende Abwärme. Dadurch kann die Zeit, welche benötigt wird, bis die Elektrolysevorrichtung ihre Betriebstemperatur erreicht hat, signifikant vermindert werden.
Dabei kann dadurch, dass das Adsorptionselement stromabwärts der Elektrolysezelle angeordnet ist, eine Wärmespeicherung des Adsorptionsmittels besonders effektiv genutzt werden, da dieses nicht, wie etwa bei einem Vorsehen in der Zelle selbst, durch einen meist kühlen Elektrolyten unmittelbar gekühlt wird. Somit kann ein Heizen der Elektrolysezelle, beispielsweise, besonders schnell und effektiv ablaufen.
Dies kann dabei dadurch verstärkt werden, dass eine zusätzliche Heizung vorgesehen sein kann, die jedoch zum Erzeugen einer sehr geringen Leistung ausgebildet sein kann. Die Heizung kann dann ferner das Regenerieren des Adsorptionselements, welches aus einem Adsorptionsmittel bestehen kann, erlauben oder beschleunigen.
Darüber hinaus kann beispielsweise bei einer Wasserelektrolyse das Adsorptionselement Wasser adsorbieren und damit den Produktstrom reinigen bereits dann, wenn weitere potentiell vorgesehene Trocknungsmittel noch nicht ihren bevorzugten Arbeitspunkt erreicht haben.
Somit kann nicht nur ein sehr dynamisches Anfahren oder Einstellen unterschiedlicher Betriebsparameter, wie insbesondere unterschiedlicher Betriebspunkte, etwa bei einem Lastwechsel aufgrund unterschiedlicher Betriebsweisen, ermöglicht werden, sondern auch ein intermittierendes Verfahren, also eine Elektrolyseverfahren, bei welchem teilweise lange Stillstandszeiten benötigt und sogar erwünscht sein können, kann durch die vorbeschriebene Elektrolysevorrichtung deutlich verbessert werden.
Dabei kann diese Verbesserung erreicht werden durch das einfache Vorsehen eines Adsorptionselements mit einem Adsorptionsmittel, welches insbesondere selektiv ein oder eine Mehrzahl an Elektrolyseprodukten oder zusammen mit diesen in der Produktabführung auftretenden Substanzen adsorbiert und dabei Wärme freisetzt. Auf Lösungen aus dem Stand der Technik, um dieses Problem zu beheben, kann dabei verzichtet werden. Beispielsweise kann auf einen Temperierkreislauf verzichtet werden, welcher besonders groß dimensioniert ist, um eine besonders hohe thermische Trägheit zu erzielen, um so das Abkühlen der Elektrolysevorrichtung während einer Stillstandszeit zu verlangsamen. Somit kann ein Erhitzen, beispielsweise bei einem erstmaligen Anfahren oder einem Anfahren nach einer besonders langen Stillstandszeit, welches aufgrund der großen thermischen Trägheit ebenfalls erschwert wird, deutlich schneller als auch mit geringerer Energie ermöglicht werden. Darüber hinaus kann bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung der Platzbedarf gesenkt werden und ferner Kosten sowohl bei dem Herstellen einer Elektrolysevorrichtung als auch bei dem Betreiben einer solchen gespart werden. Ferner kann auf aufwändige thermische Isolierungen oder zusätzliche Heizsysteme verzichtet oder diese zumindest deutlich einfacher gestaltet werden, was die Kosten ebenfalls senken kann.
Somit eignet sich die Elektrolysevorrichtung vorteilhaft auch für eine dezentrale Nutzung, also oder zur Erzeugung von Wasserstoff als Benzinersatz an Tankstellen, beispielsweise.
Darüber hinaus kann bei einer vorbeschriebenen Elektrolysevorrichtung ausgenutzt werden, dass derartige Adsorptionselemente durch Wärme regenerierbar sind, also das von Ihnen adsorbierte Material wieder desorbierbar ist. Somit kann durch die in einem Elektrolyseverfahren entstehende Abwärme das Adsorptionsmittel regeneriert werden, beispielsweise indem für den exemplarischen Fall einer Wasserelektrolyse das absorbierte Wasser entfernt und das Adsorptionsmittel somit getrocknet wird. Bei einem erneuten Anfahren der Elektrolysevorrichtung führt entstehender Wasserdampf dann wiederum zum Beladen und gleichzeitigen Erwärmen des Adsorptionsmittels, wodurch sich, wie vorstehend erörtert, der Erwärmung beschleunigt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aufwändige Steuermechanismen nicht notwendig sind, da eine Überhitzung bei sachgerechter Ausführung ausgeschlossen werden kann, da der Energiegehalt eines derartigen Adsorptionselements begrenzt und nach definierter Zeit erschöpft ist und ferner eine Regenerierung im Wesentlichen automatisch erfolgen kann.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann das Adsorptionselement mit einer Temperiermittelführung zum Führen eines Temperiermittels thermisch gekoppelt sein. Insbesondere dieser Ausgestaltung kann ein besonders effektives Heizen der Elektrolysevorrichtung, wie insbesondere der Elektrolysezelle, realisierbar sein. Dabei kann eine Temperiermittelführung derart ausgestaltet sein, um besonders die gewünschten und für eine Elektrolyse notwendigen Bereiche zu temperieren. Dabei ist ein Temperierkreislauf mit einer Temperiermittelführung meist grundsätzlich ohnehin derart ausgestaltet, um die Elektrolysevorrichtung beziehungsweise genau die Positionen der Elektrolysevorrichtung zu temperieren, welche auch auf eine gewünschte Betriebstemperatur gebracht werden sollten. Dadurch kann durch ein thermisches Koppeln des Adsorptionselements an die Temperiermittelführung und damit an das Temperiermittel auf besonders einfache und effektive Weise die Wärme des Adsorptionsmittels zum Heizen der Elektrolysevorrichtung verwendet werden. Ein thermisches Koppeln kann dabei insbesondere bedeuten, dass die bei dem Adsorptionselement entstehende Wärme auf das Temperiermittel des Temperierkreislaufs übertragbar ist. Ein Temperiermittel kann dabei beispielhaft und nicht beschränkend ein wasserhaltiges oder auch silikonölhaltiges Temperiermittel sein, oder auch ein sonstiges als Temperiermittel bekanntes Fluid.
Dabei kann dadurch, dass das Adsorptionselement stromabwärts der Elektrolysezelle angeordnet ist, die Effektivität noch weiter gesteigert werden. Denn selbst dann, wenn ein zugeführter Elektrolyt eine Temperatur aufweist, die unterhalb der Betriebstemperatur der Elektrolysezelle liegt, kann eine Temperierung der Elektrolysezelle, beispielsweise, unabhängig hiervon durch ein Heizen des Temperiermittels besonders effektiv erfolgen, da die Heizleistung des Adsorptionselements im Wesentlichen vollständig und ohne oder ohne signifikante Verluste an das Temperiermittel und somit an die gewünschten Bereiche der Elektrolysevorrichtung übertragbar ist.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das Temperiermittel einen Elektrolyt zum Betreiben der Elektrolysezelle umfassen. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann eine besonders einfache und kostengünstige Möglichkeit der Erwärmung der Elektrolysezelle realisierbar sein. Denn insbesondere ein derartiger beispielsweise wässriger Elektrolyt wird ohnehin in das Zentrum der Elektrolysezelle befördert, wo eine Heizung am effektivsten ist. Darüber hinaus können insbesondere wässrige Elektrolyten, wie sie beispielsweise bei der Wasserelektrolyse auftreten, ein besonders effektives Wärmeüberträgermedium darstellen. Dabei kann ferner verhindert werden, dass ein gegebenenfalls kühler oder abgekühlter Elektrolyt bei einem Einbringen in die Elektrolysezelle diese abkühlt insbesondere dann, wenn der Elektrolyt insbesondere bei einer zyklischen Führung stromaufwärts der Zelle von dem Adsorptionselement erhitzt wird.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann ein insbesondere mit der Temperiermittelführung thermisch gekoppeltes Wärmerohr an einer Außenseite mit einem Adsorptionsmittel des Adsorptionselements beschichtet sein. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann der Produktstrom etwa aufweisend Wasserstoffgas oder Sauerstoffgas gegebenenfalls zusammen mit Wasser an dem Wärmerohr beziehungsweise den Wärmerohren entlang geführt werden, so dass dieser mit dem Adsorptionsmittel in Kontakt gelangen kann, um das Adsorptionselement beziehungsweise sein Adsorptionsmittel zu erwärmen. Beispielsweise kann das Wärmerohr vollständig mit dem Adsorptionsmittel beschichtet sein zumindest in einem Kontaktbereich mit dem Produktstrom. In dieser Ausgestaltung kann ein besonders effektives Übertragen der durch das Adsorptionselement erzeugten Wärme auf das Temperiermittel und damit insbesondere auf die Elektrolysezelle erfolgen, indem das Wärmerohr die thermische Kopplung des Adsorptionselements mit dem Temperiermittel darstellt. Dabei kann das durch das Adsorptionsmittel erwärmte Wärmerohr ferner das Temperiermittel besonders effektiv und mit nur geringen Wärmeverlusten heizen, so dass auch ein Heizen der Elektrolysevorrichtung wie etwa der Elektrolysezelle besonders effektiv sein kann. Unter einem auch als Heatpipe bezeichneten Wärmerohr kann dabei in an sich bekannter Weise ein Wärmeübertrager verstanden werden, der eine hohe Wärmestromdichte erzeugt unter Nutzung von Verdampfungswärme.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann ein insbesondere mit der Temperiermittelführung thermisch gekoppeltes Wärmerohr durch ein Haufwerk aufweisend ein Adsorptionsmittel des Adsorptionselements führen. In dieser Ausgestaltung kann insbesondere eine besonders hohe Heizkapazität ermöglicht werden, da das Haufwerk, welches das oder die Adsorptionsmittel aufweist oder aus diesem oder diesen bestehen kann, aufgrund einer wie gewünscht einstellbaren Masse besonders hoch sein kann. Somit kann diese Ausgestaltung insbesondere für das schnelle Erreichen hoher Betriebstemperaturen geeignet sein. Ein Haufwerk kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Gemenge fester Partikel sein, welche lose vermengt oder miteinander verbunden, wie etwa verpresst oder verbacken, vorliegen können.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das Adsorptionselement mit einer Entwässerungsvorrichtung gekoppelt sein. In dieser Ausgestaltung kann insbesondere bei dem Verwenden der Elektrolysevorrichtung für eine Wasserelektrolyse im Rahmen einer Wasserstoffherstellung das Erwärmen der Elektrolysezelle besonders effektiv und ferner besonders verlässlich ermöglicht werden. Denn insbesondere in dieser Ausgestaltung können die Trocknungsvorrichtungen, wie etwa Tropfenabscheider, auch Demister genannt, oder etwa Kühlfallen, das Wasser aus dem Produktstrom entfernern und dieses so unmittelbar an das Adsorptionselement bereitstellen, was ein besonders effektives Heizen erlauben kann. Dabei kann ferner darauf reagiert werden, dass, solange das System nicht auf Betriebstemperatur ist, sich weniger Wasser im Produktgasstrom löst. Es ist daher zu erwarten, dass mehr Wasser als Tröpfchen vorliegen. Somit kann in dieser Ausgestaltung das Überschusswasser durch das Adsorptionsmittel sicher aufgefangen werden. Wenn das System ferner warm abgeschaltet wird, besteht insbesondere die Möglichkeit, Überschusswärme zum Trocknen zu verwenden. Somit kann insbesondere in dieser Ausgestaltung auf das Vorsehen übermäßig groß dimensionierter Trocknungsmittel, wie etwa Tropfenabscheider, verzichtet werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann ein Wärmetauscher vorgesehen sein, mit welchem das Adsorptionselement heizbar ist. In dieser Ausgestaltung kann die Dynamik eines Elektrolyseverfahrens mit der vorbeschriebenen Elektrolysevorrichtung noch weiter verbessert werden. Insbesondere, wenn die Elektrolysezelle mit diesem Wärmetauscher kühlbar ist beziehungsweise die Hitze derselben aufnehmen kann, kann nach dem Ausschalten einer Elektrolysevorrichtung, wenn kein Elektrolyseprodukt, beispielsweise Gas, mehr erzeugt wird und der Produktstrom somit endet, durch einen Wärmetauscher die in dem System noch enthaltene erhöhte Temperatur gezielt verwendet werden, um das Adsorptionsmittel zu erhitzen und damit die Bedingungen zum Regenerieren des Absorptionsmittels zu verbessern. Somit kann ein im Stand der Technik grundsätzlich unerwünschter Vorgang, das Abkühlen des Systems bei einer Stillstandszeit, sogar erwünscht sein und zwecks einer Regenerierung des Adsorptionselements verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann dabei etwa zusätzlich zu dem Zuführen von Wärme aus dem Elektrolysesystem beziehungsweise aus einem Temperierkreislauf des Systems beispielsweise eine Kühlung ausgeschaltet werden, um die Temperatur an dem Adsorptionselement gezielt zu erhöhen.
Weiterhin kann in dieser Ausgestaltung ein Wärmeüberträger vorgesehen sein, der dazu ausgestaltet ist, das Adsorptionselement zu temperieren. Beispielsweise kann der Wärmüberträger dabei die Wärmerohre umfassen und ferner mit den Wärmerohren verbundene Wärmeüberträgermedien, wie beispielsweise Plattenwärmeüberträger, welche die Wärme des eingeförderten Wassers an die Wärmerohre abgeben und gegebenenfalls, wie dies die Wärmeübertragung zeigen soll, an die Elektrolysezellen aufweisen. Ein derartiger Wärmeüberträger kann beispielsweise dazu dienen, bei einem kurzzeitigen Ausschalten der Elektrolysevorrichtung das Adsorptionsmittel dann zu erwärmen, wenn es selber nicht durch das Wechselwirken mit einer in dem Produktstrom enthaltenen Komponente erhitzt wird. Dies kann vorteilhafter Weise derart realisiert werden, dass der Wärmeüberträger von dem Adsorptionselement erzeugte Energie aufnimmt und dieser wiederum an das Adsorptionselement abgibt. Ferner kann der Wärmeüberträger externe Energie beziehungsweise Wärme dazu nutzen, das Adsorptionselement zu heizen. Diese Ausgestaltung ist somit insbesondere von einem Wärmetauscher verschieden, da es lediglich Wärme übertragen aber keiner Kühlung dienen braucht.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das Adsorptionselement ein Zeolith-Material als Adsorptionsmittel aufweisen. Insbesondere Zeolith-Materialien, wie sie etwa zum Entfeuchten von Gasvolumenströmen von Geschirrspülmaschinen bekannt sind, beispielsweise Kieselgel, sind vorteilhaft dazu geeignet, bei dem Adsorbieren von Substanzen Wärme freizusetzen, weshalb sie auch für das Erwärmen einer Elektrolysevorrichtung besonders vorteilhaft geeignet sein können. Darüber hinaus sind derartige Adsorptionsmittel besonders effektiv bezüglich einer Adsorption von Wasser, weshalb sie insbesondere für eine Wasserelektrolyse geeignet sein können, um im Produktstrom enthaltenes Wasser zu adsorbieren. Denn Wasser ist zwar kein Produkt einer Wasserelektrolyse, tritt jedoch im Produktstrom oftmals auf. Grundsätzlich kann das Adsorptionsmittel derart gewählt werden, dass eine gewünschte Substanz unter Erzeugung von Wärme adsorbierbar ist, wobei eine Anpassung etwa bezüglich der gewünschten Erwärmung erfolgen kann. Grundsätzlich kann somit eine Auswahl des Adsorptionsmittels mit Bezug auf das gewünschte Prozessfenster, wie insbesondere den Temperaturbereich, Druck oder ähnlichem, gewählt werden.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der Verwendung sowie den Figuren verwiesen. Auch sollen erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung auch für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Verwendung anwendbar sein und als offenbart gelten und umgekehrt. Unter die Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder in der Figur offenbarten Merkmalen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Elektrolyseverfahren aufweisend die Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen einer Elektrolysevorrichtung mit einer Elektrolysezelle;
b) Einfügen wenigstens eines Elektrolyseedukts in die Elektrolysezelle; und
c) Durchführen einer Elektrolyse unter Erzeugung von wenigstens einem Elektrolyseprodukt, wobei
d) die Elektrolysezelle durch ein mit einer Produktableitung fluidisch verbundenes und stromabwärts der Elektrolysezelle angeordnetes Adsorptionselement zum Adsorbieren wenigstens einer in einem Produktstrom enthaltenen Substanz zumindest teilweise temperiert wird.

Ein vorbeschriebenes Verfahren erlaubt es in besonders einfacher und dynamischer Weise, eine Elektrolyse durchzuführen, um beispielsweise Wasserstoffgas zu erzeugen.
Hierzu umfasst das Verfahren mit dem Verfahrensschritt a) ein Bereitstellen einer Elektrolysevorrichtung. Die Elektrolysevorrichtung kann dabei wie vorstehend beschrieben ausgestaltet sein, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Gemäß einem Verfahrensschritt c) wird dabei eine Elektrolyse durchgeführt, wozu gemäß Verfahrensschritt b) wenigstens ein Elektrolyseedukt in die Elektrolysezelle eingefügt wird. Um beispielsweise Wasserstoffgas zu erzeugen, kann in dem Verfahrensschritt c) eine Wasserelektrolyse durchgeführt werden, wozu gemäß Verfahrensschritt b) in die Elektrolysevorrichtung beziehungsweise insbesondere in die Elektrolysezelle der Elektrolysevorrichtung Wasser eingefügt wird. Insbesondere wird Wasser zusammen mit einem Elektrolyten verwendet, wie beispielsweise einer konzentrierten Säure oder Lauge, etwa wässriger Kaliumhydroxidlösung oder wässriger Schwefelsäure. Beispielhafte Parameter für eine Wasserelektrolyse umfassen Temperaturen in einem Bereich von größer oder gleich 70°C bis kleiner oder gleich 90°C, Spannungen in einem Bereich von 21,9V, was zu Stromdichten ein einem Bereich von größer oder gleich 0,15A/cm bis kleiner oder gleich 0,5A/cm² führen kann, wobei die vorgenannten Parameter nicht beschränkend sind.
Gemäß Verfahrensschritt d) wird die Elektrolysezelle durch ein mit einer Produktableitung fluidisch verbundenes und stromabwärts der Elektrolysezelle angeordnetes Adsorptionselement zum Adsorbieren wenigstens einer in einem Produktstrom enthaltenen Substanz zumindest teilweise temperiert. Dies erlaubt es besonders schnell und dynamisch, die Elektrolysezelle auf definierte Betriebsbedingungen, wie insbesondere definierte Betriebstemperaturen, einzustellen.
Dabei kann das Verfahren insbesondere temporär, also etwa intermittierend mit auch langen Stillstandszeiten durchführbar sein, da das vorbeschriebene Verfahren sich insbesondere dadurch auszeichnen kann, dass die gewünschten Betriebsbedingungen, wie insbesondere eine Betriebstemperatur der Elektrolysezelle, besonders schnell eingestellt werden können.
Bei einem Abschalten kann dabei die Elektrolysezelle oder können die Elektrolysezellen insbesondere nach einer Wasserelektrolyse beispielsweise mit einem Inertgas gespült werden, um so eine Knallgasbildung zu verhindern. Dies kann dabei ferner dazu dienen, das Adsorptionsmittel zu regenerieren.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung, der Verwendung sowie den Figuren verwiesen. Auch sollen erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch für die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung und die erfindungsgemäße Verwendung anwendbar sein und als offenbart gelten und umgekehrt. Unter die Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder in der Figur offenbarten Merkmalen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner das Verwenden einer wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Elektrolysevorrichtung oder eines wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Verfahrens zum temporären Wandeln von Energie.
Wie vorstehend erörtert ist die vorbeschriebene Elektrolysevorrichtung beziehungsweise das vorbeschriebene Verfahren besonders geeignet, um sehr schnell beziehungsweise dynamisch einen gewünschten Betriebszustand zu erreichen beziehungsweise ein schnelles Anfahren der Elektrolysevorrichtung zu ermöglichen. Somit eignet sich die vorbeschriebene Elektrolysevorrichtung beziehungsweise das vorbeschriebene Verfahren in besonders vorteilhafter Weise für ein intermittierendes beziehungsweise temporäres Verfahren. Ein derartiges temporäres Elektrolyseverfahren, insbesondere Wasserelektrolyse-Verfahren kann dabei in besonders vorteilhafter Weise verwendet werden, um Energiespitzen insbesondere im Rahmen der Energieerzeugung beziehungsweise der Erzeugung elektrischer Energie abzufangen. In anderen Worten kann eine derartige Verwendung dazu dienen, aus dem Stromnetz nicht benötigte Energie zu wandeln durch das Erzeugen von Wasserstoff. Der Wasserstoff kann dabei beispielsweise im Erdgasnetz gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt als Energiequelle zur Verfügung gestellt werden.
Dabei kann die vorstehend beschriebene Elektrolysevorrichtung beziehungsweise das vorstehend beschriebene Verfahren bei einer derartigen Verwendung insbesondere deshalb von Vorteil sein, da vor allem regenerativ erzeugter Strom aus Windkraft und Solarenergie zu Angebotsspitzen führen. Derartige Angebotsspitzen können dabei einfach und dynamisch und ohne einen erhöhten Bedarf an Regelung abgefangen beziehungsweise gewandelt und bereitgestellt werden. Dabei kann insbesondere ein Wandeln der Energie von Vorteil sein, da Elektrolysevorrichtungen, wie beispielsweise Wasserelektrolyseure, weitestgehend ausgereift sind und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, bei dem 5% bis zu 100% der Nennleistung an Wasserstoff produziert werden können.
Somit kann durch das Abfangen von Angebotsspitzen elektrischer Energie ein Zu- oder Abschalten von Kraftwerken basierend auf insbesondere Solarstrom oder Windstrom verhindert werden.
Dabei eignen sich die vorbeschriebene Vorrichtung beziehungsweise das vorbeschriebene Verfahren insbesondere auch zu einer dezentralen Nutzung, also wenn diese in der Nähe von Windparks oder Solarparks betrieben werden.
Dies gilt dabei ferner aufgrund des geringen räumlichen Platzbedarfs, wie dies vorstehend im Detail beschrieben ist.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung, dem Verfahren sowie den Figuren verwiesen. Auch sollen erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung auch für die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar sein und als offenbart gelten und umgekehrt. Unter die Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder in der Figur offenbarten Merkmalen.
Figuren
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Figuren veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Elektrolysevorrichtung;
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Elektrolysevorrichtung; und
3 eine schematische detailliertere Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Elektrolysevorrichtung.
In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Elektrolysevorrichtung 10, wie eines galvanischen Bads beziehungsweise eines Elektrolyseurs, gezeigt. Eine derartige Elektrolysevorrichtung 10 kann insbesondere verwendbar sein zum temporären Wandeln von Energie, insbesondere zum Abfangen beziehungsweise Speichern von Energiespitzen durch das Erzeugen von Wasserstoffgas.
Eine Elektrolysevorrichtung 10 nach 1 umfasst insbesondere wenigstens eine Elektrolysezelle 12, in der Ausgestaltung gemäß 1 eine Mehrzahl einen Zellstapel 14 ausbildenden Elektrolysezellen 12. Konkret sind in der Ausgestaltung nach 1 sechs Elektrolysezellen 12 vorgesehen. Die Elektrolysezellen 12 sind zum Ausführen einer Wasserelektrolyse mit einem wässrigen Elektrolyten befüllbar und weisen Elektroden 16, 18 auf, wobei durch das Anlegen einer Spannung die Elektrode 16 als Pluspol beziehungsweise Anode und die Elektrode 18 als negativer Pol beziehungsweise Kathode geschaltet werden können.
Bei dem Ausführen einer Wasserelektrolyse entsteht zum Einen Wasserstoffgas, welches durch eine Produktabführung 20 aus der Elektrolysezelle 12 beziehungsweise aus der Elektrolysevorrichtung 10 führbar ist, und zum anderen Sauerstoffgas, welches durch eine Produktabführung 22 aus der Elektrolysezelle 12 beziehungsweise aus der Elektrolysevorrichtung 10 führbar ist. Die Produktabführungen 20, 22 können dabei Rohre 24 aufweisen, welche fluidisch mit der Elektrolysezelle 12 beziehungsweise mit dem Anodenraum und/oder Kathodenraum der Elektrolysezelle 12 beziehungsweise des Zellstapels 14 verbunden sind.
Ferner ist wenigstens ein, in der Ausgestaltung gemäß 1 zwei Adsorptionselemente 26, insbesondere aufweisend ein Zeolith-Material, vorgesehen, welche mit einer in einem durch die Produktabführung 20, 22 auftretenden Produktstrom bei einem Betreiben der Elektrolysevorrichtung 10 wechselwirken können und dabei eine Substanz adsorbieren können. Die Adsorptionselemente 26 können dabei durch frei werdende Adsorptionswärme die Elektrolysevorrichtung 10 zumindest teilweise heizen.
In der Ausgestaltung gemäß 1 ist das Adsorptionselement 26 beziehungsweise sind die Adsorptionselemente 26 mit einer Temperiermittelführung 28 zum Führen eines Temperiermittels thermisch gekoppelt, um so die freiwerdende Wärme unmittelbar in das Innere der Elektrolysezelle 12 zu befördern. Beispielsweise kann das Temperiermittel einen Elektrolyt zum Betreiben der Elektrolysezelle 12 umfassen oder daraus bestehen. Die thermische Kopplung kann dabei über eine Wärmekopplung 32, wie etwa eine Wärmeübertragungsfläche erfolgen und ferner über ein beziehungsweise eine Mehrzahl an Wärmerohren 34 an einen Wärmetauscher 36 geleitet und mit der Temperiermittelführung 28 in Kontakt gebracht werden. Der Temperiermittelkreislauf kann dabei ferner eine Pumpe 38 zum Umwälzen des Temperiermittels aufweisen.
Weiterhin ist eine Entwässerungsvorrichtung 40, wie etwa ein Demister, gezeigt, welche in einer oder in ausgewählten oder in sämtlichen Produktabführungen 20, 22 angeordnet sein kann, um den Produktstrom zu entwässern. Dabei kann das Adsorptionselement 26 mit der Entwässerungsvorrichtung 40 gekoppelt sein.
Nicht gezeigt ist in der 1 ein Wärmetauscher, welcher optional vorgesehen sein kann, und mit welchem die Elektrolysezelle 12 kühlbar ist und mit welchem das Adsorptionselement 26 heizbar ist.
Die Ausgestaltung der Elektrolysevorrichtung gemäß 2 entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten Ausgestaltung, weshalb gleiche oder vergleichbare Bauteile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen sind.
Die Ausgestaltung gemäß 2 ist dabei bezüglich der in 1 gezeigten vereinfacht. Insbesondere ist der Temperiermittelkreislauf, wie insbesondere der Elektrolytkreislauf vereinfacht, da auf die etwa als Wärmerohre ausgestalteten Wärmetauscher in dem Temperierkreislauf und in den Produktgasströmen verzichtet werden kann ist. In dieser Ausgestaltung wechselwirkt die Wärmekopplung 32 unmittelbar mit dem Temperiermittelkreislauf 28, was etwa durch ein Führen des Temperiermittelkreislaufs 28 unmittelbar durch die Wärmekopplung 32 möglich sein kann, wodurch ein Wechselwirken in einer Baueinheit realisierbar ist. Die Auslegung erfolgt dabei gemäß 2 derart, dass das Speichervermögen des Adsorptionselements und die zu überwindende Wärmekapazität in einem geeigneten Verhältnis stehen. Diese Ausgestaltung kann dabei besonders kompakt bei geringem Volumen des Temperierkreislaufs sein.
In der 3 ist im Detail eine Ausgestaltung einer Elektrolysevorrichtung 10 gezeigt, bei welcher ein Adsorptionselement 26, in dieser Ausgestaltung ein Zeolith-Speicher, mit einer Entwässerungsvorrichtung 40, insbesondere einem Demister, kombiniert ist. Somit bilden die Entwässerungsvorrichtung 40 und das Adsorptionselement 26 ein Trockenmodul aus.
Der Produktgasstrom des Zellstapels 14 wird durch das vollständige Trockenmodul geführt und verlässt dieses bei einem Ausgang 42. Bei einem Eintritt ist der Produktgasstrom bei einer Wasserelektrolyse noch feucht. Der feuchte Produktgasstrom wird entlang den Wärmrohren 34 geführt, deren Oberflächen mit einem Adsorptionsmittel 44, insbesondere einem Zeolith, beschichtet sind. Alternativ oder zusätzlich könnten die Wärmerohre 34 durch ein Haufwerk aufweisend ein Adsorptionsmittel 44 des Adsorptionselements 26, wie etwa eine Zeolithpackung, führen.
Überschüssiges, nicht von dem Adsorptionsmittel 44 aufgenommenes Wasser kann etwa in einem Pumpensumpf 46 aufgefangen beziehungsweise gesammelt werden und insbesondere bei einer Wasserelektrolyse durch die Pumpe 48 in einen zusätzlichen Wärmeüberträger 50 gefördert werden. Der Wärmüberträger 50 umfasst dabei die Wärmerohre 34 und ferner mit den Wärmerohren 34 verbundene Wärmeüberträgermedien 52, wie beispielsweise Plattenwärmeüberträger, welche die Wärme des eingeförderten Wassers an die Wärmerohre 34 abgeben und gegebenenfalls, wie dies die Wärmeübertragung 54 zeigen soll, an die Elektrolysezellen 12 leiten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19908863 A1 [0003]
DE 102007052149 A1 [0004]

Claims

Elektrolysevorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoffgas, aufweisend wenigstens eine Elektrolysezelle (12), die mit wenigstens einer Produktableitung (20, 22) zum Ableiten eines Produkstroms aus der Elektrolysezelle (12) verbunden ist, wobei die Elektrolysevorrichtung (10) ferner wenigstens ein mit der Produktableitung (20, 22) fluidisch verbundenes und stromabwärts der Elektrolysezelle (12) angeordnetes Adsorptionselement (26) zum Adsorbieren wenigstens einer in dem Produktstrom enthaltenen Substanz aufweist, wobei die Elektrolysezelle (12) durch das Adsorptionselement (26) zumindest teilweise temperierbar ist.
Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Adsorptionselement (26) mit einer Temperiermittelführung (28) zum Führen eines Temperiermittels thermisch gekoppelt ist.
Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Temperiermittel einen Elektrolyt zum Betreiben der Elektrolysezelle (12) umfasst.
Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein insbesondere mit der Temperiermittelführung (28) thermisch gekoppeltes Wärmerohr (34) an einer Außenseite mit einem Adsorptionsmittel (44) des Adsorptionselements (26) beschichtet ist.
Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei ein insbesondere mit der Temperiermittelführung (28) thermisch gekoppeltes Wärmerohr (34) durch ein Haufwerk aufweisend ein Adsorptionsmittel (44) des Adsorptionselements (26) führt.
Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Adsorptionselement (26) mit einer Entwässerungsvorrichtung (40) gekoppelt ist.
Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Wärmetauscher vorgesehen ist, mit welchem das Adsorptionselement (26) heizbar ist.
Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Adsorptionselement (26) ein Zeolith-Material als Adsorptionsmittel (44) aufweist.
Elektrolyseverfahren, aufweisend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen einer Elektrolysevorrichtung (10) mit einer Elektrolysezelle (12); b) Einfügen wenigstens eines Elektrolyseedukts in die Elektrolysezelle (12); und c) Durchführen einer Elektrolyse unter Erzeugung von wenigstens einem Elektrolyseprodukt, wobei d) die Elektrolysezelle (12) durch ein mit einer Produktableitung (20, 22) fluidisch verbundenes und stromabwärts der Elektrolysezelle (12) angeordnetes Adsorptionselement (26) zum Adsorbieren wenigstens einer in einem Produktstrom enthaltenen Substanz zumindest teilweise temperiert wird.
Verwenden einer Elektrolysevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eines Verfahrens nach Anspruch 9 zum temporären Wandeln von Energie.