DE102018213404A1 - Electrolyser and method for operating an electrolyzer - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseeinheit zum Zerlegen von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff und ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseeinheit. Die Elektrolyseeinheit umfasst wenigstens ein Elektrolysemodul mit wenigstens einer Elektrolysezelle, wobei die Elektrolysezelle einen Kathodenraum und einen Anodenraum aufweist, wobei der Kathodenraum vom Anodenraum mittels einer Protonen-Austausch-Membran getrennt ist. Die Elektrolyseeinheit umfasst weiterhin einen Druckkörper, wobei das Elektrolysemodul in dem Druckkörper angeordnet ist. Die Elektrolyseeinheit wird in dem Druckkörper betrieben, wobei ein erster Druck in der Elektrolyseeinheit und ein zweiter Druck in dem Druckkörper gleich hoch sind.The invention relates to an electrolysis unit for separating water into hydrogen and oxygen and a method for operating an electrolysis unit. The electrolysis unit comprises at least one electrolysis module with at least one electrolysis cell, the electrolysis cell having a cathode compartment and an anode compartment, the cathode compartment being separated from the anode compartment by means of a proton exchange membrane. The electrolysis unit further comprises a pressure body, the electrolysis module being arranged in the pressure body. The electrolysis unit is operated in the pressure body, a first pressure in the electrolysis unit and a second pressure in the pressure body being the same.
Description
Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur zum Zerlegen von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff und ein Verfahren zum Betreiben des Elektrolyseurs.The invention relates to an electrolyzer for separating water into hydrogen and oxygen and a method for operating the electrolyzer.
Ein Elektrolyseur ist eine Vorrichtung, die mit Hilfe von elektrischem Strom eine Stoffumwandlung herbeiführt (Elektrolyse). Entsprechend der Vielfalt an unterschiedlichen Elektrolysen gibt es auch eine Vielzahl von Elektrolyseuren, wie beispielsweise einen Elektrolyseur für eine Wasserstoffelektrolyse.An electrolyser is a device that uses electrical current to convert substances (electrolysis). In accordance with the variety of different electrolyses, there are also a large number of electrolysers, such as an electrolyser for hydrogen electrolysis.
Aktuelle Überlegungen gehen dahin, mit überschüssiger Energie aus erneuerbaren Energiequellen in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlicher Solarstrom- oder Windkrafterzeugung, Wertstoffe zu erzeugen. Ein Wertstoff kann insbesondere Wasserstoff sein, welcher mit Wasserelektrolyseuren erzeugt wird. Mittels des Wasserstoffs kann beispielsweise sogenanntes EE-Gas hergestellt werden.Current considerations are to generate valuable materials with excess energy from renewable energy sources in times with a lot of sun and a lot of wind, i.e. with above-average solar power or wind power generation. A valuable substance can in particular be hydrogen, which is generated with water electrolysers. Using hydrogen, for example, so-called renewable gas can be produced.
Dabei erzeugt ein (Wasserstoffelektrolyse-) Elektrolyseur mit Hilfe der elektrischen Energie, insbesondere aus Windenergie oder Sonnenenergie, zunächst Wasserstoff. Danach wird der Wasserstoff in einem Sabatierprozess zusammen mit Kohlendioxid zur Herstellung von Methan verwendet. Das Methan kann dann beispielsweise in ein bereits vorhandenes Erdgasnetz eingespeist werden und ermöglicht so eine Speicherung und einen Transport von Energie zum Verbraucher und kann so ein elektrisches Netz entlasten. Alternativ dazu kann der vom Elektrolyseur erzeugte Wasserstoff auch unmittelbar weiterverwendet werden, beispielsweise für eine Brennstoffzelle.A (hydrogen electrolysis) electrolyzer first generates hydrogen with the aid of electrical energy, in particular from wind energy or solar energy. The hydrogen is then used in a saturation process together with carbon dioxide to produce methane. The methane can then be fed, for example, into an already existing natural gas network and thus enables energy to be stored and transported to the consumer and can thus relieve an electrical network. Alternatively, the hydrogen generated by the electrolyzer can also be used directly, for example for a fuel cell.
Bei einem Elektrolyseur für die Wasserstoffelektrolyse wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Bei einem PEM-Elektrolyseur wird typischerweise anodenseitig destilliertes Wasser als Edukt zugeführt und an einer protonendurchlässigen Membran (engl.: „Proton-Exchange-Membrane“; PEM) zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Das Wasser wird dabei an der Anode zu Sauerstoff oxidiert. Die Protonen passieren die protonendurchlässige Membran. Kathodenseitig wird Wasserstoff produziert. Eine Elektrolyseeinheit umfasst typischerweise wenigstens vier Elektrolysemodule. Ein Elektrolysemodul umfasst typischerweise 50 Elektrolysezellen.In an electrolyser for hydrogen electrolysis, water is broken down into hydrogen and oxygen. In a PEM electrolyser, typically distilled water is added as an educt and split on a proton-permeable membrane (“Proton Exchange Membrane”; PEM) to hydrogen and oxygen. The water is oxidized to oxygen at the anode. The protons pass through the proton-permeable membrane. Hydrogen is produced on the cathode side. An electrolysis unit typically comprises at least four electrolysis modules. An electrolysis module typically comprises 50 electrolysis cells.
Die Elektrolyse des Wassers kann bei, im Vergleich zu Umgebungsdruck, leicht erhöhtem Druck, insbesondere 2 bar bis 10 bar, durchgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass Wasserstoff bereits bei Drücken oberhalb des atmosphärischen Drucks aus dem Elektrolyseur verfügbar ist, und für Folgeanwendungen in industriellen Prozessen nicht mehr komprimiert werden muss.The electrolysis of the water can be carried out at a slightly increased pressure, in particular 2 bar to 10 bar, in comparison to ambient pressure. This has the advantage that hydrogen is already available from the electrolyser at pressures above atmospheric pressure, and no longer has to be compressed for subsequent applications in industrial processes.
Nachteilig müssen bei einem im Vergleich zum Umgebungsdruck erhöhten Arbeitsdruck im Elektrolyseur die Elemente der Elektrolyseeinheit, insbesondere die Bipolarplatten, als drucktragende Elemente ausgeführt werden. Das bedeutet, dass diese Elemente nachteilig dicker und/oder größer ausgestaltet werden müssen, was sie in der Anschaffung teurer werden lässt.Disadvantageously, if the working pressure in the electrolyzer is higher than the ambient pressure, the elements of the electrolysis unit, in particular the bipolar plates, must be designed as pressure-bearing elements. This means that these elements must disadvantageously be made thicker and / or larger, which makes them more expensive to purchase.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Elektrolyseeinheit und ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseeinheit anzugeben, welche bei einem im Vergleich zur Umgebung erhöhten Druck betrieben wird und den Aufbau der Elektrolyseeinheit vereinfacht und die Anschaffungskosten verringert.The object of the invention is therefore to provide an electrolysis unit and a method for operating an electrolysis unit which is operated at a pressure which is higher than that in the environment and which simplifies the construction of the electrolysis unit and reduces the acquisition costs.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Elektrolyseeinheit gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseeinheit gemäß Anspruch 14 gelöst.The object is achieved according to the invention with an electrolysis unit according to claim 1 and a method for operating an electrolysis unit according to claim 14.
Die Elektrolyseeinheit zum Zerlegen von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff umfasst erfindungsgemäß wenigstens ein Elektrolysemodul mit wenigstens einer Elektrolysezelle, wobei die Elektrolysezelle einen Kathodenraum und einen Anodenraum aufweist. Der Kathodenraum ist vom Anodenraum mittels einer Protonen-Austausch-Membran getrennt. Die Elektrolyseeinheit umfasst weiterhin einen Druckköper, wobei das Elektrolysemodul in dem Druckkörper angeordnet ist.According to the invention, the electrolysis unit for separating water into hydrogen and oxygen comprises at least one electrolysis module with at least one electrolysis cell, the electrolysis cell having a cathode compartment and an anode compartment. The cathode compartment is separated from the anode compartment by means of a proton exchange membrane. The electrolysis unit further comprises a pressure body, the electrolysis module being arranged in the pressure body.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseeinheit zum Zerlegen von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff umfasst zunächst das Bereitstellen wenigstens eines Elektrolysemoduls mit wenigstens einer Elektrolysezelle, wobei die Elektrolysezelle einen Kathodenraum und einen Anodenraum aufweist, wobei der Kathodenraum vom Anodenraum mittels einer Protonen-Austausch-Membran getrennt ist. Weiterhin erfolgt das Bereitstellen eines Druckkörpers, wobei das Elektrolysemodul in dem Druckkörper angeordnet ist. Die Elektrolyseeinheit wird dann in dem Druckkörper betrieben, wobei ein erster Druck in dem Elektrolysemodul und ein zweiter Druck in dem Druckkörper gleich hoch sind.The method according to the invention for operating an electrolysis unit for separating water into hydrogen and oxygen initially comprises providing at least one electrolysis module with at least one electrolysis cell, the electrolysis cell having a cathode space and an anode space, the cathode space being separated from the anode space by means of a proton exchange membrane is. Furthermore, a pressure body is provided, the electrolysis module being arranged in the pressure body. The electrolysis unit is then operated in the pressure body, a first pressure in the electrolysis module and a second pressure in the pressure body being the same.
Als Druckkörper wird hier ein geschlossener Körper bezeichnet, der ausreichend groß ist, so dass die Elektrolysemodule darin angeordnet werden können. Außerdem ist der Druckkörper derart dicht ausgestaltet ist, dass im Inneren des Druckkörpers mittels eines Füllgases oder einer Füllflüssigkeit Druck aufgebracht werden kann.A closed body, which is sufficiently large so that the electrolysis modules can be arranged therein, is referred to here as a pressure body. In addition, the pressure body is designed so tight that pressure can be applied in the interior of the pressure body by means of a filling gas or a filling liquid.
Vorteilhaft können aufgrund der Druckverhältnisse im Druckkörper und in dem Elektrolysemodul, also der Gleichheit der Drücke zwischen diesen beiden, die Komponenten der Elektrolysezelle genauso ausgelegt werden, wie für eine Elektrolysezelle, die bei Umgebungsdruck betrieben wird. Das heißt die Komponenten können vorteilhaft relativ dünn und klein ausgelegt werden. Somit kann die Größe einer Elektrolysezelle vorteilhaft vermindert werden. Weiterhin können Kosten aufgrund von Materialersparnis bei der Herstellung der Elektrolysezellen vorteilhaft gesenkt werden.Due to the pressure conditions in the pressure body and in the electrolysis module, that is to say the equality of the pressures between the two, the components of the electrolysis cell can advantageously be used are designed in exactly the same way as for an electrolysis cell that is operated at ambient pressure. This means that the components can advantageously be designed to be relatively thin and small. The size of an electrolytic cell can thus advantageously be reduced. Furthermore, costs can advantageously be reduced due to material savings in the manufacture of the electrolytic cells.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist der Druckkörper mit einer Flüssigkeit gefüllt. Grundsätzlich kann ein Druckkörper mit Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt sein. Vorteilhaft ist der Druckkörper mit der Flüssigkeit gefüllt, da diese eine geringe Kompressibilität aufweist. Weiterhin sind Leckagen leicht auffindbar, wenn der Druckkörper mit Flüssigkeit gefüllt ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Elektrolysemodule mittels der Flüssigkeit gekühlt werden können.In an advantageous embodiment and development of the invention, the pressure body is filled with a liquid. In principle, a pressure body can be filled with gas or a liquid. The pressure body is advantageously filled with the liquid, since it has a low compressibility. Furthermore, leaks are easy to find if the pressure body is filled with liquid. Another advantage is that the electrolysis modules can be cooled using the liquid.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Druckkörper mit deionisiertem Wasser gefüllt ist. Da Wasser bei der Elektrolyse als Edukt zugeführt wird, ist eine Kreuzkontamination in diesem Fall vorteilhaft nicht möglich. Dies ist insbesondere im Vergleich zum Einsatz von Stickstoff als Füllmedium des Druckkörpers von Vorteil, da im Vergleich hierzu insbesondere vermieden wird, dass die Produkte Wasserstoff und Sauerstoff mit einem Fremdgas kontaminiert werden.It is particularly advantageous if the pressure body is filled with deionized water. Since water is supplied as a starting material in the electrolysis, cross-contamination is advantageously not possible in this case. This is particularly advantageous in comparison to the use of nitrogen as the filling medium of the pressure body, since in comparison it is avoided in particular that the products hydrogen and oxygen are contaminated with a foreign gas.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist der Druckkörper als stehender Zylinder ausgestaltet. Vorteilhaft können dann die Elektrolysemodule von oben in den Zylinder eingelassen werden. Der Zylinder kann anschließend mittels eines druckfesten Deckels fest verschlossen, insbesondere verschraubt, werden.In a further advantageous embodiment and development of the invention, the pressure body is designed as a standing cylinder. The electrolysis modules can then advantageously be inserted into the cylinder from above. The cylinder can then be firmly closed, in particular screwed, by means of a pressure-resistant cover.
Alternativ ist es möglich, den Druckkörper als liegender Zylinder auszuführen. In diesem Fall können die Elektrolysemodule mit Hilfe eines Schlittens in den Druckkörper geschoben werden.Alternatively, it is possible to design the pressure body as a horizontal cylinder. In this case, the electrolysis modules can be pushed into the pressure body using a slide.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst der Druckkörper eine Durchführungsöffnung für wenigstens eine Stromleitung, für eine Eduktzuleitung, für eine erste Produktabfuhrleitung und für eine zweite Produktabfuhrleitung. Die Leitungen können je nachdem wie der Druckkörper aufgebaut ist, auf einer Seite liegen. Dies ist besonders bevorzugt, wenn der Druckkörper als stehender Zylinder ausgestaltet ist. Alternativ können die Durchführungen auf zwei Seiten des Druckkörpers angeordnet sein. Dies ist besonders bevorzugt, wenn der Druckkörper als liegender Zylinder ausgestaltet ist.In a further advantageous embodiment and development of the invention, the pressure body comprises a feed-through opening for at least one power line, for an educt feed line, for a first product discharge line and for a second product discharge line. Depending on how the pressure body is constructed, the lines can be on one side. This is particularly preferred if the pressure body is designed as a standing cylinder. Alternatively, the bushings can be arranged on two sides of the pressure body. This is particularly preferred if the pressure body is designed as a horizontal cylinder.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst der stehende Zylinder einen in seiner unteren Hälfte angeordneten Flüssigkeitszulauf und einen in seiner oberen Hälfte angeordneten Flüssigkeitsablauf. Dies ermöglicht vorteilhaft eine Kühlung der Elektrolysemodule bzw. der Elektrolysezellen, mittels des Füllmediums, besonders bevorzugt mittels des deionisierten Wassers. Wobei das Füllmedium aufgrund der Anordnung der Zu- und Abläufe um das Elektrolysemodul strömt.In a further advantageous embodiment and development of the invention, the standing cylinder comprises a liquid inlet arranged in its lower half and a liquid outlet arranged in its upper half. This advantageously enables the electrolysis modules or the electrolysis cells to be cooled by means of the filling medium, particularly preferably by means of the deionized water. The filling medium flows around the electrolysis module due to the arrangement of the inlets and outlets.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist der Druckkörper aus einem Material umfassend elektrisch isolierenden Kunststoff ausgebildet. Hierbei dient der Druckkörper neben der Druckhülle vorteilhaft auch als elektrische Isolierung der im Inneren des Druckkörpers angeordneten Elektrolysemodule. Besonders bevorzugt ist diese Ausführung für Drücke von maximal 10 bar geeignet. Als elektrisch isolierende Kunststoffe eignen sich insbesondere Polyvinylchlorid, Polyethylen oder Polypropylen. Grundsätzlich eignen sich alle elektrisch isolierenden Kunststoffe.In a further advantageous embodiment and development of the invention, the pressure body is formed from a material comprising electrically insulating plastic. In addition to the pressure sleeve, the pressure body advantageously also serves as electrical insulation of the electrolysis modules arranged in the interior of the pressure body. This version is particularly preferably suitable for pressures of at most 10 bar. Polyvinyl chloride, polyethylene or polypropylene are particularly suitable as electrically insulating plastics. Basically, all electrically insulating plastics are suitable.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist das Material umfassend den isolierenden Kunststoff als innenliegende Schicht in einem Stahlmantel des Druckkörpers angeordnet. Vorteilhaft dient auch hier direkt die Hülle des Druckkörpers als elektrische Isolierung der Elektrolysemodule.In a further advantageous embodiment and development of the invention, the material comprising the insulating plastic is arranged as an inner layer in a steel jacket of the pressure body. The envelope of the pressure body advantageously also serves as electrical insulation for the electrolysis modules.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst das Material im Wesentlichen den isolierenden Kunststoff. In anderen Worten heißt das, das der Druckkörper selbst aus dem isolierenden Kunststoff ausgebildet ist. Dabei umfasst das Material maximal 20 Massenprozent eines weiteren, vom isolierenden Kunststoff verschiedenen, Materials.In a further advantageous embodiment and development of the invention, the material essentially comprises the insulating plastic. In other words, this means that the pressure body itself is made of the insulating plastic. The material comprises a maximum of 20 percent by mass of a further material different from the insulating plastic.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung weist ein Elektrolysemodul wenigstens zwei Elektrolysemodulendplatten auf und die Elektrolysemodulendplatten sind mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff beschichtet. In dieser Ausführung sind die Elektrolysemodule selbst elektrisch isoliert, wodurch insbesondere eine Isolierung des Druckköpers entfallen kann.In a further advantageous embodiment and development of the invention, an electrolysis module has at least two electrolysis module end plates and the electrolysis module end plates are coated with an electrically insulating plastic. In this embodiment, the electrolysis modules themselves are electrically insulated, which means that there is in particular no need for insulation of the pressure body.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist in dem Zylinder ein Mannloch angeordnet. Das Mannloch ermöglicht vorteilhaft die einfache Zugänglichkeit zu den Elektrolysemodulen und erleichtert somit das Durchführen von Wartungen und Reparaturen.In a further advantageous embodiment and development of the invention, a manhole is arranged in the cylinder. The manhole advantageously enables easy access to the electrolysis modules and thus makes it easier to carry out maintenance and repairs.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung liegt beim Anfahren des Elektrolysemoduls der zweite Druck maximal 0,5 bar oberhalb des ersten Drucks. Während des Anfahrens kann also der Druck in dem Druckkörper leicht oberhalb des Drucks in der Elektrolysezelle liegen. Dies wird zweckmäßigerweise mit einer Steuereinheit und entsprechenden Messstellen überwacht.In a further advantageous embodiment and development of the invention, when the electrolysis module is started up, the second pressure is at most 0.5 bar above the first pressure. During the start-up, the pressure in the pressure body can therefore be slightly above the pressure in the electrolysis cell. This is expediently monitored using a control unit and corresponding measuring points.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Darin zeigen schematisch:
-
1 eine Elektrolyseeinheit mit einem zylindrischen, liegenden Druckkörper und einem darin angeordneten Elektrolysemodul; -
2 eine Elektrolyseeinheit mit einem zylindrischen, stehenden Druckkörper und einem darin angeordneten Elektrolysemodul; -
3 eine Elektrolysezelle mit einer Protonenaustauschmembran.
-
1 an electrolysis unit with a cylindrical, lying pressure body and an electrolysis module arranged therein; -
2 an electrolysis unit with a cylindrical, standing pressure body and an electrolysis module arranged therein; -
3 an electrolytic cell with a proton exchange membrane.
Der Druckkörper
In beiden Ausführungsbeispielen kann der Zylinder ein Mannloch umfassen, um es dem Wartungspersonal zu ermöglichen, bei Wartungsarbeiten auch in den Druckkörper
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Elektrolyseeinheitelectrolysis unit
- 22
- Elektrolysemodulelectrolysis module
- 33
- Elektrolysezelleelectrolysis cell
- 44
- Druckkörperpressure vessels
- 55
- deionisiertes Wasserdeionized water
- 66
- erste Leitungfirst line
- 77
- zweite Leitungsecond line
- 88th
- dritte Leitungthird line
- 99
- isolierte Durchführungeninsulated bushings
- 1010
- Sauerstoffoxygen
- 1111
- Wasserstoffhydrogen
- 1212
- Deckelcover
- 1313
- Schlittencarriage
- 3030
- Bipolarplatte der AnodeAnode bipolar plate
- 3131
- Bipolarplatte der KathodeBipolar plate of the cathode
- 3232
- poröse Trägerstrukturporous support structure
- 3333
- elektrokatalytische Schichtelectrocatalytic layer
- 3434
- ProtonenaustauschmembranProton exchange membrane
- 7070
- Anodeanode
- 8080
- Kathodecathode
Claims (15)
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-
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