DE102017204177A1 - Method for operating an electrolysis stack, electrolysis stack and electrolysis system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolysestacks (100), wobei in einem Schritt des Spülens Wasser durch einen Gasraum an der Kathode (102) des Elektrolysestacks (100) gespült wird, um eine Wasserstoffmenge an der Kathode (102) zu reduzieren.The invention relates to a method for operating an electrolysis stack (100), wherein, in a rinsing step, water is purged through a headspace at the cathode (102) of the electrolyzer stack (100) to reduce an amount of hydrogen at the cathode (102).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.The invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims.

Bei einem abgeschalteten Elektrolysestack kann Wasserstoff durch die Membran diffundieren und Knallgas bilden.When the electrolysis stack is switched off, hydrogen can diffuse through the membrane and form oxyhydrogen gas.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolysestacks, weiterhin ein Elektrolysestack, sowie schließlich ein Elektrolysesystem gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, a method for operating an electrolysis stack, furthermore an electrolysis stack, and finally an electrolysis system according to the main claims are presented with the approach presented here. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim device are possible.

Während der Elektrolyse wird Wasser in die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Wasserstoff entsteht an der Kathode, Sauerstoff an der Anode. Bei einer Membran-basierten Elektrolyse (PEM, AEM) werden die entstehenden Wasserstoff-Moleküle von den Sauerstoff-Molekülen durch eine Membran räumlich getrennt. Die Anode ist dabei immer mit flüssigem Feed-Wasser geflutet. Die Kathode wird oft ohne Wasserzufuhr ausgelegt. Die entstehenden Gase, im speziellen Wasserstoff, können dabei unter Druck vorliegen. Bei der PEM Elektrolyse wird Wasser mit den Protonen durch die Membran zur Kathode transportiert (Drag). Daher ist bei diesem Verfahren auf beiden Seiten der Membran auch ohne externe Zuleitung an der Kathode immer flüssiges Wasser vorhanden.During electrolysis, water is split into the elements hydrogen and oxygen. Hydrogen is generated at the cathode, oxygen at the anode. In membrane-based electrolysis (PEM, AEM), the resulting hydrogen molecules are spatially separated from the oxygen molecules by a membrane. The anode is always flooded with liquid feed water. The cathode is often designed without water supply. The resulting gases, in particular hydrogen, can be under pressure. In PEM electrolysis, water is transported with the protons through the membrane to the cathode (drag). Therefore, in this method, liquid water is always present on both sides of the membrane even without external supply to the cathode.

Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird der Wasserstoff durch Spülen bzw. Austausch mit zusätzlichem Wasser an der Kathode entfernt, um bei Stillstand der Elektrolyse das Diffundieren des Wasserstoffs zurück zum Sauerstoff an der Anode zu verhindern.In the approach presented here, the hydrogen is removed by rinsing or replacement with additional water at the cathode to prevent the diffusion of hydrogen back to the oxygen at the anode at standstill of the electrolysis.

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolysestacks vorgestellt, wobei in einem Schritt des Spülens Wasser durch einen Gasraum an der Kathode des Elektrolysestacks gespült wird, um eine Wasserstoffmenge an der Kathode zu reduzieren.A method for operating an electrolyzer stack is presented wherein, in a rinse step, water is purged through a headspace at the cathode of the electrolyzer stack to reduce an amount of hydrogen at the cathode.

Ein Elektrolysestack kann eine Kathode und eine Anode aufweisen. Die Kathode kann eine Wasserstoffseite und die Anode eine Sauerstoffseite des Elektrolysestacks repräsentieren, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. An der Kathode werden Wasserstoff-Ionen zu Wasserstoff reduziert. An der Anode wird Wasser zu Sauerstoff oxidiert. Das durch die Membran zur Kathode transportierte Wasser wird mit dem Wasserstoff aus dem Stack ausgetragen. Der Gasraum kann an die Kathode angrenzen oder die Kathode umgeben. Mit anderen Worten, kann die Kathode innerhalb des Gasraums angeordnet sein. Der der Kathode zugeordnete Gasraum kann durch die Membran von einem der Anode zugeordneten Gasraum getrennt sein.An electrolyzer stack may have a cathode and an anode. The cathode may represent a hydrogen side and the anode an oxygen side of the electrolyzer stack separated by a membrane. At the cathode, hydrogen ions are reduced to hydrogen. At the anode, water is oxidized to oxygen. The water transported through the membrane to the cathode is discharged from the stack with the hydrogen. The gas space may adjoin the cathode or surround the cathode. In other words, the cathode may be disposed within the gas space. The gas space assigned to the cathode can be separated by the membrane from a gas space assigned to the anode.

Der Schritt des Spülens kann ausgeführt werden, wenn die Elektrolyse im Elektrolysestack unterbrochen wird, gemäß einer Ausführungsform temporär unterbrochen wird. Damit kann der Elektrolysestack schnell und einfach gesichert werden, wenn beispielsweise die Stromversorgung unterbrochen wird. Ein weiterer Anwendungsfall ist das komplette Herunterfahren des Prozesses.The purging step may be performed when the electrolysis in the electrolyzer stack is interrupted, in accordance with one embodiment temporarily interrupted. Thus, the electrolysis stack can be secured quickly and easily, for example, when the power supply is interrupted. Another use case is the complete shutdown of the process.

Der Schritt des Spülens kann ferner ausgeführt werden, wenn die Elektrolyse im Elektrolysestack läuft. Durch ein Spülen im Betrieb kann die Konzentration des Wasserstoffs an der Kathode niedrig gehalten werden.The rinsing step may also be carried out when the electrolysis is running in the electrolyzer stack. By flushing during operation, the concentration of hydrogen at the cathode can be kept low.

Das Wasser kann aus einem mit dem Gasraum verbundenen Wasserabscheider zum Abscheiden von Wasser aus elektrolysiertem Wasserstoff entnommen werden. Das Wasser aus dem Wasserabscheider ist mit Wasserstoff gesättigt. Sauerstoff ist dagegen nur wenig vorhanden. Dadurch kann sich kein Knallgas an der Kathode bilden. Weiterhin besitzt das Wasser aus dem Abscheider eine sehr hohe Reinheit.The water may be withdrawn from a water separator connected to the gas space for separating water from electrolyzed hydrogen. The water from the water separator is saturated with hydrogen. Oxygen, on the other hand, is sparse. As a result, no oxyhydrogen gas can form at the cathode. Furthermore, the water from the separator has a very high purity.

Das Wasser kann mit einem Kathoden-Betriebsdruck des Elektrolysestacks durch den Gasraum gespült werden. Durch einen gleichbleibenden Druck kann eine Druckwechselbelastung der Membran vermieden werden. Der Elektrolysestack kann dadurch eine höhere Lebensdauer aufweisen.The water can be flushed through the headspace at a cathode operating pressure of the electrolysis stack. By a constant pressure a pressure swing load of the membrane can be avoided. The electrolyzer stack can thereby have a longer service life.

Das Verfahren kann einen Schritt des Entlastens aufweisen, in dem ein Betriebsdruck an der Kathode und/oder der Anode des Elektrolysestacks reduziert wird, wenn die Elektrolyse im Elektrolysestack unterbrochen wird. Der Druck kann zusätzlich verringert werden, wenn die Elektrolyse länger ausgesetzt wird.The method may include a step of venting in which an operating pressure at the cathode and / or the anode of the electrolysis stack is reduced when the electrolysis in the electrolysis stack is interrupted. The pressure can be further reduced if the electrolysis is exposed for a longer time.

Weiterhin wird ein Elektrolysestack mit einem Wasseranschluss zum Spülen einer Wasserstoffseite des Elektrolysestacks vorgestellt. Der Wasseranschluss kann als Rohrleitung in die Wasserstoffseite ausgeführt sein.Furthermore, an electrolyzer stack with a water connection for flushing a hydrogen side of the electrolysis stack is presented. The water connection can be designed as a pipe in the hydrogen side.

Ferner wird ein Elektrolysesystem mit einem Elektrolysestack gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt, wobei ein mit einem Wasserstoffauslass der Wasserstoffseite verbundener Wasserabscheider über eine Ausgleichsleitung mit dem Wasseranschluss der Wasserstoffseite verbunden ist. Die Ausgleichsleitung kann schaltbar sein. Ebenso kann die Ausgleichsleitung eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Wasserabscheider und dem Wasseranschluss herstellen.Further, an electrolysis system with an electrolyzer stack according to the approach presented here is presented, wherein one connected to a hydrogen outlet of the hydrogen side Water separator is connected via a compensation line to the water connection of the hydrogen side. The compensation line can be switched. Likewise, the equalizing line can establish a permanent connection between the water separator and the water connection.

In der Ausgleichsleitung kann eine Pumpe angeordnet sein. Die Pumpe kann das Wasser über einen Höhenunterschied heben. Die Pumpe kann auch den Durchfluss durch die Ausgleichsleitung erhöhen.In the compensation line, a pump may be arranged. The pump can lift the water over a height difference. The pump can also increase the flow through the equalization line.

In der Ausgleichsleitung oder dem Wasserabscheider kann ein lonentauscher angeordnet sein. Durch einen lonentauscher kann die Leitfähigkeit des Wassers in einem Toleranzbereich gehalten werden.An ion exchanger can be arranged in the equalization line or the water separator. Through an ion exchanger, the conductivity of the water can be kept within a tolerance range.

Der Wasserabscheider kann in betriebsbereitem Zustand oberhalb des Wasseranschlusses angeordnet sein. Durch die räumliche Anordnung kann die Gravitation das Wasser zum Wasseranschluss drücken.The water separator can be arranged in an operational state above the water connection. Due to the spatial arrangement, the gravity can push the water to the water connection.

Der Wasserabscheider kann einen Wasservorratsraum aufweisen. Im Vorratsraum steht genug Wasser zur Verfügung, dass beim Spülen der Wasserstoff an der Kathode komplett durch Wasser ausgetauscht wird.The water separator may have a water reservoir. In the storage room there is enough water available that when flushing the hydrogen at the cathode is completely replaced by water.

Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 eine Darstellung eines Elektrolysestacks gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2 ein Blockschaltbild eines Elektrolysesystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 3 ein Blockschaltbild eines Elektrolysesystems mit einer Stickstoffspülung; und
  • 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Elektrolysestacks gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Embodiments of the approach presented here are shown in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows:
  • 1 a representation of an electrolysis stack according to an embodiment;
  • 2 a block diagram of an electrolysis system according to an embodiment;
  • 3 a block diagram of an electrolysis system with a nitrogen purge; and
  • 4 a flowchart of a method for operating an electrolysis stack according to an embodiment.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt eine Darstellung eines Elektrolysestacks 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Elektrolysestack 100 ist dazu ausgebildet, unter Verwendung von elektrischer Energie Wasser H2Oin seine Spaltprodukte H+ und 02- zu trennen. Die Wasserstoff-Ionen H+ werden an der Kathode 102 zu Wasserstoff H2 reduziert. Die Sauerstoff-Ionen 02- werden an der Anode 104 zu Sauerstoff 02 oxidiert. Die Kathode 102 ist auf einer Wasserstoffseite des Elektrolysestacks 100 angeordnet. Die Anode 104 ist auf einer Sauerstoffseite des Elektrolysestacks 100 angeordnet. Die Kathode 102 und die Anode 104 sind durch eine Membran 106 getrennt. Die Membran 106 ist durchlässig für eines der Spaltprodukte. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Membran 106 für beide Gase durchlässig, Wasserstoff permeiert aber viel schneller. 1 shows a representation of an electrolysis stack 100 according to an embodiment. The electrolysis stack 100 is designed to separate water H 2 O into its cleavage products H + and O 2 - using electrical energy. The hydrogen ions H + become at the cathode 102 reduced to hydrogen H2. The oxygen ions 02 - be at the anode 104 oxidized to oxygen 02. The cathode 102 is disposed on a hydrogen side of the electrolytic stack 100. The anode 104 is on an oxygen side of the electrolysis stack 100 arranged. The cathode 102 and the anode 104 are through a membrane 106 separated. The membrane 106 is permeable to one of the fission products. According to one embodiment, the membrane 106 permeable to both gases, but hydrogen permeates much faster.

Die Anode 104 ist innerhalb eines Gasraums angeordnet, der einen Wasseranschluss 108 und einen Sauerstoffauslass 110 aufweist. Die Kathode102 ist innerhalb eines weiteren Gasraums angeordnet, der einen Wasserstoffauslass 112 und einen weiteren Wasseranschluss 114 aufweist. Im Betrieb des Elektrolysestacks 100 wird über den Wasseranschluss 108 Wasser in den der Anode 104 zugeordneten Gasraum eingeleitet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel fließt über den als Ventil ausgeführten Wasseranschluss 108 im Betrieb des Elektrolysestacks 100 immer Wasser, das beispielsweise über den in 2 gezeigten Wasserabscheider 204 im Kreis gepumpt wird. Der Wasseranschluss 108 ist in diesem Fall nicht zum Spülen, vor allem da die Anode 104 auch immer mit Wasser geflutet ist. Im Gegensatz dazu ist der in 2 gezeigte Sammelbehälter 208 vorgesehen, um nur dann Wasser abzugeben, wenn nötig. Entsprechend wird über den Wasseranschluss 114 Wasser in den der Kathode 102 zugeordneten Gasraum eingeleitet, um den der Kathode 102 zugeordneten Gasraum zu spülen.The anode 104 is disposed within a gas space having a water connection 108 and an oxygen outlet 110 having. The cathode 102 is disposed within another gas space containing a hydrogen outlet 112 and another water connection 114 having. During operation of the electrolysis stack 100 is over the water connection 108 Water in the anode 104 associated gas space initiated. According to one exemplary embodiment, the water connection designed as a valve flows 108 during operation of the electrolysis stack 100 always water, for example, over the in 2 shown water separator 204 is pumped in a circle. The water port 108 is not in this case for rinsing, especially since the anode 104 is always flooded with water. In contrast, the in 2 shown collection container 208 provided only to give off water if necessary. Accordingly, over the water connection 114 Water in the the cathode 102 associated gas space introduced to that of the cathode 102 to flush associated gas space.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Membran 106 eine Protonen-Austausch-Membran 106 und damit durchlässig für Wasserstoffprotonen H+. Die Wasserstoffprotonen H+ entstehen an der Anode 104 durch die Elektrolyse des Wassers H2O. Beim Durchdringen der Membran 106 transportieren die Wasserstoffprotonen H+ Wassermoleküle H2O mit. An der Anode 104 wird also Wasser H2O verbraucht. An der Kathode 102 besteht ein Wasserüberschuss. Der Anode 104 wird über den Wasseranschluss 108 das verbrauchte Wasser H2O wieder zugeführt. Über den Sauerstoffauslass 110 fließt der Sauerstoff O2 mit Wasser H2O von der Kathode 104 ab. An der Kathode 102 fließt der Wasserstoff H2 mit dem Wasserüberschuss über den Wasserstoffauslass 112 ab. Der Wasseranschluss 114 dient zum Spülen der Wasserstoffseite an der Kathode 102.In the illustrated embodiment, the membrane 106 a proton exchange membrane 106 and thus permeable to hydrogen protons H +. The hydrogen protons H + are formed at the anode 104 by the electrolysis of water H2O. When penetrating the membrane 106 transport the hydrogen protons H + water molecules H2O. At the anode 104 So water H2O is consumed. At the cathode 102 There is an excess of water. The anode 104 is over the water connection 108 the used water H2O fed again. About the oxygen outlet 110 the oxygen O2 flows with water H2O from the cathode 104 from. At the cathode 102 the hydrogen H2 flows with the excess water via the hydrogen outlet 112 from. The water connection 114 serves to purge the hydrogen side at the cathode 102.

2 zeigt ein Blockschaltbild eines Elektrolysesystems 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Elektrolysesystem 200 ist vereinfacht dargestellt und weist einen Elektrolysestack 100, wie er beispielsweise in 1 dargestellt ist, und zwei Wasserabscheider 202, 204 auf. Der erste Wasserabscheider 202 ist mit dem Wasserstoffauslass 112 an der Kathode 102 verbunden. Der zweite Wasserabscheider 204 ist mit dem Sauerstoffauslass 110 der Anode 104 verbunden. Wenn die Elektrolyse läuft, reichert sich Wasserstoff H2 an der Kathode 102 an der Anode 104 reichert sich Sauerstoff an und bildet Blasen im Wasser. Der Wasserstoff transportiert den Überschuss an Wasser zum Abscheider 202. An der Anode 104 wird der entstandene Sauerstoff mit dem Feed-Wasser zum Abscheider 204 transportiert. Im ersten Wasserabscheider 202 wird der Wasserstoff vom Wasser getrennt und zur weiteren Verwendung abgezogen. Im zweiten Wasserabscheider 204 wird der Sauerstoff vom Wasser getrennt und ebenfalls abgezogen. Das Wasser aus dem zweiten Wasserabscheider 204 wird zum Wasseranschluss 108 der Anode 104 zurückgeführt. Das verbrauchte Wasser wird durch extern zugeführtes Wasser ersetzt. Dazu ist ein weiterer Wasseranschluss 220 in Form eines externen Zulaufs vorgesehen, über den der Anode 103 weiteres Wasser, sogenanntes Feed-Wasser, zugeführt werden kann. 2 shows a block diagram of an electrolysis system 200 according to an embodiment. The electrolysis system 200 is simplified and has an electrolysis stack 100 as he is for example in 1 is shown, and two water separators 202 . 204 on. The first water separator 202 is with the hydrogen outlet 112 at the cathode 102 connected. The second water separator 204 is with the oxygen outlet 110 the anode 104 connected. As the electrolysis proceeds, hydrogen H2 accumulates at the cathode 102 at the anode 104 Oxygen accumulates and forms bubbles in the water. The hydrogen transports the excess water to the separator 202. At the anode 104 the resulting oxygen with the feed water to the separator 204 transported. In the first water separator 202 the hydrogen is separated from the water and withdrawn for further use. In the second water separator 204 the oxygen is separated from the water and also withdrawn. The water from the second water separator 204 becomes the water connection 108 the anode 104 recycled. The used water is replaced by externally supplied water. This is another water connection 220 provided in the form of an external inlet, via which the anode 103 more water, so-called feed water, can be supplied.

In einem Ausführungsbeispiel wird das Wasser aus dem ersten Wasserabscheider 202 über eine Ausgleichsleitung 206 zu dem Wasseranschluss 114 der Wasserstoffseite 102 zurückgeführt. Überschüssiges Wasser kann auch erneut der Sauerstoffseite 104 zugeführt werden.In one embodiment, the water from the first water separator 202 via a compensation line 206 to the water port 114 of the hydrogen side 102 recycled. Excess water can also be re-oxygenated 104 be supplied.

In einem Ausführungsbeispiel wird das Wasser aus dem ersten Wasserabscheider 202 in einem Wasservorratsraum 208 gesammelt. Wenn die Elektrolyse im Elektrolysestack 100 beendet oder unterbrochen wird, wird ein Ventil in der Ausgleichsleitung 206 geöffnet und das Wasser strömt zu der Kathode 102. Dabei wird der Wasserstoff von dem Gasraum der Kathode 102 ausgespült und der Elektrolysestack 100 ist sicher.In one embodiment, the water from the first water separator 202 is in a water storage room 208 collected. When the electrolysis in the electrolysis stack 100 is terminated or interrupted, a valve in the compensation line 206 opened and the water flows to the cathode 102. In this case, the hydrogen from the gas space of the cathode 102 rinsed out and the electrolysis stack 100 is safe.

In einem Ausführungsbeispiel ist in der Ausgleichsleitung 206 ein lonentauscher 210 angeordnet. Der lonentauscher 210 verhindert, dass im Wasserangereicherte Ionen und damit auch eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers zum Stack gelangen. Der lonentauscher 210 weist einen Strömungswiderstand auf. Dieser Strömungswiderstand kann durch die Gewichtskraft des Wassers überwunden werden, da der Wasserabscheider 202 oberhalb des Elektrolysestacks 100 angeordnet ist.In one embodiment, in the compensation line 206 an ion exchanger 210 arranged. The ion exchanger 210 prevents water-enriched ions and thus also a change in the electrical conductivity of the water from reaching the stack. The ion exchanger 210 has a flow resistance. This flow resistance can be overcome by the weight of the water, since the water separator 202 above the electrolysis stack 100 is arranged.

In einem Ausführungsbeispiel ist in der Ausgleichsleitung 206 eine Pumpe 212 angeordnet. Die Pumpe 210 wird aktiviert, um das Wasser zum Spülen schnell in den Gasraum der Kathode 102 einzubringen. Die Pumpe 212 überwindet auch den Strömungswiderstand des lonentauschers 210.In one embodiment, in the compensation line 206 a pump 212 arranged. The pump 210 is activated to flush the water quickly into the gas space of the cathode 102 contribute. The pump 212 also overcomes the flow resistance of the ion exchanger 210.

Mit anderen Worten wird eine (Kathoden-) Wasser-Rückführung 206 an Elektrolysesystemen 200 zur Entfernung von Wasserstoff aus dem Stack 100 vorgestellt.In other words, a (cathode) water recycling 206 on electrolysis systems 200 to remove hydrogen from the stack 100 presented.

Elektrolysesysteme 200 können zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser mittels insbesondere erneuerbarem elektrischem Strom verwendet werden. Hauptteil jedes Systems 200 ist der Elektrolysestack 100. Für diesen Stack 100 stehen mehrere Technologien wie beispielsweise PEM (polymer exchange membrane), AEM (anion exchange membrane) oder FA (flüssig alkalisch) zur Auswahl. Aktuelle und zukünftige Systeme setzen vor allem auf PEM. In 2 ist ein vereinfachtes Schaubild eines Elektrolysesystems 200 mit einem PEM Elektrolysestack 100 und einem Wasserkreislauf an der Anode dargestellt.Electrolysis systems 200 may be used to produce hydrogen from water using, in particular, renewable electricity. Main part of every system 200 is the electrolysis stack 100 , For this stack 100 Several technologies are available, such as PEM (polymer exchange membrane), AEM (anion exchange membrane) or FA (liquid alkaline). Current and future systems rely primarily on PEM. In 2 is a simplified diagram of an electrolysis system 200 with a PEM electrolysis pack 100 and a water cycle at the anode.

An der Anode 104 wird flüssiges Wasser zugeführt und zu Sauerstoff und Protonen oxidiert. Das Wasser fließt im Kreislauf über einen Gas/Flüssig-Trenner 204, wo der gasförmige Sauerstoff abgetrennt wird. Im Stack 100 wandern die Protonen vom gespaltenen Wasser zur Kathode 102, wo diese zu molekularem Wasserstoff reduziert werden. Dieser wird ebenfalls von flüssigem Wasser getrennt, welches technologiebedingt durch die Membran mitgezogen wurde. Das Wasser an der Kathode 102 kann nach dem Entgasen wieder dem Anodenkreislauf zugeführt oder verworfen werden.At the anode 104 Liquid water is supplied and oxidized to oxygen and protons. The water flows in the circuit via a gas / liquid separator 204 where the gaseous oxygen is separated. In the stack 100 the protons migrate from the split water to the cathode 102 where they are reduced to molecular hydrogen. This is also separated from liquid water, which was entrained by the technology due to the membrane. The water at the cathode 102 can be returned to the anode circuit after degassing or discarded.

Beim Herunterfahren des Stacks 100 oder bei einem Not-Aus ist die Anode mit Sauerstoff und die Kathode 102 mit Wasserstoff gefüllt. Dies stellt beim Anlagenstillstand ein Sicherheitsrisiko dar, da molekularer Wasserstoff durch die Membran diffundiert und an der Anode mit dem Sauerstoff ein gefährliches Knallgasgemisch bilden kann. Im Betrieb ist die Wasserstoffkonzentration an der Anode durch die Sauerstoffproduktion unkritisch. Dieser Sachverhalt wird meist dadurch verstärkt, dass der Wasserstoff unter einem Druck von beispielsweise 30 bis 60 bar vorliegt.When shutting down the stack 100 or at an emergency stop, the anode is oxygen and the cathode 102 filled with hydrogen. This represents a safety risk during system downtime, since molecular hydrogen can diffuse through the membrane and form a dangerous oxyhydrogen gas mixture at the anode with the oxygen. During operation, the hydrogen concentration at the anode is uncritical due to the production of oxygen. This situation is usually reinforced by the fact that the hydrogen is present under a pressure of for example 30 to 60 bar.

Bei dem hier vorgestellten Ansatz erfolgt eine Spülung des Kathodenraums 102 mit Wasser aus dem Gas-Flüssig-Trenner 202.In the approach presented here, a rinsing of the cathode compartment takes place 102 with water from the gas-liquid separator 202 ,

Zum Spülen wird das System 100 durch eine zusätzliche Rohrleitung 206 vom Gas-Flüssig-Trenner 202 zum Stack 100 erweitert. Beim Herunterfahren wird Kathodenwasser aus dem Gas-Flüssig-Trenner 202 in den Stack 100 geleitet, wo durch das Kathodenwasser der vorhandene Wasserstoff verdrängt wird. Im Stack 100 liegt dann bei Stillstand flüssiges, mit Wasserstoff gesättigtes und bedrucktes Wasser an. Eine Diffusion von molekularem Wasserstoff zur Anode wird dadurch nahezu ausgeschlossen. Durch den Wasserdruck bleiben die Kräfte auf die Membran und Dichtungen konstant, was die Langzeitstabilität des Stacks 100 verbessern kann.The system is used for rinsing 100 through an additional pipeline 206 from the gas-liquid separator 202 to the stack 100 extended. When shutdown, cathode water is released from the gas-liquid separator 202 in the stack 100 where the existing hydrogen is displaced by the cathode water. In the stack 100 is then at standstill liquid, saturated with hydrogen and printed water. Diffusion of molecular hydrogen to the anode is thereby almost excluded. Due to the water pressure, the forces on the membrane and seals remain constant, which can improve the long-term stability of the stack 100.

Diese Erweiterung ist sehr einfach zu realisieren. Zusätzlich zur Ausgleichsleitung 206 wird der Gas-Flüssig-Trenner 202 lediglich etwas größer dimensioniert, um ausreichend Wasser zum Fluten des Stacks 100 vorzuhalten. Beim nächsten Start wird dieses Wasser durch den produzierten Wasserstoff wieder aus dem Stack 100 in den Behälter 208 „gepumpt“, wodurch die Sicherheit zu jeder Zeit garantiert ist. Weiterhin wird durch diese Maßnahme kein Wasserstoff verworfen oder verunreinigt. Bei längeren Standzeiten ist außerdem der Stack immer auf beiden Seiten mit sauberem entionisiertem Wasser gefüllt, wodurch die Membran vor dem Austrocknen geschützt wird. Bei langem Stillstand kann es zweckmäßig sein eine Druckentlastung am Stack 100 durchzuführen, was über ein hier nicht eingezeichnetes Ventil oberhalb des Kathodenaustritts 112 realisiert werden kann.This extension is very easy to implement. In addition to the equalization line 206, the gas-liquid separator 202 just dimensioned slightly larger to allow enough water to flood the stack 100 reproach. At the next start this water will be released from the stack by the produced hydrogen 100 in the container 208 "Pumped", which guarantees safety at all times. Furthermore, no hydrogen is discarded or contaminated by this measure. For longer lifetimes, the stack is always filled with clean deionized water on both sides, which protects the membrane from drying out. At long standstill, it may be appropriate to depressurize the stack 100 perform what can be realized via a valve not shown here above the cathode outlet 112.

Um einen zeitlichen Anstieg der Wasser-Leitfähigkeit zu vermeiden, kann es weiterhin zweckmäßig sein, in der Ausgleichsleitung 206 oder im beziehungsweise am Gas-Flüssig-Trenner 202 einen lonentauscher 210 vorzusehen. Der dadurch entstehende Druckverlust kann durch eine kleine Pumpe 212 oder die Schwerkraft überwunden werden. Dazu ist der Gas-Flüssig-Trenner 202 an einer erhöhten Position angebracht und der lonentauscher 210 ist in der Ausgleichsleitung 206 angeordnet. Letzteres garantiert ein sicheres Herunterfahren auch bei Stromausfall.In order to avoid a temporal increase in the water conductivity, it may still be appropriate in the compensation line 206 or in or on the gas-liquid separator 202 to provide an ion exchanger 210. The resulting pressure loss can be overcome by a small pump 212 or gravity. For this purpose, the gas-liquid separator 202 is mounted at an elevated position and the ion exchanger 210 is in the compensation line 206 arranged. The latter guarantees a safe shutdown even in the event of a power failure.

3 zeigt ein Blockschaltbild eines Elektrolysesystems 200 mit einer Stickstoffspülung. Alternativ zu dem in den 1 und 2 dargestellten Spülen mit Wasser kann die Wasserstoffseite 102 auch unter Verwendung von Stickstoff N2 gespült werden. Dazu werden die Verbindungen vom Elektrolysestack 100 zu den Wasserabscheidern 202, 204 getrennt, der Stickstoff in die Wasserstoffseite 102 eingeleitet und mit Wasserstoff und Wasser vermischter Stickstoff aus der Wasserstoffseite 102 ausgeleitet. 3 shows a block diagram of an electrolysis system 200 with a nitrogen purge. Alternatively to that in the 1 and 2 shown rinsing with water, the hydrogen side 102 also be flushed using nitrogen N2. These are the connections from the electrolysis stack 100 to the water separators 202 . 204 separated, the nitrogen in the hydrogen side 102 introduced and mixed with hydrogen and water mixed nitrogen from the hydrogen side 102.

In dem in 3 dargestellten Elektrolysesystem 200 wird nach dem Herunterfahren des Systems 200 der Kathodenbereich 102 für einen kurzen Zeitraum mit Stickstoff durchströmt, um den Wasserstoff auszutreiben. Dazu werden beispielsweise die Ventile zu den Wasserabscheidern 202, 204 geschlossen und die Stickstoffventile geöffnet. Am Ende werden die Stickstoffventile wieder geschlossen und der Stack 100 ist in einem sicheren Zustand.In the in 3 illustrated electrolysis system 200 will after shutting down the system 200 the cathode area 102 Flows through with nitrogen for a short period of time to expel the hydrogen. For this purpose, for example, the valves to the water separators 202 . 204 closed and the nitrogen valves open. At the end, the nitrogen valves are closed again and the stack 100 is in a safe condition.

Um sicherzustellen, dass der Kathodenbereich 102 nach dem Herunterfahren ausreichend wasserstofffrei ist, ist es erforderlich immer ausreichend bedruckten Stickstoff vorzuhalten. Dies ist zum einen verfahrenstechnisch ein Zusatzaufwand, zum anderen stellt dieser Sachverhalt auch ein Sicherheitsrisiko dar.To make sure the cathode area 102 After shutting down is sufficiently hydrogen-free, it is always necessary to provide sufficient printed nitrogen. On the one hand, this is an additional expense in terms of process engineering; on the other hand, this situation also represents a security risk.

Beim Herunterfahren wird der mit dem Stickstoff ausgetragene Wasserstoff verworfen. Beim nächsten Hochfahren wird durch den vorhandenen Stickstoff an der Kathode der neu produzierte Wasserstoff verunreinigt und kann aufgereinigt werden. Alternativ kann ein Teil an verworfen werden.When shutting down, the nitrogen discharged with the nitrogen is discarded. At the next startup, the nitrogen produced at the cathode contaminates the newly produced hydrogen and can be purified. Alternatively, a part can be discarded.

Bei jedem Spülen wird der Druck im Kathodenbereich 102 beispielsweise von 30 bar auf 1 bar stark reduziert. Dies stellt für den Stack 100 eine zusätzliche mechanische Belastung dar. Durch die Druckwechsel können auf Dauer Schäden an Dichtungen, der Membran oder anderen Bauteilen auftreten, die sicherheitskritisch sein können.With each rinse, the pressure in the cathode area 102 for example, greatly reduced from 30 bar to 1 bar. This represents for the stack 100 An additional mechanical load. Due to the pressure changes can occur in the long term damage to seals, the membrane or other components that can be safety-critical.

4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Elektrolysestacks gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren kann an einem Elektrolysestack, wie er in 1 dargestellt ist, ausgeführt werden. Das Verfahren weist einen Schritt 400 des Spülens auf, in dem Wasser durch eine Wasserstoffseite des Elektrolysestacks gespült wird, um eine Wasserstoffkonzentration auf der Wasserstoffseite zu reduzieren. 4 FIG. 12 shows a flowchart of a method for operating an electrolysis stack according to an exemplary embodiment. The method can be applied to an electrolysis stack, as in 1 is shown executed. The method has one step 400 purging, in which water is purged through a hydrogen side of the electrolyzer stack to reduce a hydrogen concentration on the hydrogen side.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das im Schritt 400 verwendete Wasser in einem Schritt 402 aus einem mit der Wasserstoffseite verbundenen Wasserabscheider entnommen.According to one embodiment, the in step 400 used water in one step 402 taken from a connected to the hydrogen side water.

Mit anderen Worten beschreibt das hier vorgestellte Verfahren das Spülen 400 des Kathodenraums mit Wasser aus dem Gas-Flüssig-Trenner.In other words, the method presented here describes rinsing 400 of the cathode compartment with water from the gas-liquid separator.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Claims (12)

Verfahren zum Betreiben eines Elektrolysestacks (100), wobei in einem Schritt (400) des Spülens Wasser durch einen Gasraum an der Kathode (102) des Elektrolysestacks (100) gespült wird, um eine Wasserstoffmenge an der Kathode (102) zu reduzieren.A method of operating an electrolyzer stack (100), wherein in a step (400) of purging, water is purged through a headspace at the cathode (102) of the electrolyzer stack (100) to reduce an amount of hydrogen at the cathode (102). Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt (400) des Spülens ausgeführt wird, wenn die Elektrolyse im Elektrolysestack (100) unterbrochen wird.Method according to Claim 1 in which the step (400) of purging is performed when the electrolysis in the electrolyzer stack (100) is interrupted. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Schritt (400) des Spülens ferner ausgeführt wird, wenn die Elektrolyse im Elektrolysestack (100) läuft.Method according to one of the preceding claims, wherein the step (400) of rinsing is further carried out when the electrolysis in the electrolysis stack (100) runs. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (410) des Entnehmens des Wassers aus einem mit dem Gasraum verbundenen Wasserabscheider (202) zum Abscheiden von Wasser aus elektrolysiertem Wasserstoff.A method according to any one of the preceding claims, including a step (410) of withdrawing water from a water separator (202) connected to the gas space to separate water from electrolyzed hydrogen. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (400) des Spülens das Wasser mit einem Kathoden-Betriebsdruck des Elektrolysestacks (100) durch den Gasraum gespült wird.A method according to any one of the preceding claims, wherein in step (400) of purging, the water is purged with a cathode operating pressure of the electrolyzer stack (100) through the headspace. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Entlastens, in dem ein Betriebsdruck an der Kathode (102) und/oder der Anode (104) des Elektrolysestacks (100) reduziert wird, wenn die Elektrolyse im Elektrolysestack (100) unterbrochen wird.A method according to any one of the preceding claims, comprising a step of relieving, in which an operating pressure at the cathode (102) and / or the anode (104) of the electrolysis stack (100) is reduced when the electrolysis in the electrolysis stack (100) is interrupted. Elektrolysestack (100) mit einem Wasseranschluss (114) zum Spülen eines Gasraums an der Kathode (102) des Elektrolysestacks (100).Electrolysis stack (100) with a water connection (114) for purging a gas space at the cathode (102) of the electrolysis stack (100). Elektrolysesystem (200) mit einem Elektrolysestack (100) gemäß Anspruch 7, wobei ein mit einem Wasserstoffauslass (112) des Gasraums verbundener Wasserabscheider (202) über eine Ausgleichsleitung (206) mit dem Wasseranschluss (114) der Wasserstoffseite (102) verbunden ist.Electrolysis system (200) with an electrolysis stack (100) according to Claim 7 in which a water separator (202) connected to a hydrogen outlet (112) of the gas space is connected via a compensation line (206) to the water connection (114) of the hydrogen side (102). Elektrolysesystem (200) gemäß Anspruch 8, bei dem in der Ausgleichsleitung (206) eine Pumpe (210) angeordnet ist.Electrolysis system (200) according to Claim 8 in which a pump (210) is arranged in the equalization line (206). Elektrolysesystem (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem in der Ausgleichsleitung (206) oder dem Wasserabscheider (202) ein lonentauscher (212) angeordnet ist.Electrolysis system (200) according to one of the preceding claims, in which an ion exchanger (212) is arranged in the compensation line (206) or the water separator (202). Elektrolysesystem (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Wasserabscheider (202) in betriebsbereitem Zustand oberhalb des Wasseranschlusses (114) angeordnet ist.Electrolysis system (200) according to one of the preceding claims, in which the water separator (202) is arranged in an operational state above the water connection (114). Elektrolysesystem (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Wasserabscheider (202) einen Wasservorratsraum (208) aufweist.An electrolysis system (200) according to any one of the preceding claims, wherein the water separator (202) comprises a water reservoir (208).
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