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Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseeinrichtung mit mindestens einem Elektrolyseur und mindestens einem Druckbehälter, in welchem der Elektrolyseur angeordnet ist, wobei der Elektrolyseur mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode aufweist, wobei der Druckbehälter einen Elektrolytsammelbereich umfasst, wobei eine flüssige Elektrolytlösung in dem Elektrolytsammelbereich des Druckbehälters angeordnet ist, wobei die Anode und/oder die Kathode des Elektrolyseurs in Kontakt mit der Elektrolytlösung stehen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Elektrolyseeinrichtung.
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Solche Elektrolyseeinrichtungen können dazu genutzt werden, um aus Wasser Sauerstoff und Wasserstoff unter Aufwendung von elektrischer Energie zu gewinnen. Dadurch können beispielsweise aus alternativer Energie gewonnener Strom chemisch in Form von Wasserstoff gespeichert werden.
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Bei der konventionellen Produktion von Wasserstoff durch Reformierung von Erdgas, werden die gleichen Mengen CO2 freigesetzt, die auch bei der Verbrennung des Erdgases frei werden. Zur Erzeugung von umweltfreundlichem Wasserstoff, der rein aus alternativen Energien gewonnen wird und somit bei der Produktion kein CO2 freigesetzt wird, wird üblicherweise das elektrolytische Verfahren gewählt.
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Aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoff wird dieser üblicherweise für den Transport und die Lagerung verdichtet oder verflüssigt. Dazu sind Drücke zwischen 350 und 700 bar notwendig. Die Verdichtung des Wasserstoffs erfolgt üblicherweise durch mechanische Kompressoren in einem mehrstufigen Prozess. Diese mechanische Verdichtung des Wasserstoffs läuft adiabat ab. Eine isotherme Verdichtung ist aufgrund der dadurch verlängerten Verfahrensdauer ebenfalls nicht wirtschaftlich. Demgegenüber hat die Verdichtung mittels der Elektrolyse den Vorteil, dass die aufzuwendende zusätzliche elektrische Leistung um den Elektrolyseur bei einem höheren Druck zu betreiben, einer isothermen Kurve entspricht, die energetisch deutlich günstiger als die adiabatische Verdichtung ist. Zusätzlich können auch die mechanischen Verluste im Verdichter und im Antrieb des Verdichters vermieden werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform einer Elektrolyseeinrichtung bereitzustellen, die sich insbesondere durch einen besseren Wirkungsgrad auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung basiert auf der Grundidee, den Elektrolyseur in einem Druckbehälter anzuordnen, so dass die Elektrolyse bei dem notwendigen Druck stattfinden kann und somit eine energetisch günstige Kompression der erzeugten Gase ermöglicht wird. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass der Druckbehälter einen Sauerstoffsammelbereich und einen Wasserstoffsammelbereich umfasst und dass der Druckbehälter eine Druckausgleichsverbindung zwischen dem Sauerstoffsammelbereich und dem Wasserstoffsammelbereich aufweist, die mit der Elektrolytlösung gefüllt ist, so dass die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff durch die Elektrolytlösung gegeben ist. Dadurch, dass der Sauerstoff und der Wasserstoff gemeinsam in dem Druckbehälter gesammelt werden, kann erreicht werden, dass an dem Elektrolyseur sowohl an der Kathode als auch an der Anode derselbe Druck herrscht. Dies kann zusätzlich durch die Druckausgleichsverbindung zwischen dem Sauerstoffsammelbereich und dem Wasserstoffsammelbereich sichergestellt werden. Bei der Verwendung von Membran-basierten Elektrolyseuren ist dies vorteilhaft, da der Elektrolyseur keinen oder nur geringen Druckunterschieden zwischen den beiden Elektrodenseiten widerstehen muss.
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Eine bevorzugte Lösung sieht vor, dass der Druck ausschließlich durch die Elektrolyse erzeugt wird. Dadurch, dass die Druckerhöhung ausschließlich durch die Elektrolyse erfolgt, kann die energetisch ungünstigere mechanische Kompression von Gasen vermieden werden und stattdessen die günstigeren Kompressionswirkungsgrade, die mit der Elektrolyse erzielt werden, ausgenutzt werden.
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Es versteht sich, dass die Sammelbereiche, insbesondere der Wasserstoffsammelbereich bzw. der Sauerstoffsammelbereich keine klare Abgrenzung gegenüber dem Elektrolytsammelbereich aufweisen. Insbesondere überlappt der Elektrolytsammelbereich sowohl mit dem Sauerstoffsammelbereich als auch den Wasserstoffsammelbereich. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass der Füllstand des Elektrolyts während des Betriebes variiert und der restliche Bereich des Druckbehälters durch den Sauerstoff bzw. Wasserstoff gefüllt ist.
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Eine günstige Variante sieht vor, dass in den Druckbehälter ein Trennelement, beispielsweise eine Trennwand angeordnet ist, welche den Sauerstoffsammelbereich und den Wasserstoffsammelbereich voneinander trennt. Die Druckausgleichsverbindung ist dann in diesem Trennelement angeordnet oder dadurch gebildet, dass sich das Trennelement nicht über den ganzen Druckbehälter erstreckt, so dass ein Bereich ohne Trennelement gebildet ist, welcher die Druckausgleichsverbindung bildet.
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Eine weitere günstige Möglichkeit sieht vor, dass die Druckausgleichsverbindung bezogen auf die Schwerkraftrichtung in der unteren Hälfte des Druckbehälters angeordnet ist. Entsprechend ist auch der Elektrolytsammelbereich im unteren Bereich des Druckbehälters angeordnet, so dass schwerkraftbedingt die Elektrolytlösung sich in diesem Elektrolytsammelbereich ansammelt. Ferner kann dadurch erreicht werden, dass die Elektrolytlösung die Druckausgleichsverbindung füllt.
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In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter einer Elektrolytlösung Wasser, insbesondere deionisiertes Wasser, verstanden. Selbstverständlich können solche Elektrolytlösungen auch sauer oder basisch sein.
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Des Weiteren ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Sauerstoffsammelbereich und der Wasserstoffsammelbereich in einem oberen Bereich des Druckbehälters angeordnet sind, da sich die beiden Gase schwerkraftbedingt gegenüber der Elektrolytlösung oben absetzen. Entsprechend ist auch das Trennelement in dem oberen Bereich bzw. in der oberen Hälfte des Druckbehälters angeordnet.
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Eine weitere bevorzugte Möglichkeit sieht vor, dass die Elektrolyseeinrichtung eine Sauerstoffauslassleitung aufweist, die von dem Druckbehälter zu einem Sauerstoffabnehmer und/oder in die Umgebung führt, und dass die Elektrolyseeinrichtung ein Sauerstoffauslassventil aufweist, das in der Sauerstoffauslassleitung angeordnet ist. Insbesondere erstreckt sich die Sauerstoffauslassleitung von dem Sauerstoffsammelbereich des Druckbehälters zu einem Sauerstoffabnehmer bzw. in die Umgebung. Dadurch kann Sauerstoff bei Bedarf aus dem Druckbehälter abgelassen werden, um ihn beispielsweise in einem Sauerstoffvorratstank oder einer Sauerstoffflasche zu speichern. Dadurch kann die elektrolytische Kompression auch zur Bereitstellung von komprimiertem Sauerstoff genutzt werden.
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Entsprechend können solche Sauerstoffabnehmer ein Sauerstoffvorratstank, ein Sauerstoffdruckbehälter, beispielsweise eine Gasflasche, sein.
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Eine weitere besonders bevorzugte Möglichkeit sieht vor, dass das Sauerstoffauslassventil stufenlos steuerbar und/oder regelbar ist. Dies ermöglicht ein fein justierbares Ablassen des Sauerstoffs aus dem Druckbehälter, so dass die Füllmengen oder Füllvolumen von Sauerstoff und Wasserstoff innerhalb des Druckbehälters in erlaubten Grenzen gehalten werden kann. Falls ein zu großes Ungleichgewicht zwischen den Füllmengen von Sauerstoff und Wasserstoff auftritt, könnte es passieren, dass die Elektrolytlösung durch die Druckausgleichsverbindung in den jeweiligen anderen Sammelbereich gedrückt wird, so dass die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff durch die Elektrolytlösung innerhalb der Druckausgleichsverbindung nicht mehr gewährleistet wäre.
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Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Elektrolyseeinrichtung eine Drossel und/oder einen Druckminderer aufweist, der in der Sauerstoffauslassleitung angeordnet ist. Dies ermöglicht ein fein justierbares Ablassen des Sauerstoffs aus dem Druckbehälter, so dass die Füllmengen oder Füllvolumen von Sauerstoff und Wasserstoff innerhalb des Druckbehälters in erlaubten Grenzen gehalten werden kann. Durch die Verwendung einer Drossel oder eines Druckminderers in der Sauerstoffauslassleitung kann das Sauerstoffauslassventil einfacher gestaltet werden. Insbesondere kann ein nicht stufenlos steuerbares Sauerstoffauslassventil verwendet werden. Die Verwendung einer Drossel bzw. eines Druckminderers in Verbindung mit einem einfachen Auslassventil ist kostengünstiger als die Verwendung eines stufenlos steuerbaren Sauerstoffventils, das die hohen Drücke zuverlässig steuern kann. Insbesondere ist auch die Anforderung an eine Steuereinrichtung, welche das Sauerstoffauslassventil steuert, erheblich reduziert.
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Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das Sauerstoffauslassventil derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass die Elektrolytlösung die Druckausgleichsverbindung vollständig füllt. Durch eine derartige Steuerung und/oder Regelung des Sauerstoffauslassventils kann die Füllmenge des Sauerstoffs an die Füllmenge des Wasserstoffs angepasst werden, so dass die Druckausgleichsöffnung durch die Elektrolytlösung gefüllt bleibt und somit die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff erhält.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Lösung sieht eine Steuereinrichtung vor, welche das Sauerstoffauslassventil steuert und/oder regelt. Dazu ist eine Elektrolytfüllstandsmesseinrichtung vorgesehen, welche die Füllhöhe der Elektrolytlösung auf der Seite des Sauerstoffsammelbereichs und auf der Seite des Wasserstoffsammelbereichs messen kann.
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Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass die Elektrolyseeinrichtung eine Wasserstoffauslassleitung aufweist, die von dem Druckbehälter, insbesondere von dem Wasserstoffsammelbereich des Druckbehälters, zu einem Wasserstoffabnehmer führt, dass die Elektrolyseeinrichtung ein Wasserstoffauslassventil aufweist, und dass das Wasserstoffauslassventil in der Wasserstoffauslassleitung angeordnet ist. Damit kann gezielt Wasserstoff aus dem Druckbehälter abgelassen werden, so dass dieser Wasserstoff zur weiteren Verwendung genutzt werden kann.
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Beispielsweise sind solche Wasserstoffabnehmer Wasserstoffdruckbehälter, wie beispielsweise Gasflaschen, die im gefüllten Zustand verkauft werden können, oder ein größerer Wasserstoffvorratstank, der beispielsweise an einer Wasserstofftankstelle vorgesehen sein kann. Darüber hinaus kann ein Wasserstoffabnehmer auch ein Wasserstoffverteilnetz sein.
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Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass das Wasserstoffauslassventil stufenlos steuerbar und/oder regelbar ist. Alternativ oder ergänzend hierzu kann in der Wasserstoffauslassleitung zusätzlich eine Drossel oder ein Druckminderer angeordnet sein. Dadurch kann das Ablassen des Wasserstoffs aus dem Druckbehälter gezielt und feinfühlig eingestellt werden, so dass die korrekte Füllung der Elektrolytlösung innerhalb des Druckbehälters beibehalten bleiben kann.
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Eine weitere besonders bevorzugte Variante sieht vor, dass der Elektrolyseur eine Ionen-leitfähige Membran aufweist, die die Anode von der Kathode trennt. Dadurch werden die entstehenden Gase, Sauerstoff und Wasserstoff, durch die Membran getrennt. Darüber hinaus liegen üblicherweise die Anode und die Kathode an gegenüberliegenden Seiten der Membran an, so dass ein nur sehr geringer Abstand zwischen den Elektroden notwendig ist, was den elektrischen Widerstand reduziert und somit den Wirkungsgrad erhöht.
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Eine weitere besonders bevorzugte Variante sieht vor, dass die Ionen-leitfähige Membran Protonen-leitfähig ist. Solche Protonen-leitfähigen Membranen sind besonders günstig für solche Elektrolyseure, da die Elektrolytlösung nur an die Anodenseite geliefert werden muss.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die Elektrolyseeinrichtung eine Elektrolytpumpe aufweist, die in dem Druckbehälter angeordnet ist, und welche die Elektrolytlösung zu der Anode und/oder der Kathode pumpt. Dadurch kann eine ausreichende Wasserversorgung des Elektrolyseurs erreicht werden. Insbesondere kann der Elektrolyseur innerhalb des Druckbehälters beliebig angeordnet werden. Der Elektrolyseur muss also nicht dauerhaft in der Elektrolytlösung eingetaucht sein.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die Elektrolyseeinrichtung mindestens einen sauerstoffseitigen Elektrolytvorratsbehälter aufweist, der über eine Sauerstoffverbindungsleitung, die ein Zulaufventil aufweist, mit dem Sauerstoffsammelbereich verbunden ist, und der über eine Elektrolytzuführleitung, die ein Rücklaufventil aufweist, mit dem Elektrolytsammelbereich im Druckbehälter verbunden ist. Durch die Sauerstoffverbindungsleitung kann im Betrieb Sauerstoff aus dem Druckbehälter in den Elektrolytvorratsbehälter strömen. Dadurch herrscht im Elektrolytvorratsbehälter derselbe Druck wie im Druckbehälter. Wenn der Druck im Druckbehälter absinkt, kann durch das Zulaufventil in der Sauerstoffverbindungsleitung erreicht werden, dass der Druck im Elektrolytvorratsbehälter gleich bleibt. Somit herrscht dann im Elektrolytvorratsbehälter ein größerer Druck als im Druckbehälter. Durch diese Druckdifferenz kann die Elektrolytlösung über die Elektrolytzuführleitung zurück in den Druckbehälter gelangen. Das Zulaufventil sorgt dafür, dass Sauerstoff nur aus dem Druckbehälter in den Elektrolytvorratsbehälter strömen kann und nicht zurück. Das Rücklaufventil bewirkt, dass die Elektrolytlösung nur von dem Elektrolytvorratsbehälter in den Druckbehälter strömen kann.
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Das Zulaufventil in der Sauerstoffverbindungsleitung und das Rücklaufventil in der Elektrolytzuführleitung können als selbstgesteuerte Rückschlagventile ausgebildet sein. Alternativ können das Zulaufventil und das Rücklaufventil auch steuerbare Ventile sein, die entsprechend angesteuert werden, um die gewünschte Funktion zu erzielen.
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Es versteht sich, dass der Elektrolytvorratsbehälter für die Elektrolytlösung vorgesehen ist. Entsprechend ist auch die Elektrolytzuführleitung für die Elektrolytlösung vorgesehen.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die Sauerstoffverbindungsleitung ein steuerbares und/oder regelbares Ventil aufweist. Dadurch, dass ein zusätzliches steuerbares Ventil in der Sauerstoffverbindungsleitung vorgesehen ist, kann die Druckbeaufschlagung des Elektrolytvorratsbehälters mit Hilfe des Sauerstoffs gesteuert werden. Dadurch kann die Elektrolytrückführung in den Druckbehälter besser kontrolliert werden.
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Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die Elektrolytzuführleitung ein steuerbares und/oder regelbares Ventil aufweist. Dadurch kann die Rückführung von Elektrolytlösung aus dem Elektrolytvorratsbehälter in den Druckbehälter gezielt gesteuert werden. Somit ist eine bessere Kontrolle über die Befüllung des Druckbehälters mit Elektrolytlösung gegeben.
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Eine bevorzugte Lösung sieht vor, dass mehrere sauerstoffseitige Vorratsbehälter vorgesehen sind. In diesem Fall können je Elektrolytvorratsbehälter eine Sauerstoffverbindungsleitung und eine Elektrolytzuführleitung vorgesehen sein. Alternativ können sich zwei oder mehrere der Elektrolytvorratsbehälter die Sauerstoffverbindungsleitung und die Elektrolytzuführleitung zumindest teilweise gemeinsam nutzen. Vorzugsweise weisen die Elektrolytvorratsbehälter ein eigenes Rücklaufventil und falls vorgesehen, auch ein eigenes Steuerventil in den Sauerstoffverbindungsleitungen und den Elektrolytzuführleitungen auf. Bei der Verwendung von mehreren Elektrolytvorratsbehältern können diese zu- oder abgeschaltet werden. Somit können im Betrieb einzelne der Elektrolytvorratsbehälter drucklos sein und somit im laufenden Betrieb Elektrolytlösung in die Elektrolytvorratsbehälter nachgefüllt werden. Somit kann ein dauerhafter kontinuierlicher Betrieb der Elektrolyseeinrichtung bewerkstelligt werden.
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Eine besonders bevorzugte Lösung sieht vor, dass der sauerstoffseitige Elektrolytvorratsbehälter eine gasdichte Trennmembran aufweist, die den Sauerstoff von der Elektrolytlösung trennt. Durch die Trennmembran kann der Druck des Sauerstoffs auf die Elektrolytlösung übertragen werden, so dass weiterhin durch den Sauerstoff die Elektrolytlösung aus dem Elektrolytvorratsbehälter in den Druckbehälter gedrückt werden kann. Gleichzeitig kann die gasdichte Trennmembran verhindern, dass die Elektrolytlösung mit Sauerstoff gesättigt wird.
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Eine weitere besonders bevorzugte Lösung sieht vor, dass der sauerstoffseitige Elektrolytvorratsbehälter eine Nachfüllöffnung aufweist, über welche Elektrolytlösung in den Elektrolytvorratsbehälter nachgefüllt werden kann. Es versteht sich, dass dies insbesondere dann möglich ist, wenn in dem Elektrolytvorratsbehälter der Umgebungsdruck herrscht. Durch die Nachfüllöffnung kann im laufenden Betrieb Elektrolytlösung in das System gebracht werden, so dass ein kontinuierliches Nachfüllen von Elektrolytlösung in den Druckbehälter ermöglicht ist.
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Eine weitere günstige Variante sieht vor, dass die Elektrolyseeinrichtung mindestens einen wasserstoffseitigen Elektrolytvorratsbehälter aufweist, der über eine Wasserstoffverbindungsleitung und/oder die Wasserstoffauslassleitung, die ein Zulaufventil aufweist oder aufweisen, mit dem Wasserstoffsammelbereich verbunden ist, und dass der wasserstoffseitige Elektrolytvorratsbehälter über eine Elektrolytzuführleitung, die ein Rücklaufventil aufweist, mit dem Innenraum des Druckbehälters verbunden ist, insbesondere mit dem Elektrolytsammelbereich des Druckbehälters verbunden ist. Auf diese Weise kann der unter Druck stehende Wasserstoff genutzt werden, um Elektrolytlösung in den Druckbehälter zurückzuführen. Während des Betriebs herrscht in dem wasserstoffseitigen Elektrolytvorratsbehälter der Druck im Wasserstoffsammelbereich, da über die Wasserstoffverbindungsleitung und das Zulaufventil Wasserstoff in den Elektrolytvorratsbehälter gelangen kann. Wenn der Druck im Druckbehälter absinkt, kann somit die entstehende Druckdifferenz zwischen dem Elektrolytvorratsbehälter und dem Druckbehälter dazu führen, dass die Elektrolytlösung über die Elektrolytzuführleitung in den Druckbehälter strömt. Das Zuführventil und das Rücklaufventile sorgen dafür, dass Elektrolytlösung nur aus dem Elektrolytvorratsbehälter in den Druckbehälter gelangen kann und der Wasserstoff nur von dem Druckbehälter in den Elektrolytvorratsbehälter gelangen kann.
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Das Zulaufventil in der Wasserstoffverbindungsleitung oder der Wasserstoffauslassleitung und das Rücklaufventil in der Elektrolytzuführleitung können als selbstgesteuerte Rückschlagventile ausgebildet sein. Alternativ können das Zulaufventil und das Rücklaufventil auch steuerbare Ventile sein, die entsprechend angesteuert werden, um die gewünschte Funktion zu erzielen.
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Eine besonders günstige Variante sieht vor, dass der wasserstoffseitige Elektrolytvorratsbehälter eine Gasflasche für Wasserstoff ist. Somit kann beim Befüllen der Gasflasche für den Wasserstoff automatisch auch der Druckbehälter wieder mit der notwendigen Elektrolytlösung befüllt werden.
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Eine zweckmäßige Lösung sieht vor, dass der wasserstoffseitige Elektrolytvorratsbehälter in Schwerkraftrichtung oberhalb des Druckbehälters angeordnet ist. Dadurch bewirkt die Schwerkraft eine zusätzliche Druckerhöhung in der Elektrolytlösung, so dass der Druck in der Elektrolytlösung in dem Elektrolytvorratsbehälter höher ist, als der Druck im Druckbehälter. Dadurch kann die in dem Elektrolytvorratsbehälter angeordnete Elektrolytlösung durch die Schwerkraft angetrieben in den Druckbehälter laufen.
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Eine weitere besonders günstige Variante sieht vor, dass der wasserstoffseitige Elektrolytvorratsbehälter wechselbar an der Wasserstoffverbindungsleitung oder der Wasserstoffauslassleitung angeschlossen ist, vorzugsweise ist der Anschluss des wasserstoffseitigen Elektrolytvorratsbehälters in Schwerkraftrichtung unten angeordnet. Dadurch, dass der wasserstoffseitige Elektrolytvorratsbehälter wechselbar an der Wasserstoffverbindungsleitung angeschlossen ist, kann der Elektrolytvorratsbehälter vom System getrennt werden und als Verkaufseinheit genutzt werden. Daher ist vorzugsweise der wasserstoffseitige Elektrolytvorratsbehälter eine Gasflasche für Wasserstoff. Dadurch, dass der Anschluss in Schwerkraftrichtung unten angeordnet ist, kann über denselben Anschluss sowohl der Wasserstoff zugeführt als auch die Elektrolytlösung entnommen werden. Die Trennung zwischen dem Gas, insbesondere dem Wasserstoff und der Elektrolytlösung erfolgt durch die Schwerkraft.
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Eine bevorzugte Möglichkeit sieht vor, dass eine Innenseite des Druckbehälters elektrisch isoliert ist. Die elektrische Isolierung der Innenseite des Druckbehälters ermöglicht mehr Freiheiten bei der elektrischen Kontaktierung des Elektrolyseurs, da keine elektrischen Ströme aus der Elektrolytlösung in die Wandung des Druckbehälters fließen können.
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Eine weitere bevorzugte Möglichkeit sieht vor, dass die Elektrolyseeinrichtung ein Elektrolytablassventil aufweist, über das Elektrolytlösung aus dem Druckbehälter abgelassen werden kann. Dies kann beispielsweise bei Betriebsbeginn der Elektrolyseeinrichtung vorteilhaft sein, um von Beginn an möglichst reine Gase zu sammeln. Alternativ kann zu Betriebsbeginn der Wasserstoffsammelbereich und der Sauerstoffsammelbereich mit Stickstoff oder einem anderen Inertgas gespült werden, um Vermischungen zwischen Wasserstoff und Luft zu vermeiden.
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Eine weitere besonders bevorzugte Möglichkeit sieht vor, dass in dem Druckbehälter mindestens ein Druckmesssensor angeordnet ist. Beispielsweise ist ein Druckmesssensor in dem Wasserstoffsammelbereich oder dem Sauerstoffsammelbereich angeordnet. Dadurch kann der erzeugte Gasdruck überwacht werden und somit ein zuverlässiger Betrieb der Elektrolyseeinrichtung ermöglicht werden.
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Eine weitere besonders bevorzugte Möglichkeit sieht vor, dass Elektrolytfüllstandssensoren in dem Druckbehälter vorgesehen sind. Insbesondere sind die Elektrolytfüllstandssensoren auf einer Anodenseite und einer Kathodenseite des Druckbehälters angeordnet, so dass dadurch überwacht werden kann, inwieweit der Wasserstoff oder der Sauerstoff die Elektrolytlösung verdrängt hat.
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Ferner basiert die Erfindung auf dem allgemeinen Gedanken, eine vorstehend beschriebene Elektrolyseeinrichtung derart zu betreiben, dass die Druckerzeugung ausschließlich durch die Elektrolyse erfolgt. Dadurch, dass die Druckerhöhung ausschließlich durch die Elektrolyse erfolgt, können die günstigeren Kompressionswirkungsgrade, die mit der Elektrolyse erzielt werden, verwendet werden. Somit kann die energetisch ungünstigere mechanische Kompression von Gasen vermieden werden.
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Eine günstige Lösung sieht vor, dass der unter Druck stehende Sauerstoff und/oder Wasserstoff aus dem Druckbehälter genutzt wird, um Elektrolytlösung in den Druckbehälter zu füllen oder nachzufüllen. Die in dem Druckbehälter befindlichen komprimierten Gase haben durch die Komprimierung Energie gespeichert, welche ausgenutzt werden kann, um die Elektrolytlösung in den Druckbehälter zu füllen oder nachzufüllen. Dadurch können zusätzliche Pumpen, die die Elektrolytlösung in den Druckbehälter gegen die Druckdifferenz zwischen der Umgebung und dem Druckbehälter pumpen müssten, verhindert werden. Somit kann eine weitere mechanische Pumpe eingespart werden.
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Eine weitere günstige Lösung sieht vor, dass in mindestens einen zumindest teilweise mit Elektrolytlösung gefüllten Elektrolytvorratsbehälter über ein Zulaufventil unter Druck stehender Sauerstoff oder Wasserstoff aus dem Druckbehälter geleitet wird. Somit kann der Sauerstoff oder der Wasserstoff, der in den Elektrolytvorratsbehälter geleitet wurde, die Elektrolytlösung mit Druck beaufschlagen, so dass diese in den Druckbehälter zurückgeführt werden kann.
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Eine weitere besonders günstige Lösung sieht vor, dass zum Nachfüllen der Elektrolytlösung der Druck im Druckbehälter abgesenkt wird, so dass der Druck im Elektrolytvorratsbehälter größer wird als der Druck im Druckbehälter und die Elektrolytlösung über ein Rücklaufventil in den Druckbehälter gedrückt wird. Der Druck in den Elektrolytvorratsbehältern kann sich nur über die Elektrolytzuführleitung entspannen, da in der Gasverbindungsleitung das Zulaufventil vorhanden ist, das ein Entspannen verhindert. Daher drückt die Elektrolytlösung über die Elektrolytzuführleitung aus den Elektrolytvorratsbehältern in den Druckbehälter. Durch diesen Mechanismus kann durch einfache Steuerung der Ventile die Elektrolytlösung in den Druckbehälter zurückgeführt oder nachgefüllt werden.
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Eine vorteilhafte Variante sieht vor, dass der Druck im Druckbehälter durch Ablassen von Sauerstoff abgesenkt wird. Das Ablassen kann dabei in einen Vorratsbehälter oder in die Umgebung erfolgen. Beim Ablassen in den Vorratsbehälter kann dieser weiter später genutzt werden oder in transportfähige Vorratsbehälter abgefüllt werden.
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Eine zweckmäßige Variante sieht vor, dass der Druck im Druckbehälter durch Ablassen von Wasserstoff abgesenkt wird. Es versteht sich, dass der Wasserstoff nicht an die Umgebung abgegeben wird. Das Ablassen kann dabei in einen zusätzlichen Vorratsbehälter oder in den Wasserstoffabnehmer erfolgen. Dazu kann beispielsweise der Wasserstoffabnahmedruck des Wasserstoffabnehmers gezielt reduziert werden. Alternativ können im Betrieb auftretende Schwankungen des Wasserstoffabnahmedrucks ausgenutzt werden, um die Elektrolytlösung nachzufüllen.
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Eine weitere vorteilhafte Variante sieht vor, dass zur Vorbereitung des Nachfüllens des Elektrolyten der Druck im Druckbehälter zumindest kurzzeitig erhöht wird, insbesondere über einen Wasserstoffabnahmedruck des Wasserstoffabnehmers. Durch die Gasverbindungsleitungen wird somit auch der Druck in dem Elektrolytvorratsbehälter erhöht. Beim späteren Zurückkehren zu dem Normaldruck, der in etwa dem Wasserstoffabnahmedruck entspricht, entsteht die gewünschte Druckdifferenz zwischen dem Elektrolytvorratsbehälter und dem Druckbehälter, so dass Elektrolytlösung zurück in den Druckbehälter geführt werden kann. Die Druckerhöhung in dem Druckbehälter kann beispielsweise durch Schließen des Sauerstoffablassventils und des Wasserstoffablassventils erreicht werden. Alternativ könnte auch die Leistung des Elektrolyseurs kurzzeitig erhöht werden, so dass die Wasserstoffproduktion größer wird als die Abnahmemenge an Wasserstoff.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass das Sauerstoffauslassventil derart geregelt wird, dass die Elektrolytlösung die Druckausgleichsverbindung vollständig füllt. Durch das Sauerstoffauslassventil kann die Menge an Sauerstoff innerhalb des Druckbehälters geregelt werden. Die Sauerstoffmenge bestimmt maßgeblich die Lage des Elektrolyts innerhalb des Druckbehälters, so dass über das Sauerstoffauslassventil erreicht werden kann, dass die Druckausgleichsverbindung dauerhaft mit der Elektrolytlösung gefüllt ist.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine Prinzipskizze einer Elektrolyseeinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine Prinzipskizze einer Elektrolyseeinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 3 eine Prinzipskizze einer Elektrolyseeinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform,
- 4 eine Prinzipskizze einer Elektrolyseeinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform,
- 5 eine Prinzipskizze einer Elektrolyseeinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform, und
- 6 eine Prinzipskizze einer Elektrolyseeinrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform.
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Eine in 1 dargestellte erste Ausführungsform einer Elektrolyseeinrichtung 10 weist einen Druckbehälter 12 und einen Elektrolyseur 14 auf, der in dem Druckbehälter 12 angeordnet ist. Mit dem Elektrolyseur 14 kann Elektrolytlösung, die in dem Druckbehälter angeordnet ist, elektrolysiert werden, und somit beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen.
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In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter einer Elektrolytlösung insbesondere deionisiertes Wasser verstanden. Wässrige Lösungen, die sauer oder alkalisch sind, sind allerdings ebenfalls unter dem Begriff „Elektrolytlösung“ zu verstehen. Vorzugsweise wird allerdings ein Elektrolyseur 14 verwendet, der mit deionisiertem Wasser arbeitet.
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Die Elektrolyseeinrichtung 10 weist eine Sauerstoffauslassleitung 16 auf, mit welcher Sauerstoff aus dem Druckbehälter 12 abgelassen werden kann. In der Sauerstoffauslassleitung 16 ist ein Sauerstoffauslassventil 18 angeordnet, mit welchem die Durchströmung durch die Sauerstoffauslassleitung 16 gesteuert und/oder geregelt werden kann. Um eine feinere Steuerung zu ermöglichen, kann das Sauerstoffauslassventil 18 stufenlos regelbar ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend hierzu kann eine Drossel 20 oder ein Druckminderer 20 in der Sauerstoffauslassleitung 16 angeordnet sein.
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Die Sauerstoffauslassleitung 16 führt zu einem Sauerstoffabnehmer und/oder an die Umgebung. Solche Sauerstoffabnehmer können auch beispielsweise Sauerstoffgasdruckspeicher wie Gasflaschen sein.
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Ferner weist der Elektrolyseur 14 eine Wasserstoffauslassleitung 22 auf, über welche Wasserstoff aus dem Druckbehälter 12 entnommen werden kann. In der Wasserstoffauslassleitung 22 ist ein Wasserstoffauslassventil 24 angeordnet. Das Wasserstoffauslassventil 24 ist vorzugsweise stufenlos steuerbar ausgebildet. Zur besseren Abstimmbarkeit kann eine zusätzliche Drossel oder ein zusätzlicher Druckminderer in der Wasserstoffauslassleitung 22 angeordnet sein.
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Über die Wasserstoffauslassleitung 22 kann der in der Elektrolyseeinrichtung 10 erzeugte Wasserstoff an einen Wasserstoffabnehmer 23 geleitet werden. Solche Wasserstoffabnehmer können beispielsweise ein Wasserstoffverteilnetz oder Wasserstoffdruckspeicherbehälter sein, wie beispielsweise Wasserstoffflaschen oder ähnliches.
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Der Druckbehälter 12 weist einen Wasserstoffsammelbereich 26, einen Sauerstoffsammelbereich 28 und einen Elektrolytsammelbereich 30 auf. Dabei ist der Elektrolytsammelbereich 30 in Schwerkraftrichtung gesehen in einem unteren Bereich des Druckbehälters 12 angeordnet. Der Wasserstoffsammelbereich 26 und der Sauerstoffsammelbereich 28 sind in Schwerkraftrichtung oben angeordnet.
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Ferner weist der Druckbehälter 12 ein Trennelement 32 auf, welches den Wasserstoffsammelbereich 26 von dem Sauerstoffsammelbereich 28 trennt. Das Trennelement 32 kann durch eine Wand gebildet sein. Alternativ oder ergänzend hierzu kann das Trennelement 32 auch teilweise durch den Elektrolyseur 14 gebildet sein.
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Ferner umfasst der Druckbehälter 12 eine Druckausgleichsverbindung 34, über welche ein Druckausgleich zwischen dem Wasserstoffsammelbereich 26 und dem Sauerstoffsammelbereich 28 ermöglicht ist. Die Druckausgleichsverbindung 34 ist dabei vorzugsweise in dem Elektrolytsammelbereich 30 angeordnet, also in Schwerkraftrichtung unten. Dadurch ist die Druckausgleichsverbindung 34 mit der Elektrolytlösung gefüllt, so dass zwar ein Druckausgleich stattfinden kann, aber ein Gasaustausch zwischen dem Wasserstoffsammelbereich 26 und dem Sauerstoffsammelbereich 28 unterbunden ist.
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Der in dem Druckbehälter 12 angeordnete Elektrolyseur 14 weist eine Anode 36 und eine Kathode 38 auf, die durch eine Membran 40 getrennt sind. Die Membran 40 ist dabei Ionen-leitend, insbesondere Protonen-leitend. Solche Membranen werden auch als PEM-Membranen bezeichnet.
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Durch die Membran 40 werden die im Elektrolyseur 14 erzeugten Gase, nämlich Sauerstoff und Wasserstoff, voneinander getrennt. Der Elektrolyseur 14 weist einen Einlass 42 für Elektrolytlösung, einen Auslass 44 für Wasserstoff und einen Auslass 46 für Sauerstoff, durch welchen auch die Elektrolytlösung aus dem Elektrolyseur 14 ausgeleitet werden kann, auf. Es versteht sich, dass auch andere Typen von Elektrolyseuren eingesetzt werden können, insbesondere können Membranen 40 verwendet werden, die Anionen statt Kationen leiten können. Des Weiteren können Elektrolyseure 14 verwendet werden, bei welchen sowohl die Anode 36 als auch die Kathode 38 mit der Elektrolytlösung in Kontakt steht.
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Ferner weist der Elektrolyseur 14 zwei elektrische Anschlüsse auf, mit welchen die Anoden 36 und die Kathoden 38 unter Spannung versetzt werden können. Der Elektrolyseur 14 ist vorzugsweise ein Stapel aus mehreren. Beispielsweise 10 Einzelzellen, so dass der Elektrolyseur 14 mit einer höheren Spannung, beispielsweise ungefähr 20 V, betrieben werden kann.
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Der Wasserstoffauslass 44 des Elektrolyseurs ist auf einer Kathodenseite 47 des Druckbehälters 12 angeordnet. Alternativ ist eine Auslassleitung, die vom Wasserstoffauslass 44 des Elektrolyseurs vorhanden, die zu der Kathodenseite 47 des Druckbehälters 12 führt. Auf der Kathodenseite 47 des Druckbehälters 12 ist der Wasserstoffsammelbereich 26 ausgebildet. Dadurch kann sich der aus dem Elektrolyseur 14 über den Wasserstoffauslass 44 austretende Wasserstoff in dem Wasserstoffsammelbereich 26 des Druckbehälters 12 ansammeln.
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Des Weiteren ist der Sauerstoffauslass 46 des Elektrolyseurs 14 oder ein Auslass einer Auslassleitung, die an den Sauerstoffauslass 46 des Elektrolyseurs 14 angeschlossen ist, an einer Anodenseite 45 des Druckbehälters 12 angeordnet, so dass der Sauerstoff, der aus dem Elektrolyseur 14 austritt, in dem Sauerstoffsammelbereich 28 sich sammeln kann. Der Sauerstoffsammelbereich 28 ist auf der Anodenseite 45 des Druckbehälters 12 angeordnet. Die Anodenseite 45 und die Kathodenseite 47 des Druckbehälters 12 sind über die Druckausgleichsverbindung 34 miteinander verbunden.
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Des Weiteren weist die Elektrolyseeinrichtung 10 eine Elektrolytpumpe 48 auf, welche in dem Druckbehälter 12 angeordnet ist und innerhalb des Druckbehälters 12 die Elektrolytlösung umwälzt. Insbesondere pumpt die Elektrolytpumpe 48 Elektrolytlösung zur Anode 36 des Elektrolyseurs 14. Dazu pumpt die Elektrolytpumpe 48 die Elektrolytlösung in den Einlass 42 des Elektrolyseurs 14. Die Elektrolytlösung tritt dann aus dem Sauerstoffauslass 46 aus, wodurch es wieder in den Elektrolytsammelbereich 30 zurückströmen kann.
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Die Elektrolytpumpe 48 ist vorzugsweise in dem Elektrolytsammelbereich 30 angeordnet. Alternativ ist es auch ausreichend, wenn eine Einlassleitung 49 bzw. ein Einlass 51 dieser Einlassleitung 49 der Elektrolytpumpe 48 innerhalb des Elektrolytsammelbereichs 30 angeordnet ist, so dass dieser Einlass 51 in Elektrolytlösung eingetaucht ist.
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Im Betrieb der Elektrolyseeinrichtung 14 wird zunächst der Elektrolyseur 10 mit Elektrolytlösung gefüllt, wobei in dem Wasserstoffsammelbereich 26 und dem Sauerstoffsammelbereich 28 ein Inertgas eingefüllt werden kann, beispielsweise Stickstoff oder ein Edelgas, das im Betrieb durch den Wasserstoff bzw. Sauerstoff verdrängt wird.
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Da zur Lagerung oder zum Transport des Wasserstoffs hohe Drücke von 350 bis 700 bar benötigt werden, wird durch die Elektrolyse in dem Druckbehälter 12 ein Druck aufgebaut. Durch die Druckausgleichsverbindung 34 herrscht auf der Anodenseite 45 und der Kathodenseite 47 der gleiche Druck. Dadurch muss der Elektrolyseur 14, insbesondere die Membran 40 des Elektrolyseurs 14, keinen oder nur geringen Druckkräften widerstehen können. Auf diese Weise ist es möglich, mit einem herkömmlichen Elektrolyseur 14 Wasserstoff und Sauerstoff bei hohen Drücken zu erzeugen.
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Des Weiteren weist die Elektrolyseeinrichtung 10 Elektrolytfüllstandssensoren 50 auf, welche den Pegel der Elektrolytlösung auf der Kathodenseite 47 und der Anodenseite 45 innerhalb des Druckbehälters 12 messen können. Anhand der Daten der Elektrolytfüllstandssensoren 50 kann eine Steuereinrichtung 52 das Sauerstoffauslassventil 18 so steuern, dass der Pegel der Elektrolytlösung auf der Kathodenseite 47 und der Anodenseite 45 des Druckbehälters 12 sich nur im erlaubten Maße voneinander unterscheidet. Insbesondere kann dadurch verhindert werden, dass die Druckausgleichsverbindung 34 trocken läuft. Das heißt, der Elektrolytpegel liegt sowohl auf der Kathodenseite 47 als auch auf der Anodenseite 45 über der Druckausgleichsverbindung 34.
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Das Wasserstoffauslassventil 24 wird je nach Bedarf des Wasserstoffabnehmers 23 gesteuert, so dass der Wasserstoff bedarfsgerecht an die Wasserstoffabnehmer 23 geliefert werden kann. Das Sauerstoffauslassventil 18 wird entsprechend geregelt, um die Bedingungen in dem Druckbehälter 12 aufrecht zu erhalten.
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Im Betrieb der Elektrolyseeinrichtung 10 wird vorzugsweise der Wasserstoff kontinuierlich an den Wasserstoffabnehmer 23 abgegeben, so dass kein oder nur eine geringe Druckdifferenz zwischen dem Innenraum des Druckbehälters 12 und dem Wasserstoffgasdruck beim Wasserstoffabnehmer 23, der auch als Wasserstoffabnahmedruck bezeichnet werden kann, gegeben ist. Dadurch werden Drosselverluste vermieden, die entstehen könnten, wenn der Druck im Druckbehälter 12 größer wäre als der Wasserstoffabnahmedruck. Die elektrolytische Kompression des Sauerstoffs und des Wasserstoffs erfolgt nur bis zu einem Druck, der für den Wasserstoffabnehmer notwendig ist, so dass unnötige Kompression des Wasserstoffs oder des Sauerstoffs vermieden werden kann.
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Eine in 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 dadurch, dass ein Elektrolytvorratsbehälter 54 vorgesehen ist, der sauerstoffseitig angeordnet ist. Der sauerstoffseitige Elektrolytvorratsbehälter 54 ist über eine Sauerstoffverbindungsleitung 56 mit der Sauerstoffauslassleitung 16 stromauf der Drossel bzw. des Druckminderers 20 oder direkt mit dem Druckbehälter 12, insbesondere mit dem Sauerstoffsammelbereich 28, verbunden. Dadurch kann Sauerstoff aus dem Sauerstoffsammelbereich 28 über die Sauerstoffverbindungsleitung 56 in den Elektrolytvorratsbehälter 54 strömen.
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In der Sauerstoffverbindungsleitung 56 ist ein Zulaufventil 58 angeordnet, das eine Gasströmung nur von dem Druckbehälter aus zu dem Elektrolytvorratsbehälter 54 erlaubt. Dazu kann das Zulaufventil 58 als Rückschlagventil ausgebildet sein. Alternativ kann das Zulaufventil 58 ein steuerbares Ventil sein, das entsprechend gesteuert wird.
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Im Betrieb wird im Elektrolytvorratsbehälter 54 der gleiche Druck herrschen wie im Sauerstoffsammelbereich 28, da bei einer möglichen vorhandenen Druckdifferenz Sauerstoff aus dem Sauerstoffsammelbereich 28 über die Sauerstoffverbindungsleitung 56 in den Elektrolytvorratsbehälter 54 strömen kann, um den Druck im Elektrolytvorratsbehälter 54 so lange zu erhöhen, bis die Druckdifferenz ausgeglichen ist.
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Ferner weist die Elektrolyseeinrichtung 10 eine Elektrolytzuführleitung 60 auf, die sich von dem Elektrolytvorratsbehälter 54 bis zu dem Druckbehälter 12, insbesondere zu dem Elektrolytsammelbereich 30 des Druckbehälters 12 erstreckt. Über die Elektrolytzuführleitung 60 kann Elektrolytlösung aus dem Elektrolytvorratsbehälter 54 in den Druckbehälter 12 strömen. Ferner ist in der Elektrolytzuführleitung 60 ein Rücklaufventil 62 angeordnet, das verhindert, dass Elektrolytlösung aus dem Druckbehälter 12 in den Elektrolytvorratsbehälter 54 strömen kann. Das Rücklaufventil 62 kann als Rückschlagventil ausgebildet sein. Alternativ kann das Rücklaufventil 62 steuerbar ausgebildet sein, und entsprechend gesteuert werden.
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Der Elektrolytvorratsbehälter 54 ermöglicht somit im Betrieb ein Nachfüllen von Elektrolytlösung in den Druckbehälter 12. Dazu muss lediglich im Betrieb zwischendurch der Druck im Druckbehälter 12 abgesenkt werden. Dadurch entsteht eine Druckdifferenz derart, dass der Druck im Elektrolytvorratsbehälter 54 größer ist als im Druckbehälter 12. Diese Druckdifferenz wird sich dadurch ausgleichen, dass Elektrolytlösung vom Elektrolytvorratsbehälter 54 in den Druckbehälter 12 strömt.
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Ein solches Absenken des Drucks im Druckbehälter 12, das zum Nachführen von Elektrolytlösung notwendig ist, kann dadurch erreicht werden, dass das Sauerstoffauslassventil 18 geöffnet wird, um den Druck zu reduzieren.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann als Vorbereitung zum Nachfüllen der Elektrolytlösung in den Druckbehälter 12 zeitweise der Druck im Druckbehälter 12 über den Wasserstoffabnahmedruck des Wasserstoffabnehmers 23 erhöht werden, so dass ebenfalls der Druck im Elektrolytvorratsbehälter 54 auf diesen erhöhten Druck angehoben wird. Nach Rückkehr auf den Wasserstoffabnahmedruck entsteht die für das Nachfüllen des Elektrolyts notwendige Druckdifferenz zwischen dem Elektrolytvorratsbehälter 54 und dem Druckbehälter 12.
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Der Elektrolytvorratsbehälter 54 weist eine Nachfüllöffnung 55 auf, durch welche der Elektrolytvorratsbehälter 54 mit Elektrolytlösung befüllt werden kann. Es versteht sich, dass das Nachfüllen des Elektrolytvorratsbehälters 54 vorzugsweise dann erfolgt, wenn der Druck in dem Elektrolytvorratsbehälter 54 abgelassen ist, so dass Umgebungsdruck herrscht.
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Im Übrigen stimmt die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 3 dargestellte dritte Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 dadurch, dass eine gasdichte Trennmembran 64 in dem Elektrolytvorratsbehälter 54 angeordnet ist, welcher den Sauerstoff in dem Elektrolytvorratsbehälter 54 von der Elektrolytlösung in dem Elektrolytvorratsbehälter 54 trennt, so dass eine Sauerstoffsättigung der Elektrolytlösung verhindert werden kann.
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Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte dritte Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 mit der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 4 dargestellte vierte Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 unterscheidet sich von den in den 2 und 3 dargestellten zweiten und dritten Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 dadurch, dass mehr als ein Elektrolytvorratsbehälter 54, beispielsweise zwei, vorgesehen sind. Die beiden Elektrolytvorratsbehälter 54 können dann abwechselnd mit Druck beaufschlagt und nachgefüllt werden, so dass ein kontinuierlicher Betrieb ermöglicht ist.
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Dazu weisen die Elektrolytvorratsbehälter 54 zusätzliche Ablassventile 66 auf. Ergänzend hierzu können auch zusätzlich Drosseln oder Druckminderer 68 vorgesehen sein, um ein kontrolliertes Ablassen des Drucks aus den Elektrolytvorratsbehältern 54 zu ermöglichen. Des Weiteren verzweigt sich die Sauerstoffverbindungsleitung 56 derart, dass zu jedem Elektrolytvorratsbehälter 54 ein Zweig der Sauerstoffverbindungsleitung 56 führt. In jedem dieser Zweige ist ein steuerbares Trennventil 67 angeordnet, so dass gesteuert werden kann, welcher der Elektrolytvorratsbehälter 54 mit dem Druck des Sauerstoffs aus dem Druckbehälter 12 beaufschlagt wird. Entsprechend teilt sich auch die Elektrolytzuführleitung 60 in mehrere Zweige auf, in welchen steuerbare Elektrolytrückführventile 70 angeordnet sind, um ein Austreten von Elektrolytlösung und einen Druckverlust über den nicht genutzten Elektrolytvorratsbehälter 54 zu vermeiden.
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Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte vierte Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit den in den 2 und 3 dargestellten zweiten und dritten Ausführungsformen der Elektrolyseeinrichtung 10 überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 5 dargestellte fünfte Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 dadurch, dass mehrere, beispielsweise drei, wasserstoffseitige Elektrolytvorratsbehälter 72 vorgesehen sind, die über die Wasserstoffauslassleitung 22 und ein Zulaufventil 58 mit dem Wasserstoffsammelbereich 26 verbunden sind. Vorzugsweise sind die wasserstoffseitigen Elektrolytvorratsbehälter 72 über Trennventile 67 mit der Wasserstoffauslassleitung 22 verbunden. Ferner weist die Elektrolyseeinrichtung 14 eine wasserstoffseitige Elektrolytzuführleitung 60 und ein Rücklaufventil 62 auf, das in der wasserstoffseitigen Elektrolytzuführleitung 60 angeordnet ist. Die wasserstoffseitige Elektrolytzuführleitung 60 zweigt von der Wasserstoffauslassleitung 22 ab und führt zu dem Druckbehälter 12.
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Das Zulaufventil 58 und das Rücklaufventil 62 können als Rückschlagventil ausgebildet sein. Alternativ können das Zulaufventil 58 und/oder das Rücklaufventil 62 steuerbar ausgebildet sein und entsprechend gesteuert werden.
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Die wasserstoffseitigen Elektrolytvorratsbehälter 72 sind zumindest teilweise mit Elektrolytlösung gefüllt, so dass mit Hilfe des Wasserstoffs aus dem Druckbehälter 12 die Elektrolytlösung aus den wasserstoffseitigen Elektrolytvorratsbehältern 72 in den Druckbehälter 12 gedrückt werden kann. Vorzugsweise sind die wasserstoffseitigen Elektrolytvorratsbehälter 72 Wasserstofftransportbehälter wie beispielsweise Wasserstoffgasflaschen. Diese werden vorzugsweise mit dem Ein- und Auslassventil nach unten in Schwerkraftrichtung gesehen angeordnet.
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Dadurch kann mit Hilfe des einströmenden Wasserstoffs die in den Elektrolytvorratsbehältern 72 eingefüllte Elektrolytlösung aus den Elektrolytvorratsbehälter 72 gedrückt werden. Die aus den wasserstoffseitigen Elektrolytvorratsbehältern 72 austretende Elektrolytlösung wird dann über die wasserstoffseitige Elektrolytzuführleitung 60 und das Rücklaufventil 62 in den Druckbehälter 12 zurückgeleitet.
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Zur Unterstützung des Nachfüllens mit Elektrolytlösung können die wasserstoffseitigen Elektrolytvorratsbehälter 72 in Schwerkraftrichtung gesehen oberhalb des Druckbehälters 12 angeordnet werden, so dass die Elektrolytlösung durch die Schwerkraft angetrieben in den Druckbehälter strömen kann.
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Im Übrigen stimmt die in 5 dargestellte fünfte Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 6 dargestellte sechste Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 unterscheidet sich von der in 5 dargestellten fünften Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 dadurch, dass die wasserstoffseitigen Elektrolytvorratsbehälter 72 entsprechend den sauerstoffseitigen Elektrolytvorratsbehältern 54 gemäß der zweiten bis vierten Ausführungsform, die in den 2 bis 4 dargestellt sind, entsprechen. Die Elektrolyseeinrichtung 10 weist also eine Wasserstoffverbindungsleitung 74 auf, welche von dem Wasserstoffsammelbereich 26 des Druckbehälters 12 zu den wasserstoffseitigen Elektrolytvorratsbehältern 72 führt. In dieser Wasserstoffverbindungsleitung 74 sind ebenfalls Trennventile 67 angeordnet, mit welchen die wasserstoffseitigen Elektrolytvorratsbehälter 72 abgetrennt werden können, so dass diese entlüftet werden können, um Elektrolytlösung in die jeweiligen wasserstoffseitigen Elektrolytvorratsbehälter 72 nachzufüllen.
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Dadurch kann der komprimierte Wasserstoff genutzt werden, um Elektrolytlösung zurück in den Druckbehälter 12 zu führen. Insbesondere kann somit ein Nachfüllen der Elektrolytlösung ermöglicht werden.
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In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter einer Elektrolytlösung insbesondere deionisiertes Wasser verstanden. Wässrige Lösungen, die sauer oder alkalisch sind, sind allerdings ebenfalls unter dem Begriff „Elektrolytlösung“ zu verstehen. Vorzugsweise wird allerdings ein Elektrolyseur 14 verwendet, der mit deionisiertem Wasser arbeitet.
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Im Übrigen stimmt die in 6 dargestellt sechste Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 5 dargestellten fünften Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung 10 überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Es versteht sich, dass nicht dargestellte Ausführungsformen wasserstoffseitige Elektrolytvorratsbehälter 72 und sauerstoffseitige Elektrolytvorratsbehälter 54 kombinieren können. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Ausnutzung der komprimierten Gase, um die Elektrolytlösung in den Druckbehälter 12 zurückzuführen bzw. nachzufüllen.
