WO2021228412A1

WO2021228412A1 - Verfahren zum betreiben einer wasserelektrolysevorrichtung

Info

Publication number: WO2021228412A1
Application number: PCT/EP2020/063724
Authority: WO
Inventors: Stefan Hoeller
Original assignee: Hoeller Electrolyzer Gmbh
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2021-11-18
Also published as: AU2020446855A1; JP2023529566A; US20230235469A1; EP4150136A1; CN115667587A; KR20230010646A; CA3174975A1

Abstract

Das Verfahren zum Betreiben einer Wasserelektrolysevorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser weist einen PEM-Elektrolyseur (1) auf, dem Wasser zum Erzeugen des Wasserstoffs und des Sauerstoffs zusammen mit Wasser zur Kühlung zugeführt wird. Das Wasser zu Kühlung wird im Kreislauf geführt und mittels einer Ionenaustauschereinheit (17) behandelt. Dabei wird nur ein Teil des im Kreislauf geführten Wassers der Ionenaustauschereinheit (17) zugeführt und ein anderer Teil über einen Bypass (13) unter Umgehung der Ionenaustauschereinheit (17) dem PEM-Elektrolyseur (1) zugeführt.

Description

Titel: Verfahren zum Betreiben einer Wasserelekfrolysevor- richfung

Beschreibung

[01 ] Die Erfindung betriff† ein Verfahren zum Betreiben einer Wasser elektrolysevorrichtung mi† den im Oberbegriff des Anspruchs 1 ange gebenen Merkmalen sowie eine Wasserelektrolysevorrichtung zur Aus führung des erfindungsgemäßen Verfahrens mi† den im Oberbegriff des Anspruchs 5 angegebenen Merkmalen.

[02] Eine Wasserelektrolysevorrichtung der in Rede stehenden Ar† ist beispielsweise aus WO 2018/196947 Al bekannt. Dort wird Reaktions wasser, welches elektrolytisch zu Wasserstoff und Sauerstoff aufgespal ten wird, zusammen mi† Kühlwasser einem PEM-Elek†rolyseur (Polymer- Elektrolyt-Membran) zugeführt, in welchem ein Teil des Wassers in Sauer stoff und Wasserstoff aufgespalten wird und ein anderer Teil, der zur Kühlung des PEM-Elek†rolyseurs vorgesehen ist, in einem Kühlkreislauf geführt wird. Das aus dem PEM-Elek†rolyseur zusammen mi† dem Sauer stoff austretende Wasser wird einem Abscheide- und Sammelbehälter zugeführt, in welchem der Sauerstoff abgeführ† und erforderlichenfalls demineralisiertes Wasser als Ersatz zugeführt wird.

[03] Beim Betrieb dieser Elektrolysevorrichtung werden im PEM- Elektrolyseur Metallionen freigesetz†, welche den Elektrolyseprozess beim erneuten Zuführen des Wassers negativ beeinflussen und den PEM-Elek†rolyseur schädigen. Um dies zu vermeiden, wird dem PEM- Elektrolyseur ein Ionenaustauscher vorgeschaltet, der dafür sorg†, dass diese Metallionen aus dem Wasser entfern† werden, bevor dieses Was ser dem PEM-Elek†rolyseur zugeführt wird. [04] Ein solcher Ionenaustauscher stellt einen erhöhten hydraulischen Widerstand im Wasserkreislauf dar und beding† somit eine erhöhte Pumpleistung, um den Kreislauf aufrechtzuerhalten. Um den PEM- Elektrolyseur möglichst optimal betreiben zu können, sollte die Betriebs- temperatur mindestens 70°C, in zukünftigen Anlagen bis zu 120 °C, be tragen. Ein Problem dabei ist jedoch, dass das dem Ionenaustauscher zugeführte Wasser eine Temperatur von maximal 60°C haben darf. Es sind daher aufwendige Wärmetauschmaßnahmen erforderlich, um das dem Ionenaustauscher zugeführte Wasser zunächst auf 60°C abzuküh- len und das aus dem Ionenaustauscher austretende Wasser dann auf 70°C oder mehr zu erwärmen, um eine möglichst optimale Betriebs temperatur des PEM-Elek†rolyseurs zu gewährleisten. Aus WO 2018/196947 Al zähl† es zum Stand der Technik, durch geeignete Wärme-/Kühlkreisläufe dies mi† einem Minimum an energetischem Auf- wand zu realisieren.

[05] Vor diesem Hintergrund lieg† der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Wasserelektrolysevorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser weiter zu verbessern sowie darüber hinaus eine zur Durchführung eines solchen verbesserten Verfahrens geeignete Wasserelektrolyse Vorrichtung bereitzustellen.

[06] Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird durch ein Verfah ren mi† den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Der vorrich tungsmäßige Teil dieser Aufgabe wird durch eine Wasserelektrolysevor- richtung mi† den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst. Vor teilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen angegeben. [07] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieben einer Wasserelekfrolysevorrichfung zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauer stoff aus Wasser wird Wasser zum Erzeugen des Wasserstoffs und des Sauerstoffs zusammen mit Wasser zur Kühlung einem PEM-Elekfrolyseur, insbesondere einem PEM-Elekfrolysesfack zugeführf und das Wasser zur Kühlung im Kreislauf geführt und mittels einer Reinigungs- und/oder Ab- scheidevorrichfung, beispielsweise eines Ionenaustauschers behandelt. Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, nur einen Teil des im Kreislauf- geführfen Wassers der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichfung zu- zuführen und einen anderen Teil über einen Bypass unter Umgehung der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichfung dem PEM-Elekfrolyseur zuzuführen.

[08] Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichfung nur so viel des im Kreislauf geführten Wassers zuzuführen, dass sichergesfellf ist, dass die dem PEM- Elekfrolyseur zugeführfe Wasserqualifäf ausreichend ist, um einen lang- zeifsfabilen Betrieb desselben zu gewährleisten. Es hat sich ersfaunli- cherweise gezeigt, dass es ausreichen kann, nur einen Teilsfrom des im Kühlkreislauf geführten Wassers der Reinigungs- und/oder Abscheide- Vorrichtung zuzuführen und den anderen Teilsfrom über einen Bypass unter Umgehung der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichfung dem PEM-Elekfrolyseur direkt zuzuführen, um die zum Langzeifbefrieb des PEM-Elekfrolyseurs erforderliche Wasserqualifäf zu gewährleisten.

[09] Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass durch den Bypass wesentliche Vorteile erziel† werden. Wenn beispielsweise als Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichfung ein Ionenaustauscher vor gesehen ist, so brauch† das im Bypass geführte Wasser nicht abgekühlf bzw. erwärm† zu werden, wie dies beim Durchleifen durch den Ionen austauscher erforderlich ist, es kann in der Regel ohne weitere Tempe- rafurbehandlung direkt dem PEM-Elekfrolyseur zugeführf werden. Ge- gebenenfalls kann im Kühlwasserkreislauf eine Kühlung vorgesehen sein, die das gesamte im Kreislauf geführte Wasser auf eine Temperatur ab- senkf, die zum Betrieb des PEM-Elekfrolyseurs vorteilhaft ist. Eine weitere Temperaturabsenkung braucht lediglich für den Teilstrom des Wassers zu erfolgen, der der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung, insbe sondere dem Ionenaustauscher zugeführt wird. Auch nur insoweit muss der nachfolgend austretende Wasserstrom erwärmt werden. Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren einen Großteil des Was serkreislaufs durch den Bypass zu führen, was schon hinsichtlich der auf- zubringenden Pumpleistung für die Umwälzung vorteilhaft ist. Der Bypass kann durch eine im Querschnitt ausreichend dimensionierte Leitung oder Leitungen gebildet sein, wodurch die zur Umwälzung des Wassers erforderliche Pumpleistung erheblich gesenkt werden kann. Lediglich der durch die Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung durchgelei- tete Teilstrom muss gegebenenfalls auf ein höheres Druckniveau ge bracht werden, um durch diese Vorrichtung zu dringen. Schließlich können die Intervalle, in denen das auszutauschende Material, sei es lonenaustauschermaterial, Filtermaterial oder dergleichen, gegenüber dem Stand der Technik, bei welchem der gesamte Kühlwasserstrom durch die Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung hindurchgeführt ist, verlängert werden.

[10] Unter Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jede zur Behandlung des dem PEM- Elektrolyseur zugeführten Wassers erforderliche oder auch nur geeigne- te Vorrichtung zu verstehen, welche im Wasserstrom mitgeführte Partikel bis hin zu atomaren Teilen/Ionen etc. ersetzt, austauscht oder zurück- hält. Dies können beispielsweise Filter, insbesondere Aktivkohle- oder auch Membranfilter sein, aber auch Ionenaustauscher oder andere geeignete Behandlungsvorrichtungen. [11] Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren einzu setzen, wenn als Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung ein Io nenaustauscher verwende† wird, da ein solcher Ionenaustauscher zum langzeitstabilen Betrieb des PEM-Elek†rolys†acks vorteilhaft ist, da er die im PEM-Elek†rolyseur gelösten und im Kühlwasserkreislauf mitgeführten Metallionen zuverlässig entfern†. Dabei werden vorteilhaft zwei Ionen austauscher zu einer lonenaustauschereinhei† in Reihe geschalte†, wo bei der Austausch des lonenaustauschermaterials zweckmäßiger Weise so erfolg†, dass dieses nicht bei beiden Ionenaustauschern gleichzeitig ersetz wird, sondern dass das lonenaustauschermaterial des in Durch strömungsrichtung nachrangigen Ionenaustauschers in den diesem vorgeschalteten Ionenaustauscher eingesetzt wird und das im nach- rangingen Ionenaustauscher entfernte Material durch neues lonenaus tauschermaterial ersetz† wird. Auf diese Weise wird eine hohe Aus- tauschqualitä† erreich†.

[12] Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens, nur ei nen Teilstrom durch die Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung zu führen, wird durch die Qualitätsanforderungen an das dem PEM- Elektrolyseur zugeführte Wasser begrenz†. Insbesondere bei Verwen- düng eines Ionenaustauschers als Reinigungs- und/oder Abscheidevor richtung ha† es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Verhältnis der Teilströme des Kühlkreislaufs, also des Teilstroms, welcher die Reinigungs und/oder Abscheidevorrichtung durchström† zu dem Teilstrom, welcher den Bypass durchström†, so eingestellt wird, dass die Wassermenge, die durch die Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung stündlich geführt wird, mindestens vier Mal so groß ist, wie die im Kühlkreislauf geführte Wassermenge. Dies führ† im Ergebnis dazu, dass das im Kühlkreiskreislauf geführte Wasser stündlich mindestens viermal durch die Reinigungs und/oder Abscheidevorrichtung geführt wird. Dieser Wer† ist umge- bungsbeding† anzupassen, häng† also ab von der verwendeten Reini gungs- und/oder Abscheidevorrichtung sowie den verwendeten Ma†e- rialien des PEM-Elek†rolyseurs sowie den Betriebsbedingungen. Die vor stehende Dimensionierung ist insbesondere bei Verwendung eines Io nenaustauschers als Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung vor teilhaft, um dem Langzeifbefrieb des PEM-Elek†rolyses†acks sicherzusfell- ten.

[13] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemä ßen Verfahrens wird beim Hochfahren der Wasserelekfrolysevorrichfung das im Kreislauf geführte Wasser zunächst noch gar nicht im Bypass ge führt, sondern ausschließlich durch die Reinigungs- und/oder Abschei- devorrichfung geführt, um sicherzusfellen, dass auch anfänglich eine ausreichend hohe Wasserqualifäf gewährleiste† ist. Dies erfolg† zweck mäßiger Weise solange, bis mindestens ein vorbestimmter Qualitätswer† des Wassers erreich† ist, wonach dann der Bypass des Kreislaufs zur Um gehung der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung in Stufen, kon- tinuierlich oder vollständig freigegeben wird. Bei Verwendung eines Io nenaustauschers als Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung wird dieser Wer† durch die Anzahl der im Wasser mitgeführten Metallionen bestimm†. Da es rech† aufwendig ist, diese Anzahl zu bestimmen, ha† es sich in der Praxis bewähr†, beim Hochfahren der Wasserelektrolysevor- richtung den Bypass zeitgesteuer† abzusperren, wobei die Zeit so ge wählt wird, dass dann das im Kühlkreislauf geführte Wasser nach dieser Zeit zuverlässig einen vorbestimmten Qualitätswer† erreich† oder über schritten ha†.

[14] Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die er- findungsgemäße Wasserelektrolysevorrichtung vorgesehen. Diese weis† einen PEM-Elek†rolyseur, insbesondere einen PEM-Elek†rolyses†ack auf, in dem eine Vielzahl von PEM-Elek†rolysezellen zu einem Stapel verbau† sind und der in einen Kühlwasserkreislauf eingebunden ist, über den auch das Reaktionswasser zugeführ† wird, welches unter Einsatz elektri- scher Energie zu Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Die Was- serelek†rolysevorrich†ung weis† eine Reinigungs- und/oder Abscheide vorrichtung auf, die dem Elektrolyseur vorgeschaltet ist. Gemäß der Er findung ist ein Bypass vorgesehen, über den Wasser unter Umgehung der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung dem Elektrolyseur zu- führbar ist.

[15] Unter Bypass im Sinne der Erfindung ist grundsätzlich jede belie bige fluidleitende Verbindung zu verstehen, welche die Reinigungs und/oder Abscheidevorrichtung umgeh†, das heiß†, eine direkte Lei tungsverbindung zum PEM-Elek†rolyseur herstell†. Dies kann typischer- weise eine Rohrleitung sein, eine solche Leitungsverbindung kann je doch auch durch ein Aggregat, einen Gehäuseteil oder dergleichen gebildet sein. Wesentlich dabei ist, dass ein Teilstrom an der Reinigungs und/oder Abscheidevorrichtung vorbeigeführ† wird, also parallel zu die ser angeordne† ist und eine direkte Leitungsverbindung zu dem PEM- Elektrolyseur gewähr†.

[16] Um die im Kühlkreislauf befindlichen Metallionen zu entfernen, weis† die Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung vorteilhaft einen Ionenaustauscher auf. Dabei ist es besonders zweckmäßig, zwei Ionen austauscher zu einer lonenaustauschereinhei† in Reihe zu schalten und diese wie weiter oben beschrieben so zu warten, dass stets das lonen- austauschmaterial von dem in Strömungsrichtung nachgeschalteten zu dem vorgeschalteten gewechselt und das vom in Strömungsrichtung nachgeschalteten erneuert wird.

[17] Vorteilhaft werden dabei mehrerer solcher in Reihe geschalteten lonenaustauscherpaare, die eine lonenaustauschereinhei† bilden, pa rallel geschalte†, wobei die Anzahl vorteilhaft so gewählt wird, dass bei maximaler Durchströmung, das heiß† ggf. bei abgesperrtem Bypass die Kapazität so bemessen ist, dass eine lonenaustauschereinhei† zu War tungszwecken abgeschalte† werden kann. Dann ist sichergestell†, dass die in regelmäßigen Zeitabständen erforderliche Wartung im kontinuier lichen Betrieb der Wasserelekfrolysevorrichfung erfolgen kann, ohne den Gasprodukfionsprozess zu unterbrechen. Eine solche Anordnung kann in analoger Weise bei Verwendung von Filtern, sei es zum Aus- tausch des Filfermaferials oder aber zum Rückspülen, Anwendung fin den. Dabei ist die Kapazität maximaler Durchsfrömung nicht notwendi gerweise auf den Anfahrprozess auszurichfen, in welchem der Bypass abgesperrf ist, es genüg† hier den hochgefahrenen Zustand der Elektro lysevorrichtung zu betrachten. [18] Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Reinigungs und/oder Abscheidevorrichtung mindestens einen Filter aufweisen, bei spielsweise einen Aktivkohlefilter und/oder einen Membranfilter, um im Wasserstrom mitgeführte Partikel aufzuhalten oder Teile chemisch zu binden. Insbesondere bei Einsatz eines Ionenaustauschers bzw. einer lonenaustauschereinhei† ist es vorteilhaft, das der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung zugeführte Wasser vor dessen Eintritt in die Vor richtung abzukühlen und hierzu vorgeschaltet eine Kühlvorrichtung o- der einen Wärmetauscher einer Kühlvorrichtung anzuordnen. Als Kühl vorrichtung können beispielsweise Peltier-Elemente Verwendung finden, die an geeigneter Stelle angeordne† werden. Bei Verwendung eines üblichen Kühlaggregats oder bei einer dezentralen Kühlung wird die Anordnung einer oder mehrerer Wärmetauscher vor dem Eingang der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung, insbesondere der lonen austauschereinhei† vorgesehen sein. [19] Um das aus der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung aus tretende Wasser auf eine Temperatur zu erwärmen, welche im Bereich der Betriebstemperatur des PEM-Elek†rolyseurs lieg†, kann nachgeschal te† eine Fleizvorrichtung oder ein Wärmetauscher einer Fleizvorrichtung vorgesehen sein. Als Fleizvorrichtung kann beispielsweise eine elektri- sehe Fleizung vorgesehen sein, ein Wärmetauscher kann Teil eines H eiz- kreislaufs sein, dessen Wärmeerzeugung an anderer geeigneter Stelle erfolgt oder der Wärme vom aus dem PEM-Elekfrolyseur ausfrefenden Kühlwasser überträgt.

[20] Grundsätzlich ist es zur Umwälzung des Wassers im Kühlkreislauf erforderlich, an geeigneter Stelle im Kreislauf für eine Druckerhöhung zu sorgen. Dies kann unter Ausnutzung des bei der Elektrolyse entstehen den Drucks der Reakfionsgase oder aber durch geeignete fypischer- weise elektromotorisch angefriebene Kreiselpumpen erfolgen. Wäh rend beim Stand der Technik diese zentrale Umwälzpumpe stets so zu dimensionieren ist, dass der gesamte Kühlsfrom auch durch die Reini- gungs- und/oder Abscheidevorrichfung gefördert werden kann, kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine solche den gesamten Kühlkreislauf beaufschlagende Druckerhöhungseinrichfung deutlich kleiner dimensionier† werden, wenn lediglich für den Teilstrom, der durch die Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung hindurchgeführ† werden muss, eine weitere Druckerhöhungseinrichtung, typischerweise eine weitere Umwälzpumpe vorgesehen wird. So kann es in der Praxis genügen, wenn für die Umwälzung des gesamten Kreislaufs eine Pum pe vorgesehen wird, welche eine Druckerhöhung von beispielsweise 0,5 bar erzeug†, wohingegen für den durch die Reinigungs- und/oder Ab scheidevorrichtung geführten Teil, insbesondere bei Verwendung von Ionenaustauschern eine gesonderte Umwälzpumpe eingesetzt werden kann, die zwar eine Druckerhöhung um 1,2 bar bis 1,5 bar erzeug†, je doch aufgrund des im Dauerbetrieb geringeren Teilstroms mengenmä- ßig deutlich kleiner dimensionier† sein kann. Es versteh† sich, dass dann, wenn beispielsweise beim Anfahren der Elektrolysevorrichtung der ge samte Kühlstrom durch die Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung geleite† wird, diese Pumpe dann gegebenenfalls kurzzeitig mi† höherer Leistung anzutreiben ist, um den Gesamtstrom hindurchfördern zu kön- nen. Da beim Anfahren eine Kühlung praktisch nicht erforderlich ist, kann dieser Gesamtwasserstrom jedoch vergleichsweise klein sein. [21] Alternativ können gesonderte Umwälzpumpen in beiden Strö mungspfaden, also im Bypass und in dem durch die Reinigungs und/oder Abscheidevorrichfung führenden Leifungssfrang vorgesehen sein, dann kann auf eine den gesamten Kühlwassersfrom fördernde Pumpe verzichte† werden.

[22] Da zumindest im hochgefahrenen Betrieb der Elektrolysevorrich tung Wärme aus dem PEM-Elek†rolyseur abzuführen ist, ist es zweckmä ßig, die der Kühl- und/oder Heizvorrichtung vor- und nachgeschalteten Wärmetauscher vorzugsweise einem gemeinsamen Temperierkreislauf zuzuordnen. So kann beispielsweise das aus dem PEM-Elek†rolyseur aus tretende Wasser im Wärmetausch mi† dem aus der Reinigungs und/oder Kühlvorrichtung austretenden Wassers stehen, um Letzteres nach Möglichkeit bis auf die gewünschte Betriebstemperatur zu erwär men. Andererseits kann das dort durch Wärmetausch abgekühlte Was- ser einem der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung vorgeschal teten Wärmetauscher zugeführ† sein, um die Temperatur des eintreten den Wassers herunterzukühlen. Zweckmäßigerweise ist in dem Tempe rierkreislauf ein Kühlaggrega† eingeglieder†, um das gegebenenfalls erforderliche Kälteniveau sicherzustellen. [23] Um die Temperierung des gesamten Kühlwasserstroms, die Tem perierung des durch die Reinigungs- und/oder Kühlvorrichtung durch geleiteten Teilstroms und die für die Umwälzung erforderlichen Pumpen in geeigneter Weise anzusteuern, ist vorteilhaft eine zentrale Steuerung vorzusehen, mi† welcher beispielsweise das Hochfahren der Wasser- elektrolysevorrichtung automatisier† gesteuert werden kann und mi† welcher durch geeignete Regelkreise, die im Betrieb erforderlichen Grenzwerte eingehalten werden können. In eine solche Steuerung sind typischerweise nicht nur die Umwälzpumpen für den Kühlwasserkreislauf und die Teilströme sondern auch die Umwälzpumpen des Temperier- kreislaufs eingebunden sowie die im Temperierkreislauf vorgesehenen Mischventile sowie auch das den Bypass verschließende oder teilweise verschließende Absperrventil.

[24] Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargesfellfen Ausführungsbeispielen näher erläuferf. Es zeigen Fig. 1 in vereinfachter Darstellung ein Schaltbild einer Wasserelekt rolysevorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine alternative Ausgestaltung der Einbindung einer Reini- gungs- und/oder Abscheidevorrichtung und

Fig. 3 eine weitere Ausführung der Einbindung einer Reinigungs und/oder Abscheidevorrichtung.

[25] Die Wasserelekfrolysevorrichfung gemäß Fig. 1 weis† einen Elekt rolyseur 1 der PolymerElek†roly†Membran-Bauar† auf, welcher als Stack, das heiß† als Stapel von einer Vielzahl aneinander anliegenden Einzel zellen gebildet ist, und bei dem über einen Eingang 2 Wasser zugeführ† wird, und zwar zum einen als Reaktant und zum anderen als Kühlfluid. Ein Teil dieses zugeführten Wassers wird unter Einsatz elektrischen Stroms elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der Wasser stoff wird über einen Ausgang 3 des Elektrolyseurs abgeführ†, der Sauer stoff gelang† über einen Ausgang 4 zusammen mi† dem überschüssigen Wasser über eine Leitung 5 einem Behälter 6 zugeführ†.

[26] Der Behälter 6 bilde† einen Gasabscheider, an seiner Oberseite wird über eine Leitung 7 der dort gesammelte Sauerstoff abgeführ†. Über einen Eingang 8 wird demineralisiertes Wasser zugeführ†, um das durch die elektrolytische Aufspaltung im Elektrolyseur 1 in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelte Wasser zu ersetzen. Der Behälter 6 weis† einen Ausgang 9 auf, der über eine Leitung 10 zunächst mit einer Um wälzpumpe 11 für den Kühlwasserkreislauf, und dann mit einem Wärme tauscher 12 eines Kühlaggregafes verbunden ist. Am Ende der Leitung 10 teilt sich diese in eine in den Figuren mit 13 gekennzeichnete einen Bypass bildende Leitung 13 sowie parallel dazu eine Leitung 14 auf, in welcher eine Wasserbehandlungsvorrichtung in Form zweier hinterei nander geschalteter Ionenaustauscher 15 und 16 eingegliedert ist. In der Leitung 14 ist eine Umwälzpumpe 18, nachfolgend ein Wärmetau scher 19 eines Kühlaggregates in Durchströmungsrichtung vor der durch die Ionenaustauscher 15 und 16 gebildeten lonenaustauschereinheit 17 angeordnet. In der den Bypass bildenden Leitung 13 ist ein Absperrven til 20 angeordnet, welches elektromotorisch gesteuert ist. Die den By pass bildende Leitung 13 sowie die Leitung 14, welche die Wasserbe handlungseinrichtung 17 beinhaltet, sind ausgangsseitig zusammenge- führt und münden im Eingang 2 des Elektrolyseurs 1.

[27] Im hochgefahrenen Betrieb der Vorrichtung wird über den Ein gang 2 dem Elektrolyseur 1 Wasser zugeführt. Dieses Wasser wird elekt rolytisch unter Einsatz elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten, der Wasserstoff wird über den Ausgang 3 abgeführt, der Sauerstoff verlässt zusammen mit dem überschüssigen Wasser den Aus gang 4 des Elektrolyseurs 1. Über die Leitung 5 gelangt das Wasser- Sauerstoff-Gemisch in den Behälter 6, in welchem der Sauerstoff über die Leitung 7 abgeschieden und das Wasser gegebenenfalls unter Zu führung weiteren demineralisierten Wassers über den Eingang 8 über die am Ausgang 9 anschließenden Leitung 10 abgeführt wird.

[28] Dieses aufgeheizte Wasser wird mittels eines Wärmetauschers 12 soweit erforderlich auf eine Temperatur heruntergekühlt, welche etwa der gewünschten Betriebstemperatur des Elektrolyseurs 1 entspricht, also beispielsweise 70°C beträgt. Dieses Wasser gelangt dann in die Leitungen 13 und 14, wobei das Mengenverhältnis der Leitungen 13 und 14 mittels des Ventils 20 gesteuert bzw. auf vorbesfimmfe Sollwerte geregelt wird. Alternativ oder zusätzlich kann dies durch Ansteuerung der drehzahlregelbaren Umwälzpumpe 18 erfolgen, welche das Druck niveau innerhalb der Leitung 14 erhöh†, um den durch den Wärmetau- scher 19 und die nachgeschaltete lonenaustauschereinhei† 17 erhöh ten hydraulischen Widerstand überwinden zu können.

[29] Über den Wärmetauscher 19 wird das in der Leitung 14 geführte Wasser auf eine Temperatur von 60°C heruntergekühl†, dies ist die ma ximal zulässige Temperatur für den Betrieb der lonenaustauschereinhei† 17. Das aus der lonenaustauschereinhei† 17 austretende Wasser ge lang† dann zusammen mi† dem aus der Leitung 13 kommenden Was sers wieder in den Eingang 2 des Elektrolyseurs. Das Verhältnis der Teil ströme der Leitungen 13 und 14 ist so gewählt, dass der Teilstrom durch die Leitung 13 so groß wie möglich und der Teilstrom durch die Leitung 14 so groß wie nötig ist, damit die Reinigungs- und/oder Abscheidebe handlung dieses Wassers ausreich†, um den Elektrolyseur 1 im Betrieb nicht zu schädigen. Da die zur Kühlung des Elektrolyseurs 1 erforderliche und umzuwälzende Wassermenge wesentlich größer ist als die zu reini gende Wassermenge, ergib† sich in eingefahrenem Betrieb in der Lei- tung 13 ein Durchsatz der typischerweise zehn bis dreißig Mal so hoch ist wie der in der Leitung 14.

[30] Wenn die vorbeschriebene Wasserelektrolysevorrichtung nach Wartungsarbeiten oder nach einer Betriebsunterbrechung hochgefah ren werden muss, ist der Anteil der im Wasser befindlichen Metallionen typischerweise überhöht, weshalb beim Anfahren der Vorrichtung zu nächst das Ventil 20 vollständig schließend angesteuer† wird, sodass der gesamte dem Elektrolyseur 1 über den Eingang 2 zugeführte Wasser strom durch die Leitung 14 und somit durch die lonenaustauscherein hei† 17 geleite† wird, um sicherzustellen, dass auch in dieser Anfahrsitua- tion keine unzulässig hohe Belastung des Elektrolyseurs 1 mi† Metallionen entsteh†. Das Ventil 20 wird entweder zei†ges†euer†, †empera†urges†eu- er† oder in Abhängigkeit der Me†allionenkonzen†ra†ion in der Leitung 10 geöffnet bis sich schließlich die oben beschriebenen Strömungsverhält nisse im eingefahrenen Zustand einstellen, bei denen nur noch ein ver- gleichsweise kleiner Teilstrom durch die Leitung 14 und ein deutlich grö ßerer Teilstrom durch die Leitung 13 dem Elektrolyseur 1 zugeführ† wird.

[31 ] Anhand von Fig. 2 ist dargestell†, wie bei einer Elektrolysevorrich tung gemäß Fig. 1 vorteilhaft zunächst eine Abkühlung des in der Lei tung 14 geführten Wassers und nach Durchströmen der lonenaustau- schereinhei† 17 eine nachfolgende Erwärmung erfolg†. Flierzu ist der lonenaustauschereinhei† 17 ein Wärmetauscher 21 nachgeschalte†, der über einen gemeinsamen Wärmekreislauf mi† dem Wärmetauscher 12 zum Fierunterkühlen des Wassers zusammengeschalte† ist. Die Wärme tauscher 12 und 21 sind über eine Leitung 22 miteinander verbunden, von welcher eine Leitung 23 zu einem Kühlaggrega† 24 abzweig†, des sen Ausgangsleitung 25 ein Mischventil 26 zugeführ† ist, welches mi† der vom Wärmetauscher 21 kommenden Leitung verbunden ist und in das weiterhin eine Leitung 27 münde†, welche zum Wärmetauscher 12 hin führ†. Mi† dieser Anordnung kann die Abkühlung des in der Leitung 14 geführten Wassers vor der lonenaustauschereinhei† 17 und die nachfol gende Erwärmung über den Wärmetauscher 21 weitgehend ohne Fremdenergie erfolgen, erforderlichenfalls zusätzliche Kühlung wird durch das Kühlaggrega† 24 bereitgestell†.

[32] Die Ausführung gemäß Fig. 3 ist hinsichtlich der Wärmeführung in einem gemeinsamen Temperierkreislauf noch weitergehend. Dort ist die in Fig. 1 über den Wärmetauscher 12 angeschlossene Kühleinhei† mi† der vorbeschriebenen Temperiereinrichtung für die lonenaustauscher einhei† 17, wie sie anhand von Fig. 2 beschrieben worden ist, verbun den. Dort ist der Ausgang des Wärmetauschers 12 und der des Wärme- tauschers 19 der Leitung 22 zugeführ†, der Ausgang des Wärmetau- schers 21 und der Ausgang des Kühlaggregats 24 sind dem Mischventil 26 zugeführt, welches jedoch dort nicht direkt zum Wärmetauscher 19 führt, sondern über ein weiteres Mischvenfil 28 und eine Leitung 29 mit dem Eingang des Wärmetauschers 19 und dem Mischvenfil 26 verbun- den ist.

[33] Bei der anhand von Fig. 3 dargesfellfen Temperiereinrichfung kann somit die Wärme des gesamten Wassersfroms genutzt werden, was insbesondere hinsichtlich der Erwärmung im Nachgang zu der lo- nenausfauschereinheif 17 im Wärmetauscher 21 von Vorteil ist. [34] Anhand von Fig. 3 ist darüber hinaus dargesfellf, dass drei lonen- ausfauschereinheifen 17 jeweils bestehend aus einem ersten Ionenaus tauscher 15 und einem diesen in Strömungsrichfung nachgeschalfefen zweiten Ionenaustauscher 16 parallel geschalte† sind. Diese Parallelan ordnung verdeutlich† nur beispielhaft, dass durch Parallelschalten meh- rerer solcher lonenaus†auschereinhei†en 17 Ionenaustauscher quasi be liebiger Größe eingesetzt werden können, ohne hier auf Sonderanferti gungen zurückgreifen zu müssen. Die lonenaus†auschereinhei†en 17 sind dabei in an sich bekannter Weise so konfigurier†, dass beim Ermü den des lonenaustauschermaterials, wenn dieses also an seine Sätti- gung herankomm†, zunächst das lonenaustauschermaterial aus dem nachgeschalteten Ionenaustauscher 16 in den vorgeschalteten Ionen austauscher 15 gesetzt wird und der Ionenaustauscher 16 mi† frischem lonenaustauschermaterial versehen wird, um so sicherzustellen, dass die Behandlung in dem nachgeschalteten zweiten Ionenaustauscher 16 stets noch intensiver als in dem vorgeschalteten Ionenaustauscher 15 ist.

[35] Dabei ist die Dimensionierung der parallel geschalteten lonen- austauschereinheiten so gestalte†, dass mindestens eine lonenaustau- schereinhei† 17 mehr vorhanden ist, als dies für den eigentlichen Betrieb der Elektrolysevorrichtung erforderlich wäre. Diese lonenausfauscher- einhei† 17 kann dann durch hier nicht im Einzelnen dargesfellfe Ventile außer Betrieb genommen werden, wenn zu Warfungszwecken das lo- nenausfauschermaferial wie vorbeschrieben zu tauschen bzw. zu erse†- zen ist.

[36] Die anhand der Figuren dargesfellfe und vorbeschriebene Elekf- rolysevorrichfung weis† eine zentrale Steuerung auf, welche sowohl das Hochfahren als auch den Dauerbetrieb automatisier† steuert. Dabei sind Regelkreisläufe eingebunden, welche insbesondere die Mischventi- le des Temperierkreislaufs in geeigneter Weise ansteuern. Diese Steue rung umfass† auch die Ansteuerung des Absperrventils 20 sowie der Umwälzpumpen 11 und 18.

Bezugszeichenliste

1 Elektrolyseur

2 Eingang von 1

3 H2-Ausgang von 1

4 O2, EhO-Ausgang von 1

5 Leitung

6 Behälter

7 Leitung

8 Eingang

9 Ausgang

10 Leitung

11 Umwälzpumpe

12 Wärmetauscher

13 Bypass/Leitung

14 Leitung

15 Ionenaustauscher

16 Ionenaustauscher

17 lonenaustauschereinheit

18 Umwälzpumpe

19 Wärmetauscher

20 Absperrventil

21 Wärmetauscher

22 Leitung

23 Leitung

24 Kühlaggregat

25 Ausgangsleitung

26 Mischventil

27 Leitung

28 Mischventil

29 Leitung

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer Wasserelekfrolysevorrichfung zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, bei welchem Wasser zum Erzeugen des Wasserstoffs und des Sauerstoffs zusam- men mit Wasser zur Kühlung einem PEM-Elekfrolyseur (1 ), insbeson dere einem PEM-Elekfrolysesfack (1 ), zugeführf wird und das Was ser zur Kühlung im Kreislauf geführt und mittels einer Reinigungs und/oder Abscheidevorrichfung (17) behandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil des im Kreislauf geführten Was- sers der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichfung (17) zugeführf und ein anderer Teil über einen Bypass (13) unter Umgehung der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichfung (17) dem PEM- Elekfrolyseur (1 ) zugeführf wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichfung (17) mindestens ein, vorzugsweise zwei in Reihe geschaltete Ionenaustauscher (15, 16) verwende† werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Teilsfröme des Kühlkreislaufs, welche die Reini- gungs- und/oder Abscheidevorrichfung (17) einerseits und den

Bypass (13) andererseits durchsfrömen, so eingestellt wird, dass stündlich eine Wassermenge durch die Reinigungs- und/oder Ab scheidevorrichfung (17) geführt und behandelt wird, die mindes tens der vierfachen im Kühlkreislauf geführten Wassermenge enf- sprich†.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Hochfahren der Wasserelekfrolysevor richfung das im Kreislauf geführte Wasser solange vollständig durch die Reinigungs- und/oder Abscheideeinrichtung (17) geführt wird, bis das Wasser mindestens einen vorbestimmten Qualitäts- wert erreicht hat und erst nachfolgend der Bypass (13) des Kreis laufs zur Umgehung der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrich- tung (17) freigegeben wird

5. Wasserelektrolysevorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, mit einem PEM-Elektrolyseur (1 ), insbesonde re einem PEM-Elektrolysestack (1 ), der in einen Kühlwasserkreislauf eingebunden ist, über den auch das Reaktionswasser zugeführt wird, mit einer Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung (17), die dem Elektrolyseur (1 ) vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeich net, dass ein Bypass (13) vorgesehen ist, über den Wasser unter Umgehung der Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung (17) dem Elektrolyseur (1 ) zuführbar ist.

6. Wasserelektrolysevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Reinigungs- und/oder Abscheidevorrichtung (17) einen, vorzugsweise zwei in Reihe geschaltete Ionenaustau scher (15, 16) aufweis†.

7. Wasserelektrolysevorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungs- und/oder Abscheidevorrich tung (17) mindestens einen Filter aufweis†.

8. Wasserelektrolysevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungs und/oder Abscheidevorrichtung (17) zur Abkühlung des eintreten- den Wassers eine Kühlvorrichtung oder ein Wärmetauscher (19) einer Kühlvorrichtung vorgeschaltet ist,

9. Wasserelek†rolysevorrich†ung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungs und/oder Abscheidevorrichtung (17) zur Erwärmung des austre tenden Wassers eine Heizvorrichtung oder ein Wärmetauscher (21 ) einer Heizvorrichtung nachgeschalte† ist.

10. Wasserelektrolysevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Druckerhöhungsmittel (11 , 18) im Kreislauf vorgesehen sind, die in einem Strömungspfad, in beiden Strömungspfaden und/oder in dem gemeinsamen Strö- mungspfad angeordne† sind.

11. Wasserelektrolysevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ventil (20) in dem Bypass (13) vorgesehen ist, mi† dem dieser ganz oder teilweise absperrbar ist.

12. Wasserelektrolysevorrichtung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung, vor zugsweise eine Regelung vorgesehehen ist, welche die Drucker höhungsmittel (11, 18), das Ventil (20) und/oder die Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen koordinier† steuert.

13. Wasserelektrolysevorrichtung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungs und/oder Abscheidevorrichtung (17) mehrere parallel geschaltete lonenaustauschereinheiten (17) aufweis†, die jeweils zwei in Reihe geschalteten Ionenaustauscher (15, 16) aufweisen.

14. Wasserelektrolysevorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, dass die Anzahl der parallel geschalteten lonenaustau- schereinheifen (17) so gewählt ist, dass bei maximaler Last ohne Funktionseinbuße eine lonenaustauschereinheit (17) zu Wartungs zwecken abschaltbar ist.

15. Wasserelektrolysevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher

(12, 19, 21 ) der Kühl- und/oder Heizvorrichtungen vorzugsweise ei nem gemeinsamen Temperierkreislauf zugeordne† sind.