Gaszwischenspeicher, Elektrolyseanlage und Verfahren zur Pro- tonen-Austausch-Elektrolyse

Die Erfindung betrifft einen Gaszwischenspeicher für eine Elektrolyseanlage zur Niederdruck-Protonen-Austausch- Elektrolyse gemäß dem Patentanspruch 1, sowie eine Elektroly seanlage zur Niederdruck-Protonen-Austausch-Elektrolyse gemäß dem Patentanspruch 5 und ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage für die Protonen-Austausch-Elektrolyse ge mäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.

Bei einer Elektrolyse wird mittels elektrischen Stroms eine chemische Reaktion, insbesondere eine Redoxreaktion, angesto ßen, wobei elektrische Energie in chemische Energie umgewan delt wird. Die dafür benötigte elektrische Energie liefert eine Gleichspannungsquelle, welche zwei elektrische Pole, ei ne Anode und eine Kathode, aufweist. Durch zwei Elektroden, die Anode und die Kathode, wird ein elektrischer Gleichstrom in einen leitenden Elektrolyten, beispielsweise eine leitende Flüssigkeit, geleitet. Bei einer Protonen-Austausch- Elektrolyse (PEM-Elektrolyse) erfolgt die Leitung zumindest teilweise durch eine Protonen-Austausch-Membran, welche für positiv geladene Protonen durchlässig ist. An den Elektroden entstehen durch die Elektrolyse, das heißt durch Leiten des Gleichstroms der Gleichspannungsquelle, beispielsweise mit tels Protonen, von der einen zur anderen Elektrode, Reakti onsprodukte der elektrochemischen Reaktion aus den im Elekt rolyten beziehungsweise der Flüssigkeit enthaltenen Stoffen beziehungsweise Elementen.

Die Gleichspannungsquelle bewirkt einen Elektronenmangel in der mit dem Pluspol verbundenen Elektrode, der Anode, und ei nen Elektronenüberschuss in der mit dem Minuspol verbundenen Elektrode, der Kathode. An der Kathode nehmen elektroneutrale oder positiv geladene Stoffe Elektronen auf und werden dadurch reduziert. An der Anode erfolgt die Abgabe von Elekt- ronen in die Elektrode beziehungsweise Anode, wobei der Stoff beziehungsweise die Stoffe dort oxidiert werden können.

Eine häufige Form der Elektrolyse ist die Wasserelektrolyse, mittels welcher einer Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff stattfindet, wobei eine einfache Reaktionsglei chung 2H ₂ O -> 2H _{2 +} O ₂ lauten kann. Dies kann mittels Protonen- Austausch-Elektrolyse ( PEM-Elektrolyse aus dem Englischen Proton Exchange Membrane Electrolysis ) erfolgen, dabei wird Wasser in einer Elektrolysezelle mit einem festen Polymer elektrolyten gespaltet. Der Polymerelektrolyt, genauer eine Polymer-Elektrolyt-Membran beziehungsweise die Proton-Aus- tausch-Membran, ist dabei für die Leitung von Protonen, den Wasserstoffronen, die Trennung von Produktgasen und die elektrische Isolierung der Elektroden verantwortlich. Als Produktgase entstehen bei der Niederdruck-PEM-Elektrolyse mo lekularer Sauerstoff O ₂ sowie molekularer Wasserstoff H ₂ aus Wasser H ₂ O. Die Polymer-Elektrolyt-Membran weist aufgrund ih rer festen Struktur eine geringe Gasübertragungsrate auf, was zu einer sehr hohen Produktgasreinheit führt. Die Aufrechter haltung einer hohen Gasreinheit ist wichtig für die Lagersi cherheit und den direkten Einsatz des Produktgases beispiels weise in einer Brennstoffzelle.

Die Wasserelektrolyse mittels PEM-Elektrolyse ist beispiels weise aufgrund von dynamischen Reaktionszeiten und hohen Wir kungsgraden eine vielversprechende Technologie zur Energie speicherung in Verbindung mit erneuerbaren Energiequellen. So kann sie beispielsweise bei den sogenannten Power-to-Gas- Konzepten bei über dem Bedarf liegenden temporären Stromüber schüssen, beispielsweise bei der Produktion erneuerbarer Energie, überschüssigen Strom in Form von Energie speichern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mittels welcher eine

Elektrolyseanlage zur Niederdruck-Protonen-Austausch- Elektrolyse eine besonders hohe Gasreinheit der Produktgase realisieren kann. Diese Aufgabe wird durch einen Gaszwischenspeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Elektrolyseanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Aus gestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Gaszwischen speicher für eine Elektrolyseanlage zur Niederdruck-Protonen- Austausch-Elektrolyse (Niederdruck-PEM-Elektrolyse) , mit ei nem Speicherbehältnis. Um eine besonders hohe Gasreinheit ei nes Produktgases zu erzielen, mündet in das Speicherbehältnis ein Kanal einer Gasentnahmeeinheit, über welchen während der Elektrolyse erzeugtes Gas, das Produktgas, in das Speicherbe hältnis einleitbar ist, wobei das Speicherbehältnis wenigs tens ein Druckelement umfasst, mittels welchem das in das Speicherbehältnis eingeleitete Gas mit einem Druck beauf schlagt ist.

Mit anderen Worten ist der Gaszwischenspeicher derart ausge bildet, dass Produktgas, insbesondere Wasserstoff, welches während der Niederdruck-PEM-Elektrolyse erzeugt wird, in den Gaszwischenspeicher, insbesondere in das Speicherbehältnis, einströmen beziehungsweise eingeleitet werden kann. Dies ge schieht über den Kanal der Gasentnahmeeinheit, welcher zumin dest mittelbar fluidisch leitend mit dem Speicherbehältnis des Gaszwischenspeichers verbunden ist. Die Gasentnahme einheit verbindet zumindest einen Teilbereich einer Elektro lysezelle, welcher das Produktgas beinhaltet fluidisch lei tende mit dem Gaszwischenspeicher. Sind mehrere Elektrolyse zellen zu einem Elektrolysemodul zusammengefasst, kann die Gasentnahmeeinheit die Gesamtheit der Teilbereiche, welche das Produktgas beinhalten, fluidisch verbinden. Dabei ist die Gasentnahmeeinrichtung derart der Elektrolysezelle bezie hungsweise dem Elektrolysemodul zugeordnet, das sie das Pro duktgas auf einer Seite einer Proton-Austausch-Membran, das heißt entweder auf der Seite, welche eine Anoden oder eine Kathode aufweist. Das jeweilige Produktgas kann mittels der Gasentnahmeeinheit über den Kanal in den Gaszwischenspeichers strömen beziehungsweise leitbar sein. Der Gaszwischenspei cher, insbesondere dessen Speicherbehältnis mit dem Druckele ment, ist nun derart ausgebildet, dass ein Druckabfall we nigstens in dem in Strömungsrichtung des erzeugten Produktga ses stromaufwärts liegenden Kanal beziehungsweise der Gas entnahmeeinheit und somit in der Elektrolysezelle beziehungs weise dem Elektrolysemodul der Elektrolyseanlage verhindert beziehungsweise besonders gering gehalten werden kann. Somit kann beispielsweise ein Fremdgaseinbruch in die Elektrolyse anlage vermieden werden, wodurch die Gasreinheit des Produkt gases, insbesondere Wasserstoff, erhöht werden kann. Durch den erfindungsgemäßen Gaszwischenspeicher kann eine Einlage rung von Fremdgas in einen beispielweise nach dem Gaszwi schenspeicher stromabwärts liegend angeordneten Tank verhin dert werden. Der Gaszwischenspeicher kann für eine Aufrecht erhaltung eines Überdrucks gegenüber der Umgebung der Elekt rolyseanlage dienen. Dies wird durch das mittels des Dru ckelements mit dem Druck beaufschlagte Gas im Speicherbehält nis realisiert. Die Elektrolyseanlage kann als Elektrolyseur bezeichnet werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Niederdruck-Protonen-Austausch-Elektrolyse aufgrund des nied rigen Gasdrucks, insbesondere für einen Transport des Gases, große Querschnitte für Kanäle beziehungsweise Rohre zum

Transport des Gases benötigt werden. Nach beispielsweise Pro duktionsstillständen muss sichergestellt sein, dass die H ₂ - führenden Rohre keinen Sauerstoff beispielsweise über Lecka gestellen oder rückwärtige Strömungen beinhalten. Eine Lecka gestelle beziehungsweise ein Fremdgaseinbruch kann beispiels weise durch undichte Stellen in den gesamten miteinander flu- idisch leitend verbundenen Komponenten, wie der Elektrolyse kammer der Elektrolyseanlage sowie in dem Gaszwischenspeicher auftreten. Rückwärtige Strömungen können beispielsweise nach Lastphasen auftreten. Speziell nach längeren Lastphasen und daraus resultierenden hohen Gastemperaturen von beispielswei- se über 20 Grad Celsius, kann es aufgrund eines darauffolgen den Produktionsstillstands durch Abkühlung des Produktgases und einer Kondensation von Wasserdampf zu einer Volumenreduk tion und damit zu einem Druckabfall kommen. Würde ein Druck abfall in dem Maße stattfinden, dass der Druck in der Elekt rolysezelle und/oder dem Elektrolysemodul beziehungsweise dem Elektrolyseur gegenüber einem Umgebungsdruck niedriger ist, ist die Gefahr eines Fremdgaseinbruchs (beispielsweise 0 ₂₎ gegeben. Die Bildung eines zündfähigen Wasserstoff- Sauerstoff-Gemischs aufgrund eines Fremdgaseinbruchs kann durch den Überdruck verhindert werden. Im Hinblick auf eine Stromproduktion mittels erneuerbare Energien sind fluktuie rende Energiemengen wahrscheinlich, wodurch häufig Produkti onsunterbrechungen zu erwarten sind.

Mittels des erfindungsgemäßen Gaszwischenspeicher für die Niederdruck-PEM-Elektrolyse, welcher über die Gasentnahme einheit an einer Gasaustrittsseite des Elektrolyseurs ange schlossen ist, ist durch die Beaufschlagung des in ihn einge leitete Gases beziehungsweise Produktgases ein gasentnahme seitiger Überdruck gewährleistbar. Durch diesen Überdruck wird ein Unterdrück beziehungsweise ein Fremdgaseinbruch we niger wahrscheinlich, was sich positiv auf die Gasreinheit auswirkt .

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Spei cherbehältnis in Strömungsrichtung des erzeugten Gases strom abwärts liegend fluidisch leitend mit einer Gasabnahmeein richtung und/oder einer Verdichtereinrichtung verbunden und/oder zumindest eines des wenigstens einen Druckelements derart angeordnet, dass eine Weitergabe von Druckschwankungen durch das Speicherbehältnis hindurch dämpfbar ist. Das heißt, mittels des wenigstens einen Druckelements kann eine Weiter gabe von Druckschwankungen, welche im Kanal und/oder der Gasabnahmeeinrichtung und/oder der Verdichtereinrichtung auf- treten, durch das Speicherbehältnis hindurch dämpfbar bezie hungsweise verringerbar sein. Mit anderen Worten können mit tels des erfindungsgemäßen Gaszwischenspeichers Druckschwan- kungen von einem in Strömungsrichtung gesehen nachfolgenden Verdichtereinrichtung und/oder einem Gasabnahmeeinrichtung von dem in Strömungsrichtung stromaufwärts liegenden Kanal entkoppelt werden. Dabei ist der Gaszwischenspeicher bezie hungsweise dessen Speicherbehältnis, welches das Druckelement aufweist, derart ausgebildet, dass die Entkopplung bezie hungsweise die Dämpfung der Druckschwankung sowohl von der stromaufwärts liegenden zur stromabwärts liegenden Seite, als auch von der stromabwärts liegenden zur stromaufwärts liegen den Seite erfolgen kann. Hierdurch ergibt sich beispielswei se, dass ein Tank, welchen die stromabwärts liegende Gasab nahmeeinrichtung aufweist, besonders gleichmäßig befällt wer den kann. Des Weiteren kann dadurch eine Druckschwankung in folge der nachgeschalteten Verdichtereinrichtung gedämpft werden, um diese Druckschwankungen von der Gasabnahmeeinrich tung des Elektrolyseurs beziehungsweise der Elektrolysezelle beziehungsweise des Elektrolysemoduls zu entkoppeln. Je ge ringer Druckschwankungen in der Elektrolyseanlage ausfallen, desto stabiler kann der Elektrolyseprozess ablaufen, wodurch die Gasreinheit auf einem stabilen Wert gehalten werden kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Spei cherbehältnis als Membranspeicher ausgebildet. Dabei kann die Membran des Membranspeichers zumindest teilweise als Dru ckelement dienen. Dabei funktioniert der Membranspeicher ver gleichbar einem Gasometer als Druckausgleichsgerät, mittels welchem beispielsweise eine Dämpfung der Druckschwankungen besonders einfach realisierbar ist. Durch die Ausbildung des Gaszwischenspeichers beziehungsweise des Speicherbehältnisses als Membranspeicher ist eine besonders einfache und dadurch kostengünstige Realisierung des Gaszwischenspeichers möglich, da insbesondere das Druckelement durch die Membran ausgebil det werden kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist eine Druck überwachungsvorrichtung stromabwärts der Gasentnahmeeinheit angeordnet. Durch diese Drucküberwachungsvorrichtung ist es beispielsweise in besonders vorteilhafter Weise möglich, den Gasdruck in dem Kanal und somit auch am Entstehungsort des Gases in der Elektrolysezelle beziehungsweise dem Elektroly semodul zu überwachen, womit beispielsweise ein Druckabfall, insbesondere in einem Bereich unterhalb des Umgebungsdrucks, erkennbar ist. Dabei kann die Drucküberwachungsvorrichtung beispielsweise ein Warnelement, welches beispielsweise akus tische und/oder optische Warnsignale aussendet, umfassen, so- dass auf einen Druckabfall besonders schnell reagiert werden kann, wodurch innerhalb einer besonders kurzen Zeitspanne Maßnahmen ergriffen werden können, um eine besonders hohe Gasreinheit des Produktionsgases, insbesondere des molekula ren Wasserstoffs, zu gewährleisten.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ein Volumen des Speicherbehältnisses zum zumindest Zwischenspeicher des Gases größer als ein Volumen, welches von dem erzeugten Gas in der mit dem Gaszwischenspeicher verbundenen Elektrolysean lage, insbesondere in der Elektrolysezelle beziehungsweise dem Elektrolysemodul, einnehmbar ist. Mit anderen Worten ist der Gaszwischenspeicher, welcher direkt von der Elektrolyse gespeist wird, beziehungsweise dessen Gasvolumen so groß ge wählt, dass ein, insbesondere vollständiger, Ausgleich des von der Elektrolyseanlage eingeschlossenen Volumens sicherge stellt werden kann, wodurch ein permanenter Systemüberdruck beziehungsweise ein über einen möglichst langen Zeitraum haltbarer Systemüberdruck gewährleistet werden kann. Daraus ergibt sich eine besonders geringes Risiko eines Fremdgasein bruchs in das Produktgas, beispielsweise den molekularen Was serstoff oder den molekularen Sauerstoff.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrolysean lage für eine Niederdruck-Protonen-Austausch-Elektrolyse, mit einem erfindungsgemäßen Gaszwischenspeicher.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyseanlage für die Niederdruck- Protonen-Austausch-Elektrolyse . Um die Elektrolyseanlage mit tels des Verfahrens besonders vorteilhaft zu betreiben und somit eine besonders große Gasreinheit des Produktgases, ins besondere des Wasserstoffs, zu erreichen, wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens während der Elektrolyse erzeug tes Gas über einen Kanal einer Gasentnahmeeinheit, welcher in ein Speicherbehältnis eines Gaszwischenspeichers mündet, in das Speicherbehältnis eingeleitet. Das in das Speicherbehält nis eingeleitete Gas wird mittels eines Druckelements des Speicherbehältnisses mit einem Druck beaufschlagt.

Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestal tungen des zweiten beziehungsweise dritten Aspekts der Erfin dung anzusehen und umgekehrt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzug ten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vor stehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmals kombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschrei bung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeig ten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kom binationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die einzige Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Gaszwischen speicher für eine Elektrolyseanlage zur Niederdruck-Protonen- Austausch-Elektrolyse mit einem Speicherbehältnis.

Die FIG zeigt einen Gaszwischenspeicher 10 für eine Elektro lyseanlage 12 zur Niederdruck-Protonen-Austausch-Elektrolyse (Niederdruck-PEM- Elektrolyse) mit einem Speicherbehältnis 14. Mittels des Gaszwischenspeichers 10 kann die PEM- Elektrolyseanlage 12, welche eine Elektrolyse von Wasser H2O in molekularen Sauerstoff O2 und molekularen Wasserstoff H2 durchführt, um das jeweilige Produktgas O2 beziehungsweise H2 zu erhalten, ein besonders reines jeweiliges Produktgas be reitstellen. Dazu mündet ein Kanal 16 einer Gasentnahmeein- heit 18 in das Speicherbehältnis 14. Über den Kanal 16 ist während der Elektrolyse erzeugtes Gas 20, sogenanntes Pro duktgas, in das Speicherbehältnis 14 einleitbar, wobei das Speicherbehältnis 14 wenigstens ein Druckelement 22 umfasst, mittels welchem das in das Speicherbehältnis eingeleitete Gas 20 mit einem Druck beaufschlagt ist. Der Gaszwischenspeicher 10 dient zur Vermeidung eines Fremdgaseinbruchs beziehungs weise zur Aufrechterhaltung eines Überdrucks gegenüber einer Umgebung 24 der Elektrolyseanlage 12. So kann mittels des Gaszwischenspeichers 10 beispielsweise bei einer Leckage, das heißt einer undichten Stelle, welche fluidleitend mit dem Gasvolumen 26, welches von dem erzeugten Gas 20 in der Elekt rolyseanlage 12 einnehmbar ist, mittels eines Überdrucks, welcher insbesondere von dem Druckelement 22 erzeugt wird, das Einströmen eines prozessfremden Gases vermieden werden.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Speicherbehältnis 14 in Strömungsrichtung 28 des erzeugten Gases 20 stromabwärts liegend fluidisch leitend mit einer Gasabnahmeeinrichtung 30 verbunden, wobei mittels des wenigstens einen Druckelements 22 eine Weitergabe von Druckschwankungen, welche im Kanal 16 und/oder der Gasabnahmeeinrichtung 30 auftreten, durch das Speicherbehältnis 14 hindurch dämpfbar ist. Alternativ kann anstelle beziehungsweise zusätzlich zu der Gasabnahmeeinrich tung 30 eine nicht gezeigte Verdichtereinrichtung fluidisch leitend mit dem Speicherbehältnis 14 verbunden sein.

In der gezeigten Ausführungsform ist das Speicherbehältnis 14 als Membranspeicher mit einer Membran 32 ausgebildet, wobei die Membran 32 zumindest teilweise das Druckelement 22 aus bildet. Ferner weist die gezeigte Ausführungsform des Gaszwi schenspeichers 10 eine Drucküberwachungsvorrichtung 34 auf, welche stromabwärts der Gasentnahmeeinheit 18 und zusätzlich stromaufwärts des Speicherbehältnisses 14 in dem Kanal 16 an geordnet ist. Mittels der Drucküberwachungsvorrichtung 34 kann beispielsweise überwacht werden, ob eine Aufrechterhal tung eines Überdrucks gegenüber der Umgebung 24 in der Elekt rolyseanlage 12 beziehungsweise dem Gasspeicher 10 eingehal- ten wird, sodass ein Fremdgaseinbruch beispielsweise aus der Umgebung 24 vermieden werden kann. Dazu kann die Drucküberwa chungsvorrichtung 34 beispielsweise veranlassen, dass jewei lige Ventile 36 von einer Offenstellung, bei welcher das Gas 20 durch das jeweilige Ventil 36 strömen kann, in eine

Schließstellung, bei welcher der Gasfluss gestoppt ist, be wegt werden.

In der gezeigten Ausführungsform ist ein Volumen 38 des Spei cherbehältnisses 14, welches zum Aufnehmen des Gases 20, wel ches durch die Elektrolyse erzeugt wird, größer als das Volu men, das sogenannte Gasvolumen 26, der Elektrolyseanlage 12, insbesondere einer Elektrolysezelle beziehungsweise eines Elektrolysemoduls der Elektrolyseanlage 12. Somit kann der Gaszwischenspeicher 10, welcher von dem bei der Elektrolyse erzeugten Gas 20 gespeist wird, über einen möglichst langen Zeitraum sicherstellen, dass ein Überdruck in den fluidisch leitend mit dem Kanal 16 verbundenen Bereichen der Elektroly seanlage 12, wie beispielsweise dem Gasvolumen 26, ein Über druck, insbesondere im Gegensatz zur Umgebung 24, aufrecht erhalten werden kann. Mittels der gezeigten Ausführungsform des Gaszwischenspeichers 10 für eine Niederdruck-Protonen- Austausch-Elektrolyse mit der gezeigten Elektrolyseanlage 12 kann ein Verfahren zum Betreiben der Elektrolyseanlage 12 durchgeführt werden, wobei während der Elektrolyse über den Kanal 16 der Gasentnahmeeinheit 18, welcher in das Speicher behältnis 14 des Gaszwischenspeichers 10 mündet, erzeugtes Gas 20 in das Speicherbehältnis 14 eingeleitet werden und das in das Speicherbehältnis 14 eingeleitete Gas 20 mittels eines Druckelements 22, der Membran 32, des Speicherbehältnisses 14 mit einem Druck beaufschlagt werden.