Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff, wobei insbesondere die Überschussenergie aus Windkraftanlagen eingesetzt werden soll. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei dem eine PEM-Brennstoffzelle als Elektrolyseur zum Einsatz kommt.

Durch Umkehrung des Brennstoffzellenprozesses kann eine

Brennstoffzelle zur Herstellung von Wasserstoff einerseits und Sauerstoff andererseits verwendet werden. Die Brennstoffzelle arbeitet dann als Elektrolyseur und muss mit elektrischer Leistung versorgt werden. Dazu kommt beispielsweise die elektrische Leistung von Windkraftanlagen in Frage. Bei Windkraftanlagen wird die erzeugte elektrische Leistung als Windenergie direkt vor Ort dazu benutzt, um Strom zu erzeugen. Bei Mangel an Windenergie müssen andere Kraftwerke die Windkraftanlage ersetzen. Wird die installierte Windleistung vergrößert, muss im Falle einer Überschusserzeugung die Anlage abgeschaltet werden oder die Energie durch eine weiträumige Verteilung abgebaut werden. Beides verringert den Nutzungsgrad der Anlage.

Die bisher eingesetzten Elektrolyseeinrichtungen zur Erzeu- gung von Wasserstoff einerseits und Sauerstoff andererseits sind Vorrichtungen, die in der Regel bei Atmosphärendruck arbeiten. Eine Anwendung solcher Vorrichtungen ist z. B. die Nutzung des Wasserstoffes als Korrosionsschutz in Rohrsystemen im Sperrbereich von Kernkraftwerken.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren vorzuschlagen und die zugehörige Vorrichtung zu schaffen, mit dem insbesondere Wasserstoff als Prozessgas mit hohem Ener- gieinhalt erzeugt werden kann, wobei der Wasserstoff als Energiespeicher einerseits oder als Synthesegas für andere Industrieanlagen dienen kann. Dabei soll insbesondere die Überschussenergie von Windkraftanlagen, die nicht CO2- belastet ist, verwendet werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Abfolge der Verfahrensschritte gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist im Patentanspruch 11 angegeben. Weiterbildun- gen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der zugehörigen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Mit der Erfindung kann in einfacher Weise die bei Windkraftanlagen anfallende Überschussenergie genutzt werden. Diese Überschussenergie wird insbesondere in Form von Wasserstoff gespeichert, wobei durch die Anwendung eines Hochdruck- Elektrolyseurs diese Speicherung vergleichsweise einfach wird. Dazu kommt insbesondere die PEM-Hochdruck-Elektrolyse in Frage, bei der Drücken von größer als 10 bar realisierbar sind. Bei der zugehörigen Vorrichtung ist dabei das Befüllen von Gasspeichern mittels geeigneter Einrichtungen und Kompressor wesentlich vereinfacht und kann sogar ganz entfallen, Entscheidender Vorteil einer als Vorrichtung verwendeten Hochdruckzelle ist, dass mit steigendem Prozessdruck die ZeI- Ie mit höheren Stromdichten betrieben werden kann. Speziell für PEM-Hochdruck-Zellen wurde dies in der Praxis erprobt.

Im Rahmen der Erfindung wurde die Anwendung der bekannten Elektrolyse im Hochdruckbereich, d.h. im Einzelnen der Was- serkreislauf, die Elektrolysezelle und die Gasabscheidung derart realisiert, dass die Einrichtungen als Druckbehälter ausgelegt wurden. Damit wurde vorteilhafterweise ein Betriebsdruck von bis zu 110 bar möglich. Durch konstruktive Maßnahmen ist der Betriebsdruck jedoch noch weiter steiger- bar.

Ein Vorteil der beschriebenen erfindungsgemäßen Hochdruck- Elektrolyseanlage ist die direkte Erzeugung des hohen Gasdru- ckes ohne zusätzliche Kompressoren. Alternativ kann die Hochdruckelektrolyse das Gas nur vorkomprimieren, daran anschließend wird der Druck durch Kompressoren auf eine einfache und preisgünstige Weise weiter komprimiert. Da die erzeugte Gas- menge direkt von der einstellbaren Stromdichte abhängt, ist die Möglichkeit, mit steigenden Drücken höhere Stromdichten einstellen zu können, ein weiterer Vorteil des Hochdrucksystems . Die Verwendung von Überschussstrom macht die Nutzung der

Elektrolyse zur Erzeugung von insbesondere Wasserstoff besonders sinnvoll. Der sonst ungenutzte Strom kann jetzt zur Gaserzeugung verwendet werden und das produzierte Gas kann z. B. chemische Industrie o. dgl . weiter verkauft werden.

Insgesamt bietet die PEM-Elektrolyse den Vorteil, dass sie hochdynamisch betrieben werden kann, was bei den anderen Elektrolysesystemen nicht möglich ist. Letztere müssen jeweils mit großem Aufwand hochgefahren werden, um einigermaßen stationäre Betriebsbedingungen zu erreichen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Patentansprüchen.

Es zeigen

Figur 1 ein Blockschaltbild einer Hochdruck-Elektrolyseanlage mit Gasreinigung und den zugehörigen Speichertanks und

Figur 2 eine graphische Darstellung der Betriebsspannung einer in Figur 1 verwendeten Zelle in Abhängigkeit von der Stromdichte. In Figur 1 ist mit 1 ein so genannter Hochdruck-Elektrolyseur bezeichnet. Ein solcher Hochdruck-Elektrolyseur realisiert eine Wasserelektrolyse durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden und liefert als Ergebnis einerseits gasförmigen Sauerstoff und andererseits gasförmigen Wasserstoff.

Die Elektrolyse erfolgt durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die entsprechende Brennstoffzelle und realisiert somit einen Energiewandler. D.h. elektrische Energie-Leistung wird in ein Prozessgas als Energiespeicher gewandelt. Umgekehrt kann ein Elektrolyseur auch zur Generierung von elektrischer Energie-Leistung verwendet werden, wobei in diesem Fall von einer Brennstoffzelle gesprochen werden kann.

Bei der so genannten PEM-Brennstoffzelle (Polymer-Elektrolyt- Membran) geht man von einer MEA (Membran-Elektroden-Einheit) (Assembly) aus, wobei die PEM-Brennstoffzelle bereits weitge- hend in der Praxis erprobt wurde. Für solche PEM-Brennstoff- zellen ist weiterhin ein Katalysator notwendig.

Bei Verwendung der PEM-Brennstoffzelle als Elektrolyseur muss - wie erwähnt - elektrische Energie bereitgestellt werden. Dafür dient in zunehmendem Maße eine Windkraftanlage, und zwar insbesondere dann, wenn bei der Windkraftanlage Überschussenergie anfällt, die nicht direkt in das Stromnetz eingespeist werden kann. In diesem Fall kann mittels der von der Windkraftanlage erzeugten elektrischen Leistung Wasserstoff als Energieträger erzeugt werden.

Im vorliegenden Fall erfolgt eine Hochdruck-Elektrolyse durch Auslegung der Brennstoffzelle als Hochdruck-Vorrichtung. In diesem Fall fällt der erzeugte Wasserstoff einerseits und der erzeugte Sauerstoff andererseits unter entsprechendem Druck an. Beispielsweise wird Druck bis zu 110 bar erzeugt.

Da in dem Elektrolyseur 1 die Gase nicht mit gewünschtem Druck erzeugt werden, kann ein Kompressor 5 nachgeschaltet werden, der den Sauerstoff und den Wasserstoff in geeigneter Weise verdichtet. Weiterhin werden die so erzeugten Gase, d.h. der Sauerstoff einerseits und der Wasserstoff andererseits, über Einheiten zur Gasreinigung aufbereitet und an- schließend einem getrennten Tank zugeführt. Dies bedeutet, dass im Tank 10 der Sauerstoff mit entsprechendem Druck und im Tank 20 der Wasserstoff mit entsprechendem Druck gespeichert wird. Von den Tanks 10, 20 können die Gase als Be- triebs- bzw. Prozessgase insbesondere für die chemische Industrie oder andere Zwecke in Flaschen 11, 21 abgefüllt werden .

Mit dem beschriebenen Prozess ist es in geeigneter Weise mög- lieh, dass die durch den Erzeugungsprozess bereits verdichteten Gase leicht aufbereitet werden können und durch eventuell vorhandene Gasanalysesysteme überwacht werden. Die Speicherung der Gase kann dann in den druckfesten Gastanks 10, 20 erfolgen. Mit geeigneten Abfüllvorrichtungen können dann Gas- flaschen gefüllt werden, wobei gegebenenfalls auch eine direkte Befüllung von Gasflaschen ohne Gastanks als Puffer möglich ist.

Mit letztem Anlagekonzept wird insbesondere ein diskontinu- ierlicher Betrieb angestrebt. Dies bedeutet, dass man die Anlage nur dann betreibt, wenn nachts oder zu anderen Zeitpunkten mit geringem Strombedarf Überschussstrom aus der Windkraftanlage vorhanden ist. Sofern eine weitere Komprimierung der erzeugten Gase erwünscht ist, wird diese durch den bereits vorhandenen Vordruck vereinfacht. Beispielsweise ist eine Druckerhöhung von 20 bar auf 200 bar, dem üblichen Gasflaschendruck, möglich und durch einen einstufigen Kompressor zu erreichen. Mit ei- ner solchen Vorgehensweise lässt sich neben der technischen Vereinfachung eine Reduktion der Kosten um die Hälfte erreichen im Vergleich zu mehrstufigen Kompressionssystemen des Standes der Technik, die eine Druckerhöhung von 1 bar auf 200 bar erreichen müssen. Insbesondere ist die Möglichkeit gegeben, die Druckbereiche der einzelnen Komponenten, wie

Elektrolyseur und Kompressor, derart aufeinander abzustimmen, dass ein wirtschaftliches und effektives Anlagenkonzept erreicht ist. Es kann gezeigt werden, dass der Betrieb der Elektrolyseeinrichtungen bei höheren Betriebsdrücken einen positiven Ein- fluss auf den Arbeitspunkt des Systems hat. Dies wird im Ein- zelnen anhand Figur 2 erläutert.

In Figur 2 sind auf der Abszisse die Stromdichte in mA/cm ² und auf der Ordinate die Spannung in Volt aufgetragen. Beispielhaft sind dargestellt Messwerte aus Versuchen mit Atmo- sphärendruck im Vergleich mit Messwerten bei Versuchen mit 100 bar, wobei sich Graphen 25 und 26 ergeben.

Insgesamt zeigt sich anhand von Figur 2, dass sich die Span- nungs-Stromdichtekennlinien mit steigendem Prozessdruck än- dern. Mit steigendem Druck wird die resultierende Gleichgewichtsspannung etwas höher, jedoch setzt hier die Sättigung des Wassers mit Gasblasen aufgrund deren Komprimierung später ein. Dadurch arbeitet bei höheren Drücken die Anlage effektiver und kann somit mit höheren Stromdichten betrieben werden. Die Gasausbeute der Anlage wird dadurch bei gleichbleibender Eingangsleistung verbessert.