Elektrolyseur und Verfahren und Betrieb eines Elektrolyseurs

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs.

Ein Elektrolyseur ist eine technische Anlage, bei der mit Hilfe von elektrischem Strom eine elektrochemische Stoffumwandlung herbeigeführt wird, die so genannte Elektrolyse. Entsprechend der Vielfalt an unterschiedlichen Elektrolysen gibt es auch eine Vielzahl von Elektrolyseuren, wie beispielsweise einen Elektrolyseur für eine Wasserelektrolyse, d.h. die Zerlegung von Wasser als Edukt in Produktgase Sauerstoff und Wasserstoff.

Seit einiger Zeit gehen Überlegungen verstärkt dahin, mit überschüssiger Energie aus erneuerbaren Energiequellen in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlicher Solarstrom- oder Windkrafterzeugung, Wertstoffe zu erzeugen. Ein Wertstoff kann insbesondere Wasserstoff sein, welcher mit Wasser-Elektrolyseuren erzeugt wird. Mittels des Wasserstoffs kann beispielsweise sogenanntes Erneuerbare-Energien-Gas (EE-Gas) hergestellt werden.

Ein Elektrolyseur weist in der Regel eine Vielzahl von Elektrolysezellen auf, welche benachbart zueinander angeordnet und gestapelt sind. Mittels der Wasserelektrolyse wird in den Elektrolysezellen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Bei einem PEM-Elektrolyseur wird typischerweise anodenseitig destilliertes Wasser als Edukt zugeführt und an einer protonendurchlässigen Membran (engl. : „Proton-Exchange- Membrane"; PEM) zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Das Wasser wird dabei an der Anode zu Sauerstoff oxidiert. Die Protonen passieren die protonendurchlässige Membran. Katho- denseitig wird Wasserstoff produziert. Das Wasser wird dabei in der Regel von einer Unterseite in den Anodenraum und/oder Kathodenraum gefördert. Bei einem Elektrolyseur sind typischerweise die einzelnen Elektrolysezellen zu einem Modul umfassend eine Viel zahl von Einzel zellen in einer axialen Richtung gestapelt und zu dem Modul oder Elektrolysemodul verbaut . Ein Elektrolyseur weist dabei üblicherweise eine Mehrzahl von Modulen auf , die insgesamt einen sogenannten Elektrolysestack oder einfach „Stack" bilden . So können beispielsweise 50 Elektrolysezellen axial zu einem Modul gestapelt sein und wiederum beispielsweise 5 Module zu einem Stack in axialer Richtung gestapelt sein, so dass ein solcher Elektrolysestack mithin beispielsweise 250 Zellen in einem axialen Gesamtverbund umfassen kann .

Sobald bei einem PEM-Elektrolyseur die Elektrolysemodule , respektive die Elektrolysezellen oder der Elektrolysestack z . B . nach der Fertigung erstmalig mit Wasser gefüllt wurden, muss sichergestellt werden, dass stets Wasser (Eduktwasser ) bzw . im Betrieb des Elektrolyseurs ein Wasser-Gas-Gemisch in den Modulen verbleibt . Ein Trockenlaufen oder Austrocknen muss in j eder Betriebsphase verhindert werden, da dieses zu einer irreversiblen Schädigung des Elektrolyseurs führen würde . Vor allem die Membran muss stets in einem feuchten Milieu gehalten werden, aber auch andere Funktionsteile und Komponenten, wie etwa der Katalysator oder die Elektroden dürfen nicht austrocknen .

Bei einer Betriebsphase mit einer geplanten und bevorstehenden Wartung- oder Instandhaltung des Elektrolyseurs aus einem Normalbetriebs zustand, etwa zu Servicezwecken, ist ein Stillstandmanagement des Elektrolyseurs im Allgemeinen gut und vorausschauend planbar und entsprechende Vorkehrungen und Abschaltprozeduren können routinemäßig und sicher eingeleitet werden, um insbesondere auch nach dem Abschalten Wasser in den Modulen verbleibt und ggf . zusätzlich noch umgewäl zt wird .

Hingegen können unvorhergesehene und insbesondere sicher- heitsbedingte Schnellabschaltungen in sehr kurzer zeitlicher Frist oder sogar instantane Notabschaltungen bei Störfällen ganz erhebliche Probleme bereiten . Diese sind nur recht schwierig und technisch mit hohem Aufwand zu beherrschen, vor allem hinsichtlich der Verhinderung eines Trockenlaufs der Module in einem Stillstandbetrieb . Dies gilt umso mehr, als es verschiedene Typen von Elektrolyseuren gibt mit j eweils unterschiedlichem Aufbau und unterschiedlichen Betriebsparametern mit denen spezi fische Betriebsrisiken und Ursachen für eine Sicherheitsabschaltung oder eine Notausschaltung zu berücksichtigen sind . So sind etwa atmosphärische Elektrolyseure bekannt , die bei einem atmosphärischen oder nur geringen Betriebsdruck arbeiten, oder aber auch Druckelektrolyseure , die bei einem hohen Betriebsdruck von 35 bar und weit darüber hinaus arbeiten .

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Elektrolyseur anzugeben, bei dem ein Stillstandbetrieb technisch einfach und sicher realisierbar ist , so dass ein Trockenlaufen mit hoher Zuverlässigkeit verhindert ist . Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe eines Verfahrens zum Betrieb eines Elektrolyseurs in einem Stillstandbetrieb mit geringer Aus fallanfälligkeit und hoher Flexibilität .

Erfindungsgemäß wird die auf einen Elektrolyseur gerichtete Aufgabe gelöst durch einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase , umfassend ein Elektrolysemodul und einen Gas-Separator, der zur Phasentrennung des Produktgases von Wasser ausgelegt ist , bei dem das Elektrolysemodul über eine Produktstrom-Leitung für das Produktgas an den Gas-Separator angeschlossen ist , und bei dem eine Rückführleitung für das abgetrennte Wasser vorgesehen ist , die den Gas-Separator mit dem Elektrolysemodul fluidtechnisch verbindet , wobei in die Rückführleitung eine Umwäl zpumpe geschaltet ist , und bei dem eine Bypass-Leitung mit einer Armatur vorgesehen ist , die den Gas-Separator mit dem Elektrolysemodul verbindet , wobei die Rückführleitung durch die Bypass-Leitung fluidtechnisch zumindest teilweise umgangen ist , und wobei die Bypass-Leitung mit der Armatur derart ausgelegt ist , dass in einem Stillstandbetrieb dem Elektrolysemodul über die Bypass-Leitung Wasser aus dem Gas-Separator autark zuführbar ist , wobei ein schnelles Fluten des Elektrolysemoduls mit Wasser sichergestellt und ein Trockenlaufen des Elektrolysemoduls verhindert ist .

Die Erfindung geht dabei bereits von einer Problemerkenntnis aus einer Risikobetrachtung und Bewertung unterschiedlicher Ursachen aus , dass etwa bei zumindest teilweise mit dem Gas gefüllten Elektrolysemodulen mit Wasserstof f auf der Katho- denseite und Sauerstof f der Anodenseite eine sehr schnelle Di f fusion der Gase durch die dünne protonendurchlässige Membran stattfindet . Besonders das kleine Molekül Wasserstof f di f fundiert dann zurück auf die Sauerstof f seite . Der Ef fekt ist stärker bei höherem Betriebsdruck des Elektrolyseurs , da ein Partialdruckunterschied die treibende Kraft der Di f fusion ist . Die Di f fusion kann im Minutenbereich zu gefährlichen Gaskonzentrationen führen, d . h . zur Erhöhung der Wasserstof fkonzentration auf der Sauerstof f seite bis über die untere Explosionsgrenze von 4 voll hinaus . Da eine Zündquelle nicht ausgeschlossen werden kann, beispielsweise ein trocken liegender Katalysator, ist im schlimmsten Fall eine Explosion möglich .

Ein Trockenlaufen der Elektrolysemodule muss in dieser Situation in j edem Fall verhindert werden .

Im normalen Betrieb entsteht in den Modulen eine Mischphase , das heißt ein Phasengemisch von Wasser und Produktgas , d . h . Wasserstof f seitig ein Wasser-/Wasserstof f gemisch und sauerstof fseitig ein Wasser-/Sauerstof f gemisch . Sobald die Stromzufuhr der Elektrolyse gestoppt wird und keine weiteren Maßnahmen getrof fen würden, würde sich das Gemisch alsbald trennen und sich eine Gasphase zumindest im oberen Bereich der Elektrolysemodule bilden . Eine schnelle Zufuhr von Wasser und das Verdrängen des Gases ist daher auch in allen denkbaren Störfällen zwingend notwendig, um ein Austrocknen zu verhindern . Sicherungsmaßnahmen müssen daher umgehend erfolgen . Hier kommt verschärfend hinzu kommt , dass es ein Entwicklungs ziel bei der PEM-Elektrolyse ist , immer dünnere Membranen einzusetzen, wodurch der elektrische Widerstand über die Membran geringer wird und der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs höher . Dünnere Membranen führen aber nachteilig zu einer noch höheren Di f fusion und damit zu einer Erhöhung eines möglichen Explosionsrisikos .

Es ist daher von zunehmender Bedeutung, bei einem Elektrolyseur ein besonders schnelles Fluten der Elektrolysemodule mit Wasser sicherzustellen in einem Stillstandbetrieb . Die bisherigen Lösungen sind hier unzureichend bzw . sehr aufwendig und wenig flexibel mit Blick auf den Arbeitsdruck des Elektrolyseurs .

Hierzu schlägt die Erfindung für den Elektrolyseur ein Flu- tungskonzept der Elektrolysemodule mit Wasser vor, das völlig autark ist und sich systemimmanent als sehr zuverlässig und robust erweist . Es ist insbesondere unabhängig von zusätzlichen und aufwändigen externen Versorgungen und redundanten Systemen oder Backup-Lösungen zur Förderung oder Flutung mittels Pumpenaggregaten . Das vorliegende Anlagenkonzept für den Elektrolyseur ist auch unabhängig vom Arbeitsdruck des Elektrolyseurs vorteilhaft einsetzbar, d . h . sowohl auf atmosphärische Elektrolyseure als auch auf Druckelektrolyseure flexibel anwendbar . Insbesondere können kritische Betriebs zustände etwa durch Explosionsgefahr vermieden werden und zugleich ein Trockenlauf verhindert , da eine rasche Entleerung des Gas- Separators durch die eigens dafür vorgesehene Bypass-Leitung und ein Levelausgleich aufgrund der Höhendi f ferenz und dadurch der entsprechend vorgehaltenen Druckdi f ferenz infolge der Wassersäule selbsttätig beigeführt und angetrieben ist . Es bedarf insbesondere nicht externen bzw . eigens dafür vorgehaltenen Pumpenaggregaten oder aufwändiger elektrischer Notstromversorgungssysteme , um ein sicheres und sehr schnelles Fluten der Elektrolysemodule herbei zuführen . Somit sind die Elektrolysezellen und insbesondere die Membran sicher vor Austrocknung geschützt , da diese Komponenten vom durch die Bypass-Leitung zurückgetriebenen Wasser alsbald geflutet und feucht gehalten werden .

Hierbei ist für die Blutung, insbesondere bei einer Notabschaltung, eigens die Bypass-Leitung mit der Armatur vorgesehen . Die Bypass-Leitung ist dabei strömungstechnisch im Wesentlichen parallel zu der Rückführleitung geführt und verbindet den Gas-Separator und dessen Wasserreservoir mit dem Elektrolysemodul . Im Normalbetrieb ist die Armatur geschlossen . Abgetrenntes Wasser ist dann über die Rückführleitung mittels der Umwäl zpumpe in das Elektrolysemodul rückführbar . Die Rückführleitung mit der Umwäl zpumpe ist durch die Bypassleitung j e nach Ausgestaltung teilweise oder auch vollständig strömungstechnisch umgangen .

Dieses Anlagenkonzept für einen Elektrolyseur ermöglicht daher ein sicheres , besonders schnelles und selbsttätiges Fluten eines Elektrolysemoduls mit Wasser durch die Bypass- Leitung und das Wasserreservoir in dem Gas-Separator bei Öf fnen der Armatur vorteilhaft herbei führbar allein aufgrund des Höhenunterschieds . Gegenüber bekannten Lösungen für Elektrolyseure ist das vorliegende Sicherheitskonzept überlegen, da es keine Redundanzen benötigt und Versorgungen unabhängig vom Arbeitsdruck des Elektrolyseurs implementierbar sind .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist hierzu der Gas- Separator derart ausgelegt und auf einer vorbestimmten Höhendi f ferenz oberhalb des Elektrolysemoduls angeordnet , dass bei einem Stillstand das Elektrolysemodul allein durch einen hydrostatischen Di f ferenzdruck getrieben selbsttätig mit Wasser über die Bypass-Leitung flutbar ist .

Durch Auslegung und Anordnung des Gas-Separators auf einer vorbestimmten Höhe oberhalb des Elektrolysemoduls ist im Betrieb eine ausreichende minimale Füllstandshöhe oder ein Level des Wassers im Gas-Separator dauernd vorgehalten und bereits ein hydrostatischer Förderdruck im System immanent be- reitgestellt . Dadurch ist ein sicherer Abschaltbetrieb oder Stillstandbetrieb, insbesondere im Falle einer sicherheitstechnischen Notabschaltung, implementiert , die über die Bypass-Leitung mit der Armatur vorgehalten wird . Selbstverständlich ist das Flutungskonzept auch für eine reguläre und planmäßige Abschaltung des Elektrolyseurs etwa zu Servicezwecken vorteilhaft nutzbar . Im Zusammenwirken mit der Bypass- Leitung sorgt die erhöhte Lage des Gas-Separators für einen ausreichenden hydrostatischen Förderdruck sowie ausreichend Volumenstrom an Wasser für das Fluten in kurzer Zeit .

So werden etwa Druckelektrolyseure bei einem Druck von beispielsweise 35 bar betrieben . Bei diesem hohen Arbeitsdruck ist der volumetrische Gasanteil im Elektrolysemodul zwar gering, d . h . nach dem Abschalten kann sich volumetrisch betrachtet , nur eine geringe Gasmenge separieren . Die Rohrleitungen vom Elektrolysemodul führen im Allgemeinen steigend zu den Gas-Separatoren, so dass sich nach Abschalten auch in den Rohrleitungen Wasser teilweise separiert und in das Elektrolysemodul zurücklaufen kann . Dies geht aber bei einer Notabschaltung, etwa bei einer Explosionsgefahr, nicht ausreichend schnell vonstatten und erfordert überdies aktive Komponenten, um das Wasser in die Elektrolysemodule aktiv und schnell zu fördern . Auch muss ein entsprechender Füllstand im Gas- Separator für diese Situation entsprechend vorgehalten sein . Durch den Druckbetrieb ist die Di f fusion von Wasserstof f von der Kathodenseite durch die Membran auf die Anodenseite der Elektrolysezelle erhöht , ein sicherheitsrelevantes Problem, was sich bei zunehmender Auslegung hin zu dünneren Membranen verstärkt .

Im Vergleich zu einem Druckelektrolyseur ist bei einem Elektrolyseur im atmosphärischen Betrieb eine große volumetrische Gasmenge im Elektrolysemodul unter Betriebsbedingungen vorhanden . Die Elektrolysemodule sind sowohl über den Zu- als auch Ablauf direkt mit darüberliegenden Gasseparatoren verbunden . Der Einbau einer Pumpe ist aufgrund des Naturumlaufprozesses im Allgemeinen nicht nötig . Solange sich noch aus- reichend viel und ausreichend dispergiertes Gas in den Elektrolysemodulen befindet , kommt dieser Naturumlauf durch den dadurch hervorgerufenen Dichteunterschied auch nicht zum Erliegen . Nach dem Erliegen des Naturumlaufes ist der Wasserle- vel in den Elektrolysemodulen deutlich unter dem der Gas- Separatoren und es befinden sich keine stark druckverlustbehafteten Einbauten dazwischen, so dass Wasser frei von den Gasseparatoren in die Module laufen und den Wasserstand in den Modulen sicherstellen kann .

Eine klassische Möglichkeit zur Absicherung von Fehlerfällen bei einem forcierten Umlauf mittels Pumpen ist die Nutzung von redundanten Pumpen . Im Falle eines Fehlers einer Pumpe , kann die verbleibende Pumpenkapazität genutzt werden, um die Module schnell mit Wasser zu füllen . Um auch einem Stromausfall entgegenwirken zu können, ist eine unterbrechungs freie Stromversorgung nötig . Zudem sollten Pumpen vollkommen getrennt angesteuert werden, um auch Leittechnikfehler überbrücken zu können . Dies zusammen macht solche Lösungen sehr aufwändig und teuer .

Mit dem Konzept der Erfindung können hingegen sowohl Druckelektrolyseure als auch atmosphärische Elektrolyseure gegenüber Trockenlauf sehr wirkungsvoll gesichert werden und ein besonders rasches , selbsttätiges und autarkes Fluten über die Bypass-Leitung ist möglich ohne Redundanzerfordernisse . Besonders vorteilhaft erweist sich das Konzept bei atmosphärischen Elektrolyseuren, es ist aber wie dargelegt darauf nicht beschränkt .

Das Anlagenkonzept der Erfindung für einen Elektrolyseur ermöglicht daher ein besonders sicheres und schnelles Fluten eines Elektrolysemoduls mit Wasser durch die Bypass-Leitung und das Wasserreservoir in dem Gas-Separator, das durch eine entsprechend erhöhte Lage der Gas-Separatoren ausreichend hydrostatischer Förderdruck und ein entsprechend großes Wasserreservoir zur Verfügung steht . Bevorzugt ist dabei die Höhendifferenz so eingestellt, dass als treibende Druckdifferenz für das Fluten mindestens 0,05 bar bis 0,5 bar, insbesondere 0,1 bar bis 0,3 bar, bereitgestellt ist.

Auslegungstechnisch hat sich gezeigt, dass bei diesem Differenzdruck bei typischen Elektrolyseuren im Allgemeinen eine ausreichende treibende Druckkraft für den Levelausgleich bereitgestellt ist, um ein schnellstmögliches Fluten im Bedarfsfall durch Öffnen der Armatur in der Bypass-Leitung einzuleiten. Das ausreichende Differenzdruckniveau und damit die höhere Positionierung des Gas-Separators gegenüber dem Elektrolysemodul ist dabei vorteilhaft an die jeweilige Situation anpassbar. Durch das Vorsehen der Bypass-Leitung mit lediglich einer Armatur sind nachteilige Effekte durch Leitungsquerschnitte, Bauteile und Komponenten, die den Strömungswiderstand und in dem gesamten zu flutenden Elektrolysemodul auf dem Strömungsweg zu dem Elektrolysemodul beeinflussen, bei der Bypass-Leitung nicht zu befürchten. Diese Druckverlustkoeffizienten können in Leitungen mit vielen Strömungselementen wie Pumpen und Wärmetauschern zu veränderten und erhöhten Differenzdrucken führen, die für ein schnelles Fluten erforderlich wären. Die Bypass-Leitung umgeht vorteilhafterweise die Rückführleitung mit der Umwälzpumpe, so dass die Nachteile von erhöhten Druckverlustkoeffizienten vorteilhaft umgangen sind.

In weiter bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolyseurs ist der Gas-Separator als ein liegender Behälter ausgestaltet, so dass eine große Oberfläche als Phasengrenzfläche zwischen flüssiger und gasförmiger Phase bereitgestellt ist.

Diese Ausgestaltung des Elektrolyseurs erlaubt eine im Vergleich geringe Gesamtbauhöhe des Gas-Separators, was bei der vorzusehenden Positionierung mit einer ausreichenden Höhendifferenz oberhalb des Elektrolysemoduls sehr vorteilhaft ist. Der als Behälter ausgestaltete Gas-Separator hat demnach einen Behälterboden mit einer Längenabmessung und einer Brei- tenabmessung, die j eweils deutlich größer ist als die Höhe des Behälters . Hierdurch wird trotz der erforderlichen Höhendi f ferenz für den hydrostatischen Druckaufbau vorteilhaft Bauraum eingespart . Zudem schaf ft die liegende Bauweise eine entsprechend große Phasen-Grenz f läche im Gas-Separator zwischen dem Wasser am Behälterboden und Produktgas - Sauerstof f oder Wasserstof f - in der Gasphase oberhalb der Phasengrenze , was im Normalbetrieb eine ef fektivere Phasentrennung zwischen Wasser und Produktgas in dem Phasengemisch begünstigt . Auch für den Stillstandbetrieb ist eine ef fektive Phasentrennung von Vorteil .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung mündet die Bypass- Leitung unmittelbar in einen unteren Bereich des Elektrolysemoduls oder unter Umgehung der Umwäl zpumpe auf deren Druckseite in die Rückführleitung .

Durch diese Anschlussarte der Bypass-Leitung wird eine möglichst hohe hydrostatische Druckdi f ferenz und damit ein entsprechender Fülldruck infolge des Höhenunterschieds zwischen dem Gas-Separator und dem Elektrolysemodul im Elektrolyseur bereitgestellt . Ein höherer Di f ferenzdruck sorgt für ein schnelleres Rückströmen des Wassers und vollständiges Fluten des Elektrolysemoduls über die Bypass-Leitung bei einer Si- cherheitsabschaltung . Der theoretisch erreichbare maximale Di f ferenzdruck ( Fülldruck) ergibt sich dabei einfach aus dem hydrostatischen Druck der Wassersäule , die bei einer Höhendi f ferenz zwischen dem normalen Füllstand im Gas-Separator und dem Niveau des Anschlusses der Bypass-Leitung in das Elektrolysemodul erzeugt wird . In der Praxis weist das Elektrolysemodul selbst aber bereits einen Füllstand auf , so dass der tatsächlich für das Fluten verfügbare Di f ferenzdruck sich aus der Höhendi f ferenz bzw . des Levelunterschiedes der Füllstände ergibt . Die treibende Kraft für das Fluten ist der höhere Wasserstand im Gas-Separator gegenüber dem Wasserstand im Elektrolysemodul , so dass ein selbsttätiger Levelausgleich herbei führbar ist . Bevorzugt ist dabei , dass die Armatur in der Bypass-Leitung als Ventil ausgestaltet ist , insbesondere als Magnetventil , das im stromlosen Zustand selbsttätig öf fnet .

Hier ist eine recht robuste und einfache Armatur ausreichend mit einer kurzen Öf fnungs zeit und einer großen Öf fnung, so dass der Strömungsweg in der Bypass-Leitung für das Fluten ohne nennenswerten Druckverlust durch die Armatur freigegeben wird . Vorteilhaft kommt hier ein Magnetventil zum Einsatz , welches bei Aktivierung durch einen Strom im Normalbetrieb geschlossen ist . Bei einem Stillstandbetrieb des Elektrolyseurs mit ggf . einhergehendem Stromaus fall öf fnet das Magnetventil selbsttätig im stromlosen Zustand .

Bevorzugt ist die Armatur als Rückschlagklappe ausgestaltet , die bei einem Stillstand selbsttätig aufgrund des hydrostatischen Di f ferenzdrucks öf fnet . Dies ist eine besonders einfache und robuste mechanische Lösung, die keinerlei Stromversorgung und nur geringer Wartung bedarf .

Bevorzugt sind mindestens zwei Armaturen in der Bypass- Leitung vorgesehen, die strömungstechnisch parallel in die Bypass-Leitung geschaltet sind . Hierdurch wird auf sehr einfache Weise eine Redundanz geschaf fen für den Fall , dass eine Armatur im Stillstandbetrieb versagt und für den Stillstandbetrieb oder Abschaltbetrieb nicht öf fnet . Die Betriebssicherheit für die Einleitung einer Flutung des Elektrolysemoduls ist dadurch erhöht . Parallel geschaltete Armaturen erhöhen die Aus fallsicherheit für ein notwendiges Öf fnen erheblich . Dabei ist es möglich, dass zwei oder mehr Armaturen parallel in die Bypass-Leitung geschaltet sind . Bei der Wahl der Art der Armatur sind auch Kombinationen von Magnetventil und Rückschlagklappe vorteilhaft möglich, oder andere Aus führungen .

In bevorzugter Ausgestaltung mündet die Rückführleitung in einen unteren Bereich des Elektrolysemoduls . Dies ist beson- ders vorteilhaft , wenn die Bypass-Leitung selbst nicht unmittelbar in einen unteren Bereich des Elektrolysemoduls mündet , sondern oder unter vorteilhafter Umgehung der Umwäl zpumpe und ggf . weiterer Strömungselemente in einen Leitungsabschnitt auf der Druckseite in die Rückführleitung mündet . Es wird nur ein Anschluss benötigt . Somit ist der eine Anschluss an das Elektrolysemodul sowohl für den Normalbetrieb bei einer regulären Rückführung von Wasser in den Elektrolyseprozess verwendbar als auch im Stillstandbetrieb zum Fluten über die Bypass-Leitung unter Umgehung der Umwäl zpumpe und ggf . weiterer Strömungselemente in der Rückführleitung .

Bei dieser Anschlussart der Bypass-Leitung in Kombination mit der Rückführleitung über nur einen Anschluss an den Elektrolyseur, wird eine möglichst hohe hydrostatische Druckdi f ferenz infolge des Höhenunterschieds zwischen dem Gas-Separator und dem Elektrolysemodul im Elektrolyseur bereitgestellt . Ein höherer Di f ferenzdruck sorgt für ein schnelleres Rückströmen des Wassers und vollständiges Fluten des Elektrolysemoduls bei einer Sicherheitsabschaltung . Der Di f ferenzdruck ergibt sich dabei einfach aus dem hydrostatischen Druck der Wassersäule , die bei einer Höhendi f ferenz zwischen dem normalen Füllstand im Gas-Separator und dem möglichst tiefen Anschlussniveau des gemeinsamen Anschlusses der Bypass-Leitung und teilweise schließlich über die Rückströmleitung in das Elektrolysemodul erzeugt wird . Die treibende Kraft für das Fluten ist auch in diesem Fall der höhere Wasserstand im Gas- Separator gegenüber dem Elektrolysemodul , so dass ein selbsttätiger Levelausgleich herbei führbar ist .

Durch die teilweise oder ggf . vollständige Umgehung der Rückströmleitung durch die Bypass-Leitung sind bezüglich der umgangenen strömungstechnischen Komponenten in der Rückströmleitung keine Einschränkungen bzgl . des Durchflusses im Stillstand . Eine spezielle Auslegung des Strömungspfads in der Rückströmleitung hinsichtlich des Druckverlustkoef fi zienten besteht hier nicht und man ist weitgehend frei in der Auswahl und Kombination verfügbarer Komponenten, etwa der Um- wäl zpumpe , Wärmetauscher, Messeinrichtungen oder weiterer Komponenten, die den Widerstandsbeiwert erhöhen .

Dennoch kann es in bestimmten Anwendungen von Vorteil bevorzugt sein, dass die Umwäl zpumpe in der Rückführleitung derart ausgestaltet ist , dass diese im Stillstand einen geringen Druckverlustkoef fi zienten aufweist . Dies wäre generell vorteilhaft , da dadurch bei Bedarf ein weiterer Strömungspfad für ein schnelles Rückströmen oder Fluten über die Rückströmleitung bereitgestellt würde , so dass eine einfache Redundanz erreicht ist . Es bedarf dann ggf . keiner weiteren Redundanz durch mehrere , parallel geschaltete Armaturen in der Bypass- Leitung .

Der Druckverlustbeiwert , Druckverlustkoef fi zient oder auch Widerstandsbeiwert (übliches Formel zeichen - Zeta ) ist in der Strömungslehre ein dimensionsloses Maß für den Druckverlust in einem durchströmten Bauteil , wie einer Rohrleitung oder Armatur . Das heißt , der Druckverlustbeiwert sagt etwas darüber aus , welcher Druckunterschied zwischen Zu- und Abströmung vorliegen muss , um einen bestimmten Durchfluss durch das Bauteil auf recht zuerhalten . Der Druckverlustbeiwert gilt immer für eine bestimmte geometrische Form und ist allgemein von der Reynolds-Zahl und gegebenenfalls von der Oberflächenrauhigkeit des strömungs führenden Bauteils abhängig .

Im Normalbetrieb des Elektrolyseurs ist es sehr vorteilhaft , das im Gas-Separator separierte Wasser in den Elektrolyseprozess aktiv zurückzuführen, weshalb eine Umwäl zpumpe in der Rückführleitung vorgesehen ist , die das Wasser kontinuierlich zurückpumpt . Allerdings stellt die Umwäl zpumpe ein widerstandbehaftetes Strömungselement dar, das beispielsweise im Abschaltbetrieb einer schnellen Rückströmung des Wassers beim Fluten entgegenwirken würde . Daher kann es vorteilhaft sein, einen möglichst geringen Druckverlustkoef fi zienten im Stillstand für die Umwäl zpumpe vorzusehen . Dies erhöht gerade in Kombination mit der Bypass-Leitung die Sicherheit des Still- Standbetriebs und wahlweise ein rasches Fluten über mehrere Leitungen und schaf ft eine einfache Redundanz .

Es hat sich gezeigt , dass dann ein Druckverlustkoef fi zient / der Umwäl zpumpe kleiner als / = 5 , insbesondere kleiner als / = 3 bevorzugt ist . Dadurch ist bedarfsweise auch ein Durchströmen bzw . Rückströmen eines ausreichenden Volumenstroms an Wasser durch die Umwäl zpumpe auch im Stillstand bereitgestellt . Die treibende Kraft bleibt aber der Di f ferenzdruck infolge des Höhenunterschieds zwischen Gas-Separator und Elektrolysemodul . Nunmehr ist aber eine entsprechend angepasste und ausgelegte Umwäl zpumpe vorteilhaft in die Elektrolyseanlage integriert , die das Fluten durch den geringen Druckverlustkoef fi zienten passiv unterstützt , in Kombination mit der Bypass-Leitung . Die führende Komponente bzw . Strömungspfad für das Fluten ist aber bevorzugt die Bypass- Leitung .

In bevorzugter Ausgestaltung sind mehrere Elektrolysemodule vorgesehen sind, die über eine gemeinsame Produktstrom-Leitung an den Gas-Separator angeschlossen sind .

Die Leistung des Elektrolyseurs bzw . der Elektrolyseanlage ist somit einfach und flexibel skalierbar, indem weitere Elektrolysemodule vorgesehen sind . Die Elektrolysemodule können dabei in einer Parallelschaltung betrieben werden oder auch in serieller Verschaltung als so genannte Modulreihe oder Kombinationen daraus . Hierbei kann sich begri f flich eine Parallelschaltung auf die rein elektrotechnische Verschaltung hinsichtlich des Elektrolysestroms oder der Elektrolysespannung beziehen und/oder hinsichtlich der Stof fströme , wie etwa die Führung und Leitung des Prozesswassers als Eduktstrom durch die Elektrolysemodule .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung sind bei mehreren Elektrolysemodulen die Elektrolysemodule an die Rückführleitung über eine j eweilige Anschlussleitung angeschlossen, wobei in mindestens einer der Anschlussleitungen ein Regel- ventil angeordnet ist . Bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung, bei der in j eder der Anschlussleitungen ein j eweiliges Regelventil vorgesehen ist , da dies eine besonders große Betriebs flexibilität ermöglicht , so etwa das bedarfsweise Fluten nur einer oder nur einzelner Elektrolysemodule zu Servicezwecken oder in einer Sicherheitsabschaltung .

Werden etwa mehrere parallel geschaltete Elektrolysemodule oder Modulreihen durch eine Pumpe bzw . Pumpenstation versorgt , so sind daher bevorzugt j eweilige Regelventile vorgesehen, um eine individuell steuerbare Anströmung j edes Elektrolysemoduls bzw . j eder Modulreihe zu ermöglichen .

Bei Einsatz von mehreren parallelen Pumpen etwa zur Bereitstellung einer Redundanz ist es bevorzugt , dass auch der Durchfluss durch eine Pumpe ausreichend dimensioniert ist , d . h . der Druckverlustbeiwert . Dies erlaubt vorteilhaft beispielsweise das so genannte Abschiebern und den Austausch von Pumpen und den Weiterbetrieb mit mindestens einer frei durchströmbaren Pumpe . Ein Absperrschieber - auch Gas- bzw . Wasserschieber - ist eine Armatur, die gewöhnlich zum vollständigen Öf fnen oder Schließen des gesamten Durchflussquerschnitts eines Rohres oder einer Leitung genutzt wird . Im Gegensatz zu Ventilen werden Absperrschieber nicht in erster Linie zur Regulierung der Durchflussmenge und nicht bei sehr hohem Druck eingesetzt . Absperrschieber dienen oft der Vorabsperrung, also um Wartungsarbeiten an nachfolgenden Armaturen zu ermöglichen, die im regulären Betrieb die Absperrung oder Regulierung übernehmen .

Wenn auch im Auslegungskonzept der Erfindung die führende Komponente bzw . der maßgebliche Strömungspfad für das Fluten des Elektrolysemoduls bevorzugt die Bypass-Leitung vorgesehen ist , kann es generell vorteilhaft sein, für eine Elektrolyseanlage möglichst geringe zulässige Druckverlustkoef fi zient auf Komponentenebene vorzusehen . Sind also zusätzliche strömungstechnische Komponenten oder Elemente in einem Strömungsweg eingesetzt , z . B . Wärmeübertrager, Ventile , Filter, insbe- sondere in der Rückströmleitung, kann eine Berücksichtigung des Druckverlustkoef fi zienten bevorzugt sein . Dann kann zumindest in gewissen Grenzen eine ansonsten notwendige Anpassung der Höhendi f ferenz teilweise kompensiert werden, d . h . ein entsprechend noch höherer Di f ferenzdruck als treibende Kraft für das Fluten . Insbesondere die Rückströmleitung ist dadurch auch für ein Fluten bedarfsweise ertüchtigt , und zwar alternativ oder zusätzlich als redundanter Strömungspfad zu der Bypass-Leitung .

Vorzugsweise ist dann das Regelventil mechanisch auf einen Mindestdurchfluss ausgelegt , der bei einer Regelung nicht unterschreitbar ist . Die Mindestöf fnung kann durch eine entsprechende mechanische Verriegelung realisiert sein . Eine entsprechende Ausgestaltung des Regelventils ist bevorzugt auch bei mehreren Regelventilen vorgesehen, die j eweils in eine Anschlussleitung geschaltet sind .

Diese Mindestöf fnung der Ventilstellung für einen Mindestdurchfluss des Regelventils ist vorteilhaft zusammen mit dem Druckverlustkoef fi zient der Umwäl zpumpe und/oder dem Druckverlustkoef fi zienten einer Pumpenstation umfassend mehrere Pumpen in dem Elektrolyseur derart eingestellt und ausgelegt , dass eine ausreichend schnelle selbsttätige Rückströmung von Wasser aus dem Gas-Separator zu dem zu flutenden Elektrolysemodul allein aufgrund des Di f ferenzdrucks bzw . des Höhenunterschieds sichergestellt ist . Auch wenn im Auslegungskonzept der Erfindung die führende Komponente bzw . der maßgebliche Strömungspfad für das Fluten des Elektrolysemoduls bevorzugt die Bypass-Leitung vorgesehen ist , kann es vorteilhaft sein möglichst geringe zulässige Druckverlustkoef fi zient im Stillstand auch für andere Strömungspfade vorzusehen, beispielsweise einen entsprechenden Mindestdurchfluss der vorhandenen Regelventile .

In bevorzugter Ausgestaltung ist in die Rückführleitung ein Regelventil auf der Druckseite der Umwäl zpumpe geschaltet . Hierdurch ist im Normalbetrieb die Rückströmung von Wasser aus dem Gas-Separator regelbar und der Volumenstrom ist an den Betrieb des Elektrolyseurs anpassbar . Die Bypass-Leitung ist strömungstechnisch bzw . fluidtechnisch parallel zu der Rückströmleitung geführt und umgeht in diesem bevorzugten Aus führungs fall sowohl die Umwäl zpumpe als auch das Regelventil . Die Bypass-Leitung mündet bevorzugt stromab des Regelventils in die Rückführleitung oder ist alternativ bevorzugt mit einem separaten Anschluss an das Elektrolysemodul angeschlossen .

Vorzugsweise ist in die Rückführleitung ein Wärmetauscher zwischen die Umwäl zpumpe und das Regelventil geschaltet . Somit kann Prozesswärme aus dem zurückgeführten Wasser aus dem Gas-Separator gewonnen und über einen Wärmetauscher abgeführt werden . Das Wasser wird auf ein Temperaturniveau abgekühlt und kann neben dem Elektrolyseprozess zugleich zur Kühlung des Elektrolysemoduls verwendet werden .

Die auf ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, dem in einem Normalbetrieb einem Elektrolysemodul ein Elektrolysestrom zugeführt wird, so dass Wasser zu Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase in dem Elektrolysemodul erzeugt werden, wobei Produktgas in einem Phasengemisch aus Wasser und Produktgas einem Gas-Separator zugeführt wird, wobei in dem Gas-Separator Wasser von Produktgas getrennt wird, und wobei in einem Stillstandbetrieb der Elektrolysestrom gestoppt wird und eine Sicherheitsabschaltung eingeleitet wird . Dabei wird Wasser aus dem Gas-Separator selbsttätig aufgrund eines mit einer vorbestimmten Höhendi f ferenz einhergehenden hydrostatischen Di f ferenzdrucks in das Elektrolysemodul getrieben, wobei das Elektrolysemodul mit Wasser geflutet wird, wobei ein schnelles Fluten des Elektrolysemoduls sichergestellt und ein Trockenlaufen des Elektrolysemoduls verhindert wird . Vorzugsweise wird bei der Sicherheitsabschaltung eine Armatur selbsttätig geöf fnet und das Wasser über eine Bypass-Leitung in das Elektrolysemodul getrieben .

Vorzugsweise wird dabei das Elektrolysemodul selbsttätig mit Wasser geflutet , bis der Füllstand von Wasser in dem Gas- Separator und der Füllstand dem Elektrolysemodul angeglichen sind .

Bei einem plötzlichen Betriebsstopp, z . B . infolge einer Si- cherheitsabschaltung oder einer Notabschaltung der Elektrolyse separiert sich Produktgas und Wasser in dem Elektrolysemodul . Es stellt sich ein gewisser Wasserlevel bzw . Füllstand in dem Elektrolysemodul ein . Dadurch, dass der Gas-Separator höher angeordnet und entsprechend ausgelegt ist , wird Wasser umgehend und schnell in das Elektrolysemodul mittels des vorgesehenen Di f ferenzdrucks getrieben und auch ggf . vorhandene Strömungselemente in den Leitungen können ausreichend schnell durchströmt werden . Somit wird sehr rasch und selbsttätig ein Levelausgleich herbeigeführt und ein schnelles Fluten des Elektrolysemoduls erreicht . Die Elektrolysezellen in dem Elektrolysemodul und insbesondere die empfindlichen Membranen sind vollständig mit Wasser getränkt und können nicht austrocknen . Ein Trockenlauf ist sicher verhindert .

Weitere Vorteile des Verfahrens ergeben sich entsprechend aus den oben beschriebenen Vorteilen des Elektrolyseurs .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert . Dabei ist zu beachten, dass die in den Zeichnungen dargestellten Aus führungsbeispiele in erster Linie der Erläuterung der Erfindung dienen . Sie sollen j edoch die Erfindung nicht einschränken .

Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :

FIG 1 einen Elektrolyseur mit einem Elektrolysemodul ; FIG 2 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Füllstands bei einer Sicherheitsabschaltung .

Gleiche Bezugs zeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung .

In FIG 1 ist eine Elektrolyseanlage 1 für die Elektrolyse von Wasser dargestellt . Der Elektrolyseur 1 weist - in der Darstellung vereinfacht - einen Kreislauf auf der Wasserstof fseite auf . Ein entsprechender Kreislauf ist auch auf der Sauerstof fseite in analoger Betrachtung möglich . Dargestellt ist ein einfaches Aus führungsbeispiel für einen Elektrolyseur 1 , um die Erfindung aus zuführen und das Prinzip zu erläutern . Der Elektrolyseur 1 weist ein Elektrolysemodul 3 und einen Gas-Separator 5 auf . Der Gas-Separator 5 ist über eine Pro- duktrom-Leitung 7 an das Elektrolysemodul 3 angeschlossen . Das Elektrolysemodul 3 umfasst typischerweise einen in der FIG 1 nicht näher dargestellten Elektrolysezellenstapel mit einer Viel zahl von in einer axialen Richtung gestapelten Elektrolysezellen . Dabei ist eine anodische Halbzelle und die kathodische Halbzelle einer Elektrolysezelle von einer protonendurchlässigen Membran getrennt . Wie dargestellt ist es auch möglich, dass mehrere Elektrolysemodule 3 , 3a, 3b zu einer Modulanordnung 27 zusammengeschaltet sind . Der Elektrolyseur 1 ist zur Erzeugung von Wasserstof f H2 und Sauerstof f O2 als Produktgase in einem PEM-Elektrolyseprozess , beispielsweise unter atmosphärischen Druckbedingungen ausgestaltet . Das Elektrolysemodul 3 ist mit dem Gas-Separator 5 über die Produktstrom-Leitung 7 für das Produktgas an den Gas-Separator 5 angeschlossen . Der Gas-Separator 3 ist dabei zur Phasentrennung des Produktgases von Wasser ausgelegt , vorliegend der Abtrennung von gas förmigem Wasserstof f H2 aus dem Phasengemisch mit Wasser in dem Gas-Separator 3 . Eine Rückführleitung 9 für das abgetrennte Wasser verbindet strömungstech- nisch den Gas-Separator 3 mit dem Elektrolysemodul 3 . Dabei mündet die Rückführleitung 9 an einer geodätisch möglichst tiefen Anschlussstelle in das Elektrolysemodul 3 , so dass ein entsprechend möglichst hoher hydrostatischer Druck durch die Wassersäule im Gas-Separator 5 in Bezug auf das Füllstandniveau L _s im Gas-Separator erzielt ist und darauf lastet . In die Rückführleitung 9 ist eine Umwäl zpumpe 13 geschaltet , die bei einem Normalbetrieb des Elektrolyseurs aus dem Phasengemisch abgetrenntes Wasser aus dem Gas-Separator 3 in das Elektrolysemodul 3 aktiv fördert bzw . in dem Wasserstof f seifigen Kreislauf umwäl zt . Die Umwäl zpumpe 13 ist mit elektrischem Strom versorgt . Eine Bypass-Leitung 15 mit einer Armatur 17 verbindet den Gas-Separator 5 mit dem Elektrolysemodul 3 . Die Bypass-Leitung 15 mündet stromab der Umwäl zpumpe 13 in die Rückführleitung 9 bzw . ist daran angeschlossen . Es ist auch möglich, dass die Bypass-Leitung 15 direkt an das Elektrolysemodul 3 angeschlossen ist , ohne in die Rückführleitung 9 zu münden . In beiden Anschlussvarianten ist die Rückführleitung 9 mit der Umwäl zpumpe 13 fluidtechnisch von der Bypass-Leitung 15 zumindest teilweise umgangen in einem eigenen und parallelen Strömungspfad für das Wasser . In die Rückführleitung 9 ist ein Wärmetauscher 25 und ein Regelventil 23 geschaltet , so dass in einem Normalbetrieb des Elektrolyseurs 1 eine geregelte Rückführung von Wasser und eine Kühlung des Wassers über den Wärmetauscher 25 durchführbar ist . Somit ist bei einem planmäßigen oder außerplanmäßigen Stillstand des Elektrolyseurs 1 dem Elektrolysemodul 3 eigens über die dafür vorgesehene Bypass-Leitung 15 Wasser aus dem Gas-Separator 5 rasch zuführbar und das Elektrolysemodul 3 ist sehr ef fektiv in kürzester Zeit flutbar, so dass insbesondere die Membran vor Austrocknung sicher geschützt ist .

Mit diesem einfachen Kreislauf der FIG 1 wird im normalen Betrieb des Elektrolysemoduls 3 mit Wasser für die Elektrolysereaktion versorgt , wobei das Wasser zugleich auch der Kühlung der Zellen dient . Als Produktgas der Elektrolyse wird erzeugter Wasserstof f H2 zusammen mit überschüssigem Wasser in einem Phasengemisch in den Gas-Separator 3 für Wasserstof f geführt . In dem Gas-Separator 3 findet eine Phasentrennung statt und der gas förmige Wasserstof f H2 wird vom flüssigen Wasser abgetrennt und über die Gasleitung 19 für den Wasserstof f H2 dem Kreislauf entzogen und einer weiteren Verwendung zugeführt . Um den Wasser-Umlauf im Kreislauf auf recht zuerhalten, ist im Kreislauf die Umwäl zpumpe 4 vorgesehen . Verbrauchtes Wasser wird zudem ausgeglichen, indem über eine Zufuhrleitung 21 mit einem Regelventil 23 vollentsal ztes Wasser (VE-Wasser ) in den Gas-Separator 3 nachgeführt wird .

Der Gas-Separator 5 ist derart ausgelegt und auf einer Höhendi f ferenz Ah oberhalb des Elektrolysemoduls 3 angeordnet , dass bei einem Stillstand das Elektrolysemodul 3 oder bedarfsweise auch weitere Elektrolysemodule 3b, 3c in der Modulanordnung 27 alleinig durch eine über die Höhendi f ferenz Ah hydrostatische Druckdi f ferenz Ap getrieben selbsttätig mit Wasser über die Bypass-Leitung 15 flutbar ist . Hierbei ist die Höhendi f ferenz Ah so eingestellt , das als zur Verfügung stehende ef fektive und treibende Druckdi f ferenz zwischen dem Füllstand L _M im Elektrolysemodul 3 und dem Füllstand L _s im Gas-Separator 3 mindestens 0 , 05 bar bis 0 , 5 bar, insbesondere 0 , 1 bar bis 0 , 3 bar, bereitgestellt ist , siehe auch entsprechend FIG 2 bei der das Prinzip des Levelausgleichs näher erläutert wird .

Das Flutungskonzept für das Elektrolysemodul 3 ist völlig autark und intrinsisch sehr zuverlässig . Es ist unabhängig zusätzlichen und aufwändigen externen Versorgungen und redundanten Systemen oder Backup-Lösungen zur Förderung oder Flutung mittels Pumpen . Durch Auslegung und Anordnung des Gas-Separators 5 auf einer ausreichenden Höhe oberhalb des Elektrolysemoduls 3 ist im Betrieb regelmäßig eine Füllstandhöhe L _s oder ein Level L _s des Wassers im Gas-Separator 5 vorgehalten und bereits intrinsisch ein hydrostatischer Förderdruck im System bereitgestellt für einen eventuell notwendigen Abschaltbetrieb, insbesondere bei einer sicherheitstechnischen Notabschaltung . Selbstverständlich ist das Flutungskonzept auch für eine reguläre und planmäßige Abschaltung etwa zu Servicezwecken vorteilhaft nutzbar .

Dabei ist der Gas-Separator 5 als liegender Behälter ausgestaltet mit einer möglichst großen Oberfläche 11 als Pha- sengrenz f lache , wodurch eine besonders ef fektive Phasentrennung sowie ein reduzierter Bauraum vor allem in der Bauhöhe möglich ist , trotz erhöhter Anordnung des Gas-Separators 5 gegenüber dem Elektrolysemodul 3 auf der Höhendi f ferenz Ah .

Die Umwäl zpumpe 13 in der Rückführleitung 9 ist optional so konzipiert , dass diese im Stillstand einen geringen Druckverlustkoef fi zienten aufweist , so dass in einem gemeinsamen Zusammenwirken mit dem sich über die Rückführleitung 9 entleerenden Gas-Separator 3 ein schnelles Fluten sichergestellt ist . Typischerweise sind hier bei der Umwäl zpumpe Druckverlustkoef fi zient von kleiner als = 5 , insbesondere kleiner als = 3 vorgesehen . Dies ist eine vorteilhafte optionale Vorsorgemaßnahme und schaf ft auf einfache Weise eine Redundanz , die neben der primär eingestellten Flutung über die Bypass-Leitung 15 einen zusätzlichen Strömungspfad über die Rückführleitung 9 schaf ft . Generell sind aber bei der Rückführleitung 9 keine besonderen Maßnahmen, Einschränkungen oder Vorkehrungen hinsichtlich der Druckverlustkoef f i zienzen der Komponenten zu beachten .

Bei einem Normalbetrieb oder Regelbetrieb des Elektrolyseurs 1 wird dem Elektrolysemodul 3 ein Elektrolysestrom zugeführt , so dass Wasser zu Wasserstof f H2 sowie Sauerstof f als Produktgase in dem Elektrolysemodul 3 erzeugt werden . Wasserstof f H2 wird in einem Phasengemisch mit Wasser als Produktgas dem Gas-Separator 3 zugeführt , wobei in dem Gas-Separator 3 das Wasser von Wasserstof f H2 abgetrennt wird . In einem Stillstandbetrieb wird der Elektrolysestrom instantan gestoppt und es wird unverzüglich eine Sicherheitsabschaltung eingeleitet . Hierbei wird die Armatur 17 in der Bypass- Leitung 15 selbststätig geöf fnet . Durch Ausgestaltung der Armatur 17 beispielsweise als normal geschlossenes Magnetventil öf fnet die Armatur selbsttätig im stromlosen Zustand über eine freigegebene Feder . Eine weitere Ausgestaltung der Armatur 17 ist als einfache Rückschlagklappe möglich, die im Normalbetrieb aufgrund einer Druckdi f ferenz über die Rückschlagklappe geschlossen ist und bei Stillstandbetrieb sich die Druckdi f ferenz über die Rückschlagklappe verringert oder entfällt , so dass der Strömungspfad für das Fluten über die Bypass-Leitung 15 schnell freigegeben wird . Somit wird Wasser aus dem Gas-Separator 3 selbsttätig aufgrund der Höhendi f ferenz Ah in das Elektrolysemodul 3 getrieben, so dass das Elektrolysemodul 3 vollständig mit Wasser geflutet wird . Dabei wird das Elektrolysemodul so lange selbsttätig mit Wasser geflutet , bis der Füllstand L _s des Wassers in dem Gas- Separator 3 und der Füllstand L _M in dem Elektrolysemodul angeglichen sind . Damit ist ein stationärer und sicherer Zustand erreicht und das Elektrolysemodul 5 mit seinen kritischen Komponenten wie Membran und Elektroden sind vollständig in Wasser getränkt . Ein Trockenlauf ist immanent verhindert , insbesondere ohne auf aktive elektrische Versorgungssysteme oder redundante Backup-Lösungen zurückgrei fen zu müssen .

Das Flutungskonzept der Erfindung kann im Hinblick auf eine sicherheitstechnische Auslegung und Ausgestaltung flexibel auf komplexere Elektrolyseure 1 angewandt werden . So können mehrere Elektrolysemodule 3 , 3a, 3b vorgesehen sein, die zu einer Modulanordnung 27 zusammengeschaltet sind . In FIG 1 sind beispielhaft drei Elektrolysemodule 3 , 3b, 3c vorgesehen, die über eine gemeinsame Produktstrom-Leitung 7 an den Gas-Separator 3 angeschlossen sind . Ausgangseitig der Elektrolysemodule 3a, 3b, 3c mündet hierzu eine - in der Modulanordnung 27 nicht näher dargestellte - j eweilige Leitung in die gemeinsame Produktstrom-Leitung 7 . Dabei ist es zusätzlich auch möglich, dass die Elektrolysemodule 3a, 3b, 3c über eine - in der Modulanordnung 27 nicht näher dargestellte - j eweilige Anschlussleitung an die Rückführleitung 9 angeschlossen sind . In j eder der j eweiligen Anschlussleitungen ist dann eine Regelarmatur vorgesehen, so dass eine individuelle Ansteuerung und kontrollierte Rückführung von Wasser zu einem Elektrolysemodul 3 , 3a, 3b im Normalbetrieb erreicht ist . Bedarfsweise oder optional können auch diese Regelarmaturen mechanisch auf einen Mindestdurchfluss ausgelegt sein, der bei einer Regelung nicht unterschreitbar ist , so dass eine schnelle und weitgehend ungehinderte Rückströmung durch die Rückströmleitung 9 zur Flutung eines oder mehrerer der Elektrolysemodule 3 , 3b, 3c redundant oder alternativ zu der bevorzugten Flutung über die Bypass-Leitung 15 erzielbar ist . Auch bei dieser Ausgestaltung wird im Notfall dann Wasser aus dem Gas-Separator 3 selbsttätig aufgrund der Höhendi f ferenz Ah in eines oder mehrere der Elektrolysemodule 3 , 3a, 3b getrieben, so dass gezielt das stillgelegte Elektrolysemodul 3 , 3a, 3b in kurzer Zeit vollständig mit Wasser geflutet wird .

Ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Füllstands L bei einer Sicherheitsabschaltung ist in FIG 2 vereinfacht dargestellt , um das Prinzip zu erläutern . Auf der Abs zisse ist die Zeit t aufgetragen und auf der Ordinate das Level L als Funktion der Zeit t , das den zeitlichen Verlauf des Füllstands der entsprechenden Komponente mit Wasser charakterisiert . Ab einem Zeitpunkt to wird aus einem Normalbetrieb kommend ein Stillstandbetrieb des Elektrolyseurs 1 eingeleitet , beispielsweise durch Abschalten des Elektrolysestroms initiiert . Zu diesem Zeitpunkt liegt ein Level L _s im Gas-Separator 5 vor und ein Level L _M in dem Elektrolysemodul 3 . Hierbei gilt zu diesem Zeitpunkt L _s > L _M , so dass anfangs in der Elektrolyseanlage 1 ein entsprechend hoher Di f ferenzdruck Ap als treibende Kraft aufgrund der vorbestimmten Höhendi f ferenz Ah für eine schnelle Flutung durch einen Levelausgleich zur Verfügung steht . Mit der Höhendi f ferenz Ah ist geht eine Di f ferenz L _s > L _M der Füllstände ( Levelunterschied) einher und stellt den vorbestimmten treibende Di f ferenzdruck Ap aufgrund einer hydrostatischen Druckdi f ferenz für das Fluten bereit .

In dem Stillstandbetrieb zum Zeitpunkt to wird der Elektrolysestrom gestoppt und es wird eine Sicherheitsabschaltung eingeleitet . Dabei wird Wasser aus dem Gas-Separator 3 selbsttätig aufgrund der Höhendi f ferenz Ah in das Elektrolysemodul 3 getrieben und das Elektrolysemodul 3 wird schnell mit Wasser geflutet . Die Flutung erfolgt selbsttätig mit Wasser aufgrund der hydrostatischen Di f ferenzdrucks Ap bis der Füllstand L _s von Wasser in dem Gas-Separator 5 und der Füllstand oder das Level L _M in dem Elektrolysemodul 3 angeglichen sind und ent- sprechend der Di f ferenzdruck Ap = 0 ist . Der Füllstand oder das Level L _s von Wasser in dem Gas-Separator 5 nimmt dabei mit der Zeit t ab, wohingegen der Füllstand oder das Level L _M in dem Elektrolysemodul 3 entsprechend im zeitlichen Verlauf zunimmt , bis beide Füllstände L _M und L _s gleich sind und sich auf einem Level L _A befinden . Hier liegt ein ausgeglichenes Level L _A oder Füllstand vor und der Flutungsprozess ist abgeschlossen . In sehr kurzer Zeit wird somit ein Levelausgleich herbeigeführt , so dass eine relativ kurze Zeit t _A bestimmt ist , bei der der Flutungsprozess über die Bypass-Leitung 15 abgeschlossen ist . Diese Zeitspanne t _A für den Levelausgleich beträgt j e nach Auslegung des Elektrolyseurs 1 nur etwa 60 - 300 Sekunden bis zu einigen wenigen Minuten . Bei größeren Anlagen und Volumenströmen von Wasser oder bei mehreren simultan zu flutenden Elektrolysemodulen 3 , 3a, 3b kann die Zeitspanne t _A für den Levelausgleich bis zum Level L _A auch größer sein, etwa 10 bis 30 Minuten, insbesondere etwa 15 - 20 Minuten . Dies ist ausreichend schnell , um ein Trockenlaufen sicher und mit den hier beschriebenen einfachen Mitteln zu verhindern .

Bei einem plötzlichen Stopp der Stromzufuhr und damit des Elektrolyseprozesses separiert sich Gas und Wasser in dem Elektrolysemodul 3 . Es stellt sich ein gewisses Wasserlevel L _M in dem Elektrolysemodul 3 ein . Dadurch, dass der Gas- Separator 3 in der Elektrolyseanlage auf einer entsprechenden Höhendi f ferenz Ah deutlich oberhalb des Elektrolysemoduls 3 angeordnet ist und die Bypass-Leitung 15 mit der selbsttätig und instantan öf fnenden Armatur 17 mit einem geringen Druckverlustkoef fi zienten behaftet sind, kann der Leitungsweg durch die Bypass-Leitung unter Umgehung der Rückströmleitung 9 sehr schnell durchströmt werden und es findet selbsttätig ein sehr schneller Levelausgleich statt . Die Höhendi f ferenz Ah ist entsprechend an den ef fektiven Druckverlustkoef fi zienten ^ _e ff des gesamten Strömungswegs der Bypass-Leitung angepasst , wobei aufgrund des einfachen Leitungswegs hier keine besonderen Einschränkungen durch Druckverlust zu befürchten sind und eine moderate Höhendi f ferenz Ah durch entsprechende Positionierung des Gas-Separators 3 oberhalb des Elektrolysemoduls genügt .

Der Strömungspfad über die Rückführleitung 9 ist hinsichtlich des Einbaus aktiver Komponenten wie die Umwäl zpumpe 13 , den Wärmetauscher 25 und das Regelventil 23 nicht besonders beschränkt was den Einfluss des Druckverlustkoef fi zienten ^ _e ff betri f ft . Optional ist es aber möglich und vorteilhaft , die Rückführleitung 9 inklusive der ggf . vorhandenen Strömungselemente wie Pumpen oder Ventile entsprechend anzupassen und bei der Auslegung eines Elektrolyseurs 1 entsprechend zu berücksichtigen . Somit kann, falls es erforderlich sein sollte , optional ein weiterer Strömungspfad zusätzlich zu der Bypass- Leitung 15 für ein rasches Fluten bereitgehalten werden .

Mit der Erfindung wird ein selbstregulierendes Flutungskon- zept für einen Elektrolyseur 1 mit höchster Zuverlässigkeit bereitgestellt , ein Aus fall von aktiven Komponenten ist nicht möglich, da auf aktive Komponenten nicht zurückgegri f fen wird . Eine hohe Anlagensicherheit eines Elektrolyseurs 1 und ein sehr wirksamer Schutz eines Elektrolysemoduls 3 oder mehrerer Elektrolysemodule 3 , 3a, 3b in einer Modulanordnung 27 sind vor Trockenlaufen hierbei gerade auch in möglichen Fehlersituationen aufrechterhalten . Solche Fehlersituationen kommen etwa bei einem Stromaus fall , Aus fall der Pumpenansteuerung, Aus fall der Regelventilansteuerung, Fehlbedienung oder ein Pumpenschaden in Betracht . Überdies ist damit eine sehr einfache und kostengünstige Lösung bereitgestellt , da bis auf die Bypass-Leitung 15 mit der Armatur 17 keine aufwändigen Zusatzausstattungen erforderlich sind, lediglich die gezielte und intelligente Nutzung der vorhandenen Ausstattung und der Auslegung des Elektrolyseurs 1 . Die Anwendung des Konzepts ist besonders für j eden Elektrolyseur - atmosphärisch oder druckbehaftet - mit einer Pumpenanordnung im Kreislauf möglich und sehr vorteilhaft .