Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage und Elektroly seanlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Elekt rolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase. Die Erfindung be trifft weiterhin eine solche Elektrolyseanlage.

Wasserstoff wird heutzutage beispielsweise mittels Proton Exchange Membrane (PEM)-Elektrolyse oder alkalischer Elektro lyse erzeugt. Die Elektrolyseure produzieren mit Hilfe elektrischer Energie Wasserstoff und Sauerstoff aus dem zuge führten Wasser.

Ein Elektrolyseur weist dabei in der Regel eine Vielzahl von Elektrolysezellen auf, welche benachbart zueinander angeord net sind. Mittels der Wasserelektrolyse wird in den Elektro lysezellen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Bei einem PEM-Elektrolyseur wird typischerweise anodenseitig des tilliertes Wasser als Edukt zugeführt und an einer protonen durchlässigen Membran (engl.: „Proton-Exchange-Membrane";

PEM) zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Das Wasser wird dabei an der Anode zu Sauerstoff oxidiert. Die Protonen pas sieren die protonendurchlässige Membran. Kathodenseitig wird Wasserstoff produziert. Das Wasser wird dabei in der Regel von einer Unterseite in den Anodenraum und/oder Kathodenraum gefördert.

Dieser Elektrolyseprozess findet in dem so genannten Elektro lysestack, zusammengesetzt aus mehreren Elektrolysezellen, statt. In dem unter DC Spannung stehenden Elektrolysestack wird als Edukt Wasser eingebracht, wobei nach dem Durchlauf durch die Elektrolysezellen zwei Fluidströme, bestehend aus Wasser und Gasblasen (Sauerstoff O ₂ bzw. Wasserstoff H ₂₎ aus treten. In der Praxis befinden sich im Sauerstoffgasstrom dabei klei ne Mengen an Wasserstoff und im Wasserstoffgasstrom kleine Mengen an Sauerstoff. Die Quantität des jeweiligen Fremdgases hängt vom Elektrolyse-Zelldesign ab und variiert auch unter dem Einfluss von Stromdichte, Katalysatorzusammensetzung, Al terung und hängt bei einer PEM-Elektrolyseanlage vom Membran material ab. Systemimmanent ist dabei, dass im Gasstrom des einen Produktgases jeweils das andere Produktgas in sehr ge ringen Mengen vorliegt. Im weiteren Prozessverlauf werden in der Regel in nachgeschalteten Schritten der Gasreinigung selbst geringe Sauerstoffspuren aus dem Wasserstoff mit zum Teil sehr aufwändigen und kostenintensiven Reinigungsschrit ten entfernt, insbesondere wenn eine besonders hohe Produkt gasqualität gefordert ist, wie dies etwa bei der Nutzung des Wasserstoffs z.B. für Brennstoffzellen der Fall ist.

Eine derartige Elektrolyseanlage mit nachgeschalteter Gasrei nigungsanlage ist beispielsweise in der WO 2020/095664 Al ge zeigt. Dabei wird das bei der Elektrolyse in einem Elektroly seur erzeugte Wasserstoff-Produktgas, das auch Sauerstoff als Fremdgas enthält, zunächst einem Gas-Separator zugeführt.

Nach Abtrennung des Wassersanteils im Gas-Separator wird das Wasserstoff-Produktgas über eine Produktgas-Leitung aus dem Gas-Separator herausgeführt und vollständig an eine Reini gungsanlage übergeben, die von dem Wasserstoff-Produktgas wiederholt und zyklisch durchströmt wird. In der Reinigungs anlage wird der Sauerstoff aus dem Wasserstoff-Produktgas entfernt, indem der Sauerstoff in einem Rekombinationskataly sator (DeOxo-Katalysator) mit dem Wasserstoff zu Wasser rea giert. Durch die zyklische Anwendung wird das Wasserstoff- Produktgas nahezu vollständig von Sauerstoff befreit, so dass schließlich Wasserstoff hoher Qualität und Reinheit zur Ver fügung steht. Anlagentechnisch ist in der WO 2020/095664 Al ein Elektrolyseur, ein Gas-Separator und der DeOxo- Katalysator in Serie geschaltet. Durch die Serienschaltung kann der Wasserstoff-Produktgas im Gas-Separator sehr effi zient abgetrennt, übergeben und nachfolgend gereinigt werden. Für eine besonders hohe Gasreinheit ist ein mehrfaches Durch- laufen der Reinigungsanlage mit dem DeOxo-Katalysator durch in einem Kreislauf mehrfach ausgeführte Reinigungsschritte über einen Zwischentank vorgesehen. Schließlich wird der auf eine gewünschte hohe Reinheit gebrachte und entsprechend auf gereinigte Wasserstoff in einem Tank übergeben und für weite re Zwecke gespeichert bzw. bereitgehalten.

Im Allgemeinen können auf diese Weise in einer Elektrolysean lage zur Gasreinigung der Produktgasströme aus dem Elektroly seur insbesondere beide Produktgasströme einem jeweiligen, katalytisch aktivierten Rekombinator zugeführt werden, in dem ein Katalysator den Wasserstoff mit dem Sauerstoff zu Wasser rekombinieren lässt (DeOxo-Einheit). Dazu muss der Gasstrom zuvor auf mindestens 80°C aufgeheizt werden, damit die Um satzraten des Rekombinators ausreichend hoch sind und somit die geforderte Gasreinheit erreicht wird. Die dafür genutzte verfahrenstechnische Anlage ist jedoch teuer und reduziert auf Grund ihres Energiebedarfs den Systemwirkungsgrad der ge samten Elektrolyseanlage. Deswegen ist bereits auf die Rein heit und Qualität der im Elektrolyseur zunächst entstehenden und aus dem Elektrolyseur abgeführten Produktgasströme zu achten, auch um neben Betriebssicherheitsaspekten auch die Kosten und Aufwand für die nachfolgenden Reinigungsschritte noch in vertretbarem Rahmen zu halten.

Die Reinheit bzw. Qualität der Produktgasströme der ursprüng lich im Elektrolyseur produzierten Gase ist dabei von vielen Parametern abhängig und kann sich auch im Laufe des Betriebs einer Elektrolyseanlage ändern. Problematisch ist hierbei, wenn die Konzentration von Sauerstoff in Wasserstoff sich er höht. Wird hier ein bestimmtes Konzentrationslimit über schritten, vor allem im Gasseparator (Behälter) unmittelbar stromab der Elektrolyse, so kann das produzierte Wasserstoff gas nicht mehr für weitere Zwecke übergeben werden. Steigt der Anteil von Sauerstoff weiter, dann kann sogar ein brenn bares bzw. explosives Gemisch entstehen. Dann herrscht in dem Gasseparator (Behälter) ein potenziell gefährlicher Betriebs- zustand, den es aus Sicherheitsgründen unbedingt zu vermeiden gilt.

Eine zuverlässige und kontinuierliche Überwachung der Gasqua lität im Betrieb auf der Wasserstoffseite, d.h. die Überwa chung der Konzentration von Sauerstoff als Fremdgas in dem produzierten Wasserstoff bereits vor einer nachgeschalteten aufwändigen Gasreinigungsanlage (DeOxo-Einheit) ist hier eine wichtige Schutzmaßvorkehrung, um kritische Betriebszustände zu erkennen und um Sicherheitsmaßnahmen bis hin zum Abschal ten der Anlage zu ergreifen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde bei einer Elektrolyseanlage einen hinsichtlich Sicherheit und Anla geneffizienz verbesserten Betrieb zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage zur Erzeugung von Wasser stoff und Sauerstoff als Produktgase, bei dem das Wasser stoff-Produktgas aus einem Elektrolyseur, welches auch Sauer stoff als Fremdgas enthält, einem nachgeschalteten Gas- Separator zugeführt wird, wobei bei Überschreiten eines vor bestimmten Grenzwerts für die Sauerstoffkonzentration im Was serstoff-Produktgas bedarfsweise Wasserstoff mit einer gerin gen Sauerstoffkonzentration einem Puffertank entnommen und dem Gas-Separator zugeführt wird, so dass die Sauerstoffkon zentration im Wasserstoff-Produktgas abgesenkt wird.

Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, bei dem das Wasserstoff-Produktgas auch Sauerstoff als Fremdgas enthält, bei der der Elektrolyseur über eine Produktstrom-Leitung für das Wasserstoff-Produktgas an einen Gas-Separator angeschlos sen ist und der Gas-Separator über eine Zufuhrleitung an ei nen Puffertank, wobei der Puffertank zur bedarfsweisen Zufuhr von Wasserstoff mit einer geringen Sauerstoffkonzentration zu dem Gas-Separator ausgestaltet ist, wobei in die Zufuhrlei tung ein Ventil geschaltet ist, das als bidirektionales Re- gelventil ausgestaltetet ist, so dass in einem Normalbetrieb eine Beladung des Puffertanks mit Wasserstoff-Produktgas durchführbar ist und bedarfsweise Wasserstoff-Produktgas in einer genauen Dosierung dem Gas-Separator zuführbar ist, wo bei im Gas-Separator eine gewünschte Verdünnung des Sauer stoffs als Fremdgas einstellbar ist.

Die in Bezug auf das Verfahren nachstehend angeführten Vor teile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Elektrolyseanlage übertragen.

Die Erfindung geht dabei bereits von der Erkenntnis aus, dass bisherige Betriebskonzepte für Elektrolyseanlagen hinsicht lich der Überwachung und Behebung der kritischer Betriebszu stände in Bezug auf die Qualität des erzeugten Wasserstoffs aufwändig sind und wirtschaftlich von erheblichem Nachteil.

Für eine Qualitätsmessung wird in bisherigen Betriebskonzep ten üblicherweise die Konzentration von Sauerstoff im Wasser stoff-Produktgas im Gas-Separator gemessen und überwacht. Überschreitet die Konzentration einen vorbestimmten Grenz wert, so wird der Betrieb des Elektrolyseurs angehalten und das gesamte Wasserstoff-Produktgas im Gas-Separator verwor fen. Das Wasserstoff-Produktgas wird aus dem Behältervolumen des Gas-Separators und eventuellen Zuleitungen des Wasser stoffseitigen Gassystems vollständig abgelassen. Hierzu wird der Gas-Separator vollständig entlüftet. Das gesamte Gassys tem inklusive Gas-Separator wird anschließend durch eine auf wändige Spülprozedur zur Inertisierung mit Stickstoff aus ei nem Speicherbehälter im Stickstoff-System der Elektrolysean lage gespült. Das Stickstoff-System muss für diesen sicher- heitsrelevanten Bedarf an Stickstoff entsprechend großvolumig ausgelegt werden, um ausreichend Stickstoff vorzuhalten. Nachdem die Ursache für die kritische Qualität des Wasser stoff-Produktgases behoben ist, wird die Elektrolyse wieder gestartet. Durch das Inertgas Stickstoff im Gassystem muss zunächst auch das neu produzierte Wasserstoff-Produktgas ver worfen werden, und zwar so lange, bis die gewünschte Gasqua- lität wieder erreicht ist. Es ist also neben dem Vorhalten eines großvolumigen Stickstoff-Inertisierungssystem und Stickstoffbevorratung gerade auch das Verwerfen des erzeugten Wasserstoff-Produktgases unter wirtschaftlichen Gesichtspunk ten besonders nachteilig.

Hier setzt die vorliegende Erfindung gezielt an, indem eine kritische Fremdgaskonzentration an Sauerstoff im Wasserstoff- Produktgas in dem dem Elektrolyseur nachgeschalteten Gas- Separator dadurch reduziert wird, dass dem Wasserstoff- Produktgas Wasserstoff besserer Qualität, das heißt mit einer geringen Sauerstoffkonzentration einem Puffertank entnommen und in gezielter und der Wasserstoff in wohldosierter Weise dem Gas-Separator zugeführt wird. Die Zufuhr bewirkt im Gas- Separator eine Mischung der Gase, wodurch eine Absenkung der Sauerstoffkonzentration erzielt wird. Die Sauerstoffkonzent ration reduziert sich allein schon aufgrund des Effekts der Gasmischung und der Verdünnung des Sauerstoffs im Wasser stoff-Produktgas, der bei der Erfindung besonders vorteilhaft ausgenutzt wird. Somit ist ein Verwerfen des Wasserstoff- Produktgases im Gas-Separator vermieden, da es bei der hier vorgeschlagenen Prozedur in diesem Behälter verbleibt. Das Gasvolumen kann daher beim Wiederanfahren des Elektrolyseurs verwendet werden. Die Wasserstoffausbeute der Elektrolysean lage erhöht sich, da praktisch kein bereits erzeugter hoch wertiger Wasserstoff verworfen wird. Ebenso kann die aufwän dige und vollständige Inertisierung des Gassystems, insbeson dere des Gas-Separators, mit Stickstoff entfallen und ein noch erforderliches Stickstoff-System an der Elektrolyseanla ge entsprechend kleiner dimensioniert werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Druck in dem Gas-Separator derart abgesenkt, dass aufgrund einer dadurch erzielten Druckdifferenz Wasserstoff mit einer geringen Sauerstoffkonzentration aus dem Puffertank in den Gas-Separator einströmt. Dadurch ist eine Zufuhr von Wasserstoff guter Qualität und Reinheit in den Gas-Separator auf besonders einfache Weise erzielt. Eine Druckdifferenz kann bevorzugt etwa durch partielles und nur geringfügiges Ablassen von Wasserstoff-Produktgas in dem Gas-Separator er zeugt werden. Alternativ ist es auch möglich, durch Einstel len eines entsprechenden höheren Druckniveaus des zugeführten Wasserstoffs eine Strömung in den Gas-Separator zur Verdün nung zu erreichen.

Vorteilhafterweise wird die Sauerstoffkonzentration in dem Gas-Separator gemessen. Die Messung und Überwachung der Sauerstoffkonzentration wird unter Anwendung von entsprechend sensitiven Gassensoren durchgeführt, wobei bevorzugt auch Überwachungs- und Kontrolleinheiten für eine selektive Gas- Sensorik zur Anwendung kommen, um die Sauerstoffkonzentration im Wasserstoff-Produktgas zuverlässig „in-situ" zu bestimmen und zu überwachen. Dies gilt einerseits für den regulären Be trieb der Elektrolyseanlage, aber vorteilhafterweise auch während des Verfahrens des Absenkens der Sauerstoffkonzentra tion im Wasserstoff-Produktgas unter den gewünschten vorbe stimmten, kritischen Grenzwert.

In dem Verfahren wird der Wasserstoff mit geringer Sauer stoffkonzentration bedarfsweise einem Puffertank entnommen, in dem Wasserstoff-Produktgas hoher Reinheit und Qualität be vorratet wird und einen geringe Fremdgasbestandteil an Sauer stoff aufweist. Somit ist erreicht, dass nur im Bedarfsfall eine Zufuhr von Wasserstoff zur Verdünnung und Absenkung der Sauerstoffkonzentration vorgenommen wird. Der Puffertank ist dabei mit Wasserstoff-Produktgas guter Qualität, das heißt mit geringer oder sehr geringer Fremdgaskonzentration an Sau erstoff beladen. In dem Puffertank wird ein entsprechenden Gasvorrat gespeichert bzw. vorgehalten. Der Puffertank ist als Behälter ausgebildet, der hinsichtlich Volumen entspre chend bedarfsgerecht ausgelegt und konstruktiv angepasst ist. Der Puffertank wird vorteilhafterweise im Normalbetrieb des Elektrolyseurs, das heißt bei der elektrochemischen Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, mit Wasserstoff- Produktgas beladen, so dass ein Gasvorrat an Wasserstoff- Produktgas mit guter Qualität im Puffertank vorgehalten wird. Es ist auch möglich, dass im Normalbetrieb des Elektrolyseurs der Puffertank kontinuierlich durchströmt werden, so dass je derzeit ein Volumen zur Verfügung steht, sollte die Gasquali tät sich über den kritischen Wert einer noch tolerierbaren Sauerstoffkonzentration verschlechtern.

Vorteilhafterweise wird somit dem Puffertank Wasserstoff- Produktgas mit einer Sauerstoffkonzentration unterhalb des vorbestimmten Grenzwerts für die Sauerstoff-Konzentration zu geführt. Dabei wird vorzugsweise dem Puffertank Wasserstoff- Produktgas aus dem Gas-Separator zugeführt. Wie beschrieben, ist es im Normalbetrieb des Elektrolyseurs möglich und vor teilhaft, den Puffertank mit Wasserstoff-Produktgas guter Qualität, d.h. mit geringer Sauerstoffkonzentration, zu bela den.

Vorteilhafterweise erfolgt die Einbindung eines Puffertanks stromab des Gas-Separators in das Betriebskonzept der Elekt rolyseanlage. Dieser Puffertank steht üblicherweise unter ei nem Druck und enthält Wasserstoff mit einer guten Qualität.

Indiziert nun Qualitätsmessung im Gas-Separator eine schlech te Qualität, wird der Elektrolyseprozess angehalten. Anstatt nun das Gas im Gas-Separator zu verwerfen, wird der Druck im Separator nur soweit abgesenkt, dass aus dem Puffertank wie der sauberes Gas dem Gas-Separator zugeführt wird. Es wird so lange sauberes Wasserstoffgas dem Gas-Separator zugeführt, bis die Gasqualität ausreichend ist, das heißt die Sauer stoffkonzentration ist kleiner als der vorbestimmte Grenz wert.

In einer weiterhin besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird Wasserstoff hoher Reinheit aus einem zweiten Puffertank entnommen und dem Gas-Separator zugeführt.

Wasserstoff hoher Reinheit bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Fremdgasverunreinigung mit Sauerstoff des in dem zweiten Puffertank gespeicherten Wasserstoffs noch geringer ist als die Gasqualität des Wasserstoff-Produktgases in dem Gas-Separator. Von besonderem Vorteil erweist sich hier, dass zur angestrebten Verdünnung und damit Qualitätsverbesserung des Wasserstoff-Produktgases eine im Vergleich zur Zufuhr aus dem Puffertank geringere Menge an Wasserstoff hoher Reinheit zugeführt werden muss. Es wird ein geringeres Gasvolumen be nötigt. Dabei ist die jeweilige Wasserstoffentnähme und je weilige Zufuhr aus dem Puffertank und dem zweiten Puffertank auch flexibel kombinierbar.

In bevorzugter Ausgestaltung wird dabei Wasserstoff mit ge ringer Sauerstoffkonzentration aus dem Puffertank einem Re- kombinator zugeführt wird, der einen Katalysator enthält, so dass der Sauerstoff mit dem Wasserstoff zu Wasser rekombi- niert, wobei Wasserstoff hoher Reinheit gewonnen wird, mit dem der zweite Puffertank beladen wird. Der Wasserstoff hoher Reinheit, das heißt mit einer allenfalls noch sehr geringen Fremdgaskonzentration an Sauerstoff oder aus praktischer Sicht mit keiner nennenswerten Sauerstoffkonzentration, wird somit auf vorteilhafte Weise im Betrieb der Elektrolyseanlage selbst gewonnen. Durch den vorteilhaften katalytischen Gas reinigungsschritt ist die Gasqualität in dem zweiten Puffer tank sehr gut und nochmals deutlich besser als in dem Puffer tank.

In bevorzugter Ausgestaltung wird die Erzeugung von Wasser stoff und Sauerstoff in dem Elektrolyseur angehalten. Der Normalbetrieb wird also vorteilhafterweise nur so lange un terbrochen, bis durch die Zufuhr von katalytisch gereinigtem Wasserstoff hoher Reinheit aus dem zweiten Puffertank, oder Wasserstoff-Produktgas mit einer geringen Sauerstoffkonzent ration aus dem Puffertank, in den Gas-Separator zur Verdün nung und Absenkung der Sauerstoffkonzentration unter den Grenzwert erreicht ist. Dadurch ist die benötigte Wartungs zeit mit einhergehendem Betriebsstillstand des Elektrolyseurs für das Verfahren gemäß der Erfindung vorteilhafterweise er heblich reduziert gegenüber den herkömmlichen Verfahren. Bei diesen erfolgt ein vollständiges Ablassen des Wasserstoff- Produktgases, wobei der Gas-Separator entleert wird und an schließend das Gassystem mit Stickstoff vollständig inerti- siert wird und schließlich die Elektrolyseanlage wieder ange fahren wird bis zum Erreichen bzw. Wiederaufnahme eines Nor malbetriebszustands des Elektrolyseurs.

Die Elektrolyseanlage gemäß der Erfindung umfasst einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, bei dem das Wasserstoff-Produktgas auch Sau erstoff als Fremdgas enthält, wobei der Elektrolyseur über eine Produktstrom-Leitung für das Wasserstoff-Produktgas an einen Gas-Separator angeschlossen ist und der Gas-Separator über eine Zufuhrleitung an einen Puffertank, der zur bedarfs weisen Zufuhr von Wasserstoff mit einer geringen Sauerstoff konzentration zu dem Gas-Separator ausgestaltet ist. In die Zufuhrleitung ist ein bidirektionales Regelventil geschaltet, so dass in einem Normalbetrieb eine Beladung des Puffertanks mit Wasserstoff-Produktgas durchführbar ist. Bedarfsweise ist, insbesondere in einem Abschaltbetrieb, Wasserstoff- Produktgas in einer genauen Dosierung dem Gas-Separator zu- führbar. In dem Gas-Separator ist dadurch eine gewünschte Verdünnung des Sauerstoffs als Fremdgas einstellbar.

Der Puffertank ist vorzugsweise als Behälter ausgeführt und, wie oben bei dem Verfahren näher ausgeführt, mit Wasserstoff enthaltend eine geringe Konzentration an Sauerstoff als Fremdgas beaufschlagbar und damit füllbar. Der Puffertank dient vorteilhafterweise als Wasserstoff-Produktgasspeicher mit entsprechender Gasqualität. Durch die Zufuhrleitung ist Wasserstoff guter Qualität aus dem Puffertank in den Gas- Separator zuführbar.

Dabei ist in die Zufuhrleitung ein Ventil geschaltet, das als ein Regelventil ausgestaltet ist. Die Ausgestaltung des Ven tils als Regelarmatur gestattet eine genaue Dosierung der Gaszufuhr zum Gas-Separator. Die Ventilposition des Regelven tils kann vorteilhafterweise mit einer hydraulischen oder elektromechanischen Ventilsteuerung oder Ventil- Regeleinrichtung angesteuert werden.

Dabei ist das Ventil als ein in beide Richtungen durchström- bares Regelventil oder eine Regelarmatur ausgestaltet. Die bidirektionale Ausführung des Regelventils erlaubt eine be sonders flexible Betriebsweise und Betriebsartwechsel mit ei ner Beladung des Puffertanks einerseits, beispielsweise im Normalbetrieb des Elektrolyseurs, bei dem Wasserstoff- Produktgas dem Puffertank zuführbar und dieser beladbar ist. Andererseits ist bedarfsweise im Abschaltbetrieb des Elektro lyseurs dem Gas-Separator Wasserstoff-Produktgas in der Ge genrichtung durch die Zufuhrleitung zuführbar. Durch diese Ausführung ist die Elektrolyseanlage so ausgelegt, dass bei spielsweise auf eine sprunghafte, graduelle, einmalige oder anhaltende Änderung der Gasqualität des Wasserstoff- Produktgases im Gas-Separator flexibel rasch und in kontrol lierter Weise reagiert werden kann. Durch die Zudosierung ist der gewünschte Verdünnungseffekt bewirkt, so dass ein niedri gerer Wert der Konzentration von Sauerstoff als Fremdgas in dem Wasserstoff-Produktgas im Gas-Separator einstellbar ist. Vorteilhafterweise ist durch die bidirektionale Ausführung des Regelventils die Zufuhrleitung in beiden Strömungsrich tungen nutzbar, was Kostenvorteile hat.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist eine ein Absperr ventil aufweisende Bypassleitung vorgesehen, die von der Zu fuhrleitung abzweigt und strömungstechnisch parallel der Zu fuhrleitung derart geschaltet ist, dass die Bypassleitung das Ventil, insbesondere das Regelventil, umgeht.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage weist diese einen zweiten Puffertank auf, der über eine Lei tung mit dem Puffertank verbunden ist, wobei in die Leitung ein Rekombinator geschaltet ist, der einen Katalysator ent hält, so dass der Sauerstoff mit dem Wasserstoff zu Wasser rekombinierbar und Wasserstoff hoher Reinheit zur Beladung des zweiten Puffertanks gewinnbar ist. Der zweite Puffertank ist vorzugsweise über eine Zufuhrlei tung an den Gas-Separator angeschlossen, so dass bedarfsweise eine Zufuhr von Wasserstoff hoher Reinheit aus dem zweiten Puffertank zu dem Gas-Separator erzielbar ist. In die Zufuhr leitung ist ein Ventil geschaltet ist, das insbesondere als Regelventil ausgestaltet ist, bevorzugt ist dieses zum bidi rektionalen Betrieb ausgestaltet. Diese Ausgestaltung dient der präzisen Dosierung von gereinigtem Wasserstoff-Produktgas aufweisend eine hohe Qualität und Reinheit und der kontrol lierten Zufuhr in den Gas-Separator über die Zufuhrleitung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich nung näher erläutert. Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :

FIG 1 eine Elektrolyseanlage mit Stickstoff-System zur

Inertisierung,

FIG 2 eine Elektrolyseanlage mit Wasserstoff-Puffertank gemäß der Erfindung,

FIG 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrolyse anlage mit Puffertank gemäß der Erfindung,

FIG 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrolyse anlage mit einer Gasreinigung und einem weiteren Puffertank.

Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeu tung.

In FIG 1 ist eine Elektrolyseanlage 100 in einem stark ver einfachten Ausschnitt von Anlagenteilen dargestellt. Die Elektrolyseanlage 100 weist einen Elektrolyseur 1 auf, der aus einem PEM- oder Alkali-Elektrolyseur ausgeführt ist. Der Elektrolyseur 4 umfasst mindestens eine hier nicht näher ge zeigte Elektrolysezelle zum elektrochemischen Zerlegen von Wasser. Die Elektrolyseanlage 100 weist zudem ein Stickstoff- System 23 auf, das einen Stickstoff-Behälter 25 umfasst. Ein Verdichter 33 ist an das Stickstoff-System 23 angeschlossen, um das Stickstoff-System 23 zu versorgen. Über eine Spüllei tung 27 ist das Stickstoff-System 23 an einen Gas-Separator 3 angeschlossen, so dass bei Bedarf Stickstoff zur Spülung des Gas-Separators 3 dem Stickstoff-Behälter 25 entnommen und dem Gas-Separator 3 zuführbar ist (Stickstoff-Inertisierung). Der Stickstoff-Behälter 25 ist für den Bedarf an Stickstoff in der Elektrolyseanlage 100 entsprechend großvolumig dimensio niert und druckbeaufschlagt. Für eine Inertisierung sind - neben anderen Aufgaben - bedarfsweise große Mengen an Stick stoff erforderlich, die in dem Stickstoff-Behälter 25 vorzu halten sind.

Im Elektrolyseur 1 wird über eine Eduktstrom-Leitung 21 ein Eduktstrom aus Wasser eingeführt. Das Wasser wird im Elektro lyseur 1 in die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff elekt rochemisch zerlegt und beide Produktströme werden separat aus dem Elektrolyseur 1 hinausgeleitet. Für die Hinausleitung des Wasserstoff-Produktstroms weist der Elektrolyseur 1 eine Pro duktstrom-Leitung 11 auf, mit deren Hilfe ein erstes Produkt, hier Wasserstoff, hinausgeführt wird. Der hier beschriebene Aufbau der Elektrolyseanlage 100 bezieht sich auf den Wasser stoff-Produktstrom. Sauerstoffseitig kann jedoch ein ähnli cher anlagentechnischer Aufbau in der Elektrolyseanlage 100 vorliegen, was in der FIG 1 aus Übersichtsgründen nicht näher gezeigt und ausgeführt ist. Der Elektrolyseur 1 ist über die Produktstrom-Leitung 11 an einen Gas-Separator 3 angeschlos sen. An den Gas-Separator 3 ist eine Entlüftungsleitung 31 angeschlossen, über die der Gas-Separator 3 entleert werden kann. Weiterhin ist an den Gas-Separator 3 ein Puffertank 5 über eine Zufuhrleitung 13a angeschlossen, in der ein Ventil 15a angeordnet ist. Dem Puffertank 5 ist Wasserstoff- Produktgas aus der Elektrolyse über die Zufuhrleitung 13a von dem Gas-Separator 3 zuführbar. Der Puffertank 5 wird auf die se Weise mit Wasserstoff-Produktgas beladen für weitere Zwe cke, insbesondere eine Gasreinigung.

Im Betrieb des Elektrolyseurs 1 im Anlagenkonzept der FIG 1 wird Wasserstoff-Produktgas dem Gas-Separator 3 zugeführt.

Für eine Qualitätsmessung des Wasserstoff-Produktgases wird in diesem Betriebskonzept die Konzentration von Sauerstoff im Wasserstoff-Produktgas im Gas-Separator 3 gemessen und über wacht. Überschreitet die Konzentration einen vorbestimmten Grenzwert, so wird der Betrieb des Elektrolyseurs 1 angehal ten und das gesamte Wasserstoff-Produktgas im Gas-Separator verworfen. Das Wasserstoff-Produktgas wird aus dem Behälter volumen des Gas-Separators 3 und eventuellen Zuleitungen des wasserstoffseitigen Gassystems vollständig abgelassen. Hierzu wird der Gas-Separator 3 vollständig über die Entlüftungslei tung 31 entlüftet. Das gesamte Gassystem inklusive Gas- Separator 3 wird anschließend durch eine aufwändige Spülpro zedur zur Inertisierung mit Stickstoff aus einem Stickstoff- Behälter 25 im Stickstoff-System 23 der Elektrolyseanlage 100 gespült. Das Stickstoff-System 23 muss für diesen sicher- heitsrelevanten Bedarf an Stickstoff entsprechend großvolumig ausgelegt werden, um ausreichend Stickstoff vorzuhalten. Nachdem die Ursache für die kritische Qualität des Wasser stoff-Produktgases behoben ist, wird die Elektrolyse wieder gestartet. Durch das Inertgas Stickstoff im Gassystem und insbesondere in dem Gas-Separator 3 muss zunächst auch das neu produzierte Wasserstoff-Produktgas verworfen werden, und zwar so lange, bis die gewünschte Gasqualität wieder erreicht ist. Es ist also neben dem Vorhalten eines großvolumigen Stickstoff-Inertisierungssystems und ausreichender Stick- Stoffbevorratung gerade auch das Verwerfen des erzeugten Was serstoff-Produktgases wirtschaftlichen Gesichtspunkten beson ders nachteilig.

Hier setzt das neue Betriebskonzept der Erfindung an mit ei ner vorteilhaften Einbindung des Puffertanks 5 stromab des Gas-Separators 3, wie in FIG 2 nachstehend näher erläutert wird. Dabei entfällt gegenüber der Ausgestaltung der Elektro lyseanlage 100 gemäß der FIG 1 die Verbindung des Stickstoff- Systems 23 mit dem Gas-Separator 3 über die Spülleitung 27 zur Inertisierung mit Stickstoff. Der Puffertank 5 steht üb licherweise unter Druck und enthält Wasserstoff-Produktgas mit einer geringen Sauerstoffkonzentration aus der Elektroly se, also Wasserstoff-Produktgas mit einer guten Qualität und entsprechend geringer Fremdgaskonzentration. Der Puffertank 5 ist über die Zufuhrleitung 13a mit dem Gas-Separator 3 strö mungstechnisch verbunden. In die Zufuhrleitung 13a ist ein Ventil 15a geschaltet, dass als Regelventil ausgestaltet ist. Mit der Ausgestaltung des Ventils 15a als Regelarmatur ist eine sehr genaue Dosierung der Gaszufuhr zum Gas-Separator 3 erreicht. Die Ventilposition des Ventils 15a ist mit einer hydraulischen oder elektromechanischen Ventilsteuerung ausge stattet und durch eine Ventil-Regeleinrichtung ansteuerbar. Eine Bypass-Leitung 19 zweigt von der Zufuhrleitung 13a ab und ist strömungstechnisch parallel zu der Zufuhrleitung 13a geführt, wobei die Bypass-Leitung 19 das Ventil 15a umgeht.

In die Bypass-Leitung ist ein Absperrventil 17 geschaltet, welches als automatisches Absperrventil ausgeführt ist. Für die Strömung von Wasserstoff-Produktgas vom Gas-Separator 3 zum Puffertank 5 zu dessen Beladung im Normalbetrieb des Elektrolyseurs 1 ist mithin kein Ventil 17 mit Regelfunktion vorgesehen, was von Kostenvorteil ist. Die Druckeinstellung auf der Wasserstoffseite kann an anderer Stelle vorgenommen werden, etwa durch Einstellung des Drucks im Gas-Separator 3 ist ein Überströmen von Wasserstoff-Produktgas aus dem Gas- Separator 3 durch die Bypass-Leitung 19 in den Puffertank 5 auf einfache Weise erzielt. Für die bedarfsweise wohldosierte und geregelte Zufuhr bzw. Rückführung von Wasserstoff mit ei ner geringen Sauerstoffkonzentration, also guter Qualität, aus dem Puffertank 5 in den Gas-Separator 3 ist das Ventil 15a als Regelventil ausgeführt. Dieses Ventil 15a kann wegen der im allgemeinen erforderlichen geringeren Volumenströme zur Verdünnung entsprechend kleiner und kostengünstiger di mensioniert sein, insbesondere hinsichtlich des notwendigen Strömungsdurchmessers .

Im Betrieb wird nun bei einer kritischen Fremdgaskonzentrati on der Sauerstoffanteil im Wasserstoff-Produktgas, in dem dem Elektrolyseur 1 nachgeschalteten Gas-Separator 3, dadurch re duziert, dass dem Wasserstoff-Produktgas Wasserstoff besserer Qualität, das heißt mit einer geringen Sauerstoffkonzentrati on in gezielter und wohldosierter Weise zugeführt wird. Diese gezielte Zufuhr bewirkt dann im Gas-Separator 3 eine Mischung der Gase, wodurch eine Absenkung der Sauerstoffkonzentration erzielt wird. Die Sauerstoffkonzentration reduziert sich al lein schon aufgrund des Effekts der Gasmischung und der Ver dünnung des Sauerstoffs im Wasserstoff-Produktgas, der bei der Erfindung besonders vorteilhaft ausgenutzt wird. Somit ist ein Verwerfen des Wasserstoff-Produktgases im Gas- Separator 3 vermieden, da es bei der hier vorgeschlagenen Prozedur in diesem Behälter verbleibt. Das Gasvolumen kann daher beim Wiederanfahren des Elektrolyseurs verwendet wer den.

Indiziert nun eine Qualitätsmessung im Gas-Separator 3 eine schlechte Qualität, wird der Elektrolyseprozess angehalten. Anstatt nun das Gas im Gas-Separator 3 zu verwerfen, wird der Druck im Gas-Separator 3 nur insoweit abgesenkt, dass aus dem Puffertank 5 wieder sauberes Wasserstoffgas dem Gas-Separator 3 zugeführt wird. Es wird so lange sauberes Wasserstoffgas dem Gas-Separator 3 zugeführt, bis die Gasqualität gut ist, das heißt die Sauerstoffkonzentration ist kleiner als der vorbestimmte Grenzwert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Elektroly seanlage 100 gemäß FIG 3 ist gegenüber der FIG 2 sogar die Bypass-Leitung 19 entbehrlich. Hierzu ist in der Zufuhrlei tung 13a das Ventil 15a als ein in beide Richtungen durch- strömbares Regelventil ausgestaltet, also eine bidirektionale Regelarmatur eingesetzt. Die bidirektionale Ausführung des Ventils 15a als ein Regelventil erlaubt eine besonders fle xible Betriebsweise und Betriebsartwechsel mit einer Beladung des Puffertanks 5 einerseits in einem Normalbetrieb des Elektrolyseurs 1, bei dem Wasserstoff-Produktgas dem Puffer tank zuführbar und dieser beladbar ist. Andererseits ist be darfsweise im Abschaltbetrieb des Elektrolyseurs 1 dem Gas- Separator 3 Wasserstoff-Produktgas in der Gegenrichtung zu führbar.

FIG 4 zeigt in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausge staltung und flexiblen Weiterbildung der Erfindung, dass ein in einer Gasreinigungsstufe gewonnener Wasserstoff hoher Reinheit über eine Zufuhrleitung 15b dem Gas-Separator 3 zu führbar ist. Hierzu ist ein zweiter Puffertank 7 mit Wasser stoff hoher Reinheit bereitgestellt und in die Elektrolysean lage 100 integriert. Der zweite Puffertank 7 ist über eine Leitung 29 an den Puffertank 5 angeschlossen und dem Puffer tank 5 strömungstechnisch nachgeschaltet. In die Leitung 29 ist ein Rekombinator 9 integriert, eine so genannte DeOxo- Einheit, wo ein Gasreinigungsschritt an dem Wasserstoff- Produktgas aus dem Puffertank 5 durchführbar ist. Hierzu wird der Wasserstoff-Produktstrom dem Rekombinator 3 zugeführt, der als Katalysatormaterial Platin oder Radium enthält. Der Katalysator ist dabei vorteilhafterweise auf einem kerami schen oder metallischen Träger aufgebracht. Im Rekombinator 3 lässt der Katalysator den Wasserstoff mit dem Sauerstoff re- kombinieren, so dass Wasser entsteht. Der Produktstrom wird anschließend in einer nicht näher dargestellten Kühlvorrich tung gekühlt, da die Reaktion im Rekombinator 3 exotherm ver läuft. Der zweite Puffertank 7 ist dadurch mit Wasserstoff besonders hoher Reinheit bzgl. Fremdgasverunreinigung mit Sauerstoff beladbar, da die Gasqualität nach der katalyti schen Gasreinigung im Rekombinator 9 deutlich verbessert ist. Um den Rekombinationsprozess zu kontrollieren, werden im ge zeigten Ausführungsbeispiel vorzugsweise ein Druck p und eine Temperatur T des Wasserstoff-Produktgases sowohl am Eintritt als auch am Austritt des Rekombinators 3 erfasst und einer nicht näher dargestellten Kontrolleinheit zugeführt.

Da nach dem Gasreinigungsprozess die Gasqualität deutlich besser ist, wird weniger Volumenstrom für die Zufuhr von Was serstoff aus dem zweiten Puffertank 7 in den Gas-Separator 3 benötigt, um den gewünschten Verdünnungseffekt im Gas- Separator 3 hinsichtlich der gewünschten Reduzierung der Sauerstoffkonzentration unter den vorbestimmten Grenzwert zu erzielen. Entsprechend ist gemäß in FIG 4 die Leitung 29 als Verbindung zwischen Gas-Separator 3 und dem gereinigten Was serstoff im zweiten Puffertank 7 vorgesehen.

In die Leitung 29 ist ein Ventil 15b geschaltet, das als Re gelarmatur ausgestaltet ist. Dadurch kann unabhängig davon, ob sich die Gasqualität sprunghaft oder graduell ändert und auch unabhängig von Zeitskalen, in denen dieser Zustand auf- tritt oder anhält, eine betriebliche Unterbrechung vermieden werden. So wird zeitlicher Raum für eine flexiblere Service planung geschaffen, insbesondere sind Service- und Wartungs- arbeiten, die von Zeit zu Zeit an der Elektrolyseanlage 1 durchzuführen sind, besser planbar.

Auch für die Verbindung von Gas-Separator und dem Puffertank 3 bedeutet dies eine höhere konstruktive Flexibilität der An lagenauslegung der Elektrolyseanlage 100 dergestalt, dass das Ventil 15 a nun entweder in einer kostengünstigen Variante als Absperrventil ausgeführt sein kann (siehe FIG 1). In die sem Fall sollte bevorzugt und unabhängig vom Fehlerverlauf, der die verschlechterte Gasqualität ausgelöst, sei es ein sprunghaftes oder graduelles, einmaliges oder länger anhal tendes Überschreiten des Grenzwerts der Sauerstoffkonzentra- tion, die Verdünnung des Wasserstoff-Produktgases im Gas- Separator 3 über den zweiten Puffertank 5 nach dem Gasreini gungsschritt im Rekombinator 7 erfolgen.

In alternativer und weiter bevorzugter Ausgestaltung kann die Armatur in der Zufuhrleitung 13a zwischen Gas-Separator 3 und Puffertank 5 auch entsprechend FIG 2 oder FIG 3 ausgeführt werden und ermöglicht somit viele Freiheitsgrade und Hand lungsoptionen für eine auf den Fehlerfall angepasste Be triebsführung .

Als besonderer wirtschaftlicher Vorteil erweist sich, dass das Stickstoff-System 23 durch die vorgeschlagene Anlagenkon zept für die Elektrolyseanlage 100 deutlich kompakter gestal tet werden kann. Mit dem Konzept ist es ausreichend, ledig lich noch den kontinuierlichen Stickstoffverbrauch für den so genannten Kompressorbetrieb bereitzustellen.

Die Menge an Stickstoff, die für Servicezwecke des Gas- Separators 3 benötigt wird, kann beispielsweise über Stick stoff-Flaschenbündel bereitgestellt werden oder über einen Stickstofftank, der zwar wie bisher durch das Volumen des Gas-Separators 3 bestimmt ist, allerdings nunmehr sehr lang sam während des Normalbetriebs gefüllt werden kann. Dies ins besondere deswegen, da Wartungsarbeiten besser geplant werden können und da die herkömmliche Vorgehensweise einer doppelten Vorhaltung des bei Bedarf erforderlichen Stickstoffvolumens für den Fall einer (erneuten) Fehlerabschaltung während der Inbetriebnahme oder kurz danach nicht mehr notwendig ist. Dieser Fehlerfall kann mit der oben beschriebenen Verfahrens weise sehr wirtschaftlich behandelt werden.