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₎ als austreten. Die jeweilige Trennung der Wasser- und Gasphase in den Fluidströmen erfolgt in Gasabscheidern oder Gas- Separatoren .

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 bei einer PEM-Elektrolyseanlage vom Membranmateri al ab. Systemimmanent ist dabei, dass im Gasstrom des einen Produktgases jeweils das andere Produktgas in sehr geringen Mengen vorliegt. Im weiteren Prozessverlauf werden in der Re gel in nachgeschalteten Schritten der Gasreinigung selbst ge ringe Sauerstoffspuren aus dem Wasserstoff mit zum Teil sehr aufwändigen und kostenintensiven Reinigungsschritten ent fernt, insbesondere wenn eine besonders hohe Produktgasquali tät gefordert ist, wie dies etwa bei der Nutzung des Wasser stoffs z.B. für Brennstoffzellen der Fall ist.

Beispielsweise können in einer Elektrolyseanlage zur Gasrei nigung der Produktgasströme aus dem Elektrolyseur insbesonde re beide Produktgasströme einem jeweiligen, katalytisch akti vierten Rekombinator zugeführt werden, in dem ein Katalysator den Wasserstoff mit dem Sauerstoff zu Wasser rekombinieren lässt (DeOxo-Einheit). Dazu muss der Gasstrom zuvor auf min destens 80°C aufgeheizt werden, damit die Umsatzraten des Re- kombinators ausreichend hoch sind und somit die geforderte Gasreinheit erreicht wird. Die dafür genutzte verfahrenstech nische Anlage ist jedoch teuer und reduziert auf Grund ihres Energiebedarfs den Systemwirkungsgrad der gesamten Elektroly seanlage. Deswegen ist bereits auf die Reinheit und Qualität der im Elektrolyseur zunächst entstehenden und aus dem Elekt rolyseur abgeführten Produktgasströme zu achten, auch um ne ben Betriebssicherheitsaspekten auch die Kosten und Aufwand für die nachfolgenden Reinigungsschritte noch in vertretbarem Rahmen zu halten. Die Reinheit bzw. Qualität der beiden Produktgasströme der ursprünglich im Elektrolyseur produzierten Gase ist dabei von vielen Parametern abhängig und kann sich auch im Laufe des Betriebs einer Elektrolyseanlage ändern. Problematisch und besonders sicherheitsrelevant ist hierbei einerseits, wenn sich die Konzentration von Sauerstoff in Wasserstoff erhöht, andererseits aber auch, wenn sich die Konzentration von Was serstoff in Sauerstoff erhöht. Wird hier ein bestimmtes Kon zentrationslimit überschritten, vor allem im jeweiligen Gas- Separator (Behälter) unmittelbar stromab der Elektrolyse, so kann beispielsweise das produzierte Sauerstoffgas nicht mehr für weitere Zwecke übergeben werden. Steigt der Anteil von Wasserstoff im Sauerstoff-Produktgas weiter, dann kann sogar ein brennbares bzw. explosives Gemisch entstehen. Dann herrscht in dem Gas-Separator (Behälter) ein potenziell ge fährlicher Betriebszustand, den es aus Sicherheitsgründen un bedingt zu vermeiden gilt. Dies gilt entsprechend auch auf der Wasserstoffseite.

Daher ist eine zuverlässige und kontinuierliche Überwachung der Gasqualität der Produktgase im Betrieb des Elektrolysean lage unerlässlich. Dies gilt in besonderer Weise auch auf der Sauerstoffseite des Elektrolyseurs, das heißt die Überwachung der Konzentration von Wasserstoff als Fremdgas in dem bei der Elektrolyse produzierten Sauerstoff. Die Überwachung und ent sprechende Betriebsführung stellt eine wichtige Schutzvorkeh rung dar, um kritische Betriebszustände zu erkennen und um Sicherheitsmaßnahmen bis hin zum temporären Abschalten der Elektrolyseanlage 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 Sauerstoff- Produktgas aus einem Elektrolyseur, welches auch Wasserstoff als Fremdgas enthält, einem nachgeschalteten Gas-Separator zugeführt wird, wobei bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwerts für die Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff- Produktgas dem Gas-Separator Druckluft zugeführt wird, so dass im Gas-Separator durch die Mischung der Gase eine Ver dünnung des Wasserstoffs im Sauerstoff-Produktgas bewirkt wird, wobei die Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff- 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 Sauerstoff-Produktgas auch Wasserstoff als Fremdgas enthält, sowie ein Druckluft-System mit einem Gasbehälter zur Bevorra tung von Druckluft, wobei der Elektrolyseur über eine Pro duktstrom-Leitung für das Sauerstoff-Produktgas an einen Gas- Separator angeschlossen ist, und wobei das Druckluft-System über eine Zufuhrleitung mit dem Gas-Separator verbunden ist, so dass bedarfsweise dem Gas-Separator Druckluft aus dem Gas behälter zuführbar 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 Sauerstoffs anlagentechnisch aufwändig sind und daher wirtschaftlich er hebliche Nachteile aufweisen.

Für eine Qualitätsmessung auf der Sauerstoffseite einer Elektrolyseanlage wird in bisherigen Betriebskonzepten übli cherweise die Konzentration von Wasserstoff im Sauerstoff- Produktgas im entsprechenden Gas-Separator gemessen und über wacht. Überschreitet die Konzentration einen vorbestimmten Grenzwert, so wird der Betrieb des Elektrolyseurs angehalten. An dem den Sauerstoff enthaltenden Gas-Separator wird eine Druckentlastung durchgeführt, das heißt dieser Gasbehälter wird vollständig entlüftet und drucklos gestellt. Ein Verwer fen des Sauerstoffgases und ein kompletter Austausch des Ga ses in dem Gasbehälter ist erforderlich. Durch die Drucken- lastung bzw. vollständige Entlüftung auf der Sauerstoffseite muss auch auf der Wasserstoffseite das gesamte wertvolle Was serstoff-Produktgas im entsprechenden Gas-Separator verworfen werden, insbesondere um dem hohen Differenzdruck durch die Entlüftung entgegenzuwirken und um Systemschäden über der PEM-Membran zu vermeiden. Auch das Wasserstoff-Produktgas wird daher aus dem Behältervolumen des Gas-Separators und eventuellen Zuleitungen des wasserstoffseitigen Gassystems vollständig abgelassen. Hierzu wird der Gas-Separator voll ständig entlüftet. Das gesamte Gassystem inklusive der Gas- Separatoren wird anschließend durch eine aufwändige Spülpro zedur zur Inertisierung mit Stickstoff aus einem Speicherbe hälter im Stickstoff-System der Elektrolyseanlage gespült.

Das Stickstoff-System muss für diesen sicherheitsrelevanten Bedarf an Stickstoff entsprechend großvolumig ausgelegt wer den, um ausreichend Stickstoff vorzuhalten. Nachdem die Ursa che für die kritische Qualität des Sauerstoff-Produktgases behoben ist, wird die Elektrolyse wieder gestartet. Durch das Inertgas Stickstoff im Gassystem 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 Stick stoff-Inertisierungssystems und einer Stickstoffbevorratung gerade auch das Verwerfen des erzeugten Wasserstoff- Produktgases unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten besonders nachteilig .

Hier setzt die vorliegende Erfindung gezielt an, indem eine kritische Fremdgaskonzentration an Wasserstoff im Sauerstoff- Produktgas, welches sich in dem entsprechenden, dem Elektro lyseur nachgeschalteten Gas-Separator, befindet, dadurch re duziert wird, dass zur Inertisierung dem Sauerstoff-Produkt gas Druckluft guter Qualität in gezielter und wohldosierter Weise zugeführt wird. Die gezielte Zufuhr von Druckluft aus dem Druckluft-System bewirkt im Gas-Separator eine Mischung der Gase, wodurch eine Absenkung der Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff erreicht wird, wobei der Verdünnungseffekt durch die Mischung der Gase ausgenutzt wird. Die Druckluft erfüllt somit die Aufgabe der Inertisierung und Verdünnung, ähnlich eines Inertgases, um kritischen Zuständen im Gas- Separator zu begegnen. Die Wasserstoffkonzentration reduziert sich allein schon aufgrund des Effekts der innigen Gasmi schung und der Verdünnung des Wasserstoffs im Sauerstoff- Produktgas durch die Zufuhr von Druckluft zur Inertisierung bzw. Verdünnung, so dass beispielsweise eine Explosionsgefahr durch ein zündfähiges Gemisch vermieden wird. Dieser Effekt wird bei der Erfindung besonders vorteilhaft ausgenutzt. So mit wird einerseits ein Verwerfen des Sauerstoff-Produktgases im Gas-Separator auf der Sauerstoffseite vermieden, da es bei der hier vorgeschlagenen Prozedur in diesem Behälter ver bleibt, wobei ein Behälterdruck aufrechterhalten wird. Das Gasvolumen kann daher beim Wiederanfahren des Elektrolyseurs verwendet werden. Die Sauerstoffausbeute der Elektrolyseanla ge erhöht sich, da praktisch kein bereits erzeugter hochwer tiger Sauerstoff verworfen wird.

Von ganz besonderem Vorteil erweist sich nun aber anderer seits, dass auf der Wasserstoffseite ein Verwerfen des wert vollen Wasserstoff-Produktgases im Gas-Separator dadurch ebenfalls vermieden wird. Das Wasserstoff-Produktgas ver bleibt bei der hier vorgeschlagenen Prozedur der Erfindung in dem wasserstoffseifigen Behälter des Gas-Separators, wobei ein Behälterdruck aufrechterhalten wird und keine vollständi ge Entlüftung vorgenommen wird. Vorteilhaft kann hierdurch ein nennenswerter Anstieg des Differenzdruckes zwischen Sau erstoffseite und Wasserstoffseite des Elektrolyseurs, insbe sondere über der Membran eines PEM-Elektrolyseurs, gezielt vermieden werden. Das Gasvolumen an Wasserstoff-Produktgas im Gasbehälter, dem wasserstoffseifigen Gas-Separator, kann nun mehr beim Wiederanfahren des Elektrolyseurs verwendet werden, was die Wirtschaftlichkeit erhöht. Ebenso kann die aufwändige und vollständige Spülung und Iner tisierung des gesamten Gassystems, insbesondere des Gas- Separators, mit Stickstoff entfallen und ein noch erforderli ches Stickstoff-System an der Elektrolyseanlage aufgrund der Nutzung des Druckluft-Systems entsprechend kleiner dimensio niert werden.

In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens wird Luft bei Atmosphärendruck angesaugt und auf einen Arbeitsdruck kompri miert und als Druckluft dem Gas-Separator zugeführt. Hierbei wird vorteilhafterweise Luft aus der Umgebung angesaugt, die sich auf Atmosphärendruck befindet. Durch die Komprimierung wird die Luft auf ein gewünschtes Druckniveau des Arbeits drucks gebracht, das dadurch flexibel anpassbar ist an den Behälterdruck des Sauerstoff-Produktgases im Gas-Separator je nach aktuellem Betriebszustand und Fahrweise der Elektrolyse anlage. Zur präzisen Einstellung des Arbeitsdrucks auf das gewünschte Druckniveau und die Zufuhr der Druckluft in den Gas-Separator können strömungstechnische Stellelemente ver wendet werden, wie beispielsweise Druckminderer, Druckregler, Regelventile oder Blenden, die bevorzugt über eine Mess- und Steuereinrichtung betrieben werden. Die Druckluft erfüllt die Aufgabe der Inertisierung und Verdünnung, ähnlich wie die Wirkung eines Inertgases, wobei einfach auf Umgebungsluft zu rückgegriffen werden kann, was sehr kostengünstig ist und an lagentechnisch einfacher realisierbar.

Vorzugsweise wird die Wasserstoffkonzentration in dem Gas- Separator gemessen. Besonders bevorzugt wird die Konzentra tion von Wasserstoff als Fremdgas in dem Sauerstoff-Produkt gas dabei in-situ in dem Gas-Separator gemessen und über wacht.

Die Messung und Überwachung der Wasserstoffkonzentration wird dabei unter Anwendung entsprechend sensitiver Gassensoren durchgeführt, wobei bevorzugt auch Überwachungs- und Kontrol- leinheiten für eine selektive Gas-Sensorik zur Anwendung kom- men, um die Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff-Produktgas zuverlässig „in-situ" zu bestimmen und zu überwachen. Dies gilt einerseits für den regulären Betrieb der Elektrolysean lage, aber vorteilhafterweise auch während des Verfahrens des Absenkens der Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff-Produkt gas unter den gewünschten vorbestimmten, kritischen Grenz wert. Hierdurch werden kritische Betriebszustände im Gas- Separator zuverlässig erkannt und gefährlichen Betriebszu ständen, insbesondere hinsichtlich einer Explosionsgefahr durch zündfähige Gasgemische aus Wasserstoff in dem Sauer stoff-Produktgas, kann frühzeitig entgegengewirkt werden.

Vorzugsweise wird Druckluft einem druckbeladenen Gasbehälter entnommen und dem Gas-Separator zugeführt. In dem druckbela denen Gas-Behälter wird mithin Druckluft als Inertisierungs oder Verdünnungsgas unter einem Druck eingebracht, gespei chert und bevorratet und für die Verdünnungszwecke in ausrei chendem Volumen für den Bedarf vorgehalten. Der druckbeladene Gas-behälter wirkt daher als Speicher oder Vorratsbehälter für das Inertgas und ist entsprechend dimensioniert.

Somit ist erreicht, dass nur im Bedarfsfall eine Zufuhr von Inertgas zur Verdünnung und Absenkung der Wasserstoffkonzent ration vorgenommen wird. Der Gasbehälter ist dabei bevorzugt mit Druckluft guter Qualität, also hoher Reinheit, beladen, das heißt die Druckluft Inertgas weist eine geringe oder sehr geringe schädigende Fremdgaskonzentration auf. Insbesondere sind wasserlösliche Fremdgasbestandteile in der Druckluft zu vermeiden, da diese bei Zufuhr in den Gas-Separator sich auf grund des Phasengemisches in dem Prozesswasser (Edukt) für die weitere Wasserelektrolyse auflösen können und zumindest langfristig nachteilig auf den Betrieb und die Standzeiten der Elektrolyseanlage auswirken. An der Phasengrenze flüssig gasförmig in dem Gas-Separator findet nämlich ein Medienaus tausch statt. Für den stationären Zustand kann man annehmen, dass die Gasphase der Produktgase vollständig mit Wasserdampf gesättigt vorliegt. In dem Gasbehälter wird ein entsprechenden Gasvorrat an Druckluft gespeichert und vorgehalten. Der Gasbehälter ist als Druckbehälter ausgebildet, der hinsichtlich Volumen ent sprechend bedarfsgerecht ausgelegt und konstruktiv angepasst ist. Der Gasbehälter wird vorteilhafterweise im Normalbetrieb des Elektrolyseurs, das heißt bei der elektrochemischen Zer legung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, mit Druck luft beladen, so dass ein Gasvorrat an Druckluft mit guter Qualität in dem dann als Pufferspeicher oder Vorratstank wir kenden Gasbehälter vorgehalten wird. Es ist auch denkbar, dass im Normalbetrieb des Elektrolyseurs der Gasbehälter kon tinuierlich durchströmt wird, so dass jederzeit ein Volumen zur Verfügung steht, sollte die Gasqualität sich über den kritischen Wert einer noch tolerierbaren Wasserstoffkonzent- ration im Sauerstoff-Produktgas verschlechtern.

In vorteilhafter Ausgestaltung wird Luft bei Atmosphärendruck angesaugt etwa aus der Umgebung, komprimiert und der Gasbe hälter wird mit der komprimierten Luft beladen, also mit Druckluft gefüllt Zur Kompression der Luft wird bevorzugt ein Kompressor eingesetzt, der ölfrei ist, um die den Eintrag von ölbasierten Fremdgasbestandteilen in die Luft zu vermeiden. Das Druckverhältnis und die Kompressionsleistung sind ent sprechend angepasst. Das Inertgas wird vorteilhafterweise bei Atmosphärendruck von dem Kompressor angesaugt und auf das ge wünschte Druckniveau, insbesondere zur Beladung des Gasbehäl ters, komprimiert. Vorteilhafterweise erfolgt die Einbindung des Gasbehälters für Druckluft zur bedarfsweisen Zufuhr von Druckluft zu dem Gas-Separator auf der Sauerstoffseite in das Betriebskonzept der Elektrolyseanlage. Dieser Gasbehälter steht üblicherweise unter einem Arbeitsdruck und enthält Druckluft mit einer guten Qualität bzw. hoher Reinheit bzgl. Fremdgasbestandteilen .

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird in einem Reinigungsschritt die Druckluft von wasserlöslichen Fremdbestandteilen wie Kohlenstoffdioxid (CO ₂₎ und/oder Schwefeldioxid (SO ₂₎ , befreit. Für den Fall, dass die Quali- tat und Reinheit der Druckluft nicht ausreichend ist, wird bevorzugt eine Gasreinigung durchgeführt, bevor die Druckluft zur Verdünnung seiner Verwendung zur Reduzierung der Wasser stoffkonzentration im Sauerstoff-Produktgas Gas-Separator zu geführt wird.

Auf die Qualität der verwendeten Druckluft wird vorteilhaf terweise ein ganz besonderes Augenmerk gelegt, insbesondere dass sich keine ggf. die Elektrolyseanlage schädigenden Fremdgasbestandteile in einer kritischen Konzentration mehr im Inertgas befinden. Beispielsweise wird bei der Verwendung von Luft oder Druckluft als Inertgas durch den Reinigungs schritt vorteilhafterweise dafür gesorgt, dass keine nennens werten Bestandteile in der verbleiben, die in Wasser chemisch gelöst werden und/oder die Reaktionen auf der Sauerstoffseite der Elektrolysezelle nachteilig beeinflussen. Hier ist bei spielsweise Kohlenstoffdioxid anzuführen. Weitere Bestandtei le wie etwa Schwefeldioxid je nach Konzentration in der ange saugten Luft können standortspezifisch eine Rolle spielen, die es im Inertgas zu vermeiden gilt. Für diese Bestandteile ist daher ein geeigneter Reinigungsschritt vorgesehen.

Hierzu wird bevorzugterweise in dem Reinigungsschritt die Druckluft mit einem Adsorptionsmittel und/oder einem Absorp tionsmittel derart in Kontakt gebracht, so dass die wasser löslichen Fremdgasbestandteile aus der Druckluft abgeschieden und gebunden werden, wobei dass Inertgas hoher Reinheit ge wonnen wird. Die Ausgestaltung des Reinigungsschritts unter Ausnutzung der Adsorption oder der Absorption oder Kombinati onen aus beiden Trennverfahren ist dabei besonders wirksam, um die Fremdgasbestandteile aus dem Inertgas herauszulösen bzw. abzuscheiden. Als Adsorption bezeichnet man die Anrei cherung von Stoffen aus Gasen oder Flüssigkeiten an der Ober fläche eines Festkörpers, allgemeiner an der Grenzfläche zwi schen zwei Phasen. Davon unterscheidet sich die Absorption, bei der die Stoffe in das Innere eines Festkörpers oder einer Flüssigkeit eindringen. Hierdurch kann das Inertgas, bei- spielsweise basierend auf Luft, mit hoher Reinheit und Quali tät gewonnen werden.

Vorzugsweise wird als Elektrolyseur ein PEM-Elektrolyseur verwendet, wobei ein Differenzdruck zwischen Wasserstoff- Produktgas und dem Sauerstoff-Produktgas derart geregelt wird, dass ein maximaler Druckunterschied über der Proton- Exchange-Membrane nicht überschritten wird.

Mit einer Differenzdruckregelung einer PEM-basierten Elektro lyseanlage wird insbesondere die Membran geschützt, da die Druckdifferenz zwischen Sauerstoffseite und Wasserstoffseife auf einem zulässigen Sollwert gefahren wird, um einen mög lichst hohen Anlagenwirkungsgrad und entsprechende Wasser stoffausbeute zu erzielen bei gleichzeitiger Betriebssicher heit. Über vorhandene Regelventile und Regeleinrichtungen für die Betriebsführung kann vorteilhafterweise der Differenz druck auch bei der Erfindung weiterhin geregelt werden. Die Druckniveaus können daher auf der Wasserstoffseite und der Sauerstoffseite unterschiedlich sein, solange ein zulässiger Differenzdruck mit Blick auf die Membran beachtet wird, auf den hin geregelt wird. Generell sind Elektrolyseure für den Betrieb im Differenzdruckmodus konzipiert und gut geeignet.

So kann beispielsweise die Wasserstoffseite mit einem hohen Druck gefahren werden, während die Sauerstoffseite gleichzei tig drucklos in die Atmosphäre entlüftet. Es können sich aber auch sowohl Wasserstoffseite als auch Sauerstoffseite auf ei nem jeweiligen höheren Arbeitsdruck gegenüber der Atmosphäre befinden.

Vorzugsweise wird die Erzeugung von Wasserstoff und Sauer stoff in dem Elektrolyseur, insbesondere nur vorübergehend, angehalten .

Der Normalbetrieb der Elektrolyseanlage wird also vorteilhaf terweise nur so lange unterbrochen, bis durch die Zufuhr von Druckluft guter Qualität und hoher Reinheit aus dem Gasbehäl ter in den sauerstoffseitigen Gas-Separator zur Verdünnung und Absenkung der Wasserstoffkonzentration unter den Grenz wert erreicht ist. Dadurch ist die benötigte Zeit zur Fehler behebung mit einhergehendem Betriebsstillstand des Elektroly seurs für das Verfahren gemäß der Erfindung vorteilhafter weise erheblich reduziert gegenüber den herkömmlichen Verfah ren. Bei diesen herkömmlichen Verfahren erfolgt ein vollstän diges Ablassen sowohl des Sauerstoff-Produktgases als auch des Wasserstoff-Produktgases, wobei der jeweilige Gas-Separa tor entleert wird. Anschließend wird das Gassystem mit Stick stoff aus dem Stickstoff-System der Elektrolyseanlage voll ständig inertisiert und schließlich die Elektrolyseanlage wieder angefahren bis zum Erreichen bzw. Wiederaufnahme eines Normalbetriebszustands des Elektrolyseurs mit guter Qualität der Produktgase.

Daher ist es besonders vorteilhaft die Verdünnung mit kompri mierter Luft, also Druckluft, vorzunehmen. Die Verfügbarkeit von Luft bzw. Druckluft ist bei einer Elektrolyseanlage ein fach gegeben, da Elektrolyseanlagen üblicherweise bereits über ein Druckluft-System verfügen. Somit ist Luft bzw. Druckluft verfügbar, indem zur Besorgung des Verdünnungsgases vorteilhaft auf das Druckluft-System zurückgegriffen werden kann. Dies ist auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten sehr günstig. Bevorzugt sind dabei Reinigungsschritte zur Konfek tionierung des Inertgases für den Einsatzzweck angewendet, wie oben beschrieben. Im Vergleich zur Verwendung des Stick stoffsystems ist die Einbindung des Druckluft-Systems in das Anlagenkonzept der Elektrolyseanlage sehr viel günstiger.

Das Volumen an Luft bzw. Druckluft, welches zur Beseitigung eines potenziell gefährlichen Zustandes hoher Wasserstoffkon zentration im Gas-Separator zur Zudosierung und Verdünnung benötigt wird, ist deutlich geringer als bei den bekannten Verfahren, da keine vollständige Entleerung und Spülung des Gas-Separators vorgesehen ist. Da zudem für die Erzeugung von Stickstoff in einem Stickstoff-System ein Vielfaches an ge reinigter Druckluft nötig ist, fällt die notwendige Kapazität des Druckluft-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einer Elektrolyseanlage, in dem Stickstoff vor Ort zur vollständigen Inertisierung des Gas-Separators auf Sauerstoffseite verwendet wird, deutlich niedriger aus.

Die Elektrolyseanlage gemäß der Erfindung umfasst demenspre- chend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, bei dem das Sauerstoff-Produktgas auch Wasserstoff als Fremdgas enthält, sowie ein Druckluft- System mit einem Gasbehälter zur Bevorratung von Druckluft, wobei der Elektrolyseur über eine Produktstrom-Leitung für das Sauerstoff-Produktgas an einen Gas-Separator angeschlos sen ist, und wobei das Druckluft-System über eine Zufuhrlei tung mit dem Gas-Separator verbunden ist, so dass bedarfs weise dem Gas-Separator Druckluft aus dem Gasbehälter zuführ- bar ist.

Die Trennung der Wasser- und Gasphase erfolgt in dem Gas- Separator oder Gasabscheider. Der Gas-Separator ist dabei be vorzugt als Schwerkraftabscheider aufgebaut, sodass die Was serphase unten und die Gasphase, vorliegend das Sauerstoff- Produktgas, oben abgenommen werden kann. Die Wassersäule in nerhalb der Abscheider dient zudem als Pufferspeicher bei wechselnden Lastvorgaben. An der Phasengrenze in dem Gas- Separator findet ein Medienaustausch statt. Für den stationä ren Zustand kann angenommen werden, dass die Gasphase des Produktgases, vorliegend Sauerstoff-Produktgas, vollständig mit Wasserdampf gesättigt vorliegt. Entsprechendes gilt für einen Gas-Separator auf der Wasserstoffseite der Elektrolyse anlage mit der Phasentrennung von Wasserstoff-Produktgas und Prozesswasser (Edukt) für die Elektrolyse.

Dabei ist bevorzugt in die Zufuhrleitung ein Ventil geschal tet, das insbesondere als Regelventil ausgestaltet ist. Die Ausgestaltung des Ventils als Regelarmatur gestattet eine ge naue Dosierung der Gaszufuhr von Inertgas zum Gas-Separator auf der Sauerstoffseite. Die Ventilposition des Regelventils kann vorteilhafterweise mit einer hydraulischen oder elektro mechanischen Ventilsteuerung oder Ventil-Regeleinrichtung an- gesteuert werden. Eine entsprechende Steuer- und Regelein richtung sowie Sensoreinrichtungen ist in das Anlagenkonzept der Elektrolyseanlage bevorzugt integriert.

Vorzugsweise ist in die Zufuhrleitung eine Reinigungseinrich tung für die Druckluft geschaltet, so dass Fremdbestandteile aus der Druckluft abtrennbar sind.

Weiter bevorzugt weist die Reinigungseinrichtung ein Adsorp tionsmittel und/oder ein Absorptionsmittel auf, mittels derer Fremdgasbestandteile aus der Druckluft adsorbierbar und/oder absorbierbar sind. Die Materialien können entsprechend ge wählt werden, um die Reinigungseinrichtung auf die Anforde rung anzupassen. Von besonderem Interesse ist die Abscheidung bzw. Abtrennung von wasserlöslichen Fremdgasbestandteilen in der Druckluft oder Spuren von ursprünglich vorhandenen Be standteilen, was insbesondere bei der Verwendung von Luft aus der Umgebung als Inertgas bedeutsam ist. Hier ist eine Ad sorption bzw. Absorption von Kohlenstoffmonoxid oder Schwe feldioxid aus der Luft besonders vorteilhaft. Ein Adsorbens oder Adsorptionsmittel dient zur Entfernung von Spurenstoffen aus der Luft. Entsprechendes gilt für Absorbenzien oder Ab sorptionsmittel .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage weist diese einen Kompressor auf, an den der Gasbehälter über eine Verbindungsleitung angeschlossen ist, so dass kompri mierte Luft, also Druckluft, dem Gasbehälter zuführbar bzw. in den Gasbehälter hinein dosierbar ist.

Weiterhin bevorzugt ist der Kompressor als ölgeschmierter Luftkompressor ausgestaltet, dem ein Ölfilter nachgeschaltet ist. Der Ölfilter ist entsprechend leistungsfähig hinsicht lich der Filterleistung von Ölbestandteilen in der kompri mierten Luft ausgestaltet.

Bei der Qualität bzw. der Reinheit der Druckluft ist insbe sondere darauf zu achten, dass ausreichende Ölfreiheit ge- währleistet ist. Ansonsten bestünde die Gefahr, dass sich Ölrückstände in der Sauerstoffatmosphäre entzünden. Auch sind Ölrückstände als gasförmige Fremdbestandteile in der Druck luft im Allgemeinen möglichst zu vermeiden, um einen zuver lässigen Betrieb der Elektrolyseanlage mit einer hohen Ver fügbarkeit sicherzustellen. Dies kann beispielsweise auf zwei Wegen erfolgen. So kann bei Verwendung eines ölgeschmierten Luftkompressors vor dem Einsatz der Druckluft zur Inertisie rung vorteilhafterweise ein entsprechender Ölfilter instal liert sein. Mit dem Einsatz solcher hocheffizienten Ölfilter kann eine Ölfreiheit der Klasse 2, mit sehr geringen Restöl mengen von weniger als 0,1 mg/m ³ erzielt werden.

Alternativ können bei der Verdichtung der Luft auf das ge wünschte Druckniveau auch ölfreie Kompressoren eingesetzt werden, so dass dann auch die dem Gas-Separator zugeführte Druckluft komplett ölfrei ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist der der Kompressor daher als ölfreier Kompressor ausgestaltet.

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

FIG 1 eine bekannte Elektrolyseanlage mit Stickstoff-

System zur Inertisierung und Spülung,

FIG 2 eine Elektrolyseanlage mit Druckluft--System gemäß der Erfindung,

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 als ein PEM- oder Alkali-Elektrolyseur ausgeführt ist. Der Elektrolyseur 1 umfasst mindestens eine hier nicht näher ge zeigte Elektrolysezelle zum elektrochemischen Zerlegen von Wasser. Die Elektrolyseanlage 100 weist zudem ein Stickstoff- System 3 auf, das einen Stickstoff-Behälter 5 umfasst. Ein Verdichter 7 ist an das Stickstoff-System 3 angeschlossen, um das Stickstoff-System 3 zu versorgen. Über eine Spülleitung 9 ist das Stickstoff-System 3 an einen Gas-Separator 11 ange schlossen, so dass bei Bedarf Stickstoff zur Spülung des Gas- Separators 3 dem Stickstoff-Behälter 5 entnommen und dem Gas- Separator 3 über die Spülleitung 9 zuführbar ist (Stickstoff- Inertisierung) . Der Stickstoff-Behälter 3 ist für den Bedarf an Stickstoff in der Elektrolyseanlage 100 entsprechend groß- volumig dimensioniert und druckbeaufschlagt. Für eine Inerti sierung sind - neben anderen Aufgaben - bedarfsweise große Mengen an Stickstoff in der Elektrolyseanlage erforderlich, die in dem Stickstoff-Behälter 5 vorzuhalten sind.

In den Elektrolyseur 1 wird über eine Eduktstrom-Leitung 13 ein Eduktstrom aus Wasser eingeführt. Das Wasser wird im Elektrolyseur 1 in die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch zerlegt und beide Produktströme werden sepa rat aus dem Elektrolyseur 1 hinausgeleitet. Für die Hinaus leitung des Sauerstoff-Produktstroms weist der Elektrolyseur 1 eine Produktstrom-Leitung 15 auf, mit deren Hilfe ein ers tes Produkt, hier Sauerstoff aus der Elektrolyse, hinausge führt wird. Der hier beschriebene Aufbau der Elektrolyseanla ge 100 betrachtet den Sauerstoff-Produktstrom. Wasserstoff seitig liegt ein entsprechender anlagentechnischer Aufbau in der Elektrolyseanlage 100 vor, was in der FIG 1 aus Über- sichtsgründen nicht näher gezeigt und im Detail ausgeführt ist. Dementsprechend ist für die Hinausleitung des Wasser stoff-Produktstroms aus dem Elektrolyseur 1 eigens eine Pro duktstrom-Leitung 17 vorgesehen, mit deren Hilfe ein zweites Produkt, nämlich der aus der Elektrolyse gewonnene Wasser stoff, hinausgeführt wird. Der gewonnene Wasserstoff wird an schließend in weiteren - in der FIG 1 nicht näher dargestell ten - Komponenten der Elektrolyseanlage 100 behandelt und prozesstechnisch weiterverarbeitet.

Der Elektrolyseur 1 ist sauerstoffseitig über die Produkt strom-Leitung 15 an den Gas-Separator 11 angeschlossen. An den Gas-Separator 11 ist eine Entlüftungsleitung 19 ange schlossen, über die der Gas-Separator 11 bei Bedarf vollstän dig durch Druckentlastung entleert werden kann, so dass die ser drucklos steht bzw. unter Atmosphärendruck. Weiterhin ist ein Druckluft-System 21 umfassend einen Gasbehälter 23 und einen Luftkompressor 25 vorgesehen, so dass dem Gasbehälter 23 komprimierte Luft aus dem Luftkompressor 25 über die Ver bindungsleitung 27 zuführbar ist. Der Gasbehälter 23 kann auf diese Weise mit komprimierter Luft L (Druckluft) beladen für weitere Zwecke bevorratet werden. So ist zur Versorgung des Stickstoff-Systems 3 mit komprimierter Luft L das Druckluft- System 21 über eine Versorgungsleitung 29a angeschlossen. Die Versorgung einer anderen Verbrauchseinheit 31 mit komprimier ter Luft L erfolgt über eine Versorgungsleitung 29b.

Im Betrieb des Elektrolyseurs 1 im Anlagenkonzept der FIG 1 wird Sauerstoff-Produktgas dem Gas-Separator 11 zugeführt.

Für eine Qualitätsmessung des Sauerstoff-Produktgases wird in diesem Betriebskonzepten die Konzentration von Wasserstoff im sauerstoff-Produktgas im Gas-Separator 11 fortlaufend gemes sen und überwacht. Überschreitet die Konzentration einen vor bestimmten Grenzwert, so wird der Betrieb des Elektrolyseurs 1 angehalten und das gesamte Sauerstoff-Produktgas im Gas- Separator 11 verworfen. Das Sauerstoff-Produktgas wird aus dem Behältervolumen des Gas-Separators 11 und eventuellen Zu leitungen des sauerstoffseitigen Gassystems vollständig abge- lassen. Hierzu wird der Gas-Separator 11 vollständig über die Entlüftungsleitung 19 entlüftet und drucklos gestellt. Das gesamte Gassystem inklusive Gas-Separator 11 wird anschlie ßend durch eine aufwändige und kostenintensive Spülprozedur zur Inertisierung mit Stickstoff aus einem Stickstoff- Behälter 5 im Stickstoff-System 3 der Elektrolyseanlage 100 gespült. Das Stickstoff-System 3 muss für diesen sicherheits relevanten Bedarf an Stickstoff entsprechend großvolumig aus gelegt werden, um ausreichend Stickstoff vorzuhalten. Nachdem die Ursache für die kritische Qualität des Sauerstoff- Produktgases behoben ist, wird die Elektrolyse wieder gestar tet. Durch das Spülen des Gassystems mit Stickstoff und ins besondere in des Gas-Separators 11 muss zunächst auch das neu produzierte Sauerstoff-Produktgas verworfen werden, und zwar so lange, bis die gewünschte Gasqualität wieder erreicht ist.

Durch die Druckentlastung bzw. vollständige Entlüftung auf der Sauerstoffseite in dem Gas-Separator 11 für die Spülpro zedur mit Stickstoff muss auch auf der Wasserstoffseite das gesamte wertvolle Wasserstoff-Produktgas in einem entspre chenden - in der FIG 1 nicht näher gezeigten - Gas-Separator vollständig verworfen werden, insbesondere um dem hohen Dif ferenzdruck durch die Entlüftung entgegenzuwirken und um Sys temschäden über der PEM-Membran zu vermeiden. Es ist also ne ben dem Vorhalten eines großvolumigen Stickstoff-Systems 3 zur Inertisierung und ausreichender Stickstoffbevorratung ge rade auch das damit einhergehende Verwerfen des erzeugten Wasserstoff-Produktgases auf der Wasserstoffseite unter wirt schaftlichen Gesichtspunkten ganz besonders nachteilig.

FIG 2 zeigt eine Elektrolyseanlage 1 mit Druckluft-System ge mäß der Erfindung. Das neue Betriebskonzept der Erfindung setzt an mit einer vorteilhaften Einbindung des Druckluft- Systems 21 und Ausgestaltung desselben als Inertgas-System, das sauerstoffseitig an den Gas-Separator 11 angeschlossen ist. Dabei entfällt gegenüber einer Ausgestaltung der Elekt rolyseanlage 100 gemäß der FIG 1 die Spülleitung 9, die das Stickstoff-System 3 mit dem Gas-Separator 3 zur Inertisierung des gesamten Gassystems mit Stickstoff verbindet. Gemäß FIG 2 ist das Druckluft-System 21 über die Zufuhrleitung 37 mit dem Gas-Separator 11 verbunden, so dass bedarfsweise Druckluft L dem Gasbehälter 23 entnehmbar ist. Der Gasbehälter 23 ist ein Speicher zur Bevorratung und Bereitstellung von Druckluft.

Das Druckluft-System 21 weist einen Luftkompressor 25 und ei nen Gasbehälter 23 auf, die über eine Verbindungsleitung 27 miteinander verbunden sind. Der Luftkompressor 25 ist hierbei als ölfreier Kompressor ausgestaltet. In die Zufuhrleitung 37 ist eine Reinigungseinrichtung 33 geschaltet, die ein Absorp tionsmittel und/oder ein Adsorptionsmittel aufweist. Somit können schädigende Fremdgasbestandteile in der in dem Gasbe hälter 23 eingespeicherten Druckluft L entfernt werden und ein Inert- bzw. Verdünnungsgas mit sehr hoher Qualität und Reinheit ist erzeugt. Beispielsweise können Kohlenstoffdioxid und/oder Schwefeldioxid mittels der Reinigungseinrichtung 33 aus der Druckluft L entfernt werden. Die durch eine Adsorpti on oder Absorption freiwerdende Wärmeenergie kann durch Küh lung der Reinigungseinrichtung 33 beispielsweise in einem Wärmetauschprozess durch Ankopplung eines Wärmetauschers für weitere Zwecke genutzt werden. In Strömungsrichtung der Druckluft L stromab der Reinigungseinrichtung 33 ist in die Zufuhrleitung 37 ein Regelventil 35 geschaltet, dessen Ven tilposition durch eine nicht näher dargestellte Regeleinrich tung auf den Bedarf und das Druckniveau an Druckluft L für die Zufuhr zu dem Gas-Separator 11 regelbar ist. Stromab der Regelventils 35 mündet die Zufuhrleitung 37 in den Gas- Separator 11. Im Betrieb der Elektrolyseanlage 100 wird die Fremdgaskon zentration von Wasserstoff im Sauerstoff-Produktgas aus dem Elektrolyseur 1 im sauerstoffseitig nachgeschalteten Gas- Separator 11 kontinuierlich gemessen und überwacht. Ergibt der Messwert eine kritische Fremdgaskonzentration an Wasser stoff oberhalb eines vorbestimmten Grenzwerts für einen noch zulässigen Wasserstoffanteil im Sauerstoff-Produktgas im Gas- Separator 11, so wird die Wasserstoffkonzentration dadurch reduziert, dass dem Sauerstoff-Produktgas gereinigte Druck luft L mit guter Qualität und Reinheit, das heißt, mit allen falls sehr geringen Verunreinigungen oder schädigenden Fremd gasbestandteilen in gezielter und wohldosierter Weise über das Regelventil 35 zugeführt wird. Diese gezielte Zufuhr be wirkt dann im Gas-Separator 11 eine innige Mischung der Gase, wodurch eine Absenkung der Wasserstoffkonzentration erzielt wird. Die Wasserstoffkonzentration reduziert sich dabei schon aufgrund des Effekts der Gasphasenmischung und der Verdünnung des Wasserstoffs im Sauerstoff-Produktgas durch die Zudosie rung von Druckluft L, ein Effekt der bei der Erfindung beson ders vorteilhaft und gezielt ausgenutzt wird. Somit ist ei nerseits ein Verwerfen des Sauerstoff-Produktgases im Gas- Separator 11 vermieden, da dieses Elektrolyseprodukt bei der hier vorgeschlagenen Prozedur in dem Gas-Separator 11 unter Druck verbleibt. Das Gasvolumen im sauerstoffseitigen Gas- Separator 11 kann daher beim Wiederanfahren des Elektroly seurs 1 verwendet werden. Indiziert also eine Qualitätsmes sung im Gas-Separator 11 eine schlechte Qualität, wird der Elektrolyseprozess angehalten. Anstatt nun das Gas im Gas- Separator 11 zu verwerfen, wird gereinigte Druckluft L dem Gasbehälter 23 entnommen und dem Gas-Separator 11 zugeführt. Diese Zufuhr erfolgt unter Aktivierung und Öffnen einer Ven tilsteuerung für das Regelventil 35 so lange bis die Gasqua lität den Anforderungen wieder genügt, das heißt die Wasser- Stoffkonzentration kleiner ist als der vorbestimmte Grenzwert für einen sicheren Normalbetrieb des Elektrolyseurs 1.

Mit der Elektrolyseanlage 100 mit Druckluft-System 21 gemäß der Erfindung entfällt eine vollständige Entlüftung und eine damit bisher einhergehende Druckentlastung auf der Sauer stoffseite in dem Gas-Separator 11. Durch die hier vorge schlagene Zufuhr von druckbeaufschlagter gereinigter Luft L, mithin der Druckluft L, kann vorteilhafterweise auch auf der Wasserstoffseite das gesamte wertvolle Wasserstoff-Produktgas in einem entsprechenden - in der FIG 2 nicht näher gezeigten - wasserstoffseitigen Gas-Separator oder Gasabscheider wei terhin genutzt werden. Bislang war eine Entlüftung auch auf der Wasserstoffseite geboten, um dem hohen Differenzdrucks durch die Entlüftung entgegenzuwirken und um Systemschäden über der PEM-Membran aufgrund eines zu großen Differenzdrucks zu vermeiden. Die damit einhergehende Nutzung des erzeugten Wasserstoff-Produktgases auf der Wasserstoffseite ist sowohl unter betriebstechnischen Aspekten als auch unter wirtschaft lichen Gesichtspunkten ganz besonders vorteilhaft.

Als weiterer wirtschaftlicher Vorteil erweist sich, dass das Stickstoff-System 3 durch das vorgeschlagene Anlagenkonzept nach FIG 2 für die Elektrolyseanlage 100 im Vergleich zu der Konzeption nach FIG 1 deutlich kompakter gestaltet werden kann. Die entsprechenden Anlagenteile, insbesondere der Stickstoffbehälter 5, können kleiner dimensioniert werden.

Mit dem Betriebskonzept der Erfindung ist es ausreichend, le diglich noch den kontinuierlichen Stickstoffverbrauch für den so genannten Kompressorbetrieb der Anlage bereitzustellen.