Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage , Rekombinator und Verwendung eines Rekombinators in einer Elektrolyseanlage

Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase , wobei ein Produktgasstrom in einem Phasengemisch umfassend Wasser sowie ein j eweiliges Produktgas mit einem Anteil eines Fremdgases gebildet wird . Die Erfindung betri f ft weiterhin einen Rekombinator zur Reinigung eines Produktgasstroms aus der Wasserelektrolyse und die Verwendung eines Rekombinators in einer Elektrolyseanlage .

Wasserstof f wird heutzutage beispielsweise mittels Proton Exchange Membrane ( PEM) -Elektrolyse oder alkalischer Elektrolyse erzeugt . Die Elektrolyseure produzieren mit Hil fe elektrischer Energie Wasserstof f und Sauerstof f aus dem zugeführten Wasser .

Ein Elektrolyseur weist dabei in der Regel eine Viel zahl von Elektrolysezellen auf , welche benachbart zueinander angeordnet sind . Mittels der Wasserelektrolyse wird in den Elektrolysezellen Wasser in Wasserstof f und Sauerstof f zerlegt . Bei einem PEM-Elektrolyseur wird typischerweise anodenseitig destilliertes Wasser als Edukt zugeführt und an einer protonendurchlässigen Membran ( engl . : „Proton-Exchange-Membrane" ;

PEM) zu Wasserstof f und Sauerstof f gespalten . Das Wasser wird dabei an der Anode zu Sauerstof f oxidiert . Die Protonen passieren die protonendurchlässige Membran . Kathodenseitig wird Wasserstof f 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 Elektrolysestack, 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 ( Sauerstof f O2 bzw . Wasserstof f H ₂ ) austreten . Die j eweilige Trennung der Wasser- und Gasphase in den Fluidströmen erfolgt in so genannten Gasabscheidern oder Gas-Separatoren .

In der Praxis befinden sich im Sauerstof fgasstrom dabei kleine Mengen an Wasserstof f und im Wasserstof fgasstrom kleine Mengen an Sauerstof f als Fremdgas . Die Quantität des j eweiligen Fremdgases in dem j eweiligen Produktgasstrom hängt vom Elektrolyse-Zelldesign ab und variiert auch unter dem Einfluss von Stromdichte , Katalysatorzusammenset zung, Alterung und bei einer PEM-Elektrolyseanlage hängt es auch vom Membranmaterial ab . Systemimmanent ist dabei , dass im Gasstrom des einen Produktgases j eweils das andere Produktgas in sehr geringen Mengen vorliegt . Im weiteren Prozessverlauf werden in der Regel in nachgeschalteten Schritten der Gasreinigung selbst geringe Sauerstof fspuren aus dem Wasserstof f mit zum Teil sehr aufwändigen und kostenintensiven Reinigungsschritten entfernt , insbesondere wenn eine besonders hohe Produktgasqualität gefordert ist , wie dies etwa bei der Nutzung des Wasserstof fs , z . B . für Brennstof f zellen, der Fall ist .

Beispielsweise können in einer Elektrolyseanlage zur Gasreinigung der Produktgasströme aus dem Elektrolyseur insbesondere beide Produktgasströme einem j eweiligen, katalytisch aktivierten Rekombinator zugeführt werden, in dem ein Katalysator den Wasserstof f mit dem Sauerstof f zu Wasser rekombinieren lässt ( DeOxo-Einheit ) , so dass der j eweilige Produktstrom in Wasser rekombiniert . Dazu muss der Gasstrom zuvor auf mindestens 80 ° C aufgehei zt werden, damit die Umsatzraten des Rekom- binators ausreichend hoch sind und somit die geforderte Gasreinheit erreicht wird . Die dafür genutzte verfahrenstechnische Anlage ist j edoch recht teuer und reduziert auf Grund ihres Energiebedarfs den Systemwirkungsgrad der gesamten Elektrolyseanlage . Eine weitere Möglichkeit zur Behandlung der Fremdgasproblematik besteht darin, rekombinationsaktive Oberflächen innerhalb der Elektrolysezelle durch spezielle Behandlungsmaßnahmen zu erzeugen . Diese zellinternen Rekombinationskatalysatoren sind allerdings unter ökonomischen Gesichtspunkten sehr aufwändig und daher unvorteilhaft .

Eine solche Elektrolyseanlage mit einem Rekombinator ist beispielsweise in der EP 3 581 683 Al of fenbart . Darin ist eine Elektrolysevorrichtung mit einem Rekombinator und ein Verfahren zum Betreiben der Elektrolysevorrichtung beschrieben . Die Elektrolysevorrichtung umfasst wenigstens eine Elektrolysezelle zum Spalten von Wasser zu einem ersten Produkt umfassend wenigstens 98 Voll Wasserstof f und zu einem zweiten Produkt umfassend wenigstens 98 Voll Sauerstof f . Die Elektrolysevorrichtung umfasst weiterhin wenigstens einen ersten passiven Rekombinator umfassend einen Katalysator zum Entfernen von Sauerstof f aus dem ersten Produkt und/oder wenigstens einen zweiten passiven Rekombinator umfassend einen Katalysator zum Entfernen von Wasserstof f aus dem zweiten Produkt , wobei der Rekombinator bei Temperaturen von maximal 60 ° C betreibbar ist .

Deswegen ist bereits auf die Reinheit und Qualität der im Elektrolyseur zunächst entstehenden und aus dem Elektrolyseur abgeführten Produktgasströme zu achten, auch um neben Be- triebssicherheitsaspekten auch die Kosten und den 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 Sauerstof f in Wasserstof f erhöht , andererseits aber auch, wenn sich die Konzentration von Wasserstof f in Sauerstof f erhöht . Wird hier ein bestimmtes Konzentrationslimit überschritten, so besteht ein Gefahrenpotential durch die Ansammlung zündfähiger Gasgemische . Dies erfolgt vor allem im j eweiligen Gas-Separator (Behälter ) unmit- telbar stromab der Elektrolyse , so kann beispielsweise das produzierte Sauerstof f gas nicht mehr für weitere Zwecke übergeben werden . Steigt der Anteil von Wasserstof f im Sauerstof f-Produktgas weiter, dann kann sogar ein brennbares bzw . explosives Gemisch entstehen . Dann herrscht in dem Gas- Separator (Behälter ) ein potenziell gefährlicher Betriebs zustand, den es aus Sicherheitsgründen unbedingt zu vermeiden gilt . Dies gilt entsprechend auch auf der Wasserstof f seite .

Daher ist eine zuverlässige und kontinuierliche Überwachung der Gasqualität der Produktgase im Betrieb des Elektrolyseanlage unerlässlich . Dies gilt in besonderer Weise auch auf der Sauerstof f seite des Elektrolyseurs , das heißt die Überwachung der Konzentration von Wasserstof f als Fremdgasbestandteil , in dem bei der Elektrolyse produzierten Sauerstof f . Die Überwachung und entsprechende Betriebs führung stellt eine wichtige Schutzvorkehrung dar, um kritische Betriebs zustände zu erkennen und um Sicherheitsmaßnahmen bis hin zum temporären Abschalten der Elektrolyseanlage zu ergrei fen . Entsprechende Vorkehrungen sind auch auf der Wasserstof f seite zu tref fen, d . h . die Überwachung der Konzentration von Sauerstof f als Fremdgasbestandteil in dem produzierten Wasserstof f bereits vor einer nachgeschalteten aufwändigen Gasreinigungsanlage (DeOxo-Einheit ) , ist auch Wasserstof f seitig eine wichtige Schutzvorkehrung .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , ein neuartiges Verfahren zur Reduzierung des Fremdgases in einem Produktgasstrom einer Wasserstof f elektrolyseanlage vorzuschlagen . Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe einer Vorrichtung, mit der eine besonders ef fektive Reduzierung des Fremdgases in einem Produktgasstrom einer Wasserstof f elektrolyseanlage erreichbar ist .

Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase , wobei ein Produktgasstrom in einem Phasengemisch umfassend Wasser sowie ein j eweiliges Produktgas mit einem Anteil eines Fremdgases gebildet wird, wobei wenigstens einem Produktgasstrom eine Rotation aufgeprägt wird, so dass in dem Phasengemisch eine Phasentrennung von Wasser und Produktgas bewirkt wird, und wobei das Produktgas einer katalytisch aktiven Zone zugeführt wird, in der Fremdgas mit dem Produktgas zu Wasser rekombiniert wird , wobei nach Durchströmen der katalytisch aktiven Zone das vom Fremdgas befreite Produktgas und das Wasser in der flüssigen Phase wieder zu einem Phasengemisch gemischt werden .

Die Elektrolyseanlage kann hierbei eine Hochdruckelektrolyseanlage oder eine Niederdruckelektrolyseanlage sein, die ausgelegt ist für eine PEM-Elektrolyse oder für alkalische Elektrolyse .

Mit Produktgas wird hierbei der in der Elektrolyseanlage hergestellte Sauerstof f oder Wasserstof f bezeichnet . Unter Produktgasstrom wird der Sauerstof f seif ige- oder Wasserstof f seifige Strom verstanden, der neben dem j eweiligen Produktgas u . a . auch weitere Komponenten enthalten kann, z . B . Wasser oder das j eweilige Produkt-Fremdgas .

Die Erfindung geht hierbei bereits von der Erkenntnis aus , dass bisher vorgeschlagene externe , d . h . nachgelagerte Verfahren der Gasreinigung und Aufbereitung der Produktgase Was- sersof f und Sauerstof f einer Elektrolyseanlage sehr aufwändig und kostenintensiv sind . Aber auch zellinterne Maßnahmen zur Reduzierung des ursächlichen internen Gasübertritts innerhalb der Elektrolysezelle durch die Membran, etwa zur Unterdrückung des Wasserstof fübertritts von dem Kathodenraum in den Sauerstof f seif igen Anodenraum sind nachteilig . So wurde beispielsweise vorgeschlagen, an der Membranoberfläche anodenseitig, d . h . auf der Sauerstof f seife , einen zusätzlichen lo- nomer-Anteil auf zubringen, was aufgrund des Materialeinsatzes von Iridium kostspielig ist und überdies zu Ef fi zienzeinbußen führt . Weiterhin wurden zellinterne Rekombinationskatalysatoren vorgeschlagen, die aber zur schnelleren Degradation und damit Alterung der Elektrolysezelle führen können . Auch der Einsatz dickerer Membranen als Di f fusionssperre zur Trennung von Anodenraum und Kathodenraum wird als Maßnahme genannt mit Nachteilen für die Ef fi zienz der Elektrolyseanlage .

Die Erfindung basiert auf der Grundidee zunächst eine Phasentrennung im Produktgasstrom selbst vorzunehmen, d . h . Wasser und Produktgas zu separieren und danach wird im Produktgas das Fremdgas gezielt und selektiv katalytisch zu entfernen . Somit muss vorteilhafterweise nicht das gesamte Phasengemisch einer Gasreinigung unterzogen werden, um das Fremdgas aus dem Phasengemisch zu entfernen . Die Phasentrennung wird durch eine Drallströmung oder Rotation bewirkt , die dem Produktgasstrom aufgeprägt wird, und zwar unter Ausnutzung der Separationsef fekte bei der Stof f trennung analog eines Fliehkraftabscheiders . Das Phasengemisch wird durch eine gezielt aufge- prägte Rotation auf den Produktgasstrom - als Träger der zu trennenden Phasen bzw . Partikel - aufgrund ihrer eigenen Strömungsgeschwindigkeit in eine Drehbewegung versetzt .

Die flüssige Phase des Wassers und die Gasphase der Produktgases werden so aufgrund der Partikelmasse oder Dichteunterschiede räumlich getrennt . Eine in-situ Drall- bzw . Rotati- ons-basierte räumliche Trennung der Phasen in dem Phasengemisch kombiniert mit einer selektiven katalytischen Gasreinigung des Produktgases ist erreicht . Die Gasreinigung erfolgt durch einen Rekombinationsprozess , indem gezielt nur das Produktgas der katalytisch aktiven Zone zugeführt wird, wo es mit dem Fremdgas zu Wasser rekombiniert , so dass das Produktgas von dem Fremdgas gereinigt ist . Von besonderem Vorteil ist , dass mit diesem Gasreinigungskonzept im Betrieb einer Elektrolyseanlage sowohl Wasserstof f als Fremdgas in dem Sauerstof f-Produktgas ef fi zient entfernt werden kann, also auch umgekehrt Sauerstof f als Fremdgas in einem Wasserstof f- Produktgas . Das Verfahren ist flexibel anwendbar, kostengünstig und einfach umsetzbar und erfordert keinen lebensdauerverringernden Eingri f f in die Elektrolysezelle , wie die oben beschriebenen Zellinternen Maßnahmen . Aber auch gegenüber be- kannten externen Gasreinigungs- und Gasaufbereitungsmaßnahmen hat die Erfindung erhebliche Vorteile für den Betrieb einer Elektrolyseanlage , insbesondere da auch große Fremdgaskonzentrationen im j eweiligen Produktgas , etwa aufgrund von Membrandurchbrüchen, sicher beherrscht werden können .

Aufgrund der hohen Reinigungsef fi zienz des Verfahrens kann das Fremdgas im Produktgas in der Gasphase praktisch vollständig entfernt bzw . katalytisch in der katalytisch aktiven Zone zu Wasser gebunden werden, also beispielsweise Wasserstof f-Fremdgas in Sauerstof f . Von Vorteil ist , dass die entsprechende Mischung nicht zündfähig sein muss , d . h . etwa die Konzentration an Wasserstof f-Fremdgas im Sauerstof f in einem momentanen im Betrieb unterhalb der unteren Explosionsgrenze (UEG) liegen kann . Dies hat den großen Vorteil , dass mit dem ef fi zienten Reinigungsverfahren gemäß der Erfindung im Betrieb der Elektrolyseanlage zündfähige Gemische und Explosionsgefahr bereits prinzipiell vermieden oder gar ausgeschlossen werden können, was die Betriebssicherheit der Anlage und die Standzeit erhöht . Nach Durchströmen der katalytisch aktiven Zone ist eine erneute Mischung von Wasser in der flüssigen Phase mit dem katalytisch gereinigten Produktgas in der gas förmigen Phase vorgesehen, so dass ein vom Fremdgas befreites Phasengemisch aus Wasser mit dem j eweiligen Produktgas gewonnen wird . Dieses Phasengemisch kann in einer Elektrolyseanlage für weitere Zwecke transportiert und aufbereitet werden . Üblicherweise wird eine erneute Phasentrennung in einer nachgeschalteten Gasabscheidevorrichtung für das j eweilige Produktgas vorgenommen, so dass Sauerstof f oder Wasserstof f als j eweiliges Produktgas gewonnen wird .

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird der Produktgasstrom in einer axialen Strömungsrichtung geführt , wobei bezogen auf die axiale Strömungsrichtung die Phasentrennung derart ausgeführt wird, dass das Wasser in einen radial äußeren Bereich und das Produktgas in einen radial inneren Bereich gefördert wird . In einem zylindrischen Koordinatensystem betrachtet entspricht die axiale Strömungsrichtung der z-Achse und eine radiale Koordinate eines Punkts ist durch den radialen, senkrecht zur z-Achse ermittelten Abstand und einem Drehwinkel bestimmt . Die Rotationsgeschwindigkeit eines Teilchens im Produktgasstrom wird durch den Drehwinkel und Drehgeschwindigkeit beschrieben . Die durch den Drall bzw . durch die Rotation induzierte räumliche Phasentrennung erfolgt in dem Phasengemisch eine Stof f trennung der flüssigen Phase von der gas förmigen Phase , wobei aufgrund der Masse bzw . Dichte der Stof fe das Wasser in den radial äußeren Bereich gefördert wird und das Produktgas radial einwärts zur z-Achse hin zentral in den radial inneren Bereich gefördert wird, wo sich die katalytisch aktive Zone befindet . Bei der Phasentrennung und Gasreinigung wird für die zu erzielende Bewegungsdynamik einer Rotation der Ef fekt ähnlich eines Zyklon-Abscheiders ausgenutzt .

Dem in einer axialen Richtung strömenden Produktgasstrom in dem Phasengemisch bzw . dem Gemisch aus Produktgas und Wasser wird eine tangentiale Bewegungskomponente aufgeprägt und der Produktgasstrom damit auf eine kreis förmige Bahn gebracht . Durch Radialkräfte radial einwärts zur z-Achse hin und Verringerung der Radialkomponente nimmt die Drehgeschwindigkeit dermaßen zu, dass die schwereren Wasserteilchen durch die Fliehkraft nach außen geschleudert und abgebremst werden . Das leichtere Produktgas hingegen wird in den inneren Bereich in die katalytische aktive Zone gefördert und gereinigt .

In bevorzugter Aus führung des Verfahrens wird in der katalytisch aktiven Zone erzeugte Rekombinationswärme auf das im radial äußeren Bereich strömenden Wasser übertragen, so dass die katalytisch aktive Zone gekühlt wird .

Somit ist eine sehr vorteilhafte intrinsische Kühlung der katalytisch aktiven Zone erreicht , die von dem Wasser als Kühlmedium im radial äußeren Bereich teilweise oder vollständig umströmt wird . Die entstehende hohe Prozesswärme infolge der katalytischen Rekombination von Wasserstof f und Sauerstof f zu Wasser kann dadurch aus der katalytisch aktiven Zone und aus dem radial inneren Bereich in den radial äußeren Bereich übertragen werden . Eine unmittelbare Überhitzung der katalytisch aktiven Zone und eventuell mittelbare Überhitzung weiterer radialer Bereiche oder begrenzender Elemente , wie beispielsweise begrenzende Wandelemente , außerhalb des radial äußeren Bereichs ist ohne weitere Maßnahmen hierdurch vermieden . Durch die Wärmeaufnahme und den Wärmetransport des umströmenden Wassers im radial äußeren Bereich, ist eine besonders wirksame thermische Entkopplung der katalytisch aktiven Zone und weiterer radialer Bereiche erreicht . Zugleich ist dadurch der hier vorgeschlagene reaktive Gasreinigungsprozess intrinsisch eigensicher .

In weiter bevorzugter Aus führung des Verfahrens wird eine Ausbreitung der Reaktion aus der katalytisch aktiven Zone unterdrückt , so dass Flammenrückschläge gelöscht werden .

Durch Maßnahmen zur räumlichen Begrenzung und des Einschlusses der Rekombinationsreaktion auf die katalytisch aktive Zone wird eine erhöhte Sicherheit gegenüber Flammenrückschlag bei dem Verfahren erzielt . Geeignete Maßnahmen zur räumlichen Reaktionsbegrenzung sind beispielsweise die Anwendung von so genannten Quench-Prozessen in der chemischen Reaktions führung, was das schnelle Abstoppen ( Löschen) , Verlangsamen oder Unterdrücken einer ablaufenden Reaktion bedeutet . Dies kann geschehen durch das schnelle Hinzufügen eines weiteren Reaktionspartners , gelegentlich auch als Quencher bezeichnet , welcher eines der Edukte aus dem Reaktionsgemisch entfernt , durch eine Abkühlung, die die Geschwindigkeit der ablaufenden Reaktion so stark verringert , dass sie als nahezu gestoppt gilt , oder aber durch schnelle und starke Verdünnung, welche die Wahrscheinlichkeit der Reaktion zweier Reaktanten stark herabsetzt . Bevorzugt wird hier die Anwendung mechanischer Elemente in der katalytisch aktiven Zone zur Reaktionsbegrenzung als Möglichkeit vorgeschlagen, da diese einfacher umsetzbar ist . Vorzugsweise wird die katalytisch aktive Zone auf eine Aktivierungstemperatur aufgehei zt , so dass die Rekombinationsreaktion in Gang gesetzt wird .

Eine Aktivierung der Rekombinationsreaktion durch gesondertes Aufhei zen der katalytisch aktiven Zone ist vorteilhaft , insbesondere falls der Produktgasstrom aus dem Elektrolyseur nicht bereits ein ausreichend hohes Temperaturniveau aufweist , so dass eine intrinsische Aktivierung der Reaktion gegeben wäre und die Aktivierungsenergie bereits zur Verfügung steht . Das Aufhei zen auf eine Aktivierungstemperatur ist dabei vorteilhafterweise nur temporär erforderlich . Sobald die Rekombinationsreaktion in Gang gesetzt ist , wird diese von allein weiterlaufen, da die Rekombinationsreaktion von Wasserstof f und Sauerstof f zu Wasser in der katalytisch aktiven Zone exotherm ist . Es wird im normalen Betrieb mithin kontinuierlich Reaktionswärme erzeugt .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Aktivierungstemperatur eingestellt , die um 10 K bis zu 100 K, vorzugsweise um etwa 30 K bis 80 K, oberhalb der Temperatur des Phasengemischs des Produktgasstroms liegt . Das erforderliche Temperaturniveau wird durch entsprechende Wärmezufuhr beispielsweise aus einer externen Wärme- bzw . Energiequelle und lokalem Wärmeeintrag in die katalytisch aktive Zone gewährleistet . Die Aktivierungswärme kann alternativ auch direkt und unmittelbar in der katalytisch aktiven Zone erzeugt und bereitgestellt werden .

In weiter bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Druck und/oder eine Temperatur und/oder ein Volumenstrom am Eingang und/oder Ausgang der katalytisch aktiven Zone ermittelt und der ermittelte Messwert in einer Kontrolleinheit verarbeitet .

Dabei geht es vorliegend um eine mittelbare oder unmittelbare Bestimmung oder Ermittlung von für die Verfahrens führung cha- rakteristischer lokaler Messgrößen, die auf den aktuellen Betriebs zustand in der katalytisch aktiven Zone schließen lassen . Durch geeignete Messprozeduren umfassend vorzugsweise die Messung und Verarbeitung von Druck, Temperatur und Volumenstrom kann vorteilhafterweise z . B . auf die Fremdgaskonzentration im Produktgasstrom vor und nach der katalytisch aktiven Zone geschlossen werden und damit auf die Ef fi zienz des katalytischen Gasreinigungsprozesses .

Die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Rekombinator zur Reinigung eines Produktgasstroms aus der Wasserelektrolyse , umfassend einen Einströmbereich mit einem Einlass und eine bezogen auf eine axiale Strömungsrichtung stromabwärts des Einströmbereichs angeordnete katalytisch aktive Zone , an die sich ein Ausströmbereich mit einem Auslass anschließt , so dass ein Strömungskanal gebildet ist , wobei in dem Einströmbereich ein Drallelement angeordnet ist und die katalytisch aktive Zone einen Katalysator aufweist , der für eine axial-mittige Durchströmung des Strömungskanals mit dem Produktgas ausgelegt ist , und wobei der Ausströmbereich für eine erneute Phasenmischung ausgelegt ist , so dass ein gereinigter Produktgasstrom gewinnbar ist .

Der Rekombinator ist in besonderer Weise vorteilhaft und effi zient einsetzbar und implementierbar in eine Elektrolyseanlage , etwa zur Reinigung eines Produktgasstroms aus der Wasserelektrolyse . Insoweit ergeben sich Aspekte und Vorteile des oben beschriebenen Verfahrens in entsprechender Weise aus der Anwendung des Rekombinators und sind mit dem Rekombinator realisierbar . Der Einsatz beschränkt sich aber nicht auf Anwendungen bei der Wasserelektrolyse . Vielmehr sind unterschiedliche Anwendungen des Rekombinators möglich, wo die Aufgabe besteht Phasen- oder Teilchengemische unterschiedlicher Masse oder Dichte zu trennen und zugleich katalytisch auf zureinigen .

Mit dem Rekombinator ist ein beispielsweise rohrförmiger oder zylindrischer Strömungskanal bereitgestellt , mit dem einer- seits durch das Drallelement eine Phasentrennung im Produktgasstrom von Wasser und einem Produktgas erreichbar ist , und andererseits zugleich auch eine katalytische Gasreinigung des Produktgases durch chemische Bindung eines Fremdgases . In einem einzigen aktiven Strömungselement , dem Rekombinator , sind also zwei Funktionen vorteilhaft integriert . Hinzu kommt die baulich einfache Integrierbarkeit in ein Leitungs- , Rohroder sonstiges Fördersystem für gemischte Stof fströme einer Industrieanlage , insbesondere einer Elektrolyseanlage .

Für eine zu erzielende Phasentrennung arbeitet der Rekombinator dabei in gewisser funktionaler Anlehnung an einen Tangen- tial-Zyklonabscheider und macht sich dieses Grundprinzip zu Nutze , passt dieses Prinzip aber vorteilhaft an die spezi fischen Anforderungen einer Fremdgasabscheidung aus einem Phasengemisch in Kombination mit einer katalytischen Funktionalität an . Dabei ist in dem Einströmbereich des Rekombinators , der beispielsweise zylindrische , kegel förmige oder eine gekrümmte Kontur aufweisen kann und zugleich als Einlauf Zylinder fungiert , das Drallelement angeordnet . Das Drallelement ist vorzugsweise als eine Drallschaufel ausgeführt , um eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente und damit eine Rotation auf ein einströmendes Produktgas auf zuprägen .

Über den Einlaufbereich des Rekombinators ist das Phasengemisch mittels des Drallelements mithin tangential zuführbar und kann auf eine kreis förmige Bahn, insbesondere eine zyklonförmige Bahn, gezwungen werden . Durch den Zyklonef fekt wird bei Beaufschlagung des Rekombinators mit einem Produktgas das Produktgas radial-einwärts in die katalytisch aktive Zone transportiert und mit dem Katalysator in Kontakt gebracht . Hierdurch ist der Rekombinator für eine axial-mittige Durchstömung des Strömungskanals konfektioniert , womit sich die katalytische Reaktion auf den axial-mittigen Bereich als Reaktionsraum beschränkt , die den Katalysator aufweist . Der Ausströmbereich kann dabei als separater räumlicher Bereich des Strömungskanals ausgestaltet sein, in dem nach Durchlaufen der katalytisch aktiven Zone sich die getrennte flüssige und gas förmige Phase wieder mischen können, die aber dann vom Fremdgas in dem Produktgas befreit sind . Es ist aber auch möglich, dass der Ausströmbereich bereits als ein in Strömungsrichtung axial nachgeordneter ein Teilbereich der katalytisch aktiven Zone ausgelegt und in diese funktional integriert ist . Dadurch ist eine kompaktere Bauweise für den Re- kombinator möglich, insbesondere durch Realisierung einer geringeren axialen Baulänge . Je nach der Trennaufgabe , der Ein- sat zsituation und Zusammensetzung des Produktgasstroms ist der Rekombinator flexibel auslegbar und anpassbar hinsichtlich spezi fischer Ausgestaltung des Einströmbereichs , des Drallelements , der katalytisch aktiven Zone und des Ausströmbereichs . Der Ausströmbereich bildet eine Mischzone oder einen Phasenmischbereich, der gezielt für eine erneuten Phasenmischung ausgelegt ist . Somit ist nach Durchlaufen der katalytisch aktiven Zone und Reinigung des Produktgases eine erneute Mischung von nunmehr von Fremdgas befreitem Produktgas mit dem Wasser möglich, so dass mit dem Rekombinator ein gereinigter Produktgasstroms in einem Phasengemisch aus flüssiger Phase (Wasser ) und gas förmiger Phase ( Produktgas ) gewinnbar ist . Der Ausströmbereich ist mithin als Mischstrecke ausgebildet , die eine erneute Durchmischung der Fluide zu einem Phasengemisch bewirkt . Das Produktgas kann hierbei wahlweise Wasserstof f oder Sauerstof f aus einer Wasserelektrolyse sein .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung umfasst der Rekombinator ein Befestigungselement , mit dem der Katalysator in dem Strömungskanal für eine zentral-mittige Durchströmung zentriert gehaltert ist , wobei ein Ringraum für eine Umströmung des Katalysators gebildet ist .

Eine Ausgestaltung des Befestigungselements beispielsweise als Lagerstern mit einer Anzahl von radial ausgerichteten Stegen oder Speichen ist möglich und vorteilhaft . Die Stege sind mit einer zentralen zylinderförmigen Halterung verbunden, z . B . in Form eines Hohl zylinders , die zur Aufnahme , Befestigung und Positionierung des Katalysators dient . Der Ringraum ist dann geometrisch betrachtet ein aus zwei Hohl zy- lindern gebildeter Raum . Es sind aber j e nach Situation auch andere Geometrien möglich . Besonders vorteilhaft erweist sich, dass der Ringraum für eine Umströmung des Katalysators ausgelegt ist , so dass dieser für Kühlungs zwecke nutzbar ist . Somit kann etwa bei Beaufschlagung des Ringraums mit Wasser oder einem anderen Kühlmedium eine ef fektive Kühlung des Katalysators erfolgen und die Rekombinationswärme aus dem Katalysatormaterial bzw . der katalytisch aktiven Zone durch Wärmeübertragung an das Kühlmedium abgeleitet werden .

In weiter bevorzugter Ausgestaltung des Rekombinators ist in der katalytisch aktiven Zone eine Quencheinrichtung angeordnet , die den Katalysator einströmseitig und ausströmseitig j eweils begrenzt , so dass ein Flammenrückschlag unterdrückt ist .

Von Vorteil und besonders einfach ist die Ausgestaltung der Quencheinrichtung als mechanischer Flammenrückschlagschutz , beispielsweise als ein Quenchsieb aus einem metallischen Material . Ein Quenchsieb gestattet eine weitgehend ungehinderte Durchströmung des Strömungskanals und bietet einen ef fektiven Schutz vor Flammenrückschlag . Durch die beiderseitige Anordnung des Quenchsiebs einströmseitig sowie ausströmseitig ist ein vollständiger Einschluss bzw . räumliche Begrenzung der Rekombinationsreaktion in der katalytisch aktiven Zone erzielbar .

Weiter bevorzugt umfasst der Rekombinator eine Messeinrichtung mit der ein Druck und/oder eine Temperatur und/oder ein Volumenstrom am Eingang und/oder Ausgang der katalytisch aktiven Zone ermittelbar ist .

Für die Messaufgabe kommen viel fältige Sensoren, Mess fühler oder Sonden in Betracht , die unmittelbar am Katalysator, oder möglichst in der Nähe der katalytisch aktiven Zone stromaufwärts bzw . stromabwärts im Strömungskanal positioniert sind, um die Zustände möglichst zuverlässig zu überwachen . Dies können Messstellen sein, die entsprechend mit eine Kontroll- und Auswerteeinheit verbindbar sind .

Bevorzugt wird der ermittelte Druck bzw . die ermittelte Temperatur oder der Volumenstrom ( Durchflussmessung) in einer Kontrolleinheit mit einem j eweiligen Referenzwert verglichen und beim Überschreiten eines Referenzwerts können Betriebsparameter des Rekombinators nachgesteuert und die Betriebs führung angepasst werden, etwa durch eine Temperaturregelung oder Durchflussregelung . Von besonderem Vorteil ist die Möglichkeit mit der Messeinrichtung die Rekombinationsef fi zienz bestimmen zu können, d . h . die Fremdgaskonzentration im Produktgas in-situ als abgeleitete Größe aus den Messwerten . Weiterhin kann der Alterungsprozesse des Katalysators überwacht und verfolgt werden . Es kann ein Überhitzen der katalytisch aktiven Zone erkannt werden, wenn auch die Gefahr der Überhitzung des Katalysators durch das Kühlkonzept intrinsisch, d . h . im Betrieb, weitestgehend vermieden ist .

Weiter bevorzugt weist der Rekombinator zur Aufhei zung des Katalysators ein Widerstandshei zelement auf , das einströmseitig zwischen Quencheinrichtung und Katalysator angeordnet ist .

Mit dem Widerstandshei zelement ist bei Inbetriebnahme des Rekombinators die erforderliche Aktivierungswärme zumindest temporär und bedarfsweise dem Katalysator zuführbar, so dass damit der Katalysator auf die erforderliche Betriebstemperatur hei zbar ist , um die gewünschte Rekombinationsreaktion in dem j eweiligen Produktgasstrom zu katalysieren . Denkbar ist auch die Anwendung einer Aushei z funktion für das Widerstandshei zelement , etwa zum Aushei zen der katalytisch aktiven Zone , um diese bei Bedarf thermisch zu reinigen . Auf diese Weise können schädigende Substanzen (Katalysatorgi fte ) , die sich im Betrieb angelagert haben thermisch ausgetrieben oder ausgegast werden . Auf diese Weise ist bei dem Rekombinator mit dem Hei zelement zusätzlich eine Regenerierungs funktion geschaffen . In besonders bevorzugter Ausgestaltung weist der Katalysator ein Trägermaterial auf Basis eines oxidischen Materials , insbesondere Aluminiumoxid AI2O3, auf .

Diese Materialwahl für die Trägermatrix des Katalysators ist vorteilhaft insbesondere für die Sauerstof f seif ige Aufreinigung eines Produktgasstroms aus der Wasserelektrolyse , also die katalytische Rekombination von Wasserstof f als Fremdgas zu Wasser in dem Sauerstof f-Produktgas , also auf der Anodenseite einer PEM-Elektrolyseanlage

In weiter bevorzugter Ausgestaltung weist der Katalysator ein Trägermaterial auf Basis eines nicht-oxidischen Materials , insbesondere Edelstahl , auf .

Diese Materialwahl ist von Vorteil im Hinblick auf eine Wasserstof f seif ige Aufreinigung eines Produktgasstroms aus der Wasserelektrolyse , also die katalytische Rekombination von Sauerstof f als Fremdgas zu Wasser in dem Wasserstof f- Produktgas , also auf der Kathodenseite einer PEM-Elektrolyseanlage .

In besonders bevorzugter Verwendung kommt der Rekombinator daher in einer Elektrolyseanlage zur Anwendung, die einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase aufweist .

Bevorzugt ist insbesondere die Verwendung des Rekombinators innerhalb einer Elektrolysezelle , eines Zellverbundes oder Stacks umfassend eine Viel zahl von Elektrolysezellen .

Weiter bevorzugt ist eine Verwendung des Rekombinators in der Produktgasleitung nach dem Austritt , insbesondere unmittelbar nach dem Austritt , des Phasengemischs aus einer Elektrolysezelle oder eines Zellverbundes oder eines Stacks umfassend eine Viel zahl von Elektrolysezellen . Weiterhin bevorzugt ist eine Verwendung des Rekombinators innerhalb einer Gasabscheidevorrichtung einer Elektrolyseanlage und/oder in einer der Gasabscheidevorrichtung strömungstech- nisch nachgeschalteten Gasauslassleitung .

Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand bevorzugter Aus führungsformen erläutert , wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl j eweils für sich genommen als auch in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können . Es zeigen :

FIG 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Rekombinators gemäß der Erfindung;

FIG 2 eine Draufsicht auf den Einströmbereich des Rekombinators entsprechend FIG 1 ;

FIG 3 eine Schnittansicht des Rekombinators entsprechend FIG 1 im Bereich des Befestigungselements ;

FIG 4 beispielhaft eine Elektrolyseanlage zur Wasserelektrolyse mit Rekombinator gemäß der Erfindung .

Der in FIG 1 dargestellte Rekombinator 15 erstreckt sich entlang einer z-Achse , die zugleich die axiale Strömungsrichtung bei einer Zufuhr und Beaufschlagung des Rekombinators 15 mit einem Produktgasstrom 5 bildet . Der Rekombinator 15 weist entlang der z-Achse einen Einströmbereich 17 mit einer Einlass 19 auf einen sich an den Einströmbereich 17 entlang der z-Achse anschließende katalytisch aktive Zone 7 , an die sich ein Ausströmbereich 21 mit einem Auslass 19 anschließt . Durch diese Elemente ist ein Strömungskanal 25 gebildet , der mit einem Produktgasstrom 5 in der axialen Strömungsrichtung durchströmbar ist . Der Einströmbereich weist ein Drallelement 27 auf , welches sich zu einem radial inneren Bereich 11 erstreckt und in diesen einmündet . Hierdurch ist ein zylinderförmiger Strömungskanal 25 mit einem Ringraum 41 realisiert , bei dem zumindest in der katalytisch aktiven Zone 7 der radial innere Bereich 9 von einem radial äußeren Bereich 9 umgeben und zugleich begrenzt ist . In der katalytisch aktiven Zone 7 ist ein Katalysator 33 entlang der z-Achse zentriert mittels eines Befestigungselements 35 zentriert im radial inneren Bereich 11 angeordnet und in seiner Position gehalten . Der Katalysator 33 weist ein Trägermaterial 13 auf Basis eines oxidischen Materials wie etwa Aluminiumoxid AI2O3 auf . Je nach Anwendung und Einbausituation des Rekombinators 15 kann das Trägermaterial 13 des Katalysators 33 auch auf nichtoxidischer Basis gewählt werden, beispielsweise ein Metall wie Edelstahl .

Der Katalysator 33 ist sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts an seiner Stirnseite von einer Quencheinrichtung 43 begrenzt . Die Quencheinrichtung 43 ist als metallisches Quench- sieb ausgestaltet und hat die Funktion eine katalytische Rekombinationsreaktion in Strömungsrichtung zu begrenzen, wodurch ein besonders einfacher und ef fektiver Flammenrückschlagschutz realisiert ist und eine hohe Betriebssicherheit . Ein Widerstandshei zelement 49 ist an dem Katalysator 33 angebracht , welches sich an dem dem Einströmbereich 17 zugewandten Ende des Katalysators 33 befindet . Dadurch ist bedarfsweise eine Aufhei zung des Katalysators 33 auf eine erforderliche Aktivierungstemperatur T _A bereitgestellt , etwa bei der Inbetriebsetzung des Rekombinators 15 , um eine katalytische Reaktion in Gang zu setzen . Der in der katalytisch aktiven Zone 7 gebildete Ringraum 41 , der den Katalysator 33 umgibt , ist für ein Fluid durchströmbar, so dass der Katalysator 33 in Strömungsrichtung mit einem Fluid, beispielweise mit Wasser H ₂ O umströmbar ist , wodurch im Betrieb eine Kühlung des Katalysators 33 erzielbar ist .

Im Betrieb des Rekombinators 15 wird einem in der axialen z- Richtung in den Einströmbereich 17 einströmenden Produktgasstrom 5 , der in einem flüssig-gas förmigen Phasengemisch aus einem Produktgas mit einem Fremdgasanteil sowie Wasser H ₂ O vorliegt , durch das Drallelement 27 eine tangentiale Be- wegungskomponente aufgeprägt und der Produktgasstrom 5 damit auf eine kreis förmige Bahn gezwungen . Durch Radialkräfte radial einwärts zur z-Achse hin und Verringerung der Radialkomponente nimmt die Drehgeschwindigkeit dermaßen zu, dass die schwereren Wasserteilchen durch die Fliehkraft nach außen in den radial äußeren Bereich 9 geschleudert und abgebremst werden . Das leichtere Produktgas mit dem Fremdgasanteil hingegen wird in den radial inneren Bereich 11 der katalytisch aktive Zone 7 gefördert , und gereinigt .

Hierbei ist die Grundidee zunächst eine Phasentrennung im Produktgasstrom 5 selbst vorzunehmen, d . h . Wasser H ₂ O und Produktgas räumlich zu separieren und danach im Produktgas das Fremdgas gezielt und selektiv katalytisch zu entfernen . Somit ist es vorteilhafterweise nicht erforderlich, das gesamte Phasengemisch im Produktgasstrom 5 einer Gasreinigung unterzogen werden, um gezielt das Fremdgas aus dem Phasengemisch zu entfernen . Die Phasentrennung wird durch eine Drallströmung oder Rotation bewirkt , die dem Produktgasstrom 5 durch das Drallelement 27 aufgeprägt wird, und zwar unter Ausnutzung der Separationsef fekte bei der Stof f trennung analog eines Fliehkraftabscheiders . Das Phasengemisch wird durch eine gezielt aufgeprägte Rotation auf den Produktgasstrom 5 - als Träger der zu trennenden Phasen bzw . Partikel - aufgrund ihrer eigenen Strömungsgeschwindigkeit in eine Drehbewegung versetzt .

Die flüssige Phase des Wassers H ₂ O und die Gasphase der Produktgases werden so aufgrund der unterschiedlichen Partikelmasse bzw . der Dichteunterschiede räumlich getrennt . Eine in- situ Drall- bzw . Rotations-basierte räumliche Trennung der Phasen in dem Phasengemisch kombiniert mit einer selektiven katalytischen Gasreinigung des Produktgases ist erreicht . Die Gasreinigung erfolgt durch einen Rekombinationsprozess , indem gezielt nur das Produktgas der katalytisch aktiven Zone 7 zugeführt wird . Am Katalysator 33 rekombiniert das Produktgas mit dem Fremdgas zu Wasser, so dass das Produktgas von dem Fremdgas gereinigt und nahezu vollständig befreit ist . Von besonderem Vorteil ist , dass mit diesem Gasreinigungskonzept bei Anwendung der Wasserelektrolyse sowohl Wasserstof f als Fremdgas in dem Sauerstof f-Produktgas ef fi zient entfernt werden kann, also auch umgekehrt Sauerstof f als Fremdgas in einem Wasserstof f -Produktgas . Der Rekombinator 15 ist somit flexibel anwendbar bzw . konfigurierbar, kostengünstig und einfach umsetzbar . Die in der katalytisch aktiven Zone 7 erzeugte Rekombinationswärme wird auf das im radial äußeren Bereich 9 strömenden Wasser H ₂ O übertragen wird, so dass die katalytisch aktive Zone 7 und speziell der Katalysator 33 durch die Umströmung mit dem Wasser H ₂ O gekühlt wird .

FIG 2 zeigt schematisch eine Draufsicht in Richtung der z- Achse betrachtet auf den Einströmbereich 17 des in FIG 1 gezeigten Rekombinators 15 . Das Drallelement 27 weist eine Mehrzahl von über einen kreis förmigen Umfang gleichmäßig verteilten Drallschaufeln 29 auf . Diese bewirken die Aufprägung einer Rotation mit einer Tangentialkomponente auf das in den Einströmbereich 17 einströmende Fluid und die Phasentrennung, wie oben beschrieben . Ferner ist eine zentrale Öf fnung 31 vorhanden, die die Quencheinrichtung 43 zeigt .

FIG 3 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Schnittansicht des Rekombinators 15 entsprechend FIG 1 im Bereich des Befestigungselements 35 . Im Strömungskanal 25 ist ein Ringraum 41 gebildet , der durch eine Außenwand 38 und eine Innenwand 37 begrenzt ist . Das Befestigungselement 35 weist vier Stege 39 auf , die symmetrisch über dem kreis förmigen Umfang angeordnet sind . Mit dem Befestigungselement 35 ist der Katalysator 33 in eine zentrale Position gebracht und entlang der z-Achse ausgerichtet und gehalten . Im Strömungskanal 25 ist dadurch ein Ringraum 41 gebildet . Im Betrieb des Rekombinators 15 wird der Ringraum 41 von Wasser H ₂ O zu Kühlungs zwecken durchströmt . Dieses Wasser H ₂ O ist aus dem im Zyklon-basierten Phasentrennprozess gewonnen, das im Einströmbereich 17 in den radial äußeren Bereich 9 aus dem Phasengemisch ausgeschiedenen und gefördert wird . Dadurch ist eine sehr wirksame intrinsische Kühlung des Katalysators 33 erreicht . FIG 4 zeigt in einem Aus führungsbeispiel eine Elektrolyseanlage 1 zur Wasser-Elektrolyse bei der ein Rekombinator 15 gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft zur Anwendung kommt . Bei der Wasser-Elektrolyse wird Wasser H ₂ O als Edukt elektrochemisch in ein Sauerstof f-Produktgas O ₂ und ein Wasserstof f- Produktgas H ₂ zerlegt . Für die elektrochemische Zerlegung weist die Elektrolyseanlage 1 einen Elektrolyseur 2 auf . Die Elektrolyseanlage 1 verfügt außerdem über eine Sauerstof f seifige , erste Gasabscheidevorrichtung 51 sowie über eine Wasserstof f seif ige , zweite Gasabscheidevorrichtung 53 . Der Elektrolyseur 2 ist über eine erste Produktgas-Leitung 55 mit der ersten Gasabscheidevorrichtung 51 und über eine zweite Produktgas-Leitung 57 mit der zweiten Gasabscheidevorrichtung 53 verbunden . Über die erste Produktgas-Leitung 55 wird demnach ein Phasengemisch aus Wasser H ₂ O und Sauerstof f O ₂ transportiert . Durch die zweite Produktgas-Leitung 57 wird ein Phasengemisch aus Wasser H ₂ 0 und Wasserstof f H ₂ aus dem Elektrolyseur 2 hinausgeführt . Anschließend findet in der j eweiligen Gasabscheidevorrichtung 51 , 53 eine Trennung von Flüssigkeit und Produktgas statt .

Weiterhin wird über eine Wasserrückführleitung 59 Wasser H ₂ 0 aus der ersten Gasabscheidevorrichtung 51 in den Elektrolyseur 2 zurückgeführt . Das Wasser H ₂ O aus der zweiten Gasabscheidevorrichtung 53 wird in eine Wasserversorgungsleitung 61 des Elektrolyseurs 2 hineingeleitet .

In der Praxis enthält der Sauerstof f-Produktgasstrom 5 in der ersten Produktgas-Leitung 55 kleine Mengen an Wasserstof f H ₂ und der Wasserstof f-Produktgasstrom 5 in der zweiten Produktgas-Leitung 57 enthält kleine Mengen an Sauerstof f 0 ₂ . Um diese Fremdgase aus dem j eweiligen Produktgasstrom 5 zu entfernen, müssen die Produktgase Sauerstof f 0 ₂ und Wasserstof f H ₂ j eweils aufgereinigt werden, d . h . der j eweilige Produktgasstrom 5 einer entsprechenden Gasreinigung unterzogen werden . Zu diesem Zweck sind in der Elektrolyseanlage 1 und für deren Betrieb verschiedene Vorkehrungen getrof fen, die den Rekombi- nator 15 der Erfindung hier besonders vorteilhaft zur Anwendung bringen . So ist in der Sauerstof f seitig angeschlossenen ersten Produktgasleitung 55 unmittelbar nach dem Austritt des Produktgasstroms 5 aus dem Elektrolyseurs 3 ein Rekombinator 15a in die Produktgasleitung 55 eingebaut . Der Sauerstof f seifige Produktgasstrom 5 liegt in einem ein Phasengemisch aus Wasser H ₂ O und dem Produktgas Sauerstof f O ₂ mit einem Fremdgasanteil Wasserstof f H ₂ vor . Weiterhin sind Messeinrichtungen 45 vorgesehen umfassend geeignete Sensoren oder Mess fühler in der ersten Produktgasleitung 55 , die in unmittelbarer Nähe zu dem Rekombinator 15a oder im Strömungskanal 25 des Rekombinator 15a an entsprechend ausgewählten und für die Messaufgabe gut geeigneten Messstellen angebracht sind . Hierdurch sind charakteristische Kenngrößen wie etwa Druck p, Temperatur T und Volumenstrom V _s vor und nach Durchströmen des Rekombinators 15a bestimmbar und in eine Kontrolleinheit 47 auswertbar . Damit können abgeleitete Größen wie der Anteil an Wasserstof f-Fremdgas in der ersten Produktgasleitung 55 vor uns nach dem Rekombinator 15a bestimmt werden . Weiterhin der Betriebs zustand ermittelt und auch mögliche Alterungsprozesse des Rekombinators 15a diagnosti ziert werden, insbesondere des Katalysators 33 . Nachdem das Sauerstof f-Produktgas aus dem Elektrolyseur 3 den Rekombinator 15a durchströmt hat , ist der Produktgastroms 55 gereinigt . Der Fremdgasanteil an Wasserstof f H ₂ in dem Sauerstof f-Produktgas O ₂ praktisch vernachlässigbar . Nach Durchströmen des Rekombinators 15a liegt aufgrund der Vermischung von Wasser H ₂ O und Sauerstof f O ₂ ein praktisch vollständig vom Fremdgas befreites und gereinigtes Phasengemisch vor .

In analoger Weise ist in der Wasserstof f seitig angeschlossenen zweiten Produktgasleitung 57 unmittelbar nach dem Austritt des Produktgasstroms 5 aus dem Elektrolyseurs 3 ein Rekombinator 15b in die Produktgasleitung 57 eingebaut . Auch der Wasserstof f seif ige Produktgasstrom 5 liegt in einem Phasengemisch aus Wasser H ₂ O und dem Produktgas Sauerstof f H ₂ mit einem Fremdgasanteil Wasserstof f O2 vor . Weiterhin sind Messeinrichtungen 45 vorgesehen umfassend geeignete Sensoren oder Mess fühler in der zweiten Produktgasleitung 57 zur Zustandsüberwachung des Produktgasstroms 5 und der Funktion des Rekombinators 15b . Das Prinzip der ef fi zienten Reinigung des Produktgases mittels des Rekombinators 15b ist wasserstof fseitig analog zu den obigen Aus führungen zu der sauerstof fseitigen Gasreinigung durch den Rekombinators 15a . Bei beiden Rekombinatoren 15a, 15b kommt das Grundprinzip einer räumliche Phasentrennung von flüssigem Wasser H ₂ O und gas förmigem Produktgas mit einer selektiven katalytischen Gasreinigung durch Rekombination des j eweiligen Fremdgases zu unschädlichem Wasser H ₂ O . Von besonderem Vorteil ist , die Rekombinatoren 15a, 15b möglichst unmittelbar nach Austritt des Produktgasstroms 5 aus dem Elektrolyseur 3 in die j eweiligen Produktgasleitung 55 , 57 strömungstechnisch zu schalten . Hier ist noch ein kompakter und weitgehend homogener Volumen- bzw . Massenstrom des Phasengemischs gegeben, was eine ef fektive Durchströmung der Rekombinatoren 15a, 15b und eine wirksame Gasreinigung begünstigt . Es sind aber auch andere Möglichkeiten der Positionierung eines Rekombinators 15 und viel fältige Kombinationen möglich, wie etwa nach dem Austritt eines partiellen Produktgasstroms 5 aus einem Zellverbund oder aus einem Stack umfassend eine Viel zahl von Elektrolysezellen . Diese Verschaltungsvarianten eines Rekombinators 15 an den Zellen selbst sind in FIG 4 nicht näher dargestellt .

Eine weitere Möglichkeit einer vorteilhaften Verschaltung stromab des Rekombinators 15a ist beispielhaft in FIG 4 gezeigt . So ist der Sauerstof f seif igen ersten Gasabscheidevorrichtung 51 ein Rekombinator 15c nachgeschaltet , der vorteilhaft entsprechend FIG 1 ausgestaltet ist . Der Rekombinator 15c ist dabei in die Sauerstof f seif ige Gasauslassleitung 65 eingebaut und von dem Produktgas durchströmbar . Hier ist bereits das Wasser H ₂ O durch die Phasentrennung in der Gasabscheidevorrichtung 51 weitgehend, aber nicht vollständig, von dem Produktgas abgeschieden . Ein gewisser Wasseranteil oder Restfeuchte im Produktgasstrom ist auch nach Durchströmen der ersten Gasabscheidevorrichtung 51 auch in der Leitung 65 weiterhin vorhanden . Somit kenn kann eine Rest feuchte durch Abtrennen des Wasseranteils im Rekombinator 15c entfernt werden . Weiterhin können eventuell noch vorhandene Fremdgasbestandteile durch katalytische Rekombination im Rekombinator 15c abgeschieden werden, um die Reinigungsef fi zienz zu erhöhen und die Qualität des Sauerstof f-Produktgases .

Auch für den Fall , dass der Rekombinator 15a temporär außer Betrieb genommen wird, versagt oder ein unzureichendes Reinigungsergebnis liefert , kann diese kombinierte Verschaltung zweier Rekombinatoren 15a, 15c als Backup-Lösung sehr sinnvoll und vorteilhaft sein . Die hier gezeigte kombinierte Verschaltung auf der Sauerstof f seite einer Elektrolyseanlage 1 ist aber nicht zwingend, sondern nur exemplarisch als Option gezeigt . Auch der Rekombinator 15c ist entsprechend mit Messeinrichtungen 45 ausgestattet , so dass charakteristische Messwerte an die Kontrolleinheit 47 übergeben und ausgewertet werden können .

Es versteht sich, dass andere Aus führungs formen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen . So können Merkmale der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezi fisch anders angegeben . Die Beschreibung der Aus führungsbeispiele ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne auf zufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert .

Der hier verwendete Ausdruck „und/oder" bedeutet bei Benutzung in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen, dass j edes der aufgeführten Elemente allein verwendet werden kann, oder es kann j ede Kombination von zwei oder mehr der auf geführten Elemente verwendet werden .