[Ol ] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wasserelektrolysevorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen sowie eine Wasserelektrolysevorrichtung zur Ausführung dieses Verfah- rens gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 5 angegebenen Merkmalen.

[02] Aus EP 1 243 671 AI zählt eine Wasserelektrolysevorrichtung zum Stand der Technik, bei welcher ein PEM-Elektrolyseur in einen Wasserkreislauf eingebunden ist. Das dem PEM-Elektrolyseur zugeführte Wasser wird in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten, wobei das überschüssige Wasser zusammen mit dem Sauerstoff einem Gasabscheidebehälter zugeführt wird, dessen flüssigkeitsführende Ausgangsleitung einer Kühlvorrichtung und nachfolgend über einen Filter wieder dem PEM-Elektrolyseur zugeführt wird. Das bei der Elektrolyse in Wasserstoff und Sauer- stoff aufgespaltene Wasser wird durch deminerolisiertes Wasser ersetzt und dem Gasabscheidebehälter zugeführt.

[03] Beim Betrieb dieser Elektrolysevorrichtung werden im PEM-Elektrolyseur Metallionen freigesetzt, welche den Elektrolyse prozess beim erneuten Zuführen des Wassers negativ beeinflussen und den PEM-Elektro- lyseur schädigen. Dies kann durch Vorschalten eines Ionenaustauschers verhindert werden, allerdings erfordert dies eine Temperaturabsenkung des zugeführten Wassers, um eine höchstens zulässige Temperatur von ca. 60°C nicht zu überschreiten. Die Absenkung der Wassertemperatur verschlechtert jedoch die Leistung und den Wirkungsgrad des PEM-Elek- trolyseurs, der vorzugsweise mit Wasser einer Temperatur zwischen 70° und 80°C oder höher betrieben wird. Bei der aus EP 1 243 671 AI bekannten Vorrichtung wird eine solche Temperaturabsenkung durch Ver- zieht eines dem PEM-Elektrolyseur vorgeschalteten Ionenaustauschers ermöglicht, wobei durch ständiges Zuführen von demineralisiertem Wasser dafür Sorge getragen wird, dass der Metallionengehalt des dem PEM-Elektrolyseur zugeführten Wassers einen erträglichen Wert nicht überschreitet. [04] Aus EP 2 792 769 AI zählt eine Wasserelektrolysevorrichtung zum Stand der Technik, bei welcher dem PEM-Elektrolyseur im Leitungskreislauf ein Ionenaustauscher vorgeschaltet ist. Um hier einerseits die für den Ionenaustauscher zulässige Temperatur nicht zu überschreiten und um andererseits dem PEM-Elektrolyseur Wasser höherer Temperatur, als das aus dem Ionenaustauscher austretende, zuzuführen, ist dort ein Wärmetauscher vorgesehen, welcher primärseitig das dem Ionenaustauscher zugeführte und sekundärseitig das aus dem Ionenaustauscher abgeführte Wasser im Gegenstrom führt, um diese Temperaturproblematik zu verbessern. Dabei ist allerdings zusätzlich eine Kühlvorrichtung zwischen dem Wärmetauscher und dem Ionenaustauscher erforderlich, um die für den Ionenaustauscher erforderliche Eingangstemperatur zu gewährleisten. Ein Problem dieser Anordnung ist, dass durch den vorgeschalteten Wärmetauscher primär- und sekundärseitig stets dieselben Wassermengen geführt werden müssen, da sie im selben Leitungskreis- lauf liegen. Das Regulant der Kühlvorrichtung erweist sich in der Praxis als nicht ausreichend, um den gegenläufigen Temperaturerfordernissen Genüge zu tun.

[05] Dabei ist die Standzeit des PEM-Elektrolyseurs stark abhängig von der Nutzungsdauer und der Reinheit des zugeführten Wassers. Die Leis- tungsfähigkeit und der Wirkungsgrad steigen mit zunehmender Tempe- ratur bis zum Erreichen einer Betriebstemperatur, die typischerweise über 80°C liegt.

[06] Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Wasserelektroly- sevorrichtung zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf den Wirkungsgrad, Standzeit des PEM-Elektrolyseurs und seine Elektrolyseleistung. Im Weiteren soll eine Wasserelektrolysevorrichtung bereitgestellt werden, mit welcher ein solch verbessertes Verfahren ausführbar ist.

[07] Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird durch das in An- spruch 1 angegebene Verfahren gelöst, der vorrichtungsmäßige durch eine Elektrolysevorrichtung gemäß Anspruch 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.

[08] Unter PEM-Elektrolyseur im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ty- pischerweise ein Stapel von PEM-Elektrolyseurzellen zu verstehen, wie dies zum Stand der Technik zählt. Es kann sich dabei gegebenenfalls auch um eine Vielzahl von in anderer Form parallel geschalteter PEM- Elektrolysezellen handeln.

[09] Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, beim Anfahren der Was- serelektrolysevorrichtung den Wasserkreislauf über eine Bypassleitung am PEM-Elektrolyseur vorbei zu führen. Diese Maßnahme trägt auch zur Langlebigkeit des PEM-Elektrolyseurs bei, da Ionenaustauscher typischerweise die Eigenschaft haben, wenn sie nicht durchströmt sind, sondern wie bei heruntergefahrener Elektrolysevorrichtung, das darin befindliche Medium steht, Metallionen an das Wasser abzugeben, die dann beim nachfolgenden Anfahren der Vorrichtung in den PEM-Elektrolyseur gelangen und diesen schädigen. Durch die Bypassführung während des Anfahrens kann dies wirksam verhindert werden. Die dort im Wasserkreislauf befindlichen Mefallionen werden beim erneuten Durchströmen durch den Ionenaustauscher dann entfernt.

[10] Um die Leistung des PEM-Elektrolyseurs beim Anfahren der Elektrolysevorrichtung möglichst schnell auf ein hohes Niveau zu bringen, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, das dem PEM- Elektrolyseur zugeführte Wasser mittels einer Heizvorrichtung vorzuwärmen. Dies wird typischerweise mittels einer elektrischen Heizung erfolgen, die das beim Anfahren der Vorrichtung kalte Wasser nach Art eines Durchlauferhitzers erwärmt. [1 1 ] Um die Lebensdauer des PEM-Elektrolyseurs, der typischerweise als Stack ausgebildet ist, zu erhöhen und somit auch langfristig eine hohe Leistung zu gewährleisten, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, die Durchströmungsrichtung durch den PEM-Elektro- lyseur periodisch umzukehren, wobei es gemäß der Erfindung nicht zwingend darauf ankommt, stets gleich lange Durchströmungsintervalle in jeder Richtung zu erzielen, sondern eine einigermaßen gleichmäßige Verteilung über die Betriebsdauer. Periodisch im Sinne der Erfindung ist also nicht streng mathematisch, sondern im Sinne von abwechselnd zu verstehen. Dabei ist es bevorzugt so, dass die Umsteuerung nicht wäh- rend des Betriebs, sondern nach dem Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung bzw. vor dem Hochfahren erfolgt, wenn diese ohnehin stillgestanden hat. Wenn die Elektrolysevorrichtung allerdings ständig läuft, dann kann eine solche Umsteuerung auch gegebenenfalls während des Betriebs erfolgen. [12] Vorteilhaft wird das Verfahren zum Betreiben einer Wasserelektrolysevorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff, bei welcher in einem Wasserkreislauf aus einem PEM-Elektrolyseur kommendes Wasser einem ersten Wärmetauscher zur Abkühlung, nachfolgend einem Ionenaustauscher und dann einem zweiten Wärmetauscher zur Erwärmung und wieder dem PEM-Elektrolyseur zugeführt wird, dadurch verbessert, dass die Wärmetauscher sekundärseifig Teil eines gemeinsamen Wärmefrägerkreislaufs bilden, wobei der Wärmefrägerkreislauf eine Kühlvorrichtung aufweist, durch welche der Wärmeträgersfrom zur Steuerung und/oder Regelung der Temperatur des dem Ionenaustauscher zugeführten Wassers und/oder der Temperatur des dem PEM- Elektrolyseur zugeführten Wassers wahlweise ganz, teilweise oder gar nicht durchgeleitef wird.

[13] Grundgedanke dieses Verfahrens ist es, zunächst einmal auf eine Kühlvorrichtung im Wasserkreislauf des Elekfrolyseurs zu verzichten und stattdessen entweder die Temperatur des dem lonenaustauchers zuge- führfen Wassers oder die Temperatur des dem PEM-Elektrolyseur zuge- führfen Wassers oder beide Temperaturen zu steuern, vorzugsweise zu regeln, indem der sekundärseifig durch die Wärmetauscher geführte Wärmeträgersfrom je nach Anforderung ganz, feilweise oder gar nicht einer Kühlvorrichtung zugeführt wird. Dabei ist die Kühlvorrichtung vorzugsweise über ein Mischventil parallel zu dem zweiten Wärmetauscher geschaltet, so dass der aus der Kühlvorrichtung austretende Wärmeträgersfrom zunächst dem ersten Wärmetauscher und dann ganz oder teilweise dem zweiten Wärmetauscher bzw. wieder der Kühlvorrichtung zugeführt wird. Mit dieser Anordnung kann unter Einsatz einer entsprechenden Steuer- und Regeleinrichtung entweder die Temperatur des dem PEM-Elektrolyseur zugeführten Wassers oder die Temperatur des dem Wärmeaustauscher zugeführten Wassers in der erforderlichen Wei- se geregelt werden. Wenn, was gemäß der Erfindung ebenfalls vorgesehen ist, beide dieser Temperaturen geregelt werden sollen, dann wird es erforderlich sein, ein weiteres Regulant (Stellglied) vorzusehen, dies kann beispielsweise die Leistung der Kühlvorrichtung, also die Kühlleistung und/oder die Durchflussmenge durch den Wärmefrägerkreislauf sein, die beispielsweise durch entsprechende Ansteuerung einer dreh- zahlsteuerbaren Umwälzpumpe variiert werden kann. Die vorgenannte Regelung betrifft im Wesentlichen die Temperaturregelung während des eingefahrenen Betriebs, zum Anfahren des PEM-Elektrolyseurs muss diese Temperatur zunächst einmal zumindest annähernd erreicht werden. [14] Alternativ kann gemäß der Erfindung die Kühlvorrichtung des Wärmeträgerkreislaufs in Durchströmungsrichtung dem ersten Wärmetauscher vorgeschaltet, das heißt in Reihe mit diesem geschaltet sein. Dann wird über ein Mischventil die Durchflussmenge gesteuert, die dem zweiten Wärmetauscher zugeführt wird bzw. welche der Kühlvorrich- tung unter Umgehung des zweiten Wärmetauschers zugeführt wird. Bei einer solchen Anordnung sollte die Kühlvorrichtung in ihrer Leistung steuerbar sein.

[15] Grundgedanke ist es somit, nicht den Wasserkreislauf direkt zu kühlen, sondern eine Kühlvorrichtung in den Sekundärkreislauf einzubin- den, wobei in vorteilhafter Weise beide Wärmetauscher demselben Wärmeträgerkreislauf zugeordnet sind und lediglich durch ganz, teilweise oder nicht Durchleitung des Wärmeträgers durch eine Kühlvorrichtung die Temperatursteuerung bzw. Regelung erfolgt.

[16] Dabei müssen der erste und zweite Wärmetauscher nicht not- wendig aus einem einzigen Wärmetauscher bestehen, auch hierbei kann es sich um ein oder mehrere parallel und/oder in Reihe geschaltete Einzelwärmetauscher handeln. Dies gilt in analoger Weise für die Kühlvorrichtung und den Ionenaustauscher, wobei die Kühlvorrichtung typischerweise einen Wärmetauscher aufweist, dessen Primärseite im Wärmeträgerkreislauf liegt und dessen Sekundärseite von einem Kühlmedium durchströmbar ist, beispielsweise Luft oder Kühlflüssigkeit aus einem Kühlaggregat. [17] In der vorliegenden Anmeldung werden durchgängig die Begriffe Wasserkreislauf bzw. Leifungskreislauf einerseits und Wärmeträgerkreislauf andererseits benutzt. Mit Wasserkreislauf bzw. Leitungskreislauf wird der Primärkreislauf bezeichnet, in dem der PEM-Elektrolyseur und der Ionenaustauscher liegen, mit Wärmeträgerkreislauf der Sekundärkreislauf, welcher sekundärseitig durch die vor und hinter dem Ionenaustauscher angeordneten Wärmetauscher führt, der jedoch in gleicher Weise mit Wasser als Wärmeträgermedium betrieben werden kann. Typischerweise wird hier kein demineralisiertes oder destilliertes Wasser verwendet, sondern übliches Leitungswasser, gegebenenfalls unter Zumischung von Glycerin oder auch anderen Zusätzen.

[18] Das Vorheizen des dem PEM-Elektrolyseur zugeführten Wassers ergänzt die erfindungsgemäße Regelung in idealer Weise, die bei zu geringer Temperatur im Wasserkreislauf anfänglich noch nicht in der gewünschten Weise funktioniert. Die Heizvorrichtung muss nicht notwendigerweise im Primärkreislauf angeordnet sein, sondern kann auch im Wärmeträgerkreislauf vorgesehen sein, beispielsweise in Durchflussrichtung vor dem weiteren Wärmetauscher, der ohnehin zur Erwärmung des dem PEM-Elektrolyseur zugeführten Wassers dient. Dabei kann die Heizvorrichtung bereits während des anfänglichen Bypassbetriebes aktiviert werden, so dass mit Abschaltung der Bypassleitung direkt vorgeheiztes Wasser in den PEM-Elektrolyseur gelangt. Dies ist darüber hinaus aufgrund der vorherigen Bypassführung auch in ausreichender Weise von Metallionen befreit, die innerhalb des Ionenaustauschers bei Still- stand der Umwälzung ins Wasser gelangt sind.

[19] Gemäß der Erfindung ist im Leitungskreislauf parallel zum PEM- Elektrolyseur eine Bypassleitung vorgesehen, die vorzugsweise mittels eines Ventils absperrbar ist. Diese Bypassleitung kann auch durch ein Ventil selbst gebildet werden, wie weiter unten noch ausgeführt wird. Eine solche Bypassleitung ist zum Anfahren der Elektrolysevorrichtung vorteilhaft, um den Wasserkreislauf am PEM-Elekfrolyseur vorbeizuführen, um beispielsweise das im Ionenaustauscher stehende Wasser, welches mit Metallionen angereichert sein kann, nicht durch den Elektroly- seur durchzuleiten, sondern den Elektrolyseur erst dann in den Leitungs- kreislauf einzubinden, wenn sichergestellt ist, dass das dem PEM-Elektro- lyseur zugeführte aus dem lonentauscher kommende Wasser in ausreichendem Masse frei von Metallionen ist, das heißt der Ionenaustauscher wirksam arbeitet.

[20] Die Aktivierung der Bypassfunktion wird in einer Vielzahl der An- wendungsfälle am günstigsten durch ein Ventil erfolgen. Es kann jedoch auch durch eine in die Leitung eingegliederte Pumpe oder durch ein dem PEM-Elektrolyseur vorgeschaltetes Absperrventil in Verbindung mit einem in der Bypassleitung angeordneten Druckbegrenzungsventil erfolgen. [21 ] Vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung gemäß einer Weiterbildung eine Anfahrsteuerung auf, welche während der Anfahrphase dem Leitungskreislauf durch einen Bypass unter Umgehung des PEM-Elektrolyseurs führt. Diese Anfahrsteuerung kann Teil der Steuer- und Regeleinrichtung sein, sie kann jedoch auch unabhängig davon realisiert sein und steuert in einfachster Form das Absperrventil während der Anfahrphase öffnend an. Diese Anfahrsteuerung kann bei Verwendung eines 4/3-Wegeventils wie vorbeschrieben dazu ausgebildet sein, die drifte, den Bypass bildende Schaltstellung, des Ventils anzusteuern. [22] Um beim Anfahren der Elektrolysevorrichtung möglichst schnell auf eine hohe Leistung, das heißt elektrische Aufnahmeleistung des PEM-Elektrolyseurs und damit eine möglichst hohe erzeugte Gasmenge zu kommen, kann gemäß der Erfindung vorteilhaft eine Heizvorrichtung dem PEM-Elektrolyseur vorgeschaltet, insbesondere im Leitungskreislauf zwischen Ionenaustauscher und PEM-Elektrolyseur vorgesehen sein. Zweckmäßigerweise ist diese Heizvorrichtung hinter dem weiteren Wärmetauscher und vor dem PEM-Elektrolyseur angeordnet. Alternativ kann eine solche Heizvorrichtung im Wärmeträgerkreislauf vorgesehen sein, und zwar in Durchflussrichtung dem weiteren Wärmetauscher se- kundärseitig vorgeschaltet. Die Heizvorrichtung muss nicht notwendigerweise eine elektrische Heizung sein, es kann hier auch ein Wärmetauscher vorgesehen sein, dessen andere Seite beispielsweise die Abwärme von einem Verbrennungsmotor führt. [23] Um, wie eingangs beschrieben, eine Richtungsumkehr der Durchströmung durch den PEM-Elektrolyseur innerhalb des Leitungskreislaufes zu ermöglichen, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Ventilanordnung vorgesehen, mit der dieses realisierbar ist.

[24] Vorteilhaft kann dies durch das Vorsehen von zwei 3/2-Wege- ventilen erfolgen, wobei eines der Ventile mit dem einen Wasseran- schluss des PEM-Elektrolyseurs sowie der zuführenden und der abführenden Leitung des Leitungskreislaufes verbunden ist und das andere Ventil mit dem anderen Leitungsanschluss des PEM-Elektrolyseurs sowie ebenfalls mit der zuführenden und abführenden Leitung des Leitungskreislau- fes verbunden ist. Derartige 3/2-Wegeventile sind kostengünstig am Markt verfügbar, auch in den hier für den Leitungskreislauf erforderlichen speziellen Materialanforderungen. Die mit dem Wasserkreislauf in Kontakt stehenden Ventilteile sind beispielsweise mit Teflon beschichtet oder titanbeschichtet oder bestehen daraus. [25] Wenn, was vorteilhaft ist, die zwei 3/2-Wegeventile durch 3/3- Wegeventile ersetzt werden, dann kann mit diesen Ventilen nicht nur eine Umkehr der Durchströmungsrichtung durch den PEM-Elektrolyseur gesteuert werden, sondern darüber hinaus auch ein Bypassbetrieb, ohne ein zusätzliches Bypassventil und eine Bypassleitung vorsehen zu müssen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn diese 3/3-Wegeventile nach der Kugelhahnbauart ausgebildet sind, da sie dann kostengünstig und funktionssicher realisiert werden können. Ein solches Wegeventil weist typischerweise drei um 90° versetzt zueinander angeordnete An- Schlüsse auf sowie eine Kugel mit T-förmiger Innenbohrung, so dass jeweils zwei der drei Anschlüsse je nach Schaltstellung miteinander lei- tungsverbunden sind.

[26] Statt zweier 3/2-Wegeventile kann eine Anbindung des PEM-Elek- trolyseurs an den Leitungskreislauf auch in vorteilhafter Weise durch ein 4/2-Wegeventil erfolgen, wobei die beiden Schaltstellungen den beiden Durchströmungsrichtungen entsprechen. Wenn anstelle des 4/2- Wegeventils, was vorteilhaft ist, ein 4/3-Wegeventil eingesetzt wird, welches in der dritten Schaltstellung die zuführende und abführende Leitung des Leitungskreislaufes miteinander verbindet, dann kann durch ein einziges Ventil sowohl die Richtungsumkehr der Durchströmung durch den PEM-Elektrolyseur als auch die Bypassfunktion für das Anfahren der Elektrolysevorrichtung mit nur einem Ventil realisiert werden, was vorteilhaft ist.

[27] Die Ventile werden vorteilhaft aus Edelstahl gebildet sein. Alter- nativ können entsprechend beschichtete Ventile, zum Beispiel teflonbeschichtete oder titanbeschichtete Ventile eingesetzt werden, es ist auch denkbar, die Ventile aus Titan oder anderen geeigneten Werkstoffen herzustellen.

[28] Vorteilhaft weist die Elektrolysevorrichtung eine Umkehrsteuerung auf, welche in zeitlichen Abständen die dem PEM-Elektrolyseur zugeordneten Ventile umsteuert, um eine Umkehr der Durchströmungsrichtung zu erzielen. Diese Umkehrsteuerung kann ebenfalls Teil der Steuer- und Regeleinrichtung oder gesondert ausgebildet sein. [29] Vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Wasserelektrolysevorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser einen Leitungskreislauf für das destillierte, zumindest demineralisierte Wasser auf, in dem nacheinander ein PEM-Elektrolyseur, ein erster Wärmetau- scher, ein Ionenaustauscher und ein weiterer Wärmetauscher angeordnet sind, wobei der Ausgang des weiteren Wärmetauschers mit dem PEM-Elektrolyseur leitungsverbunden ist. Der wasserführende Ausgang des PEM-Elektrolyseurs ist typischerweise der sauerstoffführende Ausgang, aus dem Wasser und Sauerstoff gleichzeitig austreten, die nach- folgend getrennt werden, wobei das Wasser im Leitungskreislauf geführt wird. Dabei sind vorteilhaft sowohl der erste als auch der weitere Wärmetauscher sekundärseitig in einen gemeinsamen Wärmeträgerkreislauf eingegliedert, wobei diesem Wärmeträgerkreislauf eine Kühlvorrichtung zugeordnet ist, die über eine steuerbare Armatur in den Wär- meträgerkreislauf variabel eingliederbar ist. Vorzugsweise ist dabei auch die Kühlvorrichtung selbst in ihrer Kühlleistung steuerbar, alternativ oder zusätzlich kann eine Steuerung über die Durchflussgeschwindigkeit im Wärmeträgerkreislauf vorgesehen sein.

[30] Grundgedanke dabei ist es, unter Verzicht auf eine Kühlvorrich- tung im Leitungskreislauf die Wärmetauscher vor und hinter dem Ionenaustauscher einem gemeinsamen sekundärseitigen Wärmeträgerkreislauf zuzuordnen und in diesem Wärmeträgerkreislauf eine Kühlvorrichtung einzugliedern, welche über eine steuerbare Armatur, vorzugsweise stufenlos, in den Wärmeträgerkreislauf ganz, teilweise oder gar nicht eingebunden werden kann.

[31 ] Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Wasserelektrolysevorrichtung eine Steuer- und Regeleinrichtung auf, welche die Armatur oder die Kühlvorrichtung oder beide zum Zwecke der Temperaturregelung des dem Ionenaustauscher oder dem PEM-Elektrolyseur oder beiden zugeführten Wassers steuert. Bevorzugt ist die Regeleinrich- †ung zur Temperaturregelung des dem PEM-Elektrolyseur zugeführten Wassers ausgelegt, da diese Temperatur für die Leistung der gesamten Vorrichtung ausschlaggebend ist.

[32] Da in dem Prozess typischerweise mehr Wärme im Leitungskreis- lauf abzugeben ist als zur Erwärmung des dem PEM-Elektrolyseur zuzuführenden Wassers erforderlich ist, kann gemäß der Erfindung auch eine stufenweise Regelung erfolgen, der Gestalt, dass die dem PEM-Elektrolyseur zugeführte Wassertemperatur primär geregelt und die dem Ionenaustauscher zugeführte Wassertemperatur lediglich hinsichtlich ei- ner Grenztemperatur geregelt wird, wobei diese Grenztemperatur beispielsweise maximal 60°C beträgt.

[33] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Armatur ein Mischventil (auch Mischer genannt), wie dies beispielsweise aus der Heizungstechnik zum Stand der Technik zählt. Ein solches Misch- ventil kann mittels eines Stellmotors gesteuert und kostengünstig bereitgestellt werden. Da es sich um den (sekundärseitigen) Wärmeträgerkreislauf handelt, kann hier eine einfache erprobte und kostengünstige Armatur aus der Heizungstechnik Verwendung finden.

[34] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist dem Wärmeträgerkreislauf eine drehzahlsteuerbare Umwälzpumpe angeordnet, deren Drehzahl von der Steuer- und Regeleinrichtung gesteuert ist. Derartige typischerweise frequenzumrichtergesteuerte Umwälzpumpen sind ebenfalls aus der Heizungstechnik kostengünstig verfügbar und können in weiten Leistungsbereichen arbeiten. Die Verwendung einer solchen Umwälzpumpe ist nicht nur sinnvoll, wenn der Förderstrom als weitere Stellgröße für eine Regelung verwendet werden soll, sondern auch wenn dieses Erfordernis nicht gegeben ist, um den Wärmeträgerkreislauf energetisch günstig betreiben zu können. [35] Vorteilhaft ist die Kühlvorrichtung parallel zum weiteren Wärmetauscher, also dem Wärmetauscher zwischen Ionenaustauscher und PEM-Elektrolyseur geschaltet, so dass der aus der Kühlvorrichtung austretende Wärmeträgerstrom zunächst dem ersten Wärmetauscher zu- geführt wird, welcher zum Herunterkühlen des in dem Ionenaustauscher eintretenden Wassers vorgesehen ist. Die Armatur, insbesondere das Mischventil, kann dann entweder in die Verzweigungsleitung eingegliedert werden, welche vom ersten Wärmetauscher kommt und zum weiteren Wärmetauscher oder zur Kühlvorrichtung führt oder aber bevor- zugt im Mündungsbereich dieser Leitungen, das heißt dort, wo die Leitung vom weiteren Wärmetauscher, die von der Kühlvorrichtung kommende Leitung und die zum ersten Wärmetauscher führende Leitung aufeinander stoßen. Es versteht sich, dass die Bezeichnungen sich auf die bestimmungsgemäße Durchströmungsrichtung beziehen. Alternativ kann die Kühlvorrichtung in der zum ersten Wärmetauscher führenden Leitung des Wärmeträgerkreislaufs eingegliedert sein, vorzugsweise handelt es sich dann um eine in ihrer Leistung steuerbare Kühlvorrichtung. Mit dem Mischventil wird dann gesteuert, welche Anteile des Wärmeträgerstroms durch den weiteren Wärmetauscher und welcher an diesem vorbeigeführt wird.

[36] Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in stark vereinfachter Darstellung ein Schaltbild einer Elektrolysevorrichtung, bei dem die für die vorliegende Erfindung nicht wesentlichen Komponenten nicht dargestellt sind. [37] Die dargestellte Wasserelektrolysevorrichtung weist einen PEM- Elektrolyseur 1 auf, der in üblicher Form als Stack ausgebildet ist und einen ersten Leitungsanschluss 2 sowie einen zweiten Leitungsanschluss 3 aufweist, mit denen der Stack 1 in einen Leitungskreislauf 4 eingebunden ist, welcher eine vom PEM-Elektrolyseur 1 abführende Leitung 5 auf- weist, in welcher das aus dem PEM-Elektrolyseur 1 austretende Wasser zusammen mit dem darin erzeugten Sauerstoff einen Behälter 6 zugeführt wird, welcher einerseits zur Abscheidung des Sauerstoffs und andererseits zur Speisung des Elektrolyseurs 1 mit Wasser dient. Dieser Behälter 6 ist somit auch ein Vorratsbehälter. Das durch Elektrolyse aus dem Lei- tungskreislauf 4 über den Elektrolyseur 1 entfernte Wasser wird über eine Leitung 7 dem Behälter 6 zugeführt. Es handelt sich hierbei um demine- ralisiertes oder destilliertes Wasser. Der wasserführende Ausgang 8 des Behälters 6 ist über eine Umwälzpumpe 9 mit einem ersten Wärmetauscher 10 leitungsverbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Ionenaustauschers 1 1 leitungsverbunden ist, dessen Ausgang mit einem weiteren, hier zweiten Wärmetauscher 12 verbunden ist, dessen Ausgang über ein 3/2-Wegeventil 13 entweder mit einer Bypassleitung 14 oder mit einer zum PEM-Elektrolyseur führenden Leitung 15 verbunden ist, in der eine elektrische Heizung 16 eingegliedert ist. [38] Die abführende Leitung 5 und die zuführende Leitung 15 sind jeweils über ein 3/2-Wegeventil mit dem PEM-Elektrolyseur 1 verbunden, und zwar über ein erstes 3/2-Wegeventil 1 7, welches diese Leitungen mit dem ersten Anschluss 2 des Elektrolyseurs 1 verbindet sowie ein zweites 3/2-Wegeventil 18, welches diese Leitungen mit dem zweiten An- schluss 3 des PEM-Elektrolyseurs verbindet.

[39] Im normalen Betrieb wird das Wasser im Leitungskreislauf 4 geführt, in dem es austretend aus dem Behälter 6 zunächst zur Umwälzpumpe 9 und von dort durch die Primärseite des ersten Wärmetauschers 10 geleitet wird. In diesem Wärmetauscher 10 wird das Wasser auf eine Temperatur heruntergekühlt (beispielsweise unter 60°C), um sicherzustellen, dass eine höchst zulässige Betriebstemperatur des nachfolgenden Ionenaustauschers 1 1 nicht überschritten wird. Nach Austritt aus dem Ionenaustauscher 1 1 wird das Wasser dem zweiten Wärmetauscher 12 primärseitig zugeführt, in welchem dieses auf eine Tempe- ratur von beispielsweise 70 °C bis 80 °C erwärmt wird, um dann dem PEM-Elek†rolyseur 1 zugeführt zu werden, sei es über den ersten An- schluss 2 oder bei Umkehr der Durchsfrömungsrichfung über den zweiten Anschluss 3. Dabei ist die Temperatur, mit der der zweite Wärmetauscher 12 das Wasser aufheizt so gewählt, dass der nachfolgende Elek- trolyseprozess im Elektrolyseur 1 mit hohem Wirkungsrad bei hoher Leistung abläuft. Das aus dem Elektrolyseur 1 zusammen mit dem Sauerstoff austretende Wasser wird über den zweiten Anschluss 3 bzw. bei Strömungsumkehr über den ersten Anschluss 2 in die abführende Leitung 5 dem Behälter 6 zugeführt, wo eine Gasabscheidung erfolgt und sich wasserseitig der Kreislauf 4 schließt.

[40] Die Wärmetauscher 10 und 12 sind sekundärseitig einem gemeinsamen Wärmeträgerkreislauf 20 zugeordnet, der durch eine drehzahlsteuerbare Umwälzpumpe 21 das aus dem ersten Wärmetauscher 10 sekundärseitig austretende Wärmeträgermedium, typischerweise Was- ser mit Zusatzstoff, über eine Leitung 22 dem sekundärseitigen Eingang des zweiten Wärmetauschers 12 sowie über eine Leitung 23 einer Kühlvorrichtung 24 zuführt, die parallel zum zweiten Wärmetauscher 12 angeordnet und über ein Mischventil 25 in den Wärmeträgerkreislauf eingebunden ist. Das Mischventil vereint eine vom zweiten Wärmetauscher 12 sekundärseitig kommende Leitung 26 mit einer von der Kühlvorrichtung 24 kommenden Leitung 27 in eine zum ersten Wärmetauscher 10 führende Leitung 28. In einer Endstellung des Mischventils 25 ist die Kühlvorrichtung 24 nicht in den Wärmeträgerkreislauf 20 eingebunden, dann sind die Sekundärseiten der Wärmetauscher 10 und 12 über die Leitungen 26 und 28 miteinander leitungsverbunden, die Umwälzung erfolgt über die Pumpe 21 und die daran anschließende Leitung 22. Durch Ändern der Stellung des Mischventils aus dieser ersten Endstellung in eine zweite Endstellung wird die aus dem zweiten Wärmetauscher 12 kommende Leitung 26 gegenüber der zum ersten Wärmetau- scher 10 führenden Leitung 28 abgesperrt und die von der Kühlvorrichtung 24 kommende Leitung 27 mit der Leitung 28 verbunden. Diese Endstellung ist eher theoretischer Natur, da die Leitung 26 in der Praxis nicht vollständig geschlossen wird. Je nachdem wie weit der über die Leitung 27 aus der Kühlvorrichtung 24 austretende Wärmeträgerstrom freigegeben, das heißt über die Leitung 28 zum ersten Wärmetauscher 10 geleitet wird, wird bestimmt, wie viel Wärme aus dem Wärmeträgerkreislauf 20 abgeführt wird.

[41 ] Es ist eine in der Figur nicht dargestellte Steuer- und Regeleinrichtung vorgesehen, welche dafür sorgt, dass die Stellung des Mischventils 25 so angesteuert wird, dass das dem PEM-Elektrolyseur 1 zugeführte Wasser eine vorbestimmte Temperatur von beispielsweise 80°C aufweist. Diese Temperatur ist entscheidend für die Leistung des PEM-Elek- trolyseurs 1 und somit auch der gesamten Elektrolysevorrichtung. Grundsätzlich kann durch Ansteuerung des Mischventils 25 auch die dem Ionenaustauscher 10 zugeführte Wassertemperatur geregelt wer- den. Da es hier jedoch nicht auf die Einhaltung einer genauen Temperatur ankommt, sondern lediglich sicher zu stellen ist, dass die Eingangstemperatur unter beispielsweise 60°C liegt, wird hier eine sekundäre Regelung überlagert, die entweder durch Drehzahlansteuerung der Umwälzpumpe 21 oder durch Steuerung der Leistung der Kühlvorrich- tung 24 erfolgt.

[42] Diese Steuer- und Regeleinrichtung sorgt im Weiteren dafür, dass beim Anfahren der Elektrolysevorrichtung, also dann, wenn das im Kreislauf 4 befindliche Wasser noch nicht die gewünschte Betriebstemperatur hat, dieses über die elektrische Heizung 1 6 vorgewärmt wird. Bevor eine solche Vorwärmung erfolgt, wird jedoch über eine Anfahrsteuerung das 3/2-Wegeventil derart umsteuert, dass der PEM-Elektrolyseur 1 durch die Bypassleitung 14 überbrückt ist, das heißt, dass das aus dem Ionenaustauscher 1 1 austretende und durch den zweiten Wärmetauscher 12 geführte Wasser zunächst nicht dem PEM-Elektrolyseur 1 , son- dem der rückführenden Leitung 5 und somit dem Behälter 6 zugeführt wird. Diese Ansteuerung erfolgt so lange, bis sichergestellt ist, dass das gesamte im Ionenaustauscher befindliche Wasser, welches dort befindlich war, in die rückführende Leitung 5 gelangt ist. Erst dann wird das Ventil 13 umgesteuert, so dass das im Wasserkreislauf 4 geführte Wasser der Heizung 1 6 zugeführt und somit vorgewärmt in den PEM-Elektroly- seur 1 gelangt.

[43] Weiterhin sorgt die Steuer- und Regeleinrichtung dafür, dass die 3/2-Wegeventile 17 und 18, welche die Durchströmungsrichtung durch den PEM-Elektrolyseur 1 bestimmen, in zeitlichen Abständen umgesteu- ert werden. In einer ersten Stellung verbindet das 3/2-Wegeventil 17 die zuführende Leitung 15 mit dem ersten Leitungsanschluss 2 des PEM-Elek- trolyseurs 1 , wobei der Leitungsanschluss zur abführenden Leitung 5 gesperrt ist, in analoger Weise verbindet das zweite 3/2-Wegeventil den zweiten Leitungsanschluss 3 des PEM-Elektrolyseurs 1 mit der abführen- den Leitung 5 wobei die Leitungsverbindung zur zuführenden Leitung 15 gesperrt ist. Nach Umsteuern beider Ventile 17, 18, was zeitgleich erfolgen sollte, verbindet das 3/2-Wegeventil 1 7 den ersten Leitungsanschluss 2 des PEM-Elektrolyseurs 1 mit der abführenden Leitung 5 und sperrt die zuführende Leitung 15, wohingegen das zweite 3/2-Wegeven- til den zweiten Leitungsanschluss 3 des PEM-Elektrolyseurs 1 mit der zuführenden Leitung 15 verbindet und die Leitungsverbindung zur abführenden Leitung 5 sperrt. Damit wird der PEM-Elektrolyseur 1 in umgekehrter Richtung durchströmt.

[44] Wenn statt der 3/2-Wegeventile 17, 18 3/3-Wegeventile vorgese- hen werden, dann können das 3/2-Wegeventil 13 und die Bypassleitung 14 entfallen. Dann können mit diesen beiden 3/3-Wegeventilen sowohl die Umkehr der Durchströmungsrichtung als auch die Bypassfunktion realisiert werden. Vorteilhaft können hierzu Wegeventile der Kugelhahnbauart eingesetzt werden, welche im Ventilgehäuse 3 um 90° zueinan- der versetzte Leitungsanschlüsse aufweisen, so wie dies in der Figur schematisch bei den Ventilen 1 7 und 18 dargestellt ist und die einen Ventilkörper in Form einer Kugel aufweisen, welcher eine im Querschnitt T-förmige Durchgangsbohrung aufweist, mit welcher je nach Schaltstellung zwei der insgesamt drei Anschlüsse leitungsverbunden sind. [45] Statt die Kühlvorrichtung 24 in die Leitung 23, 27, also parallel zum zweiten Wärmetauscher 12 anzuordnen, könnte diese in der Leitung 28 angeordnet sein, wobei es sich dann vorzugsweise um eine in ihrer Kühlleistung steuerbare Kühlvorrichtung handeln sollte. Die zum zweiten Wärmetauscher 12 parallel liegende Leitung 23, 27 würde so erhalten bleiben, über das Mischventil 25 würde dann der dem zweiten Wärmetauscher 12 zugeführte Wärmeträgerstrom und der über die Leitung 23, 27 parallel vorbeigeführte gesteuert.

[46] Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die elektrische Heizung in der zum PEM-Elektrolyseur 1 führenden Leitung 15 ange- ordnet. Alternativ kann eine solche elektrische Heizung auch im Wärmeträgerkreislauf angeordnet sein, typischerweise in Durchflussrichtung vor dem zweiten Wärmetauscher 12, also in der Leitung 22. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass die Heizung nicht speziell an die für den Primärkreislauf erforderlichen Anforderungen angepasst werden muss, sondern dass auch insoweit kostengünstige Komponenten aus der Heizungs- oder anderer Technik Verwendung finden könnten.

Bezugszeichenliste

1 PEM-Elek†rolyseur

2 erster Anschluss

3 zweiter Anschluss

4 Leitungskreislauf/Wasserkreislauf

5 abführende Leitung

6 Behälter

7 wasserzuführende Leitung

8 Leitungsausgang von 6

9 Umwälzpumpe für Leitungskreislauf

10 erster Wärmetauscher

1 1 Ionenaustauscher

12 zweiter Wärmetauscher

13 3/2-Wegeventil zur Bypassleitung

14 Bypassleitung

15 zuführende Leitung

16 elektrische Heizung

17 3/2-Wegeventil

18 3/2-Wegeventil

20 Wärmeträgerkreiskauf

21 Umwälzpumpe für den Wärmeträgerkreislauf

22 Leitung zum zweiten Wärmetauscher 12

23 Leitung zur Kühlvorrichtung

24 Kühlvorrichtung

25 Mischventil

26 Leitung vom zweiten Wärmetauscher 12 zum Mischventil

27 Leitung von der Kühlvorrichtung zum Mischventil

28 Leitung vom Mischventil zum ersten Wärmetauscher 10