AT528039A1

AT528039A1 - Electrolysis device for producing a fuel

Info

Publication number: AT528039A1
Application number: ATA50178/2024A
Authority: AT
Inventors: Pandya Bhargav Phd; Neubauer Dr Raphael; Hollauf Bsc Msc Manuel
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2024-03-01
Filing date: 2024-03-01
Publication date: 2025-09-15
Also published as: WO2025179327A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung (100) für eine Erzeugung eines Brennstoffs (B) in Elektrolysezellen wenigstens eines Elektrolysestapels (110), aufweisend einen Luftzuführabschnitt (122) zur Zufuhr von Zuluft (ZL) zu einer Luftseite (120) des Elektrolysestapels (110) und einen Luftabführabschnitt (124) zur Abfuhr von Abluft (AL) von der Luftseite (120) des Elektrolysestapels (110), weiter aufweisend einen Wasserzuführabschnitt (132) zur Zufuhr von Wasser (W) zu einer Brennstoffseite (130) des Elektrolysestapels (110) und einen Brennstoffabführabschnitt (134) zur Abfuhr von Brennstoffgemisch (BG), aufweisend Brennstoff (B) und Wasser (W), von der Brennstoffseite (130) des Elektrolysestapels (110), wobei der Brennstoffabführabschnitt (134) eine Kondensatorvorrichtung (140) aufweist für eine Kühlung des Brennstoffgemischs (BG) unter eine Kondensationstemperatur von Wasser (W), für ein Kondensieren und Abtrennen des Wassers (W) von dem Brennstoff (B), wobei im Brennstoffabführabschnitt (134) stromaufwärts der Kondensatorvorrichtung (140) ein Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauscher (150) in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Luftzuführabschnitt (122) angeordnet ist für eine Übertragung von Wärme vom Brennstoffgemisch (BG) in die Zuluft (ZL).The present invention relates to an electrolysis device (100) for producing a fuel (B) in electrolysis cells of at least one electrolysis stack (110), comprising an air supply section (122) for supplying supply air (ZL) to an air side (120) of the electrolysis stack (110) and an air discharge section (124) for discharging exhaust air (AL) from the air side (120) of the electrolysis stack (110), further comprising a water supply section (132) for supplying water (W) to a fuel side (130) of the electrolysis stack (110) and a fuel discharge section (134) for discharging a fuel mixture (BG) comprising fuel (B) and water (W) from the fuel side (130) of the electrolysis stack (110), wherein the fuel discharge section (134) comprises a condenser device (140) for cooling the fuel mixture (BG) below a condensation temperature of Water (W), for condensing and separating the water (W) from the fuel (B), wherein in the fuel discharge section (134) upstream of the condenser device (140) a fuel mixture-supply air heat exchanger (150) is arranged in heat-transferring contact with the air supply section (122) for transferring heat from the fuel mixture (BG) into the supply air (ZL).

Description

Elektrolysevorrichtung für eine Erzeugung eines Brennstoffs Electrolysis device for producing a fuel

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung für eine Erzeugung eines Brennstoffs, ein Kontrollverfahren für ein kontrolliertes Betreiben einer solchen Elektrolysevorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Kontrollverfahrens. The present invention relates to an electrolysis device for producing a fuel, a control method for controlled operation of such an electrolysis device and a computer program product for carrying out such a control method.

Es ist bekannt, dass Elektrolysevorrichtungen verwendet werden, um aus zur Verfügung stehendem elektrischem Strom einen Brennstoff zu erzeugen. Beispielsweise kann als Brennstoff Wasserstoff erzeugt werden, welcher direkt als chemischer Energieträger gespeichert oder durch weitere chemische Verfahren für die Speicherung weiterverarbeitet wird. Solche Systeme werden auch als Power-to-GasSysteme bezeichnet und können zum Beispiel dazu dienen, erzeugten Strom aus regenerativen Quellen, wie Solaranlagen oder Windenergie, längerfristig chemisch in dem jeweiligen Brennstoff als Gas zu speichern. Es ist auch bekannt, für solche Systeme Elektrolysevorrichtungen einzusetzen, welche insbesondre ein elektrolytisches Spalten von Wasser in seine Gasbestandteile ermöglicht. Solche Elektrolysevorrichtungen sind üblicherweise aus einer Vielzahl einzelner Elektrolysezellen aufgebaut, welche in wenigstens einem Elektrolysestapel übereinandergestapelt angeordnet sind. It is known that electrolysis devices are used to generate a fuel from available electrical power. For example, hydrogen can be produced as a fuel, which is then stored directly as a chemical energy carrier or further processed for storage using additional chemical processes. Such systems are also referred to as power-to-gas systems and can be used, for example, to chemically store electricity generated from renewable sources, such as solar panels or wind energy, as gas in the respective fuel for the long term. It is also known to use electrolysis devices for such systems, which in particular enable the electrolytic splitting of water into its gas components. Such electrolysis devices are usually constructed from a large number of individual electrolysis cells that are stacked one above the other in at least one electrolysis stack.

Im Betrieb dieser Elektrolysevorrichtungen wird Wasser verdampft und als Wasserdampf, vorzugsweise als Gas mit einem Dampfanteil von 60% bis 80%, den ElektroIysezellen und damit dem Elektrolysestapel auf seiner Brennstoffseite zugeführt. Auf der anderen Seite der jeweiligen Zellmembran in jeder Elektrolysezelle, welche auch als Luftseite bezeichnet werden kann, wird zum Beispiel aus der Umgebung Zuluft angesaugt und zugeführt. Unter der Nutzung der zugeführten elektrischen Energie spaltet sich nun zumindest ein Teil des dampfförmigen Wassers in die Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff auf. Dies führt dazu, dass auf der Brennstoffseite nun ein Gemisch aus dem erzeugten Brennstoff, also insbesondere dem Wasserstoff, und verbleibendem Restwasserdampf als Brennstoffgemisch entsteht. Auf der Luftseite verbleibt ein Abgas, welches mit dem erzeugten Sauerstoff angereichert ist. Das Brennstoffgemisch verlässt entsprechend die Brennstoffseite, während die Abluft der Luftseite den Elektrolysestapel separat davon verlässt. During operation of these electrolysis devices, water is evaporated and fed as water vapor, preferably as a gas with a vapor content of 60% to 80%, to the electrolysis cells and thus to the electrolysis stack on its fuel side. On the other side of the respective cell membrane in each electrolysis cell, which can also be referred to as the air side, supply air is sucked in from the environment, for example, and fed in. Using the supplied electrical energy, at least a portion of the vaporous water is split into the components oxygen and hydrogen. This results in a mixture of the produced fuel, in particular the hydrogen, and remaining residual water vapor forming the fuel mixture on the fuel side. An exhaust gas enriched with the produced oxygen remains on the air side. The fuel mixture accordingly leaves the fuel side, while the exhaust air from the air side leaves the electrolysis stack separately.

Darüber hinaus ist es notwendig, das entstehende Brennstoffgemisch aufzutrennen, also den verbleibenden Restwasserdampf vom Brennstoff abzutrennen. Dies erfolgt üblicherweise durch Kondensatorvorrichtungen, die das Brennstoffgemisch unter die Kondensationstemperatur von Wasser abkühlen. Hierfür werden externe Kühlmittel mit einem separaten Kühlkreislauf eingesetzt, um diese Kühlfunktionalität zu gewährleisten. Dabei wird das Kühlmittel im Kreislauf ebenfalls wieder durch separate Kühlvorrichtungen, unter der Nutzung von elektrischer Energie, gekühlt. Auch hier ist also zusätzliche elektrische Energie notwendig, um den thermisch ausgeglichenen Betrieb der Elektrolysevorrichtung zu gewährleisten. Sowohl auf Seiten der Heizung des Wassers in Wasserdampf als auch auf der Seite der Kühlung ist somit ein Effizienz-In addition, it is necessary to separate the resulting fuel mixture, i.e., to separate the remaining water vapor from the fuel. This is usually done by condensers that cool the fuel mixture below the condensation temperature of water. External coolants with a separate cooling circuit are used to ensure this cooling functionality. The coolant in the circuit is also cooled by separate cooling devices using electrical energy. Additional electrical energy is therefore required here to ensure thermally balanced operation of the electrolysis device. Therefore, an efficiency improvement is required both for heating the water to steam and for cooling.

verlust zu erkennen. to detect loss.

Gleiches gilt auch für den Luftzuführabschnitt, in welchem die Zuluft für einen thermisch balancierten Betrieb, mit gleichen Temperaturen auf Luftseite und Brennstoffseite, entsprechend elektrisch vorgeheizt werden muss. Auch hier wird wieder elektrische Energie für den Betrieb der Elektrolysevorrichtung benötigt und steht dementsprechend auch nicht der Elektrolysefunktionalität zur Verfügung. The same applies to the air supply section, where the supply air must be electrically preheated to ensure thermally balanced operation with equal temperatures on the air and fuel sides. Here, too, electrical energy is required to operate the electrolysis device and is therefore not available for the electrolysis functionality.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Energieeffizienz bei dem Betrieb einer Elektrolysevorrichtung zu steigern oder sogar zu optimieren. The object of the present invention is to at least partially remedy the disadvantages described above in a cost-effective and simple manner. In particular, the object of the present invention is to increase or even optimize the energy efficiency during the operation of an electrolysis device in a cost-effective and simple manner.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Elektrolysevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Kontrollverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Be-The above object is achieved by an electrolysis device having the features of claim 1, a control method having the features of claim 11 and a computer program product having the features of claim 15. Further features and details emerge from the subclaims, the

Erfindungsgemäß dient eine Elektrolysevorrichtung der Erzeugung eines Brennstoffs in Elektrolysezellen wenigstens eines Elektrolysestapels. Hierfür weist die Elektrolysevorrichtung einen Luftzuführabschnitt zur Zufuhr von Zuluft zu einer Luftseite des Elektrolysestapels sowie einen Luftabführabschnitt zur Abfuhr von Abluft von der Luftseite des Elektrolysestapels auf. Darüber hinaus ist ein Wasserzuführabschnitt zur Zufuhr von Wasser zu einer Brennstoffseite des Elektrolysestapels und ein Brennstoffabführabschnitt zur Abfuhr eines Brennstoffgemischs, aufweisend Brennstoff und Wasser, von der Brennstoffseite des Elektrolysestapels, vorgesehen. Eine erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Brennstoffabführabschnitt eine Kondensatorvorrichtung aufweist für eine Kühlung des Brennstoffgemischs unter eine Kondensationstemperatur von Wasser, für ein Kondensieren und Abtrennen des Wassers vom Brennstoff. Darüber hinaus ist im Brennstoffabführabschnitt stromaufwärts der Kondensatorvorrichtung ein Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauscher in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Luftzuführabschnitt angeordnet für eine Übertragung von Wärme vom Brennstoffgemisch in die Zuluft. According to the invention, an electrolysis device serves to produce a fuel in electrolysis cells of at least one electrolysis stack. For this purpose, the electrolysis device has an air supply section for supplying supply air to an air side of the electrolysis stack and an air discharge section for discharging exhaust air from the air side of the electrolysis stack. Furthermore, a water supply section for supplying water to a fuel side of the electrolysis stack and a fuel discharge section for discharging a fuel mixture comprising fuel and water from the fuel side of the electrolysis stack are provided. An electrolysis device according to the invention is characterized in that the fuel discharge section has a condenser device for cooling the fuel mixture below a condensation temperature of water, for condensing and separating the water from the fuel. Furthermore, a fuel mixture-supply air heat exchanger is arranged in the fuel discharge section upstream of the condenser device in heat-transferring contact with the air supply section for transferring heat from the fuel mixture to the supply air.

Eine erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung basiert auf den bekannten Elektrolysevorrichtungen und dient der Erzeugung von Brennstoff. Während grundsätzlich jede Form von Brennstoff erzeugt werden kann, wird im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung dies im Wesentlichen mit Bezug auf den Brennstoff in Form von Wasserstoff näher erläutert. Dabei kann der Wasserstoff direkt den Brennstoff für eine anschließende Verwendung darstellen oder noch weiterverarbeitet werden. Beispielsweise kann durch einen Methanisierungsprozess der Brennstoff Wasserstoff in Methan oder andere kohlenstoffhaltige Brennstoffgase umgewandelt werden. An electrolysis device according to the invention is based on known electrolysis devices and serves to generate fuel. While in principle any form of fuel can be generated, this will be explained in more detail in the context of the present patent application primarily with reference to the fuel in the form of hydrogen. The hydrogen can directly represent the fuel for subsequent use or be further processed. For example, the hydrogen fuel can be converted into methane or other carbon-containing fuel gases through a methanation process.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht nun darauf, die Energieeffizienz zu steigern und elektrische Kühl- und Heizaufwände zu reduzieren, welche üblicherweise durch elektrische Kühlmöglichkeiten sowie elektrische Heizmöglichkeiten erzeugt The core idea of the invention is to increase energy efficiency and reduce electrical cooling and heating costs, which are usually generated by electrical cooling and heating options.

Erfindungsgemäß ist nun stromaufwärts dieser Kondensatorvorrichtung ein Wärmetauscher in Form des Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauschers angeordnet. Dieser führt nun zu mehreren wesentlichen Vorteilen. Das Brennstoffgemisch, welches den Elektrolysestapel von der Brennstoffseite her verlässt, weist entsprechend die Betriebstemperatur des Elektrolysestapels auf. Diese hohe Temperatur beinhaltet insbesondere die Betriebstemperatur deutlich oberhalb der Kondensationstemperatur von Wasser. Beim Durchströmen des Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauschers gibt nun dieses Brennstoffgemisch zumindest einen Teil dieser enthaltenen Wärme an die auf der anderen Seite des Wärmetauschers diesen durchströmende Zuluft ab. Mit anderen Worten erfolgt hier ein Vorwärmen der Zuluft und ein Abkühlen des Brennstoffgemisches. Dabei ist es bevorzugt, wie dies später noch mit Bezug auf ein Kontrollverfahren näher erläutert wird, dass ein Herabsetzen der Temperatur des Brennstoffgemisches auf eine Weise erfolgt, dass insbesondere die Kondensationstemperatur von Wasser noch nicht unterstritten wird, das Wasser also weiterhin gasförmig in Dampfform verbleibt. Da der Wasserdampf hier je nach Betriebssituation noch bis zu 20% bis 40% des Brennstoffgemisches ausmachen kann, ist es vorteilhaft, diesen in der dampfförmigen Phase zu halten, um einen einfachen und rein gasförmigen Weitertransport zur Kondensatorvorrichtung vorsehen zu können. According to the invention, a heat exchanger in the form of a fuel mixture-supply air heat exchanger is arranged upstream of this condenser device. This leads to several significant advantages. The fuel mixture leaving the electrolysis stack from the fuel side is at the operating temperature of the electrolysis stack. This high temperature includes, in particular, the operating temperature significantly above the condensation temperature of water. As it flows through the fuel mixture-supply air heat exchanger, this fuel mixture transfers at least a portion of the heat it contains to the supply air flowing through the heat exchanger on the other side. In other words, this preheats the supply air and cools the fuel mixture. As will be explained in more detail later with reference to a control method, it is preferred that the temperature of the fuel mixture be reduced in such a way that, in particular, the condensation temperature of water is not yet reached, so that the water remains in gaseous vapor form. Since the water vapor can still make up to 20% to 40% of the fuel mixture, depending on the operating situation, it is advantageous to keep it in the vapor phase in order to be able to provide for simple and purely gaseous further transport to the condenser device.

Die reduzierte Temperatur im Brennstoffgemisch führt nun dazu, dass die notwendige Kühlleistung an der Kondensatorvorrichtung im Vergleich zu den bekannten Elektrolysevorrichtungen deutlich reduziert ist. Die Differenztemperatur zwischen der Eintrittstemperatur des Brennstoffgemisches an der Kondensatorvorrichtung und der zu unterschreitenden Kondensationstemperatur von Wasser, ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen reduziert. Diese The reduced temperature in the fuel mixture now results in the required cooling capacity at the condenser device being significantly reduced compared to known electrolysis devices. The temperature difference between the inlet temperature of the fuel mixture at the condenser device and the condensation temperature of water, which must be below this temperature, is reduced in the inventive design compared to known devices.

Gleichzeitig erfolgt durch die Übergabe der Wärme an die Zuluft ein Vorheizen derselben. Die vorgeheizte Zuluft muss nun nur noch um eine reduzierte Temperaturdifferenz auf die gewünschte Betriebstemperatur im Elektrolysestapel aufgeheizt werden. Wie bereits einleitend erläutert worden ist, befindet sich in Betriebssituation die Betriebstemperatur auf Luftseite und Brennstoffseite im Elektrolysestapel vorzugsweise auf gleichem Niveau und damit in Balance. Dadurch, dass nun durch die Aufnahme der Wärme aus dem Brennstoffgemisch die Zuluft von einer Außentemperatur bereits zumindest teilweise vorgeheizt wird, reduziert sich die Temperaturdifferenz, die nun anschließend eine elektrische Heizvorrichtung aufbringen muss, um die Zuluft auf die gewünschte ausgeglichene Betriebstemperatur im Elektrolysestapel aufzuheizen. Hier ist gut zu erkennen, dass auch auf der Zuluftseite des Luftzuführabschnitts nun ein energetischer Vorteil erzielt wird, da sich die notwendige elektrische Heizleistung entsprechend reduziert. At the same time, the heat is transferred to the supply air, which is then preheated. The preheated supply air now only needs to be heated to the desired operating temperature in the electrolysis stack by a reduced temperature difference. As already explained in the introduction, in operational conditions the operating temperatures on the air side and fuel side in the electrolysis stack are preferably at the same level and thus in balance. Because the supply air is now at least partially preheated from an outside temperature by absorbing the heat from the fuel mixture, the temperature difference that an electrical heating device must then generate in order to heat the supply air to the desired balanced operating temperature in the electrolysis stack is reduced. It is clearly visible here that an energy advantage is now also achieved on the supply air side of the air supply section, since the required electrical heating output is reduced accordingly.

Es kann also zusammengefasst werden, dass auf der Brennstoffseite die notwendige Kühlleistung und die damit zusammenhängende elektrische Kühlleistung reduziert wird. Auf der Zuluftseite wird die entsprechend notwendige elektrische Heizfunktionalität für die Zuluft reduziert, sodass insgesamt von der gleichen Menge an zur Verfügung stehender elektrischer Leistung, beispielsweise von einem regenerativen Energieerzeuger, mehr Anteile der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung auch tatsächlich für die Elektrolysefunktionalität zur Verfügung stehen. Durch die erfindungsgemäß reduzierten Betriebsaufwendungen in energetischer Sicht wird die Betriebseffizienz der Elektrolysevorrichtung im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen signifikant gesteigert. Dadurch, dass die Wärme nun auch gezielt zwischen zwei Betriebsmedien, nämlich dem Brennstoffgemisch einerseits und der Zuluft andererseits, ausgetauscht wird, welche gezielt gekühlt (Brennstoffgemisch) und geheizt (Zuluft) werden müssen, führt dieser Wärmeübergang auch zu einer doppelten Effi-In summary, the required cooling capacity and the associated electrical cooling capacity are reduced on the fuel side. On the supply air side, the correspondingly required electrical heating functionality for the supply air is reduced, so that overall, from the same amount of available electrical power, for example from a renewable energy generator, more of the available electrical power is actually available for the electrolysis functionality. Due to the reduced operating costs from an energy perspective according to the invention, the operating efficiency of the electrolysis device is significantly increased compared to known devices. Because the heat is now also specifically exchanged between two operating media, namely the fuel mixture on the one hand and the supply air on the other, which must be specifically cooled (fuel mixture) and heated (supply air), this heat transfer also leads to a double efficiency.

zienzsteigerung. Damit wird durch die doppelte Energiereduktion mit einer einzigen This doubles the energy reduction with a single

baulichen Veränderung der Elektrolysevorrichtung sozusagen eine doppelte Effi-structural modification of the electrolysis device, so to speak, a double efficiency

zienzsteigerung erzielbar. efficiency increase can be achieved.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung in dem Brennstoffabführabschnitt stromaufwärts des BrennstoffgemischZuluft-Wärmetauschers ein Brennstoffgemisch-Wasser-Wärmetauscher angeordnet ist für eine Übertragung von Wärme vom Brennstoffgemisch in das Wasser. Mit anderen Worten wird hier nun eine zusätzliche Effizienzsteigerung möglich, indem Wärme auch vom Brennstoffgemisch in das Wasser im Wasserzuführabschnitt übertragen wird. Damit wird es möglich, insbesondere stromaufwärts des Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauschers, bereits die hohe Austrittstemperatur des Brennstoffgemisches direkt im Anschluss an den Austritt aus dem Elektrolysestapel zu nutzen, um eine zusätzliche Heizfunktionalität für das zugeführte Wasser zur Verfügung zu stellen. Da es sich hier um bei der Austrittstemperatur des Brennstoffgemisches insbesondere um eine Temperatur nahe der Betriebstemperatur und damit oberhalb der Kondensationstemperatur von Wasser handelt, kann diese entsprechend hohe Temperatur des Brennstoffgemisches dazu verwendet werden, sogar eine Überhitzungsfunktionalität für das zugeführte bereits dampfförmige Wasser zur Verfügung zu stellen. Darunter ist zu verstehen, dass stromaufwärts dieses BrennstoffgemischWasser-Wärmetauschers in dem Wasserzuführabschnitt zum Beispiel bereits weitere Wärmetauscher oder Heizvorrichtungen angeordnet sein können, um eine entsprechende Verdampfung des Wassers zu gewährleisten. Der BrennstoffgemischWasser-Wärmetauscher dient in einem solchen Fall dazu, durch die hohe Austrittstemperatur des Brennstoffgemisches die Möglichkeit eines Überhitzens des Wasserdampfes im Wasserzuführabschnitt zu gewährleisten. Gleichzeitig wird auch an dieser Stelle ein erstes Abkühlen des Brennstoffgemisches erfolgen, sodass im Zusammenspiel des Brennstoffgemisch-Wasser-Wärmetauschers und des Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauschers nun eine noch weiter reduzierte Temperatur des Brennstoffgemisches als Eintrittstemperatur an der Kondensatorvorrichtung zu erwarten ist. Da darüber hinaus durch die Wiederverwendung der Wärme auf der Seite des Wasserzuführabschnittes nun eine zusätzliche interne Wärmenutzung möglich ist, wird auf diese Weise eine weitere Effizienzsteigerung im Betrieb der Elektrolysevorrichtung ermöglicht. It can be advantageous if, in an electrolysis device according to the invention, a fuel mixture-water heat exchanger is arranged in the fuel discharge section upstream of the fuel mixture supply air heat exchanger for transferring heat from the fuel mixture to the water. In other words, an additional increase in efficiency is now possible here by also transferring heat from the fuel mixture to the water in the water supply section. This makes it possible, particularly upstream of the fuel mixture supply air heat exchanger, to utilize the high outlet temperature of the fuel mixture directly following its exit from the electrolysis stack to provide additional heating functionality for the supplied water. Since the outlet temperature of the fuel mixture is in particular a temperature close to the operating temperature and thus above the condensation temperature of water, this correspondingly high temperature of the fuel mixture can even be used to provide superheating functionality for the supplied, already vaporous water. This means that upstream of this fuel mixture-water heat exchanger in the water supply section, for example, further heat exchangers or heating devices can already be arranged to ensure appropriate evaporation of the water. In such a case, the fuel mixture-water heat exchanger serves to ensure the possibility of superheating the water vapor in the water supply section due to the high outlet temperature of the fuel mixture. At the same time, an initial cooling of the fuel mixture will also occur at this point, so that in the interaction of the fuel mixture-water heat exchanger and the fuel mixture-supply air heat exchanger, an even further reduced temperature of the fuel mixture can be expected as the inlet temperature at the condenser device. Since additional internal heat utilization is now possible due to the reuse of the heat on the water supply section side, this enables a further increase in the efficiency of the electrolysis device.

Auch von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung der Luftzuführabschnitt einen Zuluft-Bypassabschnitt mit einem Zuluft-Bypassventil aufweist, welcher Zuluft kontrolliert an dem Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauscher vorbeiführen kann. Eine solche kontrollierte Bypassfunktionalität kann sowohl qualitativ als auch quantitativ ausgebildet sein. So kann das Zuluft-Bypassventil ein einfaches Kontrollventil sein, welches in einen Öffnungszustand und einen Schließzustand versetzt werden kann, sodass sozusagen der Bypass geöffnet oder geschlossen werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, ein solches ZuluftBypassventil mit einem entsprechenden Kontrollventil zum Brennstoffgemisch-ZuluftWärmetauscher zu kombinieren, sodass der Strang zum Brennstoffgemisch-ZuluftWärmetauscher vollständig geschlossen und damit diese Wärmeübertragungsfunktionalität sozusagen ausgeschaltet werden kann. Der Bypass erlaubt es insbesondere in quantitativer Weise die Strömungsmenge an Zuluft durch den BrennstoffgemischZuluft-Wärmetauscher und damit die Aufnahmefähigkeit an Wärme zu kontrollieren und auf diese Weise die Wärmemenge, welche an diesem Brennstoffgemisch-ZuluftWärmetauscher übergeben wird, einzustellen. Eine Kontrolle der übergebenden Wärme führt dazu, dass insbesondere die Austrittstemperatur des Brennstoffgemisches an dem Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauscher kontrollierbar ist. So ist es in einfacher und kostengünstiger Weise möglich sicherzustellen, dass eine maximale Wärmeübergabe erreicht wird, ohne, dass die Temperatur des Brennstoffgemisches im Austritt des Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauschers die Kondensationstempe-It is also advantageous if, in an electrolysis device according to the invention, the air supply section has an air supply bypass section with an air supply bypass valve, which can direct air supply past the fuel mixture/air supply heat exchanger in a controlled manner. Such a controlled bypass functionality can be designed both qualitatively and quantitatively. For example, the air supply bypass valve can be a simple control valve that can be set to an open and a closed state, so that the bypass can be opened or closed, so to speak. Of course, it is also possible to combine such an air supply bypass valve with a corresponding control valve for the fuel mixture/air supply heat exchanger, so that the line to the fuel mixture/air supply heat exchanger can be completely closed and thus this heat transfer functionality can be deactivated, so to speak. The bypass allows, in particular, the flow rate of supply air through the fuel mixture supply air heat exchanger and thus the heat absorption capacity to be quantitatively controlled, thus adjusting the amount of heat transferred to this fuel mixture supply air heat exchanger. Controlling the transferred heat results in, in particular, the outlet temperature of the fuel mixture at the fuel mixture supply air heat exchanger being controllable. This makes it possible to ensure, in a simple and cost-effective manner, that maximum heat transfer is achieved without the temperature of the fuel mixture at the outlet of the fuel mixture supply air heat exchanger exceeding the condensation temperature.

ratur von Wasser unterschreitet. Dies erfolgt erst anschließend nach dem Eintritt in temperature of water. This only occurs after entering

die stromabwärts angeordnete Kondensatorvorrichtung im Brennstoffabführabschnitt. the downstream condenser device in the fuel discharge section.

Auch Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung ein kalter Rezirkulationsabschnitt den Brennstoffabführabschnitt stromabwärts der Kondensatorvorrichtung fluidkommunizierend mit dem Wasserzuführabschnitt verbindet. Diese kalte Rezirkulation bezieht sich insbesondere auf eine Rezirkulation von reinem Brennstoff, da das Wasser durch die voranstehende Kondensation bereits auskondensiert und vorzugsweise auch abgetrennt worden ist. Die Rezirkulation von Brennstoff dient dazu, die Betriebsweise und insbesondere die Effizienz zu steigern sowie je nach Betriebssituation unerwünschte Schädigungsmechanismen in den Elektrolysezellen zu vermeiden oder zumindest zu minimieren. Diese Rezirkulation ist vorzugsweise mit Hilfe eines entsprechenden Rezirkulationsventils direkt kontrollierbar. Eine kalte Rezirkulation kann auf Seiten der Wasserzuführung ebenfalls vor allen Aufheizschritten erfolgen, sodass ein einfaches Vermischen des kalten Brennstoffs und des zugeführten kalten Wassers ausreichend ist. It is also advantageous if, in an electrolysis device according to the invention, a cold recirculation section connects the fuel discharge section downstream of the condenser device to the water supply section in a fluid-communicating manner. This cold recirculation refers in particular to a recirculation of pure fuel, since the water has already been condensed and preferably also separated by the preceding condensation. The recirculation of fuel serves to improve the operating mode and in particular the efficiency and, depending on the operating situation, to avoid or at least minimize undesirable damage mechanisms in the electrolysis cells. This recirculation is preferably directly controllable with the aid of a corresponding recirculation valve. Cold recirculation can also take place on the water supply side before all heating steps, so that simple mixing of the cold fuel and the supplied cold water is sufficient.

Von Vorteil ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz in dem kalten Rezirkulationsabschnitt ein Rezirkulationsgebläse angeordnet ist. Ein Rezirkulationsgebläse kann auch als Zwangsförderung oder aktive Förderung verstanden werden, welche entsprechend eine aktive Rezirkulation gewährleistet. Dabei kann ein solches Rezirkulationsgebläse je nach Betriebssituation auch eine Sperrfunktionalität aufweisen, um die Rezirkulationsrate zu kontrollieren oder sogar vollständig auf Null zu setzen. It is further advantageous if, in an electrolysis device according to the invention, a recirculation fan is arranged in the cold recirculation section according to the preceding paragraph. A recirculation fan can also be understood as a forced conveyance or active conveyance, which accordingly ensures active recirculation. Depending on the operating situation, such a recirculation fan can also have a blocking function to control the recirculation rate or even completely set it to zero.

Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung ein warmer Rezirkulationsabschnitt den Brennstoffabführabschnitt stromabwärts der Kondensationsvorrichtung fluidkommunizierend mit dem Wasserzuführabschnitt verbindet. Ein solcher warmer Rezirkulationsabschnitt kann zusätzlich oder alternativ zu dem voranstehend beschriebenen kalten Rezirkulationsabschnitt vorgesehen sein. Der warme Rezirkulationsabschnitt wird zirkuliert, also noch nicht gekühltes oder wenig gekühltes Brennstoffgemisch im Vergleich zu kaltem Brennstoff eines kalten Rezirkulationsabschnitts. Er dient dazu, dass Brennstoffgemisch mit hoher Temperatur an einer Position in das Wasser zu rezirkulieren, sodass dieses Wasser ebenfalls bereits eine Teilaufheizung hinter sich hat. Insbesondere wird durch das Einbringen des warmen Rezirkulationsgases in Form des warmen Brennstoffgemi-It is further advantageous if, in an electrolysis device according to the invention, a warm recirculation section connects the fuel discharge section downstream of the condensation device to the water supply section in a fluid-communicating manner. Such a warm recirculation section can be provided in addition to or as an alternative to the cold recirculation section described above. The warm recirculation section circulates, i.e., the fuel mixture that has not yet been cooled or has only been cooled slightly, compared to the cold fuel of a cold recirculation section. It serves to recirculate the fuel mixture at a high temperature into the water at a position so that this water has also already undergone a partial heating process. In particular, by introducing the warm recirculation gas in the form of the warm fuel mixture,

Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz der Wasserzuführabschnitt eine RezirkulationsEjektorvorrichtung aufweist, in welcher der warme Rezirkulationsabschnitt mündet. Eine solche Rezirkulations-Ejektorvorrichtung erlaubt es einerseits eine druckbehaftete aktive Rezirkulationsförderung zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus dient die Rezirkulations-Ejektorvorrichtung weiter einer Mischfunktionalität des rezirkulierten Brennstoffgemisches mit dem zugeführten Wasser, welche hier insbesondere bereits eine dampfförmige Wasserdampfausgestaltung aufweist. It is advantageous if, in an electrolysis device according to the invention according to the preceding paragraph, the water supply section has a recirculation ejector device into which the warm recirculation section opens. Such a recirculation ejector device allows, on the one hand, to provide pressurized active recirculation support. Furthermore, the recirculation ejector device further serves a mixing function of the recirculated fuel mixture with the supplied water, which in this case already has a vaporous water vapor configuration.

Weitere Vorteile sind ebenfalls erzielbar, wenn bei einer erfindungsgemäßen ElektroIysevorrichtung der warme Rezirkulationsabschnitt den Brennstoffabführabschnitt stromabwärts des Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauschers fluidkommunizierend mit dem Wasserzuführabschnitt verbindet. Diese warme Rezirkulation kann sogar als heiße Rezirkulation bezeichnet werden, da sie in der Positionierung noch weiter stromaufwärts von der Kondensatorvorrichtung beabstandet ist und insbesondere das Brennstoffgemisch noch vor Durchströmen des Brennstoffgemisch-ZuluftWärmetauschers rezirkulieren lässt. Further advantages can also be achieved if, in an electrolysis device according to the invention, the warm recirculation section fluidly connects the fuel discharge section downstream of the fuel mixture/supply air heat exchanger to the water supply section. This warm recirculation can even be referred to as hot recirculation, since it is positioned even further upstream from the condenser device and, in particular, allows the fuel mixture to recirculate before flowing through the fuel mixture/supply air heat exchanger.

Darüber hinaus bringt es Vorteile mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung der warme Rezirkulationsabschnitt den Brennstoffabführabschnitt stromabwärts eines Brennstoffgemisch-Wasser-Wärmetauschers fluidkommunizierend mit dem Wasserzuführabschnitt verbindet. So ist es möglich, die maximale Temperaturdifferenz als Austrittstemperatur aus dem Elektrolysestapel noch im Brennstoffgemisch-Wasser-Wärmetauscher für die Wärmeübertragung zu nutzen und anschließend die immer noch warmen Bestandteile des Brennstoffgemisches durch den warmen Rezirkulationsabschnitt zu führen. Furthermore, it is advantageous if, in an electrolysis device according to the invention, the warm recirculation section fluidly connects the fuel discharge section downstream of a fuel mixture-water heat exchanger to the water supply section. This makes it possible to utilize the maximum temperature difference as the outlet temperature from the electrolysis stack while still in the fuel mixture-water heat exchanger for heat transfer and subsequently to conduct the still-warm components of the fuel mixture through the warm recirculation section.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kontrollverfahren für ein kontrolliertes Betreiben einer Elektrolysevorrichtung der vorliegenden Erfindung. Ein solches Kontrollverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus: The present invention also provides a control method for controlled operation of an electrolysis device of the present invention. Such a control method is characterized by the following steps:

- Feuchtes Aufheizen durch Einbringen und elektrisches Heizen von Zuluft durch den Luftzuführabschnitt und wenigstens teilweise Wasser durch den Wasserzuführabschnitt bis zum Erreichen einer zweiten Temperaturschwelle oberhalb der ersten Temperaturschwelle, - Moist heating by introducing and electrically heating supply air through the air supply section and at least partially water through the water supply section until a second temperature threshold above the first temperature threshold is reached,

- Steigern der zugeführten Mengen an Wasser und/oder Zuluft bis zum Erreichen einer Nominallast der Elektrolysevorrichtung. - Increase the quantities of water and/or supply air supplied until a nominal load of the electrolysis device is reached.

Ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung erläutert worden sind. Entscheidend ist hier insbesondere der Aufheizvorgang über zwei Stufen, nämlich ein trockenes Aufheizen in einem ersten Schritt und ein feuchtes Aufheizen in einem zweiten Schritt. Das trockene Aufheizen wird auch als Vorwärmen bezeichnet und dient dazu, mit Hilfe von insbesondere elektrisch geheizter Zuluft eine Temperatur in dem Elektrolysestapel zu erzielen, welche oberhalb der ersten Temperaturschwelle liegt. Diese erste Temperaturschwelle ist dabei insbesondere durch die Kondensationstemperatur von Wasser gegeben. Übersteigt die Betriebstemperatur der Elektrolysezelle diese erste Temperaturschwelle führt dies dazu, dass von nun an zugeführter Wasserdampf durch die hohe Temperatur in dem Elektrolysestapel nicht mehr in demselben kondensieren wird, sondern dampfförmig bleibend den Elektrolysestapel durchströmen kann. Das Aufheizen erfolgt dabei mit aufgeheizter Zuluft auf der Luftseite und mit einem Schutzgas auf der Brennstoffseite. Das Schutzgas dient dazu, sicherzustellen, dass während des Aufheizvorgangs, insbesondere während des trockenen Aufheizschritts, keine Schädigungsmechanismen an den Membranen der Elektrolysezellen stattfinden. Darüber hinaus dient das Schutzgas dazu, einen Gegendruck zur Verfügung zu stellen, sodass unerwünschte Druckdifferenzen zwischen Brennstoffseite und Zuluftseite im Wesentlichen ausgeschlossen werden können. A control method according to the invention offers the same advantages as those explained in detail with reference to an electrolysis device according to the invention. The decisive factor here is particularly the heating process over two stages, namely dry heating in a first step and moist heating in a second step. Dry heating is also referred to as preheating and serves to achieve a temperature in the electrolysis stack that is above the first temperature threshold, particularly with the aid of electrically heated supply air. This first temperature threshold is determined in particular by the condensation temperature of water. If the operating temperature of the electrolysis cell exceeds this first temperature threshold, the high temperature in the electrolysis stack will prevent any water vapor supplied from now on from condensing therein, but will instead flow through the electrolysis stack in vapor form. Heating is carried out with heated supply air on the air side and with a protective gas on the fuel side. The protective gas serves to ensure that no damage mechanisms occur to the membranes of the electrolysis cells during the heating process, especially during the dry heating step. Furthermore, the protective gas provides counterpressure, so that undesirable pressure differences between the fuel side and the supply air side can be essentially eliminated.

Sobald die erste Temperaturschwelle überschritten worden ist, kann zusätzlich zum Schutzgas oder vollständig alternativ zum Schutzgas nun das Wasser eingebracht, durch die integrierten Aufheizmöglichkeiten verdampft werden und entsprechend in dampfförmiger Weise auf der Brennstoffseite durch die Elektrolysestapel geführt As soon as the first temperature threshold has been exceeded, water can be introduced in addition to the protective gas or completely alternatively to the protective gas, evaporated by the integrated heating options and accordingly guided in vaporous form on the fuel side through the electrolysis stacks

Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren nach dem Erreichen der zweiten Temperaturschwelle mittels des feuchten Aufheizens eine heißer Bereitschaftszustand beibehalten wird, bei welchem die zugeführten Mengen an Wasser und Zuluft auf einen minimalen Wert reduziert werden, zum Halten der Temperatur auf oder oberhalb der zweiten Temperaturschwelle. Dieser Bereitschaftsbetrieb oder Bereitschaftszustand kann auch so verstanden werden, dass je nach aktueller Betriebssituation ein Herunterfahren vermieden werden soll. Ist die Elektrolysevorrichtung beispielsweise in einem System mit einer regenerativen Energieerzeugungsvorrichtung verbunden, also beispielsweise mit einem Solarpark oder mit einer Windturbine, so sind die zur Verfügung stehenden elektrischen Leistungen üblicherweise schwankend, da die Produktion dieser regenerativen Energieerzeuger ebenfalls schwankt. Um dieser Schwankung gerecht zu werden, kann nun die Elektrolysevorrichtung mit diesem Kontrollverfahren in den heißen Bereitschaftszustand gesetzt werden, um in diesem quasi auf den Anstieg der elektrischen Leistung zu warten und trotzdem für eine schnelle Reaktion in der heißen Betriebssituation zu verbleiben. Mit anderen Worten ist es also möglich in dem heißen Betriebszustand ein schnelles Reagieren der Elektrolysevorrichtung auf einen Anstieg der produzierten elektrischen Leistung der angeschlossenen elektrischen Erzeuger zu reagieren. It is advantageous if, in a control method according to the invention, a hot standby state is maintained after the second temperature threshold has been reached by means of moist heating, in which the supplied quantities of water and supply air are reduced to a minimum value in order to maintain the temperature at or above the second temperature threshold. This standby operation or standby state can also be understood to mean that shutdown should be avoided depending on the current operating situation. If, for example, the electrolysis device is connected to a system with a renewable energy generation device, for example with a solar park or a wind turbine, the available electrical power is usually fluctuating, since the production of these renewable energy generators also fluctuates. To accommodate this fluctuation, the electrolysis device can now be placed in the hot standby state using this control method in order to wait in this state for the electrical power to increase while still remaining in the hot operating situation for a rapid response. In other words, in the hot operating state, it is possible for the electrolysis device to react quickly to an increase in the electrical power produced by the connected electrical generators.

Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kontrollverfahren vor dem Steigern der zugeführten Mengen an Wasser und/oder Zuluft ein Gasspülvorgang für die Brennstoffseite des Elektrolysestapels durchgeführt wird. Dieser Spülvorgang kann auch als Purge-Vorgang bezeichnet werden. Er dient insbesondere dazu, Schutzgas oder unerwünschte andere Gasbestandteile aus der Brennstoffseite auszubringen, um sicherzustellen, dass beim Anlaufen der Elektrolysefunktionalität keine unerwünschten chemischen Prozesse oder andere Schädigungsmechanismen im Elektrolysestapel stattfinden. Further advantages are achieved if, in a control method according to the invention, a gas purging process is performed on the fuel side of the electrolysis stack before increasing the supplied quantities of water and/or air. This purging process can also be referred to as a purge process. It serves, in particular, to remove protective gas or other undesirable gas components from the fuel side to ensure that no undesirable chemical processes or other damaging mechanisms occur in the electrolysis stack when the electrolysis functionality starts up.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens durchzuführen. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren erläutert worden sind. A further subject of the present invention is a computer program product comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to perform the steps of a control method according to the invention. Thus, a computer program product according to the invention provides the same advantages as those explained in detail with reference to a control method according to the invention.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema-Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. They show schematically

tisch: table:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung, Fig. 1 shows an embodiment of an electrolysis device according to the invention,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ElektroIysevorrichtung, Fig. 2 shows a further embodiment of an electrolysis device according to the invention,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ElektroIysevorrichtung, Fig. 3 shows a further embodiment of an electrolysis device according to the invention,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ElektroIysevorrichtung und Fig. 4 shows a further embodiment of an electrolysis device according to the invention and

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektro-Fig. 5 shows a further embodiment of an electrical device according to the invention.

Iysevorrichtung. Ilysis device.

Wie erläutert worden ist, wird insbesondere, hier in Figur 1 noch nicht näher dargestellt, das Wasser W als Wasserdampf zugeführt. Dabei kann das Wasser W in Form des Wasserdampfes bereits von extern in Dampfform zugeführt werden oder aber durch in die Elektrolysevorrichtung 100 integrierte Heizmöglichkeiten aus flüssigem Wasser W verdampft werden. Der Dampfanteil im Wasser W liegt beim Eintritt in die Brennstoffseite 130 vorzugsweise im Bereich zwischen 60% und 80%. Bei der Umsetzung im Elektrolysestapel 110 wird ein Teil des Wasserdampfes dampfförmig verbleiben, sodass das Brennstoffgemisch BG zum einen Brennstoff B und zum anderen 20% bis 40% Wasser W in Form von Wasserdampf aufweist. As explained, the water W is supplied in particular as steam, although this is not yet shown in detail in Figure 1. The water W can be supplied externally in the form of steam or can be evaporated from liquid water W by heating means integrated into the electrolysis device 100. The steam content in the water W is preferably in the range between 60% and 80% upon entry into the fuel side 130. During the conversion in the electrolysis stack 110, a portion of the steam will remain in steam form, so that the fuel mixture BG comprises, on the one hand, fuel B and, on the other hand, 20% to 40% water W in the form of steam.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht nun darauf, dass eine interne Wärmerezirkulation stattfindet. Bei Austritt aus der Brennstoffseite 130 weist das Brennstoffgemisch BG entsprechend die Betriebstemperatur des Elektrolysestapels 110 auf. Dieses heiße Brennstoffgemisch BG wird nun zuerst im Brennstoffabführabschnitt 134 über den Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauscher 150 geführt. Hier erfolgt eine Wärmeübergabe vom Brennstoffgemisch BG auf die Zuluft ZL im Luftzuführabschnitt 122. Mit anderen Worten wird in diesem Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauscher 150 die Temperatur des Brennstoffgemisches BG herabgesetzt und die Temperatur der Zuluft ZL heraufgesetzt. Die reduzierte Temperatur des Brennstoffgemisches BG führt nun zu einer reduzierten Eingangstemperatur, an der weiter stromabwärts im Brennstoffabführabschnitt 134 angeordneten Kondensatorvorrichtung 140. Diese ist hier schematisch als mit einem nicht näher dargestellten externen Kühlmittel betrie-The core concept of the invention is based on the fact that internal heat recirculation takes place. Upon exiting the fuel side 130, the fuel mixture BG is correspondingly at the operating temperature of the electrolysis stack 110. This hot fuel mixture BG is then first guided in the fuel discharge section 134 via the fuel mixture-supply air heat exchanger 150. Here, heat is transferred from the fuel mixture BG to the supply air ZL in the air supply section 122. In other words, in this fuel mixture-supply air heat exchanger 150, the temperature of the fuel mixture BG is reduced and the temperature of the supply air ZL is increased. The reduced temperature of the fuel mixture BG now leads to a reduced inlet temperature at the condenser device 140 arranged further downstream in the fuel discharge section 134. This is schematically shown here as being operated with an external coolant (not shown in detail).

Wie die Figur 1 gut zeigt, werden nun durch die interne Rückgewinnung die elektrischen notwendigen Aufwendungen für die verbleibende Kondensationskühlung an der Kondensatorvorrichtung 140, wie auch die verbleibende Heiznotwendigkeit für die Zuluft ZL, reduziert, sodass die Gesamteffizienz der Elektrolysevorrichtung 100 gesteigert werden kann. As Figure 1 clearly shows, the internal recovery now reduces the electrical expenditure required for the remaining condensation cooling at the condenser device 140, as well as the remaining heating requirement for the supply air ZL, so that the overall efficiency of the electrolysis device 100 can be increased.

Die Figur 2 bildet die Ausführung der Figur 1 an zwei Stellen weiter. Zum einen ist nun zusätzlich stromaufwärts des Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauschers 150 noch ein Brennstoffgemisch-Wasser-Wärmetauscher 160 vorgesehen. Dieser wird an der heißesten Stelle des Brennstoffabführabschnitts 134 das Brennstoffgemisch BG in wärmeübertragenden Kontakt mit dem Wasser W bringen und dient insbesondere einer Überhitzung des an dieser Stelle vorzugsweise bereits dampfförmigen Wassers W. Hier erfolgt eine erste Reduktion der Temperatur des Brennstoffgemisches BG. In dem Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauscher 150 wird nun nochmals eine Temperaturreduktion des Brennstoffgemisches BG durchgeführt, wie dies mit Bezug auf Figur 1 erläutert worden ist. Figure 2 further develops the embodiment of Figure 1 in two places. Firstly, a fuel mixture-water heat exchanger 160 is now additionally provided upstream of the fuel mixture-supply air heat exchanger 150. This will bring the fuel mixture BG into heat-transferring contact with the water W at the hottest point of the fuel discharge section 134 and serves in particular to superheat the water W, which is preferably already vaporous at this point. Here, a first reduction in the temperature of the fuel mixture BG takes place. In the fuel mixture-supply air heat exchanger 150, a further temperature reduction of the fuel mixture BG is now carried out, as explained with reference to Figure 1.

Weiter zeigt die Figur 2 die Möglichkeit, den Brennstoffgemisch-ZuluftWärmetauscher 150 hinsichtlich des Wärmeübergangs zumindest einseitig zu kontrollieren. So ist es hier möglich, einen Zuluft-Bypassabschnitt 121 mit einem ZuluftBypassventil 123 kontrolliert zu öffnen und zu schließen, insbesondere in quantitativer Weise. Somit wird es möglich, die Strömungsmengen durch den Bypassabschnitt 122 und damit auch auf der Seite der Zuluft ZL durch den Brennstoffgemisch-ZuluftWärmetauscher 150 zu kontrollieren und auf diese Weise die übergegebene Wärme und indirekt auf diese Weise die Austrittstemperatur des Brennstoffgemisches BG aus dem Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauscher 150 einzustellen. Figure 2 further shows the possibility of controlling the fuel mixture/supply air heat exchanger 150 with regard to heat transfer, at least on one side. For example, it is possible to open and close a supply air bypass section 121 in a controlled manner, particularly quantitatively, using a supply air bypass valve 123. This makes it possible to control the flow rates through the bypass section 122 and thus also on the supply air ZL side through the fuel mixture/supply air heat exchanger 150, and thus to adjust the transferred heat and, indirectly, the outlet temperature of the fuel mixture BG from the fuel mixture/supply air heat exchanger 150.

wird. becomes.

Weiter zeigt die Ausführungsform der Figur 3 nun eine elektrische ZuluftHeizvorrichtung 170 im Luftzuführabschnitt 122. Diese dient dazu, nun mit reduziertem elektrischem Aufwand ein Aufheizen der bereits vorgeheizten Zuluft ZL auf die gewünschte Betriebstemperatur des Elektrolysestapels 110 zu gewährleisten. Furthermore, the embodiment of Figure 3 now shows an electrical supply air heating device 170 in the air supply section 122. This serves to ensure heating of the already preheated supply air ZL to the desired operating temperature of the electrolysis stack 110 with reduced electrical expenditure.

Die Figur 4 zeigt ähnlich der Figur 3 ebenfalls eine Rezirkulationsmöglichkeit. Bei der hier dargestellten Elektrolysevorrichtung 100 handelt es sich jedoch um einen warmen Rezirkulationsabschnitt 190, welcher die Verbindung zwischen Brennstoffabführabschnitt 134 und Wasserzuführabschnitt 132 nun mit noch warmen Brennstoffgemisch BG zur Verfügung stellt. Hierfür wird die Rezirkulation stromaufwärts des Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauschers 150 und vorzugsweise stromabwärts des Brennstoffgemisch-Wasser-Wärmetauschers 160 durchgeführt. Auch erfolgt hier ein Einbringen in eine Rezirkulations-Ejektorvorrichtung 192, welche entsprechend dazu dient, ein aktives Rezirkulieren, wie auch ein Vermischen des Brennstoffgemisches BG, mit dem Wasser W zu gewährleisten. Figure 4, similar to Figure 3, also shows a recirculation option. However, the electrolysis device 100 shown here is a warm recirculation section 190, which provides the connection between the fuel discharge section 134 and the water supply section 132 with the still-warm fuel mixture BG. For this purpose, recirculation is carried out upstream of the fuel mixture-supply air heat exchanger 150 and preferably downstream of the fuel mixture-water heat exchanger 160. Here, too, introduction into a recirculation ejector device 192 takes place, which accordingly serves to ensure active recirculation, as well as mixing, of the fuel mixture BG with the water W.

Figur 5 zeigt eine Kombination der Ausführungsformen der Figur 4 und der Figur 3. Die hier dargestellte Elektrolysevorrichtung weist also sowohl den warmen Rezirkulationsabschnitt 190 als auch einen kalten Rezirkulationsabschnitt 180 auf. Figure 5 shows a combination of the embodiments of Figure 4 and Figure 3. The electrolysis device shown here therefore has both the warm recirculation section 190 and a cold recirculation section 180.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsform beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. The above explanation of the embodiment describes the present invention solely by way of examples.

Bezugszeichenliste List of reference symbols

100 Elektrolysevorrichtung 100 electrolysis device

110 Elektrolysestapel 110 electrolysis stacks

120 Luftseite 120 airside

121 Bypassabschnitt 121 bypass section

122 Luftzuführabschnitt 122 Air supply section

123 Zuluft-Bypassventil 123 Supply air bypass valve

124 Luftabführabschnitt 124 Air discharge section

130 Brennstoffseite 130 Fuel side

132 Wasserzuführabschnitt 132 Water supply section

134 Brennstoffabführabschnitt 134 Fuel discharge section

140 Kondensatorvorrichtung 140 Capacitor device

150 Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauscher 160 Brennstoffgemisch-Wasser-Wärmetauscher 170 elektrische Zuluft-Heizvorrichtung 150 Fuel mixture-supply air heat exchanger 160 Fuel mixture-water heat exchanger 170 Electric supply air heater

180 kalter Rezirkulationsabschnitt 180 cold recirculation section

182 Rezirkulationsgebläse 182 recirculation fans

190 warmer Rezirkulationsabschnitt 190 warm recirculation section

192 Rezirkulations-Ejektorvorrichtung 192 Recirculation ejector device

B Brennstoff BG Brennstoffgemisch B Fuel BG Fuel mixture

ZL Zuluft AL Abluft W Wasser ZL supply air AL exhaust air W water

AVL List GmbH AVL List GmbH

Patentansprüche Patent claims

1. Elektrolysevorrichtung (100) für eine Erzeugung eines Brennstoffs (B) in Elektrolysezellen wenigstens eines Elektrolysestapels (110), aufweisend einen Luftzuführabschnitt (122) zur Zufuhr von Zuluft (ZL) zu einer Luftseite (120) des Elektrolysestapels (110) und einen Luftabführabschnitt (124) zur Abfuhr von Abluft (AL) von der Luftseite (120) des Elektrolysestapels (110), weiter aufweisend einen Wasserzuführabschnitt (132) zur Zufuhr von Wasser (W) zu einer Brennstoffseite (130) des Elektrolysestapels (110) und einen Brennstoffabführabschnitt (134) zur Abfuhr von Brennstoffgemisch (BG), aufweisend Brennstoff (B) und Wasser (W), von der Brennstoffseite (130) des Elektrolysestapels (110), dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffabführabschnitt (134) eine Kondensatorvorrichtung (140) aufweist für eine Kühlung des Brennstoffgemischs (BG) unter eine Kondensationstemperatur von Wasser (W), für ein Kondensieren und Abtrennen des Wassers (W) von dem Brennstoff (B), wobei im Brennstoffabführabschnitt (134) stromaufwärts der Kondensatorvorrichtung (140) ein Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauscher (150) in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Luftzuführabschnitt (122) angeordnet ist für eine Übertragung von Wärme vom Brennstoffgemisch (BG) in die Zuluft (ZL). 1. Electrolysis device (100) for producing a fuel (B) in electrolysis cells of at least one electrolysis stack (110), comprising an air supply section (122) for supplying supply air (ZL) to an air side (120) of the electrolysis stack (110) and an air discharge section (124) for discharging exhaust air (AL) from the air side (120) of the electrolysis stack (110), further comprising a water supply section (132) for supplying water (W) to a fuel side (130) of the electrolysis stack (110) and a fuel discharge section (134) for discharging a fuel mixture (BG) comprising fuel (B) and water (W) from the fuel side (130) of the electrolysis stack (110), characterized in that the fuel discharge section (134) has a condenser device (140) for cooling the fuel mixture (BG) below a condensation temperature of water (W), for condensing and separating the water (W) from the fuel (B), wherein in the fuel discharge section (134) upstream of the condenser device (140) a fuel mixture-supply air heat exchanger (150) is arranged in heat-transferring contact with the air supply section (122) for transferring heat from the fuel mixture (BG) into the supply air (ZL).

2. Elektrolysevorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Brennstoffabführabschnitt (134) stromaufwärts des Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauschers (150) ein Brennstoffgemisch-WasserWärmetauscher (160) in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Wasserzuführabschnitt (132) angeordnet ist für eine Übertragung von Wärme vom Brennstoffgemisch (BG) in das Wasser (W). 2. Electrolysis device (100) according to claim 1, characterized in that in the fuel discharge section (134) upstream of the fuel mixture-supply air heat exchanger (150) a fuel mixture-water heat exchanger (160) is arranged in heat-transferring contact with the water supply section (132) for transferring heat from the fuel mixture (BG) into the water (W).

3. Elektrolysevorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Luftzuführabschnitt (122) stromabwärts des Brennstoffgemisch-Zuluft-Wärmetauschers (150) ein elektrische Zuluft-Heizvorrichtung (170) angeordnet ist für ein elektrisches Heizen der Zuluft (ZL). 3. Electrolysis device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that an electric supply air heating device (170) for electrically heating the supply air (ZL) is arranged in the air supply section (122) downstream of the fuel mixture-supply air heat exchanger (150).

5. Elektrolysevorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein kalter Rezirkulationsabschnitt (180) den Brennstoffabführabschnitt (134) stromabwärts der Kondensatorvorrichtung (140) fluidkommunizierend mit dem Wasserzuführabschnitt (132) verbindet. 5. Electrolysis device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that a cold recirculation section (180) connects the fuel discharge section (134) downstream of the condenser device (140) in fluid communication with the water supply section (132).

6. Elektrolysevorrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem kalten Rezirkulationsabschnitt (180) ein Rezirkulationsgebläse (182) angeordnet ist. 6. Electrolysis device (100) according to claim 5, characterized in that a recirculation fan (182) is arranged in the cold recirculation section (180).

7. Elektrolysevorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein warmer Rezirkulationsabschnitt (190) den Brennstoffabführabschnitt (134) stromaufwärts der Kondensatorvorrichtung (140) fluidkommunizierend mit dem Wasserzuführabschnitt (132) verbindet. 7. Electrolysis device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that a warm recirculation section (190) connects the fuel discharge section (134) upstream of the condenser device (140) in fluid communication with the water supply section (132).

8. Elektrolysevorrichtung (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserzuführabschnitt (132) eine Rezirkulations-Ejektorvorrichtung (192) aufweist, in welcher der warme Rezirkulationsabschnitt (190) mündet. 8. Electrolysis device (100) according to claim 7, characterized in that the water supply section (132) has a recirculation ejector device (192) into which the warm recirculation section (190) opens.

9. Elektrolysevorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der warme Rezirkulationsabschnitt (190) den Brennstoffabführabschnitt (134) stromaufwärts des Brennstoffgemisch-ZuluftWärmetauschers (150) fluidkommunizierend mit dem Wasserzuführabschnitt (132) verbindet. 9. Electrolysis device (100) according to one of claims 7 or 8, characterized in that the warm recirculation section (190) connects the fuel discharge section (134) upstream of the fuel mixture supply air heat exchanger (150) in a fluid-communicating manner with the water supply section (132).

10. Elektrolysevorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der warme Rezirkulationsabschnitt (190) den Brennstoffabführabschnitt (134) stromabwärts eines Brennstoffgemisch-WasserWärmetauschers (160) fluidkommunizierend mit dem Wasserzuführabschnitt (132) verbindet. 10. Electrolysis device (100) according to one of claims 7 to 9, characterized in that the warm recirculation section (190) connects the fuel discharge section (134) downstream of a fuel mixture-water heat exchanger (160) in fluid communication with the water supply section (132).

— Trockenes Aufheizen durch Einbringen und elektrisches Heizen von Zuluft (ZL) durch den Luftzuführabschnitt (122) und Schutzgas durch Wasserzuführabschnitt (132) bis zum Erreichen einer ersten Temperaturschwelle, — Dry heating by introducing and electrically heating supply air (ZL) through the air supply section (122) and protective gas through the water supply section (132) until a first temperature threshold is reached,

— Feuchtes Aufheizen durch Einbringen und elektrisches Heizen von Zuluft (ZL) durch den Luftzuführabschnitt (122) und wenigstens teilweise Wasser (W) durch den Wasserzuführabschnitt (132) bis zum Erreichen einer zweiten Temperaturschwelle oberhalb der ersten Temperaturschwelle, — Moist heating by introducing and electrically heating supply air (ZL) through the air supply section (122) and at least partially water (W) through the water supply section (132) until a second temperature threshold above the first temperature threshold is reached,

— Steigern der zugeführten Mengen an Wasser (W) und/oder Zuluft (ZL) bis zum Erreichen einer Nominallast der Elektrolysevorrichtung (100). — Increasing the quantities of water (W) and/or supply air (ZL) supplied until a nominal load of the electrolysis device (100) is reached.

12. Kontrollverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erreichen der zweiten Temperaturschwelle mittels des feuchten Aufheizens ein heißer Bereitschaftszustand beibehalten wird, bei welchem die zugeführten Mengen an Wasser (W) und Zuluft (ZL) auf einen minimalen Wert reduziert werden zum Halten der Temperatur auf oder oberhalb zweiten Temperaturschwelle. 12. Control method according to claim 11, characterized in that after reaching the second temperature threshold by means of moist heating, a hot standby state is maintained in which the supplied quantities of water (W) and supply air (ZL) are reduced to a minimum value to maintain the temperature at or above the second temperature threshold.

13. Kontrollverfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Steigern der zugeführten Mengen an Wasser (W) und/oder Zuluft (ZL) ein Gasspülvorgang für die Brennstoffseite (130) des Elektrolysestapels (110) durchgeführt wird. 13. Control method according to one of claims 11 or 12, characterized in that before increasing the supplied quantities of water (W) and/or supply air (ZL), a gas purging process is carried out for the fuel side (130) of the electrolysis stack (110).

14. Kontrollverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigern der zugeführten Mengen an Wasser (W) und/oder Zuluft (ZL) in einem ersten Teilschritt bis zum Erreichen einer Teillast und einem weiteren Teilschritt bis zum Erreichen der Nominallast durchgeführt 14. Control method according to one of claims 11 to 13, characterized in that the increase in the supplied quantities of water (W) and/or supply air (ZL) is carried out in a first sub-step until a partial load is reached and a further sub-step until the nominal load is reached

wird. becomes.

15. Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines Kontrollverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 11 bis 14 auszuführen. 15. A computer program product comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the steps of a control method having the features of one of claims 11 to 14.

Claims

Patent claims

1. An electrolysis device (100) for producing a fuel (B) in electrolysis cells of at least one electrolysis stack (110), comprising an air supply section (122) for supplying supply air (ZL) to an air side (120) of the electrolysis stack (110) and an air discharge section (124) for discharging exhaust air (AL) from the air side (120) of the electrolysis stack (110), further comprising a water supply section (132) for supplying water (W) to a fuel side (130) of the electrolysis stack (110) and a fuel discharge section (134) for discharging a fuel mixture (BG) comprising fuel (B) and water (W) from the fuel side (130) of the electrolysis stack (110), wherein the fuel discharge section (134) comprises a condenser device (140) for cooling the fuel mixture (BG) below a condensation temperature of water (W), for condensing and separating the water (W) from the fuel (B), wherein in the fuel discharge section (134) upstream of the condenser device (140) a fuel mixture-supply air heat exchanger (150) is arranged in heat-transferring contact with the air supply section (122) for transferring heat from the fuel mixture (BG) to the supply air (ZL), characterized in that in the fuel discharge section (134) upstream of the fuel mixture-supply air heat exchanger (150) a fuel mixture-water heat exchanger (160) is arranged in heat-transferring contact with the water supply section (132) for transferring heat from the fuel mixture (BG) to the water (W).

2. Electrolysis device (100) according to claim 1, characterized in that an electric supply air heating device (170) for electrically heating the supply air (ZL) is arranged in the air supply section (122) downstream of the fuel mixture supply air heat exchanger (150).

3. Electrolysis device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the air supply section (122) has a supply air bypass section (121) with a supply air bypass valve (123), which can guide supply air (ZL) past the fuel mixture-supply air heat exchanger (150) in a controlled manner.

28/30 MOST RECENT CLAIMS

5. Electrolysis device (100) according to claim 4, characterized in that a recirculation fan (182) is arranged in the cold recirculation section (180).

6. Electrolysis device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that a warm recirculation section (190) connects the fuel discharge section (134) upstream of the condenser device (140) in fluid communication with the water supply section (132).

7. Electrolysis device (100) according to claim 6, characterized in that the water supply section (132) has a recirculation ejector device (192) into which the warm recirculation section (190) opens.

8. Electrolysis device (100) according to one of claims 6 or 7, characterized in that the warm recirculation section (190) connects the fuel discharge section (134) upstream of the fuel mixture supply air heat exchanger (150) in fluid communication with the water supply section (132).

9. Electrolysis device (100) according to one of claims 6 to 8, characterized in that the warm recirculation section (190) connects the fuel discharge section (134) downstream of a fuel mixture-water heat exchanger (160) in fluid communication with the water supply section (132).

10. Control method for controlled operation of an electrolysis device (100) having the features of one of claims 1 to 9, characterized by the following steps:

— Dry heating by introducing and electrically heating supply air (ZL) through the air supply section (122) and protective gas through

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— Moist heating by introducing and electrically heating supply air (ZL) through the air supply section (122) and at least partially water (W) through the water supply section (132) until a second temperature threshold above the first temperature threshold is reached,

— Increasing the quantities of water (W) and/or supply air (ZL) supplied until a nominal load of the electrolysis device (100) is reached.

11. Control method according to claim 10, characterized in that after reaching the second temperature threshold by means of moist heating, a hot standby state is maintained in which the supplied quantities of water (W) and supply air (ZL) are reduced to a minimum value in order to maintain the temperature at or above the second temperature threshold.

12. Control method according to one of claims 10 or 11, characterized in that before increasing the supplied quantities of water (W) and/or supply air (ZL), a gas purging process is carried out for the fuel side (130) of the electrolysis stack (110).

13. Control method according to one of claims 10 to 12, characterized in that the increase in the supplied quantities of water (W) and/or supply air (ZL) is carried out in a first sub-step until a partial load is reached and a further sub-step until the nominal load is reached

becomes.

14. A computer program product comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the steps of a control method having the features of one of claims 10 to 13.

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