DE102024200397A1 - Operating method for operating an electrolysis system and electrolysis system - Google Patents
Operating method for operating an electrolysis system and electrolysis systemInfo
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Abstract
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren (100) zum Betreiben eines Elektrolysesystems (200), wobei das Betriebsverfahren (100) umfasst:
- Wandeln (101) von Edukten in Produkte mittels einer elektrochemischen Zelle (201), unter Zufuhr von elektrischem Strom,
- Bereitstellen (103) eines pulsierenden Massenstroms mit dem eine Anzahl Edukte einem Anodensubsystem (203) der Zelle (201) zugeführt werden.
The presented invention relates to an operating method (100) for operating an electrolysis system (200), wherein the operating method (100) comprises:
- converting (101) reactants into products by means of an electrochemical cell (201) with the supply of electric current,
- Providing (103) a pulsating mass flow with which a number of reactants are supplied to an anode subsystem (203) of the cell (201).
Description
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines Elektrolysesystems und ein Elektrolysesystem zum Wandeln von Energie, gemäß den beigefügten Ansprüchen.The presented invention relates to an operating method for operating an electrolysis system and an electrolysis system for converting energy, according to the appended claims.
Stand der TechnikState of the art
Niedertemperaturelektrolyseure, wie bspw. Proton exchange membrane (PEM), Anion exchange membrane (AEM) oder Alkaline water Electrolysis (AEL), benötigen für die elektrochemische Reaktion zur Wasserstoffproduktion mindestens anodenseitig reines Wasser oder Kalilauge (KOH) als Reaktand bzw. Edukt.Low-temperature electrolyzers, such as proton exchange membrane (PEM), anion exchange membrane (AEM) or alkaline water electrolysis (AEL), require at least pure water or potassium hydroxide solution (KOH) as a reactant or starting material on the anode side for the electrochemical reaction to produce hydrogen.
Durch Zufuhr von elektrischem Strom entsteht an der anodischen Phasengrenze der elektrochemischen Zelle Sauerstoff und an der kathodischen Phasengrenze entsprechend Wasserstoff. An beiden Phasengrenzen liegt somit typischerweise eine Fest-, Flüssig- und Gasphase vor.By applying an electric current, oxygen is produced at the anodic phase boundary of the electrochemical cell and hydrogen at the cathodic phase boundary. Thus, a solid, liquid, and gas phase typically exists at both phase boundaries.
Über Diffusion durch die porösen Strukturen der beiden Elektroden werden die Produkte Wasserstoff und Sauerstoff zum Ausgang einer jeweiligen Zelle geleitet und stromabwärts des Elektrolysesystems entsprechend weiterverarbeitet, durch bspw. Abfuhr/Abscheidung/Trocknung/Kompression etc..By diffusion through the porous structures of the two electrodes, the products hydrogen and oxygen are transported to the outlet of each cell and further processed downstream of the electrolysis system, for example by removal/separation/drying/compression, etc.
Die Zu- bzw. Abfuhr der Edukte, wie bspw. Wasser oder Kalilauge und der Produkte Wasserstoff und Sauerstoff kann dabei in der Zelle sowohl zielgerichtet über ein sogenanntes „Flowfield“ bzw. Flussfeld oder über eine poröse Struktur bzw. einen freien Raum in der Zelle realisiert werden.The supply and removal of the reactants, such as water or potassium hydroxide solution, and the products hydrogen and oxygen can be realized in the cell either in a targeted manner via a so-called “flow field” or via a porous structure or a free space in the cell.
Dabei ist vor allem eine rasche Abfuhr der Produktgase vorteilhaft, da die an den Phasengrenzen entstehenden Gasblasen aktive Zentren von bspw. Katalysatormaterial oder angrenzenden elektrochemisch aktiven Bereichen blockieren.Rapid removal of the product gases is particularly advantageous, since the gas bubbles formed at the phase boundaries block active centers of, for example, catalyst material or adjacent electrochemically active areas.
Entsprechend sollen die entstehenden Gasblasen in optimierten Zellstrukturen schnell von den Phasengrenzen desorbieren und ausgeleitet werden. Die Gasblasendesorption basiert dabei auf rein thermodynamischen und hydraulischen Gesetzmäßigkeiten. Allerdings wird der Blockade von elektrochemisch aktiven Zentren durch entstehende Gasblasen im Betrieb ein wesentlicher Anteil am Zellwiderstand zugeschrieben. Dabei wird vor allem die Blockade von Aktivmaterial durch wachsende Sauerstoffgasblasen an der Anode als einflussreich angesehen.Accordingly, the resulting gas bubbles should be rapidly desorbed from the phase boundaries and removed in optimized cell structures. Gas bubble desorption is based on purely thermodynamic and hydraulic principles. However, the blockage of electrochemically active centers by resulting gas bubbles during operation is considered to be a significant contributor to cell resistance. The blockage of active material by growing oxygen gas bubbles at the anode is considered to be particularly influential.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Elektrolysesystem und ein Betriebsverfahren zum Betreiben des Elektrolysesystems vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Elektrolysesystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.Within the scope of the invention presented, an electrolysis system and an operating method for operating the electrolysis system are presented. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description, and the drawings. Features and details described in connection with the operating method according to the invention naturally also apply in connection with the electrolysis system according to the invention, and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is always made to each other.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, eine Möglichkeit für einen energieeffizienten und robusten Betrieb eines Elektrolysesystems bereitzustellen.The invention presented serves in particular to provide a possibility for energy-efficient and robust operation of an electrolysis system.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines Elektrolysesystems vorgestellt.Thus, according to a first aspect of the invention presented, an operating method for operating an electrolysis system is presented.
Das vorgestellte Betriebsverfahren umfasst das Wandeln von Edukten in Produkte mittels einer elektrochemischen Zelle bzw. eines Zellstapels unter Zufuhr von elektrischem Strom und das Bereitstellen eines pulsierenden Massenstroms mit dem eine Anzahl Edukte einem Anodensubsystem der elektrochemischen Zelle bzw. des Zellstapels zugeführt werden.The presented operating method comprises the conversion of reactants into products by means of an electrochemical cell or cell stack with the supply of electrical current and the provision of a pulsating mass flow with which a number of reactants are supplied to an anode subsystem of the electrochemical cell or cell stack.
Unter einem pulsierenden Massenstrom ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Massenstrom aus einem Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit zu verstehen, dessen Stärke bzw. Größe bzw. Amplitude sich mit einer vorgegebenen Frequenz ändert.In the context of the invention presented, a pulsating mass flow is understood to mean a mass flow from a fluid, in particular a liquid, whose strength or size or amplitude changes with a predetermined frequency.
Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass ein Massenstrom, mit dem eine Anzahl Edukte sich in einem Leitungssystem eines Elektrolyseurs bewegt, verändert bzw. beeinflusst wird. Durch die Veränderung bzw. Beeinflussung des Massenstroms wird erreicht, dass der Massenstrom zumindest zeitweise pulsiert und das Anodensubsystem mit einer sich über die Zeit verändernden mechanisch-hydraulischen Kraft beaufschlagt.The presented invention is based on the principle of changing or influencing the mass flow with which a number of reactants move in a pipe system of an electrolyzer. By changing or influencing the mass flow, the mass flow is pulsated at least temporarily and applies a mechanical-hydraulic force to the anode subsystem that changes over time.
Insbesondere induziert der pulsierende Massenstrom ein Rütteln an dem Anodensubsystem, durch das an dem Anodensubsystem anhaftende Gasblasen von dem Anodensubsystem gelöst und entsprechend aus dem Elektrolysesystem ausgetragen werden.In particular, the pulsating mass flow induces a shaking of the anode subsystem, through which gas bubbles adhering to the anode subsystem are released from the anode subsystem and accordingly discharged from the electrolysis system.
Es kann vorgesehen sein, dass zum Bereitstellen des pulsierenden Massenstroms ein wiederholtes Öffnen und Schließen eines Ventils in einem Leitungssystem zum Leiten des Massenstroms zu dem Anodensubsystem oder von dem Anodensubsystem weg mit einer vorgegebenen Frequenz durchgeführt wird.It may be provided that, in order to provide the pulsating mass flow, a valve in a line system for directing the mass flow to the anode subsystem or away from the anode subsystem is repeatedly opened and closed at a predetermined frequency.
Durch ein Öffnen und Schließen eines Ventils kann ein hydraulischer Widerstand, der dem Massenstrom entgegensteht, verändert werden. Entsprechend führt ein wiederholtes Öffnen und Schließen des Ventils zu einer veränderten Stärke bzw. Größe bzw. Amplitude des Massenstroms.By opening and closing a valve, the hydraulic resistance opposing the mass flow can be changed. Accordingly, repeated opening and closing of the valve leads to a change in the strength, size, or amplitude of the mass flow.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Ventil ausgewählt ist aus der folgenden Liste an Ventilen: Chopper-Ventil, Magnetventil, Inline-Rückschlagventil.It may further be provided that the valve is selected from the following list of valves: chopper valve, solenoid valve, inline check valve.
Insbesonders schaltbare Ventile haben sich als geeignet zur Durchführung des vorgestellten Betriebsverfahrens erwiesen.In particular, switchable valves have proven to be suitable for carrying out the presented operating procedure.
Dabei kann bspw. mittels eines Rückschlagventils die pulsierende Bewegung des Massenstroms auf einen Ableitungspfad begrenzt werden.For example, the pulsating movement of the mass flow can be limited to a discharge path using a check valve.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass zum Bereitstellen des pulsierenden Massenstroms eine Drehzahl einer Pumpe zum Fördern des Massenstroms wiederholt mit einer vorgegebenen Frequenz geändert wird.It can further be provided that, in order to provide the pulsating mass flow, a speed of a pump for conveying the mass flow is repeatedly changed at a predetermined frequency.
Durch Ändern einer Drehzahl einer Pumpe wird der Massenstrom mit einem sich verändernden Druck beaufschlagt, der entsprechend an das Anodensubsystem übertragen wird. Entsprechend kann durch das Ändern der Drehzahl der Pumpe eine auf das Anodensubsystem wirkende Kraft besonders gut und direkt eingestellt werden.By changing the pump speed, the mass flow is subjected to a changing pressure, which is then transferred to the anode subsystem. Accordingly, by changing the pump speed, the force acting on the anode subsystem can be adjusted particularly precisely and directly.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass zum Bereitstellen des pulsierenden Massenstroms Ultraschallwellen mittels eines Ultraschallgenerators in den Massenstrom eingekoppelt werden.It can further be provided that, in order to provide the pulsating mass flow, ultrasonic waves are coupled into the mass flow by means of an ultrasonic generator.
Ein Ultraschallgenerator erzeugt eine pulsierende Oberfläche, die entsprechend den Massenstrom direkt eine hochfrequente pulsierende Bewegung überführt und entsprechend die Gasblasen verlässlich von dem Anodensubsystem löst. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Elektrolysesystem zum Wandeln von Energie.An ultrasonic generator generates a pulsating surface that directly transmits a high-frequency pulsating motion corresponding to the mass flow and reliably detaches the gas bubbles from the anode subsystem. According to a second aspect, the presented invention relates to an electrolysis system for converting energy.
Das vorgestellte Elektrolysesystem umfasst eine elektrochemische Zelle bzw. einen Zellstapel zum Überführen eines Massenstroms einer Anzahl Edukte in Produkte unter Zufuhr von elektrischem Strom und eine Recheneinheit, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Betriebsverfahrens durchzuführen.The electrolysis system presented comprises an electrochemical cell or a cell stack for converting a mass flow of a number of reactants into products by supplying electrical current and a computing unit, wherein the computing unit is configured to carry out a possible embodiment of the presented operating method.
Unter einer Recheneinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Prozessor, ein Steuergerät oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.In the context of the invention presented, a computing unit is understood to mean a computer, a processor, a control unit or any other programmable circuit.
Das vorgestellte Betriebsverfahren dient insbesondere zum Betrieb des vorgestellten Elektrolysesystems.The presented operating procedure is used in particular for the operation of the presented electrolysis system.
Das vorgestellte Elektrolysesystem ist insbesondere ein Niedertemperaturelektrolysesystem, wie bspw. ein Proton exchange membrane (PEM), Anion exchange membrane (AEM) oder Alkaline water Electrolysis (AEL) -system.The electrolysis system presented is in particular a low-temperature electrolysis system, such as a proton exchange membrane (PEM), anion exchange membrane (AEM) or alkaline water electrolysis (AEL) system.
Das vorgestellte Elektrolysesystem kann als Edukt bspw. Kalilauge oder Wasser verwenden, sodass der erfindungsgemäß pulsierende Massenstrom bspw. ein Kalilaugenmassenstrom oder ein Wassermassenstrom ist.The electrolysis system presented can use, for example, potassium hydroxide solution or water as a reactant, so that the pulsating mass flow according to the invention is, for example, a potassium hydroxide solution mass flow or a water mass flow.
Es kann vorgesehen sein, dass das Elektrolysesystem ein Ventil in einem Leitungssystem zum Leiten des Massenstroms zu einem Anodensubsystem des Elektrolysesystems oder von dem Anodensubsystem weg umfasst, und die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Ventil mit einer vorgegebenen Frequenz anzusteuern, um den Massenstrom in eine pulsierende Bewegung zu überführen.It can be provided that the electrolysis system comprises a valve in a conduit system for directing the mass flow to an anode subsystem of the electrolysis system or away from the anode subsystem, and the computing unit is configured to control the valve at a predetermined frequency in order to convert the mass flow into a pulsating movement.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Ventil ausgewählt ist aus der folgenden Liste an Ventilen: Chopper-Ventil, Magnetventil, Inline-Rückschlagventil.It may further be provided that the valve is selected from the following list of valves: chopper valve, solenoid valve, inline check valve.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Elektrolysesystem eine Pumpe zum Fördern des Massenstroms umfasst, und die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine Drehzahl der Pumpe wiederholt mit einer vorgegebenen Frequenz zu ändern, um den Massenstrom in eine pulsierende Bewegung zu überführen.It can further be provided that the electrolysis system comprises a pump for conveying the mass flow, and the computing unit is configured to repeatedly change a speed of the pump at a predetermined frequency in order to convert the mass flow into a pulsating movement.
Eine Pumpe, wie bspw. eine Membranpumpe oder eine Kreiselpumpe ist in ihrer Drehzahl besonders schnell und exakt regelbar, sodass die pulsierende Bewegung des Massenstroms durch eine Pumpe besonders schnell und exakt einstellbar ist.A pump, such as a diaphragm pump or a centrifugal pump, can be adjusted particularly quickly and precisely in its speed, so that the pulsating movement of the mass flow through a pump can be adjusted particularly quickly and precisely.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Elektrolysesystem einen Ultraschallgenerator umfasst, und die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, den Ultraschallgenerator anzusteuern, um Ultraschallwellen in den Massenstrom einzukoppeln und den Massenstrom in eine pulsierende Bewegung zu überführen.It can further be provided that the electrolysis system comprises an ultrasonic generator, and the computing unit is configured to control the ultrasonic generator in order to couple ultrasonic waves into the mass flow and to convert the mass flow into a pulsating movement.
Vorteile, die ausführlich zu dem Betriebsverfahren zum Betreiben eines Elektrolysesystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, gelten gleichermaßen bei dem Elektrolysesystem zum Wandeln von Energie gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.Advantages that have been described in detail with respect to the operating method for operating an electrolysis system according to the first aspect of the invention equally apply to the electrolysis system for converting energy according to the second aspect of 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. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.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. The features mentioned in the claims and in the description may be essential to the invention individually or in any combination.
Es zeigen jeweils schematisch:
-
1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Betriebsverfahrens, -
2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Elektrolysesystems.
-
1 a possible design of the presented operating procedure, -
2 a possible design of the presented electrolysis system.
In
Das Betriebsverfahren 100 umfasst einen Wandlungsschritt 101, bei dem Edukte in Produkte mittels eines Zellstapels unter Zufuhr von elektrischem Strom gewandelt werden.The operating method 100 comprises a conversion step 101 in which reactants are converted into products by means of a cell stack with the supply of electrical current.
Ferner umfasst das Betriebsverfahren 100 einen Bereitstellungsschritt 103, bei dem ein pulsierender Massenstrom bereitgestellt wird, mit dem eine Anzahl Edukte einem Anodensubsystem des Zellstapels zugeführt werden.Furthermore, the operating method 100 comprises a provision step 103 in which a pulsating mass flow is provided with which a number of reactants are supplied to an anode subsystem of the cell stack.
In
Das Elektrolysesystem 200 umfasst eine elektrochemische Zelle 201 mit einem Anodensubsystem 203 und einem Kathodensubsystem 205.The electrolysis system 200 comprises an electrochemical cell 201 with an anode subsystem 203 and a cathode subsystem 205.
Ferner umfasst das Elektrolysesystem 200 eine Recheneinheit 205, die dazu konfiguriert ist, das Betriebsverfahren 100 gemäß
Über eine Pumpe 207 wird ein Massenstrom an Edukten aus demineralisiertem Wasser und/oder Kaliumhydroxid bzw. Kalilauge aus einem Tank 217 einem Filter 209 und schließlich dem Anodensubsystem 203 der elektrochemischen Zelle 201 zugeführt.A pump 207 supplies a mass flow of reactants consisting of demineralized water and/or potassium hydroxide or potassium hydroxide solution from a tank 217 to a filter 209 and finally to the anode subsystem 203 of the electrochemical cell 201.
Mittels eines Ventils 211, kann der Massenstrom beeinflusst werden, sodass dieser in eine pulsierende Bewegung überführt wird und das Anodensubsystem 203 mit einer variierenden mechanisch hydraulischen Kraft beaufschlagt, durch die sich an dem Anodensubsystem 203 anhaftende Gasblasen lösen und über einen Gasabscheider 213 aus dem Elektrolysesystem 200 ausgetragen werden.By means of a valve 211, the mass flow can be influenced so that it is converted into a pulsating movement and the anode subsystem 203 is subjected to a varying mechanical hydraulic force, by means of which gas bubbles adhering to the anode subsystem 203 are released and discharged from the electrolysis system 200 via a gas separator 213.
Zum Durchführen des Elektrolysevorgangs wird die eine elektrochemische Zelle 201 durch einen Wechselrichter bzw. eine DC-Spannungsversorgung 215 mit elektrischem Strom beaufschlagt.To carry out the electrolysis process, the electrochemical cell 201 is supplied with electrical current by an inverter or a DC voltage supply 215.
Ein optionaler Ultraschallgenerator 219 kann alternativ oder zusätzlich verwendet werden, um den Massenstrom in eine pulsierende Bewegung zu überführen.An optional ultrasonic generator 219 can be used alternatively or additionally to convert the mass flow into a pulsating movement.
Ferner umfasst das Elektrolysesystem 200 eine Recheneinheit 221, die die Komponenten des Elektrolysesystems 200 steuert.Furthermore, the electrolysis system 200 comprises a computing unit 221 which controls the components of the electrolysis system 200.
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