DE102023211004A1

DE102023211004A1 - Electrolysis system

Info

Publication number: DE102023211004A1
Application number: DE102023211004.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Genssle; Waldemar Koenig; Markus Brenk; Frederik Hug; Freya Kiesewetter; Tim Sebastian Entenmann; Annika Utz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-11-07
Filing date: 2023-11-07
Publication date: 2025-05-08
Also published as: WO2025099110A1

Abstract

Elektrolysesystem mit einem elektrochemischen Stack (1), der einen Einlass (8) aufweist, durch den Wasser eingeleitet werden kann, und mit einem Auslass (9), durch den Wasser oder Gas aus dem Stack (1) ausgeleitet werden kann. Der Auslass (9) ist über eine Leitung (10) mit einem Gas-Wasser-Separator (11) verbunden, in dem das aus dem Stack (1) austretende Gas vom austretenden Wasser getrennt wird. Der Gas-Wasser-Separator (11) ist über eine Ablaufleitung (13) mit einem Wassertank (20) zur Speicherung des abgetrennten Wassers verbunden, wobei der Wassertank (20) mit dem Einlass (8) des Stacks (1) über eine Spülleitung (22) verbunden ist.

Electrolysis system with an electrochemical stack (1) having an inlet (8) through which water can be introduced, and with an outlet (9) through which water or gas can be discharged from the stack (1). The outlet (9) is connected via a line (10) to a gas-water separator (11), in which the gas escaping from the stack (1) is separated from the escaping water. The gas-water separator (11) is connected via a drain line (13) to a water tank (20) for storing the separated water, wherein the water tank (20) is connected to the inlet (8) of the stack (1) via a flushing line (22).

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem, wie es zur elektrolytischen Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe elektrischer Energie verwendet werden kann.The invention relates to an electrolysis system which can be used for the electrolytic splitting of water into hydrogen and oxygen using electrical energy.

Stand der TechnikState of the art

Elektrische Energie lässt sich in Form von Wasserstoff in chemische Energie umwandeln. Dazu kann ein sogenannter Elektrolyseur verwendet werden, der eine elektrochemische Zelle umfasst, in der ein Anodenraum und ein Kathodenraum ausgebildet sind. Der Anodenraum und der Kathodenraum sind voneinander durch eine semipermeable Membran getrennt, wobei die Membran auf der Anodenseite mit einer Anodenelektrode und auf der Kathodenseite mit einer Kathodenelektrode beschichtet ist, zwischen denen eine elektrische Gleichspannung angelegt werden kann. Zur Durchführung der Elektrolyse wird der Anodenraum und - je nach Typ des Elektrolyseurs - auch der Kathodenraum mit Wasser beziehungsweise einer elektrolytischen wässrigen Lösung befüllt. Das Wasser wird an der Anodenelektrode katalytisch gespalten und die entstehenden H⁺-Ionen diffundieren - angetrieben durch die elektrische Spannung - durch die Membran in den Kathodenraum. Dort rekombinieren die H⁺-Ionen mit den Elektronen in der Kathodenelektrode zu Wasserstoff. Mit den H⁺-Ionen gelangt auch stets Wasser in den Kathodenraum, da die H⁺-Ionen bei der Diffusion von einer Hydrathülle umgeben sind (sogenannter Wasserdrag). Elektrolyseure mit diesem Funktionsprinzip sind vom sogenannten PEM-Typ, das heißt, dass die semipermeable Membran für Protonen - also H⁺-Ionen - durchlässig ist (proton exchange membrane), während die Membran für andere Stoffe weitgehend undurchlässig ist. Es sind auch andere Elektrolyseure bekannt, beispielsweise solche, bei denen die Membran für OH^-- oder O²-Ionen durchlässig ist. Ein Beispiel für ein Elektrolysesystem ist aus der DE 10 2021 214 205 A1 bekannt.Electrical energy can be converted into chemical energy in the form of hydrogen. This can be done using an electrolyzer, which comprises an electrochemical cell with an anode and a cathode compartment. The anode and cathode compartments are separated from each other by a semipermeable membrane. The membrane is coated with an anode electrode on the anode side and a cathode electrode on the cathode side, between which a direct electrical voltage can be applied. To carry out electrolysis, the anode compartment and—depending on the type of electrolyzer—also the cathode compartment are filled with water or an electrolytic aqueous solution. The water is catalytically split at the anode electrode, and the resulting H ⁺ ions diffuse—driven by the electrical voltage—through the membrane into the cathode compartment. There, the H ⁺ ions recombine with the electrons in the cathode electrode to form hydrogen. Water always enters the cathode chamber along with the H ⁺ ions, since the H ⁺ ions are surrounded by a hydration shell during diffusion (so-called water drag). Electrolyzers with this operating principle are of the so-called PEM type, which means that the semipermeable membrane is permeable to protons – i.e. H ⁺ ions – (proton exchange membrane), while the membrane is largely impermeable to other substances. Other electrolyzers are also known, for example, those in which the membrane is permeable to OH ^- or O ² ions. An example of an electrolysis system is from the DE 10 2021 214 205 A1 known.

In der elektrochemischen Zelle entsteht im Kathodenraum Wasserstoff und im Anodenraum Sauerstoff. Diese Reaktionsgase werden durch das Wasser, das beständig durch den Anodenraum und gegebenenfalls den Kathodenraum gepumpt wird, abgeführt und jeweils einem Gas-Wasser-Separator (Gas Liquid Separator = GLS) zugeführt. Dort wird der Wasserstoff beziehungsweise der Sauerstoff vom Wasser getrennt und der Wasserstoff für die weitere Verwendung gespeichert. Auch bei einem Elektrolyseur mit einer trockenen Kathode, bei dem der Kathodenraum nicht mit Wasser durchströmt wird, sammelt sich mit der Zeit durch Diffusion und den Wasserdrag dort Wasser, das mit dem Wasserstoff aus dem Kathodenraum abfließt. Das in den Gas-Wasser-Separatoren gesammelte Wasser wird anschließend wieder zurück in den Kreislauf gepumpt, wobei das im Anodenraum verbrauchte Wasser fortwährend ersetzt wird.In the electrochemical cell, hydrogen is produced in the cathode chamber and oxygen in the anode chamber. These reaction gases are carried away by the water, which is continuously pumped through the anode chamber and, if necessary, the cathode chamber, and each is fed to a gas-water separator (Gas Liquid Separator = GLS). There, the hydrogen or oxygen is separated from the water and the hydrogen is stored for further use. Even in an electrolyzer with a dry cathode, in which no water flows through the cathode chamber, water collects there over time due to diffusion and water drag, and flows out of the cathode chamber with the hydrogen. The water collected in the gas-water separators is then pumped back into the circuit, whereby the water used in the anode chamber is continually replaced.

Bei Elektrolysesystemen ist es üblich, die Stacks und zumindest Teile der Leitungen bei bestimmten Betriebszuständen, insbesondere beim planmäßigen Abschalten des Elektrolyseurs für Wartungen, bei Notabschaltungen und gegebenenfalls auch beim Standby-Betrieb, zu inertisieren. Dabei wird der Wasserstoff und ggf. auch der Sauerstoff aus dem Kathodenraum bzw. Anodenraum entfernt, da sonst die Gefahr besteht, dass vor allem der Wasserstoff mit der Zeit in den Anodenraum diffundiert und sich mit dem dort vorhandenen Sauerstoff mischt. Diese Inertisierung kann mit Stickstoff als Inertgas erfolgen, was allerdings zu einer Verunreinigung des Produktgases führt und damit den H₂-Ertrag reduziert. Zur Inertisierung bzw. zum Spülen kann auch deionisiertes Wasser (DI-Wasser) verwendet werden.In electrolysis systems, it is common practice to inertize the stacks and at least parts of the lines under certain operating conditions, particularly during scheduled shutdown of the electrolyzer for maintenance, emergency shutdowns, and possibly also during standby operation. This removes the hydrogen and, if necessary, the oxygen from the cathode or anode compartment. Otherwise, there is a risk that the hydrogen in particular will diffuse into the anode compartment over time and mix with the oxygen present there. This inerting can be carried out using nitrogen as the inert gas, but this leads to contamination of the product gas and thus reduces the _H2 yield. Deionized water (DI water) can also be used for inerting or flushing.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Elektrolysesystem weist den Vorteil auf, dass ein Intertisieren bzw. Spülen und damit Entfernen der Reaktionsgase aus einem Elektrolysestack möglich ist, ohne dass die gewünschten Produktgase - insbesondere der Wasserstoff - durch den Spülvorgang verunreinigt werden oder der Stack starken chemischen oder mechanischen Belastungen ausgesetzt wird. Dazu weist das Elektrolysesystem einen elektrochemischen Stack auf mit einem Einlass, durch den Wasser eingeleitet werden kann, und mit einem Auslass, durch den Wasser und/oder Gas aus dem Stack ausgeleitet werden kann, wobei der Auslass über eine Leitung mit einem Gas-Wasser-Separator verbunden ist, in dem das aus dem Stack austretende Gas vom austretenden Wasser getrennt wird. Der Gas-Wasser-Separator ist über eine Ablaufleitung mit einem Wassertank zur Speicherung des abgetrennten Wassers verbunden, wobei der Wassertank mit dem Einlass des Stacks über eine Spülleitung verbunden ist.The electrolysis system according to the invention has the advantage that it is possible to purge and thus remove the reaction gases from an electrolysis stack without contaminating the desired product gases - in particular the hydrogen - during the purging process or exposing the stack to severe chemical or mechanical stress. For this purpose, the electrolysis system comprises an electrochemical stack with an inlet through which water can be introduced and an outlet through which water and/or gas can be discharged from the stack. The outlet is connected via a line to a gas-water separator in which the gas escaping from the stack is separated from the escaping water. The gas-water separator is connected via a drain line to a water tank for storing the separated water. The water tank is connected to the stack inlet via a purge line.

Wird der Stack abgeschaltet, so entsteht zwar praktisch kein neuer Wasserstoff, im Stack ist aber nach wie vor Wasserstoffgas vorhanden, der sich über Diffusionsprozesse mit dem ebenfalls vorhandenen Sauerstoff mischen kann. Um dies zu verhindern muss der Stack nach dem Abschalten mit Wasser gespült bzw. inertisiert werden (sogenanntes Purgen), um die Vermischung von Wasserstoff und Sauerstoff zu verhindern. Das Wasser, das im Gas-Wasser-Separator (gas liquid separator: GLS) abgeschieden wird, ist weitgehend frei von Gasen, insbesondere von Wasserstoffgas, und kann als hochreines Wasser direkt zum Spülen des Stacks verwendet werden. Da im Wassertank eine größere Wassermenge vorgehalten werden kann, steht dieses unmittelbar zum Purgen des Stacks zur Verfügung. Das Wasser entsteht direkt am Stack bzw. GLS und muss nicht separat zugeführt werden, so dass der Stack unabhängig von einer äußeren Zufuhr oder der Verfügbarkeit von Wasser jederzeit gespült und damit sicher abgeschaltet werden kann.If the stack is shut down, practically no new hydrogen is produced, but hydrogen gas is still present in the stack, which can mix with the oxygen present via diffusion processes. To prevent this, the stack must be flushed with water or inerted (so-called purging) after shutdown to prevent the mixing of hydrogen and oxygen. The water separated in the gas-water separator (gas liquid separator: GLS) is largely free of gases, especially hydrogen gas, and can be used as ultrapure water directly to flush the stack. Since a larger quantity of water can be stored in the water tank, this is immediately available. Available for purging the stack. The water is generated directly at the stack or GLS and does not need to be supplied separately, so the stack can be purged and safely shut down at any time, regardless of an external supply or the availability of water.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann in der Spülleitung eine Fördereinrichtung, insbesondere eine Pumpe, vorgesehen sein. Diese führt das Wasser aus dem Wassertank unter einem vorgebbaren Druck dem Stack zu, so dass insbesondere der Kathodenraum des Stacks mit einem Druck, der dem Betriebsdruck im Kathodenraum entspricht, gespült werden kann. Das Spülen mit Betriebsdruck senkt die mechanische Belastung des Stacks erhöht so seine Lebensdauer.In an advantageous development of the invention, a conveying device, in particular a pump, can be provided in the flushing line. This pump supplies the water from the water tank to the stack at a predeterminable pressure, so that, in particular, the cathode chamber of the stack can be flushed at a pressure corresponding to the operating pressure in the cathode chamber. Flushing at operating pressure reduces the mechanical stress on the stack and thus increases its service life.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Wassertank als Druckwassertank ausgebildet, in dem das Wasser unter dem auch im GLS herrschenden Druck gespeichert wird. Damit steht es unter einem Betriebsdruck zur Verfügung und kann ohne die Verwendung einer separaten Pumpe und damit auch ohne äußere Stromzufuhr zum Purgen des Stacks verwendet werden. Insbesondere, wenn der Kathodenraum gespült werden soll, in dem beim Betrieb ein Druck von 10 bis 30 bar (1 bis 3 MPa) oder mehr herrscht, senkt dies die mechanische Belastung des Stacks, da ein Druckwechsel beim Purgen vermieden wird. Falls erforderlich können auch mehrere Wassertanks aus dem GLS befüllt werden. Auch das Purgen mehrerer Stacks mit dem Wasser aus dem Wassertank bzw. aus den Wassertanks ist ohne Weiteres möglich, falls die Wassermenge dazu ausreicht.In a further advantageous embodiment, the water tank is designed as a pressurized water tank in which the water is stored at the same pressure as in the GLS. This means that it is available at operating pressure and can be used to purge the stack without the need for a separate pump and therefore without an external power supply. This reduces the mechanical stress on the stack, particularly when purging the cathode chamber, which operates at a pressure of 10 to 30 bar (1 to 3 MPa) or more, as pressure changes during purging are avoided. If necessary, multiple water tanks can be filled from the GLS. Purging multiple stacks with water from the water tank(s) is also easily possible, provided the water quantity is sufficient.

In vorteilhafter Weise ist das Volumen des mit dem Reaktionsraum verbundenen Wassertanks größer oder gleich dem Volumen im Stack, das mit dem Einlass verbunden ist. Sollen mehrerer Stacks gespült werden, entspricht das Volumen des Wassertanks wenigstens der Summe aller Stackvolumen. Damit ist sichergestellt, dass der entsprechende Raum im Stack wenigstens einmal vollständig mit Wasser gefüllt und damit durchgespült werden kann.Advantageously, the volume of the water tank connected to the reaction chamber is greater than or equal to the volume in the stack connected to the inlet. If multiple stacks are to be flushed, the volume of the water tank corresponds at least to the sum of all stack volumes. This ensures that the corresponding space in the stack can be completely filled with water and thus flushed at least once.

In weiterer vorteilhafter Weise weist der Gas-Wasser-Separator einen Wasseranschluss zum Zuführen von gereinigtem Wasser auf. Insbesondere zu Beginn des Betriebs ist im GLS nur wenig Wasser vorhanden, da dieses vor allem im Kathodenraum erst nach und nach gebildet wird und deshalb der Elektrolyseur einige Zeit betrieben werden muss, um genügend Wasser zum Purgen zur Verfügung zu haben. Um aber jederzeit genügend Wasser zur Verfügung zu haben kann der GLS vor Betriebsbeginn mit einer ausreichenden Menge Wasser über den Wasseranschluss befüllt werden. Dabei wird der Wasserstand im GLS vorzugsweise mit Hilfe eines Füllstandsensors überwacht.Another advantageous feature of the gas-water separator is a water connection for supplying purified water. Especially at the beginning of operation, only a small amount of water is available in the gas-water separator, as this water is gradually formed, especially in the cathode chamber. Therefore, the electrolyzer must be operated for some time to ensure sufficient water is available for purging. However, to ensure sufficient water is available at all times, the gas-water separator can be filled with a sufficient amount of water via the water connection before operation begins. The water level in the gas-water separator is preferably monitored using a level sensor.

Der Stack weist einen Anodenraum und einen Kathodenraum auf, die durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind. Beide Reaktionsräume können mit einem GLS verbunden sein, und das Wasser kann zum Purgen des Anodenraum oder des Kathodenraums verwendet werden. So kann das Wasser aus dem Kathodenraum vorteilhaft zum Spülen des Kathodenraums verwendet werden, da dieses bereits unter entsprechendem Druck steht. Aber auch das Wasser aus dem Anodenraum kann dazu verwendet werden, muss aber gegebenenfalls mittels einer Pumpe verdichtet werden.The stack has an anode compartment and a cathode compartment separated by a semipermeable membrane. Both reaction compartments can be connected to a GLS, and the water can be used to purge the anode compartment or the cathode compartment. The water from the cathode compartment can be advantageously used to flush the cathode compartment, as it is already under sufficient pressure. However, the water from the anode compartment can also be used for this purpose, although it may need to be compressed using a pump.

Zeichnungdrawing

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Elektrolysesystems schematisch dargestellt. Es zeigt

1 eine schematische Darstellung des Elektrolysesystems, wobei nur die wesentlichen Komponenten dargestellt sind,
2 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle als Teil eines Stacks und
3, 4, 5, 6, 7 und 8 weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Elektrolysesystems in gleicher Darstellung wie 1.

The drawing schematically shows various embodiments of the electrolysis system according to the invention.

1 a schematic representation of the electrolysis system, showing only the essential components,
2 a schematic representation of an electrochemical cell as part of a stack and
3 , 4 , 5 , 6 , 7 and 8 further embodiments of the electrolysis system according to the invention in the same representation as 1 .

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrolysesystems in schematischer Darstellung, wobei nur die wesentlichen Komponenten dargestellt sind. Das Elektrolysesystem umfasst einen elektrochemischen Stack 1, der wenigstens eine, meist aber eine Vielzahl elektrochemischer Zellen 2 umfasst. 2 zeigt dazu eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle 2. Die elektrochemische Zelle 2 umfasst zwei Reaktionsräume, einen Anodenraum 3 und einen Kathodenraum 4, die voneinander durch eine semipermeable Membran 5 getrennt sind. Auf der dem Anodenraum 3 zugewandten Seite der semipermeable Membran 5 ist eine Anodenelektrode 6 angeordnet und auf der dem Kathodenraum 4 zugewandten Seite eine Kathodenelektrode 7, wobei die Elektroden 6, 7 beispielsweise als Beschichtung der Membran 5 ausgebildet sein können. Beim Betrieb des elektrochemischen Stacks 1 wird der Anodenraum 3 mit Wasser durchspült (in der Zeichnung nicht dargestellt) und zwischen der Anodenelektrode 6 und der Kathodenelektrode 7 eine elektrische Gleichspannung angelegt. Durch katalytische Aufspaltung des Wassers im Anodenraum 3 diffundiert der Wasserstoff (Protonen) durch die semipermeable Membran 5 in den Kathodenraum 4, wo H⁺-Ionen mit den Elektronen der Kathodenelektrode 7 zu Wasserstoff rekombinieren und als H₂-Molekül über eine Ablaufleitung 10 abströmen. 1 shows a first embodiment of an electrolysis system according to the invention in a schematic representation, with only the essential components shown. The electrolysis system comprises an electrochemical stack 1, which comprises at least one, but usually a plurality of, electrochemical cells 2. 2 shows a schematic representation of an electrochemical cell 2. The electrochemical cell 2 comprises two reaction chambers, an anode chamber 3 and a cathode chamber 4, which are separated from each other by a semipermeable membrane 5. An anode electrode 6 is arranged on the side of the semipermeable membrane 5 facing the anode chamber 3, and a cathode electrode 7 is arranged on the side facing the cathode chamber 4, wherein the electrodes 6, 7 can be designed, for example, as a coating of the membrane 5. During operation of the electrochemical stack 1, the anode chamber 3 is flushed with water (not shown in the drawing), and an electrical direct voltage is applied between the anode electrode 6 and the cathode electrode 7. Due to catalytic splitting of the water in the anode chamber 3, the hydrogen (protons) diffuses through the semipermeable membrane 5 into the cathode chamber 4, where H ⁺ ions recombine with the electrons of the cathode electrode 7 to form hydrogen and flow out as H ₂ molecules via a drain line 10.

Der Kathodenraum 4 weist einen Einlass 8 und einen Auslass 9 auf. Im Normalbetrieb wird der im Kathodenraum 4 entstehende Wasserstoff und das eindiffundierte Wasser sowohl über den Auslass 9 als auch über den Einlass 8 und eine Verbindungsleitung 14 abgeführt, wobei ein Ventil 40 in der Verbindungsleitung 14 geöffnet wird. Je nach Bauart des Stacks kann die Verbindungsleitung 14 auch entfallen. Es kann jedoch auch über den Einlass 8 Wasser in den Kathodenraum 4 eingeleitet werden und über den Auslass 9 ausströmen, wobei dann das Ventil 40 geschlossen wird. In gleicher Weise kann auch der Anodenraum 3 einen Einlass und einen Auslass aufweisen, um den Anodenraum 3 mit Wasser zu versorgen und Gas und/oder Wasser aus dem Anodenraum 3 abzuleiten. Eine Leitung analog zur Verbindungsleitung 14 ist beim Anodenraum 3 nicht vorgesehen, da dieser auch beim Normalbetrieb ständig mit Wasser durchspült wird.The cathode chamber 4 has an inlet 8 and an outlet 9. During normal operation, the hydrogen produced in the cathode chamber 4 and the water diffused in are discharged via the outlet 9 as well as via the inlet 8 and a connecting line 14, whereby a valve 40 in the connecting line 14 is opened. Depending on the design of the stack, the connecting line 14 may also be omitted. However, water can also be introduced into the cathode chamber 4 via the inlet 8 and flow out via the outlet 9, whereby the valve 40 is then closed. Similarly, the anode chamber 3 can also have an inlet and an outlet to supply the anode chamber 3 with water and to discharge gas and/or water from the anode chamber 3. A line analogous to the connecting line 14 is not provided for the anode chamber 3, since it is constantly flushed with water even during normal operation.

Im Elektrolysesystem kann - wie nachfolgend beschrieben - der Kathodenraum 4 mit reinem Wasser gespült werden. In gleicher Weise kann dies auch auf den Anodenraum 3 übertragen werden und dieser mit Wasser gespült werden, insbesondere beim Abschalten des elektrochemischen Stacks. Wie in 1 dargestellt ist der Kathodenraum 4 über die Ablaufleitung 10 mit einem Gas-Wasser-Separator 11 verbunden. Im Kathodenraum 4 entsteht beim Betrieb des Elektrolyseurs - also des elektrochemischen Stacks 1 - Wasserstoffgas. Darüber hinaus dringt aufgrund der H⁺-Diffusion beim Betrieb stets sogenanntes Dragwasser durch die Membran 5 aus dem Anodenraum 3 in den Kathodenraum 4 ein, so dass über die Ablaufleitung 10 ein Gemisch aus Wasserstoffgas und Wasser austritt. Der Gas-Wasser-Separator 11 dient dazu, das Wasserstoffgas vom Wasser zu trennen, wobei das Wasserstoffgas über einen Gasauslass 15 ausgeleitet und zur weiteren Verwendung beispielsweise in einem - hier nicht dargestellten - Druckbehälter gesammelt wird. Das im Gas-Wasser-Separator 11 aufgefangene Wasser wird über eine Ablaufleitung 13 in einen Wassertank 20 abgeleitet, wobei in der Ablaufleitung 13 ein Ablassventil 32 angeordnet ist. Es können auch mehrere Stacks 1 vorhanden sein, hier exemplarisch durch einem weiteren Stack 1a illustriert. Auch der weitere Stack 1a ist über eine Leitung 10a mit demselben Gas-Wasser-Separator 11 verbunden, wo die Trennung von Gas und Wasser beider Stacks 1, 1a stattfindet, und der Einlass ist auch hier über eine Verbindungsleitung 14a mit einem Ventil 40a mit dem Auslass verbindbar. In the electrolysis system, the cathode compartment 4 can be rinsed with pure water, as described below. This can also be applied to the anode compartment 3, which can be rinsed with water, especially when shutting down the electrochemical stack. As described in 1 The cathode chamber 4 is shown connected to a gas-water separator 11 via the drain line 10. Hydrogen gas is generated in the cathode chamber 4 during operation of the electrolyzer—i.e., the electrochemical stack 1. In addition, due to H ⁺ diffusion, so-called drag water constantly penetrates through the membrane 5 from the anode chamber 3 into the cathode chamber 4 during operation, so that a mixture of hydrogen gas and water escapes via the drain line 10. The gas-water separator 11 serves to separate the hydrogen gas from the water, with the hydrogen gas being discharged via a gas outlet 15 and collected for further use, for example, in a pressure vessel (not shown here). The water collected in the gas-water separator 11 is drained via a drain line 13 into a water tank 20, with a drain valve 32 arranged in the drain line 13. Multiple stacks 1 may also be present, illustrated here as an example by another stack 1a. The additional stack 1a is also connected via a line 10a to the same gas-water separator 11, where the separation of gas and water from both stacks 1, 1a takes place. Here, too, the inlet can be connected to the outlet via a connecting line 14a with a valve 40a.

Wurde der elektrochemische Stack 1 eine Zeitlang betrieben, so sammelt sich immer mehr Wasser im Gas-Wasser-Separator 11. Sobald ein maximaler Wasserstand im Gas-Wasser-Separator 11 erreicht ist, wird das weitere Wasser über eine Ablaufleitung 13 durch Öffnen eines Ablassventils 32 in einen Wassertank 20 abgeleitet, wo es gespeichert wird. Beim Betrieb des elektrochemischen Stacks 1 herrscht im Kathodenraum 4 ein relativ hoher Druck von beispielsweise 40 bar (4 MPa) und dementsprechend herrscht dieser Druck auch im Gas-Wasser-Separator 11 und im Wassertank 20. Der Wassertank 20 ist dann als Druckwassertank ausgebildet, in dem das Wasser unter einem Spüldruck, der zumindest im Wesentlichen dem Druck im Gas-Wasser-Separator 11 entspricht, über längere Zeiträume gespeichert werden kann. Zweckmäßig ist in diesem Fall beispielsweise ein Membrandruckspeicher, in dem das Wasser auch bei wechselndem Füllstand stets unter Druck steht.If the electrochemical stack 1 has been operated for a while, more and more water collects in the gas-water separator 11. As soon as a maximum water level is reached in the gas-water separator 11, the remaining water is drained via a drain line 13 by opening a drain valve 32 into a water tank 20, where it is stored. During operation of the electrochemical stack 1, a relatively high pressure of, for example, 40 bar (4 MPa) prevails in the cathode chamber 4, and accordingly, this pressure also prevails in the gas-water separator 11 and the water tank 20. The water tank 20 is then designed as a pressurized water tank in which the water can be stored for extended periods of time under a flushing pressure that at least essentially corresponds to the pressure in the gas-water separator 11. A diaphragm pressure accumulator, in which the water is always under pressure even when the fill level changes, is useful in this case.

Der Wassertank 20 ist über eine Spülleitung 22 mit dem Einlass 8 des elektrochemischen Stacks 1 verbunden, wobei in der Spülleitung ein Spülventil 33 angeordnet ist, das bei Bedarf geöffnet wird. Auch der weitere Stack 1a kann über die Spülleitung 22 durchspült werden. Gegebenenfalls können weitere Ventile vorgesehen sein, um gezielt nur einen der Stacks 1, 1a oder auch alle Stacks 1, 1a gleichzeitig zu durchspülen.The water tank 20 is connected to the inlet 8 of the electrochemical stack 1 via a flushing line 22, wherein a flushing valve 33 is arranged in the flushing line and is opened as needed. The other stack 1a can also be flushed via the flushing line 22. If necessary, additional valves can be provided to selectively flush only one of the stacks 1, 1a or all stacks 1, 1a simultaneously.

Um den elektrochemischen Stack 1 mit Wasser spülen zu können, muss ein Mindestvolumen im Wassertank 20 beziehungsweise im Gas-Wasser-Separator 1 vorhanden sein. Falls dies nicht der Fall ist, kann zusätzlich deionisiertes Wasser aus einer Wasseraufbereitung zugeführt werden, beispielsweise einer EDI-Vorrichtung (Elektrodeionisation), mit der hochreines Wasser hergestellt werden kann. Die EDI 25 ist über eine Leitung 27, in der eine Pumpe 26 angeordnet ist, mit dem Gas-Wasser-Separator 11 verbunden, so dass deionisiertes Wasser dem Gas-Wasser-Separator 11 zugeführt werden kann. Eine zusätzliche Leitung 29 mit einer weiteren Druckpumpe 28 und einem Absperrventil 30 erlaubt auch die Zuführung von deionisiertem Wasser in den Wassertank 20, so dass im Wassertank 20 und im Gas-Wasser-Separator 11 bei Bedarf die benötigte Wassermenge zugeführt werden kann. Dabei wird der Füllstand 35 im Gas-Wasser-Separator 11 mit einem Füllstandsensor 36 überwacht, um eine bestimmte Wassermenge nicht zu überschreiten oder auch zu unterschreiten. Kommt es zu einem Wasserüberschuss im Gas-Wasser-Separator 11, beispielsweise weil der Wassertank 20 bereits vollständig befüllt ist, so wird dieses über eine Ablassleitung 16 mit einem Ablassventil in 17 abgeleitet. Eine Ablassleitung kann zusätzlich oder alternativ auch im Wassertank 20 vorgesehen sein, um überschüssiges Wasser abzulassen.In order to flush the electrochemical stack 1 with water, a minimum volume must be present in the water tank 20 or in the gas-water separator 1. If this is not the case, additional deionized water can be supplied from a water treatment system, for example, an EDI (electrodeionization) device, which can produce ultrapure water. The EDI 25 is connected to the gas-water separator 11 via a line 27, in which a pump 26 is arranged, so that deionized water can be supplied to the gas-water separator 11. An additional line 29 with another pressure pump 28 and a shut-off valve 30 also allows the supply of deionized water to the water tank 20, so that the required amount of water can be supplied to the water tank 20 and the gas-water separator 11 as needed. The fill level 35 in the gas-water separator 11 is monitored by a fill level sensor 36 to ensure that the water level does not exceed or fall below a certain level. If excess water occurs in the gas-water separator 11, for example, because the water tank 20 is already completely full, it is drained via a drain line 16 with a drain valve 17. A drain line can also be provided additionally or alternatively in the water tank 20 to drain excess water.

Das Elektrolysesystem arbeitet wie folgt: Beim Betrieb des elektrochemischen Stacks 1 entsteht im Kathodenraum 4 Wasserstoffgas. Zusätzlich gelangt Wasser aus dem Anodenraum 3 durch die Membran 5 in den Kathodenraum 4, so dass ein Gemisch aus Wasser und Wasserstoffgas aus dem Kathodenraum 4 über den Auslass 9 und die Leitung 10 in den Gas-Wasser-Separator 11 gelangt. Im Anodenraum 3 entsteht gleichzeitig Sauerstoffgas, das in Wasser gelöst aus dem Anodenraum 3 abgeführt wird und einem weiteren, in der 1 nicht dargestellten Gas-Wasser-Separator zugeführt wird, wo der Sauerstoff vom Wasserstoff getrennt wird. Der Sauerstoff kann einfach in die Atmosphäre abgelassen oder anderweitig verwendet werden, während das Wasser, das im Wesentlichen Umgebungsdruck aufweist, zurück in den Anodenraum 3 gepumpt werden kann. Über die Ablaufleitung 13 wird das im Gas-Wasser-Separator 11 abgeschiedene Wasser weiter in den Wassertank 20 geleitet, indem das Ablassventil 32 geöffnet wird, sobald im Gas-Wasser-Separator 11 ein ausreichender Füllstand vorhanden ist. Dort wird das Wasser für das Spülen des Stacks 1 vorrätig gehalten.The electrolysis system works as follows: During operation of the electrochemical stack 1, hydrogen gas is produced in the cathode compartment 4. In addition, water from the anode compartment 3 passes through the membrane 5 into the cathode compartment 4, so that a mixture of water and hydrogen gas from the cathode compartment 4 passes through the outlet 9 and the line 10 into the gas-water separator 11. At the same time, oxygen gas is produced in the anode compartment 3, which is dissolved in water and discharged from the anode compartment 3 and fed to another 1 is fed to a gas-water separator (not shown), where the oxygen is separated from the hydrogen. The oxygen can simply be vented into the atmosphere or used for other purposes, while the water, which is essentially at ambient pressure, can be pumped back into the anode chamber 3. The water separated in the gas-water separator 11 is then passed via the drain line 13 into the water tank 20 by opening the drain valve 32 as soon as a sufficient fill level is present in the gas-water separator 11. The water is kept in stock there for rinsing the stack 1.

Soll der elektrochemische Stack 1 abgeschaltet werden, so muss das Wasserstoffgas aus dem Kathodenraum 4 sämtlicher elektrochemischer Zellen entfernt werden, damit es im Lauf der Zeit nicht zu einer Vermischung von Wasserstoff und Sauerstoff im Stack 1 oder auch in den Leitungen und Ventilen kommt. Wasserstoff ist sehr diffusiv und kann bei längerer Standzeit durch die semipermeable Membran 5 in den Anodenraum 3 gelangen. Im Wassertank 20 herrscht praktisch derselbe Druck wie im Gas-Wasser-Separator 11 bzw. im Kathodenraum 4, so dass das Wasser nach dem Öffnen des Spülventils 33 über die Spülleitung 22 in den Einlass 8 des Stacks 1 gedrückt wird, wo es den Kathodenraum 4 der elektrochemischen Zelle 2 beziehungsweise sämtlicher elektrochemischen Zellen 2 im elektrochemischen Stack 1 durchströmt. Das Wasser - ggf. gemischt mit Restanteilen Wasserstoffgas - fließt über den Auslass 9 wieder in den Gas-Wasser-Separator 11. Dieser Spülvorgang wird so lange fortgesetzt, bis der Wasserstoff aus dem Kathodenraum 4 entfernt ist. If the electrochemical stack 1 is to be shut down, the hydrogen gas must be removed from the cathode compartment 4 of all electrochemical cells to prevent hydrogen and oxygen from mixing over time in the stack 1 or in the lines and valves. Hydrogen is highly diffusive and, if left idle for a long time, can pass through the semipermeable membrane 5 into the anode compartment 3. The pressure in the water tank 20 is practically the same as in the gas-water separator 11 or in the cathode compartment 4, so that after the purge valve 33 is opened, the water is forced via the purge line 22 into the inlet 8 of the stack 1, where it flows through the cathode compartment 4 of the electrochemical cell 2 or all electrochemical cells 2 in the electrochemical stack 1. The water - possibly mixed with residual hydrogen gas - flows back into the gas-water separator 11 via the outlet 9. This flushing process continues until the hydrogen is removed from the cathode chamber 4.

Dazu kann der Kathodenraum 4 beispielsweise mit einem Wasservolumen durchspült werden, dass zweimal dem Volumen des Kathodenraums 4 entspricht. Gelangt das Wasser, das den Kathodenraum 4 durchspült, über den Gas-Wasser-Separator 11 wieder direkt in den Druckwassertank 20, so kann der Spülvorgang direkt wieder gestartet werden. Sonst wird nach dem Schließen des Spülventils 33 der Wassertank 20 beim Normalbetrieb des Elektrolyseurs aus dem Gas-Wasser-Separator 11 wieder mit Wasser befüllt.For this purpose, the cathode chamber 4 can, for example, be flushed with a volume of water that corresponds to twice the volume of the cathode chamber 4. If the water that flushes the cathode chamber 4 returns directly to the pressurized water tank 20 via the gas-water separator 11, the flushing process can be restarted immediately. Otherwise, after the flushing valve 33 is closed, the water tank 20 is refilled with water from the gas-water separator 11 during normal operation of the electrolyzer.

In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektrolysesystems dargestellt, wobei der wesentliche Unterschied gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 1 in einer Spülpumpe 21 in der Spülleitung 22 und in einer Bypassleitung 18 liegt, mit der der Wassertank 20 umgangen werden kann. Eine Verbindungsleitung 14 analog zu dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist hier nicht gezeigt. Herrscht im Wassertank 20 nicht der hohe Druck des Gas-Wasser-Separators 11, sondern wird das Wasser dort unter einem niedrigeren Druck, insbesondere Umgebungsdruck, gespeichert, so muss das Wasser mit Hilfe einer Spülpumpe 21 verdichtet werden, um den Stack 1 zu spülen. Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel erlaubt auch einen Spülvorgang unter Umgehung des Wassertanks 20, beispielsweise weil dieser bereits gefüllt ist und nur wenig Wasser zum Spülen benötigt wird, das direkt aus dem Gas-Wasser-Separator 11 entnommen werden kann. Dazu ist in der Ablaufleitung 13 ein 3/2-Ablassventil 32' angeordnet, so dass das Wasser aus dem Gas-Wasser-Separator 11 entweder in den Wassertank 20 oder über die Bypassleitung 18 direkt zur Pumpe 21 geleitet werden kann. Die Bypassleitung 18 ermöglicht ein mehrmaliges Spülen des Stacks 1, wenn das Volumen des Wassertanks 20 kleiner ist als die Wassermenge, die zum Spülen genutzt werden soll. In dem Fall wird das Wasser durch den Stack 1 in den Gas-Wasser-Separator 11 geleitet und fließt von dort über die Bypassleitung 18 nochmals in den Stack 1.In 3 A further embodiment of the electrolysis system according to the invention is shown, the essential difference compared to the embodiment according to 1 in a flushing pump 21 in the flushing line 22 and in a bypass line 18, with which the water tank 20 can be bypassed. A connecting line 14 analogous to the embodiment according to 1 is not shown here. If the high pressure of the gas-water separator 11 does not prevail in the water tank 20, but the water is stored there under a lower pressure, in particular ambient pressure, the water must be compressed with the help of a flushing pump 21 in order to flush the stack 1. The embodiment shown here also allows a flushing process bypassing the water tank 20, for example because it is already full and only a small amount of water is required for flushing, which can be taken directly from the gas-water separator 11. For this purpose, a 3/2-way drain valve 32' is arranged in the drain line 13 so that the water from the gas-water separator 11 can be fed either into the water tank 20 or via the bypass line 18 directly to the pump 21. The bypass line 18 enables the stack 1 to be flushed several times if the volume of the water tank 20 is smaller than the amount of water to be used for flushing. In this case, the water is passed through the stack 1 into the gas-water separator 11 and from there flows again into the stack 1 via the bypass line 18.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem jeder Stack 1, 1a über eine separate Spülleitung 22, 22a mit dem Wassertank 20 verbunden ist. In jeder Spülleitung 22, 22a ist - falls notwendig - eine separate Spülpumpe 21a vorhanden, so dass das Wasser aus dem Wassertank 20 zum Spülen mehrerer Stacks 1, 1a verwendet werden kann, wobei hier exemplarisch nur 2 elektrochemische Stacks 1, 1a dargestellt sind. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Stacks in unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben werden und die Spülung beispielsweise nur für einzelne Stacks erfolgen soll. 4 shows a further embodiment in which each stack 1, 1a is connected to the water tank 20 via a separate flushing line 22, 22a. If necessary, a separate flushing pump 21a is present in each flushing line 22, 22a, so that the water from the water tank 20 can be used to flush multiple stacks 1, 1a, although only two electrochemical stacks 1, 1a are shown here as examples. This is particularly advantageous if the stacks are operated at different operating points and flushing is to be performed, for example, only for individual stacks.

5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Elektrolysesystems. Der Gas-Wasser-Separator 11 ist hier über mehrere Ablaufleitungen 13, 13a mit jeweils einem Wassertank 20, 20 a verbunden (hier exemplarisch zwei Wassertanks), die beide mit Wasser befüllt werden können. Ebenso können beide Wassertanks 20, 20a mit deionisiertem Wasser aus dem EDI befüllt werden. Das Wasser aus den beiden Wassertanks 20, 20a wird einem jeweils zugeordneten elektrochemischen Stack 1, 1a zugeführt, wenn ein Spülvorgang beabsichtigt ist. 5 shows another embodiment of the electrolysis system. The gas-water separator 11 is connected via several drain lines 13, 13a to a water tank 20, 20a (here, two water tanks are shown as an example), both of which can be filled with water. Likewise, both water tanks 20, 20a can be filled with deionized water from the EDI. The water from the two water tanks 20, 20a is fed to a respective associated electrochemical stack 1, 1a when a rinsing process is intended.

Alternativ können mehrere Wassertanks 20, 20a zusammen mit einer gemeinsamen Spülleitung 22 verbunden sein, wie in 6 dargestellt. Diese Spülleitung 22 verbindet beide Wassertanks 20, 20a mit den elektrochemischen Stacks 1, 1a, so dass ein kompakterer Aufbau erreicht werden kann. Es ist auch möglich, wie in 7 dargestellt, dass die elektrochemischen Stacks 1, 1a nicht parallel mit Wasser durchspült werden, sondern in Reihe geschaltet sind, so dass das Wasser zuerst den Kathodenraum des ersten elektrochemischen Stacks 1 und anschließend den Kathodenraum des zweiten elektrochemischen Stacks 1a durchströmt. Auch hier ist der Einsatz mehrere Wassertanks 20, 20a möglich, wie in 8 dargestellt.Alternatively, several water tanks 20, 20a may be connected together with a common flushing line 22, as shown in 6 shown. This Flushing line 22 connects both water tanks 20, 20a with the electrochemical stacks 1, 1a, so that a more compact design can be achieved. It is also possible, as in 7 It is shown that the electrochemical stacks 1, 1a are not flushed with water in parallel, but are connected in series, so that the water first flows through the cathode chamber of the first electrochemical stack 1 and then the cathode chamber of the second electrochemical stack 1a. Here, too, the use of several water tanks 20, 20a is possible, as in 8 shown.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10 2021 214 205 A1 [0002]

Claims

Electrolysis system with an electrochemical stack (1) having an inlet (8) through which water can be introduced, and with an outlet (9) through which water or gas can be discharged from the stack (1), wherein the outlet (9) is connected via a line (10) to a gas-water separator (11) in which the gas emerging from the stack (1) is separated from the escaping water, characterized in that the gas-water separator (11) is connected via a drain line (13) to a water tank (20) for storing the separated water, wherein the water tank (20) is connected to the inlet (8) of the stack (1) via a flushing line (22).

Electrolysis system according to Claim 1 , characterized in that a conveying device (21), in particular a pump (21), is arranged in the flushing line (22), which pumps the water under increased pressure into the inlet (8) of the reaction chamber (3; 4).

Electrolysis system according to Claim 1 or 2 , characterized in that the water tank (20) is designed as a pressurized water tank in which the water can be stored under a flushing pressure.

Electrolysis system according to Claim 3 , characterized in that the flushing pressure is greater than 1 bar (0.1 MPa), preferably 10 to 50 bar (1 to 5 MPa).

Electrolysis system according to Claim 3 or 4 , characterized in that the drain line (13) is connected to several water tanks (20; 20a).

Electrolysis system according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that several electrochemical stacks (1; 1a) are present, each of which is connected to a water tank (20; 20a) via a respective flushing line (22; 22a).

Electrolysis system according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the volume of the water tank (20) connected to the stack (1) is greater than or equal to the volume within the stack (1) connected to the inlet (8).

Electrolysis system according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the gas-water separator (11) and/or the water tank (20) has a water connection (23) for supplying water.

Electrolysis system according to one of the Claims 1 until 8 , characterized in that the gas-water separator (11) has a level sensor (36) for monitoring the water level (35).

Electrolysis system according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that the stack (1) has an anode chamber (3) and a cathode chamber (4) which are separated from one another by a semipermeable membrane (5), an anode electrode (6) being arranged on the side of the semipermeable membrane (5) facing the anode chamber (3) and a cathode electrode (7) being arranged on the side facing the cathode chamber (4), and an electrical direct voltage being able to be applied between the anode electrode (6) and the cathode electrode (7).

Electrolysis system according to Claim 10 , characterized in that the inlet (8) and the outlet (9) open into the cathode chamber (4).

Electrolysis system according to Claim 11 , characterized in that during operation of the stack (1) gas and/or water exits the cathode chamber (4) via the outlet (9) and the gas, in particular hydrogen, is separated from the water in the gas-water separator (11).