DE102023211007A1

DE102023211007A1 - Electrolysis system and method for flushing an electrolyzer

Info

Publication number: DE102023211007A1
Application number: DE102023211007.5A
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: WO2025099113A1

Abstract

Elektrolysesystem mit einem Elektrolyseur (1), der einen Einlass (2) aufweist, durch den eine Flüssigkeit eingeleitet werden kann, und einen Auslass (3), durch den Flüssigkeit oder Gas ausgeleitet werden kann, wobei der Auslass (3) über eine Auslassleitung (4) mit einem Gas-Flüssig-Separator (5) verbunden ist, in dem das aus dem Elektrolyseur (1) austretende Gas von der austretenden Flüssigkeit getrennt wird. Der Einlass (2) ist mit einem Drucktank (10) verbindbar, in dem Flüssigkeit unter einem Spüldruck vorgehalten wird.

An electrolysis system comprising an electrolyzer (1) having an inlet (2) through which a liquid can be introduced, and an outlet (3) through which liquid or gas can be discharged. The outlet (3) is connected via an outlet line (4) to a gas-liquid separator (5) in which the gas exiting the electrolyzer (1) is separated from the exiting liquid. The inlet (2) is connectable to a pressure tank (10) in which liquid is stored under a flushing pressure.

Description

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

Stand der TechnikState of the art

Elektrische Energie und lässt sich in Form von Wasserstoff in chemische Energie umwandeln. Dazu wird ein sogenannter Elektrolyseur verwendet, 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. Durch Anlegen der elektrischen Spannung zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode wird das Wasser auf der Anodenseite katalytisch aufgespalten, und H⁺-Ionen diffundieren durch die Membran in den Kathodenraum. Dort rekombinieren die H⁺-Ionen mit den Elektronen in der Kathodenelektrode zu Wasserstoffgas. 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 O^2--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. For this purpose, a so-called electrolyzer is used, which comprises an electrochemical cell in which an anode compartment and a cathode compartment are formed. The anode compartment and the cathode compartment are separated from each other by a semipermeable membrane, with the membrane 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 the electrolysis, the anode compartment and - depending on the type of electrolyzer - also the cathode compartment are filled with water or an electrolytic aqueous solution. By applying the electrical voltage between the anode electrode and the cathode electrode, the water on the anode side is catalytically split, and H ⁺ ions diffuse through the membrane into the cathode compartment. There, the H ⁺ ions recombine with the electrons in the cathode electrode to form hydrogen gas. Electrolyzers with this operating principle are of the so-called PEM type, meaning 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 bzw. die wässrige Lösung, das bzw. die beständig durch den Anodenraum und 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 einem Speicher zugeführt. Auch bei einem Elektrolyseur mit einer trockenen Kathode, bei dem der Kathodenraum nicht mit Wasser durchströmt wird, sammelt sich mit der Zeit durch Drag und Diffusion 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 removed by the water or aqueous solution that is constantly pumped through the anode and cathode chambers and fed to a gas-water separator (GLS). There, the hydrogen or oxygen is separated from the water and the hydrogen is fed to a storage tank for further use. Even in an electrolyzer with a dry cathode, where no water flows through the cathode chamber, water collects over time through drag and diffusion 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 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 alternativ 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 process removes the hydrogen and, if necessary, the oxygen from the cathode or anode compartment, as otherwise there is a risk that the hydrogen 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 as an alternative for inerting or rinsing.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Elektrolysesystem weist den Vorteil auf, dass ein schnelles und zuverlässiges Inertisieren bzw. Spülen des Elektrolyseurs ermöglicht wird, wobei die mechanische Belastung des Elektrolyseurs minimiert wird. Dazu weist das Elektrolysesystem einen Elektrolyseur auf, der einen Einlass aufweist, durch den eine Flüssigkeit eingeleitet werden kann, und einen Auslass, durch den Flüssigkeit und/oder Gas ausgeleitet werden kann, wobei der Auslass über eine Leitung mit einem Gas-Flüssig-Separator verbunden ist, in dem das aus dem Elektrolyseur austretende Gas von der austretenden Flüssigkeit getrennt wird. Der Einlass ist mit einem Drucktank verbindbar, in dem Flüssigkeit unter einem Spüldruck vorgehalten wird.The electrolysis system according to the invention has the advantage of enabling rapid and reliable inerting or flushing of the electrolyzer, while minimizing mechanical stress on the electrolyzer. For this purpose, the electrolysis system comprises an electrolyzer having an inlet through which a liquid can be introduced and an outlet through which liquid and/or gas can be discharged. The outlet is connected via a line to a gas-liquid separator in which the gas exiting the electrolyzer is separated from the escaping liquid. The inlet is connectable to a pressure tank in which liquid is stored under a flushing pressure.

Beim Betrieb des Elektrolyseurs wird in einem Kathodenraum Wasserstoff und in einem Anodenraum Sauerstoff gebildet. Die Gase werden zusammen mit der Flüssigkeit, die Wasser oder eine wässrige Lösung sein kann, permanent abgeführt. Der im Kathodenraum entstehende Wasserstoff liegt dort unter einem erhöhten Druck von beispielsweise 40 bar vor, um die nachgeschaltete Kompressionsarbeit des Wasserstoffs zu reduzieren, die zum Speichern des Wasserstoffs bei einigen hundert bar oder für andere Folgeprozesse notwendig ist. Wird der Elektrolyseur abgeschaltet, so endet die Bildung von Wasserstoff, der Kathodenraum ist aber noch mit Wasserstoffgas befüllt, das insbesondere bei längerer Standzeit in den Anodenraum diffundieren und sich dort mit dem Sauerstoff vermischen kann. Um dies zu verhindern muss der Kathodenraum nach dem Abschalten mit Wasser gespült werden. Dies geschieht durch Wasser, das in einem Drucktank vorgehalten wird und das im Bedarfsfall über eine Verbindungsleitung in den Kathodenraum gedrückt wird, wo das Wasser den Wasserstoff verdrängt. Nach dem Spülen des Kathodenraums kann der Elektrolyseur über längere Zeit im abgeschalteten Zustand verbleiben. Auch zur Entfernung von sonstigen Verunreinigungen kann der Elektrolyseur so gespült werden.During operation of the electrolyzer, hydrogen is produced in a cathode chamber and oxygen in an anode chamber. The gases are continuously removed together with the liquid, which can be water or an aqueous solution. The hydrogen produced in the cathode chamber is present there under an increased pressure of, for example, 40 bar, in order to reduce the downstream compression work of the hydrogen, which is necessary to store the hydrogen at several hundred bar or for other subsequent processes. If the electrolyzer is switched off, the formation of hydrogen ceases, but the cathode chamber is still filled with hydrogen gas, which can diffuse into the anode chamber and mix with the oxygen, especially during longer downtimes. To prevent this, the cathode chamber must be flushed with water after shutdown. This is done using water that is stored in a pressure tank and which is in the If necessary, the water is forced through a connecting line into the cathode chamber, where the water displaces the hydrogen. After flushing the cathode chamber, the electrolyzer can remain switched off for an extended period. The electrolyzer can also be flushed in this way to remove other contaminants.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Volumen des Drucktanks größer oder gleich dem Volumen im Elektrolyseur, in das der Einlass mündet. Dadurch ist stets genug Wasser beziehungsweise Spülflüssigkeit vorhanden, um das Volumen im Elektrolyseur zu spülen und damit Wasserstoff oder sonstigen Verunreinigungen sicher auszutragen.In an advantageous embodiment of the invention, the volume of the pressure tank is greater than or equal to the volume in the electrolyzer into which the inlet opens. This ensures that there is always enough water or flushing fluid available to flush the volume in the electrolyzer and thus safely remove hydrogen or other contaminants.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Drucktank als Membrandruckspeicher ausgebildet. In diesem lässt sich ein hoher Druck auf die Flüssigkeit aufrechterhalten, so dass stets Spülwasser beziehungsweise Spülflüssigkeit unter dem erforderlichen Spüldruck vorhanden ist.In a further advantageous embodiment, the pressure tank is designed as a diaphragm pressure accumulator. This allows a high pressure to be maintained on the fluid, so that flushing water or flushing fluid is always available at the required flushing pressure.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist der Drucktank einen beweglichen Kolben auf, der das mit Flüssigkeit gefüllte Volumen begrenzt und der mit einer Druckkraft beaufschlagt ist. Dadurch wird der Druck im mit Flüssigkeit befüllten Volumen aufrechterhalten, so dass der Elektrolyseur mit konstantem Druck gespült werden kann.In a further advantageous embodiment, the pressure tank has a movable piston that limits the liquid-filled volume and is subjected to a pressure force. This maintains the pressure in the liquid-filled volume, allowing the electrolyzer to be flushed at a constant pressure.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist der Drucktank zwei Teilvolumen auf, die beide von einem beweglichen Kolben begrenzt werden, wobei die beiden Kolben verbunden sind. Dadurch lässt sich das erste Teilvolumen entleeren, während das zweite Teilvolumen wieder mit dem Wasser aus dem Gas-Flüssig-Separator befüllt wird. Diese Auslegung ermöglicht eine längere Spülung, indem das ursprünglich vorgehaltenen Volumen mehrfach durch den Elektrolyseur geleitet wird, bis die Wasserstoffkonzentration im Spülwasser ausreichend gering ist, was auch über ein Sensorsignal geregelt werden kann. Je nach Auslegung und gewünschter Betriebsart kann dieser Speicher direkt an den Gas-Flüssig-Separator angebunden werden oder es ist ein zusätzlicher Druckspeicher zwischengeschaltet für eine bessere Entkopplung von Füllstandsregelung im Gas-Flüssig-Separator und Spülbetrieb.In a further advantageous embodiment, the pressure tank has two partial volumes, both delimited by a movable piston, with the two pistons being connected. This allows the first partial volume to be emptied while the second partial volume is refilled with water from the gas-liquid separator. This design enables longer purging by passing the originally reserved volume through the electrolyzer several times until the hydrogen concentration in the purge water is sufficiently low, which can also be controlled via a sensor signal. Depending on the design and desired operating mode, this storage tank can be connected directly to the gas-liquid separator, or an additional pressure reservoir can be interposed for better decoupling of fill level control in the gas-liquid separator and purge operation.

In weitere vorteilhafte Ausgestaltung weist der Gas-Flüssig-Separator einen Ablauf auf, über den Flüssigkeit über eine Füllleitung in den Drucktank eingeleitet werden kann. Damit kann der Drucktank aus dem Wasser gespeist werden, das im Gas-Flüssig-Separator anfällt. Erforderlichenfalls kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung in der Spülleitung eine Pumpe angeordnet werden, um die Flüssigkeit zu verdichten und einem entsprechenden Druck im Drucktank aufzubauen. Ist der Gas-Flüssig-Separator mit der Kathodenseite des Elektrolyseur verbunden, so herrscht dort bereits ausgehend vom Kathodenraum ein hoher Druck, mit dem auch der Drucktank befüllt werden kann. Eine Pumpe kann in diesem Fall häufig entfallen.In a further advantageous embodiment, the gas-liquid separator has an outlet through which liquid can be introduced into the pressure tank via a filling line. This allows the pressure tank to be fed from the water produced in the gas-liquid separator. If necessary, in a further embodiment of the invention, a pump can be arranged in the flushing line to compress the liquid and build up a corresponding pressure in the pressure tank. If the gas-liquid separator is connected to the cathode side of the electrolyzer, a high pressure already exists there, starting from the cathode chamber, with which the pressure tank can also be filled. In this case, a pump can often be omitted.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die Flüssigkeit Wasser oder eine wässrige Lösung, insbesondere eine elektrolytische Lösung. In der Regel erfolgt das Spülen mit reinem Wasser, gegebenenfalls kann aber auch eine elektrolytische Lösung erforderlich sein, insbesondere, wenn der Anodenraum eines sogenannten AEM-Elektrolyseurs gespült werden soll (anion exchange membrane).In a further advantageous embodiment, the liquid is water or an aqueous solution, in particular an electrolytic solution. Rinsing is usually carried out with pure water, but an electrolytic solution may also be necessary, especially if the anode chamber of a so-called AEM (anion exchange membrane) electrolyzer is to be rinsed.

Das erfindungsgemäßen Verfahren zum Spülen eines Elektrolyseurs kann bei einem Elektrolyseur angewandt werden, der dazu eingerichtet, mit Hilfe von elektrischem Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff elektrolytisch zu spalten. Dazu weist der Elektrolyseur einen Einlass auf, durch den eine Flüssigkeit eingeleitet werden kann, und einen Auslass, durch den Flüssigkeit oder Gas ausgeleitet werden kann. Ein Drucktank ist mit dem Einlass über eine Spülleitung verbunden, wobei im Drucktank eine Flüssigkeit unter einem erhöhten Druck vorgehalten wird und die Spülleitung ein Absperrventil aufweist. Zur Durchführung des Verfahrens wird zuerst der elektrische Strom im Elektrolyseur abgeschaltet. Danach wird das Absperrventil geöffnet, sodass die Flüssigkeit aus dem Drucktank in den Einlass einfließt und über den Auslass ausfließt. Dieses Spülen wird so lange fortgesetzt, bis die Konzentration eines Gases im Elektrolyseur unter eine vorgegebenen Grenzwert sinkt. Dies kann durch Messung der Konzentration erfolgen oder spülen über einen vorher ermittelten Zeitraum. Anschließend wird das Absperrventil wieder geschlossen. Durch dieses Verfahren werden chemische Gase, die im Elektrolyseur vorhanden sind, sicher entfernt, so dass der Elektrolyseur für längere Zeit stillgelegt werden kann, ohne dass es zu unerwünschten chemischen Reaktionen und Vermischungen der dort vorhandenen Gase kommt und der Elektrolyseur sicher wieder angefahren werden kann.The method according to the invention for purging an electrolyzer can be applied to an electrolyzer designed to electrolytically split water into hydrogen and oxygen using electrical current. For this purpose, the electrolyzer has an inlet through which a liquid can be introduced and an outlet through which liquid or gas can be discharged. A pressure tank is connected to the inlet via a purge line, with a liquid being held in the pressure tank at elevated pressure and the purge line having a shut-off valve. To carry out the method, the electrical current in the electrolyzer is first switched off. The shut-off valve is then opened so that the liquid flows from the pressure tank into the inlet and out via the outlet. This purge continues until the concentration of a gas in the electrolyzer falls below a predetermined limit. This can be achieved by measuring the concentration or by purging over a previously determined period of time. The shut-off valve is then closed again. This process safely removes chemical gases present in the electrolyzer, allowing the electrolyzer to be shut down for extended periods without undesirable chemical reactions and mixing of the gases present there, and allowing the electrolyzer to be safely restarted.

Die Spülung erfolgt dabei in vorteilhafter Weise durch Wasser oder mit einer wässrigen Lösung insbesondere einer elektrolytischen Lösung. Vorzugsweisewird dabei ein Kathodenraum des Elektrolyseurs gespült, in dem beim Betrieb Wasserstoffgas entsteht.The flushing is advantageously carried out with water or an aqueous solution, in particular an electrolytic solution. Preferably, a cathode chamber of the electrolyzer, in which hydrogen gas is generated during operation, is flushed.

Zeichnungdrawing

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

1 ein erstes Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung,
2 eine schematische Darstellung eines Elektrolyseurs,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel in gleicher Darstellung wie 1,
4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drucktanks,
5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Drucktanks und
6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Drucktanks.

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

1 a first embodiment in schematic representation,
2 a schematic representation of an electrolyzer,
3 another embodiment in the same representation as 1 ,
4 a first embodiment of a pressure tank,
5 a second embodiment of a pressure tank and
6 a third embodiment of a pressure tank.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Elektrolysesystem schematisch dargestellt, wobei nur die wesentlichen Komponenten gezeigt sind. Das Elektrolysesystem umfasst einen Elektrolyseur 1, der dazu ausgebildet ist, aus Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom Wasserstoff und Sauerstoff durch elektrolytische Spaltung zu gewinnen. Der Elektrolyseur 1 umfasst dabei in der Regel eine Vielzahl elektrolytischer Zellen 101, von denen eine in 2 schematisch dargestellt ist. Es können dabei mehrere hundert solcher Zellen 101 in einem Elektrolyseur 1 verbaut sein, die übereinander gestapelt als Stack angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Wie in 2 dargestellt umfasst eine elektrolytische Zelle 101 einen Anodenraum 25 und einen Kathodenraum 26, die voneinander durch eine semipermeable Membran 27 getrennt sind. Die Membran 27 ist auf der dem Anodenraum 25 zugewandten Seite mit einer Anodenelektrode 28 versehen und auf der dem Kathodenraum 26 zugewandten Seite mit einer Kathodenelektrode 29. Zwischen der Anodenelektrode 28 und der Kathodenelektrode 29 wird beim Betrieb eine elektrische Gleichspannung angelegt. Der Anodenraum 25 wird zum Betrieb des Elektrolyseur 1 mit Wasser oder einer elektrolytischen Lösung befüllt bzw. durchströmt. Durch eine katalytische Beschichtung an der Membran 27 im Bereich der Anodenelektrode 28 wird Wasser katalytisch in H⁺- und O² -Ionen gespalten. Die entstehenden H⁺-Ionen (Protonen) diffundieren wegen der elektrischen Spannung durch die Membran 27 und rekombinieren an der Kathodenelektrode 29 zu Wasserstoffgas, das sich im Kathodenraum 26 sammelt. Elektrolyseure dieses Typs werden als PEM-Elektrolyseure (proton exchange membrane) bezeichnet. Da die H⁺-Ionen beim Durchgang durch die Membran von einer Hydrathülle umgeben sind, gelangt zusammen mit den Wasserstoffionen stets auch Wasser in den Kathodenraum 26 (sogenanntes Drag-Wasser).In 1 An electrolysis system according to the invention is shown schematically, with only the essential components being shown. The electrolysis system comprises an electrolyzer 1, which is designed to produce hydrogen and oxygen from water by electrolytic splitting with the aid of electric current. The electrolyzer 1 generally comprises a plurality of electrolytic cells 101, one of which is arranged in 2 is shown schematically. Several hundred such cells 101 can be installed in an electrolyzer 1, which are arranged one above the other as a stack and are electrically connected in series. As shown in 2 As shown, an electrolytic cell 101 comprises an anode compartment 25 and a cathode compartment 26, which are separated from one another by a semipermeable membrane 27. The membrane 27 is provided with an anode electrode 28 on the side facing the anode compartment 25 and with a cathode electrode 29 on the side facing the cathode compartment 26. During operation, an electrical direct voltage is applied between the anode electrode 28 and the cathode electrode 29. To operate the electrolyzer 1, the anode compartment 25 is filled with water or an electrolytic solution or water flows through it. A catalytic coating on the membrane 27 in the region of the anode electrode 28 catalytically splits water into H ⁺ and ^O2 ions. The resulting H ⁺ ions (protons) diffuse through the membrane 27 due to the electrical voltage and recombine at the cathode electrode 29 to form hydrogen gas, which collects in the cathode compartment 26. Electrolyzers of this type are called PEM (proton exchange membrane) electrolyzers. Since the H ⁺ ions are surrounded by a hydration shell as they pass through the membrane, water (so-called drag water) always enters the cathode compartment 26 along with the hydrogen ions.

Der Kathodenraum 26 weist einen Einlass 2 und einen Auslass 3 auf. Bei dem hier gezeigten Elektrolysesystem wird das Wasserstoffgas und das im Kathodenraum 26 entstehende Wasser über den Auslass 3 abgeführt und gelangt über eine Auslassleitung 4 in einen Gas-Flüssig-Separator 5. Dort wird das Wasser vom Wasserstoff getrennt. Im Gas-Flüssig-Separator 5 sammelt sich das Wasser 7 der Schwerkraft folgend unten und kann über einen Ablauf 9 abgelassen werden, wenn der Füllstand eine definierte Höhe erreicht. Das Wasserstoffgas 6 wird über einen Gasablass 8 ausgeleitet zur Speicherung oder zur weiteren Verwendung. Beim Betrieb des Elektrolyseurs 1 ist der Druck im Kathodenraum 26 deutlich erhöht und beträgt meist zwischen 10 und 70 bar (1 bis 7 MPa), während im Anodenraum 25 nur ein gegenüber dem Umgebungsdruck leicht erhöhter Druck herrscht. Die Druckregelung im Kathodenraum 26 erfolgt beispielsweise über eine Druckregelung am Gasauslass 8 des Gas-Flüssig-Separators 5, wodurch der Gas-Flüssig-Separator 5 und der Kathodenraum 26 auf dem gleichen Druck sind. Bei anderen Ausgestaltung der Druckregelung kann der Druck im Gas-Flüssig-Separator 5 gegenüber dem Druck im Kathodenraum 26 reduziert sein.The cathode chamber 26 has an inlet 2 and an outlet 3. In the electrolysis system shown here, the hydrogen gas and the water produced in the cathode chamber 26 are discharged via outlet 3 and via an outlet line 4 into a gas-liquid separator 5. There, the water is separated from the hydrogen. In the gas-liquid separator 5, the water 7 collects at the bottom due to gravity and can be discharged via an outlet 9 when the fill level reaches a defined height. The hydrogen gas 6 is discharged via a gas outlet 8 for storage or further use. During operation of the electrolyzer 1, the pressure in the cathode chamber 26 is significantly increased and is usually between 10 and 70 bar (1 to 7 MPa), while the pressure in the anode chamber 25 is only slightly higher than the ambient pressure. The pressure in the cathode chamber 26 is controlled, for example, via a pressure control at the gas outlet 8 of the gas-liquid separator 5, whereby the gas-liquid separator 5 and the cathode chamber 26 are at the same pressure. In other pressure control configurations, the pressure in the gas-liquid separator 5 can be reduced compared to the pressure in the cathode chamber 26.

Der Drucktank 10 kann über eine externe Wasserversorgung mit deionisiertem Wasser unter dem gewünschten Spüldruck befüllt werden. Das Wasser kann aber auch aus dem bereits unter Druck stehenden Gas-Flüssig-Separator 5 entnommen werden, wie in einem weiteren Ausführungsbeispiel der 3 dargestellt. Das im Gas-Flüssig-Separator 5 abgetrennte Wasser 7 wird über den Ablauf 9 des Gas-Flüssig-Separators 5 und ein Ventil 17 abgeführt, wobei das Wasser erforderlichenfalls mittels einer Pumpe 16 verdichtet und schließlich dem Drucktank 10 zugeführt wird. Da im Kathodenraum 26 während des Betriebs ein erhöhter Druck von beispielsweise 40 bar herrscht, ist es vorteilhaft, wenn der Kathodenraum 26 auch mit diesem Druck gespült wird, da dies die mechanische Belastung des Elektrolyseurs 1 und insbesondere der Membran 27 reduziert. Ist zu viel Wasser vorhanden, so kann dieses über eine Drainage 18 durch Öffnen eines Ablaufventils 19 abgeführt werden.The pressure tank 10 can be filled with deionized water at the desired rinsing pressure via an external water supply. However, the water can also be taken from the already pressurized gas-liquid separator 5, as in another embodiment of the 3 shown. The water 7 separated in the gas-liquid separator 5 is discharged via the outlet 9 of the gas-liquid separator 5 and a valve 17, with the water being compressed if necessary by means of a pump 16 and finally fed to the pressure tank 10. Since an increased pressure of, for example, 40 bar prevails in the cathode chamber 26 during operation, it is advantageous if the cathode chamber 26 is also flushed with this pressure, as this reduces the mechanical stress on the electrolyzer 1 and in particular on the membrane 27. If too much water is present, it can be discharged via a drainage 18 by opening a drain valve 19.

Soll der Elektrolyseur 1 abgeschaltet werden, verbleibt im Kathodenraum 26 Wasserstoffgas, das sehr diffusiv ist und das aufgrund der Druckdifferenz zwischen Kathodenraum 26 und Anodenraum 25 mit der Zeit durch die Membran 27 in den Anodenraum 25 diffundiert und sich dort mit dem Sauerstoff vermischt, was eine reaktive Gasmischung (Knallgas) bildet. Um dies zu vermeiden wird beim erfindungsgemäßen Elektrolysesystem der Kathodenraum 26 mit Wasser gespült. Dazu ist der Einlass 2 des Kathodenraums 26 mit einem Drucktank 10 verbunden, in dem Wasser unter einem Spüldruck vorgehalten wird, wobei dieser Druck im Wesentlichen dem Druck entspricht, der im Kathodenraum 26 beim normalen Betrieb des Elektrolyseurs 1 herrscht, um die mechanische Belastung des Elektrolyseurs 1 zu minimieren.If the electrolyzer 1 is to be switched off, hydrogen gas remains in the cathode chamber 26. This hydrogen gas is very diffusive and, due to the pressure difference between the cathode chamber 26 and the anode chamber 25, diffuses over time through the membrane 27 into the anode chamber 25 and mixes there with the oxygen, forming a reactive gas mixture (oxyhydrogen gas). To avoid this, the cathode chamber 26 is flushed with water in the electrolysis system according to the invention. For this purpose, the inlet 2 of the cathode chamber 26 is connected to a pressure tank 10 in which water is held at a flushing pressure, this pressure essentially corresponding to the pressure in the cathode chamber 26 during normal operation. normal operation of electrolyzer 1 in order to minimize the mechanical stress on electrolyzer 1.

Zum Spülen des Kathodenraums 26 wird die Stromversorgung zwischen der Anodenelektrode 28 und der Kathodenelektrode 29 unterbrochen, wobei der Kathodenraum 26 mit Wasserstoffgas und einer gewissen Menge Wasser gefüllt ist. Da der Elektrolyseur 1 beziehungsweise die einzelnen elektrolytischen Zellen eine elektrische Kapazität darstellen, endet die Elektrolyse nicht augenblicklich, sondern es wird noch eine gewisse Zeit eine geringe Menge Wasserstoff erzeugt, die sich ebenfalls im Kathodenraum 26 ansammelt, bis der durch die Kathoden- und Anodenelektrode gebildete Kondensator entladen ist. Um den Wasserstoff im Kathodenraum 26 zu entfernen wird das Absperrventil 11 geöffnet, und Wasser strömt aus dem Drucktank 10 in den Kathodenraum 26 und von dort weiter über den Auslass 3 in den Gas-Flüssig-Separator 5. Dieser Spülvorgang wird so lange aufrechterhalten, bis das Wasserstoffgas aus dem Kathodenraum 26 entfernt ist. Anschließend wird das Absperrventil 11 wieder geschlossen. Ist zu viel Wasser vorhanden, so kann dieses über eine Drainage 18 durch Öffnen eines Ablaufventils 19 abgeführt werden.To flush the cathode chamber 26, the power supply between the anode electrode 28 and the cathode electrode 29 is interrupted, filling the cathode chamber 26 with hydrogen gas and a certain amount of water. Since the electrolyzer 1 or the individual electrolytic cells represent an electrical capacitor, the electrolysis does not end immediately; rather, a small amount of hydrogen is generated for a certain time, which also accumulates in the cathode chamber 26 until the capacitor formed by the cathode and anode electrodes is discharged. To remove the hydrogen in the cathode chamber 26, the shut-off valve 11 is opened, and water flows from the pressure tank 10 into the cathode chamber 26 and from there via the outlet 3 into the gas-liquid separator 5. This flushing process is maintained until the hydrogen gas is removed from the cathode chamber 26. The shut-off valve 11 is then closed again. If there is too much water, it can be drained off via a drainage system 18 by opening a drain valve 19.

Der Spülvorgang kann zeitgesteuert erfolgen, das heißt, der Kathodenraum 26 wird für eine vorher bestimmte Zeit gespült. Auch eine Mengensteuerung ist möglich, bei der eine vorher bestimmte Flüssigkeitsmenge durch den Kathodenraum 26 geleitet wird, beispielsweise das gesamte Flüssigkeitsvolumen des Drucktanks 10. Auch eine Regelung über einen Sensor, der die Konzentration des Wasserstoffs in der Flüssigkeit während des Spülvorgangs misst, lässt sich leicht realisieren.The flushing process can be time-controlled, meaning the cathode chamber 26 is flushed for a predetermined period of time. A volume control is also possible, in which a predetermined amount of liquid is passed through the cathode chamber 26, for example, the entire liquid volume of the pressure tank 10. Control via a sensor that measures the concentration of hydrogen in the liquid during the flushing process can also be easily implemented.

Der Drucktank 10 wird nach Beendigung des Spülvorgangs entweder aus dem Gas-Flüssig-Separator 5 oder über eine externe Wasserquelle wieder mit Wasser unter einem Spüldruck befüllt, um ihn für den nächsten Spülvorgang vorzubereiten. Wird nur das Wasser aus dem Gas-Flüssig-Separator 5 verwendet, so wird ein geschlossenes System gebildet, dem kein Spülwasser von außen zusätzlich zugeführt werden muss. Das Volumen des Drucktanks 10 und das zur Verfügung stehende Wasservolumen muss so bemessen sein, dass der Kathodenraum 26 wenigstens einmal vollständig durchspült werden kann. Dabei muss auch das Volumen der Spülleitung 12 und der Auslassleitung 4 mit berücksichtigt werden, da sich auch dort Wasserstoffgas ansammeln kann. Vorteilhafterweise weist dazu der Drucktank 10 ein Wasservolumen auf, das zwei- bis dreimal größer ist als das Volumen des Kathodenraums 26 zuzüglich des Volumens der Spülleitung 12 und der Auslassleitung 4. Da das Wasser im Drucktank 10 unter einem Betriebsdruck steht, kann der Spülvorgang allein durch Öffnen des Absperrventils 11 gestartet werden, ohne dass eine Pumpe oder ein sonstiges strombetriebenes Aggregat notwendig ist. Je nach Druck im Elektrolyseur 1 muss zusätzlich zum Ventil 11 noch ein Rückschlagventil eingebracht werden, um einen Rückfluss zum Drucktank 10 zu verhindern.After the purging process is complete, the pressure tank 10 is refilled with water at a purging pressure, either from the gas-liquid separator 5 or from an external water source, to prepare it for the next purging process. If only the water from the gas-liquid separator 5 is used, a closed system is created to which no additional purging water needs to be supplied from the outside. The volume of the pressure tank 10 and the available water volume must be dimensioned such that the cathode chamber 26 can be completely purged at least once. The volume of the purging line 12 and the outlet line 4 must also be taken into account, since hydrogen gas can also accumulate there. Advantageously, the pressure tank 10 has a water volume that is two to three times larger than the volume of the cathode chamber 26 plus the volume of the flushing line 12 and the outlet line 4. Since the water in the pressure tank 10 is under operating pressure, the flushing process can be started simply by opening the shut-off valve 11, without the need for a pump or other electrically powered unit. Depending on the pressure in the electrolyzer 1, a check valve must be installed in addition to the valve 11 to prevent backflow to the pressure tank 10.

Damit das Wasser im Drucktank 10 während des gesamten Spülvorgangs einen erhöhten Druck aufweist, muss der Drucktank 10 dazu ausgebildet sein, den Druck auch während der Entleerung aufrecht zu erhalten. Ein solcher Drucktank 10 ist in 4 schematisch dargestellt. Der Drucktank 10 weist ein Wasservolumen V₁ auf, das entweder über den Gas-Flüssig-Separator 5 befüllt wird - wie in 3 gezeigt - oder über eine externe Wasserversorgung, die hochreines Wasser zur Verfügung stellt. Das Wasservolumen V₁ wird durch einen beweglichen Kolben 20 begrenzt, der über eine Stange 21 mit einer Kraft in Richtung des Wasservolumens V₁ beaufschlagt ist. Durch diese Kraft ergibt sich ein weitgehend konstanter Druck im Wasservolumen V₁, so dass der Kathodenraum mit einem konstanten Wasserstrom unter einem Druck, der weitgehend dem im Normalbetrieb im Kathodenraum 26 herrscht, gespült wird. Da der Kolben 20 bei der Entleerung des Volumens V₁ nachrückt, bleibt der Druck erhalten.In order for the water in the pressure tank 10 to have an increased pressure throughout the entire flushing process, the pressure tank 10 must be designed to maintain the pressure even during emptying. Such a pressure tank 10 is 4 shown schematically. The pressure tank 10 has a water volume V ₁ , which is filled either via the gas-liquid separator 5 - as in 3 shown - or via an external water supply that provides ultrapure water. The water volume V ₁ is limited by a movable piston 20, which is acted upon by a force in the direction of the water volume V ₁ via a rod 21. This force results in a largely constant pressure in the water volume V ₁ , so that the cathode chamber is flushed with a constant water flow at a pressure that is largely the same as that prevailing in the cathode chamber 26 during normal operation. Since the piston 20 moves forward when the volume V ₁ is emptied, the pressure is maintained.

In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drucktanks 10 dargestellt. Der Drucktank 10 ist hier als Membrandruckspeicher ausgebildet, bei dem das Wasservolumen V₁ von einem Druckgasvolumen V_D durch eine flexible Membran 22 getrennt ist. Das Druckgasvolumen V_D wird unter Druck gesetzt und komprimiert dadurch das Wasservolumen V₁. Entleert sich das Wasservolumen V₁, so sinkt der Druck im Druckgasvolumen V_D zwar etwas ab, jedoch lässt sich weiter ein ausreichender Spüldruck aufrechterhalten.In 5 1 shows a further embodiment of a pressure tank 10. The pressure tank 10 is designed here as a diaphragm pressure accumulator, in which the water volume V ₁ is separated from a compressed gas volume V _D by a flexible diaphragm 22. The compressed gas volume V _D is pressurized and thereby compresses the water volume V ₁ . If the water volume V ₁ is emptied, the pressure in the compressed gas volume V _D drops slightly, but a sufficient flushing pressure can still be maintained.

In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drucktanks 10 dargestellt. Der Drucktank 10 weist hier zwei Wasservolumen V₁ und V₂ auf, die jeweils durch einen Kolben 20a beziehungsweise 20b begrenzt sind. Die beiden Kolben 20a, 20b sind durch eine Stange 21 verbunden. Bewegen sich die beiden Kolben 20a, 20b beispielsweise in Richtung des Wasservolumens V₁, so entleert sich das Volumen V₁, während sich gleichzeitig das Volumen V₂ wieder mit Wasser befüllen kann. Diese Anwendung hat den Vorteil, dass konstant Wasser in den Gas-Flüssig-Separator nachgeführt und gleichzeitig der Elektrolyseur 1 gespült werden kann. Je nach Auslegung und gewünschter Betriebsart kann dieser Speicher mit zwei Volumen V₁, V₂ direkt an den Gas-Flüssig-Separator 5 angebunden werden oder es kann ein zusätzlicher Druckspeicher zwischengeschaltet werden für eine bessere Entkopplung der Füllstandsregelung im Gas-Flüssig-Separator 5 einerseits und des Spülbetriebs andererseits.In 6 A further embodiment of a pressure tank 10 is shown. The pressure tank 10 here has two water volumes V ₁ and V ₂ , which are each limited by a piston 20a and 20b respectively. The two pistons 20a, 20b are connected by a rod 21. If the two pistons 20a, 20b move, for example, in the direction of the water volume V ₁ , the volume V ₁ is emptied, while at the same time the volume V ₂ can be refilled with water. This application has the advantage that water can be constantly fed into the gas-liquid separator and, at the same time, the electrolyzer 1 can be flushed. Depending on the design and the desired operating mode, this storage with two volumes V ₁ , V ₂ can be connected directly to the gas-liquid separator 5 or an additional pressure reservoir can be interposed for better decoupling of the Level control in the gas-liquid separator 5 on the one hand and the purging operation on the other.

Das hier am Beispiel des Kathodenraums 26 gezeigte Elektrolysesystem zum Spülen des Kathodenraums 26 kann analog auch zum Spülen des Anodenraums 25 verwendet werden. Dazu kann entweder ein weiterer Drucktank 10 vorgesehen sein oder derselbe Drucktank 10 kann sowohl mit dem Anodenraum 25 als auch mit dem Kathodenraum 26 verbunden werden. Das Spülen des Anodenraums 25 erfolgt dann vorzugsweise bei einem niedrigen Druck, der nur unwesentlich über dem Umgebungsdruck liegt, was dem Betriebsdruck im Anodenraum 25 entspricht. Statt des Spülens mit reinem Wasser kann auch eine wässrige Lösung, beispielsweise eine elektrolytische Lösung, zum Spülen des Anodenraums 25 oder auch des Kathodenraums 26 im Drucktank 10 vorgehalten werden, je nach Typ des Elektrolyseurs.The electrolysis system shown here using the example of the cathode chamber 26 for flushing the cathode chamber 26 can also be used analogously for flushing the anode chamber 25. For this purpose, either an additional pressure tank 10 can be provided, or the same pressure tank 10 can be connected to both the anode chamber 25 and the cathode chamber 26. The anode chamber 25 is then preferably flushed at a low pressure that is only slightly above the ambient pressure, which corresponds to the operating pressure in the anode chamber 25. Instead of flushing with pure water, an aqueous solution, for example an electrolytic solution, can also be kept in the pressure tank 10 for flushing the anode chamber 25 or the cathode chamber 26, depending on the type of electrolyzer.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10 2021 214 205 A1 [0002]

Claims

Electrolysis system with an electrolyzer (1) which has an inlet (2) through which a liquid can be introduced, and an outlet (3) through which liquid and/or gas can be discharged, wherein the outlet (3) is connected via an outlet line (4) to a gas-liquid separator (5) in which the gas emerging from the electrolyzer (1) is separated from the emerging liquid, characterized in that the inlet (2) can be connected to a pressure tank (10) in which liquid is held under a flushing pressure.

Electrolysis system according to Claim 1 , characterized in that the volume of the pressure tank (10) is greater than or equal to the volume in the electrolyzer (1) into which the inlet (2) opens.

Electrolysis system according to Claim 1 or 2 , characterized in that the pressure tank (10) is designed as a diaphragm pressure accumulator.

Electrolysis system according to Claim 1 or 2 , characterized in that the pressure tank (10) has a movable piston (20) which limits the volume (V ₁ ) filled with liquid and which is subjected to a compressive force.

Electrolysis system according to Claim 1 , characterized in that the pressure tank (10) has two partial volumes (V ₁ ; V ₂ ), both of which are delimited by a movable piston (20a; 20b), the two pistons (20a; 20b) being connected and moving synchronously.

Electrolysis system according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the gas-liquid separator (5) has an outlet (9) via which liquid can be fed into the pressure tank (10) via a filling line (15).

Electrolysis system according to Claim 6 , characterized in that a pump (16) is arranged in the filling line (15), which compresses the liquid so that an increased pressure prevails in the pressure tank (10).

Electrolysis system according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the liquid is water or an aqueous solution, in particular an electrolytic solution.

Electrolysis system according to one of the Claims 1 until 8 , characterized in that the inlet (2) and the outlet (3) open into an anode chamber (25) or a cathode chamber (26) of the electrolyzer (1).

Method for flushing an electrolyzer (1), which has an inlet (2) through which a liquid can be introduced, and an outlet (3) through which liquid and/or gas can be discharged, and the electrolyzer (1) is designed to electrolytically split water into hydrogen and oxygen with the aid of electric current, and with a pressure tank (10) which is connected to the inlet (2) via a flushing line (12) and in which liquid is held under a flushing pressure, wherein a shut-off valve (11) is arranged in the flushing line (12), characterized by - switching off the electric current in the electrolyzer (1), - opening the shut-off valve (11) so that the liquid from the pressure tank (10) flows into the inlet (2) of the electrolyzer (1) and flows out via the outlet (3), - flushing the electrolyzer (1) until the concentration of a gas in the flushed region of the electrolyzer (1) falls below a specified limit, - closing the shut-off valve (11).

Procedure according to Claim 10 , characterized in that the flushing of the electrolyzer (1) is time-controlled, quantity-controlled or dependent on a measured gas concentration in the liquid.

Procedure according to Claim 10 or 11 , characterized in that the liquid is water or an aqueous solution, in particular an electrolytic solution.

Procedure according to Claim 10 , 11 or 12 , characterized in that the inlet (2) opens into a cathode chamber (25) of the electrolyzer (1), in which hydrogen gas is formed during operation of the electrolyzer (1).