AT527401A4

AT527401A4 - Elektrolysevorrichtung

Info

Publication number: AT527401A4
Application number: ATA50788/2023A
Authority: AT
Inventors: Pandya Bhargav Phd; Neubauer Dr Raphael
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2023-09-28
Filing date: 2023-09-28
Publication date: 2025-02-15
Also published as: AT527401B1; WO2025065042A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrolysevorrichtung (10) für die Erzeugung eines Brennstoffes (B) in Elektrolysezellen wenigstens eines Elektrolysestapels (100), aufweisend einen Luftzuführabschnitt (122) zur Zufuhr von Zuluft (ZL) zu einer Luftseite (120) des Elektrolysestapels (100) und einen Luftabführabschnitt (124) zur Abfuhr von Abluft (AL) von der Luftseite (120) des Elektrolysestapels (100), weiter aufweisend einen Wasserzuführabschnitt (132) zur Zufuhr von Wasser (W) zu einer Brennstoffseite (130) des Elektrolysestapels (100) und einen Brennstoffabführabschnitt (134) zur Abfuhr von Brennstoff (B) aus der Brennstoffseite (130) des Elektrolysestapels (100), wobei in dem Wasserzuführabschnitt (132) wenigstens eine Aufheizvorrichtung (20) angeordnet ist für ein Aufheizen eines in darin geführten Aufheizgases (AG) während eines Aufheizvorgangs, wobei weiter ein Aufheizzuführabschnitt (140) stromaufwärts der Aufheizvorrichtung (20) fluidkommunizierend mit dem Wasserzuführabschnitt (132) verbunden ist für ein Zuführen des Aufheizgases (AG) über den Wasserzuführabschnitt (132) zu dem Elektrolysestapel (100).

Description

Elektrolysevorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung für die Erzeugung eines Brennstoffs, ein Kontrollverfahren für eine Durchführung eines Aufheizvorgangs bei einer Elektrolysevorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Kontrollverfahrens.

Es ist bekannt, dass Elektrolysevorrichtungen eingesetzt werden, um Brennstoff in gasförmiger Weise zu erzeugen. Elektrolysevorrichtungen sind dabei üblicherweise mit einer Vielzahl von Elektrolysezellen ausgestattet, welche in Elektrolysestapeln angeordnet sind. Je nach Größe und Leistungsfähigkeit der Elektrolysevorrichtung sind auch zwei oder mehr solcher Elektrolysestapel vorgesehen. In jeder Elektrolysezelle findet unter Einsatz von elektrischem Strom eine Umsetzung der Eingangsedukte in Produkte statt. Diese Umsetzung beinhaltet insbesondere die Produktion von Brennstoff, in den meisten Fällen Wasserstoff. Um Wasserstoff herzustellen, ist als eines der Edukte Wasser notwendig, welches üblicherweise dampfförmig zur Verfügung gestellt wird. Darüber hinaus wird Zuluft aus der Umgebung angesaugt, um die gewünschten chemischen Reaktionen innerhalb der jeweiligen Elektrolysezelle durchzuführen. Solche Elektrolysevorrichtungen werden zum Beispiel bei der Erzeugung von sogenanntem grünem Wasserstoff auch als Power-toGas-Anlagen bezeichnet.

Ein großer Nachteil der bekannten Elektrolysevorrichtungen liegt darin, dass sie im Startvorgang relativ aufwendig betrieben werden müssen. Der Startvorgang beinhaltet insbesondere eine Aufheizphase, welche notwendig ist, um die einzelnen Komponenten der Elektrolysevorrichtung auf die gewünschte Betriebstemperatur zu bringen. Dabei sind insbesondere zwei Grenztemperaturen relevant. Die erste notwendige Temperatur ist die Kondensationstemperatur von Wasser. Da üblicherweise Wasser dampfförmig in die Elektrolysezellen eingebracht werden soll, ist es notwendig sicherzustellen, dass das dampfförmige Wasser in der Elektrolysevorrichtung nicht in unerwünschter Weise wieder kondensiert. Das dampfförmige Wasser soll damit erst eingebracht werden, wenn die Gesamttemperatur der einzelnen Komponenten der Elektrolysevorrichtung die Kondensationstemperatur von Wasser entsprechend übersteigt. Dadurch, dass die durchgeführten chemischen Reaktionen in den ElektroIysestapeln endotherme Reaktionen sind, ist darüber hinaus eine erhöhte Temperatur für den Ausgleich des Wärmeverlustes durch die endotherme Ausgestaltung der

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise den Aufheizvorgang einer ElektroIysevorrichtung zu verbessern.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Elektrolysevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Kontrollverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren sowie dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß dient eine Elektrolysevorrichtung der Erzeugung eines Brennstoffs in Elektrolysezellen wenigstens eines Elektrolysestapels. Dieser Elektrolysestapel weist eine Luftseite und eine Brennstoffseite auf, wobei die Elektrolysevorrichtung mit einem Luftzuführabschnitt zur Zufuhr von Zuluft zur Luftseite des Elektrolysestapels ausgestaltet ist. Weiter ist ein Luftabführabschnitt zur Abfuhr von Abluft von der Luftseite des Elektrolysestapels vorgesehen. Mit Hilfe eines Wasserzuführabschnitts ist

Der erfindungsgemäße Kerngedanke liegt nun darin, dass das Aufheizen des Aufheizgases innerhalb der Elektrolysevorrichtung stattfindet. Die Aufheizvorrichtung kann dabei insbesondere eine für diesen Aufheizvorgang spezifische Aufheizvorrichtung sein. Jedoch sind grundsätzlich auch andere Aufheizvorrichtungen denkbar, welche einen zusätzlichen Einsatzzweck im regulären Betrieb der Elektrolysevorrichtung erfüllen. Auch ist es in einem ersten Schritt unerheblich, welches Aufheizgas verwendet wird. Wie später noch erläutert wird, können ebenfalls externe Schutzgase, wie das bereits genannte ARCAL, als Aufheizgas verwendet werden. Zu bestimmten Aufheizzeitpunkten können jedoch auch das dampfförmige Wasser und/oder sogar der Brennstoff selbst zumindest anteilsweise als Aufheizgas eingesetzt werden. Auch ist es unerheblich, ob dieses Aufheizgas vollständig, teilweise oder überhaupt nicht von einer externen Quelle zugeführt wird.

Die erfindungsgemäßen Vorteile werden insbesondere dahingehend erzielt, dass nun mit oder ohne externe Aufheizgase ein Aufheizvorgang durchgeführt werden kann. Ein entscheidender Vorteil, insbesondere beim Verwenden eines externen Aufheizgases, ist es darüber hinaus, dass nun eine in die Elektrolysevorrichtung integrierte Aufheizfunktion gegeben ist. Dies führt dazu, dass keine externe Kontrollmöglichkeit und auch keine externe Aufheiznotwendigkeit für das Aufheizgas mehr vorgesehen werden muss. Die Komplexität der Peripherie der Elektrolysevorrichtung wird damit deutlich reduziert. Wird ein externes Aufheizgas verwendet, reicht eine kalte Quelle an Aufheizgas aus. Auch ist eine erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung, wie später noch erläutert, sogar ohne externe Quellen und damit rein internes Aufheizgas betreibbar, was wiederum nur durch die in die Elektrolysevorrichtung integrierte Aufheizvorrichtung überhaupt erst möglich wird.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung der Aufheizzuführabschnitt einen Aufheizgas-Eingang aufweist für einen Anschluss an eine Aufheizgas-Quelle. Hierbei handelt es sich um eine Lösung mit extern zugeführtem Aufheizgas. Dabei kann es sich zum Beispiel um ein Schutzgas, insbesondere um das bereits erwähnte ARCAL oder ein ähnliches Produkt handeln. Das Aufheizgas wird also insbesondere von einer kalten Aufheizgas-Quelle zugeführt und kann über den Aufheizgas-Eingang in den Aufheizzuführabschnitt eingebracht werden. Das hier kalt zugeführte Aufheizgas wird nun integriert in der Elektrolysevorrichtung über den Aufheizzuführabschnitt in den Wasserzuführabschnitt eingebracht und wird dort mittels der Aufheizvorrichtung auf die gewünschte Aufheiztemperatur gebracht. Das Aufheizgas dient hier also als Wärmeträgermedium, welches in der Aufheizvorrichtung die Wärme aufnimmt und anschließend in den stromabwärts dieser Aufheizvorrichtung gelagerten Komponenten der Elektrolysevorrichtung diese Wärme wieder an die einzelnen Komponenten abgibt. Je nach Temperaturdifferenz und Leistungsfähigkeit der Aufheizvorrichtung kann auf diese Weise zügig und mit hoher Effizienz durch die integrale Heizmöglichkeit ein Aufheizen der relevanten Komponenten der Elektrolysevorrichtung stattfinden. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass als externe Aufheizgas-Quelle neben der Verwendung eines Schutzgases auch ein Einsatz eines Brennstoffes, beispielsweise Wasserstoff, als Aufheizgas möglich ist. Auch ein Vermischen von mehreren Aufheizgas-Quellen, beispielsweise von einer ARCAL-Quelle und einer Wasserstoffquelle ist im Rahmen dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung grundsätzlich denkbar.

Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen ElektroIysevorrichtung der Aufheizzuführabschnitt über einen Rezirkulationsabschnitt fluidkommunizierend mit dem Brennstoffabführabschnitt verbunden ist für ein Einbringen von Brennstoff, zumindest als Bestandteil des Aufheizgases. Wie bereits erläutert worden ist, kann je nach Situation und Aufheizteilpbhase während des Aufheizbetriebes auch der Brennstoff selbst als Aufheizgas eingesetzt werden. Dabei kann das

Es kann weitere Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung der Brennstoffabführabschnitt einen Brennstoffkompressor aufweist für eine Kompression des Brennstoffs, wobei der Rezirkulationsabschnitt stromabwärts des Brennstoffkompressors von dem Brennstoffabführabschnitt abzweigt. Ein Verwenden eines Brennstoffkompressors führt dazu, dass am Ausgang des Brennstoffabführabschnittes der Elektrolysevorrichtung ein Brennstoff in komprimierter und damit unter hohem Druck stehender Form vorliegt. Dabei kann zum Beispiel ein Brennstoffdruck von über 8 bar vorgesehen sein, sodass die Elektrolysevorrichtung direkt an entsprechende externe Brennstoffnetzwerke angeschlossen werden kann. So können nachfolgende große Speichervorrichtungen, aber auch Brennstoffnetzwerke angeschlossen werden, welche durch die Elektrolysevorrichtung in direkter oder indirekter Weise mit dem produzierten Brennstoff versorgt werden. Der Brennstoffkompressor stellt damit die Druckschnittstelle zu solchen externen Anschlüssen dar. Dadurch, dass nun stromabwärts eines solchen Brennstoffkompressors die fluidkommunizierende Verbindung mit dem Rezirkulationsabschnitt angeordnet ist, kann dieser erhöhte Druck zusätzlich auch zur Förderung in den Rezirkulationsabschnitt hinein für diesen rezirkulierten Brennstoff verwendet werden. Mit anderen Worten wird es möglich, auf separate Fördervorrichtungen, insbesondere die später noch erläuterte Gebläsevorrichtung, zu verzichten, und damit für den Brennstoffkompressor sozusagen als Sekundärfunktion auch eine Rezirkulationsförderung zu ermöglichen. Damit wird auf eine weitere Komponentenform des Rezirkulationsgebläses verzichtet und die Kompaktheit sowie die Kosten der Elektrolysevorrichtung verbessert. Grundsätzlich kann es auch vorteilhaft sein, wenn der Brennstoffkompressor außerhalb der Elektrolysevorrichtung selbst angeordnet ist.

Ebenfalls bringt es Vorteile mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung der Brennstoffabführabschnitt über einen Aufheizabführabschnitt mit einem Aufheizausgang fluidkommunizierend verbunden ist für eine Abfuhr wenigstens eines Teils des Aufheizgases. Insbesondere dann, wenn extern zugeführtes Aufheizgas verwendet wird, vorzugsweise insbesondere wann, wenn es sich um Schutzgas, beispielsweise das genannte ARCAL handelt, ist die Abfuhr dieses nicht reaktiven Gases von Vorteil. Um zu vermeiden, dass für einen Teil des Betriebs nach der Aufheizphase der erzeugte Brennstoff noch mit dem externen Aufheizgas sozusagen verschmutzt ist, kann das eingebrachte externe Aufheizgas durch einen solchen Aufheizabführabschnitt wieder aus dem System der Elektrolysevorrichtung herausgefördert werden. Dies kann auch als Spülen bezeichnet werden, um sicherzustellen, dass nach dem Beenden der Aufheizphase ein möglichst schnelles Erreichen eines stationären Betriebs mit der gewünschten Qualität des Brennstoffs möglich wird. Vorzugsweise handelt es sich hier um eine gemeinsame Abzweigung im Gebläseabschnitt, wie er voranstehend erläutert worden ist. Auch ist ein solcher Aufheizabführabschnitt zum Beispiel stromaufwärts des Brennstoffkompressors vorgesehen, um auf der Niederdruckseite die Trennung und damit das Abführen des Aufheizgases am Ende des Aufheizprozesses durchzuführen.

Weiter von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung die Aufheizvorrichtung eine elektrische Heizvorrichtung aufweist. Eine

Weitere Vorteile sind ebenfalls erzielbar, wenn bei einer erfindungsgemäßen ElektroIysevorrichtung die Aufheizvorrichtung eine Brennervorrichtung aufweist, welche über einen Brenner-Wärmetauscher wärmeübertragend mit dem Wasserzuführabschnitt verbunden ist, wobei die Brennervorrichtung über einen Brennerzuführabschnitt mit einem Brennstoff-Eingang und/oder dem Brennstoffabführabschnitt fluidkommunizierend verbunden ist. Zusätzlich oder alternativ zu der elektrischen Heizmöglichkeit kann hier auch eine Brennerheizmöglichkeit vorgesehen werden. Dabei kann eine solche Brennervorrichtung ein Verbrennen des in der Elektrolysevorrichtung selbst produzierten Brennstoffs durchführen. Dieser Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, kann sowohl von einer externen Quelle über den Brennstoff-Eingang, aber auch in Form des selbst produzierenden Brennstoffs, aus dem Brennstoffabführabschnitt, zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere korreliert dies mit einem in die Elektrolysevorrichtung integrierten Puffertank, sodass aus einem vorherigen Produktionsbetrieb noch vorhandener und gespeicherter Brennstoff für den Brenner zur Verfügung gestellt werden kann. Dieser verbrannte Brennstoff wird nun nicht direkt als Wärmemedium in die Elektrolysestapel eingebracht, sondern vielmehr über einen wärmeübertragenden Kontakt als Wärmequelle für das Wärmetransportmedium in Form des Aufheizgases verwendet. Selbstverständlich kann auch bei dieser Ausgestaltungsform neben Wasserdampf und dem Schutzgas auch unverbrannter Wasserstoff separat von der Brennervorrichtung einen Bestandteil des Aufheizgases ausbilden.

Ebenfalls von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung der Brennstoffabführabschnitt, insbesondere stromabwärts eines Brennstoffkompressors, einen Brennstoff-Pufferspeicher aufweist. Wie bereits mehr-

Vorteile kann es darüber hinaus mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung der Brennstoffabführabschnitt einen Wasserabscheider aufweist für ein Abscheiden von Wasser aus dem Brennstoff. Je nach tatsächlichem Nutzungswunsch des Brennstoffes sind gewisse Qualitätsanforderungen hinsichtlich der Reinheit des Brennstoffs notwendig. Im Elektrolysestapel wird der Brennstoff als Gasgemisch erzeugt, welcher insbesondere einen signifikanten Restanteil an Wasserdampf aufweist. Je nach den stöchiometrischen Verhältnissen in der Zufuhr und nach der aktuellen elektrischen Betriebssituation der einzelnen Elektrolysezellen kann der Anteil an verbleibendem Restwasser in Form von Wasserdampf schwanken. Ein solcher Wasserabscheider dient nun dazu, dieses Restwasser abzuscheiden und entsprechend einen hohen Konzentrationsanteil von reinem Wasserstoff als Brennstoff in dem Restgas zur Verfügung zu stellen. So kann es möglich sein, dass der Wasserabscheider, insbesondere mit Hilfe einer Kühlvorrichtung als Kondensator, das verbleibende Wasser in Form von Wasserdampf durch ein Auskondensieren abscheidet. Bereits flüssiges Restwasser oder verflüssigtes Kondensat, nach einer solchen Kühlung, kann durch einen entsprechenden Wasserabscheider als Flüssigabscheider ebenfalls aus dem Brennstoff abgeschieden werden.

Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung der Brennstoffabführabschnitt über einen Ejektorabschnitt mit einem darin angeordneten Ejektor direkt mit dem Wasserzuführabschnitt fluidkommunizierend verbunden ist. Eine solche direkte Rezirkulation ist insbesondere für den späteren regulären Betrieb von Vorteil, wenn beispielsweise eine direkte Rezirkulation von erzeugtem Brennstoff teilweise gewünscht ist. Nicht zuletzt kann hier auch eine direkte Wärmerückgewinnung zur Verfügung gestellt werden, sodass ohne bewegte Teile über den Ejektor ein Ansaugen von heißem Brennstoff als Teil des Aufheizgases, aber auch eines komplexer ausgebildeten Aufheizgases über diesen Ejektorabschnitt direkt möglich ist. Beispielsweise ist auch der Ejektorabschnitt, wie insbesondere alle

anderen Abschnitte, mit entsprechenden Kontrollventilen ausgestattet, um je nach

tatsächlichem Betriebszustand und insbesondere je nach tatsächlichen Temperatu-

ren der einzelnen Komponenten und der einzelnen Gasströme flexibel und spezifisch

den Aufheizvorgang kontrollieren zu können.

Ein weiterer Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung im Luftzuführabschnitt ein erster Luftwärmetauscher und ein zweiter Luftwärmetauscher seriell nacheinander mit ihrer kalten Seite angeordnet sind, welche auf ihrer heißen Seite, insbesondere fluidkommunizierend mit dem Luftabführabschnitt verbunden sind. Mit anderen Worten wird es hier möglich sowohl im Aufheizvorgang als auch während dem regulären Betrieb Vorteile zu erzielen. Im Aufheizvorgang wird auf der Luftseite der Elektrolysevorrichtung eine Restwärme in der Abluft vorhanden sein. Diese Restwärme kann verwendet werden, um die für den Aufheizvorgang ebenfalls zugeführte Zuluft vorzuheizen und auf diese Weise eine Erhöhung der Temperatureffizienz und damit eine Beschleunigung der Aufheizphase zu gewährleisten. Während des regulären Produktionsbetriebs der Elektrolysevorrichtung wird durch die endotherme Ausgestaltung der Reaktion in dem Elektrolysestapel ein konstanter Wärmeabfluss bestehen. Durch die Rückführung der Restwärme aus der Abluft kann die benötigte Zusatzwärme zum Ausgleich des endothermen Energieverlustes entsprechend reduziert werden, sodass auch für den Produktionsbetrieb eine Temperatureffizienzsteigerung erreicht werden kann. Insbesondere wird durch die serielle Anordnung des ersten und zweiten Luftwärmetauschers die Resttemperatur der Abluft auf unter 60 Grad Celsius gesenkt.

Darüber hinaus kann es ein Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen ElektroIysevorrichtung im Wasserzuführabschnitt ein Fremdwärme-Wärmetauscher mit seiner kalten Seite angeordnet ist, dessen heiße Seite fluidkommunizierend mit einem Fremdwärme-Eingang und einem Fremdwärme-Ausgang ausgestattet ist. Ein solcher Fremdwärmeanschluss kann zum Beispiel dann sinnvoll sein, wenn in einer benachbarten Anlage zur Elektrolysevorrichtung Abwärme zur Nutzung zur Verfügung steht. Das Anschließen eines solchen Fremdwärme-Wärmetauschers kann entsprechend externe Fremdwärme dem System der Elektrolysevorrichtung zuführen und somit sowohl während des Aufheizvorgans als auch während des regulären Produktionsbetriebs zum Ausgleich der endothermen Wärmeverluste der Reaktion in den Elektrolysestapeln, die Temperatureffizienz noch weiter verbessern.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kontrollverfahren für ein

Durchführen eines Aufheizvorgangs einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrich-

tung, aufweisend die folgenden Schritte:

- Einbringen eines Aufheizgases über den Aufheizzuführabschnitt in den Wasserzuführabschnitt,

- Aufheizen des Aufheizgases mittels der Aufheizvorrichtung, - Führen des aufgeheizten Aufheizgases in dem Elektrolysestapel,

- Abführen des Aufheizgases aus dem Elektrolysestapel wenigstens abschnittsweise über den Brennstoffabführabschnitt,

- Erfassen eines Überschreitens der Kondensationstemperatur von Wasser im Wasserzuführabschnitt,

- Einbringen und Verdampfen von Wasser in den Wasserzuführabschnitt, - Vermischen des verdampften Wassers mit dem Aufheizgas,

- Führen der Mischung aus verdampftem Wasser und Aufheizgas in einem Elektrolysestapel,

- Abführen des verdampften Wassers und des Aufheizgases aus dem Elektrolysestapel wenigstens abschnittsweise über den Brennstoffabführabschnitt,

- Erfassen eines Überschreitens einer Betriebstemperatur des Elektrolysestapels.

Ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung erläutert worden sind. Das Kontrollverfahren zeichnete sich insbesondere durch die Zweistufigkeit aus. So wird in einer ersten Stufe im Wesentlichen ausschließlich das Aufheizgas alleine, zum Beispiel als externes Aufheizgas oder als Mischung mit einem Brennstoff, eingesetzt, um einen ersten Aufheizschritt durchzuführen. Dieser erste Aufheizschritt ist beendet, wenn eine Kondensationstemperatur, insbesondere im Wasserzuführabschnitt, überschritten worden ist. Zu diesem Zeitpunkt ist sichergestellt, dass dampfförmiges Wasser im Wasserzuführabschnitt durch die Temperatur

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens durchzuführen. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung erläutert worden sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema-

tisch:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ElektroIysevorrichtung,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ElektroIysevorrichtung,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ElektroIysevorrichtung,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ElektroIysevorrichtung,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ElektroIysevorrichtung,

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ElektroIysevorrichtung,

12 Fig. 8 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ElektroIysevorrichtung, Fig. 9 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ElektroIysevorrichtung und Fig. 10 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektro-

Iysevorrichtung.

Anhand der Figuren 1 bis 10 werden nun unterschiedliche Ausführungsvarianten der Elektrolysevorrichtung 10 hinsichtlich unterschiedlicher Teilkomponenten erläutert. Selbstverständlich können die einzelnen Ausführungsvarianten hinsichtlich der unterschiedlichen Teilkomponenten auch frei miteinander kombiniert werden.

Die Figur 1 zeigt eine besonders einfache Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung 10. Schematisch ist hier ein einzelner Elektrolysestapel 100 dargestellt, welcher aufgeteilt ist in eine Luftseite 120 und eine Brennstoffseite 130. Selbstverständlich können auch nebeneinander mehrere solcher Elektrolysestapel 100 als Teil der Elektrolysevorrichtung 10 vorgesehen sein.

Für den regulären Produktionsbetrieb kann nun über einen Luftzuführabschnitt 122 Zuluft ZL von extern über einen entsprechenden Anschluss der Luftseite 120 zugeführt werden. Über den Wasserzuführabschnitt 132 kann ebenfalls von einer externen Quelle Wasser W der Brennstoffseite 130 zugeführt werden. Im regulären Produktionsbetrieb steht nun elektrische Leistung zur Verfügung, um aus diesen beiden Edukten Wasser W und Zuluft ZL über die in den Elektrolysezellen im Elektrolysestapel 100 stattfindende Reaktion Abluft AL und Brennstoff B zu erzeugen, wobei der Brennstoff B insbesondere einen hohen Anteil an Wasserstoff enthält. Die Abluft AL wird über den Luftabführabschnitt 124 wieder abgeschieden und kann entweder direkt an die Umgebung abgegeben oder einer Nachbehandlung zugeführt werden. Der Brennstoff B wird aus der Brennstoffseite 130 über den Brennstoffabführabschnitt 134 abgeführt und kann hier direkt oder, wie später noch erläutert, indirekt einem weiteren Brennstoffnetz zur Verfügung gestellt werden.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke der vorliegenden Elektrolysevorrichtung ist hier durch einen externen Anschluss für Aufheizgas AG als Aufheizgas-Eingang 142 vorgesehen. Von extern kann zum Beispiel Brennstoff B als auch Aufheizgas AG

und/oder ein Schutzgas, zum Beispiel ARCAL, eingebracht werden. Das Aufheizgas

In der Figur 2 ist eine alternative Lösung dargestellt, bei welcher das Aufheizgas AG zumindest teilweise intern rezirkuliert wird. Diese interne Rezirkulation findet über den Brennstoffabführabschnitt 134 statt. In diesem Brennstoffabführabschnitt 134 dieser Ausführungsvariante ist ein Brennstoffkompressor 30 vorgesehen, welcher einen erhöhten Druck für den Brennstoff B ermöglicht. Dieser Brennstoffkompressor 30 kann grundsätzlich auch außerhalb Elektrolysevorrichtung 10 angeordnet sein. Auch ist ein Brennstoff-Pufferspeicher 40 vorgesehen, um eine Zwischenspeicherung und ein Puffern für unterschiedliche Produktionssituationen zur Verfügung zu stellen. Der Brennstoff B wie auch das Aufheizgas AG kann hier nun rezirkuliert werden und über den Rezirkulationsabschnitt 150 dem Aufheizzuführabschnitt 140 zugeführt werden. Dies kann selbstverständlich kombiniert sein mit einer externen Ausgestaltung und externen Zuführung von Aufheizgas AG, welches anschließend zusätzlich oder alternativ zum Brennstoff B ebenfalls der Rezirkulation und damit der Mehrfachnutzung zur Verfügung steht.

Auch die Figur 3 zeigt eine entsprechende Weiterbildung, bei welcher jedoch eine separate Zufuhr von Brennstoff B und/oder Aufheizgas AG aus dem Brennstoffabführabschnitt 134 vorgesehen ist. So ist hier ein Gebläseabschnitt 160 vorgesehen, welcher insbesondere noch vor dem Brennstoffkompressor 30, aber auch vor einem Wasserabscheider 50 vorgesehen ist, und ein Gebläse 32 aufweist. Damit wird die Rezirkulation von der Hochdruckseite des Brennstoffkompressors 30 entkoppelt und kann auf diese Weise auch bei hohen Druckanforderungen auf der Hochdruckseite des Brennstoffkompressors 30 kostengünstig und effizient diese Rezirkulation zur Verfügung stellen. In der Figur 4 ist eine Variante dargestellt, welche den Gebläseabschnitt 160 als Alternative zum Rezirkulationsabschnitt 150 zeigt.

Die Figur 6 zeigt eine Möglichkeit, bei welcher für das Aufheizen nun zusätzlich auch extern zugeführter Brennstoff B über einen Brennstoff-Eingang 132 vorgesehen sein kann. Die Aufheizvorrichtung 20 ist hier zweistufig ausgebildet, wobei als erste Stufe ein Brenner-Wärmetauscher 26 vorgesehen ist. Der hier extern zugeführte Brennstoff B wird über einen Brennstoffzuführabschnitt 180 einer Brennervorrichtung 24 zugeführt und dort exotherm verbrannt. Dies kann durch offene Verbrennung oder aber katalytisch stattfinden. Das erhitzte Abgas nach der Brennervorrichtung 24 wird über den Brenner-Wärmetauscher 26 nun als Wärmequelle für das Aufheizgas AG in der Aufheizvorrichtung 20 verwendet. Hier zusätzlich, aber grundsätzlich auch alternativ möglich, ist die Aufheizvorrichtung 20 mit einer elektrischen Heizvorrichtung 22 ausgestattet, welcher hier stromabwärts des Brenner-Wärmetauschers 26 wärmeübertragend in den Wasserzuführabschnitt 132 integriert ist.

Die Figur 7 zeigt als Alternative eine interne Nutzung von Brennstoff B. Der Brennstoff B kann hier insbesondere aus einem vorherigen Produktionsprozess stammen und beispielsweise aus dem Brennstoff-Pufferspeicher 40 verwendet werden.

Die Figur 8 zeigt eine Variante, bei welcher der Brennstoff B aus dem Pufferspeicher gemäß der Figur 7 verwendet wird und gleichzeitig eine externe Nutzung von Aufheizgas AG über den Aufheizgas-Eingang 142 möglich ist.

In der Figur 9 ist noch eine Variante der verbesserten Restwärmenutzung im Aufheizvorgang, aber auch in der Nutzung während dieses Produktionsbetriebs dargestellt. Hier ist seriell ein paar von zwei Luftwärmetauschern 74 und 72 vorgesehen, welche eine doppelte Wärmeabgabe der Abluft AL an die Zuluft ZL im Luftzuführabschnitt 122 erlauben.

In der Figur 10 ist noch eine Nutzung dargestellt, wenn externe Fremdwärme zur Verfügung steht. Über einen Fremdwärme-Eingang 32 kann ein Medium mit Fremd-

wärme diese über einen Fremdwärme-Wärmetauscher 80 nun wieder dem Wasser W zur Verfügung stellen. Hier ist das Wasser W parallel zum Verdampfer 90 über den Fremdwärme-Wärmetauscher 80 aufheizbar.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

10 Elektrolysevorrichtung

20 Aufheizvorrichtung

22 elektrische Heizvorrichtung 24 Brennervorrichtung

26 Brenner-Wärmetauscher 30 Brennstoffkompressor

32 Gebläse

40 Brennstoff-Pufferspeicher 50 Wasserabscheider

60 Ejektor

72 erster Luftwärmetauscher 74 zweiter Luftwärmetauscher 80 Fremdwärme-Wärmetauscher 82 Fremdwärme-Eingang

84 Fremdwärme-Ausgang

90 Verdampfer

100 Elektrolysestapel

120 Luftseite

122 Luftzuführabschnitt

124 Luftabführabschnitt

130 Brennstoffseite

132 Wasserzuführabschnitt 134 Brennstoffabführabschnitt 140 Aufheizzuführabschnitt 142 Aufheizgas-Eingang 150 Rezirkulationsabschnitt 160 Gebläseabschnitt

170 Aufheizabführabschnitt 172 Aufheizgas-Ausgang 180 Brennerzuführabschnitt 182 Brennstoff-Eingang

190 Ejektorabschnitt

B Brennstoff W Wasser ZL Zuluft

AL Abluft

AG Aufheizgas

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AVL List GmbH

Claims

Patentansprüche

1. Elektrolysevorrichtung (10) für die Erzeugung eines Brennstoffes (B) in Elektrolysezellen wenigstens eines Elektrolysestapels (100), aufweisend einen Luftzuführabschnitt (122) zur Zufuhr von Zuluft (ZL) zu einer Luftseite (120) des Elektrolysestapels (100) und einen Luftabführabschnitt (124) zur Abfuhr von Abluft (AL) von der Luftseite (120) des Elektrolysestapels (100), weiter aufweisend einen Wasserzuführabschnitt (132) zur Zufuhr von Wasser (W) zu einer Brennstoffseite (130) des Elektrolysestapels (100) und einen Brennstoffabführabschnitt (134) zur Abfuhr von Brennstoff (B) aus der Brennstoffseite (130) des Elektrolysestapels (100), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wasserzuführabschnitt (132) wenigstens eine Aufheizvorrichtung (20) angeordnet ist für ein Aufheizen eines in darin geführten Aufheizgases (AG) während eines Aufheizvorgangs, wobei weiter ein Aufheizzuführabschnitt (140) stromaufwärts der Aufheizvorrichtung (20) fluidkommunizierend mit dem Wasserzuführabschnitt (132) verbunden ist für ein Zuführen des Aufheizgases (AG) über den Wasserzuführabschnitt (132) zu dem Elektrolysestapel (100).

2. Elektrolysevorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufheizzuführabschnitt (140) einen Aufheizgas-Eingang (142) aufweist für einen Anschluss an eine Aufheizgas-Quelle.

3. Elektrolysevorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufheizzuführabschnitt (140) über einen Rezirkulationsabschnitt (150) fluidkommunizierend mit dem Brennstoffabführabschnitt (134) verbunden ist für ein Einbringen von Brennstoff (B) zumindest als Bestandteil des Aufheizgases (AG).

4. Elektrolysevorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffabführabschnitt (134) einen Brennstoffkompressor (30) aufweist für eine Kompression des Brennstoffs (B), wobei der Rezirkulationsabschnitt (150) stromabwärts des Brennstoffkompressors (30) von dem Brennstoffabführabschnitt (134) abzweigt.

5. Elektrolysevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffabführabschnitt (134) über einen Gebläse-

6. Elektrolysevorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffabführabschnitt (134) über einen Aufheizabführabschnitt (170) mit einem Aufheizgas-Ausgang (172) fluidkommunizierend verbunden ist für eine Abfuhr wenigstens eines Teils des Aufheizgases (AG).

7. Elektrolysevorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizvorrichtung (20) eine elektrische Heizvorrichtung (22) aufweist.

8. Elektrolysevorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizvorrichtung (20) eine Brennervorrichtung (24) aufweist, welche über einen Brenner-Wärmetauscher (26) wärmeübertragend mit dem Wasserzuführabschnitt (132) verbunden ist, wobei die Brennervorrichtung (26) über einen Brennerzuführabschnitt (180) mit einem Brennstoff-Eingang (182) und/oder dem Brennstoffabführabschnitt (134) fluidkommunizierend verbunden ist.

9. Elektrolysevorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffabführabschnitt (134), insbesondere stromabwärts eines Brennstoffkompressors (30), einen BrennstoffPufferspeicher (40) aufweist.

10. Elektrolysevorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffabführabschnitt (134) einen Wasserabscheider (50) aufweist für eine Abscheiden von Wasser aus dem Brennstoff (B).

11. Elektrolysevorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffabführabschnitt (134) über einen Ejektorabschnitt (190) mit einem darin angeordneten Ejektor (60) direkt mit dem Wasserzuführabschnitt (132) fluidkommunizierend verbunden ist.

12. Elektrolysevorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Luftzuführabschnitt (122) ein erster Luft-

13. Elektrolysevorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Wasserzuführabschnitt (132) ein Fremdwärme-Wärmetauscher (80) mit seiner kalten Seite angeordnet ist, dessen heiße Seite fluuıdkommunizierend mit einem Fremdwärme-Eingang (82) und einem Fremdwärme-Ausgang (84) verbunden ist.

14. Kontrollverfahren für ein Durchführen eines Aufheizvorgangs bei einer ElektroIysevorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 13, aufweisend die folgenden Schritte:

- Einbringen eines Aufheizgases (AG) über den Aufheizzuführabschnitt (140) in den Wasserzufuhrabschnitt (132),

- Aufheizen des Aufheizgases (AG) mittels der Aufheizvorrichtung (20),

- Führen des aufgeheizten Aufheizgases (AG) in den Elektrolysestapel (100),

- Abführen des Aufheizgases (AG) aus dem Elektrolysestapel (100) wenigstens abschnittsweise über den Brennstoffabführabschnitt (134),

- Erfassen eines Überschreitens der Kondensationstemperatur von Wasser (W) im Wasserzuführabschnitt (132),

- Einbringen und Verdampfen von Wasser (W) in dem Wasserzuführabschnitt (132),

- Vermischen des verdampften Wassers (W) mit dem Aufheizgas (AG).

- Führen der Mischung aus verdampftem Wasser (W) und Aufheizgas (AG) in den Elektrolysestapel (100),

- Abführen des verdampften Wassers (W) und des Aufheizgases (AG) aus dem Elektrolysestapel (100) wenigstens abschnittsweise über den Brennstoffabführabschnitt (134),

- Erfassen eines Überschreitens einer Betriebstemperatur des Elektrolysestapels (100).

15. Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines Kontrollverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 14 auszuführen.