EP4479578A2 - Verfahren zum betrieb einer elektrolyseanlage und elektrolyseanlage - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer elektrolyseanlage und elektrolyseanlage

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EP4479578A2
EP4479578A2 EP23701461.8A EP23701461A EP4479578A2 EP 4479578 A2 EP4479578 A2 EP 4479578A2 EP 23701461 A EP23701461 A EP 23701461A EP 4479578 A2 EP4479578 A2 EP 4479578A2
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EP
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water
temperature
pressure
electrolysis
educt
Prior art date
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Application number
EP23701461.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Scheffer
Erik Wolf
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an electrolysis system and an electrolysis system with an electrolyzer for producing hydrogen and oxygen as product gases
  • Hydrogen is an important substance that is used in countless applications in industry and technology. As a rule, hydrogen only occurs on Earth in a bound state. One of these substances that contains hydrogen in its bound state is water. Hydrogen can also serve as an energy storage device, in particular to store electrical energy generated using renewable energy generation methods for later applications.
  • Hydrogen f can serve here, among other things, as an energy storage device, for example by being used as fuel to stabilize the electrical energy supply, particularly from renewable energies, such as wind power, photovoltaics or the like. But hydrogen can also be used for other processes that require a fuel or a reducing agent. The hydrogen obtained during electrolysis can therefore be used industrially, for example, or electrical energy can be generated again in an electrochemical manner using fuel cells.
  • the separation of water into its chemical components hydrogen and oxygen can be carried out using suitable electrolysis cells.
  • electrolysis cells for this purpose, these can be designed as so-called polymer electrolyte membrane electrolysis cells.
  • a membrane is provided which has a respective catalyst layer on surfaces facing away from one another.
  • the catalyst layers are adjoined by respective gas diffusion layers, which in turn are adjoined by respective electrically conductive contact plates, sometimes also called bipolar plates, which serve, among other things, for electrical contacting.
  • the contact plates or the bipolar plates are also designed in such a way that they can enable the required substance transport in normal operation during electrolysis in the electrolysis cell.
  • corresponding channels can be provided for supplying a suitable electrolyte and for removing the reaction products of the electrolysis, namely a hydrogen gas and an oxygen gas.
  • the gas diffusion layer generally provides electrical conductivity in order to electrically couple the contact plates and the catalyst layers to one another. This allows the desired electrochemical reaction to be realized in the area of the catalyst layers.
  • an anion exchange membrane (AEM) is provided as the membrane.
  • a proton exchange membrane (PEM) is provided instead.
  • the respective two partial reactions are spatially separated by an ion-conductive membrane.
  • an anion exchange membrane AEM
  • PEM proton exchange membrane
  • MEA membrane electrode arrangement
  • This electrolysis usually takes place at pressures and temperatures in which the water to be decomposed is in the liquid state, so it is referred to as low-temperature electrolysis. This is the case with both the widely used alkaline electrolysis and PEM electrolysis. A large part of the electrical energy required for this type of electrolysis is used for the required phase change of the liquid water into the gas phase. Only then is the thermodynamic phase change necessary for the electrochemical decomposition of the water possible in order to ultimately bring about the electrode reactions described above in the gas phase. A correspondingly large cell voltage or Excess voltage must be available for this process in low-temperature electrolysis. There are also complex technical systems and expensive materials such as catalysts. sators made of rare and very expensive materials, especially in PEM electrolysis, which are prone to degradation.
  • HTE high-temperature electrolysis
  • a solid oxide electrolyzer in which the electrolyzer is already fed with vaporous water at a very high temperature.
  • the high-temperature electrolyzers are operated far beyond the boiling temperature of water, with water vapor typically well above 500 °C.
  • a reliable technical implementation of this technology on an industrial scale is currently associated with many unsolved technical challenges, although basic approaches have been known for a long time.
  • DE 31 01 210 A1 describes the structural design of a modular unit for high-temperature electrolysis.
  • a large number of zirconium oxide electrolysis tubes are connected together to form modular units for high-temperature steam electrolysis.
  • These requirements go hand in hand with a high use of expensive, high-temperature materials, such as zirconium oxide.
  • a method and a device for high-temperature steam electrolysis is described in DE 10 2005 017 727 Al.
  • the delysis cell is designed as a two-channel vessel with a solid electrolyte. Water vapor is introduced into the outer of the two channels under high pressure and high temperature and converted into hydrogen and oxygen f is broken down, whereby the ionized oxygen f is transported, discharged and discharged through the solid electrolyte.
  • a process temperature of the supplied superheated steam is greater than 700 ° C at a process pressure of greater than 40 bar, preferably even a process temperature of 800 ° C at a process pressure of 50 bar.
  • the object of the invention is to provide a method for operating an electrolysis system with which particularly efficient and flexible operation with high availability can be achieved.
  • Another task is to specify an electrolysis system, whereby efficient and flexible operation is technically easy to implement.
  • the object directed to a method for operating an electrolysis system is solved according to the invention by a method for operating an electrolysis system comprising an electrolyzer for producing hydrogen f and oxygen f as product gases, with water being fed to the electrolyzer as starting water and passed to an ion-permeable membrane Hydrogen f and oxygen f is split, whereby before the splitting the educt water is brought into a thermodynamic state in terms of pressure and temperature near the boiling point of the water and is fed to the membrane in this state, with educt water being transferred to the membrane Brought to boiling and thereby transferred to the gas phase is, and the educt water is split in the gas phase on the membrane.
  • the invention is based on the knowledge that both low-temperature electrolysis and high-temperature electrolysis have disadvantages.
  • low-temperature electrolysis a large part of the electrical energy required for this type of electrolysis must be used for the required heating of the liquid water and its phase change into the gas phase. Only then is the thermodynamic phase change necessary for the electrochemical decomposition of the water possible in order to ultimately bring about the electrode reactions described above in the gas phase and drive out the product gases - hydrogen and oxygen.
  • complex technical systems must be provided as well as expensive materials, such as catalysts made of rare and very expensive materials, especially in PEM electrolysis, which tend to degrade during operation. This means, for example, that the length of time the catalyst or membrane can be used - the so-called "service life" - is limited, since the electrolysis system can only be operated economically with sufficient activity and selectivity.
  • the selection of materials for the electrodes and the electrolyte in a solid oxide electrolytic cell is important here.
  • One option being investigated for the process uses yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolytes, nickel-cermet vapor/hydrogen electrodes, and mixed oxides of lanthanum, strontium, and cobalt. Oxygen electrodes.
  • YSZ yttria-stabilized zirconia
  • the invention recognizes these disadvantages and overcomes them in a targeted manner by designing the relevant thermodynamic operating point of the electrolysis - different from both the usual low-temperature electrolysis and high-temperature electrolysis - in the process management and in the structural design of the electrolysis system.
  • the temperature of the educt water supplied to the electrolysis process and to be decomposed is adjusted so that the educt water is in a state close to or very close to the boiling point of the water in terms of pressure and temperature before the splitting .
  • the boiling point, evaporation point or boiling point of pure, deionized water for the electrolysis purposes mentioned is understood to mean a pair of values in the phase diagram which consists of two variables: the saturation temperature (especially also boiling temperature) and the saturation vapor pressure (especially Boiling pressure) at the phase boundary between gas and liquid.
  • the boiling point of water is made up of the two state variables pressure and temperature during the transition of the water from the liquid to the gaseous aggregate state. For an open container of water, the boiling point is therefore the point on the temperature scale at which the vapor pressure is equal to the atmospheric pressure.
  • the boiling temperatures are given at normal pressure, i.e. at 1013.25 hPa.
  • This boiling point is referred to as the normal boiling point, and the specified boiling temperature is referred to as the normal boiling point.
  • the boiling temperature is therefore pressure-dependent according to the vapor pressure curve of the water and does not necessarily correspond to the boiling temperature below normal pressure, which the method of the invention makes advantageous use of.
  • thermodynamic operation of the educt water close or very close to the boiling temperature proposed here even a small heat input due to the ohmic heat loss of the electrolysis process into the educt water leads to boiling and evaporation of the educt water.
  • this thermally induced boiling process leads to the educt water passing into the gas phase .
  • the water is at least partially supplied to the electrolysis process in gaseous form, i.e. H . with a high gas content of the water or at least in a water/steam mixed phase corresponding to the saturation vapor pressure with a high gas content.
  • the electrode potential is temperature-dependent and the potential difference across the cell to be provided for electrolysis, the so-called cell voltage, decreases with the absolute temperature. This reduces the energy requirement for electrolysis to the extent that the cell voltage decreases, provided that an operating point with a higher boiling point is set along the vapor pressure curve than under normal conditions at the normal boiling temperature.
  • the reversible cell voltage of both the water electrolysis and the hydrogen-oxygen fuel cell is 1.23 V at 1013.25 hPa normal pressure.
  • educt water is heated from the temperature just below the boiling temperature to the boiling temperature by local heat input to the membrane, whereby educt water is transferred from the liquid phase to the gas phase.
  • the existing ohmic heat loss in the electrolysis process is used specifically and locally on the membrane in order to bring about the transition into the gas phase through the comparatively small increase in temperature that is still required. Since the thermodynamic state of the educt water is adjusted so that it is already close to the boiling point at the boiling point, advantageously only a small temperature difference has to be overcome and a small heat input is required, which is available from the process.
  • the small temperature increase in the liquid phase scales with the heat capacity of the water of 4.18 kJ/kg- °C.
  • the enthalpy of vaporization of water required for evaporation is 2.26 kJ/kg at 100°C. It is independent of pressure and decreases as the boiling temperature of the water increases.
  • a temperature difference between the temperature of the educt water and the boiling temperature of less than 5 ° C, particularly preferably between 1.5 ° C and 2.5 ° C, is set.
  • rolyser and finally the ion-conducting membrane is locally exposed to the educt water for the splitting process, causing the heat input.
  • almost all of the heat loss is advantageously used for the heat input, i.e. H . for increasing the temperature and evaporating the educt water.
  • the boiling process occurs locally exactly where the heat loss from the electrolysis process occurs and is utilized in the process management.
  • the evaporation is advantageously accompanied by local cooling of the electrolyzer, in particular the membrane and the catalyst, so that evaporative cooling is brought about. Additional cooling is no longer required.
  • the educt water is heated at a pressure from a low temperature to a higher temperature, so that the thermodynamic state is reached near the boiling point.
  • An isobaric process is preferred starting from a predetermined and fixed pressure of the educt water.
  • the low temperature can be, for example, the initial temperature or initial temperature of the fully desalinated fresh water, which is supplied to the electrolyzer as starting water, for example initially below a normal temperature of 25 ° C.
  • This educt water is then brought to the higher temperature level by adding heat and heating or heat exchange. Starting from the higher temperature, only the heat loss in the process itself is used to achieve the boiling conditions and to cause the educt water to evaporate locally on the membrane.
  • the pressure of the educt water is advantageously characterized or determined by an operating pressure of the electrolyzer, or corresponds to a preferred operating pressure.
  • an operating pressure of the electrolyzer or corresponds to a preferred operating pressure.
  • the educt water is heated to an operating temperature of the low-temperature electrolysis which corresponds to the higher temperature, with a higher temperature of up to 130 ° C, in particular between 90 ° C and 120 ° C, being set .
  • the temperature range can be easily controlled and, in addition to external heat supply (preheating section), almost all of the process heat from the operation of the electrolysis system is available, which is used particularly advantageously for this purpose.
  • the educt water is brought from a fresh water temperature level to the desired higher temperature level for the operation of the electrolysis system by supplying heat, for example by heating or heat exchange, so that the desired thermodynamic state of the educt water is achieved near the boiling point.
  • educt water is brought at a temperature from a high pressure to a lower pressure, so that the thermodynamic state is reached near the boiling point.
  • Lowering the operating pressure at a constant temperature is a particularly advantageous and simple method of reducing the boiling point or to achieve the boiling conditions by creating a negative pressure so that educt water is brought into the gas phase at the temperature.
  • the specified temperature of the water is not particularly restricted, but is advantageously set in the area of low-temperature electrolysis at a temperature of 60 ° C to 80 ° C, i.e. below the normal boiling temperature of water. What determines this process is the saturation vapor pressure of the water, specifically also referred to as the boiling pressure, at the phase boundary line between gas and liquid in the vapor pressure curve.
  • the low pressure or negative pressure required for boiling is advantageously set in accordance with the temperature of the educt water in the electrolyzer or locally adjusted on the membrane or brought about.
  • educt water is preferably supplied to an anode space and a cathode space spatially separated by the membrane, with the lower pressure being set in the anode space.
  • the operating pressure is advantageously sent on the anode side of the reaction.
  • this is the oxygen side, so that oxygen f is formed in the anode space as a product gas on the ion-conducting membrane, which is formed as molecular oxygen f in the gas phase. passes into the gas phase.
  • the phase transition from liquid to gas is brought about by the educt water before the actual electrochemical decomposition. This promotes a gas phase reaction of molecular water on the membrane coated with a catalyst and the elimination of oxygen (OER: Oxygen Evolution Reaction) in the gas phase. the gas phase process dominates.
  • a pressure of 200 mbar to 500 mbar, in particular 300 mbar to 400 mbar, is set as the lower pressure in the anode space.
  • the pressure in the anode space is preferably set to be greater than in the anode space, so that the boiling condition is achieved only in the anode space, i.e. H . on the oxygen side of a PEM electrolyzer or an alkaline electrolyzer.
  • a negative pressure operation is set for the anode reaction in the anode space, which is particularly advantageous and easy to implement.
  • a low-pressure operation up to an operating pressure of preferably less than 600-800 mbar is basically still effectively possible, or alternatively a low-pressure operation with operating pressures above this up to a maximum of 1013 mbar in the anode space, i.e. at atmospheric pressure or normal pressure.
  • educt water is evaporated in the anode space, so that the membrane is evaporatively cooled.
  • the boiling process is advantageously started locally exactly where the heat loss from the electrolysis process arises, which is used for evaporation. This leads to a local and also regarding. the temperature load, precise evaporative cooling of the sensitive membrane and other components and materials of the electrolytic cell in the anode compartment and in the cathode compartment. Even if a certain proportion of the resulting water vapor is not electrolytically decomposed, this vapor can escape from the anode space in the same way as the oxygen produced during the electrolysis process.
  • the heat dissipation is therefore comparable to a “heat pipe”.
  • a “heat pipe” or heat pipe is a heat exchanger that allows a high heat flux density using the enthalpy of vaporization of a medium.
  • cooling of the cathode space i.e. the hydrogen side of the electrolyzer or the electrolytic cell
  • a higher pressure is set in the cathode space than in the anode space, with a differential pressure Ap of 10 bar to 15 bar being maintained.
  • the hydrogen side of the reaction must also be operated with a negative pressure, so that the same pressure is present across the membrane in the anode space and in the cathode space, so-called constant pressure operation.
  • the method of the invention results in more economical operation of the hydrogen side with a few bar excess pressure in the cathode space compared to the anode space.
  • an electrolysis system with an electrolyzer for producing hydrogen f and oxygen f as product gases, in which the electrolyzer has a supply line for educt water as well as an anode space and a cathode space, the anode space and the cathode space are separated by an ion-permeable membrane, and a product gas line is connected to the anode space, into which a vacuum pump is connected, so that a negative pressure can be generated in the anode space.
  • a negative pressure can be provided in the anode space, so that during operation of the electrolyzer when the anode space is exposed to educt water, the boiling condition can be brought about by an advantageously essentially isothermal reduction in the pressure.
  • the vacuum pump is switched so that the suction side of the vacuum pump is connected to the anode space.
  • a very effective removal and delivery of the product gas on the oxygen side can also be achieved with the negative pressure pump.
  • the pressure increase in the compressor results in an increase in the temperature of the oxygen/water vapor mixture flowing through. This temperature level can still be used energetically.
  • a gas cooler is connected to the product gas line and is connected downstream of the vacuum pump on its pressure side.
  • the waste heat from the electrolyzer can be extracted at a thermodynamically more valuable elevated temperature level for further use.
  • the water vapor is advantageously condensed in the gas cooler so that condensation heat is available.
  • the compressor then fulfills the secondary function of an integrated heat pump in advantageous connection with the gas cooler.
  • a supply line opening into the product gas line is provided, into which a gas pressure control valve is connected, so that a gas, in particular filtered ambient air, can be supplied to the product gas line via the supply line.
  • Precise pressure control can advantageously be carried out - in addition to speed control on the compressor side - by a gas pressure control valve, which allows ambient air filtered via a filter to flow into the electrolysis system at pressures below an operational setpoint, for example.
  • the electrolysis system alternatively or additionally has a gas container which is connected to the supply line, so that a gas can be removed from the gas container via the gas pressure control valve and fed to the product gas line.
  • Oxygen is produced anyway as a product gas during water electrolysis in the anode space and is therefore available. This has a positive side effect for the operational safety of the electrolysis system, namely in partial load operation. Increased and undesirably high foreign gas concentrations, in particular hydrogen as a foreign gas component in the oxygen in the anode space, can be diluted very effectively with the simple system components provided.
  • oxygen previously freed from hydrogen can be sucked in instead of the ambient air, with the available negative pressure on the suction side of the vacuum pump being able to be used efficiently in both versions.
  • the confluence or the connection of the supply line to the product gas line is therefore advantageously carried out on the suction side of the vacuum pump, i.e. H . in a line section of the product gas line between the exit from the anode chamber and the entry into the vacuum pump on its suction side.
  • the electrolysis system is preferably equipped with a speed control device connected to the vacuum pump, with which the speed of the vacuum pump can be regulated.
  • speed control of the compressor is advantageously implemented. If necessary, the speed can also be precisely controlled, typically to a predeterminable constant speed setpoint for a desired pressure ratio or Compression ratio regarding the pressure side and the suction side.
  • the vacuum pump is preferably designed as a screw compressor.
  • the screw compressor is advantageously designed as an oil-free compressor. This prevents damaging diffusion or transfer of oil vapor or other lubricants into the anode space with the sensitive ion-permeable membrane, which further increases operational safety. This is a particularly reliable and robust solution for its intended use.
  • the screw compressor also known as a screw pump, screw pump, helical piston pump, is a so-called positive displacement pump in which the shape of the rotating displacers is similar to that of a spindle screw. It is the helical-toothed version of the gear pump and is a screw compressor.
  • the screw pump preferably consists of two or more counter-rotating rotors and a housing that encloses the rotors.
  • the rotors are designed with a regular, thread-shaped profile and mesh with each other like a gear.
  • the cavities formed by these three construction elements form the delivery spaces for the pumped medium. When the rotor rotates, they migrate in a machine direction and convey the medium from the suction side (inlet) to the pressure side (outlet).
  • the screw compressor does not operate in a capacity-controlled manner, but rather at a constant speed. If “too little” oxygen is produced in a preferred partial load operation, the gas pressure control valve automatically replenishes it with simple filtered ambient air, for example. Alternatively or additionally, oxygen can be supplied from the gas container At 25% partial load, the oxygen produced along with the unwanted hydrogen components can be diluted 1:3 to a harmless mixing ratio. This enables an operating interval at a comparatively very low partial load, which cannot currently be operated during operation due to the high foreign gas concentrations H 2 -in-O2 that occur.
  • oxygen previously freed from hydrogen can be sucked in instead of the ambient air, making use of the available negative pressure.
  • the achievable dilution effect would be essentially the same.
  • the ambient air itself contains carbon dioxide, which dissolves in the process water and can in turn influence the membrane and internals of the electrolysis, which can be safely ruled out by supplying pure oxygen for dilution.
  • the anode space and the cathode space are separated by a proton-permeable membrane, so that PEM electrolysis can be carried out.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a temperature curve for the educt water during water electrolysis.
  • the electrolysis system 1 shows a highly simplified representation of an electrolysis system 1 for the electrolysis of water using the example of PEM electrolysis.
  • the electrolysis system 1 has an electrolyzer 3 with an anode space 9 and a cathode space 11.
  • the anode space 9 and the cathode space 11 are separated by a proton-permeable membrane 7.
  • the membrane 7 is coated with a respective catalyst material on both the anode side and the cathode side, whereby a membrane electrode unit is formed.
  • the electrolyzer 3 can have electrolytic cell stacks, which are formed by a large number of electrolytic cells (not shown) stacked in a stacking direction.
  • the membrane material contains PFSA - “Perfluorosulfonic acid”.
  • the electrolysis system 1 with the electrolyzer 3 is designed to produce hydrogen f H 2 and oxygen f 0 2 as product gases, with operation at or near the boiling point of the water being provided.
  • the electrolyzer 3 has a supply line 13A for educt water 5 and a product gas line 15A, which is connected to the anode space 9.
  • the supply line 13A opens into the anode space 9.
  • a supply line 13B for educt water 7, which opens into the cathode space 11, is only available as an option.
  • the supply line 13A is sufficient to supply and supply educt water 7 to the electrolyzer, whereby both the anode compartment 9 and the cathode compartment 11 can be supplied equally.
  • a circulation pump 29 in the supply line 13A ensures a particularly uniform circulation and circulation of educt water 5 under pressure conditions that are as constant as possible.
  • the circuit is set up in such a way that - not shown in more detail in FIG. 1 - fresh, deionized water H 2 0 can be supplied in order to reduce the consumption of educt water 5 through the electrolysis process and the splitting of water H 2 0 into the hydrogen product gases f H 2 and oxygen f 0 2 to continuously compensate. If necessary, fresh and deionized water H 2 0 can also be supplied directly to the cathode compartment 11 via the optional supply line 15B.
  • a product gas line 15A is connected to the anode space 9.
  • the anode-side products oxygen f 0 2 and a remainder of water in the gas phase can be led out of the anode space 9 through the product gas line 15A.
  • a vacuum pump 17 which is designed as a screw compressor, is connected to the product gas line 15A downstream of the anode space 9.
  • the suction side of the vacuum pump 17 faces the anode space 9 and the pressure side faces away from the anode space, so that during operation of the electrolysis system, a permanent negative pressure can be generated in the anode space 9, which provides and maintains a thermodynamic state close to the boiling point of the educt water 7 .
  • Downstream of the vacuum pump 17 is the product gas line 15A Gas cooler 19 introduced.
  • the educt water 7 can thus be preheated in a preheating section before being fed to the anode space 9 via the supply line 13A to the electrolysis process.
  • pure oxygen f O2 can be supplied to the product gas line 15A via the supply line 21.
  • oxygen f O2 is stored in a gas container 27 which is connected to the supply line 21. Oxygen f can therefore be removed from the gas container 27 via the gas pressure control valve 23 and fed to the product gas line 15A.
  • a speed control device 25 is connected to the vacuum pump 17, so that the speed of the vacuum pump 17 can be precisely controlled.
  • a pressure-maintaining valve 31 or throttle that can be set to a target pressure is installed in the supply line 13A.
  • the pressure maintaining valve 31 ensures that the pressure on the inlet side of the valve remains constant. It is used there to ensure that the line pressure in the supply line 15A remains constant or where a certain back pressure for e.g. B. the vacuum pump 17 has to be generated, which is very advantageous in the present case.
  • the pressure-maintaining valve 31 also called the pressure-limiting valve, ensures that the predetermined working pressure for the pressure-maintaining valve 31 is maintained, and thus the most constant possible working pressure in the anode chamber 9 is ensured via a pressure-controlled supply of educt water 5 through the supply line 13A into the anode chamber 9. If the pressure drop is too large, the pressure relief valve 31 closes to prevent more pressure from being released; When the set pressure is reached, the pressure maintaining valve 31 opens again to keep the pressure in front of the valve constant
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the supply line 21 compared to FIG. 1, which is connected to the product gas line 15A.
  • This is set up in such a way that ambient air filtered as gas can be sucked in if necessary.
  • an intake port with a filter element 33 is provided and is connected to the supply line 21 instead of the oxygen gas container 27 in FIG.
  • the gas pressure control valve 23 ensures that purified and filtered ambient air is supplied as needed, for example for partial load operation. This ensures in partial load or if necessary.
  • the negative pressure provided via the vacuum pump 17 ensures that the ambient air automatically flows into the product gas line 15A as soon as the gas pressure control valve opens accordingly.
  • PEM electrolysis is carried out in the electrolyzer 3 under boiling conditions of the educt water 5.
  • Hydrogen f H 2 and oxygen f 0 2 are produced as product gases from the educt water 5 brought into the gas phase.
  • Water is supplied as reactant water 5 to the electrolyzer 1 via the supply line 13A and is split on the proton-permeable membrane to form hydrogen f H 2 and oxygen f 0 2 .
  • the educt water 5 is already brought into a thermodynamic state in the vicinity of the boiling point of the water in terms of pressure p E and temperature T E and in this State of the proton-permeable membrane 7 supplied.
  • the educt water 5 prepared in this way with regard to the thermodynamic state is only brought to boiling in the anode space 9 directly on the membrane 7 and is thereby converted into the gas phase. As a result, the educt water 5 is split in the gas phase on the membrane 7.
  • educt water 5 is initially fed to the electrolyzer 3 via the supply line 13A at an initial temperature T E and an initial pressure p E or is supplied as fully deionized fresh water.
  • the educt water 5 is supplied via the supply line 13A in the anode space 9 and brought to the operating temperature T E by heat transfer using the resulting process heat of the electrolysis process, the temperature T E being set from 60 ° C to 80 ° C as the operating temperature. From the initial pressure or high pressure p E of p E > 1013 mbar, i.e. at least atmospheric pressure, the educt water 5 in the anode space 9 is now brought to a lower pressure p E so that the thermodynamic state is close to the boiling point at the set Operating temperature T E is reached.
  • educt water 5 is supplied to an anode space 9 and a cathode space 11 spatially separated by the membrane 7, the lower pressure p E being set in the anode space 9, so that a differential pressure operation with a differential pressure Ap is carried out.
  • a pressure of 200 mbar to 500 mbar, in particular 300 mbar to 400 mbar is set as the lower pressure p E. This pressure level is achieved through the operation of the vacuum pump 17 and maintained.
  • the educt water 5 is evaporated in the anode space 9, so that at the same time a very efficient evaporative cooling of the membrane 7 is achieved, which is achieved by the enthalpy of evaporation available for the evaporation of the educt water 5 from the process heat of the electrolysis.
  • almost all of the operational "loss heat” is returned directly to the electrolysis process and is used locally effectively on the membrane 7, instead of dissipating the heat from the process via external cooling circuits and heat sinks.
  • the cathode space 11 a higher pressure is set than in the anode chamber 9.
  • a constant differential pressure Ap in the range from 10 bar to 15 bar, optionally in the range 12 bar to 14 bar, is maintained.
  • a temperature is maintained in the anode chamber 9 which corresponds to the boiling temperature T s of water under the selected thermodynamic state for operation, where at the pressure p E the temperatures apply to T E » T s .
  • the temperature is set at approximately the same temperature T E , as in the anode space 9.
  • the pressure in the cathode space 11 higher than the pressure p E in the anode space 9, as explained above.
  • the boiling condition is specifically brought about only locally in the anode space 9.
  • the educt water 5 can be used equally on the anode side and cathode side and unused educt water 5 or refilled deionized fresh water can circulate. You do not need completely separate circuits for the supply of educt water 5 .
  • the invention opens up various possibilities for achieving the boiling condition.
  • the operational management or The method is therefore not limited to negative pressure operation, as shown in FIGS. 1 and 2. It is also possible to operate a low-pressure operation with pressures p E of up to approximately 1013 mbar - atmospheric pressure, whereby the boiling condition is reached. Also low temperature tur electrolysis with operating temperatures of up to 130 ° C are advantageous and flexible, making use of the heat loss for the evaporation process.
  • FIG. 3 shows, based on the phase diagram of the water, various changes in state of the educt water 7 in an operating range at an exemplary temperature of T E »80 ° C.
  • thermodynamic states or Operating conditions beyond the normal boiling point Y with temperatures T E » T S above the normal boiling temperature of 100 ° C and pressures above the normal boiling pressure of 1013 mbar possible using the boiling condition in the anode space 9. It is important that the educt water 5 is brought into a thermodynamic state close to the respective boiling point in terms of pressure and temperature.
  • the educt water on the membrane is then heated, for example, from the temperature T E close to the boiling temperature T s to the boiling temperature T s , whereby educt water 5 is transferred from the liquid phase to the gas phase.
  • the last step in the process is the evaporation step. This takes place locally directly on the membrane 7 using the heat loss.
  • the temperature difference between the temperature T E of the educt water 5 and the boiling temperature T s is therefore chosen to be small; this temperature difference is preferably significantly smaller than 5 ° C, even better it is only between 1.5 ° C and 2.5 ° C.
  • FIG. 4 shows, by way of example, a schematic and highly simplified diagram of a temperature profile with energy expenditure for a standard amount of 1 kg of educt water 7, which is fed as fresh water under normal conditions of 1013 mbar and 25 ° C into the electrolyzer 3 of an electrolysis system 1 and that process is subjected.
  • the heat energy used here is the available process heat from the electrolysis, which is transferred to the educt water 5 in this warm-up phase A.
  • the educt water is now completely evaporated and transferred to the gas phase for the electrolytic decomposition reaction on the membrane 7.
  • the educt water 7 is split on the membrane 7 exclusively or predominantly in the gas phase, which is very efficient. Further heating of the gaseous educt water 5 beyond the evaporation phase therefore plays practically no role. This phase of further temperature increase is therefore only indicated by dashed lines in the diagram in FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage (1) umfassend einen Elektrolyseur (3) zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) als Produktgase, wobei Wasser als Edukt-Wasser (5) dem Elektrolyseur (1) zugeführt wird und an einer ionendurchlässigen Membran (7) zu Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufgespalten wird. Vor der Aufspaltung wird das Edukt-Wasser (5) hinsichtlich des Drucks (pE) und der Temperatur (TE) in einen thermodynamischen Zustand in der Nähe des Siedepunktes des Wassers gebracht und in diesem Zustand der Membran (7) zugeführt. Dabei wird Edukt-Wasser (5) an der Membran (7) zum Sieden gebracht und in die Gasphase überführt, wobei Edukt-Wasser (5) in der Gasphase an der Membran (7) aufgespalten wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Elektrolyseanlage (1) mit einem Elektrolyseur (3) zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) als Produktgase.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage und Elektrolyseanlage
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage sowie eine Elektrolyseanlage mit einem Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase
Wasserstof f ist ein wichtiger Stof f , der in zahllosen Anwendungen in der Industrie und der Technik eingesetzt wird . In der Regel kommt Wasserstof f auf der Erde lediglich in einem gebundenen Zustand vor . Einer dieser Stof fe , der Wasserstof f im gebundenen Zustand enthält , ist Wasser . Wasserstof f kann darüber hinaus auch als Energiespeicher dienen, insbesondere um mittels regenerativer Energieerzeugungsmethoden erzeugte elektrische Energie für spätere Anwendungen zu speichern .
Ein wichtiges Verfahren zum Gewinnen von Wasserstof f ist die Elektrolyse von Wasser, insbesondere unter Nutzung von elektrischer Energie . Wasserstof f kann hier unter anderem als Energiespeicher dienen, indem er beispielsweise als Brennstof f genutzt wird, um die elektrische Energieversorgung insbesondere aus erneuerbaren Energien, wie zum Beispiel Windkraft , Photovoltaik oder dergleichen zu verstetigen . Aber auch für andere Prozesse , bei denen ein Brennstof f oder ein Reduktionsmittel benötigt wird, kann Wasserstof f eingesetzt werden . Der bei der Elektrolyse gewonnene Wasserstof f kann somit beispielsweise industriell genutzt werden oder es kann unter Nutzung von Brennstof f zellen auf elektrochemische Weise wieder elektrische Energie gewonnen werden .
Das Trennen von Wasser in seine chemischen Bestandteile Wasserstof f und Sauerstof f kann mittels geeigneter Elektrolysezellen durchgeführt werden . Diese können hierfür als sogenannte Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolysezellen ausgebildet sein . Bei einer derartigen Elektrolysezelle ist in der Regel eine Membran vorgesehen, die an voneinander abgewandten Oberflächen eine j eweilige Katalysatorschicht aufweist . An die Katalysatorschichten grenzen in der Regel j eweilige Gasdi f fusionsschichten, an die ihrerseits j eweilige elektrisch leitfähige Kontaktplatten angrenzen, gelegentlich auch Bipolarplatten genannt , die unter anderem der elektrischen Kontaktierung dienen . Vorzugsweise sind die Kontaktplatten beziehungsweise die Bipolarplatten zugleich auch so ausgebildet , dass sie den erforderlichen Stof f transport im bestimmungsgemäßen Betrieb während der Elektrolyse in der Elektrolysezelle ermöglichen können . Zu diesem Zwecke können entsprechende Kanäle zum Zuführen eines j eweils geeigneten Elektrolyten sowie zum Abführen der Reaktionsprodukte der Elektrolyse , nämlich einem Wasserstof f gas und einem Sauerstof fgas , vorgesehen sein . Die Gasdi f fusionsschicht stellt in der Regel eine elektrische Leitfähigkeit bereit , um die Kontaktplatten und die Katalysatorschichten elektrisch miteinander zu koppeln . Dadurch kann im Bereich der Katalysatorschichten die gewünschte elektrochemische Reaktion realisiert werden .
Handelt es sich bei der Elektrolysereaktion um eine Reaktion im alkalischen Bereich, so ist als Membran eine Anion- Austausch-Membran ( englisch : anion exchange membrane ; AEM) vorgesehen . Findet die Elektrolysereaktion dagegen im sauren Bereich statt , ist stattdessen eine Proton-Austausch-Membran ( englisch : proton exchange membrane ; PEM) vorgesehen .
Das Erzeugen von Wasserstof f aus Wasser erfolgt über den Prozess Elektrolyse . Es handelt sich hierbei um einen elektrochemischen Vorgang, bei dem Wasser in seine chemischen Bestandteile Sauerstof f und Wasserstof f getrennt wird . Die elektrochemischen Zellreaktionen können j e nach Betriebsweise wie folgt beschrieben und unterschieden werden : Alkalische Elektrolyse :
Saure Elektrolyse :
Bei einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse werden die j eweiligen zwei Teilreaktionen räumlich durch eine lonen- leitfähige Membran getrennt . Bei einer Elektrolyse im alkalischen Bereich ist hier eine Anion Exchange Membrane (AEM) vorgesehen, wohingegen bei einer Elektrolyse in einem sauren Milieu eine Proton-Exchange Membrane ( PEM) vorgesehen ist . Der konstruktive Aufbau der Membranelektrodenanordnung (MEA) kann j edoch in beiden Fällen dem Grunde nach vergleichbar ausgebildet sein .
Diese Elektrolysen finden meist bei Drucken und Temperaturen statt , in denen das zu zersetzende Wasser im flüssigen Aggregatzustand vorliegt , so dass man von Niedertemperatur- Elektrolyse spricht . Dies ist sowohl bei den weit verbreiteten alkalischen Elektrolysen als auch bei den PEM-Elektroly- sen der Fall . Ein großer Teil der für diese Art der Elektrolyse auf zubringenden elektrischen Energie wird für den erforderlichen Phasenwechsel des flüssigen Wassers in die Gasphase auf gewendet . Erst dadurch wird die für die elektrochemische Zerlegung des Wassers notwendige thermodynamische Phasenänderung ermöglicht , um schließlich die oben beschriebenen Elektrodenreaktionen in der Gasphase zu bewirken . Eine entsprechend große Zellspannung bzw . Überspannung muss für diese Prozess führung bei der Niedertemperatur-Elektrolyse vorgehalten werden . Weiterhin sind aufwändige anlagentechnische Systeme zu verzeichnen sowie teure Materialien, wie etwa Kataly- satoren aus seltenen und sehr teuren Materialien, insbesondere bei der PEM-Elektrolyse , die zur Degradation neigen .
Es sind Systeme vorgeschlagen worden für Hochtemperatur- Elektrolysen (HTE ) , wie beispielswese ein Festoxid- Elektrolyseur , bei dem der Elektrolyseur bereits mit dampfförmig vorliegendem Wasser sehr hoher Temperatur gespeist wird . Dabei werden die Hochtemperatur-Elektrolyseure weit j enseits der Siedetemperatur des Wassers bei typischerweise deutlich über 500 ° C des Wasserdampfes betrieben . Eine zuverlässige technische Umsetzung dieser Technologie im industriellen Maßstab ist derzeit j edoch mit vielen ungelösten technischen Heraus forderungen verbunden, obschon grundlegende Ansätze schon lange bekannt sind .
So ist beispielsweise in der DE 31 01 210 Al die konstruktive Ausgestaltung einer Moduleinheit für die Hochtemperatur- Elektrolyse beschrieben . Hierbei werden für eine Hochtemperatur-Dampfelektrolyse eine Viel zahl von Zirkonoxid-Elektroly- serohre zu Moduleinheiten zusammengeschaltet . An der Verbindungsstelle von Elektrolyserohr und Trägerkörper sind sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Stabilität bei Arbeitstemperaturen von ca . 950 ° C und absoluter Gasdichtigkeit gestellt . Diese Anforderungen gehen mit einem hohen Materialeinsatz an teuren Hochtemperatur-Werkstof fen einher, beispielsweise Zirkonoxid .
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Hochtemperatur-Dampf- Elektrolyse ist in der DE 10 2005 017 727 Al beschrieben . Bei der dort beschriebenen Hochtemperatur-Dampf-Elektrolyse - auch als „Delyse" bezeichnet ist die Delyse-Zelle als zweika- naliges Gefäß mit einem Festkörperelektrolyten ausgebildet . In den äußeren der beiden Kanäle wird Wasserdampf unter hohem Druck und hoher Temperatur eingeleitet und in Wasserstof f und Sauerstof f zerlegt , wobei der ionisierte Sauerstof f durch den Festkörperelektrolyten transportiert , entladen und abgeleitet wird . Dabei liegt eine Prozesstemperatur des zugeführten Heißdampfs von größer als 700 ° C bei einem Prozessdruck von größer als 40 bar vor, bevorzugt sogar eine Prozesstemperatur von 800 ° C bei einem Prozessdruck von 50 bar . Dies ist technisch äußerst anspruchsvoll für eine industriellen Betrieb zu beherrschen und erfordert neben massiven Druckgefäßen und Reaktionsräumen auch einen sehr hohen und aufwändigen Materialeinsatz für die Elektroden, beispielweise Platin und Zirkonoxid . Überdies sind die Betriebsbereiche der HTE derzeit schmal , d . h . sehr begrenzt , so dass die Wirkungsgradvorteile durch die hohen Prozesstemperaturen diesen Nachteil nur bedingt kompensieren . Problematisch für die Verwendung von fluktuierendem Elektrolysestrom ist der im Vergleich zur alkalischen oder PEM-Elektrolyseur schmalere Betriebsbereich, sowie die aufgrund der hohen thermischen Spannungen unvermeidbaren Materialbeanspruchungen bei Lastwechseln .
Vor diesem Hintergrund dieser Nachteile ist es die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage anzugeben, mit der ein besonders ef fi zienter und flexibler Betrieb bei hoher Verfügbarkeit erreichbar ist .
Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe einer Elektrolyseanlage , wobei ein ef fi zienter und flexibler Betrieb technisch einfach realisierbar ist .
Die auf ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase , wobei Wasser als Edukt-Wasser dem Elektrolyseur zugeführt wird und an einer ionendurchlässigen Membran zu Wasserstof f und Sauerstof f aufgespalten wird, wobei vor der Aufspaltung das Edukt-Wasser hinsichtlich Druck und Temperatur in einen thermodynamischen Zustand in der Nähe des Siedepunktes des Wassers gebracht wird und in diesem Zustand der Membran zugeführt wird, wobei Edukt-Wasser an der Membran zum Sieden gebracht und dadurch in die Gasphase überführt wird, und wobei Edukt-Wasser in der Gasphase an der Membran aufgespalten wird .
Die Erfindung geht bereits von der Erkenntnis aus , dass sowohl die Niedertemperatur-Elektrolysen als auch die Hochtemperatur-Elektrolysen Nachteile aufweisen . So muss bei einer Niedertemperatur-Elektrolyse ein großer Teil der für diese Art der Elektrolyse auf zubringenden elektrischen Energie für die erforderliche Aufhei zung des flüssigen Wassers und dessen Phasenwechsel in die Gasphase aufgewendet werden . Erst dadurch wird die für die elektrochemische Zerlegung des Wassers notwendige thermodynamische Phasenänderung ermöglicht , um schließlich die oben beschriebenen Elektrodenreaktionen in der Gasphase zu bewirken und die Produktgase - Wasserstof f und Sauerstof f - aus zutreiben . Eine entsprechend große Zellspannung bzw . Überspannung muss für diese Prozess führung bei der Niedertemperatur-Elektrolyse vorgehalten werden, um dies zu erreichen . Weiterhin sind aufwändige anlagentechnische Systeme vorzusehen sowie teure Materialien, wie etwa Katalysatoren aus seltenen und sehr teuren Materialien, insbesondere bei der PEM-Elektrolyse , die im Betrieb zur Degradation neigen . Dadurch ist beispielsweise die Dauer der Einsetzbarkeit - die sogenannte „Standzeit" des Katalysators bzw . der Membran begrenzt , da die Elektrolyseanlage nur mit hinreichender Aktivität und Selektivität wirtschaftlich betrieben werden kann .
Obschon sie als Arbeitsmedium (Edukt-Wasser ) für die Elektrolyse bereits mit hocherhitztem Wasser unter hohen Drucken in der Gasphase arbeiten, bestehen indes auch Nachteile der Hochtemperatur-Elektrolysen, die neben der geringen Betriebsflexibilität vor allem auch den Materialeinsatz betref fen .
Die Auswahl der Materialien für die Elektroden und den Elektrolyten in einer Festoxid-Elektrolysezelle ist hier bedeutsam . Eine Option, die für den Prozess untersucht wird, benutzt Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ ) Elektro- lyte , Nickel-Cermet Dampf- / Wasserstof f elektroden und Mischoxide aus Lanthan- , Strontium- und Cobalt- Sauerstof f elektroden . Für den wirtschaftlichen Betrieb ist j edoch neben der Verfügbarkeit von günstigen, CCp-neutralen Energiequellen auch eine Reduktion der Kapitalkosten nötig, die derzeit ( Stand 2018 ) mit etwa 2 . 500 , - € / kWel und damit erheblich über denen der alkalischen Elektrolyse mit 1 . 000 , - € / kWel angegeben werden .
Die Erfindung erkennt diese Nachteile und überwindet diese gezielt , indem der maßgebliche thermodynamische Betriebspunkt der Elektrolyse - abweichend sowohl von den üblichen Niedertemperatur-Elektrolysen als auch von den Hochtemperatur- Elektrolysen - in der Verfahrens führung und in der konstruktiven Auslegung der Elektrolyseanlage aus zugestalten ist . Dabei wird für die Betriebs führung die Temperatur des dem Elektrolyseprozess zugeführten und zu zersetzenden Edukt- Wassers gebildet so eingestellt , dass das Edukt-Wasser sich bereits vor der Aufspaltung hinsichtlich des Drucks und der Temperatur in einem Zustand nahe oder sehr nahe am Siedepunkt des Wassers befindet .
Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Siedepunkt , Verdampfungspunkt oder auch Kochpunkt von reinem, vollentsal ztem Wasser für die genannten Elektrolysezwecke ein Wertepaar im Phasendiagramm verstanden, das aus zwei Größen besteht : der Sättigungstemperatur ( speziell auch Siedetemperatur ) und dem Sättigungsdampfdruck ( speziell auch Siededruck) an der Phasengrenzlinie zwischen Gas und Flüssigkeit . Der Siedepunkt des Wassers setzt sich also aus den beiden Zustandsgrößen Druck und Temperatur beim Übergang des Wassers vom flüssigen in den gas förmigen Aggregat zustand zusammen . Bei einem of fenen Behälter mit Wasser ist der Siedepunkt daher der Punkt auf der Temperaturskala, bei der der Dampfdruck gleich dem atmosphärischen Druck ist . In Tabellenwerken werden die Siedetemperaturen bei Normaldruck angegeben, also bei 1013 , 25 hPa . Dieser Siedepunkt wird als Normalsiedepunkt , die angegebene Siedetemperatur als Normalsiedetemperatur bezeichnet . Die Siedetemperatur ist daher druckabhängig entsprechend der Dampfdruckkurve des Wassers und entspricht nicht notwendigerweise der Siedetemperatur unter dem Normaldruck, was sich das Verfahren der Erfindung vorteilhaft zu Nutze macht .
Durch die hier vorgeschlagene thermodynamische Betriebs führung des Edukt-Wassers nahe oder sehr nahe an der Siedetemperatur führt bereits ein geringer Wärmeeintrag infolge der ohmschen Verlustwärme des Elektrolyseprozesses in das Edukt- Wasser zu einem Sieden und zur Verdampfung des Edukt-Wassers . In einer lokalen Betrachtung in einem Bereich oder einem Volumenelement in denen die Zersetzung des Edukt-Wassers an der Elektrode stattfindet , etwa an der Anode bei einer PEM- Elektrolyse , führt dieser thermisch-induzierte Siedevorgang dazu, dass das Edukt-Wasser in die Gasphase übergeht . Dadurch wird dem Elektrolyseprozess das Wasser zumindest teilweise bereits gas förmig zugeführt , d . h . mit einem hohen Gasanteil des Wassers oder zumindest in einer Wasser-/Dampf Mischphase entsprechend dem Sättigungsdampfdruck mit hohem Gasanteil .
Hierdurch reduziert sich vorteilhafterweise die für die Zersetzung des Wassers benötigte Zellspannung, was einen hohen betrieblichen Nutzen mit sich bringt . Entsprechend der Nernst-Gleichung ist das Elektrodenpotential temperaturabhängig und die für die Elektrolyse bereitzustellende Potenzial- di f ferenz über der Zelle , die so genannte Zellspannung, nimmt mit der absoluten Temperatur ab . Dadurch verringert sich der Energiebedarf der Elektrolyse in dem Maße wie die Zellspannung sinkt , sofern entlang der Dampfdruckkurve ein Arbeitspunkt mit einer höheren Siedetemperatur als unter Normalbedingungen bei der Normalsiedetemperatur eingestellt wird . Bei einer Temperatur von 25 ° C beträgt die reversible Zellspannung sowohl der Wasserelektrolyse als auch der Wasserstof f-Sauerstof f-Brennstof f zelle 1 , 23 V bei 1013 , 25 hPa Normaldruck .
Weiterhin ergeben sich aufgrund der veränderten thermodynamischen Betriebsbedingungen Vorteile für die Wahl des Katalysa- tormaterials und den noch erforderlichen Materialeinsatz, so dass Materialkosten eingespart werden können.
Von großem Vorteil erweisen sich auch die Effekte einer geringeren internen Zellspannung hinsichtlich entsprechend geringerer Degradationseffekte der Elektrolysezelle, insbesondere der Membranelektrodenanordnung, d.h. der mit einem jeweiligen Katalysatormaterial anodenseitig bzw. kathodenseitig beschichteten Membran. Höhere Potenzialdiff erenzen begünstigen die Alterungseffekte, dem vorliegend gezielt entgegengewirkt wird.
In besonders bevorzugter Ausführung des Verfahrens wird Edukt-Wasser durch lokalen Wärmeeintrag an der Membran von der Temperatur nahe unterhalb der Siedetemperatur auf die Siedetemperatur erwärmt, wodurch Edukt-Wasser von der flüssigen Phase in die Gasphase überführt wird.
Hier wir die vorhandene ohmsche Verlustwärme im Elektrolyseprozess gezielt und lokal an der Membran genutzt, um den Übergang in die Gasphase durch die eine noch erforderliche vergleichsweise geringe Temperaturerhöhung herbeizuführen. Da der thermodynamische Zustand des Edukt-Wassers so eingestellt wird, dass dieser schon nahe unterhalb Siedetemperatur am Siedepunkt ist, ist vorteilhafterweise nur noch eine geringe Temperaturdifferenz zu überwinden und ein geringer Wärmeeintrag erforderlich, der aus dem Prozess verfügbar ist. Die geringe Temperaturerhöhung in der flüssigen Phase skaliert mit der Wärmekapazität des Wassers von 4,18 kJ/kg- °C. Die für die Verdampfung notwendige Verdampfungsenthalpie von Wasser beträgt bei 100°C und 2,26 kJ/kg. Sie ist unabhängig vom Druck und sinkt mit größerer Siedetemperatur des Wassers.
Vorzugsweise wird eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Edukt-Wassers und der Siedetemperatur von kleiner als 5°C, insbesondere vorzugsweise zwischen 1,5°C und 2,5°C, eingestellt. Dadurch kann Edukt-Wasser in der flüssigen Phase nahe unterhalb der Siedetemperatur noch effizient dem Elekt- rolyseur zugeführt werden und schließlich lokal die ionenlei- tende Membran für den Aufspaltungsprozess mit dem Edukt- Wasser beaufschlagt werden, wobei der Wärmeeintrag bewirkt wird . Im Ideal fall wird vorteilhafterweise nahezu sämtliche Verlustwärme für den Wärmeeintrag aufgewendet , d . h . für die Temperaturerhöhung und Verdampfung des Edukt-Wassers . Der Siedevorgang wird lokal genau dort bewirkt , wo die Verlustwärme des Elektrolyseprozesses entsteht , und wird in der Prozess führung ausgenutzt . Vorteilhafterweise geht mit der Verdampfung eine lokale Kühlung des Elektrolyseurs , insbesondere der Membran und des Katalysators einher, so dass eine Verdampfungskühlung herbeigeführt wird . Zusätzliche Kühlung ist nicht mehr erforderlich .
In bevorzugter Aus führung des Verfahrens wird das Edukt- Wasser bei einem Druck von einer niedrigen Temperatur auf eine höhere Temperatur erwärmt , so dass der thermodynamische Zustand in der Nähe des Siedepunkts erreicht wird . Eine isobare Prozess führung ausgehend von einem vorbestimmten und festgelegten Druck des Edukt-Wassers zu bevorzugen . Eine Temperaturerhöhung kann einfach realisiert werden . Die niedrige Temperatur kann beispielsweise die Anf angstemperatur oder Ausgangstemperatur des vollentsal zten Frischwassers sein, das dem Elektrolyseur als Edukt-Wasser zugeführt wird, beispielsweise zunächst unter einer Normaltemperatur von 25 ° C . Dieses Edukt-Wasser wird dann durch Wärmezufuhr und Erhitzen oder Wärmetausch auf das höhere Temperaturniveau gebracht . Ausgehend von der höheren Temperatur wird lediglich die Verlustwärme im Prozess selbst ausgenutzt , um die Siedebedingungen zu erreichen und die Verdampfung des Edukt-Wassers lokal an der Membran zu bewirken . Der Druck des Edukt-Wassers wird dabei vorteilhafterweise durch einen Betriebsdruck des Elektrolyseurs charakterisiert oder bestimmt , oder entspricht einem bevorzugten Betriebsdruck . Hierbei kann zwischen anodenseitigem Prozess und kathodenseitigem Prozess unterschieden werden, mit einem j eweiligen Druck, der weitgehend konstant gehalten wird . In weiter bevorzugter Aus führung des Verfahrens wird das Edukt-Wasser auf eine Betriebstemperatur der Niedertemperatur-Elektrolyse erwärmt , die der höheren Temperatur entspricht , wobei eine höhere Temperatur von bis zu 130 ° C, insbesondere zwischen 90 ° C und 120 ° C, eingestellt wird .
Der Temperaturbereich ist gut beherrschbar und es steht hierfür neben externer Wärmezufuhr (Vorwärmstrecke ) insbesondere aber nahezu die gesamte Prozesswärme aus dem Betrieb der Elektrolyseanlage zur Verfügung, die hierfür besonders vorteilhaft ausgenutzt wird . Das Edukt-Wasser wird etwa durch Wärmezufuhr, beispielsweise durch Erhitzen oder Wärmetausch von einem Frischwasser-Temperaturniveau auf das gewünschte höhere Temperaturniveau für den Betrieb der Elektrolyseanlage gebracht , so dass der gewünschte thermodynamische Zustand des Edukt-Wassers in der Nähe des Siedepunkts erreicht wird .
In besonders bevorzugter Aus führung des Verfahrens wird Edukt-Wasser bei einer Temperatur von einem hohen Druck auf einen niedrigeren Druck gebracht , so dass der thermodynamische Zustand in der Nähe des Siedepunkts erreicht wird .
Die Absenkung des Betriebsdrucks bei konstanter Temperatur ist eine besonders vorteilhafte und einfache Methode , um den Siedepunkt bzw . die Siedebedingungen durch Erzeugung eines Unterdrucks zu erreichen, so dass Edukt-Wasser in die Gasphase bei der Temperatur gebracht wird . Hierbei ist die festgelegte Temperatur des Wassers nicht besonders eingeschränkt , wird aber vorteilhaft im Bereich der Niedertemperatur- Elektrolyse bei einer Temperatur von 60 ° C bis 80 ° C eingestellt , also unterhalb der Normalsiedetemperatur von Wasser . Bestimmend ist für diese Verfahrens führung der Sättigungsdampfdruck des Wassers , speziell auch Siededruck bezeichnet , an der Phasengrenzlinie zwischen Gas und Flüssigkeit in der Dampfdruckkurve . Der für das Sieden erforderliche niedrige Druck oder Unterdrück wird vorteilhaft entsprechend der Temperatur des Edukt-Wassers im Elektrolyseur bzw . lokal an der Membran eingestellt bzw . herbeigeführt . Vorzugsweise wird bei dem Verfahren Edukt-Wasser einem Anodenraum und einem durch die Membran räumlich getrennten Ka- thodenraum zugeführt wird, wobei in dem Anodenraum der niedrigere Druck eingestellt wird . Vorteilhaft wird die Absendung des Betriebsdrucks auf der Anodenseite der Reaktion durchgeführt . Beispielsweise bei einer PEM-Wasserelektrolyse oder einer alkalischen Elektrolyse ist dies die Sauerstof f seite , so dass im Anodenraum Sauerstof f als Produktgas an der ionen- leitenden Membran gebildet wird, welcher als molekularer Sauerstof f in der Gasphase entsteht bzw . in die Gasphase übergeht . Durch die vorgesehene Siedebedingung im Anodenraum wird der Phasenübergang von flüssig zu gas förmig bereits durch das Edukt-Wasser vor der eigentlichen elektrochemischen Zersetzung herbeigeführt . Dadurch ist eine Gasphasenreaktion von molekularem Wasser an der mit einem Katalysator beschichteten Membran und Abspaltung von Sauerstof f ( OER : Oxygen-Evolution- Reaction) bereits in der Gasphase begünstigt bzw . der Gasphasenprozess dominiert .
Bevorzugt wird dabei in dem im Anodenraum als niedrigerer Druck ein Druck von 200 mbar bis 500 mbar, insbesondere von 300 mbar bis 400 mbar eingestellt . Somit sind Betriebstemperaturen von etwa 60 ° C bis 80 ° C realisierbar, wobei entsprechend der Dampfdruckkurve des Wassers eine entsprechende Temperatur des Edukt-Wassers nahe unterhalb der Siedetemperatur eingestellt wird . Der Druck im Anodenraum wird dabei bevorzugt größer als im Anodenraum eingestellt , so dass die Siedebedingung allein im Anodenraum erzielt ist , d . h . auf der Sauerstof f seite eines PEM-Elektrolyseurs oder eines alkalischen Elektrolyseurs .
Hierdurch wird für die Anodenreaktion im Anodenraum ein Unterdruckbetrieb eingestellt , der besonders vorteilhaft und einfach umsetzbar ist . Ein Unterdruck-Betrieb bis zu einem Betriebsdruck von bevorzugt kleiner als 600- 800 mbar ist dadurch im Grunde genommen noch ef fektiv möglich, oder aber wahlweise ein Niederdruckbetrieb mit Betriebsdrucken darüber hinaus bis maximal 1013 mbar im Anodenraum, also bei atmosphärischem Druck oder Normaldruck .
Vorzugsweise wird Edukt-Wasser im Anodenraum verdampft , so dass eine Siedekühlung der Membran bewirkt wird .
Der Siedevorgang wird vorteilhafterweise lokal genau dort in Gang gesetzt , wo die Verlustwärme des Elektrolyseprozesses entsteht , die für die Verdampfung ausgenutzt wird . Dies führt zu einer örtlich und auch bzgl . der Temperaturbelastung punktgenauen Verdampfungskühlung der empfindlichen Membran und weiterer Komponenten und Materialien der Elektrolysezelle im Anodenraum und im Kathodenraum . Selbst wenn ein gewisser Anteil des entstehenden Wasserdampfes dabei nicht elektrolytisch zersetzt wird, so kann dieser Dampf auf dem gleichen Wege wie der beim Elektrolyseprozess entstehende Sauerstof f aus dem Anodenraum entweichen . Die Wärmeabfuhr ist damit mit einer „Heatpipe" vergleichbar, also ein Wärmerohr . Eine „He- atpipe" oder auch Wärmerohr ist ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung der Verdampfungsenthalpie eines Mediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt . Auf diese Weise können große Wärmemengen auf kleiner Querschnitts fläche übertragen werden . Die Fähigkeit , Energie zu transportieren, hängt bei einem Wärmerohr maßgeblich von der spezi fischen Verdampfungsenthalpie ( in kJ/mol oder kJ/ kg) des Arbeitsmediums ab und vorteilhafterweise nicht von der Wärmeleitfähigkeit von Gefäßwand oder Arbeitsmedium . Um ein Kilogramm Wasser bei 100 ° C und 1013 mbar (Normalbedingungen) zu verdampfen, ist die Abtrennarbeit ZW = 2088 kJ auf zuwenden, Wärme die durch den Siedeprozess als hohe Kühlleistung infolge der Verdampfung der Umgebung unmittelbar entzogen wird .
Dies bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich :
Aufgrund der Verfahrens führung mit einer besonders ef fi zienten und zuverlässigen Siedekühlung kann auf eine Kühlung des Kathodenraums , also der Wasserstof f seite des Elektrolyseurs oder der Elektrolysezelle vorteilhafterweise verzichtet werden . Damit entfallen auf der Wasserstof f seite , also beim Ka- thodenraum, bei geeigneter Anlagenauslegung nicht nur die Komponenten von in der Regel benötigten aufwändigen Kühlungssystemen, sondern auch die Notwendigkeit eines forcierten Wasserkreislaufs , was erhebliche Vereinfachungen der verbundenen Verfahrenstechnik nach sich zieht .
Weitere Vorteile der Siedekühlung ergeben sich auch daraus , dass die temperaturempfindliche Membran nunmehr lokal , d . h . punktgenau gekühlt wird . Somit kann die Betriebstemperatur der Elektrolysezellen aufgrund der wegfallenden Notwendigkeit der Berücksichtigung möglicher Hotspots bedarfsweise erhöht werden . Dies verbessert einerseits den Zellwirkungsgrad und ermöglicht andererseits eine Wärmeauskopplung und Verwendung der Verlustwärme auf einem höherem Temperaturniveau, was von der thermodynamischen Prozess führung her deutlich ef fi zienter ist .
Da bei dem Verfahren praktisch sämtliche Verlustwärme in der Elektrolysezelle in die Erwärmung und Verdampfung des Edukt- Wassers gesteckt wird, ist keine weitere Kühlung des auf im Anodenraum, d . h . auf der Sauerstof f seite der Reaktion, vorhandenen Edukt-Wassers erforderlich . Üblicherweise im Prozesswasserkreislauf installierte Wärmetauscher und sonstige Komponenten des Kühlsystems können somit in einer Elektrolyseanlage weitestgehend entfallen .
Vorzugsweise wird in dem Kathodenraum ein höherer Druck als in dem Anodenraum eingestellt wird, wobei ein Di f ferenzdruck Ap von 10 bar bis 15 bar aufrechterhalten wird .
Damit genügt es für die Verfahrens führung, dass allein in dem Anodenraum ein Unterdrück erzeugt wird . Ein Di f ferenzdruckbetrieb erweist sich auch anlagentechnisch als besonders vorteilhaft und ef fi zient . Eine Absenkung des Betriebsdruckes auf der Sauerstof f seite der Elektrolysezelle wird bevorzugt bis zum Erreichen der Siedebedingungen durchgeführt . Bei bevorzugten Drucken von 200 mbar bis 500 mbar für den Unterdruckbetrieb im Anodenraum ergäbe sich eine mit heute bekann- ten Polymermembranen realisierbare Betriebstemperatur von 60 ° C bis 80 ° C . Bei diesen Temperaturen weisen heutige Polymermembranen noch eine ausreichende Festigkeit auf , welche einen Di f ferenzdruckbetrieb erlaubt . Somit besteht vorteilhafterweise keine zwingende Notwendigkeit , den Kathodenraum, d . h . die Wasserstof f seite der Reaktion, ebenfalls mit einem Unterdrück zu betreiben, dass also im Anodenraum und im Kathodenraum derselbe Druck über der Membran ansteht , so genannter Gleichdruckbetrieb . Stattdessen ergibt sich mit dem Verfahren der Erfindung ein wirtschaftlicherer Betrieb der Wasserstof f seite mit einigen bar Überdruck im Kathodenraum gegenüber dem Anodenraum .
Die auf eine Elektrolyseanlage gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolyseanlage mit einem Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase , bei der der Elektrolyseur eine Zufuhrleitung für Edukt-Wasser sowie einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist , wobei der Anodenraum und der Kathodenraum durch eine ionendurchlässige Membran getrennt sind, und wobei eine Produktgas-Leitung an den Anodenraum angeschlossen ist , in die eine Unterdruckpumpe geschaltet ist , so dass ein Unterdrück in dem Anodenraum erzeugbar ist .
Mit der an den Anodenraum über die Produktgas-Leitung angeschlossenen Unterdruckpumpe ist in dem Anodenraum ein Unterdrück bereitstellbar , so dass im Betrieb des Elektrolyseurs bei einer Beaufschlagung des Anodenraums mit Edukt-Wasser die Siedebedingung durch eine vorteilhafterweise im Wesentlichen isotherme Absenkung des Drucks bewirkbar ist . Dabei wird die Unterdruckpumpe so geschaltet , dass die Saugseite der Unterdruckpumpe an den Anodenraum angeschlossen ist . Neben der Unterdruckbedingung ist mit der Unterdruckpumpe zugleich auch eine sehr wirksame Entnahme und Förderung des Produktgases auf der Sauerstof f seite erzielbar . Dies sind im Wesentlichen der Produkt-Sauerstof f aus dem Elektrolyseprozess an der Membran im Anodenraum sowie nicht elektrochemisch aufgespal- tenes Edukt-Wasser in der Gasphase , sowie ggf . geringe Fremdgasbestandteile wie Produkt-Wasserstof f .
Die anlagentechnische Realisierung eines Unterdruckes in dem Anodenraum, d . h . auf der Sauerstof f seite ist hier mit konventionellen Mitteln wie z . B . sehr einfachen und robusten Schraubenverdichtern möglich . Dem anlagentechnischen und energetischen Mehraufwand für die Unterdruckpumpe bzw . des Verdichter-Aggregats stehen neben den bereits oben zu dem Verfahren beschriebenen Vorteilen zusätzlich folgende Vorteile gegenüber :
Auf der Ausgangsseite , d . h . der Druckseite des den Unterdrück erzeugenden Verdichters oder der Unterdruckpumpe ergibt sich aufgrund der Druckerhöhung im Verdichter eine Temperaturerhöhung des durchströmenden Sauerstof f-/Wasserdampf-Gemisches . Dieses Temperaturniveau ist energetisch weiter nutzbar .
In bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist daher in die Produktgas-Leitung ein Gaskühler geschaltet , der der Unterdruckpumpe auf deren Druckseite nachgeschaltet ist .
Uber den nachgeschalteten Gaskühler kann die Abwärme des Elektrolyseurs so auf einem thermodynamisch wertvolleren erhöhtem Temperaturniveau zur weiteren Verwendung ausgekoppelt werden . Bei geeigneter Auslegung wird der Wasserdampf vorteilhafterweise im Gaskühler kondensiert , so dass Kondensationswärme verfügbar ist . Der Verdichter erfüllt hier dann die Nebenfunktion einer integrierten Wärmepumpe in vorteilhafter Verbindung mit dem Gaskühler .
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist eine in die Produktgas-Leitung einmündende Zufuhr-leitung vorgesehen, in die ein Gasdruck-Regelventil geschaltet ist , so dass über die Zufuhrleitung ein Gas , insbesondere gefilterte Umgebungsluft , der Produktgas-Leitung zuführbar ist . Eine präzise Druckregelung kann vorteilhafterweise - ergänzend zu einer Drehzahlregelung auf der Verdichterseite - durch ein Gasdruck-Regelventil erfolgen, welches bei Drucken unterhalb eines betrieblichen Sollwertes beispielsweise über einen Filter gefilterte Umgebungsluft in die Elektrolyseanlage einströmen lässt .
Vorzugsweise weist die Elektrolyseanlage alternativ oder zusätzlich einen Gasbehälter auf , der an die Zufuhrleitung angeschlossen ist , so dass aus dem Gasbehälter ein Gas über das Gasdruck-Regelventil entnehmbar und der Produktgas-Leitung zuführbar ist .
Hier bietet es sich vorteilhaft an, als Gas Sauerstof f in dem Gasbehälter vorzuhalten und zu bevorraten . Sauerstof f fällt als Produktgas bei der Wasserelektrolyse im Anodenraum ohnehin an und ist damit verfügbar . Dies hat einen positiven Nebenef fekt für die Betriebssicherheit der Elektrolyseanlage , das nämlich in einem Teillastbetrieb ggf . verstärkt auftretende und unerwünscht hohe Fremdgaskonzentrationen, insbesondere Wasserstof f als Fremdgasbestandteil im Sauerstof f im Anodenraum, mit den vorgesehenen einfachen anlagentechnischen Komponenten sehr ef fektiv verdünnt werden kann .
Alternativ kann wie beschrieben anstelle der Umgebungsluft zuvor vom Wasserstof f befreiter Sauerstof f eingesaugt werden, wobei in beiden Aus führungen der verfügbare Unterdrück auf der Saugseite der Unterdruckpumpe ef fi zient ausnutzbar ist . Um dies zu bewirken, ist die Einmündung bzw . der Anschluss der Zufuhrleitung an die Produktgas-Leitung daher vorteilhaft auf der Saugseite der Unterdruckpumpe vorgenommen, d . h . in einem Leitungsabschnitt der Produktgas-Leitung zwischen dem Austritt aus dem Anodenraum und dem Eintritt in die Unterdruckpumpe auf deren Saugseite .
Vorzugsweise ist die Elektrolyseanlage ausgestattet mit einer an die Unterdruckpumpe angeschlossenen Drehzahl-Regeleinrichtung, mit der die Drehzahl der Unterdruckpumpe regelbar ist . Somit ist ergänzend zu einer präzisen Druckregelung über das Gasdruck-Regelventil eine Drehzahlregelung des Verdichters vorteilhaft implementiert . Somit kann bedarfsweise auch die Drehzahl präzise geregelt werden, typischerweise auf einen vorgebbaren konstanten Drehzahl-Sollwert für ein gewünschtes Druckverhältnis bzw . Verdichtungsverhältnis bezüglich der Druckseite und der Saugseite .
Bevorzugt ist die Unterdruckpumpe als Schraubenverdichter aus gestaltetet .
Vorteilhaft ist der Schraubenverdichter als öl freier Verdichter ausgestaltet . Hierdurch wird eine schädigende Di f fusion oder Übertritt von Öldampf oder sonstigen Schmiermitteln in den Anodenraum mit der empfindlichen ionendurchlässigen Membran ausgeschlossen, was die Betriebssicherheit weiter erhöht . Dies ist eine für den Einsatz zweck daher besonders zuverlässige und robuste Lösung . Bei dem Schraubenverdichter, die auch als Schraubenspindelpumpe , Schraubenpumpe , Wendelkolben- pumpe bezeichnet wird, handelt es sich um eine so genannte Verdrängerpumpe , bei der die Form der rotierenden Verdränger der einer Spindelschraube ähnelt . Sie ist die schrägverzahnte Variante der Zahnradpumpe und gehört zu den Schraubenverdichtern . Die Schraubenspindelpumpe besteht bevorzugt aus zwei oder mehr gegenläufigen Rotoren und einem Gehäuse , das die Rotoren umschließt . Die Rotoren sind mit einer regelmäßigen, gewindeförmigen Profilierung ausgebildet und grei fen zahnradartig ineinander . Die Hohlräume , die durch diese drei Konstruktionselemente gebildet werden, bilden die Förderräume für das Fördermedium . Bei der Rotordrehung wandern sie in eine Maschinenrichtung aus und fördern das Medium von der Saugseite (Einlass ) zur Druckseite (Auslass ) .
Der Schraubenverdichter arbeitet nicht leistungsgeregelt , sondern mit konstanter Drehzahl . Wird in einem bevorzugten Teillastbetrieb „zu wenig" Sauerstof f produziert , so wird durch das Gasdruck-Regelventil automatisch z . B . auf einfache gefilterte Umgebungsluft nachgespeist . Alternativ oder zusätzlich ist Sauerstof f aus dem Gasbehälter zuführbar . Bei 25% Teillast ist damit der produzierte Sauerstof f mitsamt der unerwünschten Wasserstof f anteile 1 : 3 auf ein unschädliches Mischungsverhältnis verdünnbar . Dies ermöglicht ein Betriebsintervall bei einer vergleichsweise sehr niedrigen Teillast , welche heutzutage aufgrund der auftretenden hohen Fremdgaskonzentrationen H2-in-O2 bisher nicht im Betrieb gefahren werden kann .
Alternativ kann an Stelle der Umgebungsluft zuvor vom Wasserstof f befreiter Sauerstof f eingesaugt werden, wobei der verfügbare Unterdrück ausgenutzt wird . Der erzielbare Verdünnungsef fekt wäre im Wesentlichen der gleiche . Umgebungsluft selbst enthält allerdings Kohlenstof fdioxid, welches sich im Prozesswasser löst und wiederum Einfluss auf die Membran und Einbauten der Elektrolyse nehmen kann, was durch die Zufuhr von reinem Sauerstof f zu Verdünnung sicher ausgeschlossen werden kann .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage sind der Anodenraum und der Kathodenraum durch eine protonendurchlässige Membran getrennt , so dass eine PEM-Elektrolyse durchführbar ist .
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Elektrolyseanlage anzusehen und umgekehrt .
Weitere Vorteile , Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Aus führungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung . Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den einzigen Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der j eweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen . Aus führungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert . Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :
FIG 1 eine Elektrolyseanlage ausgestaltet für einen Di fferenzdruckbetrieb ;
FIG 2 eine Elektrolyseanlage in alternativer Ausgestaltung;
FIG 3 in einem Phasendiagramm veranschaulicht verschiedene Zustandsänderungen des Edukt-Wassers ;
FIG 4 in schematischer Darstellung ein Temperaturverlauf für das Edukt-Wasser bei der Wasserelektrolyse .
Gleiche Bezugs zeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung .
In FIG 1 ist in stark vereinfachter Darstellung eine Elektrolyseanlage 1 für die Elektrolyse von Wasser am Beispiel einer PEM-Elektrolyse dargestellt . Die Elektrolyseanlage 1 weist einen Elektrolyseur 3 auf mit einem Anodenraum 9 und einem Kathodenraum 11 . Der Anodenraum 9 und der Kathodenraum 11 sind über eine protonendurchlässige Membran 7 getrennt . Die Membran 7 ist sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig mit einem j eweiligen Katalysatormaterial beschichtet , wodurch eine Membranelektrodeneinheit gebildet ist . Der Elektrolyseur 3 kann dabei Elektrolysezellenstapel aufweisen, die eine Vielzahl von nicht näher dargestellten in einer Stapelrichtung gestapelter Elektrolysezellen gebildet sind . Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur ein Anodenraum 9 und ein Kathodenraum 11 mit der Membran 7 gezeigt , wobei funktional eine anodische Halbzelle und die kathodische Halbzelle gebildet sind, die durch die Membran 7 getrennt sind . Das Membranmaterial weist PFSA - „Perfluorosul fonic acid" auf . Die Elektrolyseanlage 1 mit dem Elektrolyseur 3 ist zur Erzeugung von Wasserstof f H2 und Sauerstof f 02 als Produktgase ausgestaltet , wobei ein Betrieb am oder nahe des Siedepunkts des Wassers vorgesehen ist . Hierzu weist der Elektrolyseur 3 eine Zufuhrleitung 13A für Edukt-Wasser 5 auf und eine Produktgas-Leitung 15A, die an den Anodenraum 9 angeschlossen ist . Die Zufuhrleitung 13A mündet in den Anodenraum 9 ein . Eine Zufuhrleitung 13B für Edukt-Wasser 7 , die in den Katho- denraum 11 einmündet , ist lediglich optional vorhanden . Für eine Versorgung und Zufuhr von Edukt-Wasser 7 zu dem Elektrolyseur ist die Zufuhr-Leitung 13A ausreichend, wodurch sowohl der Anodenraum 9 als auch der Kathodenraum 11 gleichermaßen versorgt werden können . Eine Zirkulationspumpe 29 in der Zufuhrleitung 13A sorgt für eine besonders gleichmäßige Umwälzung und Zirkulation von Edukt-Wasser 5 unter möglichst konstanten Druckbedingungen . Der Kreislauf ist dabei so eingerichtet , dass - in der FIG 1 nicht näher gezeigt - frisches vollentsal ztes Wasser H20 zuführbar ist , um den Verbrauch an Edukt-Wasser 5 durch den Elektrolyseprozess und die Aufspaltung von Wasser H20 in die Produktgase Wasserstof f H2 und Sauerstof f 02 kontinuierlich zu kompensieren . Auch über die optionale Zufuhrleitung 15B ist bedarfsweise frisches und vollentsal ztes Wasser H20 direkt dem Kathodenraum 11 zuführbar .
Eine Produktgas-Leitung 15A ist an den Anodenraum 9 angeschlossen . Durch die Produktgas-Leitung 15A sind die anodenseitigen Produkte Sauerstof f 02 und ein Rest Wasser in der Gasphase aus der Anodenraum 9 herausleitbar . Hierzu ist in die Produktgas-Leitung 15A stromab des Anodenraums 9 eine Unterdruckpumpe 17 geschaltet , die als Schraubenverdichter ausgestaltet ist . Die Saugseite der Unterdruckpumpe 17 ist dabei dem Anodenraum 9 zugewandt und die Druckseite ist dem Anodenraum abgewandt , so dass im Betrieb der Elektrolyseanlage permanent ein Unterdrück in dem Anodenraum 9 erzeugbar ist , der einen thermodynamischen Zustand nahe dem Siedepunkt des Edukt-Wassers 7 bereitstellt und aufrechterhält . Stromabwärts der Unterdruckpumpe 17 ist in die Produktgas-Leitung 15A ein Gaskühler 19 eingebracht . Hierdurch steht nutzbare Wärme infolge der Verdichtung der anodenseitigen Produkte zur Verfügung, die übertragbar und für weitere Verwendung in der Elektrolyseanlage 1 energetisch nutzbar ist . So kann eine Vorwärmung von Edukt-Wasser 7 in einer Vorwärmstecke erfolgen, vor der Zufuhr zum Anodenraum 9 über die Zufuhrleitung 13A zum Elektrolyseprozess .
Weiterhin mündet in die Produktgas-Leitung 15A eine Zufuhrleitung 21 , in die ein Gasdruck-Regelventil 23 geschaltet ist . Über die Zufuhrleitung 21 ist reiner Sauerstof f O2 der Produktgas-Leitung 15A bedarfsweise zuführbar . Hierzu ist Sauerstof f O2 in einem Gasbehälter 27 bevorratet , der an die Zufuhrleitung 21 angeschlossen ist . Somit ist aus dem Gasbehälter 27 Sauerstof f über das Gasdruck-Regelventil 23 entnehmbar und der Produktgas-Leitung 15A zuführbar . Ein solcher Bedarf kann sich beispielsweise in einem tiefen Teillastbetrieb der Elektrolyseanlage 1 ergeben, wenn eine unerwünscht hohe Fremdkonzentration an Wasserstof f H2 in dem Produktgas Sauerstof f O2 auf der Anodenraum 9 zu verzeichnen ist , dem wirksam zu begegnen ist . An die Unterdruckpumpe 17 ist eine Drehzahl-Regeleinrichtung 25 angeschlossen, so dass die Drehzahl der Unterdruckpumpe 17 präzise regelbar ist .
Gegenüber FIG 1 zeigt FIG 2 eine alternative Ausgestaltung der Elektrolyseanlage 1 hinsichtlich der Zufuhrleitung 13A für das Edukt-Wasser 5 und der Zufuhrleitung 21 , die an die Produktgas-Leitung 15A mündet . So ist in FIG 2 in die Zufuhrleitung 13A statt einer Zirkulationspumpe 29 ein auf einen Solldruck einstellbares Druckhalteventil 31 oder Drossel eingebaut . Das Druckhalteventil 31 sorgt dafür, dass der Druck auf der Eingangsseite des Ventils konstant bleibt . Es wird dort eingesetzt , um zu gewährleisten, dass der Leitungsdruck in der Zufuhrleitung 15A konstant bleibt oder wo ein bestimmter Gegendruck für z . B . die Unterdruckpumpe 17 erzeugt werden muss , was vorliegend sehr vorteilhaft ist . Das Druckhalteventil 31 , auch Druckbegrenzungsventil genannt , stellt dabei sicher, dass der vorgegebene Arbeitsdruck für das Druckhalteventil 31 aufrechterhalten wird, und damit ein möglichst konstanter Arbeitsdruck im Anodenraum 9 sichergestellt ist über eine druckgeregelte Zufuhr von Edukt-Wasser 5 durch die Zufuhrleitung 13A in den Anodenraum 9 . Wenn der Druckabfall zu groß ist , schließt das Druckbegrenzungsventil 31 , um zu verhindern, dass noch mehr Druck abgelassen wird; wenn der eingestellte Druck erreicht ist , öf fnet sich das Druckhalteventil 31 wieder, um den Druck vor dem Ventil kon- steint zu halts
Weiterhin ist in FIG 2 eine gegenüber FIG 1 alternative Ausgestaltung der Zufuhrleitung 21 gezeigt , die in die Produktgas-Leitung 15A angeschlossen ist . Diese ist derart eingerichtet , dass bedarfsweise als Gas gefilterte Umgebungsluft angesaugt werden kann . Hierzu ist ein Ansaugstutzen mit einem Filterelement 33 vorgesehen und statt des Sauerstof f Gasbehälters 27 der FIG 2 an die Zufuhrleitung 21 angeschlossen . Das Gasdruck-Regelventil 23 sorgt für eine bedarfsweise Zufuhr gereinigter und gefilterter Umgebungsluft , etwa für einen Teillastbetrieb . Hierbei sorgt im Teillast- oder ggf . im Regelbetrieb der Elektrolyseanlage 1 der über die Unterdruckpumpe 17 bereitgestellte Unterdrück für ein selbsttätiges Einströmen der Umgebungsluft in die Produktgas-Leitung 15A, sobald das Gasdruck-Regelventil entsprechend öf fnet .
Im Betrieb der beispielhaften Elektrolyseanlage 1 wird in dem Elektrolyseur 3 eine PEM-Elektrolyse unter Siedebedingungen des Edukt-Wassers 5 durchgeführt . Dabei wird Wasserstof f H2 und Sauerstof f 02 als Produktgase aus dem in die Gasphase gebrachten Edukt-Wasser 5 erzeugt . Dabei wird Wasser als Edukt- Wasser 5 dem Elektrolyseur 1 über die Zufuhrleitung 13A zugeführt und an der protonendurchlässigen Membran zu Wasserstof f H2 und Sauerstof f 02 auf gespalten . Vor der elektrochemischen Aufspaltung wird das Edukt-Wasser 5 hinsichtlich Druck pE und Temperatur TE bereits in einen thermodynamischen Zustand in der Nähe des Siedepunktes des Wassers gebracht und in diesem Zustand der protonendurchlässigen Membran 7 zugeführt . Das so hinsichtlich des thermodynamischen Zustands konfektionierte Edukt-Wasser 5 wird im Anodenraum 9 erst unmittelbar an der Membran 7 zum Sieden gebracht und dadurch in die Gasphase überführt . Hierdurch wird das Edukt-Wasser 5 in der Gasphase an der Membran 7 auf gespalten .
Dabei ist im vorliegenden Aus führungsbeispiel mittels der in FIG 1 und FIG 2 gezeigten Elektrolyseanlage 1 ganz besonders vorteilhaft eine Verfahrens führung in einem Unterdruckbetrieb möglich, um die Siedebedingung bei moderaten Betriebstemperaturen zu erreichen . Hierbei wird Edukt-Wasser 5 zunächst von einer Anf angstemperatur TE und einem Anfangsdruck pE über die Zufuhrleitung 13A dem Elektrolyseur 3 zugeführt oder als vollentsal ztes Frischwasser nachgeführt . Der Wert der Anfangstemperatur Tx in der Zufuhrleitung 13A kann Frischwassertemperatur von beispielsweise TE = 25 ° C betragen oder das Edukt-Wasser 5 kann durch eine Zirkulation in dem Prozess betriebsbedingt bereits auf eine entsprechend höhere Temperatur Tx > 25 ° C vorgewärmt sein . Der Anfangsdruck pE beträgt mindestens pi = 1013 mbar . Das Edukt-Wasser 5 wird über die Zufuhrleitung 13A in dem Anodenraum 9 zugeführt und durch Wärmeübertragung unter Ausnutzung der anfallenden Prozesswärme des Elektrolyseprozesses auf die Betriebstemperatur TE gebracht , wobei die Temperatur TE von 60 ° C bis 80 ° C als Betriebstemperatur eingestellt wird . Von dem Anfangsdruck oder hohen Druck pE von pE > 1013 mbar, also mindestens Atmosphärendruck, wird nun das Edukt-Wasser 5 im Anodenraum 9 auf einen niedrigeren Druck pE gebracht , so dass der thermodynamische Zustand in der Nähe des Siedepunkts bei der eingestellten Betriebstemperatur TE erreicht wird . Dabei wird Edukt- Wasser 5 einem Anodenraum 9 und einem durch die Membran 7 räumlich getrennten Kathodenraum 11 zugeführt , wobei in dem Anodenraum 9 der niedrigere Druck pE eingestellt wird, so dass ein Di f ferenzdruckbetrieb mit einem Di f ferenzdruck Ap durchgeführt wird . In dem Anodenraum 9 wird als niedrigerer Druck pE ein Druck von 200 mbar bis 500 mbar, insbesondere von 300 mbar bis 400 mbar eingestellt . Dieses Druckniveau wird durch den Betrieb der Unterdruckpumpe 17 erreicht und aufrechterhalten . Das Edukt-Wasser 5 wird in dem Anodenraum 9 verdampft , so dass zugleich eine sehr ef fi ziente Siedekühlung der Membran 7 bewirkt wird, was durch die für die Verdampfung des Edukt-Wassers 5 aus der Prozesswärme der Elektrolyse verfügbare Verdampfungsenthalpie erreicht wird . Somit wird nahezu die gesamte betriebsbedingte „Verlustwärme" unmittelbar in den Elektrolyseprozess zurückgegeben und lokal wirksam an der Membran 7 ausgenutzt , anstatt die Wärme über externe Kühlkreisläufe und Wärmesenken aus dem Prozess abzuführen . Bei dieser Unterdruckbetriebsweise mit einem Di f ferenzdruck Ap wird in dem Kathodenraum 11 ein höherer Druck als in dem Anodenraum 9 eingestellt . Ein konstanter Di f ferenzdruck Ap im Bereich von 10 bar bis 15 bar, wahlweise im Bereich 12 bar bis 14 bar wird dabei aufrechterhalten . In dem Anodenraum 9 wird eine Temperatur aufrechterhalten, die der Siedetemperatur Ts von Wasser unter dem gewählten thermodynamischen Zustand für den Betrieb entspricht , wobei bei dem Druck pE für die Temperaturen gilt TE » Ts . Für den Kathodenraum 11 ist es vorteilhaft , dass die Temperatur in etwa auf derselben Temperatur TE eingestellt wird, wie im Anodenraum 9 . Hingegen ist es vorteilhaft , den Druck in dem Kathodenraum 11 höher einzustellen als den Druck pE im Anodenraum 9 , wie oben ausgeführt . Dadurch wird die Siedebedingung gezielt nur lokal im Anodenraum 9 herbeigeführt . Vorteilhaft kann durch die Einstellung desselben Temperaturniveaus in dem Kathodenraum 11 und in dem Anodenraum 9 das Edukt-Wasser 5 gleichermaßen anodenseitig und kathodenseitig verwendet werden und unverbrauchtes Edukt-Wasser 5 oder nachgefülltes vollentsal ztes Frischwasser zirkulieren . Man benötigt keine vollständig getrennten Kreisläufe für die Versorgung mit Edukt-Wasser 5 .
Prinzipiell sind mit der Erfindung verschiedene Möglichkeiten eröf fnet , um die Siedebedingung zu erreichen . Die Betriebsführung bzw . das Verfahren ist also nicht auf einen Unterdruckbetrieb beschränkt , wie in FIG 1 und FIG 2 ausgeführt . Es ist ebenso möglich einen Niederdruckbetrieb mit Drucken pE von bis etwa 1013 mbar - atmosphärischer Druck zu fahren, wobei die Siedebedingung erreicht wird . Ebenso Niedertempera- tur-Elektrolysen mit Betriebstemperaturen von bis zu 130 ° C sind vorteilhaft und flexibel möglich, unter Ausnutzung der Verlustwärme für den Verdampfungsprozess .
Die prinzipiell zur Verfügung stehenden Möglichkeiten werden nachfolgend anhand FIG 3 veranschaulicht . FIG 3 zeigt anhand des Phasendiagramms des Wassers verschiedene Zustandsänderungen des Edukt-Wassers 7 in einem Betriebsbereich bei einer beispielhaften Temperatur von TE » 80 ° C . In diesem beispielhaft gewählten Ausgangspunkt befindet sich das Edukt-Wasser 7 im Gleichgewicht mit seiner Gasphase beim einer Siedetemperatur TE ~ Tg = 80 ° C und einem Siededruck oder Sättigungsdampfdruck von pE ~ ps = 474 mbar :
H2O ( g) H2O ( 1 )
Die Reaktionen des Systems auf die Änderungen einzelner Zustandsgrößen wie Druck und Temperatur laufen auf eine Verschiebung der Gleichgewichtslage hinaus . Es läuft derj enige Phasenübergang verstärkt ab, der die Störung wieder rückgängig macht , gemäß dem Prinzip des kleinsten Zwangs . Wir betrachten verschiedene thermodynamische Zustandsänderungen P2 , P2 , P3, P4 in der Nähe des Siedepunkts Ts .
P2 : Wird das System auf eine Temperatur von TE = 70 ° C abgekühlt , so ist der Dampfdruck der Gasphase zu hoch, und Wasserdampf kondensiert so lange , bis der Dampfdruck den neuen Gleichgewichtswert von 312 mbar aufweist oder kein gas förmiges Wasser mehr übrig ist . Diese Prozess führung führt zur Kondensation und würde das Edukt-Wasser 5 in einen thermodynamischen Zustand vom Siedepunkt des Wassers wegführen .
P2 : Wird das System hingegen auf 90 ° C erwärmt , so ist der Dampfdruck der Gasphase zu niedrig, und Wasser verdampft so lange , bis der Dampfdruck den neuen Gleichgewichtswert von 702 mbar aufweist oder kein flüssiges Wasser mehr übrig ist . Dies entspricht einer isobaren Temperaturerhöhung bis zum Sieden des Edukt-Wassers 7 und ist auch vorteilhaft auf den Bereich einer Niedertemperatur-Elektrolyse bis 130 ° C anwendbar und übertragbar .
P3 : Wird hingegen der Druck bei gleichbleibender Temperatur von 474 mbar auf 700 hPa erhöht , so ist der Dampfdruck der Gasphase zu hoch, und gas förmiges Wasser kondensiert so lange , bis der Dampfdruck den alten Gleichgewichtswert von 474 mbar aufweist oder kein Wasserdampf mehr übrig ist . Diese Prozess führung führt zur Kondensation und würde das Edukt- Wasser 5 in einen thermodynamischen Zustand vom Siedepunkt des Wassers wegführen .
P4 : Wird der Druck bei gleichbleibender Temperatur von 474 mbar auf 250 mbar erniedrigt , so ist der Dampfdruck der Gasphase zu niedrig, und Wasser verdampft so lange , bis der Dampfdruck den alten Gleichgewichtswert von 474 hPa aufweist oder kein flüssiges Wasser mehr übrig ist . Dies entspricht dem Unterdruckbetrieb mit der Siedekühlung, bei der eine isotherme Druckerniedrigung vorgenommen wird, wie anhand der Aus führungsbeispiele der Elektrolyseanlage gemäß FIG 1 und FIG 2 erläutert .
Daher ist es gemäß der Erfindung vorgeschlagen, zur Erzielung einer Verdampfung des Edukt-Wasser 5 den Prozess unter Ausnutzung der Zustandsänderungen P2 oder P4 vorteilhaft durchzuführen . Dabei sind auch Kombinationen dieser Zustandsänderungen möglich, um die j eweilige Siedebedingung durch Temperaturerhöhung gemäß P2 und/oder Druckerniedrigung gemäß P4 zu erreichen . Es sind auch thermodynamische Zustände bzw . Betriebsbedingungen j enseits des Normalsiedepunkts Y mit Temperaturen TE » TS oberhalb der Normalsiedetemperatur von 100 ° C und Drucken oberhalb des Normalsiededrucks von 1013 mbar möglich unter Anwendung der Siedebedingung im Anodenraum 9 . Wichtig ist , dass hinsichtlich Druck und Temperatur das Edukt-Wasser 5 in einen thermodynamischen Zustand in der Nähe des j eweiligen Siedepunkts gebracht wird . Durch einen lokalen Wärmeeintrag wird dann das Edukt-Wasser an der Membran beispielsweise von der Temperatur TE nahe unterhalb der Siedetemperatur Ts auf die Siedetemperatur Ts erwärmt, wodurch Edukt-Wasser 5 von der flüssigen Phase in die Gasphase überführt wird. Der letzte Schritt der Verfahrensführung ist der Verdampfungsschritt. Dieser erfolgt lokal unmittelbar an der Membran 7 unter Ausnutzung der Verlustwärme. Die Temperaturdifferenz der Temperatur TE des Edukt-Wassers 5 und der Siedetemperatur Ts wird daher gering gewählt, bevorzugt ist diese Temperaturdifferenz deutlich kleiner als 5°C, besser noch beträgt diese lediglich zwischen 1,5°C und 2,5°C.
In FIG 4 ist beispielhaft in einem schematischen und stark vereinfachten Diagramm ein Temperaturverlauf mit Energieaufwand einer Normmenge von 1 kg Edukt-Wassers 7 gezeigt, das als Frischwasser unter Normalbedingungen 1013 mbar und 25°C in den Elektrolyseur 3 einer Elektrolyseanlage 1 eingespeist wird und das dem Prozess unterworfen wird. Dabei wird in einer einfachen Betrachtung der Druck konstant gehalten bei einem Anfangsdruck pE = PE = 1013 mbar, d.h. der Druck bleibt unverändert. Das Edukt-Wasser 5 wird nun bei dem konstanten Druck pE von einer niedrigen Temperatur TE = 25°C auf die höhere Temperatur TE = 97 , 5° C erwärmt, z.B. auf einer Vorwärmstrecke in der Zufuhrleitung 13A und in dem Anodenraum 9 selbst. Dadurch wird das Edukt-Wasser 5 nahe unterhalb der Siedetemperatur des Wassers Ts = 100°C bei dem Normaldruck gebracht, so dass ein thermodynamischer Zustand in der Nähe des Siedepunkts erreicht wird, mit Ts - TE = 2,5 °C. Als Wärmeenergie wird hierbei die zur Verfügung stehende Prozesswärme aus der Elektrolyse aufgewendet, die auf das Edukt-Wasser 5 in dieser Aufwärmphase A übertragen. In unmittelbarer Nähe der Oberfläche der katalytisch beschichteten Membran 7 erfolgt die weitere Aufwärmung bzw. Erhitzung des Edukt-Wassers 5 bis zum Erreichen der Siedetemperatur Ts = 100°C, bis das Sieden herbeigeführt wird. Hierzu ist ein Energiebedarf in der Aufwärmphase von AW = 315 kJ/kg erforderlich, da eine Temperaturdifferenz von 75°C aufgewendet wurde. In der sich anschließenden Verdampfungsphase V wird das Edukt-Wasser nun vollständig verdampft und in die Gasphase überführt für die elektrolytische Zersetzungsreaktion an der Membran 7 .
Während des Phasenübergangs der Flüssigkeit zum Gas j edoch bleibt die Temperatur konstant , sofern auch der Druck konstant bleibt , was hier der Fall ist . Sämtliche zugeführte thermische Energie wird somit in die Zustandsänderung investiert . In der Verdampfungsphase V ist eine Verdampfungsenthalpie von AH erforderlich, die aus der Prozesswärme unmittelbar an der Membran 7 und aus dem Anodenraum 8 entnommen wird, wodurch eine ef fektive Siedekühlung der empfindlichen Membran 7 erreicht wird . Die Siedekühlung oder Verdampfungskühlung ist im Vergleich mit den konkurrierenden Methoden wie Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung die wirkungsvollste Möglichkeit , einem System oder Gegenstand Wärme bzw . thermische Energie zu entziehen, was hier sehr vorteilhaft ausgenutzt wird . Die unter isobaren Verhältnissen bei 100 ° C und 1013 mbar pro kg Wasser zuzuführende Verdampfungsenthalpie beträgt in der Verdampfungsphase V AH = 2 . 257 kJ/ kg . Die Aufspaltung des Edukt-Wassers 7 erfolgt an der Membran 7 ausschließlich oder überwiegend in der Gasphase , was sehr ef fizient ist . Eine weitere Aufhei zung des gas förmigen Edukt- Wassers 5 j enseits der Verdampfungsphase spielt daher praktisch keine Rolle . Diese Phase weiterer Temperaturerhöhung ist daher in dem Diagramm der FIG 4 nur gestrichelt angedeutet .
Es ist damit möglich, das Edukt-Wassers 5 auf eine Betriebstemperatur der Niedertemperatur-Elektrolyse zu erwärmen, die einer gegenüber der Anf angstemperatut Tx von 25 ° C deutlich höheren Temperatur TE entspricht , wobei eine höhere Temperatur TE von bis zu 130 ° C eingestellt werden kann . Damit einhergehend ist auch ein entsprechend höherer Betriebsdruck pE zum Erreichen der Siedebedingung anwendbar . Vorteilhaft wird für eine Niedertempertatur-Elektrolyse eine Temperatur TE zwischen 90 ° C und 120 ° C eingestellt .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage (1) umfassend einen Elektrolyseur (3) zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) als Produktgase, wobei Wasser als Edukt-Wasser (5) dem Elektrolyseur (1) zugeführt wird und an einer ionendurchlässigen Membran (7) zu Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) aufgespalten wird, wobei vor der
Aufspaltung das Edukt-Wasser (5) hinsichtlich Druck (pE) und Temperatur (TE) in einen thermodynamischen Zustand in der Nähe des Siedepunktes des Wassers gebracht wird und in diesem Zustand der Membran (7) zugeführt wird, wobei Edukt-Wasser (5) an der Membran (7) zum Sieden gebracht und dadurch in die Gasphase überführt wird, und wobei Edukt-Wasser (5) in der Gasphase an der Membran (7) aufgespalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Edukt-Wasser (5) durch einen lokalen Wärmeeintrag an der Membran (7) von der Temperatur (TE) nahe unterhalb der Siedetemperatur (Ts) auf die Siedetemperatur (Ts) erwärmt wird, wodurch Edukt- Wasser (5) von der flüssigen Phase in die Gasphase überführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem eine Temperaturdifferenz der Temperatur (TE) und der Siedetemperatur (Ts) von kleiner als 5°C, insbesondere zwischen 1,5°C und 2,5°C, eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Edukt- Wasser (5) bei einem Druck (pE) von einer niedrigen Temperatur (T2) auf eine höhere Temperatur (TE) erwärmt wird, so dass der thermodynamische Zustand in der Nähe des Siedepunkts erreicht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Edukt-Wasser (5) auf eine Betriebstemperatur der Niedertemperatur- Elektrolyse erwärmt wird, die der höheren Temperatur (TE) entspricht, wobei eine höhere Temperatur (TE) von bis zu 130°C, insbesondere zwischen 90°C und 120°C, eingestellt wird .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem Edukt- Wasser (5) bei einer Temperatur (TE) von einem hohen Druck (pi) auf einen niedrigeren Druck (pE) gebracht wird, so dass der thermodynamische Zustand in der Nähe des Siedepunkts erreicht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem Edukt-Wasser (5) einem Anodenraum (9) und einem durch die Membran (7) räumlich getrennten Kathodenraum (11) zugeführt wird, wobei in dem Anodenraum (9) der niedrigere Druck (pE) eingestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem im Anodenraum (9) als niedrigerer Druck (pE) ein Druck von 200 mbar bis 500 mbar, insbesondere von 300 mbar bis 400 mbar eingestellt wird .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem Edukt-
Wasser (5) im Anodenraum (9) verdampft wird, so dass eine
Siedekühlung der Membran (7) bewirkt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem in dem Kathodenraum (11) ein höherer Druck als in dem Anodenraum (9) eingestellt wird, wobei ein Differenzdruck (Ap) von 10 bar bis 15 bar aufrechterhalten wird.
11. Elektrolyseanlage (1) mit einem Elektrolyseur (3) zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) als Produktgase, bei der der Elektrolyseur (3) eine Zufuhrleitung (13) für Edukt-Wasser (5) sowie einen Anodenraum (9) und einen Kathodenraum (11) aufweist, wobei der Anodenraum (9) und der Kathodenraum (11) durch eine ionen- durchlässige Membran (7) getrennt sind, und wobei eine Produktgas-Leitung (15A) an den Anodenraum (9) angeschlossen ist, in die eine Unterdruckpumpe (17) geschaltet ist, so dass ein Unterdrück in dem Anodenraum (9) erzeugbar ist . Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 11, mit einem in die Produktgas-Leitung (15A) geschalteten Gaskühler (19) , der der Unterdruckpumpe (17) auf deren Druckseite nachgeschaltet ist. Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 11 oder 12, mit einer in die Produktgas-Leitung (15) einmündenden Zufuhrleitung (21) , in die ein Gasdruck-Regelventil (23) geschaltet ist, so dass über die Zufuhrleitung (21) ein Gas, insbesondere gefilterte Umgebungsluft, der Produktgas- Leitung (15) zuführbar ist. Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 13, mit einem Gasbehälter (27) , der an die Zufuhrleitung (21) angeschlossen ist, so dass aus dem Gasbehälter (27) ein Gas über das Gasdruck-Regelventil (23) entnehmbar und der Produktgas- Leitung (15) zuführbar ist. Elektrolyseanlage (1) nach einem der Ansprüche 11 bis
14, ausgestattet mit einer an die Unterdruckpumpe (17) angeschlossenen Drehzahl-Regeleinrichtung (25) , mit der die Drehzahl der Unterdruckpumpe (17) regelbar ist. Elektrolyseanlage (1) nach einem der Ansprüche 11 bis
15, mit einer als Schraubenverdichter ausgestalteten Unterdruckpumpe (17) . Elektrolyseanlage (1) nach einem der Ansprüche 11 bis
16, bei der der Anodenraum (9) und der Kathodenraum (11) durch eine protonendurchlässige Membran (7) getrennt sind, so dass eine PEM-Elektrolyse durchführbar ist.
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