WO2014016057A1 - Elektrolyseur - Google Patents

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WO2014016057A1
WO2014016057A1 PCT/EP2013/062738 EP2013062738W WO2014016057A1 WO 2014016057 A1 WO2014016057 A1 WO 2014016057A1 EP 2013062738 W EP2013062738 W EP 2013062738W WO 2014016057 A1 WO2014016057 A1 WO 2014016057A1
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WO
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oxygen
hydrogen
heat exchanger
circuit
electrolyzer
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Ceased
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PCT/EP2013/062738
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French (fr)
Inventor
Ewald WAHLMÜLLER
Thomas Stadler
Paul ZWIRCHMAYR
Josef FÜGER
Elisabeth NEUMAIR
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Fronius International GmbH
Original Assignee
Fronius International GmbH
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/103—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of more than two coaxial conduits or modules of more than two coaxial conduits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Definitions

  • the subject invention relates to an electrolyzer for producing the product gases hydrogen and oxygen, wherein a drying unit for drying the product gas hydrogen is provided and an associated method for drying the product gases produced in an electrolysis process hydrogen and oxygen.
  • the highest possible temperature level is desired in the electrolysis process, e.g. 80 ° C.
  • it must be dried to a certain dew point, e.g. to a dew point of less than minus 45 ° C. It is therefore necessary to dry the product gas produced in an electrolyzer hydrogen, so that it can be stored even at temperatures below freezing. Oxygen is not usually dried due to the reduction of plant and energy costs, as this is not necessary.
  • An increase in the electrolysis temperature leads to an exponentially increased drying effort, which is the case with the most commonly used adsorption dryers, e.g. a molecular sieve, due to the required regeneration cycles leads to significant shortening of the service life and thus also to poor overall efficiency.
  • the TWM 421 948 Y describes e.g. a PEM (proton exchange membrane) electrolyzer, in which hydrogen is predried in a first drying stage in a condensation unit and then finished in a second drying step in a molecular sieve. The thus dried hydrogen is then stored.
  • PEM proto exchange membrane
  • sensors such as a hydrogen sensor or an oxygen sensor are often used for safety reasons to monitor explosion limits, eg the lower explosive limit (LEL) or the upper explosive limit (OEG) and thus indirectly to monitor the tightness of the electrolysis membrane.
  • LEL lower explosive limit
  • OEG upper explosive limit
  • sensors for measuring the hydrogen concentration in the recovered oxygen and / or sensors for measuring the oxygen concentration in hydrogen are used for this purpose.
  • a double-sided concentration monitoring may be necessary.
  • This object is achieved according to the invention in which a multi-circuit heat exchanger with a first circuit for cooling the hydrogen and a second circuit for cooling the oxygen is provided in the drying unit, wherein both circuits of the multi-circuit heat exchanger share a common refrigerant circuit. In this way, the oxygen is co-cooled with the hydrogen and thereby co-dried.
  • the cooled and therefore dried oxygen contains only a small amount of water.
  • the problem with the condensation of water on a sensor arranged in the oxygen circuit, such as a hydrogen sensor for detecting the hydrogen concentration, can be significantly reduced. Since the hydrogen has to be dried anyway for storage, the simultaneous cooling of the oxygen by the same refrigeration circuit only a small extra effort.
  • the co-dried oxygen now also easily, and without much additional investment, continue to be used, eg stored.
  • Such a designed electrolyzer can be used very flexibly without much additional effort in a variety of configurations, eg with or without sensors or for the continued use of oxygen.
  • the heat exchanger is designed or driven such that the dew point of the dried oxygen comes to rest below the ambient temperature of a sensor arranged in the oxygen line. This ensures that no condensation on the sensor can occur.
  • the heat exchanger can be controlled very easily eg via the length of the heat exchanger, the volume flows, the geometric relationships, the materials, the performance of the common cooling circuit, etc. (eg in a closed loop) or adjusted.
  • the heat exchanger consists of three nested, radially spaced tubes, so that three flow-through channels are formed, wherein a first channel is traversed by oxygen and a second channel by the hydrogen and a third, radially between the first and second channel arranged channel, is flowed through by the refrigerant of the refrigerant circuit.
  • Such heat exchangers of three nested tubes are known per se for other media, e.g. from DE 33 18 722 A1.
  • the medium is passed through the innermost tube with the highest pressure, since then the wall thicknesses of the tubes can be minimized. It is particularly advantageous in this context if the pressures of the media guided through the tubes decrease from the inside to the outside.
  • Drying can be improved if an adsorption dryer for drying the hydrogen is arranged in the drying unit downstream of the heat exchanger in the hydrogen line and / or if a water separator is arranged in the drying line in the oxygen line upstream of the heat exchanger.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a regenerative power generation plant with an electrolyzer according to the invention
  • FIG. 2 shows an advantageous embodiment of a drying unit of the electrolyzer
  • Figure 3 shows a cross section through the heat exchanger of the drying unit
  • FIG. 4 shows a schematic block diagram of the drying unit.
  • an electrolysis unit 2 of an electrolyzer for example, a high-pressure PEM electrolyzer, with water and electricity from a power source 6, for example, a photovoltaic system, a wind turbine, an electrical supply network, etc. , provided. From this the electrolyzer 1 produces in known Oxygen way 0 2 and hydrogen H 2 . Structure and function of the various types of electrolyzer 1 are well known, which is why will not be discussed in detail here. In addition, the exact type of electrolyzer 1 for the subject invention is also irrelevant.
  • the generated hydrogen H 2 is dried in a drying unit 3 to a certain dew point and stored in a hydrogen storage 4.
  • the hydrogen H 2 can be removed in order to generate electric current in a fuel cell 5.
  • Drying unit 3 and electrolysis unit 2 may be integrated in the electrolyzer 1, but may also be two separate units.
  • the fuel cell 5 could also be integrated in the electrolyzer 1.
  • a hydrogen sensor 8 for measuring the hydrogen concentration in the product gas oxygen 0 2 is arranged for LEL monitoring.
  • an oxygen sensor 10 for measuring the oxygen concentration in the product gas hydrogen H 2 may be arranged for OEG monitoring, as indicated in Figure 1.
  • the oxygen O 2 is not used as a rule and is released under ambient pressure to the atmosphere, as indicated in Figure 1.
  • the measured values of the hydrogen sensor 8 and / or the oxygen sensor 10 are supplied to a control unit 7, which in case of exceeding a predetermined allowable hydrogen and / or oxygen concentration, which indicates damage in the electrolysis unit 2 of the electrolyzer, a safety function , eg an emergency shutdown of the electrolyzer 1 and / or the entire system triggers.
  • the control unit 7 can also be used to control the electrolyzer 1 and / or the remaining components of the regenerative power generation plant, as indicated in Fig.1 by the dashed lines.
  • FIGS. 2 and 3 an advantageous embodiment of the drying unit 3 is shown.
  • a multi-circuit, here a dreinikiger, heat exchanger 20 is arranged.
  • the heat exchanger 20 here consists of three concentrically nested and radially spaced tubes 30, 31, 32 (see Figure 3), so that radially between the tubes three axially effetströmbare channels 33, 34, 35 arise.
  • the heat exchanger 20 is here bent meandering, but could of course take any other form, for example, straight or cylindrical wound in the form of a coil, etc.
  • the shape of the heat exchanger 20 is preferably adapted to the available space in the drying unit 3, wherein, accordingly, the minimum bending radii of the tubes 30, 31, 32 are maintained. It is essential here that the length of the heat required for the required cooling meleyer 20 is achieved. For example, this is in the range of 1 to 3 m, depending on the available cooling capacity of the refrigeration circuit 27 and the geometric conditions.
  • the heat exchanger 20 has an input port 24 and an output port 25. Further, a refrigeration cycle 27 is provided, which includes a refrigerant line 21, and a cooling system 22.
  • the cooling system 22 may be e.g. be designed as a compressor with a suitable coolant.
  • the waste heat 23 of the cooling system 22 may e.g. also be used for other processes or for storage in a heat storage.
  • the output from the electrolysis unit 2 hydrogen H 2 which includes a certain proportion of water vapor, out.
  • the refrigerant of the refrigerant circuit 27 is guided in the channel 34 between the innermost tube 30 and the middle tube 31 .
  • the discharged from the electrolysis unit 2 oxygen 0 2 which includes a certain proportion of water vapor out.
  • the refrigerant is passed in countercurrent through the heat exchanger 20, which of course could also be done in cocurrent.
  • the heat exchanger 20 is now designed or controlled, for example over the length of the heat exchanger 20, the volume flows, the geometric relationships, the materials, the performance of the refrigeration circuit 27, etc., that the hydrogen H 2 at the output 25 of the heat exchanger on dried a certain minimum dew point.
  • the cooling circuit 27 could also be controlled accordingly in a closed loop.
  • the oxygen O 2 is co-dried in this way and reaches at the end of the heat exchanger 20 substantially the same temperature as the hydrogen H 2 .
  • a cooling of, for example, about 80 ° C to about 5 ° C whereby a corresponding amount of moisture is removed and the product gases hydrogen H 2 and oxygen are dried 0 2 .
  • the drying thus causes a dew point in the range of minus 45 ° C results, although the product gases has a temperature of 5 ° C.
  • the refrigerant is conducted in countercurrent, this is heated substantially to the temperature of the hydrogen H 2 at the inlet port 24, ie in the range of, for example, 80 ° C.
  • the waste heat 23 can be used efficiently, for example via a further heat exchanger not shown here.
  • the heat exchanger 20 is thus made set or controlled that the dew point of the oxygen 0 2 below the ambient temperature in the range of the hydrogen sensor 8, which can be easily measured, for example, so that condensation on the hydrogen sensor 8 is excluded.
  • the innermost tube 30 has a diameter of 6mm and carries in the innermost channel 33 hydrogen H 2 at a very high pressure, eg 200bar and higher.
  • the middle tube 31 has a diameter of 12mm and in the middle channel 34 refrigerant is fed at a pressure of 10-20bar.
  • the outer tube 32 has a diameter of 16mm and in the outer channel 35 oxygen 0 2 is conducted at ambient pressure.
  • the medium with the highest pressure is advantageously guided through the innermost tube 30, wherein the pressure in the tubes 30, 31, 32 preferably decreases toward the outside.
  • the tubes 30, 31, 32 are preferably made of stainless steel. It is essential here a good thermal conductivity of the tubes 30, 31, 32, so that the drying of the moist product gases H 2 , 0 2 is faster. Drying is also accelerated by a high pressure, since the volume to be cooled is reduced.
  • the high pressure can be built up by a pressure increasing unit, which can be arranged after the heat exchanger 20 and upstream of the drying unit 3.
  • the pressure increasing unit remains substantially closed during the electrolysis, so that the product gases build up to the required pressure. If the desired pressure is reached, the pressure increase unit is opened and the product gases flow through the drying unit 3.
  • any other suitable embodiment of a multi-circuit heat exchanger with a common cooling circuit 27 could be used, for example a multi-circuit plate heat exchanger.
  • an adsorption dryer 37 for example a molecular sieve, may additionally be arranged in the drying unit 3 downstream of the heat exchanger 20 in order to further dry the hydrogen H 2 before it is stored in the hydrogen storage 4 .
  • the oxygen O 2 from the electrolysis unit 2 could be passed in front of the heat exchanger 20 via a, known per se, water separator 36 to separate water from the product gas oxygen 0 2 .
  • the discharged condensate (pure water) can also be recycled via the condensate line 26 into the electrolysis unit 2.
  • the oxygen O 2 in the two-circuit heat exchanger 20 contains downstream of the drying unit 3 only so small amounts of water that this one neannon on a arranged in the oxygen line sensor 8 no problems.
  • the dried product gas oxygen O 2 instead of being released into the atmosphere unused, can be directly used industrially. Thus, no additional measures are necessary at the sensors 8, 10 in order to ensure its proper functioning.

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Abstract

Um einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff sehr flexibel einsetzbar zu machen, wird vorgeschlagen, eine Trocknungseinheit vorzusehen, in der ein mehrkreisiger Wärmetauscher (20) mit einem ersten Kreis zur Kühlung des erzeugten Wasserstoffs (H2) und einem zweiten Kreis zur Kühlung des erzeugten Sauerstoffes (02) vorgesehen ist, wobei beide Kreise des mehrkreisigen Wärmetauschers (20) einen gemeinsamen Kältekreis (27) aufweisen.

Description

Elektrolyseur
Die gegenständliche Erfindung betrifft einen Elektrolyseur zur Erzeugung der Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff, wobei eine Trocknungseinheit zur Trocknung des Produktgases Wasserstoff vorgesehen ist und ein zugehöriges Verfahren zur Trocknung der in einem Elektrolyseprozess hergestellten Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff.
Zur Erzeugung von Wasserstoff werden häufig Elektrolyseure eingesetzt, die Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten, die dann als Produktgase abgeführt werden. Sauerstoff wird in der Regel nicht wirtschaftlich verwertet, sondern an die Atmosphäre abgegeben. Aufgrund des Elektrolyseprozesses enthalten die Produktgase unvermeidlich einen bestimm- ten Anteil Wasserdampf, der umso höher ist, umso höher die Elektrolysetemperatur ist.
Gleichzeitig wird zwecks Verbesserung der Wärmeauskoppelung und zur Erhöhung des Wirkungsgrades ein möglichst hohes Temperaturniveau im Elektrolyseprozess angestrebt, z.B. 80°C. Zur Speicherung und Lagerung von Wasserstoff muss dieser allerdings auf einen bestimmten Taupunkt getrocknet werden, z.B. auf einen Taupunkt von kleiner minus 45°C. Es ist also notwendig, das in einem Elektrolyseur hergestellte Produktgas Wasserstoff zu trocknen, sodass es auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt gelagert werden kann. Sauerstoff wird dabei aufgrund der Reduzierung des Anlagen- und Energieaufwands in der Regel nicht getrocknet, da dies nicht notwendig ist. Eine Erhöhung der Elektrolysetemperatur führt allerdings zu einem exponentiell erhöhten Trocknungsaufwand, was bei den zumeist eingesetzten Adsorptionstrocknern, z.B. ein Molekularsieb, aufgrund der benötigten Regenerationszyklen zu erheblichen Verkürzungen der Standzeiten und damit auch zu schlechten Gesamtwirkungsgraden führt.
Daher sind schon Elektrolyseure bekannt geworden, die das Produktgas Wasserstoff in einem zweistufigen Prozess trocknen. Die TWM 421 948 Y beschreibt z.B. einen PEM (proton exchange membrane) Elektrolyseur, bei dem Wasserstoff in einer ersten Trocknungsstufe in einer Kondensationseinheit vorgetrocknet wird und anschließend in einer zweiten Trocknungsstufe in einem Molekularsieb fertiggetrocknet wird. Der derart getrocknete Wasserstoff wird dann gelagert.
In einem Elektrolyseprozess werden aus Sicherheitsgründen häufig auch Sensoren, z.B. ein Wasserstoffsensor oder ein Sauerstoffsensor, eingesetzt, um Explosionsgrenzen, z.B. die untere Explosionsgrenze (UEG) oder die obere Explosionsgrenze (OEG) zu überwachen und um damit indirekt auch die Dichtheit der Elektrolysemembran zu überwachen. Häufig werden dazu Sensoren zur Messung der Wasserstoffkonzentration im gewonnenen Sauerstoff und/oder Sensoren zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Wasserstoff eingesetzt. Je nach Elektrolysetyp kommen verschiedene Überwachungsprinzipien zur Anwendung. Z.B. ist bei PEM Elektrolyse eine Überwachung der H2 Konzentration im Anodensystem (=Speisewassersystem bzw. 02 Produktgasseite) üblich. Bei alkalischer Elektrolyse werden dagegen z.B. vielfach sowohl Anoden- als auch Kathodensystem (=H2 Produktgasseite) auf Einhaltung der unteren und oberen Explosionsgrenzen überwacht. Allerdings kann auch bei PEM Elektrolyse in Abhängigkeit vom Betriebsbereich (Teillastgrad) und von den Betriebsparametern (Druck auf der Anode bzw. Druckdifferenz zwischen Anode und Kathode) eine beidseitige Konzentrationsüberwachung nötig sein.
In den Produktgasen Wasserstoff und Sauerstoff ist aber immer Wasserdampf enthalten, der am jeweiligen Sensor kondensieren kann, was die Messergebnisse verfälschen kann. Das ist insbesondere bei der Verwendung von thermischen Halbleitersensoren der Fall. Daher sind an den Sensoren zusätzliche Maßnahmen notwendig, um das zu verhindern. Z.B. werden die Sensoren oftmals beheizt, um eine Kondensation von Wasser am Sensor zu verhindern. Das ist aber mit zusätzlichem Instrumentenaufwand verbunden.
Es ist daher eine Aufgabe, einen flexibel einsetzbaren Elektrolyseur anzugeben, der anoden- und/oder kathodenseitig mit Sensoren zur Sicherheitsüberwachung ausgestattet werden kann, ohne dabei aufwendige zusätzliche Maßnahmen am Sensor erforderlich zu machen, und der die einfache Weiternutzung beider erzeugter Produktgase ermöglicht. Gleichsam ist es eine Aufgabe ein zugehöriges Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, in dem in der Trocknungseinheit ein mehrkreisiger Wärmetauscher mit einem ersten Kreis zur Kühlung des Wasserstoffs und einem zweiten Kreis zur Kühlung des Sauerstoffes vorgesehen ist, wobei beide Kreise des mehrkreisigen Wärmetauschers einen gemeinsamen Kältekreis teilen. Auf diese Weise wird der Sauerstoff mit dem Wasserstoff mitgekühlt und dadurch gleichzeitig mitgetrocknet.
Stromab des Wärmetauschers enthält der gekühlte und damit getrocknete Sauerstoff somit nur mehr eine geringe Menge Wasser. Die Problem mit der Kondensation von Wasser an einem im Sauerstoffkreis angeordneten Sensor, z.B. ein Wasserstoffsensor zur Erfassung der Wasserstoff konzentration, können so erheblich reduziert werden. Da der Wasserstoff ohnehin für die Lagerung getrocknet werden muss, stellt die gleichzeitige Kühlung des Sauerstoffs durch denselben Kältekreis nur einen geringen Mehraufwand dar. Darüber hinaus kann der mitgetrocknete Sauerstoff nun auch einfach, und ohne viel zusätzlichen Anlagenaufwand, weitergenutzt werden, z.B. gespeichert werden. Ein derart ausgeführter Elektrolyseur kann ohne großen zusätzlichen Aufwand in unterschiedlichsten Konfigurationen, z.B. mit oder ohne Sensoren oder auch zur Weiternutzung des Sauerstoffs, und damit sehr flexibel eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Wärmetauscher so ausgelegt ist oder angesteuert wird, dass der Taupunkt des getrockneten Sauerstoffs unterhalb der Umgebungstemperatur eines in der Sauerstoffleitung angeordneten Sensors zu liegen kommt. Damit wird sichergestellt, dass es zu keiner Kondensation am Sensor kommen kann. Der Wärme- tauscher kann dabei sehr einfach z.B. über die Länge des Wärmetauschers, die Volumenströme, die geometrischen Verhältnisse, die Materialen, die Leistung des gemeinsamen Kältekreises, etc. gesteuert (z.B. in einem geschlossenen Regelkreis) oder eingestellt werden.
In einer ganz besonders kompakten, einfachen und damit vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Wärmetauscher aus drei ineinandergesteckten, radial beanstandeten Rohren be- steht, sodass drei durchströmbare Kanäle entstehen, wobei ein erster Kanal vom Sauerstoff und ein zweiter Kanal vom Wasserstoff durchströmt wird und ein dritter, radial zwischen ersten und zweiten Kanal angeordneter Kanal, vom Kältemittel des Kältekreises durchströmt wird. Solche Wärmetauscher aus drei ineinander gesteckten Rohren sind an sich für andere Medien bekannt, z.B. aus der DE 33 18 722 A1. Bevorzugt wird dabei das Medium mit dem höchsten Druck durch das innerste Rohr geführt, da dann die Wandstärken der Rohre minimal gehalten werden können. Ganz besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Drücke der durch die Rohre geführten Medien von innen nach außen abnehmen.
Die Trocknung kann verbessert werden, wenn in der Trocknungseinheit stromab des Wär- metauschers in der Wasserstoffleitung weiters ein Adsorptionstrockner zur Trocknung des Wasserstoffs angeordnet ist und/oder, wenn in der Trocknungseinheit stromaufwärts des Wärmetauschers in der Sauerstoffleitung ein Wasserabscheider angeordnet ist.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die schematischen, nicht einschränkenden Figuren 1 bis 4 näher erläutert, die die Erfindung anhand von vorteil- haften Ausgestaltungen beschreiben, näher erläutert. Dabei zeigt
Fig.1 ein schematisches Blockschaltbild einer regenerativen Energieerzeugungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Elektrolyseurs,
Fig.2 eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Trocknungseinheit des Elektrolyseurs, Fig.3 einen Querschnitt durch den Wärmetauscher der Trocknungseinheit und
Fig.4 ein schematisches Blockschaltbild der Trocknungseinheit.
In einer regenerativen Energieerzeugungsanlage wie in Fig.1 dargestellt, wird eine Elektrolyseeinheit 2 eines Elektrolyseurs 1 , z.B. ein Hochdruck-PEM-Elektrolyseur, mit Wasser und mit Strom aus einer Stromquelle 6, z.B. eine Photovoltaikanlage, eine Windkraftanlage, ein elektrisches Versorgungsnetz, etc., versorgt. Daraus erzeugt der Elektrolyseur 1 in bekann- ter Weise Sauerstoff 02 und Wasserstoff H2. Aufbau und Funktion der verschiedenen Typen eines Elektrolyseurs 1 sind hinlänglich bekannt, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird. Zudem ist der genaue Typ des Elektrolyseurs 1 für die gegenständliche Erfindung auch unerheblich. Der erzeugte Wasserstoff H2 wird in einer Trocknungseinheit 3 auf einen bestimmten Taupunkt getrocknet und in einem Wasserstoffspeicher 4 gespeichert. Von dort kann der Wasserstoff H2 entnommen werden, um in einer Brennstoffzelle 5 elektrischen Strom zu erzeugen. Trocknungseinheit 3 und Elektrolyseeinheit 2 können im Elektrolyseur 1 integriert sein, können aber auch zwei separate Einheiten sein. Die Brennstoffzelle 5 könnte natürlich auch im Elektrolyseur 1 integriert sein. In der Sauerstoffleitung 9 ist ein Wasser- stoffsensor 8 zur Messung der Wasserstoffkonzentration im Produktgas Sauerstoff 02 für eine UEG-Überwachung angeordnet. Ebenso kann in der Wasserstoffleitung 1 1 ein Sauerstoffsensor 10 zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Produktgas Wasserstoff H2 für eine OEG-Überwachung angeordnet sein, wie in Fig.1 angedeutet. Der Sauerstoff 02 wird in der Regel nicht verwendet und wird unter Umgebungsdruck an die Atmosphäre abgegeben, wie in Fig.1 angedeutet. Selbstverständlich könnte aber auch eine wirtschaftliche Verwertung des Sauerstoffs 02 vorgenommen werden. Dazu kann es zweckmäßig sein, auch den Sauerstoff zu trocknen und eventuell auch auf Überdruck zu bringen.
Die Messwerte des Wasserstoffsensors 8 und/oder des Sauerstoffsensors 10 werden an eine Steuereinheit 7 geliefert, die im Fall einer Überschreitung einer vorgegebenen zulässi- gen Wasserstoff- und/oder Sauerstoff konzentration, was auf einen Schaden in der Elektrolyseeinheit 2 des Elektrolyseurs hindeutet, eine Sicherheitsfunktion, z.B. ein Notabschaltung des Elektrolyseurs 1 und/oder der gesamten Anlage, auslöst. Die Steuereinheit 7 kann auch zur Steuerung des Elektrolyseurs 1 und/oder der restlichen Komponenten der regenerativen Energieerzeugungsanlage dienen, wie in Fig.1 durch die strichlierten Linien angedeutet. In Fig.2 und 3 ist nun eine vorteilhafte Ausgestaltung der Trocknungseinheit 3 dargestellt. In der Trocknungseinheit 3 ist ein mehrkreisiger, hier ein dreikreisiger, Wärmetauscher 20 angeordnet. In einem ersten Kreis des Wärmetauschers 20 wird Wasserstoff H2 geführt, in einem zweiten Kreis Sauerstoff 02 und der dritte Kreis wird durch den Kältekreis 27 gebildet. Der Wärmetauscher 20 besteht hier aus drei konzentrisch ineinander gesteckten und radial beabstandeten Rohren 30, 31 , 32 (siehe Fig.3), sodass radial zwischen den Rohren drei axial durchströmbare Kanäle 33, 34, 35 entstehen. Der Wärmetauscher 20 ist hier mäander- förmig gebogen, könnte aber natürlich auch jede andere Form annehmen, z.B. gerade oder zylindrisch in Form einer Spule gewickelt, etc. Die Form des Wärmetauschers 20 wird vorzugsweise an den zur Verfügung stehenden Platz in der Trocknungseinheit 3 angepasst, wobei entsprechend die minimalen Biegeradien der Rohre 30, 31 , 32 eingehalten werden. Wesentlich ist hierbei, dass die für die benötigte Kühlleistung erforderliche Länge des Wär- metauschers 20 erreicht wird. Beispielsweise liegt diese im Bereich von 1 bis 3m, in Abhängigkeit der verfügbaren Kühlleistung des Kältekreises 27 und den geometrischen Verhältnissen.
Der Wärmetauscher 20 hat einen Eingangsanschluss 24 und einen Ausgangsanschluss 25. Weiters ist ein Kältekreis 27 vorgesehen, der eine Kältemittelleitung 21 , sowie ein Kühlsystem 22 umfasst. Das Kühlsystem 22 kann z.B. als Kompressor mit einem geeigneten Kühlmittel ausgeführt sein. Die Abwärme 23 des Kühlsystems 22 kann z.B. auch für andere Prozesse oder zur Speicherung in einem Wärmespeicher verwendet werden.
Im Hohlraum 33 des radial innersten Rohres 30 wird z.B. der aus der Elektrolyseeinheit 2 abgegebene Wasserstoff H2, der einen gewissen Anteil an Wasserdampf beinhaltet, geführt. Im Kanal 34 zwischen dem innersten Rohr 30 und dem mittlerem Rohr 31 wird das Kältemittel des Kältekreises 27 geführt. Und im Kanal 35 zwischen dem äußersten Rohr 32 und dem mittlerem Rohr 31 wird der aus der Elektrolyseeinheit 2 abgegebene Sauerstoff 02, der einen gewissen Anteil an Wasserdampf beinhaltet, geführt. Das Kältemittel wird hier im Gegen- ström durch den Wärmetauscher 20 geleitet, wobei das selbstverständlich auch im Gleichstrom erfolgen könnte. Es könnte auch der Wasserstoff H2 mit dem Kältemittel im Gegenstrom und der Sauerstoff 02 mit dem Kältemittel im Gleichstrom geführt werden, womit eine geringere Temperaturabsenkung des Sauerstoffs 02 bei vorteilhaft reduziertem Kühlaufwand erreicht werden kann. Das durch die Kühlung des Wasserstoffs H2 und des Sauerstoffs 02 anfallende Kondensat wird über eine Kondensatleitung 26 abgeführt, welche z.B. am Ausgangsanschluss 25 angeordnet ist.
Der Wärmetauscher 20 wird nun so ausgelegt oder gesteuert, z.B. über die Länge des Wärmetauschers 20, die Volumenströme, die geometrischen Verhältnisse, die Materialen, die Leistung des Kältekreises 27, etc., dass der Wasserstoff H2 an Ausgang 25 des Wärmetau- schers auf einen bestimmten minimalen Taupunkt getrocknet ist. Der Kältekreis 27 könnte dazu auch in einem geschossenen Regelkreis entsprechend geregelt werden. Der Sauerstoff 02 wird auf diese Weise mitgetrocknet und erreicht am Ende des Wärmetauschers 20 im Wesentlichen dieselbe Temperatur wie der Wasserstoff H2. Im Wesentlichen erfolgt im Wärmetauscher 20 eine Kühlung von z.B. ca. 80°C auf ca. 5°C, wodurch entsprechend viel Feuchtigkeit entzogen wird und die Produktgase Wasserstoff H2 und Sauerstoff 02 getrocknet werden. Die Trocknung bewirkt also, dass ein Taupunkt im Bereich von minus 45°C resultiert, obwohl die Produktgase eine Temperatur von 5°C aufweist. Im Fall, dass das Kältemittel im Gegenstrom geführt wird, wird dieses im Wesentlichen auf die Temperatur des Wasserstoffs H2 am Eingangsanschluss 24, also im Bereich von z.B. 80°C, erwärmt. Dem- entsprechend kann die Abwärme 23 beispielsweise über einen hier nicht dargestellten weiteren Wärmetauscher effizient genutzt werden. Bevorzugt wird der Wärmetauscher 20 so aus- gelegt oder gesteuert, dass der Taupunkt des Sauerstoffs 02 unterhalb der Umgebungstemperatur im Bereich des Wasserstoffsensors 8, die z.B. einfach gemessen werden kann, liegt, sodass eine Kondensation am Wasserstoffsensor 8 ausgeschlossen ist.
In einer typischen Ausführung hat das innerste Rohr 30 einen Durchmesser von 6mm und führt im innersten Kanal 33 Wasserstoff H2 mit einem sehr hohen Druck, z.B. 200bar und höher. Das mittlere Rohr 31 hat einen Durchmesser von 12mm und im mittleren Kanal 34 wird Kältemittel mit einem Druck von 10-20bar geführt. Das äußere Rohr 32 hat einen Durchmesser von 16mm und im äußeren Kanal 35 wird Sauerstoff 02 mit Umgebungsdruck geführt. Das Medium mit dem höchsten Druck wird vorteilhaft durch das innerste Rohr 30 geführt, wobei der Druck in den Rohren 30, 31 , 32 bevorzugt nach außen hin abnimmt. Damit können die Wandstärken der Rohre 30, 31 , 32 minimal gehalten werden. Die Rohre 30, 31 , 32 werden bevorzugt in Edelstahl ausgeführt. Wesentlich ist dabei eine gute Wärmeleitfähigkeit der Rohre 30, 31 , 32, sodass die Trocknung der feuchten Produktgase H2, 02 schneller erfolgt. Beschleunigt wird die Trocknung auch durch einen hohen Druck, da das zu kühlende Volumen reduziert wird.
Der hohe Druck kann dabei durch eine Druckerhöhungseinheit aufgebaut, welche nach dem Wärmetauscher 20 und stromaufwärts der Trocknungseinheit 3 angeordnet sein kann. Als eine mögliche Variante bleibt die Druckerhöhungseinheit während der Elektrolyse im Wesentlichen geschlossen, sodass sich die Produktgase bis zum erforderlichen Druck aufstau- en. Ist entsprechend der gewünschte Druck erreicht, wird die Druckerhöhungseinheit geöffnet und die Produktgase durchströmen die Trocknungseinheit 3.
Selbstverständlich könnte auch jede andere geeignete Ausgestaltung eines mehrkreisigen Wärmetauschers mit einem gemeinsamen Kältekreis 27 zur Anwendung kommen, z.B. ein mehrkreisiger Plattenwärmetauscher. Wie in Fig.4 (ohne Kältekreis 27) dargestellt kann in der Trocknungseinheit 3 stromab des Wärmetauschers 20 zusätzlich noch ein Adsorptionstrockner 37, z.B. ein Molekülsieb, angeordnet sein, um den Wasserstoff H2 noch weiter zu trocknen, bevor dieser im Wasserstoffspeicher 4 eingelagert wird. Der Sauerstoff 02 aus der Elektrolyseeinheit 2 könnte vor dem Wärmetauscher 20 über einen, an sich bekannten, Wasserabscheider 36 geführt werden, um Wasser aus dem Produktgas Sauerstoff 02 abzuscheiden. Das abgeführte Kondensat (reines Wasser) kann über die Kondensatleitung 26 auch in die Elektrolyseeinheit 2 rückgeführt werden.
Indem der Sauerstoff 02 im zweikreisigen Wärmetauscher 20 mitgekühlt wird, enthält es stromab der Trocknungseinheit 3 nur mehr so geringe Mengen an Wasser, dass dieses ei- nerseits an einem in der Sauerstoffleitung angeordneten Sensor 8 keine Probleme bereitet. Andererseits kann auch das getrocknete Produktgas Sauerstoff 02, anstelle ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben zu werden, direkt industriell genutzt werden. An den Sensoren 8, 10 sind somit keine zusätzlichen Maßnahmen mehr nötig, um dessen ordnungsgemäße Funkti- on sicherzustellen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolyseur zur Erzeugung der Produktgase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02), wobei eine Trocknungseinheit (3) zur Trocknung des Produktgases Wasserstoff (H2) vorge- sehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trocknungseinheit (3) ein mehrkreisiger Wärmetauscher (20) mit einem ersten Kreis zur Kühlung des Wasserstoffs (H2) und einem zweiten Kreis zur Kühlung des Sauerstoffes (02) vorgesehen ist, wobei beide Kreise des mehrkreisigen Wärmetauschers (20) einen gemeinsamen Kältekreis (27) aufweisen.
2. Elektrolyseur nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (20) so ausgelegt ist oder angesteuert wird, dass der Taupunkt des getrockneten Sauerstoffs
(02) unterhalb der Umgebungstemperatur im Bereich eines in der Sauerstoffleitung (9) angeordneten Sensors (8) liegt.
3. Elektrolyseur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (20)aus drei ineinandergesteckten, radial beanstandeten Rohren (30, 31 , 32) be- steht, sodass drei durchströmbare Kanäle (33, 34, 35) entstehen, wobei ein erster Kanal (35) vom Sauerstoff (02) und ein zweiter Kanal (33) vom Wasserstoff (H2) durchströmt wird und ein dritter, radial zwischen ersten und zweiten Kanal angeordneter dritter Kanal (34) vom Kältemittel des Kältekreises (27) durchströmt wird.
4. Elektrolyseur, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium mit dem höchsten Druck durch das innerste Rohr (33) geführt ist.
5. Elektrolyseur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drücke der durch die Rohre (30, 31 , 32) geführten Medien von innen nach außen abnehmen.
6. Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trocknungseinheit (3) stromab des Wärmetauschers (20) in der Wasserstoffleitung wei- ters ein Adsorptionstrockner (37) zur Trocknung des Wasserstoffs (H2) angeordnet ist.
7. Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trocknungseinheit (3) stromaufwärts des Wärmetauschers (20) in der Sauerstoffleitung ein Wasserabscheider (36) angeordnet ist.
8. Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Trocknungseinheit (3) in einer Sauerstoffleitung (9) ein Wasserstoffsensor (8) angeordnet ist.
9. Verfahren zur Trocknung der in einem Elektrolyseprozess hergestellten Produktgase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02), bei dem der erzeugte Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) zur Kältetrocknung in einem mehrkreisigen Wärmetauscher (20) mit einem gemeinsamen Kältekreis (27) gekühlt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff (02) auf einen Taupunkt getrocknet wird, der unterhalb der Umgebungstemperatur eines in der Sauerstoffleitung (9) angeordneten Sensors (8) liegt.
1 1. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff (H2), der Sauerstoff (02) und ein Kältemittel des Kältekreises (27) durch je eines von drei ineinandergesteckten, radial beanstandeten Rohren (30, 31 , 32) geführt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9, dadurch gekennzeichnet, dass der im Wärmetauscher (20) getrocknete Wasserstoff (H2) in einem Adsorptionstrockner (37) weiter nachgetrocknet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauer- stoff (02) vor dem Wärmetauscher (20) in einem Wasserabscheider (36) vorgetrocknet wird.
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