(57)【要約】  本発明は、電解槽（１）の下流に配置された反応器（３）を含み、前記電解槽（１）に由来する水素ガス流における酸素占有率を削減するために、前記反応器（３）内で酸素が水素と反応して水になる、電解装置（１０）を起動する方法に関し、前記電解装置（１０）が所定の作動圧力で作動し、前記電解槽（１）の起動時に、前記電解槽（１）に由来する水素ガス流は迂回導管（１１）を介して前記反応器（３）を迂回する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解槽（１）の下流に配置された反応器（３）を含み、前記電解槽（１）に由来する水素ガス流における酸素占有率を削減するために、前記反応器（３）内で酸素が水素と反応して水になる、電解装置（１０）を起動する方法であって、前記電解装置（１０）が所定の作動圧力で作動し、
前記電解槽（１）の起動時に、前記電解槽（１）に由来する前記水素ガス流は迂回導管（１１）を介して前記反応器（３）を迂回することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記起動前の前記反応器（３）における前記所定の作動圧力は、周囲圧力よりも低い圧力、特に０．５ｂａｒよりも低い圧力へ低下されることを特徴とする、請求項１又は請求項１の上位概念部に記載の方法。
【請求項３】
前記電解装置（１０）の起動時に、前記迂回導管（１１）に配置されている第１の弁（５）が開放され、前記電解槽（１）に由来する前記水素ガス流に前記反応器（３）を迂回させ、且つ前記反応器（３）への供給導管（８）に配置されている第２の弁（６）が閉鎖されることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記水素ガス流における水素の爆発上限の超過時には、前記第１の弁（５）は閉鎖され、且つ前記第２の弁（６）は開放され、それによって前記水素ガス流が前記反応器（３）に供給されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記爆発上限は、前記反応器（３）への前記導管（８）における酸素含有量の測定によって、又は、前記反応器（３）に通じる前記導管（８）の、好ましくは前記導管（８）の少なくとも５倍の定格容積に相当するフラッシング量の水素ガスによる時間的に制御されたフラッシングによって規定されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記所定の作動圧力は、５ｂａｒよりも大きく、特に３０ｂａｒよりも大きいこと、且つ好ましくは５０〜１００ｂａｒの圧力範囲であることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項７】
前記電解装置（１０）の起動時に、システム組立部品、特に、前記反応器（３）の上流に配置されているガス処理のための第１の組立部品（２）、及び前記反応器（３）の下流に配置されているガス処理のための第２の組立部品（４）が、前記電解槽（１）に由来する水素ガス流によって前記反応器（３）を迂回しながら貫流されることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項８】
電解槽（１）と、内部で酸素が水素と反応して水になる反応器（３）とを備えた電解装置（１０）であって、
前記電解装置（１０）には、前記電解槽（１）に由来する水素ガス流に前記反応器（３）を迂回させるための迂回導管（１１）が具備されていることを特徴とする、電解装置（１０）。
【請求項９】
前記反応器（３）における所定の作動圧力を周囲圧力よりも低い圧力、特に０．５ｂａｒよりも低い圧力へ低下させるためのポンプ（７）、特に真空ポンプが具備されていることを特徴とする、請求項８又は請求項８の上位概念部に記載の電解装置（１０）。
【請求項１０】
前記電解装置（１０）における前記反応器（３）が前記電解槽（１）の下流に配置されていることを特徴とする、請求項８又は請求項９に記載の電解装置（１０）。
【請求項１１】
第１の弁（５）、特に遮断弁が前記迂回導管（１１）に具備され、第２の弁（６）、特に遮断弁が前記反応器（３）への前記供給導管（８）に具備されていることを特徴とする、請求項８〜請求項１０のいずれか１つに記載の電解装置（１０）。
【請求項１２】
ウェイ弁、特に３／２ウェイ弁が前記反応器（３）への前記供給導管（８）に具備されていることを特徴とする、請求項８〜請求項１０のいずれか１つに記載の電解装置（１０）。
【請求項１３】
前記電解槽（１）が圧力電解槽、特にプロトン交換膜電解槽であり、前記電解槽（１）が作動する所定の作動圧力が５ｂａｒよりも大きく、特に３０ｂａｒよりも大きいことを特徴とする、請求項８〜請求項１２のいずれか１つに記載の電解装置（１０）。
【請求項１４】
前記所定の作動圧力は５０〜１００ｂａｒの圧力範囲であることを特徴とする、請求項８〜請求項１３のいずれか１つに記載の電解装置（１０）。
【請求項１５】
前記反応器（３）は触媒充填部を含むことを特徴とする、請求項８〜請求項１４のいずれかに１つ記載の電解装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載された特徴による電解装置を起動する方法及び請求項８の上位概念部による電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素製造には、先行技術によれば、水から水素と酸素への電解分解のために電解槽を使用する電解装置が使用される。生成された水素中の特に低い酸素含有量が問題となる電解装置の場合、触媒充填部（チャージ部）を有する反応器（「Deoxi」）を設けることが周知であり、該反応器内で酸素が水素と反応して水になり、これが次いでシステムから排出される。反応器は充填された触媒とともに作動するので、発火源となることが考えられる。したがって、電解装置の運転を開始する前に、反応器及びシステムの不活性化のために、反応器及び全システムを窒素又は他のガスでフラッシングし、こうして爆発の危険のあるガス混合物の形成を阻止することが先行技術の一部に数えられる。
【０００３】
しかしここで不利な点は、フラッシングのための窒素の供給が煩雑なことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の課題は、反応器及びシステムの不活性化のための窒素又は別のガスによるフラッシングを省くことの可能な、電解装置を安全に起動する方法及び対応する電解装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は、本発明によれば、請求項１に記載の特徴を有する電解装置を起動する方法、及び請求項８に記載の特徴を有する電解装置によって解決される。本発明の有利な更なる展開例は、従属項及び以下の説明に記載されている。この課題は、本発明によれば、請求項２に記載の方法の代替として、又は請求項２に記載の方法と組合せて解決される。対応する電解装置は請求項９の特徴によって規定されている。
【０００６】
本発明によれば、電解槽の下流に配置された反応器を含み、電解槽に由来する水素ガス流における酸素占有率を削減するために、該反応器内で酸素が水と反応して水になる、電解装置を起動する方法が提供されるが、この場合、電解装置は所定の作動圧力で作動し、電解装置の起動時に、電解槽に由来する水素ガス流は、迂回導管を介して反応器を迂回する。
【０００７】
本発明の基本理念は、先行技術から周知であるように反応器を不活性ガスによってフラッシングすることではなく、電解装置、特に電解槽の起動時に、プロセスが安定して経過し、且つ反応器において発火の可能性がある爆発性の混合物の危険がなくなるまで、下流に配置された反応器を迂回することである。これには電解装置、特に電解槽の起動時に他の煩雑な不活性ガスフラッシングを省くことができるという利点がある。装置に関する費用は比較的少ない。提供する必要があるのは、適切な弁を有する反応器への迂回導管のみであり、これらの弁は極めて簡単な方法で迂回導管内又は反応器の前に遮断弁として構成することができ、特に反応器において、出口側の遮断装置を、通常、省略することができる。
【０００８】
請求項１に記載の方法の代替として、又は請求項１に記載の方法と組合せて、起動前の反応器における所定の作動圧力は、周囲圧力よりも低い圧力、特に０．５ｂａｒよりも低い圧力に低下される。反応器内の圧力の低下は、爆発の場合に考えられる圧力上昇を弱めるために役立つ。爆発の場合に圧力は１０倍に上昇するので、この圧力を適切に低下させると、起こり得る圧力上昇も適切に低下させることができる。すると、装置は設計技術的により低い圧力用に設計することができる。したがって本発明によれば、事前に反応器内もしくは該反応器と導管接続されたシステム要素内の圧力が適切に低下されれば、反応器を迂回する迂回導管による起動の代わりに、場合によりそのような迂回導管なしにも起動を行うことができる。両方の措置を組合せて使用するのが特に有利である。
【０００９】
更なる好ましい実施例によれば、電解装置、特に電解槽の起動時に、迂回導管に配置されている第１の弁が開放され、電解槽に由来する水素ガス流に反応器を迂回させ、且つ反応器への供給導管に配置されている第２の弁が閉鎖される。
【００１０】
好ましくは、水素ガス流における水素の爆発上限の超過時には、第１の弁は閉鎖され、且つ第２の弁は開放され、それによって水素ガス流が反応器に供給される。
【００１１】
爆発上限の超過は、本発明によれば、反応器に通じる導管における酸素含有量の測定によって算出される。設備技術的により煩雑でないのが、代替的に本発明により想定されている、電解槽において生成される水素ガスによる反応器に通じる導管の時間的に制御されたフラッシングである。その場合、フラッシング量は、爆発範囲を確実に排除できるように量られるが、これは特に、反応器への導管の少なくとも５倍の定格容積に相当するフラッシング量で作動される場合に当てはまる。
【００１２】
所定の作動圧力は、５ｂａｒよりも大きく、特に３０ｂａｒよりも大きいこと、且つ好ましくは５０〜１００ｂａｒの圧力範囲であることが有利である。高い作動圧力には、噴出する水素を更なるポンプなしに処理することができる、すなわち、例えば、加圧ストレージ又はケミカルストレージに貯蔵することができるという利点がある。
【００１３】
電解装置の起動時に、システム組立部品、特に、反応器の上流に配置されているガス処理のための第１の組立部品と、反応器の下流に配置されているガス処理のための第２の組立部品とが、電解槽に由来する水素ガス流によって反応器を迂回しながら貫流されることが特に好ましい。
【００１４】
本発明によれば、電解槽と、内部で酸素が水素と反応して水になる反応器とを備えた電解装置が提供されるが、この電解装置には、電解槽に由来する水素ガス流に反応器を迂回させるための迂回導管が具備されている。
【００１５】
本発明によれば、迂回導管の代替として、又は追加的に、反応器における所定の作動圧力を周囲圧力よりも低い圧力、特に０．５ｂａｒよりも低い圧力へ低下させる真空ポンプが具備されている。
【００１６】
電解装置における反応器は電解槽の下流に配置されているのが好都合である。
【００１７】
更なる好ましい実施形態によれば、第１の弁、特に遮断弁が迂回導管に具備され、且つ第２の弁、特に遮断弁が反応器への供給導管に具備されている。
【００１８】
代替として、供給導管を選択的に反応器又は迂回導管と結合させるウェイ弁（方向制御弁）、特に３／２ウェイ弁も反応器への供給導管に具備することができる。
【００１９】
更なる好ましい実施によれば、電解槽は圧力電解槽、特にプロトン交換膜電解槽であり、ここで電解槽が作動する所定の作動圧力は５ｂａｒよりも大きく、特に３０ｂａｒよりも大きい。特に好ましくは、所定の作動圧力は５０〜１００ｂａｒの圧力範囲である。
【００２０】
好ましくは、反応器は触媒充填部を含む。
【００２１】
本発明による方法によれば、電解装置は安全に、且つ反応器の不活性ガスによる煩雑なフラッシングなしに起動することができる。適切に配置された弁によって開閉可能な迂回導管を反応器と並列に提供するだけで、電解槽によって生成された水素ガスは、これを通じて、爆発上限を超過するまで迂回される。この間に、他のシステム組立部品は、上記の爆発上限の超過後に水素ガスが反応器にも導入されるまで、水素でフラッシングされる。電解装置の起動時のリスクは、反応器内の圧力が真空ポンプによって周囲圧力よりも低い圧力に低下されるとさらに最小限に抑えられるため、発火可能な混合物の形成及びその後の発火時には爆燃圧もしくは爆発圧が適切に削減され、したがって許容動作圧力よりも低いままである。反応器が０．５ｂａｒよりも小さい圧力に減圧されると、場合により発生する爆発（酸水素反応）時には５ｂａｒよりも小さい最大圧力が生じるため、その場合、電解装置の最小作動圧力は超過しない。
【００２２】
以下では、図面に示された一実施形態によって本発明を詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態による電解装置の部分の概略図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
参照符号１は、ここではプロトン交換膜電解槽（ＰＥＭ）としての実施形態で構成されている電解槽を示す。この電解槽１において、水は水素と酸素に電解的に分解される。しかしこの方法では、電解槽１の膜を通じた拡散によって、酸素も少量が水素に達するため、こうして生成された水素にはさらに１０〜１００ｐｐｍの割合で酸素の残留分が存在する。
【００２５】
本明細書に示された実施形態による電解装置１０の場合、生成された水素中の低い酸素含有量が問題である。したがって、例えば水素ガス流から水が除去され電解装置１０から排出されるガス処理のための第１の組立部品２のような、更なるガス処理のためのさまざまな組立部品２，４のほかに、反応器３が電解槽１及びガス処理のための第１の組立部品２の下流に配置されており、この反応器３内でさらに水素ガス流中の望ましくない酸素が１ｐｐｍにまで削減される。
【００２６】
これは触媒充填部を有する反応器３の場合であり、この反応器３内で酸素が水素と反応して水となり、水はその後、同様に電解装置１０から除去される。反応器３は触媒充填部とともに作動するので、有力な発火源でもある。したがって、電解装置１０の起動時には最初に、反応器３が真空ポンプ７によって周囲圧力よりも低い圧力、ここでは０．５ｂａｒよりも低い圧力に減圧される。同時に、ここでは遮断弁として構成されており、且つ反応器３を迂回するために反応器３への第１の供給導管８から分岐し、反応器３の下流で初めて、ガス処理のために反応器３の出口から第２の組立部品４へ誘導される導管部分９に再び導入される迂回導管１１に配置されている、第１の弁５が開放される。反応器３への供給導管８に配置され、且つ同様に遮断弁として構成されている第２の弁６が同時に閉鎖されるため、電解槽１及びガス処理のための第１の組立部品２に由来する水素ガス流は、反応器３ではなく迂回導管１１を貫流し、反応器３の下流でガス処理のための第２の組立部品４に供給される。
【００２７】
爆発上限の超過後に、迂回導管１１に配置されている第１の弁５は閉鎖され、同時に反応器３への供給導管８に配置されている第２の弁６は開放され、それによって反応器３は水素ガス流によって貫流される。爆発上限の安全な超過のために、供給導管８の定格容積の５倍のフラッシング量による水素ガスで時間的に制御されたフラッシングが行われる。しかしながら代替として爆発上限は水素ガス流における酸素含有量の測定によっても算出される。
【００２８】
代替的には、遮断弁５及び６の代わりに３／２ウェイ弁も使用できる。このような３／２ウェイ弁により供給導管８は迂回導管１１か反応器３のどちらかと結合される。
【００２９】
場合により、前述した配置においては、別の遮断弁を反応器３の下流に具備することができる。また下流には、迂回導管及び反応器３に由来する導管部分９を第２の組立部品４に通じる導管と結合する別の３／２ウェイ弁を具備することができる。この第２のウェイ弁は第１のウェイ弁と同期接続されるのが好都合である。
【符号の説明】
【００３０】
１  電解槽
２  ガス処理のための第１の組立部品
３  反応器（「Deoxi」）
４  ガス処理のための第２の組立部品
５  第１の弁
６  第２の弁
７  ポンプ
８  供給導管
９  導管部分
１０  電解装置
１１  迂回導管
【図１】
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【国際調査報告】
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