CN102317505A - 高压电解槽 - Google Patents

Abstract

一种电解槽(100)，包括在压力容器(115)内部的电解电池堆(101)，其中，所述电池堆的第一终端端板(107a)与所述压力容器的封闭端部之一是一体的，因此形成所述电池堆的固定头部(107)，所述固定头部设置有流体连接件及电连接件，且所述电池堆的第二终端端板(108a)在所述容器内，且响应热膨胀或收缩而在纵向上自由移动，因此形成所述电池堆的浮动头部(108)。压力容器(115)优选地使用在电解过程中获得的气体产物加压。

Description

高压电解槽

技术领域

本发明涉及电解槽领域，尤其是用于水的电解。更详细地，本发明涉及一种在压力容器内部包括电池堆的电解槽，用于在高压力下工作。

背景技术

电解是一种公知的用于分离化学键合元素的工艺。当期望获得某一压力下的电解产物时可在同一压力下操作该工艺。

电解最常见的应用之一是通过电解水产生氢气(H₂)，并且在本说明书的后文中，将参考本发明的这种优选应用。

在达到约30巴压力下通过水的电解产生的氢气可供化学工艺使用是公知的。然而，近年来，已经出现在更高的压力下产生氢气的需求。

氢气是一种用于能源存储和运输的最佳候选者，特别是用于源自可再生能源的分布式发电和为氢燃料或者燃料电池车辆提供动力。然而，存储氢气以用作燃料或者能量载体需要非常高的压力，例如，需要200巴或者更高的压力。目前，认为适于燃料氢气存储的压力是350巴(5000磅/平方英寸)或者700巴(10000磅/平方英寸)。将氢气压缩到这些非常高的压力需要昂贵的多级压缩器并且消耗大量的能量。因此，强烈需求在上述压力下能够直接产生氢气的电解。

US 4758322公开了电解槽的一种已知的结构，所谓的滤压式结构。大量的双极电池串联地堆叠且共同设置在通过拉杆互相连接的两个端板间。双极电池中的每一个包括由隔膜或薄膜分开的阳极室和阴极室。依次地，每一电池与下一电池通过导电壁分开，所谓的双极板在两个表面上具有相反极性。电池堆通过形成所述堆的阳极(+)和阴极(-)的端部连接的端板设置在一起。端板通过拉杆而朝向彼此施力，拉杆是电绝缘的以避免电池短路。将液态电解液加入电池中，并且从电池中收集产生的气体。

此电解槽在内部压力下具有有限的工作性能，即在压力下电解液和产生的气体有限。实际上，电池堆的电池框架和端板必须承受内部和外部之间的全部压力差(Δp)，外部通常位于大气压下。超过特定的Δp，电池框架不能够承受机械应力，它们的密封垫也不能防止所述电解液或气体泄露，且实际上，此电解槽局限于几十巴的内部压力。

为克服这个问题，已经提出不同类型的加压电解槽。基本思想是在一加压容器内部操作电池堆以平衡上述电池堆的内部压力。

US 6153083公开了一种在压力下进行水电解的电解槽，其中为了对已经提及的滤压式结构进行响应，双极电池堆密封在压力容器中。所述堆的两个端电极通过穿过所述压力容器的两个引入电缆连接到电源，在所述压力容器内部环绕着电池堆充满加压的水。然而，该设计的弊端(没有详细描述)是穿过加压容器的电缆通道和用于给电池堆内部供应碱性电解液以及用于收集通过所述堆排出的氢气和氧气的装置，该弊端在实际中非常难以解决。实际上，需要提供穿过所述加压容器的输入/输出，其中密封性是至关重要的且任何泄露可能危害电解槽的工作。特别地，所述容器的压力下降，在大多数情况下将对电解槽内部产生不能挽回的损害。此外，这种设计已用于高达30巴的压力，不能满足上文所讨论的氢气存储。

DE 4418999公开了一种不同的封装技术。电池块(Cell block)被压力管包围，在两个端部分别被两个法兰盘封闭，法兰盘也是电池块的端盖且因此具有用于引导流体进入和流出电解电池的必须的连接件。压力管内部及电池块外部的空间置于供给电解电池的电解液的液压力下。为补偿电池块和容器间的膨胀差异以迫使具有相同的长度，电池框架(采用非导电性材料)可采用弹性平垫片。这种设计在所述的垫片的紧密性方面具有缺点，此外，将导电电解液用作加压流体增加了在电池泄露情况下短路的风险。

现有技术的另一问题是与电池堆内部的热膨胀相比，容器或者压力管具有不同的热膨胀，这可能是的机械应力的起因并具有电解液泄漏和释放风险。在水加压系统中，即使电解液的小泄漏也是致命的，因为水会变成导电的并产生电分流、寄生电流和相关的功率损耗，甚或短路和严重的电池堆损害。

因此，现有技术的缺陷能够总结如下。一些已知的加压电解槽所工作的压力级远低于将氢气特定体积合理地降低到最终的气体散装储存所需的压力级；特别地，通过压力容器的流体和电连接件对系统紧密性至关重要；水作为加压介质的普遍使用留有在电解液泄漏的情况下产生寄生电流或危险的短路的风险；由于上述讨论的原因，为了所述容器增压替换电解液甚至是更危险的。所讨论的与水电解相关的这些缺陷也可以扩大到其它应用中。

发明内容

本发明的根本问题是提供一种用于克服上述缺陷的加压电池堆电解槽结构，尤其是，用于在使用氢气作燃料或者能量载体时所需要的高压下安全可靠地自水中产生氢气。

此问题采用电解槽解决，该电解槽包括：

压力容器，其具有壳体和相对的封闭端部；

电解电池堆，其在所述压力容器内部，所述电解电池堆包括：堆叠在第一和第二终端端板之间的多个双极电解电池，所述电池堆被布置成在内部压力下工作；

流体连接件和电连接件，所述流体连接件用于为电池堆供应电解液和用于自电池堆收集电解产物，所述电连接件至少包括阳极连接件和阴极连接件；

所述电解槽的特征在于：

所述电池堆的所述第一终端端板与所述压力容器的其中一个所述封闭端部是一体的，因此形成所述电池堆的固定头部；

所述固定头部设置有所述流体连接件和与所述电池堆相连的阳极电连接件和阴极电连接件；

所述电池堆的所述第二终端端板在容器内，并且在纵向上相对于所述第一端板和所述容器自由移动以响应热膨胀或者收缩，因此形成所述电池堆的浮动头部。

在本发明的优选实施方式中，所述封闭端部在一侧上是盖，并且在另一侧上是平端盖或者死法兰，该平端盖或者死法兰构成所述电池堆的第一终端端板。

根据优选的特征，所述阳极和阴极电连接件包括：至少第一电连接件和至少第二电连接件，第一电连接器优选地以穿过所述第一终端端板的拉杆形式，第一电连接接器与所述板绝缘并且电连接到所述堆的第一电池，所述堆的第一电池即靠近固定头部的电池；第二电连接件与到所述第一终端端板关联且电连接到所述第一终端端板，所述第一终端端板与所述第二终端端板电连接。例如，第一电连接件是正极，将阳极电流传送到第一电池，并且所述第二电连接件是负极，因此具有用于所述堆的最后一个电池的阴极端的作用。

在优选的实现方式中，电池堆的终端端板通过拉杆设置在一起，拉杆在两个板之间提供机械连接和电连接。

本发明的优选实施方式提供了电解槽在与浮动头部相同的电压下被充分极化，并且仅一个电连接件(阳极/阴极)必须自所述电解槽内部穿过通过所述容器的壳体或者任意盖。例如，构成负电连接件的拉杆固定到形成固定头部的封闭端部，所述封闭端部通过拉杆机械连接及电连接到内部的浮动头部，然后连接到电池堆的终端端板；绝缘拉杆穿过浮动头部，将正电连接件连接到电池堆的第一终端端板。

根据本发明的另一方面，利用气体将所述容器保持在压力下，而不是如现有技术中采用液体。因此，本发明的一方面是一种电解槽，该电解槽包括压力容器和在所述压力容器内部的电解电池堆，所述电池堆包括堆叠在第一和第二终端端板之间的多个双极电解电池，其特征在于，所述容器采用气体加压。

加压所述容器的气体可以参与或者不参与电解过程。更具体地，加压所述容器的气体例如是惰性气体，即相对于电解过程具有惰性特性，或者作为备选是在例如电解过程本身在压力下产生的气体。优选地，该气体取自电解过程，所述电解过程在电池堆中在高于所述容器内的压力级的压力下进行，因此，利用所述气体来加压所述容器不需要中间压缩。

根据本发明，一种用于电解的设备，所述设备包括电解槽、至少一个容器和流动管道，所述电解槽在压力容器内部具有电池堆，该电池堆用于在压力下提供至少一种气体产物，所述容器用于接收所述气体产物并将气体产物和夹带的电解液分开，所述流动管道将所述气体产物的至少一部分作为加压介质输送给所述压力容器。

优选地，在根据本发明的气体加压电解槽中，所述电池堆具有含固定头部和浮动头部的以上设置，即：所述电池堆的第一终端端板与压力容器的一个端盖是整体的，因此形成固定头部，固定头部设置有合适的流体连接件，该流体连接件用于将电解液供应到电池堆以及用于收集电解产物，且固定头部还设置有与所述电池堆相连的阳极和阴极电连接件，所述第二终端端板可以在纵向中相对于第一终端端板和容器移动，以响应于热膨胀或者收缩，因此形成所述浮动头部。

现在参照水电解的优选应用，在根据本发明的气体加压电解槽中，氮气或者关于水电解的任意其它的惰性气体能够用作加压介质；在第二选择中，在压力下由电池堆释放的氢气的至少一部分或者氧气的至少一部分用于加压所述容器。工作时电池堆内部的压力优选地是至少30巴，较优选地是大于100巴，更优选地是在100到700巴范围内。

一种根据本发明的优选实施方式的用于水电解的设备，该设备包括：电解槽、至少一个用于接收电解槽中产生的氢气的分离容器和另一个用于接收电解槽中产生的氧气的分离容器和流动管道，所述电解槽包括在压力容器内部的电池堆，所述电池堆用于在压力下提供氢气和氧气；所述分离容器用于将氢气和氧气分别和夹带的电解液分开；所述流动管道将所述氢气的至少一部分或所述氧气的至少一部分作为加压介质从各自的容器输送至所述压力容器。用于水的电解的所述设备的电解槽优选地具有上文讨论的含固定头部和浮动头部的设置。

该压力可以采用例如压差控制器控制，所述压差控制器对所述两个容器间的Δp敏感，或者保持各自的容器中携带的电解液位恒定，加压介质(氢气或氧气)取自该容器。

在本发明的所有上述实施方式中，所述电池堆的流体密封性优选地根据EP0212240的公开内容获得。每个双极电池具有两个元件，该两个元件称作分离元件和双极元件，分别采用内部携带隔膜或薄膜的框架和双极板形式。所述框架优选地是圆形，以承受内部压力，并且是采用增强塑料模制，以使得不导电。它们的密封性通常通过O形密封垫获得，其相比于完成电池堆的滤压式结构的拉杆以及相关的端盖需要较小的耗费。液态电解液及析出气体通过在框架内模制的沟道自所述电池分配且收集，所述框架终止于终端金属板中的一个。

框架以及每个电池的阴极和阳极腔相当薄，在几毫米范围内，每个电池的阴极和阳极腔采用非常薄软的电极填充。该模制技术允许在短时间内产生大量框架。而且，不同尺寸的框架可容易地模制以生产不同容量的电池。高电流密度和有限尺寸的电池允许具有非常紧凑的结构，该结构具有在装货前完全组装电解设备的可能性。

本发明有很多优点，所述优点容许在高于现有技术的压力下安全可靠地进行电解的过程。本发明允许可以得到高于30巴的压力的气体产物，30巴基本上是现有技术的极限；特别地，本发明适用于直接在氢燃料汽车所需的在数百巴的压力下从水电解产生氢气。由于在使用的压力下由电解直接可得氢气，因此节省或者大大降低了关于压缩的费用，并且使得将氢气用作燃料或者能量载体也更有吸引力。

由于浮动头部没有紧密结合到容器的壳体，而是相反地在热膨胀下可自由移动，因此具有固定头部和浮动头部的电池堆解决了电池堆和所述的容纳容器之间的热延伸差异的问题。此外，由于本发明，电连接件可以在固定头部处使用，不需要提供穿过所述壳体和所述容器的盖的电连接件，这些对系统封闭性来说是关键点。本发明的另一优点是整个电解槽的安全接地保护，以防止操作人员发生意外。

气体加压介质的使用保持了较好的电绝缘性且降低了由电解液泄漏引起的功率损耗和短路的风险。在现有技术的水加压系统中，由所述堆的泄露引起的小的电解液损失能够使加压所述容器的水导电，易于在所述堆和容器间产生寄生电流。由于电解溶液的导电性大于水，当由电解液直接提供液压时可以产生更多的有害后果。

使用所述过程本身中产生的气体作为加压介质，还具有如下优点：不需要外部的压缩单元。由电池堆释放的气体，例如在水电解中的氢气和氧气，可以输送给容器，在电池堆的输出和压力容器的输入之间不采用中间压缩，或者采用较低费用的压缩，例如单级压缩而不是多级压缩。此外，当处理在5000磅/平方英寸或更高的压力下工作的极高压电解槽，在这样的压力级下的惰性气体在市场上是买不到的，因此需要提供额外的且昂贵的气体压缩系统。

另一个优点是，从低压下电解过程的开始到最终的工作压力，电解槽压力容器的气体加压随着电解过程压力的增长按比例地增长。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明的一个实施方式的电解槽；

图2是图1的电解槽的阳极电流输送的细节图；

图3和图4示出与将本发明应用于水的高压电解有关的流程图的示例。

具体实施方式

参照图1，通过将电池堆部件(item)101密封在压力容器115内来建立电解槽100，操作时，压力容器115内采用气态加压。所述容器由具有封闭端部的水平圆柱形壳体组成，所述端部之一是法兰盖，所述端部中第二个是法兰盖或者平板式或碟盘式整体端部。第二端部的优选实施例是焊接到圆柱形壳体的碟盘式端部。构造所述容器的材料可以是金属或者合成材料，例如采用增强纤维制造。

电池堆101由双极电池形成，每个双极电池包括阳极102和阴极103，阳极102和阴极103通过隔膜或者薄膜104分开。依次地，每一电池与下一电池通过双极板105分开。电池具有框架106，框架106包括用于分配电解液的沟道113及用于收集电解产物的沟道114。

依照本发明，电池堆101的第一终端端板107a与压力容器的端板盖是一体的，而电池堆101的第二终端端板108a响应于热膨胀或者收缩可以在容器内相对于板107a和容器115的壳体纵向移动。因此，端板107a形成电池堆101的固定头部107，而相对的端板108a形成同一电池堆的浮动头部108a。

固定头部107配置有流体连接件，该流体连接件用于向电池堆供给电解液，且用于收集电解产物，且固定头部107还配置有与电池堆相连的阳极和阴极电连接件。

回顾图1的实施例，电池堆101的所有关于气体和液体处理的连接件122聚集在板107a上，使得堆无法在容器115内部膨胀。

阳极连接件假定采用杆120，杆120穿过板107a且通过套管119相对于所述盖电绝缘，杆120将阳极电流直接传送到电池堆101的第一阳极117。所述第一阳极117通过绝缘板118与板107a电绝缘。杆120具有合适的密封垫，使得它在压力下相对于内部空间没有泄漏。

端板108a与电池堆101的阴极端116电接触，且通过拉杆109连接到板107a。因此，板107a和板108a是等电势的。

以拉杆121形式的阴极端连接件也直接位于板107a上。通过将该连接件接地，除阳极连接件120外整个电解槽接地，能够很容易保护该阳极不受操作人员的任意接触，因此使设计特别安全。

应注意的是，由于通过拉杆109提供的电连接，容器115和电池堆板107a、108a是等电势的。因此，从电解槽的内部穿到外部的唯一的绝缘连接件是杆120，在示例中杆120穿过由板107a表示的容器端盖。

在图2中更详细地示出阳极连接杆120的优选实施方式。拉杆120焊接到所述堆的第一阳极117，而其相反端部带有螺纹并携带两个垫圈131和两个螺帽132，用于固定阳极电缆。电绝缘管状套管119避免阳极极化下杆120和接地板107间的接触。

绝缘套管125及平密封垫126将作用于所述套管125和密封垫126的外径上的高压空间和包围杆120的低压空间分开。两个密封垫126分别压紧在套管125和板107a之间以及套管125和阳极117之间。为保持密封垫126紧密，螺帽130通过拉杆120、盘形弹簧129及绝缘套管127逆着板107a拉动阳极117，盘形弹簧129位于两个垫圈128之间。板107a与阳极117之间的空间由绝缘板118占据。

选择用于实现电绝缘套管125、127的材料需要特别注意，因为套管125、127都需要承受高压缩力，且部件125必须对周围湿气具有不透性，以避免部件和地之间在阳极极化下产生电分流。可用于部件125的材料例如是玻璃云母复合材料，而对于部件127，云母纸层压材料是合适的。

回到图1，端口123设置在固定头部107上，以对在压力容器115内部且在电池堆101外部的空间加压。可替换地，此连接件可以位于壳体115上的任意位置。

在本发明的优选实施方式中，其中，如在EP 0212240中所公开的，通过“O”型密封垫实现电池堆的电池框架彼此密封，容器115的内部压力必须与电池堆101的内部工作压力成比例。

根据发明的一方面，加压介质优选地是气体。所述加压气体可以是例如氮气、氩气或二氧化碳、与电解过程无关的所有气体。这样的惰性气体之一的来源，比如瓶子，可以通过具有减压器或者压力控制器的管状连接件连接到端口123。在第二示例中，对电解槽套管加压的气体可以是电解过程释放的气体产物，例如水电解情况下的氢气和氧气。

图3是用于水电解设备的示例，该设备包括基本上根据图1-2实现的气压电解槽200。

电解槽200包括压力容器220内部的电池堆210，并且产生氢气和氧气，所述氢气和氧气自电池堆的固定头部分别通过管道201和202释放到容器V-1和容器V-2。所述气体中同时夹带一些电解液，并且所述容器V-1和容器V-2的责任是自夹带的流体中分离出气体，所夹带的流体通过管道203和204返回到电解槽。

氢气通过管道205离开容器V-1，管道205上的压力控制器PC-1通过使阀门PCV-1节流来设定所述容器内的氢气端压力，且然后通过管道207氢气释放以用于其最终用途。

氧气通过管道206离开容器V-2，并通过管道209释放以用于其最终用途。容器V-2内的氧气端压力通过压差控制器PDC对阀门PDCV节流来控制，以保持在氢气端压力范围内。

将管道206连接到压力容器200的管道208将容器本身内部压力保持在通过对阀门PCV-02节流而由仪器PC-2控制的压力值。

通过交换两种气体的作用，然后使用氢气作为容器220的加压手段，可以调换描述的实施方式。

图4描述了对应于电解过程的替代控制条件的另一示例。容器V-1和V-2在底部通过管道互相连接以使两个容器的内部压力相等，且因此使电池的阴极室和阳极室的内部压力相等。在这种情况下，根据前述图3的情况控制氢气输出压力。通过保持V-2内的电解液量不变来控制氧气输出。容器220的加压显示为由氢气自身通过回路PC-2/PCV-2进行，但可以根据图3的情况由氧气进行。可以由专业人员选择替代的控制条件。

本发明能够达到上述目的和用途，且尤其适合于通过水的电解制取高压氢气。

Claims (15)

1.一种电解槽(100)，包括：

压力容器(115)，其具有壳体和相对的封闭端部；

电解电池堆(101)，其在所述压力容器内部，所述电解电池堆包括堆叠在第一终端端板(107a)和第二终端端板(108a)之间的多个双极电解电池，所述电池堆布置成在内部压力下工作；

流体连接件和电连接件，所述流体连接件用于为所述电池堆供应电解液且用于自所述电池堆收集电解产物，所述电连接件至少包括阳极连接件和阴极连接件；

其特征在于，

所述电池堆的所述第一终端端板(107a)与所述压力容器的其中一个所述封闭端部是一体的，由此形成所述电池堆的固定头部(107)；

所述固定头部(107)设置有所述流体连接件(122)和与所述电池堆相连的阳极电连接件和阴极电连接件(120、121)；

所述电池堆的所述第二终端端板(108a)在所述压力容器(115)内，且能够响应于热膨胀或收缩而相对于所述第一终端端板和所述容器在纵向上自由移动，由此形成所述电池堆的浮动头部(108)。

2.如权利要求1所述的电解槽，其中所述容器(115)具有平端盖(107a)，该平端盖也构成所述电池堆(101)的所述第一终端端板。

3.如权利要求1或2所述的电解槽，其中所述电连接件包括至少第一电连接器(120)和至少第二电连接器(121)，所述第一电连接器穿过所述电池堆(101)的所述第一终端端板(107a)，与所述板绝缘且电连接到所述堆的第一电池，所述第二电连接器与所述第一终端端板关联且电连接到所述第一终端端板，所述第一终端端板(107a)与所述堆(101)的所述第二终端端板(108)电连接。

4.如权利要求3所述的电解槽，其中所述电池堆的所述第一终端端板和第二终端端板通过拉杆(109)设置在一起，从而在所述第一和第二端板(107a、108a)之间提供机械连接和电连接。

5.如权利要求3或4所述的电解槽，其中所述第一电连接器(120)和/或所述第二电连接器(121)采用拉杆实现。

6.如权利要求3至5中任一项所述的电解槽，其中所述第一电连接器(120)是正极性的，将阳极电流传送给所述电池堆(101)的所述第一电池，且所述第二电连接器是负极性的，具有用于所述堆的最后一个电池的阴极端的作用。

7.如权利要求6所述的电解槽，其中所述第一电连接器(120)是穿过所述电池堆(101)的固定头部(107)的拉杆，且通过管状套管(119)与所述固定头部绝缘；所述拉杆(120)固定至所述堆(101)的第一阳极(117)；在所述第一阳极(117)和第一固定头部(107)之间设置有绝缘板(118)；设置绝缘套管(125)和密封垫(126)以将所述拉杆与电池堆内部的压力空间分开。

8.如上述权利要求中任一项所述的电解槽，其特征在于，工作时，采用气体介质将所述容器保持在压力下。

9.如权利要求8所述的电解槽，其中所述气体介质取自电解过程，所述过程是在大于所述容器内的压力级的压力下在所述电池堆内进行的。

10.一种电解槽，尤其用于水的电解，所述电解槽包括压力容器和在所述压力容器内的电解电池堆，所述电池堆包括堆叠在第一终端端板和第二终端端板之间的多个双极电解电池，所述电池堆设置成在内部压力下工作，其特征在于，所述容器在电池堆的工作期间采用气体加压。

11.如权利要求10所述的电解槽，其中所述气体是在所述电池堆内进行的所述电解过程中在压力下产生的。

12.一种用于电解的设备，包括：

根据权利要求1至11中任一项所述的电解槽(200)，该电解槽包括在压力容器(220)内部的电池堆(210)，所述电池堆适用于在压力下提供至少一种气体产物；

至少一容器(V-1)，其接收所述气体产物且适于将所述气体产物和夹带的电解液分开；

流动管道(208)，其将所述气体产物的至少一部分作为加压介质输送给所述压力容器(220)。

13.如权利要求12所述的用于水的电解的设备，其中所述电池堆(210)适用于在压力下提供氢气和氧气，所述设备包括：

接收所述电解槽(200)中产生的氢气的至少一容器(V-1)和接收所述电解槽(200)中产生的氧气的另一容器(V-2)，所述容器适用于将氢气和氧气分别与夹带的电解液分开；

流动管道(208)，其将所述氢气的至少一部分或所述氧气的至少一部分作为加压介质从各自容器输送至所述压力容器(220)。

14.如权利要求13所述的设备，其中由所述电池堆提供的氢气压力高于30巴，且优选地在100巴到700巴的范围内。

15.一种如上述权利要求中任一项所述电解槽或设备用于在高压下由水的电解产生氢气的用途。

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