CN102859042A - 用于电制氢的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于由水电制氢的装置，具有PEM类型的电解槽（1），所述电解槽包括用于供给水的输入端（2）和用于富含水和/或水蒸汽的在所述电解槽（1）中产生的氢气的第一输出端（3）以及用于氧气和水的第二输出端（4）。水分离装置（7）连接至所述电解槽（1），所述水分离装置（7）至少包括第一热分离级（10）。

Description

用于电制氢的装置

技术领域

本发明涉及用于从水电制氢的装置。

背景技术

为使用电能从水产生氢气，在现有技术中使用电解槽。这种技术以不同的形式存在。本发明的内容是具有PEM（聚合物电解质膜）类型的电解槽的装置，也就是使用质子可渗透的聚合物膜工作的电解槽。这种类型的电解槽通常以所谓的堆栈的形式也即栈的形式建造，以便在尽可能小的空间实现尽可能高的产气率。在此将水输送到每个膜的一侧，其中通过设置在膜的两侧的、并供给电解电压的电极，分解成氢气和氧气，氢气产生在膜的一侧而氧气产生在另一侧，其中水在该另一侧供给。

为了确保聚合物电解质膜的质子穿透性，要保持聚合物电解质膜始终是湿润的，然而这导致，所产生的氢气通常同样带有水蒸汽和/或液滴形式的水。在许多技术应用中这些在氢气中携带的水量是不期望有的，因此，它们必须被去除。所以，例如对于在今天惯用的金属氢化物存储器中存储氢气，携带的水量在存放之前应被去除。机械的水分离器在这里通常不够用，因为其不能充分地将氢气流从水中释出。

因此为了干燥氢气，在现有技术中将根据变压吸附原理工作的水分离装置连接到电解槽的输出侧的下游。与此同时从电解槽出来的、富含水和/或水蒸汽的氢气流被引导经过一个或多个用于结合水的分子筛床。然而，这样的结合仅仅能在分子筛床不饱和的情况下进行。因此，必须以规则的间隔再生分子筛床。由此，在实践中，提供两个平行的分子筛床，流体交替地流经该两个分子筛床，其中，通过被干燥的氢气的逆流冲刷来使非活动的筛床再生。此方法是相对复杂和不利的，特别是就装置的效率而言，因为用于反向冲洗的氢气通常无用地泄漏。此方法特别是随着氢气流中增大的水量达到它的极限，因此这些从现有技术已知的设备是相当低效的。

发明内容

基于此，本发明的目的是构建通用类型的用于从水来电制氢的装置，使其以尽可能高的效率工作以生产干燥的、即大部分水被从其中释放掉的氢气。

该目的根据本发明由权利要求1中的特征予以实现。本发明的有利的实施例从从属权利要求和下面的描述中获得。

本发明的用于从水电制氢的装置包括PEM类型的电解槽，也即这利用质子可渗透的聚合物膜工作的电解槽。所述电解槽配置有用于供给水的输入端和第一输出端以及用于氧气和水的第二输出端,其中所述第一输出端用于富含水和/或水蒸汽的在所述电解槽中产生的氢气。该装置还包括水分离装置，所述水分离装置的输入端与所述电解槽的第一输出端导通连接，并且所述水分离装置的导气输出端引向位于该装置中的或在该装置上的氢气提取端口，其中，所述水分离装置至少包括第一热分离级。

由此本发明的基本思想是，在所述装置内提供具有水分离装置的电解槽，其中所述水分离装置至少包括第一热分离级。应当理解，原则上作为分离装置或其上游侧的一部分可提供机械的分离装置用作预分离器，例如旋流分离器或重力分离器。这种分离装置不是本发明意义上的分离级。水分离装置通常由两个或更多个阶段构成，其中第一阶段涉及热分离级，在该热分离级水通过冷却被从氢气流中去除。

根据本发明，氢气提取端口应理解为不仅是严格意义上的端口，而且也是在所述装置的内部或外部的管道，该管道将干燥的氢气引导向使用者或存储器中。因此，同样设置于所述装置中的金属氢化物存储器经由管道从所述装置中的这样的氢气提取端口被装载。

本发明的解决方案是特别有利的，因为电解槽可以以较高的温度从而高效率地运行。在变压吸附中发生的气体损失被完全避免。

由于要有效地运行电解槽，温度应该尽可能地高，然而，另一方面，质子交换膜必须始终保持湿润，当电解槽在70℃到80℃或更高的范围运行时，从效率上得出有利的操作条件。操作温度往上由水的沸点限制，这是绝对不允许达到的。然而，由氢气携带的水量大约每11℃就翻倍。因此，如果操作温度从60℃增加到70℃，其结果是排出的水量几乎增加一倍。要分离如此数量的水，由本发明的解决方案即使用第一热分离级，是没有问题的，尤其是氢气完全无损失。因此，根据本发明的装置的电解槽明显更为有效，因为可以在更高的温度下运行，而不必承受众所周知的由变压吸附导致的损失。另一方面，用于冷却所要消耗的能量明显要低得多。

有利的是，水的分离在两个阶段进行，但也可以设置更多的阶段。这里，第二分离级有利地同样是热分离级。可替换地，第二分离级也可以由变压吸附装置形成，作为第二阶段可考虑变压吸附，因为这里仅有少量的水要从氢气中被去除，但取决于尽可能充分脱水。由于氢气仅混合有少量的水，在反冲洗成为必需之前分子筛床可以被使用比较长的时间。

优选根据本发明的实施例，为了返回水至少第一分离级的导水输出端与电解槽的输入端导通连接。导通连接至少断续地实施，即在导管内提供设置的阀门，如有需要，相应地操作阀门，以使在第一热分离级收集的水返回到电解槽的输入端。所述装置内的系统管路压力即氢气压力可用于传输这些水。为此目的，有利地提供带有阀的旁路管线，实际上在电解槽的第一输出端(这是导出氢气的输出端)与要被清空的分离器之间，跨接位于中间的分离器。

根据本发明，电解槽的输入端应理解为每个往电解槽输送水的管线，例如，其从所述装置的内部或外部的容器得到供给。这些水也可以被循环返回到这条管线或有利地返回到容器中。

有利地，在电解槽与第一热分离级之间设置机械预分离器，例如重力分离器或旋流分离器。在这样的预分离器中，可以几乎无损失地分离部分携带的水量。在此特别有利的是，按照管线适度地集成预分离器，使得预分离器可以同时用来接收从分离级返回的水。对此，预分离级有利地可以在其导气管道的输入侧和输出侧可以通过阀门关断，并通过旁路管线被跨接，该旁路管线同样是可通过阀门关断的。然后，当分离级的返回管线，其同样是可通过阀门关断的，终止于预分离器，可以通过关断预分离器的导气管道和打开旁路管线，在开启返回管线中的阀门时，使要返回的水通过在氢气管线中总是存在的压力被压入预分离器。如果氢气形式的气体通过返回管线到达预分离器，这是不会出问题的，因为其可以在以后被重新输送到分离级。

预分离器同样包括可通过阀关断的返回管线，在预分离器收集的水可以通过该管线被馈送到电解槽的输入端和上游的水箱。在预分离器的底部通过使用浮子阀，水的循环返回几乎可以自动进行，只要在往水箱引导的返回管线中的截止阀是开启的。

一个或多个热分离级有利地设有共同的电驱动的冷却装置。这种冷却设备是相对经济有效的并且是可以以小尺寸提供的。对于较大的设备中，将有利地使用压缩机制冷装置。或者，特别地在较小的设备中也可以使用吸收剂制冷装置或使用珀耳帖元件工作的制冷装置。如果热操作的第一分离级设计成，使从电解槽出来的、富含水和/或水蒸汽的氢气被冷却至在冰点之上稍高一点的温度，优选地在0℃与5℃之间，这是特别有利的。在该温度范围内，氢气流中携带的水有很大一部分凝结。氢气中剩余的含水量是相对低的。由于水的冷却在冰点之上进行，关于去除冷凝水，在针对结冰方面不用采取特殊的预防措施。

优选在第二分离级才将氢气流冷却至低于0℃，优选地低于-35℃。在此温度范围内，氢气中所携带的水通常在传热墙附近结晶成冰的形式。冰必须不断地从传热墙被去除，这可以通过断续的操作予以确保。由于这些装置典型地从不会连续操作超过12小时，基于冷却表面的合适的设计，一般不需要为了除霜而中断操作，事实上，如果该装置在关断之后处于操作暂停状态例如在夜间自动除霜就足够了。在另一方面如果该装置应设计为准连续24小时的操作，那么，或者针对第二热分离级规定除霜周期，第二热分离级在必要的情况下通过电加热予以支持，或者提供两个并联设置的、交替操作的热分离级。

根据本发明的装置特别有效地运转，如果电解槽、水分离装置和任何其他辅助单元连接管线、阀等这样地予以设计，使得氢气以20巴或更大的压力优选约为30巴的压力被生成并被保持。所述装置在此压强下运行是特别有利的，因为针对氢气存储于金属氢化物存储器中无需单独的增压设备。所述装置以所需的压力供给干燥的氢气。

附图说明

在下面参照附图中示出的实施例对本发明更详细地加以描述。

图1示出了本发明装置的实施例。

具体实施方式

图中所示的装置设置在未示出的、基本上封闭的壳体中，但也不一定必须这样地配置，而尤其是可以在集成到系统中时将其组件集成到系统中。

该装置包括PEM类型的电解槽1，电解槽通常被构造为堆栈，但原则上也可以构造为任何其它合适的形式。电解槽包括用于供给水的输入端2。电解槽1的第一输出端3设置用于排出电解槽1中产生的氢气，氢气中通常混有水和水蒸汽。此外，电解槽1包括第二输出端4，第二输出端4设置用于排放在电解槽1中产生的氧气。

在图示的实施例中，该装置包括呈水箱形的存储容器5，存储容器5经由泵6与电解槽的输入端2水导通地连接。第二输出端4经过管线接入水箱5的上部区域中。电解槽1的第一输出端3，也即引导氢气的输出端3，与水分离装置7导通连接。

水分离装置7包括重力水分离器8，其导气管线9与第一热分离级10导通连接。在该由封闭的容器11与其中集成的冷媒管线12构成的第一热分离级10中，从该重力水分离器8中出来的混有水的氢气流被冷却到约为4℃的温度。冷媒管线12在容器11的范围内形成为蒸发器。在该容器外部设置冷凝器。这些组件以常规的方式通过节气门和压缩机连接到冷却回路。在蒸发器12凝结的水收集在容器11的底部。

从第一热分离级10离开的气体经由管线13到达第二热分离级14，第二热分离级由两个容器15组成，其中设有作为蒸发器的冷媒管线16。冷媒管线16以相同的方式构成，如同在第一热分离级10中描述的，冷媒管线16与冷凝器相连接。冷却回路分别包括用于所有蒸发器的压缩机和冷凝器及节气门，并且设置为交替地操作。关断阶段10和14可以有利地通过共同的冷却回路来提供，所以只需要一个压缩机，其中不同温度可分别通过对应的节气门予以调整。

在第二热分离级14中，氢气连同其中仍携带的残留水被冷却至-36℃。在此，驻留的残留水在蒸发器16再挥发或凝固。从第二热分离级14离开的氢气处于氢气提取端口17并且是干燥的，即实际上是不含水分的。容器15可以通过输出侧的阀18交替地操作，也即其中一个容器用于冷却，而另一个容器被除霜并且在容器底部收集的水通过管线20被输送到重力水分离器8中，管线20同样是可借助阀19关断的。返回管线20中的阀19仅分别短暂地开启，其中属于容器15输出侧的阀18被操控为截止，直到霜融化的水被从容器15转送到重力水分离器8。

为容器11设置相应的装置，经过在该装置底侧相连的管线21和下游侧的截止阀22，水在该装置里从容器11被转送至重力水分离器8。为此目的，重力水分离器8通过旁路管线23被跨接、借助阀24和25被关断，从而使得在打开旁路管线23中的阀26之后容器11释放压力并且位于底部的水通过管21被压入重力水分离器8。可替换地，该返回管线也可直接接入水箱5。

在本实施例中，水返回管线27连接在重力水分离器8的底部，返回管线27可通过阀28与水箱5连接。因此在水分离装置7中分离出的水被完全引回到水箱5中。该装置通常这样运行：使得在电解槽的输出侧以20-30巴的压力产生氢气。在此电解槽在70℃-80℃之间的温度下运行。

附图标记列表

1：-电解槽

2：-1的输入端

3：-1的第一输出端

4：-1的第二输出端

5：-水箱

6：-泵

7：-水分离装置

8：-重力水分离器

9：-导气管道

10：-第一热分离级

11：-10的容器

12：-冷媒管线，10的蒸发器

13：-管线

14-第二热分离级

15：-14的容器

16-冷媒管线，14的蒸发器

17-氢气提取端口

18：-输出端阀门

19：-管道中的阀门

20：-16的返回管线

21：-11的返回管线

22-21中的阀

23-旁路管线

24-阀

25-阀

26：-旁路管线中的阀

27：-水返回管线

28：-水返回管线中的阀门。

Claims (16)

1.一种用于由水电制氢的装置，具有PEM类型的电解槽（1），所述电解槽包括用于供给水的输入端（2）和用于富含水和/或水蒸汽的在所述电解槽（1）中产生的氢气的第一输出端（9）以及用于氧气和水的第二输出端（4）；并具有水分离装置（7），该水分离装置的输入端与所述电解槽（1）的第一输出端（3）导通连接，并且该水分离装置的导气输出端引向位于所述装置中或在所述装置上的氢气提取端口（17），其中，所述水分离装置（7）具有至少一个第一热分离级（10）。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，第二分离级（14）连接到所述第一分离级（10）的下游。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述第二分离级（14）是热分离级（14）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一和第二热分离级（10、14）连接到共同的冷却回路。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第二分离级（14）包括变压吸附装置。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，在所述电解槽（1）的第一输出端（3）与所述热分离级（10）的输入端之间连接有机械预分离器（8）。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，在所述第一分离级（10）和/或第二分离级（14）分离出的水经过返回管线（20，21）输送到所述预分离器（8）。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述返回管线设有截止阀（19、22）；跨接所述预分离器（8）的旁路管线（23），该旁路管线可以通过阀（26）来关断；并且其中，所述预分离器（8）的导气输入和输出管线可以借助阀（24、25）来关断。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述预分离器（8）通过可借助阀（28）关断的返回管线（27）与所述输入端（2）导通连接，用于输送水。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述水分离装置（7）包括至少所述第一分离级（10）的导水输出端（21），该输出端至少断续地与所述电解槽（1）的输入端（2）导通连接以返回水。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述热分离级（10、14）包括电驱动的冷却装置。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述冷却装置具有吸收器制冷装置、压缩机制冷装置（16）或使用珀耳帖元件工作的制冷装置。

13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一分离级（10）被设计成，将从所述电解槽（1）出来的、富含水和/或水蒸汽的氢气冷却至低于5℃但在冰点之上的温度。

14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述的第二分离级（14）是热工的，其被设计成，将从所述第一分离级（10）出来的、富含水和/或水蒸汽的氢气冷却至低于0℃，优选冷却至低于-35℃。

15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第二分离级（14）是热工的并且被间歇地驱动。

16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，该装置被设计成，以20巴或更大的压力、优选为超过30巴的压力来生成氢气并加以保持。

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