CN104066872A - 电解装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电解装置(2)，其具有至少一个设置在两个端板(6，8)之间的聚合物电解液膜结构的电解槽(4)和用于在端板(6，8)之间产生挤压力的装置。该挤压力至少部分地根据由电解槽(4)产生的气体压力进行控制。

Description

电解装置

技术领域

本发明涉及一种具有如权利要求1的前序部分所述特征的电解装置。

背景技术

在电解装置中利用电流将水分解成其组成成分氢气和氧气。对此公知的是使用聚合物电解液膜结构(Polymerelektrolytmembranbauweise)的电解槽。这种电解槽通常基本上由聚合物电解液膜构成，在聚合物电解液膜的两个外侧上分别设有气体扩散电极。在这种电解装置中，在最简单的情况下在两个端板之间设有一个电解槽，但通常是设有多个堆叠结构的电解槽。端板一方面用于供给电力，另一方面用于在电解槽或堆叠的电解槽上施加电解装置有效工作所需要的挤压力。为此需要使端板彼此相对夹紧。

公知的是，随着电解装置的工作压力不断增加，也就是说随着电解装置内部的气体压力不断增加(这对电解装置的效率是不利的)，通过端板施加在电解槽或堆叠的电解槽上的挤压力将降低，并且这种挤压在最坏的情况下可能会完全消失。在现有技术中试图借助于非常粗大并因此非常刚性的端板来抵消这种效应，但是这并不足以达到预定目的并且会导致结构非常笨重。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是提出一种上述类型的电解装置，通过这种电解装置总是能够确保对一个或多个电解槽实现足够大的挤压，而与存在于电解装置中的工作压力无关。

本发明的目的通过一种具有如权利要求1的前序部分所述特征的电解装置来实现。这种电解装置的优选的扩展方案由从属权利要求、下面的说明以及附图给出。在此根据本发明，在从属权利要求中给出的特征可以各自或者通过合适的组合对如权利要求1所述的根据本发明的解决方案做进一步的设计。

按照本发明的电解装置用于将水分解成氧气和氢气，并优选用于生成氢气，该电解装置通常具有至少一个设置在两个端板之间的聚合物电解液膜结构的电解槽。为了产生更大量的氢气，按照本发明的电解装置也可以在两个端板之间具有多个组合成堆叠体的电解槽，因此，当在下面讲到电解槽时，总是理解为也包括堆叠的电解槽。

两个端板和设置于其间的电解槽构成整个结构单元。为此目的，端板和位于其间的电解槽例如通过拉杆彼此夹紧。虽然通过这种方式可以利用端板对电解槽施加一定的挤压力(Anpresskraft)，但是只有该挤压力并不足以确保：在较高的工作压力下，即由电解槽产生的气体压力例如超过2MPa时，在考虑到电解装置的效率的情况下电解装置能够最优化地运行。为此，按照本发明的电解装置在端板之间具有用于产生挤压力的其他装置。

在这种情况下，本发明的基本思想是：至少部分地根据由电解槽产生的气体压力来控制施加在电解槽上的挤压力。也就是说设有控制器，利用该控制器可以直接根据由电解槽产生的气体压力的变化有针对性地改变电解槽上的挤压力的大小。这意味着：当由电解槽产生的气体压力上升时，优选在电解槽上的挤压力可以与该气体压力的上升成比例地升高，以平衡前述由于气体压力升高而对挤压力产生的不利影响，并且可以与气体压力无关地总是在电解槽上调整出在理想情况下恒定的挤压压力(Anpressdruck)，该挤压压力使得电解槽能够以最优的效率工作。

为了根据气体压力控制电解槽上的挤压力，可以在需要时借助于设置在电解装置的气体压力作用区域中的压力传感器来检测由电解槽产生的气体压力，然后将压力传感器的电输出信号输送到控制器作为输入信号，并在那里转换成用于优选为一个、但也可能为多个的用于产生挤压力的执行器的调节参数。

特别优选可以直接根据电解槽产生的气体压力来控制挤压力。即，直接用气体压力作为调节参数对用于产生挤压力的执行器施加压力(druckbeaufschlag)，或者根据气体压力来调节执行器。为此，提供从电解装置的内部到执行器的封闭的过流路径在此，该过流路径在电解装置上原则上既可以设置于在水分解过程氧气积聚的区域中，即阳极侧，又可设置在氢气积聚的区域中，即阴极侧。在按照本发明的电解装置的一种优选的实施方式中，根据在电解槽中产生的氢气的气体压力来控制挤压力。为此，可以将过流路径设计为，从电解装置的氢气出口到产生挤压力的执行器或者到控制该执行器的控制器。

为了确保能够与电解槽所产生的气体压力无关地对电解槽施加足够大的挤压力，需要使施加在电解槽上的挤压压力适当地大于由电解槽产生的气体压力。在按照本发明的电解装置的一种实施方式中，气体压力直接作用于产生挤压力的执行器上，为此，执行器可以根据需要包含压力放大器。

在按照本发明的电解装置的另一优选的实施方式中，通过流体产生受气体压力控制的挤压力。相应地，电解槽上的挤压力将直接或间接地通过合适于此的部件由气体或液体产生，通常优选为液体，因为液体近乎表现为不可压缩的。但也可以考虑，在最简单的情况下直接通过电解槽产生的气体来调节电解槽上的挤压力。

关于通过流体产生挤压力，优选在电解装置的两个端板中的至少一个上在面向电解槽的一侧设置压力密封室。该压力密封室用于容纳直接推压与压力密封室毗邻设置的电解槽的平的侧面的流体。

进一步优选可以在构成于端板上的压力密封室中设置可朝电解槽的方向移动的挤压体，通过位于压力密封室中的流体使该挤压体挤压电解槽，并由此在电解槽上施加挤压力。在此可以适宜地使挤压体相对于压力密封室的边缘被流体密封地密封，以防止流体从压力密封室漏出。

为了产生挤压力，适宜地使压力密封室与压缩机管道连接。在本文中压缩机指的是泵或类似的装置，利用压缩机可以将流体挤压到构成于端板上的压力密封室中。压缩机被适当地设置在端板的背向电解槽的一侧，在此，流体管道穿过端板从压缩机通向压力密封室。

在结构上可简单地跳过活塞-气缸装置构成压缩机。因此，在最简单的情况下可以设置气缸，该气缸被可在其中运动的活塞分成两个气缸室，在此，其中一个气缸室与构成于端板上的压力密封室管道连接，并利用由电解槽产生的氢气对另一个气缸室的活塞加压。相应地优选使活塞-气缸装置的其中一个气缸室与电解装置的氢气出口管道连接。

正如已指出的那样，要力求使施加在电解槽上的挤压压力大于由电解槽产生的气体压力。在这种情况下，特别优选将活塞-气缸装置设计为，其构成压力转换器(Druckübersetzer)。在此，对于压力转换器来说，活塞的端面(该端面邻接活塞-气缸装置的与构成在端板上的压力密封室管道连接的气缸室)通常小于活塞的由氢气加压的端面，在此，压力转换器的压力转换比为与由氢气加压的活塞端面与邻接活塞-气缸装置的气缸室的活塞端面的商。

优选压力转换器的压力转换比位于1.1至2.5之间，优选在1.2至2.0之间。已证实：根据这个压力转换比，可以有足够大的挤压力施加到电解槽上，但是该挤压力不会大到使电解槽损坏或完全毁坏。

附图说明

下面参照附图所示的实施例详细说明本发明。

在附图中高度简化地以分解图示意性示出了电解装置2。

具体实施方式

电解装置2具有电解槽4，该电解槽设置在两个端板6和8之间。在端板6上设有构成电解装置2的氢气出口的开口10，在电解装置2的外侧只示意性示出的管道12连接在该开口上。通过开口10和连接在其上的管道12，在电解槽4中产生的氢气被导出到图中未示出的存储罐中。

在电解槽4的中央设有聚合物电解液膜14。该聚合物电解液膜14在其两个平的侧面上分别被气体扩散电极16或18覆盖。在气体扩散电极16的外侧设有板20，在气体扩散电极18的外侧设有板22。板20和22用于供电。聚合物电解液膜14和两个板极20、22之间的中间空间通过密封件24密封。在附图中，电解槽4在其上端部通过两个密封件26密封。

两个端板6和8通过附图中未示出的拉杆彼此拉紧。由此可以对电解槽4施加一定的挤压力，该挤压力对于在电解槽4中实现高效率的电解是必不可少的。如果在电解装置2中充斥着特别是由在电解过程中产生的氢气所引起的较高的气体压力，则由端板6和8施加在电解槽4上的挤压力就不再能够满足以足够的效率进行电解。因此，必须对电解槽4施加额外的挤压力。下面对为此选择的结构性措施进行说明。

在端板6的面向板极20的平的侧面上设有凹槽28，该凹槽在背向板20的方向上通过形成梯台30而逐渐变细。梯台30围绕凹槽28的整个周向延伸，并用于容纳密封件34，该密封件使端板6流体密封地相对于板20被密封。通到凹槽28的孔36延伸穿过端板6。孔36由此构成通向由凹槽28和挤压体32所形成的腔室的入口。

在管道12上设有分支管道38。管道40从该分支管道38通向活塞-气缸装置42。活塞-气缸装置42具有封闭的空心气缸44，活塞46可以在该空心气缸中轴向移动。活塞46将空心气缸44的内部空间分成第一气缸室48和第二气缸室50。

在空心气缸44的周向面上设有通到气缸室48的开口52。管道40连接在开口52上。此外，在空心气缸44上，在形成气缸室50的边界的端面上设有另一开口54。以箭头的形式示出的管道56从开口54通向设置在端板6上的孔36。

在活塞46上，在面向气缸室50的端面上设有活塞杆58。该活塞杆58相对于活塞46的中轴线A同心地延伸穿过开口60，该开口设置在空心气缸44的形成气缸室50的边界的端面上。由于从气缸室50引出的活塞杆58，活塞46的在面向气缸室50的端面上的压力作用面小于在面向气缸室48的端面上的压力作用面。由于该设计方案，活塞-气缸装置42构成了压力转换器。

下面对所示出的电解装置2的工作原理进行说明：

由电解装置2产生的氢气应该在高压下存储于未示出的存储罐中。相应地在电解装置2和通向存储罐的管道12中充斥着高氢气压力，这种高氢气压力在迄今已知的电解装置中会导致气体扩散电极16和18不再足够程度地彼此挤压。

在所示出的电解装置2中不是这种情况。如果在电解装置2中氢气压力升高，其结果是活塞-气缸装置42的气缸室48中的压力也升高，因为气缸室48通过管道12和40与电解装置2的内部管道连接。在气缸室48中的这种压力升高将导致活塞46在朝向气缸室50的方向上被推压，由此使得气缸室50和通过管道56与其管道连接的端板6的凹槽28中的压力也升高。在此，气缸室50和凹槽28中的压力升高大于气缸室48中的压力升高，因为基于活塞46的设计方案，活塞-气缸装置42构成了压力转换器。

由于气缸室48中的压力升高，位于凹槽28中的流体以相应增强的压力挤压板20，从而可以确保两个气体扩散电极16和18足够程度地彼此挤压。

附图标记列表

2电解装置

4电解槽

6端板

8端板

10开口

12管道

14聚合物电解液膜

16气体扩散电极

18气体扩散电极

20板

22板

24密封件

26密封件

28凹槽

30梯台

34密封件

36孔

38分支管道

40管道

42活塞-气缸装置

44空心气缸

46活塞

48气缸室

50气缸室

52开口

54开口

56管道

58活塞杆

60开口

A中轴线

Claims (11)

1.一种电解装置(2)，具有至少一个设置在两个端板(6，8)之间的聚合物电解液膜结构的电解槽(4)，和用于在所述端板(6，8)之间产生挤压力的装置，其特征在于，至少部分地根据由所述电解槽(4)产生的气体压力来控制所述挤压力。

2.如权利要求1所述的电解装置(2)，其特征在于，对所述挤压力直接通过由所述电解槽(4)产生的气体压力进行控制。

3.如前述权利要求中任一项所述的电解装置(2)，其特征在于，对所述挤压力通过由所述电解槽(4)产生的氢气的气体压力进行控制。

4.如前述权利要求中任一项所述的电解装置(2)，其特征在于，由所述挤压力施加在所述电解槽(4)上的挤压压力大于由所述电解槽(4)产生的气体压力。

5.如前述权利要求中任一项所述的电解装置(2)，其特征在于，受气体压力控制的所述挤压力通过流体产生。

6.如前述权利要求中任一项所述的电解装置(2)，其特征在于，在至少一个端板(6)上在面向所述电解槽(4)的一侧设置压力密封室。

7.如权利要求6所述的电解装置(2)，其特征在于，所述压力密封室与压缩机管道连接。

8.如权利要求7所述的电解装置(2)，其特征在于，活塞-气缸装置(42)构成压缩机。

9.如权利要求8所述的电解装置(2)，其特征在于，所述活塞-气缸装置(42)的气缸室(48)与所述电解装置(2)的氢气出口管道连接。

10.如权利要求8或9所述的电解装置(2)，其特征在于，所述活塞-气缸装置(42)构成压力转换器。

11.如权利要求10所述的电解装置(2)，其特征在于，所述压力转换器的压力转换比位于1.1至2.5的范围内，优选位于1.2至2.0之间。