CN106661741A - 电解系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于从水中产生氢和氧的电解槽系统(100)，其包括：至少一个电解槽(101)，其包括膜电极组件(102)和离子导电电解质(108)，所述膜电极组件包括至少一对包括阳极(107)和阴极(109)的气体可渗透电极(107，109)；所述离子导电电解质布置在每对阳极(107)和阴极(109)之间；在每个电极(107，109)的非电解质侧上的电极气体空间(104，106)，其包括阳极气体空间(104)和阴极气体空间(106)，至少一个电极气体空间(104)包括入口(130)和出口(132)；再循环回路(143)，其用于将所产生的氧产物气体中的至少一部分从至少一个电极气体空间(104)的出口(132)再循环到相应的电极气体空间(104)的入口(130)，并且通过相应的电极气体空间(104)；与所述再循环回路(143)流体连通的供水容器(142)，所述供水容器(142)利用由再循环回路(143)中相应的产物气体提供的蒸发热将来自供水(144)的水蒸发并将水蒸汽供给至所述再循环回路(143)中；和热传递装置(105)，其位于电极气体空间(104)中，用于在阳极气体空间(104)中的气体和所述膜电极组件(102)之间传递热量，所述气体空间通过其入口和出口流体地连接到所述再循环回路，其中所述热传递装置(105)与所述膜电极组件接触并且还允许在所述膜电极组件(102)和相应的气体空间(104)之间的气体循环。

Description

电解系统
技术领域
本发明总体涉及一种用于进行电解工艺以产生清洁气体(例如氢和氧)的电解工艺和装置。本发明特别适于用于电解水的低温气体电解槽系统，并且便于在下文中关于该示例性应用来公开本发明。然而，应当理解，本发明不限于该应用并且可以用于其它电解应用中。
背景技术
以下对本发明背景的讨论旨在促进对本发明的理解。然而，应当理解，该讨论不是确认或承认所提及的任何材料在本申请的优先权日已公开、已知或是公知常识的一部分。
作为在操作条件下的水电解中的放热反应的结果，低温气体电解槽系统具有在膜电极组件(特别是在阳极侧)中产生的大量热量。因此，必须使用冷却系统来维持膜电极组件和整个电解槽的低操作温度。
在美国专利公开第3,917,520号(Katz等人)和第3,905,884号(Edmund等人)中教导并且在图1中示出了利用热交换系统的一种水电解装置。如图1所示，该装置包括电解槽，其包括夹在阴极14和阳极16之间的多孔基质18，并填充有水性电解质。通过热交换部22和与阳极16相邻的多孔垫板20(其还包括电解质存储基质)来从槽中除去热量。该槽还包括分别在阴极和阳极的非电解质侧上的气体空间24、26。
在操作期间，通过电源30施加电势，引起水的电解并且将槽的阳极侧上的氧释放到气体空间26中，且将槽的阴极侧上的氢释放到气体空间24中，并且通过出口32。分别使用导管34和36去除气体。压力调节装置用于在气体空间24和26中维持基本相等的压力。一部分氢气由泵39再循环通过槽并在入口38处再次进入槽的气体空间24。
通过泵46使冷却剂流体通过回路41再循环来从槽中除去热量，该回路41通过使用了冷却剂入口42和冷却剂出口44的热交换部22。该回路41还包括具有旁路控制阀50、热敏元件52和散热器54的旁路回路48。冷却剂以与再循环氢气逆流的方向通过槽来循环。
使用计量装置58将来自储存室56的水供应到再循环氢气流，该水供应的量足以代替由槽使用的水和通过导管34、36与气体一起排出的水。使用蒸发器60以由离开热交换部分22的热液体冷却剂提供的蒸发热来对水进行蒸发。
因此，US 3,905,884和3,917,520的水电解槽系统装置包括连接到电解槽的单独的热交换部分。该部分必须与阳极室隔离以避免气体交叉。因此，该系统具有以下缺点：
(A)需要将单独的热交换部分连接到槽，给整个系统带来了额外的复杂性而且由于连接材料而引致了热损失；
(B)包括热传感器和控制设备的槽热管理系统的高成本和复杂性，其中热传感器和控制设备用来提供循环并且在各种操作条件下维持液体冷却剂的温度；和
(C)由于水在气体再循环回路中冷凝而导致的低可靠性。来自槽的热量使用液体冷却剂回路来除去，并通过旁路回路来释放或用于将蒸发器中的水进行蒸发。该系统保持进入槽的液体冷却剂的恒定温度。再循环的氢气用于将蒸汽形式的水从蒸发器输送到槽。然而，所述系统没有在气体再循环回路中保持基本恒定温度的装置。应当理解，为了以蒸汽形式传输大量的水，该工艺应该在高温下进行。随着气体再循环回路内的温度变化，一部分水可能在气体再循环回路内局部冷凝。供水受到离开槽的水量的限制。因此，这种温度变化可能最终导致电解质干涸并随后导致装置的故障。
因此，希望提供一种用于进行电解工艺以产生清洁气体(例如氢气和氧气)的替代和/或改进的方法和装置。这种系统将优选地降低操作设备所需的槽热管理和控制设备的成本和复杂性。
发明内容
本发明提供了一种新的电解系统，优选为一种用于从水中产生氢和氧的低温气体电解槽系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于从水中产生氢和氧的产物气体的电解槽系统，其包括：
至少一个电解槽，其包括膜电极组件和离子导电电解质，所述膜电极组件包括至少一对包括阳极和阴极的气体可渗透电极，所述离子导电电解质布置在每对阳极和阴极之间；
在每个电极的非电解质侧上的电极气体空间，至少一个电极气体空间包括入口和出口；
再循环回路，其用于将所产生的氧或氢的产物气体中的至少一种的至少一部分从相应的电极气体空间的出口再循环到该电极气体空间的入口；
与所述再循环回路流体连通的供水容器，所述供水容器利用由所述产物气体提供的蒸发热将来自供水装置的水进行蒸发并将水蒸汽引入所述再循环回路中；和
热传递装置，其位于所述电极气体空间中，用于在所述膜电极组件和气体空间中的气体之间传递热量，所述气体空间通过其入口和出口而流体地连接到所述再循环回路，其中所述热传递装置与所述膜电极组件接触并且还允许在所述膜电极组件和相应的电极气体空间之间的气体循环。
与现有技术中的电解槽结构(例如如前所述)不同的是，本发明包括在阴极或阳极的电极气体空间中的热传递装置，其与膜电极组件接触，优选物理接触，以允许相应的氢或氧的产物气体和膜电极组件之间的有效热传递。相应的产物气体在热传递装置上循环通过电极气体空间，以从该电极气体空间去除热量。
维持电解所需的水以蒸汽形式与再循环产物气体一起供应。水蒸汽经由流体连接的电极气体空间供给到膜电极组件。有利地，再循环回路使得在水电解期间产生的热量能够用于蒸发在膜电极组件中电解所需的水(来自供水装置)。应当理解，水电解期间产生的剩余热量用于维持并在需要时提高电解槽系统中的温度。
应当理解，电解槽的效率随着操作温度的升高而增加。因此，随着系统中的温度增加，在恒定的氢产生速率(即恒定电流供应)下，电解槽将产生较少的热量。结果，将达到平衡，其中电解期间产生的热将用于维持系统内的升高的温度并提供能量以蒸发电解槽中电解所需的水。
热传递装置可以包括能够将热量从膜电极组件传递到容纳热传递装置的电极气体空间中的气体的任何合适的主体、系统或装置。在一些实施方案中，热传递装置包括与相应的阳极或阴极直接物理接触的散热器。更优选地，散热器抵接或物理连接到相应阳极或阴极的至少一部分。合适的热传递装置优选地包括用于在相应的电极气体空间和膜电极组件之间的气流的孔或开口，优选多个孔/开口。因此，热传递装置是气体可渗透的，优选在平行于膜电极组件的纵向轴线的方向上是气体可渗透的。合适的热传递装置包括网，优选为波纹网部或穿孔片。这种类型的热传递装置通常具有片状件或板状件的形式。在一些实施方案中，热传递装置也可以是导电的。因此，热传递装置优选地由导电金属形成，例如镍或不锈钢。耐腐蚀性也是优选的，特别是对于某些腐蚀性电解质。因此，在一些实施方案中，热传递装置优选地由耐腐蚀金属，优选地由耐腐蚀不锈钢形成。这种耐腐蚀性可以由合金组合物、耐腐蚀涂层等产生。
膜电极组件可以包括任何数量的结构。例如，在一个实施方案中，每个电解槽包含压在电解质的每一侧上的一对气体多孔电极。与在相同温度和压力下的纯水相比，电解质优选包括在其表面上具有较低饱和水压的任何合适的电解组合物。在一些实施方案中，电解质可包括固体离子交换膜或嵌入各种多孔基质中的液体电解质。用于阳极和阴极的电极优选由众所周知的在酸性或碱性介质(取决于电解质的类型)中催化水氧化和还原的材料组成。多种合适的材料是本领域公知的。
根据所需的电解槽结构，阳极的电极气体空间或阴极的电极气体空间可以包括热传递装置并且流体连接到再循环回路。因此，在一些实施方案中，包括流体连接到再循环回路的入口和出口的电极气体空间是阳极的电极气体空间，并且产物气体包括氧。在这样的实施方案中，氧的产物气体通过再循环回路循环并提供蒸发热用于蒸发供给到加湿器中的水。在其它实施方案中，包括流体连接到再循环回路的入口和出口的电极气体空间是阴极的电极气体空间，并且产物气体包括氢。在这样的实施方案中，氢的产物气体通过再循环回路循环并提供蒸发热用于蒸发供给到加湿器中的水。
供水容器包括使得热能/能量可以从气相(再循环气流)转变到液相(供水)以便对水进行蒸发的任何容器。各种热传递布置是可行的。在优选实施方案中，供水容器包括加湿器。加湿器优选地直接混合循环回路中的产物氧气或氢气和供应到并流过加湿器的水。因此，再循环的氧或氢的产物气体可以通过加湿器并带走水蒸汽。在这样的实施方案中，用于对水进行蒸发的蒸发热由再循环回路中的产物气体提供。
加湿器，并且具体为加湿器的出口，优选地位于靠近流体连接的电极气体空间的入口。加湿器和流体连接的电极气体空间的入口之间的紧密接近将加湿器和电极气体空间之间的热量损失以及在它们之间的任何流体连接中冷凝的可能性最小化。
系统优选是低温电解系统，因此，优选在0℃至300℃之间的温度下操作，优选在100℃至200℃之间的温度下操作，更优选在120℃至160℃之间的温度下操作。
水在系统中用于电解以产生氢和氧。水优选以对系统中通过电解使用的水进行补充所需的速率供应给供水容器。在这方面，可以使用控制系统来控制供给到供水容器的水量。在这样的实施方案中，将与在电解期间感测(例如通过电流表或其他适当的传感器)的所使用的量加上随着气体通过相应电极的出口以及随着再循环产物气体从槽损失的水量相等的水量合适/等量地供给给水容器。
在本发明的实施方案中，电极气体空间容纳在具有入口开口和出口开口的电极室中，所述入口开口和出口开口沿着气流轴线定位，所述气流轴线正交于相应电解槽的膜电极组件的纵向轴线定向。优选地，入口开口和出口开口的尺寸设定成保持足够的气流通过电极气体空间和相应的电极室。在一些实施方案中，正交于膜电极组件的纵向轴线的膜电极组件的总的有效平面表面积与电极室的入口开口和出口开口中的每一个的平面面积之间的比率在1和5之间。
电极室的入口和出口开口的尺寸便于气体流动并且以0.1m/s至20m/s，优选1至20m/s之间，更优选在5m/s和20m/s之间的优选速度循环通过电极气体空间。在系统中的气体的高操作温度和压力下，可以使用较低的循环速度，其中需要较小容量的循环气体以提供有效的热传递并且供应足够量的水作为用于电解的原料。在较低的温度和气体压力下，需要较高的速度以保持期望的系统效率。
在一些实施方案中，该系统包括堆叠在一起的至少两个电解槽。在一些实施方案中，系统包括堆叠在一起的多个电解槽。这种系统包括槽堆，其中堆叠的电解槽并行地起作用以从进料水产生所需的产物气体。
本发明的第二个方面提供了一种使用至少一个电解槽从水中产生氢和氧的方法，所述电解槽包括膜电极组件和离子导电电解质，所述膜电极组件包括至少一对包括阳极和阴极的气体可渗透电极，离子导电电解质布置在每对阳极和阴极之间，所述气体可渗透电极或每个气体可渗透电极包括在其非电解质侧上的电极气体空间，所述阳极和阴极的电极气体空间的至少一个包括入口和出口，所述方法包括：
向所述膜电极组件供应电流和水蒸汽以从阴极产生氢气和从阳极产生氧气；
将所产生的氧气或氢气中的至少一种的一部分从相应的电极气体空间的出口通过再循环回路再循环到所述相应的气体空间的入口并通过所述相应的气体空间；
使用由所述再循环回路中相应的氧或氢产物气体的至少一部分提供的能量将从供水装置供应到所述再循环回路中的水进行蒸发，以提供所需的蒸发热；和
使用位于所述相应的电极气体空间中的热传递装置在所述膜电极组件和在所述相应的电极气体空间中的产物气体之间传递热量，所述热传递装置与所述膜电极组件接触并且还允许所述膜电极组件和所述相应电极气体空间之间的气体循环。
如上所述，根据期望的结构，阳极的电极气体空间或阴极的电极气体空间可以包括热传递装置并且流体地连接到再循环回路。因此，在一些实施方案中，所述相应的气体空间是阳极的电极气体空间，并且产物气体包括氧。在其它实施方案中，所述相应的气体空间是阴极的电极气体空间，并且产物气体包括氢。
类似地，如上所述，蒸发水的步骤优选在加湿器中进行。在该步骤中，优选将水混合到对所产生的氧气的一部分进行的再循环中，从而将热量从所产生的氧的产物气体转移到混合物中的水中以用于水的蒸发。
应当理解，根据本发明的第二方面的方法可以使用根据本发明的第一方面的系统来执行。因此，关于本发明的第一方面所讨论的特征同样适用于本发明的第二方面。
附图说明
现在将参照附图的图示描述本发明，其示出了本发明的特定的优选的实施方案，其中：
图1是对应于现有技术并且如说明书的介绍中所描述的电解槽系统的视图。
图2是对应于本发明的电解槽系统的视图。
图3提供了根据本发明的一个实施方案的电解槽的氧室的总体设计示意图。
图4示出了根据本发明的一个实施方案的没有氧室(图3所示)的电解槽的一部分的立体图。
图5示出了根据图3和图4所示的实施方案的已组装的电解槽的立体图。
图6提供了多个如图5所示的电解槽形成的槽堆的立体图。
具体实施方式
本发明提供了一种从供水产生氢和氧的产物气体的电解槽。本发明的电解槽一般包括膜电极组件，其包含阳极、阴极和其间的电解质。
本发明提供的一个改善之处是使用了热传递装置，其促进了膜电极组件与由膜电极组件产生的氧或氢的产物气体之间的有效热量传递。根据电解槽的期望构造，本发明的热传递装置容纳在阳极或阴极的非电解质侧上的电极气体室中。热传递装置物理连接到相应的阳极或阴极。产物(氧或氢的产物气体)在热传递装置上循环通过电极气体室，以从室中移除热量并供应用于电解的水。该经加热的产物气体的一部分通过连接在电极气体室的出口和入口之间的再循环回路而再循环。再循环回路包括加湿器，供水以足够的量供给到加湿器中以维持电解。加湿器利用再循环回路中的产物气体的热量来供应所需的能量(蒸发热)以蒸发所供应的水。因此，电解所需的水以蒸汽形式从具有再循环产物气体的再循环回路供应到膜电极组件。
图1至图6示出了根据本发明的电解槽系统或电解槽100的一种形式。
首先参考图2，其显示了根据本发明的实施方案的一个电解槽系统100的工艺示意图。所示的电解槽系统100包括至少一个电解槽101。每个电解槽101包括具有气体可渗透电极的膜电极组件102，气体可渗透电极包括布置在离子导电电解质108的各侧上的阳极107和阴极109。通过本领域公知的手段构造膜电极组件102。例如，在本发明的一个实施方案中，电解槽101包括压在电解质108的每一侧上的一对气体多孔电极。
电解质108优选是固体离子交换膜(可商购的质子交换膜，例如或者阴离子交换膜，例如德山公司(Tokuyama)的A201，可获自美国德山：美国伊利诺斯州阿灵顿海茨市，60005)或嵌入各种多孔电解质中的液体电解质(例如美国专利5,843,297和4,895,634中所述，其内容应理解为通过该引用并入本说明书中)。与在相同温度和压力下的纯水相比，电解质108的主要需求是在其表面上具有较低的饱和水压。
用于阳极107和阴极109的电极优选由众所周知的在酸性或碱性介质(这取决于电解质的类型)中对水的氧化和还原进行催化的材料组成。例如，用于阳极107和阴极109的电极可以形成分散在离子交换膜表面上的纳米颗粒(例如在《能源与环境科学》(EnergyEnviron.Sci.)，2011,4,293中所描述的，其内容应当被理解通过该引用并入本说明书中)，或者被制造为穿孔片或网(例如，如《氢能国际期刊》(Int.Journal of Hydrogen Energy)37(2012)10992-11000中所描述的，其内容应当被理解为通过该引用并入本说明书中)。
电解槽101使用阴极109和阳极107的非电解质侧上的气体空间104、106。通过电解产生的氧气被收集在阳极气体空间104中。通过电解产生的氢被收集在阴极气体空间107中。所产生的氧气和氢气经由出口132和132A离开相应的气体空间104、106。如下所述，阳极气体空间104还包括向电解槽101供水以用于电解的水蒸汽。通过阴极室128和阳极室129在槽中形成槽气体空间104、106，如图3和图4所示。阳极室129具有入口130和出口132。
阴极室128可以通过任何公知的方式制造，所述方式允许将电流提供给阴极109，并且优选地在电解质侧上包括多个通道(未示出)用于待从系统100除去的氢气，例如在《能源与环境科学》(Energy Environ.Sci.)，2011,4,2993所述的，其内容应理解为通过该引用并入本说明书中。
在图3至图6中示出了根据本发明的电解槽101的一个实施方案。在本发明的该实施方案中使用的阳极室129的总体设计在图3中示出。所示的阳极室129由具有两个开口的薄中空板构成，该两个开口包括在对侧131A和131B上的入口130和出口132，以允许气体循环进出阳极室129；以及在基部131C上的开口133，膜电极组件102(包括阳极)经由阳极107安装至基部131C上。
包括热交换器或散热器105的热传递装置位于阳极气体空间104内。在保持阳极107和阳极气体空间104中的气体之间的气体循环/气体扩散的同时，散热器105与阳极107直接物理接触。散热器105可以包括金属穿孔片或网部。然而，应当理解，散热器105可以具有任何合适的构造，以能够保持高容量的气体循环并且提供从阳极107到阳极气体空间104中的气体的有效热量传递。
图4中示出了未画出阳极室129的电解槽101的该实施方案的一部分。散热器105用于从阳极107移除热量，并且被压在膜电极组件102的阳极107上，阳极107放置在阴极室128上。在优选实施方案中，散热器105可以由金属片或金属网制成。在所示实施方案中，散热器105包括波纹金属板(直角波纹)，其具有与阳极107接触的穿孔接触区域107A和固体波纹状散热片107B。散热器105的与膜电极组件102的阳极107接触的区域具有多个开口145，以允许膜电极组件102和阳极室129中的氧产物气体之间的热和水传递。在碱性膜或具有耐腐蚀涂层(例如，在2013年5月9日的日本专利第JP2013082985A号渡边等人教导的碳涂层，其内容应理解为通过该引用并入本说明书中)的不锈钢的情况下，水槽105可以由镍或耐腐蚀的不锈钢制成。
散热器105可以具有各种设计以增强膜电极组件102和在阳极室129中循环的气体之间的热量传递。电流可以直接提供给阳极107，或者如果使用了导电材料，则替代地通过散热器105。
在图5中示出了全槽组件101。在优选实施方案中，阳极室129(其外侧)与阳极107直接电接触，而阴极室128(其外侧)与阴极109直接电接触。
阳极室129的入口130开口和出口132开口位于阳极室129的侧面，其中入口开口正交于电解槽101的纵向轴线X-X而定向。通过阳极室129的入口130和出口132的气流沿着正交于膜电极组件102的纵向轴线X-X定向的流轴线而定位。入口130开口和出口132开口的尺寸设置成保持足够的气流通过阳极室129。为此目的，优选的是，膜电极组件102的有效表面(正交于纵向轴线X-X的电极、电解质等的平面表面积)与阳极室129的入口130和出口132的入口面积A之间的比率优选在1和5之间。
在系统100的操作期间，由电源113在每个阴极109和阳极107之间施加电势，引起保留在电解质108中的水的小部分电解，因此将氧释放到阳极气体空间104中并将氢释放到阴极气体空间106中。在通过压力控制出口115在气体空间104和106内保持基本相等的压力的同时，将氧和氢的产物气体从系统100中除去。由于水氧化过程的低效率，大部分热量在电解期间在阳极107和电解质108之间的分界处产生。从电解质108产生的热量通过阳极107传递到散热器105中。
在电解槽101中由电解产生的氧气的一部分通过泵111在电解槽101内再循环，并用于从散热器105去除热量。再循环氧气在阳极气体空间104的出口146处离开电解槽101，并在入口148处重新进入电解槽101。
气体以0.1至20m/s之间的速度通过阳极室129和其中的阳极气体空间104来循环。可以在系统中的气体的高操作温度和压力下使用较低的循环速度，其中需要较小容量的循环气体以提供有效的热量传递并且供应足够量的水作为用于电解的原料。当在较低温度和气体压力下保持系统100的效率较为重要时，需要较高的速度。
应当注意，膜电极组件102的有效表面(正交于纵向轴线X-X的平面表面积)与阳极室的入口130和出口132的入口面积A之间的较高比率将需要更高的气体循环速度，以保持有效的热量传递并提供足够量的水作为电解原料。
所产生的氧气和氢气的一部分从阳极气体空间104的出口通过加湿器142循环，并经由再循环回路143返回到阳极气体空间104的入口。加湿器142流体连接到再循环回路143，氧产物气体(来自电解)流过其中。加湿器142还从供水装置144供给水。在加湿器142中，使用在再循环回路143中的加热的氧产物气流提供的能量将所供应的水进行蒸发(即，传递所需的能量(蒸发热)，并且从而被加热到必要的温度)，并因此以带有氧产物气体的蒸汽的形式从加湿器142的出口流出。因此，再循环的氧气通过加湿器142并带走水蒸汽。水蒸汽最终从再循环回路143进入每个电解槽101的阳极气体空间104。
将来自供水装置以对系统100通过电解使用的水进行补充所需的速率将水供应到系统100。所产生的氧气和氢气的一部分从阳极气体空间104的出口通过加湿器142，并经由再循环回路143回到阳极气体空间104的入口来进行循环。加湿器142流体连接到再循环回路143，氧产物气体(来自电解)流过其中。还将来自供水装置144的水对加湿器142进行供给，该水在加湿器142中使用由再循环回路143中的加热的氧产物气流提供的能量/热量来蒸发。因此，从加湿器142的出口流出的水蒸汽带有氧产物气体。水蒸汽最终从再循环回路143进入每个电解槽101的阳极气体空间104中。水以对系统100通过电解使用的水进行补充所需的速率从供水装置供应到系统100。
控制系统(未示出)可以用于控制从供水装置144进入加湿器142的水流量。控制系统确保将与在电解期间通过电流表152感测到的使用的量加上因气体通过出口115而从槽损失(即，不通过再循环回路143循环)的水量相等的水量供给到加湿器142中，并且然后被蒸发到再循环的氧中。虚线149示出了电流表152和供水装置144之间的总控制线。应当理解，供水装置144将包括控制阀或类似的流量限制/控制装置，其可以控制供给加湿器142的水量。
用于蒸发供给到加湿器142中的水的蒸发能量由再循环氧的温度/热量提供。如果来自循环产物氧气的热量不足，则其将不能在加湿器142中蒸发水。因此，不能使超过系统100的能量水平的水蒸汽进入再循环回路143，因此在再循环回路143中不会发生这种水蒸汽的冷凝。
在电解槽101中的水电解期间产生的热量用于蒸发电解所需的水，其余部分增加电解槽系统100中的温度。随着电解槽101的温度增加，工艺的效率将增加，因此，电解槽101产生的热量将变得足以用于水蒸发，从而补偿系统100内的热量损失。众所周知，电解槽的效率随着操作温度的升高而增加。因此，随着系统中的温度增加，在恒定的氢产生速率(即恒定电流供应)下，槽将产生较少的热量。结果，将达到平衡，其中在电解期间产生的热量将用于维持系统100内的升高的温度并提供能量以蒸发电解所需的水。另外，电解槽101保持在比加湿器142的温度更高的温度，以允许通过再循环的氧进行热量传递。总体上，系统100可以在0至300℃之间操作，优选的操作模式在120℃至160℃之间。
电解槽101在氧气和氢气之间基本上相等的压力下操作。根据膜的类型和所需的气体纯度，系统100可以在环境压力至超过30巴的高压下操作。
注意，在所示的系统中，散热器105位于阳极气体空间104中。然而，应当理解，在其它实施方案中，散热器105可以替代地位于阴极气体空间106中，且阴极气体空间106流体连接到再循环回路143。在这样的实施方案中，电解槽系统100的构造将类似于图2所示，其中阴极109和阳极107在膜电极组件102内互换或交换位置并且相应的电连接相应地交换。这将导致氢产物气体循环通过再循环回路143。类似地，阳极室129的构造可以同样地用于该替代实施方案中的阴极室。应当理解，所示实施方案的讨论同样适用于具有上述替换或变化的该实施方案。
根据本发明的几个槽101可以串联连接并且彼此堆叠以形成叠堆。例如，各个槽101可以堆叠在一起成为槽堆160，如图6所示。每个槽(包括具有入口130和出口132的阳极室129)的开口162可以包括槽101的堆叠侧164的相当大部分的表面积。侧面164的总面积与在那些侧面164上/中的开口130、131的面积之间的比率典型地在1和5之间。
本领域技术人员将理解，除了具体描述的那些之外，本文描述的本发明可以进行变化和修改。应当理解，本发明包括落入本发明的精神和范围内的所有这些变化和修改。
当在本说明书(包括权利要求书)中使用术语“包括”、“包括了”或“包括有”时，其将被解释为指定所述特征、整体、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、部件或其组合的存在。

Claims (26)

1.一种用于从水中产生氢和氧的产物气体的电解槽系统，其包括：
至少一个电解槽，其包括膜电极组件和离子导电电解质，所述膜电极组件包括至少一对包括阳极和阴极的气体可渗透电极，所述离子导电电解质布置在每对阳极和阴极之间；
在每个电极的非电解质侧上的电极气体空间，至少一个电极气体空间包括入口和出口；
再循环回路，其用于将所产生的氧或氢的产物气体中的至少一种的至少一部分从相应的电极气体空间的出口再循环到所述相应的电极气体空间的入口；
与所述再循环回路流体连通的供水容器，所述供水容器利用由所述产物气体提供的蒸发热将来自供水装置的水进行蒸发并将水蒸汽引入所述再循环回路；和
热传递装置，其位于所述电极气体空间中，用于在所述膜电极组件和气体空间中的气体之间传递热量，所述气体空间通过其入口和出口而流体地连接到所述再循环回路，其中所述热传递装置与所述膜电极组件接触并且还允许在所述膜电极组件和相应的电极气体空间之间的气体循环。
2.根据权利要求1所述的电解槽系统，其中所述热传递装置包括与相应的阳极或阴极直接物理接触的散热器。
3.根据权利要求2所述的电解槽系统，其中所述散热器抵接或物理连接到相应的阳极或阴极的至少一部分。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电解槽系统，其中所述热传递装置包括网，优选为波纹网部，或者包括穿孔片。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电解槽系统，其中所述热传递装置包括片状件或板状件。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电解槽系统，其中所述热传递装置是气体可渗透的，优选在平行于所述膜电极组件的纵向轴线的方向上是气体可渗透的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电解槽系统，其中所述热传递装置是导电的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电解槽系统，其中所述热传递装置由金属形成，优选由镍或不锈钢形成，更优选由耐腐蚀不锈钢形成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电解槽系统，其中包括流体连接到所述再循环回路的入口和出口的电极气体空间是所述阳极的电极气体空间，并且所述产物气体包括氧。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的电解槽系统，其中包括流体连接到所述再循环回路的入口和出口的电极气体空间是所述阴极的电极气体空间，并且所述产物气体包括氢。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电解槽系统，其中所述供水容器包括加湿器。
12.根据权利要求11所述的电解槽系统，其中所述加湿器直接混合产物气体和被供应到并流过所述加湿器的水。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电解槽系统，其中再循环的氧或氢的产物气体通过所述加湿器并带走水蒸汽。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电解槽系统，其中用于水蒸发的蒸发热由所述再循环回路中的产物气体提供。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电解槽系统，其中，以对所述系统中通过电解使用的水进行补充所需的速率将水供应到所述供水容器。
16.根据前述权利要求中任一项所述的电解槽系统，其中所述电极气体空间容纳在具有入口开口和出口开口的电极室中，所述入口开口和出口开口沿着气流轴线定位，所述气流轴线正交于相应电解槽的膜电极组件的纵向轴线。
17.根据权利要求16所述的电解槽系统，其中正交于所述膜电极组件的纵向轴线的所述膜电极组件的总的有效平面表面积与相应电极室的入口开口和出口开口中的每个的平面面积之间的比率在1和5之间。
18.根据前述权利要求中任一项所述的电解槽系统，其中气体以0.1m/s至20m/s之间的速度流动并循环通过被流体连接至所述再循环回路的所述电极气体空间。
19.根据前述权利要求中任一项所述的电解槽系统，其中所述系统在0℃至300℃之间的温度下操作，优选在120℃至160℃之间的温度下操作。
20.根据任一前述权利要求所述的电解槽系统，包括堆叠在一起的至少两个电解槽。
21.一种使用至少一个电解槽从水中产生氢和氧的方法，所述电解槽包括膜电极组件和离子导电电解质，所述膜电极组件包括至少一对包括阳极和阴极的气体可渗透电极，所述离子导电电解质布置在每对阳极和阴极之间，所述气体可渗透电极或每个气体可渗透电极包括在其非电解质侧上的电极气体空间，所述阳极和阴极的电极气体空间的至少一个包括入口和出口，所述方法包括：
向所述膜电极组件供应电流和水蒸汽以从所述阴极产生氢气并从所述阳极产生氧气；
将所产生的氧气或氢气中的至少一种的一部分从相应的电极气体空间的出口通过再循环回路再循环到所述相应的气体空间的入口并通过所述相应的气体空间；
使用由所述再循环回路中相应的氧或氢的产物气体的至少一部分提供的能量将从供水装置供应到所述再循环回路中的水进行蒸发，以提供所需的蒸发热；和
使用位于所述相应的电极气体空间中的热传递装置在所述膜电极组件和在所述相应的电极气体空间中的产物气体之间传递热量，所述热传递装置与所述膜电极组件接触并且还允许所述膜电极组件和所述相应的电极气体空间之间的气体循环。
22.根据权利要求21所述的方法，其中将水进行蒸发的步骤在加湿器中进行。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其中将水进行蒸发的步骤包括将水混合到对所产生的氧气的一部分进行的再循环中，从而将热量从所产生的氧的产物气体传递到混合物中的水中以用于水的蒸发。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的电解槽系统，其中所述相应的气体空间是所述阳极的电极气体空间，并且所述产物气体包括氧。
25.根据权利要求21至23中任一项所述的电解槽系统，其中所述相应的气体空间是所述阴极的电极气体空间，并且所述产物气体包括氢。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的方法，其使用根据权利要求1至20中任一项所述的系统。
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