CN111417745A - 电解单元和电解器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用至少一个电解池来运行水电解的电解装置和方法，其中该电解池包括具有阳极的阳极室和具有阴极的阴极室。阳极室借助于质子交换膜与阴极室分离。阳极室适于容纳水并将水在阳极处氧化成包含氧气的第一产物，并且阴极室适于容纳水并且将水在阴极处还原成包含氢气的第二产物。此外，电解装置还包括用于分离氧气的第一气体分离装置，其中第一气体分离装置布置在电解池上方，以便进行水的自然循环。

Description

电解单元和电解器
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个电解池的电解单元以及一种用于运行该电解池的方法。
背景技术
电解器是借助于电流引起物质转换(电解)的装置。根据各种不同的电解，也存在各种电解器，例如用于氢电解的电解器。
当前的考虑是基于在充满阳光和风的时候利用可再生能源中的过剩能量，即利用高于平均水平的太阳能发电或风力发电来产生有用物质。特别地，有用物质可以是利用水电解器产生的氢。借助于氢例如可以生产所谓的可再生气体。
在此，(氢电解)电解器借助于特别是来自风能或太阳能的电能首先产生氢气。然后氢气与二氧化碳一起在还原过程中用于生产甲烷。然后可以将甲烷例如供给到现有的天然气网络中，从而使得能量可被储存和输送到用户，并且由此可减轻电网负载。备选地，由电解器产生的氢气也可以直接被进一步使用，例如用于燃料电池。
在用于氢电解的电解器中将水分解成氢气和氧气。在PEM电解器中，通常在阳极侧提供蒸馏水作为反应物，并且水在质子渗透膜(质子交换膜；PEM)处分解为氢气和氧气。在此，水在阳极处被氧化成氧气。质子穿过质子渗透膜。在阴极侧产生氢气。
在此，应将水不断地抽入阳极室和/或阴极室，以确保水在阳极室和阴极室内均匀分布，从而也确保水的有效电解。抽水通常由泵进行。不利的是，泵需要定期维护。此外，必须根据电解池中的压力进行泵速的控制，以实现均匀的反应物通过量。不利的是，这需要附加的控制技术，这使得电解器的结构更加复杂。另外，泵消耗电能，这不利地降低了电解的总效率。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提出一种能量效率高且维护成本低的水电解器和用于运行该水电解器的方法。
该目的通过根据权利要求1的电解单元和根据权利要求13的方法实现。
根据本发明的用于电解水的电解装置包括至少一个电解池，其中该电解池包括具有阳极的阳极室和具有阴极的阴极室。阳极室通过质子交换膜与阴极室分离。阳极室适于容纳水并将水在阳极处氧化成包含氧气的第一产物。阴极室适于容纳水并将水在阴极处还原成包含氢气的第二产物。此外，电解装置还包括用于分离氧气的第一气体分离装置，其中第一气体分离装置布置在电解池上方，以进行水的自然循环。
在根据本发明的用于运行电解水的电解装置的方法中，在电解池中借助于酸性电解而从作为反应物的水中产生包含氧气的第一产物和包含氢气的第二产物。反应物、第一产物和/或第二产物的循环以自然循环的形式进行。
自然循环可以理解为水进入电解池中并通过电解池的循环，以及水和产物从电解池中出来到气体分离装置的循环，这是由于组分的密度差异而以“自然方式”进行的，即不使用泵。在电解池中产生的气泡导致水的密度降低。由于密度差异，水和产物在不使用机械泵的情况下流过电解池。
由此，无论是电解装置的水供给还是电解装置的热管理都有利地通过自然循环既在氧气侧又在氢气侧进行或者仅在氧气侧进行。由此，有利地避免了用于循环水和产物的机械循环装置的使用。这有利地减少了设备的维护间隔，从而减少了设备的停机时间。有利地，基于密度差异通过自然循环的物理原理(即在没有控制器介入的情况下)调节输水速率，由此在合适的过程设计下使输水速率适配于设备的热损失。换言之，这意味着输水速率随着产热量的增大而增大。此外，在气体-水混合物包含恒定气体量的前提下，如果气体分离器位于电解池上方的位置越高，则达到的输水速率也越高。
在本发明的有利的实施方式和改进方案中，电解装置包括第一管路，第一管路与阳极室的上部区段和第一气体分离装置连接。此外，电解装置还包括第二管路，第二管路与第一气体分离器和阳极室的下部区段连接。
第一管路用作上升管，第二管路用作下降管。由此，在第一管路内的水与产物有利地一起上升到气体分离装置中。在气体分离装置中将气体(即产物，在该情况下为氧气)与水分离。现在又比产物-水混合物具有更高密度的水通过第二管路(即下降管)被引回到电解池的阳极室中。在该处又产生氧气，氧气降低了密度，从而水-产物混合物又在上升管中上升。
在本发明的另一有利的实施方式和改进方案中，电解装置包括：用于分离氢的第二气体分离装置；与阴极室的上部区段和第二气体分离装置连接的第三管路；以及与第二气体分离装置和阴极室的下部区段连接的第四管路，其中第二气体分离装置布置在电解池上方，以进行水的自然循环。
第三管路用作上升管，第四管路用作下降管，其中第三管路和第四管路将第二气体分离装置与电解池的阴极侧连接。有利地，比纯水具有更低密度的水-氢气混合物在上升管中上升。因此水-氢气混合物进入第二气体分离装置中，在该处将氢与水分离。现在又比产物-水混合物具有更高密度的水通过下降管(即第四管路)被引回到阴极室。
在本发明的另一有利的实施方式和改进方案中，第一管路的第一直径小于第三管路的第二直径。
简化地根据公式1进行水的分解：
H2O(l)→H2(g)+1/2O2(g) (1)
从公式(1)可清楚地看出，所产生的氢气体积是氧气的两倍。由此，如果以相同的方式为氢气侧和氧气侧设计电解器的电解池和管路布线，则氢气侧比氧气侧具有更高的输水速率。如果电解单元被设计为使得输送速率受到上升管(即第一管路和/或第三管路)的限制，则可以通过调整上升管直径来优化输送速率。由于氧气侧的气体流量较低，因此可以在氧气侧处有较低的输水速率。如果氧气侧的上升管(即第一管路)的直径尺寸小于第三管路的尺寸，则可以有利地实现更高的输水速率。特别有利的是，氧气侧的第一管路的横截面积为氢气侧的第三管路的横截面积的一半。
在本发明的另一有利的实施方式和改进方案中，在第二管路中布置第一热交换器，并且在第四管路中布置第二热交换器。特别有利的是，第一热交换器和第二热交换器是热耦合的。
在本发明的另一有利的实施方式和改进方案中，第一热交换器和第二热交换器在物质上彼此耦合。换言之，这意味着只有一个共同的热交换器。共同的热交换器特别是可以包括两个入口和一个共同的出口，两个入口中一个入口用于氧气侧的水并且另一个入口用于氢气侧的水。
在电解池中，由于水的分解过程，除了质子之外，水也会从氧气侧(即阳极室)被输送到氢气侧(即阴极室)。如果阳极侧的水和阴极侧的水彼此分离，则由此不利地导致气体分离装置中的液位移动。因此，在热交换器中的物质混合有利地防止了气体分离装置中的液位移动。由此，有利地避免了阴极室或阳极室被完全排空从而发生氢气和氧气的气体混合。在氧气侧氢气浓度的轻微增大不会妨碍电解设备的安全运行，因为仅混合了溶解的气体，而没有混合气相。因此也特别有利的是，这种混合在设备的最低点进行，以便在包括氧气或氢气的两个气相之间实现最大可能的距离。
在本发明的另一有利的实施方式和改进方案中，作为物质耦合的热交换器的替代，第二管路和第四管路通过连接管路相连接，以用于水平衡。该连接管路也称为旁通管路，被布置为使得阳极侧的水和阴极侧的水在进入电解池之前不久被混合，特别是在设备的最低点处被混合。
在电解池内，由于水的分解过程，除质子之外，还将一定量的水从氧气侧输送到氢气侧。如果阳极侧的水和阴极侧的水彼此分离，则由此不利地导致气体分离装置中的液位移动。由于在电解池中与过程相关地将水从氧气侧输送到氢气侧，因此有利地避免了这种液位移动。因此，有利地避免了后续通过泵将水泵送到其中一个气体分离装置中的需要。通过在进入电解池之前不久将两个水流混合在一起，仅会将少量溶解的氢气输送到电解池的氧气侧，这不会危害设备的安全运行。
在另一有利的实施方式中，电解装置包括至少两个电解池和至少两个第一气体分离装置，其中多个第一气体分离装置通过适于引导水的虹吸式的第五管路相连接。
在本发明的另一有利的实施方式和改进方案中，电解装置包括至少两个电解池和至少两个第二气体分离装置。多个第二气体分离装置通过适于引导水的虹吸式的第六管路相连接。
通过这些连接管路有利地简化了电解堆的结构，即包括至少两个电解池的电解单元的结构，因为减少了管路的数量。
在本发明的另一有利的实施方式和改进方案中，电解装置包括可闭合的阴极室开口，该开口适于部分地容纳将阴极室与第二气体分离装置连接的第七管路，换言之，即第二上升管路。该第七管路相对于阴极室而言与第三管路对置。如果需要增大氢气输送量，而无法再确保第三管路作为上升管，则氢气-水混合物可以附加地通过第七管路上升到第二气体分离装置。因此，通过氢气-水混合物从电解池的两侧流出实现了上升管的有效横截面，这有利地防止了输水量的限制。通过实验已经表明，就输送特性而言，电解设备的工作点由此可以再返回到最佳工作点。
在本发明的另一有利的实施方式和改进方案中，电解装置包括新鲜水供给装置。新鲜水供给装置被布置为使得可以将新鲜水加入到第五管路和/或第六管路中。特别优选地向第五管路中(即向用于氧气的第一气体分离装置的连接管路中)输送在反应中已消耗的水量。于是，这些水特别有利地替代了在阳极侧消耗的水。由此有利地避免了通向各个气体分离装置的附加管路，从而简化了电解单元的结构。第一气体分离装置和/或第二气体分离装置的连接通过回水管路而补偿了第一气体分离装置和/或第二气体分离装置的液位。通过在进入电池堆之前将氢气分离器和氧气分离器通过水回路的相应连接，液位又彼此平衡。通过在每个气体侧的流平效应，或通过经由热交换器回路的气体侧的平衡，电解池或若干相连接的电解堆有利地在相应的气体分离装置中具有彼此平衡的液位。
在本发明的另一有利的实施方式和改进方案中，电解装置中的工作压力在0.5bar至2bar的范围内，特别优选为1bar，即大气压下。在该大气压下，由于在电解池中产生气体而引起的密度差很大，以至于能够可靠地进行自然循环，从而可以在不使用泵的情况下运行电解单元。换言之，电解装置的工作压力比第一气体分离装置和/或第二气体分离装置的工作压力高或低最大0.5bar。
在本发明的另一有利的实施方式和改进方案中，在第一气体分离装置中的液位水平上将氧气-水混合物从第一管路输送到第一气体分离装置中。换言之，第一气体分离装置中的输送入口位于第一气体分离装置中气体和液体之间的相界高度上。氢气-水混合物也有利地在第二液位的高度上从第三管路被添加到第二气体分离装置中，该第二液位高度表示第二气体分离装置中的相界。换言之，这也意味着第二气体分离装置中的输送入口位于气体和液体之间的相界高度上。如果来自第一气体分离装置和/或第二气体分离装置的回流管路之间的距离被设计成最小，则输送速率有利地更高。
在本发明的另一有利的实施方式和改进方案中，第五管路和/或第六管路包括至少一个压力调节阀。该压力调节阀位于将每个气体侧的气体分离装置彼此连接的管路的端部。例如，如果第一气体分离装置和第二气体分离装置在机械上构造相同，则至关重要的是不出现液位移动。也就是说，如果一个气体侧具有更高的压力，则水会转移到相应的另一气体侧。压力调节阀的使用有利地防止了这种情况。
附图说明
通过参考附图从以下说明中将得到本发明的其他特征、特性和优点。其中：
图1示意性地示出了具有第一气体分离装置和第二气体分离装置的电解单元；
图2示意性地示出了具有质子交换膜的电解池；
图3示意性地示出了具有第一气体分离装置和第二气体分离装置以及水旁路的电解单元；
图4示意性地示出了包括两个电解池和彼此连接的多个第一气体分离装置的电解单元。
具体实施方式
图1示意性地示出了具有电解池2的电解单元1的第一实施例。电解池2包括质子交换膜3，质子交换膜3将阳极室4与阴极室5分离。阳极室4包括阳极7。阴极室5包括阴极8。在阳极室4中，水H2O在阳极处被氧化成氧气O2。在电解期间在阳极室4中产生的氧气-水混合物的密度比纯水低。由此，氧气-水混合物在第一管路9(也称为上升管)中上升到第一气体分离装置20中。第一气体分离装置20位于阳极室4的上方。在第一气体分离装置20中将氧气与水分离。氧气O2可以从电解单元1中被引出。水通过第二管路10被输送到热交换器6中。在阴极室中，在电解期间水在阴极8处被还原成氢气H2。氢气-水混合物由于与水相比有更低的密度而通过第三管路11上升到第二气体分离装置21中。在第二气体分离装置21中将氢气与水分离。氢气离开电解单元1。水可以通过第四管路12被输送到热交换器中。然后水从热交换器6出来被引回到阳极室4和阴极室5中。热交换器利用冷却剂(特别是水)来运行。在冷却剂和电解水之间没有物质交换。为了清楚起见，热交换器6中的冷却剂流入和流出未在图1、图3和图4中示出。
电解单元1可以有利地动态地运行，也就是说，根据不同的负载输入，电解单元1能够以大于0A/cm2直至4A/cm2的能量密度运行，特别优选以大于1A/cm2直至3A/cm2的能量密度运行。
第一气体分离装置20和第二气体分离装置21位于高度h2上。电解池的最大高度为h1。高度h2大于高度h1。由此可以仅基于电解器中产生的密度差来确保电解器中反应物和产物的自然循环。然而两个高度都必须高于电解池的高度h1。有利地不需要附加的泵或其他输送装置。作为在此示出的实施方式的替代，也可以仅在氧气侧、即仅在阳极室4中进行自然循环。通过基于密度的物理量的自然循环原理，进行输水速率的自身调节。这意味着，在适当的工艺设计下，输水速率会随着气体产生速率的增大而增大，进而又有利于散热。
在一个大气压下运行自然循环是特别有利的，因为在此氢气和/或氧气的气泡大小以及由此产生的对于气体和水的可输送性足够大，从而可以完全省去泵。
氢气侧和氧气侧的水回路，即在阳极室4和阴极室5中的水的水回路通过热交换器6相互连接。
基于水分解的反应式可以看出，在水分解时所产生的氢气的体积约为氧气的两倍。由此，在氢气侧和氧气侧的管径相同的情况下，如果输送速率不通过管径进行限制，氢气侧将比氧气侧具有更高的输水速率。如果输水速率通过上升管进行限制，则可以通过调节上升管的直径来优化输送速率。由此，为了优化两侧的水流，第一管路9的第一直径13的尺寸被设计为小于第三管路11的第二直径14的尺寸。第一管路9的截面积特别有利地约为第三管路11的截面积的一半。与常规的相同的管直径分布相比，可以有利地特别是在阳极侧实现更高的输水速率。
图2示出了具有质子交换膜的电解池。电解池包括阳极7和阴极8。在两个电极7、8处分别邻接有双极板30、31。双极板分别邻接在多孔支撑结构32处。作为反应物的水通过该支撑结构32流过电解池2。多孔支撑结构32又与电催化层33邻接。一个电催化层33设置在阳极室4中，一个电催化层33设置在阴极室5中。阳极侧的电催化层33通常包含铱，阴极侧的电催化层33通常包含铂。在这两个电催化层33之间设置有质子交换膜PEM。质子交换膜PEM特别是包含磺化的含氟聚合物，特别优选地包含全氟磺酸。PEM电解池的一个优点在于，可以使用纯水作为反应物。有利地不必使用碱或其他液体组分作为水的载体组分。
在图中未示出的另一实施例中，具有电解池2的电解单元1使用了来自阴极室5的上升管11的替代布置方式。所有部件以与图1中的第一实施例相同的方式被布置。只有附加的上升管将阴极室5与第二气体分离装置21连接。尽管上升管10和11的截面积不同，但如果由于当前的运行条件而导致输送速率不足，则在氢气侧可以存在附加的第二上升管路15。该第二上升管路(即第七管路)有利地确保了水和氢气向第二气体分离装置21中的足够高的输送速率。同样可考虑的是，可以将第一实施例和第二实施例互相组合。换言之，这意味着存在第二上升管，但只有在由于氢气侧的输送速率而需要时才通过使用阀门被打开。
图3示出了具有电解池2的电解单元1的第三实施例，电解单元1具有第一气体分离装置20和第二气体分离装置21。气体分离装置20、21分别通过上升管9、11与阳极室4或阴极室5连接。气体分离装置20、21分别通过第二管路10和第四管路12与热交换器6连接。第二管路10又将热交换器6与阳极室4连接。第四管路12连接热交换器6。换言之，在第二管路10中布置有热交换器6，并且在第四管路12中同样布置有热交换器6'。在此，在热交换器6和6'中不进行物质交换，从而阳极侧返回的水与阴极侧返回的水是分离的。以这种方式完全分离水回路将不利地导致气体分离器中的液位移动，因为在水的分解反应中，除质子外还将水从氧气侧输送到氢气测。通过该第三实施例中所示的管路布线方式，即在第二管路10(即阳极室4)和第四管路12(即阴极室5)之间设置旁通管路16，使水回路彼此连接。返回的水流有利地不是在热交换器6中相互混合，而是在即将进入电解池2之前才彼此混合。通过阴极室与阳极侧的连接，形成了一个连通系统，其有利地确保了从氢气侧到氧气侧的水流均衡。氧气侧的氢气浓度的轻微增加不会影响设备的可靠运行。如果水流已经在热交换器6中彼此混合，则混合水流的停留时间明显更长。这导致在气体分离器中可能出现相应异物气体浓度的增加。如果仅以旁路连接部16的形式将定向的水流从氢气侧引导到氧气侧，则在气体分离器中只有氧气中的氢气浓度可能会增加。因此有利地进一步提高了设备的可靠性。
在图1、图3和图4的所有三个实施例中可看出，在靠近气体分离装置21和22中的相界处向气体分离装置20、21中供应水-气体混合物。这通过调节与气体分离装置20、21连接的压力阀来保证(图中未示出)。由于两个容器彼此液压连接，因此在两个气体分离装置21和20中出现几乎相同的液位。对此的前提是，在与气体分离装置20、21连接的管路中由气流引起的压力损失不会在气体分离装置20、21中产生任何明显的压力损失。换言之，管路的管直径很大，以至于不会出现材料流动的限制，从而在气体分离装置20、21中不会发生液位移动。
图4示出了具有两个电解池2的电解单元1。两个电解池分别具有氧气侧的第一气体分离装置20、20'和氢气侧的第二气体分离装置21、21'。类似于第一实施例，水的回引被设计为使得回流的水流在热交换器中混合，然后返回到电解池中的氧气侧。备选地，也可以考虑实施根据第三实施例的旁路。氧气侧的气体分离装置20、20'通过虹吸式的第五管路17彼此连接。此外，第五管路17包括新鲜水的供给装置18。在该实施例中涉及氧气侧的单侧循环运行。多个电解池通过虹吸式的第五管路17的连接有利地确保了水的后续补充，这有利地避免了气体分离装置20、21中的液位下降。有利地，在第五管路17中在反应期间消耗的水中供应新鲜水，该第五管路17将多个第一气体分离装置20彼此连接。这有利地避免了通向气体分离装置的附加管路。
为了使气体尽可能少地通过从而避免事故发生，将氧气侧的多个第一气体分离装置20、20'彼此连接，并且与之分离地将氢气侧的多个第二气体分离装置21、21'彼此连接。换言之，气体分离装置仅以使氧气侧与氢气侧保持分离的方式彼此连接。除了图5所示的实施例之外，还可以通过虹吸管将氢气侧的多个第二气体分离装置21彼此连接。因此有利地平衡了第二气体分离装置21之间的液位。

Claims (9)

1.一种用于电解水的电解装置(1)，具有：
-至少一个电解池(2)，其中所述电解池(2)包括一个阳极室(4)和一个阴极室(5)，所述阳极室(4)具有一个阳极(7)，所述阴极室(5)具有一个阴极(8)，其中所述阳极室(4)借助于一个质子交换膜(3)与所述阴极室(5)分离，并且所述阳极室(4)适于容纳水并且将水在所述阳极(7)处氧化成包含氧气的第一产物，并且所述阴极室(5)适于容纳水并且将水在所述阴极(8)处还原成包含氢气的第二产物；
-用于分离氧气的第一气体分离装置(20)；
其中所述第一气体分离装置(20)布置在所述电解池(2)上方，以便进行水的自然循环。
2.根据权利要求1所述的电解装置(1)，具有：
-第一管路(9)，与所述阳极室(4)的上部区段和所述第一气体分离装置(20)连接；和
-第二管路(10)，与所述第一气体分离装置(20)和所述阳极室(4)的下部区段连接。
3.根据权利要求1或2所述的电解装置(1)，具有：
-用于分离氢气的第二气体分离装置(21)；
-第三管路(11)，与所述阴极室(5)的上部区段和所述第二气体分离装置(21)连接；
-第四管路(12)，与所述第二气体分离装置(21)和所述阳极室(4)的下部区段和/或所述阴极室(5)的下部区段连接，其中所述第二气体分离装置(21)布置在所述电解池(2)上方，以便进行水的自然循环。
4.根据权利要求3所述的电解装置(1)，其中在所述第二管路(10)中布置第一热交换器(6)，和/或在所述第四管路(12)中布置第二热交换器。
5.根据权利要求4所述的电解装置(1)，其中所述第一热交换器(6)和所述第二热交换器热耦合。
6.根据权利要求4或5所述的电解装置(1)，其中所述第一热交换器(6)和所述第二热交换器在物质上耦合。
7.根据权利要求3至5中任一项所述的电解装置(1)，其中所述第二管路(10)和所述第四管路(12)通过一个连接管路(16)连接，以进行水平衡。
8.一种用于运行根据权利要求1至7中任一项所述的用于电解水的电解装置(1)的方法，其中在一个电解池(2)中借助于在一个功能膜处进行电解而从作为反应物的水中产生包含氧气的第一产物和包含氢气的第二产物，其中所述反应物、所述第一产物和/或所述第二产物的循环以水的自然循环形式进行。
9.根据权利要求8所述的方法，其中大气压作为工作压力。
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