CN112105761B - 压力补偿系统和包括该压力补偿系统的高压电解槽系统 - Google Patents

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Abstract

用于双流体流动系统的压力补偿系统，其中压力补偿系统包括：具有第一流体管道部分和第二流体管道部分的流体管道，其中第一流体管道部分具有用于第一流体流的第一流体入口和第一流体出口，其中第二流体管道部分具有用于与第一流体流分开的第二流体流的第二流体入口和第二流体出口，以及被布置在流体管道中的压力补偿器，其将第一流体管道部分和第二流体管道部分分开，其中压力补偿器被构造成在流体管道中在第一流体出口和第二流体出口之间移动，从而响应于第一流体管道部分和第二流体管道部分之间的压力差而至少部分地阻塞第一流体出口和第二流体出口中的一个，以在第一流体管道部分和第二流体管道部分之间提供压力补偿。

Description

压力补偿系统和包括该压力补偿系统的高压电解槽系统
技术领域
本公开涉及电解，尤其涉及高压电解。
背景技术
水的电解是水分子分解从而形成氢气和氧气的过程。该过程是由于电流在浸入水中的两个电极之间流动而导致发生的。
对于某些应用，可能希望压缩在电解过程中生成的氢气和氧气。传统上，这种气体压缩是在气体已经从电解系统中排出后进行的。
最近，已经提出已经在电解期间执行气体压缩。在US20050072688A1中公开了高压电解槽系统的示例。该系统包括用于将水泵送到电解池(electrolytic cell)中的泵，防止水回流到泵中的止回阀以及包括电解池的电解槽堆(electrolyser stack)。该系统被设计来承受阳极和阴极侧之间约138bar的压差。此外，该系统包括压力调节阀，该压力调节阀控制氢气流，从而控制氢气流路中的氢气压力。设定压力调节阀打开以允许氢气从分离器流向储罐的压力差，以使分离器、氢气流路和电解槽的阴极侧中的压力达到所期望的氢气产生压力(hydrogen production pressure)。压力调节阀保持关闭，导致阴极流路放空(deadheaded)，同时在电解槽的阴极侧产生氢气。随着氢气继续被产生，电解槽的阴极侧、氢气流路和分离器中的压力增加，直到出现足够的压力差，这导致压力调节阀打开，从而允许分离器中的一部分氢气传递到储罐。
发明内容
US 20050072688 A1中的设计要求将阴极和阳极侧构造成承受高的压差。此外，其依赖于控制系统来控制压力调节阀以达到期望的氢气产生压力。
鉴于以上内容，本公开的总的目的是提供一种压力补偿系统，其解决或至少减轻了现有技术的问题。
因此，根据本公开的第一方面，提供了一种用于双流体流动系统的压力补偿系统，其中该压力补偿系统包括：具有第一流体管道部分和第二流体管道部分的流体管道，其中第一流体管道部分具有用于第一流体流的第一流体入口和第一流体出口，其中第二流体管道部分具有用于与第一流体流分开的第二流体流的第二流体入口和第二流体出口，以及被布置在流体管道中的压力补偿器，其将第一流体管道部分和第二流体管道部分分开，其中该压力补偿器被构造成在第一流体出口和第二流体出口之间在流体管道中移动，从而响应于第一流体管道部分和第二流体管道部分之间的压力差而至少部分地阻塞第一流体出口和第二流体出口中的一个，以在第一流体管道部分和第二流体管道部分之间提供压力补偿。
因此，第一流体管道部分的内部与第二流体管道部分的内部之间的任何压力差可以通过压力补偿器来均等。压力补偿是鲁棒的，并且不需要诸如外部控制器之类的传感器或电子设备。可以通过压力补偿器根据压力补偿器面对第一流体管道部分的第一侧处和面对第二流体管道部分的第二侧处的压力差而在流体管道中的位移来获得第一流体管道部分和第二流体管道部分中的相等或基本相等的压力。因此，压力补偿是自我调节的。
根据一个实施例，流体管道具有内表面，该内表面在容纳压力补偿器的区域中设置有减小摩擦的涂层。减小摩擦的涂层可以例如包括聚四氟乙烯(PTFE)或由其组成。PTFE可以被用于高温和腐蚀性环境中。因此，由于压力补偿器和流体管道之间的摩擦减小，将产生较少的热量。
根据一个实施例，第一流体管道部分具有设置有减小摩擦的涂层的内表面。减小摩擦的涂层可以例如包括PTFE或由PTFE组成。
根据一个实施例，第二流体管道部分具有设置有减小摩擦的涂层的内表面。减小摩擦的涂层可以例如包括PTFE或由PTFE组成。
在第一流体出口的上游，第一流体管道部分可以包括第一气体过滤系统，该第一气体过滤系统包括第一膜组件。因此，第一膜组件被布置成使得第一流体流在流过第一流体出口之前穿过第一膜组件。第一膜组件可以包括多个膜，例如两个支撑膜，诸如两个针刺膜(needlefelt membrane)或布膜(cloth membrane)，以及被夹在支撑膜之间的过滤膜，例如PTFE膜。支撑膜可以例如是PTFE针刺膜。过滤膜可以例如是微孔膜，诸如PTFE膜。第一膜组件可以另外包括密封构件，诸如O形环。可以在第一膜组件的两侧的每一侧上提供相应的密封构件，以提供朝向第一流体管道部分的密封。支撑膜为过滤膜提供机械强度，使得它可以承受压力。支撑膜设置有多个孔，并允许液体和气体穿过它们。过滤膜允许气体流动但阻止任何液体，使得干燥的气体被提供给第一流体出口。此外第一膜组件还保护压力补偿系统，并使得更多的气体能够通过第一流体出口逸出，从而降低了双流体流动系统中的气体压力。另外，由于气体是纯净的并且包含较少的水分，因此气体的密度可以近似，并且在设计阶段，可以相应地设计第一流体出口的最小直径。此外，由于从第一流体流去除了水分，因此可以确保压力补偿系统将不会被水溢流(flood)，溢流会降低压力补偿系统的功能性。
因此，根据一个实施例，压力补偿系统包括第一膜组件，该第一膜组件包括被构造成过滤水分并防止第二流体管道部分的溢流的微孔过滤膜和PTFE膜。
在第二流体出口的上游，第二流体管道部分可以包括第二气体过滤系统，该第二气体过滤系统包括第二膜组件。因此，第二膜组件被布置成使得第二流体流在流过第二流体出口之前穿过第二膜组件。第二膜组件可以包括多个膜，例如两个支撑膜，诸如两个针刺膜或布膜，以及被夹在支撑膜之间的过滤膜，例如PTFE膜。支撑膜可以例如是PTFE针刺膜。过滤膜可以例如是微孔膜，例如PTFE膜。第二膜组件可以另外包括密封构件，例如O形环。可以在第二膜组件的两侧的每一侧上提供相应的密封构件，以提供朝向第二流体管道部分的密封。支撑膜为过滤膜提供机械强度，使得它可以承受压力。支撑膜设置有多个孔，并允许液体和气体穿过它们。过滤膜允许气体流动但阻止任何液体，使得干燥的气体被提供给第二流体出口。由于第二膜组件，如果将压力补偿系统用于电解槽系统中，则可以放弃氢干燥器。氢气干燥器很大，并且包含减少水分的树脂。第二膜组件还保护压力补偿系统，并使得更多的气体能够通过第二流体出口逸出，从而降低了双流体流动系统中的气体压力。另外，由于气体是纯净的并且包含较少的水分，因此气体的密度可以近似，并且在设计阶段，可以相应地设计第二流体出口的最小直径。此外，由于从第二流体流去除了水分，因此可以确保压力补偿系统将不会被水溢流，溢流会降低压力补偿系统的功能性。
因此，根据一个实施例，压力补偿系统包括第二膜组件，该第二膜组件包括被构造成过滤水分并防止第二流体管道部分的溢流的微孔过滤膜和PTFE膜。
根据一个实施例，在沿着流体管道从第一流体入口到第二流体入口的方向上，在第一流体入口之后布置第一流体出口，随后是第二流体出口，随后是第二流体入口。
根据一个实施例，压力补偿器包括不可压缩的流体。因此，压力补偿器的两个端部将响应于第一流体管道部分和第二流体管道部分之间的任何压力差而在流体管道中移位。
根据一个实施例，不可压缩的流体是液体。
根据一个实施例，压力补偿器包括第一柱塞和第二柱塞，其中不可压缩的流体被提供在第一柱塞和第二柱塞之间，第一柱塞和第二柱塞起到将不可压缩的流体密封在它们之间的作用。
根据一个实施例，第一柱塞具有设置有减小摩擦的涂层的外表面。减小摩擦的涂层可以例如包括PTFE或由PTFE组成。由此，第一柱塞将通过减小摩擦的涂层来接触第一管道部分的内表面。
根据一个实施例，第二柱塞具有设置有减小摩擦的涂层的外表面。减小摩擦的涂层可以例如包括PTFE或由PTFE组成。由此，第二柱塞将通过减小摩擦的涂层来接触第二管道部分的内表面。
由于减小摩擦的涂层，当第一柱塞和第二柱塞中的一个由于压力差而从静止位置移动时，尤其可以减小静摩擦。从而可以减少压力补偿系统中的压力损失的风险。
根据一个实施例，第一流体管道部分可以包括不锈钢或由不锈钢组成。在这种情况下，第一流体入口可以有益地连接到氧气流。不锈钢不与氧气反应。
根据一个实施例，第二流体管道部分可以包括钛或由钛组成。在这种情况下，第二流体入口可以有益地连接到氢气流。钛可以与氧反应，因此优选不被用于第一流体管道部分的材料。
根据一个实施例，第一流体管道部分和第二流体管道部分都可以由钢(例如不锈钢)制成。
根据一个实施例，第一柱塞被构造成与第一流体入口流体连通，并且第二柱塞被构造成与第二流体入口流体连通。至此，第一柱塞的表面受到第一流体管道部分中的压力，并且第二柱塞的表面受到第二流体管道部分中的压力。
根据一个实施例，第一流体管道部分和第二流体管道部分通过弯曲部连接，并且压力补偿器位于弯曲部中。这种构造允许例如流体管道的U形设计，其中第一流体管道部分和第二流体管道部分平行地延伸。由此，第一流体流可以直接流向压力补偿器，而没有任何弯曲，并且也同样适用于第二流体流。
根据一个实施例，第一流体管道部分设置有第一释放阀，该第一释放阀被构造成在双流体流动系统的初始状态下从第一流体管道部分排出流体，并且第二流体管道部分设置有第二释放阀，该第二释放阀被构造成在双流体流动系统的初始状态下从第二流体管道部分排出流体。
以这种方式，可以将包含在流体管道中的空气排放。另外，在压力补偿系统被包括在包括电解槽堆的高压电解槽系统中的情况下，可以排放未被浸没在水中的电解槽堆内部的空间内的空气。当流体管道中的空气已被排空时，可以关闭第一释放阀和第二释放阀。例如在电解中，特别是在压缩氢气和氧气的高压电解系统中，在空气存在下压缩这些元素是有问题的。
可以将第一释放阀设置成基本上面向第一流体出口、面向第一流体出口或在第一流体出口的上游。可以将第二释放阀设置成基本上面向，面向第二流体出口或在其上游。这确保了空气可以在第一流体入口和第一流体出口之间的整个段中通过第一流体管道部分被排放，并且可以在第二流体入口和第二流体出口之间的整个段中通过第二流体管道部分而被排放。
根据一个实施例，第一释放阀和第二释放阀被构造成由外部控制件来控制。第一释放阀和第二释放阀的打开和关闭由此可以从外部例如通过释放阀控制器来控制。
根据一个实施例，第一释放阀是第一电磁阀并且第二排放阀是第二电磁阀。
根据一个实施例，第一流体出口具有在第一流体流的方向上逐渐变细的横截面的第一轴向部分和在第一轴向部分的下游的、具有渐增的横截面的第二轴向部分，并且第二流体出口具有第二流体流的方向上逐渐变细的横截面的第三轴向部分和在第三轴向部分的下游的、具有渐增的横截面的第四轴向部分。当第一流体流和第二流体流从压力补偿系统排出时，该构造提供针对第一流体流和第二流体流的更少的热量生成、更少的湍流和更低的压降。
根据一个实施例，第一轴向部分和第二轴向部分形成会聚-扩张喷嘴结构，其具有直径在微米范围中的喷嘴喉部或腰部。
根据一个实施例，第三轴向部分和第四轴向部分形成会聚-扩张喷嘴结构，其具有直径在微米范围中的喷嘴喉部或腰部。
根据一个实施例，第一流体出口包括不锈钢或铜基合金或由其组成。
根据一个实施例，第二流体出口包括钛或铜基合金或由钛或铜基合金组成。
根据本公开的第二方面，提供了一种高压电解槽系统，该高压电解槽系统包括：电解槽堆，其设置有氧气出口和氢气出口；以及进水口，用于利用水填充该电解槽堆；进水阀，其被构造成提供进水口的单向阀功能性，以及根据第一方面的压力补偿系统，其中第一流体入口被连接到氧气出口，第二流体入口被连接到氢气出口。
高压电解系统由于在电解发生时电解槽堆中的水压能够压缩电解槽堆中的氢气和氧气。这样就不需要外部压缩来压缩氢气和氧气。除了电解所需的能量外，它不另外需要任何附加的能量。因此可以获得低成本的气体压缩。
另外，由于在电解期间生成的氢气比氧气更多，因此压力补偿系统确保电解槽堆内部的压力均等。如果第一流体管道部分和第二流体管道部分中的压力不均等，则将电解槽堆中的氢气腔室和氧气腔室分开的膜将承受过压。这种过压可导致氢气和氧气腔室中穿过膜的交叉污染。
根据一个实施例，电解槽堆包括多个电极板，每个电极板具有设置有电极元件的内部金属框架和支持内部金属框架的外部导热聚合物框架。与如果每个电极板将完全由金属制成相比，由此电解槽堆可以变得相当轻。
根据一个实施例，电解槽堆包括多个电极板，每个电极板包括外部框架和在外部框架的相对侧之间的空间中延伸的电极元件，每个电极板具有延伸通过外部框架的氢气通道和氧气通道，以及连接该空间以及氢气通道和氧气通道中的一个的第一出口通道和第二出口通道，其中每个第一出口通道具有从该空间到氢气通道或氧气通道的方向上逐渐变细的形状，并且每个第二出口通道具有从氢气通道或氧气通道到空间的方向上逐渐变细的形状。
对于每个电极板，第一出口通道和第二出口通道都连接到氢气通道或氧气通道。
在电解槽堆中，用作阴极和阳极的两个相邻的电极板形成电解池。可以借助膜将相邻的电极板分开，以分开分别由阴极和阳极生成的氢气和氧气。
在将电极板操作为阳极的情况下，第一出口通道和第二出口通道连接到氧气通道。电极元件和氢气通道之间不存在流体连接。
在将电极板操作为阴极的情况下，第一出口通道和第二出口通道连接到氢气通道。电极元件和氧气通道之间不存在流体连接。
每个电极板具有高度尺寸、宽度尺寸以及深度或厚度尺寸。第一通道出口和第二通道出口在深度或厚度方向上一个接一个地进行布置。优选地，相关于氧气/氢气流动方向，第一通道出口在深度或厚度方向上被布置在第二通道出口的上游。
第一通道出口的最小横截面面积可以不同于第二通道出口的最小横截面面积。例如，第一通道出口的最小横截面面积可以大于第二通道出口的最小横截面面积。
由于电解而在电极板上生成的气体将大部分流过第一出口通道并到达氢气通道或氧气通道，在其中第一出口通道打开/终止，从而将气体压缩到大约35-40bar。氢气通道或氧气通道中的一些气体由于背压，通过第二出口通道，将再次流回到容纳电极元件的空间中。该过程将有一个循环，并且气体将进一步压缩。此外，如果任何水进入氢气通道或氧气通道内部，它将再次流回到该空间内部。
高压电解槽系统还可以包括出气阀，该出气阀可以是止回阀，以允许一定量的氢气和氧气从电解槽堆中流出，以提供对氢气和氧气的进一步压缩。
一个实施例包括第一泵和第二泵，第一传感器和第二传感器，以及被构造成连接到第一传感器和第二传感器的泵控制系统，其中第一传感器被构造成检测电解槽堆中的水位，其中基于水位，泵控制系统被构造成激活第一泵以将更多的水泵送到电解槽堆中，其中第二传感器被构造成检测电解槽堆中的温度(25)，其中在温度高于阈值的情况下，泵控制系统被构造成激活第二泵以从电解槽中抽水。
通常，除非本文另外明确定义，否则将根据其在技术领域中的普通含义来解释权利要求中使用的所有术语。除非另外明确指出，否则对“一/一个/元件、装置、组件、部件、步骤等”的所有引用应被解释为是指元件、装置、组件、部件、步骤等的至少一种实例。除非明确说明，否则不必以所公开的确切顺序执行本文所公开的任何方法的步骤。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式描述本发明构思的示例，其中：
图1示意性地示出了压力补偿系统的示例的俯视图；
图2示意性地示出了高压电解槽系统的示例；
图3是示意性地示出了电极板的主视图；
图4a示出了图3中的电极板的第一截面；和
图4b示出了图3中的电极板的第二截面，其与图4a中示出的截面平行。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的某些实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例；相反，这些实施例仅作为示例而被提供，以使本公开将是透彻和完整的，并且将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。在整个说明书中，相同的数字表示相同的元件。
图1示出了用于双流体流动系统的压力补偿系统1的示例。在下文中，双流体流动系统将以高压电解槽系统为例。应当注意，压力补偿系统1可以与任何双流体流动系统一起使用以用于使两种流体流之间的压力相等，针对该双流体流动系统，两种流体流可以具有不同的压力。
压力补偿系统1包括流体管道3。流体管道3具有第一流体管道部分3a和第二流体管道部分3b。第一流体管道部分3a具有用于第一流体流的第一流体入口和第一流体出口7a。第二流体管道部分3b具有用于第二流体流的第二流体入口5b和第二流体出口7b。在下文中，第一流体流将以氧气流O2为例，第二流体流将以氢气流H2为例。
在沿着流体管道3从第一流体入口5a到第二流体入口5b的方向上，第一流体入口5a之后是第一流体出口7a。第一流体出口7a之后是第二流体出口7b。在第二流体出口7b之后是第二流体出口5b。
示例性的流体管道3在第一流体出口7a和第二流体出口7b之间具有弯曲部9。根据本示例，弯曲部9提供流体管道3的180度旋转。第一流体管道部分3a和第二流体管道部分3b因此被平行布置。
此外，压力补偿系统1还包括压力补偿器11。压力补偿器11被包含在流体管道3中。压力补偿器11可以被布置在弯曲部9中。压力补偿器11将第一流体管道部分3a和第二流体管道部分3b分开。
压力补偿器11包括第一柱塞11a、第二柱塞11b和布置在第一柱塞11a与第二柱塞11b之间的不可压缩的流体11c。因此，第一柱塞11a形成压力补偿器11的第一端部，并且第二柱塞11b形成压力补偿器11的第二端部。第一柱塞11a和第二柱塞用作密封件以将不可压缩的流体11c保持在其间。
不可压缩的流体11c可以优选地是不可压缩的液体。
第一流体出口7a设置有形成第一喷嘴的文丘里管(Venturi tube)状部分。在此，第一流体出口7a在第一流体流O2的方向上具有逐渐变细横截面的第一轴向部分13和在第一轴向部分13的下游的、具有渐增的横截面的第二轴向部分15。
第二流体出口7b设置有形成第二喷嘴的文丘里管状部分。在此，第二流体出口7b在第二流体流H2的方向上具有逐渐变细横截面的第三轴向部分17和在第三轴向部分17的下游的、具有渐增的横截面的第四轴向部分19。
因此，第一轴向部分13和第二轴向部分15以及第三轴向部分17和第四轴向部分19形成会聚-扩张喷嘴。可以对这些喷嘴进行特殊校准，以达到所期望的输出压力。例如，如果希望输出300bar的压力和每小时1Nm3的氢气流，假设高压电解槽系统每小时可以产生1Nm3氢气，则可以对喷嘴进行校准，以使得仅当电解槽堆中的压力达到300bar时，1Nm3/h的氢气才能通过喷嘴逸出。由于氧气比氢气少并且由于氧气和氢气的分子量不同，所以对于排出氧气的第一流体出口7a，会聚-扩张喷嘴的直径，特别是会聚-扩张喷嘴的喷嘴喉部或腰部(其具有最小直径)，将有所不同。第一流体出口7a的喷嘴喉部或腰部的直径小于第二流体出口7b的喷嘴喉部或腰部的直径。直径越小，在一定压力下通过流体出口7a、7b逸出的气体越少。直径的大小可以在使特定量的气体在一定压力下流动所需的设计过程中计算出来。以这种方式，可以通过改变会聚-扩张喷嘴来改变输出压力能力。根据一个示例，喉部直径可以在微米范围内。这样的直径大小可以使用例如激光微加工来制成。第一轴向部分13的长度可以等于或长于第二轴向部分15。第三轴向部分17的长度可以等于或长于第四轴向部分19。为此，第一喷嘴和第二喷嘴中的每个的会聚部分可以长于对应的扩张部分。会聚部分的横截面面积可以逐渐减小，直到它达到这样的喉部直径：该喉部直径被设计为实现更好压缩、在特定压力下每小时的标定流速、更少的湍流、减少的热量并延长喷嘴的使用寿命。第一喷嘴和第二喷嘴的外表面可以设置有用于热量自然对流的散热片。
此外，示例性的压力补偿系统1还包括第一释放阀21a和第二释放阀21b。第一释放阀21a被构造成从第一流体管道部分3a排出流体。第二释放阀21b被构造成从第二流体管道部分3b排出流体。第一释放阀21a可以例如是电磁阀。第二释放阀21b可以例如是电磁阀。
第一释放阀21a可以例如被布置在第一流体管道部分3a的竖直上部或顶部区域中。因此，因为空气比氧气轻，所以可以促进空气的排放。氧气分子可以朝第一流体管道部分3a的底部下沉，而空气可以向上上升到第一释放阀21a。
第二释放阀21b可以例如被布置在第二流体管道部分3b的竖直下部或底部区域中。
第一释放阀21a和第二释放阀21b可以被构造成被控制以在压力补偿系统的初始状态下打开，以分别从第一流体管道部分3a和第二流体管道部分3b中排出流体管道3中包含的除了氧气和氢气之外的任何气体。当这种气体已经从流体管道3被排放时，可以关闭第一释放阀21a和第二释放阀21b。
因此，在操作中，首先打开第一释放阀21a和第二释放阀21b以排放流体管道3中存在的除了氧气和氢气以外的任何气体。当气体被排放时，关闭释放阀21a和21b。在压力补偿系统1与电解槽一起使用的情况下，氧气O2将流入到第一流体管道部分3a中并且氢气H2将流入到第二流体管道部分3b中。最终，由于电解中的不对称的氧气和氢气产生，与第一流体管道部分3a中的压力相比，第二流体管道部分3b中的压力增加。由于在第二柱塞11b上的气压，该压力差使压力补偿器11在流体管道3内部朝第一流体出口7a移动。压力补偿器11的位移导致第一柱塞11a部分地阻塞或阻塞第一流体出口7a，从而减小了用于氧气O2通过第一流体出口7a逸出的可用横截面。以这种方式，第一流体管道部分3a中的压力将增加，最终导致第一流体管道部分3a和第二流体管道部分3b中的压力均等。在电解期间，压力补偿器11将基于第一流体管道部分3a和第二流体管道部分3b中的当前差压，在任一方向上位移。压力补偿器11因此通过由于流体管道3中压力生成的位移而引起的自我调节来提供压力平衡。
由于第一流体出口7a和第二流体出口7b中的文丘里管状设计，当第一流体和第二流体离开压力补偿系统1时，将生成更少的热量、更少的湍流和更少的压降。
图2示出了高压电解槽系统23的示例。高压电解槽系统23包括电解槽堆25和压力补偿系统1。电解槽堆25包括多个电极板27a和27b。电极板27a和27b一个接一个地被布置成堆叠构造。每个相邻的电极板对形成电解池。每个电极板27a和27b要么作为阴极要么作为阳极工作，并且每个电解池具有阴极和阳极。每个电极板27a和27b具有包括内部框架和外部框架的框架结构，由此在内部框架内部形成空间。当堆叠电极板27a和27b时，由相邻的空间形成被构造为填充有水的电解腔室。
电解槽堆25还包括多个膜。每个相邻的电极板对27a和27b由膜分隔，使得每个阴极形成氢气腔室并且每个阳极形成氧气腔室。氧气腔室和氢气腔室一起形成电解腔室。膜被构造成防止氢气和氧气在电解腔室中在电极板27a和27b之间移动。
电解槽堆25包括形成电解槽堆25的第一端部的第一端板29a和形成电解槽堆25的第二端部的第二端板29b。电极板27a和27b被布置在第一端板29a和第二端板29b之间。
第一端板29a设置有两个进水口，该进水口被构造成使得水能够流入到电解腔室中。高压电解槽系统23还包括被构造成提供相应进水口的止回阀功能性的两个进水阀33(每个进水口一个)、泵P和泵控制器35。
泵P被构造成经由进水口将水泵送到电解槽堆25中。泵控制器35被构造成控制泵P。例如，泵控制器35可以被构造成仅偶尔操作泵P，诸如每小时一次。泵控制器35因此可以使用计时器功能。泵P因此可以补充电解槽堆25中的水位，因此可以将其完全充满水，例如每小时一次。可替代地，可以借助于泵控制器35使用其他时间框架来操作泵P。通过仅偶尔地操作泵P，可以在操作高压电解槽系统23时节省能量。可替代地，高压电解槽系统可以包括一个或多个传感器以检测电解槽堆中的水位，其中泵控制器35可以被构造成基于由一个或多个传感器检测到的水位来控制泵。作为另一替代方案，泵P可以一直运行。
根据一个示例，高压电解槽系统23可以包括两个泵和两个传感器。两个泵中的第一泵可以是高压泵，并且两个泵中的第二泵可以是低压泵。第一传感器可以被构造成检测电解槽堆25中的水位，并且基于该水位，使泵控制器35激活第一泵以将更多的水泵送到电解槽堆中。第二传感器可以被构造成检测电解槽堆25内部的温度，并且基于该温度使泵控制器35，或者可替代地使被构造成控制第二泵的另一泵控制器，来激活第二泵。泵控制器35或另一泵控制器可以被构造成例如在温度达到阈值，例如35度或40度的情况下，激活第二泵。高压电解槽系统通常可以包括被构造成控制第一泵和第二泵的泵控制系统。泵控制系统可以包括泵控制器35，其可以被构造成控制第一泵，并且根据一个示例还控制第二泵。根据一个示例，泵控制系统可以包括被构造成控制第二泵的专用控制器。在这种情况下，泵控制系统将包括两个泵控制器，每个控制器被构造成控制第一泵和第二泵中的相应一个。第二泵在被操作时从电解槽堆中抽水。因此，第二泵用作冷却泵，使得高压电解槽系统23能够保持相同的温度以避免材料的过热或自燃。
电解槽堆25还包括连接到压力补偿系统1的第一流体入口5a的氧气出口36a和连接到压力补偿系统1的第二流体入口5b的氢气出口36b。
此外高压电解槽系统23还可以包括出气阀37，其可以是止回阀。出气阀37可以被构造成允许氢气和氧气的一定限制的气流从电解槽堆25经由氧气出口36a和氢气出口36b流出到压力补偿系统1。
压力补偿系统1的第一流体出口7a可以连接到用于存储压缩氧气的氧气压力容器39，第二流体出口7b可以连接到用于存储压缩氢气的氢气压力容器41。
图3描绘了电极板27a或27b的示例。示例性的电极板具有内部框架43和外部框架45。内部框架43优选地由具有良好导电性质的金属例如铜或铝制成。因此，内部框架43可以是内部金属框架。外部框架45可以由导热聚合物制成。因此，外部框架45可以是外部导热聚合物框架。外部框架45支持内部框架43。外部框架45可以例如通过注射模塑(injectionmoulding)制成。为此，在制造期间，可以将内部框架放置在注塑模具内，其中将导热聚合物注入到框架中以形成外部框架45。
电极板27a、27b还包括在内部框架43的相对侧之间延伸并且因此也在外部框架45的相对侧之间延伸的电极元件46。内部框架43在电极元件46延伸的区域中界定空间47。该空间47在电极板操作为阳极的情况下是氧气腔室，在电极板操作为阴极的情况下是氢气腔室。电极板27a、27b具有端子49，该端子49经由内部框架43连接至电极元件46，并且被构造成连接至电源。
外部框架45设置有氧气通道51和氢气通道53。这两个通道51和53中的仅一个被构造成与空间47流体连通。在电极板操作为阳极的情况下，仅将氧气通道51与空间47流体连通，并且在电极板操作为阴极的情况下，仅将氢气通道53与空间47流体连通。由于电极板27a和27b交替地堆叠有覆盖它们之间的空间47的膜，每隔一个电极板，即每个阳极，将贡献氧气通道51中的氧气流，而每隔一个板，即每个阴极，将贡献氢气通道53中的氢气流。
除膜以外，电解槽堆25还可以包括多个电绝缘垫片，每个都被夹在两个相邻的电极板27a和27b之间，以在电极板27a和27b之间提供电绝缘和密封。
每个电极板27a、27b还可以包括两个水通道55和57。两个水通道的第一水通道55可以连接到进水口中的一个，并且两个水通道的第二水通道57可以连接到进水口中的另一个。对于用作阳极的电极板27a，第一水通道55通过从第一水通道55延伸到空间47的通道来与空间47流体连通，而第二水通道57则不。对于用作阴极的电极压板27b，第二水通道57通过从第二水通道57延伸到空间47的通道来与空间47流体连通，而第一水通道55则不。这意味着阳极具有它们自己的供水，而阴极具有它们自己的供水。这降低了氧气腔室和氢气腔室之间交叉污染的风险。
第一水通道55具有中央通道部分和与中央通道部分相比而言较窄的两个相对布置的侧向翅片55a。第二水通道57具有中央通道部分和与中央通道部分相比而言较窄的两个相对布置的侧向翅片57a。这提供了这样的效果，可以沿着第一水通道55和第二水通道57沿着电解槽堆25延伸时的长度提供相同或基本相同的水压。根据一个变体，氧气通道51和氢气通道53可以也具有这种构造。
图4a示出了通过用作阳极的电极板27a的截面的特写图。内部框架43和外部框架45设置有从空间47延伸到氧气通道51的第一出口通道59。第一出口通道59具有文丘里管状设计，并且在从空间47到氧气通道51的方向上逐渐变细。此电极板27a的氢气通道53没有到空间47的开口。
对于用作阴极的电极板27b，内部框架43和外部框架45设置有从空间47延伸到氢气通道53的第一出口通道。第一出口通道具有文丘里管状设计并且在从空间47到氢气通道53的方向上逐渐变细。此电极板27b的氧气通道51没有到空间47的开口。
图4b示出了通过电极板27a的与图4a中所示的截面平行但是在电极板27a的厚度方向上更下游的截面的特写图。内部框架43和外部框架45设置有从空间47延伸到氧气通道51的第二出口通道61。第二出口通道61具有文丘里管状设计，并且在从氧气通道51到空间47的方向上逐渐变细。
对于用作阴极的电极板27b，内部框架43和外部框架45设置有从空间47延伸到氢气通道53的第二出口通道。第一出口通道具有文丘里管状设计并且在从氢气通道53到空间47的方向上逐渐变细。
上面主要参考一些实施例描述了本发明。然而，如本领域技术人员容易理解的那样，在所附权利要求书所限定的本发明的范围内，除了以上公开的实施例以外的其他实施例同样是可能的。

Claims (13)

1.一种高压电解槽系统(23)包括：
电解槽堆(25)，设置有氧气出口(36a)和氢气出口(36b)以及进水口，所述进水口用于利用水填充所述电解槽堆(25)，
进水阀(33)，被构造成提供所述进水口的单向阀功能性，以及
压力补偿系统(1)，包括：
流体管道(3)，具有第一流体管道部分(3a)和第二流体管道部分(3b)，
其中所述第一流体管道部分(3a)具有用于第一流体流O2的第一流体入口(5a)和第一流体出口(7a)，
其中所述第二流体管道部分(3b)具有用于第二流体流H2的第二流体入口(5b)和第二流体出口(7b)，所述第二流体流H2与所述第一流体流O2分开，
其中所述第一流体入口(5a)被连接到所述氧气出口(36a)，并且所述第二流体入口(5b)被连接到所述氢气出口(36b)，以及
压力补偿器(11)，被布置在所述流体管道(3)中，将所述第一流体管道部分(3a)和所述第二流体管道部分(3b)分开，其中所述压力补偿器(11)被构造成在所述流体管道(3)中在所述第一流体出口(7a)和所述第二流体出口(7b)之间移动，从而响应于所述第一流体管道部分(3a)和所述第二流体管道部分(3b)之间的压力差而至少部分地阻塞所述第一流体出口(7a)和所述第二流体出口(7b)中的一个流体出口，以在所述第一流体管道部分(3a)和所述第二流体管道部分(3b)之间提供压力补偿，
其中在沿着所述流体管道(3)从所述第一流体入口(5a)到所述第二流体入口(5b)的方向上，所述第一流体出口(7a)被布置在所述第一流体入口(5a)之后，随后是所述第二流体出口(7b)，随后是所述第二流体入口(5b)。
2.根据权利要求1所述的高压电解槽系统(23)，其中所述压力补偿器(11)包括不可压缩的流体。
3.根据权利要求2所述的高压电解槽系统(23)，其中所述压力补偿器(11)包括第一柱塞(11a)和第二柱塞(11b)，其中所述不可压缩的流体被提供在所述第一柱塞(11a)和所述第二柱塞(11b)之间，所述第一柱塞(11a)和所述第二柱塞(11b)起到将所述不可压缩的流体密封在它们之间的作用。
4.根据权利要求1所述的高压电解槽系统(23)，其中所述第一流体管道部分(3a)和所述第二流体管道部分(3b)经由弯曲部(9)被连接，并且所述压力补偿器(11)位于所述弯曲部(9)中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的高压电解槽系统(23)，其中所述第一流体管道部分(3a)设置有第一释放阀(21a)，所述第一释放阀(21a)被构造成在所述压力补偿系统(1)的初始状态下从所述第一流体管道部分(3a)排出流体，并且所述第二流体管道部分(3b)设置有第二释放阀(21b)，所述第二释放阀(21b)被构造成在所述压力补偿系统(1)的初始状态下从所述第二流体管道部分(3b)排出流体。
6.根据权利要求5所述的高压电解槽系统(23)，其中所述第一释放阀(21a)和所述第二释放阀(21b)被构造成由外部控制件来控制。
7.根据权利要求5所述的高压电解槽系统(23)，其中所述第一释放阀(21a)是第一电磁阀，并且所述第二释放阀(21b)是第二电磁阀。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的高压电解槽系统(23)，其中所述第一流体出口(7a)具有第一轴向部分(13)和第二轴向部分(15)，所述第一轴向部分(13)具有在所述第一流体流O2的方向上逐渐变细的横截面，所述第二轴向部分(15)在所述第一轴向部分(13)的下游并且具有渐增的横截面，并且所述第二流体出口(7b)具有第三轴向部分(17)和第四轴向部分(19)，所述第三轴向部分(17)具有在所述第二流体流H2的方向上逐渐变细的横截面，所述第四轴向部分(19)在所述第三轴向部分(17)的下游并且具有渐增的横截面。
9.根据权利要求8所述的高压电解槽系统(23)，其中所述第一轴向部分(13)和所述第二轴向部分(15)形成会聚-扩张喷嘴结构，所述会聚-扩张喷嘴结构具有直径在微米范围中的喷嘴喉部或腰部。
10.根据权利要求8所述的高压电解槽系统(23)，其中所述第三轴向部分(17)和所述第四轴向部分(19)形成会聚-扩张喷嘴结构，所述会聚-扩张喷嘴结构具有直径在微米范围中的喷嘴喉部或腰部。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的高压电解槽系统(23)，其中所述电解槽堆(25)包括多个电极板(27a、27b)，每个电极板(27a、27b)具有内部金属框架(43)和外部框架(45)，所述内部金属框架(43)设置有电极元件(46)，所述外部框架(45)是导热聚合物框架并且支持内部金属框架(43)。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的电解槽系统，其中所述电解槽堆(25)包括多个电极板(27a、27b)，每个电极板(27a、27b)包括外部框架(45)和在所述外部框架(45)的相对侧之间的空间(47)中延伸的电极元件(46)，每个电极板(27a、27b)具有延伸通过所述外部框架(45)的氢气通道(53)和氧气通道(51)，以及连接所述空间(47)与所述氢气通道(53)和所述氧气通道(51)中的一个通道的第一出口通道(59)和第二出口通道，其中每个第一出口通道(59)具有在从所述空间(47)到所述氢气通道(53)或所述氧气通道(51)的方向上逐渐变细的形状，并且每个第二出口通道具有在从所述氢气通道(53)或所述氧气通道(51)到所述空间(47)的方向上逐渐变细的形状。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的高压电解槽系统(23)，包括：
第一泵和第二泵，
第一传感器和第二传感器，以及
泵控制系统，被构造成被连接到所述第一传感器和所述第二传感器，
其中所述第一传感器被构造成检测所述电解槽堆(25)中的水位，其中基于所述水位，所述泵控制系统被构造成激活所述第一泵以将更多的水泵送到所述电解槽堆(25)中，
其中所述第二传感器被构造成检测所述电解槽堆(25)中的温度，其中在所述温度高于阈值的情况下，所述泵控制系统被构造成激活所述第二泵以从所述电解槽堆(25)抽水。
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