CN114746580A

CN114746580A - 电解系统和用于运行电解系统的方法

Info

Publication number: CN114746580A
Application number: CN202080083047.2A
Authority: CN
Inventors: M·瓦达斯; E·沃尔夫
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2022-07-12
Also published as: US20220380908A1; WO2021104978A1; EP4028578A1; CA3162765A1; EP3828314A1

Abstract

本发明涉及一种用于将水电化学分解成氢气和氧气的电解系统，其具有至少一个用于将水电化学分解成氢气和氧气的电解装置。此外，电解系统包括用于容纳电解装置的外壳设备，其中电解装置至少部分地设置在外壳设备中，并且外壳设备相对于包围外壳设备的第一流体密封地封闭。在电解装置中，将水分解成氢气和氧气。氢气和氧气从外壳设备引出。

Description

电解系统和用于运行电解系统的方法

技术领域

本发明涉及一种用于将水分解成氢气和氧气的电解装置及用于运行电解装置的方法。

背景技术

电解装置是一种借助于电力引起物质转换(电解)的设备。对应于各种不同的电解装置，也存在大量的电解装置，即例如用于电解制氢的电解装置。

当前的考虑在于：在阳光和风能充足时，即借助高于平均水平的太阳能或风力发电，借助来自可再生能量源中的能量产生氢气。借助水电解装置产生的氢气尤其可以是再生材料。例如，所谓的EE气体可以借助氢气来制备。

在此，(电解制氢)电解装置借助电能、尤其来自风能或太阳能的电能首先产生氢气。然后，将氢气与二氧化碳一起在Sabatier(萨巴蒂尔)工艺中用于制备甲烷。例如，然后可以将甲烷馈入到已经存在的天然气网络中，进而实现存储能量和将能量运输至消耗器，进而可以减轻电网的负荷。替选地，由电解装置产生的氢气也可以直接进一步使用，例如用于燃料电池。

在用于电解制氢的电解装置中，水被分解成氢气和氧气。在PEM电解装置中，典型地将蒸馏水作为起始材料在阳极侧输入，并且在质子可透过的膜(英文：“Proton-Exchange-Membrane质子交换膜”；PEM)处分裂成氢气和氧气。在此，水在阳极处氧化成氧气。质子经过质子可透过的膜。在阴极侧生产氢气。电解单元典型地包括至少四个电解模块。电解模块典型地包括50个电解池。

电解装置典型地安装在容器或建筑物中，以保护其免受外部影响，例如尤其降水。所述容器或建筑物被通风。通风确保与环境的热交换。此外，以足以中和气体泄漏并确保充分冷却的空气交换率进行空气交换。通风尤其连续进行。

在通风期间，经由空气交换不利地将灰尘、盐分或不期望的气体从环境中引入到容器或建筑物中。这会不利地导致电解装置的维护耗费增加，并且缩短电解装置的使用寿命。此外，可燃气体会不利地到达建筑物或容器内。

发明内容

因此，本发明的目的是：提供一种电解系统和一种用于运行电解系统的方法，其克服了上述缺点。

该目的借助根据权利要求1的电解系统和根据权利要求9的用于运行电解系统的方法来实现。

根据本发明的、用于将水电化学分解成氢气和氧气的电解系统包括至少一个用于将水电化学分解成氢气和氧气的电解装置。所述电解系统还包括用于容纳电解装置的外壳设备。在此，电解装置/电解系统(不仅仅是堆)至少部分地设置在外壳设备中。外壳设备相对于包围外壳设备的第一流体密封封闭。

用于运行将水分解成氢气和氧气的电解系统的根据本发明的方法包括多个步骤。首先，提供电解系统，所述电解系统具有用于将水电化学分解成氢气和氧气的电解装置。电解系统还包括用于容纳电解装置的外壳设备，其中电解装置至少部分地设置在外壳设备中，并且外壳设备相对于包围外壳设备的第一流体密封地封闭。随后，在电解装置中将水分解成氢气和氧气。从外壳设备中引出氢气和氧气。在此，电解系统不仅仅是一个堆，而是包括多个具有所属的基础设施的堆。

电解装置有利地与具有第一流体的外部环境隔离开。因此，没有不期望的成分、例如灰尘、盐分、特别是来自海洋空气的盐分、或气体可以接触电解装置或与包围电解装置的介质混合。因此有利地保护电解装置免受外部影响。

在本发明的一个有利的设计方案和改进形式中，外壳设备包括热交换器，所述热交换器用于对外壳设备中的温度和外壳设备之外的温度进行热平衡。因此，有利地确保：在电解期间形成的热量被带出电解系统。特别有利地，热量间接地通过热交换器散发，使得有利地避免部件必须与环境交换。

在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，电解系统具有至少一个氧传感器。替选地或附加地，电解系统包括氢传感器。有利地，因此可以检测氢气和氧气的浓度，以便及早地识别泄漏，使得可以采取对策。

在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，在外壳设中设置有用于减小氢、氧和/或水的化学分子捕捉器。这尤其有利地为第一流体中氧含量和/或氢含量过高的对策。借助于化学分子捕捉器或运输湿气的膜也可以减少会损坏电解装置的过高的湿气。有利地，因此可以避免：由于凝缩而腐蚀部件，这又会导致短路风险的增加。因此，部件不必针对凝缩设计，这有利地简化了结构和降低了成本。

在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，在外壳设备中设置有电化学氢泵。当施加电流时，电化学泵将氢气运输经由膜，特别是经由质子交换膜。因此，有利地，氢气可以选择性地从外壳设备的内部经由对于不同于氢气的气体是气密的膜被向外运输。

在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，电解系统包括燃料电池。燃料电池借助氢气、特别是电解装置的产物作为燃料并且借助空气、即外壳设备内的空气作为氧化剂来运行。在此，消耗空气中的氧气，由此燃料电池的排气中的氧气少于对燃料电池的馈送空气。氧气份额可以有利地降低至，使得在电解装置氢气泄漏的情况下不会形成可燃的气体混合物。因此，有利地提高了电解系统的运行可靠性。

在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，电解系统包括用于用第二流体填充外壳设备的填充设备。特别地，体积补偿可以有利地借助于填充设备尤其根据变化的空气压力或变化的温度来执行。填充设备尤其包括填充有惰性气体的压缩气体容器。

在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，电解系统包括用于从第二流体移除水的分离设备。特别地，分离设备包括吸收床或吸附床。特别地，吸附床包括硅胶作为吸附剂。分离设备也可以设计为冷阱。还可行的是：借助于水蒸气可渗透膜、尤其借助于湿气运输的膜(例如Gore-Tex膜)将水从外壳设备运出。第二流体的湿气含量有利地保持在低水平。

在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，外壳设备外罩，其中流体密封地封闭的穿流设备设置在外罩中。所述流体密封封闭的穿流设备有利地实现对外壳设备进行不连续通风。穿流设备尤其可以是活门、阀或泵开口。

在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，电解系统的电解装置包括外围装置，所述外围装置包括管线和热交换器。所述外围装置设置在外壳设备中。因此，有利地，不仅电解装置而且所有馈送管线和排放管线以及热交换器都受到保护免受环境的外部影响。因此，有利地减少了维护间隔。

在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，第一流体是气体混合物，特别是空气。外壳设备有利地特别保护免受包围外壳设备的空气的影响。所述气体混合物尤其在提炼设备附近可以包括可燃气体。

在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，外壳设备填充有第二流体。第二流体尤其是气体或气体混合物。换言之，这意味着：将保护气体以包围电解装置的方式设置在外壳设备中。所述保护气体尤其是惰性气体。特别地，氮气、二氧化碳、不可燃的FCKW置换气体或稀有气体可以用作惰性气体。

在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，使用低氧或无氧流体用作为第二流体。有利地，这附加地提高了电解系统的安全性，因为可以补偿少量的氢气泄漏。

在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，第二流体具有与第一流体不同的组分。

在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，外壳设备内的第一压力高于外壳设备外的第二压力。特别地，第一压力和第二压力之间的差小于200mbar、优选小于50mbar。

附图说明

本发明的其他特征、特性和优点从以下参照附图的描述中得出。其中示意性地示出：

图1示出具有电解装置的电解系统，所述电解装置包括电解池和外壳设备，

图2示出具有电解装置的电解系统，所述电解装置包括电解池、外围装置和外壳设备。

具体实施方式

图1示出具有电解装置的电解系统1，所述电解装置包括电解池2和外壳设备10。电解装置典型地包括多个电解池2。所述电解池2尤其设置成堆。为了简化表示的目的，在图1和图2中分别仅示出一个电解池2。但是，原则上，整个电解装置设置在外壳设备10中。

电解池2设置在外壳设备10中。电解池2具有阳极室4和阴极室5。在阳极室4中设置有阳极7。在阴极室5中设置有阴极8。水W从水存储设备30流入阳极室4和阴极室5中。水W在电解池2中分解成氢气H₂和氧气O₂。氢气H₂离开电解池2和外壳设备10。氢气被引入氢存储设备中。氧气O₂离开阳极室4并被引入氧存储设备31中或排放到外壳设备10外的环境中。穿过外壳设备10的引导水、引导氢气和引导氧气的管线的通道流体密封地构成。第一流体F1位于外壳设备10外。所述流体尤其是加载盐分或灰尘的空气。第二流体F2位于外壳设备10中。第二流体F2尤其具有包括非常少或不包括氧气的气体混合物。第二流体特别是氮气。

因此，有利地保护电解池2和外围管线免受通过第一流体F1引起的外部影响。为了确保热交换，第二热交换器23设置在外壳设备10处。第一流体F1可以借助于阀22流入所述第二热交换器中，以便将热量从外壳设备10运输到环境中。

同样地，另外的阀也可以设置在外壳设备10中。特别地，在氢气或氧气泄漏的情况下，所述另外的阀可以将第二流体F2排放到环境中，即排放到第一流体F1中。这在附图中未示出。

图2示出具有电解池2的电解系统1的第二实施例。在所述第二实施例中，电解在大气压力下以自然循环进行。因此，有利地，不需要泵或仅需要少量泵。该结构包括具有尤其管线和分离设备的外围装置。

在该示例中，几乎所有部件(除了材料存储设备之外)都设置在外壳设备10中。外壳设备10保护外壳设备10的内部中的部件特别是免受来自环境的灰尘或盐分的影响。第一流体F1围绕外壳设备10。所述第一流体尤其包括灰尘或盐分。第二流体F2位于外壳设备10的内部中。特别地，这是气体混合物，所述气体混合物包含非常少的氧气或不包括氧气。如在第一实施例中已经示出的那样，氧气管线、氢气管线和水管线设置成，使得它们以流体密封的方式横穿外壳设备10。这意味着：管线被引导穿过外壳设备的外罩中的开口，并且然后所述开口以流体密封的方式封闭。为了实现与环境进行热交换，第二热交换器23设置在外壳设备10处、特别是设置在外壳设备10的外罩处。所述第二热交换器可以借助于阀由来自环境的第一流体F1穿流，使得第一流体可以吸收来自外壳设备10的热量并将其输出给环境。

电解池2包括将阳极室4与阴极室5分开的质子交换膜3。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W在阳极7处被氧化成氧气O₂。在阳极室4中在电解期间形成的氧气-水混合物具有比纯水更低的密度。由此，所述氧气-水混合物在第一管线9中上升到第一气体分离设备20中，所述第一管线也称为上升管。第一气体分离设备20位于阳极室4的上方。在第一气体分离设备20中，氧气与水分离。特别地，氧气O₂被引入氧储存器(图中未示出)中。水W经由第二管线15引入第一热交换器6中。在阴极室中，水在电解期间在阴极8处还原为氢气H₂。氢气-水混合物由于与水W相比密度较低尤其在“强制循环”的范围中经由第三管线11上升到第二气体分离设备21中。在第二气体分离设备21中从水W分离出氢气H₂。氢气H₂离开外壳设备10并且优选地被引入氢存储器中。水W可以经由第四管线12被引入第一热交换器6中。然后，水W从第一热交换器6起被引导回到阳极室4和阴极室5中。第一热交换器6借助冷却剂、特别是水运行。在所述冷却剂和来自电解的水之间不发生物质交换。第一热交换器6中的冷却剂流入和流出为了清楚起见在图2中未示出。

电解系统1可以有利地动态运行，也就是说，根据负载输入，电解单元1可以以大于0A/cm²直至4A/cm²、特别优选大于1A/cm²直至3A/cm²的能量密度运行。

第一和第二气体分离设备20、21位于第二高度。电解池的最大高度位于第一高度。第二高度处于第一高度之上。由此，仅仅基于在电解装置中形成的密度差，就可以确保反应物和产物在电解装置中的自然循环。但是，这两个高度都必须高于电解池的第一高度。有利地不需要附加的泵或其他运送机构。替选于此处所示的实施方案，还可行的是：仅在氧气侧、即在阳极室4中执行自然循环。由于基于密度的物理变量的自然循环原理，水输送速率自我调节。这意味着，在适当工艺设计的情况下，水输送速率在气体生产速率增加的情况下上升，由此又有利地排走热量。

在大气压下自然循环的运行是特别有利的，因为氢气和/或氧气的气泡尺寸以及所得出的对气体和水的运输能力足够大，使得可以完全省去泵。

氢气和氧气侧的水回路、即阳极室4和阴极室5中的水的水回路经由第一热交换器6相互连接。

基于水裂解的反应方程式清楚地表明：在水分解时，氢气的体积大致为氧气体积的两倍。因此，在氢气侧和氧气侧的管直径相同设计的情况下，只要输送速率不受管直径限制，氢气侧就具有比氧气侧更高的水输送速率。如果水的输送速率受立管限制，则可以通过适配立管直径来优化输送速率。因此，为了优化两侧上的水通流，第一管线9的第一直径设计得小于第三管线11的第二直径。特别有利地，第一管线9的横截面大致为第三管线11的横截面的一半。有利地，与相同类型的常规的管直径分布相比，可以实现更高的水输送速率，尤其是在阳极侧上实现更高的水输送速率。

附图标记列表

1 电解系统

2 电解池

3 质子交换膜

4 阳极室

5 阴极室

6 第一热交换器

7 阳极

8 阴极

9 第一管线

10 外壳设备

11 第三管线

12 第四管线

15 第二管线

20 第一气体分离设备

21 第二气体分离设备

22 阀

23 第二热交换器

30 水存储设备

31 氧存储设备

32 氢存储设备

W 水

H2 氢气

O2 氧气

F1 第一流体

F2 第二流体

Claims

1.一种用于将水(W)电化学分解成氢气(H2)和氧气(O2)的电解系统(1)，所述电解系统具有：

-用于将水(W)电化学分解成氢气(H2)和氧气(O2)的至少一个电解装置(2)，

-用于容纳所述电解装置(2)的外壳设备(10)，其中所述电解装置(2)至少部分地设置在所述外壳设备(10)中，并且所述外壳设备(10)相对于包围所述外壳设备(10)的第一流体(F1)密闭封闭。

2.根据权利要求1所述的电解系统(1)，其中所述外壳设备(10)包括热交换器(23)，所述热交换器用于对所述外壳设备(10)中的温度和所述外壳设备(10)之外的温度进行热平衡。

3.根据权利要求1或2所述的电解系统(1)，其中所述电解系统(1)具有至少一个氧传感器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电解系统(1)，所述电解系统具有至少一个氢传感器。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电解系统(1)，其中在所述外壳设备(10)中设置有用于减少氢、氧和/或水的化学分子捕捉器。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电解系统(1)，其中在所述外壳设备(10)中设置有电化学氢泵。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电解系统(1)，其中所述外壳设备(10)包括外罩，其中流体密封地封闭的穿流设备(22)设置在所述外罩中。(在说明书中：穿流设备可以是阀、也可以是活门或泵开口。)

8.根据前述权利要求中任一项所述的电解系统(1)，其中所述电解装置的、包括管线(9，11，12，15)和热交换器(6)的外围装置设置在所述外壳设备(10)中。

9.一种用于运行将水(W)分解成氢气(H2)和氧气(O2)的电解系统(1)的方法，包括以下步骤：

-提供所述电解系统(1)，所述电解系统具有用于将水(W)电化学分解成氢气(H2)和氧气(O2)的电解装置(2)，以及具有用于容纳所述电解装置(2)的外壳设备(10)，其中所述电解装置(2)至少部分地设置在所述外壳设备(10)中，并且所述外壳设备(10)相对于包围所述外壳设备(10)的第一流体(F1)密封地封闭，

-在所述电解装置(2)中将水(W)分解成氢气(H2)和氧气(O2)，

-从所述外壳设备(10)中引出氢气(H2)和氧气(O2)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一流体(F1)是气体混合物，尤其是空气。

11.根据权利要求9或10中任一项所述的方法，其中所述外壳设备(10)填充有第二流体(F2)。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中将气体或气体混合物用作所述第二流体(F2)。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中将低氧或无氧的流体用作所述第二流体(F2)。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中所述第二流体(F2)具有与所述第一流体(F1)不同的组分。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其中所述外壳设备(10)内的第一压力高于所述外壳设备(10)外的第二压力。