CN115198292A - 用于碱性电解的电解装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于从碱性电解质电化学生产氢气和氧气的电解装置。该电解装置包括用于从该电解质分离氧气和氢气的阳极分离器和阴极分离器，并且包括用于使电解质在该电解装置的电解堆的阳极区与阴极区之间循环的阳极管道系统和阴极管道系统。第一连接管道将该阳极管道系统和该阴极管道系统互连，并且包括第一控制阀。第二控制阀布置在该阳极电解液管道系统或该阴极电解液管道系统内。第二连接管道将该阳极管道系统和该阴极管道系统互连，并且包括第三控制阀。所述控制阀和互连被配置成使得取决于流经该第一、第二和第三控制阀的电解质流量，取自这些分离器的贫氧电解质和贫氢电解质可以以未混合、部分混合或完全混合的方式供应到该电解堆的阳极区和阴极区，以控制该电解装置中的氢气到氧气和氧气到氢气穿越。

Description

用于碱性电解的电解装置
技术领域
本发明涉及用于从碱性电解介质电化学生产氢气和氧气的电解装置。
背景技术
在水的碱性电解中，使用高浓度的碱液作为电解质介质。特别地，使用浓度为1mol/l(1M)至6mol/l(6M)的氢氧化钾水溶液作为电解质。
在碱性电解中，在电解堆的阳极区和阴极区出现以下的半反应：
阳极：2OH-→1/2O2+H2O+2e-
阴极：2H2O+2e-→H2+2OH-
这产生这两个半反应的以下总和。
总反应：H2O→H2+1/2O2
因而，每产生一摩尔氢气，在阳极产生一摩尔的水，并且在阴极消耗2摩尔的水。因此，由于水解离的电化学反应持续进行，电解装置的阳极区和阴极区的碱液浓度将随时间推移而变化。在阳极区，由于产生水，碱液浓度降低，而在阴极区，由于消耗水，碱液浓度提高。氢氧根离子的电渗拖拽(electro-osmotic drag)进一步引起这种不平衡，因为每个氢氧根离子都能够携带多达2个水分子。
因而，在已知的电解器中，在分离氢气和氧气产物气体之后，将取自堆(stack)的阳极区和阴极区的碱液进行混合，以平衡循环流的碱液浓度。在混合后，将具有平衡碱液浓度的流进行分流，并将分开的流分别进料到堆的阳极区和阴极区以进行进一步的水解离。如果不将碱液流的浓度平衡，浓度将越发不同，这导致电解器性能上的效率损失。这从碱液的电导率依赖于碱液浓度变得明显。从电解器的欧姆损耗的观点来看，存在与最佳碱液浓度对应的电导率的明显最大值。例如，当在85℃下进行电解时，浓KOH水溶液在大约33重量％下具有最高的比电导率。因此，在更高和更低的KOH浓度下，比电导率都降低。另外，如果不使碱液浓度平衡，阴极侧的碱液浓度会导致结晶，因为在KOH的情况中，随着碱液浓度提高，结晶温度急剧上升。
但是，碱液浓度的平衡也有缺点。在不同碱液循环完全混合的情况中，溶解的气体被引入到产物气体流中，溶解的气体例如是没有被相应的气-液分离器从碱性电解质溶液中分离出来的气体。特别地，氢气被引入氧气流(氢气到氧气，也称“HTO”)，及氧气被引入到氢气流(氧气到氢气，也称“OTH”)。
此外，氢气和氧气易于扩散穿过将电解堆的阳极室和阴极室分开的膜(隔膜)。考虑到氧气从阳极半电池穿过氢氧根离子渗透膜(隔膜)到阴极半电池的扩散速率比氢气从阴极半电池穿过该膜到阳极半电池的扩散速率慢，HTO穿越(HTO crossover)特别相关。因此，电解器的潜在运行风险在于，电解器的阳极区中的氧气中氢气(HTO)的爆炸下限(LEL)会被超过。
根据P.Trinke等人(2018J.Electrochem.Soc.[电化学学会杂志]165 F502)，与碱液循环完全分开的模式相比，在碱液循环完全混合的情况中，杂质特别是HTO的浓度较高。此外，这些作者报道了在完全混合模式下，当供应到电解器堆的直流电的电流密度降低时，氧气中氢气浓度(HTO)显著增加。高压进一步增强此效应。但是，当电解器不在恒定的高(氢气生产)产能下运行时，即不在供应到电解器堆的恒定高电流密度下运行时，这造成问题。特别地，当在碱液循环完全混合的情况下运行电解器时，在低的调低产能(low turn-downcapacity)下，例如当产能利用率低时，LEL可能被超过。这对于使用来自可再生能源(例如风能或太阳能)的电能的那些碱性电解器来说特别相关。这些能源不能确保以恒定的电流密度供应电解器的运行所需的直流电。但是，该问题并不局限于波动的可再生能源供应，而且还存在于电网平衡(grid balancing)、消费者需求动态变化等情况下的供电波动。此外，在例如为了进行维护而需要使电解器停机的情况下，该问题总是出现。
因此，由于在低的调低产能下，当HTO最高时，HTO的LEL可能被超过，因此电解器的最低产能受限。换句话说，电解器只能在某个运行窗口内安全地运行。为了使电解器有更大的运行范围，需要减少氧气产物流中的氢气含量，特别是在当供应到电解器堆的直流电的电流密度也低时的低产能下。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种电解装置，该电解装置至少部分地克服了现有技术的问题。
特别地，本发明的一个目的是提供一种电解装置，该电解装置使得能够根据供应到电解器的直流电的电流密度，在碱液循环完全混合的混合模式、碱液循环无混合的分开模式和碱液循环的部分混合之间切换。
因此，本发明的另一个目的是提供一种电解装置，该电解装置能在供应到电解堆的直流电的变化的高电流密度和低电流密度下安全地运行，而不会超过HTO的爆炸下限阈值。
因此，本发明的另一个目的是提供一种电解装置，该电解装置能在变化的高产能和低产能下安全地运行，而不会超过HTO的爆炸下限阈值。
独立权利要求的主题为上述至少一个目的的至少部分解决方案做出了贡献。从属权利要求提供了有助于至少一个目的的至少部分解决方案的优选实施例。如果适用，根据本发明的一种类别的元件的优选实施例对于根据本发明的相应其他类别的相同或对应元件的部件也应当是优选的。
术语“具有”、“包括”或“包含”等不排除可能包括另外的元件、成分等的可能性。不定冠词“一个/种(a/an)”不排除可能存在复数。
总体上，现有技术的潜在问题中的至少一个至少部分地通过包括以下项的电解装置解决：
-电解堆，其中
该电解堆供应有直流电用于从碱性电解质电化学生产氢气和氧气，该直流电具有电流密度，并且
该电解堆包括阳极区和阴极区，
-阳极分离器，其用于从该电解质分离氧气，
-阴极分离器，其用于从该电解质分离氢气，
-阳极管道系统，其用于使电解质在该电解堆的阳极区与该阳极分离器之间循环，
-阴极管道系统，其用于使电解质在该电解堆的阴极区与该阴极分离器之间循环，
-第一连接管道，其将该阳极管道系统和该阴极管道系统互连，其中第一控制阀布置在该第一连接管道内，
-第二控制阀，其布置在该阳极电解液管道系统内或布置在该阴极电解液管道系统内，
-第二连接管道，其将该阳极管道系统和该阴极管道系统互连并且布置在该第一连接管道、该第一控制阀和该第二控制阀的下游，其中该第二连接管道包括第三控制阀，
其中该第一连接管道、该第二连接管道、该第一控制阀、该第二控制阀和该第三控制阀布置在该阳极分离器和该阴极分离器的下游并且在该电解堆的上游，并且
其中该第一控制阀、该第二控制阀、该第三控制阀、该第一连接管道和该第二连接管道配置成使得取决于流经该第一控制阀、该第二控制阀和该第三控制阀的电解质流量，将取自该阳极分离器的贫氧电解质和取自该阴极分离器的贫氢电解质以未混合、部分混合或完全混合的方式供应到该电解堆的该阳极区和该电解堆的该阴极区。
在一个实施例中，电解堆包括多个电极，特别是多个阳极和阴极。相应地，电解堆可以包括多个阳极室和阴极室，由此阳极室和阴极室形成电解堆的阳极区和阴极区。电极(即，阳极和阴极)的数量及相应地阳极室和阴极室的数量取决于产能，即，电解装置的电解器的大小及所使用的电解堆类型。电解堆被配置成从碱性电解介质生产氢气和氧气。在一个实施例中，电解装置的期望产物是氢气，并且氧气是副产物(进行进一步使用或排掉)。在一个实施例中，电解介质是氢氧化钾(KOH)水溶液。在一个实施例中，KOH的浓度最高达6mol/l(6M)。在电解堆的阳极区中，通过水结合氧(氧化数为负2)的氧化产生氧气。在电解堆的阴极区中，通过水结合氢(氧化数为正1)的还原产生氢气。
直流电的电流密度是每单位时间流过给定截面的单位面积的电荷量。在一个实施例中，单位面积是指相应电极的面积。电流密度例如以A/m2给出。
根据本发明的术语“分离器”是指用于从液态电解质分离电解反应的产物气体的气/液分离器。特别地，阳极分离器被配置成从液态电解质分离气态氧，并且阴极分离器被配置成从液态电解质分离气态氢。
电解堆的阳极区中产生的氧气随电解质经阳极管道系统传输到阳极分离器。在阳极分离器，从液态电解质分离气态氧。仍包含溶解氧的贫氧电解质进一步经阳极管道系统传输回到电解堆的阳极区，在该阳极区其再次进行电解反应。因而，电解质经阳极管道系统在电解堆的阳极区与阳极分离器之间循环。在阳极管道系统内循环的电解质也称为电解装置的阳极电解液。
电解堆的阴极区中产生的氢气随电解质经阴极管道系统传输到阴极分离器。在阴极分离器，从液态电解质分离气态氢。仍包含溶解氢的贫氢电解质进一步经阴极管道系统传输回到电解堆的阴极区，在该阴极区其再次进行电解反应。因而，电解质经阴极管道系统在电解堆的阴极区与阴极分离器之间循环。在阴极管道系统内循环的电解介质也称为电解装置的阴极电解液。
根据本发明的电解装置允许对供应到电解堆的直流电密度的波动作出反应，其方式为使得即使在低产能下，HTO的LEL也不被超过。根据本发明，这是通过如下方式解决的：电解装置的第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第一连接管道和第二连接管道以以下方式布置，即，允许针对阳极管道系统和阴极管道系统内循环的电解质在混合模式、部分混合模式和分开模式之间切换。
根据混合模式，取自阳极分离器的贫氧电解质和取自阴极分离器的贫氢电解质以完全混合的方式供应到电解堆的阳极区和电解堆的阴极区。根据此实施例，取自阳极分离器的贫氧电解质和取自阴极分离器的贫氢电解质首先完全混合，然后将完全混合的电解质进行分流并分别进料到电解堆的阳极区和阴极区。混合模式优选地在最大产能下使用，或者一般在高产能(即，高电流密度)下使用，因为在高电流密度下HTO和OTH穿越是低的。混合模式允许快速地平衡阳极电解液与阴极电解液之间的浓度差。
根据部分混合模式，取自阳极分离器的贫氧电解质和取自阴极分离器的贫氢电解质以部分混合的方式供应到电解堆的阳极区和电解堆的阴极区。根据此实施例，取自阳极分离器的贫氧电解质和取自阴极分离器的贫氢电解质首先部分混合，然后将部分混合的电解质(包含混合和未混合电解质)进行分流并分别进料到电解堆的阳极区和阴极区。部分混合模式优选地在高和中产能(即，高和中电流密度)下使用。在中电流密度下HTO和OTH穿越相对低，但也够高了，因此不要求进行完全混合。部分混合模式允许相对快速地平衡阳极电解液与阴极电解液之间的浓度差。例如发现，关于取自阳极分离器和阴极分离器的阳极电解液和阴极电解液的体积流量，混合30百分比分数的阳极电解液和阴极电解液就足以在合理的时间段内平衡阳极电解液与阴极电解液之间的浓度差。
根据分开模式，取自阳极分离器的贫氧电解质和取自阴极分离器的贫氢电解质完全不进行混合，而是分开地进料到电解堆的阳极区和电解堆的阴极区。根据此实施例，取自阳极分离器的贫氧电解质和取自阴极分离器的贫氢电解质完全不进行混合，而是一开始就分开地进料到电解堆的阳极区和阴极区。分开模式优选地在低产能下或在调低产能(turndown capacity)下使用，即，在低电流密度下使用，因为在低电流密度下HTO和OTH穿越是高的。因此，通过完全不混合阳极电解液和阴极电解液，氢气在阳极电解液中的富集和/或氧气在阴极电解液中的富集受此措施限制。
第一连接管道和第二连接管道将阳极管道系统和阴极管道系统互连。没有这些连接管道的情况下，阳极管道系统和阴极管道系统将完全互相分开，并且在阳极管道系统与阴极管道系统之间不可能有直接的材料交换，两个系统各自形成其自身的回路。因而，这些连接管道提供阳极管道系统与阴极管道系统之间的连接，并且因此提供阳极管道系统中循环的电解质与阴极管道系统中循环的电解质(即阳极电解液与阴极电解液)之间的直接材料交换。第一连接管道包括第一控制阀。第二连接管道包括第三控制阀。
因而，根据一个实施例，取决于流经第一控制阀的电解液流量和/或取决于第一控制阀的阀升程，取自阳极分离器的贫氧电解质的级分(fraction)从阳极管道系统转移到阴极管道系统。根据另一个实施例，取决于流经第一控制阀的电解液流量和/或取决于第一控制阀的阀升程，取自阴极分离器的贫氢电解质的级分从阴极管道系统转移到阳极管道系统。在一个实施例中，无论是阳极电解液的级分转移到阴极管道系统还是阴极电解液的级分转移到阳极管道系统取决于第二控制阀布置在哪里，即，布置在阳极管道系统内还是阴极管道系统内。
根据另一个实施例，取决于流经第二控制阀的电解液流量和/或取决于第三控制阀的阀升程，取自阳极分离器的贫氧电解质的级分从阳极管道系统转移到阴极管道系统。根据另一个实施例，取决于流经第三控制阀的电解液流量和/或取决于第三控制阀的阀升程，取自阴极分离器的贫氢电解质的级分从阴极管道系统转移到阳极管道系统。在一个实施例中，无论是阳极电解液的级分转移到阴极管道系统还是阴极电解液的级分转移到阳极管道系统取决于第二控制阀布置在哪里，即，布置在阳极管道系统内还是阴极管道系统内。
在一个实施例中，阳极管道系统包括泵，该泵用于将电解质在电解堆的阳极区与阳极分离器之间循环。在另一个实施例中，阴极管道系统包括泵，该泵用于将电解质在电解堆的阴极区与阴极分离器之间循环。
在一个实施例中，电解堆包括一个或多个膜(也称为隔膜)，该膜使得能够在阳极室与相应的阴极室之间(即，电解堆的阳极区与阴极区之间)传输氢氧根离子(OH-)，反之亦然。在一个实施例中，电解堆包括用于在电解堆的阳极区与阴极区之间传输氢氧根离子的多个膜或隔膜。
在一个实施例中，电解装置包括供水器(water supply)，该供水器用于平衡电解装置系统中的水量，因为水由于电解反应而不断消耗。在一个实施例中，给水器(waterfeed)包括储水箱和泵用于将水供应到电解装置的阳极管道系统和/或阴极管道系统。
在一个实施例中，被混合并供应到电解堆的阳极区和电解堆的阴极区的取自阳极分离器的贫氧电解质和取自阴极分离器的贫氢电解质的级分是电解质总量的从0％至100％、或者从0.1％至100％、或者从1％至100％、或者从10％至90％、或者从10％至50％、或者从20％至40％。
在一个实施例中，布置在该阳极管道系统内或布置在该阴极管道系统内的该第二控制阀被布置在该第一连接管道的下游。
在另一个实施例中，布置在阳极管道系统内或布置在阴极管道系统内的第二控制阀被布置在第二连接管道的上游。
在一个实施例中，该第一控制阀完全关闭，该第二控制阀打开且该第三控制阀打开，使得取自该阳极分离器的该贫氧电解质和取自该阴极分离器的该贫氢电解质以部分混合的方式供应到该电解堆的该阳极区和该电解堆的该阴极区。根据此实施例，电解装置以部分混合模式运行，其中取自阳极分离器和阴极分离器的电解质中的一部分先混合，然后再供应到电解堆的阳极区和阴极区。
在另一个实施例中，该第一控制阀完全关闭，该第二控制阀打开并且该第三控制阀完全关闭，使得取自该阳极分离器的该贫氧电解质和取自该阴极分离器的该贫氢电解质以未混合的方式供应到该电解堆的该阳极区和该电解堆的该阴极区。根据此实施例，不可能有阳极电解液管道系统与阴极电解液管道系统之间的材料交换。因而，电解装置以分开的模式或完全分开的模式运行，不存在阳极电解液和阴极电解液的任何混合。
在一个实施例中，第一控制阀打开并且第二控制阀完全关闭，使得取自阳极分离器的贫氧电解质和取自阴极分离器的贫氢电解质以完全混合的方式供应到电解堆的阳极区和电解堆的阴极区。根据此实施例，电解装置以混合模式或完全混合模式运行，其中阳极电解液和阴极电解液完全混合。
在一个实施例中，当取自该阳极分离器的该贫氧电解质和取自该阴极分离器的该贫氢电解质以未混合、部分混合或完全混合的方式供应到该电解堆的该阳极区和该电解堆的该阴极区时，混合电解质的级分：
-当供应到该电解堆的该直流电的电流密度提高时提高，并且
-当供应到该电解堆的该直流电的电流密度降低时降低。
当供应到电解堆的直流电的电流密度降低时，混合电解质(即，从取自阳极分离器的阳极电解液和取自阴极分离器的阴极电解液的混合获得的电解质)的级分的量也降低。换句话说，在这种情况中，混合电解质的级分的量降低，并且未混合电解质的级分的量相应地提高。
在供应到电解堆的直流电的电流密度提高的情况中，混合电解质(即，从取自阳极分离器的阳极电解液和取自阴极分离器的阴极电解液的混合获得的电解质)的级分的量也提高。换句话说，在这种情况中，混合电解质的级分的量提高，并且未混合电解质的级分的量相应地降低。
因此，通过针对供应到电解堆的直流电的电流密度适配混合电解质的量，可以控制HTO和OTH穿越。
在下限参比产能(lower reference capacity)下，即，在低电流密度下，从电解堆的阴极区到阳极区的HTO穿越是高的，使得取自阳极分离器的阳极电解液和取自阴极分离器的阴极电解液的混合是不期望的或者较不期望的。
在一个实施例中，电解装置的下限参比产能与产能上限相比是50％或更低，特别是与电解装置的产能上限相比是30％至50％。在一个实施例中，电解装置的下限参比产能与产能上限相比是40％或更低，特别是与电解装置的产能上限相比是30％至40％。在一个实施例中，电解装置的下限参比产能与产能上限相比是30％或更低，特别是与电解装置的产能上限相比是20％至30％。在一个实施例中，电解装置的下限参比产能与产能上限相比是25％或更低，特别是与电解装置的产能上限相比是10％至25％。下限参比产能也称为下限调低产能(lower turndown capacity)。
在混合电解质的级分是100％的情况中，取自阳极分离器的阳极电解液和取自阴极分离器的阴极电解液全部混合。在一个实施例中，对于电解装置的产能上限(也称为上限参比产能)，混合电解质的级分是100％。在上限参比产能下，从电解堆的阴极室到阳极室的HTO穿越是低的，使得阳极电解液和未混合阴极电解液的完全混合是可能的，这使得能够容易地平衡碱液浓度而不超过LEL。
根据一个实施例，当没有直流电供应到该电解堆使得没有氢气和没有氧气产生时，该第一控制阀完全关闭，该第二控制阀打开且该第三控制阀完全关闭，使得该阳极管道系统与该阴极管道系统之间的互连关闭，使得取自该阳极分离器的该贫氧电解质和取自该阴极分离器的该贫氢电解质以未混合的方式供应到该电解堆的该阳极区和该电解堆的该阴极区。
根据另一个实施例，当电解器装置在电解器装置的产能上限的0(零)至20％下运行时，优选地在电解器装置的产能上限的0(零)至10％下运行时，该第一控制阀完全关闭，该第二控制阀打开且该第三控制阀完全关闭，使得该阳极管道系统与该阴极管道系统之间的互连关闭，使得取自该阳极分离器的该贫氧电解质和取自该阴极分离器的该贫氢电解质以未混合的方式供应到该电解堆的该阳极区和该电解堆的该阴极区。
因此，在电解器装置在0(零)产能(待机)下或在产能上限的0(零)至20％或0(零)至10％的低产能下运行的情况中，氢气从电解器的阴极侧的穿越和氧气从电解器的阳极侧的穿越最小化。
当完全没有电流供应到电解堆时，电解装置可因此设定至待机运行条件，并且同时确保没有超过HTO的LEL。当再次有直流电时，系统可以从这个稳定状态快速再次启动。
在一个实施例中，将布置在该第二连接管道内的该第三控制阀配置成平衡在该阳极管道系统内循环的电解质与在该阴极管道系统内循环的电解质之间的浓度差。
特别地，当取自阳极分离器的贫氧电解质和取自阴极分离器的贫氢电解质以部分混合的方式以小分数的混合电解质供应到电解堆的阳极区和电解堆的阴极区时，由于碱性电解的半电池反应的性质，阳极电解液中的碱液浓度下降，并且阴极电解液中的碱液浓度提高。为了平衡这些浓度差，第三控制阀被配置成平衡阳极管道系统内循环的电解质与阴极管道系统内循环的电解质之间的浓度差。
在一个实施例中，第三控制阀因此被配置成使得电解质取自该阳极管道系统并被进料到该阴极管道系统，使得在该阴极管道系统内循环的电解质的浓度降低。
在一个实施例中，该电解装置在该阳极分离器与该阴极分离器之间不包括直接液压连接件。由于该第三控制阀，阳极分离器与阴极分离器之间的直接液压连接件可以省略，即，不再需要。通过去除气体分离器之间的直接液压连接件，防止经分离器之间的扩散过程发生的任何氢气和氧气混合。此外，可以防止气体走旁路从阳极分离器到阴极分离器，反之亦然。这可能是严重的安全问题，例如在运行过程中临时失去对分离器的液位的控制的情况中。
在一个实施例中，第三控制阀接收来自气体分离器内部的液位控制器的控制信号。
例如，当由于根据阳极半反应产生水而导致阳极分离器中的液体高度高于阴极分离器中的液体高度时，被进料到电解堆的阳极区的电解质的量应小于被进料到电解堆的阴极区的电解质的量。因而，根据一个实施例，通过布置在第二连接管道内的第三控制阀，被进料到电解堆的阴极区的电解质的量高于被进料到电解堆的阳极区的电解质的量。在这种情形中，当提到术语“量”时，在一个实施例中，意指通过体积流量、质量流量或摩尔流量表示的流量。
在一个实施例中，在该阳极管道系统内布置第四控制阀，并且在该阴极管道系统内布置第五控制阀，并且其中该第四控制阀和该第五控制阀布置在该第二连接管道的下游且在该电解堆的上游。
第四控制阀和第五控制阀可以布置在阳极管道系统、相应地阴极管道系统内，以改善对阳极电解液和阴极电解液向电解堆的阳极区、相应地阴极区的流动的控制。
因此，根据一个实施例，该第四控制阀和该第五控制阀被配置成控制供应到该电解堆的该阳极区和该电解堆的该阴极区的电解质的流量。
例如，第四控制阀和第五控制阀可以确保等量的阳极电解液和阴极电解液被进料到电解堆的阳极区和阴极区，无论电解装置是在混合模式、部分混合模式还是分开模式下运行。
因此，根据一个实施例，第四控制阀和第五控制阀被配置成使得供应到电解堆的阳极区的电解液的流量和供应到电解堆的阴极区的电解液的流量实质上相同或者就是相同。
在一个实施例中，第四控制阀和/或第五控制阀连接至流量测量装置，如流量计。
具体实施方式
现在将参照附图通过示例性实施例和示例来详细描述本发明。除非另有说明，否则附图不是按比例绘制的。在附图和随附的描述中，等效元件各自带有相同的附图标记。
在附图中
图1描绘了根据本发明一个实施例的电解装置，其中该电解装置在混合模式下运行，
图2描绘了根据本发明一个实施例的电解装置，其中该电解装置在部分混合模式下运行，
图3描绘了根据现有技术的电解装置，
图1描绘了根据本发明一个实施例的电解装置的简化流程图，其中电解装置以混合模式运行。
该电解装置包括电解堆11，直流电27以一定的电流密度向电解堆供应以在电解堆11内进行水解离电解反应。电流密度可能波动，例如如果从可再生能源如风能产生电力的话。
电解堆11包括多个阳极和阴极以及相应的多个阳极室和阴极室。该多个阳极室和阴极室形成电解堆11的阳极区12和阴极区13。在阳极区12内，通过在电解堆11的阳极处进行水结合氧的氧化而产生氧气。在阴极区13内，通过在电解堆11的阴极处进行水结合氢的还原而产生氢气。阳极和阴极通过隔膜物理分隔，隔膜使得氢氧根离子能够在电解堆的阳极区与阴极区之间交换。在一定程度上，氧气和氢气穿过隔膜的扩散也是可能的。氧气穿越到阴极区称为氧气到氢气(OTH)，并且氢气穿越到阳极区称为氢气到氧气(HTO)。由于氢气的扩散系数显著高于氧气的扩散系数，因此主要发生HTO。这会导致电解装置的阴极区13以及进一步阴极相关部分中氢气浓度提高，并且最终会导致超过氢气到氧气(HTO)的爆炸下限(LEL)。如上提到，HTO穿越特别出现在供应到电解堆11的直流电27的电流密度低时。
如图1所描绘的电解装置进一步包括阳极管道系统，该阳极管道系统至少包括管道40和41。在阳极管道系统内布置阳极分离器14。在阳极分离器14内，从在阳极管道系统内循环的液态电解质物理分离气态氧。整个电解系统中使用的碱性电解质例如是高浓度的氢氧化钾(KOH)水溶液。在阳极管道系统内循环的电解质也称为阳极电解液。载氧阳极电解液经管道40取自电解堆11的阳极区12，被引入到阳极分离器14，并且在分离氧气后，贫氧阳极电解液取自阳极分离器14并被送到电解堆11的阳极区12以再次通过电解堆11内的电解产生氧气。阳极电解液在阳极电解液管道系统内的循环通过泵20实现。在泵20的下游布置流量计23。从流量计23获得的信号可以用作控制变量来控制泵20的流量。阳极分离器14进一步配有液位控制器(未示出)，其控制阳极分离器14内的阳极电解液的液位。在阳极分离器14内分离的气态氧气产物经热交换器16冷却，该热交换器供应有冷却水(未示出)。由此，氧气产物流中含有的水蒸气冷凝并返回到阳极分离器，并最终返回到阳极管道系统。干燥的氧气产物流经管道18取自热交换器16。然后使其进行进一步的加工步骤，例如纯化步骤。
如图1所描绘的电解装置进一步包括阴极管道系统，该阴极管道系统至少包括管道42和43。在阴极管道系统内布置阴极分离器15。在阴极分离器15内，从在阴极管道系统内循环的液态电解质物理分离气态氢。在阴极管道系统内循环的电解质也称为阴极电解液。载氢阴极电解液经管道42取自电解堆11的阴极区13，被引入到阴极分离器15，并且在从液态阴极电解液分离气态氢后，贫氢阴极电解液取自阴极分离器15并被送到电解堆11的阴极区13以再次通过电解堆11内的电解产生氢气。阴极电解液在阴极电解液管道系统内的循环通过泵21实现。在泵21的下游布置流量计24。从流量计24获得的信号可以用作控制变量来控制泵21的流量。阴极分离器15进一步配有液位控制器(未示出)，其控制阴极分离器15内的阴极电解液的液位。在阴极分离器15内分离的气态氢气产物经热交换器17冷却，该热交换器供应有冷却水(未示出)。由此，氢气产物流中含有的水蒸气冷凝并返回到阴极分离器15，并最终返回到阴极管道系统。干燥的氢气产物流经管道19取自热交换器17。然后使其进行进一步的加工步骤，例如纯化步骤。
由于电解反应连续消耗水，提供供水器22，使得水可以被进料到阴极管道系统。每单位时间经供水器22添加的水量对应于每单位时间因电解装置生产氢气和氧气而消耗的水量。
由于碱性水电解中的阳极和阴极相关电化学半反应，对于每摩尔产生的氢气
-在电解堆的阳极区12内产生一摩尔的水，并且
-在电解堆11的阴极区13内消耗两摩尔的水。
因而，随着电解反应的进行，电解装置的分开的管道系统内的KOH浓度将变得不平衡。特别地，阳极管道系统(管道40，41)、阳极分离器14和阳极区12内的KOH浓度降低(水产生，从而稀释)，并且阴极管道系统(管道42，43)、阴极分离器15和阴极区13内的KOH浓度提高(水消耗，提高浓度)。
因此，电解装置的阳极相关区中的水量增加，并且电解装置的阴极相关区中的水量减少。因而，阳极分离器14与阴极分离器15之间的液位也变得不平衡。
为平衡阳极管道系统与阴极管道系统之间的KOH浓度，阳极电解液和阴极电解液可以如从现有技术已知的并且描绘于图3的全部混合。根据现有技术的方案，取自阳极分离器14的阳极电解液和取自阴极分离器15的阴极电解液经管道48并被泵29泵送随后在管道49中合并，然后通过静态混合器52完全混合。在静态混合器52的下游，混合电解质被分流并分别进料到电解堆11的阳极区12和阴极区13。但是，如前所述，特别是在供应到电解堆11的直流电27的电流密度低时，或者在完全没有电流供应到电解堆11的情况中，HTO穿越也高。由于阳极电解液和阴极电解液在静态混合器52中的完全混合，这最终导致阳极相关部分(阳极区12、管道46、阳极分离器14、部分管道48)内的氢气浓度高。这可能造成以下问题：电解装置的阳极相关部分的爆炸下限(LEL)被超过。
因此，期望电解装置不仅能以完全混合模式运行，而且能以不混合阳极电解液和阴极电解液的分开模式(未混合模式)或以部分混合阳极电解液和阴极电解液的部分混合模式运行。
根据一个实施例，这通过如图1和图2所展示的本发明得到解决。
图1的电解装置表示以混合模式运行时的电解装置，其中取自阳极分离器14的贫氧电解质和取自阴极分离器15的贫氢电解质完全混合然后再供应到电解堆。因此，该电解装置包括第一连接管道44，该第一连接管道将阳极电解液管道系统的管道41和阴极电解液管道系统的管道43互连。第一连接管道44包括第一控制阀31。在阴极管道系统的管道43内布置另外的第二控制阀32。第二控制阀32是关闭的，通过黑色填充指示。因此，取自阴极分离器15的贫氢阴极电解液经管道44和打开的第一控制阀31发送到管道41，其中该贫氢阴极电解液与该管道41中的取自阳极分离器的贫氧阳极电解液合并。阳极电解液和阴极电解液流的发送路线通过管道旁边标出的小箭头指示。因此，阳极电解液和阴极电解液在管道41中在连接管线44的下游混合。通过在管道41内在第一连接管道44的下游布置静态混合器或任何其他混合器件(未示出)，可以进一步增强混合。一部分的电解质然后进一步经管道41发送到电解堆11的阳极区12。第二部分的电解质进一步地经第二连接管道45发送到管道43。第二连接管道45包括第三控制阀30，第三控制阀在根据图1的电解装置的运行模式(即，混合模式)的情况中是打开的。各自发送到阳极区12和阴极区13的电解质的量(体积流量或质量流量)通过布置在管道41内的第四控制阀33和布置在管道43内的第五控制阀34来控制。在第四控制阀33和第五控制阀34的下游分别布置流量计25和26。流量计25和26的信号可以用来控制控制阀33和34的阀升程，即，分别供应到阳极区12和阴极区13的电解质的流量。
图2表示与图1描绘的电解装置相同的电解装置，但是该电解装置以部分混合模式运行，其中取自阳极分离器14的贫氧电解质和取自阴极分离器15的贫氢电解质在其供应到电解堆之前仅进行部分混合。换句话说，它们被部分混合到电解堆11的阳极区12和电解堆11的阴极区13。这里，第一控制阀关闭(再次通过黑色填充指示)。因此，取自阳极分离器14的阳极电解液只能经管道41发送到电解堆11的阳极区12。取自阴极分离器15的阴极电解液只能经管道43发送到电解堆11的阴极区13。取自阳极分离器14的贫氧阳极电解液和取自阴极分离器15的贫氢阴极电解液都目前为止没有发生混合。发送到电解堆11的阳极电解液和阴极电解液的流量再次分别通过第三控制阀33和第四控制阀34控制。但是，在此运行模式下，由于在电解堆11的阳极区12中产生水，阳极电解液稍微稀释。另一方面，由于在电解堆11的阴极区13中消耗水，随着时间的推移，阴极电解液的碱液浓度稍微提高。因此，通过第三控制阀45将少量的阳极电解液从管道41经第二连接管道45发送到管道43(通过虚线箭头指示)，以平衡管道41内的阳极电解液与管道43内的阴极电解液之间的碱液浓度和电解质量。由于第三控制阀45的碱液浓度和碱液量平衡功能，在阳极分离器14与阴极分离器之间不需要直接的液压连接件。此种直接的液压连接件28在根据图3的现有技术的电解装置中示出。液压连接件28可以包括阀门和泵用于将阳极电解液从阳极分离器14发送到阴极分离器15，反之亦然。本领域技术人员理解，根据图2的上述运行模式意味着阳极电解液和阴极电解液在供应到电解堆的阳极区和阴极区之前仅有少量进行混合。但是，也可以增加流经第三控制阀45的流量，使得该运行模式更接近完全混合模式下的运行。
如图1和图2中描绘的电解装置也可以以分开模式或完全分开模式运行。当第一控制阀31和第三控制阀45完全关闭并且第二控制阀32打开时，这个模式得以实现。图1和图2及附带的描述仅仅示出了运行条件的实例，但是在原理上，取决于流经控制阀30、31和32的电解质的流量，根据本发明的电解装置可以在从完全分开模式到完全混合模式的整个运行范围内运行。
部分混合模式特别可用于针对波动的电流密度适配电解质的混合速率。例如，在供应到电解堆11的直流电27的电流密度下降的情况中(例如在电解装置的调低产能下)，系统中的HTO穿越将增加。为了再降低此HTO穿越，可以降低供应到电解堆的混合电解质的量。这可以例如通过降低流经第三控制阀30的电解质流量来进行。在供应到电解堆11的直流电27的电流密度提高的情况中(例如使电解装置接近满负荷产能运行)，系统中的HTO穿越将降低。为了促进阳极电解液与阴极电解液浓度之间的平衡，可以因此增加供应到电解堆的混合电解质的量。这可以通过增加流经第三控制阀30的电解质流量来进行。
附图标记清单
11 电解堆
12 电解堆的阳极区
13 电解堆的阴极区
14 阳极分离器
15 阴极分离器
16 氧气流冷却器
17 氢气流冷却器
18 氧气流
19 氢气流
20 阳极电解液泵
21 阴极电解液泵
22 供水器
23-26 流量计
27 直流电源
28 直接液压连接件
29 电解质泵
30 第三控制阀
31 第一控制阀
32 第二控制阀
33 第四控制阀
34 第五控制阀
40，41 管道(阳极管道系统)
42，43 管道(阴极管道系统)
44 第一连接管道
45 第二连接管道
46-51 管道
52 静态混合器

Claims (13)

1.一种电解装置，该电解装置包括：
-电解堆(11)，其中
该电解堆供应有直流电(27)用于从碱性电解质电化学生产氢气和氧气，该直流电具有电流密度，并且
该电解堆包括阳极区(12)和阴极区(13)，
-阳极分离器(14)，其用于从该电解质分离氧气，
-阴极分离器(15)，其用于从该电解质分离氢气，
-阳极管道系统，其用于使电解质在该电解堆的阳极区与该阳极分离器之间循环，
-阴极管道系统，其用于使电解质在该电解堆的阴极区与该阴极分离器之间循环，
-第一连接管道(44)，其将该阳极管道系统和该阴极管道系统互连，其中第一控制阀(31)布置在该第一连接管道内，
-第二控制阀(32)，其布置在该阳极电解液管道系统内或布置在该阴极电解液管道系统内，
-第二连接管道(45)，其将该阳极管道系统和该阴极管道系统互连并且布置在该第一连接管道、该第一控制阀和该第二控制阀的下游，其中该第二连接管道包括第三控制阀(30)，
其中该第一连接管道、该第二连接管道、该第一控制阀、该第二控制阀和该第三控制阀布置在该阳极分离器和该阴极分离器的下游并且在该电解堆的上游，并且
其中该第一控制阀、该第二控制阀、该第三控制阀、该第一连接管道和该第二连接管道配置成使得取决于流经该第一控制阀、该第二控制阀和该第三控制阀的电解质流量，将取自该阳极分离器的贫氧电解质和取自该阴极分离器的贫氢电解质以未混合、部分混合或完全混合的方式供应到该电解堆的该阳极区和该电解堆的该阴极区。
2.根据权利要求1所述的电解装置，其中，布置在该阳极管道系统内或布置在该阴极管道系统内的该第二控制阀被布置在该第一连接管道的下游。
3.根据权利要求1或2所述的电解装置，其中，该第一控制阀完全关闭，该第二控制阀打开且该第三控制阀打开，使得取自该阳极分离器的该贫氧电解质和取自该阴极分离器的该贫氢电解质以部分混合的方式供应到该电解堆的该阳极区和该电解堆的该阴极区。
4.根据权利要求1或2所述的电解装置，其中，该第一控制阀完全关闭，该第二控制阀打开并且该第三控制阀完全关闭，使得取自该阳极分离器的该贫氧电解质和取自该阴极分离器的该贫氢电解质以未混合的方式供应到该电解堆的该阳极区和该电解堆的该阴极区。
5.根据权利要求1或2所述的电解装置，其中，该第一控制阀打开，该第二控制阀完全关闭并且该第三控制阀打开，使得取自该阳极分离器的该贫氧电解质和取自该阴极分离器的该贫氢电解质以完全混合的方式供应到该电解堆的该阳极区和该电解堆的该阴极区。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，其中，当取自该阳极分离器的该贫氧电解质和取自该阴极分离器的该贫氢电解质以未混合、部分混合或完全混合的方式供应到该电解堆的该阳极区和该电解堆的该阴极区时，混合电解质的级分：
-当供应到该电解堆的该直流电的电流密度提高时提高，并且
-当供应到该电解堆的该直流电的电流密度降低时降低。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，其中，当没有直流电供应到该电解堆使得没有氢气和没有氧气产生时，该第一控制阀完全关闭，该第二控制阀打开且该第三控制阀完全关闭，使得该阳极管道系统与该阴极管道系统之间的互连关闭，使得取自该阳极分离器的该贫氧电解质和取自该阴极分离器的该贫氢电解质以未混合的方式供应到该电解堆的该阳极区和该电解堆的该阴极区。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，其中，将布置在该第二连接管道内的该第三控制阀配置成平衡在该阳极管道系统内循环的电解质与在该阴极管道系统内循环的电解质之间的浓度差。
9.根据权利要求8所述的电解装置，其中，该第三控制阀被配置成使得电解质取自该阳极管道系统并被进料到该阴极管道系统，使得在该阴极管道系统内循环的电解质的浓度降低。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，其中，该电解装置在该阳极分离器与该阴极分离器之间不包括直接液压连接件(28)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，其中，在该阳极管道系统内布置第四控制阀(33)，并且在该阴极管道系统内布置第五控制阀(34)，并且其中，该第四控制阀和该第五控制阀布置在该第二连接管道的下游且在该电解堆的上游。
12.根据权利要求11所述的电解装置，其中，该第四控制阀和该第五控制阀被配置成控制供应到该电解堆的该阳极区和该电解堆的该阴极区的电解质的流量。
13.根据权利要求12所述的电解装置，其中，该第四控制阀和该第五控制阀被配置成使得供应到该电解堆的该阳极区的电解质的流量和供应到该电解堆的该阴极区的电解质的流量基本上相同或者相同。
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