CN115667587A - 用于运行水电解装置的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于运行水电解装置以从水产生氢气和氧气的方法，其中，将用于产生氢气和氧气的水与用于冷却的水一起输入PEM电解槽(1)。将用于冷却的水输入循环并借助净化和/或分离装置(17)进行处理。在此仅将一部分输入循环的水输入所述净化和/或分离装置(17)，而使另一部分水通过旁路(13)绕过所述净化和/或分离装置(17)输入所述PEM电解槽(1)。

Description

用于运行水电解装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行具有权利要求1前序部分所述的特征的水电解装置的方法，以及一种具有权利要求5前序部分所述特征的用于实施本发明方法的水电解装置。
背景技术
例如在WO 2018/196947 A1中已知一种这样的水电解装置，其中将要被电解成氢气和氧气的反应水与冷却水一起送至PEM(聚合物电解质膜)电解槽，在电解槽中一部分水被分解为氧气和氢气，另一部分用于冷却该PEM电解槽的水被引导到冷却回路中。从PEM电解槽和氧气一起出来的水被引导至分离和收集容器中，在其中除去氧气并在需要时加入软化水作为替代。
在该电解装置运行时，在PEM电解槽中释放出金属离子，这些金属离子当再次输入水时会对电解过程产生负面影响并损坏PEM电解槽。为了避免这种情况，在PEM电解槽之前连接离子交换器，以在水被送入PEM电解槽之前将金属离子从水中去除。
这样的离子交换器在水循环中给出增高的液压阻力并且因此造成为保持循环而提高泵功率。为了能够尽可能优化地运行PEM电解槽，要使运行温度最小达到70℃，在未来的设备中还要达到120℃。但在此的问题是，输入离子交换器的水的温度最高只允许达到60℃。因此需要开销很高的热交换措施，以首先将输入离子交换器的水冷却到60℃，然后将从离子交换器输出的水加热到70℃或更高，以保证尽可能优化地运行PEM电解槽。作为现有技术，在WO 2018/196947 A1中公开了通过适当的热循环/冷循环来以最低的能耗实现这一过程。
发明内容
在此背景下本发明的目的是进一步改进用于运行水电解装置以从水产生氢气和氧气的方法以及实施该改进的方法的适当的水电解装置。
本发明的方法部分通过具有权利要求1的特征的方法来解决，装置部分通过具有权利要求5的特征的水电解装置来解决。优选的实施方式通过从属权利要求以及以下的描述给出。
在本发明的用于运行水电解装置以从水产生氢气和氧气的方法中，将用于产生氢气和氧气的水与用于冷却的水一起输入PEM电解槽，尤其是PEM电解堆以及将用于冷却的水输入循环并借助净化和/或分离装置、例如离子交换器进行处理。根据本发明，仅将一部分输入循环的水输入净化和/或分离装置，而使另一部分水通过旁路绕过净化和/或分离装置输入PEM电解槽。
本发明方法的基本思想在于，仅将引入循环的水中能保证PEM电解槽的足够的水质量以保证长时间稳定运行的水输入净化和/或分离装置。结果令人惊讶地示出，仅将引入冷却循环的水的子流输入净化和/或分离装置而将另一部分水通过旁路绕过净化和/或分离装置直接输入PEM电解槽足以保证PEM电解槽长时间运行所需的水质量。
本发明方法的优点在于，通过旁路能够实现明显的优势。当例如净化和/或分离装置为离子交换器时，则无需冷却或加热在旁路中引导的水(如其在流过离子交换器时那样)，通常可以不经另外的热处理而直接输入PEM电解槽。必要时可以在冷却水循环中设置冷却，将引入循环的水整体降低至对运行PEM电解槽有利的温度。另外的降温仅对引入净化和/或分离装置特别是离子交换器的水的子流是需要的。此外也仅需对随后离开的水流进行加热。本发明的方法还能够使水循环的大部分通过旁路引导，这对于要设置的用于循环的泵功率是有利的。旁路可以通过有足够横截面的一条或多条管线构成，由此可使循环所需的泵功率大大减少。仅有通过净化和/或分离装置的子流必须在需要时被置于较高的压力水平以流过该装置。最后，相对于现有技术可延长待更换的材料如离子交换材料、过滤材料等的更换间隔，在现有技术中全部冷却水流都流过净化和/或分离装置。
在本发明的意义下净化和/或分离装置是任何处理输入PEM电解槽的水所需的或者适合的装置，其能够对水流中引入的直至原子成份/离子等的粒子进行替代、更换或抑制。这些例如可以是过滤器，特别是活性碳或膜过滤器，也可以是离子交换器或其他合适的处理装置。
本发明方法的优点尤其在于，使用离子交换器作为净化和/或分离装置，因为这样的离子交换器对于PEM电解堆的长时间运行是非常有利的，因为其能够去除溶解在PEM电解槽中并引入冷却水循环的金属离子。在此有利地将两个离子交换器串联连接成一个离子交换器单元，在此更换离子交换材料可以这样进行，不是同时更换两个离子交换器的材料而是将在流通方向上连接在后的离子交换器的离子交换材料置入连接在前的离子交换器，用新的离子交换材料补充在后离子交换器中去除的材料。通过这种方式可以实现高的交换质量。
根据本发明方法的基本思想，仅使子流流过净化和/或分离装置，这通过对引入PEM电解槽的水的质量要求来限定。尤其是在使用离子交换器作为净化和/或分离装置时当将冷却循环的子流的比例(即流经净化和/或分离装置的子流和流经旁路的子流的比例)设置为，使每小时通过所述净化和/或分离装置引导的水量至少为引入冷却循环的水量的四倍时尤其具有优点。结果是，引入冷却循环的水至少是通过净化和/或分离装置的水的四倍。该值可以根据环境调整，即取决于所使用的净化和/或分离装置以及所使用的PEM电解槽的材料以及运行条件。在使用离子交换器作为净化和/或分离装置以保证PEM电解堆的长时间运行时尤其在所存在的尺寸方面具有优点。
根据本发明方法的有利扩展，首先在启动水电解装置时使引入冷却循环的水完全通过净化和/或分离装置而完全不通过旁路，以确保在开始就有足够高的水的质量，直至水至少达到预定的质量值，在此之后才逐步地、连续地或完全释放用于旁路净化和/或分离装置的旁路。在使用离子交换器作为净化和/或分离装置时，该值通过水中引入的金属离子的数量来确定。由于确定这个数量的开销相当高，实践中通常在水电解装置启动时临时控制关闭旁路，该时间选择为，引入冷却循环的水在该时间之后能够可靠达到或者超过预定的质量值。
为了实施本发明的方法设置了根据本发明的水电解装置。该水电解装置具有连接在冷却水循环中的PEM电解槽，尤其是PEM电解堆，其中多个PEM电解电池构成为堆，通过冷却水循环还输入反应水，反应水在使用电能的情况下分解为氢气和氧气。水电解装置具有净化和/或分离装置，该净化和/或分离装置连接在PEM电解槽之前。根据本发明，设有旁路，通过该旁路在旁路净化和/或分离装置的情况下将水输入电解槽。
在本发明的意义下，旁路理解为任何能够旁路净化和/或分离装置的、引导流体的连接，即与PEM电解槽的直接管线连接。这通常可以为管路连接，但这样的管路连接也可以是一个单元，壳体部件等。在此重要的是使一个子流从净化和/或分离装置旁流过，即平行于净化和/或分离装置设置，以及至PEM电解槽的直接管线连接。
为了去除冷却循环中的金属离子，净化和/或分离装置有利地离子交换器。在此尤其是具有两个串联连接成离子交换器单元的离子交换器，以及如上所述地，总是将在流通方向上连接在后的离子交换器的离子交换材料置入连接在前的离子交换器，并更新在流通方向上连接在后的离子交换器。
在此有利地，将多个这样串联连接的、形成离子交换器单元的离子交换器对并联连接，其中，优选这样选择它们的数量，使得在最大流通量时，即在需要时关闭旁路时的容量允许为了维护的目的而关闭一个离子交换器单元。这样确保了可以在水电解装置的连续运行中实现需要以周期性时间间隔进行的维护，而不中断气体产生过程。这样的设置也可以类似地用于过滤器的应用中，其中需要更换过滤器材料或者进行清洗。在此不必将最大流通量的容量适用于其中旁路关闭的启动过程，在此观察电解装置的启动状态就足够了。
根据本发明的有利扩展，净化和/或分离装置可以具有至少一个过滤器，例如活性炭过滤器和/或膜过滤器，以抑制水流中的粒子或化学结合其中的成份。尤其是在使用离子交换器或离子交换器单元时具有优点的是，对输入净化和/或分离装置的水在进入装置之前进行冷却，为此设置了连接在前的冷却装置或冷却装置的热交换器。作为冷却装置例如可以使用设置在适当位置上的帕尔贴元件(Peltier-Elemente)。在采用常规的冷却单元或分布式冷却时，在净化和/或分离装置、尤其是离子交换器单元的输入之前设置一个或多个热交换器。
为了将从净化和/或分离装置输出的水加热到PEM电解槽工作温度区域中的温度，可以连接在后地设置加热装置或加热装置的热交换器。加热装置例如可以是电加热器，热交换器例如可以是热循环的一部分，其热量产生在其他适当的位置进行或者将热量传递到从PEM电解槽流出的冷却水中。
原则上为了冷却循环中的水流动需要在循环的适当位置提到压力。这例如可以利用电解中产生的反应气体的压力或者通过适当的电机驱动的循环泵来实现。相比于现有技术中通过中央循环泵来实现以及使整体冷却流通过净化和/或分离装置，在本发明的装置中，可使对整体冷却循环的加压装置体积明显更小，因为只有对于流过净化和/或分离装置的子流必须设置另外的加压装置，通常为另外的循环泵。由此在实践中对于整体循环来说设置一个用于循环的泵就够了，其可以产生例如0.5巴的压力升高，而对于通过净化和/或分离装置的子流，尤其是在使用离子交换器的情况下，可以设置另一个循环泵，其可以产生例如1.2巴至1.5巴的压力升高，但由于持续运行中很小的子流流量可以使尺寸明显更小。可以理解，当例如在电解装置启动时冷却流整体通过净化和/或分离装置，该泵可以在必要时短时间以较高功率驱动，以使整个流体通过。但由于在启动时实际上不需要冷却，该整体水流可以相对小。
替代地可以在两个流通路中使用不同的循环泵，即在旁路中和在通过净化和/或分离装置引导的管线中，这样就可以放弃用于整体冷却水流的泵。
由于至少在电解装置的启动运行中要从PEM电解槽中引出热，因此适宜地，连接在冷却和/或加热装置之前或之后热交换器优选对应于共同的热循环。由此例如可以使从PEM电解槽出来的水在热交换中与从净化和/或分离装置出来的水一起，以使后者的温度尽可能加热到期望的运行温度。另一方面可使那里通过热交换冷却的水输入连接在净化和/或分离装置之前的热交换器，以降低输入的水的温度。适宜地，在热循环中设置冷却单元以在必要时保证所需的冷却水平。
为了以适当的方式控制整体冷却水流的温度、通过净化和/或分离装置的子流的温度以及用于循环所需的泵，有利的是设置中央控制装置，利用该中央控制装置例如可以自动控制水电解装置的启动以及通过适当的调节回路保持运行中所需的边界值。在这样的控制中通常不仅连接用于冷却水循环的循环泵和子流而且还连接用于热循环的循环泵以及设置在热循环中的混合阀还有关闭或部分关闭旁路的截止阀。
附图说明
以下根据附图描述的实施例进一步描述本发明。图中示出：
图1以简化的示意性示出根据本发明的水电解装置的线路图，
图2示出另一种净化和/或分离装置的连接的实施方式，以及
图3示出另一种净化和/或分离装置的连接的实施方式。
具体实施方式
根据图1的水电解装置具有聚合物电解质膜(PEM)类型的电解槽1，其构造为堆，即多个彼此层叠的单电池的堆，其中，水通过输入2引入，其一方面作为反应物，另一方面作为冷却流体。输入的水一部分在电流的作用下被分解为氢气和氧气。氢气通过电解槽的输出3输出，氧气通过输出4与剩余的水一起经由管线5被送入容器6。
容器6构成气体分离器，在其上部通过管线7将那里所收集的氧气排出。通过输入8输入去除了矿物质的水，以补充在电解槽1中通过电解分解为氢气和氧气的水。容器6具有输出9，输出9通过管线10首先与用于冷却水循环的循环泵11连接，然后与冷却单元的热交换器12连接。管线10在末端分为图中标记为13的构成为旁路的管线13以及与之并联的管线14，在管线14中设有两个串行连接的离子交换器15和16形式的水处理装置。在管线14中设有循环泵18，随后是冷却单元的热交换器19，其在穿流方向上连接在由离子交换器15和16构成的离子交换器单元17之前。在构成旁路的管线13中设有可以电动控制的截止阀20。构成旁路的管线13和包含水处理装置17的管线14在输出端汇聚并通入电解槽1的输入2。
在装置启动运行时，通过输入2将水引入电解槽1。该水在使用电能的情况下被电解为氢气和氧气，氢气通过输出3输出，氧气与剩余的水一起通过电解槽1的输出4输出。水-氧气混合物通过管线5到达容器6，在容器6中氧气通过管线7分离出而水在必要时通过经输入8输入另外的去矿物质水通过与输出9连接的管线10输出。
该被加热的水通过热交换器12被降温到相当于电解槽1的期望的运行温度，即例如70℃。然后，该水到达管线13和14，其中，通过阀20来控制管线13和14中水量的比例或者将其调节到预定的额定值。替代地或附加地，该控制还可以通过控制转数可调的循环泵18来实现，其中，管线14中的压力水平升高，以便能够克服通过热交换器19和连接在后的离子交换器单元17升高的液压阻抗。
引入管线14的水通过热交换器19被降温至60℃，这是运行离子交换器单元17的最大允许温度。然后从离子交换器单元17出来的水与来自管线13的水一起又被送入电解槽的输入2。管线13和14中子流的比例选择为，使通过管线13的子流尽可能大而使通过管线14的子流与所需的一样大，从而使对水的净化和/或分离处理能够保证不会在运行中伤害电解槽1。由于冷却电解槽1所需的以及要循环的水量明显大于待净化的水量，在运行中管线13中的流通量典型地为管线14中流通量的10至30倍。
当上述水电解装置必须在维护工作或中止运行后再次启动时，水中的金属离子的含量通常过高，因此在启动装置时首先控制阀20完全关闭，从而使通过输入2一起输入电解槽1的水流通过管线14以及离子交换器单元17来引导以保证在这种启动运行情况下也没有金属离子对电解槽1造成的不允许的高负荷。对阀20可以进行时间控制、温度控制，或者根据管线10中金属离子的浓度打开直至最终达到上述启动状态的流体特性，其中，仅有较小的子流流过管线14而明显较大的子流流过管线13输入电解槽1。
图2示出在根据图1的电解装置中怎样有利地首先冷却引入管线14中的水，在流过离子交换器单元17后进行随后的加热。在此，在离子交换器单元17之后连接有热交换器21，热交换器21通过共同的热循环与热交换器12连接以冷却水。热交换器12和21通过管线22连接，管线23从管线22分支至冷却单元24，冷却单元24的输出管线25通往混合阀26，混合阀26与来自热交换器21的管线连接并接入引向热交换器12的另外的管线27。通过这种布置可以在尽可能没有外来能源的情况下在离子交换器单元17之前对管线14中的水进行冷却，并在随后通过热交换器21进行加热，需要的情况下可以通过冷却单元24来进行附加的冷却。
图3的实施方式进一步说明将热引导至共同的热循环。图3中，在图1中通过热交换器12连接的冷却单元与上述用于离子交换器单元17的加热装置(如图2所描述的)连接。其中热交换器12的输出和热交换器19的输出被引至管线22，热交换器21的输出和冷却单元24的输出被引至混合阀26，但混合阀26并不直接引至热交换器19，而是通过另外的混合阀28和管线29与热交换器19的输入以及混合阀26连接。
因此在图3示出的加热装置中可以利用整体水流的热，这尤其是对于在随后的至离子交换器单元17的在热交换器21中的加热是有利的。
此外图3示出，三个离子交换器单元17并联连接，它们分别由第一离子交换器15和在流通方向上连接于其后的第二离子交换器16组成。这种并联设计仅是示例性的，通过并联连接可以连接多个这样的离子交换器单元17，几乎可以构成任意大小，而不必有任何特殊的制造要求。在此离子交换器单元17以已知的方式配置，当离子交换材料疲倦时，即当其达到饱和时，首先使连接在后的离子交换器16中的离子交换材料置入连接在前的离子交换器15中，而以新鲜的离子交换材料设置到离子交换器16中，以保证在连接在后的第二离子交换器16中的处理总是强于连接在前的离子交换器15。
在此并行连接的离子交换器单元的大小设置为，比实际运行电解装置所需的离子交换器单元多至少一个离子交换器单元17。这样，当为了维护的目的要如上所述的更换或替代离子交换材料时，使该离子交换器单元17通过在此未在使用中示出的阀处于不运行状态。
借助附图所示的和以上所描述的电解装置具有中央控制装置，该中央控制装置在启动和持续运行中都自动控制。在此绑定周期性循环，它们尤其是以适当的方式控制热循环的混合阀。该控制装置还包括对截止阀20和循环泵11和18的控制。
附图标记列表
1 电解槽
2 1的输入
3 1的H2输出
4 1的O2,H2O输出
5 管线
6 容器
7 管线
8 输入
9 输出
10 管线
11 循环泵
12 热交换器
13 旁路/管线
14 管线
15 离子交换器
16 离子交换器
17 离子交换器单元
18 循环泵
19 热交换器
20 截止阀
21 热交换器
22 管线
23 管线
24 冷却单元
25 输出管线
26 混合阀
27 管线
28 混合阀
29 管线。

Claims (15)

1.一种用于运行水电解装置以从水产生氢气和氧气的方法，其中，将用于产生氢气和氧气的水与用于冷却的水一起输入PEM电解槽(1)，尤其是PEM电解堆(1)，以及将用于冷却的水输入循环并借助净化和/或分离装置(17)进行处理，其特征在于，仅将一部分输入循环的水输入所述净化和/或分离装置(17)，而使另一部分水通过旁路(13)绕过所述净化和/或分离装置(17)输入所述PEM电解槽(1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为所述净化和/或分离装置(17)使用至少一个、优选两个离子交换器(15,16)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，冷却循环一方面流经所述净化和/或分离装置(17)另一方面流经所述旁路(13)，冷却循环的子流的比例设置为，使每小时通过所述净化和/或分离装置(17)引导和处理的水量至少相当于引入所述冷却循环的水量的四倍。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在启动所述水电解装置时使引入冷却循环的水完全通过所述净化和/或分离装置(17)，直至水至少达到预定的质量值，在此之后才释放用于旁路所述净化和/或分离装置(17)的旁路(13)。
5.一种用于从水产生氢气和氧气的水电解装置，具有连接在冷却水循环中的PEM电解槽(1)，尤其是PEM电解堆(1)，通过该冷却水循环还输入反应水；具有净化和/或分离装置(17)，所述净化和/或分离装置(17)连接在所述PEM电解槽(1)之前，其特征在于，设有旁路(13)，通过该旁路(13)在旁路所述净化和/或分离装置(17)的情况下将水输入所述PEM电解槽(1)。
6.根据权利要求5所述的水电解装置，其特征在于，所述净化和/或分离装置(17)具有至少一个、优选两个串联连接的离子交换器(15,16)。
7.根据权利要求5或6所述的水电解装置，其特征在于，所述净化和/或分离装置(17)具有至少一个过滤器。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的水电解装置，其特征在于，为了冷却输入的水，所述净化和/或分离装置(17)连接在冷却装置或冷却装置的热交换器(19)之前。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的水电解装置，其特征在于，为了加热输出的水，所述净化和/或分离装置(17)连接在加热装置或加热装置的热交换器(21)之后。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的水电解装置，其特征在于，在循环中设有加压装置(11,18)，这些加压装置设置在一条流路中，两条流路中和/或共同的流路中。
11.根据权利要求5至10中任一项所述的水电解装置，其特征在于，在所述旁路(13)中设有至少一个阀(20)，利用该阀能够将所述旁路(13)完全地或部分地关闭。
12.根据权利要求5至11中任一项所述的水电解装置，其特征在于，设有控制装置，优选为调节装置，用于协调地控制所述加压装置(11,18)、阀(20)和/或加热装置和/或冷却装置。
13.根据权利要求5至12中任一项所述的水电解装置，其特征在于，所述净化和/或分离装置(17)具有多个并联连接的离子交换器单元(17)，其中每个离子交换器单元分别具有两个串联连接的离子交换器(15,16)。
14.根据权利要求13所述的水电解装置，其特征在于，所述并联连接的离子交换器单元(17)的数量选择为，在最大负载情况下,能够为了维护的目的关闭一个离子交换器单元(17)而没有功能损失。
15.根据权利要求5至14中任一项所述的水电解装置，其特征在于，所述冷却和/或加热装置的热交换器(12,19,21)优选对应于共同的热循环。
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