CN115679354A - 具有调温设备的电解池、电解装置堆、电解系统和用于对电解装置堆进行调温的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电解池100，尤其聚合物膜电解池或碱性固体聚合物电解质膜电解池，其设计用于从水中产生氢和氧，其具有：两个电极，即阳极103和阴极104；设置在两个电极103、104之间的作为电介质的质子传导膜101，两个双极板106，所述双极板设计用于电接触电解池100；和用于水的介质供应装置102，其中电解池100还设计用于：借助于调温设备110、330进行调温，并且根据设置在阳极103和/或阴极104旁的、优选设置在阳极103旁的调温部段111和/或调温板112进行调温。本发明还涉及一种具有根据本发明的电解池100的电解装置堆300以及一种具有至少一个根据本发明的电解装置堆300的电解系统。本发明还涉及一种用于对电解装置堆进行调温的方法。

Description

具有调温设备的电解池、电解装置堆、电解系统和用于对电解 装置堆进行调温的方法
技术领域
本发明涉及一种电解池，尤其一种聚合物膜电解池(PEM)或碱性固体聚合物电解质膜电解池，所述电解池用于从水中产生(电解)氢和氧并配备有调温设备，涉及一种电解装置堆，以及涉及一种具有至少一个根据本发明的电解装置堆的电解系统。本发明还涉及一种用于对电解装置堆、尤其根据本发明的电解装置堆进行调温的方法。
背景技术
聚合物膜电解池或质子交换膜电解池，即所谓的PEM电解池，长期以来是已知的并得到证实，例如DE 697 00 772 T2描述了一种传统的燃料电池，所述燃料电池通常由多个组合成所谓的堆的单池(膜电极单元；MEA＝Membrane Electrode Assembly，膜电极组件)构成，在所述单池中，每个单池具有两个电极(阳极和阴极)。相应的电极连接于阴极或阳极空间，其中所述空间在背离聚合物膜的一侧上分别由极板朝下一燃料电池封闭。极板以单极板或双极板的形式存在。在此，单极板理解为如下板，所述板仅在一侧上具有通道形的或沟槽形的凹部，所述凹部构成流场并且借助所述凹部可以将气体或氧化剂或反应产物朝向膜运输或运输离开所述膜。在双极板的情况下，这种通道或沟槽成形在板的两侧上。
反应物氢和氧的空间分离通过电解质确保，更确切地说，使得在氢和氧之间进行化学反应时发生的电子交换不是局部地，而是经由外部回路进行。在燃料电池(燃料电池堆或电解装置堆)运行时，由方法所决定地产生电流和热量。为了燃料电池堆或电解装置堆的安全运行，产生的热量必须连续且有针对性地导出。在PEM燃料电池中，化学工艺在大约50℃至90℃的运行温度下进行。通常，例如在每单池100瓦特有效电功率的情况下也出现必须被导出的100瓦特的热量。出于该原因，堆，尤其用于产生电流的电解池的堆，相应地具有适当构成的冷却设备。
例如，由石墨构成的燃料电池堆或电解装置堆由于材料石墨的热学特性具有平衡的排热特性，然而其中由于材料的厚度，相应的燃料电池堆或电解装置堆相对大且重地构成。
为了非常紧凑地构成燃料电池堆或电解装置堆的整体构造，所述燃料电池堆或电解装置堆最近由金属薄膜制成。然而，由于热学特性,即材料金属的良好的导热性，产生非常敏感的排热或加热特性。此外，燃料电池或电解池的有效电功率可以直接根据在每个池中的局部的排热或加热设定，这会导致局部过热或过冷。
为了可以借助于电解装置气候中性地用例如由风能和太阳能设施提供的绿色电产生氢，还需要的是：在电解装置处拦截与可再生能源关联的不稳定的和波动的功率输出或电流产生和与其关联的负载波动。
商用的PEM电解装置或PEM电解系统以当前的现有技术达到直至4.4W/cm2的功率密度。此外，PEM电解装置的效率通常相对于氢的下限热值在40％到70％之间变动。该范围从系统效率与电解装置的运行参数和设计的相关性中得出。在此显示出：PEM电解装置的效率尤其与施加的工作压力、堆中存在的温度以及在整个堆上的均匀的温度分布相关。为了考虑到所提到的问题，在现有技术中提出：电解系统，尤其在几兆瓦的范围内，可扩展地构成，并且根据负载波动接通或切断各个电解装置(具有例如1兆瓦或2兆瓦的功率)，以便将电解系统的功率容量(所述电解系统例如具有10兆瓦的总功率)匹配于可再生能源的不稳定的且波动的功率输出。然而，这一方面导致高的调节耗费，另一方面由于电解装置的时钟控制的运行导致电解装置或电解系统的各个结构元件的使用寿命缩短。此外，对可再生能源的功率输出的匹配仅可以阶梯形地以例如1兆瓦或2兆瓦的步距(各个电解装置的接通和切断)进行，这不允许电解池的最佳利用从而降低了设施的总效率。
因此，存在对于低成本的电解装置的大的需求，所述电解装置一方面在没有大的耗费的情况下可以分散地安装，另一方面提供如下可行性：即使在负载波动或馈入功率(电量)波动的情况下也实现在氢产生中恒定的且高的效率。
发明内容
在上述需求的背景下，本发明的一个目的在于：提供一种电解池，尤其聚合物膜电解池或碱性固体聚合物电解质膜电解池，所述电解池设计用于从水中产生(电解)氢和氧并且配备有调温设备，提供一种用于从水中产生氢和氧的电解装置堆，提供一种具有根据本发明的电解装置堆的电解系统以及提供一种用于对电解装置堆尤其根据本发明的电解装置堆进行调温的方法，它们能够：即使在不稳定且波动地馈入电功率或电流的情况下，也实现所使用的电解池尤其所使用的电解装置堆的尽可能恒定且高的效率，其中电解池的构造应简单且低成本地实现。附加地，它们应当能够产生具有保持不变的纯度、尤其恒定相对湿度的氢。
所提出的目的通过根据权利要求1的电解池、根据权利要求11的电解装置堆、根据权利要求16的电解系统、根据权利要求17的用于对电解装置堆进行调温的方法来实现。本发明的优选的改进形式在从属权利要求中说明，其中涉及电解池的权利要求的主题可以在电解装置堆、电解系统以及用于对电解装置堆进行调温的方法的范围内使用，并且反之亦然。
在此，本发明的基本思想之一是：提供一种用于电解池的调温设备，其设计用于：借助于设置在电解池的阳极和/或阴极旁的调温部段和/或调温板对电解池进行调温，尤其加热和冷却电解池。
在本发明的上下文中，关于“在阳极和/或阴极旁”的用语“旁”包括：调温部段和/或调温板设置在电解池内或分别设置在电解池的边缘处，后者尤其在电解池堆叠地设置在电解装置堆之内方面是重要的。
根据本发明的一个方面，设计用于从水中产生氢和氧的电解池，尤其聚合物膜电解池或碱性固体聚合物电解质膜电解池，具有：两个电极，即阳极和阴极；设置在两个电极之间的质子传导膜作为电解质；两个双极板，所述双极板设计用于电接触电解池；和用于水的介质供应装置，其中电解池还设计用于借助于调温设备进行调温，并且根据设置在阳极和/或阴极旁的、优选设置在阳极旁的调温部段和/或调温板进行调温，其中优选通过冷却或加热调温部段和/或调温板进行调温。在此，电解池优选可以具有根据本发明的调温设备。
根据本发明的一个实施方式，至少一个调温部段和/或至少一个调温板可以设有至少一个流动通道，所述流动通道设计用于：由调温流体，尤其水穿流，其中至少一个流动通道优选地至少部分地横向于电解池的轴向延伸伸展，尤其伸展穿过调温部段和/或调温板。
此外，有利的是：流动通道在调温部段和/或调温板中蜿蜒形地、双线式地或者说螺旋形地或模块式地伸展。
根据本发明的另一设计方案，能够有利的是：调温部段和/或调温板设置在阳极和阳极侧的双极板之间，和/或设置在阴极和阴极侧的双极板之间，和/或设置在阳极侧的双极板的背离阳极的外侧处和/或设置在阴极侧的双极板的背离阴极的外侧处。
此外，电解池还可以具有至少一个设置在阳极和阳极侧的双极板之间的阳极侧的集电器(集电器板)，其中调温部段优选是阳极侧的集电器的一部分。
根据本发明的另一设计方案，电解池还可以具有至少一个设置在阳极和阳极侧的双极板之间的阳极侧的集电器(集电器板)，调温部段优选地是一部分阳极侧集电器。
此外，有利的是：调温部段是阳极侧的双极板和/或阴极侧的双极板的一部分。换言之，调温部段集成到阳极侧的和/或阴极侧的双极板中。
根据另一设计方案，阳极侧的双极板可以具有至少一个第一通道结构，所述第一通道结构是介质输送装置的部分并且用于收集和导出离解的氧。
此外，优选的是：阳极侧的双极板具有第二通道结构，所述第二通道结构是介质供应装置的部分并且用于对质子传导膜供应水。
此外，有利的是：阴极侧的双极板具有至少一个第一通道结构，所述第一通道结构是介质供应装置的部分并用于收集并导出所获得的氢，其中阴极侧的双极板尤其设有第二通道结构，所述第二通道结构是介质供应装置的部分并且用于对质子传导膜供应水。
用于供应水的第二通道结构是可选的。由于已知质子传导膜扩散地运输水，所以能够足够的是：提供用于分解的水仅被输送给电解池的阴极侧或阴极空间。
根据另一设计方案，电解池还可以具有加热元件，尤其电加热元件(热电阻)，所述加热元件设置在调温部段和/或调温板中。
本发明还涉及一种用于从水中产生氢和氧的电解装置堆，其具有：至少两个、优选多个电解池，尤其上述根据本发明的电解池；两个端板，所述端板设计用于对至少两个电解池供应水并且导出所产生的氢和氧以及可以导入所需的能量，尤其所需的电流；和调温设备，尤其根据本发明的调温设备，所述调温设备设计用于对所述至少两个电解池进行调温，其中根据调温部段和/或调温板进行调温，所述调温部段和/或调温板设置在电解池中的至少一个电解池的阳极侧的双极板和阳极之间，和/或设置在电解池中的至少一个电解池的阴极侧的双极板和阴极和之间，和/或设置在至少两个电解池之间，优选设置在一个电解池的阳极侧的双极板和另一电解池的阴极侧的双极板之间。
根据本发明的另一实施方式，设计用于从水中产生氢和氧的至少两个电解池，尤其聚合物膜电解池或碱性固体聚合物电解质膜电解池，可以具有：两个电极，即阳极和阴极；设置在两个电极之间的质子传导膜作为电解质；两个双极板，所述双极板设计用于电接触电解池；和用于水的介质供应装置。
在此有利的是：电解装置堆还具有至少一个温度传感器，所述温度传感器优选集成或安装到调温部段和/或调温板和/或调温流体导出管道中并且设计用于检测调温部段或调温板或调温流体的温度。
此外，电解装置堆还可以具有至少一个湿度传感器，所述湿度传感器优选集成或安装到氢导出管道中并且设计用于检测所产生的氢的水分含量或湿度，尤其相对湿度。
在此，有利地电解装置堆还可以具有压力调节阀，所述压力调节阀集成或安装到氢导出管道中并且设计用于控制和/或调节所产生的氢的输出压力。
此外，本发明涉及一种用于从水中产生氢和氧的电解系统，所述电解系统具有：至少一个如上所述的根据本发明的电解装置堆；整流器单元，所述整流器单元具有变压器和整流器；调温设备，所述调温设备具有循环泵、冷却器和加热器；和气体管理设备，所述气体管理设备具有用于氢和氧的压力调节器；气体分离设备和气体冷却器。
本发明还涉及一种用于对电解装置堆、尤其上述根据本发明的电解装置堆进行调温的方法，所述方法包括：检测至少两个电解池中的一个电解池的待进行调温的调温部段的和/或待进行调温的调温板的和/或用于调温的调温流体的至少一个温度，尤其检测用于调温的调温流体在从电解池中离开之后的至少一个温度；以及控制和/或调节调温设备，所述调温设备设计用于基于检测到的至少一个温度，通过加热或冷却调温部段和/或调温板来对至少两个电解池进行调温。
根据本发明的另一实施方式，该方法可以包括：检测选自如下组中的另外的控制和/或调节参数：在电解装置堆的不同的调温部段和/或调温板中测量的多个温度、所产生的氢的输出压力、所产生的氧的输出压力、所导入的水的输入压力、所产生的氢的水分含量或湿度尤其相对湿度、和输入功率(导入电解装置堆中的电流量)；和基于所检测的另外的控制和/或调节参数中的至少一个，控制电解装置堆的调温，尤其控制待进行调温的调温部段的和/或待进行调温的调温板的加热或冷却。
还有利的是：该方法还包括：当检测到导入电解装置堆中的能量尤其电流量下降时，则检查电解装置堆的温度是否在预先确定的时间内下降(通过反应废热的减少触发)，尤其检查是否下降到低于预先设定的极限值，和/或检查所产生的氢的相对湿度是否在预先确定的时间内增加(通过反应废热的减少触发)，并且如果两者之一超过极限值，则调整控制和/或调节参数中的一个，尤其待进行调温的调温部段的和/或待进行调温的调温板的温度。
附图说明
设备、用途和/或方法的其他的特征和优点从参考所附的附图的实施方式的以下描述中得出。由所述附图示出：
图1示意性地示出根据现有技术的已知的PEM电解池的构造，
图2示出根据现有技术的PEM堆的示意立体图，
图3示出根据本发明的一个实施方式的PEM电解系统的示意立体图，
图4示意性地示出图3所示的根据本发明的PEM电解系统的构造，
图5示意性地示出根据第一实施方式的PEM电解装置的工艺过程液压图，
图6示意性地示出所产生的氢中的与温度和压力相关的相对湿度图，
图7示意性地示出根据本发明的第一实施方式的具有调温装置的PEM电解池的构造，
图8示出根据本发明的第二实施方式的具有调温装置的PEM电解池的构造，和
图9示意性地示出调温板内的流动通道的设计方案的三个不同的实施方式。
具体实施方式
在不同图中列出的相同的附图标记表示相同、彼此对应的或功能相似的元件。
图1示意性地示出已知的PEM电解池200的构造。PEM电解池200的核心元件是聚合物膜201。质子传导性通常通过基于四氟乙烯的聚合物(PTFE)的磺化侧基实现，其也作为离聚体(Inomer)已知。离子运输经由格罗特斯机理(Grotthusmechanismus)沿着水填充的通道202进行。所使用的膜通常具有150到250微米之间的厚度。
电解在阳极203和阴极204中的所使用的催化剂的表面处进行。因此，参与反应的质子和电子必须被运输通过电极层。迄今为止，将铂用作催化剂材料，其中为了减少铂装载而将铂施加在碳颗粒上。电极层的电接触通过集电器205进行。由于与析氢反应的略微负电势相比>1.4V的析氧反应的电势显着更高，因此必须将贵金属，例如钛，用于阳极侧的集电器。由于析氢反应的电势低，可以在阴极侧上使用碳基材料。此外，还经由集电器205进行水的供应和产物气体的去除。因此，集电器205通常由多孔材料制成。通常将烧结材料或金属板网(Streckmetall)用于阳极侧的钛基集电器205AN。阴极侧的集电器205KA构成为碳纤维绒。
在从集电器205离开之后，产生的产物气体(氢和氧)被导入通道结构202中并从电解池200中导出。以已知的方式，对于堆构型使用双极板，所述双极板将通道结构的背侧用于相邻池。对具有引入的通道结构的构件，换言之对双极板，也存在稳定性和导电性方面的高要求；这些特性可以通过贵金属，如钛或金提供。为了减少材料使用，通常使用具有由所提出的贵金属构成的覆层的载体材料。
图2示出根据现有技术的PEM堆的示意性的立体图。如从图2中可以得出：用于从水中产生氢和氧的电解装置堆320具有多个电解池，所述电解池沿电解装置堆320的纵向方向依次设置。电解装置堆320还具有两个端板321，所述端板设置在彼此靠近或彼此叠置堆叠的电解池的两个端部处，并且用于对至少两个电解池供应水并导出产生的氢和氧以及可以将所需的能量，尤其所需的电流，导入堆中。
图3示出根据本发明的一个实施方式的PEM电解系统300的示意立体图。该系统具有：整流器单元310，其具有变压器311和整流器312；电解装置堆320；以及调温设备330，其具有循环泵331、冷却器332和加热器333。此外，所示出的PEM电解系统300具有产物气体管道333，所述产物气体管道将产物气体(氢和氧)引导至气体管理设备340，所述气体管理设备具有用于氢和氧的压力调节器341、气体分离设备342和气体冷却器343。此外，系统具有给水输送装置350，所述给水输送装置对电解装置堆320供应经净化的水。最后，系统300具有控制装置360、气体深冷设备365和干式冷却器/介质联接装置370。
此外，图4示意性地示出图3中所示的根据本发明的PEM电解系统300的构造。在PEM电解系统300中、尤其在使用来自可再生能源的电能的电解系统中制备氢包括各种工艺步骤。工艺步骤和所属的系统部件在图4中示意性地示出。如上所详述，电解装置320或电解装置堆是用于生产氢的核心的系统部件。由电网或可再生能源(风能设施、光伏设施等)馈入的能量借助功率电子装置(整流器单元310)匹配于电解装置320的要求。产物气体以一定水蒸气份额离开电解装置，所述水蒸气份额如上已经阐述的那样很大程度通过水在相应运行参数(电解装置堆的工作压力和工作温度)下的饱和蒸汽压力来确定。通过在气体管理设备340中干燥气体减少用于另外的工艺步骤的水份额。最后，所产生的氢可以借助于压缩设备380机械压缩以用于储存，以便可以节省空间地将所述氢储存在下游的高压储存容器385中。
此外，图5示意性地示出根据第一实施方式的PEM电解装置的工艺过程液压图。电解装置的主要部件是堆320，在所述堆中单池(电解池200)通过堆叠技术(英文：“stack”)组合成一单元。单池的串联提高了整个系统的活性池面积，从而提高了氢的最大功耗或生产能力(kg/h)。通过堆叠技术可以将相邻的电解池200的通道结构202组合成一构件。所提到的具有双极板的构造减少了所需的构件数量，从而减少了池宽度。在设计所谓的双极板时的决定性的变量是在穿流通道结构202时产生的压力损失，所述压力损失导致泵功率提高。
电解装置系统300如上已经详述的那样还具有至少一个调温设备330，所述调温设备一方面用于对各个电解池200或电解装置堆320供应尤其由给水输送装置350提供的反应水，并且另一方面将各个电解池200或电解装置堆320置于期望的工作温度或保持在所述温度。为此，在图5中示出：PEM电解系统配备两个调温设备330，其中一个调温设备用于对阳极进行调温，并且另一调温设备用于对阴极进行调温。所示的两个调温设备330分别具有循环泵331、加热器333和冷却器332。加热器333和冷却器332也可以通过热交换器来实现。替选地，也存在如下可行性：冷却器332通过具有辐射器的热交换器构成并且加热器333构成为电加热器。
图6示意性地示出所产生的氢中与温度和压力相关的相对湿度图。如上已经简要阐述，产物气体完全地以水蒸气饱和的方式离开电解装置。水蒸气量从水在氢或氧中的饱和蒸汽压力中得出。所述饱和蒸汽压力与产物气体的状态变量即压力和温度相关。在图6中示出针对不同的温度氢的与压力相关的相对湿度。所描绘的等温线清楚地表明水蒸气份额的强的温度和压力相关性。
图7示意性地示出根据本发明的第一实施方式的具有调温装置的PEM电解池的构造。如可从图7中得出：根据所示的实施方式的PEM电解池具有：两个电极，即阳极103和阴极104；设置在两个电极103、104之间的作为电解质的质子传导膜101；两个双极板106AN、106KA，所述双极板设计用于电接触电解池100；和用于水的介质供应装置102。如从图7还可得出：所示的电解池100还具有调温设备110、330，所述调温设备设计用于对电解池100进行调温，尤其根据要求对其进行冷却或加热，其中借助设置在阳极103旁的调温部段111进行调温，所述调温部段在所述实施方式中集成到阳极侧的集电器105AN中。在所示的实施方式中，电解池100还设有调温板112，所述调温板在电解池的右侧设置在阳极侧的双极板106AN的外侧处。然而，通常足够的是：对每个电解池仅设有一个调温部段111或一个调温板112。
图8示意性地示出根据本发明第二实施方式的具有调温装置的PEM电解池的构造。在此处所示的实施方式中，放弃借助于例如水的调温流体对调温部段111和/或调温板112进行调温，并且相反仅在调温部段中111和/或调温板112中设有加热元件117，尤其热电阻，其中所述调温板在该情况下在电解池100的左侧设置在阴极侧的双极板106KA的外侧处。
图9示意性地示出调温板内的流动通道的设计方案的三个不同的实施方式。如从图9中可以得出：可以考虑将流动通道蜿蜒形地、双线式地或者说螺旋形地或模块式伸展地设置在调温板112中。如果流动通道设置在调温部段111中，则这同样适用。
附图标记列表
100 电解池
101 质子传导膜
102 (多个)通道结构
103 阳极
104 阴极
105 (多个)集电器
105AN 阳极侧的集电器
105KA 阴极侧集电器
106 (多个)双极板
106A 阳极侧的双极板
106K 阴极侧的双极板
110 调温设备
111 调温部段
112 调温板
113 第一通道结构(阳极侧的双极板)
114 第二通道结构(阳极侧的双极板)
115 第一通道结构(阴极侧的双极板)
116 第二通道结构(阴极侧的双极板)
117 加热元件
200 电解池(现有技术)
201 聚合物膜
202 (多个)通道结构(介质供应装置)
203 阳极
204 阴极
205 (多个)集电器
205AN 阳极侧的集电器
205KA 阴极侧的集电器
206 (多个)双极板
300 PEM电解系统
310 整流器单元
311 变压器
312 整流器
320 电解装置堆
321 (多个)端板
322 温度传感器
323 湿度传感器
324 调温流体导出管道
325 氢导出管道
326 压力调节阀
330 调温设备
331 循环泵
332 冷却器
333 加热器
334 产物气体管道
340 气体管理设备
341 压力调节器
342 气体分离设备
343 气体冷却器
350 给水输送装置
360 控制装置
365 气体深冷设备
370 干式冷却器/介质联接装置
380 压缩设备(气体压缩机)
385 高压储存容器

Claims (19)

1.一种电解池(100)，尤其聚合物膜电解池或碱性固体聚合物电解质膜电解池，所述电解池设计用于从水中产生氢和氧，所述电解池包括：
两个电极，即阳极(103)和阴极(104)，
设置在所述两个电极(103、104)之间的质子传导膜(101)作为电解质，
两个双极板(106AN、106KA)，所述双极板设计用于电接触所述电解池(100)，和
用于水的介质供应装置(102)，其中
所述电解池(100)还设计用于借助于调温设备(110、330)进行调温，并且
根据设置在所述阳极(103)和/或所述阴极(104)旁的、优选设置在所述阳极(103)旁的调温部段(111)和/或调温板(112)进行所述调温。
2.根据权利要求1所述的电解池(100)，其中所述调温部段(111)和/或所述调温板(112)设有至少一个流动通道，所述至少一个流动通道设计用于由调温流体，尤其水穿流，其中所述至少一个流动通道优选至少部分地横向于所述电解池(100)的轴向延伸伸展，尤其伸展穿过所述调温部段(111)和/或所述调温板(112)。
3.根据权利要求2所述的电解池(100)，其中所述流动通道在所述调温部段(111)和/或所述调温板(112)中蜿蜒形地、双线式地或者说螺旋形地或模块式地伸展。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电解池(100)，其中所述调温部段(111)和/或所述调温板(112)设置在所述阳极(103)和阳极侧的双极板(106AN)之间，和/或设置在所述阴极(104)和阴极侧的双极板(106KN)之间，和/或设置在阳极侧的双极板(106AN)的外侧处和/或设置在阴极侧的双极板(106KA)的外侧处。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电解池(100)，还包括：设置在所述阳极(103)和阳极侧的双极板(106AN)之间的至少一个阳极侧的集电器(105AN)(集电器板)，其中所述调温部段(111)优选地是阳极侧的集电器(105AN)的一部分。
6.根据前述权利要求1至4中任一项所述的电解池(100)，其中所述调温部段(111)是阳极侧的双极板(106AN)和/或阴极侧的双极板(106KA)的一部分。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电解池(100)，其中阳极侧的双极板(106AN)具有至少一个第一通道结构(113)，所述第一通道结构是所述介质供应装置(102)的部分并用于收集并导出离解的氧。
8.根据权利要求7所述的电解池(100)，其中阳极侧的双极板(106AN)具有第二通道结构(114)，所述第二通道结构是所述介质供应装置(102)的部分并且用于对所述质子传导膜(101)供应水。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电解池(100)，其中阴极侧的双极板(106KA)具有至少一个第一通道结构(115)，所述第一通道结构是所述介质供应装置(102)的部分并用于收集并导出所获得的氢，其中阴极侧的双极板(106KA)尤其设有第二通道结构(116)，所述第二通道结构是所述介质供应装置(102)的部分并且用于对所述质子传导膜(101)供应水。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电解池(100)，还包括加热元件(117)，尤其电加热元件，所述加热元件设置在所述调温部段(111)和/或所述调温板(112)中。
11.一种用于从水中产生氢和氧的电解装置堆(320)，包括：
至少两个、优选多个电解池(100)，尤其根据前述权利要求中任一项所述的电解池，
两个端板(321)，所述端板设计用于对所述至少两个电解池(100)供应水并且导出所产生的氢和氧以及能够导入所需的能量，尤其所需的电流，和
调温设备(110、330)，所述调温设备设计用于对所述至少两个电解池(100)进行调温，其中
根据调温部段(111)和/或调温板(112)进行调温，所述调温部段和/或调温板设置在所述电解池(100)中的至少一个电解池的阳极侧的双极板(106AN)和阳极(103)之间，和/或设置在所述电解池(100)中的至少一个电解池的阴极侧的双极板(106KN)和阴极(104)和之间，和/或设置在所述至少两个电解池(100)之间，优选设置在一个电解池(100)的阳极侧的双极板(106AN)和另一电解池(100)的阴极侧的双极板(106KA)之间。
12.根据权利要求11所述的电解装置堆(320)，其中所述至少两个电解池(100)，尤其聚合物膜电解池或碱性固体聚合物电解质膜电解池，设计用于从水中产生氢和氧，所述至少两个电解池包括：
两个电极，即阳极(103)和阴极(104)，
设置在所述两个电极(103、104)之间的质子传导膜(101)作为电解质，
两个双极板(106AN、106KA)，所述双极板设计用于电接触所述电解池(100)，和
用于水的介质供应装置(102)。
13.根据权利要求11或12所述的电解装置堆(320)，还包括至少一个温度传感器(322)，所述温度传感器优选集成或安装到所述调温部段(111)和/或调温板(112)和/或调温流体导出管道(324)中并且设计用于检测所述调温部段(111)的或所述调温板(112)的或所述调温流体的温度。
14.根据前述权利要求11至13中任一项所述的电解装置堆(320)，还包括至少一个湿度传感器(323)，所述湿度传感器优选集成或安装到氢导出管道(325)中并且设计用于检测所产生的氢的水分含量或湿度，尤其相对湿度。
15.根据前述权利要求12至14中任一项所述的电解装置堆(320)，还包括压力调节阀(326)，所述压力调节阀集成或安装到所述氢导出管道(325)中并且设计用于控制和/或调节所产生的氢的输出压力。
16.一种用于从水中产生氢和氧的电解系统(300)，包括：
至少一个根据前述权利要求12至15中任一项所述的电解装置堆(320)，
整流器单元(310)，所述整流器单元具有变压器(311)和整流器(312)，
调温设备(330)，所述调温设备具有循环泵(331)、冷却器(332)和加热器(333)，和
气体管理设备(340)，所述气体管理设备具有用于氢和氧的压力调节器(341)、气体分离设备(342)和气体冷却器(343)。
17.一种用于对电解装置堆、尤其根据前述权利要求12至15中任一项所述的电解装置堆(320)进行调温的方法，所述方法包括：
检测所述至少两个电解池中的一个电解池的待进行调温的调温部段(111)的和/或待进行调温的调温板(112)的和/或用于调温的调温流体的至少一个温度，尤其检测用于调温的调温流体在从所述电解池中离开之后的至少一个温度，和
控制和/或调节调温设备(110、330)，所述调温设备设计用于：基于检测到的所述至少一个温度，通过加热或冷却所述调温部段(111)和/或所述调温板(112)来对所述至少两个电解池(100)进行调温。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
检测选自如下组中的另外的控制和/或调节参数：在所述电解装置堆的不同的调温部段(111)和/或调温板(112)中测量的多个温度、所产生的氢的输出压力、所产生的氧的输出压力、导入的水的输入压力、所产生的氢的水分含量或湿度尤其相对湿度、和输入功率(导入所述电解装置堆中的电流量)，和
基于所检测的另外的控制和/或调节参数中的至少一个，控制所述电解装置堆的调温，尤其控制待进行调温的调温部段(111)的和/或待进行调温的调温板(112)的加热或冷却。
19.根据权利要求17或18所述的方法，还包括：
当检测到导入所述电解装置堆中的能量尤其电流量下降时，检查所述电解装置堆的温度是否在预先确定的时间内下降(通过反应废热的减少触发)，尤其检查是否下降到低于预先设定的极限值，和/或检查所产生的氢的相对湿度是否在预先确定的时间内增加(通过反应废热的减少触发)，并且如果两者之一超过极限值，则调整所述控制和/或调节参数中的一个，尤其调整待进行调温的调温部段(111)的和/或待进行调温的调温板(112)的温度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP3543376A1 (en) * 2018-03-22 2019-09-25 Hymeth ApS Cooling plate assembly and an electrolyser stack comprising the same
DE102018208624A1 (de) 2018-05-30 2019-12-05 Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Bereitstellen von wenigstens einem Produktstrom durch Elektrolyse sowie Verwendung
FR3087952B1 (fr) * 2018-10-26 2021-09-24 Commissariat Energie Atomique Systeme electrochimique a oxydes solides a moyens de chauffage integres
DE102019217219A1 (de) 2019-11-07 2021-05-12 Robert Bosch Gmbh Zellanordnung zur Erzeugung und Verdichtung von Wasserstoff
CA3068488A1 (en) 2020-01-17 2021-07-17 Empire Hydrogen Energy Systems Inc. Method of maintaining an electrolysis cell at operational temperature and an electrolysis cell modified in accordance with the method

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