CN117836470A - 用于电解制气的装置 - Google Patents

Abstract

电解装置具有两个堆(1)，其电解池(2)分别被夹在仅具机械功能的端板(7)和也用于供应反应物、冷却介质并排出反应产物和冷却介质的端板(6)之间。两个堆(1)被极性相反地构造且以如此方式串联连接，使得引导连接的端板(6)以及因此其接头在操作期间承受相同电势。

Description

用于电解制气的装置

技术领域

本发明涉及一种用于电解制气的装置，尤其是用于从水中制造氢气和氧气的装置。该种电解装置属于现有技术且由多个堆叠布置并串联连接的电解池组成。堆中穿插有通道，通过这些通道供应反应物和通常也需要的冷却介质，其中这些穿插堆的通道通常垂直或近似垂直、即倾斜延伸到电解池并通道连接每个单独的电解池，即供应反应物，必要时供应冷却介质，再次排出冷却介质，并用于排出反应产物。在氢电解池中，过量的纯水被作为反应物供应，该过量水也被用作冷却介质，其中该过量水、即冷却介质被再次排出。通常仅收集氢气作为反应产物，氧气与过量水一起被排出。

背景技术

这种可组装成电池堆、即所谓堆的电解池可以是碱性电解池、PEM电解池、高温电解池、AEM电解池或类似等。这些电串联连接并堆叠布置的电解池已被证明其价值，因为这些电池不必单独承受电压，而只需将堆作为整体，如此则相同电流流过每个单独的电池。此类堆的功率不仅取决于电解池面积，还取决于电解池数量。然而，堆中的电解池数量越多，施加到堆上的电压就越高。人们为此总是努力保持此类电解装置的高能量密度，以便提高效率和优化结构尺寸。另一方面，必须确保经过通道的电池供应和充分的冷却，这设定了构造限制。在实践中，不仅电解池连接在一起形成堆，而且堆也并联和串联连接，以便满足这些要求。还有实践中影响构造的技术指南。例如，规定电气安全要求的低电压指令将电源电压限制为最高1500伏。尽管从技术上讲，显著超过该电压水平不成问题，但这确实会导致安全预防措施变得更加复杂。

施加如此高电压时的一个问题是，经通道供应的蒸馏水具有极低，但在该电压下不可忽略的电导率，其为0.055μS/cm，相当于5x10^-6 S/m。因此，须通过相应长的管线路径确保与电池堆的串联连接相关联的、用以进行供应的两个电池堆的端板的电连接具有如此高的电阻，使得基于电势差的电氧化导致的表面变化即使在很长一段时间内也能被可靠地排除。然而，另一方面，长管线路径也有不利之处，因为其扩大了设备，从而增加流动阻力，且还会损害流过的水的纯度。

发明内容

在此背景下本发明基于以下目的，设计一种电解制造上述类型气体的装置，以避免上述问题。

根据本发明，该目的可通过具有权利要求1给出的特征的装置来实现。本发明的有利的设计方案自从属权利要求、以下说明书和附图中得出。

根据本发明的用于从水中电解制气、特别是氢气和氧气的装置，具有多个堆叠布置并串联连接的电解池，其中至少一个通道垂直或倾斜延伸到该电解池，用于供应反应物和/或冷却介质。根据本发明，直接串联连接的两个电解池之间的通道与供应反应物和/或冷却介质的供给管线连接。

据此可以认定，直接串联连接的两个电解池之间的、与供应管线相连的通道要么仅供应反应物，要么一起供应反应物和冷却介质。

本发明的基本思想是允许反应物和/或冷却介质、特别是水的供应发生在直接串联连接的两个电解池之间，以确保在两个电解池之间存在相同电势，从而以此方式避免原本必要的长管线路径，并确保尽管设计紧凑，但在堆的供应区内不存在电势差。

根据本发明，供应可发生在堆中间，或通过两个堆的端板进行，其中供应以如此方式发生，即发生供应的两个端板中的每一个存在相同电势，即与端板相邻接的电解池承受相同电势。

根据本发明的装置优选由串联连接的PEM型电解池形成，该电解池被夹在端板之间以形成堆，如此可有利地用于从水中电解制造氢气和氧气。然而，本发明并不仅限于此类型，也可使用开头提及的电池或其他电池，并且还可使用生成其他反应产物的其他反应物。

特别有利的是，如开头所提及，如提供以堆叠方式布置且在堆中电串联连接的电解池的至少两个串联连接的电池堆(堆)，其中每个电池堆具有至少一个穿插该堆的通道以供应反应物和/或冷却介质，且该通道中的每一个仅在相应电池堆一侧与供给管线连接。在此类情况下，根据本发明的有利改进方案，将电串联连接的两个电池堆的通道连接设置为布置在电池堆彼此电连接的端侧上。不言而喻，如所有通道都连接到相应的端板上，即其他端板仅具有机械保持功能，则这种布置特别有利。因此，根据本发明的该改进方案规定，用于供应的端板不布置在两个堆的同一侧上，而是布置在不同侧上，使得附接至相应端板的电解池在操作中承受相同电势。

如串联连接的两个电池堆以其在同一侧彼此电连接的方式彼此相邻布置，则在构造上特别有利。如此电连接就可优选通过最短的直线管线连接方式实现，例如通过铜板部分连接。根据本发明的改进方案，串联连接的两个电池堆彼此如此相邻布置，即其通道接头也布置在同一侧上。据此可导致待连接的通道接头与供给管线或排出管线的较短路径，且另一方面也导致短的电连接，以便将两个堆串联连接且最后有利地布置成靠近堆的另一侧的电连接。

堆通常不仅被用于供应反应物和/或用于供应冷却介质的通道穿插，而且此外还有利地具有至少一个用于排出反应产物、例如氢气的通道和用于排出进一步反应产物、例如氧气和用于排出冷却介质的另一通道。不言而喻，如所有这些通道接头均设置在相应电池堆的一侧上，优选设置在端板上，使得当电池堆彼此相邻时，这些接头也会在两个电池堆的一侧彼此相邻，这在构造上特别有利。

如每个电池堆被夹在端板之间并且这些端板布置成与电解池电绝缘，则特别有利。如此可显著降低装置内短路的风险。然后端板有利地连接到地电势，使得电压仅存在于被夹紧的电解池之间。

为以尽可能短的方式实现用于供应特别是反应物、尤其是水的管线路径，用于供应反应物的相应的穿插堆的通道在彼此相邻布置并电串联连接的两个电池堆上被引出并与公共供应管线相连。不言而喻，用于排出产物气体的通道和用于排出过量反应物、特别是冷却介质的通道也有利地以相同方式被连在一起。

为确保在以尽可能短的方式串联连接的两个堆的电连接区域中，端侧电解池承受相同电势，即以导电方式彼此连接，有利的是，堆以具有相反极性的方式构造和布置，即在堆中，通过其进行通道接头的端板邻接在第一个或最后一个电解池的正极侧上，而在相邻的堆中，该端板邻接在该堆第一个或最后一个电解池的负极侧上。在此类优选布置中，如彼此相邻布置且彼此电连接的两个电池堆具有公共端板，则在构造上特别有利。这使得管线路径进一步缩短。其结果是两个电池堆的构造形式极其紧凑，彼此直接相邻排列。为此两个电池堆有利地以如此方式设计，使得所有通道接头都通过公共端板进行，即每个电池堆具有至少一个用于供水的通道、至少一个用于排水和排氧的通道以及至少一个用于排氢的通道，并且这些通道有利地通过该公共端板连接并管线相通。

根据本发明的原理还可有利地如此实现，即串联连接的两个堆形成公共堆并被夹在仅具有机械功能的两个端板之间，其中随后在两个堆之间的中心设置有连接板。通过该连接板至少设一个反应物供料，但优选整个堆的所有液体连接都布置在此。

根据本发明的用于电解制气的装置有利地由PEM型电解池构造并因此从纯水制造氢气和氧气。

附图说明

下面借助附图中所示实施例更详细地解释本发明。其显示：

图1为根据本发明的两个彼此电连接的电池堆的示意线路图，

图2为根据图1的本发明第一实施例示意图，

图3为根据图1的本发明第二实施例变体示意图，

图4为根据图1的本发明第三实施例变体示意图，

图5为根据本发明的第一实施例变体的两个电池堆透视图，

图6为根据图5的电池堆的前视图，

图7为根据图5的电池堆的侧视图，

图8为根据本发明的第二实施例变体的具有公共端板的两个电池堆的透视图，

图9为根据图8的堆布置的前视图，

图10为根据图8的堆布置的侧视图，

图11为穿过根据图6的电池堆之一的剖面透视图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的电解装置，其由电解池的两个堆、所谓堆1构成。每个堆1具有多个PEM(聚合物电解质膜)类型的电解池2。此类堆1的结构属于现有技术且例如在WO2019/228616A1中进行过描述，在此予以参考。

电解池2通过其间所置双极板彼此邻接堆叠以形成堆，并且电池2的端侧在堆的一侧设有电连接板3，在堆的另一侧设有连接板4。电解池2串联连接在连接板3和4之间，在连接板3和4背离电池2的一侧上布置有绝缘板5，端板6或7连接到该绝缘板，电解池2的堆1被机械夹紧在该两个端板之间。

所需机械张力通常由穿插堆1的多个螺栓施加，该些螺栓张紧在端板6和7外侧。堆1一侧上的端板7仅用于机械紧固，而端板6除机械紧固之外还具有接头8、9和10，该接头经由穿插堆的通道供应或清理各个电解池2。接头8用于供应反应水。水系过量供应且同时充当冷却介质。产物气体氢气通过接头9从堆1中排出。接头10用于排出产物气体氧气和冷却介质、即过量水。

此类堆结构已被证明其有效性，为此电解池2的数量可如此选择，使得可在连接板3和4之间施加最大750伏的电压。如电解装置(如在当前情况下)由两个串联连接的堆1构成，如结合图1所示，则正极位于图1左侧堆1的连接板3上，且装置的负极连接到右侧堆1的连接板4上，左侧堆1的连接板4和右侧堆1的连接板3通过电管线11相互连接。因此该装置设计为可在最大1500伏电压下运行，故可按低压准则操作。这里仅作为示例来理解，原则上，该结构可被设计用于任何所需电压，无论是堆1中电解池2的数量增加或减少，或者更多堆1彼此连接(verschaltet)。

在图1所示的实施例中，未详细示出通道连接。这里仅示出串联连接的堆1的基本原理，其中两个堆1以相反极性方式构造，使得当其通过管线11连接时，确保在两个堆1的通道接头8处存在相同电势。图1中未示出的供应管线12之间的管线连接可构造得尽可能短，该供应管线供应纯水并在接头8处将其作为反应物和冷却介质供应至堆1。在本布置中不必考虑由管线长度产生的纯水电阻，概因堆1中所有接头8至10均承受相同电势。

基于堆1中电解池2的此种不同布置，可实现本身有利的两个堆1的管线连接11，如图2所示。此处两个堆1以如此方式布置，即其用于连接的端板6布置在一侧上，而仅起机械作用的端板7布置在另一侧上。这使得用于将纯水供应至堆1的接头8的公共供应管线12之间的管线连接可相对较短，而不会产生电氧化或其他电解过程可能被该区域中的电势差触发的风险。不言而喻，用于排出产物气体氢气的接头9可以相同方式被连在一起，用于排出过量水和产物气体氧气的接头10也可同样这样被连在一起。

借助图2所示的该布置可变得更加紧凑，如图2所示的两个堆1具有公共端板6a，其中连接8、9和10已连在一起或其中这些连接如图3所示借助连接8被以非常短的距离连接在一起。这种布置特别紧凑，两个堆1的端板7和公共端板6a通过绝缘板5和5a相对电解池2绝缘并承受地电势。管线连接8、9和10设置在堆1一侧的端板6a中，电连接在另一侧上，即通过图3中左侧堆的连接板3和图3中右侧堆的连接板4被引出。堆1经由公共铜板11a进行电连接。

结合图4示出了另一实施方案变型形式，其遵循开头所述原理，即水连接8以如此方式在两个堆1中进行供应，即首先充电的电解池2被施加相同电势，即该区域不存在电压差。图4所示的电解装置原则上也由两个堆1a和1b组成，该两个堆通过中间连接(Zwischenschaltung)的连接板6b彼此连接。两个堆1a和1b通过两个端板7夹紧，该两个端板仅执行机械任务且通过绝缘板5与堆1a和1b的电解池2绝缘。连接板3和4在此布置在端板7附近，但是在两个堆1a和1b的不同端侧上。

结合图1至图4说明电解装置的基本结构。图5至图7示出对应于图2的实施方案变型形式，其中两个结构相同的堆1彼此相邻布置，其中各个堆中的电解池2以相反的方式布置，即具有相反极性。机械端板7在此布置在堆1下侧，而承载接头8至10的端板6位于上侧。可清楚看到各堆的接头8、9和10如何从端板7向后或向上引出，使得其能够以尽可能短的方式彼此连接以形成公共管线。电解池2通过多个拉杆13机械连接，该拉杆通过中间连接碟形弹簧组件14夹住端板6和7，从而夹住该端板之间布置的电解池2。

图8至图10所示的实施例变体对应于根据图3的实施例，即此处存在设置有公共连接板6a的两个堆1。在该实施例变体中，可清楚看到接头8、9和10之间到供应管线12或到排出管线15和16的管线连接。该构造极其紧凑，管线连接较短，可确保高效运行。连接板3和4通过舌片3a和4a引出至各堆前侧。由于两个堆1中的极性反向延伸，因此仅需要短铜板即可通过管线11进行电连接，该铜板将图中顶部的连接板3和4的舌片3a和4a彼此电连接。堆1的电连接通过位于图中底部的连接板3和4的舌片3a和4a进行。

堆1的内部结构如图11所示。尤其是可看到通道18，其垂直于电池堆1延伸并用于供应纯水。该通道18通过与接头8相连的供应管线12供水。产物气体氧气和用作冷却介质的过量水进入通道20并在那里到达连接10，在该处其经由管线16排出。图11中未示出产物气体氢气的通道，该通道与通道18和20平行。

参考标记列表

1堆/堆

1a和1b图3、8至10中的堆/堆

2电解池

3连接板+

3a连接板3的舌片

4连接板-

4a连接板4的舌片

5绝缘板

5a图3、8至10中的绝缘板

6 带接头的端板

6a 公共端板

6b图4中的连接板

7 机械端板

8 纯水连接

9 产物气体氢气的接头

10产物气体氧气和排水的接头

11 电管线

11a 铜板

12 纯水供应管线

13 拉杆

14 碟形弹簧组件

15 氢气的产物管线

16氧气和过量水的产物管线

18 堆内供水通道

20 堆内排水和排氧通道。

Claims (12)

1.用于电解制气、尤其是从水中制造氢气和氧气的装置，具有多个堆叠布置并串联连接的电解池(2)，该电解池具有至少一个垂直或倾斜延伸到所述电解池(2)的、用于供应反应物和/或冷却介质的通道(18)，其特征在于，直接串联连接的两个所述电解池(2)之间的所述通道(18)连接至供应反应物和/或冷却介质的供应管线(8，12)上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设置至少两个电串联连接的电池堆(1)，该电池堆含堆叠布置的且在所述堆(1)中电串联连接的所述电解池(2)，且每个所述电池堆(1)具有至少一个穿插所述堆(1)的、用于供应反应物和/或冷却介质的所述通道(18)，其中，每个所述通道(18)仅在相应的所述电池堆(1)的一侧连接至所述供应管线(12)，且两个电串联连接的所述电池堆(1)的通道接头(8)布置在所述电池堆(1)彼此电连接的一侧。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，串联连接的两个所述电池堆(1)彼此如此相邻布置，使得其在同一侧彼此电连接。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，串联连接的两个所述电池堆(1)彼此如此相邻布置，使得其通道接头(8)布置在同一侧。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，每个所述电池堆(1)还具有用于排出反应产物和/或冷却介质的通道(20)，并且所有通道(18，20)均连接至相应的所述电池堆(1)的一侧。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，每个所述电池堆(1)被夹在端板(6，7)之间，所述端板相对所述电解池(2)电绝缘布置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，每个所述电池堆(1)具有至少一个穿插所述堆(1)的用于供水的通道(18)，且两个彼此相邻布置并电串联连接的所述电池堆(1)的供水通道(18)由公共供应管线(12)供应。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置有两个所述电池堆(1)，其具有公共端板(6a)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述电池堆(1)的所述供水通道(18)经由所述公共端板(6a)供应。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，每个所述电池堆(1)具有至少一个用于供水的通道(18)、至少一个用于排水和排氧的通道(20)以及至少一个用于排氢的通道并且所述通道(18，20)通过所述端板(6)优选通过所述公共端板(6a)管线连接并接通。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置有两个串联连接的所述堆(1a，1b)，其一起在两个所述端板(7)之间被夹紧，其中，在所述堆(1a，1b)之间设置至少用于反应物供应的连接板(6b)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述电解池(2)为PEM电池。