CN118679278A - 用于能量回收利用的电解系统和方法 - Google Patents

Abstract

本披露内容涉及一种用于生成氢的电解系统(200)，该电解系统包括：电解槽(202)，该电解槽包括电解质水入口、第一气体出口(204)和第二气体出口(206)；发电机(212)，该发电机被配置用于优选地为电解槽生成电力(212)，所述发电机(212)连接到电解槽的第一和/或第二气体出口(204，206)并且被配置成至少部分地由经由第一气体出口和/或第二气体出口提供的气体流提供动力，该电解系统进一步包括用于为电解槽(202)供应电解质水的电解质泵(214)，其中，发电机(212)是电动发电机，该电动发电机包括用于生成电力的第一模式和用于使用电力来驱动电解质泵(214)的第二模式。

Description

用于能量回收利用的电解系统和方法

本披露内容涉及一种电解系统，具体地但非排他地涉及一种用于生成氢的电解系统。本披露内容的另一方面涉及一种在电解系统中回收利用能量的方法。

利用电将水或水汽分解成氧气和氢气的过程被称为水的电解。以这种方式产生的氢气可以用于各种应用，并且已被广泛认为对车辆加燃料来说是能量密集的选项。在其他应用中，水的电解可以用作将电能作为化学能(例如，呈氢或金属氢化物或比如氨的其他化合物的形式)储存、特别是储存经由可再生电力获得的电能的分散式储存方案。因此，近年来，尤其是作为所谓的氢燃料电池的燃料，对氢的需求迅速增长。水电解产生氢气(或中间含氢化合物)和氧气。

氢气通常需要高压储存，例如300巴至700巴储存，以用作车辆燃料。氧气瓶和瓶子包装也往往需要200-300巴以进行商业销售。为此，一些现有的解决方案建议一旦氢气通过电解过程产生就压缩氢气。在电解之后压缩氢的这种过程是高压储存氢的比较低效的方式。因此，一些电解槽可以被配置用于直接在高压产生氢，而不需要附加的压缩机。然而，这些类型的系统通常运行效率低并且需要大量的能量输入来维持内部系统/电解质压力。

鉴于以上问题，本披露内容的目的是提供一种电解系统，该电解系统能够在高压产生氢并且同时展现出提高的能量效率。

本披露内容的各方面和实施例提供了如所附权利要求中声明的用于生成氢的电解槽和控制用于从水产生氢的电解槽的方法。

根据本披露内容的一个方面，提供了一种用于生成氢的电解系统，该系统包括：

电解槽，该电解槽包括电解质水入口、第一气体出口以及第二气体出口，

发电机，该发电机被配置用于优选地为电解槽生成电力，所述发电机连接到电解槽的第一气体出口和/或第二气体出口并且被配置用于至少部分地由经由第一气体出口和/或第二气体出口提供的气体流提供动力，

电解质泵，该电解质泵用于向电解槽供应电解质水，其中，发电机是电动发电机，该电动发电机包括用于发电的第一模式和用于使用电力来驱动电解质泵的第二模式。

在一个实施例中，电解质泵连接到电解槽的第一和/或第二气体出口并且被配置用于至少部分地由经由第一和/或第二气体出口提供的气体流提供动力。

在另一个实施例中，电解质泵被配置用于至少部分地由经由发电机所生成的电力来提供动力。

在另一个实施例中，电解质泵被配置成至少部分地由经由比如市电电源的外部电源提供的电力来提供动力。

在另一个实施例中，电解质泵与发电机串联地连接到第一气体出口和/或第二气体出口，优选地在发电机的下游。

在另一个实施例中，发电机被配置成连接到电源并且被配置用于将电解槽不需要的剩余电能供给回电源。

在另一个实施例中，电源被配置用于在电解槽的启动过程中为发电机提供电能。

在另一个实施例中，发电机是可逆的以在电解槽的启动过程中作为压缩机起作用，以用于在启动过程中为电解质泵供应气体流。

在另一个实施例中，发电机包括空气入口，该空气入口用于在电解槽的启动过程中选择性地为发电机提供要压缩的空气。

在另一个实施例中，该系统包括通气孔，该通气口优选地在电解槽的启动过程中可选择性地可连接到电解质泵的气体出口。

在另一个实施例中，该系统包括气体输出端口，该气体输出端口优选地在电解槽的正常操作过程中可选择性地连接到电解质泵的气体出口。

在另一个实施例中，该系统包括布置在发电机与电解槽之间的AC/DC转换器。

在另一个实施例中，该系统包括热交换器，该热交换器被配置用于预加热或冷却经由电解质泵供应至电解槽的电解质水。

在另一个实施例中，该热交换器被配置用于从该系统的发电机和/或电解质泵和/或AC/DC转换器传递出热。

在另一个实施例中，该第一气体出口是氢出口，并且第二气体出口是氧出口，并且其中，发电机可连接到第二气体出口，使得发电机由经由第二气体出口提供的氧气流提供动力。

在另一个实施例中，电解槽被配置用于将经由第二气体出口提供的氧的压力控制在1巴到1000巴之间。

在另一个实施例中，该电解质泵被配置用于为电解槽供应处于高于第二气体出口处的气体压力的压力、优选地高于所述第二气体出口处的气体压力至少5巴的压力的电解质水。

在另一个实施例中，第一气体出口端口或第二气体出口端口连接到气体增压器，以增大经由第一气体出口端口或第二气体出口端口中的另一个提供的气体的压力或增大气体储存蓄能器的压力。

在另一个实施例中，气体储存蓄能连接到金属氢化物储存系统或替代的氢化合物储存系统或结合在其中或包括其。该实施例涉及作为金属氢化物的中间储氢以及其他氢化学储存装置。这些还可以在氢放出时生成气体压力，并且任何这种压力发生可以应用于本披露内容中所描述的系统内的能量回收利用。在系统中无论哪里存在可从加压气态环境回收到对于不需要这种高压氢和/或氧的使用情况而言可用的能量量，本披露内容中描述的原理将是适用的。金属氢化物压缩机然后也与本披露内容中描述的压缩机可互换，并且其是相关的能量回收元件。

根据本披露内容的另一个方面，提供了一种在电解系统中回收利用能量的方法，该电解系统包括电解槽、用于向电解槽提供电力的发电机、以及用于向电解槽供应电解质水的电解质泵，该方法包括：

为电解槽供应加压电解质水；将电解质水分解成加压气体，优选地分解成加压氢和加压氧；

对气体的出口流或储存容器中的另外一个加压-满足压缩能量成本中的一些；

为发电机和/或电解质泵供应加压气体中的至少一种，以对发电机和/或电解质泵提供动力。

在另一个实施例中，该方法包括为发电机和/或电解质泵供应由电解槽产生的加压氧。

在另一个实施例中，该方法包括将由发电机产生的电能的至少一部分供应至电解槽。

根据本披露内容的另一方面，提供了一种用于生成氢的电解系统，该系统包括：

电解槽，该电解槽包括电解质水入口、第一气体出口以及第二气体出口，

电解质泵，该电解质泵用于为电解槽供应电解质水，所述电解质泵连接到电解槽的第一气体出口和/或第二气体出口并且被配置成至少部分地由经由第一气体出口和/或第二气体出口提供的气体流提供动力。

在另一个实施例中，该电解系统包括发电机，该发电机被配置用于为电解槽生成电力，所述发电机连接到电解槽的第一气体出口和/或第二气体出口并且被配置成至少部分地由经由第一气体出口和/或所述第二气体出口提供的气体流提供动力。

在另一个实施例中，该方法包括将电解质泵与发电机串联地连接到第一气体出口和/或所述第二气体出口，优选地在发电机的下游。

在本申请的范围内，明确地旨在前面的段落、以及权利要求和/或下面的描述和附图中列出的各个方面、实施例、示例和替代方案，特别是其单独的特征可以独立地或以任何组合来获得。也就是说，所有实施例、和任何实施例的所有特征都可以以任何方式和/或组合进行组合，除非这些特征是不兼容的。申请人保留更改任何最初提交的权利要求或相应地提交的任何新权利要求的权利，包括根据和/或结合任何其他权利要求的任何特征来修改任何原始提交的权利要求的权利，尽管最初没有以该方式要求保护。

通过参考结合附图对本披露内容的实施例的以下描述，本披露内容的上述和其他特征和优点以及实现它们的方式将变得更加明显，并且本披露内容将被更好地理解，在附图中：

图1示出了用于在高压产生氢和氧的电解槽的示意性截面；

图2示出了根据本披露内容的实施例的电解系统的示意图；

图3示出了根据本披露内容的实施例的电解系统的示意图；

图4示出了根据本披露内容的实施例的电解系统的示意图；

图5示出了根据本披露内容的实施例的方法的示意性流程图。

相应的附图标记表示这几个视图中的对应的部分。本文阐述的举例说明展示了本披露内容的实施例，并且这样的举例说明不将被解释为以任何方式限制本披露内容的范围。

图1示出了如可以在本披露内容的电解系统中使用的电解槽100。在图1的示例中，示出了用于生成氢、特别是通过电解水产生氢的电解槽100。然而，如将理解的，图1所示的电解槽100也可以适用于通过电解手段来分解其他物质。通常，在本说明书中，术语“电解质水”可以包括含有任何类型的电解质(比如硫酸、硫酸盐、氢氧化钾、氢氧化钠等)的水、或者在一些实施例中不含电解质的水(比如氚化水)。

电解槽100包括壳体102。壳体102包括电解质室104。在一个示例中，电解质室被配置用于在压力下保持电解质水，这将在下面更详细地描述。电解质水可以包括溶解在水中的、有助于水的分解的任何电解质。

壳体102包括第一气体收集室106。第一气体收集室106通过第一电极108与电解质室104分离。壳体102包括第二气体收集室110。第二气体收集室110通过第二电极112与电解质室104分离。电解质室104位于第一电极108与第二电极112之间。电解质室104是无膜室。在一些实施例中，这些室将是不再需要的，并且放出的气体将直接从电解槽输送，实际上不需要端口122。

将了解的是，在一些实施例中，电解槽可以包括多于两个电极，例如，彼此平行地布置以形成电极堆叠体。因此，图1的电极对108、112对于堆叠体中使用的任何数量的电极是示例性的。

图1中的壳体102是多部件壳体。特别地，壳体102包括至少两个部分：第一壳体部分，其包括第一气体收集室106和第一电极108；第二壳体部分，其包括第二气体收集室110和第二电极112。该至少两个壳体部分彼此连接，使得在第一电极108的第一表面114与第二电极112的第一表面118之间形成间隙。该间隙限定了电解质室104，因此该电解质室布置在电极108、112之间。在图1的示例中，壳体102是大致H形的，如下面将更详细地描述的。然而，如将理解的，其他设计可以包括多个板状电极，这些板状电极通常是平的并且在结构上类似于板式热交换器。

第一电极108对于由电解质水的分解产生的气体是可渗透的。根据电解质室104内的压力，第一电极108通常也可渗透电解质水，这将在下面更详细地解释。换言之，第一电极108是所谓的“流通”电极，其中由电解质室104内的电解质水的分解产生的气体(和电解质水)能够渗透第一电极108，并且因而从电解质室104朝向第一气体收集室106移动。为此，第一电极108是包括多个孔的可渗透电极，该多个孔的尺寸被设置成允许相应的气体(例如氢)渗透通过第一电极108。

第一电极108具有面向电解质室的第一表面114、和面向第一气体收集室106的相反的第二表面116。

第一电极108可以由钢制成，优选地由烧结钢制成。在一些实施例中，第二电极112也可以由钢制成，优选地由烧结钢制成。在替代性实施例中，第二电极112可以由不同于第一电极108的材料制成，或者两个电极都由石墨或其他材料制成。

由第一电极108产生的气体可以流动到第一气体收集室106中。第一气体收集室106包括第一气体出口端口122，该第一气体出口端口用于提取第一气体收集室106内的气体。如将在下面更详细地描述的，第一气体出口端口122可以包括压力控制阀(比如泄压阀)，该压力控制阀被配置用于设置第一气体收集室106内的气体压力。

图1的第二电极112也可渗透由电解质水的分解产生的气体。根据电解质室104内的压力，第二电极112通常也可渗透电解质水，这将在下面更详细地解释。换言之，第二电极112也是“流通”电极，其中由电解质室104内的电解质水的分解产生的气体能够渗透第二电极112，并且因而从电解质室104朝向第二气体收集室110移动。

第二电极112具有面向电解质室104的第一表面118、和面向第二气体收集室110的相反的第二表面120。

由第二电极112产生的气体可以流动到第二气体收集室110中。第二气体收集室110包括第二气体出口端口124，该第二气体出口端口用于提取第二气体收集室110内的气体。如将在下面更详细地描述的，第二气体出口端口124可以包括压力控制阀(比如泄压阀)，该压力控制阀被配置用于确定第二气体收集室110内的压力。

电解槽100包括用于向电解质室104供应电解质水的电解质水供应回路130。图1中的电解质水供应回路130是封闭系统。替代地，水供应回路可以是包括电解质水储器的开放系统。在一个示例中，电解质水供应回路130包括布置在电解质室104的入口端口126上游的泵134。泵134可以被配置用于使电解质水以可选择的压力移动通过系统并且沿电解质室104的方向移动。

电解质供应回路130包括电解质水供应管线162，用于补充电解质水或任何其他处理过的或未处理过的通过电解过程变成气体的水。如图1中指出的，电解质水供应管线162可以通过手动或自动控制的截止阀连接到泵134。膨胀容器132是布置在电解质水供应回路130内的压力储存装置，被配置用于向系统中提供源自膨胀的压力，并且被配置用于使得134能够具有较小的循环时间且在回路130内保持期望的压力范围/保护回路130免受过大压力的影响。该容器还可以包括金属氢化物或任何其他氢化合物储存装置，当氢放出时，该储存装置可以生成可在系统中用于驱动发电机和/或泵的压力，如将在以下更详细地讨论的。

电解质室104包括连接到通气管线105的通气端口。通气管线105被配置用于排放反冲洗的电解质和任何相关联的介质。此外，该管线可以有助于取样，并且甚至包括用于在有压力或无压力的情况下循环系统中去除的电解质的收集井。此外，在向电极施加电流之前，通气可以有助于或可以不会助于从系统中清除空气。最后，通气管可以允许电解质从104经由105到162、进水管线流动和循环，或其可以被排出/收集。

电解质供应回路130可以包括用于监测电解质室104内压力的压力计136。如将理解的，压力计136可以布置在泵134下游的任何地方。在一些实施例中，压力计136可以是泵134的组成部分。在其他实施例中，压力计可以布置在电解质室104内。

在一些实施例中，电解质水供应回路130可以包括压力储存装置，比如蓄能器138。图1所示的蓄能器138布置在泵134的下游。蓄能器138可以经由止回阀连接到泵134，该止回阀在电解槽100的正常操作期间允许流体被泵送到蓄能器138中。如将理解的，止回阀将阻止流体离开蓄能器138。蓄能器138还可以包括单独的出口阀，该出口阀用于选择性地将蓄能器138的出口与电解质室104连接。在一些实施例中，蓄能器138因此可以包括常开出口阀，该常开出口阀在电解槽的正常操作期间关闭。换言之，在正常操作期间，加压电解质水可以被泵送到蓄能器138中，但可以不离开蓄能器138，直到出口阀打开为止。如下文将更详细描述的，使用常开出口阀使得蓄能器138能够用作安全措施，例如在停电期间。

第一气体收集室106包括第一排放端口142。第二气体收集室110包括第二排放端口144。第一排放端口142经由第一排放管线146连接到电解质水供应回路130的泵134。第二排放端口144经由第二排放管线148连接到泵134。在电解槽100的操作期间，渗透该第一电极108的电解质水可以相应地经由第一排放端口142和第一排放管线146从第一气体收集室106排放。类似地，在电解槽100的操作期间，渗透该第二电极112的电解质水可以相应地经由第二排放端口144和第二排放管线148从第二气体收集室110排放。在多电池布置中，任何排放端口都可以用于这些电池中的一个或多个电池，而不是每个电池都需要。

在图1的实施例中，通常地，第一排放端口142布置在第一气体收集室106的底端，第二排放端口144布置在第二气体收集室110的底端。换言之，排放端口142布置在第一气体收集室106的第一气体出口端口122下方、并且在第一电极108下方，排放端口144布置在第二气体收集室110的第二气体出口端口124下方、并且在第二电极112下方。换言之，第一气体收集室106和第二气体收集室110两者包括通常布置在气体收集室106的底端的排放井141、布置在气体收集室110的底端的排放井143。从图1中可以看出，壳体102是因此基本上H形的，但不需要是这样，其可以是多电池的，或者类似于板和端口处于任何取向的板式热交换器设计而布置。该装置可以由多个电极制成，这些电极通常彼此平行布置以形成电极堆叠体。

在电解槽100的操作期间，已经渗透第一电极108或第二电极112的电解质水将收集在相应的气体收集室106、110的底部的排放井141、143内，而在电解期间产生的气体将上升并对气体收集室106、110加压。

只要排放端口142、144被电解质水覆盖，排放端口就可以打开以便将电解质水从气体收集室106、110排放，而不会不经意地经由排放端口142、144去除气体。在一些实施例中，电解槽100可以包括布置在气体收集室106、110内的电解质水液位传感器，以确定在气体室106、110内是否有足够水平的电解质水可用，以便安全地打开排放端口142、144中的一个或两个排放端口。通过电解质水从具有包括138的容量的电解质循环系统的区域到收集室的主动移动、或者作为来自外部水源的主动补充，可以对这些液位进行主动控制或可以不对这些液位进行主动控制。通过使用主动压力变化和系统内的控制件，可以对这些液位进行控制或可以不对这些液位进行控制。

第一气体收集室106和第二气体收集室110两者包括气体压力计150、152。第一气体压力计150被配置用于确定第一气体收集室106内的气体压力。第二气体压力计152被配置用于确定第二气体收集室110内的第二气体压力。在一些实施例中，第一气体压力计和第二气体压力计可以合并到单个装置中。

电解槽100包括第一电端子154和第二电端子156。在图1的示例中，第一端子154是负端子，而第二端子156是正端子。

然而，将了解的是，第一端子和第二端子的极性可以互换，使得第一端子154是正端子，第二端子156为负的。这是因为，在一些实施例中，电解槽在电解质室104的两侧上是对称的。

端子154、156连接到电解槽100的壳体102。特别地，第一端子154连接到第一气体收集室106。第二端子连接到第二气体收集室110。相应地，第一端子154电连接到第一电极108，该第一电极经由其第二表面116电连接到第一气体收集室106。第二端子156连接到第二气体收集室110，该第二气体收集室又经由第二电极112的第二表面120连接到第二电极112。当然，将了解的是，端子154、156也可以直接连接到电极108、112，而不是经由电解槽100的壳体102。

端子154、156可连接到电源(例如直流电源)，以在电极108、112两端施加电流。如果端子154、156连接到电源，则电流将经由电解质室104内的电解质水在第一电极108与第二电极112之间流动，从而激活用于将电解质水分解和分离成氧和氢的电解过程，这将在下文更详细地解释。

如上文提及的，在图1的实施例中，第一端子154是负端子，第二端子156是正端子。相应地，图1中实施例的第一电极108是电解槽100的阴极，而第二电极112是电解槽100的阳极。第一电极108对于气体(特别是氢)是可渗透的。第二电极112对于气体(特别是氧)是可渗透的。

在一个示例中，第一电极108和第二电极112包括不同的孔隙率。在一些实施例中，第一电极108的孔隙率可以是第二电极112的大约一半。第一电极108的孔隙率可以低于0.3pm。第二电极112的孔隙率可以低于0.6pm。

在上述示例中，第一气体收集室106被配置用于接收氢气，而第二气体收集室110被配置用于接收氧气。

电解槽100还包括控制单元160，图1中示意性地表示。控制单元可以连接到第一气体压力计150和/或第二气体压力计152，以接收表示第一气体收集室106和/或第二气体收集室110内的气体压力的气体压力数据。控制单元160可以连接到第一排放阀142和第二排放阀144，以用于控制第一排放阀142和第二排放阀144的操作。控制单元可以连接到第一气体出口端口122和第二气体出口端口124，以用于控制第一气体出口端口122和第二气体出口端口124的操作。控制单元160可以连接到电源(未示出)，以用于控制向第一电极108和向第二电极112的供应电功率。控制单元160可以连接到蓄能器138的出口阀。控制单元160可以连接到泵134和电解质水压力计136。

控制单元可以经由控制件有线地或无线地连接到上述装置中的任一装置，如本领域众所周知的。控制单元可以与电解槽的壳体102一起本地布置，或远程地布置(例如在集中控制办公室中)。

控制单元160被配置用于控制可渗透电极108、112中的至少一个可渗透电极上的压降。在一个实施例中，控制单元160被配置用于相对于第一气体收集室106或第二气体收集室110中的气体压力来控制电解质室104中的电解质压力。控制单元160可以被配置用于将电解质室104中的电解质水压力控制为高于第一气体收集室106或第二气体收集室110中的气体压力。换言之，控制单元160被配置用于保持电解质室104与气体收集室106、110之间的压降。在一些示例中，控制单元160被配置用于将电解质室104中的电解质水压力控制为比第一气体收集室106和/或第二气体收集室110中的气体压力高至少5巴。

在电解质室104与第一气体收集室106和/或第二气体收集室110之间保持至少5巴的压降，这引起电解质水渗透第一电极108和/或第二电极112，且因此与在第一电极处产生的氢气一起在电解质室104与第一气体收集室106和/或第二气体收集室110之间流动。

使上述电解质水流动穿过第一电极108和/或第二电极112显著地增加了电解槽100的效率。

为了在电极108、112中的一个或两个电极上保持所需的压降，图1的控制单元160被配置用于分别接收表示第一气体收集室106或第二气体收集室110内的气体压力的气体压力数据。在图1的示例中，气体压力数据可以是由第一气体压力计150和/或第二气体压力计152提供的压力读数。

基于气体压力数据，控制单元将确定电解质室104内的期望的电解质水压力。在一些示例中，控制单元可以将预选量的压力添加到由气体压力数据指示的气体压力，以便确定期望的电解质水压力。在一些实施例中，控制单元160可以确定比第一气体收集室106内的气体压力高至少5巴的期望的电解质水压力。

然后，控制单元可以控制电解质水供应回路130以将电解质水供应到电解质室104，直到达到期望的电解质水压力为止。在图1的示例中，控制单元160可以被配置用于启动泵134以向控制室104供应电解质水，直到已经达到期望的电解质水压力为止。为此，控制单元可以接收表示电解质室104内的电解质水的压力的电解质压力数据。在图1的实施例中，电解质压力数据包括由布置在泵134下游的压力计136提供的压力读数。

控制单元可以基于由压力计136提供的电解质压力数据，经由控制环路来控制泵134的启动。例如，控制单元可以通过PID控制环路来控制该控制室104内的电解质水压力，该电解质水压力由压力计136的压力读数表示。

应了解的是，电解质室104与气体收集室106、110之间的压降将随着电解槽100的操作而连续变化。这是因为，在电解槽的操作期间，即当加压电解质水在电解质室104中可用并且在两个电极108、112两端施加电流时，产生氢气和氧气并将氢气和氧气连续地添加到第一气体收集室106和第二气体收集室110。相应地，在该示例中，只要第一气体出口端口122和第二气体出口端口124保持关闭，气体收集室106、110内的气体压力就将继续上升。该示例性的气体压力上升将由控制单元160基于气体压力数据来确定。控制单元160然后将确定新的、更高的、期望的电解质水压力，并对泵134进行控制以增加电解质室104内的电解质水压力并匹配所述增加的期望的电解质水压力。只要第一气体收集室106或第二气体收集室110内的气体压力上升，控制单元160就可以连续地调节电解质室104内的压力。在一些示例中，电解质水压力将保持为比气体压力高至少5巴。将理解的是，这是经由控制环路完成的(例如PID控制)，因此电解质水压力与气体压力之间的实际差值可以不同，因此偶尔下降到5巴以下。

控制单元160还可以控制第一气体收集室106和/或第二气体收集室110内的气体压力。在图1的示例中，控制单元可以被配置用于控制第一气体出口端口122和/或第二气体出口端口124的操作。控制单元160可以打开和关闭第一气体出口端口122，以控制第一气体收集室106内的(氢)气体压力。控制单元160可以打开和关闭第二气体出口端口124，以控制第二气体收集室110内的(氧)气体压力。在一些实施例中，控制单元160可以接收用于第一气体收集室106的第一期望的气体压力和用于第二气体收集室110的第二期望的气体压力。第一期望的气体压力和第二期望的气体压力可以由操作员选择。在一些示例中，可以通过使用由电解槽100提供的氢气和氧气的设备直接确定期望的气体压力。

在另一个实施例中，这些气体出口端口中的一个或两个气体出口端口可以包括泄压阀，泄压阀被配置用于一旦第一气体收集室106或第二气体收集室110中的气体压力超过设定压力就自动打开。在该示例中，气体收集室内的压力将分别由第一气体出口端口122和第二气体出口端口124的泄压阀的设定压力来确定。在一些实施例中，泄压阀的设定压力可以是可调的，例如通过控制单元160。

在上述两个实施例中，控制单元160可以被配置用于将第一气体收集室106和第二气体收集室110中的气体压力保持在1巴到1000巴之间、优选地10巴到1000巴之间、更优选地100巴到1000巴之间。如果气体收集室106、110内的气体压力保持在100巴，则控制单元可以将期望的电解质水压力设置为105巴或更大，以允许一些电解质水通过如上文已经描述的第一电极108和/或第二电极112。

应注意，由于电解质室104与气体收集室106、110之间的压降，穿过第一电极108和第二电极112的电解质水可以经由上述排放端口142、144(例如被间歇地)排放回到电解质水供应回路130中。控制单元160可以被配置用于控制这种电解质水排放操作。为此，控制单元160可以连接到布置在第一气体收集室106和/或第二气体收集室110内的水液位传感器(未示出)。水液位传感器可以向控制单元提供表示第一气体收集室106和第二气体收集室110内(特别是排放井141、143内)的水液位的水液位数据。

基于水液位数据，如果控制单元确定电解质水液位足够高以完全覆盖第一排放端口142和/或第二排放端口144，则控制单元160可以临时打开排放端口142、144中的一个或两个排放端口，以从气体收集室106、110排放电解质水。在一个实施例中，如果水液位已经达到水液位阈值，则控制单元可以被配置用于打开排放端口142、144持续预定量的时间，例如几秒钟。在其他实施例中，控制单元将排放电解质水，直到电解质水液位已经下降到预定水液位阈值以下为止。

控制单元还可以被配置用于控制经由端子154、156附接到电极108、112的电源(未示出)。操作员或控制器可以根据电解的类型和所使用的电极的类型以及其他变量(比如电池间隙)来改变安培数。控制单元可以被配置用于将由电源提供的电压设置为处于期望的电压。期望的电压可以由操作员指定。电流和电压可以通过控制单元160固定、手动设置或可变地控制。

在一些实施例中，控制单元可以被配置用于仅在电极108、112上达到期望的压降之后才向电极108、112供应电功率。换言之，控制单元160可以监测气体收集室106、110中的一个气体收集室与电解质室104之间的压力差。一旦压力差超过可选择的第一压力阈值，控制单元就可以激活电源以在电极108、112和电解质室104内的电解质水两端施加DC电流，从而开始电解槽100的操作。控制单元160可以被配置用于每当压力差下降到第二压力阈值以下时就停用电源。第二压力阈值可以与第一压力阈值相同或低于第一压力阈值。

转到图2，示出了根据本披露内容的实施例的电解系统200的示意图。电解系统200包括电解槽202。电解槽202包括电解质水入口203、第一气体出口(例如第一出口端口204)以及第二气体出口(例如，第二气体出口端口206)，与图1中所描述的、特别是参考电解槽壳体102描述的气体出口相似。在一些实施例中，电解槽202可以包括参考图1中的壳体102所描述的部件的全部。然而，应当理解，电解槽202不限于图1的流通示例。而是，电解系统可以与任何PEM或AEM电解槽或金属氢化物电解结合使用，在高于1巴的压力产生气体。还应注意的是，电解槽的气体出口可以仅是用于将氧气和氢气供应到一个或多个储存罐或直接供应到最终用户的气体管线。

鉴于以上内容，第一气体出口端口204可以连接到第一气体收集室，该第一气体收集室用于储存在电解槽202的操作过程中产生的高压氢。第二气体出口端口206可以连接到第二气体收集室，该第二气体收集室用于储存在电解槽202的操作期间产生的高压氧。高压氢可以经由氢管线208供应到氢储罐。替代性地，并且如图2中示意性地表示的，气体压缩机209可以布置在氢管线208内，以进一步增大由电解槽202提供的氢气的压力，然后将氢供应到储存罐。在一些示例中，气体压缩机209可以由市电电源248驱动。此外或替代性地，气体压缩机可以至少部分地由经由第二气体出口端口206供应的气体(例如氧)驱动。替代性地，气体压缩机可以由随着氢从金属氢化物中放出或者氢从另一个氢储存中间阶段转化而来而积聚的氢产生的气体压力驱动。

在第二气体出口端口206处提供的加压氧经由第一氧管线210被提供到发电机212。换言之，第一氧管线210将第二气体出口端口206连接到发电机212的气体入口。发电机被配置用于从经由第二气体出口端口206提供的气体流(这里是示例性氧气流)生成电力。发电机212可以设置有一个或多个气体活塞(未示出)，该一个或多个气体活塞被配置用于由第二气体出口端口206提供的氧气驱动。替代性地，发电机212可以包括用于将氧气流的动能转换成电力的涡轮、膜或隔膜。发电机212还可以是静脉发电机或任何其他类型。

发电机212可以将氧气流的动能转换成交流电流。交流电流可以经由第一电线242提供给AC/DC转换器246，或者经由第二电线244提供给电网/任何类型的电能储存方案。线路240中可以包括电控制/开关布置，以将发电机212产生的电力分配在第一电线242与第二电线244之间，并且因此相应地分配在AC/DC转换器246与电网之间。

AC/DC转换器246将在电解槽202的操作期间由发电机212供应的AC电转换成DC电，然后可以将DC电供应到电解槽202的电极(未示出)(参见图1中的电极108、112)。以这种方式，图2中所示的电解系统200可以使用发电机212来将储存在高压氧内的一些或全部势能作为供应回电解槽的电功率而回收利用。在这方面，应注意的是，与氢不同，氧典型地不需要高压供应或储存，使得参考图1描述的电解槽内产生的高压氧的势能的至少一部分可以经由发电机212被回收。

电解系统200进一步包括用于为电解槽供应高压电解质水的电解质泵214，类似于参考图1描述的电解质泵134。图2中所示的电解质泵214还可以由经由第二气体出口端口206提供的气体流驱动。为此，电解质泵214经由第二氧管线216连接到发电机212。经由气体出口端口213离开发电机212的氧气流将经由第二氧管线216朝向电解质泵214的气体入口215流动。经由气体入口215进入电解质泵215的气体流中留下的动能可以用于驱动电解质泵214，即对电解质泵214提供动力以经由电解质水源224向电解槽202提供电解质水流。如这里所述的相同电解质泵214气体动力提供系统可以从出口端口206获得，在该出口端口处可获得加压氢用于能量传递。

将理解的是，电解质水的分解通常是缓慢的过程，使得在电解槽202的操作过程中，可能仅间歇地需要激活泵214，例如每三十秒或更低频率，例如每小时。相应地，可能仅间歇地需要经由电解槽202的第二气体出口端口206提供的气体流来驱动泵214。或者，由来自电解槽202的第二气体出口端口206的流动氧提供的动能的大部分或全部可以由发电机212转换成电功率。为此，电解系统200可以包括控制单元(未示出)，该控制单元被配置用于在电解槽202的操作期间调节发电机212产生的电量。控制单元可以被配置用于在需要电解质泵214将电解质水供应至电解槽202的电解质室的时间期间暂时减少发电机212产生的电量。

如从图1的前述描述中将认识到的，电解槽202的电解质室中的压力应该高于气体收集室中的压力，即，在正常操作条件下，电解质室中的压力应该高于第二气体出口端口206处的氧气的压力。因此，泵214可以包括低于1的空气与电解质压力比。在一些示例中，泵214的空气与电解质压力比可以在1至100和1至300的范围内。这意味着第二氧管线216内的1巴氧气压力可以用于向电解槽202提供200至300巴的出口压力的电解质水。

电解质泵214包括连接到氧出口218的气体出口端口217。用于驱动电解质泵214的氧气将经由其气体出口端口217朝向氧出口218离开泵214，然后可以直接传递至用户或传递至中间储存容器或发送至发电机212。

鉴于以上内容，图2中所示的电解系统200可以用于回收利用储存在电解槽202内的高压氧的势能以驱动发电机212和电解质泵214中的一个或两个。因此，电解系统200是利用在高压产生的氧的能量以及参考图1更详细地描述的电解槽202中的高压氢的高效方式。换言之，用于在电解槽202内产生加压氢的能量在图2的电解系统200中没有被浪费。而是，使用加压氧的势能(作为气体流的动能)来驱动发电机212和电解质泵214中的一个或两个。应当理解，以这种方式由发电机212产生的任何电能可以被供应到电解槽202或通过将其传递回到电网或任何其他电能储存装置(比如蓄电池和电容器等)来储存。

本披露内容不限于发电机212和/或电解质泵214由电解槽202的第二气体出口端口206提供的氧提供动力的实施例。而是，在一些实施例中，可以是电解槽202的第一气体出口端口204处的高压氢用于为发电机212和泵214中的一个或两个提供动力。如果储存在电解槽202内的氢的压力的一部分需要在储存氢以供进一步使用之前被释放，则情况尤其如此。在一些实施例中，加压氢和加压氧都可以用于驱动发电机和/或泵214。

在一些实施例(未示出)中，仅发电机212可以由第二气体出口端口206提供的氧驱动，而泵214由经由电解槽202的第一气体出口端口204提供的氢驱动。在又另一个实施例中，仅泵214可以由第二气体出口端口206提供的氧气驱动，而仅发电机212可以由经由第一气体出口端口204提供的氢气驱动。在另一个实施例中，仅发电机212或仅电解质泵214由电解槽产生的气体之一(即氢气或氧气)提供动力。相应地，在一个示例中，发电机212可以由第二气体出口端口206提供的氧驱动，而泵214可以由经由发电机212或经由市电电源供应的电力驱动。如果在一些实施例/设置中，仅电解质泵214由经由第二气体出口端口206提供的气体驱动，则第一氧管210可以直接连接到泵214，由此绕过发电机212(未示出)。

回到图2所示的实施例，电解质泵214仅由气体流驱动。在电解槽202的操作过程中，这种气体流优选地由第二气体出口端口206提供，即，氧气流穿过第一氧管线210和第二氧管线216朝向氧出口218流动。然而，如将理解的，在电解槽202的启动过程中，加压氧尚不可用。然而，在可以产生加压氧和氢之前，将需要电解质泵214经由电解质供应管线224为电解槽202提供加压电解质水。

在上述启动期期间，可以经由发电机212为电解质泵214提供气体流。为此，发电机212可以是发电电动机，其可以以两种操作模式操作。第一操作模式是将气体流的动能转换成电力(如上所述)。第二模式是使用电力来驱动发电机212的气体活塞，以向泵214提供气体流。第二模式还可以被称为启动模式。在启动模式期间，可以经由市电电源248为发电机212提供电力。当然，经由其他电源(比如蓄电池或太阳能电池板)为发电机供应电力也是可行的。同时，市电电源248(或蓄电池/太阳能电池板)将向AC/DC转换器246供应电功率，从而为电解槽202的电极提供所需的DC电流。

发电机212连接到空气入口250。在启动模式期间，发电机212的气体活塞可以通过空气入口250吸入环境空气，以提供经由出口213排出到第二氧管线216中的气流。然后将这样产生的启动气流经由气体入口215提供给电解质泵214。然后，气流将被泵214用来经由电解质水供应管线224向电解槽提供电解质水。当由发电机供应的气体(在这种情况下用作驱动气体活塞的电动机)移动穿过泵214的涡轮时，该气体将经由出口217流出泵214并且经由通气口220排放，例如返回到大气中。如将了解的，可以在通气口220与氧出口218之间布置定向控制阀，使得通气口220仅在电解系统200启动过程中打开。

一旦电解槽202全面操作，即已经产生加压氧和氢，发电机212就可以切换回其第一模式，从而由经由第二气体出口端口206提供的氧气流驱动。为此，发电机212可以关闭空气入口250并且打开氧入口211。

图2中所示的电解系统200还可以包括布置在电解质水供应管线224内(即电解质泵214的下游)的热交换器226。热交换器226被配置用于预热由泵214供应到电解槽202的电解质水。为此，热交换器226可以使用由泵214产生的热来预热电解质水。特别地，热交换器226可以经由冷却流体管线228连接到泵214，如图2中示意性地表示的。当然，将了解的是，冷却管线228代表冷却回路，其中冷的冷却流体从热交换器226循环到泵214并由在泵214的操作过程中产生的热加热。然后，这样加热的冷却流体在较高温度返回到热交换器226，并用于预热电解质水供应管线224内的电解质水。

热交换器226还可以经由图2中示意性地表示的第二冷却流体管线230连接到发电机212。冷却流体管线230表示冷却回路，在该冷却回路中，冷的冷却流体从热交换器226向发电机212传递。然后冷的冷却流体被发电机212在操作过程中产生的热加热，并在较高温度返回到热交换器226。经由第二冷却管线230供应的这种这样加热的冷却流体然后用于预热电解质水供应管线224内的电解质水。

热交换器226还可以经由代表冷却流体回路的、类似于上述冷却流体回路的第三冷却流体管线232连接到AC/DC转换器246。相应地，冷的冷却流体可以从热交换器226向AC/DC转换器246提供，并且可以通过在转换器246处将AC电流转换成DC电流过程中产生的热来加热。然后，这样加热的冷却流体返回到热交换器226，以便预热电解质水供应管线224内的电解质水。

这样预热的电解质水提高了电解槽202内电解过程的效率，从而进一步提高了根据本披露内容的电解系统的总体效率。

在需要低温(比如低于零电解)的电解应用中，热交换器226也可以是热泵或制冷剂回路，其主动提供对供应到电解槽202或任何其他需要冷却的区域的电解质水的冷却。这种冷却效果可以帮助将较重的氢同位素保留在电解质中，以便与经由流体源222提供的输入水分离。换言之，在该实施例中，热交换器226可以是(空气)热泵，该热泵被配置用于从电解质水供应管线224内的电解质水中去除热。这种热然后可以经由冷却流体管线(未示出)分散，这些冷却流体管线用于将从电解质水获取的热传递至周围空气，非常像冰箱。

在将电解质水供应到电解槽202之前使用热泵来冷却电解质水在分离同位素(比如氘和氚化水)时是特别有益的。在一个实施例中，热泵可以连接到氢或氧管线208、210以便将热传递至冷却后的氢气或氧气。在这方面，将了解的是，当离开电解槽202的气体出口端口204、206时膨胀的气体将根据焦耳汤姆逊效应被冷却。这样冷却的气体因此可以被热泵用作用于从系统200的其他部分去除热的散热器，比如去除电解质水供应管线224内的电解质水的热。

电解质泵214连接到或可选择性地连接到类似于图1中描述的电解质水供应管线162的电解质流体源222。特别地，电解质泵214的电解质水入口可以设置有附加的电解质水，以补偿在操作过程中电解槽202分解的电解质水。

在上文中，已经描述了一种启动程序，该启动程序使用发电机作为电动机来驱动发电机212的一个或多个气体活塞，以便经由空气入口250将空气吸向电解质泵214。在启动程序的该实施例中，电解质泵214仅由气体流(产生过程中的氧，启动过程中的空气)提供动力，并且不需要任何其他形式的动力输入。

在替代性示例中，电解质泵214可以包括可以在电解系统200的启动过程中使用的附加致动器。在一个示例中，电解质泵214可以包括手动杠杆，该手动杠杆允许操作者手动地将电解质流体泵送到电解槽202中，直到电解槽全面操作为止。手动操作的杠杆将附加于用气体流操作的涡轮。一旦电解槽全面操作，泵214可以如上所述由经由这些第二气体出口端口206供应的气体或经由由发电机212和/或市电电源248供应的电力输入来驱动。

在另一个示例中，电解质水泵214除了上述涡轮之外还可以包括电动机。电动机可以用于驱动电解质泵，因此电解质泵在电解系统200启动过程中由电力提供动力。在该示例中，电动泵214的电动机可以经由上述市电电源248(或其他电源装置)被提供电功率。

图3示出了根据本披露内容的电解系统的另一个实施例。图3中所示的电解系统300的与电解系统200的部分相对应的部分用增加了“100”的对应附图标记来标记。

类似于图2所示的电解系统200，电解系统300包括具有第一和第二气体出口端口304、306的电解槽302。氢管线308连接到第一气体出口端口304，并且第一氧管线310连接到第二气体出口端口306。电解系统300包括发电机312，该发电机经由氧管线310连接到第二气体出口端口306。发电机312经由电线340、342、344电连接或可电连接到市电电源348(或蓄电池/电容器/超级电容器等)和AC/DC转换器346。电解质泵314经由电解质水供应管线324连接到电解槽302。泵314的入口端口连接到排放管线338，以用于电解质水经由排放端口334、336从第一和第二气体收集室排放。泵314的第二入口端口连接到电解质水源322。当然，电解质水源322还可以布置在排放管线338内，类似于图1所示的布置。

电解质泵314可以是输入要电解的水并使电解质水在系统中循环的单个泵。替代性地，电解质泵314可以代表两个或更多个泵，其对系统加入待电解的水并使电解质循环。两个或更多个泵可以彼此分开并且与不同的能量源分开地被提供动力，或者它们可以通过用于共享动力输入的共用轴连接。

当电解槽302处于低压并且需要加入水时，需要从电解槽302中清除空气。体积流量高并且压力低的第一泵可以是电解质泵314的一部分，用于从电解槽302清除空气。当空气已经被清除并且电解质压力需要增大到20巴或更高的高压力时，可以使用作为电解质泵314一部分的第二泵。电解质泵314的第二泵优选地具有低体积流量和高压力。

在电解质水供应管线324内布置有热交换器326。热交换器326被配置用于预热由电解质泵314供应到电解槽302的电解质水。为此，热交换器326经由第一冷却流体管线328连接到泵，经由第二冷却流体管线330连接到发电机312，并且经由第三冷却流体管线332连接到AC/DC转换器346。

与图2中所示的实施例相比，图3的实施例包括电解质泵314，该电解质泵在电解槽302的操作过程中是机械驱动的而不是气动驱动的。电解质泵314因此可以经由传动轴316连接到发电机312。传动轴316可以经由一个或多个离合器连接到发电机312和/或电解质泵314，使得发电机312的旋转能量仅在一个或多个离合器闭合时才传递至泵314。当然，将了解的是，本披露内容不限于特定类型的机械致动，比如经由传动轴的旋转致动。而是，发电机用于驱动活塞泵、静脉泵或任何其他已知的泵送装置(未示出)的活塞也是可行的。

图3所示的实施例的发电机312包括气体出口端口313，该气体出口端口可选择性地连接到类似于上述出口/通气口218、220的氧出口318或通气口320。

在电解槽302的操作过程中，可以在参考图1讨论的气体收集室中生成加压氢和加压氧。

在一个示例中，加压氧可以经由第二出口端口306向氧管线310并且因此向发电机312释放。然后可以如以上结合图2所讨论的那样使用这种氧流经由一个或多个气体活塞来驱动发电机312。然后经由气体出口端口313离开发电机312的涡轮的任何氧将经由氧出口318传递至氧储存罐或直接传递至最终用户。

图3中的实施例的发电机312具有三种操作状态。在第一操作状态下，发电机312将氧管线310内的氧的动能转换成电功率，该电功率可以经由AC/DC转换器346被供应回电解槽302，经由市电电源348被供应回电网，或者返回到系统300的其他电气装置，比如热泵、风扇、蓄电池、温度调节器、显示器等。在第二操作模式下，发电机可以充当气动操作的气体活塞，用于通过氧管线310内的氧流来旋转传动轴316。在第三操作模式下，发电机312可以作为电动机操作，使用由市电电源348提供的电力来将轴316驱动并且因此为电解质泵314提供动力。

在电解槽302的正常操作期间，即当有足够量的加压氧可用时，只要电解质泵314不在使用时，发电机312就会产生电功率。一旦电解槽302需要被供应附加的加压电解质水，泵314将被激活(例如，经由以上讨论的控制单元)。此时，发电机312切换到其第二操作模式，其中氧管线310内的氧流用于经由发电机312的气体活塞旋转传动轴316以致动泵314。一旦电解槽被供应足够量的加压电解质水，电解质泵314就被停用，并且发电机312返回到其第一操作状态。这还可以通过使用充当电动发电机的鼠笼式电动机来自动完成。当气体压力不足时，电动机将从348汲取功率，并且当气体压力不足时，电动机将转换成发电机，以生成返回到348的功率以及直接DC发电，以例如在电解槽或蓄电池或其他储存装置中使用。

在电解系统300的启动过程中，即当没有加压氧和氢或没有足够量的加压氧和氢可用时，发电机312以其第三操作模式操作。换言之，在电解系统的启动过程中，经由市电电源348向发电机312提供电功率。发电机312然后用作驱动传动轴316的电动机。发电机312在其第三操作状态下使用，只要电解槽302需要产生足够量的加压氢和加压氧即可，使得发电机312可以切换回其产生用于电解过程的电能的第一操作状态。

图4示出了根据本披露内容的另一个实施例的电解系统的示意图。图4的电解系统400包括电解槽402，该电解槽包括电解质水入口、第一气体出口404和第二气体出口406。

发电机412连接到电解槽402的第二气体出口406并且被配置用于能够至少部分地由经由第二气体出口406提供的气体流提供动力。类似于上述实施例，第二气体出口406可以向发电机412提供加压氧。氧可以经由氧管线410和发电机412的气体入口411提供给发电机412。

如图4中所表示的，发电机412包括两个部分。特别地，发电机412包括电动机412a，优选地是鼠笼式电动机。发电机412进一步包括压缩机/膨胀机412b。压缩机/膨胀机412b具有连接到氧管线410的气体入口411。压缩机/膨胀机412b的气体出口413连接到氧出口418，类似于以上参考图3所描述的。

发电机412的电动机412a经由共用传动轴416连接到压缩机/膨胀机412b。相应地，发电机412的两个部分中的任一个的旋转运动可以致使相应的另一部分借助于共用传动轴416以相同的旋转速度被驱动。当然，还可以实施传动装置(图4中未示出)，该传动装置使压缩机/膨胀机412b以与电动机412a不同的速度旋转。

如本领域中已知的，鼠笼式电动机，比如电动机412a，可以分别用作电动机或发电机。为此，电动机412a经由线440连接到电网。对于作为用于产生电力的发电机工作的电动机412a，电动机412a需要比其定子的同步速度更快地旋转。在图4的示例中，电动机412a可以具有1500rpm的同步速度。相应地，如果传动轴416使电动机412a以高于1500rpm的速度旋转，则电动机将开始发电，这可以用于向电解槽的电极或如上所述的电解系统400的任何其他电气装置、或蓄电池储存装置、电能网输出等供应功率。

如果压缩机/膨胀机412a没有足够快地旋转来驱动传动轴416以1500rpm或更高的转速旋转，则电动机412a仍将以1500rpm的恒定转速旋转，这是由于其与电网或内部能量储存装置/蓄电池连接。在这种情况下，将是电动机412驱动共用传动轴416，从而确定共用传动轴416的转速。

在电解系统400的正常操作过程中，电解槽402将在第二出口406处提供加压氧，该加压氧将经由氧管线410提供给压缩机/膨胀机412b。通过压缩机/膨胀机412b膨胀的加压氧将引起压缩机/膨胀机412b的涡轮机使传动轴416以高于电动机定子的同步速度(例如，高于1500rpm)的速度旋转。相应地，在电解系统400的正常操作过程中，发电机412将由于经由第二气体端口406从电解槽释放的氧气的动能而起作用以生成电力。

图4的电解系统400可以进一步包括电解质泵414。电解质泵414也连接到共用传动轴416。电解质泵414经由出口端口与电解质水供应管线424连接。电解质水供应管线424将加压电解质水供应到电解槽402的电解质水入口。电解质泵414的入口端口连接到类似于上述排放管线228、328的电解质排放管线428。

在电解槽402的正常操作过程中，传动轴416由发电机412的压缩机/膨胀机412b提供动力。相应地，传动轴416然后驱动发电机412的电动机412a，同时驱动电解质泵414。

由于使用经由线440连接到电网的鼠笼式电动机412a，电解系统400的共用传动轴416将始终以电动机412a的定子的同步速度(例如，1500rpm)被驱动。即使由电解槽402提供的氧的压力不足以驱动压缩机/膨胀机412b，也是这种情况。

相应地，图4中所示的电解系统400不需要操作模式的任何改变来在系统400的启动操作与正常操作之间切换。而是，电动机412a将使用由电网提供的功率以电动机的同步速度(例如，约1500rpm)驱动泵，只要流过压缩机/膨胀机412b的气体的流速不足以产生大于1500rpm的转速即可。一旦通过发电机412的压缩机/膨胀机412b的气体膨胀所产生的转速超过1500rpm，电动机412a就不再为共用传动轴416提供动力，而是由共用传动轴416驱动并且能够发电，而同时传动轴416为泵414提供动力，以向电解槽402提供加压电解质。

图4的电解系统400进一步包括可选的气体压缩机409，类似于图2所示的气体压缩机209。气体压缩机409包括入口端口，该入口端口经由氢管线408连接到电解槽402的第一气体出口404。气体压缩机409包括连接到氢输出410的气体出口，该氢输出进而可以连接到氢储罐(未示出)。

图4中所示的实施例的气体压缩机409连接到共用传动轴416。相应地，共用传动轴416还可以用于为气体压缩机409提供动力，以便增大电解槽402提供的氢输出的压力。在电解槽的正常操作过程中，由电解槽402的第二气体出口406提供的加压氧气因此将用于驱动电动机412a以产生电力，驱动泵414以提供加压电解质，以及驱动气体压缩机409以增大电解槽402产生的氢的出口压力。在一些实施例中，共用传动轴416可以用于同时驱动所述电动机412a、泵414和气体压缩机409。然而，系统400可以包括用于选择性地使电动机412a、电解质泵414和气体压缩机409与传动轴416接合和脱离的装置。

图4的电解系统400进一步包括可选的DC发电机460。DC发电机460连接到共用传动轴416上，并且因此在正常操作过程中也可以由发电机412的压缩机/膨胀机412b驱动，并且在启动程序过程中由发电机412的电动机412a驱动。DC发电机460可以响应于经由共用传动轴416提供的旋转动力而产生DC电流。该直流电流可以至少部分地用于为电解槽402的电极提供动力。

在另一个实施例中，发电机460根据需要可以是AC或甚至AC或DC可切换发电机。在这样的实施例中，其还可以是产生适合于不同类型的更高或更低频率的电气用途的不同频率赫兹输出的发电机，例如，针对高频电解，其中有用的频率和电压比国家电网上的频率和电压大很多，例如900V和几百赫兹。在发电机460的所有潜在实施例中，可以存在多极配置。

如上所述，图4的电解系统400包括用于回收利用储存在由电解槽402提供的加压氧中的势能的一部分或全部的多个装置。特别地，氧的势能可以用于驱动发电机412(即，电动机412a)、电解质泵414、气体压缩机409和/或DC发电机460中的一个或多个。

可以设置有控制单元来确定在不同的操作时间期间可以使用上述能量回收利用装置中的哪一个，系统的要求可能如此。在一个示例中，控制单元可以确定电解质泵414仅需要中间激活，使得只要电解槽402内的电解质水压力足够，电解质泵414就可以与共用传动轴416脱离。类似地，如果电解槽402供应的氢压力不足，则气体压缩机409可以仅与传动轴接合。

转到图5，示出了根据本披露内容的实施例的方法的示意性流程图。图5中所示的方法500是在电解系统(如图2、图3和图4中所示的系统)中回收利用能量的方法。

在第一步骤502中，该方法包括将电解质水供应至电解槽。该步骤可以通过电解质泵(比如上述泵214、314)来执行。替代性地，电解质水可以经由可选择性地连接到电解槽的加压电解质储器供应至电解槽。这也可以是金属氢化物储存系统，其在容纳时可以放出更高压力的输出“加压气体”。

在第二步骤504中，电解质水分解成加压气体，优选分解成加压氢和加压氧。这可以通过产生加压气体的任何电解槽来实现。然而，将了解的是，在大气压产生气体的电解槽总体上不适合于这种方法。参考图1示出并描述了合适的电解槽的示例。

在第三步骤506中，该方法包括为发电机和/或电解质泵供应加压气体中的至少一种，以便为发电机和/或电解质泵提供动力。在优选的实施例中，可以为发电机和/或电解质泵提供由电解槽产生的加压氧，因为典型地不需要在高压下将氧提供到最终用户。储存在加压氧内的势能的一部分或全部可以被转化为动能，然后该动能用于驱动发电机和电解质泵中的一个或两个。

由发电机产生的电能可以根据本披露内容的方法以不同方式使用。在一个示例中，电能可以用于驱动电解槽。为此，可以将电能供应至AC/DC转换器。在替代性布置中，发电机可以被配置用于产生AC或DC电并且直接向电解槽供应DC电以驱动或至少支持电解过程。在这方面，应理解的是，在一些示例中，由发电机产生的电功率可能不足以单独维持电解过程。在这样的情况下，还可以同时经由市电电源为电解槽供应电能。在替代性实施例中，由发电机提供的电能可以直接供应回电网或用于为电解系统的任何其他电气装置提供动力。在另一个实施例中，电力可以为压缩机提供动力以进一步加压出口气体流或储存容器中的一个，比如加压氢气。

Claims (25)

1.一种用于生成氢的电解系统，所述电解系统包括：

-电解槽，所述电解槽包括电解质水入口、第一气体出口和第二气体出口，

-发电机，所述发电机被配置用于优选地为所述电解槽生成电力，所述发电机连接到所述电解槽的第一气体出口和/或第二气体出口并且被配置成至少部分地由经由所述第一气体出口和/或所述第二气体出口提供的气体流提供动力，

-电解质泵，所述电解质泵用于为所述电解槽供应电解质水，

其中，所述发电机是电动发电机，所述电动发电机包括用于生成电力的第一模式和用于使用电力来驱动所述电解质泵的第二模式。

2.如权利要求1所述的电解系统，

其中，所述电解质泵连接到所述电解槽的第一气体出口和/或第二气体出口并且被配置成至少部分地由经由所述第一气体出口和/或所述第二气体出口提供的气体流提供动力。

3.如权利要求2所述的电解系统，

其中，所述电解质泵被配置成至少部分地由经由所述发电机生成的电力提供动力。

4.如权利要求2或3所述的电解系统，

其中，所述电解质泵被配置成至少部分地由经由比如市电电源的外部电源提供的电力来提供动力。

5.如权利要求2至4中任一项所述的电解系统，

其中，所述电解质泵与所述发电机串联地连接到所述第一气体出口和/或所述第二气体出口，优选地在所述发电机的下游。

6.如权利要求1至5中任一项所述的电解系统，

其中，所述发电机被配置用于连接到电源并且被配置用于将所述电解槽不需要的剩余电能供给回所述电源。

7.如权利要求6所述的电解系统，

其中，所述电源被配置用于在所述电解槽的启动过程中为所述发电机提供电能。

8.如权利要求1至7中任一项所述的电解系统，

其中，所述发电机是可逆的，以在所述电解槽的启动过程中作为压缩机起作用，以用于在启动过程中为所述电解质泵供应气体流。

9.如权利要求1至8中任一项所述的电解系统，

其中，所述发电机包括空气入口，所述空气入口用于在所述电解槽的启动过程中选择性地为所述发电机提供要压缩的空气。

10.如权利要求1至9中任一项所述的电解系统，

包括通气口，所述通气口优选地在所述电解槽的启动过程中可选择性地可连接到所述电解质泵的气体出口。

11.如权利要求1至10中任一项所述的电解系统，

包括气体输出端口，所述气体输出端口优选地在所述电解槽的正常操作过程中可选择性地连接到所述电解质泵的气体出口。

12.如权利要求1至11中任一项所述的电解系统，

包括布置在所述发电机与所述电解槽之间的AC/DC转换器。

13.如权利要求1至12中任一项所述的电解系统，

包括热交换器，所述热交换器被配置用于预加热或冷却经由所述电解质泵供应至所述电解槽的电解质水。

14.如权利要求13所述的电解系统，

其中，所述热交换器被配置用于从所述电解系统的发电机和/或电解质泵和/或AC/DC转换器传递出热。

15.如权利要求1至14中任一项所述的电解系统，

其中，所述第一气体出口是氢出口，并且所述第二气体出口是氧出口，并且其中，所述发电机可连接到所述第二气体出口，使得所述发电机由经由所述第二气体出口提供的氧气流提供动力。

16.如权利要求15所述的电解系统，

其中，所述电解槽被配置用于将经由所述第二气体出口提供的氧的压力控制在1巴到1000巴之间、优选地10巴到1000巴之间、更优选地100巴到1000巴之间。

17.如权利要求16所述的电解系统，

其中，所述电解质泵被配置用于为所述电解槽供应处于高于所述第二气体出口处的气体压力的压力、优选地高于所述第二气体出口处的气体压力至少5巴的压力的电解质水。

18.如权利要求1至17中任一项所述的电解系统，

其中，所述第一气体出口端口或第二气体出口端口连接到气体增压器，以增大经由另一个气体出口端口提供的气体的压力或增大气体储存蓄能器的压力。

19.如权利要求1至18中任一项所述的电解系统，

包括用于生成加压氢的金属氢化物储存装置，所述发电机连接到所述金属氢化物储存装置的气体出口并且被配置用于至少部分地由经由所述气体出口提供的气体流提供动力，其中，经由所述金属氢化物储存装置提供的气体优选地具有1巴到1000巴的、优选地10巴到1000巴、更优选地100巴到1000巴的压力。

20.一种在电解系统中回收利用能量的方法，所述电解系统包括电解槽、用于向所述电解槽提供电力的发电机、以及用于向所述电解槽供应电解质水的电解质泵，所述方法包括：

-为所述电解槽供应加压电解质水；

-将所述电解质水分解成加压气体，优选地分解成加压氢和加压氧；

-为所述发电机和/或所述电解质泵供应所述加压气体中的至少一种，以对所述发电机和/或所述电解质泵提供动力。

21.如权利要求20所述的方法，

包括为所述发电机和/或所述电解质泵供应由所述电解槽产生的加压氧。

22.如权利要求20或21所述的方法，

包括将由所述发电机产生的电能的至少一部分供应至所述电解槽。

23.一种用于生成氢的电解系统，所述电解系统包括：

-电解槽，所述电解槽包括电解质水入口、第一气体出口和第二气体出口，

-电解质泵，所述电解质泵用于为所述电解槽供应电解质水，所述电解质泵连接到所述电解槽的第一气体出口和/或第二气体出口并且被配置成至少部分地由经由所述第一气体出口和/或所述第二气体出口提供的气体流提供动力。

24.如权利要求23所述的电解系统，

包括发电机，所述发电机被配置用于为所述电解槽生成电力，所述发电机连接到所述电解槽的第一气体出口和/或第二气体出口并且被配置成至少部分地由经由所述第一气体出口和/或所述第二气体出口提供的气体流提供动力。

25.如权利要求24所述的电解系统，

其中，所述电解质泵与所述发电机串联地连接到所述第一气体出口和/或所述第二气体出口，优选地在所述发电机的下游。