CN1361833A - 电解池中的气液分离方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种在水的电解装置中分离夹带第一种电解质水溶液的氢气和夹带第二种电解质水溶液的氧气以生产所述的氢气和所述的氧气的改进方法,该方法包括:在所述的第一种溶液中产生所述氢气的两相第一流出物;在所述的第二种溶液中产生所述氧气的两相第二流出物;将所述的第一流出物供入(448)到其中有一部分(442)构成氢气室的第一分离槽(440)中,使所述的氢气从所述的第一流出物里分离出来;将所述的第二流出物供入到其中有一部分构成氧气室的第二分离槽中,使所述的氧气从所述的第二流出物里分离出来;从所述的氢气室收集(50)所述的氢气;从所述的氧气室收集所述的氧气;收集所述的第一流出物;收集所述的第二流出物;其改进至少包括下列之一:所述的第一流出物排进所述的氢气室中;所述的第二流出物排进所述的氧气室中。

Description

电解池中的气液分离方法和装置

发明领域

本发明涉及电解池，具体讲是用于生产氢气和氧气的水电解池，更具体讲是用于分离在电解质水溶液中所夹带的氢气和氧气之类气体产物的方法和设备。

                      背景技术

电合成法是一种通过化学反应进行生产的方法，该化学反应是通过电流流通(通常是直流电(DC))由电推动的，这一电流来自外部电源，在电化学池的阳极电极和阴极电极之间的电解质中流动。在没有副反应时，生产速率与电流成正比。例如，在液体碱水电解池中，直流电在二电极之间通过，在电解质水溶液中将水即反应物分解成气体组分产物，也就是氢气和氧气，其中产物气体从相应的电极表面上析出来。

水的电解装置通常依靠压力控制系统控制电解池两半部分之间的压力以确保两种气体，也就是在电解反应中产生的氧气和氢气保持分离而不混合。

在当今工业上广泛使用的常规的单极池设计中，在一种功能电解装置、池格或单独的容器内包含一个池或一排(平行)池。每个池由在单独槽中的电极对组件组成，其中各个并联的电极对组件作为一对独立的电极起作用。使用一种例如在加拿大专利302,737(授予A.T.Stuart(1930))中公开的中间联接总线条，通过有限的接触面积完成与池的连接。在池格之间使用上述母线条组合，以点至点的电连接方法，使电流从一个池中的阴极的某一部分流至邻近池中的阳极。电流通常在若干个点上流出电极，并通过螺栓、焊接或类似的连接方式在若干个点上完成与下一个电极的连接，而且每个连接处必须能够通过相当大的电流密度。

大部分压滤型电解装置使用各种材料将池的阳极部分和阴极部分相隔离，这些材料包括金属、塑料、橡胶、陶瓷和各种基于纤维的构件。在很多情况下，在框架上机械加工出O形环槽，或者铸造框架以便能够插入O形密封圈。通常必须使用至少两种与电极对组件不同的材料来密封池中的电极，并且要制造出用于电解液循环、反应物进料和产物引出的通道。

以The Electrolyser Corporation Ltd.和Stuart Energy Systems Inc.的名义于1998年7月9日公开的WO98/29912中描述了这样一种单极池电解装置系统，它或者在单组电解装置(SSE)中配置串联的电流，或者在多组电解装置(MSE)中配置并联的电流。上述的WO98/29912公开了兼用于SSE和MSE两种电解装置的部件和组件设计的细节。

这里使用的术语“池”或“电化学池”是指一种包括至少一对电极的结构，该对电极包括一个阳极和一个阴极，每个电极适当地支承于池组构架内。后者还包括一系列部件，例如电解质水溶液循环和引出产物时所通过的循环框架和垫圈。该池还包括以适当方式密封和机械支承池内分离器的分离器装配件和用于分隔邻近池区的端壁。多个池可以串联连接或者并联连接，形成池组，并且使用多少池组成一组没有限制。一个池区是包括一个或多个池组的单元，多个池区通过外部总线条连接在一起。上述的PCT专利申请书WO98/29912描述了包括一个或多个池的功能电解装置，这些池或者并联，或者串联，或者串、并联混合连接。

取决于这种池组式电化学系统的结构，在最简单的串联结构中在每组各端具有一个终端箱；或者在每个池区的末端装有一组终端箱。当采用串、并联混合的池组被组装时，则电解装置的实施方案中包括与一个水平集合槽箱组配连接的若干终端箱。

在电解质电解期间操作池组时，阳极用来产生氧气，而阴极用来产生氢气。两种气体通过下部的渗透膜隔离器保持完全分离。气体和电解质经循环框架和密封组件进行流动，密封组件也可将一种池的组分相对于第二种组分进行密封，以便在一种与槽类似的池组结构中盛装电解质。

刚性的终端箱能够起到几种作用，除充当气/液分离装置之外，它还为从池顶部流出的电解质提供返回通道。终端箱也可以给用于控制电解液液面的部件例如液面传感器和控制温度的部件即例如加热器、冷却器或者换热器提供空间。另外，在终端箱中配有适当的传感器可以监控各个池组中的电解质和气体纯度。同时，在大部分电解质再循环通过电解装置时，可以从各终端箱取出电解质物流，以提供外部的液面控制以及电解质密度、温度、池压和气体纯度的控制和调节。该物流或者回到同一终端箱，或者与其它类似的物流混合并返回到终端箱。或者可以将探测器插入终端箱中以控制这些参数。终端箱也可以具有向终端箱中现有的液体提供两相混合物的导管，以改进气液分离。含有同一种气体的同类终端箱可以经集合槽(header)连接，使其拥有共同的电解液液面。

这样，从电解液中生产电解气体的MSE或SSE电解装置需要对气相和液相进行分离，并且也需要使液体循环。如果气体气泡小时气体和液体紧密地混合，就会产生泡沫，这通常将导致不良的气/液分离。气体在终端箱/集合槽至电极/隔离器的间隙处的循环实际上将增加电解质的电阻系数，降低池的工作效率。这导致需要安装较大几何尺寸的以终端箱形式的输导系统，而这是经济不利的。然而，在操作生产氢气和氧气的水电解池时，最重要的是含氢的电解质溶液和含氧的电解质溶液不出现混合或相互掺杂。这样，从水溶液中尽可能多地脱除夹带的气体就是主要的目标。此外，在池设计中合乎需要的趋势是使池、池组和有关的部件例如终端箱、集合槽等的尺寸减到最小。因此，实现前述的气/液分离目标必须满足减少池体积的要求。本发明阐述了如何将这两种需要结合起来。

                        发明概述

本发明的目的是提供一种改进的方法和装置，它用于在电解装置中从电解质水溶液里分离出氢气和氧气。

因此，在一方面，本发明提供了一种从水的电解装置中分离夹带第一种电解质水溶液的氢气和夹带第二种电解质水溶液的氧气的改进方法，该方法包括：

在所述第一种溶液中，形成所述氢气的两相第一流出物；

在所述第二种溶液中，形成所述氧气的两相第二流出物；

将所述的第一流出物供入到其中有一部分构成氢气室的第一分离槽中，使所述的氢气从所述的第一流出物里分离出来；

将所述的第二流出物供入到其中有一部分构成氧气室的第二分离槽中，使所述的氧气从所述的第二流出物里分离出来；

从所述的氢气室收集所述的氢气；

从所述的氧气室收集所述的氧气；

收集所述的第一流出物；

收集所述的第二流出物；

其改进在于其至少包括下列之一：所述的第一流出物排进所述的氢气室中；所述的第二流出物排进所述的氧气室中。

用于本说明书和权利要求书的术语“氢气室”意指在第一分离槽中的液体液面以上槽中主要含氢的空间。

用于本说明书和权利要求书的术语“氧气室”意指在第二分离槽中的液体液面以上槽中主要含氧的空间。

这样，通过将两相流出物排入在可能存在于排放槽中的任何液体液面以上的基本上只容有含氢相或含氧相的各自的气室中，如重力、离心力、在气室内延长的停留时间等多个物理参数可提供更有效的气/液分离。优选至少是水平地、更优选垂直地以向上喷射的喷泉或类似的喷雾方式，在液体液位以上导入流体，这与将两相流流出物仅仅作为一股物流注入或并入槽中常驻的或可能是暂时进入的液体或泡沫中相比，可以提供更好的分离。

一种最优选的两相分离器系统采用涡流或水旋流的原理。

当这种槽组成终端箱，其中气/液混合物在液位以上接近终端箱顶部和水平盖的部位流出时，实施这里定义的发明是有特别价值的。优选的是，混合物随着池组中的电解液循环，在终端箱或集合槽中的夹带气体大大减少的气/液两相物液面上，通过一个适当配置的类似喷泉或喷雾器的基本上垂直的“排气筒”在终端箱内排出的。以“排气筒”形式在终端箱内增加一个内安装件具有的优点是：

(i)  提高气体和液体的分离效果，并通过将内电阻减到最少改进了电

     解装置的运转效率，该内电阻是因夹带气以气泡形式循环而产生

     的；

(ii) 改进液流通过终端箱和进入池区的循环，从而得到较高的内部流

     动速率；和

(iii)通过将终端箱的截面积减到最少提供一种将MSE或SSE电解装

     置的占地面积减到最少的途径。

另一方面，本发明提供了一种用于制造氢气和氧气的改进的水的电解装置，该装置包括：

在第一种电解质水溶液中，用于产生所述氢气的两相第一流出物的设备；

在第二种电解质水溶液中，用于产生所述氧气的两相第二流出物的设备；

第一分离槽，其中一部分构成氢气室；

第二分离槽，其中一部分构成氧气室；

用于将所述的第一流出物供入到所述的第一分离槽、使所述的氢气从所述的第一流出物中分离出来的设备；

用于将所述的第二流出物供入到所述的第二分离槽、使所述的氧气从所述的第二流出物中分离出来的设备；

用于从所述的氢气室收集所述的氢气的设备；

用于从所述的氧气室收集所述的氧气的设备；

用于从所述的第一分离槽收集所述的第一流出物的设备；

用于从所述的第二分离槽收集所述的第二流出物的设备；

其改进至少包括以下(a)和(b)中的至少一项：(a)将所述的第一流出物加进所述的氢气室的设备；以及(b)将所述的第二流出物加进所述的氧气室的设备。

                    附图的简要说明

现仅作为实施例、参考附图描述按照本发明构造的电化学池和电化学装置，其中：

图1是按照现有技术的、由串联的四组组成的多组电化学系统的分解透视图，而每组由互相并联的两个池组成；

图2是按照现有技术的、具有许多终端箱和一个集合槽箱的MSE电解装置的分解透视图(部分)；

图3是按照现有技术的、装配在图1所示MSE电解装置的某部分上的终端箱的横剖面视图；

图4是按照本发明引入了排气筒的终端箱的透视示意图；

图5和图6是按照本发明装有其它形状的排气筒的终端箱的透视图；

图7是图6中沿7-7′线的平面示意图(部分)；其中，相同标记表示相似的部件。

                   优选实施方案的详细说明

图1概括地示出了现有技术中上述WO98/29912中作为实施方案的单极MSE，并表示为20。

电化学装置20被示为包括四个互相串联的池组22的池区，每个池组中有两个并联的电解池。

每个组22包括两个具有双阳极110和双阴极30的池。在每个池格中，阳极电解液框架38位于与阳极110邻接处，构成阳极电解液室；阴极电解液框架40位于与阴极30邻接处，构成阴极电解液室。阳极电解液框架38与阴极电解液框架40在结构上是相同的，因而可以泛称为电解液循环框架。

在给定池中，每个阳极室和阴极室通过隔离器36被分开使产生于各自的阳极室和阴极室中的不同电解产物也就是氧气和氢气的混合减少。

电化学装置20包括位于每个池组22的各端的终端箱44。参考图1，每个终端箱44在该箱的侧面具有一个下部的开孔46和一个上部的开孔48，从而与各自的阳极电解液室或阴极电解液室连通。在每个箱44的顶部有排气管50，为在电解反应期间收集到的相应的气体提供一个出口。池组22和整个池区20被足够的力量结合在一起，以便对液体进行密封，防止电解质或气体的外泄。使用刚性的结构元件，例如一种用来与固定条52一起构成终端箱44的矩形管、拉紧杆以及有关的紧固件(未表示出)，以形成载荷均匀分配的面，从而用合适的夹紧压力密封池组22。夹在终端箱44外表面和固定条52之间有电绝缘板54，其用来防止终端箱通过固定条互相电连接。

在每个池组末端，在电解质框架38或40与终端箱44之间安放一个平面隔离垫圈26，以使终端箱44的面与电解质隔绝接触。垫圈26具有一个上部的开孔与一个下部的开孔(未画出)，分别对准终端箱中的开孔48与46，用于流体的循环。

很清楚，可以对已知的电化学装置进行改造，以包括这里作为改进而公开的终端箱。

对于用于电合成法的电解池，液体进料可以在相邻的箱之间从一个池区向前进入下一个池区，从而有助于转换每个通道。终端箱44可以用多种能适应电化学装置中碱或酸的材料制造，包括钢、不锈钢、镍或具有适当增强(如有必要)的塑料。

参考图2，一个MSE电解装置的替代实施方案包括与水平的集合槽箱300配合相连的终端箱44，该集合槽箱具有一个产物气体通风孔302。终端箱44分别具有上、下开孔316与318。垫圈310带有彼此隔开的多对上、下开孔312与314，并被夹在集合槽箱300与终端箱44之间。

同样，参考图3，当集合槽箱300紧固在终端箱44上时，集合槽箱300中彼此隔开的上、下开孔324和326分别与垫圈310中的开孔312和314及终端箱44中的开孔316和318对准。挡板328被用来减少或防止电解质直接进入集合槽箱300中的室330，或被用来减少或防止该电解质的冷却。在终端箱44中的阻挡板336确保从电解池组出来的两相流体向上导入集合槽箱300的进口。

按照箭头指出的流体流动方向，载有气体的电解质从池区的上部液体通路溢入终端箱44，然后在终端箱44中上升，从这里通过由对准的开孔316、312和324组成的上部入口进入集合槽箱300。带有产物气体的电解质经分离后，通过由开孔318、314和326组成的下部出口，循环返回终端箱44。包括集合槽箱300的电解装置有利地造成电解质在MSE的多个池组之间的混合，由此阻止了电解装置中形成化学梯度。另外，该设计能够仅在一个位置上，控制多池组中的电解液液面334和电解质温度两者。

在停工时，电解质流回每个终端箱44，由此打断了电解液在池组之间的循环。另外，使用集合槽箱300后不再需要用泵将电解质从分隔的收集槽打入电解装置，并且有利地避免了电解装置停工期间在电解装置中出现危险的低液面情况。

现在参考图4，这里画出了概称为440的终端箱44的上半区，它具有一个偏离箱44顶部中心的氢气集合排出管50。上半区440由构成氢气分离室442的上部和构成阴极电解液收集室444的下部组成。

直角的流出物排气筒446位于室442内的中心处，它与氢气/阴极电解液导管448构成一个整体，并与框架40内的阴极电解液室相通。

分离槽440、氢气室442和阴极电解液收集室分别具有各自的水平轴和垂直轴“X和Y”。

更具体地说，排气筒446有一个具有出口452的垂直对正的部分450和一个整体形成的水平部分454。

室442中基本上容有来自氢气/阴极电解液两相混合物的单相氢气，该两相混合物排进基本上不含液体的室442。排入室442的阴极电解液在重力下落入主要装有液体的室444，通过电解液在池组内的循环，该室具有在终端箱中建立的夹带大大减少的气液两相物液面。

在运转中，来自进料导管448的两相混合物以基本垂直向上的方向，像喷泉或喷雾一样，经排气筒446的出口452排出。这样，该流出物按90度角和基本平行于室442的垂直轴进入氢气室442。

这样，两相流体是以与现有技术图3所述方向和方法不同的方向和方法排出的，其不同在于，后者排出两相流体最好也只不过是水平地在夹带气体和液体两者的重力下，以最初始的向下运动注入室314内，图3的室314类似于图4的室444。

通过参考图3，可以清楚地看到被俘获的氢气泡最初是被大量液体携带向下，它必须迅速地克服流体的流动，以逃入在挡板328顶部之上的氢气室330。图4的实施方案以鲜明的对照表明，正是这种具有向上动量的结合成整体的气/液物流，促进了气体和液体的分离，同时减少了液体产生的阻抗，特别是当后者以喷雾或喷泉的形式时。

图5表示一个更优选的实施方案，其中终端箱44具有一个位于类似位置的排气筒546，该排气筒的端口部分548构成一个倒置的平截头圆锥体形室552，其垂直轴“Y”与氢气室542和液体返回室544的垂直轴平行。在室552内部是一个与部分548同心并且与其对称放置的内部实心的平截头圆锥体构件550，由此构成一个平截头圆锥体通道554。构件550通过四个紧固件556被定位，夹持在室552中。端口部分548具有许多小开孔，556构成一个有孔的或像滤器一样的构件。

这样，在运转中，夹带气体的阴极电解液以垂直螺旋流的涡流运动流出通道552，从而为两相物在氢气室542内进行分离提供了延长的滞留时间。

现在参考图6和图7，终端箱44具有一个概称为600的排气筒，该排气筒包括一个空心的笔直的圆柱筒602，该圆柱筒具有上部604和整体形成的空心倒置平截头圆锥体部分606，该部分606有构成出口608的端口部分。在圆柱筒602内部有一个空心的笔直的内圆柱筒610与其同轴，该内圆柱筒的上部612从部分604伸出并超出部分604，其下部614终止在平截头圆锥体部分606之上并构成进口616。圆柱筒602的园周部分构成基本上圆形的进口孔618，其与以弦位配置的阴极电解液导管620一起形成。开孔618的下部620与进口616的水平面基本上在一条线上。排气筒600组成一个旋液分离器，其中从导管616流出的两相阴极电解液，由于其偏置引入而在室613内部转变为旋流。引发的离心力和重力的综合效应起作用造成气/液分离效果增强，这是由于液体滴落到608并流出608，而气体通过进口616进入圆柱筒610并从出口610流出。箭头表示旋液分离器中气体(粗线)和液体(细线)的总体流向。

虽然上述的图4-6的实施方案已经描述了有关氢气从阴极电解液中的分离，但可以容易地知道这种实施方案加以必要的变更，可以同样地适用于氧气-阳极电解液的分离。

虽然本公开的内容已经描述和说明了本发明的某些优选实施方案，但应该理解本发明并不局限于这些具体的实施方案。更确切地说，本发明包括所有在功能上或在机械上与已经描述和说明的本具体实施方案和特性相同的所有实施方案。

Claims (16)

1.一种分离水的电解装置中夹带第一种电解质水溶液的氢气和夹带第二种电解质水溶液的氧气以生产所述的氢气和所述的氧气的改进方法，该方

法包括：

在所述的第一种溶液中产生所述的氢气的两相第一流出物；

在所述的第二种溶液中产生所述的氧气的两相第二流出物；

将所述的第一流出物供入到第一分离槽中，该第一分离槽具有水平轴和构成氢气室的部分，以使所述的氢气从所述的第一流出物里分离出来；

将所述的第二流出物供入到第二分离槽中，该第二分离槽具有水平轴和构成氧气室的部分，以使所述的氧气从所述的第二流出物里分离出来；

从所述的氢气室收集所述的氢气；

从所述的氧气室收集所述的氧气；

收集所述的第一流出物；

收集所述的第二流出物；

其改进之处至少包括下列之一：所述的第一流出物排进所述的氢气室中；所述的第二流出物排进所述的氧气室中。

2.按照权利要求1的方法，其中包括将所述的第一流出物排入所述的氢气室。

3.按照权利要求1或2的方法，其中包括将所述的第二流出物排入所述的氧气室。

4.按照权利要求1-3中任何一项的方法，其中包括将所述的第一流出物和所述的第二流出物以高于和大于所述的氢气室和氧气室的水平轴的角度予以排出。

5.按照权利要求4的方法，其中包括将所述的第一流出物基本上按平行于所述的氢气室的垂直轴向上地排出。

6.按照权利要求1-5中任何一项的方法，其中包括在所述的氢气室内对所述的第一流出物进行旋液分离。

7.一种用于生产氢气和氧气的改进的水的电解装置，其包括：

在第一种电解质水溶液中，用于产生所述氢气的两相第一流出物的设备；

在第二种电解质水溶液中，用于产生所述氧气的两相第二流出物的设备；

第一分离槽，其中一部分构成氢气室；

第二分离槽，其中一部分构成氧气室；

用于将所述的第一流出物供入到所述的第一分离槽、使所述的氢气从所述的第一流出物中分离出来的设备；

用于将所述的第二流出物供入到所述的第二分离槽、使所述的氧气从所述的第二流出物中分离出来的设备；

用于从所述的氢气室收集所述的氢气的设备；

用于从所述的氧气室收集所述的氧气的设备；

用于从所述的第一分离槽收集所述的第一流出物的设备；

用于从所述的第二分离槽收集所述的第二流出物的设备；

其改进至少包括以下(a)和(b)中的至少一项：(a)将所述的第一流出物加进所述的氢气室的设备；以及(b)将所述的第二流出物加进所述的氧气室的设备。

8.按照权利要求7的电解装置，其中包括将所述的第一流出物加进所述的氢气室的设备。

9.按照权利要求7或8的电解装置，其中包括将所述的第二流出物加进所述的氧气室的设备。

10.按照权利要求7-9中任何一项的电解装置，其中所述的氢气室具有垂直轴和水平轴以及将所述的第一流出物以高于和超过所述水平轴的角度供入的设备。

11.按照权利要求10的电解装置，其中包括将所述的第一流出物按基本上平行于所述垂直轴的角度供入的设备。

12.按照权利要求7-11中任何一项的电解装置，其中所述的氧气室有氧气室水平轴和氧气室垂直轴以及将所述的第二流出物以高于和超过该氧气室水平轴的角度供入的设备。

13.按照权利要求12的电解装置，其中包括用于将所述的第二流出物按基本上平行于所述氧气室垂直轴的角度供入的设备。

14.按照权利要求7-13中任何一项的电解装置，其中所述的第一和第二分离槽中的至少一种构成终端箱。

15.按照权利要求7-14中任何一项的电解装置，其中所述的第一和第二分离槽中的至少一种组成集合槽。

16.按照权利要求7-15中任何一项的电解装置，其中包括在所述的氢气室内的旋液分离器设备。

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