TW202124778A - 電解水生產高純氫氣和/或氧氣之裝置及方法 - Google Patents

電解水生產高純氫氣和/或氧氣之裝置及方法 Download PDF

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Abstract

本發明公開了一種藉由電解水製備高純氫氣和/或氧氣的裝置，包括電解器和將脫鹽水脫氣的脫氣器，脫氣器位於電解器的上游。脫鹽水在脫氣器中加熱脫氣後，其中氣體雜質，特別是氬氣的含量可以減少到幾個ppb（重量比）。這種脫鹽脫氣水在電解器中電解後產生的氫氣和氧氣也含有極少量的氬氣，滿足了半導體產業的需要。本發明還公開了使用上述裝置製備高純氫氣和/或氧氣之方法。

Description

電解水生產高純氫氣和/或氧氣之裝置及方法
本發明屬於高純氣體製備領域，特別是高純氫氣和/或氧氣之 製備，涉及一種電解水生產高純氫氣和氧氣之 裝置及方法。
在工業上，氫氣製備有多種方法，比如包括蒸汽甲烷重整和甲醇重整之化學製氫方法及電解水製氫之電學方法。電解水生產氫氣和氧氣之基本原理係水被直流電力轉換成氣態的氫和氧。根據操作溫度，主要分為低溫電解器和高溫電解器，前者又包含鹼性電解器和質子交換膜電解器兩種，它們都已成為商業中運用的成熟技術。
半導體工業領域需要大量高純氣體，高純係指所需氣體中之雜質含量低於幾個ppb。常規的分離雜質，提純產品氣體之方法包含不同溫度、壓力條件下的吸附和深冷精餾分離，然而上述方法對於分離氫氣及氧氣產品中的氬氣不是很有效。
當半導體工廠同時需要高純氧和高純氫時，電解水製備氫氣和氧氣就成為一種特別合適之方法。先前技術關注的雜質主要為各種有機物，鹽離子，氮氣，二氧化碳，一氧化碳，碳氫化合物，水汽。US 5,484,512公開了一種提供高純氧和高純氫之方法及裝置，包含向電解器提供純水，並將產生的氧氣和氫氣分別經過各自的純化器，採用冷卻、吸收、吸附等方式進一步純化。純水藉由使用脫鹽水或將脫鹽水經解氣膜（degassing membrane）去除氮氣而製備。
先前技術沒有關注到氬氣作為一種雜質存在於電解水製備的氫氣和氧氣中，因此並沒有對降低氬氣含量提供特別之方法和思路。根據先前技術之方法製備的氫氣和氧氣中一般含有重量比70-100 ppb的氬氣。為了在氣體產品中將氬氣的含量降到幾個ppb以下，本發明公開了一種藉由電解水製備高純氫氣和/或氧氣之裝置，包括電解器和將脫鹽水脫氣之脫氣器，脫氣器位於電解器之上游。
進一步地，本發明還包括位於脫氣器上游的脫鹽水處理系統。本發明之電解器包含鹼性電解器，且脫氣器被鹼液換熱器中通過的熱鹼液回流股加熱。
在又一方面，本發明揭露了一種藉由電解水製備高純氫氣和/或氧氣之裝置，包括順序連接的脫鹽水處理系統、可選擇的脫鹽水儲罐、脫氣器給水泵、脫鹽脫氣水換熱器、將脫鹽水脫氣的脫氣器、電解器給水泵以及電解器。其中的電解器為鹼性電解器，且包含電解槽、陽極鹼液分離器、陰極鹼液分離器和鹼液冷卻器。電解器還可以包含鹼液換熱器，流經其中的熱鹼液回流股為脫氣器提供需要的熱量。
本發明中脫鹽水經脫氣器脫氣後的氬含量小於10 ppb（重量比）；產生的高純氫氣和/或氧氣中的氬含量小於5 ppb（重量比）。
本發明中電解器陰極生成的O2 和陽極生成的H2 可進一步純化。
另一方面，本發明公開了一種藉由電解水製備高純氫氣和/或氧氣之方法，包含將脫鹽水在脫氣器中脫氣以得到氬含量小於10 ppb的電解器給水的步驟。
再一方面，本發明公開之方法具體包含以下步驟： a) 將脫鹽水在脫氣器中脫氣得到脫鹽脫氣水， b) 將脫鹽脫氣水經電解器給水泵增壓後得到電解器給水，通入陽極鹼液分離器和陰極鹼液分離器，分離器中的部分鹼液作為熱鹼液回流股在鹼液冷卻器中冷卻後通入與直流電源連通的電解槽； 以及c)，將陰極鹼液分離器中分離出來的O2 和陽極鹼液分離器中分離出來的H2繼續純化後得到產品。
與先前技術相比較，本發明所提供的技術方案具有以下優點：
使用簡單、低成本的脫氣器來降低電解器給水中多種氣體，包含氬氣的含量，從而減少該等雜質在電解後O2 和H2 產品中的含量。
採用鹼液換熱器中通過的熱鹼液回流股加熱脫氣器，進一步節省能源。
由於電解器給水中的氣體雜質已被預先移除，使得電解後在兩極得到的氣體含有的雜質種類更少，後續的純化過程更簡單，純化設備更低廉。
下面結合附圖詳細說明本發明之具體實施方式。然而，應當將本發明理解成並不局限於以下描述的這種實施方式，並且本發明之技術理念可以與其他公知技術或功能與那些公知技術相同之其他技術組合實施。
在以下具體實施方式的說明中，為了清楚展示本發明之結構及工作方式，將借助諸多方向性詞語進行描述，但是應當將「前」、「後」、「左」、「右」、「外」、「內」、「向外」、「向內」、「軸向」、「徑向」等詞語理解為方便用語，而不應當理解為限定性詞語。
在以下具體實施方式的說明中，需要理解的是，術語「長度」、「寬度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定方位、以特定方位構造和操作，因此不理解為對本發明之限制。
術語「上游」、「下游」係指若干步驟、設備或設備的若干部分之間之相對位置關係。在本發明中，按照製程流程先進行的步驟、先使用的設備位於其後步驟或設備的上游。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以藉由中間媒介間接連接，可以是兩個元件內部之連通或兩個元件之相互作用關係。對於熟悉該項技術者而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
除非清楚地指出相反的，這裡限定的每個方面或實施方案可以與任何其他一個或多個方面或一個或多個實施方案組合。特別地，任何指出的作為較佳的或有利的特徵可以與任何其他指出的作為較佳的或有利的特徵組合。
電解器係指與直流電源相連並將水電解生成O2 和H2 的裝置。各種電解器，包括鹼性電解器、酸性電解器和質子交換膜電解器等都適用於本發明。以鹼性電解器為例，採用10%~30%的KOH水溶液作為電解液，並發生如下反應：
Figure 02_image001
在陰極：4OH‐ O2 + 2H2 O + 4e‐ ；
Figure 02_image002
在陽極：4H2 O + 4e‐ 4OH‐ + 2H2
Figure 02_image003
總反應：2H2 O          2H2 + O2
從結構上來看，一個鹼性電解器包含插有電極的電解槽，在兩個電極附近產生的氣體分別通過管路通入陽極鹼液分離器和陰極鹼液分離器，H2 和O2 分別從分離器的頂端離開進入下一步純化步驟；新鮮的電解器給水分別補充到兩個分離器中，並從分離器的底部離開，經鹼液冷卻器冷卻後回流至電解槽。
電解器給水係指通入電解器的補充水。先前技術中一般採用脫鹽水，本發明中的脫鹽水在脫氣器中進一步脫氣後得到電解器給水。
脫鹽水處理系統係指能夠將原水，如自來水中的強電解質和/或部分弱電解質移除的系統。一般採用包含蒸餾、離子交換、電滲析等方法中的一種或幾種的結合。適用於半導體工業的脫鹽水較好地具有等於或高於18 MΩ·cm（25°C）的電阻。
脫氣器的工作原理係基於氣體在水中的溶解度隨水溫的升高和接近飽和溫度而降低。脫氣器的結構可以有多種形式，比較常見的一種為塔狀結構，塔內包含多塊層板。待脫氣的流股從塔的頂部噴射下來，洗滌水被加熱到飽和溫度並從塔的底部輸入塔中。噴射和層板的設置能夠加大待脫氣流股和洗滌水的接觸面積，增加脫氣的效率。待脫氣流股通過和洗滌水接觸換熱達到飽和溫度，其中溶解的氣體被釋放並經過氣體排放口排出脫氣器，脫氣後的流股在塔的底部彙聚輸出。脫氣器可以有效地去除水中溶解的大部分氣體，包含O2 、N2 、CO2 、Ar等，使它們的含量降到幾個ppb級別。
下面結合附圖1-3詳細說明本發明之具體實施方式。
圖1係本發明所提供的藉由電解水製備高純氫氣和/或氧氣的裝置之結構示意圖；包含電解器100和前置的處理原水，生成電解器給水的裝置。其中當A點與B點直接相連，C點與D點直接相連時描述了一種先前技術。在這一先前技術中，原水20經脫鹽水處理系統6脫鹽後生成脫鹽水21。可選擇的，脫鹽水21通入脫鹽水儲罐7，或者直接經電解器給水泵8升壓後成為電解器給水22。電解器給水22分別通入陰極鹼液分離器2與陽極鹼液分離器3。陰極鹼液分離器2與陽極鹼液分離器3分別接收來自電解槽1的鹼液氧氣混合流12與鹼液氫氣混合流13。在每個分離器中，鹼液與氣體的混合物被加熱而使氣體從混合物中分離出來。氧氣15從陰極鹼液分離器的頂部排出，相應的，氫氣14從陽極鹼液分離器的頂部排出。兩個分離器裡的部分鹼液從分離器底部排出，匯流後形成熱鹼液回流股10，該流股經鹼液泵5升壓後，在鹼液冷卻器4中被冷卻水30冷卻至大約常溫的冷鹼液回流股11，然後通入電解槽1。
圖2描述了本發明之一個實施方式，其與圖1所示的先前技術的區別在於在A點與B點之間增加了與脫氣相關的設備。具體表現為，脫鹽水21被脫氣器給水泵50升壓後，作為冷脫鹽水進水60通入脫鹽脫氣水換熱器51，被加熱後得到熱脫鹽水出水61，流股61從頂部進入脫氣器52。脫氣器52具有加熱器53，脫氣後的熱脫鹽脫氣水63從脫氣器52底部排出，釋放出的氣體從頂部藉由氣體排放管道62排出。熱脫鹽脫氣水63作為熱介質進入脫鹽脫氣水換熱器51，換熱冷卻後成為冷脫鹽脫氣水64。流股64經電解器給水泵8升壓後成為電解器給水22繼續後面的製程流程。
由於圖2中的電解器給水22在脫鹽脫氣後既不含鹽分，也只含極少量的氣體（小於幾個ppb重量比），這使得在電解槽中產生的O2 和H2 中雜質的成分也相應單純，（氬氣的含量小於5 ppb，幾乎不含二氧化碳），從而簡化了進一步的純化步驟。例如在兩極釋放的氣體產品中分別含有少量的另一種氣體，這可以藉由催化反應將其轉化成水，此時氣體產品中的主要副產品為水，可以藉由液氮將水冷凝分離，並最後使用吸附劑，如分子篩吸附去除殘餘的水。
圖3描述了本發明之再一個實施方式，在圖2的基礎上，即在A點與B點之間增加了與脫氣相關的設備的前提下，在C點和D點之間連接了鹼液換熱器70。從兩個鹼液分離器匯流而成的熱鹼液回流股10在經過鹼液泵5增壓後，通入鹼液換熱器70。鹼液換熱器70的一端伸入脫氣器52，用來自熱鹼液回流股10的熱量加熱脫氣器底部的洗滌水，換熱後的熱鹼液回流股10藉由鹼液冷卻器4進一步冷卻後回流入電解槽1。利用熱鹼液回流股的能量加熱脫氣器減少了外部能量的需求，提高了能量利用效率。
如無特別說明，本文中出現的類似於「第一」、「第二」的限定語並非係指對時間順序、數量、或者重要性的限定，而僅僅是為了將本技術方案中的一個技術特徵與另一個技術特徵相區分。同樣地，本文中出現的類似於「一」的限定語並非係指對數量的限定，而是描述在前文中未曾出現的技術特徵。同樣地，本文中在數詞前出現的類似於「大約」、「近似地」的修飾語通常包含本數，並且其具體的含義應當結合上下文意理解。同樣地，除非係有特定的數量量詞修飾的名詞，否則在本文中應當視作即包含單數形式又包含複數形式，在該技術方案中即可以包括單數個該技術特徵，也可以包括複數個該技術特徵。
本說明書中所述的只是本發明之較佳具體實施方式，以上實施方式僅用以說明本發明之技術方案而非對本發明之限制。凡熟悉該項技術者依本發明之構思藉由邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在本發明之範圍之內。
儘管本發明之內容已經藉由上述較佳的實施方式作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明之限制。在熟悉該項技術者閱讀了上述內容後，對於本發明之多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明之保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。
100:電解器 1:鹼性電解槽 2:陰極鹼液分離器 3:陽極鹼液分離器 4:鹼液冷卻器 5:鹼液泵 6:脫鹽水處理系統 7:脫鹽水儲罐 8:電解器給水泵 10:熱鹼液回流股 11:冷鹼液回流股 12:鹼液氧氣混合流 13:鹼液氫氣混合流 14:氫氣 15:氧氣 20:原水 21:脫鹽水 22:電解器給水 30:冷卻水 50:脫氣器給水泵 51:脫鹽脫氣水換熱器 52:脫氣器 53:加熱器 60:冷脫鹽水進水 61:熱脫鹽水出水 62:氣體排放管道 63:熱脫鹽脫氣水 64:冷脫鹽脫氣水 70:鹼液換熱器 71:真空泵
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖得到進一步的瞭解。
[圖1]係本發明所提供的藉由電解水製備高純氫氣和/或氧氣的裝置之結構示意圖；其中A點與B點直接相連，C點與D點直接相連時描述了先前技術中的一種方式。
[圖2]係本發明之一個實施方式之結構示意圖，其中A點和B點之間佈置了將電解器給水加熱脫氣的脫氣器；
[圖3]係本發明之再一個實施方式之結構示意圖，其中C點和D點之間佈置了鹼液換熱器，用以把熱鹼液回流股的熱量傳遞給脫氣器。
圖中：100-電解器；1-鹼性電解槽；2-陰極鹼液分離器；3-陽極鹼液分離器；4-鹼液冷卻器；5-鹼液泵；6-脫鹽水處理系統；7-脫鹽水儲罐；8-電解器給水泵；10-熱鹼液回流股；11-冷鹼液回流股；12-鹼液氧氣混合流；13-鹼液氫氣混合流；14-氫氣；15-氧氣；20-原水；21-脫鹽水；22-電解器給水；30-冷卻水；50-脫氣器給水泵；51-脫鹽脫氣水換熱器；52-脫氣器；53-加熱器；60-冷脫鹽水進水；61-熱脫鹽水出水；62-氣體排放管道；63-熱脫鹽脫氣水；64-冷脫鹽脫氣水；70-鹼液換熱器；71-真空泵。
無
50:脫氣器給水泵
51:脫鹽脫氣水換熱器
52:脫氣器
53:加熱器
60:冷脫鹽水進水
61:熱脫鹽水出水
62:氣體排放管道
63:熱脫鹽脫氣水
64:冷脫鹽脫氣水

Claims (12)

  1. 一種藉由電解水製備高純氫氣和/或氧氣的裝置，其特徵在於，該裝置包括電解器和位於所述電解器上游的將脫鹽水脫氣的脫氣器。
  2. 如請求項1所述之裝置，其特徵在於，該裝置還包括位於脫氣器上游的脫鹽水處理系統。
  3. 如請求項1所述之裝置，其特徵在於，所述電解器包含鹼性電解器。
  4. 如請求項3所述之裝置，其特徵在於，所述電解器還包含鹼液換熱器,脫氣器需要的熱量由鹼液換熱器中藉由的熱鹼液回流股提供。
  5. 一種藉由電解水製備高純氫氣和/或氧氣的裝置，其特徵在於，該裝置包括順序連接的脫鹽水處理系統、可選擇地脫鹽水儲罐、脫氣器給水泵、脫鹽脫氣水換熱器、將脫鹽水脫氣的脫氣器、電解器給水泵以及電解器。
  6. 如請求項5所述之裝置，其特徵在於，所述電解器為鹼性電解器，且包含電解槽、陽極鹼液分離器、陰極鹼液分離器和鹼液冷卻器。
  7. 如請求項6所述之裝置，其特徵在於，所述電解器還包含鹼液換熱器，流經其中的熱鹼液回流股為脫氣器提供需要的熱量。
  8. 如請求項1-7所述之裝置，其特徵在於，脫鹽水經脫氣器脫氣後的氬含量小於10 ppb，以重量比計。
  9. 如請求項1-8所述之裝置，其特徵在於，產生的高純氫氣和/或氧氣中的氬含量小於5 ppb，以重量比計。
  10. 如請求項1-9所述之裝置，其特徵在於，該裝置還包括對電解器中產生的氫氣和/或氧氣繼續純化的設備。
  11. 一種藉由電解水製備高純氫氣和/或氧氣之方法，其特徵在於，該方法包含：將脫鹽水在脫氣器中脫氣，以得到氬含量以重量比計小於10 ppb的電解器給水的步驟。
  12. 一種藉由電解水製備高純氫氣和/或氧氣之方法，其特徵在於，該方法包含以下步驟： a) 將脫鹽水在脫氣器中脫氣得到脫鹽脫氣水， b) 將脫鹽脫氣水經電解器給水泵增壓後得到電解器給水，分別通入陽極鹼液分離器和陰極鹼液分離器，分離器中的部分鹼液作為熱鹼液回流股在鹼液冷卻器中冷卻後通入與直流電源連通的電解槽； 以及c)，將陰極鹼液分離器中分離出來的O2 和陽極鹼液分離器中分離出來的H2 繼續純化後得到產品。
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