TW202319587A - 具有脫氣器的鹼性電解設備及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明關於一種用於鹼性電解的電解設備以及一種藉由電解鹼性電解介質生產氫氣和氧氣之方法。根據本發明，陽極電解液脫氣器件被佈置在陽極電解液氣-液分離器的下游並被佈置在該電解設備的電解池堆疊體的上游，和/或陰極電解液脫氣器件被佈置在陰極電解液氣-液分離器的下游並被佈置在該電解設備的電解池堆疊體的上游。藉由該佈置，利用了這樣的事實，即許多不希望的氣體成分在該鹼性電解介質中具有比在純去離子水中低得多的溶解度，該純去離子水作為淡水被供應到該電解設備，用於補償藉由電化學反應消耗的水。

Description

具有脫氣器的鹼性電解設備及其方法

本發明關於一種用於工業規模上的鹼性電解的電解設備以及一種藉由在工業規模上電解鹼性電解介質生產氫氣和氧氣之方法。本發明進一步關於根據本發明之電解設備用於從陽極電解液和/或陰極電解液類型的鹼性電解介質中除去氬氣之用途。

對於許多工業應用，例如電子市場，需要非常高純度的氫氣和氧氣。例如，經常要求氬氣含量必須降低至小於50 ppb（十億分之一）的水平。

一般來說，現在主要藉由以下生產方法生產氫氣。首先，蒸汽甲烷重整，隨後藉由變壓吸附（PSA）純化粗含氫氣產物。第二，甲醇重整，隨後藉由PSA純化。以及第三，藉由電解水，隨後藉由催化提純氫氣產物以除去氧氣，並且然後吸附提純以除去水。

在這三種情況中的任一種情況下，純化的氫氣產物中氬氣的存在係由生產過程的原料中氬氣的存在引起的。氬氣源自天然氣（蒸汽重整）或甲醇（甲醇重整），或者源自供給電解器的進料水或蒸汽（電解）。

氬氣係一種特別難以從氫氣中除去的雜質。迄今為止，還沒有從氫氣中除去氬氣的有效解決方案。目前已知的技術如下。

微通道鈀膜技術可以使氬氣除去到低於1 ppb的水平。然而，這種技術係非常昂貴的，並且只能應用於待處理的少量氫氣。

由於對能量和設備的要求，低溫蒸餾也是非常昂貴的，因為起始材料必須冷卻到極低的溫度。

另一種技術包括藉由脫氣過程從進料水上游除去氬氣。

根據一種技術，脫氣係藉由注入蒸汽或藉由在儲水箱中加熱以減少進料水中的溶解氣體的含量來實現的。這種技術通常用於藉由重整產生氫氣，以便從用於生產蒸汽的水中除去氧氣。

根據另一種技術，脫氣係藉由將少量純氫氣注入進料水中以藉由置換蒸發溶解氣體的一部分來實現的。

然而，上述技術不可能達到例如電子應用中所需的純度。

此外，上述技術中的至少一些係複雜且昂貴的，並且不能在工業規模上應用。

本發明之總體目的係提供一種裝置和/或方法，該裝置和/或方法至少部分地克服了先前技術的問題。

特別地，本發明之總體目的係提供一種電解設備，該電解設備至少部分地克服了先前技術的問題。

本發明之另一個目的係提供一種電解設備，該電解設備提供了具有低氬氣含量的氫氣產物。

本發明之另一個目的係提供一種電解設備，該電解設備提供了具有低氬氣含量的氧氣產物。

本發明之另一個目的係提供一種電解設備，該電解設備為上述技術提供了替代方案，以降低待生產的氣體中不希望的氣體成分的比例。

特別地，本發明之另一個目的係提供一種電解設備，該電解設備為上述技術提供了替代方案，以降低氫氣產物中不是氫氣的氣體的比例。

特別地，本發明之另一個目的係提供一種電解設備，該電解設備為上述技術提供了替代方案，以降低氧氣產物中不是氧氣的氣體的比例。

特別地，本發明之另一個目的係提供一種電解設備，該電解設備為上述技術提供了替代方案，以降低氫氣產物中的氬氣含量。

特別地，本發明之另一個目的係提供一種電解設備，該電解設備為上述技術提供了替代方案，以降低氧氣產物中的氬氣含量。

本發明之另一個目的係提供一種電解設備之用途，該電解設備至少部分地解決了上述問題中的至少一個。

本發明之另一個目的係提供一種方法，該方法至少部分地解決上述問題中的至少一個。

獨立請求項的主題為上述至少一個目的的至少部分解決方案做出了貢獻。從屬請求項提供了有助於至少一個目的的至少部分解決方案的較佳的實施方式。如果適用，根據本發明之一種類別的元件的較佳的實施方式對於根據本發明之相應其他類別的相同或對應元件的部件也應當係較佳的。

術語「具有」、「包括」或「包含」等不排除可能包括另外的元件、成分等的可能性。不定冠詞「一個/種（a/an）」不排除可能存在複數。

總體上，潛在問題中的至少一個至少部分地藉由用於鹼性電解的電解設備解決，該電解設備包括： -   電解池堆疊體，其包括用於從鹼性電解介質電化學產生氫氣和氧氣的多個電解池，其中該電解池堆疊體包括用於產生氧氣的陽極區和用於產生氫氣的陰極區； -   陽極電解液氣-液分離器，其被配置用於從該鹼性電解介質的載氧陽極電解液部分中分離氧氣； -   陰極電解液氣-液分離器，其被配置用於從該鹼性電解介質的載氫陰極電解液部分中分離氫氣； -   陽極電解液冷卻器件，其被佈置在該陽極電解液氣-液分離器的下游和該電解池堆疊體的上游，該陽極電解液冷卻器件被配置為在貧氧陽極電解液被供應到該電解池堆疊體之前冷卻從該陽極電解液氣-液分離器中排出的貧氧陽極電解液，和/或 陰極電解液冷卻器件，其被佈置在該陰極電解液氣-液分離器的下游和該電解池堆疊體的上游，該陰極電解液冷卻器件被配置為在貧氫陰極電解液被供應到該電解池堆疊體之前冷卻從該陰極電解液氣-液分離器中排出的貧氫陰極電解液； -   陽極電解液脫氣器件，其被佈置在該陽極電解液氣-液分離器的下游並被佈置在該電解池堆疊體的上游 和/或陰極電解液脫氣器件，其被佈置在該陰極電解液氣-液分離器的下游並被佈置在該電解池堆疊體的上游。

如技術人員已知的，電解池堆疊體由直流電源、特別是整流器供應直流電，以實現電解池堆疊體中的電化學水分解反應。由電解池堆疊體和直流電源組成的單元也被稱為電解器。因此，根據一個實施方式，電解設備包括被配置為向電解池堆疊體供應直流電的直流電源。

此外，還如熟悉該項技術者已知的，電解設備包括供水器，該供水器向電解設備供應去離子水以補償電解池堆疊體中電化學水分解反應所消耗的水。因此，根據一個實施方式，電解設備包括水源，該水源向電解設備供應去離子水以補償電解所消耗的水。

「電解介質」也可以被稱為「電解液」。發生氧化反應的電解設備的陽極側的電解液被稱為「陽極電解液」，而發生還原反應的電解設備的陰極側的電解液被稱為「陰極電解液」。

根據本發明，陽極電解液脫氣器件和/或陰極電解液脫氣器件分別被佈置在陽極電解液氣-液分離器和陰極電解液氣-液分離器的下游以及電解池堆疊體的上游。換句話說，陽極電解液脫氣器件和/或陰極電解液脫氣器件被佈置在相應的氣-液分離器與電解池堆疊體之間。也就是說，從陰極電解液氣-液分離器中排出的貧氫陰極電解液將被脫氣，並且然後被供應到電解池堆疊體的陰極區。相應地，從陽極電解液氣-液分離器中排出的貧氧陽極電解液將被脫氣，並且然後被供應到電解池堆疊體的陽極區。因此，根據一個實施方式，陽極電解液脫氣器件被佈置在陽極電解液氣-液分離器的下游並被佈置在電解池堆疊體的陽極區的上游。相應地，陰極電解液脫氣器件被佈置在陰極電解液氣-液分離器的下游並被佈置在電解池堆疊體的陰極區的上游。

本發明利用了這樣的事實，即許多不希望的氣體成分在鹼性電解介質中具有比在純去離子水中低得多的溶解度，該純去離子水作為淡水被供應到電解設備。特別地，在1巴和20°C的平衡條件下，可溶於純水中的氬氣分數為259 ppb，而在相同條件下，在30 wt.-% KOH（氫氧化鉀）在水中的濃鹼水溶液中僅為15 ppb。因此，將鹼性電解介質脫氣比將供應到電解設備的去離子淡水脫氣更容易，並且導致更少量的不希望的溶解氣體成分。供應到電解池堆疊體的電解液（陽極電解液或陰極電解液）中不希望的溶解氣體成分的量越低，產物氣體（氫氣或氧氣）中不希望的氣體成分的量就越低。

在本發明之目的的上下文中，術語「脫氣器件」意指被配置為從相應的電解液類型（陽極電解液或陰極電解液）中除去不希望的溶解氣體成分的單元或裝置，該等溶解氣體成分不對應於待生產的氣體，其特別意指電解設備的陰極側上的氫氣和陽極側上的氧氣。特別地，「脫氣器件」係脫氣器。「脫氣器件」還可以被稱為「除氣器件」。「脫氣器」還可以被稱為「除氣器」。經過必要的調整，這同樣適用於術語「脫氣」或「除氣」，其中術語「脫氣」應以與術語「除氣」相同的方式理解。

電解設備的上述部件，特別是電解池堆疊體、陽極電解液氣-液分離器、陰極電解液氣-液分離器、陽極電解液冷卻器件和/或陰極電解液冷卻器件、以及陽極電解液脫氣器件和/或陰極電解液脫氣器件彼此流體連通。特別地，在電解池堆疊體的陰極區中產生的載氫陰極電解液被引入陰極電解液氣-液分離器，其中氫氣從載氫陰極電解液中被分離。載氫陰極電解液係兩相系統（氣體/液體），從中分離出氣相，即氫氣。氫氣從陰極電解液氣-液分離器中排出。剩餘的貧氫陰極電解液仍然含有溶解的、並且特別是不希望的溶解氣體。因此，貧氫陰極電解液隨後從陰極電解液氣-液分離器中排出，並被送到陰極電解液脫氣器件，該器件被配置用於將貧氫陰極電解液脫氣或除氣。除氣或脫氣的貧氫陰極電解液隨後被引入到電解池堆疊體的陰極區，用於在電解池堆疊體的陰極區重新產生氫氣。特別地，在電解池堆疊體的陽極區中產生的載氧陽極電解液被引入陽極電解液氣-液分離器，其中從載氧陰極電解液中分離氧氣。載氧陰極電解液係兩相系統（氣體/液體），從中分離出氣相，即氧氣。氧氣從陽極電解液氣-液分離器中排出。剩餘的貧氧陽極電解液仍然含有溶解的、並且特別是不希望的溶解氣體。因此，貧氧陽極電解液隨後從陽極電解液氣-液分離器中排出，並被送到陽極電解液脫氣器件，該器件被配置用於將貧氧陽極電解液脫氣或除氣。除氣或脫氣的貧氧陽極電解液隨後被引入到電解池堆疊體的陽極區，用於在電解池堆疊體的陽極區重新產生氧氣。根據本發明之電解設備可以僅包括陽極電解液脫氣器件、僅包括陰極電解液脫氣器件或者包括陽極電解液脫氣器件和陰極電解液脫氣器件兩者。

根據一個實施方式，電解設備包括被佈置在陽極電解液脫氣器件和/或陰極電解液脫氣器件的下游的混合裝置。在這種佈置中，將除氣的貧氧陽極電解液和/或除氣的貧氫陰極電解液在脫氣後至少部分地混合，以平衡陽極電解液和陰極電解液中不相等的鹼液濃度。所得混合的電解液隨後被分解，其中一部分被引入電解池堆疊體的陽極區，並且一部分被引入電解池堆疊體的陰極區。

根據一個實施方式，電解設備包括被佈置在陽極電解液脫氣器件和/或陰極電解液脫氣器件的上游的混合裝置。在這種佈置中，將貧氧陽極電解液和貧氫陰極電解液首先至少部分地混合，以平衡陽極電解液和陰極電解液中不相等的鹼液濃度，並且隨後藉由陽極電解液和/或陰極電解液脫氣器件脫氣。所得混合的電解液流隨後被分成兩個部分，其中一部分被引入電解池堆疊體的陽極區，並且一部分被引入電解池堆疊體的陰極區。根據該佈置，陽極電解液脫氣器件和陰極電解液脫氣器件可以形成一個單獨的單元或脫氣器，並且所述脫氣器被佈置在混合的電解液流被分開的點的上游。在這種情況下，陽極電解液和陰極電解液脫氣器件可以被稱為組合的陽極電解液和陰極電解液脫氣器件或混合電解液脫氣器件。特別地，組合的陽極電解液和陰極電解液脫氣器件係組合的陽極電解液和陰極電解液脫氣器。特別地，混合的電解液脫氣器件係混合的電解液脫氣器。

陽極電解液冷卻器件可以被佈置在陽極電解液氣-液分離器的下游和電解池堆疊體的上游、特別是電解池堆疊體的陽極區。陽極電解液冷卻器件被配置為冷卻陽極電解液，即陽極電解液被冷卻至設定的目標溫度。特別地，陽極電解液冷卻器件係陽極電解液冷卻器或陽極電解液冷卻器件。藉由電化學分解水，將電能部分地轉化為熱能，熱能被陽極電解液冷卻器件耗散。

陰極電解液冷卻器件可以被佈置在陰極電解液氣-液分離器的下游和電解池堆疊體的上游、特別是電解池堆疊體的陰極區。陰極電解液冷卻器件被配置為冷卻陰極電解液，即陰極電解液被冷卻至設定的目標溫度。特別地，陰極電解液冷卻器件係陰極電解液冷卻器或陰極電解液冷卻單元。藉由電化學分解水，將電能部分地轉化為熱能，熱能被陰極電解液冷卻器件耗散。

根據本發明之電解設備可以僅包括陽極電解液冷卻器件、僅包括陰極電解液冷卻器件或者包括陽極電解液冷卻器件和陰極電解液冷卻器件兩者。陽極電解液冷卻器件和陰極電解液冷卻器件還可以作為單個單元來實現，其中貧氧陽極電解液和貧氫陰極電解液都被冷卻。這種單元可以被稱為組合的陽極電解液和陰極電解液冷卻器件。在電解設備包括至少部分地混合貧氧陽極電解液和貧氫陰極電解液的混合裝置的情況下，可能僅需要一個單獨的冷卻器或冷卻單元。這種冷卻器或冷卻單元可以被稱為組合的陽極電解液和陰極電解液冷卻器件或混合的電解液冷卻器件。

根據電解設備的一個實施方式，鹼性電解介質係濃鹼溶液，特別是濃鹼水溶液，特別是具有高達30 wt.-%、或高達35 wt.-%、或高達40 wt.-%的濃度的KOH水溶液。

根據電解設備的一個實施方式，陽極電解液脫氣器件被佈置在陽極電解液氣-液分離器的下游並被佈置在陽極電解液冷卻器件的上游，和/或陰極電解液脫氣器件被佈置在陰極電解液氣-液分離器的下游並被佈置在陰極電解液冷卻器件的上游。

也就是說，陽極電解液脫氣器件和/或陰極電解液脫氣器件較佳的是被佈置在陽極電解液氣-液分離器和/或陰極電解液氣-液分離器與陽極電解液冷卻器件和/或陰極電解液冷卻器件之間。陽極電解液和/或陰極電解液的除氣在鹼性電解液的較高溫度下得到改善，因為不希望的氣體的溶解度隨著溫度降低。

根據電解設備的一個實施方式，陽極電解液再循環泵（被配置為在陽極電解液氣-液分離器與電解池堆疊體之間再循環陽極電解液）被佈置在陽極電解液脫氣器件的下游和陽極電解液冷卻器件的上游，和/或陰極電解液再循環泵（被配置為在陰極電解液氣-液分離器與電解池堆疊體之間再循環陰極電解液）被佈置在陰極電解液脫氣器件的下游和陰極電解液冷卻器件的上游。

根據電解設備的另一個實施方式，陽極電解液脫氣器件被佈置在陽極電解液氣-液分離器的下游，陽極電解液再循環泵被佈置在陽極電解液脫氣器件的下游，並且陽極電解液冷卻器件被佈置在陽極電解液再循環泵的下游。另外地或可替代地，陰極電解液脫氣器件被佈置在陰極電解液氣-液分離器的下游，陰極電解液再循環泵被佈置在陰極電解液脫氣器件的下游，並且陰極電解液冷卻器件被佈置在陰極電解液再循環泵的下游。

根據一個實施方式，電解設備包括氫氣純化單元，該氫氣純化單元被配置用於從在陰極電解液氣-液分離器中分離的氫氣中除去氧氣和水，由此可藉由該氫氣純化單元獲得純化的氫氣。

較佳的是並且根據該實施方式，氫氣以兩個步驟純化。首先，氫氣流中包含的氧氣（由於膜穿越或電解液混合）在催化劑床中與氫氣反應形成水。其次，由此形成的水和從氣-液分離器中夾帶的水在乾燥床中（例如藉由分子篩）被除去。

根據電解設備的一個實施方式，陰極電解液脫氣器件被配置用於藉由供應到陰極電解液脫氣器件的氫氣將貧氫陰極電解液除氣。

藉由置換原理，這有效地從電解液、特別是陰極電解液中除去了不希望的氣體成分。換句話說，藉由引入過量的氫氣，不希望的氣體成分從陰極電解液中脫氣並被氫氣取代，從而在陰極電解液氣-液分離器中獲得純的氫氣產物。除氣的不希望的氣體成分例如被排放到大氣中。

因此，根據電解設備的一個實施方式，供應到陰極電解液脫氣器件的氫氣包括可藉由根據上述實施方式的氫氣純化單元獲得的純化的氫氣。

如上所述，藉由置換引入氫氣來除去不希望的氣體成分。因此，如果將純化的氫氣用於除氣過程係特別有利的，因為這樣較少的不希望的氣體被引入到電解液中，這進一步提高了氫氣產物的純度。這種配置具有進一步的優點，即除氣過程不需要外部氫源，除氣介質可以從內部氫生產和純化中分出來。

根據電解設備的一個實施方式，陽極電解液脫氣器件被配置用於藉由供應到陽極電解液脫氣器件的氧氣將貧氧陽極電解液除氣。

藉由置換原理，這有效地從電解液、特別是陽極電解液中除去了不希望的氣體成分。換句話說，藉由引入過量的氧氣，不希望的氣體成分從電解液中脫氣並被氧氣取代，從而在陽極電解液氣-液分離器中獲得純的氧氣產物。除氣的不希望的氣體成分例如被排放到大氣中。

根據一個實施方式，電解設備包括氧氣純化單元，該氧氣純化單元被配置用於從在陽極電解液氣-液分離器中分離的氧氣中除去氫氣和水，由此可藉由該氧氣純化單元獲得純化的氧氣。

根據電解設備的一個實施方式，供應到陽極電解液脫氣器件的氧氣包含可藉由根據上述實施方式的氧氣純化單元獲得的純化的氧氣。

藉由適當的調整，根據該等配置的優點對應於上述關於在電解設備的陰極側用純氫氣除氣的那些。

根據電解設備的一個實施方式，陽極電解液脫氣器件和/或陰極電解液脫氣器件包括加熱器件，以便將貧氫陰極電解液和/或貧氧陽極電解液除氣。

貧氫陰極電解液和/或貧氧陽極電解液的除氣還可以藉由簡單加熱相應的電解液部分來實現。在另一個實施方式中，貧氫陰極電解液和/或貧氧陽極電解液的除氣得到改善，即藉由加熱相應的電解液部分得到增強，但是陽極電解液和/或陰極電解液仍然主要藉由分別被氧氣和氫氣置換不希望的氣體成分而被除氣。

總體上，潛在問題中的至少一個至少部分地藉由以下方式解決：將根據本發明之用於鹼性電解的電解設備的至少一個實施方式用於在工業規模上藉由鹼性水電解生產氫氣和氧氣時，從陽極電解液和/或陰極電解液類型的鹼性電解介質中除去氬氣。

根據本發明之電解設備特別適用於生產氫氣或氧氣，特別是具有低氬氣含量的氫氣。特別地，當使用根據本發明之電解設備時，可以獲得具有小於50 ppb（v/v，例如作為體積分數測量）的氬氣含量的氫氣產物。

總體上，潛在問題中的至少一個至少部分地藉由用於藉由電解鹼性電解介質生產氫氣和氧氣之方法解決，該方法包括以下方法步驟： -   藉由電解池堆疊體電化學分解該鹼性電解介質中包含的水，由此獲得從該電解池堆疊體的陰極區中排出的載氫陰極電解液和從該電解池堆疊體的陽極區中排出的載氧陽極電解液； -   將該載氫陰極電解液供應到陰極電解液氣-液分離器以從該載氫陰極電解液中分離氫氣，由此獲得氫氣和貧氫陰極電解液； -   將該載氧陽極電解液供應到陽極電解液氣-液分離器以從該載氧陽極電解液中分離氧氣，由此獲得氧氣和貧氧陽極電解液； -   從該陰極電解液氣-液分離器中排出該貧氫陰極電解液，視需要冷卻該貧氫陰極電解液，並將該貧氫陰極電解液供應到該電解池堆疊體的該陰極區； -   從該陽極電解液氣-液分離器中排出該貧氧陽極電解液，視需要冷卻該貧氧陽極電解液，並將該貧氧陽極電解液供應到該電解池堆疊體的該陽極區； -   藉由陰極電解液脫氣器件將從該陰極電解液氣-液分離器中排出的該貧氫陰極電解液除氣，並將該除氣的貧氫陰極電解液供應到該電解池堆疊體，和/或藉由陽極電解液脫氣器件將從該陽極電解液氣-液分離器中排出的該貧氧陽極電解液除氣，並將該除氣的貧氧陽極電解液供應到該電解池堆疊體。

所列出的處理步驟不必一定以給定的順序來進行。

術語「除氣」以與術語「脫氣」相同的方式理解，在本發明之目的的上下文中，意指具有從相應的電解液類型（陽極電解液或陰極電解液）中除去不希望的溶解氣體成分的效果的處理步驟。不希望的氣體成分不對應於待生產的氣體，這意指電解設備的陰極側上的氫氣和陽極側上的氧氣。

根據本發明之方法，分別藉由陰極電解液脫氣器件和/或陽極電解液脫氣器件將從陰極電解液氣-液分離器中排出的貧氫陰極電解液和/或從陽極電解液氣-液分離器中排出的貧氧陽極電解液除氣。除氣的陰極電解液和/或陽極電解液隨後被供應到電解池堆疊體。

同樣，根據本發明之方法，將鹼性電解介質除氣比將供應到電解設備的去離子淡水除氣更容易，並且導致更少量的不希望的溶解氣體成分。

根據一個實施方式，將貧氫陰極電解液和貧氧陽極電解液在分別由陽極電解液脫氣器件和陰極電解液脫氣器件除氣之前或之後至少部分地混合。為了平衡陽極電解液和陰極電解液中不同的鹼液濃度，可以進行混合。在除氣之前進行混合的情況下，陽極電解液脫氣器件和陰極電解液脫氣器件可以是一個單獨的單元，被稱為組合的陽極電解液和陰極電解液脫氣器件或混合的電解液脫氣器。

根據該方法的一個實施方式，鹼性電解介質係濃鹼溶液，特別是濃鹼水溶液，特別是具有高達30 wt.-%、或高達35 wt.-%、或高達40 wt.-%的濃度的KOH水溶液。

根據該方法的一個實施方式，貧氫陰極電解液的除氣和/或貧氧陽極電解液的除氣在冷卻貧氫陰極電解液和貧氧陽極電解液之前進行。

根據該實施方式，首先將貧氫陰極電解液除氣，然後冷卻，並且然後供應到電解池堆疊體的陰極區，和/或首先將貧氧陽極電解液除氣，然後冷卻，並且然後供應到電解池堆疊體的陽極區。陽極電解液和/或陰極電解液的除氣在鹼性電解液的較高溫度下得到改善，因為不希望的氣體的溶解度隨著溫度降低。

根據該方法的一個實施方式，在陰極電解液氣-液分離器中分離的氫氣從所述氣-液分離器中排出，並被供應到氫氣純化單元用於除去水和氧氣，以獲得純化的氫氣。

較佳的是並且根據該實施方式，氫氣以兩個步驟純化。首先，氫氣流中包含的氧氣（由於膜穿越或電解液混合）在催化劑床中與氫氣反應形成水。其次，由此形成的水和從氣-液分離器中夾帶的水在乾燥床中（例如藉由分子篩）被除去。

根據該方法的一個實施方式，貧氫陰極電解液的除氣藉由將氫氣引入貧氫陰極電解液中來實現。

根據該方法的該實施方式，藉由置換原理，從電解液、特別是陰極電解液中除去了不希望的氣體成分。換句話說，藉由引入過量的氫氣，不希望的氣體成分從陰極電解液中脫氣並被氫氣取代，從而在陰極電解液氣-液分離器中獲得純的氫氣產物。除氣的不希望的氣體成分例如被排放到大氣中。

因此，根據該方法的一個實施方式，貧氫陰極電解液的除氣藉由將純化的氫氣引入貧氫陰極電解液中來實現，其中該純化的氫氣根據上述方法實施方式獲得。

如上所述，藉由置換引入氫氣來除去不希望的氣體成分。因此，如果將純化的氫氣用於除氣過程係特別有利的，因為這樣較少的不希望的氣體被引入到電解液中，這進一步提高了氫氣產物的純度。這種配置具有進一步的優點，即除氣過程不需要外部氫源，除氣介質可以從內部氫生產和純化中分出來。

根據該方法的一個實施方式，貧氧陽極電解液的除氣藉由將氧氣引入貧氧陽極電解液中來實現。

根據該方法的該實施方式，藉由置換原理，從電解液、特別是陽極電解液中除去了不希望的氣體成分。換句話說，藉由引入過量的氧氣，不希望的氣體成分從陽極電解液中脫氣並被氧氣取代，從而在陽極電解液氣-液分離器中獲得純的氧氣產物。除氣的不希望的氣體成分例如被排放到大氣中。

根據該方法的一個實施方式，在陽極電解液氣-液分離器中分離的氧氣從所述氣-液分離器中排出，並被供應到氧氣純化單元用於除去水和氫氣，以獲得純化的氧氣。

根據該方法的一個實施方式，貧氧陽極電解液的除氣藉由將純化的氧氣引入貧氧陽極電解液中來實現，其中該純化的氧氣根據上述方法實施方式獲得。

藉由適當的調整，根據該等配置的優點對應於上述關於在電解設備的陰極側用純氫氣除氣的那些。

根據該方法的一個實施方式，貧氫陰極電解液的除氣和/或貧氧陽極電解液的除氣藉由加熱貧氫陰極電解液和/或貧氧陽極電解液來實現。

貧氫陰極電解液和/或貧氧陽極電解液的除氣還可以藉由簡單加熱相應的電解液部分來實現。在該方法的另一個實施方式中，貧氫陰極電解液和/或貧氧陽極電解液的除氣得到改善，即藉由加熱相應的電解液部分得到增強，但是陽極電解液和/或陰極電解液仍然主要藉由分別被氧氣和氫氣置換不希望的氣體成分而被除氣。

現在將參照附圖藉由示例性實施方式來詳細描述本發明。除非另外說明，否則附圖不按比例。在附圖和隨附的描述中，等效元件各自帶有相同的附圖標記。

1:電解設備 2:電解池堆疊體 3:整流器 4:直流電 5:陰極 6:陰極室 7:陰極區 8:陽極 9:陽極室 10:陽極區 11:膜 12:陰極電解液冷卻器 13:陽極電解液冷卻器 14:陰極電解液再循環泵 15:陽極電解液再循環泵 16:陰極電解液氣-液分離器 17:陽極電解液氣-液分離器 18:陰極電解液脫氣器 19:氫氣冷卻器 20:氧氣冷卻器 21:氫氣純化單元 22:導管（貧氫陰極電解液） 23:導管（貧氫陰極電解液） 24:導管（貧氫陰極電解液） 25:導管（貧氫陰極電解液） 26:導管（載氫陰極電解液） 27:導管（氫氣） 28:導管（純化的氫氣的主流） 29:導管（到脫氣器的純化的氫氣流） 30:導管（不希望的氣體成分） 31:導管（貧氧陽極電解液） 32:導管（貧氧陽極電解液） 33:導管（貧氧陽極電解液） 34:導管（載氧陽極電解液） 35:導管（氧氣）

在附圖中 [圖1]   描繪了根據本發明之一個示例性實施方式的電解設備1之簡化流程圖。

圖1描繪了根據本發明之電解設備1之一個示例性實施方式。假設電解設備1以30 wt.-%的KOH鹼溶液作為電解介質進行鹼性類型電解。電解設備1包括電解池堆疊體2、整流器3、陰極電解液冷卻器12、陽極電解液冷卻器13、陰極電解液再循環泵14、陽極電解液再循環泵15、具有氫氣冷卻器19的陰極電解液氣-液分離器16、具有氧氣冷卻器20的陽極電解液氣-液分離器17、陰極電解液脫氣器18和氫氣純化單元21。前述部件藉由導管22至35至少部分地彼此流體連通。電解設備進一步包括去離子（DI）水源（未示出），以補償電解池堆疊體2中的電化學水分解反應消耗的水量。

直流電4藉由整流器3供應到電解池堆疊體2。為了簡化起見，關於電解池堆疊體2僅示出了一個電解池，但是電解池堆疊體2實際上包括多個電解池。所示的電解池包括陽極區10，其由陽極8和陽極室9組成。電解池進一步包括陰極區7，其由陰極5和陰極室6組成。陽極區10和陰極區7藉由液密膜11分隔，該液密膜使得氫氧根離子能夠在陽極區10與陰極區7之間進行交換。

藉由向電解池堆疊體2供應直流電4，電解液鹼溶液的水被分解成氫氣（陰極側）和氧氣（陽極側）。這導致在電解池堆疊體2的陽極區10中產生載氧陽極電解液，並且在電解池堆疊體2的陰極區7中產生載氫陰極電解液。

在電解設備2的陰極側，從電解池堆疊體的陰極區7中排出載氫陰極電解液，並藉由導管26被送到陰極氣-液分離器16。在陰極電解液氣-液分離器16中，從載氫陰極電解液中分離氫氣，從而獲得貧氫陰極電解液和氫氣。氫氣含有未凝結的水。因此，它在陰極電解液氣-液分離器16的氫氣冷卻器19中藉由間接冷卻被冷卻。因此，向氫氣冷卻器19供應冷卻水（未示出）。由此冷凝的水返回到陰極電解液氣-液分離器16。加熱的冷卻水從氫氣冷卻器16中排出，並藉由例如空氣冷卻器（未示出）再冷卻。大部分乾燥氫氣從陰極電解液氣-液分離器16的氫氣冷卻器19部分中排出，並且然後藉由導管27被送到氫氣純化單元21。從氫氣冷卻器19中排出的氫氣含有殘餘量的水和氧氣，後者來自通過膜11從電解池堆疊體2的陽極區10到陰極區7的氧氣穿越。在氫氣純化單元21中，氫氣中包含的氧氣首先在催化劑床（未示出）上與少量氫氣反應形成水。然後在含有分子篩的吸附床中除去氫氣流中形成的水和殘餘的水。獲得的純氫氣流藉由導管28從氫氣純化單元21中排出，並且然後從製程中排出用於進一步處理。

在陰極電解液氣-液分離器16中形成的貧氫陰極電解液藉由導管25從陰極電解液氣-液分離器16中排出，並被送到陰極電解液脫氣器18。從導管28的純化的氫氣主流中排出小側流，並藉由導管29送到陰極電解液脫氣器18。在陰極電解液脫氣器18中，貧氫陰極電解液由被引入脫氣器18的純氫氣藉由置換原理除氣。也就是說，藉由將氫氣引入貧氫陰極電解液中，溶解在貧氫陰極電解液中的不希望的氣體成分（例如氬氣）在陰極電解液脫氣器中被置換。然後，不希望的和解吸的氣體成分藉由導管30從陰極電解液脫氣器18中排出。

為了使陰極電解液脫氣器18中的除氣過程更有效，陰極電解液脫氣器18可以視需要配備加熱裝置（未示出）。

除氣的貧氫陰極電解液藉由導管24和23從陰極電解液脫氣器18中排出，並被送到陰極電解液冷卻器12。在導管23與24之間，陰極電解液再循環泵被佈置為在電解池堆疊體2的陰極區7、陰極電解液氣-液分離器16、陰極電解液脫氣器18與陰極電解液冷卻器12之間再循環陰極電解液。在陰極電解液冷卻器12中，除氣且貧氫的陰極電解液被冷卻至預定的設定溫度，並且然後藉由導管22被送到電解池堆疊體2的陰極區7，用於在陰極5處重新進行電化學水分解和氫氣的形成。

在電解設備2的陽極側，從電解池堆疊體的陽極區10中排出載氧陽極電解液，並藉由導管34被送到陽極氣-液分離器17。在陽極電解液氣-液分離器17中，從載氧陰極電解液中分離氧氣，從而獲得貧氧陽極電解液和氧氣。氧氣含有未凝結的水。因此，它在陽極氣-液分離器17的氧氣冷卻器20中藉由間接冷卻被冷卻。因此，向氧氣冷卻器16供應冷卻水（未示出）。由此冷凝的水返回到陽極電解液氣-液分離器17。加熱的冷卻水從氧氣冷卻器20中排出，並藉由例如空氣冷卻器（未示出）再冷卻。大部分乾燥氧氣從陽極電解液氣-液分離器17的氧氣冷卻器20部分中排出，並且然後藉由導管35被送到進一步的處理步驟（未示出）。

在陽極電解液氣-液分離器17中形成的貧氧陽極電解液藉由導管33從陽極電解液氣-液分離器17中排出，並藉由導管32被送到陽極電解液冷卻器13。在導管33與32之間，陽極電解液再循環泵15被佈置為在電解池堆疊體2的陽極區10、陽極電解液氣-液分離器17與陽極電解液冷卻器13之間再循環陽極電解液。在陽極電解液冷卻器13中，貧氧陽極電解液被冷卻至預定的設定溫度，並且然後藉由導管31被送到電解池堆疊體2的陽極區10，用於在陰極8處重新進行電化學水分解和氧氣的形成。

如果對待生產的氧氣的純度也有很高的要求，則電解設備的陽極側還可以配備有相應的陽極電解液脫氣器，由此所述陽極電解液脫氣器還可以用氧氣、特別是純化的氧氣操作，以取代不希望的氣體成分。

無

1:電解設備

2:電解池堆疊體

3:整流器

4:直流電

5:陰極

6:陰極室

7:陰極區

8:陽極

9:陽極室

10:陽極區

11:膜

12:陰極電解液冷卻器

13:陽極電解液冷卻器

14:陰極電解液再循環泵

15:陽極電解液再循環泵

16:陰極電解液氣-液分離器

17:陽極電解液氣-液分離器

18:陰極電解液脫氣器

19:氫氣冷卻器

20:氧氣冷卻器

21:氫氣純化單元

22:導管(貧氫陰極電解液)

23:導管(貧氫陰極電解液)

24:導管(貧氫陰極電解液)

25:導管(貧氫陰極電解液)

26:導管(載氫陰極電解液)

27:導管(氫氣)

28:導管(純化的氫氣的主流)

29:導管(到脫氣器的純化的氫氣流)

30:導管(不希望的氣體成分)

31:導管(貧氧陽極電解液)

32:導管(貧氧陽極電解液)

33:導管(貧氧陽極電解液)

34:導管(載氧陽極電解液)

35:導管(氧氣)

Claims (18)

1. 一種用於鹼性電解的電解設備，其包括： -   電解池堆疊體，其包括用於從鹼性電解介質電化學產生氫氣和氧氣的多個電解池，其中該電解池堆疊體包括用於產生氧氣的陽極區和用於產生氫氣的陰極區； -   陽極電解液氣-液分離器，其被配置用於從該鹼性電解介質的載氧陽極電解液部分中分離氧氣； -   陰極電解液氣-液分離器，其被配置用於從該鹼性電解介質的載氫陰極電解液部分中分離氫氣； -   陽極電解液冷卻器件，其被佈置在該陽極電解液氣-液分離器的下游和該電解池堆疊體的上游，該陽極電解液冷卻器件被配置為在貧氧陽極電解液被供應到該電解池堆疊體之前冷卻從該陽極電解液氣-液分離器中排出的貧氧陽極電解液，和/或 陰極電解液冷卻器件，其被佈置在該陰極電解液氣-液分離器的下游和該電解池堆疊體的上游，該陰極電解液冷卻器件被配置為在貧氫陰極電解液被供應到該電解池堆疊體之前冷卻從該陰極電解液氣-液分離器中排出的貧氫陰極電解液； -   陽極電解液脫氣器件，其被佈置在該陽極電解液氣-液分離器的下游並被佈置在該電解池堆疊體的上游 和/或 陰極電解液脫氣器件，其被佈置在該陰極電解液氣-液分離器的下游並被佈置在該電解池堆疊體的上游。
2. 如請求項1所述之電解設備，其中，該鹼性電解介質係濃鹼溶液，特別是濃鹼水溶液，特別是具有高達30 wt.-%、或高達35 wt.-%、或高達40 wt.-%的濃度的KOH水溶液。
3. 如請求項1或2所述之電解設備，其中，該陽極電解液脫氣器件被佈置在該陽極電解液氣-液分離器的下游並被佈置在該陽極電解液冷卻器件的上游，和/或該陰極電解液脫氣器件被佈置在該陰極電解液氣-液分離器的下游並被佈置在該陰極電解液冷卻器件的上游。
4. 如前述請求項中任一項所述之電解設備，其中，陽極電解液再循環泵，其被配置為在該陽極電解液氣-液分離器與該電解池堆疊體之間再循環陽極電解液，該陽極電解液再循環泵被佈置在該陽極電解液脫氣器件的下游和該陽極電解液冷卻器件的上游，和/或陰極電解液再循環泵，其被配置為在該陰極電解液氣-液分離器與該電解池堆疊體之間再循環陰極電解液，該陰極電解液再循環泵被佈置在該陰極電解液脫氣器件的下游和該陰極電解液冷卻器件的上游。
5. 如前述請求項中任一項所述之電解設備，其中，該電解設備包括氫氣純化單元，該氫氣純化單元被配置用於從在該陰極電解液氣-液分離器中分離的該氫氣中除去氧氣和水，由此可藉由該氫氣純化單元獲得純化的氫氣。
6. 如前述請求項中任一項所述之電解設備，其中，該陰極電解液脫氣器件被配置用於藉由供應到該陰極電解液脫氣器件的氫氣將該貧氫陰極電解液除氣。
7. 如請求項6所述之電解裝置，其中，供應到該陰極電解液脫氣器件的氫氣包含可藉由如請求項5所述之氫氣純化單元獲得的該純化的氫氣。
8. 如前述請求項中任一項所述之電解設備，其中，該陽極電解液脫氣器件被配置用於藉由供應到該陽極電解液脫氣器件的氧氣將該貧氧陽極電解液除氣。
9. 如請求項1至5中任一項所述之電解設備，其中，該陽極電解液脫氣器件和/或該陰極電解液脫氣器件包括加熱器件，以便將該貧氫陰極電解液和/或該貧氧陽極電解液除氣。
10. 如前述請求項中任一項所述之用於鹼性電解的電解設備之用途，該用途係用於在工業規模上藉由鹼性水電解生產氫氣和氧氣時，從陽極電解液和/或陰極電解液類型的鹼性電解介質中除去氬氣。
11. 一種用於藉由電解鹼性電解介質生產氫氣和氧氣之方法，該方法包括以下方法步驟： -   藉由電解池堆疊體電化學分解該鹼性電解介質中包含的水，由此獲得從該電解池堆疊體的陰極區中排出的載氫陰極電解液和從該電解池堆疊體的陽極區中排出的載氧陽極電解液； -   將該載氫陰極電解液供應到陰極電解液氣-液分離器以從該載氫陰極電解液中分離氫氣，由此獲得氫氣和貧氫陰極電解液； -   將該載氧陽極電解液供應到陽極電解液氣-液分離器以從該載氧陽極電解液中分離氧氣，由此獲得氧氣和貧氧陽極電解液； -   從該陰極電解液氣-液分離器中排出該貧氫陰極電解液，視需要冷卻該貧氫陰極電解液，並將該貧氫陰極電解液供應到該電解池堆疊體的該陰極區； -   從該陽極電解液氣-液分離器中排出該貧氧陽極電解液，視需要冷卻該貧氧陽極電解液，並將該貧氧陽極電解液供應到該電解池堆疊體的該陽極區； -   藉由陰極電解液脫氣器件將從該陰極電解液氣-液分離器中排出的該貧氫陰極電解液除氣，並將該除氣的貧氫陰極電解液供應到該電解池堆疊體，和/或藉由陽極電解液脫氣器件將從該陽極電解液氣-液分離器中排出的該貧氧陽極電解液除氣，並將該除氣的貧氧陽極電解液供應到該電解池堆疊體。
12. 如請求項11所述之方法，其中，該鹼性電解介質係濃鹼溶液，特別是濃鹼水溶液，特別是具有高達30 wt.-%、或高達35 wt.-%、或高達40 wt.-%的濃度的KOH水溶液。
13. 如請求項11或12所述之方法，其中，該貧氫陰極電解液的除氣和/或該貧氧陽極電解液的除氣在冷卻該貧氫陰極電解液和該貧氧陽極電解液之前進行。
14. 如請求項11至13中任一項所述之方法，其中，在該陰極電解液氣-液分離器中分離的該氫氣從所述氣-液分離器中排出，並被供應到氫氣純化單元用於除去水和氧氣，以獲得純化的氫氣。
15. 如請求項11至14中任一項所述之方法，其中，該貧氫陰極電解液的除氣藉由將氫氣引入該貧氫陰極電解液中來實現。
16. 如請求項15所述之方法，其中，該貧氫陰極電解液的除氣藉由將純化的氫氣引入該貧氫陰極電解液中來實現，其中該純化的氫氣如請求項14所述之方法獲得。
17. 如請求項11至16中任一項所述之方法，其中，該貧氧陽極電解液的除氣藉由將氧氣引入該貧氧陽極電解液中來實現。
18. 如請求項11至17中任一項所述之方法，其中，該貧氫陰極電解液的除氣和/或該貧氧陽極電解液的除氣藉由加熱該貧氫陰極電解液和/或該貧氧陽極電解液來實現。

Images