电解装置及方法与流程

电解装置及方法
1.本发明涉及一种电解装置和一种用于执行电解的方法。
2.电解过程消耗大量能量。为此，电解厂倾向于在太阳入射辐射高的地区通过太阳能光伏设施进行低成本的可再生能源发电。不幸的是，这些地方也缺乏大量的清洁水。在已知的电解过程中，大量能量被转化为低级热量，该热量通过冷却水从过程中被去除。因此，期望减少冷却水的消耗。
3.本发明的目的是改进现有技术，使得能以特别有效的方式减少冷却水的消耗。
4.该目的是通过根据独立权利要求所述的电解装置和方法来实现的。在从属权利要求中提出了有利的改进。权利要求和说明书中描述的特征可以以任何技术上合理的方式彼此组合。
5.根据本发明，提出了一种电解装置，该电解装置包括：
[0006]-用于驱动介质的泵单元；
[0007]-多个电解池堆叠体，其中，每个堆叠体包括连接至该泵单元的相应的堆叠体入口、相应的阳极出口和相应的阴极出口，其中，这些堆叠体被配置为通过将被引入相应的堆叠体入口中的介质电解来获得阳极产物和阴极产物，该阳极产物与该介质一起被提供在相应的阳极出口处，该阴极产物与该介质一起被提供在相应的阴极出口处；
[0008]-阳极分离器，该阳极分离器具有连接至该泵单元的阳极分离器介质出口，其中，这些堆叠体的每个阳极出口连接至该阳极分离器的相应阳极分离器入口，并且其中，该阳极分离器被配置用于将被引入该阳极分离器入口中的阳极产物与介质分离，使得该阳极产物被提供在阳极分离器产物出口处，而该介质被提供在该阳极分离器介质出口处；以及
[0009]-阴极分离器，该阴极分离器具有连接至该泵单元的阴极分离器介质出口，其中，这些堆叠体的每个阴极出口连接至该阴极分离器的相应阴极分离器入口，并且其中，该阴极分离器被配置用于将被引入该阴极分离器入口中的阴极产物与介质分离，使得该阴极产物被提供在阴极分离器产物出口处，而该介质被提供在该阴极分离器介质出口处；
[0010]-用于冷却该介质的主冷却器，该主冷却器被布置在该泵单元与这些堆叠体入口之间；
[0011]-从该泵单元与该主冷却器之间到该阳极分离器和/或该阴极分离器的旁路。
[0012]
该电解装置可以用于将介质电解。代替术语“电解装置”，还可以使用术语“电解器”。优选地，介质是水。在此情况下，作为电解产物可以获得氢和氧。该电解装置旨在用于工业规模的电解。例如，优选的是，以每个堆叠体每小时250至1500nm3的速率获得这些电解产物中的至少一种。这尤其适用于在水电解情况下产生氢气。优选地，以自动化的方式来执行电解。
[0013]
该电解装置包括多个堆叠体。优选地，电解装置包括2个至16个堆叠体，尤其2个、4个或8个堆叠体。这些堆叠体还可以被称为电解堆叠体。每个堆叠体包括若干电解池。每个堆叠体具有至少一个堆叠体入口、阳极出口、以及阴极出口。可以经由(多个)堆叠体入口来将介质提供至堆叠体。在堆叠体内，可以使用电解池来执行对介质的电解。由此获得阳极产物和阴极产物。在水作为介质的情况下，阳极产物是氧，而阴极产物是氢。可以经由阳极出
口从堆叠体中提取阳极产物。然而，因此，阳极产物将混有介质。类似地，可以经由阴极出口从堆叠体中提取阴极产物与介质的混合物。
[0014]
每个电解池优选地包括阳极、邻近于阳极的阳极空间、阴极、以及邻近于阴极的阴极空间。阴极空间优选地与阳极空间通过膜、并且可选地还通过阳极和阴极隔开。阳极出口优选地连接至阳极空间。阴极出口优选地连接至阴极空间。膜优选地是某些离子可渗透的。例如，在pem电解池的情况下，膜优选地是氢离子(h

)可渗透的。在此情况下，阳极和阴极是可渗透的并且与膜相邻地布置。并且在此情况下，优选的是，每个堆叠体具有仅一个堆叠体入口，其连接至阴极空间。作为另外的示例，在碱性电解池的情况下，膜优选地是氢氧根离子(oh-)可渗透的。在此情况下，每个堆叠体优选地具有两个堆叠体入口：相应的阳极堆叠体入口和相应的阴极堆叠体入口。阳极堆叠体入口优选地连接至阳极空间。阴极堆叠体入口优选地连接至阴极空间。
[0015]
电解装置进一步包括阳极分离器和阴极分离器。以下描述适用于阳极分离器和阴极分离器两者。分离器被配置用于将电解产物与介质分离。分离器具有相应的分离器入口、相应的分离器产物出口、相应的分离器介质出口。如果在分离器入口处提供的是产物与介质的混合物，则将该混合物在分离器内分离，使得在分离器介质出口处仅提供大部分介质(即》99％mol)并且在分离器产物出口处仅提供大部分产物(即》99％mol)。介质优选地是液态，而产物优选地为气态。因此，分离器优选地被配置为气/液分离器。
[0016]
堆叠体的阳极出口连接至阳极分离器入口。即，所有堆叠体的阳极出口均连接至同一阳极分离器的阳极分离器入口。优选地，存在仅一个阴极分离器。堆叠体的阴极出口连接至这些阴极分离器入口。即，所有堆叠体的阴极出口均连接至同一阴极分离器的阴极分离器入口。优选地，存在仅一个阴极分离器。
[0017]
介质由泵单元驱动。泵单元优选地具有可变流量。即，可以例如通过控制泵单元中的至少一个泵的旋转速度来控制泵单元产生的介质流量。在存在多个泵单元的情况下，优选的是，可以将由该泵单元产生的介质流彼此独立地控制。泵单元可以包括一个或多个泵。在多于一个泵的情况下，泵单元中的泵被配置为使得此泵单元中的一个、一些或所有泵可以贡献于此泵单元产生的流量。例如，泵单元可以具有两个泵，其中一个泵可以工作，而另一泵用作备用泵。替代性地，泵单元中的这两个泵可以同时使用，以避免其中一个泵必须以其最大功率操作。应注意的是，电解装置可以包括多个泵单元，每个泵单元包括多个泵。为此，电解装置可以具有例如四个泵，其中两个泵形成第一泵单元，而另两个泵形成第二泵单元。
[0018]
优选地，电解装置具有仅一个泵单元。在此情况下，泵单元出口连接至所有的堆叠体入口。这并不意味着，泵单元必须直接连接至堆叠体入口。特别地，可以在泵单元与堆叠体入口之间布置用于将多余的流返回至分离器以平衡给送介质流的器件。优选地，在泵单元与堆叠体入口之间设置了集管，用于将泵单元提供的介质流分为针对每个堆叠体的相应流。即，通过集管，将介质流分配至这些堆叠体入口。另外，阳极分离器介质出口和阴极分离器介质出口连接至泵单元入口。这可以经由中间的共用器皿来实现。即，介质可以被泵单元循环穿过堆叠体和分离器。此实施例可以被称为单一给送或共用给送，因为介质经由分配至堆叠体的仅一个给送管线给送至堆叠体。特别地，在此实施例中，每个堆叠体可以具有仅一个堆叠体入口。在pem电解池的情况下，这是尤其优选的。替代性地，每个堆叠体可以具有
相应的阳极堆叠体入口和相应的阴极堆叠体入口。在碱性电解池的情况下，这是尤其优选的。某个堆叠体的阳极堆叠体入口和阴极堆叠体入口可以共同连接至集管。即，分派给相应堆叠体的相应集管出口可以连接至此堆叠体的阳极堆叠体入口和阴极堆叠体入口两者。为此，单一给送物不仅通过集管流出至各个堆叠体，还进一步流到阳极堆叠体入口和阴极堆叠体入口。
[0019]
该电解装置包括用于冷却该介质的主冷却器。该主冷却器被布置在该泵单元与这些堆叠体入口之间。优选地，该主冷却器是空气冷却器。将空气冷却器用作主冷却器来减少冷却水的消耗。如果仅主冷却器工作，则不存在冷却任务，并且因此可以减少冷却水流量。在电解装置要以部分负载操作的情况下，主冷却器的风扇也可以关掉。
[0020]
另外，电解装置包括旁路。该旁路从泵与主冷却器之间的点延伸至阳极分离器和/或阴极分离器。“和”的情况是优选的。该旁路优选地包括连接至阳极分离器的阳极支路和连接至阴极分离器的阴极支路。将旁路分为阳极支路和阴极支路有助于加强对分离器的液位控制。除了经由分离器出口、经由分离器入口、和/或经由旁路的间接连接之外，阳极分离器和阴极分离器优选地彼此不连接。
[0021]
介质可以经由该旁路从泵单元出口流到泵单元入口，而不穿过堆叠体。由此，泵单元可以产生高于所需的流量。优选地，旁路包括旁通阀。尤其与调节泵单元中的一个或多个泵的旋转速度相比，通过旁通阀，可以特别快速地调节穿过旁路并且因此穿过堆叠体的流量。因此，流量控制特别快。旁路可以用于平衡阳极分离器和阴极分离器中的介质水平。阳极分离器和阴极分离器优选地经由分离器出口、分离器入口和/或经由旁路彼此连接。
[0022]
根据该电解装置的优选实施例，旁路包括用于冷却该介质的次冷却器。
[0023]
次冷却器优选地是水冷却器。在旁路包括阳极支路和阴极支路的情况下，优选的是，次冷却器被布置在旁路被分为阳极支路和阴极支路之处的上游。这样，次冷却器可以冷却流经旁路的全部介质。
[0024]
通过次冷却器，可以特别好地控制介质的温度。附加于或替代主冷却器，可以使用次冷却器。例如，在空气冷却器用作主冷却器的情况下，主冷却器可能必须在夜间关掉以防止噪音。在这样的情况下，可以仅使用次冷却器，而尤其由于夜间环境温度较低，这可能就足够了。
[0025]
根据另外的优选实施例，该电解装置进一步包括在次冷却器的下游从旁路到堆叠体入口的返回路径。
[0026]
该返回路径是将旁路连接至堆叠体入口的导管。优选地，这是间接连接，因为返回路径连接至从泵单元到堆叠体入口的主导管。特别地，该返回路径可以在主冷却器与集管之间连接至主导管。在电解装置包括集管的情况下，集管是主导管的一部分。在旁路具有阳极支路和阴极支路的情况下，返回路径优选地从次冷却器与旁路被分为阳极支路和阴极支路之处之间开始。
[0027]
事实上，对于返回路径，主冷却器和次冷却器彼此平行地布置。这意味着介质可以从泵单元穿过任一冷却器被驱动至堆叠体。这在主冷却器的冷却能力可能不足的炎热天气可以尤其有用。
[0028]
为了能够控制穿过主导管、旁路和返回路径的流量，优选地设置了相应的控制阀。例如，除了旁通阀之外，还可以在返回路径内设置控制阀。
[0029]
根据该电解装置的另外的优选实施例，该旁路具有连接至该阳极分离器的阳极支路以及连接至该阴极分离器的阴极支路，其中，该阳极支路和/或该阴极支路包括相应的旁通阀。“和”的情况是优选的。
[0030]
在支路之一中控制穿过旁路的流量就足够了。优选地，仅阳极支路包括控制阀，其中，阴极支路不包括控制阀。在此情况下，阴极支路优选地包括阻流元件、比如孔口。
[0031]
根据该电解装置的另外的优选实施例，这些堆叠体入口经由集管连接至该泵单元，该集管用于将由该泵单元提供的介质流分为针对每个堆叠体的相应流，并且其中，该电解装置针对每个堆叠体包括被布置在该集管与相应的堆叠体入口之间的相应控制阀。
[0032]
在堆叠体具有多于一个堆叠体入口的情况下，优选的是，在分派给此堆叠体的共用流被划分为通向堆叠体入口的相应流之处的上游，布置相应的控制阀。优选地，对每个堆叠体存在至少一个控制阀。由此，可以独立地控制到堆叠体中的介质流。这允许多个堆叠体与单一阳极分离器和单一阴极分离器一起使用。通过该电解装置，可以实现高水平的压力控制。这是有利的，因为期望以精确控制的压力来操作电解池。电解池的膜优选地是介质非常不可渗透的。然而，阳极空间与阴极空间之间的较大压差可以驱动较大量的介质穿过该膜。如果太多的介质被驱动穿过该膜，则可能导致阳极分离器与阴极分离器之间的流体静力不平衡。为了避免这种情况，期望控制阳极空间与阴极空间之间的压差。特别地，优选的是，对于每个堆叠体，阳极空间与阴极空间之间的相应压差小于0.05巴、尤其小于0.02巴。可以通过上述旁路流量将分离器之间的静水压头差异最小化，来部分地实现此压力控制。
[0033]
优选地，为了实现这种精确的压力控制，电解装置对于每个堆叠体包括相应控制阀。控制阀优选地被布置在集管与相应堆叠体的堆叠体入口之间。
[0034]
优选地是，泵单元提供的压力比堆叠体入口处的期望压力高至少1巴。控制阀可以用于减小压力。
[0035]
根据该电解装置的另外的优选实施例，这些电解池被配置为pem电解池、阴离子交换膜电解池、或碱性电解池。
[0036]
已经发现，尤其通过使用这些电解池，可以获得所描述的优点。pem电解池是尤其优选的。在此情况下，并且在阴离子交换膜电解池的情况下可能的是，介质是水、尤其是去离子水。在碱性电解池并且可能在阴离子交换膜电解池的情况下，介质是氢氧化钾(koh)的水溶液。
[0037]
根据本发明的另外的方面，提出了一种用于使用上述的电解装置来将介质电解以获得阳极产物和阴极产物的方法。该方法包括：通过泵单元来驱动介质并且对电解池施加电压，其中，控制该泵单元中的至少一个泵的速度。
[0038]
所描述的电解装置的优点和特征可转移给所描述的方法，反之亦然。所描述的电解装置优选地被配置为根据所描述的方法来使用。优选地，使用所描述的电解装置来执行所描述的方法。
[0039]
根据该方法的优选实施例，针对这些堆叠体中的每个堆叠体并且针对该旁路，确定相应的期望流量，其中，控制该泵单元中的至少一个泵的速度，以使得由该泵单元提供的介质的流量至少等于针对这些堆叠体和针对该旁路所确定的期望流量的总和。
[0040]
优选地，该电解装置对于每个堆叠体包括相应的控制阀。因此，可以独立地控制穿过每个堆叠体的流量。
[0041]
根据该方法的另外的优选实施例，针对这些堆叠体中的每个堆叠体，基于期望的阳极产物输出和/或期望的阴极产物输出来确定相应的期望流量。“和”的情况是优选的。
[0042]
根据该方法的另外的优选实施例，穿过该旁路的期望介质流量至少等于预定的最小流量。
[0043]
在此实施例中，总是有期望的流量穿过旁路。即，旁路始终应具有大于零的流量。穿过旁路的实际流量可能偏离期望流量。旁路的目的尤其是获得流量控制，其可以比通过调节泵的旋转速度可能获得的速度更快地作出反应。
[0044]
根据该方法的另外的优选实施例，基于这些堆叠体入口处的期望的介质温度来控制该主冷却器的冷却功率和穿过该旁路的介质流量。
[0045]
堆叠体入口处的介质温度受到流量被分配穿过具有主冷却器的主导管、穿过具有次冷却器的旁路、以及穿过返回路径的影响。并且，堆叠体入口处的介质温度受主冷却器的冷却功率和/或次冷却器的冷却功率影响。因此，优选的是，基于堆叠体入口处的期望的介质温度来控制所有这些参数。
[0046]
根据该方法的另外的优选实施例，至少部分地回收由主冷却器从介质提取的能量。
[0047]
通过回收能量，可以减少能量消耗，并且可以提高效率。
[0048]
下面将参考附图来描述本发明。附图中示出了优选实施例，本发明不限于此。本文中所示的附图和尺寸仅是示意性的。附图中示出：
[0049]
图1：根据本发明的电解装置。
[0050]
图1示出了电解装置1，该电解装置包括多个电解池堆叠体3。这些电解池可以被配置为pem电解池、阴离子交换膜电解池、或碱性电解池。堆叠体3各自具有在1至20mw范围内的最大额定dc功率消耗。并且，电解装置1包括用于驱动介质的泵单元2。在本实施例中，存在仅一个泵单元2。因此，本实施例可以被称为单一给送。在图1的实施例中，泵单元2包括仅单一泵。
[0051]
泵单元2包括离心泵，该离心泵被配置用于提供介质的可调流量。每个堆叠体3包括两个堆叠体入口4a、4b，这两个堆叠体入口经由集管5连接至泵单元2，该集管用于将由泵单元2提供的介质流分为针对每个堆叠体3的相应流。每个堆叠体3包括相应的阳极出口6和相应的阴极出口7。堆叠体3被配置为通过将被引入相应的堆叠体入口4a、4b中的介质电解来获得阳极产物和阴极产物，该阳极产物与介质一起被提供在相应的阳极出口6处，该阴极产物与介质一起被提供在相应的阴极出口7处。
[0052]
另外，电解装置1针对每个堆叠体3包括被布置在集管5与相应的堆叠体入口4a、4b之间的相应控制阀8，其中，控制阀8被配置用于独立地控制流到相应堆叠体3中的介质流。这并不一定意味着，可以独立于流入阴极堆叠体入口4b中的流来控制流到阳极堆叠体入口4a中的流。在根据图1的实施例中，这是不可能的，因为分派给某个堆叠体3的流在控制阀8的下游被划分为针对阳极堆叠体入口4a和阴极堆叠体入口4b的单独流。然而，可以独立于流入一个堆叠体3的堆叠体入口4a、4b中的流来控制流入其他堆叠体3的堆叠体入口4a、4b中的流。
[0053]
电解装置1进一步包括阳极分离器9，该阳极分离器具有连接至泵单元2的阳极分离器介质出口12。堆叠体3的每个阳极出口6连接至阳极分离器9的相应阳极分离器入口10。
阳极分离器9被配置用于将被引入阳极分离器入口10中的阳极产物与介质分离，使得阳极产物被提供在阳极分离器产物出口11处，而介质被提供在阳极分离器介质出口12处。控制阀25控制阳极分离器9的压力。电解装置1进一步包括阴极分离器13，该阴极分离器具有连接至泵单元2的阴极分离器介质出口16。堆叠体3的每个阴极出口7连接至阴极分离器13的相应阴极分离器入口14。阴极分离器13被配置用于将被引入阴极分离器入口14中的阴极产物与介质分离，使得阴极产物被提供在阴极分离器产物出口15处，而介质被提供在阴极分离器介质出口16处。控制阀26控制阴极分离器13的压力。控制阀25和26的操作是使得这两个分离器9、13之间的压差最小化。
[0054]
电解装置1进一步包括用于冷却该介质的主冷却器22，该主冷却器被布置在泵单元2与堆叠体入口4a、4b之间。并且，电解装置1包括从泵单元2与主冷却器22之间到阳极分离器9和阴极分离器13的旁路18。在泵单元2与旁路18出现的地方之间，布置了过滤器17。旁路18包括用于冷却该介质的次冷却器23。返回路径24将旁路18从次冷却器23下游的某个点连接至集管5、并且因此连接至堆叠体入口4a、4b。通过控制阀27，可以控制穿过返回路径的流量。旁路18具有连接至阳极分离器9的阳极支路20和连接至阴极分离器13的阴极支路21。阳极支路20包括旁通阀19。
[0055]
所描述的电解装置1包括：
[0056]-泵单元2；
[0057]-多个堆叠体3；
[0058]-阳极分离器9；
[0059]-阴极分离器13；
[0060]-用于冷却该介质的主冷却器22，该主冷却器被布置在该泵单元2与这些堆叠体入口4a、4b之间；以及
[0061]-从泵单元2与主冷却器22之间到阳极分离器9和/或阴极分离器13的旁路18。
[0062]
附图标记清单
[0063]1ꢀꢀ
电解装置
[0064]2ꢀꢀ
泵单元
[0065]3ꢀꢀ
堆叠体
[0066]
4a 阳极堆叠体入口
[0067]
4b 阴极堆叠体入口
[0068]5ꢀꢀ
集管
[0069]6ꢀꢀ
阳极出口
[0070]7ꢀꢀ
阴极出口
[0071]8ꢀꢀ
控制阀
[0072]9ꢀꢀ
阳极分离器
[0073]
10 阳极分离器入口
[0074]
11 阳极分离器产物出口
[0075]
12 阳极分离器介质出口
[0076]
13 阴极分离器
[0077]
14 阴极分离器入口
[0078]
15 阴极分离器产物出口
[0079]
16 阴极分离器介质出口
[0080]
17 过滤器
[0081]
18 旁路
[0082]
19 旁通阀
[0083]
20 阳极支路
[0084]
21 阴极支路
[0085]
22 主冷却器
[0086]
23 次冷却器
[0087]
24 返回路径
[0088]
25 控制阀
[0089]
26 控制阀
[0090]
27 控制阀。