用于将水分解成氢气和氧气的电解系统以及用于电解系统的运行方法与流程

1.本发明涉及用于将水分解成氢气和氧气的电解系统以及用于电解系统的运行方法。


背景技术：

2.电解器是使用电流来实现物质转化(电解)的装置。根据不同电解的多样性，同样存在多种电解器，例如用于电解制氢的电解器。
3.目前的想法是，在晴天和大风期间(即在太阳能或风力发电高于平均水平的时期)使用可再生能源的能量来生产有价值的产品。一种这样的有价值的产品可尤其是使用水电解器生产的氢气。氢气例如可用于生产所谓的ee气体。
4.在此，首先(电解制氢)电解器使用电能、尤其是源于风能或太阳能的电能来生产氢气。然后使用氢气与二氧化碳一起在萨巴蒂尔(sabatier)工艺中生产甲烷。然后例如可将甲烷引入已经存在的天然气网络中，从而能够实现能量存储和将能量传输给消费者，并且可减轻电网的负担。替代于此，由电解器产生的氢气还可以直接进一步使用，例如用于燃料电池。
5.在用于电解制氢的电解器中，将水分解成氢气和氧气。在pem(英文：proton-exchange-membrane，质子交换膜)电解器中，通常在阳极侧供应蒸馏水作为反应物，并且在质子交换膜处分解成氢气和氧气。在此，水在阳极处被氧化成氧气。质子穿过质子交换膜。在阴极侧产生氢气。一个电解单元通常包括至少四个电解模块。一个电解模块通常包括50个电解池。
6.来自可再生能源的能量并非始终可用，具体取决于天气条件。在可用于电解的电功率较低的情况下，pem电解器可在部分负荷下运行。然而，这不利地导致pem电解器的运行温度下降。此外，电解池的部分负荷运行增加了电解池的老化，这不利地导致更频繁地维护电解池。由于电解池的部分负荷运行，也可不利地导致来自电解的产物气体的组成发生变化。


技术实现要素：

7.因此，本发明的目的是提供一种电解系统和用于电解系统的运行方法，该电解系统可在部分负荷下运行，并且在此克服上述缺点。
8.本发明通过根据权利要求1的电解系统和根据权利要求9的方法实现。
9.根据本发明的用于将水分解成氢气和氧气的电解系统包括至少两个电解模块。每个电解模块包括至少两个电解池。电解池包括阳极室和阴极室，其中，阳极室与阴极室通过质子交换膜隔开。与至少一个电解模块电气并联有兼容直流的开关装置。
10.根据本发明的用于将水分解成氢气和氧气的电解系统的运行方法包括多个步骤。
首先，提供至少两个电解模块，其中，每个电解模块包括至少两个电解池。电解池包括阳极室和阴极室。阳极室与阴极室通过质子交换膜隔开。兼容直流的开关装置与至少一个电解模块电气并联地布置。至少两个电解模块借助于电流运行。在电解可用的电功率下降时，使至少一个开关装置闭合。至少一个电解模块通过该至少一个开关装置桥接。接着使电解系统运行，其中，运行的电解模块的数量减少了被桥接的电解模块的数量。在电解可用的电功率增加时，将至少一个开关装置再次断开。
11.有利地，通过桥接至少一个电解模块可在部分负荷下使电解系统运行，而没有使各个电解模块都在部分负荷下运行。通过运行的其余电解模块的电流密度仍然很高，从而防止了各个电解模块都在部分负荷下运行，即，在低电流密度下运行。有利地，借助该电解系统防止在各个电解模块中的电解池由于部分负荷运行而过早老化。继续运行的电解模块有利地防止整个电解系统的冷却。产品质量同样有利地保持恒定，因为单个电解模块可在保持不变的电流密度下运行，因此可以恒定的氢气生产速率运行。
12.在本发明的有利的设计方案和改进方案中，电解池电气串联，并且电解模块同样电气串联。电解模块可组合成堆叠。通过串联电解模块，可根据需要有利地调整这种堆叠的功率。堆叠尤其包括具有在1到50mw范围内的功率的电解系统。
13.在本发明的另一有利的设计方案和改进方案中，压板布置在两个电解模块之间。压板与电解模块导电连接。各个电解池被彼此压在一起。有利地用压板将各个电解池的各个膜层压在一起。通常将50直至300层质子交换膜层(pem层)彼此压在一起。有利地，可借助于压板将多个电解池压在一起，以形成电解模块。多个电解模块又可通过将电解模块与其间的压板排列在一起而组合成堆叠。因此，使用压板能够有利地组合灵活数量的电解模块以形成电解系统。
14.在本发明的有利的设计方案和改进方案中，开关装置与界定至少一个电解模块的两个压板导电连接。因此，可有利地通过闭合开关装置桥接至少一个电解模块。开关装置的联接可通过与压板的联接来简单地实现。
15.在本发明的另一有利的设计方案和改进方案中，在闭合状态下的开关装置具有比电解模块更低的电阻。因此，电流有利地流过闭合的开关装置，从而单个的电解模块在可用电流很小的时候被电气桥接。此外，低电感功率传输有利于电流从开关换流回模块。
16.在本发明的另一有利的设计方案和改进方案中，开关装置实施为封装的开关装置。如果开关装置被外壳包围，该外壳将电弧封闭在绝缘体积中，则它被认为是封装的。特别优选地，开关装置是真空断续器或如在高压技术中使用的柱式断路器(英文：live tank)或罐式断路器(英文：dead tank)。封装开关装置的使用有利地避免了在有爆炸风险的环境中形成电弧，尤其是包含氢气的环境中。因此，封装开关装置的使用提高了电解系统的安全性。
17.在本发明的另一有利的设计方案和改进方案中，在断开开关装置时，直流电流从开关装置换向到电解模块中。通过电流的切换有利地使之前被桥接的电解模块重新投入运行。
18.在本发明的另一有利的设计方案和改进方案中，在换向时，开关装置以至少100v、尤其是至少120v的电弧电压运行。开关装置或电解模块中的电流有利地在从2ka到10ka的范围内。这有利地使得可桥接包括多达30个电解池、特别优选地多达300个电解池的电解模
块的电流。
19.在本发明的另一有利的设计方案和改进方案中，多个开关路径串联，以桥接模块。这有利地提高了电弧点燃电压。这包含了用于分裂电弧以提高电弧点燃电压的电弧分离器的概念。还有其他引起提高电弧点燃电压的方法，例如尤其是通过磁场的影响、电弧的机械收缩、电弧的延长或电弧的冷却。
20.在本发明的另一有利的设计方案和改进方案中，低欧姆电阻或二极管在正向上与开关元件串联。有利地，因此保持了堆叠的极性和保护电压。
21.在本发明的另一有利的设计方案和改进方案中，至少两个电解模块通过与电解模块并联布置的开关装置桥接。如果要桥接其他模块，则附加地桥接四个模块。在桥接模块时的有利的系统是二进制系列2n(1个模块、2个模块、4个模块、8个模块等)。因此可有利地减少开关装置的数量。
附图说明
22.本发明的其他特征、特性和优点由以下参照附图的说明中得出。
23.其中：
24.图1示意性地示出了具有四个电解模块的电解系统，其中，三个开关装置处于断开位置；
25.图2示意性地示出了具有四个电解模块的电解系统，其中，两个开关装置中的一个处于断开位置，一个处于关闭位置。
具体实施方式
26.图1示出了包括四个电解模块2的电解系统1。每个电解模块2包括多个电解池3。电解池3布置在两个压板4之间。压板4将电解池压在一起，其尤其包括质子交换膜。布置在电解系统1的边缘处的压板4通过电气联接部5电气联接。与电解系统1的电解模块b、c和d并联地布置有三个开关装置6。在此，开关装置6布置成与电解模块2电气并联。在该示例中，每个开关装置6桥接一个电解模块2。因此，每个开关装置6与界定电解模块2的压板4电气连接。
27.在该示例中，因为断开所有的开关装置6，所以在所有的电解模块2中进行电解，尤其将水分解成氢气和氧气。通过直流电流进行电解。因此，开关装置6构造为直流电流开关装置。二极管8以正向与开关元件串联。有利地，因此保持了堆叠的极性和保护电压。
28.在该示例中，电解系统1在满负荷下运行。此时，如果电网中的电功率下降，尤其是由于风少和日照少，则可闭合至少一个开关装置6。因此可模块化地切断或桥接电解模块b、c和d。在该示例中，电解模块a在电解系统1运行期间一直运行。此时，如果其他的模块根据可用的电功率而被切断，则电解模块a可以恒定的功率密度运行。因此，有利地，没有电解模块或电解池3以部分负荷运行。特别有利的是，在时间上相继地桥接电解模块。模块a尤其可首先被桥接指定的持续时间。随后，模块b或模块c可被桥接类似的持续时间。因此，模块均匀运行并且承受均匀负荷。通过桥接防止电解池3快速老化。此外保证尤其氢气的产品质量保持恒定。
29.在图2中同样示出了电解系统1，其具有四个电解模块2。电解模块又通过压板4界定，其中，压板4将电解池3压在一起。在该示例中，两个开关装置6布置成与电解模块2并联。
开关装置6布置成与电解模块b并联。另一开关装置布置成与电解模块c和d并联。低欧姆电阻9与开关元件串联。另一低欧姆电阻9与二极管8串联。同样可仅使用低欧姆电阻9而没有使用二极管8。有利地，借助于二极管和/或低欧姆电阻来维持堆叠的极性和保护电压。
30.在该示例中，桥接电解模块c和d的开关装置6闭合。因此，在该示例中，电解系统在部分负荷下运行。在此，电解模块a和b相应在恒定的电功率下运行。通过闭合开关装置6实现部分负荷运行，由此电气桥接电解模块c和d。如果现在电网中的可用电功率增加，可将开关装置6再次断开。特别有利地，开关装置6构造为真空管，尤其构造为低压真空管。同样合适但未在图中示出的是封装的气体开关路径，其类似于例如在高压技术中使用的那样的柱式断路器或罐式断路器。由此防止在电流换向时形成开路电弧。这是合乎需要的，因为在电解模块中形成有爆炸危险的气体，尤其氢气。
31.在两个实施例中示出了四个电解模块2。这是简化的表示。串联连接更多数量的电解模块同样在本发明的精神内。同样可将开关组件6布置成进一步分级互联，以便一方面提供足够数量的开关装置6，另一方面防止过多数量的开关装置6。
32.尽管已经详细地通过优选的实施例具体地说明和描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制。其变化可由本领域技术人员推导出，而不背离本发明的例如由所附权利要求限定保护范围。
33.附图标记列表
34.1 电解系统
35.2 电解模块
36.3 电解池
37.4 压板
38.5 电气联接部
39.6 开关装置
40.7 电气线路
41.8 二极管
42.9 电阻
43.a 电解模块a
44.b 电解模块b
45.c 电解模块c
46.d 电解模块d