用于运行电解系统的方法以及电解系统技术方案

本发明专利技术涉及提高用于通过在PEM电解池(2)中分解水来产生氢气和氧气的电解系统(1)的效率，通过-将工艺用水(PW)输送给PEM电解池，-将在PEM电解池(2)中分解工艺用水(PW)时产生的废热存储在载热介质(WM)中，将载热介质(WM)输送给低温-蒸馏设备(10)，并且-在低温-蒸馏设备(10)中借助废热在工作温度在60°和100°之间时由原水(RW)制造去离子水(DW)，其中仅将一部分、特别是小于50％的去离子水(DW)作为工艺用水(PW)输送给PEM电解池(2)，并且在低温-蒸馏设备(10)之后和PEM电解池(2)之前从电解系统(1)中导出特别是包括多于50％的去离子水(DW)的工业水流(IW)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于运行电解系统的方法以及电解系统
本专利技术涉及一种用于运行通过分解水来产生氢气和氧气的电解系统的方法和一种电解系统。
技术介绍
借助电解液将水分解成氢气和氧气，能够存储以氢气或氧气的形式的流体。在反应之后，在制品氢气和氧气(dieProdukteWasserstoffundSauerstoff)的化学能中重新寻获绝大部分的所输入的电能。然而，在电解过程中，除制品氢气和氧气之外，也形成以反应热形式产生的损耗。电解工艺以新鲜水来供给，其中新鲜水通常涉及完全脱盐的、特别是蒸馏的水。为了防止矿物和其他的杂质覆盖电解池的电极表面，甚至在将自来水输送给电解池之前对其进行清洁并去离子化。为了避免腐蚀和减活催化剂，在水中还不应当包含氯化物。在运行电解池时，仅部分地分解去离子化的工艺用水，大部分的工艺用水保留在工艺用水循环中。然而，必须补充额外的去离子水，以便补偿电解池中的工艺用水损耗。在电解池中用作工艺用水的去离子水必须事先从原水源(例如自来水、河水、湖水还有海水或者苦咸水)中获取。根据对高质量的和低质量的水源的存取，获取水以高的能量成本和设备耗费来进行。这降低了电解工艺的总效率。一般与实际的电解工艺分开地进行对于用于通过电解制造氢气所需要的水的处理，并且因此在研究电解工艺的效率时通常也没有考虑到它。当在电解设备之外进行一部分的水处理时，例如通过使用来自由当地市政机构运行的饮用水管路的饮用水的方式，对于这种高度调节处理了的水必须支付与提取河水相比更高的价格。因此，能量成本在处理饮用水的运营商处上升，而不是计入到总效率中。用于提供去离子的和脱盐的水的能量消耗降低了电解工艺的效率。此时，或者使用饮用水，或者在没有可用的饮用水的地点必须提供相应的设备以处理低质量的原水。这两者都提高了电解工艺的成本。与此相关的要注意的是，在电解期间，可观数量的电能转换成热能/废热，如今绝大部分的热能/废热未被利用地被排出。从DE102005011316A1中例如已知，将电解池中产生的氢气流和氧气流的热量输出到电解所需的水处，以便预热。
技术实现思路
本专利技术基于下述目的，即提高电解工艺的效率。根据本专利技术，借助用于运行通过在PEM电解池中分解水来产生氢气和氧气的电解系统的方法来实现该目的，其中-将工艺用水输送给PEM电解池，-将在分解工艺用水时在PEM电解池中产生的废热存储在载热介质中，-将载热介质输送给低温-蒸馏设备(Niedertemperatur-Destillationsanlage)，并且-在低温-蒸馏设备中，在大气压下借助于废热在工作温度在60°和70°之间时由原水制造去离子水，其中-仅将一部分、特别是小于50％的去离子水作为工艺用水输送给PEM电解池，并且-在低温-蒸馏设备之后并且在PEM电解池之前从电解系统中导出特别是包括大于50％的去离子水的工业水流。此外，根据本专利技术，该目的由用于借助下述方法通过电解水来产生氢气和氧气的电解系统来实现。下面所指出的关于该方法的优点和优选的设计方案就其含义而言能够传递给电解系统。在此，将低温-蒸馏设备理解为水处理设备，其中在低于100℃的温度下制造蒸馏水。例如在DE102008051731A1中描述了这种基于汽化(即低于沸点温度发生的过程)和再冷凝的工艺。在此，蒸馏水被标记为工艺用水，将其输送给PEM电解池以分解成氢气和氧气。工艺用水既能够包括新鲜蒸馏水也能够包括穿流过PEM电解池之后未被消耗的且重新导入到PEM电解池中的水。在此，在低温-蒸馏设备中处理的、但是不作为输送给PEM电解池的工艺用水的水被标记为工业水流。工业水流通常大于在低温-蒸馏设备中制造的工艺用水的水流，特别地，工业水流大于在低温-蒸馏设备中蒸馏的水的50％。工业水流从电解系统中导出，并且未被处理，或者其在后续的处理步骤之后用于工业工艺中、农业中或者用作饮用水。水的分解通过PEM电解池中的膜-电极-单元(Membran-Elektroden-Einheit)(MAE-英语membraneelectrodeassembly)来进行。其中所包含的膜的特征在于其质子传导能力(PEM-英语protoneexchangemembrane质子交换膜)。PEM电解池在50℃和130℃之间的温度下、典型地在70℃和90℃之间的温度下工作。在这种温度水平上能够直接地利用电解工艺的废热，以便“燃烧”热运行的水处理设备。相应地，载热介质的温度在60℃和100℃之间、特别是70℃和80℃之间，并且在低温-蒸馏设备中，工作温度设定在60℃和100℃之间、特别是70℃和80℃之间。现今，已知下述水处理工艺，与传统的蒸馏相反的，在大气压力下，其在60℃至70℃的温度下也还能够以极其良好的质量工作。本专利技术基于下述考虑，在PEM电解池中将电能转换成制品氢气和氧气时，以反应热的形式所产生的废热用于制造去离子水。为了该目的，设置低温-蒸馏设备，其以流体技术的方式与PEM电解池耦合。通过特别是液体的载热介质，特别的连续排出来自PEM电解池的废热并且将其输送给集成在低温-蒸馏设备中的热交换器。此外，将原水导入到热交换器中，该原水在热处理工艺的范围中借助于来自PEM电解池的废热脱盐并去离子化。因此，在热交换器中载热介质是热传递时的热源。载热介质的循环既能够是断开的也能够是闭合的。在本专利技术中将公知在PEM电解池和低温-蒸馏设备之间的最佳协同效应。在此，重要的认知是，在PEM电解池中产生的废热明显大于低温-蒸馏设备所需的热量，因此由低温-蒸馏设备对PEM电解池中的水自身消耗进行过量补偿。因此确保，小股的蒸馏水流、特别是50％的新鲜蒸馏水作为工艺用水输送回PEM电解池，然而，较大部分的新鲜蒸馏水用于其他的工艺。借助于最佳的电解系统的热利用确保，对于电解运行存在充足的水，以及确保了制造设计用于其他工业的或农业工艺的工业水流。这意味着，在吸收了来自PEM电解池的废热之后，载热介质的温度水平足以能够直接使用低温-蒸馏设备中的废热。在上述方法中，可以节省除了例如用于泵的电能之外的用于制造蒸馏水的能量，因为所述能量已经被引入到电解系统中，因此降低了系统的总能量需求。在1MW电解设备的情况中，例如在额定运行中每小时需要至少160l的去矿物化的或者说去离子的工艺用水。热的水处理具有大约0.25kWh/l的能量消耗，在膜脱盐的情况中，对于海水而言的能量消耗为0.1kWh/l。这意味着，在使用电解池的废热流的情况下，对于仅是热学的处理设备、例如低温-蒸馏设备，能够为电解系统输送每小时直至2000l的脱盐水。因为在低温-蒸馏设备中为PEM电解池输送了一部分的去离子水，因此自动获得了与需求匹配的介质流平衡。如果通过更多地输入电能将大量的工艺用水分解成其元素，如此也产生数量更大的废热，该废热在水处理设备中又引起了去离子水的产量的提高。去离子水反而能够覆盖PEM电解池中的提高了的水消耗。所说明的过程具有三个显著优点。一方面，由于在载热介质中存储了来自电解工艺中的废热，可以节约关于在电解运行期间的水冷却或空气冷却的成本，因为排出了来自PEM电解池中的所形成的废热。另一方面，在低温-蒸馏设备中在热学地处理水时继续使用废热，以便制造去离子水。第三，以这种方式能够处理大量的原水，使得不仅覆盖了电解工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于运行用于通过在PEM电解池(2)中分解水来产生氢气和氧气的电解系统(1)的方法，其中‑将工艺用水(PW)输送给所述PEM电解池，‑将在所述PEM电解池(2)中分解所述工艺用水时产生的废热存储在载热介质(WM)中，‑将所述载热介质(WM)输送给低温‑蒸馏设备(10)，并且‑在所述低温‑蒸馏设备(10)中，借助于所述废热在60°和100°之间的工作温度下由原水(RW)制造去离子水(DW)，其中‑仅将一部分、特别是小于50％的所述去离子水(DW)作为工艺用水(PW)输送给所述PEM电解池(2)，并且‑在所述低温‑蒸馏设备(10)之后并且在所述PEM电解池(2)之前从所述电解系统(1)中导出特别是包括多于50％的所述去离子水(DW)的工业水流(IW)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.02 EP 12153648.61.一种用于运行用于通过在PEM电解池(2)中分解水来产生氢气和氧气的电解系统(1)的方法，其中-将工艺用水(PW)输送给所述PEM电解池，-将在所述PEM电解池(2)中分解所述工艺用水时产生的废热存储在载热介质(WM)中，-将所述载热介质(WM)输送给低温-蒸馏设备(10)，并且-在所述低温-蒸馏设备(10)中，在大气压下借助于所述废热在60°和70°之间的工作温度下由原水(RW)制造去离子水(DW)，其中-仅将一部分所述去离子水(DW)作为工艺用水(PW)输送给所述PEM电解池(2)，并且-在所述低温-蒸馏设备(10)之后并且在所述PEM电解池(2)之前从所述电解系统(1)中导出包括多于50％的所述去离子水(DW)的工业水流(IW)。2.根据权利要求1所述的方法，其中，仅将小于50％的所述去离子水(DW)作为工艺用水(PW)输送给所述PEM电解池(2)。3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述PEM电解池(2)中保持未分解的工艺用水(PW)作为剩余工艺用水(EPW)从所述PEM电解池(2)中导出，其中将所述剩余工艺用水(EPW)重新输送给所述PEM电解池(2)。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，在所述低温-蒸馏设备(10)中将去离子水(DW)作为所述载热介质(WM)来使用。5.根据权利要求3所述的方法，其中，将剩余工艺用水(EPW)作为所述载热介质(WM)来使用。6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，在所述PEM电解池(2)和所述低温-蒸馏设备(10)之间的闭合循环(30)中循环泵送所述载热介质(WM)。7.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述PEM电解池(2)和所述低温-蒸馏设备(10)之间的闭合循环(30)中循环泵送所述载热介质(WM)。8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述原水(RW)作为所述载热介质(WM)来使用。9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述原水(RW)作为所述载热介质(WM)来使用。10.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，重新矿化至少一部分的所述工业水流(IW)。11.根据权利要求9所述的方法，其中，重新矿化至少一部分的所述工业水流(...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·哈默，迪特尔·莫斯特，约亨·舍费尔，马丁·塔肯贝格，阿明·达茨，克劳斯·登纳林，诺贝特·胡贝尔，安德烈亚斯·赖纳，约亨·斯托柏，维尔纳·斯托柏，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE