电解方法和电解布置技术

本发明专利技术涉及采用电解槽(4)的使用至少一个再循环吹扫介质(50、60)的电解方法。本发明专利技术还涉及电解布置，尤其用于进行所述电解方法的电解布置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及使用电解槽的电解方法。本专利技术还涉及电解布置，尤其用于进行电解方法的电解布置。此外，根据本专利技术在至少一个电解槽上进行电解方法，其中由反应物气体和/或反应物蒸气在电解槽的阴极上形成氢气和/或一氧化碳形式的产物气体并且在电解槽的阳极上形成氧气，并且向阴极供应阴极吹扫介质从而至少部分地输送走阴极的氢气和/或一氧化碳，和/或向阳极供应阳极吹扫介质从而至少部分地输送走阳极的氧气。对于将电能转化成化学能，电解目前被视为可用于大规模应用的过程。电解是其中通过电流强制氧化还原反应的过程。由于在电解时一部分所使用的电能转化成化学能，所以电解可以用于电解产物中的能量储存。在水电解时，水在电解槽的阴极分解成氢气并且在阳极分解成氧气。2H2O(l/g)→2H2(g)+O2(g)在二氧化碳的电解时，在电解槽的阴极产生一氧化碳并且在阳极产生氧气。2CO2(g)→2CO(g)+O2(g)基本上，在使用酸性、碱性或PEM(质子交换膜)电解器时电解可以在低温下进行，或者在使用氧化物陶瓷电解质(SOEC-固体氧化物电解槽)时电解可以在高温下进行。因为用于产生氢气的高温电解(HTEL)不能供应液体水而是供应水蒸气，所以相比于常温进行的电解，在高温电解中必须使用更低的能量消耗。其原因在于，水蒸气的裂解能比液体水所需的裂解能低约16％。所述差别对应于水的蒸发焓。由于使用放热后续过程的废热，水蒸气的产生对于电解的电效率来说是中立的。由于电能成本主导总电解成本，高温电解具有显著的经济优点。由现有技术例如由文献DE2549471A1已知一种高温电解方法，其中借助水蒸气流或对于所使用的材料为惰性的其它气体流稀释在电解槽的阳极侧形成的氧气。随着水蒸气流离开阳极的氧气在伴随的水蒸气冷凝之后释放。这种方式导致电解槽的阳极侧的氧气分压降低，这出于热力学原因导致所需电解电压的降低，同时导致效率的提高。此外，所提出的方式导致阳极侧的氧化问题和腐蚀问题的减少。现有技术的问题在目的在于制备合成气或液体燃料的全过程中，升高的压力下的电解运行起着决定性作用。电解之后发生的转化阶段和合成阶段通常在超大气压下进行。为了节省电解和后续过程之间的非常耗能并且因此昂贵的压缩，高温电解本身应当在加压状态下进行。为此，水的高温电解所需的水蒸气和/或高温电解所使用的二氧化碳本身可以以高初始压力提供。就此而言，必须仅将水蒸气和/或二氧化碳压缩至过程压力。相比于在电解阶段之后压缩氢气或一氧化碳，这在能量方面明显更有利。为了满足上述对压力的要求，在已知的方法中需要使所使用的不断供应至阳极的吹扫气体达到高温电解槽的压力水平，因为可能的压差会导致电解模块中的损坏。所需的压缩在此取决于介质选择并且以电解系统的总效率为代价。气态介质(例如文献DE2549471A1中提出的水蒸气)具有高的压缩能力，因此需要相对高的压缩机功率。此外，关于文献DE2549471A1中描述的方法需要注意的是，计划用水蒸气吹扫需要预先使水蒸发，这降低了电解方法的总效率。此外，在文献DE2549471A1的方法中，必须预先准备外部供应的水。此外，在已知的方法中必须使吹扫气体达到高温电解的温度范围，即800和900℃之间的温度，否则电解模块中会出现过高的热机械负载和导电性损失。为了对吹扫气体进行调温，因此需要额外能量，这降低了总效率。在文献DE2549471A1的方法中尝试以以下方式对此进行补偿：在释放离开阳极的氧气之前将其热含量传递至进料蒸气。这可以通过换热器实现，但是因此产生更高的投资成本。在文献DE2549471A1的系统中使用吹扫气体时，还必须注意介质成本。虽然在所述文献中没有提及所需的吹扫气体量，但是能够预料电解过程中持续消耗介质。因此产生的成本降低了高温电解的经济性。本专利技术所基于的目的在于提供电解方法以及电解布置，相比于目前的现有技术，其能够实现电解槽布置的更经济的运行。采用根据主权利要求所述的电解方法实现所述目的。此外，采用根据并列权利要求所述的电解布置实现所述目的。此外发现，为了提高所进行的电解的功率，有利的是在位于电解槽的阳极侧的电极上进行吹扫从而引开在该处形成的氧气。在本文中，吹扫被理解为额外供应气体和/或其它介质从而稀释和转移位于吹扫区域中的或在吹扫区域中形成的气体和/或介质。采用电解槽的在300℃至1,500℃的温度范围内运行的电解方法包括以下步骤：-将反应物供应至电解槽，其中在电解槽的阴极形成产物气体并且在电解槽的阳极形成氧气，-借助至少一种供应至电解槽的第一吹扫介质至少部分地转移走氧气，其中至少第一吹扫介质对于氧气为惰性的，-在分离装置中将吹扫介质-氧气混合物至少部分地分离成成分氧气和至少第一吹扫介质，-通过将分离的至少第一吹扫介质重新供应至电解槽进行再循环并且从方法中导出分离的氧气。在根据本专利技术的电解方法中，阴极吹扫介质和/或阳极吹扫介质循环，即在进行吹扫阴极和/或阳极之后重新或继续使用。由此，除了各个电极的有利的吹扫作用之外(即降低功率损耗并且降低各个吹扫电极上的不希望的化学反应)以外，相比于现有技术还产生根据本专利技术的方法的总效率的明显改进。因此可以通过循环各个吹扫介质从而几乎无损失地继续利用其原始热能及其压力。此外可以通过循环各个吹扫介质从而保证对各个电极进行连续吹扫。由此可以例如从吹扫的电极连续地转移走对各个电极不利的例如导致电极的腐蚀或氧化的气体和/或介质，因此可以延长至少一个吹扫的电解槽的寿命并且降低维护成本和投资成本。可以通过借助至少一种第二吹扫介质吹扫从而至少部分地转移走产物气体，并且在分离装置中将吹扫介质-产物气体混合物分离成成分产物气体和至少第二吹扫介质，其中通过重新供应至电解槽从而再循环分离的至少第二吹扫介质或吹扫介质-产物气体混合物或产物气体，并且从方法中至少部分地导出分离的产物气体，其中至少第二吹扫介质对于产物气体为惰性的。所述电解方法可以在至少一个电解槽上运行，其中由反应物蒸气和/或反应物气体在电解槽的阴极上形成呈氢气和/或一氧化碳形式的产物气体并且在电解槽的阳极上形成氧气，并且向阴极供应阴极吹扫介质从而至少部分地输送走阴极的氢气和/或一氧化碳，和/或向阳极供应阳极吹扫介质从而至少部分地输送走阳极的氧气；其中当吹扫阴极时，至少阴极吹扫介质在阴极吹扫回路中流动，在所述阴极吹扫回路中阴极吹扫介质在阴极上富集氢气和/或一氧化碳并且形成可能包含反应物蒸气或反应物气体的阴极吹扫介质/产物气体混合物，之后至少地，当阴极吹扫介质不为产物气体时，从阴极吹扫介质/产物气体混合物中至少部分地分离阴极吹扫介质/产物气体混合物的至少一种介质，然后将阴极吹扫介质和/或贫产物气体的阴极吹扫介质/产物气体混合物重新供应至阴极；和/或当吹扫阳极时，阳极吹扫介质在阳极吹扫回路中流动，在所述阳极吹扫回路中阳极吹扫介质在阳极上富集氧气并且形成阳极吹扫介质/氧气混合物，然后使阳极吹扫介质/氧气混合物的氧气至少部分地与阳极吹扫介质分离，然后将阳极吹扫介质和/或贫氧气的阳极吹扫介质/氧气混合物重新供应至阳极。阴极吹扫介质和/或阳极吹扫介质可以是具有至少一种电解反应物和/或至少一种电解产物和/或至少一种不参与电解的介质的介质，优选气体或本文档来自技高网...

【技术保护点】
采用电解槽(4)的电解方法，所述电解槽(4)在300℃至1,500℃的温度范围内运行，所述电解方法包括以下步骤：‑将反应物(30)供应至电解槽(4)，其中在电解槽(4)的阴极(43)上形成产物气体(H2、CO)并且在电解槽(4)的阳极(45)上形成氧气(O2)，‑借助至少一种供应至电解槽(4)的第一吹扫介质(60)至少部分地转移走氧气(O2)，其中至少第一吹扫介质(60)对于氧气(O2)为惰性的，‑在分离装置(11、12)中将吹扫介质‑氧气混合物(60‑O2)至少部分地分离成成分氧气(O2)和至少第一吹扫介质(60)，‑通过将分离的至少第一吹扫介质(60)重新供应至电解槽(4)进行再循环并且从方法中导出分离的氧气(O2)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.06 DE 102014108085.81.采用电解槽(4)的电解方法，所述电解槽(4)在300℃至1,500℃的温度范围内运行，所述电解方法包括以下步骤：-将反应物(30)供应至电解槽(4)，其中在电解槽(4)的阴极(43)上形成产物气体(H2、CO)并且在电解槽(4)的阳极(45)上形成氧气(O2)，-借助至少一种供应至电解槽(4)的第一吹扫介质(60)至少部分地转移走氧气(O2)，其中至少第一吹扫介质(60)对于氧气(O2)为惰性的，-在分离装置(11、12)中将吹扫介质-氧气混合物(60-O2)至少部分地分离成成分氧气(O2)和至少第一吹扫介质(60)，-通过将分离的至少第一吹扫介质(60)重新供应至电解槽(4)进行再循环并且从方法中导出分离的氧气(O2)。2.根据权利要求1所述的电解方法，其特征在于，通过借助至少一种第二吹扫介质(50)吹扫从而至少部分地转移走产物气体(H2、CO)，并且在分离装置(11、12)中将吹扫介质-产物气体混合物(50-H2/CO)分离成组分产物气体(H2、CO)和至少第二吹扫介质(50)，其中通过重新供应至电解槽(4)从而再循环分离的至少第二吹扫介质(50)或吹扫介质-产物气体混合物(50-H2/CO)或产物气体(H2、CO)，并且从方法中至少部分地导出分离的产物气体(H2、CO)，其中至少第二吹扫介质(50)对于产物气体(H2、CO)为惰性的。3.根据权利要求1或2所述的电解方法，其特征在于，电解方法以以下方式进行：使小于100％的反应物(30)转化成产物气体(H2、CO)，从而通过未转化的反应物(30)至少部分地转移产物气体(H2、CO)，其中在分离装置(11、12)中将产物气体-反应物混合物(H2/CO-30)至少部分地分离成组分产物气体(H2、CO)和反应物(30)，其中再循环分离的反应物(30)或产物气体-反应物混合物(H2/CO-30)并且从方法中至少部分地导出分离的产物气体(H2、CO)。4.根据前述权利要求任一项所述的电解方法，其特征在于，电解槽在600℃至1000℃的温度范围内操作。5.根据前述权利要求任一项所述的电解方法，其特征在于，其中使用气体、蒸气和/或气态蒸气形式的水(H2O)和/或二氧化碳(CO2)作为反应物(30)，其中对应于所使用的反应物(30)，形成氢气(H2)和/或一氧化碳(CO)作为产物气体(H2、CO)。6.根据前述权利要求任一项所述的电解方法，其特征在于，在重新引入阴极吹扫回路(15)/阳极吹扫回路(16)之前加热和/或压缩至少第一(60)/第二吹扫介质(50)。7.电解布置，所述电解布置尤其用于进行根据前述权利要求任一项所述的电解方法，其特征在于，电解槽布置具有至少三个彼此分开的压力室，即阳极室(5)、阴极室(3)和容器室(2)，所述阳极室(5)和阴极室(3)共同形成电解槽(4)，其中-阳极室(5)和阴极室(3)设置在容器室(2)内；-为了将反应物(30)供应至阴极室(3)并且将至少一种第一吹扫介质(60)供应至阳极室(5)，分别设置至少一个介质输入管道(31、51)；-为了从阳极室(5)中排出至少第一吹扫介质(60)和通过电解形成的氧气(O2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·冯欧尔绍森，J·布拉班迪特，D·沙尔曼，
申请(专利权)人：太阳火有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE