电化学制氧的方法和设备技术

本发明专利技术提出一种制造含氧气体产物(10)的方法，其中对含水的原料(1)以获得富氧且含氢的阳极原料气体(2)以及贫氧且富氢的阴极原料气体(14)的方式进行电解(E)。对阳极原料气体以获得低氢的第一混合物(4)的方式至少部分地进行氢生成水的催化反应(C)。在电解(E)下游和催化反应(C)上游将第一混合物(4)的第一部分回输至阳极原料气体(2)，以及，用第一混合物的至少第二部分形成含氧的气体产物。此外还提出一种用于实施该方法的设备。一种用于实施该方法的设备。一种用于实施该方法的设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电化学制氧的方法和设备
[0001]本专利技术涉及根据独立权利要求的前序部分的用于电化学制氧的一种方法和一种设备。

技术介绍

[0002]一般而言，存在提供作为气体的氧的多种方案。广泛使用的方案例如有空气分离，其中先将空气液化，再进行分馏。
[0003]不同含氧化合物，如水或二氧化碳的电化学反应同样是已知的且提供氧气。但在大多数情况下，所形成的氧气无法作为产品利用，而是从制程中逸出并被弃置。
[0004]视具体应用可能会对氧气的纯度提出极高的要求，因此，需要从氧气中尽可能多地分离出杂质。此外，在处理氧气的过程中通常存在以下问题：暴露于较高的氧浓度的设备部件必须实施为耐腐蚀的。
[0005]此外，在氧浓度较高的气体混合物中，视成分的具体组成，可能会形成构成安全风险的爆炸性混合物。特别是在氧气来自形成氢气的电解过程的情况下，就会出现上述情况。
[0006]虽然在电解过程中，通常在阴极侧形成氢；但基于小氢分子的高流动性，无法防止在电解的阳极侧形成的氧气被穿过分离阳极侧与阴极侧的膜片，例如质子交换膜(PEM)、阴离子交换膜(AEM)或固体氧化物电解室的固体氧化物高温膜(SOEC)的氢气污染。
[0007]电解中原则上进行以下反应。
[0008]针对用PEM电解的情形：
[0009]阳极上：H2O
→
1/2O2+2H
+
+2e
‑
[0010]阴极上：2e
‑
+2H
+
→
H2[0011]针对用AEM电解的情形：
[0012]阳极上：2OH
‑
→
1/2O2+2H2O+2e
‑
[0013]阴极上：2e
‑
+2H2O
→
H2+2OH
‑
[0014]针对用SOEC电解的情形：
[0015]阳极上：2O2‑
→
O2+4e
‑
[0016]阴极上：H2O+2e
‑
→
H2+O2‑
[0017]如上所述，也可以用其他含氧化合物进行电解以获得氧。如果所使用的离析物不是无水的，则上述反应可能作为副反应出现，因此，在任何情况下都必须考虑到氢的形成。
[0018]在详细描述本专利技术之前，首先需要对此处使用的一些术语进行说明。
[0019]除非另有明确说明，在本申请范围内给出的混合物的组成、浓度和比例涉及的是就干燥的也就是无水混合物而言的体积组成或浓度或体积比例。
[0020]在本专利申请的语言中，如果气体混合物所具有的一或多个组分的比例超过50％、60％、70％、80％、90％、95％、98％、99％、99.9％或99.99％，则气体混合物富含这一或多个组分，其中在多个组分的情况下，该比例是指各比例之和。
[0021]相应地，如果混合物不富含一或多个组分，也就是这个组分占在混合物中的比例低于50％、40％、30％、20％、10％、5％、2％、1％、0.1％或0.01％，则混合物缺乏这一或多个
组分。
[0022]在此处所使用的语言中，不含一或多个组分的气体或混合物是指极为缺乏这个组分，其比例低于1000ppm、100ppm、10ppm、1ppm、100ppb、10ppb或1ppb。气体或混合物不含的组分的比例特别是低于该组分的检出限。
[0023]富含一或多个组分的气体或混合物是指所具有的一或多个组分的浓度高于初始气体或初始混合物的气体或混合物。与相应的初始气体相比，富含某个组分的气体特别是具有至少1.1、1.3、2、3、10、30、100、300或1000倍的这个组分的比例。
[0024]相应地，与相应的初始气体相比，某个组分含量低气体特别是具有最高0.001、0.003、0.01、0.03、0.1、0.3、0.5或0.9倍的这个组分的比例。
[0025]如果下文中提到用气体或混合物的一部分，则其可能表示，使用气体或混合物的体积比例，该体积比例为原始气体或原始混合物的总标准体积的最高100％，且该气体或混合物的组成与原始气体或原始混合物相同，或者，使用仅用原始气体或原始混合物的某些组分形成的气体或混合物。亦即，气体或混合物的这个部分具有与原始气体或原始混合物相同或不同的组成。
[0026]在此处所使用的语言中，爆炸是指轻微爆炸、爆裂或引爆。
[0027]本专利技术的目的是，将电解反应中获得的氧气通过催化氧化从氢气中释放出来，并且防止催化反应期间升温过猛。

技术实现思路

[0028]本专利技术用以达成上述目的的解决方案为具有独立权利要求的特征的用于电化学制氧的一种方法和一种设备。技术方案为从属权利要求和以下说明的主题。
[0029]电解产生的富氢气体(阴极原料气体)中的氧可以与氢反应形成水，并且与电解时未反应的水一起从富氢气体去除。在本专利技术范围内，利用这个用于去除氧的传统技术来去除形成在阳极上的富氧气体(阳极原料气体)中的氢杂质。不同于典型的阴极原料气体中的常规氧含量，阳极原料气体中的氢含量通常更高，因为阴极侧通常在更大的压力下工作。
[0030]本专利技术用以达成上述目的的解决方案为，在电解单元下游，对在所述电解单元中由原料获得的包含氧气和部分氢气的阳极原料气体以获得低氢中间混合物的方式至少部分地进行氢氧生成水的催化反应，其中在电解下游以及催化反应上游将所述中间混合物的第一部分回输至阳极原料气体。用低氢中间混合物的第二部分形成含氧的气体产物。如前所述，“中间混合物的第一部分”为中间混合物的纯量比例，但其同样可以指后续步骤中获得的包含其他物质组成的比例。对“中间混合物的第二部分”而言也是如此。
[0031]通过应用本专利技术提出的措施，使得相应设备部件中的氢浓度降低。特别是以某种方式降低氢浓度，从而将催化反应中的绝热温升限制在某个预期值。其优点在于，可以应用成本较低的普通绝热反应器。这样就无需以较高的成本使用等温的反应器方案。
[0032]根据本专利技术，通过将低氢(特别是无氢或贫氢的)中间混合物的第一部分在电解下游回输至阳极原料气体，即使在阳极原料气体中的氢浓度较高的情况下，仍可以将该处的氢含量稀释至毫无问题的值，使得阳极原料气体中的氧气可以被净化和利用。在除氢的下游，氢气原本就因被相应地去除而同样以毫无问题的浓度存在。
[0033]为确保不会达到非期望的较高氢浓度，特别有利地，可以在制造设备的特定位置，
例如在电解单元的出口处或催化反应单元中设置传感器。这些传感器例如可以直接检测氢浓度，并且在超过预定阈值的情况下，根据本专利技术，例如通过打开阀门，或者通过增大回输的低氢中间混合物的量，来用低氢中间混合物的第一部分稀释阳极原料气体。
[0034]这类传感器的另一有利技术方案能够实现温度监测，由此，可以以受控或受调节的方式切断催化反应，或者重新以受控或受调节的方式稀释阳极原料气体。其优点在于，仅在排除了非期望的升温的情况下才开始催化反应，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制造含氧气体产物(10)的方法，其中对含水的原料(1)以获得富氧且含氢的阳极原料气体(2)以及贫氧且富氢的阴极原料气体(14)的方式进行电解(E)，其特征在于，对所述阳极原料气体(2)以获得低氢中间混合物(4)的方式至少部分地进行氢生成水的催化反应(C)，在所述电解(E)下游和所述催化反应(C)上游将所述中间混合物(4)的第一部分回输至所述阳极原料气体(2)，以及，用所述中间混合物(4)的至少第二部分形成所述含氧的气体产物。2.根据权利要求1所述的方法，其中对所述中间混合物(4)以获得水含量较低的中间混合物馏分(5)和富含水的冷凝物(6)的方式至少部分地进行冷凝(K1)。3.根据权利要求2所述的方法，其中对所述中间混合物馏分(5)的至少一部分以获得所述含氧气体产物(10)和低氧且富含水的残余气体(12)的方式进行干燥(T)。4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中用至少一定量比例的所述中间混合物(4)和/或所述中间混合物馏分(5)和/或所述残余气体(12)和/或所述气体产物(10)形成回输至所述阳极原料气体(2)的所述中间混合物(4)的第一部分。5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述中间混合物的第一部分以一定量回输至所述阳极原料气体(2)或所述阳极侧原料(1)，所述量使得所述阳极原料气体(2)中的氢浓度在所述回输下游为最高0.1％、0.2％、0.3％、0.5％、1％或2％。6.根据权利要求3所述的方法，其中所述干燥(T)包括变温吸附(TSA)。7.根据权利要求3或6所述的方法，其中在所述干燥(T)上游对所述中间混合物馏分(5)进行压缩，并且以获得另一中间混合物馏分(8)和另一冷凝物(9)的方式进行进一步冷凝(K2)。8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述冷凝物(6，9)中的至少一个与所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德烈亚斯，
申请(专利权)人：林德有限责任公司，
类型：发明
国别省市：