本发明专利技术涉及一种用于通过碱性电解生产氢气和氧气的电解装置。该电解装置所包括的系统配置使得能够根据供应到电解介质的电解堆的直流电的电流密度来平衡该电解装置的阳极区与阴极区之间的碱液浓度。在高电流密度下，氢气到氧气的穿越和氧气到氢气的穿越是低的，这允许完全混合电解介质以平衡阳极电解液与阴极电解液之间的浓度。在低电流密度下，氢气到氧气的穿越和氧气到氢气的穿越是高的。因此，该电解装置被配置成使得在供应到该电解堆的直流电的电流密度降低的情况中，电解介质的混合降低。合降低。合降低。
【技术实现步骤摘要】
用于碱性电解的电解装置及其方法
[0001]本专利技术涉及用于从碱性电解介质电化学生产氢气和氧气的电解装置，以及通过碱性水电解生产氢气和氧气的方法。
技术介绍
[0002]在水的碱性电解中，使用高浓度的碱液作为电解质介质。特别地，使用浓度为1mol/l(1M)至6mol/l(6M)的氢氧化钾水溶液作为电解质。
[0003]在碱性电解中，在电解堆的阳极区和阴极区出现以下的半反应：
[0004]阳极：2OH
‑
→
1/2O2+H2O+2e
‑
[0005]阴极：2H2O+2e
‑
→
H2+2OH
‑
[0006]这产生这两个半反应的以下总和。
[0007]总反应：H2O
→
H2+1/2O2[0008]因而，每产生一摩尔氢气，在阳极产生一摩尔的水，并且在阴极消耗2摩尔的水。因此，由于水解离的电化学反应持续进行，电解装置的阳极区和阴极区的碱液浓度将随时间推移而变化。在阳极区，由于产生水，碱液浓度降低，而在阴极区，由于消耗水，碱液浓度提高。氢氧根离子的电渗拖拽(electro
‑
osmotic drag)进一步引起这种不平衡，因为每个氢氧根离子都能够携带多达2个水分子。
[0009]因而，在已知的电解器中，在分离氢气和氧气产物气体之后，将取自堆(stack)的阳极区和阴极区的碱液进行混合，以平衡循环流的碱液浓度。在混合后，将具有平衡碱液浓度的流进行分流，并将分开的流分别进料到堆的阳极区和阴极区以进行进一步的水解离。如果不将碱液流的浓度平衡，浓度将越发不同，这导致电解器性能上的效率损失。这从碱液的电导率依赖于碱液浓度变得明显。从电解器的欧姆损耗的观点来看，存在与最佳碱液浓度对应的电导率的明显最大值。例如，当在85℃下进行电解时，浓KOH水溶液在大约33重量％下具有最高的比电导率。因此，在更高和更低的KOH浓度下，比电导率都降低。另外，如果不使碱液浓度平衡，阴极侧的碱液浓度会导致结晶，因为在KOH的情况中，随着碱液浓度提高，结晶温度急剧上升。
[0010]但是，碱液浓度的平衡也有缺点。在不同碱液循环完全混合的情况中，溶解的气体被引入到产物气体流中，溶解的气体例如是没有被相应的气
‑
液分离器从碱性电解质溶液中分离出来的气体。特别地，氢气被引入氧气流(氢气到氧气，也称“HTO”)，及氧气被引入到氢气流(氧气到氢气，也称“OTH”)。
[0011]此外，氢气和氧气易于扩散穿过将电解堆的阳极室和阴极室分开的膜(隔膜)。考虑到氧气从阳极半电池穿过氢氧根离子渗透膜(隔膜)到阴极半电池的扩散速率比氢气从阴极半电池穿过该膜到阳极半电池的扩散速率慢，HTO穿越(HTO crossover)特别相关。因此，电解器的潜在运行风险在于，电解器的阳极区中的氧气中氢气(HTO)的爆炸下限(LEL)会被超过。
[0012]根据P.Trinke等人(2018J.Electrochem.Soc.[电化学学会杂志]165F502)，与碱
液循环完全分开的模式相比，在碱液循环完全混合的情况中，杂质特别是HTO的浓度较高。此外，这些作者报道了在完全混合模式下，当供应到电解器堆的直流电的电流密度降低时，氧气中氢气浓度(HTO)显著增加。高压进一步增强此效应。但是，当电解器不在恒定的高(氢气生产)产能下运行时，即不在供应到电解器堆的恒定高电流密度下运行时，这造成问题。特别地，当在碱液循环完全混合的情况下运行电解器时，在低的调低产能(low turn
‑
down capacity)下，例如当产能利用率低时，LEL可能被超过。这对于使用来自可再生能源(例如风能或太阳能)的电能的那些碱性电解器来说特别相关。这些能源不能确保以恒定的电流密度供应电解器的运行所需的直流电。但是，该问题并不局限于波动的可再生能源供应，而且还存在于电网平衡(grid balancing)、消费者需求动态变化等情况下的供电波动。此外，在例如为了进行维护而需要使电解器停机的情况下，该问题总是出现。
[0013]因此，由于在低的调低产能下，当HTO最高时，HTO的LEL可能被超过，因此电解器的最低产能受限。换句话说，电解器只能在某个运行窗口内安全地运行。为了使电解器有更大的运行范围，需要减少氧气产物流中的氢气含量，特别是在当供应到电解器堆的直流电的电流密度也低时的低产能下。
技术实现思路
[0014]因此，本专利技术的目的是提供一种电解装置，该电解装置至少部分地克服了现有技术的问题。
[0015]特别地，本专利技术的一个目的是提供一种电解装置，该电解装置能在变化的高产能和低产能下安全地运行，而不会超过HTO的爆炸下限阈值。
[0016]本专利技术的另一个目的是提供一种电解装置，该电解装置能在供应到电解堆的直流电的变化的高电流密度和低电流密度下安全地运行，而不会超过HTO的爆炸下限阈值。
[0017]本专利技术的另一个目的是提供一种至少部分地解决上述潜在问题的方法。
[0018]独立权利要求的主题为上述至少一个目的的至少部分解决方案做出了贡献。从属权利要求提供了有助于至少一个目的的至少部分解决方案的优选实施例。如果适用，根据本专利技术的一种类别的元件的优选实施例对于根据本专利技术的相应其他类别的相同或对应元件的部件也应当是优选的。
[0019]术语“具有”、“包括”或“包含”等不排除可能包括另外的元件、成分等的可能性。不定冠词“一个/种(a/an)”不排除可能存在复数。
[0020]总体上，现有技术的潜在问题中的至少一个至少部分地通过包括以下项的电解装置解决：
[0021]电解堆，其用于从碱性电解介质电化学生产氢气和氧气，其中该电解堆包括阳极室和阴极室；
[0022]阳极分离器，其用于从该电解介质分离氧气，
[0023]阴极分离器，其用于从该电解介质分离氢气，
[0024]第一管道系统，其用于将该电解介质在该电解堆的该阳极室与该阳极分离器之间循环；
[0025]第二管道系统，其用于将该电解介质在该电解堆的该阴极室与该阴极分离器之间循环；
[0026]第三管道系统，其将该第一管道系统和该第二管道系统互连并且包括混合器件，其中
[0027]该第一管道系统、该第二管道系统和该第三管道系统被配置成使得取自该阳极分离器的电解介质的第一级分(fraction)和取自该阴极分离器的电解介质的第二级分通过该混合器件混合，从而产生混合电解介质级分，该混合电解介质级分被进料到该电解堆，其中
[0028]该电解装置进一步被配置成使得当供应到该电解堆的直流电的电流密度降低时，该混合电解介质级分的量降低，并且
[0029]当供应到该电解堆的直流电的电流密度提高时，该混合电解介质级分的量提高。
[0030]根据实施例，该第一管道系统、该第二管道系统和该第三管道系统被配置成使得取自该阳极分离器的电解介质的第一级分和取自该阴极分离器的电解本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种电解装置，该电解装置包括：电解堆(11)，其用于从碱性电解介质电化学生产氢气和氧气，其中该电解堆包括阳极室(13)和阴极室(14)；阳极分离器(20)，其用于从该电解介质分离氧气，阴极分离器(21)，其用于从该电解介质分离氢气，第一管道系统，其用于将该电解介质在该电解堆的该阳极室与该阳极分离器之间循环；第二管道系统，其用于将该电解介质在该电解堆的该阴极室与该阴极分离器之间循环；第三管道系统，其将该第一管道系统和该第二管道系统互连并且包括混合器件(18)，其中该第一管道系统、该第二管道系统和该第三管道系统被配置成使得取自该阳极分离器的电解介质的第一级分和取自该阴极分离器的电解介质的第二级分通过该混合器件混合，从而产生混合电解介质级分，该混合电解介质级分被进料到该电解堆，其中该电解装置进一步被配置成使得当供应到该电解堆的直流电(10)的电流密度降低时，该混合电解介质级分的量降低，并且当供应到该电解堆的直流电的电流密度提高时，该混合电解介质级分的量提高。2.根据权利要求1所述的电解装置，其中，该混合电解介质级分分流并分别进料到该电解堆的该阳极室和该阴极室。3.根据权利要求1或2所述的电解装置，其中，该混合电解介质级分是该碱性电解介质的总量的从0％至100％、或者从10％至90％、或者从10至50％、或者从20％至40％。4.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，其中，该第三管道系统包括将该第一管道系统和该第二管道系统互连的第一管道(17a)、和在该第一管道下游、将该第一管道系统和该第二管道系统互连的第二管道(17b)、以及将该第三管道系统的该第一管道和该第二管道互连且包括该混合器件的第三管道(17c)。5.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，其中，该电解装置包括布置在该第一管道系统中的控制阀(19a)，该控制阀用于控制取自该阳极分离器、被进料到该第三管道系统的该混合器件的该电解介质的第一级分的量；和布置在该第二管道系统中的控制阀(19b)，该控制阀用于控制取自该阴极分离器、被进料到该第三管道系统的该混合器件的该电解介质的第二级分的量。6.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，其中，该阳极分离器和该阴极分离器通过液压连接件(23)互连，以平衡该阳极分离器和该阴极分离器内部的液位。7.根据权利要求2至6中任一项所述的电解装置，其中，在该...
【专利技术属性】
技术研发人员：N，
申请(专利权)人：乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司，
类型：发明
国别省市：
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