【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于在可变电流密度下电解水的方法，特别地用于碱性水电解。
技术介绍
1、为了减少通过燃烧化石燃料的能源生产相关的二氧化碳排放，全球正在以可再生能源替代化石燃料为目标而努力。诸如风能和太阳能的许多可再生能源，从本质上通常是间歇的/波动的，因此在任何给定的时间点，都常有可用的可再生能源与家庭和工业所需的能源之间的失衡。氢气被用于包括在燃料电池中产生电能的众多工业应用中。在工业规模上，主要在例如蒸汽重整的工艺中由天然气生产氢气，其中有氢气和二氧化碳，因此这不太适用于减少能源生产的“碳足迹”。然而，作为天然气蒸汽重整的替代方法，通过水电解也可以生产氢，其在使用可再生能源时与碳排放无关。因此，从可再生能源中通过水电解获得的氢气预期将在许多工业流程中作为氢气来源以及作为可再生电能的存储介质起到重要作用。因为碱性水电解不需要成本高昂的贵金属基催化剂，所以对于工业规模上生产氢气的水电解，碱性水电解是一种特别有前景的变体。碱性水电解通常以40至90℃范围内的温度在电化学电解槽中实施，其中包括阳极的阳极隔室和包括阴极的阴极隔室由适合的分隔体(如隔膜或膜片)分开。ph高于7的碱性水溶液，例如koh水溶液，作为电解质被供应到电解槽，在典型范围为1.6至2.4v的电势差(槽电压)下，分别在阴极和阳极隔室中的电极之间(即阴极和阳极之间)建立起电流流动。在这些条件下，水被分解为其成分(constituent)，以便在阴极处析出气态氢，在阳极处析出气态氧。在碱性介质中，可将阴极的析氢反应总结如下
2、4h2o+4e-→4oh-+2
3、阴极隔室中生成的氢氧根离子穿过分隔体迁移到阳极隔室，其中可将阳极的析氧反应总结为
4、4oh-→o2+2h2o+4e-(2).
5、在工业流程中，通常将多个电解槽排列为串联的堆叠构造，即多个电解槽串联连接。将每个隔室中生成的电解质/气体的混合物从每个电解槽移出，从液体电解质中分离出气态产物并将液体电解质回收到堆叠的电解槽隔室，以便电解槽/堆叠能以连续的方式运行。由上文式(1)和(2)可以得出，阴极隔室中产生的水的摩尔当量是阳极隔室的两倍。因此，为了使两个隔室中的电解质继续保持平衡，通常在气体-液体分离之后、被泵送回到电解器之前，将阳极电解液(阳极隔室中的电解质)和阴极电解液(阴极隔室中的电解质)混合在一起。
6、一种用于碱性水电解的工业规模堆叠，其包含多个串联连接的单个电化学/电解槽，为了以额定负载在高电流密度下运行，在槽电压和氢气纯度方面优化该堆叠。特别地，在依赖可再生能源时，电能的可用性和/或成本将在运行期间波动，因此期望即使在高电流密度下，使电解在电流密度远低于设计的额定负载时可以进行。
7、用于碱性水电解的分隔体还具有分别对氢气和氧气的残余渗透性，所以在运行期间，发生氢气从阴极隔室到阳极隔室的由浓度梯度驱动的扩散和氧气从阳极隔室到阴极隔室的由浓度梯度驱动的扩散。为了满足当前的安全要求，运行电解器的方式必须避免阴极隔室中氧对氢的浓度(oth)和阳极隔室中氢对氧的浓度(hto)高于4体积％，或者优选地高于2体积％(这两种情况中混合物的爆炸下限均处于4体积％左右)。在额定的高电流密度运行期间，满足这些安全要求通常并不构成问题，因为任何从相对的隔室穿过分隔体迁移的残余气体会被相当大幅地稀释，这是由于分别在阳极和阴极处产生大量的气体。然而，在较低的电流密度下，各自的电极将产生的“期望的气体”较少，从相对的隔室迁移的气体可能导致hto或者oth比例处于或高于上述提及的安全阈值。
8、欧洲专利申请ep 3604642 a1和澳大利亚专利申请au 2019374584 a1(基于国际申请wo 2020/095664 a1)描述了一种水电解系统以及一种通过碱性水电解制氢的水电解方法，该系统具有一个提供有气体/电解质混合物的流入口的气液分离罐，该流入口被布置在比分离罐内电解质的液体表面更高的位置。对于氧气和氢气分别使用不同的分离罐，分离罐中适当的液位管理可以改善生成的氢气纯度。此外，可以使用专用的净化器。
9、美国专利申请us 2013/337368 a1描述了一种用于水电解槽的分隔体，该分隔体由相互隔开的阳极分隔体元件和阴极分隔体元件组成，以创建内部的旁路通道。通过将不含溶解气体的电解质注入旁路通道，建立进入阳极和阴极隔室的反洗流(back-washflow)，可以减少各自的气态物质通过分隔体的迁移。
10、因此，本专利技术的目的是提供一种使用碱性电解质电解水的方法，该方法在运行期间可能变化的宽电流密度范围内优化了槽电压和气体纯度方面的性能。
技术实现思路
1、所附的权利要求中对本专利技术的各方面进行了描述。
2、本专利技术涉及一种在电解器中用于电解水的方法，该电解器包括至少一个电解槽，该电解槽具有提供有阳极的阳极隔室、提供有阴极的阴极隔室以及布置在所述阳极和阴极隔室之间的分隔体，其中所述方法包括：
3、向所述阳极隔室注入碱性阳极电解液，向阴极隔室注入碱性阴极电解液，
4、通过向所述电解槽施加可变电流在可变运行电流密度下进行水电解，以在所述阴极生成氢气，在所述阳极生成氧气，
5、从所述阴极隔室排出所述阴极电解液和所述氢气的混合物，从所述阳极隔室排出所述阳极电解液和所述氧气的混合物，
6、从所述阴极电解液中分离所述氢气，从所述阳极电解液中分离所述氧气，
7、其中选取阈值电流密度并进行水电解，以使得
8、在至多为所述阈值电流密度的运行电流密度下，限制所述阴极隔室内生成的氢气通过所述分隔体进入所述阳极隔室的迁移，以及
9、在高于所述阈值电流密度的运行电流密度下，限制所述阳极隔室内生成的氧气通过所述分隔体进入所述阴极隔室的迁移。
10、在变化的电流密度下实施电解水的方法时，例如由于使用可再生能源作为电能的来源，电流密度将在最小运行电流密度和最大运行电流密度之间变化。因此，本专利技术提议定义一个在运行电流密度的范围内的阈值电流密度，即高于电解器的所述最小运行电流密度且低于所述最大运行电流密度，该阈值电流密度把运行电流密度范围再分为两个范围，亦即从最小运行电流密度延伸至阈值电流密度的低电流密度范围和从高于阈值电流密度延伸至最大运行电流密度的高电流密度范围。本专利技术进一步提议，通过分隔体的气体迁移将在低电流密度范围和高电流密度范围内分别以不同的方式受到主动影响，确切地说是受到限制。在低电流密度范围内，安全考虑是特别重要的，相较于完全地由浓度梯度驱动的迁移，本专利技术提议主动地限制从阴极隔室中生成的氢气通过分隔体进入所述阳极隔室的迁移，以避免阳极隔室中的hto比例达到临界水平。在高电流密度范围内，对安全考虑较少关注，可以在制得氢气的纯度方面优化运行。因此，相较于完全地由浓度梯度驱动的迁移，本专利技术提议尽可能主动地限制从阳极隔室中生成的氧气通过分隔体进入阴极隔室的迁移。
11、可以用多种方法实现运行期间对通过分本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种在电解器中用于水电解的方法，该电解器包括至少一个电解槽，该电解槽具有提供有阳极的阳极隔室、提供有阴极的阴极隔室以及布置在所述阳极隔室和阴极隔室之间的分隔体，其中所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中或者向所述阴极施加机械压力以将所述阴极压到所述分隔体上，或者向所述阳极施加机械压力以将所述阳极压到所述分隔体上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述阳极隔室中氢气与氧气的比例保持低于4体积％。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述阴极隔室中氧气与氢气的比例保持低于4体积％以。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中从所述阴极电解液中分离出所述氢气并从所述阳极电解液中分离出所述氧气之后，将所述阴极电解液回收到所述阴极隔室，将所述阳极电解液回收到所述阳极隔室。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中从所述阴极电解液中分离出所述氢气并从所述阳极电解液中分离出所述氧气之后，
8.根据权利要求1至7中任一
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述阈值电流密度在2至10kA/m2的范围内选取。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的方法，其中以至多为100bar的范围内的绝对液压进行所述水电解。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述阳极隔室和阴极隔室之间的液压差保持在-100至100mbar的范围内。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中所述分隔体是隔膜。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述碱性阳极电解液和所述的碱性阴极电解液包括碱金属氢氧化物的水溶液。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述碱金属氢氧化物选自氢氧化钠或者氢氧化钾。
15.电解水的电解器，其包括至少一个电解槽，该电解槽具有提供有阳极的阳极隔室、提供有阴极的阴极隔室以及布置在所述阳极隔室和阴极隔室之间的分隔体，其中配置所述电解器以实施权利要求1至14中任一项所述的方法。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种在电解器中用于水电解的方法，该电解器包括至少一个电解槽，该电解槽具有提供有阳极的阳极隔室、提供有阴极的阴极隔室以及布置在所述阳极隔室和阴极隔室之间的分隔体，其中所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中或者向所述阴极施加机械压力以将所述阴极压到所述分隔体上，或者向所述阳极施加机械压力以将所述阳极压到所述分隔体上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述阳极隔室中氢气与氧气的比例保持低于4体积％。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述阴极隔室中氧气与氢气的比例保持低于4体积％以。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中从所述阴极电解液中分离出所述氢气并从所述阳极电解液中分离出所述氧气之后，将所述阴极电解液回收到所述阴极隔室，将所述阳极电解液回收到所述阳极隔室。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中从所述阴极电解液中分离出所述氢气并从所述阳极电解液中分离出所述氧气之后，
【专利技术属性】
技术研发人员：D·努佐罗，M·斯邦奇亚多，M·佩里戈，
申请(专利权)人：德诺拉工业有限公司，
类型：发明
国别省市：
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