[發(fā)明專(zhuān)利]電解單元和電解器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201880075711.1
• 申請(qǐng)日: 2018-09-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111417745A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: A·哈恩;H·赫爾施;S·魯克特;T·普魯克;A·施皮斯;J·斯特勞布;R·瓦格納
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西門(mén)子股份公司
• 主分類(lèi)號(hào): C25B1/10
• 分類(lèi)號(hào): C25B1/10;C25B9/08;C25B15/08
• 代理公司: 北京市金杜律師事務(wù)所 11256
• 代理人: 張鵬

本發(fā)明涉及利用至少一個(gè)電解池來(lái)運(yùn)行水電解的電解裝置和方法，其中該電解池包括具有陽(yáng)極的陽(yáng)極室和具有陰極的陰極室。陽(yáng)極室借助于質(zhì)子交換膜與陰極室分離。陽(yáng)極室適于容納水并將水在陽(yáng)極處氧化成包含氧氣的第一產(chǎn)物，并且陰極室適于容納水并且將水在陰極處還原成包含氫氣的第二產(chǎn)物。此外，電解裝置還包括用于分離氧氣的第一氣體分離裝置，其中第一氣體分離裝置布置在電解池上方，以便進(jìn)行水的自然循環(huán)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有至少一個(gè)電解池的電解單元以及一種用于運(yùn)行該電解池的方法。

背景技術(shù)

電解器是借助于電流引起物質(zhì)轉(zhuǎn)換(電解)的裝置。根據(jù)各種不同的電解，也存在各種電解器，例如用于氫電解的電解器。

當(dāng)前的考慮是基于在充滿(mǎn)陽(yáng)光和風(fēng)的時(shí)候利用可再生能源中的過(guò)剩能量，即利用高于平均水平的太陽(yáng)能發(fā)電或風(fēng)力發(fā)電來(lái)產(chǎn)生有用物質(zhì)。特別地，有用物質(zhì)可以是利用水電解器產(chǎn)生的氫。借助于氫例如可以生產(chǎn)所謂的可再生氣體。

在此，(氫電解)電解器借助于特別是來(lái)自風(fēng)能或太陽(yáng)能的電能首先產(chǎn)生氫氣。然后氫氣與二氧化碳一起在還原過(guò)程中用于生產(chǎn)甲烷。然后可以將甲烷例如供給到現(xiàn)有的天然氣網(wǎng)絡(luò)中，從而使得能量可被儲(chǔ)存和輸送到用戶(hù)，并且由此可減輕電網(wǎng)負(fù)載。備選地，由電解器產(chǎn)生的氫氣也可以直接被進(jìn)一步使用，例如用于燃料電池。

在用于氫電解的電解器中將水分解成氫氣和氧氣。在PEM電解器中，通常在陽(yáng)極側(cè)提供蒸餾水作為反應(yīng)物，并且水在質(zhì)子滲透膜(質(zhì)子交換膜；PEM)處分解為氫氣和氧氣。在此，水在陽(yáng)極處被氧化成氧氣。質(zhì)子穿過(guò)質(zhì)子滲透膜。在陰極側(cè)產(chǎn)生氫氣。

在此，應(yīng)將水不斷地抽入陽(yáng)極室和/或陰極室，以確保水在陽(yáng)極室和陰極室內(nèi)均勻分布，從而也確保水的有效電解。抽水通常由泵進(jìn)行。不利的是，泵需要定期維護(hù)。此外，必須根據(jù)電解池中的壓力進(jìn)行泵速的控制，以實(shí)現(xiàn)均勻的反應(yīng)物通過(guò)量。不利的是，這需要附加的控制技術(shù)，這使得電解器的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。另外，泵消耗電能，這不利地降低了電解的總效率。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的目的在于，提出一種能量效率高且維護(hù)成本低的水電解器和用于運(yùn)行該水電解器的方法。

該目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1的電解單元和根據(jù)權(quán)利要求13的方法實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的用于電解水的電解裝置包括至少一個(gè)電解池，其中該電解池包括具有陽(yáng)極的陽(yáng)極室和具有陰極的陰極室。陽(yáng)極室通過(guò)質(zhì)子交換膜與陰極室分離。陽(yáng)極室適于容納水并將水在陽(yáng)極處氧化成包含氧氣的第一產(chǎn)物。陰極室適于容納水并將水在陰極處還原成包含氫氣的第二產(chǎn)物。此外，電解裝置還包括用于分離氧氣的第一氣體分離裝置，其中第一氣體分離裝置布置在電解池上方，以進(jìn)行水的自然循環(huán)。

在根據(jù)本發(fā)明的用于運(yùn)行電解水的電解裝置的方法中，在電解池中借助于酸性電解而從作為反應(yīng)物的水中產(chǎn)生包含氧氣的第一產(chǎn)物和包含氫氣的第二產(chǎn)物。反應(yīng)物、第一產(chǎn)物和/或第二產(chǎn)物的循環(huán)以自然循環(huán)的形式進(jìn)行。

自然循環(huán)可以理解為水進(jìn)入電解池中并通過(guò)電解池的循環(huán)，以及水和產(chǎn)物從電解池中出來(lái)到氣體分離裝置的循環(huán)，這是由于組分的密度差異而以“自然方式”進(jìn)行的，即不使用泵。在電解池中產(chǎn)生的氣泡導(dǎo)致水的密度降低。由于密度差異，水和產(chǎn)物在不使用機(jī)械泵的情況下流過(guò)電解池。

由此，無(wú)論是電解裝置的水供給還是電解裝置的熱管理都有利地通過(guò)自然循環(huán)既在氧氣側(cè)又在氫氣側(cè)進(jìn)行或者僅在氧氣側(cè)進(jìn)行。由此，有利地避免了用于循環(huán)水和產(chǎn)物的機(jī)械循環(huán)裝置的使用。這有利地減少了設(shè)備的維護(hù)間隔，從而減少了設(shè)備的停機(jī)時(shí)間。有利地，基于密度差異通過(guò)自然循環(huán)的物理原理(即在沒(méi)有控制器介入的情況下)調(diào)節(jié)輸水速率，由此在合適的過(guò)程設(shè)計(jì)下使輸水速率適配于設(shè)備的熱損失。換言之，這意味著輸水速率隨著產(chǎn)熱量的增大而增大。此外，在氣體-水混合物包含恒定氣體量的前提下，如果氣體分離器位于電解池上方的位置越高，則達(dá)到的輸水速率也越高。