專利名稱：壓力電解裝置和用于切斷壓力電解裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1前序部分所述的壓力電解裝置以及一種如權(quán)利要求9前序部分所述的用于切斷壓力電解裝置的方法。
用于將水電解分離成氫和氧的壓力電解裝置公知的是，包括一個壓力罐、和一個包括多個在疊裝形式下聯(lián)合起來的電解槽的布置在壓力罐中的電解槽組。電解槽包括各自的陽極和陰極，和一個用于給陽極和陰極供給電解液的電解液循環(huán)系統(tǒng)。一個氧氣分離器用于分離壓力電解裝置在運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氧和一個氫氣分離器用于分離在壓力電解裝置運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氫。為了在壓力電解裝置切斷時的惰化設(shè)置有惰性氣體、尤其是氮的儲備容器。
例如由DE2548699C3已知一個傳統(tǒng)形式的壓力電解裝置。
所述類型的壓力電解裝置存在在快速、可靠全面惰化能力下的重要的安全要求，也即清除來自壓力罐和氫分離器中的氫氣，以使氫氣的剩余含量明顯位于4％容積的下爆炸極限以下。
傳統(tǒng)方式下為了惰化要提供大量的惰性氣體，典型地就是氮，用它在切斷時、例如在緊急切斷時對來自氫氣分離器的氫氣進(jìn)行噴淋。為此要么對在壓力電解裝置中的壓力保壓，或者在用惰性氣體噴淋時將其減壓到環(huán)境壓力。不管是那種情況由于氣體的混合，必須要提供氫氣分離器氣體體積許多倍的惰性氣體。
因?yàn)樵陔娊庋b置通過排除氫氣或者氧氣快速減壓時，會對密封件和槽結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生典型的隱蔽的損傷，同時失壓設(shè)備將來重新開車時還要產(chǎn)生巨大的費(fèi)用，因此電解裝置的減壓要盡可能地限制在三種故障形式下，在這種故障下實(shí)際上電解裝置的減壓是無法繞過的電解液泄漏、氣體產(chǎn)品泄漏和氣體產(chǎn)品的緊急污染。否則的話在切斷時要一直保壓。
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種壓力電解裝置和用于壓力電解裝置切斷的方法，以用盡可能低的惰性氣體量實(shí)現(xiàn)電解裝置的可靠惰化。尤其是，但不僅僅是，電解裝置的切斷可在不減壓下完成。
在裝置方面，所提出的任務(wù)通過具有權(quán)利要求1所述特征的壓力電解裝置獲得解決。
在方法方面，所提出來的任務(wù)通過具有權(quán)利要求9所述特征的方法獲得解決。
本發(fā)明的優(yōu)選方案在各從屬權(quán)利要求中做了說明。
通過本發(fā)明建立一種帶有一個壓力罐和一個包括多個電解槽的布置在壓力罐中的電解槽組的壓力電解裝置。電解槽包括各自的陽極和陰極，同時備有將電解液供給到陽極和陰極的電解液循環(huán)系統(tǒng)。為了分離在壓力電解裝置運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氧備有一個氧氣分離器，同時為了分離在壓力電解裝置運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氫備有一個氫氣分離器。惰性氣體、尤其是氮的儲備容器，用于壓力電解裝置在切斷時的惰化。根據(jù)本發(fā)明儲備的惰性氣體可供給氧氣分離器，同時電解液循環(huán)系統(tǒng)包括一個管路連接，通過這個管路連接在氧氣分離器進(jìn)保護(hù)氣體時，電解液的一部分在氣態(tài)氫由氫氣分離器排出時可以移動。
根據(jù)本發(fā)明的壓力電解裝置的一種實(shí)施形式，在壓力罐外備有氧氣分離器和/或氫氣分離器，同時在氧氣分離器進(jìn)保護(hù)氣體時，電解液的一部分為了將氫氣由氫氣分離器中排出，可以從壓力罐和/或者從氧氣分離器移動到氫氣分離器。
根據(jù)本發(fā)明的另一種優(yōu)選的實(shí)施形式，由壓力罐內(nèi)容積的一部分構(gòu)成氧氣分離器和/或氫氣分離器，同時在氧氣分離器進(jìn)保護(hù)氣體時，電解液的一部分為了排出氫氣，尤其是在壓力罐內(nèi)，可移動到構(gòu)成氫分離器的壓力罐容積的一部分中。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施形式在壓力罐外備有連接管路，通過該連接管路電解液的一部分在排出來自氫氣分離器的氫氣時可以移動。
這里連接管路可通過一個處于電解液液面之下的連接氧氣分離器與氫分離器的懸掛管路而形成。
根據(jù)本發(fā)明的壓力電解裝置的另一種可選擇的實(shí)施形式，管路連接設(shè)置在壓力罐內(nèi)，通過該管路電解液的一部分在排出來自氫氣分離器的氫氣時可以移動。
根據(jù)本發(fā)明的壓力電解裝置的優(yōu)選實(shí)施形式，電解槽組的殼體與壓力罐共同構(gòu)成了至少兩個相互隔開的空間，它們是電解液循環(huán)系統(tǒng)的組成部分，同時通過殼體形成電解液槽的邊界，通過壓力罐與周圍環(huán)境形成邊界，其中相互隔開的空間中的一個是陽極液循環(huán)的組成部分，和氧氣分離器相連接，另一個相互隔開的空間是陰極液循環(huán)的組成部分，與氫氣分離器相連接。
在這里相互隔開的空間可通過隔板相互隔開，該隔板布置在電解槽組的殼體和壓力罐之間，同時連接管路可通過一個位于電解液液面之下的隔板區(qū)域的一個通道來形成，通過它電解液的一部分在排出來自氫氣分離器的氫氣時可移動。
此外通過本發(fā)明建立了一種用于切斷壓力電解裝置的方法，其中壓力電解裝置包括一個壓力罐和一個包括多個電解槽的布置在壓力罐中的電解槽組，同時電解槽包括各自的陽極和陰極，同時設(shè)有用于將電解液供給陽極和陰極的電解液循環(huán)系統(tǒng)。一個用于分離在壓力電解裝置運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氧的氧氣分離器，和一個用于分離在壓力電解裝置運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氫的氫氣分離器。為了惰化在壓力電解裝置切斷時要給壓力電解裝置供給一種惰性氣體、尤其是氮。根據(jù)本發(fā)明惰性氣體將供給氧氣分離器，同時在氧氣分離器用惰性氣體進(jìn)氣時，電解液的一部分將通過在電解液循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)置的連接管路，在排出來自氫氣分離器的氣態(tài)氫時被移動。
根據(jù)本發(fā)明方法的一種優(yōu)選的實(shí)施形式，氧氣分離器和/或氫分離器設(shè)置在壓力罐之外，同時在氧氣分離器用惰性氣體進(jìn)氣時，電解液的一部分為了排出來自氫氣分離器的氫氣，可從壓力罐和/或從氧氣分離器移動到氫氣分離器。
根據(jù)本發(fā)明方法的另一種優(yōu)選的實(shí)施形式，通過壓力罐內(nèi)的容積的一部分構(gòu)成了氧氣分離器和/或氫氣分離器，同時在氧氣分離器用惰性氣體進(jìn)氣時，為了排出氫氣、特別是在壓力罐內(nèi)，電解液的一部分可移動到壓力罐容積構(gòu)成的氫氣分離器的部分。
下面借助于圖紙對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。
如圖所示

圖1a)和圖1b)以示意圖示出一個根據(jù)本發(fā)明的運(yùn)行狀態(tài)(圖1a))或者切斷狀態(tài)(圖1b))的壓力電解裝置；圖2a)和圖2b)以示意圖示出一個根據(jù)本發(fā)明的運(yùn)行狀態(tài)(圖2a))或者切斷狀態(tài)(圖2b))的壓力電解裝置。
如圖1a)、1b)和圖2a)、2b)所示，包括一個全部用附圖標(biāo)記11或者31所表示的壓力電解裝置，它用于將水電解分離成氫氣和氧氣，一個壓力罐12或者32，其中布置有電解槽組13或者33。電解槽組13或者33由多個在疊裝形式下聯(lián)合起來的電解槽14或者34組成，在圖中只是示意表示。在圖中沒有特別表示的電解槽14包括各自的陽極和陰極。一個在圖中只部分表示的電解液循環(huán)系統(tǒng)用于給陽極和陰極供給電解液。例如這類電解裝置在官方卷號10150557.4未公開的德國專利申請中已有描述。
在圖1a)和圖1b)所示的實(shí)施例中，在壓力罐12外面設(shè)有用于分離在壓力電解裝置11運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氧的氧氣分離器21，和用于分離在壓力電解裝置11運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氫的氫氣分離器22。
在圖2a)和圖2b)所示的實(shí)施例中，電解槽組33的殼體35與壓力罐32共同形成了兩個相互隔開的空間37，38，它們通過隔板39，40相互分開，隔板布置在電解槽組33的殼體35和壓力罐32之間。兩個相互隔開的空間37，38是電解液循環(huán)系統(tǒng)的組成部分，同時通過殼體35形成相對電解槽34的邊界，通過壓力罐32形成相對周圍環(huán)境的邊界。
通過在壓力罐32內(nèi)位于電解槽組33上部的容積的一部分，形成了用于分離在壓力電解裝置31運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氧的氧氣分離器41，同時通過在壓力罐32內(nèi)同樣位于電解槽組33上部的容積的一部分，形成了用于分離在壓力電解裝置31運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氫的氫氣分離器42。
從兩個前面所提到的相互隔開的空間37，38，它們是電解液循環(huán)系統(tǒng)的組成部分，一個陽極液循環(huán)的組成部分，即空間37與在壓力罐32內(nèi)形成的氧氣分離器41的容積部分相連接，同時另一個陰極液循環(huán)的組成部分，空間38與在壓力罐32內(nèi)的形成氫氣分離器42的容積部分相連接。
在所有圖示的實(shí)施例中均設(shè)有惰性氣體、特別是氮的儲備容器，用于壓力電解裝置11或者31在切斷時的惰化，然而它們在圖示中并沒有特別表示。惰性氣體用于將壓力電解裝置特別是氫氣分離器22或者42排空氫氣，至少達(dá)到這種程度，使氫氣含量位于4％容積的下爆炸極限以下。這一惰性氣體儲備或者提供的惰性氣體一般地說是為此以這種方式供給氧氣分離器21或者41，在氧氣分離器21或者41用惰性氣體進(jìn)氣時，在電解液循環(huán)內(nèi)的電解液的一部分被移動，以使來自氫氣分離器22或者42的氣態(tài)氫被排出。同時被排出的氫氣例如可以排到周圍的環(huán)境中，被儲存起來或者以其他的方式清除。
為了使在排出上述的來自于氫氣分離器22或者42的氣態(tài)氫的情況下，在電解液循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的電解液可以移動，在電解液循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)有連接管路23a；23b；43a；43b，該管路可以不同的形式來實(shí)施。
在圖1a)和圖1b)中所示的實(shí)施例中，所述的連接管路設(shè)在壓力罐12之外，其中同時圖示了兩種不同的變化形式。因此在壓力罐外走向的連接管路要么通過連接管路23a來構(gòu)成，它將在壓力罐12內(nèi)分配給氧氣分離器21的容積區(qū)域與在壓力罐12內(nèi)分配給氫氣分離器22的容積區(qū)域連接起來，或者它通過一個氧氣分離器21與氫氣分離器相連接的懸掛管路23b來構(gòu)成，該懸掛管路布置在電解液液位之下。最后所述的連接管路也可以在壓力罐12內(nèi)將分配給氧氣分離器21的電解液循環(huán)區(qū)域與分配給氫氣分離器22的電解液循環(huán)區(qū)域連接起來，然而在圖1a)和圖1b)中對其未做表示。
如圖1a)所示在壓力電解裝置11正常的運(yùn)行狀態(tài)下，產(chǎn)生的氧氣將在氧氣分離器21中收集，同時產(chǎn)生的氫氣將在氫氣分離器22中收集。不僅氧氣分離器21而且氫氣分離器22都各自部分地、即在其下面的區(qū)域注入了電解液，在分離器21、22的上部區(qū)域收集各自的氣體產(chǎn)品。
如果現(xiàn)在壓力電解裝置11被切斷，將給氧氣分離器21、典型的是在設(shè)計用于收集氣態(tài)氧的上部容積區(qū)域，供給相同的儲備的惰性氣體也即典型的氮。通過在電解液循環(huán)中設(shè)置的連接管路23a或者23b實(shí)現(xiàn)電解液的一部分由氧氣分離器21和/或由壓力罐12到氫氣分離器22的移動，并產(chǎn)生氣態(tài)氫的排出，同時實(shí)現(xiàn)壓力電解裝置11和氫氣分離器22的惰化。當(dāng)基本上全部的氣態(tài)氫由壓力罐12上升到氫氣分離器22時，這一惰化的實(shí)現(xiàn)才是有意義的。圖1b)所示的是壓力電解裝置11在切斷時的惰化狀態(tài)。
在如圖2a)和2b)所示的實(shí)施例中，連接管路43a、43b，通過它電解液的一部分在排出來自形成氫氣分離器42的壓力罐32的容積區(qū)的氣態(tài)氫時可以移動，要么通過在壓力罐32的外面布置的連接管路43a構(gòu)成，它將分配給氧氣分離器41的壓力罐32的容積區(qū)、即構(gòu)成陽極液循環(huán)的組成部分的空間37，與分配給氫氣分離器42的壓力罐32的容積區(qū)，即構(gòu)成陰極液循環(huán)的部分的空間38相連接，或者在壓力罐32內(nèi)設(shè)置一個連接管路43b，它將分配給氧氣分離器41的壓力罐32的容積區(qū)、即構(gòu)成陽極液循環(huán)的組成部分的空間37，與分配給氫氣分離器42的壓力罐32的容積區(qū)，即構(gòu)成陰極液循環(huán)部分的空間38相互連接。這一連接管路43b通常布置在設(shè)置在電解槽組33下面的隔板40處。
在電解裝置31惰化時，構(gòu)成氧氣分離器41的壓力罐32的容積區(qū)用儲備的惰性氣體、典型的是氮進(jìn)氣，其中電解液通過連接管路43a或43b由分配給氧氣分離器41的壓力罐32的容積區(qū)、即由陽極液循環(huán)的空間37，輸送到分配給氫氣分離器42的壓力罐32的容積區(qū)、即陰極液循環(huán)的空間38，直到氫氣完全由構(gòu)成氫氣分離器42的壓力罐32的容積區(qū)被清除。當(dāng)基本上在氫氣分離器42中、即在壓力罐32的相應(yīng)容積區(qū)形成的全部氫氣都被收集，這里惰化的實(shí)施才是有意義的。
電解液液面在氫氣分離器22或42中的移動，在所有的實(shí)施例中都可以通過適當(dāng)?shù)姆椒▉肀O(jiān)控，例如通過液面控制器可以監(jiān)控在氫氣分離器22或者42中電解液注入高度的上升直到確定的液位。
氫氣分離器22或者42在惰化時排出的氫氣可以儲存，同時可以繼續(xù)使用不必被扔掉，因?yàn)樗鼪]有同供給的惰性氣體混合。
本發(fā)明在所有類型的電解裝置中都可應(yīng)用，例如在使用水作為電解液的PEM電解裝置中也可應(yīng)用。
附圖標(biāo)記表11；31壓力電解裝置12；32壓力罐13；33電解槽組14；34電解槽15；35殼體17；37陽極液循環(huán)空間18；38陰極液循環(huán)空間29隔板40隔板21；41氧氣分離器22；42氫氣分離器23a；43a連接管路23b；43b連接管路
權(quán)利要求
1.壓力電解裝置，帶有一個壓力罐(12；32)和一個包括多個電解槽(14；34)布置在壓力罐(12；32)中的電解槽組(13；33)，其中電解槽(14；34)包括各自的陽極和陰極，同時設(shè)有給陽極和陰極供給電解液的電解液循環(huán)系統(tǒng)，帶有用于分離在壓力電解裝置(11；31)運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氧的氧氣分離器(21；41)，和用于分離在壓力電解裝置(11；31)運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氫的氫氣分離器(22；42)，帶有惰性氣體、尤其是氮的儲備容器，用于壓力電解裝置(11；31)切斷時的惰化，其特征在于，儲備的惰性氣體可供給氧氣分離器(21；41)，同時電解液循環(huán)系統(tǒng)包括連接管路(23a；23b；43a；43b)，通過該管路在氧氣分離器(21；41)用惰性氣體進(jìn)氣時，電解液的一部分在排出來自氫氣分離器(22；42)的氣態(tài)氫時可以移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力電解裝置，其特征在于，氧氣分離器(21)和/或氫氣分離器(22)設(shè)置在壓力罐(12)之外，同時在氧氣分離器(21)用惰性氣體進(jìn)氣時，電解液的一部分為了排出來自氫氣分離器(22)的氫氣，從壓力罐(12)和/或氧氣分離器(21)可以移動到氫氣分離器(22)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力電解裝置，其特征在于，氧氣分離器(41)和/或氫氣分離器(42)通過在壓力罐(32)內(nèi)容積的一部分構(gòu)成，同時在氧氣分離器(41)用惰性氣體進(jìn)氣時，電解液的一部分為了排出由壓力罐容積的一部分所構(gòu)成的氫氣分離器(42)中的氫氣可移動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或者3所述的壓力電解裝置，其特征在于，連接管路(23a；23b；43a)設(shè)置在壓力罐(12；32)之外，通過該管路電解液的一部分在排出來自氫氣分離器(22；42)的氫氣時可以移動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4引用權(quán)利要求2時所述的壓力電解裝置，其特征在于，連接管路(23b)通過位于電解液液面之下的連接氧氣分離器(21)與氫氣分離器(22)的懸掛管路而構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或者3所述的壓力電解裝置，其特征在于，連接管路(43b)設(shè)置在壓力罐(32)之內(nèi)，通過該管路電解液的一部分在排出來自氫氣分離器(42)的氫氣時可以移動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的壓力電解裝置，其特征在于，電解槽組(33)的殼體(35)與壓力罐(32)一起形成了至少兩個相互隔開的空間(37，38)，它們是電解液循環(huán)系統(tǒng)的組成部分，同時通過殼體(35)形成相對電解槽(34)的邊界，通過壓力罐(32)形成相對周圍環(huán)境的邊界，其中相互隔開的空間(37)是陽極液循環(huán)的組成部分，同時與氧氣分離器(41)相連，另一個相互隔開的空間(38)是陰極液循環(huán)的組成部分，同時與氫氣分離器(42)相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓力電解裝置，其特征在于，相互隔開的空間(37、38)通過隔板(39、40)相互隔開，該隔板布置在電解槽組(33)的殼體(35)與壓力罐(32)之間，連接管路(43b)通過在電解液液面之下形成的隔板(39、40)區(qū)域的通道而構(gòu)成，通過該管路電解液的一部分在排出來自氫氣分離器(42)的氫氣時可以移動。
9.用于切斷壓力電解裝置的方法，它包括一個壓力罐(12；32)和一個包括多個電解槽(14；34)布置在壓力罐(12；32)中的電解槽組(13；33)，其中電解槽(14；34)包括各自的陽極和陰極，同時設(shè)有給陽極和陰極供給電解液的電解液循環(huán)系統(tǒng)，和用于分離在壓力電解裝置(11；31)運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氧的氧氣分離器(21；41)，和用于分離在壓力電解裝置(11；31)運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氫的氫氣分離器(22；42)，其中為了壓力電解裝置(11；31)在切斷時的惰化要供給惰性氣體、尤其是氮，其特征在于，惰性氣體被供給氧氣分離器(21；41)，同時在氧氣分離器(21；41)用惰性氣體進(jìn)氣時，電解液的一部分在排出來自氫氣分離器(22；42)的氣態(tài)氫時，通過包括在電解液循環(huán)系統(tǒng)(23a；23b；43a；43b)中的一條連接管路被移動。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，氧氣分離器(21)和/或氫氣分離器(22)設(shè)置在壓力罐(12)之外，同時在氧氣分離器(21)用惰性氣體進(jìn)氣時，電解液的一部分為了排出來自氫氣分離器(22)的氫氣，從壓力罐(12)和/或氧氣分離器(21)被移動到氫氣分離器(22)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，氧氣分離器(41)和/或氫氣分離器(42)通過在壓力罐(32)內(nèi)容積的一部分構(gòu)成，同時在氧氣分離器(41)用惰性氣體進(jìn)氣時，電解液的一部分為了排出由壓力罐容積的一部分所構(gòu)成的氫氣分離器(42)中的氫氣時被移動。
全文摘要
壓力電解裝置及其切斷方法。該壓力電解裝置帶有一個壓力罐(12)和一個包括多個電解槽(14)布置在壓力罐(12)中的電解槽組(13)，其中電解槽(14)包括各自的陽極和陰極，同時設(shè)有給陽極和陰極供給電解液的電解液循環(huán)系統(tǒng)，帶有用于分離在壓力電解裝置(11)運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氧的氧氣分離器(21)，和用于分離在壓力電解裝置(11)運(yùn)行時產(chǎn)生的氣態(tài)氫的氫氣分離器(22)，帶有惰性氣體、尤其是氮的儲備容器，用于壓力電解裝置(11)切斷時的惰化。本發(fā)明建議儲備的惰性氣體可供給氧氣分離器(21)，同時電解液循環(huán)系統(tǒng)包括連接管路(23a；23b)，通過該管路在氧氣分離器(21)用惰性氣體進(jìn)氣時，電解液的一部分在排出來自氫氣分離器(22)的氣態(tài)氫時可以移動。
文檔編號C25B15/08GK1726307SQ200380106069
公開日2006年1月25日 申請日期2003年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月14日
發(fā)明者R·A·布蘭德, O·沃利維克 申請人:Ghw高效電解池氫氣產(chǎn)生器有限責(zé)任公司