本發(fā)明涉及一種電解器和一種用于運(yùn)行電解器的方法。

背景技術(shù)：

1、電解器是一種借助于電流引起電化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)換、所謂的電解的工業(yè)設(shè)施。對應(yīng)于多種不同的電解，也存在多種電解器，例如用于水電解的電解器，即水作為反應(yīng)物分解成產(chǎn)物氣體氧氣和氫氣。

2、自從一段時間以來越來越多地考慮，在具有很多太陽和很多風(fēng)的時間中利用來自可再生能源的過剩的能量、即利用超出平均的太陽能發(fā)電或風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生有價值的物質(zhì)。有價值的物質(zhì)尤其可以是氫氣，所述氫氣利用水電解器產(chǎn)生。借助于氫氣例如可以產(chǎn)生所謂的ee氣體。

3、電解器通常具有多個電解電芯，所述電解電芯相對于彼此相鄰地設(shè)置和堆疊。在電解電芯中，水借助于水電解被分解成氫氣和氧氣。在pem電解器中，典型地在陽極側(cè)輸送作為反應(yīng)物的蒸餾水，并且在質(zhì)子可透過的膜(英文：“proton-exchange-membrane”，pem)處裂解成氫氣和氧氣。在此，水在陽極處被氧化成氧氣。質(zhì)子通過質(zhì)子可透過的膜。在陰極側(cè)產(chǎn)生氫氣。水在此通常從下側(cè)輸送到陽極室和/或陰極室中。

4、在電解器中，典型地將各個電解電芯堆疊成包括在軸向方向上的多個單電芯的模塊，并且組裝成所述模塊或電解模塊。電解器在此通常具有多個模塊，所述模塊整體上形成所謂的電解堆或簡單地形成“堆”。例如，50個電解電芯可以軸向地堆疊成模塊，并且例如5個模塊可以在軸向方向上又堆疊成堆，使得這種電解堆因此可以包括在軸向的整體復(fù)合結(jié)構(gòu)中的例如250個電芯。

5、在pem電解器中，一旦電解模塊或者電解電芯或電解堆例如在制造之后首次填充有水，則必須確保水(反應(yīng)物水)或者在電解器的運(yùn)行中水-氣體混合物始終保留在模塊中。必須在每個運(yùn)行階段防止干式運(yùn)行或干燥，因為這將引起電解器的不可逆的損害。首先，所述膜必須始終保持在潮濕的環(huán)境中，但是其它功能部件和組件、例如催化劑或電極也不允許干燥。

6、在具有電解器的來自正常運(yùn)行狀態(tài)的例如出于服務(wù)目的計劃和即將來臨的維護(hù)或維修的運(yùn)行階段中，電解器的停機(jī)狀態(tài)管理通常可以良好地且預(yù)測性地計劃，并且可以常規(guī)地且可靠地啟動對應(yīng)的預(yù)防措施和關(guān)斷程序，使得尤其即使在關(guān)斷之后水也保留在模塊中并且必要時附加地還循環(huán)。

7、相反，未預(yù)料到的并且尤其是在短的時間期限內(nèi)由安全引起的快速關(guān)斷或者甚至在故障情況下瞬時的緊急關(guān)斷可能引起顯著的問題。這僅能相當(dāng)困難并且在技術(shù)上以高耗費(fèi)地控制，尤其是關(guān)于防止模塊在停機(jī)狀態(tài)運(yùn)行中的干式運(yùn)行。這在存在不同類型的電解器時更是如此，所述電解器分別具有不同的結(jié)構(gòu)和不同的運(yùn)行參數(shù)，利用所述結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)要考慮特殊的運(yùn)行風(fēng)險和安全關(guān)斷或緊急關(guān)斷的原因。因此，例如已知常壓電解器，所述常壓電解器在大氣的或僅低的運(yùn)行壓力下工作，或者但是也已知壓力電解器，所述壓力電解器在35巴或更高的高運(yùn)行壓力下工作。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明的目的是提供一種電解器，其中可以以技術(shù)上簡單且可靠的方式實現(xiàn)停機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，使得防止干式運(yùn)行。另一目的在于用于在停機(jī)狀態(tài)運(yùn)行下以低的故障易發(fā)性和高的靈活性運(yùn)行電解器的方法的目的。

2、針對電解器的目的根據(jù)本發(fā)明通過一種用于產(chǎn)生作為產(chǎn)物氣體的氫氣和氧氣的電解器來實現(xiàn)，所述電解器具有電解模塊和氣體分離器，所述氣體分離器設(shè)計用于將產(chǎn)物氣體與水進(jìn)行相分離，其中電解模塊經(jīng)由用于產(chǎn)物氣體的產(chǎn)物流管路連接到氣體分離器上，并且其中設(shè)有具有輸送泵的用于分離的水的回引管路，所述回引管路將氣體分離器與電解模塊連接，其中氣體分離器設(shè)計并且設(shè)置在電解模塊上方的高度差上，使得在停機(jī)狀態(tài)時，電解模塊可以僅通過高度差驅(qū)動地自動地用水灌注，其中輸送泵在停機(jī)狀態(tài)中具有低的壓力損失系數(shù)，使得在與可經(jīng)由回引管路排空的氣體分離器一起的共同作用下確保在無電流的狀態(tài)下的快速灌注。

3、本發(fā)明在此基于來自對不同原因的風(fēng)險觀察和評估的問題發(fā)現(xiàn)，例如在至少部分地填充有氣體的具有在陰極側(cè)上的氫氣和陽極側(cè)的氧氣的電解模塊中，發(fā)生氣體非?？焖俚財U(kuò)散通過薄的質(zhì)子可透過的膜。特別地，氫氣的小分子然后擴(kuò)散回到氧氣側(cè)。在電解器的更高的運(yùn)行壓力下，該效果更強(qiáng)，因為局部壓力差是擴(kuò)散的驅(qū)動力。擴(kuò)散可能在分鐘范圍內(nèi)引起危險的氣體濃度，即，用于使氧氣側(cè)的氫氣濃度提高直至高于4vol％的爆炸下限。因為不能排除點(diǎn)火源，例如干燥的催化劑，在最壞的情況下爆炸是可能的。

4、在所述情況下，必須在任何情況下防止電解模塊的干式運(yùn)行。

5、在正常運(yùn)行中，在模塊中產(chǎn)生混合相，即水和產(chǎn)物氣體的相混合物。一旦停止電解的流輸送并且不采取另外的措施，則混合物將很快分離并且至少在電解模塊的上部區(qū)域中形成氣相。因此，在所有可設(shè)想的故障中，快速輸送水和排出氣體也是強(qiáng)制必要的，以便防止干燥。因此，必須立刻進(jìn)行安全措施。

6、此外，pem電解的一個發(fā)展目標(biāo)是使用越來越薄的膜，由此電阻變得更低，電解器的效率變得更高。但是，更薄的膜不利地引起甚至更高的擴(kuò)散，從而引起可能的爆炸風(fēng)險的提高。

7、因此，在電解器中確保在停機(jī)狀態(tài)運(yùn)行中電解模塊特別快速地用水灌注越來越重要。目前的解決方案在此是不足的或非常耗費(fèi)的并且就電解器的工作壓力而言不太靈活。

8、為此，本發(fā)明針對電解器提出電解模塊的灌注方案，所述灌注方案是完全自給自足的并且本質(zhì)上非?？煽?。所述灌注方案獨(dú)立于附加的和耗費(fèi)的外部供給裝置和用于借助于泵來輸送或灌注的冗余的系統(tǒng)或備用解決方案。所述用于電解器的設(shè)施方案可以有利地獨(dú)立于電解器的工作壓力使用，也就是說，不僅可以靈活地應(yīng)用于常壓電解器，而且可以靈活地應(yīng)用于壓力電解器。尤其是可以避免例如由于爆炸危險引起的臨界運(yùn)行狀態(tài)，同時防止干燥運(yùn)行，因為通過由于高度差引起的水平補(bǔ)償從而由于水柱引起的對應(yīng)保持的壓力差自動地引起和驅(qū)動快速排空氣體分離器。尤其不需要外部的或為此特意保持的泵機(jī)組和耗費(fèi)的電的緊急供電系統(tǒng)，以便引起電解模塊的安全且非?？焖俚墓嘧ⅰＲ虼?，電解電芯和尤其是膜得到保護(hù)，因為所述部件由通過回流管路回流的水灌注并且保持潮濕。通過將氣體分離器設(shè)計和設(shè)置在電解模塊上方的高度上，在運(yùn)行中保持氣體分離器中的水的液位高度或水平，并且已經(jīng)在系統(tǒng)中實現(xiàn)靜液壓的輸送壓力，提供用于尤其在安全技術(shù)上的緊急關(guān)斷的情況下的關(guān)斷運(yùn)行。當(dāng)然，該灌注方案例如為了維護(hù)目的也可以有利地用于常規(guī)的和根據(jù)計劃的關(guān)斷。

9、在此，除了保持的高度差以外，在回引管路中連接有輸送泵，所述輸送泵在停機(jī)狀態(tài)中具有小的或非常小的壓力損失系數(shù)，使得通過由于設(shè)定的高度差而保持的壓力差和輸送泵的設(shè)計方案的組合在回引管路中引起特別快速的灌注。

10、壓力損失因子、壓力損失系數(shù)或還有阻力系數(shù)(常用的公式符號ζ-zeta)在流體力學(xué)中是在穿流的構(gòu)件、如管道管路或配件中的用于壓力損失的無量綱的量度。也就是說，壓力損失系數(shù)表明在流入與流出之間必須存在什么壓力差，以便維持通過構(gòu)件的特定的流量。壓力損失系數(shù)始終適用于特定的幾何形狀，并且通常取決于雷諾數(shù)并且必要時取決于導(dǎo)流構(gòu)件的表面粗糙度。

11、在電解器的正常運(yùn)行中，非常有利的是將在氣體分離器中分離的水主動地回引到電解過程中，因此在回引管路中設(shè)有輸送泵，所述輸送泵將水泵回。然而，輸送泵是一種帶有阻力的流體元件，所述流體元件例如在關(guān)斷運(yùn)行中抵抗在灌注時水的快速回流。因此，有利的是，在停機(jī)狀態(tài)下為輸送泵設(shè)置盡可能小的壓力損失系數(shù)，使得即使在無電流的狀態(tài)下也實現(xiàn)利用輸送泵快速地灌注和穿流回引管路。

12、因此，用于電解器的所述設(shè)施方案實現(xiàn)通過氣體分離器的提高的位置引起安全且快速地用水灌注電解模塊。相對于電解器的已知的解決方案，本發(fā)明的安全方案是優(yōu)越的，因為該安全方案不需要冗余并且可以獨(dú)立于電解器的工作壓力來實現(xiàn)供給。

13、因此，例如壓力電解器在例如35巴的壓力下運(yùn)行。在所述高的工作壓力下，在電解模塊中的體積氣體份額小，也就是說，在關(guān)斷之后在體積上觀察僅可以分離少量的氣體。通常，電解模塊的管道管路上升地引導(dǎo)至氣體分離器，使得在關(guān)斷之后也可以在管道管路中水部分地分離并且可以回流到電解模塊中。但是這在緊急關(guān)斷時例如在爆炸危險的情況下不能足夠快速地進(jìn)行并且此外需要主動部件，以便主動地并且快速地將水輸送到電解模塊中。對于所述情況也必須對應(yīng)地保持在氣體分離器中的對應(yīng)的液位。通過壓力運(yùn)行，氫氣從電解電芯的陰極側(cè)通過膜到陽極側(cè)的擴(kuò)散提高，這是與安全相關(guān)的問題，這隨著膜的設(shè)計越來越薄而嚴(yán)重。

14、與壓力電解器相比，在電解器在常壓運(yùn)行中的情況下，在電解模塊中在運(yùn)行條件下存在大體積的氣體量。電解模塊不僅經(jīng)由入口而且經(jīng)由出口直接與位于上方的氣體分離器連接。由于自然循環(huán)過程，通常不需要安裝泵。只要足夠多且足夠分散的氣體還處于電解模塊中，那么所述自然循環(huán)也不會由于由此引起的密度差而靜止。自然循環(huán)靜止以后，電解模塊中的水位明顯低于氣體分離器的水位，并且在其間不存在嚴(yán)重的具有壓力損失的安裝部件，使得水可以自由地從氣體分離器流入到模塊中，并且可以確保模塊中的水位。

15、在借助于泵的強(qiáng)制循環(huán)的情況下用于確保故障情況的傳統(tǒng)可行性是利用冗余的泵。在泵的故障的情況下，可以利用剩余的泵容量，以便快速地用水填充模塊。為了也能夠克服停電，無中斷的供電是必要的。此外，泵應(yīng)該被完全分開地操控，以便也能夠克服控制技術(shù)故障。這一起使得這種解決方案非常耗費(fèi)和昂貴。

16、相反，利用本發(fā)明的方案，不僅壓力電解器而且常壓電解器可以非常有效地被保護(hù)以防干式運(yùn)行，并且特別快速并且自給自足地灌注是可行的，而無需冗余要求。已經(jīng)證明在常壓電解器中該方案是特別有利的，但是如描述的那樣，不限于此。

17、在電解器的一個特別優(yōu)選的設(shè)計方案中，氣體分離器設(shè)計為臥式容器，使得提供大的表面作為液相與氣相之間的相界面。

18、電解器的所述設(shè)計方案允許氣體分離器的相對小的總結(jié)構(gòu)高度，這在電解模塊上方設(shè)置的高度差的情況下是非常有利的。因此，設(shè)計為容器的氣體分離器具有帶有長度尺寸和寬度尺寸的容器底部，所述長度尺寸和寬度尺寸分別明顯大于容器高度。由此，盡管所需的高度差，仍節(jié)省結(jié)構(gòu)空間。此外，臥式結(jié)構(gòu)方式在氣體分離器中實現(xiàn)容器底部處的水與在相界面上方的氣相中的產(chǎn)物氣體——氧氣或氫氣——之間的對應(yīng)大的相界面，這在正常運(yùn)行中有利于在相混合物中的水與產(chǎn)物氣體之間的更有效的相分離。

19、在一個優(yōu)選的設(shè)計方案中，回引管路通入到電解模塊的下部區(qū)域中。

20、由于電解器中的氣體分離器與電解模塊之間的高度差，通過回引管路的所述連接方式提供盡可能高的流體靜壓力差。在安全關(guān)斷的情況下，更高的壓力差確保水更快速的回流和電解模塊的完全灌注。在此，該壓力差簡單地由水柱的流體靜壓力產(chǎn)生，所述流體靜壓力在氣體分離器中的正常的液位與回流管路到電解模塊中的連接的水平之間的高度差的情況下產(chǎn)生。用于灌注的驅(qū)動力是氣體分離器中相對于電解模塊的更高的水位，使得可以引起自動的水平補(bǔ)償。

21、在此優(yōu)選地，該高度差設(shè)定成，使得提供至少0.05巴至0.5巴、尤其0.1巴作為用于灌注的進(jìn)行驅(qū)動的壓力差。

22、在設(shè)計技術(shù)上已經(jīng)證實，在典型的電解器中的所述壓力差的情況下，通常提供足夠的驅(qū)動壓力用于水平補(bǔ)償，以便在需要情況下啟動盡可能快速的灌注。足夠的壓力差水平從而氣體分離器相對于電解模塊的更高的定位在此可以有利地與相應(yīng)的情況相匹配，其中也可以考慮影響在回流管路中和在整個待灌注的電解模塊中的流動阻力的管路橫截面、構(gòu)件和部件。這可能引起變化的壓力差，并且在必要時可能引起更高的需要的壓力差。

23、已經(jīng)證實，優(yōu)選地，輸送泵的壓力損失系數(shù)ζ小于ζ＝5，尤其小于ζ＝3。由此，在靜止?fàn)顟B(tài)中也提供足夠體積流的水通過輸送泵的穿流或回流。但是，由于氣體分離器與電解模塊之間的高度差引起的壓力差保持驅(qū)動力。但是，現(xiàn)在將對應(yīng)匹配和設(shè)計的輸送泵有利地集成到電解設(shè)施中，所述輸送泵由于低壓力損失系數(shù)而被動地支持灌注。

24、在一個優(yōu)選的設(shè)計方案中設(shè)有多個電解模塊，所述電解模塊經(jīng)由共同的產(chǎn)物流管路連接到氣體分離器上。

25、因此，電解器或電解設(shè)施的功率可以簡單且靈活地擴(kuò)展，其方式是，設(shè)有另外的電解模塊。在此，電解模塊可以并聯(lián)運(yùn)行或者也可以串聯(lián)作為所謂的模塊列運(yùn)行或者由其構(gòu)成的組合運(yùn)行。在此，在概念上，并聯(lián)可以涉及在電解電流或電解電壓方面和/或在物質(zhì)流方面的純電子技術(shù)的聯(lián)接，例如工藝水作為反應(yīng)物流引導(dǎo)和傳導(dǎo)通過電解模塊。

26、在一個特別優(yōu)選的設(shè)計方案中，在多個電解模塊的情況下，電解模塊經(jīng)由相應(yīng)的連接管路連接到回引管路上，其中在連接管路中的至少一個連接管路中設(shè)置有調(diào)節(jié)閥。在此優(yōu)選的是如下設(shè)計方案，其中在連接管路中的每個連接管路中設(shè)有相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥，因為這實現(xiàn)特別大的運(yùn)行靈活性，所以例如為了維護(hù)目的或在安全關(guān)斷中僅對一個或僅單個電解模塊進(jìn)行根據(jù)需要的灌注。

27、如果例如多個并聯(lián)連接的電解模塊或模塊排通過泵或泵站供給，則因此優(yōu)選地設(shè)有相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥，以便實現(xiàn)每個電解模塊或每個模塊排的單獨(dú)可控的入流。

28、在使用多個并聯(lián)的泵例如以用于提供冗余時，優(yōu)選的是，也足夠地確定通過泵的流量，即壓力損失系數(shù)。這有利地允許例如泵的所謂的推開和更換以及利用至少一個可自由穿流的泵的繼續(xù)運(yùn)行。截止滑塊——也是氣體滑塊或水滑塊——是通常用于完全打開或關(guān)閉管道或管路的整個穿流橫截面的配件。與閥相反，截止滑塊不是主要用于調(diào)節(jié)流量，并且不是在非常高的壓力下使用。截止滑塊通常用于預(yù)先截止，即為了實現(xiàn)在后續(xù)的配件處的維修工作，所述配件在常規(guī)的運(yùn)行中承擔(dān)截止或調(diào)節(jié)。

29、在本發(fā)明的用于電解設(shè)施的設(shè)計方案中，如果在流動路徑上使用附加的部件，例如傳熱器、閥、過濾器，則通常降低在部件級上的允許的壓力損失系數(shù)。這可以有利地并且至少在一定的界限內(nèi)利用高度差的匹配來補(bǔ)償，也就是說利用比用于灌注的驅(qū)動力對應(yīng)更高的壓力差來補(bǔ)償。

30、優(yōu)選地，調(diào)節(jié)閥機(jī)械地針對最小流量來設(shè)計，在調(diào)節(jié)時不可低于所述最小流量。最小開口可以通過對應(yīng)的機(jī)械的鎖定裝置實現(xiàn)。調(diào)節(jié)閥的對應(yīng)的設(shè)計方案優(yōu)選地也在多個調(diào)節(jié)閥中設(shè)置，所述調(diào)節(jié)閥分別連接到連接管路中。

31、用于調(diào)節(jié)閥的最小流量的閥位置的所述最小開度與輸送泵的壓力損失系數(shù)和/或包括多個泵的泵站的壓力損失系數(shù)一起是有利的，所述泵在電解器中設(shè)定和設(shè)計成，使得僅由于壓力差或高度差確保水從氣體分離器至待灌注的電解模塊的足夠快速的自動回流。

32、針對方法的目的根據(jù)本發(fā)明通過一種用于運(yùn)行電解器的方法來實現(xiàn)，其中在常規(guī)運(yùn)行中將電解電流輸送給電解模塊，使得水在電解模塊中產(chǎn)生作為產(chǎn)物氣體的氫氣和氧氣，其中將產(chǎn)物氣體以由水和產(chǎn)物氣體構(gòu)成的相混合物輸送給氣體分離器，其中在氣體分離器中水與產(chǎn)物氣體分離，并且其中在停機(jī)狀態(tài)運(yùn)行中，停止電解電流并且啟動安全關(guān)斷。在此，在停機(jī)狀態(tài)運(yùn)行中，僅由于高度差將水從氣體分離器自動地通過回引管路驅(qū)動到電解模塊中，其中無電流地設(shè)置的輸送泵由水穿流并且電解模塊被灌注，其中確保在無電流的狀態(tài)中快速地灌注。

33、優(yōu)選地，在此電解模塊自動地用水灌注，直至氣體分離器和電解模塊中的水的液位達(dá)到均衡。

34、在突然的運(yùn)行停止時，例如由于電解器的安全關(guān)斷或緊急關(guān)斷，在電解模塊中產(chǎn)物氣體和水分離。在電解模塊中出現(xiàn)一定的水位或液位。通過將氣體分離器設(shè)置得更高，使水立即且快速地借助于設(shè)置的壓力差驅(qū)動到電解模塊中，并且在管路中存在的流體元件也可以被足夠快速地穿流。因此，非?？焖俚夭⑶易詣拥匾鹚窖a(bǔ)償并且實現(xiàn)電解模塊的快速的灌注。在電解模塊中的電解電芯和尤其是敏感的膜完全用水浸泡并且不會干燥。可靠地防止干式運(yùn)行。

35、所述方法的其它優(yōu)點(diǎn)對應(yīng)地由電解器的上述優(yōu)點(diǎn)得到。