[发明专利]用于电制氢的装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于从水电制氢的装置。

背景技术

为使用电能从水产生氢气，在现有技术中使用电解槽。这种技术以不同的形式存在。本发明的内容是具有PEM（聚合物电解质膜）类型的电解槽的装置，也就是使用质子可渗透的聚合物膜工作的电解槽。这种类型的电解槽通常以所谓的堆栈的形式也即栈的形式建造，以便在尽可能小的空间实现尽可能高的产气率。在此将水输送到每个膜的一侧，其中通过设置在膜的两侧的、并供给电解电压的电极，分解成氢气和氧气，氢气产生在膜的一侧而氧气产生在另一侧，其中水在该另一侧供给。

为了确保聚合物电解质膜的质子穿透性，要保持聚合物电解质膜始终是湿润的，然而这导致，所产生的氢气通常同样带有水蒸汽和/或液滴形式的水。在许多技术应用中这些在氢气中携带的水量是不期望有的，因此，它们必须被去除。所以，例如对于在今天惯用的金属氢化物存储器中存储氢气，携带的水量在存放之前应被去除。机械的水分离器在这里通常不够用，因为其不能充分地将氢气流从水中释出。

因此为了干燥氢气，在现有技术中将根据变压吸附原理工作的水分离装置连接到电解槽的输出侧的下游。与此同时从电解槽出来的、富含水和/或水蒸汽的氢气流被引导经过一个或多个用于结合水的分子筛床。然而，这样的结合仅仅能在分子筛床不饱和的情况下进行。因此，必须以规则的间隔再生分子筛床。由此，在实践中，提供两个平行的分子筛床，流体交替地流经该两个分子筛床，其中，通过被干燥的氢气的逆流冲刷来使非活动的筛床再生。此方法是相对复杂和不利的，特别是就装置的效率而言，因为用于反向冲洗的氢气通常无用地泄漏。此方法特别是随着氢气流中增大的水量达到它的极限，因此这些从现有技术已知的设备是相当低效的。

发明内容

基于此，本发明的目的是构建通用类型的用于从水来电制氢的装置，使其以尽可能高的效率工作以生产干燥的、即大部分水被从其中释放掉的氢气。

该目的根据本发明由权利要求1中的特征予以实现。本发明的有利的实施例从从属权利要求和下面的描述中获得。

本发明的用于从水电制氢的装置包括PEM类型的电解槽，也即这利用质子可渗透的聚合物膜工作的电解槽。所述电解槽配置有用于供给水的输入端和第一输出端以及用于氧气和水的第二输出端,其中所述第一输出端用于富含水和/或水蒸汽的在所述电解槽中产生的氢气。该装置还包括水分离装置，所述水分离装置的输入端与所述电解槽的第一输出端导通连接，并且所述水分离装置的导气输出端引向位于该装置中的或在该装置上的氢气提取端口，其中，所述水分离装置至少包括第一热分离级。

由此本发明的基本思想是，在所述装置内提供具有水分离装置的电解槽，其中所述水分离装置至少包括第一热分离级。应当理解，原则上作为分离装置或其上游侧的一部分可提供机械的分离装置用作预分离器，例如旋流分离器或重力分离器。这种分离装置不是本发明意义上的分离级。水分离装置通常由两个或更多个阶段构成，其中第一阶段涉及热分离级，在该热分离级水通过冷却被从氢气流中去除。

根据本发明，氢气提取端口应理解为不仅是严格意义上的端口，而且也是在所述装置的内部或外部的管道，该管道将干燥的氢气引导向使用者或存储器中。因此，同样设置于所述装置中的金属氢化物存储器经由管道从所述装置中的这样的氢气提取端口被装载。

本发明的解决方案是特别有利的，因为电解槽可以以较高的温度从而高效率地运行。在变压吸附中发生的气体损失被完全避免。

由于要有效地运行电解槽，温度应该尽可能地高，然而，另一方面，质子交换膜必须始终保持湿润，当电解槽在70℃到80℃或更高的范围运行时，从效率上得出有利的操作条件。操作温度往上由水的沸点限制，这是绝对不允许达到的。然而，由氢气携带的水量大约每11℃就翻倍。因此，如果操作温度从60℃增加到70℃，其结果是排出的水量几乎增加一倍。要分离如此数量的水，由本发明的解决方案即使用第一热分离级，是没有问题的，尤其是氢气完全无损失。因此，根据本发明的装置的电解槽明显更为有效，因为可以在更高的温度下运行，而不必承受众所周知的由变压吸附导致的损失。另一方面，用于冷却所要消耗的能量明显要低得多。

有利的是，水的分离在两个阶段进行，但也可以设置更多的阶段。这里，第二分离级有利地同样是热分离级。可替换地，第二分离级也可以由变压吸附装置形成，作为第二阶段可考虑变压吸附，因为这里仅有少量的水要从氢气中被去除，但取决于尽可能充分脱水。由于氢气仅混合有少量的水，在反冲洗成为必需之前分子筛床可以被使用比较长的时间。