【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一種用于生產氫氣的電解系統，其中電極之間的電壓定期反轉以再生電極。
技術介紹
1、如us8308919中所述，電解系統的效率會由于電極表面污染物的累積而降低，從而降低電導率，從而降低氣體產生率。定期反轉極性，即電極上的電壓暫時反轉，可用于再生電極。例如，us4578160a公開了電解器中3-30％時間的周期性極性反轉，用于回收濃堿性堿。w02013/078004a1公開了在電解器中小于運行時間的1％的用于再生金剛石電極的極性反轉。與常規操作相比，再生期間，氫氣和氧氣在膜的另一側產生。這樣，將氧氣引入通常生產氫氣的一側并聚集在儲存容器中，而在通常生產氧氣的一側生產氫氣。與us8308919中的情況一樣，在大約20分鐘的時間內，會產生大量氣體。為了在反向電壓時將氧氣和氫氣分離到正確的容器中，us8308919公開了通過氣體方向控制閥切換排放。
2、us10167561還公開了用于選擇電極室正確出口通道的閥門，該閥門取決于常規操作或再生周期，并在鍍鋅鋁電極上施加反向電壓以實現反向鋅遷移。在該系統中，電極室具有收集罩，收集罩兩端有氧氣出口和氫氣出口，收集罩可以向一個方向或另一個方向傾斜，以便于將氧氣或氫氣收集到相應的閥門操作出口通道中。
3、雖然這些系統提供了防止儲罐中氫氣和氧氣爆炸性混合氣體積聚的技術解決方案，但它們基于機械閥門或其他裝置，這一方面使系統更加復雜，另一方面，如果機械部件發生故障，則存在產生危險混合氣體的風險，這是一個缺點。
4、針對此問題，提高電解系統的安全性是被希望的
技術實現思路
1、因此，本專利技術的目的在于提供本領域的改進。具體而言，目的是在應用周期性極性反轉進行電極激活和/或再生的電解系統中提供增強的安全性，尤其是防止系統中出現爆炸性氣體混合物。另一個目的是提供針對該問題的簡單的技術解決方案。這些目的和其他優點是通過如下文和權利要求中所述的電解系統的操作方法實現的。
2、本文所述的電解系統用于將水分解為氫氣h2和氧氣o2，并且包括具有第一電極的第一電極室和具有第二電極的第二電極室。第一和第二室由膜隔開并含有電解質。
3、在規則氣體產生的時間t1期間，將第一極性的第一電壓施加到電極上。在正常運行時，在膜第一側的第一電極室中產生氧氣o2，在膜第二側的第二電極室中產生氫氣h2。因此，在正常運行時，第一電極為陽極且第一電極室為陽極室，第二電極為陰極且第二電極室為陰極室。
4、為了使電極定期再生，將相對于第一電壓具有相反極性的第二電壓施加到電極并穿過膜持續一段時間t2，以便在電極電壓下降之后再生電極并提高效率。相反極性的使用在此稱為反極性。
5、就此而言，還需指出以下幾點。電解系統中使用的電極可能需要在首次使用時激活，這種首次使用在此定義為電極在調試后的實際首次使用，或在持續時間超過一定水平的操作暫停之后電極的首次使用，在此期間電極返回到非激活階段。專利技術人發現周期性極性反轉是電極激活的一種有用方法。因此，極性反轉不僅對正常運行一段時間后的再生有用，而且極性反轉,通常在比再生更短的時間尺度上進行多次,對電極的激活很有用。
6、在反極性操作期間，電壓和電流與常規操作相比反轉，并且在膜的第一側和第一電極室中產生氫氣h2，并且在膜的第二側和第二電極室中產生氧氣o2。這會導致電極室內產生混合氣體，如果不采取適當的預防措施，則有發生爆炸的危險。下面討論了一些安全方面，以防止在這種常規操作和反極性周期交替時產生危險的氣體混合物，無論是再生還是電極活化。
7、在正常運行期間，在膜的第一側的第一室中產生第一體積v1的氧氣o2，其中第一室用作陽極室，而在具有相反極性的運行期間，在第一室中產生第二體積v2的氫氣h2。通過限制第二體積v2的氫氣產量不超過正常運行所產生的第一體積v1的氧氣的4％，所得的氫氣和氧氣的氣體混合物包含不超過4％的氫氣。對于從氧氣罐中常規操作收集的氧氣，罐中的氣體混合物中h2的含量不超過4％。這很重要，因為h2占h2+o2混合氣體中4％至94％的比例區間存在爆炸風險，這個范圍之外的氣體混合物被認為是安全的。
8、例如，在正常運行期間，第一室中產生體積為v1的氧氣，而在緊接著的具有相反極性的運行期間，第一室中產生體積為v2的氫氣，其中v2的體積不超過前一個正常運行期間產生的氧氣體積v1的4％。
9、可選地，在多個后續的常規操作周期中，每個周期產生固定的第一體積v1的氧氣，并且在每兩個后續的常規操作周期之間的每個再生操作周期中，產生不大于v1的4％的固定的第二體積v2的氫氣。因此，系統在正常運行期和再生運行期之間交替，各個周期產生的產量相等。
10、氫氣的產生速度是氧氣的兩倍，因為每對水分子分裂成兩個h2分子和一個02分子。
11、因此，相對于正常運行期間第一室中產生的氧氣，在反極性期間第一室中產生的氫氣的上限為4％，當與等量的氣體相關時，這相當于在反極性期間第二室中產生的氧氣的上限為2％。例如，在正常生產過程中，膜兩側的電極室內會積聚等量的氧氣和氫氣。
12、可選地，對于具有第一持續時間t1的常規生產周期和具有第二持續時間t2的反極性周期，可以在t1之后將電壓從電極的常規極性交替切換到反極性并在t2之后再次切換回來，其中t2不超過t1的2％，以保持在氣體收集罐中的氣體混合物的安全范圍內。尤其是潛在的氧氣收集罐中的氫氣積累和氫氣收集罐中的氧氣積累將保持在臨界范圍之外。
13、盡管時間比t2：t1的2％規則足以保持在臨界范圍之外，但在許多實施例中，優選將時間持續時間t2保持為不超過常規操作時間t1的1％，因為這會產生增加的安全裕度。
14、在現有技術中，已公開了大約20分鐘或甚至更長的再生時間。然而，專利技術人已針對堿性電解系統，特別是以koh或naoh為基礎的電解質和不銹鋼電極詳細研究了這個問題。在60-90℃的溫度范圍內，此類電解質的化學腐蝕性非常強，不銹鋼表面會腐蝕，腐蝕產物沉積在電極上。然而，反向電壓效率很高，并且已發現3秒或更短的反向時間t2足以實現激活和/或再生。
15、雖然最小活化和/或再生時間tmin取決于系統配置、電解質和操作參數，特別是電極面積和電流，但已發現一般規則：明顯小于1秒的活化和/或再生時間通常對于清潔和活化和/或再生電極無效。激活和/或再生效果必須足夠長才能顯現出來。因此，對于堿性系統，如果t2>tmin則是有利的，其中tmin取決于系統，但通常在1秒左右，并且可能高達甚至超過3秒。
16、在活化和/或再生過程中，由于極性相反，陽極變為陰極，陰極變為陽極。在正常運行期間產生氧氣的電極及其室(即陽極和陽極室)在此稱為第一電極和第一電極室。同樣，在正常工作時作為陰極的電極和作為陰極室的、產生氫氣的電極及其室分別稱為第二電極和第二電極室。
17、由于氧氣的生成速度是氫氣生成速度的一半，因此，第一個電極室中產生的氧氣中氫氣的生成限制為2％，相當于第本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種用于將水分解成氫氣H2和氧氣O2的電解系統(1)的操作方法，所述電解系統(1)包括具有第一電極(4)的第一電極室(2)和具有第二電極(5)的第二電極室(3)，所述電極室(2、3)包含電解質(7)并由膜(6)隔開；其中所述方法包括在常規操作和反極性操作之間交替，其中在常規操作期間，在膜(6)的第一側的第一電極室(2)中產生氧氣O2，在膜(6)的第二側的第二電極室(3)中產生氫氣H2，其中在反極性操作期間，與常規操作相比，電壓和電流反轉，在膜(6)的第一側和第一電極室(2)中產生氫氣，在膜(6)的第二側和第二電極室(3)中產生氧氣；其中，該方法包括通過常規操作在膜(6)第一側的第一電極室(2)中產生第一體積V1的氧氣，并通過反向極性操作在第一電極室(2)中產生第二體積V2的氫氣，其特征在于，該方法包括將第二體積V2的氫氣的產量限制為不超過通過常規操作產生的第一體積V1的氧氣的4％，以使所得的H2和O2的氣體混合物中含有的H2不超過4％。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，其中對于在正常運行期間產生的氧氣體積V1，該方法包括在緊接著的具有相反極性的運行期間產
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，其中該方法包括在多個后續的常規操作周期中的每個周期中生產固定體積的V1，并且在每個操作周期中生產不超過V1的4％的固定體積的氫氣V2，并且在每兩個后續的常規操作周期之間具有相反的極性。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，其中VO是在正常運行期間第一電極室(2)中可以容納的氧氣的最大體積；并且其中該方法包括在具有反極性的運行期間產生第二體積V2的氫氣，其中第二體積V2不超過體積VO的4％。
5.根據權利要求1-4所述的方法，其特征在于，其中該方法包括確定在正常運行期間生產氧氣體積VO的持續時間TO，并且其中該方法包括持續時間T2不大于TO的反向極性操作。
6.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，其中該方法包括在正常運行期間和反向極性運行期間以固定的恒定速率產生H2和02，其中正常運行期間具有第一持續時間T1，反向極性運行期間具有第二持續時間T2，并且其中該方法包括在T1之后交替地將電壓切換至電極(4，5)的反向極性并且在T2之后再次切換回，其中T2不超過T1的2％。
7.根據權利要求1-5中任一項所述的方法，其特征在于，其中該方法包括減少在操作期間施加到電極的電流，其極性相對于在正常運行期間施加到電極的電流是相反的。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，其中在反極性操作期間施加到電極的電流小于在常規操作期間施加到電極的電流的75％。
9.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，其中反極性操作的持續時間T2至少為Tmin＝3秒。
10.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，其中該方法包括向該系統提供堿性電解質并且在50℃至90℃范圍內的溫度下操作電解。
...【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】
1.一種用于將水分解成氫氣h2和氧氣o2的電解系統(1)的操作方法，所述電解系統(1)包括具有第一電極(4)的第一電極室(2)和具有第二電極(5)的第二電極室(3)，所述電極室(2、3)包含電解質(7)并由膜(6)隔開；其中所述方法包括在常規操作和反極性操作之間交替，其中在常規操作期間，在膜(6)的第一側的第一電極室(2)中產生氧氣o2，在膜(6)的第二側的第二電極室(3)中產生氫氣h2，其中在反極性操作期間，與常規操作相比，電壓和電流反轉，在膜(6)的第一側和第一電極室(2)中產生氫氣，在膜(6)的第二側和第二電極室(3)中產生氧氣；其中，該方法包括通過常規操作在膜(6)第一側的第一電極室(2)中產生第一體積v1的氧氣，并通過反向極性操作在第一電極室(2)中產生第二體積v2的氫氣，其特征在于，該方法包括將第二體積v2的氫氣的產量限制為不超過通過常規操作產生的第一體積v1的氧氣的4％，以使所得的h2和o2的氣體混合物中含有的h2不超過4％。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，其中對于在正常運行期間產生的氧氣體積v1，該方法包括在緊接著的具有相反極性的運行期間產生氫氣體積v2，其中氫氣體積v2不超過在前一個正常運行期間產生的氧氣體積v1的4％。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，其中該方法包括在多個后續的常規操作周期中的每個周期中生產固定體積的v1，并且在每個操作周期中生產不超過v1的4％的固定體積的氫氣v2，并且在每兩個后續的常規操作周期之間具有相反的極...
【專利技術屬性】
技術研發人員：亨里克·斯蒂斯達爾，
申請(專利權)人：斯蒂斯達爾氫股份有限公司，
類型：發明
國別省市：
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