高压电解装置的制作方法

本发明一般地涉及一种用于产生氢和氧的装置，该装置包括高压电解器，其中所述电解器包括串联布置的多个高压电解单元。本发明还涉及一种用以生产压力高达100.000kpa或更高的高压氢以及副产物氧的方法，该方法不需要单独的压缩机来对所生产的氢气加压。

背景技术：

1、氢的电解生产是众所周知的。例如，参见wo 2004/076721和其中引用的美国专利公开。

2、如在wo 2004/076721的引言中所述，使用液体电解质产生氢的已知电解设备(在本领域中也称为“电解器”)以如下方式操作。将两个电极放置在液体电解质(诸如氢氧化钾(koh)的水溶液)的浴槽中。可以使用宽范围的氢氧化钾浓度，但是通常使用浓度为约25至30重量％的koh溶液。电极通过分离膜彼此分离，该分离膜选择性地允许液体通过，但不允许气体通过。当在电极两端施加电压时，通常约为2-3伏，电流流过电极之间的电解质。在阴极处生产氢气，在阳极处生产氧气。当所产生的气泡上升通过液体电解质，分离膜保持氢气和氧气分离。在液体电解质的上方存在脱离空间，脱离空间由两个单独的腔室或两个区段构成，所述两个腔室或两个区段通过由气密屏障分成两个单独区段而彼此隔离，一个腔室或区段用以接收氢气，并且另一腔室或区段用以接收氧气。这两种气体分别从脱离空间的相应区段中移除，用于储存或排放。

3、目前可用的电解器主要是具有堆叠设计的低压电解器，其中堆叠多组预制部件以组装电解器。由于堆叠设计的性质，压力被限制在约30巴。

4、高压电解器正成为人们关注的焦点，因为它们比低压电解器具有优势，因为它们适合用于高压应用、运输和储存，而不需要下游压缩机级。在本领域中已经记载了高压电解器的多种设计，这些设计通常是基于聚合物电解质膜(“pem”)技术。例如，参见wo 2011/012507a1。然而，pem技术的一个重要缺点在于它需要稀有金属材料制成的昂贵催化剂，并且电解槽中的催化剂层与在碱电解中相比在变化的负载要求下更快地退化。

5、wo 2021/029768 a1公开了一种高压碱性电解装置，该装置包括由导电金属制成的管道和管件的组合件，这些管道和管件构成阳极或阴极，该装置具有由相互连接的竖向和水平的管件和管道形成的通道布置，除了用于水入口连接部、氢和氧出口连接部的管件之外，这些管道和管件在其外端处被封闭，其中所述通道布置的内部面涂有电绝缘涂层，并且其中构成相应的阴极或阳极的配对电极被定位在竖向管件中，由圆柱形的膜围封，并由安装在外壳的上部中的水平管件中的电极支撑杆支撑和连接。该高压电解装置还包括一个或多个耐压密闭隔离(pressure-tight isolated)电导体，以将电力供应从外部传导到电解装置的内部。

6、wo 2004/076721 a2对应于ep 1597414 b1，wo 2004/076721 a2公开了一种用于电解水的电解槽，该电解器包括大体管状构造的阴极，阳极布置在所述阴极内，大体管状构造的分离膜将阳极与阴极分离，并将电解质腔室划分为阳极子腔室和阴极子腔室。电解器设备包括各个槽的阵列，dc发电机经由电引线在每个槽上施加电势。在槽内从电解质产生的氢气经由氢气取出管线和氢歧管管线移除。副产物氧通过氧气取出管线和氧歧管管线从槽移除。

7、nl2023212公开了一种高压电解装置，其包括由导电金属制成的质量块，该质量块构成阳极或阴极，该装置具有相互连接的竖向圆柱形通道和水平圆柱形通道的布置，除用于水入口连接部、氢和氧出口连接部的通道外，这些通道在外端处被封闭，其中所述通道布置的内部面被部分地涂有电绝缘涂层，并且其中构成相应的阴极或阳极的配对电极被定位在竖向通道中，由圆柱形的膜围封，并由安装在外壳的上部中的水平通道中的电极支撑杆支撑和连接。

8、ep 3 498 886 a1公开了一种进行氧化和还原反应的电解系统，该电解系统包括并联连接的两组或更多组的电解槽，这些电解槽由至少一对电极和电极之间的电解质形成，其中所述电解槽的组合件限定电解器；向所述电解器供应电信号的能量源；其中由形成所述电解器的电解槽接收的电信号对应于直流电脉冲，该直流电脉冲被配置成：在直流电脉冲期间，使每个电解器的电解槽在充电瞬态状态下操作，而在直流电脉冲之间的时间期间，使每个槽在放电瞬态状态下操作，其中，所述充电瞬态状态和所述放电瞬态状态由圆柱板电容器形式的每个电解槽的构造来限定。

9、us 3,984,303公开了一种用于生产卤素气体和碱金属氢氧化物的电解槽，该电解槽具有中空管状的阴极构件，中空管状的阳极构件被同心地布置在阴极内，每个电极构件具有液体可渗透壁以允许电解质循环。阳极在其外表面上被覆盖有导电的管状膜，该膜对于离子通过选择性地渗透，而对于电解质的流体动力学流不渗透，该膜被安装在阳极的外表面上，从而将阳极表面和阴极表面分离。这样的电解槽也可以串联连接，以形成更大的多槽电解器。

10、仍然需要用于氢生产和其它工业过程的简单、高效且成本效益高的高压电解器，这些电解器紧凑、灵活、模块化、可扩展，并且需要低维护。本发明的目的在于提供这样一种高压电解装置。

技术实现思路

1、在本发明的一个方面，提供了一种用于产生氢和氧的高压电解单元，包括：

2、-导电金属制成的主体，该主体由相互连接的水平管道和竖向管道的组合件构成，所述主体构成可连接到dc电源的电极，即阳极或阴极，；

3、-其中，所述组合件包括三个水平管道，即：第一管道，其被限定为下水平管道，并构成主体的底部；和另外两个管道，所述另外两个管道分别被限定为第一上水平管道和第二上水平管道，所述第一上水平管道和第二上水平管道彼此以相邻距离布置在主体的上部中；

4、-其中，所述组合件包括至少两个竖向管道，所述竖向管道被布置成一排并具有下外端和上外端，所述下外端连接到所述下水平管道，所述上外端被密封；

5、-其中，所述竖向管道从下水平管道延伸，然后与第二上水平管道和第一上水平管道互连，并且进一步延伸超出第一上水平管道，所述上外部构成主体的顶部；

6、-其中，所述竖向管道中的每一个容纳细长的中心电极，所述中心电极与竖向管道电隔离并限定配对电极，即相应的阴极或阳极，每个中心电极从相应的竖向管道的下部延伸并通过密封件突出到所述竖向管道的上外端以上，所述中心电极可连接到dc电源；

7、-其中，管状构造的分离膜被放置在每个竖向管道内，且在阴极和阳极之间同心以将所述槽划为阳极子腔室和阴极子腔室，所述分离膜从竖向管道和下水平管道之间的连接部与中心电极的下外端之间的区域一直延伸到第二上水平管道与第一上水平管道之间的区域，分离膜密封以防止气体通过，但允许液体和液体承载的离子通过；

8、-其中，气密密封件在主体的两个上水平管道之间被放置在所述分离膜与竖向管道的内壁之间，所述气密密封件还支撑所述膜；

9、-其中，每个中心电极与围绕所述中心电极的竖向管道的内壁、管状膜以及被设置在所述电极之间的电解质一起限定电解槽；并且

10、-其中，主体还包括不容纳中心电极的至少两个另外的竖向管道，即，将下水平管道连接到第一上水平管道的第一竖向管道，和将下水平管道连接到第二上水平管道的第二竖向管道。

11、在本发明的另一方面，提供了一种高压电解器，其包括串联电连接的多个如上所定义的高压电解单元。

12、在本发明的又另一方面，提供了一种高压电解器，其包括多个如上所定义的高压电解单元，并且还包括冷却和干燥单元。

13、在本发明的另一方面，提供了一种装置，该装置包括高压电解器和一个或多个压力容器，所述高压电解器包括多个如上所定义的高压电解单元。

14、在下面参考本发明特定实施例(通过高压电解水来生产氢和氧)的详细描述中，本发明的这些和其它方面将更充分地概述。然而，本领域技术人员将认识到，本发明可以用在其它实施例中。

15、常规的已知装置，诸如压力感测和流速感测装置，以及操作阀和泵的控制装置，已经在很大程度上从描述中省略，因为这样的装置及其使用在本领域中是众所周知的。