用于运行水电解设备的方法与流程
本发明涉及根据在权利要求1的前序部分给出的特征的用于运行产生氢气和氧气的水电解设备的方法以及根据权利要求5的前序部分给出的特征的用于实施该方法的水电解设备。
背景技术：
由ep1243671a1公开了一种现有技术中的水电解设备，在该水电解设备中pem电解槽结合在水回路中。输送给pem电解槽的水被分解成氢气和氧气，其中，多余的水与氧气一起被输送给气体分离容器，该气体分离容器的液体引导排出管路引至冷却装置并且随后经由过滤器再次输送给pem电解槽。在电解时分解成氢气和氧气的水被去离子水(demineralisierteswasser)代替并输送到气体分离容器。
在运行该电解设备时在pem电解槽中释放出金属离子，这些金属离子在重新输送水时会对电解过程有不利的影响并损害pem电解槽。这可通过在前面连接离子交换器来防止，但是这需要降低输送的水的温度，以不超过约60℃的最高允许温度。但是降低水温会损害pem电解槽的功率和效率，pem电解槽优选以温度在70℃和80℃之间或更高的水来运行。在由ep1243671a1已知的设备中通过取消连接在pem电解槽之前的离子交换器来实现这种温度降低，其中，通过持续输送去离子水使输送给pem电解槽的水的金属离子含量不超过容许值。
由ep2792769a1公开了一种现有技术中的水电解设备，在该水电解设备中在管路回路中在pem电解槽之前连接离子交换器。为了在此一方面不超过离子交换器允许的温度且另一方面将比从离子交换器中排出的水温度更高的水输送给pem电解槽，在此设置了热交换器，该热交换器在初级侧引导输送给离子交换器的水且在次级侧在对向流中引导从离子交换器引出的水，以改善该温度问题。但是在此还附加地需要在热交换器和离子交换器之间设置冷却装置，以确保离子交换器所需的输入温度。这种安排的问题是，通过连接在前面的热交换器在初级侧和次级侧引导的水量必须始终是相同的，因为水量处于同一管路回路中。实践中证实冷却装置的调节不足以满足相反的温度要求。
在此，pem电解槽的使用寿命与输送的水的使用期和纯度密切相关。生产能力和效率随着温度的增加而提高，直至达到通常高于80℃的运行温度。
技术实现要素：
在该现有技术的基础上，本发明的目的是改进用于运行水电解设备的方法、尤其是在pem电解槽的效率、使用寿命及其电解功率等方面进行改进。此外提出一种水电解设备，借助该水电解设备可实施这种改进的方法。
本发明的目的的方法部分通过在权利要求1中给出的方法实现，设备部分通过根据权利要求5的电解设备实现。本发明的有利的设计方案在从属权利要求、下面的描述以及附图中给出。
在本发明的意义下，pem电解槽通常理解为现有技术中的pem电解槽单元的堆叠。对此必要时也可以是多个以其他方式并联的pem电解槽单元。
根据本发明设置成，在起动水电解设备时使水回路经由旁通管路从pem电解槽经过。该措施也有助于pem电解槽的长久使用寿命，因为离子交换器在其未被流过时具有的特性如在电解设备停机时一样，位于其中的介质将金属离子输出到水中，此时金属离子在设备之后起动时到达pem电解槽中并且损坏pem电解槽。这可通过在起动期间的旁路引导有效地被防止。在此处于水回路中的金属离子在重新流过离子交换器时被除去。
为了在起动电解设备时尽可能快速地将pem电解槽的功率带到高水平上，根据本发明的改进方案设置成，输送给pem电解槽的水借助加热装置预先加热。这通常借助电加热装置完成，电加热装置以连续式加热器的方式加热在该设备起动时的冷水。
为了提高通常构造成堆的pem电解槽的使用寿命并因此也长期地确保高的功率，根据本发明的改进方案，周期性地转换通过pem电解槽的流通方向，在此根据本发明不必一定要始终在每个方向上都实现相同时长的流通时间，而是在运行时间上相应均匀地分布。就本发明而言，周期性不应理解为严格数学意义上的、而是应理解为交替的意义。在此优选地，不是在电解设备的运行期间、而是在停机之后或总归是停止的起动之前进行转换。但是在电解设备持续运行时，此时必要时也可在运行期间进行这种转换。
有利地，通过以下方式改进用于运行产生氢气和氧气的水电解设备的方法，在水电解设备中在水回路中来自pem电解槽的水被输送给第一热交换器以进行冷却，接下来输送给离子交换器，然后输送给第二热交换器以进行加热并再次输送给pem电解槽，在此，热交换器在次级侧形成共同的热载体回路的一部分，其中，热载体回路具有冷却装置，使热载体流可选地完全地、部分地、甚至不被引导通过该冷却装置以控制和/或调节输送给离子交换器的水的温度和/或输送给pem电解槽的水的温度。
该方法的基本思想是，首先在电解槽的水回路中取消了冷却装置且替代地控制、优选调节输送给离子交换器的水的温度或输送给pem电解槽的水的温度或二者的温度，这通过根据需要完全地、部分地、甚至不将在次级侧引导通过热交换器的热载体流输送给冷却装置来实现。对此，冷却装置优选经由混合阀与第二热交换器并联，使得从冷却装置中排出的热载体流首先被输送给第一热交换器，然后完全地或部分地输送给第二热交换器或再次输送给冷却装置。借助该布置可在使用相应的控制和调节装置的情况下根据需要调节输送给pem电解槽的水的温度或输送给热交换器的水的温度。如果根据本发明要调节二者的温度，则需要设置另一调节量(调节元件)，这例如可为冷却装置的性能，即冷却功率和/或通过热载体回路的流通量，其例如可通过相应地操控转速可控的循环泵来改变。前述调节主要涉及在运行期间的温度调节，为了起动pem电解槽必须首先至少近似地达到该温度。
替代地，根据本发明热载体回路的冷却装置可沿流通方向连接在第一热交换器之前，即，与其串联。然后经由混合阀控制流通量，将其输送给第二热交换器或在绕过第二热交换器的情况下输送给冷却装置。在这种布置中应可控制冷却装置的功率。
因此，基本思想是，无需直接冷却水回路，而是将冷却装置并入次级回路，在此以有利的方式将两个热交换器配备给同一热载体回路并且仅通过使热载体完全地、部分地或不被引导通过冷却装置来控制或调节温度。
在此，第一热交换器和第二热交换器无需一定由一个热交换器构成，在此也可以是一个或多个并联和/或串联的单个热交换器。这类似地适合于冷却装置和离子交换器，其中，冷却装置通常具有热交换器，热交换器的初级侧位于热载体回路中并且其次级侧可被冷却介质流过，例如来自冷却设备的空气或冷却液。
在本申请中一般使用术语水回路或管路回路(一方面)和热载体回路(另一方面)。用水回路或管路回路表示初级回路，pem电解槽和离子交换器位于初级回路中，用热载体回路表示次级回路，次级回路在次级侧被引导通过布置在离子交换器之前和之后的热交换器，但是次级回路可以相同的方式借助水作为热载体介质来运行。通常在此不使用去离子水或蒸馏水，而是使用一般的自来水，必要时混入甘油或其他的添加物。
对输送给pem电解槽的水进行预加热以理想的方式补充了根据本发明的调节，在水回路中的温度过低时根据本发明的调节开始还未以期望的方式工作。加热装置无需一定布置在初级回路中，而是也可设置在热载体回路中，例如沿流通方向在另一热交换器之前，另一热交换器总归用于加热输送给pem电解槽的水。在此加热装置在旁路开始运行期间就可被激活，使得通过断开旁通管路使预加热的水直接到达pem电解槽。这还由于先前的旁路引导而充分释放金属离子，在循环泵停机时金属离子在离子交换器内到达水中。
根据本发明，在平行于pem电解槽的管路回路中设置旁通管路，旁通管路优选可借助阀截止。该旁通管路也可通过阀本身形成，如下面还将描述的那样。这种旁通管路有利地用于起动电解设备，以引导水回路在pem电解槽处经过，从而例如使离子交换器中的可富含金属离子的水没有通过电解槽，而是只有在确保来自离子交换器的输送给pem电解槽的水充分不含金属离子、即离子交换器有效工作时，此时才使电解槽并入管路回路中。
在多种应用情况下最有利地通过阀来激活旁通功能。但是也可通过并入管路中的泵或通过连接在pem电解槽之前的截止阀与布置在旁通管路中的限压阀连接。
有利地，根据改进方案，根据本发明的电解设备具有起动控制装置，起动控制装置在起动阶段期间在绕过pem电解槽的情况下引导管路回路通过旁路。该起动控制装置可为控制和调节装置的一部分，但是起动控制装置也可与其无关地实现并且以最简单的形式在起动阶段期间操控截止阀打开。在使用三位四通阀时该起动控制装置可如前述那样构造成，操控阀的形成旁路的第三切换位置。
为了在起动电解槽设备时尽可能快地到达高的功率，即pem电解槽的电消耗功率以及产生尽可能高的气体量，根据本发明有利地可将加热装置连接在pem电解槽之前，尤其是在管路回路中设置在离子交换器和pem电解槽之间。适宜地，该加热装置布置在另一热交换器之后以及pem电解槽之前。替代地，可在热载体回路中设置这种加热装置，确切地说沿流通方向在次级侧连接在另一热交换器之前。加热装置无需一定为电加热装置，在此也可设置热交换器，其另一侧例如引导内燃机的废热。
为了如开头所述能够通过pem电解槽在管路回路内使流通方向反向，根据本发明的改进方案设有阀组件，改变方向可借助阀组件实现。
有利地，这可通过设置两个二位三通阀实现，其中，其中一个阀与pem电解槽的一水连接端以及管路回路的引入和输出管路连接且另一阀与pem电解槽的另一管路连接端以及也与管路回路的引入和输出管路连接。这种二位三通阀可成本有利地在市场获得，也满足在此对于管路回路所需的专门材料要求。与水回路接触的阀例如涂有特氟龙或钛涂层或由其构成。
在有利地通过三位三通阀代替两个二位三通阀时，此时可借助该阀使通过pem电解槽的流通方向反向并且也可使旁路运行而无需设置额外的旁通阀和旁通管路。对此特别有利的是，该三位三通阀根据球阀结构类型构造，因为其此时可成本有利且功能更可靠的实现。这种换向阀通常具有三个彼此以90°错开布置的连接端以及具有t形内孔的球，从而三个连接端中的每两个根据切换位置彼此管路连接。
代替两个二位三通阀也可有利地通过二位四通阀将pem电解槽连接到管路回路上，其中两个切换位置相应于两个流通方向。在代替二位四通阀有利地使用三位四通阀时，该三位四通阀在第三切换位置中使管路回路的引入和输出管路彼此连接，此时可通过唯一的阀使通过pem电解槽的流通方向反向以及借助仅一个阀实现用于起动电解设备的旁通功能，这是有利的。
阀有利地可由不锈钢构成。替代地，可使用相应涂层的阀，例如涂有特氟龙或涂有钛的阀，也可考虑阀由钛或其他合适的材料制成。
有利地，电解设备具有转换控制装置，转换控制装置以时间间隔来转换配备给pem电解槽的阀，以实现使流通方向反向。该转换控制装置也可构造成控制和调节装置的一部分或单独构造。
有利地，根据本发明的用于由水产生氢气和氧气的水电解设备具有用于至少部分去离子的蒸馏水的管路回路，在管路回路中依次布置pem电解槽、第一热交换器、离子交换器和另一热交换器，其中，另一热交换器的出口与pem电解槽管路连接。pem电解槽的引导水的出口通常是引导氧气的出口，水和氧气同时从该出口排出，其随后被分开，其中，在管路回路中引导水。对此有利地，第一热交换器以及另一热交换器在次级侧并入共同的热载体回路中，其中为该热载体回路配备冷却装置，冷却装置经由可控制的配件可变地并入热载体回路中。优选在此也可控制冷却装置本身的冷却功率，替代地或额外地，可经由在热载体回路中的流通速度进行控制。
在此基本思想是，通过取消管路回路中的冷却装置在离子交换器之前和之后将热交换器配备给共同的次级的热载体回路且在该热载体回路中并入冷却装置，该冷却装置可经由可控的配件、优选连续地完全地、部分地、甚至不结合到热载体回路中。
根据本发明的改进方案，水电解设备具有控制和调节装置，控制和调节装置控制配件或冷却装置或二者以调节输送给离子交换器或pem电解槽或二者的水的温度。优选调节装置设计成调节输送给pem电解槽的水的温度，因为该温度对于整个设备的功率是决定性的。
因为在该过程中通常需要在管路回路中散发比对加热输送给pem电解槽的水加热所需的更多的热量，根据本发明也可进行阶梯式的调节，使得首次调节输送给pem电解槽的水温以及输送给离子交换器的水温仅调节到临界温度，在此该临界温度例如最大为60℃。
根据本发明的有利的改进方案，配件是混合阀(也称为混合器)，例如由现有技术的加热技术已知。这种混合阀可借助伺服马达控制且成本有利地提供。因为涉及(次级侧的)热载体回路，在此可使用加热技术中的简单可靠且成本有利的配件。
根据本发明的有利的改进方案，为热载体回路配备转速可控的循环泵，循环泵的转速通过控制和调节装置控制。这种通常受变频器控制的循环泵也可由加热技术中成本有利地获得且可在大的功率范围中工作。不仅在输送流应作为其他变量用于调节时使用这种循环泵有意义，而且在不满足此要求时也可在能量方面有利地运行热载体回路。
有利地，冷却装置与另一热交换器、即在离子交换器和pem电解槽之间的热交换器并联，因此从冷却装置中排出的热载体流首先输送给第一热交换器，第一热交换器用于冷却进入离子交换器中的水。配件、尤其混合阀此时可并入分支管路中，分支管路从第一热交换器开始并且引至另一热交换器或引至冷却装置、但是优选在管路的通口区域中，即来自另一热交换器的管路、来自冷却装置的管路和引至第一热交换器的管路彼此相交的位置。应理解，附图标记表示规定的流通方向。替代地，冷却装置可并入热载体回路的引至第一热交换器的管路中，优选此时涉及功率可控的冷却装置。此时借助混合阀控制，热载体流的哪些部分通过其他的热交换器以及哪个部分在此经过。
附图说明
下面根据实施例详细阐述本发明。
图1以简化的方式示出了电解设备的线路图，其中未示出对于本发明来说不重要的构件。
具体实施方式
所示出的水电解设备具有pem电解槽1，pem电解槽1以普通的形式构造成堆(stack)并且具有第一管路连接端2以及第二管路连接端3，堆1借助第一管路连接端2和第二管路连接端3结合到管路回路4中，管路回路4具有从pem电解槽1引出的管路5，在该管路5中从pem电解槽1中流出的水与在其中产生的氧气一同被输送给容器6，容器6一方面用于分离氧气另一方面用于为电解槽1输送水。因此，容器6也是贮存容器。通过电解从管路回路4中经由电解槽1除去的水经由管路7输送给容器6。在此涉及去离子水或蒸馏水。容器6的引导水的出口8通过循环泵9与第一热交换器10管路连接，第一热交换器的出口与离子交换器11的入口管路连接，离子交换器的出口与另一在此为第二热交换器12的连接，第二热交换器12的出口经由二位三通阀13与旁通管路14或与引至pem电解槽的管路15连接，在该管路15中设有电加热装置16。
引出管路5和输入管路15分别经由二位三通阀与电解槽1连接，确切地说是经由第一二位三通阀17以及第二二位三通阀18与pem电解槽1连接，其中第一二位三通阀17使管路与电解槽1的第一连接端2连接，第二二位三通阀18使管路与pem电解槽1的第二连接端3连接。
在正常运行中在管路回路4中引导水，水在管路回路4中首先从容器6中流出并被导至循环泵9并且从此处通过第一热交换器10的初级侧引导。在热交换器10中将水冷却到例如低于60℃的温度，以确保不超过后续的离子交换器11的最高允许运行温度。水在从离子交换器11中离开之后在初级侧被输送给第二热交换器12，在第二热交换器12中将水加热到例如70℃至80℃的温度，以便之后输送给pem电解槽1，这可经由第一连接端2实现或在流通方向相反时时经由第二连接端3实现。在此，将第二热交换器12加热的水的温度选择为，能够使后续的在电解槽1中的电解过程在高的功率下以高的效率完成。与氧气一同从电解槽1中排出的水经由第二连接端3或在流动反向时经由第一连接端2在引出管路5中输送给容器6，在该容器6中分离气体并且在水一侧闭合回路4。
热交换器10和12在次级侧配有共同的热载体
设置了附图中未示出的控制和调节装置，该控制和调节装置用于操控混合阀25的位置，使得输入pem电解槽1的水具有例如80℃的预设温度。该温度对于pem电解槽1的性能有决定意义并因此也对整个电解设备的性能有决定意义。原则上也可通过操控混合阀25调节输送给离子交换器10的水温。但是因为在此无需保持精确的温度，而是仅需确保低于例如60℃的进入温度，在此叠加二次调节，该二次调节通过对循环泵21的转速操控或通过对冷却装置24的功率的控制来实现。
控制和调节装置还用于在电解设备起动时在回路4中的水还未具有期望的运行温度时使得通过电热装置16来预先加热水。但是在这种预先加热之前，要通过起动控制来转换二位三通阀，使得pem电解槽1被旁通管路14跨接，即，从离子交换器11中流出的且通过第二热交换器12引导的水首先不是输送给pem电解槽1，而是输送给返回管路5并由此输送到容器6。这种操控要进行到确保曾存在于离子交换器中的水全部到达返回管路5中。此时才转换阀13，从而将在水回路4中引导的水输送给加热装置16并因此经过预热到达pem电解槽1中。
此外，控制和调节装置还对确定通过pem电解槽1的流通方向的二位三通阀17和18在时间上间隔开地转换。在第一位置中，二位三通阀17连接输入管路15与pem电解槽1的第一管路连接端2，其中，管路连接端朝引出管路5被截止，类似地，第二二位三通阀连接pem电解槽1的第二管路连接端3与引出管路5，在此，与输入管路15的管路连接被截止。在需要同时进行的两个阀17、18的转换之后，二位三通阀17连接pem电解槽1的第一管连接端2与引出管路5且截止输入管路15，而第二二位三通阀连接pem电解槽1的第二管路连接端3与输入管路15并且截止至引出管路5的管路连接。由此pem电解槽1以相反方向通流。
代替将冷却装置24布置在管路23、27中、即平行于第二热交换器12布置，可将冷却装置24布置在管路28中，这样，在此优选涉及可控制其冷却功率的冷却装置。由此与第二热交换器12平行的管路23、27保持不变，这样经由混合阀25可以控制输送给第二热交换器12的热载体流和平行地流经管路23、27的热载体流。
在以上所述实施例中电加热装置布置在通至pem电解槽1中的管路15中。替代地，这种电加热装置也可布置在热载体回路中，通常沿穿流方向布置在第二热交换器12之前，即在管路22中。这种布置的优点是，加热装置无需专门地匹配初级回路的要求，而是就此方面也可使用在加热或其他技术中成本经济的构件。
附图标记列表
1pem电解槽
2第一连接端
3第二连接端
4管路回路/水回路
5引出管路
6容器
7水输入管路
86的管路出口
9管路回路的循环泵
10第一热交换器
11离子交换器
12第二热交换器
13至旁通管路的二位三通阀(3/2-wegeventil)
14旁通管路
15输入管路
16电加热装置
17二位三通阀
18二位三通阀
20热载体回路
21热载体回路的循环泵
22至第二热交换器12的管路
23至冷却装置的管路
24冷却装置
25混合阀
26从第二热交换器12至混合阀的管路
27从冷却装置至混合阀的管路
28从混合阀至第一热交换器10的管路。
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