用于水电解的电解器系统及其方法与流程

1.本发明涉及一种用于水电解的电解器系统，特别是电解器系统的气体冷却部段。此外，本发明涉及一种用于对含电解体系的水进行电解的方法，特别是电解气体的冷却。


背景技术：

2.在工业规模的水电解中，在包括多个阳极和阴极的电解堆的阳极和阴极部段中产生氧气和氢气。在通过向电解堆供应直流电而实现的水分解反应之后，通过液/气分离器(以下称为“气体分离器”)将产生的电解气体(氢气和氧气)与电解介质物理地分离。根据从现有技术已知的电解系统，经分离的电解气体随后通过间接冷却(例如通过壳管式热交换器)被冷却。因此，电解气体夹带的水蒸气被冷凝且然后在设置于气体分离器下游的专用分离器中分离，该专用分离器用于从经冷却的电解气体中捕集冷凝水。美国专利号6,033,549中披露了对经分离的电解气体(氢气和氧气)进行间接冷却的这种电解系统的示例。冷凝水通常被排出，因此不被回收。
3.通过电解反应的进行，水不断地被消耗。因此，消耗的水量必须不断地通过新鲜水的供应来平衡。一方面，使得在气体分离器与电解堆之间循环的电解介质的量总是相同。另一方面，使得电解介质(例如在碱性电解的情况下的高浓度氢氧化钾(koh)溶液)的浓度可以尽可能保持恒定。根据已知的电解器系统(例如根据us 6,033,549)，为抵消消耗的水的新鲜水简单地从水供应部进送到电解器系统。
4.在为实现电解气体流的冷却、冷凝水从所述气体流的捕集、以及水量的平衡所需的独立设备的数量方面，利用专用水供应部来平衡电解器系统中的水量以及利用在气体分离器下游的专用冷却与分离设备导致了系统和方法的一定复杂性。
5.此外，来自气体冷却的冷凝水作为废水排放，这意味着针对废水管理的额外成本以及潜在的危险废物，因为废水是氢气和氧气饱和的并且在碱性电解的情况下可能包含微量的koh。
6.此外，随着用于平衡所消耗水量的水供应量被引入的杂质直接进入电解质，杂质可能在电解质中积聚。例如，倘若将带有溶解的二氧化碳的去离子水引入碱性电解质中，在电解质循环中可能形成碳酸盐并积聚。


技术实现要素：

7.因此，本发明的目的是提供一种电解器系统，该电解器系统至少部分地克服了现有技术的问题。
8.特别地，本发明的目的是提供一种电解器系统，该电解器系统允许用于电解气体的冷却的冷却系统的更简单设计。
9.特别地，本发明的目的是提供一种电解器系统，其中产生尽可能少的废水。
10.特别地，本发明的目的是提供一种电解器系统，与从现有技术已知的冷却系统相比，该电解器系统允许用于电解气体的冷却的冷却系统的更小设计。
11.特别地，本发明的目的是提供一种电解器系统，该电解器系统防止随着水供应量引入的杂质在电解质回路中积聚。
12.本发明的另一目的是提供一种至少部分地解决上述问题的方法。
13.独立权利要求的主题为上述至少一个目的的至少部分解决方案做出了贡献。从属权利要求提供了有助于至少一个目的的至少部分解决方案的优选实施例。如果适用，根据本发明的一种类别的元件的优选实施例对于根据本发明的相应其他类别的相同或对应元件的部件也应当是优选的。
14.术语“具有”、“包括”或“包含”等不排除可能包括其他元件、成分等的可能性。不定冠词“一个”或“一种”不排除可能存在复数。
15.总体上，现有技术的潜在问题中的至少一个至少地部分通过一种用于水电解的电解器系统解决，该电解器系统包括：
16.电解堆和直流电源，以便通过电解含电解介质的水产生作为电解气体的氧气和氢气，该电解堆包括被配置为产生氧气的阳极部段和被配置为产生氧气的阴极部段；
17.阳极气体分离器和阴极气体分离器，该阳极气体分离器被配置为将氧气与电解介质分离，该阴极气体分离器被配置为将氢气与电解介质分离；
18.其特征在于，
19.这些气体分离器中的至少一个包括气体分离部段和气体冷却部段，其中，
20.该气体冷却部段包括水进口，该水进口与水供应部连接，以便将冷却水供应到该气体分离器的气体冷却部段，用于在该气体冷却部段内直接冷却在该气体分离器的气体分离部段中分离的电解气体。
21.根据本发明，使用的气体分离器中的至少一个包括气体分离部段和气体冷却部段。在一个实施例中，气体冷却部段集成在气体分离器内。气体分离器的气体冷却部段包括用于水的进口，该进口与水供应部连接。因此，来自水供应部的水可以被引入气体分离器的气体冷却部段中，以用于直接冷却在气体分离器的分离部段内分离的电解气体。因此，引入气体分离器的气体冷却部段中的水被用作冷却水。在气体分离器的气体冷却部段内，电解气体被来自水供应部的冷却水直接冷却。这意味着电解气体的热被直接传递给冷却水。也就是说，电解气体和冷却水彼此直接接触，而不需要例如在发生热传递的介质之间设置壁。在此方面，引至气体分离器的气体冷却部段的冷却水被待冷却的电解气体加热，且进而电解气体在其从气体分离器撤出之前被冷却到期望的温度。同时，电解气体中所含的水蒸气被冷凝，从而进入冷却水中。
22.根据这种布置，不需要专用的气体冷却器，例如布置在气体分离器下游的壳管式热交换器。此外，可以省略用于排出电解气体中的冷凝水蒸气的专用分离器，因为来自电解气体的冷凝水蒸气被传递给气体分离器中的液相，且因此可以再循环回到电解介质中。因此，不产生氢气或氧气饱和的废水、和/或含有苛性碱液的废水，而这些废水必须以高费用进行处置。
23.在一个实施例中，气体冷却部段包括用于从气体分离器的气体分离部段撤出的电解气体的气体进口。在一个实施例中，气体分离部段包括用于在气体分离部段中与电解介质分离的电解气体的气体出口。在一个实施例中，气体冷却部段的气体进口和气体分离部段的气体出口相互连接。
24.在一个实施例中，电解堆包括多个电极，特别是多个阳极和阴极，阳极和阴极的数量取决于所用的电解器的大小和类型。电解介质也称为电解质。在碱性电解的情况下，电解质是碱水溶液，特别是浓度高达6mol/l(6m)的高浓度氢氧化钾(koh)水溶液。在质子交换膜(pem)电解的情况下，电解质是水。在电解器堆的阳极部段中，通过将水结合氧(氧化数负2)氧化成分子氧(o2)来产生氧气。在电解器堆的阴极部段中，通过将水结合氢(氧化数正1)还原成分子氢(h2)来产生氢气。与电解器的阳极部段相关的电路内的电解介质或电解质也称为阳极电解质。与电解器的阴极部段相关的电路内的电解介质或电解质也称为阴极电解质。
25.在阳极气体分离器内，氧气与液体阳极电解质物理地分离。在阴极气体分离器内，氢气与液体阴极电解质物理地分离。阳极分离器和阴极气体分离器也称为气体分离器。气体分离器也称为气/液分离器，因为将气体与液体分离。气体分离器包括气体分离部段，以将电解气体与电解介质(即阳极电解质或阴极电解质)分离。气体分离器进一步包括气体冷却部段，以通过由水供应部供应的冷却水来冷却电解气体。术语“电解气体”包括氢气和/或氧气，即通过水的电解产生的气体或气体混合物。
26.在一个实施例中，水供应部供应去离子水或di水或蒸馏水。
27.在一个实施例中，供应到气体冷却部段的冷却水被至少部分地用于平衡由电解产生的水消耗。
28.根据此实施例，供应到气体分离器的气体冷却部段的冷却水被用于平衡由电解产生的水消耗。因此，供应到气体冷却部段的冷却水实现两个功能。第一，冷却电解气体并且冷凝电解气体中夹带的水蒸气，以及第二，平衡由电解产生的水消耗。在冷却了电解气体后，冷却水和冷凝的水蒸气从气体分离器再循环回到相应的电解介质(阳极电解质或阴极电解质)，因此电解介质被冷却水和冷凝的水蒸气稀释，并且随后被进送到电解堆。
29.在一个实施例中，气体分离部段和气体冷却部段布置在一个共用的壳体内。
30.根据本发明，由于通过冷却水直接冷却电解气体的原理，可以将气体分离器的气体冷却部段和气体分离部段集成在一个共用的壳体内。不需要专用热交换器。
31.在一个实施例中，气体分离器的气体冷却部段和气体分离器的气体分离部段各自布置在它们自身的壳体中，并且这些壳体通过气体分离部段的气体出口和气体冷却部段的气体进口互连。
32.在一个实施例中，气体冷却部段的水进口被布置成以逆流方式引导待冷却的电解气体和供应到气体冷却部段的冷却水。
33.当待冷却的电解气体和供应到气体分离器的冷却水被逆流引导时，传热效率得到改善。
34.因此，在一个优选的实施例中，气体分离器的气体冷却部段相对于由重力界定的垂线竖直地布置，使得冷却水的流能够在气体分离器的气体冷却部段内从顶部引导到底部，且电解气体的流能够在气体分离器的气体冷却部段内从底部引导到顶部。
35.在一个实施例中，电解器系统在升高的压力下操作，特别是在10巴或更高、或15巴或更高、或18巴或更高、优选20巴或更高的压力下操作，并且其中，供应到气体分离器的气体冷却部段的水被用于完全平衡由电解产生的水消耗。
36.对于在升高的压力下操作的电解器系统，与在低压力下操作的电解器系统相比，
电解气体中的水蒸气的分数较低。为平衡消耗的水所需的水量是恒定值，例如水质量流量或水体积流量，这取决于恒定供应到电解器堆的电流的电流密度并且与产生的电解气体的量成比例。
37.在升高的操作压力下，与较低的操作压力相比，电解气体中的水、特别是水蒸气的分数较低。因此，由于待冷凝的水蒸气量较少，与较低的操作压力相比，需要的冷却水的冷却能力也较低。换句话说，在高操作压力下，将电解气体冷却到限定的温度需要的水较少。
38.因此在升高的压力下，为平衡电解消耗的水量所需的水量可能足以将电解气体冷却到期望的温度。因此，供应到气体分离器的气体冷却部段的水可以用于完全平衡由电解产生的水消耗。
39.换句话说，仅使用为平衡由电解产生的水消耗所需的水量来冷却电解气体。相应地，将不再需要另外的冷却设备来将电解气体冷却到期望的温度。
40.因此，在一个实施例中，电解器系统在升高的压力下操作，特别是在10巴或更高、或15巴或更高、或18巴或更高、优选20巴或更高的压力下操作，并且其中，仅供应为完全平衡由电解产生的水消耗所需的水量作为给气体分离器的气体冷却部段的冷却水。
41.因此，在一个实施例中，除了气体分离器的气体冷却部段之外，电解器系统不包括任何另外的冷却装置来冷却电解气体、特别是氢气和/或氧气。
42.因此，如果电解器系统在升高的压力下(特别是前述压力下)操作，那么可以进一步简化电解器系统。
43.在一个实施例中，电解器系统包括碱性电解器，并且电解器系统在18巴或更高、优选20巴或更高的压力下操作。在一个实施例中，电解器系统包括质子交换膜(pem)电解器，并且电解器系统在23巴或更高、优选25巴或更高的压力下操作。
44.纯水的饱和蒸气压力高于koh水溶液的饱和蒸气压力。因此，在相同的压力下，将电解气体冷却到期望的温度所需的冷却水的冷却能力对于pem电解器系统比对于碱性电解器系统更高。因此，如果仅使用电解消耗的水量作为供应到气体分离器的气体冷却部段的冷却水，那么与碱性电解器系统相比，pem系统需要更高的操作压力来实现所需的冷却能力。
45.在一个实施例中，电解器系统不包括用于从经冷却的电解气体中分离冷凝水的分离器容器。
46.由于来自经冷却的电解气体中的冷凝水蒸气返回到相应的电解介质，所以可以省略用于从经冷却的电解气体中分离冷凝水的专用分离器容器。
47.在一个实施例中，水进口包括喷嘴，该喷嘴用于将冷却水作为喷雾引入气体分离器的气体冷却部段。
48.为了增加待冷却的电解气体与供应到气体分离器的气体冷却部段的冷却水之间的热交换和物质交换的表面，冷却水通过喷嘴作为喷雾被供应到气体冷却部段。根据这种气体洗涤原理，气体流中任何潜在的对气体净化设备有害的koh被冷却水喷雾洗掉。此外，除去了由冷却水引入的杂质(比如二氧化碳)，从而防止在相应的电解质中积聚。
49.在一个实施例中，深冷器布置在水供应部与水进口之间，以预冷却被供应到气体冷却部段的冷却水。
50.如果电解气体的流需要冷却到低于普遍的环境温度，可以包括深冷器单元来预冷
却被供应到气体分离器的气体冷却部段的冷却水。
51.总体上，现有技术的潜在问题中的至少一个进一步地至少部分地通过一种用于对含电解介质的水执行电解以产生作为电解气体的氧气和氢气的方法来解决，该方法包括以下方法步骤：
[0052]-向电解堆供应直流电；
[0053]-在该电解堆中对该含电解介质的水进行电解，其中，该电解堆包括阳极部段和阴极部段，其中，在该阳极部段中产生氧气，且在该阴极部段中产生氢气；
[0054]-在阳极气体分离器中将产生的氧气与电解介质分离，且在阴极气体分离器中将产生的氢气与电解介质分离；
[0055]-将来自水供应部的冷却水引入这些气体分离器中的至少一个中，用于在该气体分离器的气体冷却部段内通过冷却水直接冷却在该气体分离器的气体分离部段中分离的电解气体。
[0056]
在一个实施例中，电解气体被冷却水冷却到比环境温度高10℃或更低。在一个进一步的实施例中，冷却水被加热到比电解器系统的操作温度低10℃或更低。
[0057]
在一个实施例中，引入气体分离器的冷却水被至少地部分地用于平衡由电解产生的水消耗。
[0058]
在一个实施例中，冷却水和待冷却的电解气体在气体分离器的气体冷却部段内以逆流方式被引导。
[0059]
在一个实施例中，电解在升高的压力下执行，特别是在10巴或更高、或15巴或更高、或18巴或更高、优选20巴或更高的压力下执行，并且其中，供应到气体分离器的气体冷却部段的冷却水被用于完全平衡由电解产生的水消耗。
[0060]
在一个实施例中，电解在升高的压力下执行，特别是在10巴或更高、或15巴或更高、或18巴或更高、优选20巴或更高的压力下执行，并且其中，仅使用为完全平衡由电解产生的水消耗所需的水量作为冷却水，用于在气体分离器的气体冷却部段内直接冷却电解气体。
[0061]
在一个实施例中，冷却水作为喷雾引至气体分离器的气体冷却部段。
[0062]
在一个实施例中，来自水供应部的冷却水在被引至气体分离器的气体冷却部段之前被预冷却。
[0063]
总体上，现有技术的潜在问题中的至少一个进一步地至少部分地通过根据本发明的电解系统的用途来解决，该用途是用于通过水电解来大规模生产氢气。
具体实施方式
[0064]
现在将参照附图通过示例性实施例和示例来详细描述本发明。除非另有说明，否则附图不是按比例绘制的。在附图和随附的描述中，等效元件各自带有相同的附图标记。
[0065]
在附图中
[0066]
图1描绘了根据本发明的一个实施例的电解器系统10的简化流程图，
[0067]
图2描绘了根据现有技术的电解器系统11的简化流程图。
[0068]
图1描绘了根据本发明的电解器系统10的一个实施例。电解器系统10包括电解器堆13，电解器堆包括用于产生氧气的阳极部段14和用于产生氢气的阴极部段15。电解器堆
被从整流器(未示出)供应直流电12。电解器系统10进一步包括阳极气体分离器20，以用于将气态氧与液体电解质(即阳极电解质)物理地分离。电解器系统10进一步包括阴极分离器21，以用于将气态氢与液体电解质(即阴极电解质)物理地分离。阳极电解质经由导管40、44、43和42在阳极分离器20与电解堆13的阳极部段14之间循环。阴极电解质经由导管41、44、43和42在阴极分离器21与电解堆13的阴极部段15之间循环。电解器堆13包括在相应的阳极部段和阴极部段内的多个阳极和阴极，其中为了清楚起见，阴极部段15和阳极部段14以简化形式呈现。在阳极和阴极的表面处，产生气态氢和氧，且随后气态氢和氧分别积聚在阴极电解质和阳极电解质中。阳极部段14和阴极部段15被膜(未示出)物理地分离，使得电解堆内不会发生阳极电解质与阴极电解质的混合。膜能够在阳极部段14与阴极部段15之间传递离子，例如在碱性电解的情况下传递氢氧根离子、或者在质子交换膜电解的情况下传递质子。在碱性电解的情况下，循环的电解质是koh水溶液。在pem电解的情况下，循环的电解质是水。
[0069]
气体分离器20和21各自包括气体分离部段20a(阳极气体分离器)和21a(阴极气体分离器)。随着携带了电解气体的阳极电解质和阴极电解质溶液在电解堆13中通过电能到热能的部分转换而变热，在气体分离器20和21中分离的电解气体必须被冷却到期望的温度，例如根据图1的示例冷却到15℃。因此，来自水供应部24的冷却水被分别引入气体分离器20和21的气体冷却部段20b(阳极气体分离器)和气体冷却部段21b(阴极气体分离器)。气体冷却部段20b和21b二者都包括用于从气体分离部段20a、21a(未示出)撤出的电解气体的气体进口。冷却水分别经由导管46和45从水供应部24撤出并且分别经由泵25a和25b供应到气体分离器20、21。由于电解气体必须被冷却到低于普遍的环境温度(30℃)，经由管线46和45供应的冷却水分别被深冷器26a和26b预冷。气体分离器20和21各自包括位于气体分离器20和21顶部处的冷却水进口(未示出)，水供应部24的经预冷却的冷却水通过该冷却水进口被引入气体分离器的气体冷却部段20b和21b中。气体分离器还各自包括喷嘴22(阳极气体分离器)和23(阴极气体分离器)，使得引入气体冷却部段中的冷却水作为喷雾分布。气体冷却部段20b和21b竖直地布置，使得冷却水以与待冷却的电解气体逆流的方式从气体冷却部段20b、21b的顶部引导到底部，该电解气体在气体冷却部段20b和21b内从底部流动到顶部。
[0070]
在气体冷却部段20b和21b内，来自电解气体的热被直接传递给冷却水的水喷雾，使得电解气体(氢气和氧气)被冷却。经冷却的氧气经由导管47从阳极气体分离器20撤出。经冷却的氢气经由导管48从阴极气体分离器21撤出。待冷却的电解气体中包含的水蒸气被冷却水冷凝，使得从电解气体中分离的水再循环回到气体分离器的气体分离部段20a、21a，并且最终经由导管44、43和42进送返回到电解质和电解堆。气体分离器20、21的竖直布置的气体冷却部段20b、21b根据气体洗涤原理起作用。因此，对于碱性电解的情况，电解气体的水蒸气中存在的任何苛性koh被冷却水洗去，并且返回到电解质溶液中。经冷却和干燥的产品气体氧气和氢气最终分别经由导管47和48从气体分离器20和21撤出。
[0071]
根据图1的流程图的电解器系统在升高的压力下操作，例如在20巴(碱性电解)或25巴(pem电解)下操作。因此，与在低压力(例如，2巴至5巴的压力)下操作的系统相比，电解气体中存在的水蒸气的分数相对较低。对于这种情况，为平衡电解消耗的水量所需的水足以将电解气体冷却到期望的温度。因此，不需要额外的冷却装置来冷却电解气体。在电解气体仅被冷却到环境温度的情况下，也可以省略深冷器26a和26b。此外，由于供应到阳极气体
分离器20和阴极分离器21的冷却水同时用于平衡电解消耗的水量，因此不需要为此目的进一步供应水。因此，根据图1的电解系统可以比已知系统更简单地构建。
[0072]
为了平衡阳极气体分离器20与阴极气体分离器21之间的液位，这两个气体分离器20、21经由液压连接件37连接。
[0073]
氧气耗尽的阳极电解质经由导管44从阳极气体分离器20撤出。氢气耗尽的阴极电解质经由导管44从阴极气体分离器21撤出。电解气体耗尽的电解质在导管43中合并，并且经由泵19引入混合装置18，从而平衡阳极电解质与阴极电解质之间的任何浓度差。电解质随后在电解质冷却器16中冷却，该电解质冷却器经由导管17a被供应冷却水，冷却水进而经由导管17b从电解质冷却器16撤出。经冷却的电解质随后分成两部分，并且经由导管42引入电解堆13的阳极部段14和阴极部段15。
[0074]
图2描绘了根据现有技术的电解器系统。这里，为平衡电解消耗的水量所需的水由水供应部32经由导管55和泵35供应。因此，水供应部32的水的冷却潜力没有被使用。相反，经由导管49从阳极气体分离器30撤出的电解气体(氧气)和经由导管50从阴极气体分离器31撤出的电解气体(氢气)经由导管51和52被进送到专用热交换器33a(阳极电解质)和33b(阴极电解质)。热交换器33a和33b各自需要专用的冷却水供应部，冷却水经由导管36a和37a供应并且从热交换器33a、33b经由导管36b和37b撤出。在热交换器33a、33b中，电解气体中包含的水蒸气被冷凝。带有冷凝水的经冷却的电解气体经由导管51和52被进送至分离器34a(氧气)和34b(氢气)。在分离器34a、34b中，电解气体中的冷凝水被分离并且经由导管53(氧气中的冷凝水蒸气)和54(氢气中的冷凝水蒸气)排出。经冷却和干燥的电解气体经由导管47(氧气)和48(氢气)从分离器34a、34b撤出。
[0075]
经由导管53和53撤出的冷凝水蒸气的水是氢气和氧气饱和的。此外，在碱性电解的情况下，该水可能含有残余的苛性碱液，例如koh。因此，该水必须经受适当的废水处理。
[0076]
下面的数值示例代表了一种示例性情况，其中为平衡由电解消耗的水所需的水量具有足够高的冷却潜力。在那种情况下，电解器系统在升高的压力下操作。对于此情况，除了气体分离器20、21的冷却部段20b、21b之外，不需要用于冷却电解气体的其他冷却设备。
[0077]
以下操作条件是高压碱性水电解的典型操作条件。
[0078]-产生68nm3/h的氢气和34nm3/h的氧气；
[0079]-使用具有30wt.-％koh的koh水溶液作为电解质；
[0080]-产品气体氢气和氧气在90℃、30巴下产生；
[0081]-去离子水供应部24的经由导管45、46进送的水的温度为30℃(环境温度)；
[0082]-电解气体(氢气和氧气)的期望温度是40℃。
[0083]
在气体分离部段20a、21a中与koh溶液分离的电解气体进入气体冷却部段20b和21b。在气体冷却部段20b、21b的顶部处，通过喷嘴(分布器)22、23喷射为抵消电解堆13中的水消耗所需的去离子水。基于氧气和氢气流的温度要求，去离子水的总量在气体冷却部段20b、21b之间拆分。
[0084]
水滴从气体冷却部段20b、21b的顶部落到底部，从而直接接触从底部流到顶部的电解气体流。气体冷却部段20b、21b的设计通过采用足够大直径的气体冷却部段20b、21b来减慢电解气体的速度，解决了向上流动的电解气体携带液滴的可能性。
[0085]
假设为水饱和的电解气体流，供应到气体冷却部段的去离子水应不存在水滴蒸
发，从而确保去离子水充分进送到电解器系统，而没有去离子水的损失。
[0086]
气体冷却部段20b、21b的气体出口处的去离子水的考虑设计温度为80℃，从而在待冷却的电解气体与供应的去离子水之间维持10℃的温度差。换句话说，对于该示例性情况，冷却水应以30℃进入气体冷却部段的顶部，且电解气体以40℃离开气体冷却部段的顶部。在气体冷却部段的底部处，冷却水以80℃离开气体冷却部段，且电解气体以90℃进入气体冷却部段的底部。
[0087]
随着电解气体的温度的降低，水的饱和蒸气压力也降低，且因此电解气体相中的水开始冷凝。需要通过所供应的去离子水去除额外的冷凝热。根据上述的操作条件，90℃的koh溶液上方的饱和水蒸气压力为0.44巴(从气体分离部段20a、21a到气体冷却部段20b、21b的气体进口)，且40℃的水上方的水饱和压力为0.07巴(气体冷却部段20b、21b到导管47、48的气体出口)。利用此信息，可以计算来自气体流的冷凝水的量。这些量分别是氢气流中0.70kg/h的冷凝水和氧气流中0.35kg/h的冷凝水。
[0088]
对于高压力系统，比如对于在30巴操作的示例性系统，电解气体中水的分数相对较低(例如，在1巴下y(h2o)＝44.0％；在30巴下y(h2o)＝1.5％)。倘若仅使用为补偿电解的水消耗的水量作为冷却水，则使得去离子水的冷却能力足够高的最低操作压力对于碱性电解约为20巴，而对于pem电解约为25巴。然而，这些数字仅用于定向且可能有偏差，这取决于电解系统的其他参数。碱性电解与pem电解之间的压力差异是由于：水在浓koh溶液中与其纯净组成(比如在pem电解中所使用的)相比具有较低的饱和压力。
[0089]
以下能量平衡计算表明，考虑到如上所述的参数，为平衡电解消耗的水所需的水量足以冷却氢气和氧气流。
[0090]
为平衡水消耗所需的去离子水进送流的总质量流量＝54kg/h；
[0091]
水的等压热容(30-80)℃＝4.2kj/kg/℃；
[0092]
可用的冷却能量＝54kg/h*4.2kj/kg/℃*(80-30)℃＝3.2kw；
[0093]
氢气流的质量流量(68nm3/h)＝6kg/h；
[0094]
氧气流的质量流量(34nm3/h)＝48kg/h；
[0095]
氢气的等压热容(90-40)℃＝14.4kj/kg/℃；
[0096]
氧气的等压热容(90-40)℃＝0.9kj/kg/℃；
[0097]
从氢气流冷凝的水量((90-40)℃@30巴)＝0.70kg/h；
[0098]
从氧气流冷凝的水量((90-40)℃@30巴)＝0.35kg/h；
[0099]
水的蒸发热(90-40)℃＝2358kj/kg；
[0100]
阴极电解质(氢气)冷却部段中的冷却水负荷＝6kg/h*14.4kj/kg/℃*(90-40)℃+0.70kg/h*2358kj/kg＝1.7kw；
[0101]
阳极电解质(氧气)冷却部段中的冷却水负荷＝48kg/h*0.9kj/kg/℃*(90-40)℃+0.35kg/h*2358kj/kg＝0.8kw
[0102]
由此可见，供应的去离子水中可用的冷却负荷(3.2kw)大于所需总冷却负荷2.5kw(氢气和氧气)。
[0103]
附图标记清单
[0104]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电解器系统(本发明)
[0105]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电解器系统(现有技术)
[0106]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
直流电
[0107]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电解堆
[0108]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阳极部段
[0109]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阴极部段
[0110]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电解质冷却器
[0111]
17a、17b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
冷却水
[0112]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
混合装置
[0113]
19
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
泵
[0114]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阳极气体分离器(本发明)
[0115]
20a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阳极气体分离器的气体分离部段
[0116]
20b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阳极气体分离器的气体冷却部段
[0117]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阴极气体分离器(本发明)
[0118]
21a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阴极气体分离器的气体分离部段
[0119]
21b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阴极气体分离器的气体冷却部段
[0120]
22、23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
喷嘴
[0121]
24
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水供应部(本发明)
[0122]
25a、25b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
泵
[0123]
26a、26b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
深冷器
[0124]
30
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阳极气体分离器(现有技术)
[0125]
31
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阴极气体分离器(现有技术)
[0126]
32
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水供应部(现有技术)
[0127]
33a、33b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
热交换器
[0128]
34a、34b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
分离器
[0129]
35
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
泵
[0130]
36a、36b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
冷却水
[0131]
37
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
液压连接件
[0132]
40-55
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
导管