具有辅助离子交换器的电解系统的制作方法

本发明涉及一种具有多个电解池的用于电化学分解水以产生氢气和氧气的电解系统，其中存在阳极侧的水回路和阴极侧的水回路以分离气体并且冷却水。在此必须借助于离子交换器来确保水的纯度。

背景技术：

1、电解系统从现有技术中以不同的实施方案已知。在任何情况下，这种电解系统包括电解器。为此又使用不同的实施方案，其中通常使用所谓的pem电解器。所述pem电解器具有多个电解池，所述电解池通过聚合物电解质膜被划分成阳极室和阴极室。在电解池中进行水电解，为此至少在阳极室处存在入口。出口处于在阳极室的上侧以及阴极室的上侧处，产生的气体分别经由所述出口与一定份额的水一起导出。

2、在阳极侧上通常存在从阳极室的出口至阳极室处的入口的水回路，所述水回路具有氧气分离器、循环泵、冷却设备和过滤装置。为了确保水的足够的纯度，在阳极侧的水回路中经常使用离子交换器。

3、虽然已知的实施方案已被证明是有利的，然而一方面示出如下问题：在水回路中进行完全的穿流时，离子交换器的尺寸必须设计得比用于清洁水所需的更大。

4、为了不必将整个循环水量引导通过离子交换器，在wo 2021228412a1中提出，将冷却装置的一个子流直接通至电解器，而另一子流引导通过清洁支路。所述清洁支路在此包括另一泵、附加的冷却装置和所需的离子交换器。所述去离子的子流在引入到电解器中之前与另一子流混合。

5、jp 2002-173788 a公开一个具有清洁支路的替选的实施方案。在所述实施方案中提出，在进行氧气分离之后，子流从阳极侧的水回路中在循环泵的上游分叉出来。所述子流被输送给离子交换器，并且由泵又引导回到氧气分离器中。

6、此外，已证实为不利的是，在较长的停机时间中，电解器中的水质下降，并且在新的投入运行时，效率降低并且损害使用寿命。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的在于，提出一种即使在电解器不运行时也能够确保水的纯度并且在此将用于清洁的耗费保持得低的可行性。

2、所提出的目的通过根据权利要求1的教导的电解系统来实现。有利的实施方式是从属权利要求的主题。

3、这种类型的电解系统用于电化学分解水从而用于产生氢气和氧气。在此，电解系统具有至少一个电解单元。电解单元又包括多个电解池。每个单独的电解池在此具有阳极室，并且在通过膜分开的相对置的侧上具有阴极室。在这种情况下膜的类型首先不重要，其中优选地，使用聚合物电解质膜。阳极处于阳极室中，并且相对置地，阴极处于阴极室中。在电解系统运行时，在阳极与阴极之间常规地施加电压。

4、为了执行所述方法，需要至电解池的水输送。此外，需确保所产生的气体的单独的导出。为此，电解系统具有阳极侧的水回路。所述阳极侧的水回路在阳极室的阳极侧的出口处开始，并且经由氢气分离器、主泵和冷却装置引导回至阳极室处的阳极侧的入口。元件的顺序首先是不重要的，并且同样地，在水回路中是否存在其他装置是不重要的。

5、在电解系统运行时，在阴极侧上常规地将所产生的氢气与一定份额的水一起从阴极室处的阴极侧的出口导出至氢气分离器。优选地，为此类似地使用阴极侧的水回路，在所述阴极侧的水回路中此外存在主泵和冷却装置。阴极侧的水回路在这种情况下通至阴极室的阴极侧的入口。

6、为了现在能够在电解系统的停机时间内确保水的纯度以及同样为了在过程中保持用于安装离子交换器的耗费，根据本发明使用阳极侧的子流支路与设置在其中的辅助离子交换器。在此，阳极侧的子流支路在阳极侧的水回路中的分支部处开始，并且又引导回至阳极侧的水回路中的汇聚点。

7、在此提出，将阳极侧的水回路处的分支部在阳极侧的水回路的流动方向上定位在包括分离器、主泵和冷却装置的布置的下游以及电解池的阳极室的阳极侧的入口的上游。

8、为了实现在不穿流分离器的情况下经过电解池的清洁流，根据本发明提出，汇聚点在流动方向上定位在电解池的阳极室的阳极侧的输出端的下游以及在阳极侧的水回路的流动方向上定位在分离器的上游。

9、由此通过电解池和具有辅助离子交换器的子流支路实现缩短的回路，无需穿流阳极侧的水回路中的分离器、主泵和冷却装置。

10、通过根据本发明的在子流支路中具有辅助离子交换器的实施方式，实现水的清洁或去离子，无需针对整个水流的设计方案。尤其地，所述布置在即使在其他情况下不使用电解系统时也实现辅助离子交换器与子流支路一起使用。

11、特别优选地，在阴极侧上使用类似的布置。对应地，电解系统具有阴极侧的子流支路，所述子流支路从阴极侧的水回路中的分支部经由辅助离子交换器通至阴极侧的水回路中的汇聚点。

12、如果在下文中不涉及阳极侧或阴极侧，那么对应的内容不仅适用于阳极侧而且适用于阴极侧。然而，在此不需要这两侧一致地实施。更确切地说，同样可行的是，对于阳极侧和阴极侧设置两个不同的实施方式。

13、为了实现在电解系统不运行时穿流电解池和辅助离子交换器，优选地在子流支路中设置子流泵。

14、在电解系统的正常运行时提出，阳极侧的水回路的水从阳极室的入口至阳极室的出口穿流阳极室，以及分开地，阴极侧的水回路的水从阴极室的入口至阴极室的出口穿流阴极室。

15、为了在不运行时有效保持水的清洁，特别优选地，由阳极侧的子流泵引起从阳极室的阳极侧的输出端至阳极侧的输入端的流动，或者由阴极侧的子流泵引起从阴极室的阴极侧的输出端至阴极侧的输入端的流动。

16、此外，在连接到水回路上的子流支路中设置辅助离子交换器即使在电解系统运行时也实现所述辅助离子交换器的使用。在存在子流泵的情况下，为此优选地存在可经由阀切换的旁路，使得在子流泵不运行时穿流子流支路是可行的。

17、通过电解系统的有利的实施方式，即使在电解系统运行时也已经能够通过辅助离子交换器实现水的保持清洁。在此优选地平行于电解池穿流子流支路，使得仅对应地设计具有流动的水回路。

18、在另一优选的实施方式中，附加的清洁支路连接到水回路上。在此，在清洁支路中设置有主离子交换器。在这种情况下提出，水回路中的一定部分的水引导通过清洁支路。因为在这种情况下在水回路中流动的水中的仅一部分穿流清洁支路，所以尺寸减小到所述较小的份额，从而减少用于安装的耗费。

19、为了实现，在这种情况下提供不同的替选方案。

20、在一个有利的替选方案中，清洁支路以两个端部连接在分离器上。在此应连接成，使得已经从来自分离器的水中导出氧气或氢气。

21、在另一有利的替选方案中能够提出，水从水回路中在流动方向上在分离器的下游导出到清洁支路中。也就是说，清洁支路的第一端部在水回路处在分离器的下游开始。清洁支路的第二端部在此能够又连接在分离器上。对应地，在这种情况下也引起经过分离器和主离子交换器的循环。

22、此外能够提出，将清洁支路中的去离子的水在分离器的上游引回到水回路中。也就是说，清洁回路的第二端部在流动方向上在分离器的上游连接在水回路上。

23、如果清洁支路以第一端部连接在分离器上，那么在任何情况下在清洁支路中需要清洁泵，使得实现从分离器通过清洁支路中的主离子交换器直接或间接地回到分离器中的循环。

24、此外，优选地，在清洁支路中设置有冷却装置，所述冷却装置能够对主离子交换器的性能能力产生积极影响。在此，冷却装置优选地处于清洁泵与主离子交换器之间。

25、在另一有利的实施方式中，不需要清洁泵来引起经过清洁支路的穿流。在此，尽管如此也引起水源自分离器并且回到分离器中的循环。为此，需要在流动方向上在主泵的下游设置水回路的分支部。清洁支路的另一端部在此又直接连接在分离器上或者在分离器的上游连接在水回路上。对应地，在这种情况下通过主泵引起经过主离子交换器的循环。

26、在所述情况下同样有利的是，在流动方向上在主离子交换器的上游存在冷却装置。为此，通向清洁支路的分支特别优选地在水回路中在流动方向上设置在冷却装置的下游，使得在清洁支路中不需要单独的冷却装置。

27、在使用另一有利的实施方式时，能够通过清洁支路部段地平行于水回路被穿流的方式来避免水的循环。在这种情况下，清洁支路的第一端部优选地处于分离器的输出端处，或者在流动方向上在分离器的下游处于水回路处。

28、为了确保主离子交换器部段地平行于水回路被充分地穿流，优选地又设有清洁泵。与此相对，在哪个部位上与水回路汇合并不重要。然而优选地，表现为合适的是，将清洁支路的第二端部在流动方向上在水回路中的主泵的下游并且优选地在冷却装置的下游设置到水回路中。

29、在所述情况下也能够有利的是，冷却装置在清洁支路中在流动方向上设置在主离子交换器的上游。

30、原则上，在水回路中并且经过电解器循环的水不应具有任何类型的颗粒。然而为了防止从被穿流的元件中脱离的颗粒沉积在阳极室或阴极室中，此外特别有利的是，使用一个或多个过滤装置。在此能够提出，过滤装置直接设置在水回路和/或子流支路和/或清洁支路中。在此特别有利的是，对于每个离子交换器在流动方向上在阳极室的入口或阴极室的入口的下游或至少在其上游存在过滤装置。

31、关于这一点需要再次明确指出的是，不需要将阳极侧与阴极侧一致地实施。

32、受工艺所决定，水通常从阳极室转入到阴极室中。为了实现水从阴极侧导回至阳极侧，以特别有利的方式存在横向流连接。在此，提供不同的实现可行性。

33、与所选择的在阴极侧上的连接变型方案无关，在任何情况下有利的是，横向流连接通至阳极侧的水回路的氧气分离器。

34、在第一有利的变型方案中，横向流连接从阴极侧的水回路通至阳极侧的水回路。在此特别有利的是，横向流连接从阴极侧的水回路的氢气分离器处分叉。

35、在第二有利的变型方案中，横向流连接从阴极侧的子流支路通至阳极侧的水回路。在此特别有利的是，横向流连接在辅助离子交换器的下游的部位处分叉。

36、在第三变型方案中，横向流连接在阴极侧的清洁支路处开始。同样如先前那样特别有利的是，分支部设置在主离子交换器的下游。

37、特别在第一变型方案中、但是也在其他两个变型方案中可使用地，在横向流连接中有利地设置横向流离子交换器和横向流泵。由此能够主动地引起溢出的水从阴极侧至阳极侧的回流，并且在此确保水的纯度。

38、此外，在所述情况下，在横向流连接中有利地存在冷却装置和/或过滤装置。

39、与此相对，在第二变型方案和第三变型方案中，离子交换器和泵在横向流连接中并非必须存在，因为在子流支路或清洁支路(根据实施方案)中已经存在离子交换器(因此分支部优选地也设置在下游)。同样，已经能够通过由相应的泵引起的流动在子流支路或清洁支路中引起在横向流连接中的必要的流动。