运行电解槽的方法和设备与流程

本公开涉及一种运行电解槽(电解器)的方法和设备。更具体地说，本公开涉及在供应给电解槽的功率低于额定最小值时运行电解槽的方法和设备。本公开还涉及从根据本公开运行的电解槽的产品流中生产氨的系统和方法。

背景技术：

1、多年来，氢一直用于诸如脂肪和油脂的氢化、金属矿石的还原和氨生产等工业过程中。近年来，氢作为一种高效能量载体也引起了人们的极大兴趣，因为氢在释放能量时不会导致co2排放。因此，对氢的需求与日俱增。

2、最常用的氢生产方法是水电解，这一过程需要大量的电能。为了减少氢生产的环境影响，理想的做法是只使用诸如风能或太阳能的可再生能量源。然而，由于风能和太阳能生产取决于不断变化的环境条件，因此实际上难以利用这些能源有效地生产氢。在电解过程中，氢可能会逆向于预期流动而行进，并进入氧气流。这一过程被称为氢交叉。特别是在电解槽的可用功率较低时(诸如低于电解槽的大约15％的标称功率)，产品流速可能会很低，以至于氢交叉潜在地会导致爆炸性气体混合物的形成。这是显然不能容忍的安全隐患，因此实际上电解槽不会在低负载下运行，这意味着潜在有用的绿色能量无法被用于生产绿色氢。应该注意的是，可接受的最小标称功率(低于此功率，氢交叉将变得不可接受)变化很大，例如取决于电解槽技术类型、电极效率、分离器材料、电解液选择、泵(如果有的话)的流量、电解槽以其运行的模式和压力(干-湿、湿-湿或soec)。

3、本发明正是在这一背景下应运而生的。

技术实现思路

1、本发明提供了一种运行电解槽的方法，所述方法包括：

2、为所述电解槽提供电力供应(power supply)；

3、向所述电解槽的入口提供反应物流(反应物流动流，reactant flowstream)，并运行所述电解槽以将所述反应物分解成一个或多个产品流；

4、确定所述电力供应的幅值(magnitude of the power supply)；以及如果所述电力供应的幅值小于或等于预定值，则在所述电解槽之前将稀释剂气体流引入所述反应物流中，其中所述稀释剂气体包括惰性气体。

5、本发明的方法的优势在于，向反应物流中加入惰性气体降低了电解槽内气体的分压，并对系统进行了冲洗，从而降低了气体从电解槽的一侧交叉到另一侧的可能性。

6、可选地，所述惰性气体包括氮气，氮气是一种丰富而廉价的气体。

7、反应物流可以可选地被提供给电解槽的第一入口和第二入口，其中第一入口与电解槽的第一侧流体连通，第二入口与电解槽的第二侧流体连通，使得第一入口接收第一反应物流，第二入口接收第二反应物流；以及

8、在第一入口之前将稀释剂气体流引入第一反应物流中。

9、可以在第二入口之前将第二气体流引入第二反应物流中，其中第二气体与稀释剂气体不同。第二气体可以可选地是氧气或空气，或者诸如氮气的惰性气体。将第二气体流引入电解槽的第二侧是有益的，因为它有助于稀释可能从电解槽的第一侧进入电解槽的第二侧的任何交叉气体。稀释存在于电解槽的第二侧的任何交叉气体是有益的，因为可以限制或者甚至消除存在于电解槽的第二侧的交叉气体的影响/后果。

10、在一个示例中，第二气体从产品流供应，产品流可容易地用作第二气体流。

11、可选地，反应物流包括水，稀释剂气体包括氮气。当电解槽被用于生产氢作为氨生产过程的原料时，这是有益的。

12、反应物流可以可选地包括水，稀释剂气体包括氮气，第二气体包括氧气，其中电解槽的第一侧包括氢生产侧，电解槽的第二侧包括氧生产侧。

13、当电力供应的幅值小于或等于预定值时，第一产品流可以包括氢气和氮气的混合物。

14、在一个示例中，该方法包括在电力供应的幅值小于或等于第二预定值时关停电解槽，其中第二预定值小于预定值。

15、可选地，稀释剂气体的流速依据电力供应的幅值来确定，使得：

16、当电力供应小于预定值时，以第一流速引入稀释剂气体；以及

17、当电力供应等于第二预定值时，以第二流速引入稀释剂气体，其中第二流速大于第一流速。

18、可以确定第一产品流中氢气与氮气的分子比，可选地，如果第一产品流中氢气与氮气的分子比小于或等于3，则可以关停电解槽。

19、向电解槽供应的电流可用于估算电解槽生产的氢气的量。

20、在另一方面，本发明提供了一种为氨生产过程提供原料的方法，所述方法包括：

21、运行如上所述配置的电解槽，其中，当电力供应的幅值小于预定值时，电解槽生产包括氢气和氮气的混合物的第一产品流；以及

22、提供第一产品流作为氨生产过程的原料。

23、可选地，第一产品流中氢气与氮气的分子比大于或等于3。

24、在另一方面，本发明提供了一种生产氨的系统，所述系统包括：

25、电解槽，其被配置为在使用中将水分解成氢气产品流和氧气产品流，其中电解槽包括位于电解槽的氢气侧的第一入口和第一出口，以及位于电解槽的氧气侧的第二入口和第二出口；

26、连接到第一入口的第一水供应管道(第一供水管道)和连接到第二入口的第二水供应管道；

27、连接到第一水供应管道的氮气供应管道；

28、氮气控制阀，其用于控制氮气从氮气供应管道到第一水供应管道的流动；

29、连接到电解槽的第一出口的第一产品出口管道，以及连接到电解槽的第二出口的第二产品出口管道；

30、包括原料入口的氨生产设施，其中第一产品出口管道被配置为向原料入口供应氢气产品流；以及

31、包括氮气出口管道的氮气供应设备，其中氮气出口管道被配置为向氮气供应管道供应氮气。

32、可选地，该系统还包括第二氮气供应管道，其中第二氮气供应管道被配置为从氮气供应设备向原料入口供应氮气。

33、该系统可以可选地包括：连接到第二水供应管道的氧气供应管道；用于控制氧气从氧气供应管道到第二水供应管道的流动的氧气控制阀；以及包括氧气出口管道的氧气供应设备，其中氧气出口管道被配置为向氧气供应管道供应氧气。

34、在本申请的范围内，明确表示前述段落、权利要求书和/或以下描述及附图中列出的各方面、实施例、示例和替代方案，尤其是其各个特征，可以独立使用或以任意组合进行使用。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征可以以任何方式和/或组合进行组合，除非这些特征不相容。申请人保留修改任何原始提交的权利要求或相应地提交任何新权利要求的权利，包括修改任何原始提交的权利要求以使其从属于任何其他权利要求和/或包含任何其他权利要求的任何特征的权利，尽管原始并未以这种方式提出权利要求。

技术特征：

1.一种运行电解槽的方法，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述惰性气体包括氮气。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，所述方法包括：

4.根据权利要求3所述的方法，所述方法包括在所述第二入口之前将第二气体流引入所述第二反应物流中，其中，所述第二气体与所述稀释剂气体不同。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二气体从产品流供应。

6.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，所述反应物流包括水，所述稀释剂气体包括氮气。

7.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述反应物流包括水，所述稀释剂气体包括氮气，所述第二气体包括氧气，其中，所述电解槽的第一侧包括氢气生产侧，所述电解槽的第二侧包括氧气生产侧。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，当所述电力供应的幅值小于或等于所述预定值时，第一产品流包括氢气和氮气的混合物。

9.根据权利要求8所述的方法，所述方法包括：如果所述电力供应的幅值小于或等于第二预定值，则关停所述电解槽，其中，所述第二预定值小于所述预定值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述稀释剂气体的流速依据所述电力供应的幅值来确定，使得：

11.根据权利要求9或10所述的方法，所述方法包括确定所述第一产品流中氢气与氮气的分子比，如果所述第一产品流中氢气与氮气的分子比小于或等于3，则关停所述电解槽。

12.根据权利要求1至权利要求11中任一项所述的方法，所述方法包括使用供应给所述电解槽的电流来估算所述电解槽生产的氢气的量。

13.一种为氨生产过程提供原料的方法，所述方法包括：

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一产品流中氢气与氮气的分子比大于或等于3。

15.一种生产氨的系统，所述系统包括：

16.根据权利要求15所述的系统，所述系统包括：

17.根据权利要求15或16所述的系统，所述系统包括：

技术总结
一种运行电解槽的方法，该方法包括向电解槽提供反应物流，并使用电解槽将反应物分解成产品流。确定电解槽的电力供应的幅值，如果电力供应的幅值小于或等于预定值，则在电解槽之前将稀释剂气体流引入反应物流中。稀释剂气体是惰性气体。此外，还有一种生产氨的系统，其中该系统的原料由电解槽提供。

技术研发人员：A·蒂克森,A·G·S·麦金托什,L·R·汤姆森,N·V·福格特
受保护的技术使用者：维斯塔斯风力系统集团公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17