CN113061903A - 水电解***及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水电解***及其控制方法。一种水电解***包括：一对电解池，用于容纳从电解水槽供应的电解水并且连接至氢罐和氧罐；一对活性电极，包括容纳在电解池中并且由活性电极引线连接至电力的阴极和阳极以将电解水电解，从而产生氢和氧；辅助电极，容纳在电解池中并且由辅助电极引线连接，以将电子提供给分离的电解池或从电解池接收电子；传感器，用于测量在电解池中生成的氢或氧的压力并且测量电解池的电解水容量；以及控制器，用于在接收到传感器的测量值时选择性地排放氢气或氧气，选择性地将电解水从电解水槽供应至电解池，并且选择性地控制电力的电流方向。

Description

水电解***及其控制方法
技术领域
本公开涉及一种水电解***及其控制方法，并且更具体地，涉及一种分离电解池、消除膜的必要性、并且通过控制电流的施加方向通过氧化/还原反应在一对电解池中交替地生成氢和氧的***，以及循环该***的控制方法。
背景技术
氢是一种能量密度非常高且每单位质量能量密度最高的对环境友好能量，作为下一代能量来源日益突出。产生高能量密度的氢的方法包括各种方法，诸如化石燃料重整、在工业过程中出现的副产物气体、生物质气化以及使用可再生能源的水电解。
氢产生方法中的水电解是通过使用电将水分子分离成氢分子和氧分子来获得氢的方法。水电解是一种环境友好的制氢方法并且是制氢方法中最可靠的技术。水电解也被称为最便宜的制氢技术，其在***的配置上是简单的并且在操作中是稳定的。
相关技术的水电解装置包括作为必要部件以在单一电解池中产生氢和氧并且分离氢和氧的膜。在此，由于需要高价的膜，所以水电解装置的价格增加，并且当在低负载下操作或按压膜时，会出现氢和氧穿过膜的交叉现象。
为了解决该问题，已经开发了一种使用分离的电解池并且使用辅助电极的水电解装置。然而，在所公开的水电解装置中，电解池被简单地分离，以及阳极仅连续产生氢并且阴极连续产生氧，使得难以将水电解装置作为自动循环***进行商业化。
发明内容
本公开的目的是提供一种水电解***及其控制方法，其中，将电解池分离，因此消除膜的必要性，并且通过控制施加至电解池的电流的方向来交替地产生和循环氢和氧。
根据本公开的实施方式，一种水电解***包括：一对分离的电解池，被配置为容纳从电解水槽供应的电解水并且连接至氢罐和氧罐；一对活性电极，包括阴极和阳极，该阴极和阳极容纳在一对电解池中并且由活性电极引线连接至电力以将电解水电解，从而产生氢和氧；辅助电极，分别容纳在一对电解池中并且由辅助电极引线彼此连接，以将电子提供给分离的电解池或从分离的电解池接收电子；多个传感器，被配置为测量在电解池中生成的氢或氧的压力并且测量电解池的电解水容量；以及控制器，被配置为在接收到传感器的测量值时进行控制以选择性地排放氢气或氧气，进行控制以选择性地将电解水从电解水槽供应至电解池，并且选择性地控制电力的电流方向。
传感器可以包括被配置为测量在每个电解池中生成的氢或氧的压力的压力传感器和被配置为测量电解水容量的电解水传感器，并且压力传感器和电解水传感器可以分别被定位在电解池上。
水电解***还可以包括连接至每个电解池以形成流动路径并且具有气体阀的至少一个管道，该流动路径允许将在活性电极中生成的氢气或氧气排放至氢罐或氧罐，该气体阀被设置在用于从电解池排放气体的入口处以选择性地打开和关闭流动路径。
管道可以包括连接至氢罐并且具有氢阀的氢管道，以及连接至氧罐并且具有氧阀的氧管道，并且氢阀和氧阀可以由控制器控制以选择性地打开和关闭。
管道被配置为单一管道，该单一管道连接至电解池并且具有连接至氢罐或氧罐的分支点，并且三通阀被设置在分支点处。
当由压力传感器测量的气体的压力达到预定的气体排放压力时，控制器可以被配置为进行控制以打开容纳阳极的电解水的氧阀并且打开容纳阴极的电解水的氢阀，以将气体存储在氧罐和氢罐中。
预定的气体排放压力是20巴或以上。
当在电解水中生成的气体被排放并且由压力传感器测量的气体的压力等于或低于预定的电解水补充压力时，控制器可以进行控制以将电解水供应至电解池从而完全排放剩余的气体。
预定的电解水补充压力是1巴或以下。
当由电解水传感器测量的电解水的容量小于或等于预定容量时，控制器可以进行控制以打开电解水阀，并且当达到预定容量时，控制器可以进行控制以关闭电解水阀。
当电解水达到预定容量时，控制器可以进行控制以关闭气体阀和电解水阀两者，并且通过改变从电力施加的电流的方向来施加电流，并且随着电流的方向被反向，阴极变成阳极并且阳极变成阴极，并且循环***的操作。
此外，一对电解池可以连续地以多个设置并且由同一控制器操作。
电解水可以是NaOH或KOH水溶液。
根据本公开的另一实施方式，一种控制水电解***的方法包括：在一个方向上将电流施加至活性电极的电流施加操作；在提供电子的活性电极中生成氢并且在接收电子的活性电极中生成氧的气体生成操作；存储在电解池中生成的气体的气体存储操作；在电解池中补充电解水的电解水补充操作；以及通过在另一方向上将电流施加至活性电极来再执行气体生成操作的电流再施加操作。
气体存储操作可以包括：当所产生的氢或氧的压力达到预定的气体排放压力时，由控制器进行控制以将气体排放至氢罐和氧罐的气体排放操作；以及当电解池的压力降低至预定的电解水补充压力时，阻断氢罐、氧罐与电解池之间的连接以停止排放气体的排放停止操作。
气体排放压力可以是20巴，并且电解水补充压力可以是1巴。
电解水补充操作可以包括：通过由控制器进行控制以连接电解池与电解水槽来引入电解水的电解水引入操作；以及当电解水的容量达到预定容量时，由控制器阻断电解池与电解水之间的连接并且停止电流施加的电流再施加准备操作。
附图说明
图1A和图1B是示出根据本公开的实施方式的水电解***的视图。
图2是根据本公开的实施方式的控制水电解***的方法的流程图。
图3是示出根据本公开的实施方式的水电解***的电流施加操作和气体生成操作的视图。
图4是示出根据本公开的实施方式的水电解***的气体存储操作的视图。
图5和图6是示出根据本公开的实施方式的水电解***的电解水补充操作的视图。
图7是示出根据本公开的实施方式的水电解***的电流再施加操作的视图。
具体实施方式
在说明书中所公开的本公开的实施方式的具体结构或功能描述仅为了描述本公开的实施方式的目的而举例说明，并且本公开的实施方式可以以各种形式执行并且不应被解释为限制本文所描述的实施方式。
本申请中所使用的术语仅用于描述特定实施方式，而并非旨在限制本公开。单数表达包括复数表达，只要它们在上下文中被清楚地区分即可。在本申请中，应理解的是，诸如“包含(comprising)”、“包括(including)”等术语旨在表示在说明书中存在所描述的特征、数字、步骤、操作、组成元件、部件或其组合，并且不排除一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、组成元件、部件或其组合的存在或添加。
除非以不同方式定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的技术人员所理解的相同的含义。在通常使用的词典中定义的这些术语应被解释为具有与现有技术的上下文相同的含义，并且除非在本申请中清楚地定义，否则它们不应被解释为具有理想或过度正式的含义。
在下文中，将参考附图详细地描述本公开的实施方式。在附图中相同的组成元件由相同的附图标记表示。
本公开涉及一种用于产生氢的水电解***及其控制方法，并且涉及一种循环***，在该循环***中，将电流施加至独立地分离的一对电解池100以在发生氧化反应的电解池100的活性电极200中产生氧，并且在发生还原反应的电解池100的活性电极200中产生氢，并且在此，在特定时间点将施加电流的方向反向，使氧化/还原反应可逆地发生。
图1A和图1B是示出根据本公开的实施方式的水电解***的视图。
参考图1A和图1B，根据本公开的实施方式的水电解***可以包括电解池100、活性电极200、辅助电极300、传感器和控制器400。水电解***还可以包括形成气体移动穿过的流动路径的至少一个管道。
电解池100可以容纳电解水101和通过其发生电解反应以产生氢或氧的活性电极200。电解池100可以被配置为独立地分开的一对。在现有技术中，其中发生氧化反应的活性电极200和其中发生还原反应的活性电极200两者都容纳在一个电解池100中，但是在本公开中，电解池100被分离为一对，并且分离的一对电解池100可以分别容纳活性电极200。由于在每个活性电极中交替地发生氧化或还原反应，所以不可能将气体混合，并且因此不需要昂贵的膜。
从电解水槽供应的电解水101可以容纳在每个电解池100中。电解水101可以是诸如KOH或NaOH的碱性溶液。此外，可以将每个电解池100连接至用于存储氢的氢罐和用于存储氧的氧罐以存储生成的氢或氧。
电解池100可以具有从电解水槽接收电解水101的电解水入口140。穿过电解水入口140来补充电解水101，并且电解水入口140可以具有电解水阀141。电解水阀141可以选择性地打开和关闭电解水入口140，以控制从电解水槽引入电解水101。
活性电极200连接至电力P，接收电流，并且通过将电解水101电解来产生氧或氢。在生成氢或氧时，活性电极200需要具有低过电压和高耐腐蚀性，并且在碱性电解水101的条件下具有低电阻的电极可以用作活性电极200。
分别容纳在电解池100中的活性电极200可以由活性电极引线230连接至电力P。当从电力P施加电流时，活性电极200中的一个活性电极变为正电极，另一活性电极变为负电极。电流从正电极流动至负电极，并且当将电流的方向反向时，正电极和负电极彼此互换。
在本公开中，其中生成氧的活性电极200被定义为阳极220，并且其中生成氢的活性电极200被定义为阴极210。如图1A和图1B中所示，阴极210和阳极220可以根据其中施加电流的方向来彼此转换。根据其中施加电流的方向，甚至相同的活性电极200可以变为阴极210或阳极220，并且根据活性电极200是阴极210还是阳极220来生成氢或氧。
辅助电极300可以被配置为一对，并且一对辅助电极300可以分别容纳在电解池100中以向另一电解池100提供电解水101的电子或者从另一电解池100接收电解水101的电子。辅助电极300由辅助电极引线310彼此连接。
传感器可以执行感测功能以测量在电解池100中生成的氢气或氧气的压力并且可以测量电解水101的容量。传感器可以包括设置在电解池100的顶部以测量气体的压力的压力传感器130，以及设置在电解池100的底部以测量电解水101的容量的电解水传感器150。压力传感器130和电解水传感器150可以设置在每个电解池100处，以测量在每个电解池100中生成的气体压力和电解水101的容量。
控制器400可以从压力传感器130接收测量值并且根据情况进行控制以选择性地排放氢气或氧气。当气体的压力高于或等于气体排放压力时，控制器400可以进行控制以排放氢气或氧气，并且当气体的压力低于电解水补充压力时，控制器400可以进行控制以补充电解水101来排放所有剩余的气体。
此外，控制器400可以从电解水传感器150接收测量值并且进行控制以将电解水101从电解水槽供应至电解池100。在此，可以打开电解水阀141以将电解水槽的电解水101供应至电解池100。
此外，控制器400可以通过控制从电力P施加的电流的方向以将电流的方向选择性地反向来确定阴极210和阳极220。稍后将描述控制器400的功能的细节。
管道可以连接至电解池100以形成流动路径，在该流动路径中，将在活性电极200中生成的氢气或氧气排放至氢罐或氧罐。选择性地打开和关闭流动路径的气体阀111和121可以分别设置在入口处，将穿过该入口的气体从电解池100排放至管道。可以在电解池100处设置一个或多个管道。
如图1A和图1B中所示，管道可以包括连接至氢罐的氢管道110和连接至氧罐的的氧管道120。氢阀111可以设置在氢管道110处，并且氧阀121可以设置在氧管道120处。
由于控制器400可以由电力P控制在活性电极引线230中流动的电流的方向，所以控制器400可以根据每个活性电极200是阴极210还是阳极220来选择性地打开和关闭气体阀111和121。稍后将描述其细节。
虽然没有在图中示出，但是电解池100可以仅具有单一管道，从管道分支至氢罐或氧罐中的每一个的分支点和三通阀可以设置在分支点处。控制器400可以控制三通阀以选择性地将管道连接至氢罐或氧罐来形成用于氢气移动至氢罐和氧气移动至氧罐的流动路径。也就是说，根据从电力P施加至活性电极引线230的电流的方向，当活性电极200是阴极210时控制器400可以控制气阀111和121以连接至氢罐，并且当活性电极200是阳极220时控制器400可以控制气阀111和121以连接至氧罐。
图2是根据本公开的实施方式的控制水电解***的方法的流程图。
参考图2，根据本公开的实施方式的控制水电解***的方法可以包括电流施加操作S100、气体生成操作S200、气体存储操作S300、电解水补充操作S400和电流再施加操作S500。将每个操作和附图一起描述。
图3是示出根据本公开的实施方式的水电解***的电流施加操作S100和气体生成操作S200的视图。
参考图3，电流施加操作S100是其中由电力P在活性电极引线230中电流开始流动的操作。在此，连接至正极的活性电极200是其中发生氧化反应以生成氧的阳极220，并且连接至负极的活性电极200是其中发生还原反应以生成氢的阴极210。电流从阴极210流动至阳极220。也就是说，接收电子的活性电极200变为阴极210，并且提供电子的活性电极200变为阳极220。在此，在阴极210和阳极220中发生的反应如下。
[反应式]
阳极：4OH-→2H2O+4e-+O2
阴极：4H2O+2e-→4OH-+2H2
在氢阀111、氧阀121和电解水阀141全部关闭的状态下执行电流施加操作S100。
当在先前的电流施加操作S100中由电力P将电流施加至活性电极引线时，气体生成操作S200是其中在每个活性电极200中开始生成氢或氧的操作。
随着反应式的反应发生，在阴极210中生成氢并且在阳极220中生成氧。在氢阀111和氧阀121两者都关闭的状态下执行气体生成操作S200。在气体生成操作S200中在每个电解池100中生成氢或氧，并且在此，由于氢阀111和氧阀121都处于关闭状态，所以在电解池100的顶部收集气体。
图4是示出根据本公开的实施方式的水电解***的气体存储操作S300的视图。
压力传感器130测量电解池100的气体压力并且将所测量的气体压力传输至控制器400。当由压力传感器130测量的气体的压力达到预定的气体排放压力时，控制器400排放并且存储气体。
具体地，在其中容纳有阴极210的电解池100的情况下，控制器400进行控制以打开设置在氢管道110处的氢阀111来允许氢气移动至氢罐。在此，在氧管道120处的氧阀121保持在关闭状态，氢气可以穿过氢管道110仅移动至氢罐。
此外，在其中容纳有阳极220的电解池100的情况下，控制器400进行控制以打开设置在氧管道120处的氧阀121来允许氧气移动至氧罐。在此，由于氢管道110的氢阀111保持关闭，氧气可以穿过氧管道120仅移动至氧罐。
气体排放压力可以分别设定为产生的氢气或氧气穿过氢管道110或氧管道120可以排放的合适压力，并且可以优选地设定为20巴以上。
在气体存储操作S300中，连续地施加电流，并且因此在活性电极中连续地发生氧化或还原反应。此外，在气体存储操作S300中，水电解阀保持在关闭状态。
图5和图6是示出根据本公开的实施方式的水电解***的电解水补充操作S400的视图。
电解水补充操作S400是在电解池100中补充电解水101的操作。
当在气体存储操作S300中气体逸出时，电解池100的压力逐渐降低。控制器400控制氢阀111和氧阀121两者关闭，以便当由压力传感器130测量的气体的压力达到预定的电解水补充压力时停止排放气体。电解水补充压力可以设定为将气体充分排放的状态的压力，并且可以优选地设定为1巴以下。
电解水传感器150可以连续地测量容纳在电解池100中的电解水101的容量，并且将所测量的容量传输至控制器400。如果由电解水传感器150测量的电解水101的容量小于或等于预定的参考容量，则控制器400可以进行控制以打开电解水阀141。当电解水阀141打开时，电解水101流入电解池100并且电解水101的水位上升。参考图5，随着电解水101的水位上升，将所有剩余的氢气或氧气排放。
参考图6，当排放氢气和氧气并且充分地补充电解水101以达到预定容量或更大容量时，控制器400控制电解水阀141以再次关闭。此外，控制器400可以关闭氧阀121和氢阀111两者以防止气体混合，并且进行控制以暂时停止电流施加。也就是说，在施加电力P之前实现初始状态。
图7是示出根据本公开的实施方式的水电解***的电流再施加操作S500的视图。
在补充电解水101之后，电流再施加操作S500是通过将电流的方向反向来再次施加电流的操作。随着电流的方向被反向，阴极210变成阳极220，并且阳极220变成阴极210。
参考图7，通过改变电极的方向来从电力P施加电流。换句话说，电流的方向与先前循环的方向相反。因此，其中发生氧化反应以产生氧的阳极220变成阴极210，并且其中发生还原反应以产生氢的阴极210变成阳极220。此外，在辅助电极引线310中流动的电子的方向也被反向。在电流再施加操作S500之后，再次执行气体生成操作S200，使该循环进行循环以产生氢或氧。
作为根据本公开的实施方式的水电解***，其中在一对电解池100中产生氢或氧的***用作实例，但是在此，它可以被配置为其中连续地提供一对电解池100的模块类型。在模块类型的情况下，可以通过施加电流一次产生大量的氢。
在本公开的水电解***及其控制方法中，由于产生氢的阴极和产生氧的阳极容纳在独立且分离的电解池中，所以不存在气体彼此混合的可能性，由此消除了膜的必要性，并且因此可以经济且有效地产生氢。此外，由于通过控制电流的施加方向水电解***被配置为循环***，因此可以连续地产生氢和氧，从而便于***的操作。
虽然关于特定实施方式已经示出和描述了本公开，但是对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行各种修改和改变。

Claims (17)

1.一种水电解***，包括：
分离的一对电解池，被配置为容纳从电解水槽供应的电解水并且连接至氢罐和氧罐；
一对活性电极，包括阴极和阳极，所述阴极和所述阳极容纳在所述一对电解池中并且由活性电极引线连接至电力以将电解水电解，从而分别产生氢和氧；
辅助电极，分别容纳在一对所述电解池中并且由辅助电极引线彼此连接，以将电子提供给所分离的电解池或者从所分离的电解池接收电子；
多个传感器，被配置为测量在所述电解池中生成的氢或氧的压力并且测量所述电解池的电解水容量；以及
控制器，被配置在接收到传感器的测量值时进行控制以选择性地排放氢气或氧气，进行控制以选择性地将电解水从所述电解水槽供应至所述电解池，并且选择性地控制所述电力的电流方向。
2.根据权利要求1所述的水电解***，其中，
所述传感器包括被配置为测量在每个电解池中生成的氢或氧的压力的压力传感器和被配置为测量电解水容量的电解水传感器，并且所述压力传感器和所述电解水传感器分别被定位在所述电解池上。
3.根据权利要求2所述的水电解***，还包括：
至少一个管道，连接至每个电解池以形成流动路径并且具有气体阀，所述流动路径允许将在所述活性电极中生成的氢气或氧气排放至氢罐或氧罐，所述气体阀被定位在用于从所述电解池排放气体的入口处以选择性地打开和关闭所述流动路径。
4.根据权利要求3所述的水电解***，其中，
所述管道包括连接至所述氢罐并且具有氢阀的氢管道，以及连接至所述氧罐并且具有氧阀的氧管道，并且所述氢阀和所述氧阀由所述控制器控制以选择性地打开和关闭。
5.根据权利要求3所述的水电解***，其中，
所述管道被配置为单一管道，所述单一管道连接至所述电解池并且具有连接至所述氢罐或所述氧罐的分支点，并且三通阀被定位在所述分支点处。
6.根据权利要求5所述的水电解***，其中，
所述控制器被配置为，当由所述压力传感器测量的气体的压力达到预定的气体排放压力时，进行控制以打开容纳所述阳极的所述电解水的所述氧阀并且打开容纳所述阴极的所述电解水的所述氢阀，以将气体存储在所述氧罐和所述氢罐中。
7.根据权利要求6所述的水电解***，其中，
所述预定的气体排放压力是20巴或以上。
8.根据权利要求6所述的水电解***，其中，
当在所述电解水中生成的所述气体被排放并且由所述压力传感器测量的所述气体的压力等于或低于预定的电解水补充压力时，所述控制器进行控制以将电解水供应至所述电解池从而完全排放剩余的气体。
9.根据权利要求8所述的水电解***，其中，
所述预定的电解水补充压力是1巴或以下。
10.根据权利要求9所述的水电解***，其中，
当由所述电解水传感器测量的所述电解水的容量小于或等于预定容量时，所述控制器进行控制以打开电解水阀，并且当达到所述预定容量时，所述控制器进行控制以关闭所述电解水阀。
11.根据权利要求10所述的水电解***，其中，
当所述电解水达到预定容量时，所述控制器进行控制以关闭所述气体阀和所述电解水阀两者，并且通过改变从所述电力施加的电流的方向来施加电流，并且随着所述电流的方向被反向，所述阴极变成所述阳极且所述阳极变成所述阴极，并且循环所述***的操作。
12.根据权利要求1所述的水电解***，其中，
一对所述电解池连续地以多个设置并且由同一控制器操作。
13.根据权利要求1所述的水电解***，其中，
所述电解水能够是NaOH或KOH水溶液。
14.一种控制水电解***的方法，所述方法包括：
在一个方向上将电流施加至活性电极的电流施加操作；
在提供电子的所述活性电极中生成氢并且在接收电子的所述活性电极中生成氧的气体生成操作；
存储在电解池中生成的气体的气体存储操作；
在所述电解池中补充电解水的电解水补充操作；以及
通过在另一方向上将电流施加至所述活性电极来再执行所述气体生成操作的电流再施加操作。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，
所述气体存储操作包括：
当所产生的氢或氧的压力达到预定的气体排放压力时，由控制器控制以将所述气体排放至氢罐和氧罐的气体排放操作；以及
当所述电解池的压力降低至预定的电解水补充压力时，阻断所述氢罐、所述氧罐与所述电解池之间的连接以停止排放所述气体的排放停止操作。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，
所述气体排放压力是20巴，并且所述电解水补充压力是1巴。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，
所述电解水补充操作包括：
通过由所述控制器控制以连接所述电解池和所述电解水槽来引入电解水的电解水引入操作；以及
当所述电解水的容量达到预定容量时，由所述控制器阻断所述电解池与所述电解水之间的连接并且停止电流施加的电流再施加准备操作。
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