靈活運(yùn)用電力的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供用于氯堿電解的電解池，所述電解池具有陽(yáng)極半電池、陰極半電池以及將陽(yáng)極半電池和陰極半電池彼此分隔的陽(yáng)離子交換膜、設(shè)置在陽(yáng)極半電池內(nèi)以逐漸產(chǎn)生氯的陽(yáng)極、設(shè)置在陰極半電池內(nèi)作為陰極的耗氧電極、在陽(yáng)離子交換膜與耗氧電極之間形成的電解質(zhì)通過(guò)其流動(dòng)的陰極電解質(zhì)空間、在所述耗氧電極的背向陰極電解質(zhì)空間的表面上與所述耗氧電極鄰接的氣體空間、將氣態(tài)氧供應(yīng)給該氣體空間的導(dǎo)管、設(shè)置在陰極電解質(zhì)空間內(nèi)產(chǎn)生氫的第二陰極以及用惰性氣體吹掃氣體空間的至少一根導(dǎo)管，使得可以在如下方法中靈活運(yùn)用電力，其中，在電力供應(yīng)低時(shí)，氣態(tài)氧被供應(yīng)給耗氧電極，并且氧在第一電池電壓下在耗氧電極處被還原，并且在電力供應(yīng)高時(shí)，沒(méi)有氧氣被供應(yīng)給耗氧電極，并且在比第一電池電壓高的第二電池電壓下在第二陰極處產(chǎn)生氫。
【專利說(shuō)明】
靈活運(yùn)用電力的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及靈活運(yùn)用電力的裝置和方法，過(guò)量的電能通過(guò)所述裝置和方法可以被 用于生產(chǎn)氫。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用可再生能源，如風(fēng)能和太陽(yáng)能，對(duì)于發(fā)電的重要性日益增加。典型地，電能通 過(guò)長(zhǎng)距離的、跨區(qū)域和跨國(guó)聯(lián)接的電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱為電力網(wǎng)絡(luò))提供給許多用戶。由于 電能不能在電力網(wǎng)絡(luò)本身內(nèi)大量存儲(chǔ)，必須使供應(yīng)給電力網(wǎng)絡(luò)的電力匹配用戶方的電力需 求，其被稱為負(fù)荷。如已知的，負(fù)荷隨時(shí)間，特別是根據(jù)一天中的時(shí)間、一周中的日期或者一 年中的時(shí)間而波動(dòng)。發(fā)電量和電力消耗的連續(xù)平衡對(duì)穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)是必要的。可能 發(fā)生的短期偏差由已知為正向或反向控制能量或控制功率來(lái)平衡掉。在可再生發(fā)電裝置的 情況下，會(huì)產(chǎn)生這樣的困難:在諸如風(fēng)能和太陽(yáng)能的某些類型的情況下，發(fā)電能力并不是在 所有時(shí)間都具備，也不能以特定的方式控制，而是受制于例如當(dāng)日時(shí)間和天氣相關(guān)的波動(dòng)， 這只在某些情況下可預(yù)測(cè)，并且一般不與在該特定時(shí)刻的能量需求相一致。
[0003] 給定時(shí)間的波動(dòng)的可再生能源的發(fā)電量和消耗量之間的差異通常必須由其他發(fā) 電廠來(lái)消除，例如燃?xì)獍l(fā)電廠、燃煤發(fā)電廠和核電廠。隨著波動(dòng)的可再生能源正日益擴(kuò)大、 占據(jù)電力供應(yīng)的比重越來(lái)越大，特定時(shí)間其輸出和消耗量之間的越來(lái)越大的波動(dòng)必須被平 衡掉。因此，即使在今天，不僅是燃?xì)獍l(fā)電廠，而且越來(lái)越多的煙煤發(fā)電廠也在部分負(fù)荷運(yùn) 轉(zhuǎn)或被完全關(guān)閉，以便平衡這些波動(dòng)。由于發(fā)電廠的這類可變操作涉及相當(dāng)多的額外費(fèi)用， 開(kāi)發(fā)替代措施的研究已經(jīng)進(jìn)行了一段時(shí)間。
[0004] 在過(guò)量電能的情況下，作為改變發(fā)電廠輸出的替代或附加手段，已知的方法是通 過(guò)水的電解裂解，利用過(guò)量電能生產(chǎn)氫。這種方法具有的缺點(diǎn)是必須構(gòu)造用于水的電解裂 解的單獨(dú)裝置，其僅在過(guò)量電能的情況下操作，而大部分時(shí)間未被使用。
[0005] 通過(guò)氯化鈉溶液的氯堿電解生產(chǎn)氯是具有最高功率消耗的工業(yè)方法之一。對(duì)于氯 堿電解，具有相對(duì)大量的并聯(lián)工作的電解池的工廠在工業(yè)中被使用。除了氯之外，通常產(chǎn)生 的副產(chǎn)品是氫氧化鈉溶液和氫。為了減少氯堿電解的功率消耗，已開(kāi)發(fā)出如下方法，其中在 電解池的陰極沒(méi)有質(zhì)子向分子氫的還原，而是在耗氧電極處將分子氧還原成水。從現(xiàn)有技 術(shù)已知的具有耗氧電極的氯堿電解工廠沒(méi)有被設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生分子氫。
[0006] 已經(jīng)有人提議，為了靈活運(yùn)用電力，以這種方式操作氯堿電解，從而操作作為電力 供應(yīng)的函數(shù)的不同數(shù)量的電解池。這種方法具有的缺點(diǎn)是產(chǎn)生的氯量因電力供應(yīng)而不同， 并且不對(duì)應(yīng)于氯的當(dāng)前需求，因此對(duì)于氯堿電解的這種操作，氯的大緩沖存儲(chǔ)器是必要的。 然而，由于安全原因，大量的有害物質(zhì)氯的中間存儲(chǔ)是不可取的。
[0007] 業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在用于氯堿電解的電解池中，當(dāng)作為陰極的耗氧電極以及用于產(chǎn)生氫 的第二陰極被設(shè)置在陰極半電池中，并且陰極半電池配備有吹掃與耗氧電極相鄰的氣體空 間的導(dǎo)管，從而不管是在第二陰極產(chǎn)生氫還是在耗氧電極還原氧，使得電解池可以作為電 力供應(yīng)的函數(shù)被操作的時(shí)候，可以避免上述的裝置和方法的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供了靈活運(yùn)用電力的裝置，其包含用于氯堿電解的電解池，所述電解池 具有陽(yáng)極半電池、陰極半電池以及將陽(yáng)極半電池和陰極半電池彼此分隔的陽(yáng)離子交換膜、 設(shè)置在陽(yáng)極半電池內(nèi)以逐漸產(chǎn)生氯的陽(yáng)極、設(shè)置在陰極半電池內(nèi)作為陰極的耗氧電極、在 陽(yáng)離子交換膜與耗氧電極之間形成的電解質(zhì)通過(guò)其流動(dòng)的陰極電解質(zhì)空間、在耗氧電極的 背向陰極電解質(zhì)空間的表面上與耗氧電極鄰接的氣體空間、以及將氣態(tài)氧供應(yīng)給該氣體空 間的導(dǎo)管，其特征在于產(chǎn)生氫的第二陰極被設(shè)置在陰極電解質(zhì)空間內(nèi)，并且該裝置具有至 少一根導(dǎo)管，以用惰性氣體吹掃氣體空間。
[0009] 本發(fā)明還提供了靈活運(yùn)用電力的方法，其中，在本發(fā)明裝置中，氯是通過(guò)氯堿電解 制得的，其中，當(dāng)電力供應(yīng)低時(shí)，氣態(tài)氧被供應(yīng)給耗氧電極，并且氧在第一電池電壓下在耗 氧電極處被還原，并且當(dāng)電力供應(yīng)高時(shí)，沒(méi)有氧氣被供應(yīng)給耗氧電極，并且在比第一電池電 壓高的第二電池電壓下在第二陰極處產(chǎn)生氫。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 本發(fā)明的裝置包括用于氯堿電解的電解池，所述電解池具有陽(yáng)極半電池、陰極半 電池以及將陽(yáng)極半電池與陰極半電池彼此分隔的陽(yáng)離子交換膜。本發(fā)明裝置可以包含多個(gè) 這樣的電解池，其可以被連接以形成單極或雙極電解器，優(yōu)選單極電解器。
[0011] 用于逐漸產(chǎn)生氯的陽(yáng)極被設(shè)置在本發(fā)明裝置的陽(yáng)極半電池內(nèi)。所用的陽(yáng)極可以是 現(xiàn)有技術(shù)中已知的膜法氯堿電解的任何陽(yáng)極。優(yōu)選使用具有金屬鈦的載體以及氧化鈦與氧 化釕或氧化銥構(gòu)成的混合氧化物涂層的尺寸穩(wěn)定的電極。
[0012] 本發(fā)明裝置的陽(yáng)極半電池與陰極半電池由陽(yáng)離子交換膜彼此分隔。使用的陽(yáng)離子 交換膜可以是任何已知的適合于膜法氯堿電解的陽(yáng)離子交換膜。合適的陽(yáng)離子交換膜能夠 以TS丨afi〇n_?、Aciplex?和Flemion?的商品名購(gòu)自Du Pont、Asahi Kasei以及Asahi Glass。
[0013] 耗氧電極被設(shè)置在本發(fā)明的裝置的陰極半電池內(nèi)，從而使得陰極半電池在陽(yáng)離子 交換膜和耗氧電極之間具有電解質(zhì)流過(guò)的陰極電解質(zhì)空間，和氣體空間，其可以通過(guò)供應(yīng) 氣態(tài)氧的導(dǎo)管被供應(yīng)氧，并在背向陰極電解質(zhì)空間的表面上鄰接耗氧電極。所述裝置還具 有至少一根導(dǎo)管，以用惰性氣體吹掃氣體空間。氣體空間在陰極半電池的整個(gè)高度上可以 是連續(xù)的，或者可以被劃分成一個(gè)在另一個(gè)上面垂直分布的多個(gè)氣穴(gas pocket)，在這 種情況下，每個(gè)氣穴具有與電解質(zhì)空間壓力均衡的孔。這種氣穴的合適的實(shí)施方案是本領(lǐng) 域技術(shù)人員例如從DE 44 44 114 Al所已知的。用惰性氣體吹掃氣體空間的導(dǎo)管可以與供 應(yīng)氣態(tài)氧到氣體空間的導(dǎo)管分開(kāi)，或者它可以在陰極半電池外被連接到供給氣態(tài)氧的導(dǎo) 管，從而使得在這種連接與陰極半電池之間的管道部分可以用惰性氣體吹掃。
[0014] 使用的耗氧電極可以是含貴金屬的氣體擴(kuò)散電極。優(yōu)選使用含銀的氣體擴(kuò)散電 極，更優(yōu)選具有含有金屬銀與疏水性聚合物的多孔疏水氣體擴(kuò)散層的氣體擴(kuò)散電極。疏水 性聚合物優(yōu)選是氟化聚合物，更優(yōu)選聚四氟乙烯。更優(yōu)選地，氣體擴(kuò)散層基本上由聚四氟乙 烯燒結(jié)的銀顆粒組成。氣體擴(kuò)散電極可以另外地包含以網(wǎng)孔或網(wǎng)格形式的載體結(jié)構(gòu)，其優(yōu) 選是導(dǎo)電的并且更優(yōu)選由鎳組成。特別合適的多層耗氧電極從EP 2 397 578A2可知。從EP 2 397 578 A2已知的多層耗氧電極能夠以高壓力差來(lái)操作，因此可以在具有在整個(gè)高度上 連續(xù)的氣體空間的陰極半電池內(nèi)使用。
[0015] 此外，用于產(chǎn)生氫的第二陰極被設(shè)置在本發(fā)明裝置的陰極半電池的陰極電解質(zhì)空 間內(nèi)。原則上，任何從用于氯堿電解產(chǎn)生氫的現(xiàn)有技術(shù)中已知的陰極均可以被用作第二陰 極。使用的第二陰極優(yōu)選是具有含貴金屬涂層的陰極，所述涂層優(yōu)選含有鉑或釕作為貴金 屬。優(yōu)選地，第二陰極被配置成網(wǎng)孔或網(wǎng)格的形式，并且直接鄰接陽(yáng)離子交換膜，從而使得 電解質(zhì)流過(guò)基本上在第二陰極與耗氧陰極之間的陰極電解質(zhì)空間。
[0016] 耗氧電極與第二陰極優(yōu)選在陰極半電池內(nèi)彼此電絕緣，并且優(yōu)選具有分別的電力 連接。這使得在耗氧電極處氧還原的裝置操作過(guò)程中，能夠可靠地防止在第二陰極處形成 氫。
[0017] 本發(fā)明裝置優(yōu)選包含導(dǎo)管，通過(guò)它，惰性氣體可以從陰極半電池的氣體空間被抽 出，并且在其中設(shè)置有可以被用于測(cè)量惰性氣體中的氧含量的傳感器。使用這種傳感器能 夠監(jiān)視氣體空間是否已經(jīng)用惰性氣體充分吹掃，以避免當(dāng)裝置從耗氧電極處的氧還原操作 改變至第二陰極處形成氫的操作的時(shí)候，在氣體空間內(nèi)形成可燃?xì)怏w混合物。
[0018]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明的裝置還包含至少一根用惰性氣體吹掃陰極電解質(zhì) 空間的導(dǎo)管。在這種情況下，所述裝置還可以包含另一根導(dǎo)管，通過(guò)該導(dǎo)管可以將惰性氣體 從陰極電解質(zhì)空間抽回，并且該導(dǎo)管可以在陰極電解質(zhì)空間的上端被連接到集氣器，或者 可以被連接到分離裝置，所述分離裝置被設(shè)置在陰極半電池外，并且在其中氣體與流出陰 極半電池的電解質(zhì)分離。更優(yōu)選地，所述裝置包含導(dǎo)管，通過(guò)該導(dǎo)管，惰性氣體可以從氣體 空間以及陰極半電池的陰極電解質(zhì)空間兩者中移除，并且在其中設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)傳感 器，通過(guò)所述傳感器可以測(cè)量在惰性氣體中的氧與氫的含量。
[0019] 與耗氧電極相鄰的氣體空間、存在的任何氣穴、存在的任何集氣器以及與陰極半 電池連接的用于供應(yīng)與抽出氣體的導(dǎo)管優(yōu)選被如下配置以使得在用惰性氣體吹掃氣體空 間以及任選的陰極電解質(zhì)空間時(shí)只發(fā)生很少的氣體返混。因此，氣體空間、存在的任何氣穴 以及存在的任何集氣器被配置有最小氣體體積。
[0020] 在優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明裝置包含多個(gè)平行設(shè)置的電解器。此外，每臺(tái)電解器 包含各自具有氣體空間的多個(gè)電解池，以及將氣態(tài)氧供應(yīng)給電解器的電解池的氣體空間的 共同導(dǎo)管以及用惰性氣體吹掃電解器的氣體空間的共同導(dǎo)管。此外，所述裝置包含將氧供 應(yīng)給電解器的單獨(dú)導(dǎo)管以及將惰性氣體供應(yīng)給電解器的單獨(dú)導(dǎo)管。在儀器復(fù)雜性的水平低 的情況下，所述裝置的這種結(jié)構(gòu)使得裝置操作不同比例的其中產(chǎn)生氫的電解池。
[0021] 本發(fā)明裝置還可以另外具有用于在陽(yáng)極半電池內(nèi)產(chǎn)生的氯的緩沖存儲(chǔ)器，其能夠 存儲(chǔ)一定量的氯，所述氯的量能夠補(bǔ)償用惰性氣體吹掃陰極半電池造成的陽(yáng)極半電池的產(chǎn) 氯的中斷。
[0022] 圖1顯示具有電解池的本發(fā)明裝置的優(yōu)選實(shí)施方案，其中第二陰極鄰接陽(yáng)離子交 換膜。電解池包括陽(yáng)極半電池（1)、陰極半電池(2)以及分隔這兩個(gè)半電池的陽(yáng)離子交換膜 (3)。設(shè)置在陽(yáng)極半電池內(nèi)的逐漸產(chǎn)生氯的陽(yáng)極(4)鄰接陽(yáng)離子交換膜。作為陰極被設(shè)置在 陰極半電池內(nèi)的耗氧電極(5)將陰極半電池分割成在陽(yáng)離子交換膜與耗氧電極之間的陰極 電解質(zhì)空間（6)，以及氣體空間（7)。氣體空間可以經(jīng)由管道(8)供應(yīng)氣態(tài)氧?？梢杂枚栊詺?體通過(guò)導(dǎo)管（10)吹掃氣體空間。可以通過(guò)導(dǎo)管（13)從氣體空間抽出惰性氣體，并且傳感器 被設(shè)置在導(dǎo)管（13)，用傳感器可以測(cè)量惰性氣體中的氧和氫的含量。用于產(chǎn)生氫的第二陰 極(9)鄰接陽(yáng)離子交換膜，被設(shè)置在陰極電解質(zhì)空間（6)內(nèi)。耗氧電極(5)與第二陰極(9)具 有獨(dú)立的電力連接（11、12)。陰極電解質(zhì)空間（6)經(jīng)由管道（15)被供應(yīng)有氫氧化鈉溶液，并 且濃縮的氫氧化鈉溶液經(jīng)由導(dǎo)管（16)抽出，任選地與形成的氫一起，從而使電解質(zhì)流經(jīng)陰 極電解質(zhì)空間。通過(guò)導(dǎo)管（14)，陰極電解質(zhì)空間可以用惰性氣體吹掃。陽(yáng)極半電池（1)通過(guò) 導(dǎo)管（17)被供應(yīng)有氯化鈉溶液，并且廢棄的氯化鈉溶液與氯一起通過(guò)導(dǎo)管（18)被抽出。
[0023] 在靈活運(yùn)用電力的本發(fā)明方法中，氯是在根據(jù)本發(fā)明的裝置內(nèi)通過(guò)氯堿電解產(chǎn)生 的，并且裝置中的至少一個(gè)電解池以作為電力供應(yīng)的函數(shù)的不同的電池電壓來(lái)操作。當(dāng)電 力供應(yīng)低時(shí)，氣態(tài)氧被供應(yīng)給電解池的耗氧電極，并且氧在第一電池電壓下在耗氧電極被 還原。并且當(dāng)電力供應(yīng)高時(shí)，沒(méi)有氧氣被供應(yīng)給耗氧電極，并且在比第一電池電壓高的第二 電池電壓下在第二陰極產(chǎn)生氫。
[0024] 優(yōu)選地，在本發(fā)明方法中，利用其中耗氧電極與第二陰極具有分別的電力連接的 裝置的優(yōu)選實(shí)施方案，并且在以第一電池電壓操作的過(guò)程中，電池電壓僅僅被施加到耗氧 電極，在以第二電池電壓操作過(guò)程中，電池電壓僅僅被施加到第二陰極。
[0025]高電力供應(yīng)可能是由電力過(guò)剩導(dǎo)致的，而低電力供應(yīng)可能是由電力短缺導(dǎo)致的。 當(dāng)在某個(gè)時(shí)刻，來(lái)自可再生能源的電力提供比此時(shí)消耗的電力總量還要多，則出現(xiàn)電力過(guò) 剩。當(dāng)由波動(dòng)的可再生能源提供大量電能時(shí)，也出現(xiàn)電力過(guò)剩，而發(fā)電廠縮減或關(guān)閉與高成 本相關(guān)。當(dāng)相對(duì)少量的可再生能源是可用的，則出現(xiàn)電力短缺，必須運(yùn)行低效發(fā)電廠或者涉 及成本高的發(fā)電廠。當(dāng)發(fā)電廠，例如風(fēng)電場(chǎng)(windfarm)，的經(jīng)營(yíng)者產(chǎn)生比所預(yù)測(cè)和出售的更 多的電力時(shí)，也可以存在電力過(guò)剩。類似地，當(dāng)比預(yù)期更少的電力被產(chǎn)生時(shí)，電力短缺也可 能存在?？商娲兀唠娏?yīng)與低電力供應(yīng)之間的區(qū)別還可以在電力交易的價(jià)格的基礎(chǔ) 上進(jìn)行區(qū)別，在這種情況下，低電力價(jià)格對(duì)應(yīng)于高電力供應(yīng)，并且高電力價(jià)格對(duì)應(yīng)于低電力 供應(yīng)。在這種情況下，為了區(qū)別高電力供應(yīng)與低電力供應(yīng)，可以使用電力交易的電力價(jià)格的 固定的或者隨時(shí)間變化的閾值。
[0026]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，針對(duì)本發(fā)明的方法定義電力供應(yīng)的閾值。在這種情況下，以 規(guī)則或不規(guī)則的間隔確定當(dāng)前的電力供應(yīng)，并且在電力供應(yīng)在閾值之下時(shí)，電解池以第一 電池電壓操作且氣態(tài)氧被供應(yīng)給耗氧電極，而當(dāng)電力供應(yīng)在閾值之上時(shí)，以第二電池電壓 操作，且沒(méi)有供應(yīng)氧給耗氧電極。如上所述，電力供應(yīng)的閾值與當(dāng)前電力供應(yīng)可以在發(fā)電量 與耗電量的差異的基礎(chǔ)上、發(fā)電廠的當(dāng)前輸出的基礎(chǔ)上或者電力交易的電力價(jià)格的基礎(chǔ)上 定義或確定。
[0027] 通過(guò)在不同電池電壓的兩種操作模式之間改變，在本發(fā)明的方法中，可以將氯堿 電解的電耗與電力供應(yīng)靈活地匹配，而不需要氯生產(chǎn)輸出的任何改變或者用于此目的的氯 的中間存儲(chǔ)。作為較高的第二電池電壓的結(jié)果的另外消耗的電能被用于產(chǎn)生氫，并且使得 能夠以化學(xué)能的形式存儲(chǔ)剩余電力，無(wú)需附加的蓄電設(shè)備的構(gòu)建和操作。如此，每消耗千瓦 時(shí)(kWh)產(chǎn)生比在水電解產(chǎn)氫的情況下更多的氫。通過(guò)在兩種操作模式下的兩個(gè)不同陰極 的使用，其可以針對(duì)各種操作模式被優(yōu)化，有可能在這兩種操作模式下以低過(guò)電位工作，并 且最小化在兩種操作模式下的功耗。
[0028] 用于在耗氧電極處氧還原的第一電池電壓以及用于在第二陰極處產(chǎn)生氫的第二 電池電壓的合適的值取決于所用的耗氧電極與第二陰極的設(shè)計(jì)以及氯堿電解的設(shè)想電流 密度，并且能夠以已知方式通過(guò)兩種操作模式下的電流-電壓曲線的測(cè)量來(lái)確定。
[0029] 氣態(tài)氧能夠以基本上純氧的形式或者以富氧氣體的形式供應(yīng)，在這種情況下，富 氧氣體優(yōu)選含有超過(guò)50體積％的氧，更優(yōu)選超過(guò)80體積％的氧。優(yōu)選地，富氧氣體基本上由 氧和氮組成，并且可以任選地另外含有氬。通過(guò)已知的方法可以從空氣中獲得合適的富氧 氣體，例如通過(guò)變壓吸附或膜分離。
[0030] 優(yōu)選地，當(dāng)從在第二電池電壓下的產(chǎn)氫改變到在第一電池電壓下的氧還原的時(shí) 候，電池電壓被降低，直到基本上再也沒(méi)有電流流過(guò)，并且在氣態(tài)氧被供應(yīng)給耗氧電極之 前，氣體空間用惰性氣體吹掃。類似地并且優(yōu)選地，當(dāng)從在第一電池電壓下的氧還原改變到 在第二電池電壓下的產(chǎn)氫的時(shí)候，電池電壓被降低，直到基本上再也沒(méi)有電流流過(guò)，并且在 第二陰極產(chǎn)生氫之前，氣體空間用惰性氣體吹掃。合適的惰性氣體是不與氧或氫形成可燃 性混合物并且不與氫氧化鈉水溶液反應(yīng)的所有氣體。所用的惰性氣體優(yōu)選是氮?dú)狻?yōu)選地， 繼續(xù)用惰性氣體吹掃并且維持降低的電池電壓，直到因?yàn)榇祾叨x開(kāi)陰極半電池的氣體中 的氫或氧的含量降低到定義極限以下。優(yōu)選地，如此選擇氫的極限，從而含氫氣體與純氧的 混合不能產(chǎn)生可燃性混合物，并且優(yōu)選地，如此選擇氧的極限，從而含氧氣體與純氫的混合 不能產(chǎn)生可燃性混合物。合適的極限可以從氣體混合物的可燃性的已知的圖中得到，或者 通過(guò)本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的用于確定可燃性的方法來(lái)確定。當(dāng)在本發(fā)明方法的兩種操作模 式之間改變的時(shí)候，電池電壓的降低以及用惰性氣體吹掃可以可靠地避免可燃?xì)怏w混合物 的形成。
[0031] 當(dāng)從在第二電池電壓下的產(chǎn)氫改變到在第一電池電壓下的氧還原的時(shí)候，在用惰 性氣體吹掃之后，優(yōu)選還用含氧氣體吹掃，以避免作為耗氧電極的氣體擴(kuò)散層內(nèi)的高惰性 氣體含量的結(jié)果而導(dǎo)致的氧還原中的質(zhì)量傳遞抑制。
[0032]優(yōu)選地，對(duì)本發(fā)明方法進(jìn)行預(yù)期電力供應(yīng)的預(yù)測(cè)，設(shè)置第一和第二電池電壓操作 的最短持續(xù)時(shí)間，并且具有氣態(tài)氧供應(yīng)的在第一電池電壓下的操作與沒(méi)有氧供應(yīng)的在第二 電池電壓下的操作之間的切換只有在預(yù)測(cè)的低或高電力供應(yīng)的持續(xù)時(shí)間比設(shè)定的最短持 續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的時(shí)候才進(jìn)行。通過(guò)這種操作模式，有可能避免作為太多電池電壓變化以及相關(guān) 聯(lián)的在用惰性氣體吹掃過(guò)程中氯生產(chǎn)中斷的結(jié)果而導(dǎo)致的氯生產(chǎn)能力的損失。
[0033] 在本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施方案中，從在第一電池電壓下的氧還原改變到在第二電 池電壓下的產(chǎn)氫之后，包含氫與惰性氣體的氣體混合物從陰極半電池被抽出，并且氫與該 氣體混合物分離，優(yōu)選通過(guò)膜。通過(guò)這樣的分離，基本上所有產(chǎn)生的氫能夠以高純度和穩(wěn)定 的質(zhì)量獲得。
[0034] 優(yōu)選地，本發(fā)明方法在根據(jù)本發(fā)明的具有多個(gè)電解池的裝置內(nèi)進(jìn)行，并且沒(méi)有向 其供應(yīng)氧的以及其中在第二陰極產(chǎn)生氫的電解池比例作為電力供應(yīng)的函數(shù)而被改變。更優(yōu) 選地，為此目的，上述具有多個(gè)平行設(shè)置的電解器的裝置被使用，并且沒(méi)有向其供應(yīng)氧的以 及其中在第二陰極產(chǎn)生氫的電解器的比例作為電力供應(yīng)的函數(shù)被改變。這實(shí)現(xiàn)在寬范圍內(nèi) 調(diào)節(jié)氯堿電解的功耗，且氯生產(chǎn)基本上恒定。在本實(shí)施方案中，本發(fā)明方法可以用于給配電 網(wǎng)的操作提供陰性(negative)對(duì)照能量，而對(duì)于氯生產(chǎn)沒(méi)有任何不利影響。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 靈活運(yùn)用電力的裝置，其包括用于氯堿電解的電解池，所述電解池具有陽(yáng)極半電池、 陰極半電池以及將陽(yáng)極半電池和陰極半電池彼此分隔的陽(yáng)離子交換膜、設(shè)置在陽(yáng)極半電池 內(nèi)以逐漸產(chǎn)生氯的陽(yáng)極、設(shè)置在陰極半電池內(nèi)作為陰極的耗氧電極、在所述陽(yáng)離子交換膜 與所述耗氧電極之間形成的電解質(zhì)通過(guò)其流動(dòng)的陰極電解質(zhì)空間、在所述耗氧電極的背向 所述陰極電解質(zhì)空間的表面上與所述耗氧電極鄰接的氣體空間、以及將氣態(tài)氧供應(yīng)給所述 氣體空間的導(dǎo)管，其特征在于產(chǎn)生氫的第二陰極被設(shè)置在所述陰極電解質(zhì)空間內(nèi)，并且所 述裝置具有至少一根導(dǎo)管以用惰性氣體吹掃所述氣體空間。2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述耗氧電極和所述第二陰極具有分別的電 力連接。3. 如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，它包含導(dǎo)管，通過(guò)所述導(dǎo)管，將惰性氣體 從所述氣體空間抽出，并且在所述導(dǎo)管處設(shè)置傳感器，通過(guò)所述傳感器可以測(cè)量惰性氣體 中的氧含量。4. 如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于它另外包含至少一根導(dǎo)管，以用惰 性氣體吹掃陰極電解質(zhì)空間。5. 如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于第二陰極鄰接所述陽(yáng)離子交換膜。6. 如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述耗氧電極具有含有金屬銀和 氟化聚合物的多孔疏水氣體擴(kuò)散層。7. 如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于它包含并聯(lián)設(shè)置的多臺(tái)電解器，每 臺(tái)電解器包含多個(gè)各自具有氣體空間的電解池，以及將氣態(tài)氧供應(yīng)給電解器的電解池的氣 體空間的共同導(dǎo)管以及用惰性氣體吹掃電解器的電解池的氣體空間的共同導(dǎo)管，并且所述 裝置包含將氧供應(yīng)給電解器的單獨(dú)導(dǎo)管以及將惰性氣體供應(yīng)給電解器的單獨(dú)導(dǎo)管。8. 靈活運(yùn)用電力的方法，其特征在于，在如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的裝置中，通過(guò) 氯堿電解產(chǎn)生氯，其中： a) 在電力供應(yīng)低時(shí)，氣態(tài)氧被供應(yīng)給所述耗氧電極，并且氧在第一電池電壓下在耗氧 電極處被還原，和 b) 在電力供應(yīng)高時(shí)，沒(méi)有氧氣被供應(yīng)給所述耗氧電極，并且在比第一電池電壓高的第 二電池電壓下在第二陰極處產(chǎn)生氫。9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，當(dāng)從在第二電池電壓下的產(chǎn)氫改變至在第一 電池電壓下的氧還原的時(shí)候，電池電壓被降低，直到基本上沒(méi)有電流流過(guò)，并且在氣態(tài)氧被 供應(yīng)給所述耗氧電極之前，用惰性氣體吹掃所述氣體空間。10. 如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，當(dāng)從在第一電池電壓下的氧還原改變至 在第二電池電壓下的產(chǎn)氫的時(shí)候，電池電壓被降低，直到基本上沒(méi)有電流流過(guò)，并且在第二 陰極產(chǎn)生氫之前，用惰性氣體吹掃所述氣體空間。11. 如權(quán)利要求8-10中任一項(xiàng)所述的方法，其包含步驟： a) 限定電力供應(yīng)的閾值， b) 確定電力供應(yīng)， c) 當(dāng)電力供應(yīng)在閾值之下時(shí)，以第一電池電壓操作電解池且氣態(tài)氧被供應(yīng)給耗氧電 極，而當(dāng)電力供應(yīng)在閾值之上時(shí)，以第二電池電壓操作電解池，且沒(méi)有供應(yīng)氧給耗氧電極， 以及 (1)重復(fù)步驟13)和(3)。12. 如權(quán)利要求8-11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于氮被用作所述惰性氣體。13. 如權(quán)利要求8-12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，從在第一電池電壓下氧還原改 變至在第二電池電壓下的產(chǎn)氫之后，含有氫和惰性氣體的氣體混合物從陰極半電池抽出， 并且通過(guò)膜將氫從所述氣體混合物中分離。14. 如權(quán)利要求8-13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述裝置具有多個(gè)如權(quán)利要求 1-6中任一項(xiàng)所述的電解池，未向其供應(yīng)氧并且其中在第二陰極處產(chǎn)生氫的電解池的比例 作為電力供應(yīng)的函數(shù)而改變。15. 如權(quán)利要求8-14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，進(jìn)行預(yù)期的電力供應(yīng)的預(yù)測(cè)， 設(shè)置第一和第二電池電壓下操作的最短持續(xù)時(shí)間，并且僅當(dāng)預(yù)測(cè)的低或高電力供應(yīng)的持續(xù) 時(shí)間比設(shè)置的最短持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的時(shí)候，才進(jìn)行具有氣態(tài)氧供應(yīng)的在第一電池電壓下的操作 與沒(méi)有氧供應(yīng)的在第二電池電壓下的操作之間的切換。
【文檔編號(hào)】C25B9/18GK105829581SQ201480069181
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2014年12月16日
【發(fā)明人】I·穆薩利姆, G·馬爾科夫茲
【申請(qǐng)人】贏創(chuàng)德固賽有限公司