本發(fā)明涉及一種運行電解設(shè)備的方法以及一種具有用于產(chǎn)生氫氣和氧氣作為產(chǎn)物氣體的電解裝置的電解設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、氫是一種重要的物質(zhì)，在工業(yè)和技術(shù)中有著無數(shù)的應(yīng)用。一般來說，氫僅以化合態(tài)存在于地球上。其中一種含有化合態(tài)的氫的物質(zhì)是水。氫還可用作儲能物質(zhì)，特別是用于存儲借助可再生能源產(chǎn)生方法產(chǎn)生的電能以備后用。

2、獲取氫氣的一種重要方法是電解水，特別是使用電能來電解水。在此，氫氣尤其可用作儲能物質(zhì)、例如將其用作燃料，以便持續(xù)穩(wěn)定地供應(yīng)由特別是可再生能源(例如風(fēng)力、光伏等)產(chǎn)生的電能。不過氫氣也可用于需要燃料或還原劑的其他工藝。因此，在電解過程中獲得的氫氣例如可在工業(yè)上使用，或者可利用燃料電池以電化學(xué)的方式再次獲取電能。

3、可借助合適的電解單池將水分解為其化學(xué)成分氫和氧。為此，可將這些電解單池構(gòu)造為所謂的聚合物電解質(zhì)膜電解單池。在這種電解單池中通常設(shè)有膜，該膜在彼此背對的表面上具有相應(yīng)的催化劑層。催化劑層通常與相應(yīng)的氣體擴散層相鄰，氣體擴散層又與相應(yīng)的導(dǎo)電的接觸板、有時也稱為雙極板相鄰，其主要用于電接觸。優(yōu)選地，接觸板或雙極板還被構(gòu)造成使得其能夠在電解單池中的電解期間的按規(guī)定運行中實現(xiàn)所要求的物質(zhì)傳輸。為此目的，可設(shè)置相應(yīng)的通道來供應(yīng)相應(yīng)合適的電解質(zhì)以及排出電解的反應(yīng)產(chǎn)物、即氫氣和氧氣。氣體擴散層通常能夠?qū)щ娨员銓⒔佑|板和催化劑層彼此電耦合。由此可在催化劑層的區(qū)域中實現(xiàn)所希望的電化學(xué)反應(yīng)。

4、如果電解反應(yīng)是堿性范圍內(nèi)的反應(yīng)，則設(shè)置陰離子交換膜(英語：anion?exchangemembrane、aem)作為膜。與此相對，如果電解反應(yīng)發(fā)生在酸性范圍內(nèi)，則替代地設(shè)置質(zhì)子交換膜(英語：proton?exchange?membrane、pem)。

5、由水產(chǎn)生氫是通過電解工藝進行的。這是一個電化學(xué)過程，其中水被分解成其化學(xué)成分氧和氫。根據(jù)運行模式，電化學(xué)電池反應(yīng)可描述和區(qū)分如下：

6、堿性電解：

7、 陽極電極 <![cdata[4oh^-→2h₂o+o₂+4e^-]]> (1) 陰極電極 <![cdata[2h₂o+2e^-→2oh^-+h₂]]> (2)

8、酸性電解：

9、 陽極電極 <![cdata[2h₂o→4h⁺+o₂+4e^-]]> (1) 陰極電極 <![cdata[4h⁺+4e^-→h₂]]> (2)

10、在聚合物電解質(zhì)膜電解中，相應(yīng)的兩個部分反應(yīng)被可傳導(dǎo)離子的膜在空間上隔開。對于堿性范圍內(nèi)的電解，在此設(shè)置陰離子交換膜(aem)，而對于酸性環(huán)境中的電解，設(shè)置質(zhì)子交換膜(pem)。不過，膜電極組件(mea)的結(jié)構(gòu)設(shè)計在兩種情況下基本上具有可比性。

11、這種電解通常在待分解的水處于液態(tài)凝聚態(tài)的壓力和溫度下進行，因此被稱為低溫電解。廣泛應(yīng)用的堿性電解以及pem電解均屬于這種情況。對于這種類型的電解使用的大部分電能被用于液態(tài)水到氣相的必需的相變。只有這樣，對于水的電化學(xué)分解所必需的熱力學(xué)相變才有可能，從而最終在氣相中促成上述電極反應(yīng)。對于低溫電解的過程控制，必須保持相應(yīng)大的電池電壓或過電壓。還有復(fù)雜的設(shè)備技術(shù)系統(tǒng)以及昂貴的材料，例如由稀有且非常昂貴的材料制成的催化劑，特別是在pem電解中，該催化劑容易退化。

12、已經(jīng)提出了用于高溫電解(hte)的系統(tǒng)、例如固體氧化物電解裝置，其中向電解裝置供給非常高溫度的已經(jīng)是蒸氣態(tài)的水。在此，高溫電解裝置以高于水的沸騰溫度的溫度、通常以明顯高于500℃的水蒸氣的溫度運行。然而，該技術(shù)在工業(yè)規(guī)模上的可靠技術(shù)實施目前仍存在許多未解決的技術(shù)挑戰(zhàn)，盡管基本方案早已為人所知。

13、例如，專利文獻de?31?01?210?a1描述了一種用于高溫電解的模塊單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中，多個氧化鋯電解管被連接在一起形成模塊單元，以用于高溫蒸氣電解。在電解管和承載體之間的連接部位處對約950℃的工作溫度下的機械穩(wěn)定性和絕對的氣密性提出了很高的要求。這些要求與昂貴的高溫材料(例如氧化鋯)的大量使用密切相關(guān)。

14、專利文獻de?10?2005?017?727?a1描述了一種用于高溫蒸氣電解的方法和裝置。在該文獻描述的高溫蒸氣電解(也稱為“解離”)中，解離電池被構(gòu)造為具有固體電解質(zhì)的雙通道的容器。在兩個通道的外部，在高壓和高溫下引入水蒸氣并將其分解成氫和氧，其中，被電離的氧通過固體電解質(zhì)傳輸、放電和排出。在此，所供應(yīng)的熱蒸氣在大于40bar的工藝壓力下具有大于700℃的工藝溫度，優(yōu)選地甚至在50bar的工藝壓力下具有800℃的工藝溫度。這對于工業(yè)運行來說在技術(shù)上要求極高，并且除了需要堅固的壓力容器和反應(yīng)空間之外還需要對電極使用大量且昂貴的材料、例如鉑和氧化鋯。此外，hte的運行范圍目前很窄、即非常有限，使得由高工藝溫度帶來的效率優(yōu)勢僅僅很有限地彌補了這一缺點。與堿性電解裝置或pem電解裝置相比，使用變化不定的電解電流的問題是運行范圍較窄，以及由于高熱應(yīng)力而導(dǎo)致的負載變化期間不可避免的材料應(yīng)力。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對這些缺點的背景，本發(fā)明的目的是提供一種用于運行電解設(shè)備的方法，利用該方法可實現(xiàn)在高的可用性的情況下特別高效且靈活的運行。

2、另一目的是提供一種電解設(shè)備，該電解設(shè)備可在技術(shù)上容易地實現(xiàn)高效且靈活的運行。

3、根據(jù)本發(fā)明，針對用于運行電解設(shè)備的方法提出的目的通過一種用于運行電解設(shè)備的方法來實現(xiàn)，所述電解設(shè)備包括用于產(chǎn)生氫氣和氧氣作為產(chǎn)物氣體的電解裝置，其中，水作為反應(yīng)物水被供應(yīng)至電解裝置并在可透過離子的膜上分解為氫氣和氧氣，其中，在分解之前，反應(yīng)物水在壓力和溫度方面被帶到接近水的沸點的熱力學(xué)狀態(tài)并且在此狀態(tài)下供應(yīng)至膜，其中，反應(yīng)物水在膜上沸騰并因而轉(zhuǎn)變到氣相中，并且其中，反應(yīng)物水在氣相中在膜上分解。

4、本發(fā)明基于的認知是，低溫電解和高溫電解都具有缺點。對于低溫電解，對這類電解施加的電能的大部分必須用于所需的對液態(tài)水進行加熱以及液態(tài)水變?yōu)闅庀嗟南嘧?。只有這樣，才能實現(xiàn)對于水的電化學(xué)分解所必需的熱力學(xué)相變，以便最終在氣相中引發(fā)上述電極反應(yīng)并排出產(chǎn)物氣體氫氣和氧氣。為了實現(xiàn)這一點，對于低溫電解，在過程控制中必須維持相應(yīng)大的電池電壓或過電壓。此外，必須提供復(fù)雜的設(shè)備技術(shù)系統(tǒng)以及昂貴的材料，例如由稀有且非常昂貴的材料制成的催化劑，特別是在pem電解中，該催化劑在運行中容易退化。這意味著例如催化劑或膜的可被使用的持續(xù)時間(所謂的“使用壽命”)是有限的，因為電解設(shè)備只能以足夠的活性和選擇性才能經(jīng)濟性地運行。

5、對于高溫電解，雖然其使用已經(jīng)在高壓下在氣相中劇烈加熱的水作為電解的工作介質(zhì)(反應(yīng)物水)，但是高溫電解也存在缺點，該缺點除了涉及較低的運行靈活性之外，主要還涉及材料的使用。固體氧化物電解單池中電極和電解質(zhì)的材料的選擇在這里是很重要的。針對該工藝研究的一種選擇是使用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(ysz)電解質(zhì)、鎳-金屬陶瓷蒸氣電極/氫電極以及由鑭、鍶和鈷氧電極構(gòu)成的混合氧化物。然而，對于經(jīng)濟性的運行，除了提供廉價的、co2中性的能源之外，還需要降低資本費用，其目前(截至2018年)約為2500歐元/kwel，因而明顯高于堿性電解的1000歐元/kwel的資本費用。

6、本發(fā)明認識到了這些缺點，并通過在電解設(shè)備的工藝管理和結(jié)構(gòu)設(shè)計中設(shè)計電解的重要熱力學(xué)運行點(不同于通常的低溫電解和高溫電解)有針對性地克服它們。在此，針對運行管理，調(diào)節(jié)供應(yīng)給電解工藝并待分解的反應(yīng)物水的溫度，使得反應(yīng)物水在分解之前就已經(jīng)在壓力和溫度方面處于接近或非常接近水的沸點的狀態(tài)。

7、在此，在本發(fā)明的范疇中，用于所提到的電解目的的純的、完全脫鹽的水的沸點、蒸發(fā)點或沸騰點被理解為相圖中的一個值對，其由兩個變量組成：氣體和液體之間的相界線處的飽和溫度(特別是沸騰溫度)和飽和蒸氣壓(特別是沸騰壓力)。因此，水的沸點由當(dāng)水從液態(tài)的物態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的物態(tài)時的壓力和溫度兩個狀態(tài)變量組成。因此，對于開放的盛有水的容器，沸點是溫標上蒸氣壓等于大氣壓的點。在表格資料中給出的是標準壓力下、即1013.25hpa壓力下的沸騰溫度。該沸點稱為標準沸點，所給的沸騰溫度稱為標準沸騰溫度。

8、因此，根據(jù)水的蒸氣壓曲線，沸騰溫度取決于壓力，并且不一定與標準壓力下的沸騰溫度一致，而本發(fā)明的方法有利地利用了這一點。

9、通過本文提出的將反應(yīng)物水的熱力學(xué)運行在接近或非常接近沸騰溫度處，即使由于電解工藝的歐姆熱損失而進入反應(yīng)物水的少量熱量輸入也會使反應(yīng)物水沸騰和蒸發(fā)。對反應(yīng)物水在電極上發(fā)生分解的區(qū)域或單元(例如對于pem電解在陽極處)進行局部觀察，該熱誘導(dǎo)的沸騰過程致使反應(yīng)物水轉(zhuǎn)變到氣相。由此，水至少部分地以氣態(tài)形式(即具有高氣體含量的水)或至少以對應(yīng)于飽和蒸氣壓的具有高氣體含量的水/蒸氣混合相供應(yīng)給電解工藝。

10、由此有利地降低了水分解所需的電池電壓，從而帶來了高的運行效益。根據(jù)能斯特方程，電極電勢與溫度有關(guān)，并且通過電池為電解提供的電勢差、即所謂的電池電壓，隨著絕對溫度的升高而降低。由此以電池電壓降低的程度減少了電解的能量需求，只要沿著蒸氣壓曲線設(shè)置具有比標準條件下標準沸騰溫度更高的沸騰溫度的工作點。在25℃的溫度下，水電解和氫氧燃料電池的可逆電池電壓在1013.25hpa的標準壓力下均為1.23v。

11、此外，由于熱力學(xué)運行條件的改變，對于催化劑材料的選擇和所需的材料使用量也具有優(yōu)勢，從而可以節(jié)省材料成本。

12、較低的內(nèi)部電池電壓的效果也被證明在電解單池、特別是膜電極組件(即在陽極側(cè)或陰極側(cè)涂覆有相應(yīng)的催化劑材料的膜)的相應(yīng)較低的退化效應(yīng)方面具有很大的優(yōu)勢。較高的電勢差會促進老化效應(yīng)，本發(fā)明專門抵消了這一效應(yīng)。

13、在所述方法的特別優(yōu)選的實施方式中，通過在膜處局部輸入熱量，將反應(yīng)物水從略低于沸騰溫度的溫度加熱至沸騰溫度，由此將反應(yīng)物水從液相轉(zhuǎn)移至氣相。

14、在此，電解工藝中存在的歐姆熱量損失被有針對性地且局部地在膜處加以利用，以便通過仍然需要的相對較小的溫度升高來實現(xiàn)到氣相的轉(zhuǎn)變。由于反應(yīng)物水的熱力學(xué)狀態(tài)被設(shè)置成其已經(jīng)略低于沸點處的沸騰溫度，所以有利地僅需要克服很小的溫度差并僅需要很小的熱量輸入，該熱量輸入可從工藝獲取。液相中的小幅溫度升高與水的熱容量4.18kj/kg·℃成正比。100℃時使水蒸發(fā)所需的蒸發(fā)焓為2.26kj/kg。該蒸發(fā)焓與壓力無關(guān)，并且隨著水的沸點溫度的升高而降低。

15、優(yōu)選地，將反應(yīng)物水的溫度與沸騰溫度之間的溫度差設(shè)置為小于5℃、特別優(yōu)選地設(shè)置在1.5℃與2.5℃之間。由此，略低于沸騰溫度的液相中的反應(yīng)物水仍可有效地供應(yīng)至電解裝置，并最終可對用于分解工藝的傳導(dǎo)離子的膜局部施加反應(yīng)物水，引起熱量輸入。在理想情況下，有利地將幾乎所有的損失熱量用于熱量輸入，即用于反應(yīng)物水的溫度升高和蒸發(fā)。沸騰過程局部地恰好在電解工藝中產(chǎn)生損失熱量的地方發(fā)生，并在過程控制中加以利用。蒸發(fā)有利地伴隨著電解裝置、特別是膜和催化劑的局部冷卻，從而產(chǎn)生沸騰冷卻。不再需要額外的冷卻。

16、在所述方法的優(yōu)選的實施方式中，在一壓力下將反應(yīng)物水從低的溫度加熱至較高的溫度，從而達到接近沸點的熱力學(xué)狀態(tài)。優(yōu)選的是從反應(yīng)物水的預(yù)定且固定的壓力開始的等壓過程控制。可以很容易地實現(xiàn)溫度升高。所述低的溫度例如可以是作為反應(yīng)物水供應(yīng)至電解裝置的完全脫鹽的淡水(新鮮水)的初始溫度或起始溫度，該溫度例如最初低于25℃的標準溫度。然后通過熱量供應(yīng)和加熱或熱交換使該反應(yīng)物水達到更高的溫度水平。從所述較高的溫度開始，僅利用工藝本身中的損失熱量來達到沸騰條件并且使反應(yīng)物水在膜上局部蒸發(fā)。反應(yīng)物水的壓力在此有利地由電解裝置的運行壓力表征或確定，或者與優(yōu)選的運行壓力一致。在此，可對陽極側(cè)的工藝和陰極側(cè)的工藝之間加以區(qū)分，其中各自的壓力保持基本恒定。

17、在所述方法的另外的優(yōu)選的實施方式中，將反應(yīng)物水加熱至低溫電解的運行溫度，該運行溫度對應(yīng)于所述較高的溫度，其中，所述較高的溫度被設(shè)置為最高130℃、特別是在90℃至120℃之間。

18、該溫度范圍可被很容易地控制，并且除了外部的熱量供應(yīng)(預(yù)熱段)之外尤其是幾乎所有來自電解設(shè)備的運行的工藝熱都可用于此，該工藝熱被特別有利地用于該目的。通過熱量供應(yīng)、例如通過加熱或熱交換，將反應(yīng)物水從淡水溫度水平帶到對于電解設(shè)備的運行所希望的較高的溫度水平，從而達到接近沸點的反應(yīng)物水的所需的熱力學(xué)狀態(tài)。

19、在所述方法的特別優(yōu)選的實施方式中，在一溫度下將反應(yīng)物水從高的壓力帶到較低的壓力，從而達到接近沸點的熱力學(xué)狀態(tài)。

20、在恒定的溫度下降低運行壓力是通過產(chǎn)生負壓達到沸點或沸騰條件從而在該溫度下將反應(yīng)物水帶到氣相中的特別有利且簡單的方法。在此，水的指定溫度沒有特別限制，但有利地在低溫電解的領(lǐng)域中設(shè)置在60℃至80℃的溫度，即低于水的標準沸騰溫度。該過程控制的決定性因素是蒸氣壓曲線中氣體和液體之間的相界線處水的飽和蒸氣壓、特別地也稱為沸騰壓力。沸騰所需的低的壓力或負壓有利地根據(jù)電解裝置中或膜上局部的反應(yīng)物水的溫度來設(shè)置或設(shè)定。

21、在所述方法中，優(yōu)選地將反應(yīng)物水供應(yīng)至陽極空間和由膜在空間上隔開的陰極空間，其中，在陽極空間中設(shè)置所述較低的壓力。有利地，在反應(yīng)的陽極側(cè)降低運行壓力。作為示例，對于pem水電解或堿性電解，這是氧氣側(cè)，因此在陽極空間中在傳導(dǎo)離子的膜上的形成氧氣作為產(chǎn)物氣體，其形成為氣相中的分子氧或轉(zhuǎn)變到氣相。由于陽極空間中預(yù)設(shè)的沸騰條件，在實際的電化學(xué)分解之前，反應(yīng)物水就發(fā)生從液態(tài)到氣態(tài)的相變。因此，分子水在涂覆有催化劑的膜上的氣相反應(yīng)以及氧氣的放出(oer：oxygen-evolution-reaction(析氧反應(yīng)))在氣相中就得到了促進、即氣相過程占主導(dǎo)地位。

22、優(yōu)選地，在此在陽極空間中將所述較低的壓力設(shè)置為200mbar至500mbar、特別是300mbar至400mbar的壓力。由此可實現(xiàn)約60℃至80℃的運行溫度，其中，根據(jù)水的蒸氣壓曲線將反應(yīng)物水的相應(yīng)溫度設(shè)置為略低于沸騰溫度。在這種情況下，優(yōu)選地將陰極空間中的壓力設(shè)置為大于陽極空間中的壓力，使得僅在陽極空間中(即在pem電解裝置或堿性電解裝置的氧氣側(cè))實現(xiàn)沸騰條件。

23、由此對陽極空間中的陽極反應(yīng)設(shè)置負壓運行，這是特別有利的且可容易地實施的。因此，最低優(yōu)選地小于600-800mbar的運行壓力的負壓運行基本上仍然是可能有效的，或者可選地，采用陽極空間中運行壓力高于此至多達到1013mbar的(即在大氣壓力下或標準壓力下的)低壓運行。

24、優(yōu)選地，反應(yīng)物水在陽極空間中蒸發(fā)，從而引起膜的沸騰冷卻。沸騰過程有利地正好在產(chǎn)生電解工藝的被用于蒸發(fā)的損失熱量的地方局部進行。這促成對陽極空間和陰極空間中的敏感的膜以及電解單池的其他部件和材料的局部且在溫度載荷方面精確到點的沸騰冷卻。即使一定比例的所產(chǎn)生水蒸氣在此沒有被電解分解，該水蒸氣也可按照與電解工藝中產(chǎn)生的氧氣相同的方式從陽極空間逸出。散熱效果堪比“heatpipe(熱導(dǎo)管)”、即熱管?！癶eatpipe(熱導(dǎo)管)”或熱管是一種利用介質(zhì)的蒸發(fā)焓允許較高的熱流密度的換熱器。通過這種方式可在很小的橫截面上傳遞大量的熱量。對于熱管，傳輸能量的能力主要取決于工作介質(zhì)的比蒸發(fā)焓(單位為kj/mol或kj/kg)，并且有利地不取決于容器壁或工作介質(zhì)的熱導(dǎo)率。為了在100℃和1013mbar(標準條件)下蒸發(fā)一公斤的水，必須消耗分離功δw＝2088kj，沸騰過程以很高的冷卻功率的形式、作為蒸發(fā)的結(jié)果吸收的熱量直接從環(huán)境提取。

25、這帶來了一系列的優(yōu)點：

26、由于利用特別有效且可靠的沸騰冷卻的過程管理，可有利地省去對陰極空間(即電解裝置或電解單池的氫氣側(cè))的冷卻。這意味著在氫氣側(cè)、即對于陰極空間，通過合適的設(shè)備設(shè)計，不僅可省去通常所需的復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)的部件，而且還不需要強制的水循環(huán)，從而顯著簡化相關(guān)的工藝技術(shù)。

27、由于溫度敏感的膜現(xiàn)在被局部地、即精確到點地冷卻，還得到了沸騰冷卻的另外的優(yōu)點。因此，由于無需考慮可能的熱點，所以可在必要時提高電解單池的運行溫度。這一方面提高了電池效率，另一方面實現(xiàn)了提取熱量以及在更高的溫度水平下使用損失熱量，這在熱力學(xué)過程控制方面顯著更高效。

28、由于在所述方法中電解單池中幾乎所有損失熱量都用于反應(yīng)物水的加熱和蒸發(fā)，所以不需要另外地冷卻陽極空間、即反應(yīng)的氧氣側(cè)中存在的反應(yīng)物水。因此，在電解設(shè)備中可很大程度上省去通常安裝在工藝水回路中的換熱器和冷卻系統(tǒng)的其他部件。

29、優(yōu)選地，在陰極空間中設(shè)置比在陽極空間中的壓力更高的壓力，其中，維持10bar至15bar的壓力差δp。

30、因此，對于過程管理，僅在陽極空間中產(chǎn)生負壓就足夠了。事實證明，壓力差運行在設(shè)備技術(shù)方面特別有利且高效。優(yōu)選地，降低電解單池的氧氣側(cè)的運行壓力直至達到沸騰條件。在對于陽極空間中的負壓運行而言優(yōu)選的200mbar至500mbar的壓力下，產(chǎn)生利用當(dāng)今已知的聚合物膜可實現(xiàn)的60℃至80℃的運行溫度。在這些溫度下，當(dāng)今的聚合物膜仍然具有允許壓力差運行的足夠的強度。因此，陰極空間、即反應(yīng)的氫氣側(cè)有利地不是必須同樣以負壓運行，從而使跨過(通過)膜在陽極空間和陰極空間中存在相同的壓力、所謂的等壓運行。替代地，利用本發(fā)明的方法，通過使陰極空間相對于陽極空間具有若干bar的超壓實現(xiàn)氫氣側(cè)的更加經(jīng)濟性的運行。

31、根據(jù)本發(fā)明，針對電解設(shè)備提出的目的通過一種具有用于產(chǎn)生氫氣和氧氣作為產(chǎn)物氣體的電解裝置的電解設(shè)備來實現(xiàn)，其中，所述電解裝置具有用于反應(yīng)物水的供應(yīng)管路以及陽極空間和陰極空間，其中，陽極空間和陰極空間通過可透過離子的膜隔開，并且其中，產(chǎn)物氣體管路與陽極空間聯(lián)接，在產(chǎn)物氣體管路中連接有負壓泵，從而可在陽極空間中產(chǎn)生負壓。

32、利用通過產(chǎn)物氣體管路與陽極空間聯(lián)接的負壓泵可在陽極空間中提供負壓，從而在電解裝置的運行期間，當(dāng)對陽極空間施加反應(yīng)物水時，通過有利地基本上等溫的壓力降低可實現(xiàn)沸騰條件。在此，將負壓泵連接成使得負壓泵的吸入側(cè)與陽極空間聯(lián)接。除了負壓條件之外，利用負壓泵還可同時實現(xiàn)非常有效地提取和輸送氧氣側(cè)的產(chǎn)物氣體。該產(chǎn)物氣體主要是陽極空間中在膜上由電解工藝產(chǎn)生的產(chǎn)物氧氣以及氣相中的未經(jīng)電化學(xué)分解的反應(yīng)物水，還可能有少量的外來氣體成分、例如產(chǎn)物氫氣。

33、在此，可使用傳統(tǒng)的裝置、例如非常簡單且穩(wěn)健的螺旋式壓縮機在設(shè)備技術(shù)上實現(xiàn)陽極空間、即氧氣側(cè)的負壓。用于負壓泵或壓縮機總成的額外的設(shè)備技術(shù)消耗和能量消耗除了被上文已經(jīng)針對所述方法描述的優(yōu)點補償之外還被如下優(yōu)點補償：

34、在輸出側(cè)、即產(chǎn)生負壓的壓縮機或負壓泵的壓力側(cè)，由于壓縮機中的壓力升高，流過的氧氣/水蒸氣混合物的溫度升高。該溫度水平還可在能量方面加以利用。

35、因此在所述電解設(shè)備的優(yōu)選的設(shè)計方案中，氣體冷卻器連接到產(chǎn)物氣體管路中，該氣體冷卻器連接在負壓泵的壓力側(cè)的下游。

36、通過在下游連接的氣體冷卻器，可在熱力學(xué)上更有價值的更高的溫度水平下提取電解裝置的廢熱以供進一步使用。通過合適的設(shè)計，水蒸氣有利地在氣體冷卻器中凝結(jié)，從而可獲得凝結(jié)熱量。然后，壓縮機有利地與氣體冷卻器結(jié)合以實現(xiàn)集成熱泵的附加功能。

37、在所述電解設(shè)備的另外的優(yōu)選的設(shè)計方案中，設(shè)有通入到產(chǎn)物氣體管路中的供應(yīng)管路，氣體壓力調(diào)節(jié)閥連接到該供應(yīng)管路中，從而可通過該供應(yīng)管路將氣體、特別是經(jīng)過濾的環(huán)境空氣供應(yīng)至產(chǎn)物氣體管路。

38、除了調(diào)節(jié)壓縮機側(cè)的轉(zhuǎn)速之外，還可有利地通過氣體壓力調(diào)節(jié)閥精確地調(diào)節(jié)壓力，當(dāng)壓力低于運行目標值時，氣體壓力調(diào)節(jié)閥例如允許經(jīng)過過濾器過濾的環(huán)境空氣流入到電解設(shè)備中。

39、優(yōu)選地，所述電解設(shè)備替代地或附加地具有與供應(yīng)管路聯(lián)接的氣體容器，從而可經(jīng)由氣體壓力調(diào)節(jié)閥從氣體容器提取氣體并供應(yīng)至產(chǎn)物氣體管路。

40、在此有利的是，將氧氣作為氣體儲存并存儲在氣體容器中。無論如何，在陽極空間中的水電解都會產(chǎn)生氧氣作為產(chǎn)物氣體，因此氧氣是可用的。這對于電解設(shè)備的運行安全性具有積極的附加作用，即在部分負載運行中有可能更頻繁地出現(xiàn)的且不希望地高的外來氣體濃度、特別是作為陽極空間中的氧氣中的外來氣體成分的氫氣，可利用所設(shè)置的簡單的設(shè)備技術(shù)部件非常有效地稀釋。

41、替代地，可以如所描述的吸入先前已除去氫氣的氧氣而不是吸入環(huán)境空氣，其中，在兩種實施方式中可有效地利用負壓泵的吸入側(cè)的可用的負壓。為了實現(xiàn)這一點，供應(yīng)管路因此有利地在負壓泵的吸入側(cè)、即在產(chǎn)物氣體管路的位于陽極空間的出口與進入負壓泵的吸入側(cè)的入口之間的管路區(qū)段中通入到產(chǎn)物氣體管路中或與其聯(lián)接。

42、所述電解設(shè)備優(yōu)選地設(shè)有與負壓泵聯(lián)接的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，利用該轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置可調(diào)節(jié)負壓泵的轉(zhuǎn)速。因此，通過氣體壓力調(diào)節(jié)閥除了實現(xiàn)精確的壓力調(diào)節(jié)之外還有利地實現(xiàn)了調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速。因此，如果需要，也可精確地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，通常調(diào)節(jié)至對關(guān)于壓力側(cè)和吸入側(cè)的希望壓力比或壓縮比的可預(yù)定的、恒定的轉(zhuǎn)速目標值。所述負壓泵優(yōu)選設(shè)計為螺旋式壓縮機。

43、所述螺旋式壓縮機有利地設(shè)計為無油的壓縮機。由此可防止油蒸氣或其他潤滑劑有害地擴散或進入到具有敏感的、可透過離子的膜的陽極空間中，這進一步提高了運行安全性。因此，對于使用目的來說，這是一種特別可靠且穩(wěn)健的解決方案。所述螺旋式壓縮機，其又稱為螺旋絲杠泵、螺旋泵、螺旋活塞泵，是一種所謂的擠壓器泵，其旋轉(zhuǎn)的擠壓器的形狀類似于絲杠。它是齒輪泵的斜齒式的變體并且屬于螺旋式壓縮機。螺旋絲杠泵優(yōu)選地由兩個或更多個反向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和包圍轉(zhuǎn)子的殼體組成。轉(zhuǎn)子構(gòu)造為具有規(guī)則的、螺紋形的輪廓，并且像齒輪一樣彼此嚙合。由這三種結(jié)構(gòu)元件形成的空腔形成了用于輸送介質(zhì)的輸送空間。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，它們沿機器方向遷移并將介質(zhì)從吸入側(cè)(入口)輸送到壓力側(cè)(出口)。

44、螺旋式壓縮機不是以功率調(diào)節(jié)的方式工作，而是以恒定的轉(zhuǎn)速工作。如果在優(yōu)選的部分負載運行中產(chǎn)生“太少”的氧氣，則氣體壓力調(diào)節(jié)閥會自動地例如用簡單過濾的環(huán)境空氣進行補充。作為替代或補充，可從氣體容器供應(yīng)氧氣。在25％部分負載下，產(chǎn)生的氧氣與不希望的氫氣成分可以按1：3的比例稀釋至無害的混合比例。這使得能夠在相對非常低的部分負載下實現(xiàn)運行間隔，這在當(dāng)今由于出現(xiàn)的氫氣在氧氣中的外來氣體濃度較高而至今無法在運行中實現(xiàn)。

45、替代地，利用可用的負壓，可吸入預(yù)先去除了氫氣的氧氣而不是吸入環(huán)境空氣?？蓪崿F(xiàn)的稀釋效果基本上是相同的。然而，環(huán)境空氣本身含有二氧化碳，它會溶解在工藝水中，進而影響電解的膜和內(nèi)裝部件，可通過供應(yīng)純的氧氣進行稀釋來可靠地排除這種情況。

46、在所述電解設(shè)備的特別優(yōu)選的設(shè)計方案中，陽極空間和陰極空間通過可透過質(zhì)子的膜隔開，從而可進行pem電解。

47、本發(fā)明的方法的優(yōu)點和有利的設(shè)計方案被視為電解設(shè)備的優(yōu)點和有利的設(shè)計方案，反之亦然。