[发明专利]电解池中的气液分离方法和装置

说明书

发明领域

本发明涉及电解池，具体讲是用于生产氢气和氧气的水电解池，更具体讲是用于分离在电解质水溶液中所夹带的氢气和氧气之类气体产物的方法和设备。

                      背景技术

电合成法是一种通过化学反应进行生产的方法，该化学反应是通过电流流通(通常是直流电(DC))由电推动的，这一电流来自外部电源，在电化学池的阳极电极和阴极电极之间的电解质中流动。在没有副反应时，生产速率与电流成正比。例如，在液体碱水电解池中，直流电在二电极之间通过，在电解质水溶液中将水即反应物分解成气体组分产物，也就是氢气和氧气，其中产物气体从相应的电极表面上析出来。

水的电解装置通常依靠压力控制系统控制电解池两半部分之间的压力以确保两种气体，也就是在电解反应中产生的氧气和氢气保持分离而不混合。

在当今工业上广泛使用的常规的单极池设计中，在一种功能电解装置、池格或单独的容器内包含一个池或一排(平行)池。每个池由在单独槽中的电极对组件组成，其中各个并联的电极对组件作为一对独立的电极起作用。使用一种例如在加拿大专利302,737(授予A.T.Stuart(1930))中公开的中间联接总线条，通过有限的接触面积完成与池的连接。在池格之间使用上述母线条组合，以点至点的电连接方法，使电流从一个池中的阴极的某一部分流至邻近池中的阳极。电流通常在若干个点上流出电极，并通过螺栓、焊接或类似的连接方式在若干个点上完成与下一个电极的连接，而且每个连接处必须能够通过相当大的电流密度。

大部分压滤型电解装置使用各种材料将池的阳极部分和阴极部分相隔离，这些材料包括金属、塑料、橡胶、陶瓷和各种基于纤维的构件。在很多情况下，在框架上机械加工出O形环槽，或者铸造框架以便能够插入O形密封圈。通常必须使用至少两种与电极对组件不同的材料来密封池中的电极，并且要制造出用于电解液循环、反应物进料和产物引出的通道。

以The Electrolyser Corporation Ltd.和Stuart Energy Systems Inc.的名义于1998年7月9日公开的WO98/29912中描述了这样一种单极池电解装置系统，它或者在单组电解装置(SSE)中配置串联的电流，或者在多组电解装置(MSE)中配置并联的电流。上述的WO98/29912公开了兼用于SSE和MSE两种电解装置的部件和组件设计的细节。

这里使用的术语“池”或“电化学池”是指一种包括至少一对电极的结构，该对电极包括一个阳极和一个阴极，每个电极适当地支承于池组构架内。后者还包括一系列部件，例如电解质水溶液循环和引出产物时所通过的循环框架和垫圈。该池还包括以适当方式密封和机械支承池内分离器的分离器装配件和用于分隔邻近池区的端壁。多个池可以串联连接或者并联连接，形成池组，并且使用多少池组成一组没有限制。一个池区是包括一个或多个池组的单元，多个池区通过外部总线条连接在一起。上述的PCT专利申请书WO98/29912描述了包括一个或多个池的功能电解装置，这些池或者并联，或者串联，或者串、并联混合连接。

取决于这种池组式电化学系统的结构，在最简单的串联结构中在每组各端具有一个终端箱；或者在每个池区的末端装有一组终端箱。当采用串、并联混合的池组被组装时，则电解装置的实施方案中包括与一个水平集合槽箱组配连接的若干终端箱。

在电解质电解期间操作池组时，阳极用来产生氧气，而阴极用来产生氢气。两种气体通过下部的渗透膜隔离器保持完全分离。气体和电解质经循环框架和密封组件进行流动，密封组件也可将一种池的组分相对于第二种组分进行密封，以便在一种与槽类似的池组结构中盛装电解质。

刚性的终端箱能够起到几种作用，除充当气/液分离装置之外，它还为从池顶部流出的电解质提供返回通道。终端箱也可以给用于控制电解液液面的部件例如液面传感器和控制温度的部件即例如加热器、冷却器或者换热器提供空间。另外，在终端箱中配有适当的传感器可以监控各个池组中的电解质和气体纯度。同时，在大部分电解质再循环通过电解装置时，可以从各终端箱取出电解质物流，以提供外部的液面控制以及电解质密度、温度、池压和气体纯度的控制和调节。该物流或者回到同一终端箱，或者与其它类似的物流混合并返回到终端箱。或者可以将探测器插入终端箱中以控制这些参数。终端箱也可以具有向终端箱中现有的液体提供两相混合物的导管，以改进气液分离。含有同一种气体的同类终端箱可以经集合槽(header)连接，使其拥有共同的电解液液面。