操作电解槽的方法和电解装置与流程

本发明涉及一种操作电解槽的方法，该电解槽包括堆叠在电池堆内的一个或多个电池，以及还涉及这种类型的电解槽/电解装置。特别地，本发明一方面涉及被配置为进行电解水以产生氢气(和氧气)的电解槽。此外，另一方面，本发明特别涉及进行碱电解的那些电解槽。

背景技术：

1、这种电池堆类型的电解是众所周知的，并且例如公开于de 102014010813 a1或ep0212240b1中。

2、在进行碱电解的电解操作过程中，电解液，如koh aq，流经由电池框架中的孔和开口形成的一个或多个歧管。不时地测量单个电池的电池电压，以便检测电池电压的下降，这可以是电解槽不再以其最大性能运行的第一指示。另一方面，已知不时地检查碱液的浓度，该浓度一方面由于水的消耗而变化，另一方面由于电解液的损失而变化。

3、尽管采取了这些措施，尽管在这种电解系统中使用的电解技术在工作原理方面早已为人所知，但为了提高物理实施的电解槽系统的效率和性能，仍存在发展。因此，有时证明电解槽系统最初具有相当好的性能，随着时间的推移性能下降，并且耐久性或寿命低于预期。

4、因此，本发明的目的是提高这种电解槽系统的耐久性和/或长期性能。

技术实现思路

1、就方法而言，该目的通过进一步的发展来解决，其主要特征在于，在电解槽的操作期间，电池堆中的一个或多个位置的温度被间接地或直接地测量，特别是直接地通过具有插入电池堆内部的敏感元件的一个或多个传感器来测量。

2、这种进一步的发展允许工作系统的高耐久性，并且还增加了系统的耐久性，因为可以及时检测对过程的有害影响，并且可以更精确地抵消系统的工作状态。例如，当温度条件在理想工作条件之外保持太长时间时，发现这会对电解槽系统的长期性能产生相关影响。此外，已经发现，与合理优化的工作条件的偏差可以通过所述测量并且优选地还通过监测测量的(直接或间接)温度来预期地识别，特别是温度随时间的变化和/或与预定义的参考相比，还特别是温度分布(特别分辨温度分布)随时间和/或与预定义的参考分布相比的偏差。此外，可以更准确性地提供在检测到超出预定义阈值的变化时要采取的反应，如维护、操作停止或其他措施，并且特别是可以组织实施的维护计划。

3、在一个优选实施例中，敏感元件被插入到电池框架中，特别是非常靠近框架内部的边界和/或连接所述内部与框架中轴向延伸的收集通道的通道。因此，可以从堆的内部测量非常有意义的温度值，并且仍然提供敏感元件免受化学攻击的保护。敏感元件的定位优选在电解液离开框架内部的一侧(活性区)。因此，即使在那些被期望具有最高过热风险的区域中，也可以获得温度信息。此外，关于定位，优选的是，敏感元件到电池框架内部的距离低于其到电池框架外侧的距离的80％，优选地低于60％，特别是低于40％。此外，优选地敏感元件与电解液出口的圆周距离低于40°，优选地低于30°，特别是低于20°。如上所述并作为示例在下面的图2中示出，嵌入电池框架材料中的敏感元件通过上述靠近而受到保护免受化学攻击，而不与流经所述通道的流体直接接触(敏感元件与所述通道没有流体连通)。

4、在另一优选实施例中，测量基于电阻温度装置(rtd)。然而，在其他实施例中，还设想使用热电偶。关于rtd，优选铂基电阻器和/或在室温下电阻为80欧姆或甚至更高的电阻器。例如，可以使用pt100，更优选为pt1000元件。进一步优选分别为工业rtd元件的传感器。

5、在一些实施例中，用于连接到rtd的2线布置被认为是足够的，因为监视可以合理地更多地基于温度梯度而不是温度的绝对值。然而，为了提高精度，设想了3线布置或更优选地4线布置。

6、布线可以被引导到电池框架的外壳外部。它可以从定位的电解槽的位置被引导到靠近电解槽或也与电解槽分开设置的一些控制装置。变换器可以设置在控制器的侧面，或者也可以设置在电解槽的侧面。在任何情况下，优选的是，从电解槽到控制器的任何布线都受到保护，例如在级别上，并且连接也被配置为不会对用于定位电解槽的ex区域的安全级别产生不利影响。

7、在可能的实施例中，仅为整个堆叠提供一个传感器，这用于每n个电池，并且是钉型(staple)中电池的总数。对于n，优选具有至少40个电池，更优选至少70个电池，特别是至少100个电池。然而，还设想具有甚至更多的电池，即120个或更多、130个或更多或甚至140个或更多。

8、特别地，电解槽越大，可以并入(包含)的温度传感器就越多。例如，可以每60个电池、每40个电池或每30个电池实现至少一个温度传感器。此外，可以设想更薄的网格，例如每10个电池或更少、甚至每8个电池或甚至每6个电池实现至少一个温度传感器。对于最外部的监视，还可以为每个电池提供至少一个温度传感器。因此，可以独立于电解槽的其他电池而适当地检测单个电池的故障。

9、在另一个优选实施例中，可以存在具有一个以上温度传感器的至少一个电池。这些可以布置得彼此非常接近，以便在监视中提供更高的冗余度。另一方面，它们也可以间隔开，特别是覆盖电池周向范围的更宽部分，以便建立从电解液入口到电解液出口的温度分布。

10、传感器也可以以可更换的方式安装，特别是通过至少在移除插入通道的覆盖物之后在电池框架中具有可从外部进入的插入通道。

11、在另一个优选实施例中，设想至少一个传感器被布置为更靠近端板，该端板与具有电解液入口和/或出口的端板相对，该入口和/或者出口连接到用于循环碱水的管道。例如，阴极侧端板可以具有用于电解液流的入口和出口。此外，附加地或可替换地，优选在通过电解槽的电解液流的压力损失最大的电池中具有至少一个温度传感器，分别在属于所有电池中压力损失最高20％的那些电池的电池中。

12、在另一个优选实施例中，将测量的温度与预定义的标准进行比较，并且在不满足该标准的情况下，改变电解槽的至少一个操作条件，停止电解槽的操作状态，和/或确定直到下一次停止(特别是为了维护)的未来操作持续时间。

13、可以定期或选择性地重复进行测量。优选地，所述测量至少每周重复一次，更优选至少每两天或甚至每天至少一次。当然，优选地，为了能够对单一事件也快速做出反应和/或为了进行密网筛(close mesh)监视，所述测定可以是至少每8h一次、至少每4h一次或至少每2h一次。当然，也可以进行时间上的连续测量或时间上的准连续测量。

14、根据观察到的温度变化，在温度超过与严重危险状况(例如过热风险)相对应的预定义阈值的情况下，可以提供操作停止。可以引入第二阈值，其中超过阈值通过发出指示要执行维护的相应信号来产生所执行的维护。此外，可以引入第三水平阈值，该阈值的超过指示要采取的行动，可能也在电解槽系统的正常运行期间，例如以增加电解液的体积流量。体积流量的这种增加可以通过在电解液循环中发生的脱气的最小脱气(degassing)阈值来反向控制。

15、在优选实施例中，对测量和/或监测的评估可以包括提供指示推荐的剩余操作时间、或直到下一次维护的剩余时间、或在持续运行期间要采取的其他动作的信号。因此，可以给出预测，并且在预测之后，可以采用适应电解槽的实际调节的更准确的处理，从而在操作条件下带来好处，因此，从长远来看，具有更好的长期性能和/或耐用性。

16、在另一种替代或附加实施方式中，可以通过一个或多个热感摄像机从电池堆外部进行测量。

17、关于要采取的行动、维护、预测的所有上述进一步监测和/或评估也同样适用于由所述一个或多个热感摄像机提供的图像的评估。可以提供用于从所述图像导出温度分布的图像识别软件。此外，可以导出诸如温度梯度或指示温度梯度的量之类的参数，特别是以有效区分一个电池与另一个电池的特殊分辨率。人工智能可以帮助评估数据和/或比较数据。

18、在优选实施例中，在与电解槽的钉轴垂直的投影中，一个摄像机的视场包括电池框架表面的8％以上，优选12％以上，特别是16％以上，甚至20％以上。此外，优选地，视场包括这样的位置，在该位置处，如在电解槽的某个圆周方向上所见，提供了从电池中的活性区域进入电池框架的电解液出口。

19、在这种情况下，优选地电解槽的钉轴水平布置，并且所述投影中的视场中心线与重力成角度α，α优选大于10°和/或低于90°。这允许使用有限数量的热感摄像机，一台热感摄像机也足以进行有意义的监视。更优选地，角度α低于82°，特别是低于76°，和/或大于20°，特别是大于30°。

20、就装置而言，本发明提供了一种电解装置，包括在电池堆内具有一个或多个电池堆的电解槽，其主要特征在于根据上述一个或更多方面的方法在电解槽的操作期间用于间接或直接温度测量的装置。

21、根据上述方法的优点，所述装置的优点变得显而易见。

22、在这方面，优选的是，该装置包括至少一个传感器，该传感器具有在电池堆内的敏感元件。可替换地或附加地，该装置可以具有至少一个热感摄像机，其布置在电池堆外部并且使电池堆至少部分地处于其视场中。

23、此外，本发明还提供了电解槽的电池框架，该框架在框架的材料中具有凹部和/或空腔布置，以容纳温度传感器的敏感元件和/或布线。还设想提供已经包括敏感元件和/或其布线的所述电池框架。

24、此外，本发明还提供了一种形成这种框架部件的方法，特别是通过铸造或注射成型，通过材料去除工艺，特别是切割和/或铣削工艺，在如此形成的框架部件中形成凹部和/或空腔布置，将敏感元件及其布线插入如此形成的凹部和/或空腔布置中，特别包括在敏感元件之前定位布线和安装，特别是将敏感元件焊接(solding)在布线上，并且封闭凹部和/或空腔布置，特别是通过用胶水填充。