1.本发明涉及一种运行包括循环碱液的电解槽系统的方法以及对应的电解槽系统。
背景技术：
2.例如用于水的电解的电解槽系统已被大众所熟知。这种电化学过程由泵入至电解槽，例如基本型(staple-type)电解槽的碱液提供，例如从de 102014010813a1中已知的。
3.虽然这类电解槽系统中使用的电解技术就工作原理而言早已为人所知，但为了提高物理实施的电解槽系统的效率和性能，仍存在进一步的发展。
4.此外，在一些场景下最初性能良好的电解槽系统会随着时间的推移性能下降，其耐久性或使用寿命会低于预期。
5.因此，本发明的目的是提高该类电解槽系统的耐用性和/或长期性能。
技术实现要素：
6.就方法而言，本发明的通过最初介绍的方法来解决，其主要特征在于测定与碱液相关的性质，以及进一步的过程控制根据所确定的性质的评估可能发生变化；所述性质包括碱液浓度，特别是自动检测到的碱液浓度，以及特别是根据检测到的碱液浓度自动实现的碱液再加注操作；和/或其中所述性质包括碱液和/或碱液流的一个或多个视觉上可检查的参数，特别是在电解槽运行过程中通过对碱液和/或碱液流的视觉检查自动检测的视觉上可检查的参数；根据所述评估来确定所述电解槽系统的运行条件。
7.由于对过程的不利影响可以被及时地检测到并可以更精确地被消除至系统的工作状态，因此，该进一步发展允许工作系统的更高的可靠性，并也允许工作系统的耐久性的增加。举例来说，发现碱液浓度在理想工作条件之外保持太长时间会对电解槽系统的长期性能产生非常关键的影响。由于污染、水的再加注等，电解槽系统内的碱液浓度在生产过程中会发生变化。此外，已经发现，通过检测，优选地通过监测碱液流的性质而不是仅仅碱液浓度，可以预先识别与合理的优化工作条件的偏差，并且可以提供在检测到所述参数中的偏差时所采取的应对措施，例如根据具体实施的维修计划提供维护。
8.在一种优选的实施方案中，与碱液相关的性质的测定是定期或可选择地重复进行的。优选地，所述测定至少每月重复一次，优选至少每两周重复一次，特别优选地是至少每周重复一次。然而，当所述测定确定是至少每四天，至少每两天，或甚至至少每天一次时，可以达到更好和更准确的处理。当然，特别地，为了能够迅速对特别事件做出反应，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。
9.在一种优选的实施方案中，不仅对所测定的性质值进行了一次性考察，而且对所述性质值随时间的发展进行了监测。为此，通过该方式可以存储测量结果。基于可直接表示为碱液浓度的数值的参数，可以建立所述数值随时间变化的函数。对于通过视觉检查得出的性质，可以派生出二级参数，并将其表示为函数，所述二级参数例如可以是在液体电解质/碱液的图像中可识别的气泡数量，或每一参考面积或参考体积的气泡密度。
10.在一种优选的实施方案中，一个或多个所述参数包括选自碱液流中的气泡、碱液的浑浊度、碱液的颜色的组中的一个或多个。所有这些参数都可以在检查区域内观察到，特别是在相同的检查区域内可以观察到。
11.在一种优选的实施方案中，循环碱液流通过被碱液被照亮的区域，所述区域优选由至少部分透光的边界限定。也就是说，检查区域设置在液体电解质的循环流动范围内且检查特别是在系统的定期运行中进行，即在电解槽系统的电解槽生产特别是氢气期间进行。
12.在一种优选的实施方案中，所述视觉检查由至少一个摄像机，特别地是视野与被照亮的区域重叠的至少一个摄像机完成。
13.摄像机可以在可见电磁光谱范围内工作。此外，也可以单独或组合使用uv摄像机，特别是红外摄像机。所述检查包括红外光谱，特别是傅立叶变换红外光谱或拉曼光谱，特别是也用于碱液浓度测量。
14.在一种优选的实施方案中，照明源和摄像机开口大致设置在所述检查区域的相对侧。此外，也可以使用其它光学排列方式，还可以使用反射镜系统来偏转照明光。
15.在另一种优选实施方案中，所述评估包括图像分析，特别是由人工智能辅助的图像分析。相应的软件模块可以包含在电解槽系统的控制器中。所述控制器可以从其传感元件(如一个或多个摄像机)提供的检查中接收数据。所述数据通过图像分析后用于识别来自周围液体中的气泡，浑浊度和/或颜色。基于这个目的，软件模块可以被训练用于图像识别。另一方面，软件模块还可以根据从图像分析得到的二次参量，例如屏幕表面每单位面积的气泡数量，或者基于数值排名的浑浊度等级或颜色等级划分可视化的图像数据材料。通过这种方式，可以通过二次参量(quantities)或参数来量化可视化图像中的差异，以便进行比较。这允许根据主要性质的特性，对气泡的浓度、浑浊度的演变或颜色的变化对进一步的发展进行评估。
16.根据观察到的其中一个参数的变化，一旦其中一个参数高于或低于与极限停止条件相对应的预定义阈值，则可提供停止操作。可以引入第二阈值，当超过第二阈值时，通过发出维护的指示信号来执行对电解槽系统的维护。此外，也可以引入第三阈值，当超过第三阈值时应采取指示行动，也可能在电解槽系统的正常操作期间。
17.上述指示包括向碱水中再加注碱液，以使碱液浓度超过所需最小值。在一个优选实施方案中，所述最小值至少为20％，优选至少为22％，特别是至少为24％。进一步的，可以控制再加注操作，使得再加注后的碱液浓度不高于34％，优选不高于32％，特别是高于30％。如上所述，这种碱液浓度监测优选基于光学测量，特别是在持续电解过程中进行的光学测量，特别地，为自动进行的光学测量。碱液的整体加注液位控制可以通过特别是数字化实现的监测来限制，所述监测是对下降低于第一阈值以及可选地超过第二阈值的监测，指示最小、最大加注。
18.因此，通过这种控制和监测，可以保证碱液浓度仅在比在常规系统的时间短得多的时间内处于所需窗口外的浓度，其中通过在系统中取出探针并在在实验室中对其进行化学分析可以在常规系统中每两个月获得一次。此外，可以对在脱气过程中不充分的气体分离进行反应，例如在各自对应的收集罐中，一边收集氢气，另一边收集氧气，脱气的碱液再循环回电解槽运行过程中。
19.如上所述，在一个优选实施方案中，所述评估包括提供指示推荐的剩余运行时间，或直到下一次维护的剩余时间，或在持续操作期间应采取的其它动作的信号，例如在持续电解过程中再加注碱液。
20.这类动作的一个作用是可以是降低碱液流速，以增加脱气。优选地，所述速度降低由所选阈值控制，以维持所述电解槽中的选定的冷却水平。这可以通过包括在电解槽系统中进行温度感应或二次热探测的调节来实现。
21.在另一种优选实施方案中，所述评估被反复，特别是被连续地产生和监控，以及特别地至少部分地显示或以其它方式呈现给所述系统的用户。本发明所设想的合适的重复次数已经在上文列举。
22.所述监测还可包括将系统检查期间所识别并负责维护的差异分配给维修过程中发现对应的问题，以便更有针对性地制定维修检查清单。因此，可以减少维护时间，反过来相应增加生产时间，这也提高了电解槽系统的性能。
23.关于该系统，本发明提供一种电解槽系统，包括产生氢气的碱性电解槽，碱液循环回路，特别是用于对循环回路进行碱液再加注的装置，以及用于控制系统运行的控制器，其主要特征在于检测装置，特别是由控制器控制的检测装置，所述检测装置用于检测碱液浓度，通过由所述控制器控制的再加注装置操作基于检测的碱液浓度自动执行再加注操作，和/或在于视觉检查装置，所述视觉检查装置用于检查，特别是自动检查在循环回路的至少一个检查区域的碱液，所述检查区域特别地是由所述系统的照明装置照亮的区域。
24.根据本发明的电解槽系统的优点来自本发明方法的上述优点。
25.电解槽系统的控制器可以包括图像识别软件和/或光谱学软件，特别是将执行信号转化为频率空间和频谱分析的光谱学软件。从而，评估可以自动地或至少半自动地进行，用户可以自主选择执行哪种评估。例如，用户可以选择仅执行对碱液浓度的分析/测量。用户还可以决定是否对视觉检查装置进行全面分析。此外，后台可以始终执行完整的分析，并且用户可以根据自己的偏好在操作界面中配置哪些参数可以显示在屏幕上，特别是参数如何显示在屏幕上。
26.也可以选择相应数据作为与电解槽的相应技术数据相关联的数据，并作为其他本质上相同类型的电解槽的输入。
27.碱液循环回路的管道可具有检查区域，在所述检查区域内电解质流可用于光学测量。特别地，作为电解质流的边界的管道至少部分是光透明(和/或对于紫外和/或红外辐射是光透明的)。可以使用具有集成检查玻璃的管道元件。优选该玻璃的耐碱性为至少25％，优选为至少30％，特别为至少35％，和/或为根据din iso 695的标准至少为2级。此外，优选玻璃具有至少80℃，优选至少100℃，特别至少110℃的耐温性。玻璃的耐压优选为至少30bar，更优选至少36bar，特别是至少40bar。玻璃的厚度可以大于3.6mm，优选大于4.2mm，特别是大于4.8mm。优选地，可以使用硅酸硼玻璃，钢化钠玻璃或其它具有类似性质的玻璃。此外，可以提供一种光学检测装置，例如对可见光、红外辐射或紫外线辐射的频率范围较为敏感的摄像机。此外，在检查区域中可以设置照明装置，优选地，从与传感器/摄像机安放相对的侧面照亮碱液流。
28.此外，当提供光测量或例如红外测量来测定碱液浓度时，优选将安装在检查区域和/或其附近的附加装置进行配置和/或保护，以不增加爆炸风险级别，从而使得整个系统
可至少部分地安装在具有安全等级的爆炸区域中，如没有所述附加装置的那样。
29.在一个优选实施方案中，电解槽系统的电解槽具有至少40个，特别是至少70个，更优选至少100个。还可以设想具有至少120个或更多个单元，至少130个或更多，甚至至少140个或更多个单元。对于碱液的化合物组成没有特别偏好，可以使用例如koh或naoh。此外，不考虑电解槽的结构细节、脱气系统的类型和/或用于碱液循环管道的构造的细节，本发明也是适用的，因此本领域技术人员熟知的系统可用于电解槽系统的这些部件。
附图说明
30.本发明的其他特征、细节和优点将从下面对实施方案的描述以及参考附图清楚地展现出来，其中：图1是一种电解槽系统的结构示意图；以及图2是一种电解槽系统的控制示意方案。
具体实施方式
31.如图1所示的电解槽系统100的核心部件是电池堆型(cell-stack type)的电解槽10，包括多个沿两端板(阳极侧端板和阴极侧端板)间的主轴(staple axis)堆叠的电池(cells)。在本技术一实施方案中，电解槽将水电解产生氢气。未示出与电解槽10进行电气耦合的整流器等其它设备。
32.电解槽10被设计为用于碱性电解操作，即电解的电化学过程是由泵入至电解槽堆中的碱液提供。从而，碱液在管道60中进行循环。
33.需要注意的是，在图1中以简化的方式示出了碱液的循环路径，即通过将电解槽10嵌入管道60中就好像它只是另一管道。然而，在一种更优选的实施方案中，与图1所示不同的是，管道60的入口和管道60的出口可以在电解槽10的同一侧，例如可以位于阴极侧端板处。
34.在循环中，碱液的脱气通过电解槽10下游的气液分离器进行，例如分别通过标记为20的氢气罐和氧气罐进行。然后碱液到达排气容器30，从排气容器30将碱液再次泵送到电解槽10中。
35.在图1所示的实施方案中，在所述碱液的循环过程中，碱液通过位于水泵40和电解槽10之间的检查区域50。然而检查区域50也可以被设置在其它地方，优选被设置没有分离成携带氢气和氧气的流的管道且位于脱气工序的下游。
36.在检查区域50中，碱液是视觉上可检查的。为此，可以将液位计玻璃(gauge glass)安装至管道60。如图1所示，在一个优选实施方案中，在液体电解质的内部可以设置两个检查(液位计)玻璃53，一侧安装有摄像机52，另一侧安装有照明源51。因此，检查区域中的电解质将被灯51照亮。然而，这种特定的配置并不局限于本发明，可以使用其它几何布置来照亮在检查传感器的视野中的电解质流，在图示的实施方案中，检查传感器为摄像机52。
37.因此，在检查区域50中可以进行光学测量。检查包括用可见光谱中的光进行的测量，但也包括uv光和/或红外光检查。
38.此外，控制设备99可包含用于评估摄像头52拍摄的图像数据的图像处理软件。下
文将参照图1中所示的摄像机图像80a、80b和80c进行描述一种评估。在该评估中，将测定检查区域中的气泡密度。为了便于解释，这里的情况稍作简化。
39.如果拍摄到类似图像80a的图片，具有较大的气泡密度，相当数量的气泡被识别，其大于指示可接受的气体分离的阈值。
40.对于图像80b所示的情形，气泡密度/气泡数量较低但接近阈值，表示气体分离效果较差，应采取维护措施。在图像80c中，气泡浓度/数量低于指示完全可接受的过程条件的另一阈值。
41.或者和/或附加地，碱液流的其它性质可以被可视化和分析，例如可以将碱液的浑浊度或碱液的颜色与指示可接受的过程条件的参考值进行比较。
42.在检查区域50中可以确定的另一个参量是碱液浓度。为此，可以通过傅立叶变换进行光谱分析，例如傅立叶变换红外光谱学。将测量结果在系统100(图2)的控制器99内与定义浓度窗口的阈值进行比较。在本技术实施方案中，定义了一个范围为25-30％的碱液浓度窗口。一旦碱液浓度跌出所述碱液浓度窗口的范围，控制器99会触发一个再加注碱液的指示信号。在一个优选实施方案中，这种再加注碱液的动作是自动的。也就是说，在检测到碱液浓度损失之后，加注泵90(图2)可以将碱液储存器91中的碱液加注到过程中。因此，可以通过控制器99的调节获得所需的碱液浓度。
43.在没有实施碱液自动再加注的情况下，控制单元仍然能够监测所测量的碱液浓度，并将碱液浓度作为时间函数进行分析，通过使用例如一阶导数，甚至二阶导数或其它推算方法，产生指示到需要执行再加注操作剩余时间的计时信号。
44.以同样的方式，可以监测其他参数，如上述讨论的气泡浓度/气泡数量，或者碱液的浑浊度，或碱液的颜色，以给出维护操作时间的预测估计。
45.在本实施方案中，根据atex 2014/34/eu，通过相关装置进行相应的保护，检查区域被设计成不产生潜在点火源。此外，包括检查区域50的电解槽系统，特别是就爆炸区域中布置获得认证的电解槽系统，不会受到关于ex区域所需安全级别的不利影响。设备(摄像机52，照明装置51)的布线可以在级别的电缆上进行。
46.通过以上设置和监测，不仅对电解槽系统的检修调度更容易，而且可以更准确地展现电解槽系统的实际状态。此外，还提供了更高的状态监测可靠性，从而可以减缓电解槽系统的老化，改善电解槽系统的长期性能。
47.本发明不限于以上针对本发明的示例性实施方案给出的细节。相反，上述描述和所附的权利要求书的特征可以单独地或结合地应用于本发明的各个方面。