УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА ПОД ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 1995 года по МПК C25B1/12 

Изобретение относится к устройствам для электролитического получения неорганических соединений или неметаллов высокой чистоты, в частности к электролизерам для разложения воды, и может быть применено в химической и металлообрабатывающей промышленности, в электрохимической энергетике, в системах охлаждения мощных электрогенераторов, в метеорологии.

Известен электролизер воды для получения водорода и кислорода под давлением, имеющий защитный кожух и расположенный в нем набор электрохимических ячеек. В качестве среды, заполняющей пространство под кожухом, используется газообразный азот. Частично пространство под кожухом может быть заполнено нейтральной жидкостью, в частности водой. Уравновешивающее противодавление создается инертным газом азотом и поддерживается с помощью отдельной системы автоматики.

Недостатками этого электролизера являются:
наличие отдельной сложной системы автоматики, поддерживающей заданное давление под кожухом в дополнение к системе автоматики, необходимой для поддержания соотношения давлений между водородными и кислородными камерами электролизера;
наличие независимого источника весьма значительных количеств азота, необходимых для компенсации утечек азота через неплотности кожуха, отборов азота на газоанализатор, сбросов азота при пусках и остановках электролизера;
необходимость стравливания азота из-под кожуха при остановках электролизера;
уменьшение доли отводимого тепла за счет естественной конвекции из-за небольшого коэффициента теплопроводности азота и, как следствие, необходимость увеличения поверхности теплообмена в жидкостных полостях разделительных колонок.

Целью данного изобретения является упрощение и повышение надежности работы устройства для получения водорода и кислорода под давлением.

Цель достигается тем, что в устройстве для получения водорода и кислорода под давлением, включающем кожух с патрубками входа и выхода и размещенный в нем электролизер, содержащий биполярные электроды, диафрагменные рамы и уплотнительные элементы, кислородную и водородную разделительные колонки и емкость питательной воды с жидкостной и газовой полостями каждая, патрубок входа сообщен с жидкостной полостью емкости питательной воды, патрубок выхода с газовой полостью кислородной разделительной колонки, которая сообщена с газовой полостью емкости питательной воды, жидкостная полость которой расположена выше жидкостной полости кислородной разделительной колонки.

Сущность изобретения заключается в том, что, с одной стороны, давление кислорода в газовой полости и высота уровня электролита в жидкостной полости кислородной разделительной колонки определяют рабочее давление внутри электролизера на всех стадиях работы устройства. С другой стороны, за счет сообщения газовых полостей кислородной разделительной колонки и емкости питательной воды и сообщения кожуха с жидкостной полостью емкости питательной воды, внешнее противодавление, оказываемое на электролизер на всех стадиях работы устройства, определяется давлением кислорода в газовой полости кислородной разделительной колонки и высотой столба питательной воды, определяемого расположением емкости питательной воды. Таким образом, на всех стадиях работы устройства разница между давлением внутри электролизера и внешним уравновешивающим противодавлением на электролизер будет постоянной и определяется только взаиморасположением жидкостных полостей кислородной разделительной колонки и емкости питательной воды. Требование высокого удельного сопротивления питательной воды, проходящей в пространстве под кожухом, с необходимостью обеспечивается ее традиционной подготовкой перед подачей для любого электролизера независимо от способа подпитки: через кожух или непосредственно в электролизер. Питательная вода, поступая из емкости в пространство между корпусом электролизера и кожухом и далее в газовую полость кислородной разделительной колонки, снимает часть тепла, выделяющегося в электролизере, и удаляет следы щелочи в случае их появления на наружных поверхностях диафрагменных рам. Во избежание короткого замыкания по воде между корпусом электролизера и кожухом, диафрагменные рамы выполнены из полимерного материала, применение которого позволяет также исключить утечки тока по корпусу электролизера, уменьшить его металлоемкость и увеличить коррозионную стойкость. Биполярные электроды выполнены с габаритными размерами меньшими, чем габаритные размеры диафрагменных рам, и размещены в проточках на диафрагменных рамах таким образом, что уплотнительные элементы исключают контакт периферийных торцевых поверхностей биполярных электродов с водой в пространстве между корпусом электролизера и кожухом для исключения шунтирования электрохимических ячеек по воде.

На чертеже схематично показано предлагаемое устройство для получения водорода и кислорода под давлением.

Устройство включает набор электрохимических ячеек 1, состоящих из биполярных электродов, диафрагменных рам и уплотнительных элементов, помещенный между двумя концевыми плитами и стянутый болтами. Набор расположен внутри кожуха 2. Набор электрохимических ячеек 1 связан отводящим кислород трубопроводом 3 с газовой полостью 4 кислородной разделительной колонки и отводящим водород трубопроводом 5 с газовой полостью 6 водородной разделительной колонки. Жидкостная полость 7 кислородной разделительной колонки и жидкостная полость 8 водородной разделительной колонки связаны U-образным трубопроводом 9 между собой и электролитным трубопроводом 10 с набором электрохимических ячеек 1. Кожух 2 связан, с одной стороны, трубопроводом для входа питательной воды 11 через клапан 12 с жидкостной полостью емкости питательной воды 13, а с другой стороны трубопроводом 14 для выхода воды, идущей на подпитку, с газовой полостью 4 кислородной разделительной колонки. Для слива воды в нижней точке кожуха расположен клапан 15. Газовая полость 26 емкости питательной воды связана через клапан 16 с линией заполнения водой, через клапан 17 с атмосферой, а трубопроводом 18 через клапан 19 с газовой полостью 4 кислородной разделительной колонки. Для автоматического поддержания заданного рабочего давления в устройстве на трубопроводе выхода кислорода из газовой полости 4 кислородной разделительной колонки расположен регулятор давления "до себя" 20. Для автоматического поддержания заданного перепада давления между водородом и кислородом в наборе электрохимических ячеек 1 на трубопроводе выхода водорода из газовой полости 6 водородной разделительной колонки расположен регулятор перепада давлений "до себя" 21. Трубопроводом 22 через клапан 23 линия выхода водорода связана с газоанализатором (не показан), предназначенным для непрерывного контроля за чистотой получаемого газа. Трубопроводом 24 через клапан 25 линия выхода кислорода связана с газоанализатором (не показан), предназначенным для непрерывного контроля за чистотой получаемого кислорода.

Устройство работает следующим образом.

Под действием электрического тока в наборе электрохимических ячеек 1 идет процесс разложения воды с образованием кислорода и водорода. Образовавшиеся при электролизе водород и кислород вместе с электролитом в виде газожидкостных эмульсий поступают: водород по трубопроводу 5 в газовую полость 6 водородной разделительной колонки, а кислород по трубопроводу 3 в газовую полость кислородной разделительной колонки 4. В разделительных колонках происходит отделение газов от электролита и их охлаждение. Охлажденный электролит из разделительных колонок по трубопроводу 10 возвращается в набор электрохимических ячеек 1. Таким образом, в процессе работы происходит непрерывная естественная циркуляция электролита через набор электрохимических ячеек 1 и разделительные колонки. При работе устройства газовая полость 4 кислородной разделительной колонки сообщена трубопроводом 18 при открытом клапане 19 с газовой полостью 26 емкости питательной воды. Питательная вода из жидкостной полости 13 емкости при открытом клапане 12 по трубопроводу 11 поступает в кожух 2 и далее по трубопроводу 14 в газовую полость 4 кислородной разделительной колонки. Питательная вода, проходя в кожухе 2, снимает часть тепла, выделяющегося в наборе электрохимических ячеек 1, и удаляет следы щелочи в случае их появления на наружных поверхностях диафрагменных рам. Непрерывный проток питательной воды в пространстве под кожухом в процессе работы исключает накопление щелочи в нем и обеспечивает ее возврат в разделительные колонки, снижая тем самым неизбежные для любого электролизера потери щелочи через неплотности в трубопроводах и арматуре. Для заполнения водой емкости питательной воды 13 она отсекается от газовой полости 4 кислородной разделительной колонки, находящейся под рабочим давлением, закрытием клапанов 12 и 19, сообщается с атмосферой открытием клапана 17 и заполняется водой при открытом клапане 16. Таким образом осуществляется в процессе работы подпитка водой устройства для получения водорода и кислорода. Заданное рабочее давление в электролизере обеспечивается регулятором давления "до себя" 20, а поддержание заданного перепада давления между водородом и кислородом осуществляется регулятором перепада давления "до себя" 21. Заданная разница давлений между давлением внутри электролизера и внешним противодавлением обеспечивается теми же регуляторами 20 и 21, которые предназначены для поддержания заданного соотношения давлений между водородными и кислородными камерами электролизера и необходимы для любого устройства по электролитическому получению водорода и кислорода. Независимо от того, работает ли устройство в режиме набора давления до заданного при запуске (режим компрессии) либо под заданным давлением (режим изопрессии), или в режиме сброса давления (режим декомпрессии), внешнее противодавление в кожухе автоматически повторяет любое изменение давления внутри электролизера, оставаясь по абсолютной величине большим, чем внутреннее, на величину разности гидростатических давлений столбов воды в емкости питательной воды и электролита в жидкостной полости кислородной разделительной колонки. Это исключает проникновение газообразных продуктов электролиза в пространство под кожухом и загрязнение кислорода водородом в случае негерметичности электролизера.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить надежность работы устройства для получения водорода и кислорода под давлением за счет обеспечения герметичности набора электрохимических ячеек путем размещения его в кожухе и создания постоянной на всех режимах работы фиксированной разницы между внутренним давлением и внешним противодавлением, упростить монтаж и облегчить эксплуатацию устройства без специальной системы автоматики, снизить металлоемкость и повысить коррозионную стойкость диафрагменных рам за счет их изготовления из полимерного материала.

Изобретение относится к устройствам для электролитического получения неорганических соединений или неметаллов высокой чистоты, в частности к электролизерам для разложения воды. Цель изобретения упрощение и повышение надежности работы устройства. Это достигается за счет обеспечения герметичности электролизера путем его размещения внутри кожуха и создания постоянной на всех режимах работы фиксированной разницы между внутренним давлением в электролизере и внешним противодавлением на его корпус. В качестве среды противодавления используется вода, направляемая на подпитку. Для исключения короткого замыкания между корпусом электролизера и металлическим кожухом диафрагменные рамы выполнены из полимерного материала. Биполярные электроды размещены в проточках диафрагменных рам, чтобы исключить шунтирование электрохимических ячеек. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА ПОД ДАВЛЕНИЕМ, включающее кожух с патрубками входа и выхода и размещенный в нем электролизер, содержащий биполярные электроды, диафрагменные рамы и уплотнительные элементы, кислородную и водородную разделительные колонки и емкость питательной воды с жидкостной и газовой полостями каждая, отличающееся тем, что патрубок входа сообщен с жидкостной полостью емкости питательной воды, патрубок выхода с газовой полостью кислородной разделительной колонки, которая сообщена с газовой полостью емкости питательной воды, жидкостная полость которой расположена выше жидкостной полости кислородной разделительной колонки. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диафрагменные рамы выполнены из фторопласта-40. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что биполярные электроды выполнены в виде металлического листа с закрепленными на нем с двух сторон металлическими сетками.