СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ, ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА (ВАРИАНТЫ) И ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА Российский патент 1998 года по МПК C25B1/12 

Настоящее изобретение относится к способу регулирования давления в электролизере, производящем водород и кислород при разложении электролитической жидкости на водород и кислород с помощью электрического тока. Изобретение также относится к электролизеру для производства водорода в электролитической ячейке переменного давления при разложении электролитической жидкости с помощью электрического тока на водород и кислород.

Водород является идеальным и чистым источником энергии в специальных случаях применения, в которых имеются нетрадиционные источники энергии. Поэтому, например, в устройствах, использующих электроэнергию и расположенных в редконаселенных и труднодоступных районах, для производства электроэнергии могут быть использованы солнечные батареи. Такие установки часто не имеют персонала и требуют автоматического или дистанционного контроля. Такие установки также должны работать, когда нет солнечного света. Накопление электроэнергии только в аккумуляторах будет требовать очень большого числа аккумуляторов, особенно в северных широтах, причем указанные аккумуляторы являются тяжелыми и требующими ухода.

Использование водорода для накопления энергии является одним из средств рекуперации излишка энергии, вырабатываемой солнечными батареями, поэтому вода разлагается на водород и кислород с помощью электричества. В таких случаях электроэнергия может при необходимости производиться с помощью топливных элементов из водорода. Для того, чтобы уменьшить размер требуемых водородных резервуаров, водород должен быть, однако, сжат под давлением, и для сжатия должна быть использована дополнительная энергия.

В технике известно осуществление разложения воды на водород и кислород в электролизерах, работающих под давлением, с получением, таким образом, водорода непосредственно в сжатом виде, так что нет необходимости в отдельном выполнении сжатия.

Недостатком создания давления в электролизере является, однако, увеличение утечек.

В технике также известно помещение электролизера в отдельный кожух под давлением, поэтому разность давления внутри и снаружи электролизера значительно снижается и снижаются утечки. Так, в устройстве, как, например, в патентной публикации FP-2466515, кожух под давлением опрессовывается с помощью газообразного азота, и устройство содержит средства поддерживания давления в электролизере ниже, чем давление в кожухе под давлением. Использование отдельного опрессовывающего газа требует, однако, сосудов для опрессовывающих газов и необходимости пополнения опрессовывающего газа; система, рассмотренная в указанном патенте, является поэтому неприменимой, например, в устройствах, работающих автоматически от солнечной энергии в труднодоступных местностях.

Из патента GB-1518234 известно, что электроды электролизера помещают внутри кожуха под давлением, поэтому внутри кожуха под давлением превалирует давление газообразного водорода. Помещенный в кожух под давлением герметичный электролизер, однако, не входит в устройство согласно указанному патенту, напротив, электроды, используемые в разложении электролита (HCI), размещаются подвешенными непосредственно в кожухе под давлением. Устройство, рассмотренное в указанном патенте, является устройством, предназначенным для крупномасштабного производства водорода, имеющего очень высокую потребность в энергии, сложную и дорогостоящую конструкцию, например, благодаря устройствам, требуемым для очистки, к тому же устройство не предназначено для регенерации кислорода.

Однако создание давления в электролизере требует, чтобы разность давления между водородной стороной и кислородной стороной (т.е. водородной стороной и стороной подачи воды) не была слишком большой, поскольку большинство серийно выпускаемых электролизеров конструктивно не предназначено для работы с высокими разностями давления. Особенно электролизеры с переменным давлением и с использованием электроэнергии, получаемой с помощью солнечных батарей, требуют систем регулирования давления, которые осуществляют поддержание разности давления между водородной стороной и кислородной стороной соответствующей и достаточно малой. В известных в технике системах регулирование давления в основном осуществляется с использованием клапанов с электрическим управлением, которые потребляют электроэнергию и поэтому являются не очень пригодными для использования в системах, производящих водород автономно с помощью солнечных батарей.

С помощью настоящего изобретения осуществляется способ регулирования давления в электролизере так, что разность давления между кислородной стороной и водородной стороной поддерживается при заданном значении механически, поэтому регулирование в системе с переменным давлением выполняется автоматически без потребления электроэнергии.

Поэтому изобретение относится к способу регулирования давления в электролизере, который производит водород и кислород при разложении электролитической жидкости с помощью электрического тока и который содержит герметичный работающий под давлением электролизер для получения водорода и кислорода, водородную линию для отвода водорода из электролизера и водородный накопитель, кислородную линию для отвода кислорода из электролизера и средства подачи электролита в электролизер. Способ согласно изобретению отличается тем, что между давлением кислородной линии и давлением водородной линии поддерживают заданную разность давления направлением первого газообразного продукта, выводимого из системы, через один или более пружинных перепускных клапанов так, что давление, существующее в линии, содержащей второй газообразный продукт, подводят к пружинной стороне перепускного клапана.

Электролитическая жидкость, подаваемая в электролизер, содержит воду, но может содержать любые вещества, способствующие работе используемого электролизера, такие как кислоты или основания. Термин "вода" относится к любой такой электролитической жидкости.

В способе изобретения механическое, не потребляющее электроэнергию и автоматически управляемое регулирование давления осуществляется с применением традиционного перепускного клапана в модифицированном виде. Стандартный перепускной клапан содержит металлическую диафрагму, установленную в соответствующий корпус, которая при поджатии пружиной, помещенной под диафрагмой, прижимается к выходному отверстию газа или жидкости, таким образом закрывая его. Только когда давление газа или жидкости превышает поджатие пружины, поток может выходить из выходного отверстия.

В способе изобретения для регулирования давления кислородной линии давление водородной линии подводят к пружинной стороне перепускного клапана, поэтому разность давления между давлениями кислородной линии и водородной линии поддерживают автоматически таким высоким, как степень поджатия пружины. Регулированием степени сжатия пружины может быть установлена требуемая разность давления. В то же самое время диафрагма перепускного клапана предохраняет газообразный кислород и газообразный водород от контакта между собой.

Таким образом, в вышеописанном способе может быть предусмотрена система регулирования, работающая автоматически и без электроэнергии, в которой обеспечивается, чтобы давления кислородной стороны и водородной стороны автоматически соответствовали друг другу во всей зоне давления, которая может значительно изменяться в зависимости от изменения рабочего давления, определяемого давлением, существующим в любое данное время в водородном накопителе.

Поддержание заданной, относительно небольшой разности давления между кислородной и водородной сторонами необходимо потому, что конструкция электролизера соответствует невысоким разностям давления. Особенно вместе с потоком кислорода выходят большие количества воды, которая в соответствии с традиционной технологией может быть отделена от газа с использованием сепараторов воды и направлена обратно в электролизер с помощью собственной силы тяжести. Вместе с потоком водорода выходят значительно меньшие количества воды, которая также может быть отделена от газообразного водорода в сепараторе воды. Вода, отделенная от газообразного водорода, может быть полностью выведена из системы или может быть возвращена в электролизер. Последняя указанная альтернатива, однако, требует, чтобы в сепараторе воды водородной стороны давление было более высоким, чем на кислородной стороне.

В том случае, когда вода, отделенная от газообразного водорода, не регенерируется или не направляется непосредственно обратно в электролизер, давление в кислородной линии может поддерживаться более высоким, чем давление в водородной линии. Поэтому давление водородной линии подводится к пружинной стороне перепускного клапана в кислородной линии как таковое, поэтому сжатие пружины перепускного клапана способствует поддержанию давления в кислородной линии более высоким, чем давление водорода на величину сжатия пружины при выпуске избытка кислорода из системы.

В том случае, когда желательно, чтобы вода, отделенная от газообразного водорода, была возвращена в электролизер, принимаются меры, чтобы, по крайней мере, относительно более высокое давление было в сепараторе воды водородной стороны по сравнению с кислородной стороной и аналогично этому на впускной стороне электролизера. Это может быть осуществлено тем, что давление водородной стороны не подводится как таковое к пружинной стороне перепускного клапана в кислородной линии, а является сниженным на заданную величину, причем эта величина является немного больше, чем поджатие пружины перепускного клапана. Указанное сниженное давление водорода может поэтому иметься, например, после обратного клапана, расположенного в водородной линии, причем обратный клапан снижает давление водородной линии на требуемую величину. Таким образом, обеспечивается, что давление в водородной линии поддерживается более высоким, чем в кислородной линии, и вода из сепаратора воды водородной стороны может быть возвращена, например, в сепаратор воды кислородной стороны и обратно в электролизер.

В соответствии с предпочтительным вариантом способа изобретения давление водорода на пружинной стороне перепускного клапана кислородной линии может иметься необязательно либо до обратного клапана, либо сниженное после, поэтому выбор может быть выполнен, например, с помощью трехходового клапана. Последний способ принимается, когда давление после обратного клапана, т.е. давление водородного накопителя, ниже, чем давление водородной линии. Первый способ принимается, когда давление в водородной линии до обратного клапана является более низким, чем после обратного клапана, например, когда давление в устройстве для электролиза падает, а давление электролизера увеличивается до давления водородного накопителя. Трехходовой клапан может быть предпочтительно заменен также на использование другого перепускного клапана. Таким образом, пружинная сторона второго перепускного клапана соединяется с точкой в водородной линии, которая располагается после обратного клапана, и пружинная сторона второго перепускного клапана соединяется с водородной линией до обратного клапана.

Настоящее изобретение содержит также электролизер для производства водорода и кислорода при разложении электролитической жидкости с помощью электрического тока с использованием вышеописанного способа регулирования давления. Электролизер согласно изобретению отличается тем, что содержит, по меньшей мере, следующие составные части:
герметичный, работающий под давлением электролизер для получения водорода и кислорода с помощью электрического тока,
водородную линию для отвода водорода из электролизера в водородный накопитель,
кислородную линию для отвода кислорода из электролизера,
средства подачи электролита в электролизер и
средства поддержания заданной разности давления между давлением в линиях первого газообразного продукта и второго газообразного продукта, причем указанные средства содержат один или более перепускных клапанов, установленных в линии первого газообразного продукта, и средства подведения давления в линии второго газообразного продукта к пружинной стороне перепускного клапана.

Фиг. 1 представляет электролизер, в котором давление газообразного кислорода поддерживается более высоким, чем давление газообразного водорода; фиг. 2 представляет такое же устройство, в котором давление газообразного водорода поддерживается более высоким, чем давление газообразного кислорода; фиг. 3 представляет модификацию устройства, показанного на фиг. 2, в котором трехходовой клапан заменен на другой перепускной клапан; фиг. 4 представляет электролизер, в котором давление водородной лини к пружинной стороне перепускного клапана передается гидравлически; фиг. 5 представляет электролизер, в котором жидкость в кожухе под давлением предохраняется от поступления в жидкой или парообразной форме в газовые циркуляции устройства; фиг. 6 представляет электролизер, который снабжен средствами безопасности для снижения давления водорода, если давление кислородной стороны будет падать по той или иной причине.

Фиг. 1 представляет электролизер переменного давления 10, снабженный входным патрубком 11 для электролитической жидкости, выходным патрубком 12 для газообразного водорода, выходным патрубком 13 для газообразного кислорода (смесь кислород/вода) и токовыводами 14. В варианте, показанном на фиг. 1, также показаны сепараторы воды 15 и 16 для отделения воды от газообразного водорода и соответственно от газообразного кислорода.

Электролитическая жидкость подается в электролизер 10 по водяной трубе 17, через насос 18 и водяную линию 19 в сепаратор воды 16 для газообразного кислорода и далее по линии подачи воды 20 через обратный клапан 21 и впускной патрубок 11 для электролитической жидкости в электролизер 10. Получаемый в электролизере кислород и захваченная им вода подводятся через кислородный выходной патрубок 13 и кислородную отводную линию 22 к сепаратору воды 16 кислорода. Вода, захваченная кислородным газом, отделяется в сепараторе воды 16, возвращаясь в электролизер 10 по линии 20 под действием собственной силы тяжести.

Получаемый в электролизере 10 газообразный водород подводится через водородный выпускной патрубок 12 и водородную отводную линию 23 к сепаратору воды 15 газообразного водорода. Вода, отделенная от газа в сепараторе воды 15, выводится через трубу 24 и вентиль 25.

В устройстве согласно фиг. 1, кроме того, применена система давления кожуха, причем указанная система поддерживается под давлением с помощью давления газообразного кислорода. Так, на фиг. 1 представлен кожух под давлением 26, в который помещен электролизер 10. Кожух под давлением 26 предпочтительно заполняется инертной жидкостью, и создание давления осуществляется преимущественно подведением трубы 27 в кожух под давлением 26 от сепаратора воды 16 газообразного кислорода. Поэтому в кожухе под давлением 26 создается давление газообразного кислорода. Необходимо отметить, однако, что при рассмотрении изобретения применение кожуха под давлением не является всегда необходимым.

Газообразный водород из сепаратора воды 15 подводится далее по линии 28 и через обратный клапан 29 в водородный накопитель 30. Кроме того, линия 28 снабжена отводной трубой 31 и клапаном 32 для снижения давления водорода, например, для обслуживания электролизера.

Газообразный кислород подводится из сепаратора воды 16 газообразного кислорода к перепускному клапану 34 на линии 33. Перепускной клапан 34 имеет корпус 35, который разделен с помощью герметичной диафрагмы 36 на два отсека 37 и 38. Отсек 37 содержит седло 39, снабженное отверстием 40 и каналом 41, идущим от отверстия 40 через седло 39. Газообразный кислород проходит по линии 33 в отсек 37 перепускного клапана 34 и далее через отверстие 40 и канал 41 в отводную кислородную трубу 42. Другой отсек 38 перепускного клапана содержит пружину 43, которая одним концом опирается на дно корпуса 35, а другим концом на диафрагму 36. Таким образом, кислород может проходит через отверстие 40 и канал 41 в кислородную отводную трубу 42, только когда давление превышает заданное значение. Существенной характеристикой в работе перепускного клапана 34 является, кроме того, то, что отсек 38, содержащий пружину 43, также через линию 44 соединяется с давлением водорода, т.е. линией 28.

В устройстве согласно фиг. 1 регулирование давления осуществляется следующим образом. К одной стороне диафрагмы 36 перепускного клапана 34 давление подается как от водородной линии 28, так и, кроме того, от пружины 43, прижимающей диафрагму 36 к сторонам отверстия 40 в седле 39. Поэтому кислород может пройти в отводную трубу 42, только когда давление кислорода в линии 33 превышает сумму давления водородной линии 28 и силы сжатия пружины 43. Когда кислород выходит, давление в кислородной линии 33 падает до тех пор, пока величина сжатия пружины 43 не станет больше, чем давление в водородной линии 44 и 28, поэтому диафрагма 36 закрывает отверстие 40. Таким образом, давление кислорода автоматически соответствует давлению в водородной линии 28, однако оставаясь всегда выше, чем давление водорода в линии 28. Преимущества рассмотренной системы регулирования давления заключается прежде всего в том, что регулирование является механическим, не потребляющим электроэнергии, нет необходимости в отдельный контрольных клапанах и датчиках давления, и водород не расходуется при регулировании.

Если требуется сбросить давление из устройства, например, для обслуживания открывается клапан 32 на отводной трубе 31 и водород выпускается. Таким образом, давление в лини 44 падает, и диафрагма 36 позволяет кислороду пройти в отводную трубу 42, так что давление кислорода соответствует снижению давления водорода. Обратный клапан 29 предохраняет давление в водородном резервуаре 30 от сброса в отводную трубу 31. Когда устройство снова запускается в работу, перепускной клапан 34 устанавливается так, что давление водорода в линии 28 до обратного клапана 29 увеличивается, и давление кислородного газа в линии 33 увеличивается одинаково. Когда давление водорода в линии 28 достигает давления в водородном накопителе 30, водород начинает поступать в водородный накопитель 30.

Как указано выше, регулированием жесткости пружины 43 перепускного клапана 34 может быть установлен избыток давления при нужном значении между давлением кислородной линии и давлением водородной линии. Хотя абсолютные значения указанных давлений никоим образом не являются существенными с точки зрения работы устройства, можно сказать, что избыток давления кислорода порядка 1-2 бар является применимым на практике.

Вариант, представленный на фиг. 2, отличается от варианта, представленного на фиг. 1, нижеследующим. В этом случае вода, отделенная в сепараторе воды 15 газообразного водорода, возвращается в электролизер 10 через сепаратор воды 16 кислородной линии. С этой целью труба 24 соединяется с сепаратором воды 16 кислородной линии. Для успешного осуществления возврата воды давление на водородной стороне должно быть выше, чем на кислородной стороне. С другой стороны, операция сброса кислорода перепускного клапана 34 требует, чтобы давление кислородного газа в линии 33 было выше, чем сумма поджатия пружины и давления водорода, приложенная к диафрагме 36.

С этой целью давление водорода к пружинной стороне перепускного клапана 34 подводится не от впускной стороны обратного клапана 29, но через линию 45 и трехходовой клапан 46 от выпускной стороны обратного клапана 29. К тому же обратный клапан 29 устроен так, чтобы обеспечить падение давления, которое больше, чем сжатие пружины перепускного клапана 34. Еще раз, абсолютные значения давлений и разностей давлений являются несущественными с точки зрения работы устройства, но пригодное сжатие пружины в перепускном клапане 34 может быть порядка 1-2 бар и соответственно падение давления в обратном клапане 29 может быть порядка 3-4 бар.

Когда в устройстве, показанном на фиг. 2, требуется снизить давление в устройстве для электролиза, это снова осуществляется через отводную трубу 31 и клапан 32. Так как обратный клапан 29 предотвращает любые возвратные потоки, давление водорода на пружинной стороне перепускного клапана 34 не будет падать, и, таким образом, никакое давление кислорода в линии 33 не падает.

Поэтому линия 47 соединяется с трехходовым клапаном 46, тем самым давление на пружинной стороне перепускного клапана 34 и соответственно давление кислорода могут быть снижены через линии 44 и 47, когда соединение через линию 45 перекрыто. При необходимости указанная операция может быть осуществлена автоматически, но для этой цели, например, могут потребоваться датчики давления (не показаны) на обеих сторонах обратного клапана 29 в водородной линии 28, тем самым реверсивный трехходовой клапан 46 может быть при необходимости устроен для работы автоматически в зависимости от того, является ли давление водородного накопителя 30 выше или ниже, чем давление в линии 28 до обратного клапана 29.

Устройство согласно фиг. 3 является в других отношениях подобным устройству, показанному на фиг. 2, за исключением того, что оно включает в себя два перепускных клапана 34а и 34b, к которым давление водорода подводится с различных сторон обратного клапана 29 в водородной линии 28. К пружинной стороне первого перепускного клапана 34а давление водорода подводится по линии 44 от точки, расположенной после обратного клапана 29. К пружинной стороне второго перепускного клапана 34b давление водорода подводится по линии 47а от точки, которая расположена до обратного клапана 29. Таким образом, комбинация перепускных клапанов 34а и 34b заменяет трехходовой клапан 46 и линию 47 в устройстве, показанном на фиг. 2. Когда давление водорода является более низким до обратного клапана 29, чем после него, регулирование давления кислорода имеет место с помощью перепускного клапана 34b, а когда давление водорода является более высоким до обратного клапана 29, чем после него, регулирование давления кислорода имеет место с помощью перепускного клапана 34а.

Устройство, показанное на фиг. 4, по конструкции и работе является подобным устройству, показанному на фиг. 2, исключением того, что давление водорода подается гидравлически к пружинной стороне перепускного клапана 34 по линии 44. Для этой цели в линию 44 добавляется наполненный жидкостью сепаратор 48, содержащий чувствительно подвижный, но герметичный поршень 49. К тому же линия 44 и пружинная сторона 38 перепускного клапана 34 являются заполненными жидкостью. Сепаратор 48 действует тогда как средство безопасности в случае, если диафрагма 36 перепускного клапана 34 разрушается, так что газы водород и кислород могут соединиться друг с другом. Если диафрагма 36 разрушится, поршень 49 прижимается в результате воздействия давления водорода в нижнее положение к уплотнению 50, тем самым соединение давления от водородной линии 28 до перепускного клапана 34 перекрывается, и смешение газов предотвращается. Естественно, подобное сооружение также используется в устройствах, показанных на фиг. 1 и 3.

Как показано выше, кожух под давлением 26 поддерживается под давлением с помощью давления газа, получаемого при электролизе, т.е. в данном случае с помощью трубы 27, идущей к кожуху под давлением 26 от сепаратора воды 16 газообразного кислорода. Количество жидкости, добавляемой в кожух под давлением 26, является предпочтительно таким, что поверхность жидкости поднимается, по крайней мере, таким же образом в трубе 27.

В варианте, показанном на фиг. 5, обратный клапан 145 устанавливается в трубе 27, чтобы обеспечить прохождение газа только в направлении кожуха под давлением 26. Поэтому имеющееся в сепараторе воды 16 давление газообразного кислорода передается через трубу 27 и обратный клапан 145 к кожуху под давлением 26 и жидкости в нем.

Если требуется, например, для обслуживания, чтобы давление из электролизера было сброшено, клапан 32 в трубе 31 открывается и водород выходит. Тем самым давление в трубе 44 снижается, и диафрагма 36 позволяет кислороду пройти в выпускную трубу 42, тем самым давлением кислорода соответствует снижению давления водорода. Обратный клапан 29 предохраняет поступление газообразного водорода от накопителя водорода 30 по выпускной трубе 31. Теперь обратный клапан 145 в трубе 27 предотвращает, однако, выпуск давления из кожуха под давлением 26. С этой целью предусматривается перепускной клапан 146, имеющий конструкцию перепускного клапана 34. Так труба 147 присоединяется к пружинной стороне перепускного клапана 146 от трубы 27. Выпускная сторона перепускного клапана 146 соединяется с трубой 27 с помощью трубы 148.

Когда давление в сепараторе 16 начинает падать, давление в кожухе под давлением 26 на пружинной стороне перепускного клапана 146 остается сначала таким же, как было. Однако в данный момент давление в кожухе под давлением 26 превышает общее давление на пружинной стороне перепускного клапана и сжатия пружины. Поэтому газ начинает выходит из перепускного клапана 146 по трубе 149.

Хотя в варианте на фиг. 5 показано, что кожух под давлением 26 поддерживается под давлением кислорода, поступающего по трубе 27 от сепаратора воды кислорода, необходимо отметить, что опрессование может быть выполнено отовсюду, где еще будет иметься давление кислорода, получаемого в электролизере. Труба 27 поэтому может быть соединена с трубой 33 или даже с трубой 22, хотя последнее не рекомендуется, потому что кислород, поступающий в трубу 22, содержит воду. Также очевидно, что создание давления в кожухе под давлением может быть также осуществлено с помощью давления водорода, тем самым труба 27 может быть соединена, например, с сепаратором воды 15 водорода или с водородной линией 28.

Устройство, показанное на фиг. 5, предохраняет жидкость в кожухе под давлением от попадания в жидкой или парообразной форме в газовые циркуляции устройства и в то же время обеспечивает, чтобы давление в кожухе под давлением было гарантировано от снижения в случае, когда давление от источника газа падает. К тому же создание переменного давления достигается без применения отдельного защитного газа для создания давления и его контроля. Количество газа, требующееся для создания давления, является чрезвычайно малым. Необходимо особо отметить, что в устройстве не только получаемый в электролизере водород, но также кислород может быть использован в качестве опрессовывающего газа без какого-либо опасения коррозии.

Степень сжатия пружины перепускного клапана 146 выбирается соответственно такой, что давление в кожухе под давлением 26 остается несколько меньшим давления газа, получаемого при электролизе. Пригодное давление составляет обычно самое большое порядка нескольких бар. Когда давление от источника газа падает и разность между давлениями от источника газа и в кожухе под давлением 26 является меньше поджатия пружины перепускного клапана 146, давление от канала 27 между обратным клапаном 146 и кожухом под давлением 26 гарантируется от сброса через трубы 148 и 149, например, в атмосферу.

Вариант, показанный на фиг. 5, может быть применен независимо от того, кислород или водород используется для создания давления в кожухе под давлением 26. Даже при использовании водорода сброс давления из кожуха под давлением 26 в атмосферу не создает никакого риска, потому что количества выходящего газа в любом случае очень небольшие.

Принцип работы перепускного клапана, показанного в устройствах на фиг. 1-4, однако, обуславливает то, что, когда давление кислородной стороны падает ниже давления водорода (например, из-за утечки в кислородной трубе), давление водорода удерживается от слияния с давлением кислорода. Несмотря на снижение давления кислородной стороны, давление кислорода возрастает, когда электролизер работает, в результате чего электролизеры могут разрушиться.

Вариант, показанный на фиг. 6, обеспечивает систему безопасности, с помощью которой указанный недостаток может быть устранен.

В устройстве согласно фиг. 6 применяется модифицированный перепускной клапан в соответствии с фиг. 1-4 как для поддержания давления водорода и кислорода в заданном соотношении в устройстве для электролиза с переменным давлением, так и как средство безопасности для снижения давления водорода в случае, когда давление кислородной стороны будет по той или иной причине падать.

Вариант, показанный на фиг. 6, отличается от варианта фиг. 1 тем, что в устройстве добавляется перепускной клапан 245, предназначенный для падения давления водорода в линии 28, когда имеет место падение давления в кислородной линии 33. Перепускной клапан 245 снабжен двумя отсеками 247 и 248, разделенными герметичной диафрагмой 246. Отсек 247 содержит седло 249, снабженное отверстием 250 и каналом 251, идущим от отверстия через седло 249. Газообразный водород может проходить по линии 255 к отсеку 247 перепускного клапана 245 и далее через отверстие 250 и канал 251 в отводную водородную трубу 252. Другой отсек 248 перепускного клапана 245 содержит пружину 253, которая подживает диафрагму 246. Таким образом, водород может проходить через отверстие 250 и канал 251 в отводную водородную трубу 252, только когда его давление превышает заданное значение. Существенной характеристикой в работе перепускного клапана 245 является, кроме того, то, что отсек 248, содержащий пружину 253, соединяется также с давлением кислорода, т.е. с линией 33, или также с сепаратором воды 16 кислорода, например, с помощью трубы 254.

В перепускном клапане 245, используемом как средство безопасности в устройстве, показанном на фиг. 6, жесткость пружины 253 устанавливается такой, чтобы требуемая разность давления между газами для того, чтобы удалить водород, была достаточно высокой, так что ненужная утечка не имеет место (например, 5-6 бар).

В кожухе под давлением может быть использована любая жидкость, которая является электронепроводящей, инертной по отношению к водороду или кислороду, неагрессивной по отношению к используемым материалам и длительно выдерживающей рабочие температурные условия. Цена и нетоксичность также являются аспектами, которые должны учитываться.

Поэтому в устройстве согласно изобретению могут быть использованы, например, силиконовые масла и жиры, фторированные масла на основе масла или синтетические смазки, или даже дистиллированная вода. Недостатком последней, однако, является плохая морозостойкость и то, что она может вызывать электрохимическую коррозию, особенно в сочетании с кислородом. Ни одно из обычных масел не может быть использовано вместе с кислородом.

Примерами применимых опрессовывающих жидкостей являются, в частности, силиконовые масла и жиры, такие как жидкость Dow Corning 200 Fluid, изготовляемая фирмой Company Dow Corning, или масло Rhodosil компании Rhone-Poulenc.

В вариантах согласно фиг. 1-6 кислород описывается как первый газообразный продукт, а водород как второй газообразный продукт. Однако с точки зрения работы способа и устройства согласно изобретению нет разницы, что является первым газообразным продуктом и соответственно вторым газообразным продуктом.

Изобретение относится к способу регулирования давления в электролизере, который производит водород и кислород при разложении электролитической жидкости с помощью электрического тока, содержащем герметичную, работающую под давлением электролитическую ячейку для получения водорода и кислорода, водородную линию для отвода водорода из ячейки в водородный накопитель, кислородную линию для отвода кислорода из ячейки и средства подачи электролита в ячейку, при этом между давлением кислородной линии и давлением водородной линии поддерживают заданную разность давления при прохождении кислорода/водорода через один или более пружинных перепускных клапанов, причем давление в водородной линии подводят к пружинной стороне перепускного клапана. Кроме того, изобретение относится к электролизерам вышеуказанного назначения, а также электролизеру для получения водорода. 4 с. и 19 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ регулирования давления в электролизере, который производит водород и кислород при разложении электролитической жидкости с помощью электрического тока, содержащем герметичную работающую под давлением электролитическую ячейку для получения водорода и кислорода, водородную линию для отвода водорода из ячейки и водородный накопитель, кислородную линию для отвода кислорода из ячейки и средства подачи электролита в ячейку, отличающийся тем, что между давлением кислородной линии и давлением водородной линии поддерживают заданную разность давления при прохождении кислорода/водорода через один или более пружинных перепускных клапанов, при этом давление в водородной линии подводят к пружинной стороне перепускного клапана. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в кислородной линии поддерживают заданное повышенное или пониженное давление по сравнению с давлением водородной линии при подведении давления водорода к пружинной стороне перепускного клапана от точки после обратного клапана, установленного на водородной линии, или соответственно от точки до обратного клапана. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что между давлением кислородной линии и водородной линии поддерживают заданную разность давления посредством двух перепускных клапанов, установленных на кислородной линии, при этом давление водородной линии подводят к пружинной стороне второго перепускного клапана от точки до обратного клапана, установленного на водородной линии, и к пружинной стороне первого перепускного клапана от точки после обратного клапана. 4. Электролизер для производства водорода и кислорода при разложении электролитической жидкости с помощью электрического тока, содержащий по меньшей мере герметичную работающую под давлением электролитическую ячейку для получения водорода и кислорода, водородную линию для отвода водорода из ячейки в водородный накопитель, кислородную линию для отвода кислорода из ячейки и средства подачи электролита в ячейку, отличающийся тем, что содержит средства поддержания заданной разности давления между давлением кислородной линии и давлением водородной линии, причем средства снабжены одним или более перепускными клапанами, установленными на кислородной/водородной линии, и средства подведения давления водородной/кислородной линии к пружинной стороне перепускного клапана. 5. Электролизер по п.4, отличающийся тем, что средства подведения давления водородной линии к пружинной стороне перепускного клапана содержат обратный клапан, установленный на водородной линии, и дополнительные линии для подведения давления водородной линии к пружинной стороне перепускного клапана. 6. Электролизер по п.5, отличающийся тем, что дополнительные линии обеспечивают соединение от пружинной стороны перепускного клапана до точки на водородной линии до обратного клапана. 7. Электролизер по п.5, отличающийся тем, что дополнительные линии обеспечивают соединение от пружинной стороны перепускного клапана до точки на водородной линии после обратного клапана. 8. Электролизер по п.6 или 7, отличающийся тем, что содержит трехходовой клапан для обеспечения соединения от пружинной стороны перепускного клапана до точки на водородной линии до обратного клапана. 9. Электролизер по пп.4 8, отличающийся тем, что содержит два перепускных клапана, при этом дополнительные линии служат для подведения давления водородной линии к пружинным сторонам обоих перепускных клапанов так, что пружинная сторона второго перепускного клапана соединена с точкой на водородной линии до обратного клапана, а пружинная сторона первого перепускного клапана соединена с точкой на водородной линии после обратного клапана. 10. Электролизер по пп. 4 9, отличающийся тем, что электролитическая ячейка установлена в защитный кожух, находящийся под давлением газа, получаемого при электролизе. 11. Электролизер по п.10, отличающийся тем, что защитный кожух заполнен инертной жидкостью и находится под давлением кислородной линии. 12. Электролизер по пп.4 11, отличающийся тем, что содержит сепараторы жидкости для отделения электролитической жидкости от газов, проходящих по водородной и кислородной линиям. 13. Электролизер по пп.4 12, отличающийся тем, что газовый объем водородной линии между электролитической ячейкой и обратным клапаном, установленным на водородной линии, по меньшей мере в два раза больше, а предпочтительно более чем в два раза больше газового объема кислородной линии между электролитической ячейкой и перепускным клапаном, установленным на кислородной линии. 14. Электролизер по пп.4 13, отличающийся тем, что давление водорода к пружинной стороне перепускного клапана передается гидравлически с помощью жидкости в дополнительной линии. 15. Электролизер по п. 14, отличающийся тем, что дополнительная линия содержит газожидкостный сепаратор, снабженный поршнем, в котором поршень благодаря воздействию давления водорода перекрывает соединение с пружинной стороной перепускного клапана, снабженного диафрагмой, если диафрагма разрушается. 16. Электролизер для получения водорода разложением водородсодержащей жидкости с помощью электрического тока на водород и кислород в работающей под давлением электролитической ячейке, установленной в кожухе под давлением, отличающийся тем, что кожух заполнен жидкостью, а электролизер снабжен средствами подведения давления газа, получаемого при электролизе, в кожух, причем средства содержат проходной канал от сепаратора жидкости для отделения жидкости от газа или проходной канал от источника получаемого при электролизере газа к кожуху, обратный клапан, установленный в проходном канале и пропускающий газ только в направлении кожуха, и перепускной клапан, к пружинной стороне которого подводят давление от сепаратора и к выпускной стороне которого подводят давление от кожуха. 17. Электролизер по п.16, отличающийся тем, что в проходном канале присутствует давление кислорода. 18. Электролизер по п.16, отличающийся тем, что в проходном канале присутствует давление водорода. 19. Электролизер по пп.16 18, отличающийся тем, что средства подведения давления газа содержат трубу, идущую от проходного канала к пружинной стороне перепускного клапана, и трубу, идущую от проходного канала к выпускной стороне перепускного клапана. 20. Электролизер по п.19, отличающийся тем, что труба, идущая от проходного канала к выпускной стороне перепускного клапана, соединена с атмосферой с помощью дополнительной трубы и дополнительного обратного клапана для предотвращения возможного разрежения в проходном канале между обратным клапаном и кожухом под давлением. 21. Электролизер для получения водорода и кислорода разложением электролитической жидкости с помощью электрического тока, содержащий герметичную работающую под давлением электролитическую ячейку для получения водорода и кислорода, водородную линию для отвода водорода из ячейки в водородный накопитель и кислородную линию для отвода кислорода из ячейки, отличающийся тем, что содержит средства поддержания заданной разности давления между давлением кислородной линии и давлением водородной линии, перепускной клапан, соединенный с водородной/кислородной линией, и средства подведения давления кислородной/водородной линии к пружинной стороне перепускного клапана. 22. Электролизер по п.21, отличающийся тем, что средства подведения давления кислородной линии к пружинной стороне перепускного клапана содержат систему труб, идущую от кислородной линии к пружинной стороне перепускного клапана. 23. Электролизер по п.21 или 22, отличающийся тем, что водородная линия снабжена обратным клапаном, обеспечивающим прохождение газа от электролитической ячейки в направлении водородного накопителя, а перепускной клапан соединен с водородной линией в точке, расположенной между ячейкой и обратным клапаном.

Приоритет по пунктам:
31.08.92 по пп.1 15;
31.12.92 по пп.16 23.