РАБОТАЮЩИЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР И СПОСОБ ЕГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ Российский патент 2005 года по МПК C25B1/12 

Изобретение относится к работающему под давлением электролизеру согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к способу его функционирования.

Известны работающие под давлением электролизеры для электролитического разложения воды на водород и кислород, которые включают в себя выдерживающий давление сосуд и блок электролитических ячеек, расположенный в выдерживающем давление сосуде и содержащий несколько объединенных в форме стопки электролитических ячеек. Такие электролитические ячейки содержат соответствующие аноды и катоды, при этом предусмотрена система циркуляции электролита для подвода анолита к анодам и подвода католита к катодам, а блок электролитических ячеек окружен кожухом, герметизированным по отношению к внутренней части выдерживающего давление сосуда.

Такой работающий под давлением электролизер известен из патента DE 2548699 С3. В этом известном электролизере, работающем под давлением, дополнительно к блоку электролитических ячеек в выдерживающем давление сосуде также расположены устройства для очистки, охлаждения и (ре)циркуляции электролита.

Задачей изобретения является разработка усовершенствованного электролизера, работающего под давлением. Кроме того, необходимо создать улучшенный способ функционирования такого работающего под давлением электролизера.

В отношении устройства поставленная задача решается благодаря работающему под давлением электролизеру, указанному в пункте 1 формулы изобретения.

Дополнительные предпочтительные варианты выполнения предлагаемого согласно изобретению и работающего под давлением электролизера указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

В отношении способа поставленная задача решается благодаря указанному в пункте 40 формулы изобретения способу. Дополнительные предпочтительные варианты осуществления предлагаемого согласно изобретению способа указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно изобретению создан работающий под давлением электролизер с выдерживающим давление сосудом и блоком электролитических ячеек, расположенным в выдерживающем давление сосуде и содержащим несколько объединенных в форме стопки электролитических ячеек. Электролитические ячейки содержат соответствующие аноды и катоды, при этом предусмотрена система циркуляции электролита для подвода анолита к анодам и для подвода католита к катодам. Блок электролитических ячеек окружен кожухом, герметизированным по отношению к внутренней части выдерживающего давление сосуда. Согласно изобретению предусматривается, что кожух блока электролитических ячеек вместе с выдерживающим давление сосудом образует по меньшей мере два отделенных друг от друга пространства, которые являются составной частью системы циркуляции электролита и которые ограничены кожухом по отношению к электролитическим ячейкам и выдерживающим давление сосудом по отношению к окружающей среде. Одним преимуществом такого работающего под давлением электролизера является простая конструкция системы циркуляции электролита. Другим преимуществом является то, что для работающего под давлением электролизера требуется незначительная занимаемая им площадь.

Согласно особенно предпочтительному варианту выполнения предлагаемого согласно изобретению и работающего под давлением электролизера одно из отделенных друг от друга пространств является составной частью контура циркуляции анолита, а другое из отделенных друг от друга пространств является составной частью контура циркуляции католита. Преимущество этого варианта выполнения заключается в том, что благодаря разделению контуров циркуляции анолита и католита достигаются повышенная чистота газов и, таким образом, гораздо больший диапазон регулирования нагрузки.

Согласно особенно предпочтительному варианту выполнения предлагаемого согласно изобретению и работающего под давлением электролизера предусматривается, что отделенные друг от друга пространства отделены друг от друга перегородками, которые расположены между кожухом и выдерживающим давление сосудом.

Согласно предпочтительному варианту выполнения выдерживающий давление сосуд имеет форму цилиндра, а блок электролитических ячеек расположен в выдерживающем давление сосуде так, что его продольная ось параллельна оси цилиндра.

Согласно особенно предпочтительному варианту выполнения предлагаемого согласно изобретению электролизера перегородки расположены параллельно оси цилиндра между кожухом и выдерживающим давление сосудом.

Согласно особенно предпочтительному варианту выполнения предлагаемого согласно изобретению электролизера кожух блока электролитических ячеек образован несколькими уложенными друг на друга в стопку рамами электролитических ячеек.

Согласно дальнейшему предпочтительному варианту выполнения предлагаемого согласно изобретению электролизера предусматривается, что каждый анод имеет соответствующую собственную анодную раму ячейки, а каждый катод имеет соответствующую собственную катодную раму ячейки и анодные рамы ячеек имеют проходы, образующие соединение анодов с пространством, которое является составной частью контура циркуляции анолита, а катодные рамы ячеек имеют проходы, образующие соединение катодов с пространством, которое является составной частью контура циркуляции католита.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения предусматривается, что блок электролитических ячеек в своем продольном направлении расположен по существу горизонтально и при этом пространство, ограниченное кожухом блока электролитических ячеек и выдерживающим давление сосудом, разделено вертикально в продольном направлении блока электролитических ячеек на два отделенных друг от друга пространства.

Согласно особенно предпочтительному дальнейшему выполнению указанных последними двух вариантов предусматривается, что образующие соединение с анодами проходы соответственно на верхней стороне и на нижней стороне анодных рам соединены с одним из отделенных друг от друга пространств, являющимся составной частью контура циркуляции анолита, а образующие соединение с катодами проходы соответственно на верхней стороне и на нижней стороне катодных рам соединены с другим из отделенных друг от друга пространств, являющимся составной частью контура циркуляции католита. Преимуществом этого варианта является то, что циркуляция электролита может осуществляться автоматически без дополнительного циркуляционного насоса для электролита с помощью эффекта газлифта за счет поднимающихся в ячейках газов и за счет более незначительной плотности смеси электролита и газа в ячейках по отношению к дегазированным столбам электролита снаружи ячеек. В верхней части обоих отделенных друг от друга пространств аккумулируются получаемые газы, т.е. соответственно кислород и водород.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения предлагаемого согласно изобретению электролизера внутри выдерживающего давление сосуда предусмотрены существенные составные части системы циркуляции электролита, в частности газоотделитель и/или камера охлаждения электролита. Преимуществом этого варианта является особенно компактная, занимающая мало места конструкция работающего под давлением электролизера.

Согласно следующему предпочтительному варианту выполнения, одна из перегородок расположена под блоком электролитических ячеек и одновременно образует механическую опору для него.

Согласно особенно предпочтительному варианту выполнения предлагаемого согласно изобретению электролизера предусматривается, что аноды и катоды окружены проходящим вдоль их периметра уплотняющим элементом, который в области анода и соответственно катода образует боковую изоляцию электролитической ячейки и герметично вставлен между рамами ячеек.

Согласно особенно предпочтительному варианту выполнения предлагаемого согласно изобретению электролизера предусматривается, что анод и катод электролитической ячейки, причем каждый раздельно, окружены уплотняющим элементом.

Предпочтительно, уплотняющие элементы анода и катода совместно и герметично вставлены между двумя последовательными рамами ячеек.

Уплотняющие элементы предпочтительно также образуют боковую изоляцию электролитической ячейки на расположенной между анодом и катодом диафрагме.

Предпочтительно, диафрагма герметично вставлена между уплотняющим элементом анода и уплотняющим элементом катода.

Уплотняющие элементы предпочтительно расположены согласно форме рамы по периметру анода и/или катода.

Согласно одному предпочтительному варианту выполнения предусматривается, что уплотняющие элементы на краю анода и/или катода выполнены проходящими вокруг них от передней стороны к обратной стороне.

Согласно особенно предпочтительному варианту выполнения предлагаемого согласно изобретению электролизера уплотняющие элементы снабжены одним или несколькими проходящими вдоль периметра анода и соответственно катода уплотняющими выступами, которые герметично прилегают к уплотняемой поверхности анодной рамы ячейки и соответственно катодной рамы ячейки.

При этом предпочтительным образом предусматривается, что уплотняющие выступы выступают в направлении, перпендикулярном поверхности анода и соответственно катода, и уплотняемые поверхности анодной рамы и соответственно катодной рамы ячейки выполнены проходящими параллельно поверхности анода и соответственно катода.

Уплотняющие элементы предпочтительно изготовлены из эластомерного материала.

При этом особенно предпочтительно, если уплотняющие элементы изготовлены путем облицовки экструзией края анода и соответственно катода эластомерным материалом.

Согласно дальнейшему предпочтительному варианту выполнения предлагаемого согласно изобретению электролизера две соседние электролитические ячейки отделены друг от друга с помощью биполярного металлического листа, окруженного проходящим вдоль его периметра уплотняющим элементом, который в области биполярного металлического листа образует боковую изоляцию электролитической ячейки и герметично вставлен между рамами соседних электролитических ячеек.

Уплотняющий элемент предпочтительно расположен согласно форме рамы по периметру биполярного металлического листа.

Согласно одному варианту выполнения уплотняющий элемент расположен на одной стороне биполярного металлического листа.

Согласно другому варианту выполнения уплотняющий элемент на краю биполярного металлического листа выполнен проходящим вокруг него от передней стороны к обратной стороне.

Согласно одному предпочтительному варианту выполнения уплотняющий элемент снабжен одним или несколькими проходящими вдоль периметра биполярного металлического листа уплотняющими выступами, которые герметично прилегают к уплотняемой поверхности анодной и соответственно катодной рамы ячейки или к самому биполярному металлическому листу.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения предусматривается, что уплотняющие выступы выступают в направлении, перпендикулярном к поверхности биполярного листа, и уплотняемые поверхности анодной и соответственно катодной рамы выполнены проходящими параллельно поверхности биполярного металлического листа.

Уплотняющий элемент предпочтительно изготовлен из эластомерного материала.

Уплотняющий элемент может быть получен путем облицовки экструзией края биполярного металлического листа эластомерным материалом.

Отделенные друг от друга пространства в выдерживающем давление сосуде согласно предпочтительному варианту выполнения соединены друг с другом в "геодезически" низком положении для того, чтобы обеспечить возможность выравнивания уровней между анолитом и католитом. Соединение осуществляется за счет проходящей вне выдерживающего давление сосуда соединительной линии. Альтернативно, пространства внутри выдерживающего давление сосуда могут быть соединены друг с другом с разделением через отверстие или мембрану.

В целях электроизоляции выдерживающий давление сосуд согласно одному варианту выполнения состоит из электронепроводящего материала. Альтернативно, ограниченные кожухом блока электролитических ячеек и внутренней стороной выдерживающего давление сосуда пространства соответствующим образом выложены изнутри с помощью оболочки из электроизолирующего материала. Кожух блока электролитических ячеек и/или выдерживающий давление сосуд могут быть также снабжены электроизолирующим покрытием или электроизолирующей футеровкой.

Газоотделение происходит внутри выдерживающего давление сосуда в областях, расположенных "геодезически" выше блока электролитических ячеек. При этом предпочтительно в областях газоотделения расположить способствующие коалесценции газа приспособления в виде "трикотажных изделий", и/или ультразвуковых излучателей, и/или приспособлений для отклонения потока.

Согласно дальнейшему варианту выполнения предлагаемого в изобретении электролизера предусматривается резервная емкость для воды, которая через содержащую клапан заполнения питательной водой линию заполнения питательной водой связана с источником питательной воды и через содержащую клапан подачи питательной воды линию подачи питательной воды связана с нижней областью одного из отделенных пространств, и которая через содержащую нагнетательный клапан нагнетательную линию связана с верхней областью одного из отдельных пространств, и которая также выполнена с возможностью удаления воздуха в окружающую среду через содержащую продувочный клапан продувочную линию, причем верхняя область одного из отделенных пространств при функционировании работающего под давлением электролизера заполнена одним из получаемых газов.

Согласно одному предпочтительному варианту выполнения предлагаемого в изобретении электролизера предусматривается, что указанное одно из отделенных пространств, с которым связана резервная емкость для воды через линию подачи питательной воды и через нагнетательную линию, представляет собой другое отделенное пространство, образующее составную часть контура циркуляции католита.

В отношении способа поставленная задача решается благодаря способу заполнения работающего под давлением электролизера согласно двум указанным последними вариантам выполнения со следующими стадиями, на которых:

а) заполняют в отсутствие давления резервную емкость для воды по линии заполнения питательной водой с открытым клапаном заполнения питательной водой при открытом продувочном клапане и закрытом нагнетательном клапане и закрытом клапане подачи питательной воды;

b) закрывают продувочный клапан и клапан заполнения питательной водой;

с) открывают нагнетательный клапан с тем, чтобы резервную емкость для воды через нагнетательную линию довести до давления, преобладающего в выдерживающем давление сосуде;

d) открывают клапан подачи питательной воды для дозированной подачи питательной воды из резервной емкости в выдерживающий давление сосуд;

е) закрывают клапан подачи питательной воды.

Дозированную подачу питательной воды из резервной емкости для воды в выдерживающий давление сосуд предпочтительно осуществляют под действием силы тяжести, причем резервная емкость для воды расположена в пространственном отношении выше выдерживающего давление сосуда.

Альтернативно этому варианту дозированную подачу питательной воды из резервной емкости для воды в выдерживающий давление сосуд можно также осуществлять с помощью встроенного в линию подачи питательной воды насоса для подачи питательной воды, который в этом случае может предпочтительно иметь незначительную производительность.

Ниже поясняются предпочтительные примеры выполнения изобретения с помощью следующих чертежей:

на фигуре 1 представлен в разрезе схематичный вид сверху работающего под давлением электролизера согласно примеру выполнения изобретения;

на фигуре 2а) показан в разрезе вид сбоку электролизера согласно фигуре 1 для представления циркуляции анолита;

на фигуре 2b) показан вид в разрезе соответственно фигуре 2а) для представления циркуляции католита;

на фигуре 3 показан в разрезе вид сверху части блока электролитических ячеек для пояснения самых важных составных частей электролитических ячеек;

на фигуре 4 представлен вид в увеличенном масштабе обозначенной как Z части фигуры 1 для пояснения направления потока в контуре циркуляции анолита и контуре циркуляции католита;

на фигурах 5а)-с) приведены изображения частей в различных масштабах для пояснения уплотнения электролитических ячеек в кожухе блока электролитических ячеек;

на фигуре 6 дано схематизированное блочное изображение, показывающее дополнительные компоненты для заполнения работающего под давлением электролизера питательной водой.

Согласно фигуре 1 работающий под давлением электролизер, указанный в целом под общим обозначением 1, включает в себя выдерживающий давление сосуд 2, в котором расположен блок 3 электролитических ячеек, состоящий из нескольких объединенных в форме стопки электролитических ячеек 4.

Как показано подробнее на фигуре 3, на которой представлены две электролитические ячейки 4 с их существенными составными частями, каждая электролитическая ячейка 4 включает в себя анод 11 и катод 12, которые отделены друг от друга расположенной между ними диафрагмой 13. Между двумя соседними электролитическими ячейками 4 находится биполярный металлический лист 14, за счет которого рабочее пространство со стороны анода одной электролитической ячейки 4 отделяется от рабочего пространства со стороны катода соседней электролитической ячейки 4, но в то же время они поддерживаются в электрическом контакте друг с другом. В отношении дальнейшего выполнения блока 3 электролитических ячеек следует указать, например, на патент DE 19781442 С1. В частности, в этом патенте указывается, как может осуществляться подвод тока в блок ячеек, при каком потенциале находятся конечные пластины и выдерживающий давление сосуд и как осуществляется электроизоляция.

Снова ссылаясь на фигуру 1, можно видеть, что между лишь обозначенным кожухом 5 блока 3 электролитических ячеек и сосудом 2 образованы два пространства 7, 8, которые отделены друг от друга перегородками 9, 10, располагающимися между кожухом 5 и сосудом 2. Оба отделенных друг от друга пространства 7, 8 являются составной частью системы циркуляции электролита в работающем под давлением электролизере, причем одно из отделенных друг от друга пространств 7 представляет собой составную часть контура циркуляции анолита, а другое из отделенных друг от друга пространств 8 является составной частью контура циркуляции католита. Как схематически представлено соответствующими стрелками на фигуре 1, в качестве продуктов реакции протекающего в работающем под давлением электролизере процесса электролиза из контура циркуляции анолита в отделенном пространстве 7 аккумулируется и выводится кислород, а из контура циркуляции католита в отделенном пространстве 8 аккумулируется и выводится водород, которые заменяются соответствующим количеством свежей воды.

Как схематически представлено далее на фигуре 1, в отделенных пространствах 7, 8 внутри сосуда 2 также расположены существенные составные части системы циркуляции электролита, например, в виде камер 19, 20 охлаждения электролита. Сосуд 2 имеет форму цилиндра, в котором расположен блок 3 электролитических ячеек, продольная ось которого параллельна оси цилиндра. Перегородки 9, 10 располагаются параллельно оси цилиндра между кожухом 5 блока 3 электролитических ячеек и сосудом 2.

Как можно видеть из представленной на фигуре 4 в увеличенном масштабе части Z согласно фигуре 1 в сочетании с фигурой 3, кожух 5 блока 3 электролитических ячеек образован несколькими уложенными друг на друга в стопку рамами 15, 16 электролитических ячеек 4. При этом, соответственно, для каждого анода 11 предусмотрена прилегающая к нему собственная анодная рама 15 ячейки и, соответственно, для каждого катода 12 предусмотрена прилегающая к нему собственная катодная рама 16 ячейки.

Как показано на фигурах 2а) и 2b), на которых представлен указанный на фигуре 1 работающий под давлением электролизер 1 в вертикальном разрезе, в анодных рамах 15 ячеек предусмотрены проходы 17а, b, которые образуют соединение анодной стороны с пространством 7, являющимся составной частью контура циркуляции анолита, см. фигуру 2а), а катодные рамы 16 ячеек снабжены проходами 18а, b, которые образуют соединение катодной стороны с пространством 8, являющимся составной частью контура циркуляции католита.

Как видно далее из фигур 2а) и b), пространство, ограниченное кожухом 5 горизонтально расположенного в его продольном направлении блока 3 электролитических ячеек и сосудом 2, разделено по вертикали в продольном направлении блока 3 электролитических ячеек на два отделенных друг от друга пространства 7, 8. Проходы 17а, b, которые образуют соединение анодов 11 с контуром циркуляции анолита соответственно на верхней стороне и на нижней стороне анодной рамы 15 ячейки, связаны с одним из отделенных друг от друга пространств 7, являющимся составной частью контура циркуляции анолита, а проходы 18а, b, которые образуют соединение катодной стороны с контуром циркуляции католита соответственно на верхней стороне и на нижней стороне катодной рамы 16 ячейки, связаны с другим из отделенных друг от друга пространств 8, являющимся составной частью контура циркуляции католита. Имеющееся в сосуде 2 выше блока 3 электролитических ячеек пространство по центру разделено перегородкой 9, причем находящееся с левой стороны перегородки 9 пространство 7 служит для отделения кислорода, а находящееся с правой стороны перегородки 9 пространство 8 служит для отделения водорода. В области газоотделения выше блока 3 электролитических ячеек могут быть расположены способствующие коалесценции газа приспособления в виде гидрофобных "трикотажных изделий", ультразвуковых излучателей, приспособлений для отклонения потока и дефлегматоров. Следовательно, циркуляция электролита по обе стороны перегородки, т.е. циркуляция анолита в пространстве 7 и циркуляция католита в пространстве 8 соответственно, осуществляется автоматически с помощью эффекта газлифта за счет поднимающихся в электролитических ячейках 4 газов и за счет более незначительной плотности смеси электролита и газа в ячейках по отношению к дегазированным столбам электролита снаружи в отделенных пространствах 7, 8. При необходимости может быть также предусмотрен циркуляционный насос для электролита, который, однако, на фигурах не представлен. Одна из перегородок, т.е. перегородка 10, расположена под блоком 3 электролитических ячеек и образует одновременно механическую опору для него. Сосуд 2 служит таким образом в качестве несущего каркаса для блока 3 электролитических ячеек.

Как показано на фигурах 5а)-с) с изображением в различном масштабе, аноды 11, которые соответствующим образом контактируют за счет анодного электрода 11а, и катоды 12, которые соответствующим образом контактируют за счет катодного электрода 12а, окружены соответственно проходящим вдоль их периметра уплотняющим элементом 21, 22, который в области анода 11 и соответственно катода 12 образует боковую изоляцию электролитической ячейки 4. Уплотняющие элементы 21, 22 герметично вставлены между рамами 15, 16 электролитической ячейки 4, то есть между анодной рамой 15 и катодной рамой 16 ячейки.

Анод 11 и катод 12 электролитической ячейки 4 имеют собственный отдельный уплотняющий элемент 21 и соответственно 22, и эти уплотняющие элементы 21, 22 совместно и герметично вставлены между указанными рамами 15, 16 ячейки 4, причем между уплотняющими элементами 21, 22 герметично вставлена диафрагма 13, отделяющая друг от друга анод 11 и катод 12 электролитической ячейки 4. Благодаря этому уплотняющие элементы 21, 22 также образуют боковую изоляцию электролитической ячейки 4 на диафрагме 13. Уплотняющие элементы 21, 22 выполнены проходящими по периметру анода 11 и соответственно катода 12 согласно форме рам.

Как показывает увеличенное изображение на фигуре 5 с), уплотняющие элементы 21, 22 на краю анода 11 и соответственно катода 12 выполнены проходящими вокруг них от передней стороны к обратной стороне.

Как показано на фигурах 5b) и с), уплотняющие элементы 21, 22 снабжены несколькими проходящими вдоль и параллельно периметру анода 11 и соответственно катода 12 уплотняющими выступами 41, 42, которые выступают в направлении, перпендикулярном поверхности анода 11 и соответственно катода 12 и герметично прилегают к уплотняемой поверхности 45 анодной рамы 15 и соответственно уплотняемой поверхности 46 катодной рамы 16 ячейки, причем эти уплотняемые поверхности 45, 46 выполнены проходящими параллельно поверхности анода 11 и соответственно катода 12.

Уплотняющие элементы 21, 22 изготовляют из эластомерного материала и получают путем облицовки экструзией края анода 11 и соответственно катода 12.

Как показано далее на фигурах 5а)-с), между рамами 15, 16 двух соседних электролитических ячеек 4 также герметично вставлен отделяющий друг от друга две соседние электролитические ячейки 4 биполярный металлический лист 14, то есть между анодной рамой 15 одной электролитической ячейки 4 и катодной рамой 16 соседней электролитической ячейки 4.

Биполярный металлический лист 14 окружен проходящим согласно форме рамы вдоль его периметра уплотняющим элементом 24, который в области биполярного металлического листа 14 образует боковую изоляцию электролитической ячейки 4 и который герметично вставлен между рамами 15, 16 соседних электролитических ячеек 4.

Как видно из увеличенного изображения на фигуре 5 с), уплотняющий элемент 24 расположен на одной стороне биполярного металлического листа 14 и снабжен несколькими проходящими вдоль и параллельно периметру биполярного металлического листа 14 уплотняющими выступами 44, которые герметично прилегают к самому биполярному металлическому листу 14. Уплотняющие выступы 44 выступают в направлении, перпендикулярном поверхности биполярного металлического листа 14. Рамы 15, 16 ячейки, между которыми герметично вставлен биполярный металлический лист 14 вместе с его уплотняющим элементом 24, имеют соответствующие уплотняемые поверхности 46 и 47, которые выполнены проходящими параллельно поверхности биполярного металлического листа 14 и к которым герметично прилегают уплотняющий элемент 24 и соответственно биполярный металлический лист 14. Уплотняющий элемент 24 изготовляют из эластомерного материала.

Теперь, переходя к фигуре 6, следует описать предпочтительную конструкцию в отношении заполнения работающего под давлением электролизера 1 питательной водой и соответствующий этому способ. Предусматривается резервная емкость 31 для воды, которая через содержащую клапан 33 заполнения питательной водой линию 32 заполнения питательной водой связана с источником питательной воды и через содержащую клапан 35 подачи питательной воды линию 34 подачи питательной воды связана с нижней областью отделенного пространства 8 и, кроме того, через содержащую нагнетательный клапан 37 нагнетательную линию 36 связана с верхней областью отдельного пространства 8. Дополнительно к этому резервная емкость 31 выполнена с возможностью удаления воздуха в окружающую среду через содержащую продувочный клапан 39 продувочную линию 38. Верхняя область отдельного пространства 8, с которой связана нагнетательная линия 36, при функционировании работающего под давлением электролизера 1 заполнена находящимся под давлением водородом в качестве получаемого газа. Способ заполнения работающего под давлением электролизера 1 включает в себя следующие стадии, на которых:

а) сначала осуществляют заполнение в отсутствие давления резервной емкости 31 для воды по линии 32 заполнения питательной водой с открытым клапаном 33 заполнения питательной водой при открытом продувочном клапане 39 и закрытом нагнетательном клапане 37 и закрытом клапане 35 подачи питательной воды;

b) затем закрывают продувочный клапан 39 и клапан 33 заполнения питательной водой;

с) потом открывают нагнетательный клапан 37 с тем, чтобы резервную емкость 31 для воды через нагнетательную линию 36 довести до давления, преобладающего в сосуде 2;

d) наконец, открывают клапан 35 подачи питательной воды для дозированной подачи питательной воды из резервной емкости 31 в сосуд 2;

е) закрытием клапана 35 подачи питательной воды процесс заполнения затем прекращают.

Дозированная подача питательной воды из резервной емкости 31 в сосуд 2 может осуществляться за счет действия силы тяжести, при этом резервная емкость 31 в пространственном отношении располагается выше сосуда 2. Альтернативно, дозированную подачу питательной воды из резервной емкости 31 в сосуд 2 можно осуществлять также с помощью встроенного в линию 34 подачи питательной воды насоса для подачи питательной воды.

При функционировании электролизера со стороны анолита и со стороны католита устанавливаются различные концентрации электролита, что вызывает снижение осмотического давления при повышающемся на катодной стороне уровне электролита. Концентрационная разница обусловлена избытком гидроксильных ионов на катодной стороне, вследствие которого вода перетекает с анодной стороны на катодную сторону. Выравнивание концентраций между католитом и анолитом, правда, в принципе возможно через диафрагмы ячеек. Однако из-за ограниченной пористости диафрагм ячеек полное выравнивание, как правило, не достигается. Поэтому может быть предусмотрено достижение выравнивания концентраций путем дополнительного введения питательной воды в католит. Выравнивание можно осуществлять за счет отверстия или мембраны в перегородке 9, 10 в основании блока электролитических ячеек или благодаря находящейся на наружной стороне сосуда 2 соединительной линии, которая связывает пространство с анолитом и пространство с католитом. Для регулирования протекания в такой соединительной линии может быть предусмотрен регулируемый клапан. Соединительная линия предпочтительно предусматривается в расположенном "геодезически" низко положении в целях предотвращения замены нагруженной газом питательной воды.

При недостаточной изоляции токопроводящих частей электролизера могут появляться нежелательные шунтовые токи, которых нужно избегать. Для электроизоляции внутренняя часть сосуда 2 может быть снабжена непроводящей футеровкой, например покрытием, или сосуд 2 сам может быть выполнен из непроводящего материала. Можно также электрически изолировать анодные и катодные рамы ячеек по отношению к внутренней части сосуда 2. Изоляция при этом может состоять из материала, который одновременно защищает рамы ячеек от воздействия электролита. Изоляция также может состоять из изолирующих оболочек, которые образуют отделения для анолита и католита и соответственно этому заключают в себе пространства между наружной стороной блока электролитических ячеек и внутренней стороной выдерживающего давление сосуда 2.

Список обозначений

1 - работающий под давлением электролизер

2 - выдерживающий давление сосуд

3 - блок электролитических ячеек

4 - электролитические ячейки

5 - кожух

7 - пространство для циркуляции анолита

8 - пространство для циркуляции католита

9 - перегородка

10 - перегородка

11 - анод

11а - анодный электрод

12 - катод

12а - катодный электрод

13 - диафрагма

14 - биполярный металлический лист

15 - анодная рама ячейки

16 - катодная рама ячейки

17а, b - проход

18а, b - проход

19 - камера охлаждения электролита

20 - камера охлаждения электролита

21 - уплотняющий элемент

22 - уплотняющий элемент

24 - уплотняющий элемент

30 - система заполнения питательной водой

31 - резервная емкость для воды

32 - линия заполнения питательной водой

33 - клапан заполнения питательной водой

34 - линия подачи питательной воды

35 - клапан подачи питательной воды

36 - нагнетательная линия

37 - нагнетательный клапан

38 - продувочная линия

39 - продувочный клапан

41 - уплотняющие выступы

44 - уплотняющие выступы

45 - уплотняемая поверхность

46 - уплотняемая поверхность

47 - уплотняемая поверхность

Изобретение относится к работающему под давлением электролизеру. Электролизер содержит выдерживающий давление сосуд и блок электролитических ячеек, расположенный в выдерживающем давление сосуде и содержащий несколько объединенных в форме стопки электролитических ячеек. Электролитические ячейки содержат аноды и катоды, причем предусмотрена система циркуляции электролита для подвода анолита к анодам и для подвода католита к катодам. Блок электролитических ячеек окружен кожухом, герметизированным по отношению к внутренней части выдерживающего давление сосуда. Кожух блока электролитических ячеек вместе с выдерживающим давление сосудом образует по меньшей мере два отделенных друг от друга пространства, которые являются составной частью системы циркуляции электролита и которые ограничиваются кожухом по отношению к электролитическим ячейкам и выдерживающим давление сосудом по отношению к окружающей среде. Одно из отделенных друг от друга пространств является составной частью контура циркуляции анолита и другое из отделенных друг от друга пространств является составной частью контура циркуляции католита. Технический эффект - повышенная чистота газов и большой диапазон регулирования нагрузки. 2 н. и 40 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Работающий под давлением электролизер с выдерживающим давление сосудом (2) и блоком (3) электролитических ячеек, расположенным в выдерживающем давление сосуде (2) и содержащим несколько объединенных в форме стопки электролитических ячеек (4), содержащих соответствующие аноды (11) и катоды (12), при этом предусмотрена система циркуляции электролита для подвода анолита к анодам (11) и для подвода католита к катодам (12), а блок (3) электролитических ячеек окружен кожухом (5), герметизирующим по отношению к внутренней части выдерживающего давление сосуда (2), причем кожух (5) блока (3) электролитических ячеек вместе с выдерживающим давление сосудом (2) образует по меньшей мере два пространства (7, 8), которые являются составной частью системы циркуляции электролита и которые ограничены кожухом (5) по отношению к электролитическим ячейкам (4) и выдерживающим давление сосудом (2) по отношению к окружающей среде, отличающийся тем, что пространства (7, 8) отделены друг от друга и одно из отделенных друг от друга пространств (7) является составной частью контура циркуляции анолита, а другое из отделенных друг от друга пространств (8) является составной частью контура циркуляции католита.2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что отделенные друг от друга пространства (7, 8) отделены друг от друга перегородками (9, 10), которые расположены между кожухом (5) и выдерживающим давление сосудом (2).3. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что выдерживающий давление сосуд (2) имеет форму цилиндра, а блок (3) электролитических ячеек расположен в выдерживающем давление сосуде (2) так, что его продольная ось параллельна оси цилиндра.4. Электролизер по п.3, отличающийся тем, что перегородки (9, 10) расположены параллельно оси цилиндра между кожухом (5) и выдерживающим давление сосудом (2).5. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что кожух (5) блока (3) электролитических ячеек образован несколькими уложенными друг на друга в стопку рамами (15, 16) электролитических ячеек (4).6. Электролизер по п.5, отличающийся тем, что каждый анод (11) имеет соответствующую собственную анодную раму (15) ячейки, а каждый катод (12) имеет соответствующую собственную катодную раму (16) ячейки и анодные рамы (15) ячеек имеют проходы (17а, b), образующие соединение анодов (11) с пространством (7), являющимся составной частью контура циркуляции анолита, а катодные рамы (16) ячеек имеют проходы (18а, b), образующие соединение катодов (12) с пространством (8), являющимся составной частью контура циркуляции католита.7. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что блок (3) электролитических ячеек в своем продольном направлении расположен, по существу, горизонтально и при этом пространство, ограниченное кожухом (5) блока (3) электролитических ячеек и выдерживающим давление сосудом (2), разделено вертикально в продольном направлении блока (3) электролитических ячеек на два отделенных друг от друга пространства (7, 8).8. Электролизер по п.6, отличающийся тем, что образующие соединение с анодами (11) проходы (17а, b) соответственно на верхней стороне и на нижней стороне анодных рам (15) ячеек соединены с одним из отделенных друг от друга пространств (7), являющимся составной частью контура циркуляции анолита, а образующие соединение с катодами (12) проходы (18а, b) соответственно на верхней стороне и на нижней стороне катодных рам (16) ячеек соединены с другим из отделенных друг от друга пространств (8), являющимся составной частью контура циркуляции католита.9. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что внутри выдерживающего давление сосуда (2) предусмотрены существенные составные части системы циркуляции электролита, в частности газоотделитель и/или камера (19, 20) охлаждения электролита.10. Электролизер по п.2, отличающийся тем, что перегородка (10) расположена под блоком (3) электролитических ячеек и одновременно образует механическую опору для него.11. Электролизер по п.5, отличающийся тем, что аноды (11) и катоды (12) окружены проходящим вдоль их периметра уплотняющим элементом (21, 22), который в области анода (11) и соответственно катода (12) образует боковую изоляцию электролитической ячейки (4) и герметично вставлен между рамами (15, 16) ячеек.12. Электролизер по п.11, отличающийся тем, что анод (11) и катод (12) электролитической ячейки (4), причем каждый раздельно, окружены уплотняющим элементом (21 или 22).13. Электролизер по п.12, отличающийся тем, что уплотняющие элементы (21, 22) анода (11) и соответственно катода (12) совместно и герметично вставлены между двумя последовательными рамами (15, 16) ячеек.14. Электролизер по п.11, отличающийся тем, что уплотняющие элементы (21, 22) также образуют боковую изоляцию электролитической ячейки (4) на расположенной между анодом (11) и катодом (12) диафрагме (13).15. Электролизер по п.14, отличающийся тем, что диафрагма (13) герметично вставлена между уплотняющим элементом (21) анода (11) и уплотняющим элементом (22) катода (12).16. Электролизер по п.11, отличающийся тем, что уплотняющие элементы (21, 22) расположены согласно форме рамы по периметру анода (11) и/или катода (12).17. Электролизер по п.11, отличающийся тем, что уплотняющие элементы (21, 22) на краю анода (11) и/или катода (12) выполнены проходящими вокруг них от передней стороны к обратной стороне.18. Электролизер по п.17, отличающийся тем, что уплотняющие элементы (21, 22) снабжены одним или несколькими проходящими вдоль периметра анода (11) и соответственно катода (12) уплотняющими выступами (41, 42), которые герметично прилегают к уплотняемой поверхности (45, 46) соответственно анодной рамы (15) ячейки и катодной рамы (16) ячейки.19. Электролизер по п.18, отличающийся тем, что уплотняющие выступы (41, 42) выступают в направлении, перпендикулярном поверхности анода (11) и соответственно катода (12), и уплотняемые поверхности (45, 46) анодной рамы (15) ячейки и соответственно катодной рамы (16) ячейки выполнены проходящими параллельно поверхности анода (11) и соответственно катода (12).20. Электролизер по п.11, отличающийся тем, что уплотняющие элементы (21, 22) изготовлены из эластомерного материала.21. Электролизер по п.20, отличающийся тем, что уплотняющие элементы (21, 22) изготовлены путем облицовки экструзией края анода (11) и соответственно катода (12) эластомерным материалом.22. Электролизер по п.5, отличающийся тем, что две соседние электролитические ячейки (4) отделены друг от друга с помощью биполярного металлического листа (14), окруженного проходящим вдоль его периметра уплотняющим элементом (24), который в области биполярного металлического листа (14) образует боковую изоляцию электролитической ячейки (4) и герметично вставлен между рамами (15, 16) соседних электролитических ячеек (4).23. Электролизер по п.22, отличающийся тем, что уплотняющий элемент (24) расположен согласно форме рамы по периметру биполярного металлического листа (14).24. Электролизер по п.22, отличающийся тем, что уплотняющий элемент (24) расположен на одной стороне биполярного металлического листа (14).25. Электролизер по п.22, отличающийся тем, что уплотняющий элемент (24) на краю биполярного металлического листа (14) выполнен проходящим вокруг него от передней стороны к обратной стороне.26. Электролизер по п.22, отличающийся тем, что уплотняющий элемент (24) снабжен одним или несколькими проходящими вдоль периметра биполярного металлического листа (14) уплотняющими выступами (44), которые герметично прилегают к уплотняемой поверхности (47) анодной рамы (15) ячейки и соответственно катодной рамы (16) ячейки или к самому биполярному металлическому листу (14).27. Электролизер по п.26, отличающийся тем, что уплотняющие выступы (44) выступают в направлении, перпендикулярном поверхности биполярного металлического листа (14), и уплотняемые поверхности (46, 47) анодной рамы (15) ячейки и соответственно катодной рамы (16) ячейки выполнены проходящими параллельно поверхности биполярного металлического листа (14).28. Электролизер по п.23, отличающийся тем, что уплотняющий элемент (24) изготовлен из эластомерного материала.29. Электролизер по п.28, отличающийся тем, что уплотняющий элемент (24) изготовлен путем облицовки экструзией края биполярного металлического листа (14) эластомерным материалом.30. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что пространства (7, 8) в выдерживающем давление сосуде (2) соединены друг с другом в геодезически низком положении для того, чтобы обеспечить возможность выравнивания уровней между анолитом и католитом.31. Электролизер по п.30, отличающийся тем, что пространства (7, 8) соединены за счет проходящей снаружи выдерживающего давление сосуда (2) соединительной линии.32. Электролизер по п.30, отличающийся тем, что пространства (7, 8) соединены друг с другом в расположенном геодезически низко положении внутри выдерживающего давление сосуда (2) с разделением через отверстие или мембрану.33. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что выдерживающий давление сосуд (2) состоит из электронепроводящего материала.34. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что пространства (7, 8), ограниченные кожухом (5) блока (3) электролитических ячеек и внутренней стороной выдерживающего давление сосуда (2), соответствующим образом выложены изнутри с помощью оболочки из электроизолирующего материала.35. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что кожух (5) блока (3) электролитических ячеек на обращенных к пространствам (7, 8) сторонах и/или выдерживающий давление сосуд (2) на своей внутренней стороне снабжены электроизолирующим покрытием или футеровкой.36. Электролизер по п.9, отличающийся тем, что газоотделение происходит в пространстве (7) и в пространстве (8), по существу, в расположенных геодезически выше блока (3) электролитических ячеек областях.37. Электролизер по п.36, отличающийся тем, что в областях газоотделения расположены способствующие коалесценции газа приспособления в виде трикотажных изделий, и/или ультразвуковых излучателей, и/или приспособлений для отклонения потока.38. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что предусмотрена резервная емкость (31) для воды, которая через содержащую клапан (33) заполнения питательной водой линию (32) заполнения питательной водой связана с источником питательной воды и через содержащую клапан (35) подачи питательной воды линию (34) подачи питательной воды связана с нижней областью одного из отделенных пространств (7, 8), и которая через содержащую нагнетательный клапан (37) нагнетательную линию (36) связана с верхней областью одного из отделенных пространств (7, 8), и которая также выполнена с возможностью удаления воздуха в окружающую среду через содержащую продувочный клапан (39) продувочную линию (38), причем верхняя область одного из отделенных пространств (7, 8) при функционировании работающего под давлением электролизера заполнена одним из получаемых газов.39. Электролизер по п.38, отличающийся тем, что одно из отделенных пространств, с которым связана резервная емкость (31) для воды через линию (34) подачи питательной воды и через нагнетательную линию (36), представляет собой другое отделенное пространство (8), образующее составную часть контура циркуляции католита.40. Способ заполнения работающего под давлением электролизера по п.38 или 39, отличающийся тем, что включает в себя следующие стадии, на которых а) заполняют в отсутствие давления резервную емкость (31) для воды по линии (32) заполнения питательной водой с открытым клапаном (33) заполнения питательной водой при открытом продувочном клапане (39) и закрытом нагнетательном клапане (37) и закрытом клапане (35) подачи питательной воды; b) закрывают продувочный клапан (39) и клапан (33) заполнения питательной водой; с) открывают нагнетательный клапан (37) с тем, чтобы резервную емкость (31) для воды через нагнетательную линию (36) довести до давления, преобладающего в выдерживающем давление сосуде (2); d) открывают клапан (35) подачи питательной воды для дозированной подачи питательной воды из резервной емкости (31) для воды в выдерживающий давление сосуд (2); е) закрывают клапан (35) подачи питательной воды.41. Способ по п.40, отличающийся тем, что дозированную подачу питательной воды из резервной емкости (31) для воды в выдерживающий давление сосуд (2) осуществляют под действием силы тяжести, причем резервная емкость (31) для воды в пространственном отношении расположена выше выдерживающего давление сосуда (2).42. Способ по п.40, отличающийся тем, что дозированную подачу питательной воды из резервной емкости (31) для воды в выдерживающий давление сосуд (2) осуществляют с помощью встроенного в линию (34) подачи питательной воды насоса для подачи питательной воды.