ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК C25B1/12 C25B9/20 

Область техники

В общем, изобретение относится к области электролизеров, в частности к электролизерам для разложения воды. Более конкретно, изобретение относится к электролизеру, включающему пакет элементов внутри корпуса высокого давления, для работы в условиях высокого давления.

Уровень техники

Электролиз представляет собой общепринятый способ разделения химически связанных элементов. Процесс может проводиться под давлением в случае необходимости получить продукты электролиза под тем же самым давлением.

Одним из наиболее распространенных видов электролиза является получение водорода (H₂) посредством электролиза воды, и далее настоящее описание будет относиться к этому предпочтительному варианту использования изобретения.

Хорошо известно получение водорода, используемого для проведения химических процессов, путем электролиза воды при давлениях примерно до 30 бар. Однако в последние годы возникла необходимость получения водорода при значительно более высоких давлениях.

Водород является наиболее перспективным носителем энергии с точки зрения хранения и транспортирования, особенно для распределенного получения энергии из возобновляемых источников и для снабжения энергией транспортных средств, использующих водород в качестве топлива, или с топливными элементами. Для хранения водорода, предназначенного для использования в качестве топлива или носителя энергии, требуется очень высокое давление, например 200 бар и более. В настоящее время приемлемыми давлениями для хранения топливного водорода считаются 350 бар (5000 фунт/кв. дюйм) или 700 бар (10000 фунт/кв. дюйм). Для сжатия водорода до столь высоких давлений требуются дорогие многоступенчатые компрессоры, потребляющие много энергии. Поэтому имеется насущная потребность в процессе электролиза, позволяющем непосредственно получить водород при указанном давлении.

В US 4758322 раскрывается хорошо известная конструкция электролизера, так называемая фильтр-прессная конфигурация. Группа биполярных ячеек последовательно включена в состав пакета и установлена между двумя концевыми пластинами, скрепленными соединительными тягами. Каждая из биполярных ячеек включает анодную секцию и катодную секцию, разделенные диафрагмой или мембраной. В свою очередь, каждая ячейка отделена от соседней ячейки проводящей стенкой, так называемой биполярной пластиной, две поверхности которой имеют противоположную полярность. Пакет ячеек зажат между концевыми пластинами, образующими анодный (+) и катодный (-) электрические контактные (полюсные) выводы пакета. Концевые пластины сжимаются соединительными тягами, электрически изолированными для предотвращения короткого замыкания ячеек. В ячейки вводится жидкий электролит, а из ячеек отводятся вырабатываемые газы.

Возможности работы этого электролизера при внутреннем давлении, то есть при высоком давлении электролита и вырабатываемых газов, ограничены. Рамы ячеек и концевые пластины пакета ячеек должны, фактически, выдерживать полный перепад давлений (Δp) между внутренним объемом и наружным пространством, находящимся обычно при атмосферном давлении. При превышении определенного Δp рамы ячеек не в состоянии выдерживать механическую нагрузку, а их уплотнительные прокладки не могут предотвращать утечку электролита или газов. В результате, на практике такой электролизер может работать при внутреннем давлении не более нескольких десятков бар.

Для решения этой задачи были предложены электролизеры высокого давления. Основная идея состоит в уравновешивании внутреннего давления пакета ячеек, используя этот пакет ячеек внутри корпуса высокого давления.

В US 6153083 раскрыт электролизер для электролиза воды под давлением, в котором пакет биполярных ячеек, в соответствии с уже упомянутой фильтр-прессной конфигурацией, заключен в корпус высокого давления. Два концевых электрода пакета присоединены к источнику электропитания двумя вводными кабелями, проходящими через корпус высокого давления, внутреннее пространство которого заполнено находящейся под высоким давлением водой, окружающей пакет ячеек. Недостатки такой конструкции, хотя и не описанной подробно, но трудно реализуемой на практике, связаны с кабельными вводами в корпус высокого давления и устройствами подачи щелочного электролита внутрь пакета ячеек, и отведением газообразных водорода и кислорода, генерируемых в пакете. Существует практическая необходимость создания устройств ввода/вывода в корпус высокого давления, где герметичность является важнейшей характеристикой, и любая утечка может нарушить работу электролизера. В частности, перепад давлений внутри корпуса может быть причиной, в большинстве случаев, неустранимых повреждений внутри электролизера. Более того, эта конструкция была использована при давлениях до 30 бар, недостаточных для упомянутого выше хранения водорода.

В DE 4418999 раскрыт другой способ герметизации. Блок ячеек окружен трубой высокого давления, закрытой с двух концов соответствующими фланцами, которые также являются торцевыми крышками блока ячеек и поэтому имеют все необходимые соединения для подвода к электролизным ячейкам и отвода от них текучих сред. Пространство внутри трубы высокого давления и снаружи блока ячеек находится под гидравлическим давлением электролита, подаваемого к электролизным ячейкам. Для компенсации относительного расширения между блоком ячеек и корпусом, которые должны иметь одинаковую длину, рамки ячеек (из непроводящего материала) чередуются с эластомерными плоскими прокладками. Слабым местом такой конструкции является герметичность этих прокладок и, кроме того, использование проводящего электролита в качестве среды, создающей давление, повышает риск короткого замыкания при утечке ячейки.

Другая проблема существующих конструкций связана с различным коэффициентом термического расширения корпуса или трубы высокого давления, по сравнению с коэффициентом термического расширения находящегося внутри пакета ячеек, что может приводить к механическим напряжениям с риском просачивания и утечки электролита. В системе, где давление передается через воду, даже небольшая утечка электролита может оказаться губительной, поскольку вода приобретает проводимость с возникновением электрического шунтирования и паразитных токов, и соответствующими потерями мощности либо даже коротких замыканий и серьезных повреждений пакета ячеек.

Таким образом, недостатки существующих конструкций можно резюмировать следующим образом. Некоторые из известных электролизеров, работающих под давлением, могут работать при давлениях значительно ниже необходимого для разумного снижения удельного объема водорода для его хранения в резервуарах; соединители для текучих сред и подвода электроэнергии, особенно проходящие через корпус высокого давления, критичны для герметичности системы; при широко распространенном использовании воды в качестве создающей давление среды остается риск паразитных токов или опасных замыканий в случае утечки электролита; альтернативное использование электролита для создания давления в корпусе еще более опасно в силу описанных причин. Эти недостатки, описанные применительно к электролизу воды, также относятся и к другим применениям.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении ставится задача создания конструкции электролизера высокого давления с пакетом ячеек, пригодного для безопасного и надежного получения водорода из воды при высоком давлении, необходимом для использования водорода в качестве топлива или носителя энергии, в котором устранены приведенные выше ограничения.

Данная задача решается в электролизере, включающем:

- корпус высокого давления (работающий под давлением), имеющий обечайку и противолежащие закрытые концы;

- пакет электролизных ячеек внутри корпуса высокого давления, включающий группу биполярных электролизных ячеек, собранных пакетом между первой и второй концевыми контактными (полюсными) пластинами, приспособленный для работы при внутреннем давлении;

- соединения для текучих сред для подвода электролита к пакету ячеек и для отвода продуктов электролиза от пакета ячеек, и электрические соединения, включающие по меньшей мере анодное и катодное соединения,

отличающемся тем, что:

- первая концевая контактная пластина пакета ячеек составляет единое целое с одним из закрытых концов корпуса высокого давления, формируя стационарную головку пакета ячеек;

- стационарная головка оборудована соединениями для текучих сред и электрическими соединениями анода и катода с пакетом ячеек;

- вторая концевая контактная пластина пакета ячеек находится внутри корпуса высокого давления и имеет возможность перемещаться в продольном направлении относительно первой концевой контактной пластины и корпуса, при термическом расширении и сжатии, формируя тем самым плавающую головку пакета ячеек.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения упомянутые закрытые концы на одной стороне представляют собой заглушку, а на другой стороне - плоскую торцевую крышку или закрытый фланец, также включающий первую концевую контактную пластину пакета ячеек.

В соответствии с особенностями предпочтительного варианта электрические соединения анода и катода включают по меньшей мере первый электрический соединитель, в предпочтительном варианте в форме соединительной тяги, проходящей через первую концевую контактную пластину, изолированной от этой пластины и электрически соединенной с первой ячейкой пакета, а именно ячейкой, ближайшей к стационарной головке; по меньшей мере второй электрический соединитель, связанный и электрически соединенный с первой концевой контактной пластиной, электрически соединенной со второй концевой контактной пластиной. Например, первый электрический соединитель является положительным контактным выводом, подводящим анодный ток к первой ячейке, а второй электрический соединитель является отрицательным контактным выводом, выполняя функцию катодного контактного вывода для последней ячейки пакета.

В предпочтительном варианте осуществления концевые контактные пластины пакета ячеек скреплены соединительными тягами, обеспечивающими механическое и электрическое соединение между двумя пластинами.

В предпочтительном варианте осуществления электролизер целиком находится под потенциалом плавающей головки, и изнутри электролизера через обечайку или заглушку корпуса требуется вывести только одно из электрических соединений (анодное/катодное). Например, соединительные тяги, представляющие отрицательное электрическое соединение, прикреплены к закрытому концу, формирующему стационарную головку, которая электрически и механически соединена соединительными тягами с внутренней плавающей головкой и далее с концевой контактной пластиной пакета ячеек; изолированная соединительная тяга проходит через плавающую головку, образуя положительное электрическое соединение с первой концевой контактной пластиной пакета.

В соответствии с другой особенностью изобретения корпус находится под давлением скорее газа, а не жидкости, как в существующих конструкциях. Поэтому особенностью изобретения является электролизер, включающий корпус высокого давления и пакет электролизных ячеек внутри этого корпуса высокого давления, в котором пакет ячеек включает группу биполярных электролизных ячеек, собранных в пакет между первой и второй концевыми контактными пластинами, отличающийся тем, что корпус находится под давлением газа.

Газ, создающий давление внутри корпуса, может принимать, а может и не принимать участие в процессе электролиза. В частности, газ, создающий давление в корпусе, может быть, например, инертным газом, т.е. быть химически инертным в отношении процесса электролиза или, в альтернативном варианте, может быть газом, получаемым под давлением в самом процессе электролиза. В предпочтительном варианте газ получается в процессе электролиза, проводимом в пакете ячеек, при давлении, которое может превышать уровень давления в корпусе, поэтому не требуется промежуточного сжатия газа для создания с его помощью давления в корпусе.

Оборудование для электролиза согласно изобретению включает электролизер с пакетом ячеек внутри корпуса высокого давления, приспособленным для вырабатывания по меньшей мере газообразного продукта под давлением; по меньшей мере сосуд, принимающий этот газообразный продукт и приспособленный для отделения газа от увлеченного электролита; линию (трубопровод), подводящую по меньшей мере часть газообразного продукта в корпус высокого давления в качестве создающей давление среды.

В предпочтительном варианте в предложенном в изобретении электролизере высокого давления газа пакет ячеек имеет описанную выше конфигурацию со стационарной головкой и плавающей головкой, а именно первая концевая контактная пластина пакета ячеек составляет единое целое с одной из торцевых крышек корпуса высокого давления, формируя тем самым стационарную головку, оборудованную подходящими соединениями для текучих сред для подачи электролита к пакету ячеек и для отведения продуктов электролиза и также оборудованную анодным и катодным электрическими соединениями с пакетом ячеек; вторая концевая контактная пластина может перемещаться в продольном направлении относительно первой концевой контактной пластины и корпуса при термическом расширении и сжатии, образуя тем самым плавающую головку.

Что касается использования предпочтительного варианта для электролиза воды, то в качестве создающей давление среды в электролизере высокого давления газа в соответствии с изобретением может быть использован азот или иной газ, инертный в отношении процесса электролиза воды; в другом варианте по меньшей мере часть водорода или часть кислорода, получаемого под давлением из пакета ячеек, используется для создания давления внутри корпуса высокого давления. Внутреннее давление пакета ячеек в процессе работы в предпочтительном варианте составляет по меньшей мере 30 бар, в более предпочтительном - более 100 бар и в наиболее предпочтительном - в интервале от 100 до 700 бар.

Оборудование для электролиза воды в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения включает электролизер, включающий пакет ячеек внутри корпуса высокого давления, приспособленный для получения водорода и кислорода под давлением; по меньшей мере сепарационный сосуд, принимающий водород, и другой сепарационный сосуд, принимающий кислород, вырабатываемые в электролизере, приспособленные для отделения водорода и кислорода соответственно от увлеченного электролита; трубопровод, подводящий по меньшей мере часть упомянутого водорода или часть упомянутого кислорода из соответствующего сосуда в корпус высокого давления в качестве создающей давление среды. В предпочтительном варианте электролизер из состава этого оборудования для электролиза воды имеет описанную выше конфигурацию со стационарной головкой и плавающей головкой.

Давление может регулироваться дифференциальным регулятором давления, чувствительным к Δp между двумя сосудами, либо поддержанием постоянным уровня увлеченного электролита в соответствующем сосуде, из которого отбирается создающая давление среда (водород или кислород).

Предпочтительный способ обеспечения герметичности пакета ячеек для описанных выше вариантов осуществления изобретения раскрыт в EP 0212240. Каждая биполярная ячейка имеет два элемента, называемые сепараторным элементом и биполярным элементом, в форме рамок, внутри которых находятся диафрагма или мембрана и, соответственно, биполярная пластина. В предпочтительном варианте рамки имеют круглую форму, что позволяет лучше противостоять внутреннему давлению, и отформованы из армированной пластмассы, вследствие чего не обладают электрической проводимостью. Герметизация достигается просто использованием кольцевых уплотнительных прокладок, требующих приложения очень небольшого усилия к соединительным тягам и соответствующим торцевым крышкам, дополняющим фильтр-прессную конфигурацию пакета. Жидкий электролит и вырабатываемые газы распределяются и собираются из ячеек каналами, сформированными в рамках и заканчивающимися в одной из металлических концевых контактных пластин.

Рамки имеют относительно небольшую толщину, в пределах нескольких миллиметров, так же как и катодная и анодная камеры каждой ячейки, в которых находятся очень тонкие и гибкие электроды. Технология формования обеспечивает быстрое изготовление больших партий рамок. Более того, могут быть с легкостью отформованы рамки различных размеров для создания ячеек разной производительности. Высокая плотность тока и малые размеры ячеек обеспечивают компактность конструкции и возможность полной сборки электролизной установки на заводе-изготовителе до отправки.

Изобретение обладает многими преимуществами, позволяющими безопасно и надежно проводить электролиз при давлениях, значительно превышающих давления, используемые в настоящее время. Изобретение позволяет получать газообразный продукт при давлении, значительно превосходящем давление 30 бар, существенно ограничивающее существующие возможности; в частности изобретение пригодно для получения H₂ электролизом воды непосредственно при давлении в сотни бар, что соответствует требованиям транспортных средств, использующих водородное топливо. Поскольку водород получается непосредственно при электролизе под давлением его предполагаемого использования, происходит экономия или значительное сокращение расходов по его сжатию, и использование водорода в качестве топлива или носителя энергии становится более привлекательным.

Пакет ячеек со стационарной головкой и плавающей головкой решает проблемы относительного термического удлинения между пакетом и корпусом, в котором он расположен, поскольку плавающая головка не связана жестко с обечайкой корпуса высокого давления, а может свободно перемещаться при термическом расширении. Более того, благодаря изобретению электрические соединения расположены в стационарной головке, в результате чего нет необходимости выполнять электрические соединения через обечайку или заглушку корпуса, являющиеся критическими элементами с точки зрения герметичности системы. Другим преимуществом изобретения, как будет показано, является гарантированно безопасное заземление всего электролизера для предотвращения несчастных случаев с обслуживающим персоналом.

Использование газообразной среды, создающей давление, обеспечивает лучшую электрическую изоляцию и снижает риск потерь мощности или короткого замыкания, вызванных утечкой электролита. В известных системах, использующих воду под давлением, небольшие потери электролита за счет утечки из пакета могут сделать проводящей воду, создающую давление в корпусе, что способствует паразитным токам через пакет и корпус. Значительно более разрушительные последствия могут произойти в случае создания гидравлического давления самим электролитом, поскольку раствор электролита имеет значительно более высокую электропроводность, чем вода.

Использование в качестве создающей давление среды самого газа, вырабатываемого в процессе электролиза, имеет то дополнительное преимущество, что не требуется дополнительной компрессорной установки. Газ, вырабатываемый пакетом ячеек, например водород или кислород в случае электролиза воды, может направляться в корпус без его промежуточного сжатия между выходом пакета ячеек и входом корпуса высокого давления либо со значительно менее дорогим сжатием, например одноступенчатым вместо многоступенчатого. Кроме того, инертные газы, необходимые для электролизеров высокого давления, работающих при давлениях 5000 фунтов/кв. дюйм, отсутствуют на рынке при таких давлениях, и требуется использование дополнительных дорогих компрессорных систем.

Другим преимуществом является то, что с момента начала процесса электролиза при низком давлении вплоть до конечного рабочего давления повышение давления газа в корпусе высокого давления электролизера происходит пропорционально нарастанию давления процесса электролиза.

Описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

на фиг.1 схематически показан электролизер в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.2 подробно показан ввод для анодного тока электролизера, изображенного на фиг.1;

на фиг.3 и 4 представлены примеры блок-схемы, иллюстрирующие применение изобретения к электролизу воды при больших давлениях.

Подробное описание осуществления изобретения

Как показано на фиг.1, электролизер 100 образован блоком 101 пакета ячеек, заключенным в корпусе (сосуде) 115 высокого давления, давление внутри которого создается газовой фазой в процессе работы. Корпус сформирован горизонтальной цилиндрической обечайкой с закрытыми концами, один из которых представляет собой фланцевую крышку, второй представляет собой фланцевую крышку или составляющую единое целое с обечайкой заглушку, плоскую или выпуклую. В предпочтительном варианте осуществления второй конец имеет вид выпуклой заглушки, приваренной к цилиндрической обечайке. В качестве материала конструкции корпуса может использоваться металл или композиционный материал, например, армированный волокнами.

Пакет 101 ячеек образован биполярными ячейками, каждая из которых включает анод 102 и катод 103, разделенные диафрагмой или мембраной 104. В свою очередь, каждая ячейка отделена от соседней ячейки биполярной пластиной 105. Ячейки включают рамки 106, имеющие каналы 113 для распределения электролита, и каналы 114 для сбора продуктов электролиза.

В соответствии с изобретением первая концевая контактная (полюсная) пластина 107a пакета 101 ячеек составляет интегральную часть торцевой крышки корпуса высокого давления, в то время как вторая концевая пластина 108a пакета 101 ячеек может перемещаться относительно пластины 107a и обечайки корпуса 115 внутри корпуса в продольном направлении, при термическом расширении и сжатии. Таким образом, концевая пластина 107a образует стационарную головку 107 пакета 101, а противоположная концевая пластина 108a образует плавающую головку 108 того же пакета ячеек.

Стационарная головка 107 оборудована соединениями для текучих сред для подачи электролита к пакету ячеек и для отвода продуктов электролиза, а также анодным и катодным электрическими соединениями с пакетом ячеек.

Как показано в варианте осуществления на фиг.1, все технологические соединения 122 пакета 101, относящиеся к газам и жидкостям, сгруппированы на пластине 107a, что позволяет пакету свободно расширяться внутри корпуса 115.

Анодное соединение осуществляется стержнем 120, проходящим через пластину 107a, электрически изолированным относительно этой заглушки вкладышем 119 и передающим анодный ток прямо на первый анод 117 пакета 101. Этот первый анод 117 электрически изолирован от пластины 107a изолирующей пластиной 118. Со стержнем 120 используются соответствующие уплотнительные прокладки, герметизируя его относительно внутреннего пространства, находящегося под давлением.

Концевая пластина 108a имеет электрический контакт с последним катодом 116 пакета 101 и соединена посредством соединительных тяг 109 с пластиной 107а. Таким образом, пластины 107a и 108a находятся под одним потенциалом.

Контактный вывод катода также расположен непосредственно на пластине 107a в виде соединительной тяги 121. При заземлении этого вывода весь электролизер оказывается заземленным, за исключением только вывода 120 анода, который может быть легко защищен от любого контакта с обслуживающим персоналом, что обеспечивает высокую безопасность конструкции.

Следует отметить, что корпус 115 имеет одинаковый потенциал с пластинами 107a и 108a пакета ячеек благодаря электрическому соединению, обеспечиваемому соединительными тягами 109. Таким образом, единственным изолированным соединением, которое должно выходить изнутри электролизера наружу, является стержень 120, в приведенном примере проходящий через торцевую крышку корпуса, представленную пластиной 107a.

Предпочтительный вариант осуществления стержня 120 анодного соединения подробно показан на фиг.2. Соединительная тяга 120 приварена к первому аноду 117 пакета, а на другом ее конце нарезана резьба и надеты две шайбы 131 и две гайки 132, предназначенные для закрепления электрического кабеля анода. Электроизолирующий трубчатый вкладыш 119 предотвращает контакт между стержнем 120, находящимся под потенциалом анода, и заземленной пластиной 107.

Изолирующая втулка 125 и плоские уплотнительные прокладки 126 отделяют пространство высокого давления по наружному диаметру втулки 125 и прокладок 126 от пространства низкого давления вокруг стержня 120. Две прокладки 126 сжаты между втулкой 125 и пластиной 107a и, соответственно, между втулкой 125 и анодом 117. Для сдавливания уплотнительных прокладок 126 гайкой 130 притягивают анод 117 к пластине 107a с использованием соединительной тяги 120, тарельчатых пружин 129, расположенных между двумя шайбами 128, и изолирующей втулки 127. Пространство между пластиной 107а и анодом 117 заполнено изолирующей пластиной 118.

Выбор материалов для изготовления электроизолирующих втулок 125 и 127 требует большой тщательности, поскольку обе должны выдерживать воздействие больших сжимающих сил и, в особенности элемент 125, должны быть непроницаемы для влажности окружающей среды с тем, чтобы не возникало электрического шунтирования между элементами, имеющими потенциал анода, и землей. Материалом, пригодным для элемента 125, является, например, стеклослюдяной композиционный материал, в то время как для элемента 127 может подходить слюдобумажный слоистый материал.

На фиг.1 показано отверстие 123 на стационарной головке 107 для создания давления в пространстве внутри корпуса 115 высокого давления снаружи пакета 101 ячеек. В альтернативном варианте это соединение может быть расположено в любом другом месте на обечайке 115.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, где взаимная герметизация рамок ячеек пакета обеспечивается кольцевыми прокладками, как это описано в EP 0212240, давление внутри корпуса 115 должно быть пропорционально рабочему давлению внутри пакета 101.

Создающей давление средой, согласно особенности изобретения, в предпочтительном варианте является газ. Создающим давление газом может быть, например, азот, аргон или углекислый газ, причем все они не участвуют в процессе электролиза. Источник одного из таких инертных газов, например баллон, может быть присоединен к отверстию 123 посредством трубчатого соединения, снабженного редуктором или устройством управления. Во втором примере газ, создающий давление в корпусе электролизера, может быть газообразным продуктом процесса электролиза, например водородом или кислородом в случае электролиза воды.

На фиг.3 приведен пример оборудования для электролиза воды, включающего электролизер 200 высокого давления газа, в целом осуществленный согласно описаниям на фиг.1 и 2.

Электролизер 200 включает пакет 210 ячеек внутри корпуса 220 высокого давления и вырабатывает водород и кислород, которые поступают от стационарной головки пакета ячеек к сосудам V-1 и V-2 по трубам 201 и 202, соответственно. Вместе с газами увлекается какое-то количество электролита, и в сосудах V-1 и V-2 должна производиться сепарация газов от увлеченной жидкости, которая возвращается в электролизер по трубам 203 и 204.

Водород выходит из сосуда V-1 по трубе 205, в которой регулятором давления PC-1 устанавливается давление водорода в сосуде путем регулирования вентиля PCV-1, и далее водород поступает к потребителю по трубе 207.

Кислород выходит из сосуда V-2 через трубу 206 для выдачи потребителю по трубе 209. Давление кислорода в сосуде V-2 регулируется дифференциальным регулятором давления PDC регулировкой вентиля PDCV так, чтобы оно оставалось в области давлений водорода.

Линия 208, соединяющая линию 206 с корпусом 200 высокого давления, поддерживает давление внутри корпуса на уровне, устанавливаемом устройством PC-2, посредством регулирования вентиля PCV-02.

Описанный вариант осуществления может быть изменен так, что два газа меняются ролями, и для создания давления внутри корпуса 220 используется водород.

Другой пример представлен на фиг.4 в соответствии с использованием другого критерия управления процессом электролиза. Сосуды V-1 и V-2 соединены в нижней части трубой с тем, чтобы выровнять внутреннее давление этих сосудов и, следовательно, анодных и катодных секций ячеек. В этом случае давлением выдачи водорода управляют так же, как и в предыдущем случае, показанном на фиг.3. Выдачей кислорода управляют путем поддержания постоянным уровня электролита внутри V-2. Видно, что поддержание давления в корпусе 220 осуществляется самим водородом по замкнутой цепи PC-2/PCV-2, хотя это может быть сделано с помощью кислорода, как показано на фиг.3. Специалисты могут выбрать и другие критерии управления.

В изобретении реализованы сформулированные выше задачи и цели, и оно особенно подходит для получения водорода высокого давления посредством электролиза воды.

Изобретение относится к электролизеру (100), включающему корпус (115) высокого давления, имеющий обечайку и противоположные закрытые концы; пакет (101) электролизных ячеек внутри корпуса высокого давления, содержащий группу биполярных электролизных ячеек, собранных в пакет между первой концевой контактной пластиной (107a) и второй концевой контактной пластиной (108a), и приспособленный для работы под внутренним давлением; соединения для текучих сред для подвода электролита к пакету ячеек и для отвода продукта(ов) электролиза от пакета ячеек, и электрические соединения, включающие по меньшей мере анодное и катодное соединения. Электролизер характеризуется тем, что первая концевая контактная пластина (107a) пакета ячеек составляет единое целое с одним из закрытых концов корпуса высокого давления, формируя стационарную головку (107) пакета ячеек, снабженную соединениями (122) для текучих сред и электрическими соединениями (120, 121) анода и катода с пакетом ячеек, а вторая концевая контактная пластина (108a) пакета ячеек находится внутри корпуса (115) высокого давления и имеет возможность свободного перемещения в продольном направлении относительно первой концевой контактной пластины и корпуса, при термическом расширении или сжатии, формируя тем самым плавающую головку (108) пакета ячеек. Также изобретение относится к способу проведения электролиза, оборудованию для электролиза и к получению водорода высокого давления, использующим указанный электролизер. Настоящее изобретение предоставляет электролизер, позволяющий получать водород при давлении, необходимом для его хранения в резервуарах, при этом не содержит соединителей для текущих сред, критичных для герметичности системы, и исключает риск паразитных токов и опасных замыканий, возникающих в случае утечки электролита. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электролизер (100), включающий:
корпус (115) высокого давления, имеющий обечайку и противоположные закрытые концы;
пакет (101) электролизных ячеек внутри корпуса высокого давления, содержащий группу биполярных электролизных ячеек, собранных в пакет между первой концевой контактной пластиной (107a) и второй концевой контактной пластиной (108a), и приспособленный для работы под внутренним давлением;
соединения для текучих сред для подвода электролита к пакету ячеек и для отвода продукта(ов) электролиза от пакета ячеек и электрические соединения, включающие по меньшей мере анодное и катодное соединения,
отличающийся тем, что:
первая концевая контактная пластина (107a) пакета ячеек составляет единое целое с одним из закрытых концов корпуса высокого давления, формируя стационарную головку (107) пакета ячеек, снабженную соединениями (122) для текучих сред и электрическими соединениями (120, 121) анода и катода с пакетом ячеек, а
вторая концевая контактная пластина (108a) пакета ячеек находится внутри корпуса (115) высокого давления и имеет возможность свободного перемещения в продольном направлении относительно первой концевой контактной пластины и корпуса, при термическом расширении или сжатии, формируя тем самым плавающую головку (108) пакета ячеек.

2. Электролизер по п. 1, в котором корпус (115) имеет плоскую торцевую крышку (107a), образующую также первую концевую контактную пластину пакета (101) ячеек.

3. Электролизер по п. 1, в котором электрические соединения включают по меньшей мере первый электрический соединитель (120), проходящий через первую концевую контактную пластину (107a) пакета (101) ячеек, изолированный от этой пластины и электрически соединенный с первой ячейкой пакета, и по меньшей мере второй электрический соединитель (121), связанный и электрически соединенный с первой концевой контактной пластиной (107a), электрически соединенной со второй концевой контактной пластиной (108a) пакета(101).

4. Электролизер по п. 3, в котором первая и вторая концевые контактные пластины пакета ячеек скреплены вместе тягами (109), обеспечивающими механическое и электрическое соединение между первой и второй концевыми пластинами (107a, 108a).

5. Электролизер по п. 3, в котором первый электрический соединитель (120) и (или) второй электрический соединитель (121) выполнены в виде соединительной тяги.

6. Электролизер по любому из пп. 3-5, в котором первый электрический соединитель (120) является положительным, передающим анодный ток к первой ячейке пакета (101) ячеек, а второй электрический соединитель (121) является отрицательным, выполняя роль контактного вывода катода для последней ячейки пакета.

7. Электролизер по п. 6, в котором первый электрический соединитель (120) представляет собой соединительную тягу, проходящую через стационарную головку (107) пакета (101) ячеек и изолированную от этой стационарной головки трубчатым вкладышем (119), причем соединительная тяга (120) прикреплена к первому аноду (117) пакета, а между первым анодом (117) и стационарной головкой (107) установлена изолирующая пластина (118), и для отделения упомянутой соединительной тяги от пространства под давлением внутри пакета ячеек используется изолирующая втулка (125) и уплотнительные прокладки (126).

8. Способ проведения электролиза, в частности электролиза воды, в электролизере по любому из предыдущих пунктов, включающем корпус высокого давления и пакет электролизных ячеек внутри этого корпуса высокого давления, содержащий группу биполярных электролизных ячеек, собранных в пакет между первой и второй концевыми контактными пластинами и приспособленных для работы под внутренним давлением, отличающийся тем, что в корпусе во время работы пакета ячеек создают давление газовой среды.

9. Способ по п. 8, в котором газовую среду создают под давлением в пакете ячеек.

10. Способ по п. 9, в котором обеспечивают давление в пакете ячеек выше давления в корпусе.

11. Способ по п. 8, предназначенный для электролиза воды, в котором давление водорода, вырабатываемого пакетом ячеек, составляет более 30 бар, предпочтительно от 100 до 700 бар.

12. Оборудование для электролиза, включающее:
электролизер (200) по любому из пп. 1-7, включающий пакет (210) ячеек внутри корпуса (220) высокого давления, приспособленный для вырабатывания по меньшей мере газообразного продукта под давлением;
по меньшей мере сосуд (V-1), принимающий газообразный продукт и приспособленный для отделения газообразного продукта от увлеченного электролита;
линию (208) для подачи по меньшей мере части газообразного продукта в качестве создающей давление среды в корпус (220) высокого давления.

13. Оборудование по п. 12, предназначенное для электролиза воды, в котором пакет (210) ячеек приспособлен для вырабатывания водорода и кислорода под давлением, включающее:
по меньшей мере сосуд (V-1), принимающий водород, и другой сосуд (V-2), принимающий кислород, вырабатываемый электролизером (200), которые приспособлены для отделения водорода и кислорода, соответственно, от увлеченного электролита;
линию (208) для подачи по меньшей мере части водорода или части кислорода в качестве создающей давление среды в корпус (220) высокого давления из соответствующего сосуда.

14. Применение электролизера по п. 1 и оборудования по п. 12 для вырабатывания водорода высокого давления при электролизе воды.