ЭЛЕКТРОЛИЗЕР С МНОГОЯЧЕЕЧНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ Российский патент 2024 года по МПК C25B1/04 C25B1/26 C25B9/01 C25B9/23 C25B9/75 

Изобретение относится к электролизёру согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

В крупномасштабном производстве водорода и/или хлора используются электролизеры мегаваттной мощности, конструктивно подразделяемые на две основные категории.

К первой категории относятся электролизеры, именуемые фильтр-прессовыми электролизерами, в которых электролизный блок содержит две концевые секции, соединенных с полюсами источника питания, и множества биполярных пластин. Сепаратор, представляющий собой диафрагму или мембрану, отделяет друг от друга смежные концевые секции и биполярные пластины, в результате чего, формируется множество последовательно расположенных электролизных ячеек. Анодная сторона одной ячейки отделены от катодной стороны другой ячейки посредством биполярной пластины, при этом каждая ячейка разделена сепаратором на две полуячейки. Биполярная пластина, участвующая в формировании электролизных ячеек может иметь любую форму. Механическая целостность и герметичность объемов ячеек обеспечивается посредством наружного стяжного приспособления, например, набора стяжных шпилек, сжимающих сразу все биполярные пластины и сепараторы блока. Герметичность достигается только в сжатом состоянии. Традиционно в крупномасштабном производстве используются электролизеры, содержащие электролизные блоки, сформированные из электролизных ячеек, имеющих площадь от 2 до 4 м², при этом количество электролизных ячеек может составлять от 50 до 200. Общий вес такого электролизера обычно составляет несколько десятков тонн, а стяжное приспособление может создавать уплотняющую силу примерно от 1 до 10 МПа. В зависимости от площади уплотнения усилие может составлять несколько десятков тонн.

Например, в документах US 20030155232 А1 и WO 2020203319 А1 описываются электролизеры, которые относятся к фильтр-прессовой категории. Следует отметить, что фильтр-прессовая конструкция имеет недостатки, поскольку не позволяет устранить неполадки в работе электролизера или заменить компоненты на рабочем месте без полной разборки электролизера. Таким образом, сборку и техническое обслуживание электролизеров обычно приходится выполнять на рабочем месте, что приводит к длительным простоям, связанного с ним оборудования.

Одним из способов решения вышеупомянутых проблем могло бы являться уменьшение размеров электролизеров и использование электролизеров со значительно меньшей площадью ячейки, когда они используются на небольших электролизных установках киловаттной мощности, например, в производстве водорода или в топливных элементах. С электролизными блоками небольшого размера легче обращаться, кроме того они могут поставляться в предварительно собранном виде и заменяться целиком. Однако в крупномасштабном производстве при использовании установок мегаваттной мощности в диапазоне от десятков до сотен мегаватт потребуется множество отдельных малогабаритных электролизеров, что приведет к увеличению занимаемой площади и повышению расходов на техническое обслуживание.

Ко второй категории относятся электролизеры одноэлементной конструкции, которые на рынке представлены, в частности, компанией Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers. Согласно конструкции электролизеров указанного типа, каждая электролизная ячейка подразделяется мембраной или диафрагмой, служащей сепаратором, на две полуячейки, а именно анодную полуячейку и катодную полуячейку. Две полуячейки, а именно анодная полуячейка и катодная полуячейка, соединены между собой и изолированы посредством уплотнительной системы, предотвращающей утечку электролита и/или газов наружу. Согласно указанной конструкции, каждая ячейка представляет собой индивидуально герметизированный элемент, который может быть безопасно собран, обработан и заменен без необходимости разборки всего электролизера. Отдельные элементы подвешиваются на стойке, образованной стальной рамой, и поджимаются друг к другу, чтобы обеспечить хорошую электропроводность между контактирующими соседними отдельными элементами. Сравнительно с фильтр-прессовой конструкцией, в которой посредством наружного стяжного приспособления прикладывается уплотняющая сила для герметизации всех ячеек и достижения хорошей проводимости, в одноэлементной конструкции требуется приложение силы на несколько порядков меньшей, поскольку требуется обеспечить лишь хорошую проводимость.

В документе DE 19641125 A1 раскрыт электролизер, относящийся к указанной категории. Недостатком указанной конструкции является необходимость множества отдельных компонентов в виде полукорпусов, а также необходимость фланцевой рамы вместо одной биполярной пластины, кроме того, увеличивается количество необходимых базовых материалов и количество производственных этапов, следовательно возрастают производственные затраты и стоимость монтажа.

В документе US 20090308738 А1 раскрыт щелочной электролизер, в котором создается высокое рабочее давление, достигающее 200 бар, при этом активная площадь щелочного электролизера составляет 108 кв.дюйм (= 0,07 м²). Для повышения жесткости наружных участков полуячеек при воздействии внутреннего давления до 200 бар используются стяжные шпильки наряду с арматурными стержнями. Вместо применения отдельных стяжных шпилек для каждой ячейки, группа из шести или более ячеек может быть объединена в более крупный модуль с помощью длинных стяжных шпилек. Разъемы типа «банан» обеспечивают соединение между собой смежных ячеек при помощи трубных захватов.

В документе CN 106702421 A описана система для электролиза хлората натрия, в которой создано 4 ряда электролизных ячеек, при этом каждый ряд содержит четыре группы электролизных ячеек, каждая из которых объединяет 15 единичных ячеек. Количество групп электролизных ячеек для получения хлората натрия можно гибко варьировать согласно требуемой мощности, а при техническом обслуживании группы электролитических ячеек можно заменять по отдельности.

Задачей настоящего изобретения является электролизер, разработанный для крупномасштабного производства водорода и/или хлора, который является безопасным в эксплуатации, простым в обращении и техническом обслуживании, а также требует меньшего количества базовых материалов и меньших производственных затрат.

Для решения поставленной задачи предлагается электролизер, охарактеризованный признаками пункта 1 формулы изобретения.

Предлагаемый, согласно изобретению, электролизер включает электролизный блок, содержащий множество панельных электролизных ячеек, электрически соединенных последовательно, а также включает прижимное приспособление для механического и электрического соединения элементов блока. Каждая электролизная ячейка имеет анодную камеру, в которой расположен анод, и катодную камеру, в которой расположен катод, причем анодная камера и катодная камера отделены друг от друга пластинчатым сепаратором. Согласно изобретению, блок содержит по меньшей мере два многоячеечных элемента, каждый из которых включает множество электролизных ячеек, а также содержит механическое стяжное приспособление. Механическое стяжное приспособление удерживает вместе электролизные ячейки каждого многоячеечного элемента, обеспечивая герметичность. Прижимное приспособление для механического и электрического соединения элементов блока обеспечивает механическое и электрическое соединение многоячеечных элементов.

Согласно настоящему изобретению, электролизный блок электролизера содержит многоячеечные элементы, индивидуально герметизированные при помощи механического стяжного приспособления. Для объединения множества электролизных ячеек в многоячеистом элементе используются различные средства, обеспечивающие уплотняющие силы и прижимные силы для создания плотного электрического контакта, а именно, механическое стяжное приспособление и прижимное приспособление для механического и электрического соединения элементов блока, соответственно. Следовательно, можно снизить давление, оказываемое прижимным приспособлением для механического и электрического соединения элементов блока, что позволяет создать менее массивную конструкцию электролизера по сравнению с традиционной фильтр-прессовой конструкцией. Кроме того, многоячеечные элементы можно поставлять в предварительно собранном виде и вставлять в электролизер непосредственно на рабочем участке. Таким образом, перед доставкой можно осуществить контроль качества и проверку работоспособности предварительно собранных многоячеечных элементов.

По сравнению с одноэлементной конструкцией, в которой каждая из ячеек должна быть заключена в два полукорпуса для придания механической прочности, требуемой для обработки как единого компонента, в предлагаемой конструкции блока, сформированного из многоячеечных элементов, механическая прочность, требуемая для обработки как единого компонента, придается каждому многоячеечному элементу. Таким образом, согласно изобретению, сокращается расход электропроводного материала, в частности, никеля или титана, предназначенного для изготовления по меньшей мере некоторых частей анодных и катодных камер, используемых в электролизерах. К тому же, сокращаются производственные затраты, поскольку механическое стяжное приспособление обеспечивает герметизацию многоячеечного элемента в целом, вместо использования множества комплектов болтов для индивидуальной герметизации каждой из ячеек.

Предпочтительно, многоячеистые элементы могут быть заменены по отдельности в ходе технического обслуживания электролизера, при котором прижимное приспособление для механического и электрического соединения элементов блока приводится в состояние отсоединения, тогда как механическое стяжное приспособление по-прежнему находится в состоянии затяжки. Таким образом, можно удалить или установить отдельный многоячеечный элемент без полной разборки электролизера. Таким образом, сокращается время простоя электролизеров при техническом обслуживании.

Согласно изобретению, прижимное приспособление для механического и электрического соединения элементов блока может прикладывать к блоку требуемую сжимающую силу, вступая во взаимодействие с краевыми электролизными ячейками блока. Под действием внешней сжимающей силы, прикладываемой к блоку в целом, улучшается производительность каждой ячейки, а также облегчается выравнивание многоячеечных элементов в блоке. Альтернативно, прижимное приспособление для механического и электрического соединения элементов блока, может быть связано по меньшей мере с двумя, предпочтительно с любыми двумя, соседними многоячеечными элементами для приложения контактного давления к соседним многоячеечным элементам. Например, контактное давление может быть обеспечено между соседними стенками и/или между контактными выступами смежных многоячеечных элементов.

Согласно предпочтительным вариантам осуществления изобретения, количество электролизных ячеек в каждом многоячеечном элементе электролизера может составлять, предпочтительно, от 3 до 50, предпочтительнее, от 5 до 15 электролизных ячеек. Объединение множества электролизных ячеек для формирования многоячеечного элемента является предпочтительным, поскольку позволяет экономить материалы. Однако для удобства работы количество электролизных ячеек в каждом многоячеечном элементе должно быть ограничено. При использовании многоячеечных элементов, сформированных из электролизных ячеек в указанном выше диапазоне, существенно снижаются расходы на материалы и сборку, а для транспортировки и доставки многоячеечных элементов подходят любые широко известные подъемные устройства, такие как порталы или мостовые краны и вилочные погрузчики.

В принципе, многоячеечные элементы могут заканчиваться открытой анодной полуячейкой или катодной полуячейкой с дополнительными сепараторами. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения стенка каждого многоячеечного элемента является плоской, и служит контактной поверхностью для электрического соединения с соседним многоячеечным элементом. Таким образом, каждый многоячеечный элемент формирует независимый подблок, который может быть установлен по принципу «подключи и работай» (plug-and-play).

Согласно предпочтительным вариантам осуществления изобретения многоячеечные элементы содержат два концевых участка, на одном из которых расположена анодная камера, а на другом расположена катодная камера соответствующих краевых электролизных ячеек, а также содержат несколько срединных участков, включающих катодную камеру одной из смежных внутренних электролизных ячеек и катодную камеру другой из смежных внутренних электролизных ячеек, электрически соединенных между собой посредством биполярной перегородки, при этом пластинчатые сепараторы установлены между двумя смежными срединными участками, а также между концевыми участками и смежными срединными участками. При объединении в одном срединном участке многоячеистого элемента катодной камеры и анодной камеры соседних внутренних электролизных ячеек можно сократить количество отдельных компонентов и, следовательно, сократить трудозатраты на сборку.

Предпочтительно, объем анодной камеры и/или катодной камеры краевых электролизных ячеек многоячеечного элемента превышает объем любой из катодных камер и любой из анодных камер внутренних электролизных ячеек от 1,1 до 2 раз. За счет увеличения объема краевых камер многоячеечного элемента преимущества традиционной фильтр-прессовой конструкции, а именно высокоэффективный электролиз с ячейками малого объема оптимальное использование материалов и пространства в срединном участке многоячеечного элемента, сочетаются с повышенной термостойкостью электролизера благодаря увеличению теплоемкости краевых ячеек. Точнее говоря, за счет увеличения объема краевых камер в электролизных ячейках многоячеечных элементов, промежуточное охлаждение внутри блока является более эффективным, сравнительно с традиционной фильтр-прессовой конструкцией. В результате в блоке улучшается термическая однородность.

Существует несколько вариантов использования механического стяжного приспособления для удержания вместе электролизных ячеек, формирующих многоячеечный элемент. В частности, предпочтительными являются три приведенных ниже варианта.

Согласно предпочтительным вариантам осуществления изобретения, механическое стяжное приспособление включает стяжные шпильки, располагаемые поперек электролизных ячеек снаружи многоячеечного элемента, а также включает, предусмотренные на многоячеечном элементе концевые компоненты, при этом концевые компоненты многоячеечного элемента входят в зацепление со стяжными шпильками для создания уплотняющей силы, прикладываемой к электролизным ячейкам многоячеечного элемента. Указанная конструкция наиболее приближена к традиционной фильтр-прессовой конструкции, однако содержит электролизный блок, собранный из некоторого количества многоячеечных элементов. Электролизные ячейки многоячеечных элементов герметичны относительно окружающей среды в периферийной области, которая может также способствовать удержанию пластинчатых сепараторов в электролизных ячейках.

Согласно другим из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, механическое стяжное приспособление включает по меньшей мере две корпусные части, совместно охватывающие снаружи электролизные ячейки соответствующего многоячеечного элемента, при этом каждая корпусная часть содержит наружный фланец и болты, при затяжке которых сжимаются электролизные ячейки, охватываемые корпусными частями. Предпочтительно, механическое стяжное приспособление дополнительно содержит по меньшей мере одну прокладку, расположенную между фланцами корпусных частей, причем указанная прокладка сжимается при затяжке болтов. Альтернативно, фланец может быть изготовлен из уплотнительного материала, такого как политетрафторэтилен (PTFE), или покрыт им. В указанных вариантах осуществления изобретения корпусные части механического стяжного приспособления формируют кожух многоячеечного элемента, который обеспечивает изоляцию элемента от окружающей среды. При описанной конструкции нет необходимости в идеальной герметичности каждой отдельной электролизной ячейки многоячеечного элемента, поскольку указанный элемент имеет двойное уплотнение. К тому же, желательно, чтобы при техническом обслуживании каждая из корпусных частей придавала многоячеечному элементу механическую прочность. В частности, корпусные части могут быть выполнены в виде двух полукорпусов.

Согласно предпочтительным вариантам осуществления изобретения, механическое стяжное приспособление, к тому же, содержит наружные фланцы, предусмотренные на концевых и срединных участках многоячеечного элемента, и болты, которые предназначены для стяжки фланцев, предусмотренных на концевых участках и соответствующих смежных срединных участках и/или на смежных срединных участках

Все вышеописанные многоячеечные элементы подходят для использования с внешними трубопроводами, обеспечивающими подачу и распределение электролита или сбор электролита и/или полученных газов из электролизных ячеек. В других вариантах осуществления изобретения многоячеечный элемент содержит по меньшей мере один внутренний коллектор для распределения электролита или сбора электролита и/или полученных газов из электролизных ячеек многоячеечного элемента. В традиционных фильтр-прессовых электролизерах, в которых используется множество электролизных ячеек, при соответствующем электрическом напряжении, подаваемом на блок, возникают большие паразитные токи, воздействию которых подвергаются внутренние коллекторы. В предлагаемом в изобретении многоячеечном элементе создаются более благоприятные условия для внутренних коллекторов, поскольку паразитные токи являются небольшими из-за меньшего количества электролизных ячеек, при этом на входах и/или выходах отдельных ячеек установлены внутренние коллекторы, что позволяет снизить производственные расходы и затраты на техническое обслуживание.

Согласно предпочтительным вариантам осуществления изобретения, электролизер имеет станину, причем электролизные ячейки электролизного блока и прижимное приспособление для механического и электрического соединения элементов электролизного блока смонтированы на станине. Станина служит в качестве жесткой рамы для электролизного блока, что позволяет выполнить конструкцию, включающую многоячеечные элементы и другие компоненты, менее массивной. Однако, согласно изобретению, блок многоячеечных элементов может использоваться без каркасной станины.

Дополнительные преимущества изобретения раскрываются ниже в описании вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи. На чертежах представлено следующее.

Фиг. 1 – схематическое изображение электролизера согласно изобретению с электролизным блоком, содержащим два многоячеечных элемента, электролитические ячейки которых прижаты друг к другу посредством механического стяжного приспособления.

Фиг. 2 – схематическое изображение многоячеечного элемента, согласно первому варианту осуществления изобретения, используемого в показанном на фиг. 1 электролизере, в котором механическое стяжное приспособление содержит наружные стяжные шпильки.

Фиг. 3 – схематическое изображение многоячеечного элемента, согласно второму варианту осуществления изобретения, используемого в показанном на фиг. 1 электролизере, в котором механическое стяжное приспособление содержит две корпусные детали, совместно охватывающие электролизные ячейки.

Фиг. 4 – схематическое изображение многоячеечного элемента, согласно третьему варианту осуществления изобретения, используемого в показанном на фиг. 1 электролизере, в котором фланцы механического стяжного приспособления, предусмотренные на концевых участках и срединных участках многоячеечного элемента, стянуты болтами.

Фиг. 5 – схематическое изображение двух многоячеечных элементов, согласно варианту осуществления изобретения, представленному на фиг. 3, в котором прижимное приспособление для механического и электрического соединения элементов блока связано с многоячеечными элементами для создания контактного давления.

Фиг. 6 – схематическое изображение многоячеечного элемента, сконструированного в соответствии с видоизменениями представленного на фиг. 2 первого варианта осуществления изобретения, согласно которым, на концевых участках многоячеечного элемента увеличен объем анодной и, соответственно, катодной камеры краевых электролизных ячеек, сравнительно с объемом электродных камер внутренних электролизных ячеек.

Аналогичные детали обозначаются на чертежах одинаковыми ссылочными позициями, поэтому в повторном описании и упоминании указанных деталей нет необходимости.

На фиг. 1 показан электролизер 1 согласно изобретению. Электролизер 1 включает электролизный блок 3, содержащий множество панельных электролизных ячеек 4, расположенных вплотную друг к другу и электрически соединенных последовательно, а также включает прижимное приспособление 10 для механического и электрического соединения элементов электролизного блока 3. Каждая электролизная ячейке 4 имеет анодную камеру 5, в которой расположен анод, и катодную камеру 7, в которой расположен катод 8, причем анодная камера 5 и катодная камера 7 отделены друг от друга посредством пластинчатого сепаратора 9 (на фиг. 1 отсутствует детальное изображение, см. фиг. 2–4). Предпочтительно, анодная камера 5 и катодная камера 7 по меньшей мере частично изготовлены из электропроводящего материала. Согласно настоящему изобретению, блок 3 содержит по меньшей мере два многоячеечных элемента 11, каждый из которых включает множество электролизных ячеек 4, а также содержит механическое стяжное приспособление 12, которое удерживает вместе электролизные ячейки 4 каждого многоячеечного элемента 11, обеспечивая герметичность. Прижимное приспособление 10 предназначено обеспечивать механическое и электрическое соединение многоячеечных элементов 11 электролизного блока.

Электролизный блок 3 может быть подсоединен к внешнему источнику питания посредством концевых пластин 150, 160, контактирующих с краевыми электролизными ячейками 4 блока 3.

Электролизер, показанный на фиг. 1, имеет станину 2, причем электролизные ячейки электролизного блока 3 и прижимное приспособление 10 для механического и электрического соединения элементов электролизного блока 3 смонтированы на станине 2. Станина 2 электролизера, показанная на фиг. 1, содержит две концевые стойки 130, 140, поддерживающие несущую балку 120 с каждой стороны. Несущие балки 120 поддерживают электролизные ячейки 4 на станине 2. Электролизные ячейки 4, предпочтительно, подвешиваются на несущих балках 120 с обеих сторон станины 2.

Показанное на фиг. 1, прижимное приспособление 10 для механического и электрического соединения элементов электролизного блока 3 может прикладывать к блоку требуемую сжимающую силу, вступая во взаимодействие с краевыми электролизными ячейками 4 блока. Например, как показано фиг. 1, прижимное приспособление 10 для механического и электрического соединения элементов электролизного блока 3, содержит прижимную пластину 110, находящуюся в зацеплении с несущей балкой 120, которая в указанном варианте осуществления изобретения выполняет функцию наружной стяжной штанги прижимного приспособления 10. Прижимная пластина 110 может перемещаться по несущей балке в горизонтальном направлении, сжимая вместе многоячеечные элементы 11 электролизного блока 3 и торцевые пластины 150, 160, обеспечивающие подачу энергии. В течение рабочего процесса поддерживается непосредственный контакт между торцевыми пластинами 150, 160 и многоячеечными элементами 11, благодаря чему обеспечивается последовательное электрическое соединение. Предпочтительно, многоячеечные элементы 11, показанные на чертежах, имеют ровные стенки 13, формирующие плоские контактные поверхности для электрического соединения с соседним многоячеечным элементом 11.

В альтернативных вариантах осуществления изобретения (не представленных на чертежах) прижимное приспособление для механического и электрического соединения элементов электролизного блока предпочтительно связано по меньшей мере с любыми двумя соседними многоячеечными элементами для приложения контактного давления к соседним многоячеечным элементам.

На фиг. 1 показан электролизер 1 при техническом обслуживании. При техническом обслуживании электролизера прижимное приспособление 10 для механического и электрического соединения элементов электролизного блока 3 приводится в состояние отсоединения, тогда как механическое стяжное приспособление 12 по-прежнему находится в состоянии затяжки. Конструкция электролизера, показанного на фиг. 1, позволяет при техническом обслуживании осуществлять индивидуальную замену многоячеечных элементов 11 без необходимости полной разборки электролизера 1.

Например, каждый из многоячеечных элементов 11, показанных на фиг. 1, содержат четыре электролизные ячейки 4. Каждый из многоячеечных элементов 11 может содержать, предпочтительно, от 3 до 50, предпочтительнее, от 5 до 15 электролизных ячеек 4. Электролизные ячейки 4 многоячеечного элемента 11 электрически соединены последовательно и параллельно относительно потока электролита и потока полученного газа. Площадь каждой из электролизных ячеек 4 многоячеечного элемента 11 составляет, предпочтительно, от 1 до 4 м². При объединении в одном электролизере 1 нескольких многоячеечных элементов 11, можно получить электролизер 1 с номинальной мощностью в мегаваттном диапазоне.

На фиг. 2 более подробно показан многоячеечный элемент 11, согласно первому варианту осуществления изобретения, который используется в электролизере 1, представленном на фиг. 1. На одном концевом участке 14 многоячеечного элемента 11 расположена анодная камера 5 краевой электролизной ячейки 4, а на другом концевом участке 15, соответственно, расположена катодная камера 7 краевой электролизной ячейки 4. Кроме того, многоячеечный элемент 11 содержит несколько срединных участков 16, включающих катодную камеру 7 одной из смежных внутренних электролизных ячеек 4 и анодную камеру 5 другой из смежных внутренних электролизных ячеек 4, электрически соединенных между собой посредством биполярной перегородки 17. Кроме того, многоячеечный элемент 11 содержит пластинчатые сепараторы 9, установленные между смежными срединными участками 16, а также между концевыми участками 14, 15 и смежными срединными участками 16. Между сепараторами 9 и концевыми участками 14, 15, а также между сепараторами 9 и срединными участками 16 предусмотрены прокладки 29, расположенные в соответствующих контактных областях участков 14, 15, 16.

Преимущества предлагаемой в изобретении конструкции, сравнительно с одноэлементной конструкцией, касаются экономии материалов и трудозатрат и подтверждаются конкретным примером. Чтобы изготовить типичный электролизер одноэлементной конструкции, необходимо изготовить, обработать и собрать требуемые компоненты, а именно один элемент, включающий 300 электролизных ячеек; 600 полукорпусов и 300 пар фланцев, укомплектованных множеством разнообразных болтов для стяжки и сборки, что связано с большими затратами. Для сравнения, с типичным одноэлементным электролизером, включающим в общем 600 деталей, электролизер согласно изобретению содержит лишь 350 деталей при таком же общем количестве электролизных ячеек 4, расположенных на участках 14, 15, 16 каждого из 2 электролизных элементов 11, в том числе по 10 ячеек, расположенных на каждом из концевых участков 14, 15, то есть 2×30, и соответственно, на срединных участках 16 в общем 10×29. Соответственно, количество комплектов стяжных болтов уменьшается с 300 до 30.

Между биполярными перегородками 17 и анодом 6 и/или катодом 8 внутри электролизных ячеек 4 могут использоваться вставки, например, в виде ребер 34. Электроды 6, 8, установленные внутри ячейки 4, отдалены при помощи вставок от сепаратора 9 на очень малое расстояние, что позволяет снизить напряжение ячейки. В частности, конструкция согласно изобретению применима к электролизерам с нулевым зазором, в которых электроды 6, 8 находятся в непосредственном контакте с сепаратором 9. Сепаратор 9 может представлять собой, например, мембрану или диафрагму.

Как показано на фиг. 2, электролит поступает по внешним питающим трубопроводам 30, 31 и подается индивидуально в каждую камеру 5, 7 через впускное отверстие электролизных ячеек 4 многоячеечного элемента 11. Аналогично, внешние трубопроводы (не показаны) могут использоваться для отвода из ячеек 4 электролита и/или сбора полученных газов.

Согласно варианту осуществления изобретения, представленному на фиг. 2, механическое стяжное приспособление 12 включает стяжные шпильки 18, располагаемые поперек электролизных ячеек 4 снаружи многоячеечного элемента 11. Механическое стяжное приспособление 12 также включает предусмотренные на многоячеечном элементе 11 концевые компоненты 19, при этом концевые компоненты 19 элемента входят в зацепление со стяжными шпильками 18 для создания уплотняющей силы, прикладываемой к электролизным ячейкам 4 многоячеечного элемента 11. Концевые компоненты 19 сформированы на стенках 13 многоячеечного элемента и представляют собой средства сцепления, например, в виде выступов с отверстиями, вступающими в зацепление со стяжными шпильками 18. Альтернативно, концевые компоненты 19 могут представлять собой самостоятельные компоненты, как например, дополнительные торцевые пластины многоячеечного элемента 11.

Конструкция многоячеечного элемента 11, показанного на фиг. 2, подобна конструкции фильтр-прессовых электролизеров с тем отличием, что многоячеечный элемент 11 содержит меньшее количество отдельных электролизных ячеек 4 (предпочтительно, в диапазоне от 3 до 50) и уже в процессе сборки многоячеечного элемента 11 обеспечивается механическая целостность и герметичность, а не только при окончательной сборке электролизера в целом. Таким образом, многоячеечный элемент 11 представляет собой автономный модуль, который можно заменять и обрабатывать индивидуально, например, за пределами рабочего участка, не затрагивая другие многоячеечные элементы 11 электролизера 1 на рабочем участке электролизной установки.

На фиг. 3 показан многоячеечный элемент 11, согласно второму варианту осуществления изобретения, используемый в электролизере 1, представленном на фиг. 1. В указанном варианте осуществления изобретения механическое стяжное приспособление 12 содержит две корпусные части 20, 21, совместно охватывающие снаружи электролизные ячейки 4 соответствующего многоячеечного элемента 11. Каждая из корпусных частей 20, 21 содержит наружный фланец 22, 23. Механическое стяжное приспособление 12 дополнительно содержит прокладку 24, расположенную между фланцами 22, 23 двух корпусных частей 20, 21, и болты 25. При затяжке болтов 25 сжимаются электролизные ячейки 4, охватываемые корпусными частями 20, 21, при этом сжимается прокладка 24 между фланцами 22, 23. Как показано, корпусные части 20, 21, предпочтительно, имеют форму полукорпусов.

По сравнению с многоячеечным элементом 11, согласно первому варианту осуществления изобретения, многоячеечный элемент 11, представленный на фиг. 3, имеет двойное уплотнение. Дополнительно к имеющейся наружной прокладке 24, расположенной между фланцами 22, 23 двух корпусных частей 20, 21, электролизные ячейки 4 индивидуально герметизированы относительно сепараторов 9, например, посредством внутренних прокладок 29, расположенных в контактных областях участков 14, 15, 16 многоячеечного элемента 11.

Подачу электролита к электролизным ячейкам 4 многоячеечного элемента 11 обеспечивают питающие трубопроводы 30, 31, которые продолжаются с наружной стороны ячеек 4 и располагаются внутри корпусных частей 20, 21, как показано на фиг. 2. Аналогичный трубопровод (не показан) может использоваться для сбора электролита и/или полученных газов из ячеек 4. Следовательно, в каждом многоячеечном элементе 11 можно сократить количество впускных и выпускных отверстий, благодаря чему, упрощается сборка электролизера 1 на рабочем участке.

Альтернативно, многоячеечный элемент 11, показанный на фиг. 3, может получать электролит по внешнему трубопроводу, распределяющему и/или собирающему соответствующую среду индивидуально из каждой ячейки 4 с наружной стороны корпусных частей 20, 21.

Во всем остальном описание многоячеечного элемента, согласно первому варианту осуществления изобретения, представленного на фиг. 2, применимо к многоячеечному элементу, согласно второму варианту осуществления изобретения, представленному, соответственно, на фиг. 3.

На фиг. 4 представлен многоячеечный элемент 11, согласно третьему варианту осуществления изобретения, который используется в электролизере 1, представленном на фиг. 1. Согласно указанному варианту осуществления изобретения, механическое стяжное приспособление содержит наружные фланцы 26, 27, предусмотренные на концевых участках 14, 15 и срединных участках 16 многоячеечного элемента 11, а также содержит болты 28, которые предназначены для стяжки фланцев 26, 27, предусмотренных на концевых участках 14, 15 и соответствующих смежных срединных участках 16 и/или на смежных срединных участках 16.

Многоячеечный элемент 11, согласно третьему варианту осуществления изобретения, к тому же, содержит два внутренних коллектора 33, 34 для распределения электролита между электролизными ячейками 4 многоячеечного элемента 11. Также могут быть предусмотрены внутренние коллекторы, предназначенные для сбора электролита и/или полученных газов из ячеек 4.

Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, который не представлен, многоячеечный элемент, показанный на фиг. 4, оснащен внешним трубопроводом, как показано на фиг. 2, вместо внутренних коллекторов.

Во всем остальном описание многоячеечных элементов, согласно первому и второму вариантам осуществления изобретения, которые представлены на фиг. 2 и 3, применимо к многоячеечному элементу, согласно третьему варианту осуществления изобретения, представленному на фиг. 4.

Показанные на фиг. 5 два многоячеечных элемента, согласно варианту осуществления изобретения, представленному на фиг. 3, расположены вплотную друг к другу. Прижимное приспособление 10 для механического и электрического соединения элементов электролизного блока 3 связано с двумя соседними многоячеечными элементами 11 для приложения контактного давления к соседним многоячеечным элементам 11. Например, прижимное приспособление 10 может содержать наружные фланцы, предусмотренные на каждом из двух концов многоячеечных элементов 11, при этом фланцы на соседних многоячеечных элементах 11 стянуты болтами.

Описанное выше прижимное приспособление 10 для механического и электрического соединения элементов электролизного блока 3 подходит для любого из вариантов осуществления изобретения, представленных на чертежах.

На фиг. 6 показан видоизмененный вариант многоячеечного элемента, представленного на фиг. 2, в котором краевые электролизные ячейки 4 многоячеечного элемента 11 содержат анодную камеру 5 и, соответственно, катодную камеру 7, объем каждой из которых превышает от 1,1 до 2 раз объем любой из катодных камер 7 и любой из анодных камер 5 внутренних электролизных ячеек 4. Увеличенный объем наружных электродных камер приводит к повышению теплоемкости блока 3, что позволяет лучше контролировать температуру блока.

Во всем остальном описание варианта многоячеечного элемента, представленного на фиг. 2, применимо к варианту многоячеечного элемента, соответственно, представленного на фиг. 6.

Электролизер 1 согласно изобретению особенно эффективен при использовании для хлор-щелочного электролиза и электролиза щелочной воды.

Перечень ссылочных позиций

1 – электролизер

2 – станина

3 – электролизный блок

4 – электролизная ячейка

5 – анодная камера

6 – анод

7 – катодная камера

8 – катод

9 – сепаратор

10 – прижимное приспособление для механического и электрического соединения элементов блока

11 – многоячеечный элемент

12 – механическое стяжное приспособление

13 – стенка

14, 15 – концевой участок

16 – срединный участок

17 – перегородка

18 – стяжная шпилька

19 – концевой компонент

20, 21 – корпусная часть

22, 23 – фланец

24 – прокладка

25 – болт

26, 27 – фланец

28 – болт

29 – прокладка

30, 31 – питающие трубопроводы

32, 33 – внутренний коллектор

34 – ребро

110 – прижимная пластина

120 – несущая балка

130, 140 – концевые стойки

150, 160 – торцевые пластины.

Изобретение относится к области производства водорода и/или хлора. Электролизер (1) включает электролизный блок (3), содержащий множество панельных электролизных ячеек (4), расположенных вплотную друг к другу и электрически соединенных последовательно. Каждая электролизная ячейка (4) имеет анодную камеру и катодную камеру, отделенные друг от друга посредством пластинчатого сепаратора. Электролизер содержит прижимное приспособление (10) для механического и электрического соединения элементов электролизного блока (3). Блок (3) содержит по меньшей мере два многоячеечных элемента (11), каждый из которых включает множество электролизных ячеек (4), и механическое стяжное приспособление (12), удерживающее вместе электролизные ячейки (4) каждого многоячеечного элемента (11), обеспечивая герметичность многоячеечных элементов (11), соединяемых механически и электрически посредством прижимного приспособления (10). Прижимное приспособление (10) выполнено с возможностью прикладывать к блоку (3) требуемую силу сжатия, вступая во взаимодействие с краевыми электролизными ячейками (4) блока (3). Прижимное приспособление (10) связано по меньшей мере с двумя соседними многоячеечными элементами (11) для приложения контактного давления к соседним многоячеечным элементам (11). Электролизер безопасный в эксплуатации и простой в обращении и техническом обслуживании, обеспечивает возможность замены, удаления или установления отдельных многоячеечных элементов без полной разборки электролизера. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электролизер, включающий электролизный блок (3), содержащий множество панельных электролизных ячеек (4), расположенных вплотную друг к другу и электрически соединенных последовательно, при этом каждая электролизная ячейка (4) имеет анодную камеру (5), в которой расположен анод (6), и катодную камеру (7), в которой расположен катод (8), причем анодная камера (5) и катодная камера (7) отделены друг от друга посредством пластинчатого сепаратора (9), а также включающий прижимное приспособление (10) для механического и электрического соединения элементов электролизного блока (3), отличающийся тем, что блок (3) содержит по меньшей мере два многоячеечных элемента (11), каждый из которых включает множество электролизных ячеек (4), а также содержит механическое стяжное приспособление (12), которое удерживает вместе электролизные ячейки (4) каждого многоячеечного элемента (11), обеспечивая герметичность многоячеечных элементов, соединяемых механически и электрически посредством прижимного приспособления (10), при этом прижимное приспособление (10) для механического и электрического соединения элементов электролизного блока (3) предназначено для приложения к блоку (3) требуемой сжимающей силы, при взаимодействии с краевыми электролизными ячейками (4) блока (3), или прижимное приспособление (10) для механического и электрического соединения элементов электролизного блока (3) связано по меньшей мере с двумя соседними многоячеечными элементами (11) для приложения контактного давления к соседним многоячеечным элементам (11).

2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью индивидуальной замены многоячеечных элементов (11) при техническом обслуживании указанного электролизера, в ходе которого прижимное приспособление (10) для механического и электрического соединения элементов электролизного блока (3) приводится в состояние отсоединения, тогда как механическое стяжное приспособление (12) по-прежнему находится в состоянии затяжки.

3. Электролизер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что каждый из многоячеечных элементов (11) содержит от 3 до 50, предпочтительнее, от 5 до 15 электролизных ячеек (4).

4. Электролизер по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что многоячеечные элементы (11) имеют стенки (13), формирующие контактные поверхности для электрического соединения с соседним многоячеечным элементом (11).

5. Электролизер по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что многоячеечные элементы (11) содержат два концевых участка (14, 15), на одном из которых расположена анодная камера (5), а на другом расположена катодная камера (7) соответствующих краевых электролизных ячеек (4) многоячеечного элемента (11), а также содержат несколько срединных участков (16), включающих катодную камеру (7) одной из смежных внутренних электролизных ячеек (4) и анодную камеру (5) другой из смежных внутренних электролизных ячеек (4), электрически соединенных между собой посредством биполярной перегородки (17), при этом пластинчатые сепараторы (9) установлены между смежными срединными участками (16), а также между концевыми участками (14, 15) и смежными срединными участками (16).

6. Электролизер по п. 5, отличающийся тем, что анодная камера (5) и/или катодная камера (7) краевых электролизных ячеек (4) многоячеечного элемента (11) имеет объем, превышающий объем любой из катодных камер (7) и любой из анодных камер (5) внутренних электролизных ячеек (4) от 1,1 до 2 раз.

7. Электролизер по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что механическое стяжное приспособление (12) включает стяжные шпильки (18), располагаемые поперек электролизных ячеек (4) снаружи многоячеечного элемента (11), а также включает предусмотренные на многоячеечном элементе (11) концевые компоненты (19), при этом концевые компоненты (19) элемента введены в зацепление со стяжными шпильками (18) для создания уплотняющей силы, прикладываемой к электролизным ячейкам (4) многоячеечного элемента (11).

8. Электролизер по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что механическое стяжное приспособление (12) включает по меньшей мере две корпусные части (20, 21), совместно охватывающие снаружи электролизные ячейки (4) соответствующего многоячеечного элемента (11), при этом каждая корпусная часть (20, 21) содержит наружный фланец (22, 23) и болты (25), при затяжке которых сжимаются электролизные ячейки (4), охватываемые корпусными частями (20, 21).

9. Электролизер по п. 8, отличающийся тем, что механическое стяжное приспособление (12) дополнительно содержит по меньшей мере одну прокладку (24), расположенную между фланцами (22, 23) корпусных частей (20, 21), причем прокладка (24) выполнена с возможностью сжатия при затяжке болтов (25).

10. Электролизер по п. 5 или 6, отличающийся тем, что механическое стяжное приспособление (12) содержит наружные фланцы (26, 27), предусмотренные на концевых участках (14, 15) и срединных участках (16) многоячеечного элемента (11), а также содержит болты (28), которые предназначены для стяжки фланцев (26, 27), предусмотренных на концевых участках (14, 15) и соответствующих смежных срединных участках (16) и/или на смежных срединных участках (16).

11. Электролизер по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что многоячеечный элемент (11) содержит по меньшей мере один внутренний коллектор для распределения электролита или сбора электролита и/или полученных газов из электролизных ячеек (4) соответствующего многоячеечного элемента (11).

12. Электролизер по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что электролизер (1) имеет станину (2), причем электролизные ячейки (4) электролизного блока (3) и/или прижимное приспособление (10) для механического и электрического соединения элементов электролизного блока (3) смонтированы на станине (2).