Способ контроля работы электролизера для получения водорода и сухого кислорода Советский патент 1993 года по МПК C25B15/00 C25B1/02 

Изобретение относится к электрохимической технологии, а более конкретно к способам контроля работы электролизеров, продуцирующих: водород и сухой кислород электролизом заключенного в пористую матрицу раствора щелочного электролита.

Предлагаемый способ может быть использован при выполнении экспериментальн&1х; исследований, а также для контроля работоспособности и качества электролизеров, вырабатывающих сухой кислород, в том числе для решения задач технической диагностики подобных электролизеров.

Известен способ контроля работы электролизеров, который может быть использован для электролизеров, продуцирующих сухой кислород. Этот способ включает контроль электрических параметров работы электролизера, сосл

с

держания кислорода в водороде и водорода в кислороде, например, с помощью газоанализаторов, температуры и давления продуцируемых газов. Однако этот способ кон-роля работы электроо сл ю ю лизеров , продуцирующих .сухой кислород путем электролиза щелочного раствора, не дает возможность получить информацию о достижении предельно доСА) пустимой плотности тока.

о

Известен -также cnov-.об контроля работы электролизера для получения водорода и сухого кислорода из заключенного в пористую матрицу щелочного раствора, содержащего карбонаты. Этот способ предусматривает контроль электричес,ких параметров, что позволяет путем замеров напряжения на электролизере при последовательно возрастающей плотности тока определить ее максимально допустимую величину, сот. ответствующ то началу резкого роста напряжения, . . Недостатком такого способа контроля работы электролизера для получеимя водорода и сухого кислорода путем электролиза, заключенного в пористую матрицу щелочного раствора, содержащего карбонаты, заключается а том, что он дает завышенные значения максимгитьно допустимой плотности тока. iB результате этого работа электролизера при плотности тока, соответствующей полученной по этому способу величине максимально допустимой плотности тока, приводит к быстрому выходу электролизера из строя вследствие коррозии используемых в нем никелеськ анодов. Целью настоящего изобретения язляется повышение надежности контроля процесса электролиза, . Поставленная цель достигается тем что в изнестном способе контроля работы электролизера для получения водорода и сухого кислорода из заклю-ченного в пористую матрицу щелочного раствора, содержащего карбонаты, контроль осу111ествля от по наличию бикарбонат-ионов в растворе, отделяемом от получающегося кислорода, и при появлении бикарбонат-ионов устанавлива ют предельно допустимую плотность то ка на электродах, при этом отделение раствора от получающегося кислорода производят путем охлаждения последнего ниже точки росы, причем контрол производят после установления стацио нарного концентрационного профиля в пористой матрице4 . Время установления стационарного концентрационного профиля е пористой матрице может быть определено путем повторяющихся определений химическог состава конденсата, отделяемого от Г1родуцируемо|-о кислорода при его охлаждении. При этом сбор конденсата начинают одновременно с пуском элект ролизера, а об окончании установлени стационарного концентрационного профиля судят по неизменности концентра ции ионов ОН, С0 и НСО в конденса те в последовательно выполненных определениях. Обнаружение бикарбонатных ионов в частицах раствора электролита, выносиних с бразующимся кислородом из растг.ора на анодной стороне пористой матрицы, позволяет фиксировать проис

1059930 ходящее в случае превышения предельно допустимой плотности тока, изменение химического состава указанного раствора вследствие изменения характера, анодного процесса. Накопление воды в результате анодной реакции в щелочной среде: 0 + 2Н,20 + ч- , а также несоответствие между электромиграционньм подводом ионов и их расходованием в анодном процессе в сочетании с ограниченной скоростью диффузии в пористой матрице приводит к тому, что на анодной стороне пористой матрицы концентрация гидроксильных ионов падает до значений, близких к нулю, при одновременном концентрировании карбонатных ионов, . Анодный процесс Вэтом случае протекает за счет разложения воды по реакции, характерной для нейтральных .и кислых растворов: - 0 + ЦН + + е. Образующиеся при этом водородные ионы взаимодействуют с карбонатными ионами, концентрируемыми на анодной стороне .пористой матрицы, в результате чего образуются бикарбонатные ионы по реакции: СО + Н Понижение концентрации гидроксильных ионов на анодной стороне пористой матрицы, фиксируемое по появлению бикарбонатов в. частицах раствора электролита, приводит к тому, что анодный процесс протекает в нейтральном или даже подкисленном растворе, вызывающем усиленную коррозию используемых в этом процессе никелевых анодов, В то же время концентрация электролита в этом растворе, состоящего из накапливающихся на анодной стороне пористой матрицы карбонатов и обг i разующихся из них бикарбонатов, ос-, тается сравнительно высокой. Поэтому снижение концентрации гидроксильных ионов, приводящее к резкому усилению коррозии анода, не может быть надежно зафиксировано по росту напряжения. Резкий рост напряжения происходит при более высоких плотностях тока, когда содержание всех ионов в растворе на анодной стороне пористой матрицы стремится к нулю. Таким образом, предлс1женнь й способ контроля электролизеров, вырабатывающих сухой кислород из щелочного раствора электролита, позволяет выявить предельную с точки зрения коррозиенной стойкости анодов плотность тока, величина которой меньше значения плотности тока, вызывакхцего резкий рост напряжения. Пример 1. Проведены испытания электролизера, продуцирующего су хой кислород из щелочного раствора, с целью определения его максимальной производительности. Электролизер представляет собой конструкцию фильтропрессного типа, содержащую 12 последовательно включенных ячеек, активная площадь каждо из которых составляет 0,0130 м. Каж дал ячейка содержит металлокерамические никелевые катоды и аноды толщиной 2 мм и пористостью 60-701, меж ду которыми зажаты диафрагмы из асбо картона толщиной 0,55 мм. С тыльной стороны катодов и анодов размещеныникелевые сетки толщиной 1,8 мм и 0,7 мм соответственно, образующие ка тодные заэлектродные пространства, через которые рециркулирует раствор электролита, и анодные заэлектродные пространства, служащие для отвода су хого кислорода. Ячейки разделены между собой биполярными никелевыми электродами толщиной 1 мм. В процессе испытаний непрерывно контролировали температуру, силу тока и напряжение на электролизере, а в качестве раствора электролита использовали 6 н. раствор КОН, содержащий 10-15 г/л . Этот раствор циркулировал через катодные заэлектродные пространства электролизера с расходом 80 л/ч с помощью циркуляци онного насоса, перед которым был установлен сепаратор для отделения от раствора электролита водорода. Цирку ляционный .контур электролита автоматически подпитывается водой для компенсации ее расходования в процессе электролиза. Специальное термостатирующее. устройство поддерживало температуру рециркулирующего электролита в интервале 2t-26°C. Давление кислорода в процессе испытаний поддерживалось на 3,5 м вод.ст. выше давления раствора электролита в элек тролизере. Испытания проводили с последовательно увеличивающейся плотностью тока, начиная с 1000 А/м. После подачи электропитания электролизер выдерживали в контролируемом режиме ра боты до стабилизации напряжения, после чего работа электролизера продолжалась в том же режиме, а продуцируемый кислород направляли в теплообменник, охлаждаемый водой с температурой , затем пропускали через сборник конденсата и выбрасывали в атмосферу. После накопления R сбопнике конденсата 50-70 мл жидкости, предсТавляющей собой смесь сконденсировавшихся паров воды и аэрозольных частиц раствора электролита, она подвергалась анализу на содержание ионов ОН, СО и НСО. После этого производили замер общей щелочности продуцируемого кислорода. Полученные данные сведены в таблицу. Результаты анализов конденсата при плотности тока 2000 А/м приведены из-за кратковременности этого K i -if-a вследствие быстрого роста напряжения, что не позволило накопить достаточный для анализа объем конденсата. Как видно из таблицу, бикарбонатные ионы появляются в конденсате при плотности тока 1бОО А/м. Поэтому максимальное рабочее значение плотности тока, безопасное с точки зрения коррозии анодов, целесообразно принять равным 1200 А/м. Максимальная производительность электролизера при этом равна А1,6 нл/ч кислорода. Из той же таблицы видно, что резкое повьшение напряжения на электролизере имеет место лишь при плотности тока 2000 А/м2, т,е, при более высоком значении по сравнению с плотностью тока, при которой появляются бикарбонатные ионы. Пример 2. Проведены испытания вышеуказанного электролизера при плотности тока 2000 А/м, т.е. превышаюи1ей предельное значение, определенное по появлению бикарбонатных ионов„ Остальные условия испытания соответствовали примеру 1 . Испытания продолжительностью 60-80 ч повторяли трижды и прекращали после обнаружеПИЯ резкого роста напряжения на отдельных участках ячейках с 2,2 В до ,0 В. В результате ревизии электролизера во всех ячейках были обнаружены следы коррозии на тыльной стороне анодов, а примыкающие к ним никелевые сетки оказались частично забитыми продуктами коррозии. Пример 3. Проводили испытания описанного в примере 1 электро71

лизерЗр в котором диафрагмы из асбокартона толщиной 0,55 мм заменены на аналогичные диафрагмы толщиной 0,35 мм. Условия проведения .испытаний соответствовали примеру 2,

Анализ конденсата показал наличие гидроксильных (,25 г/л) и карбонатных (,9 г/л) ионов. Отсутствие в конденсате бикарбонатных ионов свидетельствует о том, что условия работы электролизера не достигали предельных знамений. Дальнейшие испытания в течение АООО ч непрерывной работы подтвердил возможность устойчивой работы электролизера с диафрагмой толщиной мм при плотности тока 2000 и температуре 2А-2б°С.

599308

Предложенный способ контроля работы электролизера для получения водорода и сухого кислорода по сравне нию с используемыми в настоящее время способами контроля электрических параметров, температуры, содержания кислорода в водороде и водорода в кислороде имеет следующее преимущество: обеспечивается возможность определения предельно допустимой плотности тока, что позволяет повысить интенсивность процесса Лектролиза, снизить вероятность выхода из строя электролизеров при их эксплуатации, обнаружить скрытые дефекты материа.лов и элементов конструкции электролизеров.

1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И СУХОГО КИСЛОРОДА из заключенного в пористую матрицу щелочного раствора, содержащего карбонаты, отличающийся тем, что, с целью повышения Нам лхгюс 1 и контроля процесса электролиза, контроль осуществляют по наличию бикарбонат-ионов в растворе, отделяемом от получающе1ося кислорода, и при появлении бикарбонат-ионов устанавливает предельнодопустимую плотность тока электролиза. 2. Способ ПОП.1, отличающийся тем, что отделение раствора от получающегося кислорода производят, путем охлаждения последнего ни же точки росыо