Электролизер для получения смеси водорода и кислорода Советский патент 1993 года по МПК C25B1/04 

Изобретение относится к области электрохимических генераторов (ЭВГ) и может быть реализовано в качестве электролизера для получения смеси водорода и кислорода.

Известен электролизер для получения смеси кислорода и водорода, включающий концевые плиты. Диэлектрические проклад- ки, электроды, стянутые крепежными деталями.:;

В результате сгорания водородно-кис- лородной смеси, находящейся над уровнем электролита, в этом известном.электролизе- ре может произойти резкое повышение дав-; ления во внутренней полости электролизера. Как следствие, это повлечет за собой разгерметизацию, приводящую к снижению надежности конструкции, или разрушение электролизера, влияющее на его безопасность. Причиной, вызывающей вышеупомянутую ситуацию, могут быть такие явления, как: самовоспламенение смеси газов, световой или звуковой импульс, радиоволна, обратный удар, проскок искры и т.д.

Цель изобретения - повышение надежности конструкции и безопасности процесса. ; :......:- - .-.; ..

Указанная цель достигается благодаря тому, что Электролизер дополнительно снабжен обечайкой, образующей с концевыми плитами полость, причем концевые плиты выполнены по прочности и жесткости равными или меньше соответственно прочности и жесткости обечайки.

При этом толщина каждой концевой плиты равна:

м . 3 ; ---,f ;

У2 Рраб +2 R I DM n At/c V - 1 84 . - s:; ./.. ;

где h - толщина плиты;

Р-газоваяпостоянная8,314Дж(К -моль);

С - теплоемкость стехиометрической смеси кислорода и водорода, 33,52 Дж/К моль;

I - величина постоянного электрического тора в электролизере, А;

иэл - термонейтральное напряжение, необходимое для протекания процесса электролизаi без подвода тепла извне, 1,48 В;

n - число ячеек, шт.,Рраб - рабочее давление в электролизере при постоянном расходе кислородно-водородной смеси газов, а;

V - обьем, занимаемый кислородно-водородной смесью газов над электролитом, м3; . . . .... : . ; . -; - .

G - модуль сдвига материала концевой плиты. Па;

а - радиус концевой плиты, м;

(Л

С

ч ю

о

Ч

ы

А г- промежуток времени, за который устанавливается рабочее давление, с;

р (Я)- функция степени сжатия в зависимости от относительной деформации, безразмерная величина.

Таким образом, концевые плиты оказывают демпфирующее влияние в случае возгорания в электролизере смеси газов, поскольку в них возникает деформация, потенциальная .энергия которой поглощает значительную часть энергии, выделяемой в результате сгорания упомянутого газа.

На фиг. 1 изображен электролизер, продольный разрез; на фиг. 2 - график зависимости степени сжатия концевой плиты от ее относительной деформации, : ;

Элёктролизер имеет обечайку 1 из.тёр- мопласта, несущую крепежное устройство, cocTorfmee из бандажей 2 и шпилек 3, :

На торцах обечайки установлены концевые плиты 4, выполненные из эластичного диэлектрического материала, например, резины и образующие совместно с обечайкой полость, которая заполнена электролитом.

Каждая из концевых плит выполнена ким образом, что ее прочность и жесткость, равны или меньше соответственно прочности и жесткости обечайки 1. При этом обязательным условием должно быть, чтобы геометрические характеристики каждой концевой плиты, как-то: радиус и толщина были связаны со степенью ее сжатия и давлением в электролизере следующим образом : : . . : ;

а2

Р (0,92 + 0,5 ).-G --y.(A).. .

где G - модуль сдвига материала, концевой плиты, Па; . . , .: . . .-.

а - радиус концевой плиты, м;

h - толщина концевой плиты, м;

р (А ) - функция сжатия концевой плиты в зависимости от относительной деформации (5 , задается графическим способом (см.фиг.2).

В полости электролизера, где поддерживается постоянный уровень А (фиг.1) электролита, объем, занимаемый кислородно-водородной смесью газов, находящихся под рабочим давлением Рраб., будет неизменным, тогда принимая допущения в том, что ввиду высокой скорости сгорания тепло- отвод через обечайку и концевые плиты равен нулю; теплоемкость С газов и продуктов сгорания одинакова, постоянна и не зависит от температуры; все ячейки потребляют

одинаковую энергию. Давление Р, возникающее при сгорании кислородно-водородной смеси газов, определяется уравнением:

Р..-.R I Кэл п At

С V

+ Рраб ,

где R 48,314 - газовая п.остоянная, Дж/(К моль);

С 33,52 - теплоемкость стехирметри- ческой смеси водорода и«кислорода, Дж(К моль);

1 - величина постоянного электрического тока, проходящего через электролизер, А; Шл 1,48 - термонейтральное напряжение, необходимое для протекания процесса электролиза без подвода тепла извне, В; п-число ячеек, шт;

Рраб - рабочее давление, установившееся в электролизере при постоянном расходе смеси газов, Па;. . V - объем занимаемой .кислородно-водородной смесью газов над электролитом, м3 (полость Б корпуса); ... .. .At- промежуток времени, за который

-устанавливается рабочее давление, с.

В концевых плитах расположены электроды 5 с клеммами 6 и 7. Кольцевые шайбы 8 расположены с наружной стороны каждой соответствующей ей концевой плиты и посредством крепежных элементов (на фиг. не

показаны) фиксируются относительно обечайки. В одной из концевых плит установлен штуцер 9 для: отбора кислородно-водородной смеси газов. В обечайке расположены электроды 10, разделенные диэлехтриче скими прокладками 11.

В рабочем положении электролизер за- полнен электролитом до уровня А. Этот уровень автоматически поддерживается .постоянной системой контроля {на фиг. не

показана). Постоянное напряжение подает-

ся на клеммы 6 и 7. Протекающий через электролизер ток приводит к выделению во дорода и кислорода, которые образуют газовую смесь, находящуюся в полости Б

электролизера над уровнем А фиг. 1. В случае возгорания этой газовой смеси произойдет повышение давления, при этом энергия частично преобразуется в потенциальную энергию деформации концевых плит. Последние, выступая как демпферы, гасят эту энергию, при этом не происходит потеря работоспособности электролизера. Промышленные испытания, проведённые в 1990 году, подтвердили целесообразность

разработки такого технического решения,

Формула изобретения

1. Электролизер для получения смеси водорода и кислорода, включающий концевые плиты, диэлектрические прокладки, электроды, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности конструкции и безопасности процесса, электролизер дополнительно снабжен обечайкой, образующей с концевыми плитами полость, причем концевые плиты выполнены по прочности и жесткости равными или меньше прочности и жесткости обечайки,

2. Электролизер поп. 1, от л ича ющий- с я тем, что концевая плита выполнена с ол- щиной, определяемой по выражению

h У2Рраб-1-2 R I ЦЭЛ n At/CV 1 51 (f)Aj G . .

где h- толщина плиты ,. - : ..

R - газовая постоянная,8,314

Дж(К моль); ,. .

С - теплоемкость стехиометрической смеси кислорода и водоррда, 33,52 Дж/К моль;

I - величина постоянного лектрическо-. го тора в электролизере, А;

Пэл- термонейтральное напряжение, необходимое для протекания процесса электролиза без подвода тепла извне. 1,48 В;

n -число ячеек, шт.;

Рраб - рабочее давление в электролизере при постоянном расходе кислородно-водородной смеси газов, А; V -.объем, занимаемый кислородно-во дородной смесью газов над электролитом; м3; ;, .. -...-;

G - модуль сдвига материала концевой плиты, Па;. . . а-радиус концевой плиты, м;

A t - промежуток времени, за который устанавливается рабочее давление, с;

- #(А) - функция степ.ени сжатия в зависимости от относительной деформации, безразмерная величина.

Электролизер для получения смеси водорода и кислорода содержит концевые плиты, между которыми установлены электроды и диэлектрические прокладки. Электролизер дополнительно снабжен обечайкой, образующей с концевыми плитами полость. Концевые плиты выполнены по прочности и жесткости равными или меньше прочности и жесткости обечайки. 1 з.п.ф- лы. 2 ил.

фиг.1

v W

б

ч

5

2

1

О QJ & Qj Of Of Q6

: - .. .. .