Электролизер для получения водорода и кислорода из воды

Заявляемое техническое решение относится к электролизным установкам, работающим под давлением и предназначенным для получения водорода и кислорода из воды, содержащейся в электролите.
Известна система подачи электролитической жидкости в работающую под давлением электролизную установку, предназначенную для получения водорода, к электролизеру, в котором электролитическая жидкость разлагается на водород и кислород (патент РФ на изобретение № 2095474, кл. МПК C25B 1/12, дата приоритета 31.08.1992, дата публикации 10.11.1997). [1]. При этом система содержит накопительный резервуар электролитической жидкости, находящийся при низком давлении, устойчивый к возрастанию давления промежуточный резервуар, соединенный с сепаратором жидкости электролизной установки и с накопительным резервуаром. Средства доведения промежуточного резервуара до низкого давления при наполнении промежуточного резервуара электролитической жидкостью из накопительного резервуара и доведения промежуточного резервуара до давления сепаратора жидкости при наполнении сепаратора жидкости из промежуточного резервуара.
Недостатками данной системы являются:
наличие большого количества узлов и агрегатов, выход которых из строя лишает установку работоспособности;
сложная система согласования давлений нарабатываемых газов;
- водород, нарабатываемый электролизером, борбатирует через электролит в емкости водорода и насыщает его, после чего накопившийся электролит передавливается в кислородную емкость с электролитом вместе с содержащимся в нем водородом, и выделяется в кислород. Вследствие этого, в кислороде, нарабатываемом электролизером, присутствует повышенное содержание водорода.
Известен электролизер воды высокого давления и способ его эксплуатации (патент РФ на изобретение № 2470096, кл. МПК C5B 1/04, дата приоритета 26.07.2011, дата публикации 20.11.2012). [2].
Данный электролизер воды высокого давления содержит батарею электролизных ячеек, состоящую, по крайней мере, из двух блоков различных по количеству ячеек, каждый из которых имеет свои трубопроводы с клапанами для водоснабжения и для раздельного отвода газов из блоков. Получаемые в результате работы электролизера кислород отводится за внешние границы корпуса, а водород - внутрь корпуса, который разделен герметичной перегородкой, по крайней мере, на две разнопрочные секции. В одной секции, более прочной, размещен блок с меньшим количеством электролизных ячеек.
Способ эксплуатации данного электролизера предусматривает подачу воды в батарею электролизных ячеек, состоящую из двух секций, разложение воды током, выдачу электролизных газов, отключение электропитания электролизных ячеек после достижения максимально допустимого давления, при этом наличие пневматической связи по водороду между двух секций позволяет своевременно отключать сначала блок с большим количеством электролизных ячеек (менее прочный), а затем - с меньшим.
Недостатками данного электролизера высокого давления является то, что в батарее электролизных ячеек, находящейся в менее прочном корпусе электролизера, присутствует контур теплообмена, значительно усложняющий схему электролизера и снижающий его надежность.
Сложная пневмогидравлическая система электролизной установки, выход отдельных узлов и агрегатов из строя лишает установку работоспособности.
Неравномерная, по подаче газов, работа электролизной установки также является недостатком данной установки.
Электролизер для получения водорода и кислорода из воды ( патент РФ на изобретение № 2501890, кл. МПК C25B 9/10, C25B 1/10, дата приоритета 11.05.2012, дата публикации 20.12.2013) [3], является наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению и, поэтому принят за прототип.
Согласно данного технического решения электролизер, состоящий из последовательно соединенных между собой ячеек, содержащих катод и анод с размещенной между ними газозапорной мембраной, включает насосы для циркуляции щелочного электролита, емкости со щелочным электролитом, систему подачи воды, устройство для отделения кислорода от паров воды и щелочи и устройство для отделения водорода от паров воды и щелочи.
Данный электролизер работает следующим образом. В корпусе ячейки, число которых определяется необходимой производительностью электролизера, соединены между собой электрически последовательно. Кроме того, ячейки последовательно соединяются между собой и по анодной полости, в которой циркулирует электролит. Катодная полость электролизера является газовой, на дне которой собирается конденсат и раствор электролита, просочившийся через поры катода. Циркуляция электролита происходит за счет движения выделяемого при электролизе газа (эффект аэролифта), и при недостаточной подъемной силе возможно включение насоса. Для поддержания определенной рабочей температуры электролизера, электролит проходит через теплообменник. Электролит в виде пены попадает в емкость с раствором электролита, откуда, освободившись от газа, заново попадает в ячейки. Выделяясь, катодный газ насыщается парами воды и частично выносит щелочь из электролизера, некоторая часть которой конденсируется на стенках корпуса. Затем конденсат стекает в емкость гидрозатвора, далее при помощи насоса перекачивается в емкость с раствором щелочного электролита. Для поддержания заданной концентрации электролита в анодных полостях ячеек в емкость с раствором щелочного электролита подается вода при помощи насоса. Наработанные водород и кислород отводятся из электролизера для дальнейшего их использования, предварительно удаляя из них остатки щелочи и пары воды, в соответствующих устройствах.
Недостатками электролизера данной конструкции является то, что
в конструкции электролизера используется несколько электролизных элементов, что создает необходимость последовательной герметизации газовых полостей электролизной установки;
наличие в контуре анода теплообменника;
необходимость использования устройства для отделения газов от паров воды и щелочи;
наличие насоса для циркуляции электролита в анодной полости.
Задачами заявляемой конструкции электролизера для получения водорода и кислорода из воды являются минимизация энергетических затрат на собственные нужды и, как следствие, повышение КПД заявляемого электролизера, повышение надежности работы электролизера и чистоты вырабатываемых газов.
Решение поставленных задач осуществляется за счет того, что в заявляемой конструкции электролизера, включающей корпус с находящейся в нем электролизной ячейкой, содержащей катод, анод из пористого гидрофобизированного материала и размещенную между ними газозапорную мембрану, разделяющую электролизный элемент и корпус на полость водорода и кислорода, заправочную емкость с электролитом и емкость гидрозатвора с электролитом, согласно заявляемой конструкции включаются запорные регуляторы давления водорода и кислорода, поддерживающие избыточное давление в газовых полостях электролизера, и регулятор давления, поддерживающий разность давлений между водородной и кислородной полостями электролизера в пределах от 0,01 до 0,07 МПа, насос подачи электролита от емкости электролита, являющейся гидрозатвором, с датчиками минимального и максимального уровней электролита, в заправочную емкость электролита с датчиками минимального и максимального уровней электролита, обратный клапан, ограничительный дроссель, измерители давления в водородном и кислородном контурах.
Данный перепад давлений между газовыми контурами подобран опытным путем, так как при разности давлений менее 0,01 МПа водород имеет возможность попасть в кислородный контур, что может привести к высокому содержанию водорода в кислороде либо выходу электролизера из строя. При разности давлений между газовыми контурами более 0,03 МПа будет происходить высокая диффузия кислорода в водородный контур и, как следствие, большие потери наработанного газа (снижение КПД электролизера).
На фиг. показана схема заявляемого электролизера для получения водорода и кислорода из воды.
Заявляемый электролизер состоит из корпуса (1), в котором помещена электролизная ячейка (2), например, в виде цилиндра, содержащая катод, анод из пористого гидрофобизированного материала и размещенную между ними газозапорную мембрану, разделяющую электролизную ячейку (2) и корпус (1) на полость водорода и кислорода. Внутри цилиндра электролизной ячейки (2) находится анодная (кислородная) полость (3), между внутренней стенкой корпуса (1) и внешней стороной электролизной ячейки (2) образована катодная (водородная) полость (4), также содержит заправочную емкость электролита (5) с датчиками минимального и максимального уровней электролита (6 и 7), емкость электролита (8), выполняющую роль гидрозатвора, с датчиками минимального и максимального уровней электролита (9 и 10), насос для подачи электролита (11), обратный клапан (12) и ограничительный дроссель (13) в контуре электролита, запорные регуляторы давления водорода (14) и кислорода (15), регулятор давления, поддерживающий разницу давлений между газовыми контурами электролизера (16), заглушки (17) в заправочной емкости (5), измерители давления, например манометры либо датчики давления в контуре водорода (18) и контуре кислорода (19).
Заявляемый электролизер для получения кислорода и водорода из воды работает следующим образом. В корпусе (1) находится электролизная ячейка (2), например, в виде цилиндра, содержащая катод и анод из пористого гидрофобизированного материала, например, спеченного пористого никеля марки НП 2 (ГОСТ 492-73) [5] или никелевой сетки, либо перфорированного материала, гидрофобизированного фторопластом марки Ф-4Д (ТУ6-05-1246-81) [4]. Между катодом и анодом размещена газозапорная мембрана выполненная, например, из ПОРП-А1-22-114 (ТУ6-00001-94) [6] и полипропилена (ГОСТ 26996-86) [7], разделяющая электролизную ячейку (2) и корпус (1) на катодную и анодную полости.
Анодная (кислородная) полость (3) электролизной ячейки (2) полностью заполнена электролитом, например, водным 7N раствором KOH, и соединена с заправочной емкостью электролита (5).
Электролиз воды происходит при подаче постоянного тока около 38 А на электроды электролизной ячейки (2), напряжение при этом составляет 2,1-2,4 В. Циркуляция электролита через электролизную ячейку (2) осуществляется за счет движения выделяемого при электролизе газа (эффект аэролифта), что позволяет в заявляемой конструкции электролизера исключить механический побудитель расхода электролита. Побудителем циркуляции электролита является пульпа электролита KOH, насыщенного выделившимся в результате электролиза воды кислородом. Электролит в виде пены попадает в заправочную емкость с раствором электролита (5), откуда, освободившись от газа (кислорода) вновь поступает в анодную полость (3) электролизной ячейки (2), а выделившийся в результате электролиза кислород отводится через регулятор давления (15) в сбросную магистраль кислорода либо в накопительную емкость.
Катодная (водородная) полость (4), образованная внутренней стенкой корпуса (1) и внешней стороной электролизной ячейки (2, является газовой. Выделяясь, катодный газ насыщается парами воды и частично выносит щелочь из электролизной ячейки (2) через поры цилиндра из гидрофобизированного материала, конденсируется на стенках корпуса (1) и электролизной ячейки (2). Затем конденсат и электролит стекают в емкость (8), являющуюся гидрозатвором, далее при помощи насоса для подачи электролита (11) через обратный клапан (12) и дроссель (13) перекачивается в заправочную емкость электролита (5). Полученный в результате электролиза водород отводится через регулятор давления (14) в сбросную магистраль водорода либо в накопительную емкость.
Насос для подачи электролита (11) срабатывает по показаниям датчиков уровня электролита (9 и 10), расположенным в заправочной емкости электролита (8). По срабатыванию датчика максимального уровня электролита (10) насос электролита (11) включается, а по срабатыванию датчика минимального уровня электролита (9) насос электролита (11) выключается. Для поддержания заданной концентрации электролита в анодной полости (3) в заправочной емкости с раствором электролита (5) установлены датчики уровня электролита (6 и 7). По сигналу от датчика минимального уровня электролита (6) поступает команда отключения тока нагрузки от электролизной ячейки (2) по мере выработки воды из электролита и, соответственно, увеличения концентрации электролита. Доливка воды в заправочную емкость электролита осуществляется через заглушку (17) до срабатывания датчика максимального уровня электролита (7). Наработанные водород и кислород отводятся из электролизера на регуляторы давления водорода (14) и кислорода (15). Регулятор давления (16) установлен для поддержания разницы давлений между газовыми контурами электролизера в пределах 0,04 МПа. В связи с тем, что в анодной полости поддерживается давление на 0,04 МПа больше, чем в водородной, водород не может попасть в кислородную полость, что позволяет получать кислород без примеси водорода.
Контроль давления в газовых контурах электролизера осуществляется посредством, например, манометров в контуре водорода (18) и контуре кислорода (19). Запорные регуляторы давления водорода (14) и кислорода (15) обеспечивают необходимое давление нарабатываемых газов, а регулятор давления (16) обеспечивает разность давлений в газовых контурах электролизера для обеспечения чистоты нарабатываемых газов. Кислород, просочившийся в катодную полость (4) корпуса (1) через газозапорную мембрану, догорает на поверхности пористого цилиндра за счет присутствующего на его поверхности катализатора. Наработанные в электролизере водород и кислород, прошедшие через запорные регуляторы давлений (14 и 15) и регулятор давления (16) пригодны для дальнейшего использования.
В результате работы электролизера заявляемой конструкции был получен водород с чистотой выше 99,99%, а кислород чистотой 100,0%.
Электролизер заявляемой конструкции используется в установке для производства водорода и кислорода высокого давления в местах с неразвитой инфраструктурой.
Применение данного электролизера позволяет:
снизить энергетические затраты на собственные нужды за счет отсутствия исполнительных механизмов или минимизации их работы до уровня потребления энергии самой электролизной ячейки;
повысить КПД электролизера по сравнению с прототипом и аналогами до 65-70%
повысить надежности электролизера в целом за счет уменьшения количества составных частей и исполнительных механизмов, обеспечивающих работу электролизера;
повысить чистоту нарабатываемых газов высокого давления за счет дожигания кислорода попавшего в водородный контур электролизера;
оптимизированная система электролизера поддерживает разницу давлений нарабатываемых газов в электролизере 0,01 до 0,07 МПа и, как следствие, обеспечивает чистоту наработанных газов: водород чистотой выше 99,99%, а кислород чистотой 100,0%, и способствует его безопасной эксплуатации за счет гарантированной разности давлений в водородном и кислородном контурах;
данная конструкция электролизера позволяет значительно снизить трудозатраты на обслуживание.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ на изобретение № 2095474 «Система подачи электролитической жидкости работающей под давлением электролизной установке».
2. Патент РФ на изобретение № 2470096 «Электролизер воды высокого давления и способ его эксплуатации».
3. Патент РФ на изобретение № 2501890 «Электролизер для получения кислорода и водорода из воды».
4. ТУ 6-05-1246-81 «Суспензии фторопластовые Ф-4Д, Ф-4ДВ».
5. ГОСТ 492-73 «
6. ТУ6-00001-94 «Пленка полипропиленовая».
7. ГОСТ 26996-86 «Полипропилен и сополимеры полипропилена».