ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, РАБОТАЮЩИЙ В АЛЛОТЕРМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ
HIGH-TEMPERATURE HIGH-PERFORMANCE HP ELECTROLYSER THAT OPERATES IN ALLOTHERMAL MODE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к высокотемпературному эндотермическому электролизу при температуре примерно несколько сот градусов Цельсия для разложения реагента в жидкой или паровой фазе.
В частности, изобретение относится к высокотемпературному электролизеру высокого давления, работающему в аллотермическом режиме и обеспечивающему стабильные однородные условия эксплуатации.
Далее для ясности в качестве примера будет использован электролиз воды.
Уровень техники
При регулировании тока на зажимах электролизера часть энергии, подводимой источником постоянного тока, преобразуется в тепло внутри различных проводников и электрических контактов, а также во время переноса ионов через электролит. Все эти диссипативные явления способствуют нецелесообразным потерям электроэнергии. Современные технологические разработки направлены как на ограничение этих явлений, так и на продолжительность стабильного функционирования электролизеров.
Кроме того, потребляемая энергия, необходимая для реакции разложения молекулы воды, может быть разделена на электрическую и тепловую части. Максимальное количество тепла, которое может быть поглощено реакцией разложения воды, увеличивается с температурой.
Экспериментальные результаты показывают, что ниже температуры порядка 750°С электролизеры могут работать только в экзотермическом режиме, т.е. тепло, генерируемое диссипативными явлениями, относящимися к установлению электрического тока, равно или превышает тепло, которое может потребляться реакцией электролиза воды. Излишнее тепло должно отводиться к источнику холода.
Выше этого температурного порога порядка 750°С, который должен быть обозначен как эндотермический порог электролизера, электролизеры могут функционировать в автотермическом режиме, т.е. вся энергия, необходимая для разложения молекулы воды, т.е. работа и тепло, обеспечивается электрическим током, питающим электролизеры.
Выше этого температурного порога теоретические и экспериментальные результаты показывают, что электролизеры могут преимущественно функционировать в эндотермическом режиме, т.е. в аллотермическом режиме, при этом часть энергии, требуемая для разложения молекулы воды, переносится непосредственно в форме тепла от внешнего источника тепла к электролизеру.
Работа в эндотермическом, т.е. в аллотермическом, режиме является предпочтительной, поскольку это обеспечивает уменьшение количества электроэнергии, которое требуется подавать к электролизеру для обеспечения электролиза.
-
Известен электролизер для разложения воды, называющийся щелочным, в котором реакция электролиза осуществляется в жидкой щелочной среде. Анод и катод разделены ионной мембраной или диафрагмой, в которой циркулируют ионы ОН.
На электродах происходят следующие реакции:
2
2
-
-
- на катоде: 2HO+2е→Н+2OН
-
-
2
- на аноде: 2OН→1/2O+2е
Такой электролизер работает при температурах ниже значения насыщения щелочного раствора (от 80°С до 90°С при давлении один бар и от 130°С до 180°С при давлении 30 бар).
-
Разность потенциалов, которая должна поддерживаться между электродами, варьируется от 1,75 В до 2.05 В в зависимости от значений электрического сопротивления электродов и мембраны (сопротивление прохождению ионов 2OН). Эти значения выше теоретической разности потенциалов (порядка 1,49 В при этом уровне температуры), которое строго необходимо для реакции разложения воды в состоянии жидкости.
В связи с диссипативными тепловыми явлениями, относящимися к повышенным напряжениям, активирующим химические реакции, и к низким значениям электропроводности электродов, щелочного раствора и ионной мембраны, 15-25% суммарной электроэнергии, подаваемой к оборудованию, будет теряться в виде тепла, отводимого к источнику холода. Таким образом, этот электролизер будет функционировать исключительно в экзотермическом режиме.
+
Также существует электролизер, имеющий протонную мембрану, которая функционирует в экзотермическом режиме, при этом электролиз осуществляется в паровой фазе. Анод и катод разделены протонной мембраной, в которой циркулируют ионы Н.
Реакции на электродах описываются следующими уравнениями:
2
2
2
1
+
-
- на катоде: HO→/O+2H+2е
+
-
2
- на аноде: 2Н+2е→Н
Температура эксплуатации этого типа электролизера ограничивается механическим сопротивлением полимерной мембраны и находится в диапазоне от 300 до 400°С.
Также существуют электролизеры, которые работают при очень высоких температурах и называются электролизерами с высокой температурой электролита, что соответствует терминологии для твердооксидных топливных элементов. Такие электролизеры работают в автотермическом режиме. Эти электролизеры в настоящее время находятся на экспериментальной стадии разработки и являются демонстрационными опытными образцами. Они снабжаются водяным паром или смесью пара и водорода при очень высокой температуре, но не могут работать при высоком давлении, а именно, при давлении водяного пара или питающей смеси в несколько десятков бар.
Реакции окисления-восстановления на электродах описываются следующим образом:
- На аноде, окисление ионов кислорода:
- На катоде, восстановление водяного пара:
Что приводит к общей реакции:
2
2
2
2
1
НO→Н+/O
2-
2-
Перегретый водяной пар поступает на катод. В местах реакции он восстанавливается с образованием водорода и ионов О. Водяной пар обогащается водородом, в то время как ионы О мигрируют через мембрану под влиянием электрического поля. На аноде ионы освобождают электроны с образованием молекул кислорода.
В качестве материалов электродов обычно используется металлокерамика, которая осаждается на металлической биполярной пластине, а материалом электролита является ионопроводная керамика. Эти керамические материалы имеют значения электрического и ионного сопротивления, которые уменьшаются с температурой и которые снижают количество тепла, вырабатываемое за счет протекания электрического тока, с увеличением температуры эксплуатации.
Конструкция проектируемых на данный момент электролизеров, в которых происходит вытекание под давлением смеси водяного пара и водорода в полости, образованной электродами в керамическом материале, окруженном воздухом при атмосферном давлении, не позволяет в настоящее время эксплуатировать этот тип электролизера при высоком давлении, например, при давлении газовой смеси в несколько десятков бар.
С другой стороны уменьшение количества тепла, генерируемого за счет диссипативных явлений, и изменение термодинамических характеристик реакции разложения воды с изменением температуры означают, что этот тип электролизера может работать в эндотермическом режиме, но в таком случае необходимо поддержание водяного пара при температуре выше эндотермического порога по всему электролизеру.
В настоящее время существуют два решения для обеспечения электролизера теплом, необходимым для его функционирования в эндотермическом режиме.
Первое решение состоит в обеспечении энергией за счет непосредственного нагрева водяного пара, который должен быть разложен с помощью теплообменника, расположенного перед электролизером. Однако моделирующие тепловые расчеты электролизера, функционирующего в эндотермическом режиме, показывают следующее:
- для поддержания надлежащих условий для функционирования в эндотермическом режиме, т.е. при температуре выше эндотермического порога во всем электролизере, необходимо иметь сильный перегрев и высокий расход водяного пара на входе в электролизер, что, принимая во внимание требуемую температуру (в данном случае выше 1100°С), значительно увеличит расходы на подогреватель и всю установку;
- также это решение не является наилучшим для обеспечения стабильных однородных температурных условий для работы электролизера, если питающий водяной пар не подается при высоком массовом расходе.
Если давление водяного пара, допускаемое в установках, в частности, электролизере, не может превышать нескольких бар, то такие установки для выработки и рециркуляции будут иметь очень большие размеры. Кроме того, это приводит к высоким значениям расходов и, следовательно, потерям напора в теплообменнике, электролизере и трубопроводах, что повлияет на стоимость энергии для компрессорного оборудования.
Второе решение заключается в подводе необходимого тепла за счет горячего теплоносителя в виде газа, смешанного с водяным паром, или смеси водяного пара с водородом, поступающих в электролизер. Это решение требует дополнительного оборудования для отделения химических веществ за электролизером для сбора теплоносителя, что вызывает потери теплоносителя. Оно также требует высокого массового расхода теплоносителя при низком давлении, что ведет к ограничению эксплуатационных характеристик, т.е. потерям напора газа через электролизер, и ограниченной мощности электролизера.
В документе WO 2004/113590 описано устройство для осуществления щелочного электролиза, который происходит только в жидкой фазе и который ограничивает температуру эксплуатации до значений ниже критической температуры воды, равной 374°С. Таким образом, это устройство не может эксплуатироваться в диапазоне температур, обеспечивающем значения реверсивных напряжений, которые должны быть достигнуты в эндотермическом режиме. Для достижения достаточно низких значений реверсивного напряжения при вышеуказанной температуре для эксплуатации в эндотермическом режиме должны быть получены очень низкие значения давления (намного ниже 1 бар), которые предотвращают использование установок большого или среднего размера. Фактически невозможно спроектировать трубопроводы и ступени сжатия, которые могут исключить слишком большие потери напора при таких низких уровнях давления.
Таким образом, известные решения не обеспечивают достаточного снижения расхода электроэнергии, которая должна подаваться к электролизеру, поскольку требуется значительный перегрев.
В настоящее время не существует решений, обеспечивающих производство значительного количества водорода при высоких температуре и давлении в эндотермическом режиме с электрическими токами низкой интенсивности.
В связи с этим одной из задач изобретения является создание электролизера, который может эксплуатироваться при высоком давлении в эндотермическом режиме с оптимизированным расходом энергии и при стабильной однородной температуре, обеспечивая высокую производительность.
Раскрытие изобретения
Указанные задачи решены в электролизере, содержащем камеру, которая является герметичной при высоком давлении и в которой электролизные опорные пластины расположены попеременно с нагревательными пластинами. На каждой опорной пластине расположены в мозаичном порядке электролизные ячейки небольшого размера, по меньшей мере часть которых соединена последовательно, что позволяет ограничить интенсивность электрического тока, протекающего через различные ячейки электролизера, и, тем самым, ограничить электрическую мощность, рассеиваемую в виде тепла.
Нагревательные пластины могут снабдить электролизер достаточным количеством тепла для его функционирования, поскольку тепло больше не вырабатывается в виде Джоулева тепла благодаря функционированию в эндотермическом режиме с уменьшенными значениями необратимости. Использование нагревательных пластин, включенных в состав электролизера, позволяет поддерживать температуру всех электролизных ячеек с разницей температур менее 30°С между впуском и выпуском электролизера и с перегревом горячего источника менее 50°С относительно температуры эксплуатации электролизера.
Согласно первому предпочтительному варианту осуществления изобретения электролизер снабжен большим количеством смонтированных последовательно элементарных ячеек небольшого размера, что позволяет ограничить интенсивность электрического тока, протекающего через различные ячейки электролизера, и, тем самым, ограничить электрическую мощность, рассеиваемую в виде тепла. При последовательном монтаже для подачи электропитания к опорной пластине фактически требуется только сила тока, необходимая для электролизной ячейки очень небольшого размера.
Согласно изобретению предпочтительно изготовить электролизер высокого давления для получения электролитического газа, чтобы иметь возможность производства значительного количества водорода с помощью установок приемлемого размера. Функционирование при высоком давлении также позволяет снизить объемный расход циркулирующего электролитического газа и, тем самым, потерю напора, обеспечивая уменьшение расхода электроэнергии циркуляционных насосов. Таким образом, функционирование электролизера при высоком давлении согласно изобретению обеспечивает улучшенные эксплуатационные характеристики производства водорода всей установки.
Согласно изобретению также можно изготавливать электролизеры, адаптированные к существующим характеристикам распределительной электросети в отношении количества электролитических ячеек, расположенных на каждой опорной пластине, расхода электроэнергии на производственном оборудовании, значительно уменьшая потери от теплового действия тока.
Согласно изобретению электролизер содержит металлический кожух для поддержания высокого или очень высокого давления пара, равного нескольким десяткам бар. Электролизные пластины преимущественно подвергаются воздействию усилий механического сжатия, поскольку содержащиеся в них образующиеся газы находятся под более низким давлением, чем газ, который их окружает.
Конструкция ячеек и их расположение в кожухе под давлением предусматривает, что узлы катод-электролит-анод не подвергаются воздействию напряжений, относящихся к разнице давлений между проходящими газами. Напряжения из-за разницы давлений между водяным паром и производимыми газами или между водяным паром и теплоносителем или между водяным паром и наружной стороной связаны с внутренними частями корпуса, такими как, например, стойки полых металлических рам, в которых циркулирует кислород под низким давлением, решетка теплообменников для теплоносителя и кожух электролизера.
Таким образом, узлы катод-электролит-анод могут быть оптимизированы с целью обеспечения уменьшенного электрического сопротивления за счет уменьшения их толщины, уменьшенного ионного сопротивления и уменьшенного сопротивления диффузии газов в электродах путем увеличения их пористости, обеспечивая при этом эксплуатацию при высоком давлении внутри кожуха электролизера.
Теплоноситель может находиться в жидкой фазе, т.е. быть жидким или газообразным металлом или солью. Согласно первому предпочтительному варианту осуществления изобретения теплоноситель является газом, доведенным до давления, немного более низкого, чем давление электролизного газа, что позволяет уменьшить механические ограничения на изготовление нагревательных пластин.
Газы, освобождаемые реакцией электролиза, могут собираться в каждой элементарной ячейке с помощью опорных рам.
Все опорные пластины и электролизные ячейки могут находиться внутри кожуха высокого давления.
Таким образом, объектом изобретения является электролизер для высокотемпературного электролиза, способный функционировать в аллотермическом режиме и содержащий кожух, поддерживающий электролизную ванну под высоким или очень высоким давлением в несколько десятков бар, в котором расположена по меньшей мере одна электролизная пластина и нагревательное средство для активной среды, подвергаемой высокотемпературному электролизу, при этом электролизная пластина содержит несколько электролизных ячеек, расположенных в ряд по существу в одной и той же плоскости, каждая из которых содержит анод и катод, отделенные от соответствующих анодов и катодов других ячеек, причем по меньшей мере часть электролизных ячеек электролизной пластины электрически соединена последовательно.
Электролитическая ванна преимущественно находится в газообразной форме.
Теплоноситель может быть газом под высоким давлением, например, гелием. Он также может быть расплавленным металлом, например цинком, или расплавленной солью, обеспечивая снижение потерь напора.
В первом примере варианта осуществления изобретения электролизная пластина содержит опорную пластину, имеющую отверстия, распределенные по рядам и колонкам на двух ее поверхностях. Опорная пластина является полой для сбора газа, производимого на аноде, и содержит коллектор для газа. По меньшей мере часть электролизных ячеек электрически соединена парами с помощью соединителя, содержащего раму, установленную на катод ячейки, и перфорированную пластину, установленную на анод смежной ячейки, чтобы обеспечить уменьшенное электрическое сопротивление соединения между пластинами. При этом каждое отверстие опорной пластины закрыто электролизной ячейкой, а каждый анод обращен к внутренней части опорной пластины.
Преимущественно, анод и катод сжаты с электролитом с помощью рамы соединителя и перфорированной пластины другого соединителя.
Электролизер может содержать узлы ячеек, образующих удлиненные группы, каждая из которых содержит количество анодов, идентичное количеству отверстий на ряд или колонку, причем ряды соединены последовательно.
Электролизер может содержать уплотнение между каждой перфорированной пластиной и контуром относящегося к ней отверстия, причем указанное уплотнение сжато средством крепления ячеек на опорной пластине и давлением электролитической ванны при высоком или очень высоком давлении.
Ячейки двух поверхностей соединены последовательно, например, соединителем, проходящим через опорную пластину или перекрывающим один из боковых краев.
Преимущественно электролизер содержит кожух, выполненный с возможностью поддержания электролитического газа при высоком или очень высоком давлении в несколько десятков бар (30-120 бар и более), что позволяет обеспечить производство газа, получаемого электролизом, непосредственно под высоким давлением, преимущественно подготовленного для хранения и транспортировки без необходимости сжатия или, по меньшей мере, с уменьшенным числом ступеней сжатия производимого газа после электролизера.
Это также обеспечивает уменьшение расхода электролизного газа между разными пластинами, тем самым снижая потери напора в электролизере. В отношении высокой производительности установки это также обеспечивает приемлемый размер производственного оборудования, в то же время ограничивая потери напора от потока газа, что позволяет уменьшить расход электроэнергии для средства повышения давления, входящего в состав электрической цепи.
Преимущественно этот тип электролизера может эксплуатироваться при высоких и даже очень высоких давлениях на различных этапах производства, которые только в качестве компрессионного оборудования могут содержать насосы, подающие жидкость, подлежащую электролизу, на этапе подачи. Это обеспечивает компактность различных этапов производства и уменьшение расхода электроэнергии на производство за счет уменьшения количества компрессоров или даже их исключения и уменьшения мощности средства повышения давления в линиях благодаря снижению потерь напора.
Электролизная пластина преимущественно содержит опорную раму, содержащую стойки, ограничивающие прямоугольные окна, расположенные рядами или колонками, в которые вставлены электролизные ячейки соответствующей формы.
Каждая электролизная ячейка может содержать центральный корпус, образованный из электропроводного сердечника в форме пластины, покрытой последовательно анодом, электролитом и катодом, и электропроводный корпус, окружающий центральный корпус, электрически контактирующий с катодом и оказывающий сжимающее усилие на слои, образующие центральный корпус, а также средство электрического соединения контактов анода и катода, расположенное на этом корпусе. Ячейка крепится на опорной раме крепежными элементами корпуса, электрически изолированными от опорной рамы.
Корпус преимущественно содержит две полурамы, расположенные с обеих сторон центрального корпуса, чтобы прижимать слои друг к другу. Между сердечником, анодом и корпусом расположено средство электрического изолирования анода от корпуса. Эти полурамы повышают жесткость электролизной ячейки.
Электролизер преимущественно содержит средства сбора газа или газов, производимых на аноде, в наружном направлении электролизера. Эти средства сбора содержат по меньшей мере один канал, выполненный в аноде и соединенный с концевой частью для сбора и опорной рамой, которая является полой и образует коллектор для вышеуказанного газа или газов. Концевая часть для сбора герметично соединена с опорной рамой, забирающей производимый газ или газы наружу электролизера. При этом давление газа или газов, производимых на аноде, меньше давления электролитической ванны, поэтому анод, электролит и катод прижимаются друг к другу.
Сердечник электролизной ячейки может иметь канавки и приемники, причем один из приемников соединен с концевой частью для сбора газа или газов, припаянной к соединителю, прикрепленному к опорной раме. При этом между соединителем и опорной рамой расположено средство электрического изолирования анода от опорной рамы.
Нагревательные средства образованы, например, по меньшей мере одной нагревательной пластиной, в которой циркулирует теплоноситель и которая расположена параллельно электролизной пластине.
Теплоноситель может нагреваться, например, с помощью котла, работающего на обычном органическом топливе, на биомассе или на ядерном топливе, до очень высокой температуры или с помощью солнечной энергии, тем самым, уменьшая потребность в электроэнергии.
Нагревательная пластина имеет по существу такие же размеры, что и электролизная пластина, и содержит металлическую рубашку, в которой расположен теплообменный элемент, содержащий несколько каналов, проходящих между концом, к которому подается горячий теплоноситель, и концом, соединенным с коллектором холодного теплоносителя.
Кожух может иметь боковые желоба, принимающие боковые края нагревательных пластин и электролизных пластин. В желобах расположены средства электрического изолирования опорной рамы от кожуха. Это облегчает сборку.
Согласно изобретению электролизер предпочтительно содержит несколько электролизных пластин, расположенных параллельно друг другу, и несколько нагревательных пластин, расположенных с обеих сторон электролизных пластин.
В первом варианте осуществления изобретения электролизные ячейки распределены по рядам и колонкам, причем ячейки одной и той же колонки электрически соединены последовательно, колонки соединены последовательно, и электролизные пластины соединены друг с другом последовательно.
Во втором варианте осуществления изобретения электролизные ячейки распределены по рядам и колонкам, причем ячейки одной и той же колонки электрически соединены последовательно, колонки соединены последовательно, а электролизные пластины соединены параллельно.
В третьем варианте осуществления изобретения электролизные ячейки распределены по рядам и колонкам, при этом каждая колонка содержит меньшее количество ячеек, чем количество ячеек, соединенных последовательно и соответствующих напряжению пробоя, при этом все вышеуказанные колонки соединены параллельно от одной пластины к другой.
Кожух может содержать отверстие для подачи активной среды, выполненное в боковой стенке и перпендикулярное электролизным пластинам, что упрощает конструкцию кожуха.
Кожух имеет по меньшей мере одно отверстие для сбора газа или газов, генерируемых на катоде на верхней стенке кожуха, что улучшает безопасность электролизера.
Электрические соединения между различными пластинами и с источником электропитания преимущественно расположены на наружной стороне кожуха. Кроме того, предпочтительно, чтобы электрические соединения охлаждались. Это улучшает проводимость.
Другим объектом изобретения является установка для производства газа с помощью электролиза, содержащая по меньшей мере один электролизер согласно изобретению и источник электропитания с заданным напряжением, в которой ячейки одной и той же пластины соединены последовательно, а электролизные пластины соединены параллельно, при этом количество электролизных ячеек на электролизную пластину выбирается в зависимости от заданного напряжения источника электропитания.
Это позволяет легко адаптировать электролизер к любому типу источника электропитания.
Еще одним объектом изобретения является установка для производства газа с помощью электролиза, содержащая по меньшей мере один электролизер согласно изобретению и источник электропитания с заданным напряжением, в которой электролизные ячейки распределены по рядам и колонкам, при этом ячейки каждой колонки соединены последовательно, колонки соединены параллельно, а количество ячеек каждой колонки выбирается в зависимости от заданного напряжения источника электропитания.
Эта установка обеспечивает очень высокую производительность по газу.
Следующим объектом изобретения является способ производства по меньшей мере одного газа с помощью электролиза, используя электролизер согласно изобретению, в котором давление электролитической ванны по существу равно или выше давления хранения и/или распределения вышеуказанного газа, например, 30-130 бар.
Соотношение между молярным расходом водяного пара и молярным расходом производимого диводорода преимущественно находится в диапазоне от 2 до 5, обеспечивая высокое давление паров диводорода, которое должно быть получено на выходе электролизера, и в тоже время, обеспечивая достаточный слой воды на электролизной пластине.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1А показана камера сбора производимого водорода и подачи горячего теплоносителя в электролизер согласно первому варианту осуществления изобретения;
на фиг.1В - камера подачи активной среды и сбора холодного теплоносителя в электролизере согласно первому варианту осуществления изобретения;
на фиг.2А и 2В - центральный корпус электролизной ячейки в промежуточных состояниях согласно изобретению, виды в перспективе;
на фиг.3 - центральный корпус электролизной ячейки в собранном состоянии, вид в перспективе;
на фиг.4 - центральный корпус электролизной ячейки по фиг.2А и 2В, вид в продольном разрезе;
на фиг.5 - рама, окружающая центральный корпус, показанный на фиг.3, вид в перспективе;
на фиг.6 - электролизная ячейка, вид в перспективе;
на фиг.7А и 7В - электролизер согласно изобретению, виды в поперечных разрезах по электролизным пластинам;
на фиг.8А-8С - нагревательная пластина электролизера согласно изобретению, причем внутренняя часть нагревательной пластины показана на фиг.8А, соответственно виды спереди, в поперечном и продольном разрезах;
на фиг.9 - электролизер согласно изобретению, вид в поперечном разрезе по нагревательной пластине;
на фиг.10 - внутренняя сторона боковой стенки электролизера, имеющей желоба, предназначенные для приема боковых краев электролизных пластин и нагревательных пластин, вид спереди;
на фиг.11А-11С - соединительная пластина для соединения с верхней камерой, виды снизу, в продольном разрезе и сверху, соответственно;
на фиг.11D - пример соединения контактов анодов и/или катодов без соединения пластин;
на фиг.12 - соединительная пластина, установленная на нижней камере, вид снизу;
на фиг.13 - электролизная пластина в более подробном изображении;
на фиг.14 - стойка опорной рамы пластины, показанная на фиг.13, вид в продольном разрезе;
на фиг.15А - электролизная пластина согласно второму варианту осуществления изобретения для параллельного соединения, вид спереди;
на фиг.15В - электролизер согласно второму варианту осуществления изобретения, вид в поперечном разрезе по пластине, изображенной на фиг.15А;
на фиг.16А-16С - соединительная пластина для соединения с верхней камерой электролизера согласно второму варианту осуществления изобретения, виды снизу, в продольном разрезе и сверху, соответственно;
на фиг.17А - электролизер согласно третьему варианту осуществления изобретения, вид в поперечном разрезе по электролизной пластине;
на фиг.17В - электролизная пластина в электролизере согласно третьему варианту осуществления изобретения, вид спереди;
на фиг.18 - электролизер согласно третьему варианту осуществления изобретения, вид в поперечном разрезе по нагревательной пластине;
на фиг.19 - боковая стенка кожуха с распределительной пластиной, распределяющей поток электролитического газа и имеющей желоба для сборки электролизных и нагревательных пластин, вид изнутри;
на фиг.20 - распределение значений температуры смеси воды и водорода (в °С) теплоносителя по электролизной пластине (в метрах) электролизера согласно изобретению;
на фиг.21 -термодинамические функции реакции разложения воды;
на фиг.22 - диаграмма распределение тепла/электричества в зависимости от температуры для известных электролизеров;
на фиг.23 - пример характеристики электролизера, на которой изменение потенциала показано в зависимости от плотности тока;
на фиг.24 - электролизная пластина согласно четвертому варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;
на фиг.25 - опорная пластина электролизной пластины, показанной на фиг.24, вид в перспективе;
на фиг.26А-26С - электролизные ячейки и их части в электролизной пластине, показанной на фиг.25, вид в перспективе;
на фиг.26D - вариант выполнения ячейки, показанной на фиг.26А, вид в поперечном разрезе;
на фиг.27 - вариант выполнения колонок ячейки согласно четвертому варианту осуществления изобретения, вид сверху в перспективе;
на фиг.28 - вариант выполнения электролизной пластины согласно четвертому варианту осуществления изобретения, вид спереди.
Осуществление изобретения
Со ссылкой на чертежи будут описаны различные режимы работы высокотемпературной элементарной ячейки для электролиза воды, содержащей анод, на который подается электрический ток I, катод и электролит. Эти различные части изготовлены из керамического материала.
Реакция разложения воды является эндотермической. Уравнение Гиббса-Гельмгольца показывает, что изменение свободной энтальпии смеси реагента и продукта во время эндотермической реакции уменьшается с температурой реакции, что более схематично означает, что чем выше температура водяного пара, водородной смеси и образующегося кислорода, тем меньше часть электрической энергии, необходимой для разложения молекул воды и тем больше часть тепловой энергии, необходимой для поддержания смеси при постоянной температуре.
Значения ΔG°, ΔН° и Т×ΔS° как функция температуры (ΔН° представляет собой суммарную потребность в энергии: ΔН°=Т×ΔS°+ΔG°) для разложения одного моля воды при давлении 1 бар (стандартные условия) заданы кривыми ΔG°, ΔН°, Т×ΔS°, соответственно, на графике, показанном на фиг.21 при температуре насыщения, при этом уменьшение Т×ΔS° равно теплоте парообразования для одного моля воды.
На участке кривой, к которому относится изобретение, т.е. в паровой фазе, значения ΔН° и ΔS° являются практически постоянными, и тепловая энергия, необходимая для разложения одного моля водяного пара и обозначенная произведением Т×ΔS° температуры и энтропии, пропорциональна температуре. Слагаемое ΔG°(Т), представляющее потребность в электрической энергии для конверсии чистых частиц при температуре Т, уменьшается линейно с температурой.
При этих условиях принимается, что общая реакция электролиза одного моля воды в паровой фазе при температуре Т и суммарном давлении Р описывается как:
Эта реакция сопровождается изменением свободной энтальпии ΔG.
Если с целью упрощения для смесей идеальных газов использовать закон Рауля, изменение свободной энтальпии ΔG, представляющее собой потребность в электрической энергии для разложения одного моля воды в виде пара, описывается как:
H2
O2
H2O
1/2
ΔG(Т,Р)=ΔG°(Т,Р0)+RT×Ln(Р×Р /Р),
0
где ΔG°(Т) - изменение стандартной энергии Гиббса при температуре Т и давлении P=1 бар;
H2
O2
Р, Р - парциальные давления газов, бар;
H2O
Р - парциальное давление водяного пара, бар;
Т - температура, K;
-1
-1
R - постоянная идеальных газов (8,314 Дж·мольK).
ΔG представляет собой энергию, необходимую для разложения одного моля водяного пара при температуре Т и полном давлении Р.
2F×E - электрическая энергия, подводимая во время перехода от нулевого отсчетного потенциала к потенциалу Е заряда 2F (F - число Фарадея: абсолютное значение заряда одного моля электронов, т.е. 96485 С).
Абсолютное значение равновесного потенциала (при нулевом токе), таким образом, описывается как:
i=0
Е=ΔG/2F.
Таким образом, согласно закону Нернста:
i=0
H2
O2
H2O
1/2
Е=E°+(RT/2F)×Ln(Р×Р /P).
Е° равно ΔG°/2F.
i=0
В замкнутом контуре напряжение, которое должно подаваться на зажимы электролизера, будет выше реверсивного напряжения Е, заданного законом Нернста. При протекании тока I в разных составных частях ячейки проявляются многочисленные явления необратимости.
К основным таким явлениям относятся:
ohmic
- сопротивления (R) прохождению тока в материалах, образующих электролизную пластину и внутренние соединения, которые вызывают омические потери; один из факторов потерь относится к твердому электролиту,
- повышенные напряжения электрода (η), относящиеся к активации элементарных реакций на границах электрод-газ, и к диффузии газов в электродах.
Таким образом, напряжение, которое должно подаваться на зажимы электролизной ячейки, описывается как:
i=0
ohmic
E=E+R×I+Ση.
Или:
H2
O2
H2O
ohmic
1/2
Е=Е°+(RT/2F)×Ln(Р×Р /Р)+R×I+Ση.
Значения омических сопротивлений и повышенных напряжений зависят от физических характеристик электролизеров и уменьшаются при снижении температур эксплуатации.
Как указано выше, для существующего оборудования, работающего ниже температурного порога порядка 750°С (как видно из фиг.22), количество Джоулева тепла, вырабатываемого в результате подачи электропитания к электролизным ячейкам, превышает тепло, потребляемое реакцией электролиза, и поэтому узел работает в экзотермическом режиме.
Текущие технологические разработки, особенно касающиеся выбора материалов и уменьшения толщины электрода и электролита и имеющие отношение к ограничениям механического сопротивления, имеют тенденцию к снижению температурного порога, на котором и после которого электролизер работает в эндотермическом режиме.
Во время электролиза количество энергии, соответствующей энтропической части Т×ΔS, должно подаваться в процесс в виде тепла. Часть этого тепла производится тепловым действием тока внутри электролизера в зависимости от силы I тока, проходящего через электролизную ячейку:
Если:
ohmic
2
R×I+Ση×I>T×ΔS×I/2F,
то электролизер вырабатывает слишком много тепла и находится в экзотермическом режиме, причем поддержание постоянной температуры реагентов и продуктов требует отвода тепла к источнику холода.
Если:
ohmic
2
R×I+Ση×I=Т×ΔS×I/2F,
то электролизер производит достаточно тепла и находится в термическом равновесии, при этом поддержание температуры реагентов и продуктов не требует внешнего источника тепла; таким образом, электролизер работает в автотермическом режиме, т.е. без внешнего источника тепла.
Если:
ohmic
2
R×I+Ση×I<Т×ΔS×I/2F,
то тепло, производимое электролизером, является недостаточным для поддержания реакции разложения воды в термическом равновесии, при этом электролизер работает в эндотермическом режиме, и для поддержания постоянной температуры необходима подача тепла от внешнего источника тепла. Такой режим работы является аллотермическим.
i=0
ohmic
c
2
2
2
2
В качестве примера на фиг.23 показано расчетное изменение изменяемого в вольтах потенциала Е (Е=Е+ R×I+Ση), который зависит от плотности тока D на электролизной пластине (отношение I/S в А/см, в котором I является силой тока в амперах, a S - площадь поверхности анод/электролит/катод в см) для общего давления 30 бар, температуры 900°С, среднего значения отношения Н/НO, принятого равным 0,5, и толщины электролита 30 мкм.
Рабочий режим, расположенный выше потенциала V1, равного ΔH/2F, является экзотермическим.
Потенциал V2, равный ΔG/2F, является минимальным потенциалом, необходимым для электролиза.
Эндотермический режим работы лежит между потенциалами V1 и V2.
-2
Например, в электролизной пластине, характеристика которой показана на фиг.23, значение плотности тока составляет 0,99 А·см, что соответствует конкретной точке термического равновесия. Выше этой точки водород будет вырабатываться в экзотермическом режиме.
-2
allo
Эндотермический режим работы электролизной пластины в этом случае находится в пределах диапазона плотности тока 0-0,98 А·см. Перенапряжения и омические потери Δelec не производят достаточно тепла, поэтому для каждого моля подлежащей разложению воды необходимо количество тепла Q от внешнего источника.
Электролизер согласно изобретению обеспечивает электролиз в эндотермическом режиме при стабильных однородных температурных условиях.
Электролизер согласно изобретению содержит герметичный кожух, в котором параллельно друг другу установлены электролизные пластины 100 и нагревательные пластины 10. Кожух содержит каналы для подачи жидкостей к электролизеру и сбору жидкостей из электролизера и каналы для циркуляции теплоносителя в нагревательных пластинах и для электрических подключений электролизных пластин.
Кожух может выдерживать высокие давления порядка нескольких десятков бар. Преимущественно эти давления соответствуют давлениям при хранении и транспортировке производимого газа, чтобы ограничить последующие этапы сжатия. Эти давления могут составлять, например, от 20 до 130 бар и даже выше.
Кожух может быть изготовлен, например, из стали 800Н или из сплава Хастелой и иметь заданную толщину, например, порядка нескольких сантиметров. Толщина стенки кожуха может быть выбрана в зависимости от уровня давления согласно Правилам проектирования и конструирования материалов.
Что касается простой формы электролизного корпуса, то внутренние стенки могут быть облицованы карбидом кремния (SiC) толщиной несколько сантиметров, чтобы механически защитить корпус от коррозии и обеспечить небольшое снижение температуры стенки. Внутренние стенки корпуса также могут быть покрыты тугоплавким стеклом. Облицовка карбидом кремния также способствует ограничению тепловых потерь оборудования.
На фиг.7А и 7В показан первый вариант выполнения электролизера согласно изобретению. На указанных фигурах изображена электролизная пластина в разрезе, а ее отдельные части подробно показаны на фиг.1-6.
Электролизная пластина согласно изобретению содержит ряд электролизных ячеек 8, образующих матрицу или мозаику, расположенную на опорной раме 102.
Далее электролизер-теплообменник для простоты будет именоваться как электролизер.
2
Как показано на фиг.7А и 7В, электролизер содержит верхнюю камеру 2 для сбора производимого водорода Н, средний корпус 4 и нижнюю камеру 6 подачи водяного пара. Эти три части могут быть соединены сваркой или собраны с помощью фланцев для образования герметичного металлического кожуха, представляющего собой по существу прямоугольный параллелепипед, чаще всего заполненный водяным паром под давлением в несколько десятков бар.
Согласно изобретению электролизер также содержит электролизные пластины 100, расположенные в герметичном кожухе поочередно с нагревательными пластинами 10.
Электроэнергия подается к электролизным пластинам в верхней 2 и нижней 6 камерах.
Верхняя камера 2 имеет форму перевернутого короба, верхняя поверхность 9 которого имеет первый уступ 11 с рядом выровненных в линию отверстий для прохода концов нагревательных пластин, закрытых распределительной трубой 14 для горячего теплоносителя, приваренной к верхней поверхности 9.
Верхняя поверхность 9 имеет второй уступ 12 с рядом отверстий 15 для прохода собирающих кислород концов электролизной пластины 100, закрытых верхней трубой 16 для сбора кислорода, приваренной к верхней поверхности 9 или герметичным образом установленной на ней посредством резьбового соединения.
Преимущественно на втором уступе 12 приваривается или герметично устанавливается с помощью резьбового соединения охлаждающий канал 18 для охлаждения верхних электрических соединений, закрывая ряд отверстий 19 для прохода контактов анода или катода пластин подачи питания.
Полукорпус верхней камеры 2 также содержит главную выпускную трубу 20 для образуемой в электролизере смеси водяного пара и водорода.
Средний корпус 4 представляет собой металлический корпус в форме открытого параллелепипеда, имеющий боковые желоба 22 и 24, расположенные на противоположных поверхностях, как показано на фиг.10, в которые попеременно с нагревательными пластинами 10 вставлены электролизные пластины 100.
Нижняя камера 6 по форме похожа на верхнюю камеру 2 и имеет форму открытого короба, нижняя поверхность 26 которого также имеет уступ 28 с рядом отверстий для прохода концевых частей для сбора холодной жидкости. Отверстия закрыты приваренной к уступу 28 трубой 30 для сбора холодного теплоносителя. Нижняя поверхность 26 имеет и другой уступ 32 с отверстиями для прохода кислорода, закрытыми нижней трубой 34 для сбора кислорода, приваренной к уступу 32.
Преимущественно для прохода контактов анода или катода над отверстиями 35 установлен охлаждающий канал 36, приваренный к уступу 32, для охлаждения электрических соединений. Нижняя камера 6 также содержит главную трубу 38 для подачи водяного пара под давлением.
Электрическое подсоединение электролизных пластин к источнику электропитания выполняется с помощью расположенных в охлаждающих каналах 18 и 36 металлических оплеток, обеспечивающих очень хорошую электрическую проводимость. Кроме того, электрические соединения преимущественно выполнены снаружи электролизера и поэтому не подвержены воздействию высокой температуры внутри электролизера.
Электролизная ячейка 8 согласно изобретению содержит центральный корпус 8.1 и наружный корпус 8.2.
Центральный корпус 8.1 является по существу многослойным, т.е. он образован наложенными один на другой слоями. Эти слои хорошо видны на продольном разрезе электролизной ячейки, показанном на фиг.4.
Центральный корпус 8.1 содержит жесткий сердечник 40, покрытый анодом 42 на двух его главных поверхностях, электролит 44, покрывающий анод, и катод 46, покрывающий электролит 44.
С целью пропускания тока сердечник 40 преимущественно изготавливается из металла или керамики высокой плотности, причем используется тот же материал, что и для анода, чтобы характеристики расширения сердечника были близки к характеристикам анода. Сердечник 40 имеет по существу прямоугольную форму, и его толщина составляет несколько миллиметров. На одном продольном конце сердечник содержит утолщенную головку 48 толщиной, например, около одного сантиметра, к которой присоединен контакт 50 анода, предназначенный для соединения анода 42 с источником электропитания.
Преимущественно сердечник 40 содержит средство отвода кислорода, вырабатываемого на аноде 42. Это средство в показанном примере образовано канавками 54, выполненными в каждой поверхности сердечника, и приемниками 56, как показано на фиг.2А. Приемники 56 состоят из промежуточных приемников 56.1, собирающих кислород в разных точках анода, и главного приемника 56.2, соединенного со всеми промежуточными приемниками 56.1 с помощью канавок 54 и непосредственно с кислородным коллектором.
Преимущественно канавки 54 и приемники 56.1, 56.2 заполнены пористым материалом с надлежащей электропроводностью, например, пенометаллом 57 для обеспечения как прохождения кислорода, так и нанесения образующего анод слоя на поверхности металлического сердечника.
Выполненные на поверхностях сердечника 40 канавки 54 обеспечивают эффективный равномерный сбор кислорода. Эти канавки имеют различные размеры в зависимости от их протяженности и положения на пластине.
Как показано на фиг.4, главный приемник 56.2 образован вырезом, заполненным пенометаллом, и соединен с патрубком наконечника 58 для сбора кислорода с помощью канала, выполненного в продольном направлении в металлическом сердечнике 40.
Анод 42 выполнен из пористой керамики с высокой электропроводностью, изготовленной, например, из легированного стронцием манганита лантана или эквивалентного материала. Анод 42 наносится тонким слоем порядка одной десятой миллиметра на металлический сердечник. На фиг.2В показан металлический сердечник 40, покрытый анодом 42.
Электролит 44 является герметичным электроизоляционным и хорошим ионным проводником, изготовленным из стабилизированного циркония, нанесенного очень тонким слоем, например, порядка 40 мкм, на анод 42. Электролит наносится утолщенным слоем на ту часть металлического сердечника 40, которая не покрыта анодом, для образования непрерывной плоской поверхности.
Катод 46 изготовлен из металлокерамики, например, из никеля или стабилизированного циркония. Он наносится тонким слоем порядка одной десятой миллиметра на электролит 44.
Как указано выше, электролизная ячейка 8 содержит металлический наконечник 58, соединенный с главным приемником 56.2. Этот наконечник 58 в показанном примере непосредственно припаян к головке сердечника 40.
На фиг.3 показан центральный корпус 8.1 электролизной ячейки в собранном состоянии.
На фиг.5 показан наружный корпус 8.2 в форме рамы, содержащий две металлические полурамы 66, расположенные с обеих сторон центрального корпуса 8.1, и систему 68 закрывания/зажима для зажатия центрального корпуса 8.1 между двумя полурамами 66. Такое зажатие способствует повышению жесткости электролизной ячейки.
Кроме того, корпус 8.2 является электропроводным, например, он выполнен из металла с целью обеспечения постоянного электрического соединения между катодом 46 и катодным гнездом 70, расположенным на корпусе 8.2. Катодное гнездо 70 расположено в осевом направлении со стороны, противоположной стороне, где расположен контакт 50 анода. Между головкой металлического сердечника 40 и корпусом 8.2, а также между боковыми сторонами центрального корпуса 8.1 и металлической рамой 8.2 расположена электроизолирующая прокладка 72. Использование корпуса 8.2 для соединения катода с катодным гнездом 70 позволяет отказаться от применения соединительных кабелей.
На боковых фланцах 74 полукорпусов 66 установлены зажимные средства, например, в виде винтов с гайками. Эти фланцы используются для крепления ячейки к опорной раме. Между каждым винтом и отверстием под винт расположен электрический изолятор 77.
Для изолирования катодов от корпуса и предотвращения короткого замыкания желоба 22 снабжены электроизолирующими средствами 75.
Необходимо отметить, что высокое давление водяного пара способствует очень плотному и постоянному сжатию различных слоев, образующих центральный корпус 8.1 электролизной ячейки 8, что обеспечивает ее надлежащие эксплуатационные характеристики.
Давление смеси водяного пара и водорода намного превышает давление кислорода, собираемого с помощью средств отвода. Чем выше давление смеси водяного пара и водорода, содержащихся в кожухе электролизера, тем плотнее катод 46 прижимается к электролиту 44, электролит 44 - к аноду 42, а анод 42 - к металлическому сердечнику 40, тем самым улучшается электрический контакт между этими различными частями. Таким образом, эксплуатационные характеристики такого электролизера оказываются высокими и постоянными по времени. В выражении для напряжения, которое должно быть приложено к зажимам электролизной ячейки, значение необратимости состоит из значения омических потерь и значения активирующего повышенного напряжения Ση. Однако при температурах выше 800°С, при которых работает электролизер согласно изобретению, реакция разложения воды активируется температурой, следовательно, необходимо очень низкое активирующее повышенное напряжения Ση, и, таким образом, общее напряжение на зажимах электролизной ячейки по существу уменьшается до суммы напряжения при нулевом токе и омических потерь, что изменяется линейно с плотностью тока. Таким образом, с помощью нанесения покрытия электролита 44 на анод 42 и анода 42 на металлический сердечник значение омических потерь уменьшается, и поэтому уменьшается значение необратимости, что обеспечивает работу в высоком эндотермическом режиме. Снижение омических потерь также достигается за счет использования нескольких небольших электролизных ячеек, расположенных последовательно близко друг к другу, что уменьшает длину электрических соединений, а также за счет расположения высокоинтенсивных электрических линий снаружи кожуха, вследствие чего в них поддерживается низкая температура.
Также преимуществом изобретения является упрощение выполнения уплотнения между кислородными трубопроводами и трубопроводами, содержащими водород, и повышение эффективности уплотнения. За счет поддержания достаточного расхода водяного пара в зависимости от расхода образуемого водорода и получения однородной смеси водяного пара и водорода, уплотнения в электролизных ячейках подвергаются воздействию внешнего повышенного давления однородной смеси водяного пара, содержащего водород, а не внутреннего повышенного давления, что облегчает выполнение уплотнения. По этой причине электролизер имеет увеличенный срок службы.
Предпочтительно электролизные ячейки имеют небольшой размер. Например, катод может иметь форму квадрата со сторонами длиной 5 см.
Далее будет описан узел мозаики или матрицы электролизных ячеек для образования составной электролизной пластины 100.
Согласно изобретению, элементарные ячейки установлены на опорной раме 102, образуя мозаику или матрицу, т.е. ячейки 8 расположены рядами или колонками.
На фиг.7А и 7В показан вариант осуществления изобретения с двумя смежными электролизными пластинами 100.1 и 100.2, в которых элементарные ячейки 8 установлены последовательно.
Пластина 100.1 соединена последовательно с пластиной 100.2.
В этом примере и ячейки колонки соединены последовательно, и сами колонки соединены последовательно.
Как показано на фиг.7А и 7В, все ячейки по существу идентичны, однако ячейки в начале и конце колонок отличаются от других ячеек тем, что контакты 50' анода или контакты 70' катода расположены в поперечном направлении, чтобы обеспечить электрическое соединение с ячейкой в смежной колонке.
Как описано выше, ячейки, не относящиеся к концевым ячейкам, содержат контакт 50 анода, выступающий в осевом направлении наружу корпуса 8.2, и катодное гнездо 70.
Катодное гнездо 70' пластины 100.1 (фиг.7А) электрически соединено с контактом 50 анода пластины 100.2 (фиг.7В).
Также имеется одна или несколько соединительных пластин 88 (в зависимости от длины электролизера), показанных на фиг.11А-11С, через которые проходят контакты 50 анода и контакты 70 катода.
Каждая пластина 88 имеет несколько выровненных вдоль линии отверстий 90 для прохода контактов 50 анода и контактов 70' катода. Кроме того, пластина 88 на периферии имеет отверстия 92 для прохода зажимных штифтов, обеспечивающих ее крепление на камере 2 или 6.
Эти соединительные пластины 88, их уплотнительные прокладки и электрическая изоляция (на фигурах не показана) обеспечивают уплотнение электролизного корпуса и электрическую изоляцию анодных и катодных соединений относительно электролизного корпуса.
Существует несколько технологий в зависимости от режима электрического соединения электролизных опорных пластин, чтобы обеспечить как уплотнение, так и электрическое соединение для анодов 50 и катодов 70.
Что касается двух режимов соединения, одновременно соответствующих второму и третьему режимам соединения, описанным ниже, контакты анода одной соединительной пластины имеют один и тот же потенциал и поэтому они могут быть непосредственно припаяны в отверстиях пластины 88, которая в этом случае изготовлена из стали. В этих двух случаях пластина для электрического соединения изолирована от электролизного корпуса электроизолирующей прокладкой.
При последовательной установке контакты анода и/или контакты катода, не соединенные кабелем электропитания одной и той же пластины, электрически изолированы друг от друга. При этом может быть использовано несколько технологий. Первая технология заключается в использовании пластины 88 из керамики высокой плотности с нарезанными резьбами, в которые должна быть ввернута металлическая втулка 91 и ее уплотнительная прокладка 93 (фиг.11В) после установки соединительной пластины 88 на верхнюю камеру 2 или нижнюю камеру 6. Контакты анода и/или контакты катода затем припаиваются в металлической втулке.
Вторая технология (фиг.11D) заключается в использовании уплотнения для кабельных каналов, применяя гнездо из керамического материала или металлического материала с нанесением электроизолирующей керамики (например, из циркония) с целью изоляции контактов 50 анода или контактов 70 катода, которые в этом случае имеют цилиндрическую форму. Пластина 88 может быть изготовлена из стали или может быть приварена или прикреплена винтами к металлическому уплотнению на верхней камере 2 или нижней камере 6. В этом последнем случае можно не использовать соединительную пластину 88, а цилиндрические контакты 50 анодов и контакты 70 катодов непосредственно устанавливаются на камеры 2 или 6. Металлический элемент 97, показанный перед креплением на фиг.11D, ввинчивается в гнездо и сжимает уплотнительное кольцо круглого сечения, обеспечивая, таким образом, уплотнение.
На фиг.11С показана пластина 88 с последовательным соединением электролизных пластин.
Контакт 50.1 анода первой электролизной пластины 8 соединен с источником электропитания (не показан), контакт 70.1' катода второй электролизной пластины 8 соединен с контактом 50.1 анода и т.д.
Часть кабельной разводки может быть выполнена внутри корпуса для уменьшения числа вводов и уплотнений.
Контакты 50, 70 припаяны в своих выемках, подающие трубы 14, 30 для теплоносителя приварены или припаяны для образования распределительных и сборных каналов, как, например, кислородные трубы 16, 34.
На фиг.13 показаны конструктивные особенности электролизной пластины согласно изобретению.
Элементарные ячейки установлены на опорной раме 102, содержащей вертикальные стойки 104 и горизонтальные стойки 106, ограничивающие окна 108 прямоугольной формы, имеющие по существу такие же размеры, что и размеры электролизных ячеек 8.
В показанном примере ячейки 8 закреплены на вертикальных стойках с помощью фланцев 74 за счет изготовленных из керамики или стали с керамическим покрытием ввернутых в раму гнезд, в которые ввернуты винты, проходящие через фланцы ячейки.
Между стойками 104, 106 и фланцами 74 вставлен электрический изолятор для изолирования катода 46 от опорной рамы.
При установке ячеек 8 их помещают рядом с опорной рамой так, чтобы контакт 50 анодов вошел в катодное гнездо 70. С другой стороны, ячейки в начале и конце колонки, содержащие поперечный катод 70', устанавливаются на опорной раме 102 горизонтально.
Предпочтительно электролизные ячейки выполнены в виде квадратной пластины небольшого размера, так чтобы их можно было легко расположить на опорной раме; в частности, это относится к ячейкам в начале и конце колонки.
В первом особо предпочтительном варианте выполнения электролизной пластины опорная рама 102 используется в качестве трубы для сбора кислорода. С этой целью горизонтальная 106 и вертикальная 104 стойки выполнены полыми, а концевые части 58 для сбора кислорода присоединены к этим стойкам 106.
На фиг.14 показан разрез полой стойки 106, снабженной соединителем 114 для соединения с электролизной ячейкой 8.
Стойка 106 имеет продольный канал 110 и боковое отверстие 112, сообщенные с соединителем 114, установленным на стойке 106.
Сам соединитель содержит соединительное отверстие 116 для прохождения концевой части 58 для сбора кислорода. Между соединителем 114 и стойкой 106 расположено электроизолирующее уплотнение 119 для изолирования анода от рамы 102.
При установке ячейки 8 на опорной раме концевую часть для сбора кислорода вставляют в отверстие 116 соединителя 114, а затем припаивают для герметизации соединения.
Для упрощения сборки концевые ячейки содержат поперечную концевую часть для сбора кислорода, параллельную контакту анода или катода, которая соединена с соединителем, прикрепленным к вертикальной стойке 104.
Верхняя горизонтальная штанга опорной рамы 102 содержит одну или несколько выпускных концевых частей 118 для собранного в опорной раме кислорода, проходящих через верхнюю камеру (фиг.7А и 7В).
Таким образом, имеются простые средства для сбора производимого на анодах кислорода и его отвода наружу электролизера.
Предпочтительно для облегчения монтажа ячейки на опорной раме нижняя полурама корпуса всех ячеек имеет меньшую глубину, чем верхняя полурама.
Опорная рама изготавливается, например, из металла и может быть кованой с жесткими штангами. Затем горизонтальные 106 и вертикальные 104 стойки просверливаются для образования взаимно сообщающихся каналов. Далее с четырех сторон опорной рамы привариваются закрывающие профили для герметизации опорной рамы.
На боковых профилях расположены направляющие 120, предназначенные для установки в боковых желобах 22 среднего корпуса 4.
2
Последовательный монтаж электролизных ячеек 8 пластины 100 обеспечивает в ячейках 8 и контакторах циркуляцию тока низкой интенсивности, соответствующего питанию для отдельной ячейки (10 А на колонку, состоящую из десятков двухсторонних ячеек 0,05 м на 0,05 мм при плотности тока 2000 А/м), что значительно ограничивает рассеивание электрической энергии в форме тепла в анодах, катодах и в их контактах.
На фиг.8А-8С представлена нагревательная пластина 10 согласно изобретению. Нагревательная пластина содержит два металлических листа 76, например из стали 800Н или из сплава Хастелой, сваренных по всей их периферии.
Между двумя листами 76 расположен теплообменный элемент 78, содержащий одну или несколько сотен каналов, продолжающихся в продольном направлении между верхним концом 10.1 и нижним концом 10.2.
В верхнем конце 10.1 расположен впускной коллектор 80 для горячего теплоносителя, а в нижнем конце 10.2 расположен выпускной коллектор 82 для холодного теплоносителя.
На впускном коллекторе 80 и выпускном коллекторе 82 имеются концевые части 84, выполненные из металла и припаянные к коллекторам 80, 82.
На боковых сторонах нагревательных пластин 10 расположены две направляющие 86, которые входят в пазы 24 среднего корпуса 4.
Теплоноситель, циркулирующий в нагревательных пластинах, преимущественно является газом, например гелием, который находится под давлением, немного меньшим давления в электролитической ванне.
Как показано на фиг.7А, нижняя камера 6 прикреплена к среднему корпусу 4. Затем электролизную пластину 100 вставляют в средний корпус 4 за счет скольжения ее боковых направляющих 74 в желобах 22.
Контакт 70 катода входит в отверстие 35, выполненное в нижней камере 6, и в охлаждающий канал 36.
Затем нагревательную пластину 10 вставляют в смежные пазы 24, что видно на фиг.9. Выпускная концевая часть 84 для холодного теплоносителя проходит через отверстие, выполненное в нижней камере 6.
Затем в средний корпус 4 помещают другую электролизную пластину 100 так, чтобы контакт 50 анода проходил через отверстие 35, как показано на фиг 7В.
Далее устанавливают рядом другую нагревательную пластину 10 таким же образом, что и предыдущую, и т.д., до тех пор, пока корпус не будет заполнен.
Затем на среднем корпусе 4 устанавливают верхнюю камеру 2 так, чтобы контакты 50 анода и контакты 70 катода проходили через отверстие 19, наконечники 58 для сбора кислорода проходили через отверстия 15, а концевые части 84, подающие горячий теплоноситель, проходили через отверстия.
Верхняя камера 2 затем герметично крепится болтами к среднему корпусу 4.
Впускные концевые части 84 припаяны к верхней поверхности уступа 11 верхней камеры и предназначены для соединения с каналом для горячего теплоносителя. Пайка позволяет отказаться от дополнительных уплотнительных средств, и в результате срок службы электролизера увеличивается.
Труба 14 для горячего теплоносителя присоединена к источнику горячего теплоносителя, труба 16 для сбора кислорода присоединена к резервуару для хранения кислорода, а главная труба присоединена к резервуару для сбора смеси из воды и водорода.
Контакты 50 анода и контакты 70 катода, выходящие из верхней камеры 2, соединены, как показано на фиг.11, при этом охлаждающий канал 18 не показан. Это электрическое соединение обеспечивает последовательный монтаж электролизных пластин 8.
Уступы в верхней 2 и нижней 6 камерах уменьшают длину контактов анодов и катодов и тем самым уменьшают джоулевы потери.
Соединительные пластины 88, 98, снабженные прокладкой 89, перемещают со скольжением по контактам 50, 70 электролизных пластин и затем крепят с помощью винтов к верхней и нижней камерам.
Контакты 50, 70 припаивают в их выемках, а подающие трубы 14, 30 для теплоносителя приварены или припаяны для образования распределительных и сборных каналов, как, например, кислородные трубы 16, 34.
Циркуляционные каналы для горячего и холодного теплоносителя, каналы отвода кислорода и охлаждающие каналы для электрических контакторов установлены в их соответствующем трубопроводе.
2
Для плотности тока 2000 А/м при двухсторонней квадратной ячейке со сторонами 0,05 м сила тока, проходящего через различные соединения, составляет только 10 А, что обеспечивает снижение потерь в металлическом сердечнике 40, а также в анодном, электролитном и катодном покрытиях. Кроме того, за счет уменьшенных размеров облегчается образование жесткой герметичной ячейки.
С помощью изобретения и применения большого числа элементарных ячеек малого размера, установленных последовательно, можно ограничить рассеивание электроэнергии в форме тепла и ограничить силу электрического тока, протекающего через различные ячейки электролизера, а также значительно ограничить множество металлических соединений между электролизными ячейками.
Для n элементарных ячеек поверхности s катода, установленных последовательно, сила тока I, протекающего через все ячейки, равна силе тока I, необходимой для питания отдельной ячейки: т.е. I=s×j, где j - плотность тока.
2
Пусть r будет значением сопротивления одной ячейки и ее контактов; тогда эквивалентное сопротивление всех ячеек, установленных последовательно, будет R=n×r, а рассеянная мощность будет Q=n×r×(j×S).
Если при постоянной плотности тока желательно изготовить электролизер с числом ячеек в k раз меньше, чем у электролизера с n ячейками, но имеющий такую же производительность, то поверхность катода каждой ячейки должна быть умножена на k, а электрическая мощность, рассеянная в виде тепла, в этой конфигурации составит:
2
Q1=(n/k)×r×(j×k×s)=k×Q.
Это означает, что электрическая мощность, рассеянная в виде тепла, умножается на k.
2
-3
2
2
Таким образом, для тока силой 4 кА, который соответствует производству водорода 0,021 моль/с, соответствующему двухсторонней пластине 1×1 м с плотностью тока 2 кА/м и металлокерамическому материалу с удельным электрическим сопротивлением 1×10 Ω·см, потеря потенциала для элемента проводника длиной 1 см сечением 1 см составит 4В, а потеря электрической мощности в качестве тепла в соединителе составит 16 кВт. Это значение следует сравнить со значением эндотермической энергии при 900°С для производства 1 моль/с, т.е. 42 кВт. Однако используя изобретение и образуя этот участок электролизера с 400 квадратными ячейками со сторонами 5 см и 400 соединителями, как указано выше (длиной 1 см и сечением 1 см), можно получить то же самое значение потери напряжения для всех ячеек, но при потерях электроэнергии только 40 Вт.
Кроме того, при функционировании под высоким давлением на предприятии достигается уменьшение расхода электроэнергии за счет уменьшения числа установок, требующихся для сжатия газа, выходящего из электролизера, для его хранения и транспортировки, поскольку выходящий газ может находиться под давлением, по существу, близким к давлению хранения и транспортировки. Также улучшается компактность установки.
Кроме того, как уже объяснялось, уменьшаются потери напора.
Теплоноситель и смесь водяного пара и водорода могут протекать в одном направлении, если вход горячего теплоносителя находится на той же стороне, что и вход смеси водяного пара и водорода, или их протекание может быть противоточным, если вход горячего теплоносителя находится на стороне, противоположной входу смеси горячего пара и водорода.
При изготовлении электролизера согласно изобретению можно регулировать пару параметров напряжение/ток на зажимах электролизера; очевидно, что она является переменной в зависимости от числа пластин, соединенных последовательно. Во избежание возникновения электрической дуги следует обратить внимание на то, что характеристики изоляции каждой ячейки, т.е. толщина и тщательность изготовления, зависят от напряжения.
Если желательно изготовить компактный электролизер с минимальной толщиной электрической изоляции, все пластины 100 могут быть соединены параллельно, поскольку мозаичный монтаж позволяет перенести нагрузку от высоких значений силы тока на силовой кабель питания электролизера, что может быть достигнуто при очень большом сечении и поддержании низкой температуры за счет охлаждения.
Во втором варианте осуществления изобретения электролизные пластины соединены параллельно, как показано на фиг.15А и 15В. По сравнению с электролизными пластинами, соединенными последовательно, последняя ячейка 8' последней колонки заземлена и не соединена с первой ячейкой первой колонки в смежной электролизной пластине.
Установлено, что для типичной установки для стандартной трехфазной сети 380 В с помощью диодного моста перед электролизером и системы защиты несложно адаптировать электролизер непосредственно к имеющемуся напряжению электрической сети, выполнив расчет количества ячеек на опорную раму (порядка 205 ячеек на 220 В с внутренним соединением звездой). Возможны многочисленные комбинации между количеством ячеек, соединенных последовательно на одной пластине, и количеством пластин.
Наиболее предпочтительно соединять опорные пластины параллельно, поэтому количество ячеек на пластину зависит от напряжения сети, а количество опорных рам зависит от производственной мощности оборудования.
Преимущество монтажа с параллельным соединением должно способствовать перемещению нагрузок, относящихся к высоким значениям силы тока, наружу кожуха при очень высокой температуре, что значительно облегчает выработку технических решений, поскольку достаточно использовать металлические проводники большого сечения при низкой температуре.
Также имеется возможность уменьшения количества входов для металлических проводников в кожухе за счет объединения электролизных пластин 100 в небольшие группы на отдельном главном проводнике.
Таким образом, электролизер согласно изобретению, кроме выпрямителя тока, не требует наличия какого-либо электрического устройства, который может быть включен в состав оборудования.
Если требуется более высокое напряжение, можно использовать очень много пластин или установить несколько опорных рам последовательно, чтобы часть их контактов анодов проходила через верхнюю камеру, а часть - через нижнюю камеру.
3
2
Далее описан пример выбора размеров электролизера согласно изобретению, который может производить 5 моль/с, т.е. 432 нм/час водорода, используя ячейки 10×10 см и толщиной 1,53 см на пластину, причем ячейки соединяются последовательно.
Опорные металлические пластины, выполненные, например из стали 800Н или из сплава Хастелой, имеют высоту 2,61 см и ширину 1,81 м при толщине 10 мм.
Нагревательные пластины 10 имеют такие же размеры (высоту и ширину), как опорные пластины, и толщину 7,6 мм.
Расстояние между нагревательной пластиной и рамой электролизной ячейки порядка 5 мм поддерживается постоянным за счет промежуточных вставок в электроизолирующий материал.
2
Каждая электролизная пластина содержит 300 ячеек, расположенных в 15 вертикальных колонках и 20 горизонтальных рядах. Для плотности тока 2000 А/см сила тока, протекающего через все ячейки пластины, составляет 40 А, напряжение на зажимах пластины составляет порядка 316 В.
Имеется 81 электролизная пластина, смонтированная параллельно, и 82 нагревательные пластины 10.
Боковые желоба 22, 24 имеют размер 1 см, а (внутренние) размеры электролизного корпуса составляют:
- высота 2,61 м,
- ширина 1,83 м,
- длина 2,70 м.
Электрическая мощность, которая должна подаваться к электролизеру, составляет 1,023 МВт, а тепловая мощность, которая должна подаваться к электролизеру, составляет 213 кВт (при 850°С).
Расход питающего водяного пара при температуре 850°С и давлении 30 бар составляет 25 моль/с, скорость потока между нагревательной пластиной и электролизной пластиной составляет порядка 4,5 см/с, а потери напора смеси водяного пара и водорода через электролизер составляют порядка 50 мбар.
При расходе 294 моль/с теплоносителя (гелия при температуре 900°С и давлении 30 бар) температура выпуска смеси водорода составляет 852°С, скорость потока гелия в каналах теплообменника составляет порядка 3,2 м/с, и потери его напора через теплообменник составляют порядка 400 мбар.
Из графика на фиг.20 видно, что по всей длине пластины 2,61 м максимальное изменение температуры составляет только 30,4°С. Сплошная линия показывает температуру смеси водяного пара и водорода, а пунктирная линия показывает температуру теплоносителя.
Описанный выше пример относится только к одной рабочей точке; имеется возможность за счет уменьшения расхода подаваемой воды увеличить парциальное давление водорода.
Например, с помощью изобретения при подаче из нагревателя теплоносителя при 900°С во всем электролизере можно поддерживать высокую температуру в уменьшенном диапазоне 850-880°С за счет использования расхода водяного пара, равного только пятикратному расходу производимого водорода, в то же время обеспечивая 42 кДж на моль водорода, производимого в форме тепла, т.е. одну пятую расходуемой электрической энергии (204 кДж/моль Н2); остальная часть 41 кДж/моль Н2 обеспечивается за счет испарения воды перед электролизером с помощью подачи тепла в генератор пара.
Для молярного расхода водяного пара/производимого водорода отношение в диапазоне от 2 до 5 является предпочтительным для получения высокого парциального давления пара водорода, в то же время, обеспечивая надлежащее покрытие электролизных пластин водяным паром.
На фиг.17А-19 показан третий особо предпочтительный вариант осуществления изобретения, в котором все колонки каждой опорной рамы соединены параллельно друг с другом. Электрические соединения на показанном примере выполнены только на нижней стенке кожуха.
Этот вариант осуществления изобретения представляет особый интерес для больших производственных установок, в которых нежелательно увеличивать количество пластин и количество нагревательных пластин.
При очень больших опорных пластинах, содержащих большое количество соединенных последовательно ячеек, достигаются большие значения разности потенциалов между опорной рамой и ячейкой, а также между ячейкой и нагревательной пластиной, тем самым, увеличивая риск возникновения электрической дуги между этими различными элементами.
Согласно третьему варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.17А и 17В, в каждой колонке пластины некоторое количество соединенных последовательно ячеек будет меньше количества разрывов; это количество соответствует количеству ячеек, соединенных последовательно и соответствующих напряжению пробоя; кроме того, все колонки соединяются параллельно от одной опорной рамы к другой.
В этом третьем варианте осуществления изобретения подача водяного пара осуществляется в боковом направлении.
Средний корпус 4 содержит перегородку подачи и распределительную пластину 123 для водяного пара, обеспечивающую надлежащее распределение водяного пара по всей высоте электролизных пластин. Средний корпус 4 также содержит выпускную перегородку 124 для воды, смешанной с производимым водородом.
Преимущественно в верхней части кожуха расположен выпускной коллектор 126 для воды, смешанной с водородом, что обеспечивает сбор водяного пара, весьма богатого водородом, и позволяет исключить образование напора водорода в верхней части кожуха.
На фиг.18 показана нагревательная пластина 10, установленная в электролизере согласно этому варианту осуществления изобретения с боковой подачей.
На фиг.19 показана пластина 123 распределения активного газа с отверстиями для прохода газа и направляющими, приваренными к горизонтальным штангам.
Очевидно, что боковая подача согласно третьему варианту осуществления изобретения может быть использована в электролизерах согласно первому и второму вариантам осуществления изобретения.
На фиг.24-26С показан четвертый вариант выполнения электролизной пластины согласно изобретению, которая обеспечивает очень низкое сопротивление при взаимном соединении ячеек, является простой в изготовлении и преимущественно модульной.
На фиг.24 показана электролизная пластина в собранном состоянии. На фиг.25 показана опорная пластина, образующая раму электролизной пластины, а на фиг.26А-26С показаны электролизные ячейки, изолированные от рамы.
Электролизная пластина 200 содержит опорную пластину 202, имеющую окна 204, распределенные по рядам и колонкам на двух поверхностях.
Кроме того, опорная пластина 202 является полой, образуя коллектор для дикислорода, производимого на анодах, как будет описано ниже.
Преимущественно имеются усиливающие стойки и поперечины для обеспечения жесткости опорной пластины, расположенные так, чтобы не препятствовать циркуляции дикислорода.
Опорная пластина также содержит коллектор 206 дикислорода, образованный в показанном примере с помощью втулки на верхней части опорной пластины 202, и контакты 208 для присоединения анодов и катодов к другим электролизным пластинам для последовательного монтажа и к источнику питания электролизера для параллельного монтажа.
Опорная пластина 202 может быть изготовлена из металла или керамики.
Электролизная пластина также содержит боковые направляющие 207 для установки в кожухе электролизера.
Если опорная пластина 202 изготовлена из металла, и необходимо установить различные электролизные пластины последовательно, заземление можно выполнить через боковые направляющие 207, и пластины будут содержать только соединитель анода.
Пластины из керамики могут содержать соединитель анода и соединитель катода.
На фиг.26А-26С показаны электролизные ячейки 208, содержащие центральный электролит 244 в форме пластины, покрытой с одной стороны катодом 246 и анодом с противоположной стороны (невидимой). Преимущественно для сборки электролит имеет утолщения на боковых краях.
В этом варианте осуществления изобретения электролит преимущественно содержит утолщенные края, которые обеспечивают боковую герметизацию узла в сборе. Как показано ниже, крепежные винты проходят только через электролит, что упрощает сборку.
Для улучшения герметизации может быть предусмотрено дополнительное периферийное уплотнение, окружающее электролит. Также уплотнение может быть только периферийным уплотнением 247, как показано на фиг.26D. Это уплотнение является уплотнением кромочного типа, удерживающим совместно края электролита 244.. Этот пример варианта осуществления изобретения обеспечивает использование электролита уменьшенного размера и упрощенной формы.
Согласно этому варианту осуществления изобретения электролизная ячейка электрически соединена со следующей ячейкой электрическим проводником большого сечения.
Ячейка содержит металлическую раму 210, которая помещена на катоде 246 и продолжается в виде пластины с отверстиями 213, выполненной в виде перфорированной пластины 212 для закрывания анода смежной ячейки 208'. Рама прижимается к краям электролита и катоду, а перфорированная пластина прижимается к аноду и краям электролита. При наличии дополнительного периферийного уплотнения это уплотнение сжимается между рамой и перфорированной пластиной.
Рама 210 закрывает наружные края катода 246 и оставляет большую часть электродов незакрытой для реакций электролиза. Отверстия перфорированной пластины 212 обеспечивают проход дикислорода, образованного на аноде.
В показанном примере рама 210 и перфорированная пластина 212 лежат в двух смещенных плоскостях, соединенных выступом 214, по существу перпендикулярным обеим плоскостям. Преимущественно рама 210, пластина 212 и выступ 214 изготавливаются штамповкой как цельный элемент.
В показанном примере рама 210 и перфорированная пластина 212 содержат резьбу для крепления к перфорированной пластине 212' и к раме 210', соответственно. Рама 210' и перфорированная пластина 212' не принадлежат одной и той же ячейке. Резьбы 214 нарезаны в электролите.
Сборка электролизных ячеек обеспечивает приложение усилия сжатия к каждому узлу анод-электролит-катод.
Резьбы используются для установки всех элементов каждой ячейки на опорную пластину. Винты электрически изолированы от элементов ячейки.
Ячейки монтируются на опорной пластине 202 таким образом, что анод каждой ячейки обращен внутрь внутренней части опорной пластины 202, что позволяет собирать дикислород с помощью опорной пластины 202. Между каждой ячейкой и периферией каждого окна расположено уплотнение 218. Это уплотнение затем прижимается к закрепленной опоре. Уплотнение также является электрическим изолятором.
Форма и расположение окон и поверхности перфорированных пластин, устанавливаемых на окна, могут быть оптимизированы для повышения герметичности и улучшения циркуляции кислорода.
Преимущественно канавки в окнах, в которые помещают уплотнения, являются герметизированными. Также края окон могут быть скошены для обеспечения возможности использования утолщенных уплотнений без увеличения общей толщины электролизных пластин.
Герметичность каждого узла при воздействии водяного пара под давлением обеспечивается металлическими соединителями, которые сжимают края электролита, и уплотнением 218.
Последовательное электрическое соединение между колонками выполнено в боковом направлении, как показано на фиг.24.
Далее будет описан вариант выполнения электролизной пластины согласно четвертому варианту осуществления изобретения.
На опорной пластине расположена перфорированная пластина 212", за которой следует узел, образованный катодом 246, электролитом 244 и анодом, причем анод находится на стороне перфорированной пластины. Далее рама 210 соединителя расположена на катоде 246. Пакет соединяется винтом.
Новый узел, образованный катодом, электролитом и анодом, помещен на перфорированной пластине нового соединителя для образования смежной ячейки, соединенной последовательно с ранее сформированной ячейкой. Монтаж продолжается подобным образом в одной колонке. Смена колонки обеспечивается за счет горизонтального расположения соединителя.
В показанном примере четыре колонки из пяти ячеек смонтированы на одной поверхности опорной пластины 202. Такой же монтаж выполняется на другой стороне. Очевидно, что на одну электролизную пластину может быть установлено несколько ячеек, вплоть до нескольких сотен.
Также может осуществляться предварительная сборка ячеек в группы, например, из пяти ячеек. С этой целью имеются резьбы и винты для предварительной сборки и резьба и винт для установки опорной пластины.
Контакты 208 анодов и катодов преимущественно образованы перфорированной пластиной и рамой (фиг.24).
Очевидно, что колонки могут быть расположены параллельно.
Пластина электролизера может иметь две поверхности, которые должны быть установлены последовательно, как показано на фиг.24, например, с помощью соединителя, перекрывающего опорную пластину и соединяющего две колонки ячеек. Соединение с колодкой зажимов может быть осуществлено через опорную пластину.
Если желательно осуществить параллельное соединение, каждая поверхность соединяется непосредственно с обычным источником питания электролизера.
В показанном примере колонки расположены вертикально, но они также могут быть расположены горизонтально.
На фиг.28 показан предпочтительный вариант монтажа ячейки на опорной пластине, в котором ячейки крепятся на опорной пластине не винтами, а с помощью зажимных профилей, зажимающих боковые края ячейки на опорной пластине.
Зажимные профили 316 электрически изолированы.
В показанном примере осуществлена предварительная сборка в группы, как показано на фиг.27, с помощью соединения рамы 310 соединителя с перфорированной пластиной 312' следующего соединителя. Узел катод-электролит-анод зажат между рамой 310 и перфорированной пластиной 312'. Соединение обеспечивается с помощью электрически изолированных винтов, проходящих через отверстия 314, выполненные в продольных концах рам и перфорированных пластин.
На фиг.28 показаны зажимные профили 316, которые крепятся винтами на опорной пластине, а последовательное соединение между колонками обеспечивается с помощью соединителей 318, прикрепленных к опорной пластине. При монтаже концы двух смежных групп вставляют в соединитель 318. В этом варианте осуществления изобретения все соединители могут быть идентичными.
За счет использования при монтаже зажимных профилей колонки ячеек могут свободно расширяться вдоль их продольных и боковых направлений. Фиксируемые точки фактически отсутствуют и ячейки могут скользить в продольном и поперечном направлениях относительно зажимных профилей и опорной пластины, при этом они удерживаются на месте, что обеспечивает восприятие деформаций ячейки, вызванных изменениями температуры во время переходных фаз пуска и остановки оборудования.
Кроме того, с помощью зажимных профилей можно одновременно монтировать
все ячейки одной колонки.
В показанном примере зажимные профили, расположенные между двумя колонками ячеек, прикладывают зажимное усилие к боковому краю двух колонок. Однако может быть два отдельных профиля.
Кроме того, в показанном примере профили продолжаются по всей высоте опорной пластины, однако может быть несколько профилей, расположенных один за другим.
В этом варианте осуществления изобретения поперечное уплотнение каждой ячейки может быть обеспечено с помощью периферийного уплотнения вокруг узла анод-электролит-катод, причем уплотнение сжимается рамой и перфорированной пластиной.
В этом варианте осуществления изобретения можно устранить сопротивление в контактах за счет образования непрерывных соединений с квазинулевым сопротивлением соединения, поскольку соединение между двумя смежными ячейками обеспечивается с помощью металлических пластин или металлокерамических пластин большого сечения. Фактически, они могут иметь толщину от одного до нескольких миллиметров и ширину, по меньшей мере, равную ширине электродов.
Кроме того, в таком варианте осуществления изобретения значительно упрощается сбор образующегося кислорода, поскольку исключены все части для сбора кислорода, использующиеся в других вариантах осуществления изобретения.
Этот вариант осуществления изобретения также позволяет уменьшить сложность герметизации, поскольку остается только плоское уплотнение, обеспечивающее уплотнение для ячеек, зажатых винтами или зажимными профилями, вместе с давлением водяного пара на опорную пластину.
Кроме того, он обеспечивает последовательное соединение ячеек на обеих сторонах опорной пластины без сопротивления в контактах.
Также он обеспечивает увеличение числа ячеек на одну опорную пластину и, тем самым, уменьшение поверхности каждой ячейки, в то же время поддерживая постоянную общую поверхность катодов на одну опорную пластину, обеспечивая уменьшение тока, подаваемого к ячейкам, и падение потенциала, что относится к электрическим сопротивлениям.
2
Этот вариант осуществления изобретения обеспечивает очень большую общую поверхность ячеек. Для заданного уровня производства водорода он обеспечивает очень низкие значения плотности тока менее 2000 А/м, что увеличивает эндотермическое функционирование электролизера.
Наконец, этот вариант осуществления изобретения упрощает изготовление электролизных ячеек, и может быть осуществлено массовое производство групп из нескольких десятков, вплоть до нескольких сотен, ячеек, подготовленных к установке на опорную пластину. Задача состоит в том, чтобы сориентировать массовое производство на изготовление модулей различных частей электролизеров, следовательно, можно выполнить группы из нескольких десятков ячеек, изготовленных в одном производственном подразделении, которые затем направляются в монтажное подразделение для монтажа на опорных пластинах, которые направляются в подразделение сборки электролизеров.
В показанном примере размер окон близок к размеру ячеек, но это ни в коей мере не является обязательным. Окна могут быть меньшего размера, а в пластинах 212 могут быть расположены каналы отвода кислорода, производимого на аноде, к окну. Эта конструкция облегчает герметизацию между ячейками и опорной пластиной.
Электролизер согласно изобретению описан на примере электролиза воды и сбора кислорода, однако понятно, что конфигурация электролизера согласно изобретению может быть применена к электролизу других газов и к сбору другого газа.