СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГАЗА
METHOD AND PLANT FOR GAS PRODUCTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и установке для производства газа. Более конкретно, но не только, настоящее изобретение относится к электролитической ячейке и способу, в котором горючие газы, такие как водород и кислород, производят путем электролиза водного электролитического раствора и содержат после получения отдельно.
Уровень техники, предшествующий изобретению
Электролитическая ячейка использует электричество для разложения воды на водород и кислород в газообразной фазе.
Известные электролитические ячейки состоят либо из: жидкостного щелочного электролизера, в котором для разделения газообразного водорода и газообразного кислорода между электродами используется пористая мембрана, или полимерного электролитического электролизера, в котором для разделения газообразного водорода и газообразного кислорода, получаемых в процессе электролиза, используется протонообменная мембрана. Электролитическая ячейка дополнительно включает в себя анод, расположенный вдоль первой поверхности протонообменной мембраны, и катод, расположенный вдоль второй, оппозитной поверхности протонообменной мембраны.
Известные мембраны, используемые в жидкостных щелочных электролизерах, в целом, изготавливаются из пористого пластика, тогда как в полимерных электродных электролизерах известные протонообменные мембраны являются полупроницаемыми мембранами, в целом, изготовленными из иономеров, и выполнены таким образом, что они пропускают протоны, но непроницаемы для газов, таких как кислород и водород. Протонообменные мембраны могут изготавливаться либо из чисто полимерных мембран, либо из композитных мембран, полимерная матрица которых содержит другие материалы.
Первым недостатком мембран любого типа является ограничение пропускаемого через них потока.
Другим недостатком мембран является увеличение расстояния между электродами, приводящее к увеличению сопротивления. Другим недостатком известных жидкостных щелочных мембран является снижение эффективности при увеличении плотности тока. Эффективность известных протонообменных мембран снижается по мере увеличения напряжения, подаваемого в ячейку, из-за плохого газоотвода из мембраны. Кроме этого, электроды нельзя ярусно располагать слишком близко друг к другу, поскольку это препятствует газоотводу.
Другим недостатком известных жидкостных щелочных мембран является их неспособность эффективно функционировать при высокой температуре и высоком давлении.
Другим недостатком известных протонообменных мембран является высокая себестоимость мембран, поскольку для разделения электронов и протонов водорода в них приходится использовать благородные металлы (обычно платину). Катализатор из платины также чрезвычайно восприимчив к загрязнению окисью углерода, поэтому приходится использовать дополнительный нейтрализатор для удаления окиси углерода из горючего газа, если водород получают из спирта или углеводородного топлива. Это дополнительно увеличивает стоимость использования известных протонообменных мембран.
Другим недостатком известных протонообменных мембран является плохая проводимость при низкой относительной влажности и плохие механические свойства при температурах свыше примерно 100°С. Подобные мембраны имеют относительно низкую рабочую температуру, а температура около 100°С не позволяет осуществлять полезную когенерацию.
В документе из известного уровня техники РСТ/IB2011/053050 на имя HYDROX HOLDINGS LIMITED, озаглавленном «Способ и установка для производства газа» описано использование жидкостного щелочного электролизера, в котором для проведения электролиза вместо пористой или протонообменной мембраны применяют гидродинамический барьер. Данное изобретение обеспечивает огромные преимущества в плане производства, эксплуатационных затрат и габаритов.
В настоящем описании изобретения термин «горючая текучая среда» включает в себя горючий газ, содержащий преимущественно водород и/или кислород в газообразной фазе.
Цель изобретения
Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ и установку для производства газа, которые позволяют устранить вышеуказанные недостатки и которые могут стать реальной альтернативой для существующих электролитических ячеек и способов производства газа.
Краткое изложение сущности изобретения
По первому аспекту изобретением предлагается способ производства горючей текучей среды из жидкостного щелочного электролитического раствора в процессе электролиза, включающий в себя этапы:
- получения электролитического раствора;
- получения электролитической установки с имеющимися в ней первым и вторым разнесенными между собой проницаемыми электродами, погруженными в камеру, в которой имеется по меньшей мере одно впускное и два выпускных отверстия;
- пропускания раствора в камеру через впускное отверстие; и
- подачи напряжения на установку по электродам для электролиза раствора между электродами таким образом, чтобы на первом электроде образовалась первая горючая текучая среда, а на втором электроде образовалась вторая горючая текучая среда и первая горючая текучая среда проходила от первого электрода на первое выпускное отверстие, а вторая горючая текучая среда проходила от второго электрода на второе выпускное отверстие, и в котором первый и второй электроды могут быть расположены в относительно непосредственной близости друг от друга на расстоянии от 1 мм до 6 мм.
Электролитический раствор может быть гидроксидом калия (КОН) или гидроксидом натрия (NaOH).
Горючая текучая среда может быть гидрогенизированной и оксигенированной текучей средой, в частности, горючая текучая среда может быть газообразным водородом и газообразным кислородом.
Каждый из проницаемых электродов может быть перфорированным или дырчатым.
Каждый из проницаемых электродов дополнительно может быть изготовлен из сетчатого или вспененного материала.
Каждый из проницаемых электродов может быть изготовлен из материала, выбираемого из группы, которая включает в себя: нержавеющую сталь, никель, палладий, кобальт или платину.
Первый и второй электроды могут быть, по существу, параллельными.
Первый и второй проницаемые электроды могут иметь правильное и определенное соотношение между открытой и закрытой площадью, также известное как PPI (количество пор на квадратный дюйм), которое может зависеть от размера выпускных отверстий и давления, под которым раствор подается в установку.
Первый и второй проницаемые электроды могут быть одним комплектом проницаемых электродов, а установка может включать в себя множество комплектов проницаемых электродов, все из которых имеют схожую конфигурацию.
Электролитическая установка может определять по меньшей мере одно впускное отверстие, сообщающееся по текучей среде со всеми впускными отверстиями, а способ может включать в себя этап пропускания раствора в камеры со всеми комплектами проницаемых электродов через впускной коллектор.
Выпускной проход для первой горючей текучей среды может сообщаться по текучей среде со всеми выпускными отверстиями для первой текучей среды всех комплектов проницаемых электродов, а выпускной проход для второй горючей текучей среды может сообщаться по текучей среде со всеми выпускными отверстиями для второй текучей среды всех комплектов проницаемых электродов, компоновка выполнена таким образом, что первая горючая текучая среда, образующаяся на первом электроде, выходит из установки через выпускное отверстие для первой горючей текучей среды, а вторая горючая текучая среда, образующаяся на втором электроде, выходит из установки через выпускное отверстие для второй горючей текучей среды.
По второму аспекту изобретения предлагается электролитическая установка, в которой горючую текучую среду производят из электролитического раствора, а именно гидроксида калия (КОН) или гидроксида натрия (NaOH), в процессе жидкостного щелочного электролиза, включающего:
- первый и второй разнесенные между собой проницаемые электроды, погруженные во впускную камеру;
- по меньшей мере одно впускное отверстие во впускной камере для пропускания электролитического раствора в указанную впускную камеру; и
- выпускные отверстия для первой и второй горючих текучих сред;
компоновка выполнена таким образом, что электролитический раствор проходит через впускное отверстие во впускную камеру, где происходит электролиз, и таким образом, что первая горючая текучая среда образуется на первом электроде, и таким образом, что вторая горючая текучая среда образуется на втором электроде, и кроме этого, таким образом, что первая горючая текучая среда проходит от первого электрода на выпускное отверстие для первой горючей текучей среды; а вторая горючая текучая среда проходит от второго электрода на выпускное отверстие для второй горючей текучей среды, и в которой первый и второй электроды могут быть расположены в относительно непосредственной близости друг от друга на расстоянии от 1 мм до 6 мм.
Электролит может быть гидроксидом калия (КОН) или гидроксидом натрия (NaOH) с концентрацией от 20% до 50%.
Горючая текучая среда может быть гидрогенизированной и оксигенированной текучей средой, в частности, горючая текучая среда может быть газообразным водородом и газообразным кислородом.
Каждый из проницаемых электродов может быть перфорированным или дырчатым.
Каждый из проницаемых электродов дополнительно может быть изготовлен из сетчатого или вспененного материала.
Каждый из проницаемых электродов может быть изготовлен из материала, выбираемого из группы, которая включает в себя: нержавеющую сталь, никель, палладий, кобальт или платину.
Первый и второй электроды могут быть, по существу, параллельными.
Первый и второй электроды, каждый, могут включать в себя по меньшей мере один соединительный выступ для соединения с источником питания, подающим напряжение в электролитическую установку для электролиза электролитического раствора.
Первый и второй электроды могут быть прикреплены к соединителям из нержавеющей стали, неподвижно соединенным с соединительным выступом для распределения тока по электродам.
Муфта из ПВХ удерживает каждый из электродов плотно прижатым к соединителю и электрически изолирует соединитель от электролита.
Первый и второй проницаемые электроды могут иметь правильное и определенное соотношение между открытой и закрытой площадью (или PPI), которое может зависеть от размера выпускных отверстий и давления, под которым раствор подается в установку.
Установка может включать в себя первый и второй внешние торцевые элементы, каждый из которых изготовлен из полиэтилена.
Установка может иметь цилиндрическую, квадратную или многоугольную форму.
Установка может включать в себя средства циркуляции, такие как насос, для циркуляции раствора через установку и нагнетания раствора во впускную камеру.
Установка может включать в себя накопительный контейнер для первой горючей текучей среды, соединенный с выпускным отверстием для первой горючей текучей среды, и накопительный контейнер для второй горючей текучей среды, соединенный с выпускным отверстием для второй горючей текучей среды.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет рассмотрено с использованием неограничивающих примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
На фиг. 1 показан вид в сечении электролитической установки по первому предпочтительному варианту осуществления изобретения;
На фиг. 2 показано изображение в разобранном виде, в перспективе, части электролитической установки по второму предпочтительному варианту осуществления изобретения; и
На фиг. 3 показан вид в сечении единственного электрода установки по фиг. 2.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Со ссылкой на чертежи электролитическая установка по одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, в целом, обозначена ссылочной позицией 10.
Электролитическая установка 10 выполнена с возможностью получения оксигенированной и гидрогенизированной текучей среды, образующейся во время электролиза электролитического раствора, подаваемого в установку 10.
Установка 10 содержит первый внешний торцевой элемент 12, изготовленный из полиэтилена, и второй внешний торцевой элемент 14, также изготовленный из полиэтилена.
Со ссылкой на фиг. 1 первый и второй внешние торцевые элементы 12 и 14, оба, имеют квадратную форму, расположены, в целом, параллельно друг другу и разнесены друг от друга. Допустимо, чтобы установка необязательно имела квадратную форму, а также многоугольную или круговую форму, как на фиг. 2.
Установка 10 дополнительно включает в себя два разнесенных между собой проницаемых электрода, первый проницаемый электрод 16 и второй проницаемый электрод 18. Каждый из проницаемых электродов 16 и 18 изготовлен из дырчатого или перфорированного материала. В частности, каждый из проницаемых электродов изготовлен из нержавеющей стали в виде сита номер 316 (проволочного сита голландского переплетения). Два проницаемых электрода 16 и 18 также расположены, в целом, параллельно друг другу и относительно недалеко разнесены друг от друга на расстояние от 1 мм до 6 мм. Впускная камера 20 окружает первый и второй проницаемые электроды 16 и 18.
Чем меньше проницаемые электроды 16 и 18 разнесены друг от друга, тем меньше сопротивление между ними, т.е. на установку 10 можно подавать меньшее напряжение, что делает установку 10 более эффективной.
2
2
Со ссылкой на фиг. 1, по первому варианту осуществления изобретения, две проницаемые мембраны разнесены между собой на 4 мм, диаметр сита составляет 20 мм, площадь сита составляет 314 мм, а толщина сита - 0.8 мм. Подобное сочетание размеров позволяет добиться плотности тока в 73 мА/см, используя в качестве электролита КОН с концентрацией 50% при температуре 60°С, с подаваемым постоянным напряжением 1.765 В. Заявитель допускает, что данный показатель можно существенно улучшить в случае использования электролита с более высокой температурой и сокращения зазоров между электродами до менее 4 мм. Нанесение на электроды гальванического покрытия из платины также значительно повысит каталитическую эффективность электродов.
Первый и второй электроды могут быть закреплены к соединителям 24 из нержавеющей стали, неподвижно соединенным с соединительным выступом для распределения тока по электродам. Муфта 22 из ПВХ удерживает электрод плотно прижатым к соединителю и электрически изолирует соединитель от электролита.
Во впускной камере 20 имеются два впускных отверстия 26, по которым электролитический раствор подается в указанную камеру 20. В установке 10 имеется выпускное отверстие 28 для кислорода, а также выпускное отверстие 30 для водорода.
Поток электролитического раствора, проходящий через проницаемые электроды 16 и 18, переносит с собой газообразный кислород и газообразный водород, образующиеся соответственно на положительном и отрицательном (первом и втором) проницаемых электродах. Таким образом происходит естественное разделение на газообразный водород и газообразный кислород. Близкое расположение электродов 16 и 18 также позволяет осуществлять гидролизацию при очень низком напряжении, обеспечивая высокую эффективность и высокую чистоту водорода и кислорода.
Первый и второй проницаемые электроды 16 и 18 образуют комплект проницаемых электродов. Установка 10 может включать в себя множество комплектов проницаемых электродов, расположенных и соединенных друг с другом задом наперед или параллельно.
Первый и второй электроды 16 и 18 включают в себя проводящие соединительные выступы или пластины (одна клемма является положительной, а другая - отрицательной) для соединения с источником питания (не показан), например аккумулятором. Источник питания таким образом подает в электролитическую установку 10 напряжение от 1 до 6 В для электролиза раствора. Настоящая установка 10 вырабатывает водород и кислород при подаче в установку либо чистого постоянного напряжения, либо импульсного постоянного напряжения.
Установка 10 дополнительно включает в себя средства циркуляции, такие как насос (не показан) для циркуляции раствора через установку 10. Электролитический раствор, поступающий в камеру 20 через впускные отверстия 26, опрессовывается при нагнетании в установку 10 насосом таким образом, что раствор нагнетается через проницаемые электроды 16 и 18. Компоновка выполнена таким образом, что электролитический раствор поступает в первую камеру 20 через впускные отверстия 26, проходя через проницаемые электроды 16 и 18. Электролитический процесс происходит между первым и вторым проницаемыми электродами 16 и 18 соответственно. Оксигенированная текучая среда выходит через выпускное отверстие 28 для кислорода, а гидрогенизированная текучая среда выходит через выпускное отверстие 30.
Установка 10 может дополнительно включать в себя накопительный контейнер для водорода (не показан), соединенный с выпускным отверстием 30 для водорода, и накопительный контейнер для кислорода (не показан), соединенный с выпускным отверстием 28 для кислорода. В каждом из накопительных контейнеров для водорода и кислорода имеется второе выпускное отверстие для электролитического раствора, расположенное ближе к функционально нижнему торцу контейнеров, а выпускные отверстия для газообразного кислорода и газообразного водорода расположены ближе к функционально верхнему торцу каждого из накопительных контейнеров для кислорода и водорода соответственно. Электролитический раствор выходит через выпускные отверстия 28 и 30 для кислорода и водорода вместе с соответствующими газами в накопительные контейнеры для кислорода и водорода. Компоновка выполнена таким образом, что газообразный водород и газообразный кислород внутри текучей среды, поступающие в соответствующие контейнеры, высвобождаются под действием силы тяжести и поверхностного натяжения и выходят из контейнеров через выпускные отверстия для газообразного водорода и газообразного кислорода, а электролитический раствор выходит из контейнеров через вторые выпускные отверстия для электролитического раствора. Вторые выпускные отверстия для электролитического раствора соединены с впускными отверстиями 26, поэтому раствор возвращается назад в установку 10 при помощи насоса. Таким образом, газы сохраняются для последующего использования.
Допустимо, чтобы создавался принудительный поток из первой камеры 20 к выпускным отверстиям 28 и 30 установки для кислорода и водорода. Опрессованный поток электролитического раствора, идущий из первой камеры 20 через проницаемые электроды на выпускные отверстия 28 и 30 для кислорода и водорода, ограничивает попадание газообразного кислорода и газообразного водорода после их образования на первом и втором проницаемых электродах 16 и 18 в первую камеру 20. Допустимо создание в установке ионного потока, следующего против и вместе с потоком электролита, который является уникальным признаком текущей компоновки.
2
Также допустимо, чтобы в электролитической установке, по существу, отсутствовала мембрана, как у установки из известного уровня техники, а пузырьки газа, формирующиеся на электродах, сразу же удалялись с потоком электролита. Это дает ряд преимуществ, например снижение себестоимости за счет отсутствия сухой и мокрой мембран, а также затрат на их обслуживание. Кроме этого, плотность тока обычно падает, поскольку пузырьки газа формируются на электродах, однако в текущей компоновке пузырьки газа сразу же удаляются для поддержания постоянной плотности тока. Очень важно, чтобы при плотности тока в 11,000 мА/см пузырьки газа продолжали оставаться разделенными.
Сам факт отсутствия мембраны также снимает ограничения по давлению и температуре, которые обычно существуют при использовании мембран. В настоящем изобретении используются проницаемые электроды, которые не создают затененных проводящих областей при движении газов по поверхности электрода. Это увеличивает эффективную проводящую область электрода, снижает требования по эффективному напряжению, тем самым повышая эффективность, что позволяет сократить эксплуатационные затраты.
Кроме этого, за счет уменьшения расстояния между электродами можно увеличить плотность тока и добиться повышения эффективности.
Следует понимать, что настоящее изобретение допускает внесение изменений в детали способа и установки для получения газообразного водорода и кислорода, не выходящие за объем прилагаемой формулы изобретения.