NO156330B

NO156330B - Elektrolyseanlegg til gassproduksjon.

Info

Publication number: NO156330B
Application number: NO801963A
Authority: NO
Inventors: Patrice Lanting; Gerard Pere
Original assignee: Creusot Loire
Priority date: 1979-07-05
Filing date: 1980-06-30
Publication date: 1987-05-25
Also published as: FR2460342B1; EP0023168B1; ATE9494T1; JPS6366397B2; US4323442A; EP0023168A1; JPS56108889A; DE3069218D1; NO801963L; FR2460342A1; NO156330C

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår et elektrolyseanlegg

til gassproduksjon som f.eks. et anlegg som er bestemt for industriell produksjon av hydrogen og oksygen ved elektrolyse av vann under trykk.

I elektrolyseanlegg som for tiden er kjent, f.eks. slike

som er beskrevet i søkernes franske patentsøknad nr. 79 08694

av 2. april 1979, blir returkretsene for anolytt og katolytt stammende fra separatorer forenet i én og samme rørledning,

noe som gjør det mulig å få samme kalikonsentrasjon ved inn-

gangen til elektrolysøren på anodesiden og katodesiden. Denne sammenføring av returkretsene for avgasset elektrolytt gjør det ved å sikre samme kalikonsentrasjon ved de to innløp til elektrolysøren mulig å unngå at utbyttet fra elektrolysøren etter hvert avtar under drift som følge av en stigning i kalikonsentrasjonen på katodesiden og en tilsvarende synkning på anodesiden. Således vet man at elektrolysereaksjonen med-

fører et tap av kali og en økning i vannmengde på anodesiden,

og omvendt på katodesiden. Imidlertid er elektrolyttens elek-triske motstand avhengig av dens kalikonsentrasjon og øker hvis denne avviker påtagelig mot den ene eller annen side fra den optimale. For å beholde en funksjon med godt utbytte er det således uunnværlig alltid å holde kalikonsentrasjonene ved inngangene til elektrolysøren i nærheten av den optimale konsentrasjon, som tilsvarer minimal motstand av elektrolyttblandingen.

Med de kjente anlegg er det,for å unngå faren for eks-plosjoner som følge av eventuelle sammenblandinger av hydrogen-

og oksygengass, uomgjengelig nødvendig å gjøre bruk av meget effektive væske-gasseparatorer, idet disse må avgasse hele strømmen av sirkulerende elektrolytt. Slike avgasningsappa-

rater er ruvende og besværlige, og det ville være ønskelig å

kunne utstyre elektrolyseanlegget med mindre avanserte avgasningsapparater.

Den foreliggende oppfinnelse gjelder en ny form for elektrolyseanlegg som samtidig som det arbeider med optimalt utbytte som de ovenfor omtalte anlegg, ikke er beheftet med de nevnte ulem-

per, idet det kan utrustes med meget enklere og meget mindre

ruvende avgasningsapparater.

Anlegget er av den type hvor anolytt- og katolyttkretsene er adskilt, nærmere bestemt som angitt i den innledende del av patentkravene 1 og 6. Representativt for den kjente teknikk når det gjelder anlegg av denne art, er det som er vist i US patentskrift 2 846 384. Ved dette anlegg, hvor anolytt- og katolyttkretsene er adskilt under anvendelse av dia-fragmaer, er trykkene i anode- og katodekamrene like, og der foregår heller ikke noen overføring av elektrolyttvæske fra katodekammeret mot anodekammeret, så anlegget lider av den ovenfor omtalte ulempe at densiteten av elektrolyttblandingen stiger med tiden på katodesiden og synker tilsvarende på anodesiden, noe som fører til økning av elektrolyttens resistivi-tet, så anleggets utbytte stadig minker.

Oppfinnelsen gir til formålet anvisning på en løsning i to versjoner som er angitt som karakteristiske i patentkravene henholdsvis 1 og 6.

Oppfinnelsen vil forstås bedre fra den følgende beskri-velse av endel utførelseseksempler, hvor der henvises til tegningen . Fig. 1 viser skjematisk et utførelseseksempel på et anlegg til elektrolyse av vann i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 2 viser skjematisk en utførelsesvariant av vannel-ektrolyseanlegget på fig. 1.

Fig. 3 viser skjematisk et annet utførelseseksempel

på et vannelektrolyseanlegg i samsvar med oppfinnelsen.

På fig. 1 betegner 1 elektrolysøren, som inngår i det viste anlegg til elektrolyse av vann i samsvar med oppfinnelsen. Elektrolysøren 1 har sine elektrolyseceller utrustet med diafragmer som skiller mellom anodiske og katodiske kamre og består av et materiale som er ugjennomtrengelig for gass, idet de f.eks. ikke tillater gjennomgang av gassblærer med en dia-meter større enn 10 p,, men har tilstrekkelig porøsitet til å være gjennomtrengelig for væsker. For eksempel kan diafragmene bestå av asbest, et materiale som har slike egenska-per .

På konvensjonell måte er elektrolysøren 1 forsynt med

et utløp 17 for anolytt, et utløp 2 for katolytt såvel som

et innløp 61 for elektrolytt bestemt for anodekamrene, og et innløp 62 for elektrolytt bestemt for katodekamrene. Likeledes på konvensjonell måte ledes anolytten som trer ut ved 17, via en krets 63 til en anolyttavgasser 21,hvorfra oksygenet tas ut gjennom en gassutløpsledning 20. Og likeledes på konvensjonell måte blir den avgassede anolytt tatt ut fra avgasseren 21 gjennom et utløp 64 og passerer så en kjølekrets 22 og et filter 23.

Likeledes og symmetrisk hertil, passerer katolytten som forlater elektrolysøren 1 ved 2, suksessivt en forbindelseskrets 65 og en katolyttavgasser 6 forsynt med en utløpsledning 5 for hydrogen, og forlater så avgasseren 6 gjennom et utløp 6 6 for å strømme gjennom en kjølekrets 7 og et filter 8.

I samsvar med oppfinnelsen blir returkretsene (26, 9)

for anolytt og katolytt ved utgangen fra filtrene 23 og 8

ikke som i størsteparten av de kjente anlegg forenet i én eneste ledning, men forblir adskilt mellom ledningene (26, 9) og de tilsvarende innløp (61, 62) i elektrolysøren 1. For imidlertid i hver elektrolysecelle å beholde den optimale kalikonsen-tras jon,som med en nøyaktighet av omtrent ± 10% tilsvarer den konsentrasjon, i alminnelighet av størrelsesorden 1,3, som gir elektrolytten minimal motstand, er anlegget dessuten utstyrt med anordninger som gjør det mulig ved å skaffe en differanse

i strømningsmengden av katolytt og anolytt i elektrolysøren, stadig å la passere en veldefinert andel gjennom hvert diafragma, i alminnelighet av størrelsesorden 10 - 20% av katolytt-strømmen i anodekamrene. Slik de er antydet skjematisk i utførelseseksempelet på fig. 1, er disse anordninger som følger: Foran elektrolysøren er der på konvensjonell måte inn-satt sirkulasjonspumper 32 og 12 i henholdsvis anode- og katodekretsen. Disse pumper leverer strømningsmengder i de proporsjon-er - omtrent 1/3 og 2/3 - som behøves i tilfellet av vannlelektrolyse.

En kjent sikker og økonomisk måte å oppnå dette på består som vist på tegningen i ved hjelp av en felles motor 11 med aksel

13 å drive de to tannhjulspumper 12 og 32, som er sammenkoblet seg imellom med en aksel 14, og å utføre tannhjulene i hver pumpe med like store diametre for de tilsvarende hjul, men med tannbredder i det ønskede forhold - nær 1/3 og 2/3 - for strøm-ningsforholdet.

For som antydet meget skjematisk med pilen på tegningen,

å bevirke overføringen av en veldefinert andel av katolyttstrøm-men til anolyttkretsen ved sugning er der ved utløpet fra el-ektrolysøren 1 anbragt en tannhjulsregulator 18, 16, 3 som beskrevet i søkernes franske patentsøknad 79 08694. En slik regulator setter seg sammen av to strømningsdrivende organer 18, 3 sammenkoblet ved hjelp av en aksel 16 og hvert bestående av to tannhjul i innbyrdes inngrep, slik det er tilfellet ved volumetriske tannhjulspumper. I samsvar med oppfinnelsen er bredden av tennene i regulatorene 18 og 3 i henholdsvis anode- og katodekretsen gjensidig avpasset slik at forholdet mellom dem blir 10 - 30% høyere enn det som foreligger for pumpene 32

og 12. For eksempel er de istedenfor med forholdet 1/3 : 2/3 utført med forholdet 0,37 : 0,62. Differansen mellom strøm-mene bevirker dermed den ønskede tilsugning av en del av kato-lyttstrømmen mot anolyttstrømmen, slik at der for de to kret-ser sikres et avvik i tetthet som er tilstrekkelig lite til at elektrolysøren arbeider med godt utbytte. Som anskuelig i eksempel vil man ved en optimal konsentrasjon på 1,3 få konsentrasjoner som avviker opptil 10% fra denne verdi til den ene og den annen side.

Imidlertid er det, i og med at anolytt- og katolyttkretsene er adskilt, pga. den stadige overføring av 10 - 20% av katolyttstrømmen til anolyttstrømmen nødvendig å kompensere denne overgang ved likeledes til stadighet å avgrene en like stor andel av anolytten mot katolyttkretsen, for at ikke katodekretsen skal tømmes fullstendig.

De forholdsregler som anvendes til dette formål, er i samsvar med oppfinnelsen som følger: for det første tilføyer man, som vist ved 67, vann (eller mer generelt basisvæsken i tilfellet av elektrolyse av en annen væske enn vann) bestemt til å kompensere den vannmengde som naturlig forbrukes ved elektrolysen i den katodiske avgasser 6 alene,

for det annet avgrener man gjennom en ledning 2 9 en liten

andel, av størrelsesorden 10 - 20%^ av anolyttstrømmen og fører den via en ledning 31 på ny inn i katodekretsen etter å ha latt den passere en avgasser 30 av små dimensjoner bestemt til fra 28 å utføre den utgående separasjon av oksygenet fra den avgrenede anolyttkrets, så man unngår innføring av blærer av denne gass i katodekretsen.

Som vist på tegningen blir kretsen 29, 30, 31 avgrenet foran den volumetriske pumpeanordning 32, 12, og for å

gjøre det mulig å avgrene den nødvendige prosentmengde svarende til den mengde som overføres ifølge oppfinnelsen, er der på de to elektrolyttkretser foran avgreningene 29 og 31 anbragt en strømningsregulator 27, 15,10 stort sett maken til regulatoren 18, 16, 3.

Det nettopp beskrevne elektrolyseanlegg gjør det mulig under overholdelse av optimale betingelser for best mulig virk-ningsgrad av elektrolysereaksjonen å få adskilte anolytt- og katolyttkretser. Det blir dermed ikke nødvendig å utføre noen total separasjon mellom gass og væske opptil 99% som for de hittil kjente anordninger, idet det er nok å avgasse f.eks. opptil 90%. De nødvendig avgassere 21 og 6 får da adskillig mindre dimensjoner enn de som forekommer i eksisterende anordninger. En tilleggsavgasser 30 er imidlertid nødvendig i strømkompensasjonskretsen 29, 30, 31, men den får små dimensjoner, idet den bare får å utføre separasjonen på en liten andel av den samlede anolyttstrøm.

Fig. 2 anskueliggjør skjematisk et anlegg av den type som ble beskrevet ovenfor under henvisning til fig. 1, men med en del forbedringer som gjør det noe mer komplisert.

Anlegget på fig. 2 skiller seg fra det foregående ved at det på tilkoblingsakslene 16, 15 for tannhjulsregulatorene 18, 3 og 27, 10 såvel som på koblingsakselen 14 for sirkulasjons-pumpene 32, 12 er forsynt med hastighetsvariatorer 34, 35, 36 som fordelaktig fjernstyres pneumatisk fra en regulator 33

som funksjon avén eller flere ønskeverdier C svarende til én eller flere ønskelige tilstander for elektrolyttkonsentra-sjonene og eventuelt, som det er tilfellet her, for renheten av de avsugede gasser.

Således sammenligner regulatoren 33 ønskeverdiene C med inngangssignalene fra et differensialdensimeter 25 plassert mellom innløpskretsene 21 og 62 for henholdsvis katolytt og ano-

lytt i elektrolysøren 1, en gassanalysator 19 anbragt på ut-løpskretsen 20 for oksygen, og en gassanalysator 4 anbragt på utløpskretsen 5 for hydrogen. På konvensjonell måte leverer regulatoren 33 til variatorene 34,35 signaler som gjør det mulig å endre forholdene mellom strømningsmengdene i de tilsvarende regulatorer og pumper slik at informasjonene fra styreelemen-tene 4, 19, 25 svarer til ønskeverdiene C.

Det vil bemerkes at anlegget på fig. 1 likeledes med

sikte på styring av god funksjon, kan være utrustet med gass-analysatorer som svarende til 4 og 19, og et differensialdensimeter svarende til 25, mens regulatoren 33 erstattes med et enkelt terskelapparat som utløser en alarm i tilfellet av en anomali, f.eks. forårsaket av diafragmasprekker.

De anordninger som gjør det mulig å gjennomføre den par-tielle overføring gjennom diafragmene i samsvar med oppfinnelsen, kan være av meget forskjellig art, og der vil nå bli gitt et annet eksempel under henvisning til fig. 3, hvor disse anordninger er basert på trykkdifferanser istedenfor som tid-ligere, på strømningsdifferanser.

Som det fremgår, av fig. 3, er anlegget her meget likt det

på fig. 2, og elementer med samme funksjoner i de to anlegg er da også forsynt med det samme henvisningstall. Anlegget på fig. 3 har ingen anordninger til strømningsregulering, så overføringen i samsvar med oppfinnelsen såvel som kompenserin-

gen av den via returkretsen 29, 30, 31 oppnås ved innvirkning på trykkene i anode- og katodekretsene.

Til dette formål blir oksygentrykket i anolyttseparato-

ren 21 holdt konstant med en konvensjonell trykkregulerings-sløyfe med en regulator 43 som virker på en ventil 44 anbragt på oksygenutløpet 20, i avhengighet av signaler utsendt av en trykksender 42, og er forbundet med en avgasser 21 og en ønsketrykk-giver Cl. Videre blir hydrogentrykket i katolyttseparatoren 6 via en regulator 47 som virker på en ventil 48, holdt på en verdi som er høyere enn det ovennevnte trykk som hersker i katolytt-

kretsen, og fastlegges med ønskeverdien C fra regulatoren 33,

så det blir mulig ved hjelp av trykkdifferansen å bevirke overføringen gjennom dafragmene i elektrolysøren 1 slik at der fås en differanse i kalikonsentrasjon ikke over omtrent 20% mellom anode- og katodekretsen. På regulatoren 47 virker likeledes dels et signal som kommer fra regulatoren 43 og gjør det mulig å sikre at hydrogentrykket godt følger oksygentrykket, og dels et signal stammende fra en differensialtrykksen-der 49, som er anbragt mellom ledningene 63 og 65 og tjener

som apparat til å kontrollere den virkelig oppnådde trykkdif-feranse i forhold til den som fastlegges via ønsketrykktilfør-selen C. Sluttelig mottar regulatoren 33 likedan som i anlegget på fig. 2 likeledes signaler stammende fra differensial-densimeteret 25 og gassanalysatorene 4 og 19.

I anlegget på fig. 3 blir avgreningen 29, 30, 31 til kom-pensasjon av strømningstap likeledes påvirket av trykkav-hengige organer. Til formålet får separatoren 30 sitt trykk fastlagt via en ventil 51 anbragt på dens utløpskrets 28 for oksygen og styrt med en regulator 52 som mottar dels et signal stammende fra en trykkføler 50 som er anbragt på returkretsen 26 for anolytt og foran avgreningen 29, og dels et signal stammende fra hovedregulatoren 33. Under styring fra regulatorene 52 og 33 fastlegger man således på separatoren 30 et trykk som er bestemt slik at der fra kretsen 26 til kretsen 9 blir avgrenet en strøm av ønsket styrke som i tilfellet av anlegget på fig. 2.

Oppfinnelsen finner sin hovedanvendelse for produksjon av hydrogen og oksygen ved elektrolyse av vann under trykk.

Claims

1. Elektrolyseanlegg til gassproduksjon av den art som omfatter en elektrolyser (1) utstyrt med elektrolyseceller som hver har et katode- og et anodekammer innbyrdes adskilt av et diafragma som er gjennomtrengelig for væsker og ugjennomtrengelig for gasser, et elektrolyttinnløp til den ene ende av hvert kammer og et elektrolyttutløp fra den annen ende av vedkommende kammer, samtidig som installasjonen er forsynt med innretninger til å bringe elektrolytten til å strømme parallelt gjennom hvert av kamrene, anordninger til å lede anolytten ved utgangene fra anodekamrene mot en første avgasningsinnretning (21), innretninger til å lede katolytten ved utgangen fra katodekamrene mot en annen avgasningsinnretning (6), en returkrets (26) til å utta avgasset anolytt fra første avgasningsinnretning og drive den inn igjen i anodekamrene gjennom deres innløp, samt en returkrets (9) til å ta ut avgasset katolytt fra annen avgasningsinnretning og drive den inn igjen i katodekamrene gjennom deres innløp, karakterisert ved at anlegget dessuten er utstyrt med anordninger som er basert på frembringelse av diffe-ranser i strømningsmengde og gjør det mulig i elektrolysøren å bevirke en partiell overføring av elektrolytt gjennom hvert diafragma fra hvert katodekammer mot det tilsvarende anodekammer, at den således overførte prosentmengde anolytt er lik den som skal til for å bevare nær hinannen liggende densitetsverdier for anolytten og katolytten til tross for den elektrolyttiske reaksjon, og at anlegget dessuten omfatter en anordning (30,31) som gjør det mulig å innføre samme prosentmengde elektrolytt fra returkretsen for avgasset anolytt mot returkretsen for avgasset katolytt.

2. Elektrolyseanlegg som angitt i krav 1, karakterisert ved at det bak elektrolysøren (1) omfatter en innretning (18) til bestemmelse av anolyttstrøm-men, sammenkoblet med en innretning (3) til bestemmelse av katolyttstrømmen, og at disse to innretninger er dimensjonert for å etablere et forhold mellom anolytt- og katolyttstrøm høyere enn det som foreligger ved innløpene (61,62) til elektro-lysøren, når det gjelder den mengde som skal til for å bevirke den nevnte overføring gjennom diafragmaene ved tilsugning.

3. Elektrolyseanlegg som angitt i krav 2, karakterisert ved at det foran ledninger (29,31) til fornyet innføring av avgasset elektrolytt mot returkretsen for avgasset katolytt omfatter sammenkoblede strømnings-bestemmende innretninger (27,10,15) stort sett maken til de strømningsmengdebestemmende innretninger (18,3,16) bak elektro-lysøren .

4. Elektrolyseanlegg som angitt i krav 2 eller 3, karakterisert ved" at i det minste den ene av de strømningsbestemmende innretninger (18,3-27,10) og/eller sirkulasjonspumper (32,12) for elektrolytt hver er sammenkoblet via en hastighetsvariator (34,35,36) .

5. Elektrolyseanlegg som angitt i krav 4, karakterisert ved at hastighetsvariatoren eller -variatorene er fjernstyrt fra en regulatorkrets (33).

6. Elektrolyseanlegg til gassproduksjon av den art som omfatter en elektrolysør (1) utstyrt med elektrolyseceller som hver har et katode- og et anodekammer innbyrdes adskilt av et diafragma som er gjennomtrengelig for væsker og ugjennomtrengelig for gasser, et elektrolyttinnløp til den ene ende av hvert kammer og et elektrolyttutløp fra den annen ende av vedkommende kammer, samtidig som installasjonen er forsynt med innretninger til å bringe elektrolyttene til å strømme parallelt gjennom hvert av kamrene, anordninger til å lede anolytten ved utgangene fra anodekamrene mot en første avgasningsinnretning (21), innretninger til å lede katolytten ved utgangen fra katodekamrene mot en annen avgasningsinnretning (6), en returkrets til å utta avgasset anolytt fra første avgasningsinnretning og drive den inn igjen i anodekamrene gjennom deres innløp samt en returkrets (9) til å ta ut avgasset katolytt fra annen avgasningsinnretning og drive den inn igjen i katodekamrene gjennom deres innløp, karakterisert ved at anlegget dessuten er forsynt med anordninger som er basert på tilveiebringelse av en trykkforskjell mellom annen avgasningsinnretning (6) og første avgasningsinnretning (21) og gjør det mulig i elektrolysøren å bevirke en partiell over-føring av elektrolytt gjennom hvert diafragma fra hvert katodekammer mot det tilsvarende anodekammer, at den således over-førte prosentandel av katolytt er lik den som skal til for å bevare nær hinannen liggende densitetsverdier for anolytten og katolytten til tross for den elektrolyttiske reaksjon, og at anlegget forøvrig inneholder en innretning (29,30,31) som gjør det mulig å drive inn samme prosentmengde elektrolytt fra returkretsen for avgasset anolytt mot returkretsen for avgasset katolytt.

7. Elektrolyseanlegg som angitt i krav 6, karakterisert ved at de nevnte trykkdiffe-ranse-bestemmende anordninger er utført med ventiler (44,48,51) anbragt på utgangene og styrt via regulatorer (43,47,52).