NO317272B1 - Elektrolysesystem - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en celleanordning for elektrolyse av vann, ifølge kravinnledningen.

Elektrolyse av vann i nærvær av en elektrolytt, så som natriumhydroksid (NaOH) eller kaliumhydroksid (KOH) for å frigjøre hydrogen- og oksygengass (H2, 02), er velkjent. Prosessen omfatter påtrykking av et likespenningspotensial mellom to eller flere anode/elektrodepar og levere en minimumsenergi som er nødvendig for å bryte H-0 båndene (dvs 68,3 kcal/mol ved standard temperatur og trykk). Gassene blir produsert i de støkiometriske proporsjoner for 02:H2 på 1:2, frigjort henholdsvis fra anoden (+) og katoden (-).

Det henvises til de følgende skrifter: "Modern Electrochemistry, vol. 2, John 0'M. Bockris and Amulya K.N. Reddy, Plenum Publishing Corporation", "Electro-Chemical Science, J. 0'M. Bockris D.M. Drazie, Taylor and Francis Limited" og "Fuel Cells, Their Electrochemistry, J. 0'M. Bockris og S. Srinivasan, McGraw-Hill Book Company".

Eksperimentelt arbeid i forbindelse med elektrolyseprosesser er beskrevet i "Hydrogen Energy, Part A, Hydrogen Economy Miami Energy Conference, Miami Beach, Florida, 1974, redigert av T. Nejat Veziroglu, Plenum Press". Publikasjonene som er presentert av J. 0'M. Bockris på sidene 371-379, av F.C. Jensen og F.H. Schubert på sidene 425-439 og av John B. Pangborn og John C. Sharer på sidene 499-508 er av spesiell relevans.

På en makroskala, avhenger mengden av produsert gass på et antall variable faktorer, deriblant typen og konsentrasjonen av den elektrolytiske oppløsning som brukes, anode-, katode-, elektrodeparets overflateareal, elektrolyttens motstand (lik ionisk ledeevne, som er en funksjon av temperatur), tilgjengelig strømtetthet og anode/katode-spenningsforskjell. Den totale energi som leveres må være tilstrekkelig til å disassosiere vannionene til å generere hydrogen- og oksygengass, og samtidig unngå plettering (oksidasjon/reduksjon) av de metalliske eller ledende ikke-metalliske materialer som elektrodene er laget av.

AU 487 062 beskriver en elektrolysecelle-anordning for å produsere hydrogen og oksygen på forlangende, sammen med en sikkerhetsanordning som hindrer generering av for høyt trykk i de frigjorte gasser. Figur 2 av Brown-patentet viser et antall elektroder 20a, 20b i en seriekopling mellom to terminaler 22, over hvilke en spenning er påtrykt. Cellen 20 produserer en volumetrisk strømmengde av gass, og hvis denne utgang er util-strekkelig for en spesiell anvendelse, må et større antall individuelle celler anordnes, alle elektrisk forbundet i serie. Sluttresultatet er en stor konstruksjon som må understøttes.

Det er heller ikke mulig å produsere høye strømningsmengder av gass (i størrelsesorden 10 000 l/time) på forlangende fra dette apparat ifølge tidligere teknikk uten bruk av kostbart og komplisert utstyr, og selv da lider utstyret av lav virkningsgrad i omformingen av elektrisk energi for å generere hydrogen- og oksygengasser. Kommersiell implementering av slike apparater i stor målestokk er således ikke økonomisk mulig.

Blandede hydrogen- og oksygengasser (eller hydroksygass) blir ofte brukt som en varmekilde når den brennes i en strøm, f.eks. i ovner. Hydrogen alene brukes for atomisk skjæring og ofte for atomisk sveising, skjønt den beskrevne anordning i Brown-patentet utførte atomisk sveising med blandet hydrogen og oksygen. Senere industripraksis viser tydeligere eksempler på at nærvær av oksygen i en plasma-lysbue forårsaker sterk oksidering av wolframelektrodene.

Ett av de problemer man møter ved implementering av disse anvendelser, er behovet for å anvende elektrisk svitsjeutstyr for å omforme elektriske nettspenninger til et nivå som passer for en bank av elektrolyseceller (dvs ved nedtransformering). Den resulterende komplette anordning er lite effektiv elektrisk og tungvint å bruke, hvis nøyaktig spenning- og strømregulering (og dermed gass-strømregulering) er nødvendig.

Forbrente hydrogen- og oksygengasser blandet til en enkelt strøm brenner ved en meget høy temperatur, typisk i størrelsesorden 6 000 °C. Hydrogen/oksygen sveisesett er generelt kjent for å omfatte en sveisespiss eller et håndstykke forbundet med en dobbelt gass-slange for separate tilførsler av oksygen og hydrogen.

Det er fire andre vanlige typer av sveiseapparater og teknikker i bruk, disse er oksy-acetylensveising, elektrisk buesveising, MIG (metall-inert-gass)/TIG (wolfram-inert-gass) systemer, samt plasmaskjæring.

Det er estimert at mer enn 100 000 oksy-acetylensett er i bruk i Australia. Av disse blir omkring 70 % brukt primært for skjæring av metaller, mens resten blir brukt som en varmekilde for fusjonsssveising av metallplate, brasing, sølvlodding o.l. Typiske oksy-acetylensett kan sveise tykkelser av metall mellom 0,5 mm og 2 mm. Videre kan tykkelser opp til 140 mm skjæres, men bare når stålet inneholder en høy prosent av jern. Grunnen for dette er at jern og oksygen er nødvendig for å understøtte oksideringsprosessen som induserer skjæreeffekten. Acetylengassen frembringer utgangstemperaturen for å starte oksideringsreaksjonen, som er typisk 850 °C. Oksy-acetylensett krever en flasketilførsel av både acetylen og oksygengass, og derfor må flaskene kjøpes eller leies, og kontinuerlig vedlikeholdes og gjenoppfylles under bruk.

Elektrisk buesveising er en fremgangsmåte som brukes for å sveise metaller på mer enn 1,5 mm tykkelse. Operasjonsprinsippet er at et håndstykke forsynes med en forbrukbar elektrode, og arbeidsstykket danner den andre elektroden. En veksel- eller likespenningsforskjell skapes mellom elektrodene, og forårsaker en elektrisk bue når håndstykket bringes i nærheten av arbeidsstykket. Buen kan brukes til å smelte eller sveise metallstykker sammen.

MIG-systemet er basert rundt et kontinuerlig trådmatingssystem. I en kjent anordning, er den forbrukbare tråd innhyllet i en argongass (eller plasma) som typisk kommer fra en kilde i form av en flaske. TIG-systemet krever derimot en tilsatstråd som håndmates til sveisestedet. MIG/TIG-systemene kan sveise fra 1 mm til 20 mm tykkelse av metall, og typisk rustfritt stål, aluminium, mykt stål og lignende. Det kan henvises til en tekst "The Science and Practice of Welding, vol. 2, A.C. Davies, Cambridge University Press" når det gjelder plasma-MIG-prosesser.

Plasmaskjæring er en fremgangsmåte for å skjære ved å innføre komprimert luft (bestående hovedsakelig av nitrogen) til en elektrisk likestrømsbue, og dermed produsere meget høye temperaturer (omkring 15 000 °C) og å strippe elektroner fra nitrogenkjernen for å danne høytemperaturplasma. Denne plasma kan brukes til å skjære jernholdige og ikke-jernholdige materialer, så som mykt stål, rustfritt stål, kopper, messing og aluminium. Tilgjengelige plasmaskjærere kan skjære opp til en 25 mm tykkelse, og har fordelen med at den ikke krever flaskegass, men bruker fri luft. Det kan henvises til teksten: "Gas Shielded Are Welding, N.J. Henthorne og R.W. Chadwick, Newnes Technical Books", når det gjelder plasmaskjæring.

Som det fremgår fra diskusjonen av tidligere teknikk, er det ingen enhet eller system som har evnen til å utføre alle sveise- og skjærefunksjoner, og typisk ville ett av systemene som er beskrevet bli valgt over et annet for enhver spesiell jobb. Dette krever så at metallarbeidere eller andre produsenter i metallindustrien må anskaffe og vedlike-holde et antall forskjellige typer sveiseenheter for å ha evnen til å håndtere hvilken som helst jobb etter behov. Kostnadene forbundet med anskaffelse av flaskegass er også meget høye.

Det er et foretrukket mål for den foreliggende oppfinnelse å frembringe en anordning hvormed hydrogen- og oksygengasser kan bli produsert ved elektrolyse på en måte som unngår en eller flere av ulempene. I denne sammenheng er elektrolyseapparatet kompakt, og tilbyr større effektivitet enn tidligere teknikk for sammenlignbare gass-strømmengder.

Et videre mål for oppfinnelsen er å frembringe en forbedret konstruksjon for en elektrolysecelle for bruk til generering av hydrogen- og oksygengass. Elektrolysecellen kan brukes i hydrogen/oksygen-sveising eller hydrogenplasmaskjæring. Andre anvendelser kan relateres til industrielle prosesser når en brennbar kilde for brensel er nødven-dig, så som forbrenningsovner, og for forbrenning av vanskelige avfallsmaterialer.

Enda et mål for oppfinnelsen er å frembringe en elektrolysecelleanordning som tillater selektiv atskillelse eller blanding av hydrogen- og oksygengass i individuelle gass-strømmer.

De foran nevnte mål oppnås med celleanordningen, elektrolyseinnretningen og elektrolysesystemet ifølge oppfinnelsen, slik de er definert med de i kravene anførte trekk.

Oppfinnelsen beskriver derfor en celleanordning for elektrolyse av vann for å frigjøre hydrogen- og oksygengass, hvor anordningen omfatter flere anode-dannende elektroder i et stablet forhold, hvor hver anodeelektrode omfatter en flat plate gjennom hvilken det går en eller flere felles første ledende sammenkoplingsdeler, og flere katode-dannende elektroder i et stablet forhold, hvor hver katodeelektrode omfatter en flat plate gjennom hvilken det går en eller flere felles andre ledende sammenkoplingsdeler, og hvor anodeelektrodene og katodeelektrodene er interfoliert.

Oppfinnelsen beskriver videre en celleanordning for elektrolyse av vann for å frigjøre hydrogen- og oksygengasser, hvor anordningen omfatter flere anode-dannende elektroder sammenkoplet med en eller flere felles første ledende deler slik at de er elektrisk i parallell, hvor anodeelektrodene er interfoliert med flere katode-dannende elektroder som er sammenkoplet med en eller flere andre ledende deler slik at de er elektrisk i parallell, hvor anodeelektrodene og katodeelektrodene danner en celleenhet, og flere celleenheter som er elektrisk koplet i serie.

Oppfinnelsen beskriver videre en celleanordning for elektrolyse av vann for å frigjøre atskilte eller blandede hydrogen- og oksygengasser, hvor anordningen omfatter flere anode-dannende elektroder anordnet i et stablet forhold, hvor hver anodeelektrode omfatter en flat plate gjennom hvilken det går en eller flere ledende sammenkoplingsdeler, flere katode-dannende elektroder anordnet i et atskilt, lineært, stablet forhold, hvor hver katodeelektrode består av en flat plate gjennom hvilken det går en eller flere andre ledende sammenkoplingsdeler, hvor anodeelektrodene og katodeelektrodene er interfoliert, og flere membraner, hvor hver membran er plassert mellom en nærliggende anodeelektrode og katodeelektrode, hvor membranene tillater passering av ionisk strøm mellom tilstøtende anode- og katodeelektroder, men blokkerer selektivt strømmen av gass gjennom dem, avhengig av trykkforskjellen mellom motsatte sider av membranen.

Oppfinnelsen beskriver videre en elektrolyseenhet for frigjøring av oksygen- og hydrogengasser, hvor enheten omfatter flere anode-dannende elektroder som er interfoliert med flere katode-dannende elektroder, flere skillemembraner mellom hver tilstøtende katode- og anodeelektrode, og en anordning for å levere i det minste vann til anode- og katodeelektrodene, hvor tilførselsanordningen kan opereres til å styre trykkforskjellen av vannet på motsatte sider av hver membran for selektivt å opprettholde atskillelse eller blanding av de frigjorte oksygen- og hydrogengasser.

Oppfinnelsen beskrives under henvisning til tegningen hvor figur la og lb viser en enkelt celleplate i hhv et grunnriss og sideriss, figur 2 viser et stablet system av celleplater, figur 3 viser i et vertikalt tverrsnittsriss, en elektrolyse-cellebank, figur 4 viser et vertikalriss av en anordning av elektroder som er en del av en annen elektrolysecellebank som benytter oppfinnelsen, figur 5 er et perspektivriss av en del av en elektrode som vist på figur 4, figur 6 er en forenklet representasjon av en serieanord-ning av elektroder som vist på figur 4, figur 7a og 7b viser den mekaniske anordning av en enkel cellestabel i en annen utførelse, figur 8 viser anordningen av et antall celler som vist på figur 7a og 7b, figur 9 viser den elektriske seriekopling av et antall celler i en cellebank, figur 10a og 10b viser den mekaniske utforming av en cellebankenhet, figur lia og 11b viser enda en utførelse av en celleplate, figur 12a og 12b viser en komplementær celleplate til den som er vist på figur 1 la og 1 lb, figur 13 viser detaljer av perforeringer og porter i celleplatene på figur lia, 11b, 12a og 12b, figur 14 viser et eksplosjonsriss av en stablet anordning av i celleplatene på figur lia, 11b, 12a og 12b, figur 15a viser et skjematisk riss av gass-separasjonssystemet på figur 14, figur 15b viser en forenkling av figur 15a, figur 15c viser en elektrisk ekvivalent av figur 15a, figur 16 viser et gassoppsamlingssystem for bruk med cellebank-separasjonssystemet på figur 14 og 15a, og figur 17 viser et tverrsnitt av en hydraulisk skrubber- og sikkerhetsventil.

En elektrolysecellebank som benytter den foreliggende oppfinnelse er konstruert av et antall sekskantede elektrolysecelleplater 10, en av hvilke er vist i grunnriss på figur la og sideriss på figur lb. Hver plate 10 har tre spor 12, hvert anordnet i vekslende sidekanter på platen 10. De andre sider på celleplaten 10 er hver utstyrt med en ledende bro eller flens 14. Typisk 20 individuelle celleplater 10 er stablet for å danne en komplett celle 16 som vist i sideriss på figur 2. Det totale antall plater kan variere i henhold til det nødvendige overflateareal, og er således også en funksjon av platens diameter.

Stablingen av tilstøtende individuelle celleplater 10 er i en reversert orden, slik at de ledende broer 14 på tilstøtende plater strekker seg i motsatte retninger, og med en relativ rotasjonsforskyvning på 60°. Denne rotasjonsforskyvning er for den grunn at tilstøtende plater 10 skal ha motsatt polaritet. De ledende broer 14 er lange nok til å passere gjennom et tilsvarende spor 12 i en tilstøtende plate 10, uten å komme i kontakt med den plate, og så komme i kontakt med den neste etterfølgende plate og danne en ledende bane mellom hver annen plate. På denne måte har den komplette cellestruktur 16 tre positive endeterminaler og tre negative endeterminaler, skjønt figur 2 viser bare to av de positive terminaler og en av de negative terminaler. Cellestabelen 16 er omgitt av et isolerende hus 18 (vist i utsnitt). Celleplatene 10, som vist på fig la, lb og 2 er egnet til å være i en parallell elektrisk anordning, hvor tilstøtende to celleplater 10 danner enten en anode eller en katode.

Parallelt stablede flate celleplater er beskrevet i AU 487 062. Der krever en stabel på 20 celler typisk en potensialforskjell over de individuelle elektroder i hver celleplate i området på 1,55-2,0 volt for å frigjøre hydrogen- og oksygengass fra vannet som inneholder en elektrolytt av en typisk 15 % oppløsning av natriumhydroksid.

Figur 3 viser, som et vertikalt tverrsnittsriss, syv komplette cellestabler 16, anordnet i en sekskantet matrise og omgitt av et stålhus 20, for dermed å frembringe en elektrolysecellebank 25. Cellestablene 16 er isolert fra cellehuset 20 ved nylonisolatorer 22. Den elektriske sammenkopling av de individuelle cellestabler 16 er ikke vist, men typisk er cellene sammenkoplet mellom sine respektive positive og negative terminaler ved stropper for å danne en seriekopling.

Det kan noen gang være tilfellet at en parallell sammenkopling av cellestablene 16 benyttes, aktuelle elektriske sammenkopling vil avhenge av antallet individuelle celleplater 10 som utgjør hver cellestabel 16, tilførselsspenningen og strømmen som kan trekkes fra tilførselen.

Vann blir forbrukt når hydrogen- og oksygengass frigjøres under elektrolysereaksjonen. En liter vann genererer 1 860 liter blandet oksygen og hydrogen ved standard temperatur og trykk, i den volumetriske proporsjon som er nevnt ovenfor. I den anordning som er vist, blir vann kontinuerlig tilført gjennom innløpsporten 24.

Nylondekselet 18 som skiller tilstøtende stabler har den virkning at den dirigerer den frigjorte gass oppover for å samles ved gassutløpet 26 som er plassert på toppen av elektrolysecellebanken 25. På grunn av volumetrisk forskyvning i forholdet på 1:1860, vil den frigjorte gass danne sitt eget trykk når den passerer fra utløpsporten 26 og inn i sammenkoplingsrørene (ikke vist) som har et vesentlig mindre tverrsnittsareal enn cellebanken. Figur 4 viser et vertikalt tverrsnittsriss som viser den mekaniske utforming av en elektrolysecelle ifølge en videre utførelse. Den fundamentale celleenhet 30 består av respektive halvdeler av et par vekslende elektroder 32, 34 anordnet på samme måte som interfolierte kammer. Hver elektrode er utformet ved en ledende rygg 36, 38, typisk konstruert av resinbåndet karbonmateriale, mykt stål eller ledende polymerer, fra hvilken det strekker seg elleve fingerlignende plater 40, 42, også konstruert av karbon, stål eller ledende polymer. Figur 5 viser et perspektivriss av en av elektrodene 32 i hvilken ryggen 36 og platene 40 er rektangulære i form. Elektrodene trenger ikke nødvendigvis å være av den viste form, men kan innta mange andre former, eksempler av hvilke skal beskrives senere. Det felles krav for alle slike konfigurasjoner er at platene er parallelle og sammenkoplet ved en felles del, vanligvis anordnet ortogonalt med platene.

Hvert par elektroder 32, 34 er i en forskjøvet anordning slik at de respektive ytre plater 40a, 42a er forskjøvet med ca. halve lengden av hver elektrode 32, 34. De respektive midtpunktplatene er identifisert ved henvisningstallene 40b og 42b.

Figur 6 viser en forskyvningsanordning i en forenklet form. Hver sjette plate er plassert i det rom som dannes mellom den første og ellevte plate av de respektive motsatte tilstøtende elektroder.

Det henvises nå til figur 4 igjen, hvor to komplette celleenheter 30 og en del av den neste tilstøtende celleenhet er vist. Det totale antall celler avhenger av likespenningstilførselen, siden en minimum anode/katodespenning er nødvendig for å drive elektrolyseprosessen, og hver tilstøtende celleenhet er i en seriekopling med de parallellkoplede plater 40, 42. I elektrolyseprosessen blir cellene 30 neddykket i vann og elektrolytt, og en likespenning blir påtrykt mellom endeplatene 40c, 42c, hvilket forårsaker ioniske elementstrømmer (noen av hvilke er representert ved prikkede piler) til å strømme mellom tilstøtende plater 40, 42 og sumstrømmer langs de respektive rygger 36, 38 og platene 40,42 (vist ved heltrukne piler). En annen strømbane blir fulgt ved hver midtplate. Likestrømmen strømmer for eksempel gjennom en endecelleplate 42a, gjennom elektrolytten, passerer gjennom midtcelleplaten 40b og igjen gjennom elektrolytten til den neste endecelleplate 42a. Denne prosess forårsaker en oppsamling av netto positiv ladning på en side av midtplaten 40b, og en negativ ladning på den andre side.

Den ioniske strøm blir fulgt av atskillelse av vannmolekyler slik at hydrogen- og oksygengass blir produsert på henholdsvis anodeplatenes og katodeplatenes overflater. Katodeplatenes overflater er de overflater som den ioniske strøm strømmer mot. Det motsatte gjelder anodeplatens overflate.

Den påtrykte spenning over endeplatene 40c blir delt likt mellom celleenhetene 30, med den del av tilførselsspenningen som blir liggende mellom de respektive ytre plater og midtpunktpl åtene 40a og 42b, 40b og 42a.

Den oppnåelige strømtetthet er delvis begrenset av den effektive elektriske motstand i elektrolyttoppløsningen. Jo mindre åpningen er mellom tilstøtende plater 40, 42, jo mindre er motstanden. Den vekslende natur av elektrodene 32, 34 betyr at det er et stort overflateareal tilgjengelig pr. volumenhet, og det er minimum atskillelse mellom elektrodeplatene i alle tilfeller. I dette tilfelle er motstanden i elektrolytten holdt lav, og derfor er virkningsgraden for omforming av elektrisk energi til å generere hydrogen- og oksygengasser høyere enn i tidligere teknikk.

Ved den spesifikke anordning som er vist, er det ikke nødvendig å isolere hver individuell celleenhet 30 fra tilstøtende enheter. Den ioniske strøm vil naturligvis ta banen med minst motstand, og derfor blir kortslutninger mellom celleenhetene 30, som er en bane med ellers større motstand unngått. Et større antall celler kan derfor anordnes slik at de strekker seg i lengderetningen, for å tillate direkte forbindelse med en likerettet kraftlinjetilførsel, og således unngå behovet for elektrisk sammenkopling av grupper av celler ved hjelp av strapping, som har vært gjort i tidligere teknikk.

Hver individuell celleenhet 30 tilfredsstiller operasjonskriteriene når det gjelder spenning, overflatearealet på platene osv., for vellykket elektrolyse av vann, og virker dermed i det vesentlige uavhengig av tilstøtende celleenheter 30.

Testing har vist at for et temperaturområde på 90 °C til 50 °C, er en likespenning i området 1,47-1,56 V påtrykt over en celleenhet 30 (dvs over halvdelen av en komplett elektrode 32 eller 34) en minimum (og optimal) anodestrømtetthet på 0,034 A/cm nød-vendig for å generere en gass-strømningsmengde på omkring 340-300 l/h pr. kWh. Den oppdagelse av minimum plateoverflateareal tilsvarer den optimale gass-strømningsmengde betyr at det totale volum som okkuperes kan holdes til et minimum. Som et spesifikt eksempel, en likerettet kraftlinjespenning på 240 V^ vil resultere i en gjennomsnittlig likespenning på 215 V, og derfor, for direkte tilkopling til en kraftlinje via en likeretter (dvs uten behov for en nedtransformator), er en total på omkring 140 celler nødvendig. Det er spesielt fordelaktig at man ikke trenger spenningstransformeringsutstyr når det gjelder utstyrskostnader, teknisk enkelthet og unngåelse av tap. Figur 7a viser et sideriss, delvis i utsnitt, av en celleenhet 50 ifølge en annen ut-førelse. Celleenheten 50 ligner konfigurasjonen på figur 4 unntatt antallet og formen av sammenkoplede ryggdeler og formen av elektrodeplatene. Figur 7b viser et enderiss av celleenheten 50, og spesielt endeplaten 52c. Plateelektrodene 52, 54 er sekskantet i form. Hver plate 52, 54 har seks gjennomgående stavlignende rygger 56, 58, en nær hvert hjørne. Hver annen av ryggene 56 representerer en felles positiv leder, og det andre sett av vekslende rygger 58 representerer negative ledere. Hver tilstøtende plate 52, 54 er elektrisk forbundet med enten de positive eller de negative ledere. Avstandsstykker 60 er plassert mellom tilstøtende plater 52, 54 for å gi elektrisk isolasjon og å danne et rom i hvilket vann og elektrolytt sirkulerer. Tilkopling av hver leder 56, 58 til den respektive plateelektrode 52, 54 er typisk ved en gjenget mutter eller en presstilkopling. Grunnen for å kople hver plate 52, 54 til tre felles ledere 56, 58 er å oppnå en jevn strømfordeling over hele overflatearealet på en plate 52, 54.

Som man kan se på figur 7b, går de positive rygglederne 56 bort fra en ende av enheten for seriekopling med andre anordninger av celler, på samme måte som tre negative ledere 58 fra den andre ende. Alle utilkoplede ender på lederne er dekket med ikke-ledende endehetter 62. Figur 8 viser en stilisert form av tre celleenheter 50 som er elektrisk forbundet i serie (anordnet i lengderetningen) og spesielt passeringen av rygglederne 56, 58. Celleenhetene 50 er innelukket i et isolerende rør 64, typisk laget av PVC, som har tilgang for kommunikasjon av vann til å omgi platene 52, 54 og for utslipp av de genererte gasser. Figur 9 viser den elektriske seriekopling av et antall celleenheter 50 som er direkte forbundet med likespenningsutgangen av en AC/DC omformer 66 ( så som en enkel diodebro-likeretter), uten behov for en nedtransformator. Figur 10a viser et enderiss av den mekaniske anordning av syv enheter (betegnet A-G), hver bestående av tre seriekoplede celleenheter 50 (som vist på figur 8) og som danner en total celleanordning på 70. Celleenhetene 50 er plassert inne i en stålsylinder 72 som inneholder vann og elektrolytt som er nødvendig for generering av hydrogen- og oksygengasser. Hver gruppe (A-G) av tre celleenheter 50 er sammenkoplet ved hjelp av en første gruppe av koplingsstrapper av stål 74 på en ende, og en annen gruppe av koplingsstrapper 76 (ikke vist) på den andre ende, anordnet slik at de er forskjøvet mellom gruppene. Mens bare de første strapper 74 er vist på figur 10a, er begge sett av strapper 74, 76 vist klart på figur 10b, som er et sideriss av gruppen A-G når den er rettet ut.

PVC-rørene 64 som er vist på figur 10a isolerer tilstøtende grupper for å unngå kortslutningseffekt mellom hverandre. Celleanordningen 70 er meget kompakt, og det er i sammenligning i Brown-anordningen ifølge tidligere teknikk bare en tredjedel av den fysiske størrelse for sammenlignbar gass-strømningsmengde, og det er også en lignende reduksjon i total masse. Tilførselen av vann for elektrolyseprosessen er ved et innløp 78 plassert ved bunnen av sylinderen 72, mens gassen som blir produsert kommer ut av sylinderen 72 ved et utløp 80 som er plassert på toppen av sylinderen.

Elektrisk tilkopling til en likestrømsforsyning er over alle celler, og i anordningen er det en sentral terminal 82 på undersiden av cellen A og en sentral terminal 84 på oversiden av cellen G.

Figur lia og 12a viser ytterligere utførelser av en første og andre type celleplate 90, 98 som et enderiss. Figur 11b og 12b er delvis tverrsnittsriss langs de respektive midtlinjer som vist. Felles henvisningstall er brukt hvor det passer. Platene 90, 98 kan ha funksjon av enten en anode (+) eller en katode (-), som vil bli klart. Hver omfatter en elektrodeskive 92 som er perforert med sekskantede hull 96. Skiven 92 er laget av stål eller resinbåndet karbon eller ledende polymermateriale. Skiven 92 er huset i en sirkelrund kant eller hylse 94. Funksjonen av perforeringene 96 er å maksimalisere overflatearealet på elektrodeskiven 92 og minimalisere vekten i forhold til tette konstruksjoner med 45 %.

Som et eksempel, for en skive med diameter 280 mm, må tykkelsen av skiven være 1 mm for å tillate en strømtetthet (som er i området fra 90A/2650 cm<2> - 100A/2940 cm<2> av anoden eller katoden) å være optimalt. Hvis diameteren av platen øker, hvilket følgelig øker overflatearealet, er det nødvendig å øke tykkelsen av platen for å opprettholde jevn ledeevne for den ønskede strømtetthet.

De sekskantede perforeringer i en 1 mm tykk skive har en avstand på 2 mm mellom flatene, og er 1 mm fra den neste tilstøtende perforering, for å opprettholde samme totale overflateareal før perforering, og å tillate optimal strømtetthet. En 1 mm (flate til flate) avstand mellom de tilstøtende sekskantede perforeringer er nødvendige fordi en mindre avstand ville resultere i tekniske (resistive) tap og en større avstand ville øke platens totalvekt.

Hylsen 94 er konstruert av pvc-materiale, og omfatter et antall av likt atskilte skafthull 100, 102. Hullene er for passering av sammenkoplingsskaft som er anordnet i en stablet anordning av platene 90, 98, som danner en felles leder for de respektive anode- og katodeplater, på samme måte som den anordning som er vist på figur 7a og 7b. De ytterligere to øvre hull 104, 106 understøtter hver et rør for utstrømning av hhv oksygengass og hydrogengass. Hullene 108, 110 ved bunnen av hylsen 94 er anordnet for et innløp av vann og elektrolytt til de respektive celleplater 90, 98.

Figur 13 viser et forstørret riss av et område av celleplaten 90 på figur lia. Porthullet 104 er forbundet med de sekskantede perforeringer 96 inne i hylsen 94 ved en intern kanal 112. En lignende anordning er på plass for det andre porthullet 106, og for vann/elektrolytt-tilførselshullene 108,110.

I tilfellet hydrogen- og oksygengassene som er frigjort skal holdes separat (dvs ikke dannes som en blanding), er det nødvendig å skille disse gasser når de blir produsert. I tidligere teknikk er dette oppnådd ved bruk av membraner som blokkerer passeringen av gasser og effektivt isolerer vann/elektrolytt på hver side av membranen. Ionisk overføring blir således lettet ved det ionisk ledende membranmateriale (dvs en vann-membran-vann-bane). Dette resulterer i en økning i den ioniske motstand, og derfor en reduksjon i virkningsgraden. Kjent teknikk, AU 487 062, beskriver en annen anordning (se figur 6 i denne) som benytter magneter til å forårsake atskillelse av gassene.

Figur 14 viser i et eksplosjonsriss en stablet anordning av fire celleplater, som er en vekselvis stabling av to (anode) celleplater 90 og to (katode) celleplater 98. De to ender på den stablede anordning av celleplater begrenser en enkelt celleenhet 125. Plassert mellom hver tilstøtende celleplate 90, 98 er det en PTFE skillevegg 116. Skjønt den ikke er vist på figur 14, omfatter celleenheten separate hydrogen- og oksygen-gassledninger som går gjennom den stablede anordning av celleplater via porthullene 106, 104. På samme måte er det anordnet rør for tilførsel av vann/elektrolytt, som passerer gjennom hullene 108, 110 ved bunnen av de respektive plater 90, 98.

Bare to par anode/katode-celleplater er vist. Antallet slike plater kan økes betydelig pr. celleenhet 125.

Heller ikke vist er de elektrisk ledende sammenkoplingsskaft som forbinder vekslende felles celleplater. Grunnen til å ha et hull med stor diameter i en celleplate nær et mindre hull i den neste plate, er at et sammenkoplingsskaft vil gå gjennom hullet med større diameter, og ikke gjøre elektrisk kontakt (dvs isolert med PVC-rør),og i stedet bare danne elektrisk kontakt mellom vekslende (felles) celleplater.

Celleenheten 125 som vist i anordningen på figur 14 er et eksplosjonsriss. Når den er fullt konstruert, blir alle elementer stablet i nær kontakt. Mekanisk festing er oppnådd ved bruk av to klebemidler så som (a) "Pur-Fect Lok" (handelsmerke) 34-9002, som er et uretanreaktivt varmesmelteklebemiddel med en hovedingrediens med metylbisfenyldirsocynat (MDI), og (b) "My-T-Bond" (handelsnavn) som er et PVC-løsemiddelbasert klebemiddel. Begge klebemidler er bestandige mot natriumhydroksid (20 % til stede i elektrolytten). I dette tilfelle finnes vann/elektrolytt bare i området som er omgitt av celleplatehylsen 94. Den eneste bane for innløp av vann/elektrolytt er således gjennom bunnkanalene 118, 122, og det eneste utløp for gassene er gjennom toppkanalene 112, 120. I et system som er konstruert og testet av oppfinneren, er tykkelsen av celleplatene 90, 98 1 mm (2 mm på kanten på grunn av PVC-hylsen 94) med en diameter på 336 mm. Celleenheten 125 er segmentert fra den neste celle med en isolerende PVC-segmenteringsdisk 114. En segmenteirngsdisk 114 er også plassert på begynnelsen og slutten av hele cellebanken.

Hvis det ikke skal være styring over separasjonen av de frigjorte gasser, er ikke PTFE-membranene 116 brukt.

PTFE-membranen 116 er fiberformet, og har 0,2-1,0 fim mellomrom. En passende type er katalogkode J, levert av Tokyo Roshi International Inc (Advantec). Vann/elektrolytten fyller mellomrommene, og ionisk strøm går bare via vannet, der er ikke noe bidrag av ionisk strøm gjennom selve PTFE-materialet. Dette fører til en reduksjon av motstanden mot ionisk strøm. PTFE-materialet har et boblepunkt som er en funksjon av trykk, og derfor, ved å styre de relative trykk på hver side av PTFE-skilleplatene, kan gassene tvinges gjennom mellomrommene for å danne en blanding, eller kan ellers holdes separat. En annen fordel med denne anordning omfatter mindre konstruksjonskostnader, forbedret operasjonseffektivitet og større motstand mot feil.

Figur 15 er et stilisert og eksplodert skjematisk riss av et lineært system av tre seriekoplede celleenheter 125. For klarhets skyld er bare seks sammenkoplingsskaft 126-131 vist. Skaftene 126-131 går gjennom de respektive skafthull 102-100 i de forskjellige celleplater 90, 98 i den stablede anordning. Polariteten for hvert av de eksponerte endeskaft, som likespenningen er koplet til, er også indikert. Skaftene 126-131 løper ikke hele lengden av de tre cellebanker 125. Representasjonen ligner den anordning som er vist på figur 7a og 8. En tredjedel av hele spenningen fra likespenningskilden oppstår over hvert anode/katodecelleplatepar 90,98.

Videre er også gassrørene 132, 133 for hhv hydrogen og oksygen, som går gjennom porthullene 104, 106 i celleplatene 90, 98 vist. På lignende måte er det også vist vann/elektrolyttrør 134, 135, som går gjennom vannporthullene 108, 110 i celleplatene. Figur 15b viser spesielt hvordan den relative spenningsforskjell i den midtre cellebank 125 endres. Det vil si, plateelektroden 90a funksjonerer nå som en katode (dvs relativt mer negativ) for å generere hydrogen, og plateelektroden 98a funksjonerer nå som anode (dvs relativt mer positiv) for å generere oksygen. Dette er tilfellet for hver annen celleenhet. Pilene som vist på figur 15b indikerer den elektroniske og ioniske strømkrets. Figur 15c er en elektrisk ekvivalent representasjon av figur 15b, hvor de resistive elementer representerer ionisk motstand mellom tilstøtende anode/katodeplater. Man kan således se at celleenhetene er koplet i serie.

På grunn av endringene av funksjonen til celleplatene 90a og 98a, blir de komplementære gasser frigjort ved hver, og derfor er de respektive kanaler 112 forbundet med den motsatte gassledning 132, 133.1 praksis kan dette oppnås med enkel reversering av celleplatene 90, 98.

Figur 16 viser de tre celleenheter 125 på figur 15a forbundet med en gassoppsamlingsanordning. Celleenhetene 125 er plassert inne i en tank 140 som er fylt med vann/elektrolytt til det nivå h som er indikert. Vannet blir forbrukt etter hvert som elektrolyseprosessen går frem, og etterfyllingstilførsel er anordnet via innløpet 152. Vann/elektrolytt-nivået h kan ses via glasset 154. I normal drift blir de forskjellige strømmer av hydrogen og oksygen produsert og ført fra celleenheten 125 til respektive stigesøyler 142, 144. Det vil si, trykket av elektrolytten på motsatte sider av PTFE-membranen 116 blir utlignet, slik at gassene ikke kan blandes.

Søylene 142, 144 er fylt med vann/elektrolytt, og når dette blir forbrukt ved elektrodeplatene, er en etterfyllingstilførsel av elektrolytt anordnet gjennom en sirkulasjon gjennom vann/elektrolyttrørene 134, 135. Sirkulasjonen forårsakes av innfanging av den frigjorte gass, og ved den sirkulasjonsinduserende natur av rørene og søylene.

Den øvre utstrekning av tanken 140 danner to vasketårn 156, 158, for samling av hhv oksygen- og hydrogengass. Gassene går opp en respektiv søyle 142, 144, og ut fra søylene via åpninger ved et punkt innenfor de interfolierte flater 146. Punktet hvor gassene kommer ut av søylene 142, 144 er nedenfor vannivået h, som tjener til å stabilisere eventuelt turbulent strøm og innfanget elektrolytt. Platene 146 som er plassert ovenfor nivået h vasker gassen for eventuelt innfanget elektrolytt, og den vaskede gass kommer så ut av de respektive gassutløpssøyler 148, 150 og går til en gassmottaker. Nivået h inne i tanken 140 kan reguleres på en eller annen beleilig måte, for eksempel en flottørsvitsj, igjen mens etterfyllingsvann blir levert av innløpsrøret 152.

De frigjorte gasser vil alltid separeres fra vann/elektrolyttoppløsningen på grunn av forskjellen i densitet. På grunn av den relative høyde av de respektive sett av plater, og på grunn av densitetsforskjellen mellom gassene og vann/elektrolytten, er det ikke mulig for den frigjorte hydrogengass og oksygengass å blande seg. Nærvær av det hele volum av vann inne i tanken 140 holder celleplatene i en neddykket tilstand, og tjener videre til å absorbere sjokket av eventuelle innvendige detonasjoner om de skulle oppstå.

I tilfellet en gassblanding er ønsket, stenger man den første av de to flottørventiler 136, 137 som er plassert i oksygengassutløpsrøret 132 og vann/elektrolytt-innløpsporten 134. Dette blokkerer utløpsbanen for oksygengass, og tvinger vannet/elektrolytten i innløpet til å passere til innløpsrøret 134 via en enveis sikkerhetsventil 139 og pumpe 138. Vannet/elektrolytten inne i tanken 140 er under trykk på grunn av dets dybde (volum), og pumpen 138 opereres for å øke trykket i vannet/elektrolytten som oppstår rundt anodecelleplatene 90, 98a for å gi et øket trykk i forhold til vannet/elektrolytten på den andre side av membranen 116. Denne trykkforskjellen er tilstrekkelig til å forårsake av oksygengassen migrerer gjennom membranen, og således blir blandet oksygen og hydrogen frigjort via gassutgangsrøret 133 og søylen 144. Siden det ikke er noen returbane for vannet/elektrolytten som leveres av pumpen 138, vil trykket rundt celleplatene 90, 98a øke videre, og til et punkt hvor trykkforskjellen er tilstrekkelig til at vannet/elektrolytten også kan passere gjennom membranen 116. En typisk trykkforskjell i området på 0,105 til 0,7 kg/cm<2> er nødvendig for å tillate passering av gass, og en trykkforskjell i området fra 0,7 til 2,8 kg/cm<2> for vann/elektrolytt.

Mens bare tre celleenheter 125 er vist, er det klart at hvilket som helst antall, koplet i serie, kan implementeres.

Figur 17 viser en annen utførelse av en sikkerhetsventil og en vaskeenhet 160 for å vaske frigjorte gasser før senere bruk. Enheten 160 er fylt med vann, typisk til et nivå som er omkring den halve høyde av enheten. Dette nivå reguleres med en flottørsvitsj 162. Vann blir levert ved hjelp av innløpet 164. En synssøyle 166 er også anordnet, som tjener til å gi en visuell indikasjon av vannivået.

Hydrogen og/eller oksygengasser fra gassmottakeren, nå under trykk, entrer ved et inngangsrør 168 som har en åpning 170 ved sin nedre ende. Gassene beveger seg nedover røret 168 og ut av åpningen 170 for å boble oppover på innsiden av den indre søyle 172, som også er fylt med tilførselsvann, og utfører således en første vaskeaksjon for å fjerne natriumhydroksidelektrolytten. Gassen entrer så et videre nedadrettet rør 174 og ut av den åpne ende på dette, og passerer igjen gjennom vannet i det ytre kammer 176 for å bli videre vasket og så bli lagret under trykk inne i rommet ovenfor vannivået, for å være tilgjengelig for tilførsel fra utløpet 178.

Blandet hydrogen- og oksygengass som leveres fra utløpet 178 til f.eks. en sveisespiss (ikke vist) er i de korrekte støkiometriske proporsjoner som et resultat av elektrolyseprosessen, og sikrer at det under forbrenning produseres en nøytral flamme. De eneste produkter av forbrenningsprosessen er varme og vanndamp.

Hvis gassene produseres separat, benytter man to sikkerhetsventilvaskere 160, og gassene kan da blandes i et blandingskammer som også vil produsere den korrekte støkiometriske blanding.

Hvis det i dette tilfelle er en eksplosjon som bakker opp gjennom utløpet 178 fra en sveisespiss, vil denne bli kvalt av vannet inne i enheten 160, og energien fra eksplosjonen blir absorbert ved å forskyve vannet i både det ytre kammer 176 og den indre søyle 172, og denne forskyvningen stenger også av strømmen av innløpsgass til røret 168. På denne måte vil det ikke være noen mulighet for eksplosjonen til å forplante seg videre mot en elektrolysecellebank som produsere gassen. Vannet inne i enheten 160 virker derfor både som en gassvasker og som en sikkerhetsventil.

Bruken av hydrogen og/eller oksygen i sveising og skjæring ved elektrolyse gjør det mulig å oppnå temperaturer i størrelsesorden 6 000 °C med evnen til å produsere gass etter behov. Ingen gass lagret i flasker er nødvendig. Det er videre mulig å utføre finflammesveising med gass av høy renhet, og også å være i stand til å smelte sammen keramiske materialer.

Alle de følgende materialer kan sveises. Karbonstål, støpejern, rustfritt stål, aluminium, brasing, sølvlodding, kopper og keramikk. De følgende jernholdige og ikke-jernholdige materialer, på grunn av den tilgjengelige produksjon av rent hydrogen som senere passerte gjennom en likestrømsbue frembringer en hydrogenplasmastrøm (H2—»Hi), kan lett skjære, karbonstål, støpejern, rustfritt stål, aluminium, brasing og kopper.

Utførelser av oppfinnelsen kan frembringe en kontinuerlig tilførsel av hydrogengass med store strømningsmengder. Som sådan er den vel egent til anvendelser som forbruker store mengder av hydrogen. Et eksempel på en slik prosess er avfall-sdestruksjonsprosessen ved handelsnavn Plascon, utviklet av Australian CSIRO's Division of Manufacturing Technology. Et sammendrag av Plascon-prosessen kan finnes i CSIRO-joumal "Ecos, vol. 68, vinteren 1991".

Claims (10)

1. Celleanordning for elektrolyse av vann, omfattende flere stablede elektroder (52) som danner anoder, hvor hver anodeelektrode omfatter en flat plate, flere katodedannende stablede elektroder (54), hvor hver katodeelektrode omfatter en flat plate og anodeelektrodene og katodeelektrodene er anordnet interfoliert, karakterisert ved at en eller flere ledende første sammenkoplingsdeler (56) forløper gjennom de interfolierte elektrodene (52, 54) og er elektrisk forbundet kun med hver anodeelektrode (52), og at en eller flere ledende andre sammenkoplingsdeler (58) forløper gjennom de interfolierte elektrodene og er forbundet bare med hver katodeelektrode (54).

2. Celleanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at en gruppe av stablede anodeelektroder (52) danner en anodecelleblokk, og en gruppe stablede katodeelektroder danner en katodecelleblokk, og at hver anodecelleblokk er interfoliert over bare en del av sin lengde med en tilsvarende katodecelleblokk.

3. Celleanordning ifølge krav 2, karakterisert ved at hver celleblokk er anordnet slik at de respektive første eller andre sammenkoplingsdeler (52, 54) strekker seg bare over lengden av den respektive celleblokk.

4. Celleanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at hver elektrode er sekskantet, at den første sammenkoplingsdelen (52) strekker seg gjennom en elektrode på et punkt nær annethvert hjørne, og at den andre sammenkoplingsdelen (54) strekker seg gjennom en elektrode ved at det andre vekslende hjørne.

5. Celleanordning ifølge krav 1-3, karakterisert ved at hver elektrode (90) har et perforert indre (92) og et ytre (94) kantområde, med hull (100, 102) som første og andre sammenkoplingsdelene passerer gjennom.

6. Celleanordning ifølge krav 5, karakterisert ved at elektrodene (90) har sirkulær form.

7. Innretning for elektrolyse av vann, omfattende flere celleanordninger ifølge krav 2, karakterisert ved at celleanordningene er koplet elektrisk i serie for å danne celleblokker, idet celleblokkene er koplet i serie, og at en eller flere seriekoplede celleblokker er anordnet i en parallellkopling.

8. Innretning ifølge krav 7, karakterisert ved at hver celleblokk er en gruppe med tre celleanordninger og at hver celleblokk er forbundet med en første gruppe koplingsstrimler (74) av stål i en ende og at en annen gruppe med koplingsstrimler (76) av stål er anordnet i den andre enden, idet første og andre grupper med koplingsstrimler av stål sammenkopler anodelektrodene (52) i hver celleblokk og at katodeelektrodene (54) i hver celleblokk danner den elektriske seriekoplingen.

9. Elektrolysesystem omfattende en celleanordning eller en celleblokk ifølge foregående krav, karakterisert ved at den omfatter en tank (72) innrettet for å inneholde og nedsenke celleanordningen eller celleblokkanordningen (125) i det minste i vann, og en likestrømskraftkilde hvor den positive leder er koplet til anodeelektrodene (52) og den negative ledning er koplet til katodeelektrodene (54) ved hjelp av hhv første og andre koplingsdeler (56, 58) for å frigjøre oksygen- og hydrogengass fra hhv anodeelektrodene og katodeelektrodene.

10. Elektrolysesystem ifølge krav 9, karakterisert ved at det omfatter a) en renseenhet (160) med en indre søyle (172), et ytre kammer (176), et inntaksrør (168) til den indre søyle med en åpning (170) ved bunnen, et ytterligere rør (174) forbundet med den indre søyle, idet det ytterligere rør har en åpning inntil det ytre kammer (176), hvor tanken, den indre søyle og det ytre kammer er innrettet til å fylles med vann til et regulert nivå og hvor vannivået reguleres av en flottørbryter (162), at vann tilføres ved hjelp av et inntak (164) og en observasjonssøyle (166) foreligger, og b) anordning for å sikre at oksygen- og/eller hydrogengasser trenger inn i elektrolysesystemet med inntaksrøret (168), slik at under drift, vil hydrogen og/eller oksygengassene etter å komme gjennom inntaksrøret (168) beveges seg ned i inntaksrøret og ut av åpningen (170) og boble opp i den indre søyle (172) for derved å frembringe en første skrubbeaksjon hvor gassene deretter trenger inn i det ytterligere rør (174) og passerer ut av dettes åpnede ende inn i det ytre kammer (176) og passerer igjen gjennom vann for derved å gjennomføre en andre skrubberaksjon.