RU2046841C1

RU2046841C1 - Apparatus for obtaining hydrogen and oxygen under pressure

Info

Publication number: RU2046841C1
Application number: RU9393047076A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Евгеньевич Аврущенко; Леонид Николаевич Кравцов; Яков Семенович Лапин
Original assignee: Анатолий Евгеньевич Аврущенко; Леонид Николаевич Кравцов; Яков Семенович Лапин
Priority date: 1993-10-07
Filing date: 1993-10-07
Publication date: 1995-10-27

Abstract

FIELD: production of inorganic compositions. SUBSTANCE: apparatus has electrolyzer positioned within housing. Pressurization of electrolyzer is provided by generating fixed pressure difference between electrolyzer inner pressure and outer counterpressure exerted to electrolyzer housing in all modes of operation. Water supplied for replenishment is used as counterpressure medium. Diaphragm frames are made from polymeric material to eliminate short circuiting between electrolyzer housing and metal housing. Bipolar electrodes are positioned in diaphragm frame grooves to eliminate shunting of electrochemical cells. EFFECT: increased efficiency simplified construction and enhanced reliability in operation. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для электролитического получения неорганических соединений или неметаллов высокой чистоты, в частности к электролизерам для разложения воды, и может быть применено в химической и металлообрабатывающей промышленности, в электрохимической энергетике, в системах охлаждения мощных электрогенераторов, в метеорологии. The invention relates to devices for the electrolytic production of inorganic compounds or non-metals of high purity, in particular to electrolyzers for the decomposition of water, and can be applied in the chemical and metalworking industries, in the electrochemical energy industry, in cooling systems of powerful electric generators, in meteorology.

Известен электролизер воды для получения водорода и кислорода под давлением, имеющий защитный кожух и расположенный в нем набор электрохимических ячеек. В качестве среды, заполняющей пространство под кожухом, используется газообразный азот. Частично пространство под кожухом может быть заполнено нейтральной жидкостью, в частности водой. Уравновешивающее противодавление создается инертным газом азотом и поддерживается с помощью отдельной системы автоматики. A water electrolyzer for producing hydrogen and oxygen under pressure is known, having a protective casing and a set of electrochemical cells located therein. Nitrogen gas is used as the medium filling the space under the casing. Partially, the space under the casing may be filled with a neutral liquid, in particular water. A counterbalancing backpressure is created by an inert gas with nitrogen and is maintained using a separate automation system.

Недостатками этого электролизера являются:
наличие отдельной сложной системы автоматики, поддерживающей заданное давление под кожухом в дополнение к системе автоматики, необходимой для поддержания соотношения давлений между водородными и кислородными камерами электролизера;
наличие независимого источника весьма значительных количеств азота, необходимых для компенсации утечек азота через неплотности кожуха, отборов азота на газоанализатор, сбросов азота при пусках и остановках электролизера;
необходимость стравливания азота из-под кожуха при остановках электролизера;
уменьшение доли отводимого тепла за счет естественной конвекции из-за небольшого коэффициента теплопроводности азота и, как следствие, необходимость увеличения поверхности теплообмена в жидкостных полостях разделительных колонок.The disadvantages of this electrolyzer are:
the presence of a separate complex automation system that maintains a given pressure under the casing in addition to the automation system necessary to maintain the pressure ratio between the hydrogen and oxygen chambers of the electrolyzer;
the presence of an independent source of very significant amounts of nitrogen necessary to compensate for nitrogen leaks through casing leaks, nitrogen withdrawals to the gas analyzer, nitrogen discharges during starts and stops of the cell;
the need to bleed nitrogen from under the casing when the cell stops;
a decrease in the fraction of heat removed due to natural convection due to the small coefficient of thermal conductivity of nitrogen and, as a consequence, the need to increase the heat transfer surface in the liquid cavities of the separation columns.

Целью данного изобретения является упрощение и повышение надежности работы устройства для получения водорода и кислорода под давлением. The aim of this invention is to simplify and increase the reliability of the device for producing hydrogen and oxygen under pressure.

Цель достигается тем, что в устройстве для получения водорода и кислорода под давлением, включающем кожух с патрубками входа и выхода и размещенный в нем электролизер, содержащий биполярные электроды, диафрагменные рамы и уплотнительные элементы, кислородную и водородную разделительные колонки и емкость питательной воды с жидкостной и газовой полостями каждая, патрубок входа сообщен с жидкостной полостью емкости питательной воды, патрубок выхода с газовой полостью кислородной разделительной колонки, которая сообщена с газовой полостью емкости питательной воды, жидкостная полость которой расположена выше жидкостной полости кислородной разделительной колонки. The goal is achieved in that in a device for producing hydrogen and oxygen under pressure, including a casing with inlet and outlet nozzles and an electrolyzer placed in it, containing bipolar electrodes, diaphragm frames and sealing elements, oxygen and hydrogen dividing columns and a feed tank with liquid and gas cavities each, the inlet pipe is in communication with the liquid cavity of the feed water tank, the outlet pipe is in the gas cavity of the oxygen separation column, which is in communication with the gas cavity w feedwater tank, liquid which cavity is located above the fluid-oxygen separation column.

Сущность изобретения заключается в том, что, с одной стороны, давление кислорода в газовой полости и высота уровня электролита в жидкостной полости кислородной разделительной колонки определяют рабочее давление внутри электролизера на всех стадиях работы устройства. С другой стороны, за счет сообщения газовых полостей кислородной разделительной колонки и емкости питательной воды и сообщения кожуха с жидкостной полостью емкости питательной воды, внешнее противодавление, оказываемое на электролизер на всех стадиях работы устройства, определяется давлением кислорода в газовой полости кислородной разделительной колонки и высотой столба питательной воды, определяемого расположением емкости питательной воды. Таким образом, на всех стадиях работы устройства разница между давлением внутри электролизера и внешним уравновешивающим противодавлением на электролизер будет постоянной и определяется только взаиморасположением жидкостных полостей кислородной разделительной колонки и емкости питательной воды. Требование высокого удельного сопротивления питательной воды, проходящей в пространстве под кожухом, с необходимостью обеспечивается ее традиционной подготовкой перед подачей для любого электролизера независимо от способа подпитки: через кожух или непосредственно в электролизер. Питательная вода, поступая из емкости в пространство между корпусом электролизера и кожухом и далее в газовую полость кислородной разделительной колонки, снимает часть тепла, выделяющегося в электролизере, и удаляет следы щелочи в случае их появления на наружных поверхностях диафрагменных рам. Во избежание короткого замыкания по воде между корпусом электролизера и кожухом, диафрагменные рамы выполнены из полимерного материала, применение которого позволяет также исключить утечки тока по корпусу электролизера, уменьшить его металлоемкость и увеличить коррозионную стойкость. Биполярные электроды выполнены с габаритными размерами меньшими, чем габаритные размеры диафрагменных рам, и размещены в проточках на диафрагменных рамах таким образом, что уплотнительные элементы исключают контакт периферийных торцевых поверхностей биполярных электродов с водой в пространстве между корпусом электролизера и кожухом для исключения шунтирования электрохимических ячеек по воде. The essence of the invention lies in the fact that, on the one hand, the oxygen pressure in the gas cavity and the height of the electrolyte level in the liquid cavity of the oxygen separation column determine the working pressure inside the cell at all stages of operation of the device. On the other hand, due to the communication of the gas cavities of the oxygen separation column and the feed water tank and the communication of the casing with the liquid cavity of the feed water tank, the external back pressure exerted on the electrolyzer at all stages of the device operation is determined by the oxygen pressure in the gas cavity of the oxygen separation column and the column height feed water, determined by the location of the feed water tank. Thus, at all stages of the operation of the device, the difference between the pressure inside the cell and the external counterbalancing back pressure on the cell will be constant and determined only by the relative position of the liquid cavities of the oxygen separation column and the feed water tank. The requirement for a high specific resistance of the feed water passing in the space under the casing is necessarily ensured by its traditional preparation before supply for any electrolytic cell, irrespective of the method of recharge: through the casing or directly into the electrolytic cell. Feed water, flowing from the tank into the space between the cell body and the casing and further into the gas cavity of the oxygen separation column, removes some of the heat released in the cell and removes traces of alkali if they appear on the outer surfaces of the diaphragm frames. In order to avoid a short circuit in water between the electrolyzer body and the casing, the diaphragm frames are made of polymer material, the use of which also eliminates current leakage through the electrolyzer body, reduces its metal consumption and increases corrosion resistance. Bipolar electrodes are made with overall dimensions smaller than the overall dimensions of the diaphragm frames, and are placed in the grooves on the diaphragm frames so that the sealing elements exclude contact of the peripheral end surfaces of the bipolar electrodes with water in the space between the cell body and the casing to exclude the bypass of electrochemical cells through water .

На чертеже схематично показано предлагаемое устройство для получения водорода и кислорода под давлением. The drawing schematically shows the proposed device for producing hydrogen and oxygen under pressure.

Устройство включает набор электрохимических ячеек 1, состоящих из биполярных электродов, диафрагменных рам и уплотнительных элементов, помещенный между двумя концевыми плитами и стянутый болтами. Набор расположен внутри кожуха 2. Набор электрохимических ячеек 1 связан отводящим кислород трубопроводом 3 с газовой полостью 4 кислородной разделительной колонки и отводящим водород трубопроводом 5 с газовой полостью 6 водородной разделительной колонки. Жидкостная полость 7 кислородной разделительной колонки и жидкостная полость 8 водородной разделительной колонки связаны U-образным трубопроводом 9 между собой и электролитным трубопроводом 10 с набором электрохимических ячеек 1. Кожух 2 связан, с одной стороны, трубопроводом для входа питательной воды 11 через клапан 12 с жидкостной полостью емкости питательной воды 13, а с другой стороны трубопроводом 14 для выхода воды, идущей на подпитку, с газовой полостью 4 кислородной разделительной колонки. Для слива воды в нижней точке кожуха расположен клапан 15. Газовая полость 26 емкости питательной воды связана через клапан 16 с линией заполнения водой, через клапан 17 с атмосферой, а трубопроводом 18 через клапан 19 с газовой полостью 4 кислородной разделительной колонки. Для автоматического поддержания заданного рабочего давления в устройстве на трубопроводе выхода кислорода из газовой полости 4 кислородной разделительной колонки расположен регулятор давления "до себя" 20. Для автоматического поддержания заданного перепада давления между водородом и кислородом в наборе электрохимических ячеек 1 на трубопроводе выхода водорода из газовой полости 6 водородной разделительной колонки расположен регулятор перепада давлений "до себя" 21. Трубопроводом 22 через клапан 23 линия выхода водорода связана с газоанализатором (не показан), предназначенным для непрерывного контроля за чистотой получаемого газа. Трубопроводом 24 через клапан 25 линия выхода кислорода связана с газоанализатором (не показан), предназначенным для непрерывного контроля за чистотой получаемого кислорода. The device includes a set of electrochemical cells 1, consisting of bipolar electrodes, diaphragm frames and sealing elements, placed between two end plates and tightened by bolts. The set is located inside the casing 2. The set of electrochemical cells 1 is connected by an oxygen exhaust pipe 3 to the gas cavity 4 of the oxygen separation column and a hydrogen discharge pipe 5 with the gas cavity 6 of the hydrogen separation column. The liquid cavity 7 of the oxygen separation column and the liquid cavity 8 of the hydrogen separation column are connected by a U-shaped pipe 9 to each other and the electrolyte pipe 10 with a set of electrochemical cells 1. The casing 2 is connected, on the one hand, by a pipe for the input of feed water 11 through a valve 12 with a liquid the cavity of the feed water tank 13, and on the other hand, a pipe 14 for the exit of water going to make-up, with the gas cavity 4 of the oxygen separation column. To drain the water, a valve 15 is located at the lower point of the casing. The gas cavity 26 of the feed water tank is connected through the valve 16 to the water filling line, through the valve 17 to the atmosphere, and by a pipe 18 through the valve 19 to the gas cavity 4 of the oxygen separation column. To automatically maintain a predetermined working pressure in the device, a pressure regulator "to itself" 20 is located on the pipeline for oxygen exit from the gas cavity 4 of the oxygen separation column 20. To automatically maintain a predetermined pressure difference between hydrogen and oxygen in a set of electrochemical cells 1 on the pipeline for hydrogen exit from the gas cavity 6 of the hydrogen separation column, the differential pressure regulator is located "to oneself" 21. Pipeline 22 through the valve 23, the hydrogen outlet line is connected to the gas izatorom (not shown) adapted to continuously monitor the purity of the product gas. The pipeline 24 through the valve 25, the oxygen output line is connected to a gas analyzer (not shown), designed to continuously monitor the purity of the produced oxygen.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Под действием электрического тока в наборе электрохимических ячеек 1 идет процесс разложения воды с образованием кислорода и водорода. Образовавшиеся при электролизе водород и кислород вместе с электролитом в виде газожидкостных эмульсий поступают: водород по трубопроводу 5 в газовую полость 6 водородной разделительной колонки, а кислород по трубопроводу 3 в газовую полость кислородной разделительной колонки 4. В разделительных колонках происходит отделение газов от электролита и их охлаждение. Охлажденный электролит из разделительных колонок по трубопроводу 10 возвращается в набор электрохимических ячеек 1. Таким образом, в процессе работы происходит непрерывная естественная циркуляция электролита через набор электрохимических ячеек 1 и разделительные колонки. При работе устройства газовая полость 4 кислородной разделительной колонки сообщена трубопроводом 18 при открытом клапане 19 с газовой полостью 26 емкости питательной воды. Питательная вода из жидкостной полости 13 емкости при открытом клапане 12 по трубопроводу 11 поступает в кожух 2 и далее по трубопроводу 14 в газовую полость 4 кислородной разделительной колонки. Питательная вода, проходя в кожухе 2, снимает часть тепла, выделяющегося в наборе электрохимических ячеек 1, и удаляет следы щелочи в случае их появления на наружных поверхностях диафрагменных рам. Непрерывный проток питательной воды в пространстве под кожухом в процессе работы исключает накопление щелочи в нем и обеспечивает ее возврат в разделительные колонки, снижая тем самым неизбежные для любого электролизера потери щелочи через неплотности в трубопроводах и арматуре. Для заполнения водой емкости питательной воды 13 она отсекается от газовой полости 4 кислородной разделительной колонки, находящейся под рабочим давлением, закрытием клапанов 12 и 19, сообщается с атмосферой открытием клапана 17 и заполняется водой при открытом клапане 16. Таким образом осуществляется в процессе работы подпитка водой устройства для получения водорода и кислорода. Заданное рабочее давление в электролизере обеспечивается регулятором давления "до себя" 20, а поддержание заданного перепада давления между водородом и кислородом осуществляется регулятором перепада давления "до себя" 21. Заданная разница давлений между давлением внутри электролизера и внешним противодавлением обеспечивается теми же регуляторами 20 и 21, которые предназначены для поддержания заданного соотношения давлений между водородными и кислородными камерами электролизера и необходимы для любого устройства по электролитическому получению водорода и кислорода. Независимо от того, работает ли устройство в режиме набора давления до заданного при запуске (режим компрессии) либо под заданным давлением (режим изопрессии), или в режиме сброса давления (режим декомпрессии), внешнее противодавление в кожухе автоматически повторяет любое изменение давления внутри электролизера, оставаясь по абсолютной величине большим, чем внутреннее, на величину разности гидростатических давлений столбов воды в емкости питательной воды и электролита в жидкостной полости кислородной разделительной колонки. Это исключает проникновение газообразных продуктов электролиза в пространство под кожухом и загрязнение кислорода водородом в случае негерметичности электролизера. Under the influence of electric current in the set of electrochemical cells 1, the process of decomposition of water with the formation of oxygen and hydrogen. Hydrogen and oxygen formed during electrolysis together with the electrolyte in the form of gas-liquid emulsions enter: hydrogen through pipeline 5 into the gas cavity 6 of the hydrogen separation column, and oxygen through pipe 3 into the gas cavity of the oxygen separation column 4. In the separation columns, gases and electrolyte are separated and cooling. The cooled electrolyte from the separation columns through the pipeline 10 is returned to the set of electrochemical cells 1. Thus, in the process, there is a continuous natural circulation of the electrolyte through the set of electrochemical cells 1 and the separation columns. When the device is operating, the gas cavity 4 of the oxygen separation column is communicated by the pipe 18 with the valve 19 open with the gas cavity 26 of the feed water tank. Feed water from the liquid cavity 13 of the tank with the valve 12 open through the pipe 11 enters the casing 2 and then through the pipe 14 into the gas cavity 4 of the oxygen separation column. Feed water, passing in the casing 2, removes part of the heat released in the set of electrochemical cells 1, and removes traces of alkali if they appear on the outer surfaces of the diaphragm frames. The continuous flow of feed water in the space under the casing during operation eliminates the accumulation of alkali in it and ensures its return to the separation columns, thereby reducing the alkali loss that is inevitable for any cell through leaks in pipelines and fittings. To fill the tank of feed water 13 with water, it is cut off from the gas cavity 4 of the oxygen separation column, which is under working pressure, closing valves 12 and 19, communicates with the atmosphere by opening valve 17 and is filled with water when valve 16 is open. In this way, water is charged during operation devices for producing hydrogen and oxygen. The predetermined working pressure in the electrolyzer is provided by the pressure regulator "to itself" 20, and the preservation of the specified pressure drop between hydrogen and oxygen is carried out by the pressure regulator "to itself" 21. The predetermined pressure difference between the pressure inside the cell and the external back pressure is provided by the same regulators 20 and 21 which are designed to maintain a given pressure ratio between the hydrogen and oxygen chambers of the electrolyzer and are necessary for any device for electrolytic Acquiring hydrogen and oxygen. Regardless of whether the device works in the set pressure mode up to the set at startup (compression mode) or under the set pressure (isopress mode), or in the pressure relief mode (decompression mode), the external back pressure in the casing automatically repeats any pressure change inside the cell, remaining in absolute value larger than internal, by the difference in the hydrostatic pressures of the water columns in the feed water tank and the electrolyte in the liquid cavity of the oxygen separation column. This eliminates the penetration of gaseous products of electrolysis into the space under the casing and the contamination of oxygen by hydrogen in the event of a leak in the cell.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить надежность работы устройства для получения водорода и кислорода под давлением за счет обеспечения герметичности набора электрохимических ячеек путем размещения его в кожухе и создания постоянной на всех режимах работы фиксированной разницы между внутренним давлением и внешним противодавлением, упростить монтаж и облегчить эксплуатацию устройства без специальной системы автоматики, снизить металлоемкость и повысить коррозионную стойкость диафрагменных рам за счет их изготовления из полимерного материала. Thus, the proposed device allows to increase the reliability of the device for producing hydrogen and oxygen under pressure by ensuring the tightness of the set of electrochemical cells by placing it in the casing and creating a fixed difference between the internal pressure and external back pressure at all operating modes, simplify installation and facilitate operation devices without a special automation system, reduce metal consumption and increase the corrosion resistance of diaphragm frames due to their manufacture phenomenon of the polymeric material.

Claims

1. DEVICE FOR PRODUCING HYDROGEN AND OXYGEN UNDER PRESSURE, including a casing with inlet and outlet nozzles and an electrolyzer placed in it, containing bipolar electrodes, diaphragm frames and sealing elements, oxygen and hydrogen dividing columns and a reservoir of feed water with liquid and gas cavities each, characterized in that the inlet pipe is in communication with the liquid cavity of the feed water tank, the outlet pipe in the gas cavity of the oxygen separation column, which is in communication with the gas cavity e bone feedwater liquid chamber which is located above the fluid-oxygen separation column.

2. The device according to claim 1, characterized in that the diaphragm frames are made of fluoroplastic-40.

3. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the bipolar electrodes are made in the form of a metal sheet with metal grids fixed to it on both sides.