RU2095474C1 - Система подачи электролитической жидкости в работающей под давлением электролизной установке - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к системе подачи электролитической жидкости в работающей под давлением электролизной установке, используемой для производства водорода и содержащей работающий под давлением электролизер, в котором электролитическая жидкость разлагается на водород и кислород, при этом система содержит накопительный резервуар электролитической жидкости, находящийся при низком давлении, устойчивый к возрастанию давления промежуточный резервуар, соединенный с сепаратором жидкости электролизной установки и с накопительным резервуаром, и средства доведения промежуточного резервуара до низкого давления при наполнении промежуточного резервуара электролитической жидкостью из накопительного резервуара и доведения промежуточного резервуара до давления сепаратора жидкости при наполнении сепаратора жидкости из промежуточного резервуара. 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к системе подачи электролитической жидкости в работающей под давлением электролизной установке, используемой для производства водорода, в котором электролитическая жидкость разлагается на водород и кислород в электролитической ванне, работающей под давлением.

Водород является идеальным и чистым источником энергии в специальных случаях применения, в которых имеются нетрадиционные источники энергии. Поэтому, например, в устройствах, использующих электроэнергию и расположенных в редконаселенных и труднодоступных районах, для производства электроэнергии могут быть использованы фотоэлектрические модули. Такие установки часто не имеют обслуживания и требуют автоматического или дистанционного контроля. Кроме того, такие установки должны работать, когда нет солнечного света. Накопление электроэнергии только в аккумуляторах будет требовать большого числа аккумуляторов, которые являются тяжелыми по массе и требуют ухода.

Использование водорода для накопления энергии является одним из средств для рекуперации излишка энергии, производимой солнечными элементами, поэтому вода разлагается с помощью электричества на водород и кислород. Поэтому при необходимости электроэнергия может быть получена с помощью топливного элемента из водорода. Для того чтобы уменьшить размер требуемых водородных резервуаров, водород должен быть, однако, сжат под давлением, и должна быть использована дополнительная энергия на сжатие.

В технике известно осуществление разложения воды на водород и кислород в электролитических ваннах, работающих под давлением, и получение, таким образом, водорода непосредственно в сжатом виде, так что нет необходимости в отдельном выполнении сжатия. Однако увеличенная утечка является недостатком электролизеров, работающих под давлением. В технике также известно помещение электролизера в отдельный кожух под давлением, поэтому разность давления внутри и снаружи электролизера значительно снижается, и снижаются утечки. Так, в известном устройстве (патент FP N 2466516, кл. C 25 B 1/12, 10.04.81) кожух под давлением опрессовывается с помощью газообразного азота, и устройство содержит элементы поддержания давления в электролизе ниже давления кожуха под давлением. Использование отдельного опрессовывающего (создающего избыточное давление) газа требует, однако, использования сосудов для опрессовывающих газов и необходимости пояснения опрессовывающего газа. Таким образом, эта система непригодна для установок, работающих, например, в автоматическом режиме в отдельных местностях.

Известно (патент GB N 1518234, кл. C 25 B 1/12, 19.07.78) размещение электродов электролизера внутри кожуха под давлением. Однако даннная конструкция не включает герметичный электролизер, расположенный в кожухе под давлением, а вместо этого электроды, используемые в разложении электролита (НСl), размещаются подвешенными непосредственно внутри кожуха под давлением. Указанное устройство предназначено для крупномасштабного производства водорода, имеющего большую потребность в мощной, сложной и дорогостоящей конструкции, например, благодаря устройствам, необходимым для очистки, оно не предназначено для регенерации кислорода.

Задачей изобретения является создание системы подачи электролитической жидкости в работающей под давлением электролизной установке, используемой для производства водорода, причем указанная система позволяет исключить насос высокого давления для пополнения работающего под давлением электролизера электролитической жидкостью.

Более подробно задачей изобретения является создание системы подачи электролитической жидкости с низким энергопотреблением и с высокой надежностью в работе и преимуществом в цене.

Задачи изобретения достигаются посредством системы подачи электролитической жидкости и работающей под давлением электролизной установке, которая отличается тем, что содержит накопительный резервуар при низком давлении для электролита, устойчивый к возрастанию давления промежуточный резервуар, соединенный с сепаратором жидкости электролизера и с накопительным резервуаром, и средства создания низкого давления в промежуточном резервуаре, когда промежуточный резервуар заполняется электрической жидкостью из накопительного резервуара, и создания в промежуточном резервуаре давления, равного давлению сепаратора жидкости, когда промежуточный резервуар опоражнивается, в сепаратор жидкости.

Электролитическая жидкость, подаваемая в электролизер, содержит воду, но может содержать любые вспомогательные вещества, способствующие работе используемого электролизера, такие как кислоты или основания. Термин "вода" будет далее относиться к любому такой электролитической жидкости.

Система подачи согласно изобретению, таким образом, состоит из накопительного резервуара низкого давления и устойчивого к возрастанию давления промежуточного резервуара, соединенного с сепаратором воды электролизной установки и с накопительным резервуаром низкого давления. Система подачи снабжена клапанами для создания в промежуточном резервуаре низкого давления при его заполнении из накопительного резервуара и для доведения промежуточного резервуара до давления сепаратора воды, когда промежуточный резервуар опоражнивается в сепаратор воды. Электролизер может быть помещен в кожух под давлением, опрессованный давлением газа, получаемого в электролизере.

В альтернативном варианте изобретения накопительный резервуар может быть размещен ниже промежуточного резервуара. В этом варианте насос является необходимым, но простой и недорогостоящий насос низкого давления является вполне достаточным.

Электролизер может быть размещен в устойчивом к возрастанию давления кожухе, и с водородной стороны электролизера водород отводится через линию, проходящую через стенку кожуха под давлением в водородный накопитель. Выходящий из электролизера кислород или водород поступает в кожух под давлением. Кожух под давлением может также пополняться инертной жидкостью и опрессовываться давлением кислорода или водорода. Давление кислорода кожуха под давлением регулируется так, что оно практически соответствует давлению водорода в электролизере. Регулирование давления может осуществляться, например, так, что кислород выводится из кожуха под давлением с помощью клапана, регулируемого по давлению в водородном накопителе. Предпочтительно, когда кислород, однако, рекуперируется и подводится к отдельному кислородному резервуару, поэтому кислород подается из кожуха под давлением в кислородный резервуар с помощью клапана, регулируемого давлением водородного резервуара.

Обычно газообразный водород и газообразный кислород из электролизера сначала проходят через сепараторы воды для отделения воды, переносимой с газами. Сепараторы воды могут размещаться внутри кожуха под давлением, поэтому сепараторы воды не должны быть устойчивыми к возрастанию давления. Сепараторы воды могут быть также размещены снаружи кожуха под давлением, если сепараторы воды снабжены устойчивым к возрастанию давления корпусом.

Вода, отделенная в сепараторах воды от газов, возвращается в электролизер. Согласно одному пригодному способу вода из сепаратора воды газообразного водорода подводится к сепаратору воды газообразного кислорода, откуда вода возвращается в электролизер. Поэтому сепаратор воды газообразного водорода может быть обеспечен датчиками уровня поверхности для контроля клапана, размещенного на линии возврата воды. Когда поверхность поднимается до верхнего уровня, клапан открывается, и вода течет из сепаратора воды газообразного водорода к сепаратору воды газообразного кислорода. После того как поверхность снижается до нижнего уровня, клапан закрывается.

Изобретение описывается более подробно с помощью преимущественного варианта, представленного на чертеже, который, однако, не предназначен для ограничения изобретения.

На чертеже пунктирными линиями показан контейнер под давлением 10, который служит кожухом под давлением. Внутри кожуха под давлением 10 помещен электролизер 11, имеющий впускной патрубок 12 для электролитической жидкости, выпускные патрубки 14 и 13 для водорода и кислорода соответственно и линии подвода электроэнергии 15. Электролитическая жидкость, такая как вода, подводится под действием силы тяжести в электролизер 11. Вариант, показанный на чертеже, представляет сепараторы воды 16 и 17 для отделения воды от водорода и кислорода.

Вода подается в электролизер 11 через линию впуска воды 20 в сепаратор воды 17 газообразного кислорода и оттуда далее следует через линию впуска воды 21 и обратный клапан 22, установленный в ней, через впускной патрубок 12, и далее в электролизер 11. Газообразный кислород, получаемый в электролизере 11, подводится через кислородный выпускной патрубок 13 и кислородную выпускную линию 23 к сепаратору воды 17 кислорода. Вода, поступающая с газообразным кислородом, отделяется в сепараторе воды 17 и возвращается в электролизер 11 по линии 21.

Газообразный водород, получаемый в электролизере 11, подводится через водородный выпускной патрубок 14 и водородную выпускную линию 25 к сепаратору воды 16 газообразного водорода. От сепаратора воды 16 водородная выпускная линия 28, снабженная датчиком давления 26 и обратным клапаном 27, ведет к накопительному резервуару 29 газообразного водорода. Кроме того, водная труба 31, снабженная вентилем 30, подводится от сепаратора воды 16 газообразного водорода к сепаратору воды 17 газообразного кислорода, поэтому вода, поступающая с газообразным водородом, может быть возвращена в электролизер 11 описанным выше образом.

Газообразный кислород выводится из внутреннего объема кожуха под давлением 10 по кислородной выпускной линии 32 и далее, например, в кислородный сосуд (не показано). Кислородная выпускная линия 32 обеспечивается датчиком давления 33 и клапаном 34 для контроля давления в кожухе под давлением 10.

Контроль давления в устройстве, как показано на чертеже, может осуществляться, например, предпочтительно, так, что контроллер давления 35 соединяется выводами сигналов 36 и 37 с датчиками давления водорода и кислорода 26, 33, и в соответствии с сигналом, подаваемым датчиками давления 26, 33, контроллер давления 35 открывает и закрывает через сигнальную линию 38 клапан 34 на кислородной выпускной линии 32 для того, чтобы поддерживать давление газообразного кислорода практически таким же, как давление водорода в линии 28 до обратного клапана 27.

Система подачи согласно изобретению содержит накопительный резервуар 40 для электролитической жидкости, например, воды, низкого давления и устойчивый к возрастанию давления промежуточный резервуар 18, который в данном варианте соединяется с сепаратором воды 17 и с накопительным резервуаром воды 40, находящимся при низком давлении. Промежуточный резервуар 18 через клапан 42 и подающую линию 41 соединяется с накопительным резервуаром 40, расположенным на более высоком уровне, чем промежуточный резервуар 18. Клапан 42 может быть обратным клапаном. Промежуточный резервуар 18 через клапан 19 и подающую линию 20 соединяется с сепаратором воды 17. Промежуточный резервуар 18, кроме того, посредством линии 45 соединяется с трехходовым клапаном 44. Сепаратор воды 17 посредством линии 43 соединяется с трехходовым клапаном 44. Линия выравнивания давления к трехходовому клапану 44 показана цифрой 46.

Устойчивый к возрастанию давления промежуточный резервуар 18 обычно соединяется, например, с накопительным резервуаром 40 при атмосферном давлении и в то же самое время через линии 45, 46 непосредственно с давлением окружающей среды. Поэтому вода течет из накопительного резервуара 40 под действием силы собственной тяжести к устойчивому к возрастанию давления промежуточному резервуару 18.

Когда в электролизер 11 необходимо добавлять жидкость, например, когда концевой выключатель нижнего уровня (не показано) в сепараторе воды 17 сигнализирует, что поверхность воды находится на нижнем предельном уровне, трехходовой клапан 44 переключается в положение, которое открывает соединение от сепаратора 17 по линии 43 и 45 с промежуточным резервуаром 18, поэтому устойчивый к возрастанию давления промежуточный резервуар 18 находится под тем же давлением, что и сепаратор воды 17. При открытии клапана 19 вода поступает от устойчивого к возрастанию давления резервуара 18 к сепаратору воды 17 до тех пор, пока концевой выключатель верхнего уровня (не показано) в сепараторе воды 17 не пошлет команду так, что клапан 19 закроется. Затем трехходовой клапан 44 переключается в положение, которое открывает соединение от промежуточного резервуара 18 по линии 45 и 46 в атмосферу для сброса давления из промежуточного резервуара 18. Устойчивый к возрастанию давления промежуточный резервуар 18 автоматически наполняется самотеком водой, идущей от накопительного резервуара 40. Промежуточный резервуар 18 может быть обеспечен выключателем клапана верхнего предельного уровня поверхности (не показано) для контроля наполнения промежуточного резервуара 18.

Клапаны 19, 44, используемые в системе подачи воды изобретения, могут быть выбраны так, что в основном состоянии, в котором они находятся наиболее часто, они не потребляют энергию. Поэтому общее энергопотребление системы подачи воды согласно изобретению остается очень низким.

При необходимости накопительный резервуар 40 может быть расположен на более низком уровне, чем устойчивый к возрастанию давления промежуточный резервуар 18, как показано пунктирными линиями на чертеже. В таком случае насос 47 требуется для подачи воды от накопительного резервуара 40 по линии 48 и через обратный клапан 49 к устойчивому к возрастанию давления промежуточному резервуару 18. В этом альтернативном варианте насос 47, однако, может быть простым и недорогостоящим насосом низкого давления, поскольку этого достаточно для данной цели, и поэтому не требуется дорогостоящего насоса высокого давления.

Вышеописанные варианты предназначены только для иллюстрации, но не для ограничения изобретения.

Claims (7)

1. Система подачи электролитической жидкости в работающей под давлением электролизной установке, используемой для производства водорода и содержащей работающий под давлением электролизер, в котором электролитическая жидкость разлагается на водород и кислород, отличающаяся тем, что система содержит накопительный резервуар электролитической жидкости, находящийся при низком давлении, устойчивый к возрастанию давления промежуточный резервуар, соединенный с сепаратором жидкости электролизной установки и с накопительным резервуаром, и средства доведения промежуточного резервуара до низкого давления при наполнении промежуточного резервуара электролитической жидкостью из накопительного резервуара и доведения промежуточного резервуара до давления сепаратора жидкости при наполнении сепаратора жидкости из промежуточного резервуара.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что накопительный резервуар установлен выше промежуточного резервуара.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что накопительный резервуар установлен ниже промежуточного резервуара.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что накопительный резервуар соединен с промежуточным резервуаром с помощью насоса и подающей линии.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что подающая линия снабжена клапаном, в частности обратным клапаном.

6. Система по пп.1 5, отличающаяся тем, что промежуточный резервуар соединен с сепаратором жидкости с помощью линии впуска жидкости, снабженной клапаном.

7. Система по пп.1 6, отличающаяся тем, что промежуточный резервуар и сепаратор жидкости соединены с трехходовым клапаном с помощью линий регулирования давления.