Способ контроля работы электролизера для получения водорода и сухого кислорода

Способ контроля работы электролизера для получения водорода и сухого кислорода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И СУХОГО КИСЛОРОДА из заключенного в пористую матрицу щелочного раствора , содержащего карбонаты, отличающийся тем, что, с целью повышения Нам лхгюс 1 и контроля процесса электролиза, контроль осуществляют по наличию бикарбонат-ионов в растворе, отделяемом от получающе1ося кислорода, и при появлении бикарбонат-ионов устанавливает предельнодопустимую плотность тока электролиза . 2. Способ ПОП.1, отличающийся тем, что отделение раствора от получающегося кислорода производят , путем охлаждения последнего ни же точки росыо

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ ЕС КИХ

РЕСПУБЛИК (si)s С 25 В 15/00, 1/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 3411878/26 (22) 24.03.82 (46) 07.07.93. Бюл. Г 25 (72) Б,С.Троянкер (56) Стендер B.Â, Прикладная электрохимия, изд. Харьковского университета, Харьков, 1961, с. 34-36.

Якименко Л.М., Модылевская И,Д., Ткачек 3,А. Электролиз воды, М, Химия, 1970, с, 202-205, (54) (57) 1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОТЫ

ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА

И СУХОГО КИСЛОРОДА из заключенного в пористую матрицу щелочного раствоИзобретение относится к электрохимической технологии, а более кон» кретно к способам контроля работы электролизеров, продуцирующих водород и сухой кислород электролизом заключенного в пористую матрицу раствора щелочного электролита.

Предлагаемый способ может быть ис" пользован при выполнении экспериментальных исследований, а также для контроля работоспособности и качества электролизеров, вырабатывающих сухой кислород, в том числе для решения задач технической диагностики подобных электролизеров.

Известен способ контроля работы электролизеров, который может быть использован для электролизеров, продуцирующих сухой кислород, Этот спо" соб включает контроль электрических параметров работы электролизера, со„„SU ÄÄ 1059930 А1 ра, содержащего карбонаты, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения над ж о iи контроля про цесса электролиза, контроль осуществляют по наличию бикарбонат-ионов в растворе, отделяемом от получающегося кислорода, и при появлении бикарбонат-ионов устанавливает предельнодопустимую плотность тока электролиза, 2, Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что отделение раствора от получающегося кислорода производят. путем охлаждения последнего ниже точки росы. держания кислорода в водороде и водорода в кислороде, например, с помощью газоанализаторов, температуры и давления продуцируемых газов. Однако а этот способ кон-.роля работы электро- С лизеров, продуцирующих сухой кисло- (Л род путем электролиза щелочного раствора, не дает возможность получить информацию о достижении предельно допустимой плотности тока.

6д

Известен .также способ контроля работы электролизера для получения водорода и сухого кислорода из заключенного в пористую матрицу щелочного л раствора, содержащего карбонаты. Этот способ предусматривает контроль электрических параметров, что позволяет путем замеров напряжения на электролизере при последовательно возрастающей плотности тока определить ее максимально допустимую величину, со-.

1 059930 ответствующую началу резкого роста напряжения.

Недостатком такого способа контроля работы злектрслизера для получения водорода и сухого кислорода путем электролиза, заключенного в пористую матрицу целочного раствора, содержа" щего карбонаты, заключается в том, что он дает завышенные значения максимально допустимой плотности тока.

В результате этого работа злектролиI зера при плотности тока, соответствующей полученной по этому способу величине максимально допустимой плот-15 ности тока, приводит к быстрому выхо" ду электролизера из строя вследствие коррозии используемых в нем никеле. вых анодов.

Целью настоящего изобретения явля - 0 ется повышение надежности контроля процесса электролиза.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе контроля работы электролизера для получения во- 25 цорода и сухого кислорода из заключенногс в пористую матрицу целочного раствора, содержацего карбонаты, контроль осуществляют пс наличию би- карбснат-ионов в растворе, отделяемом 3р ст получающегося кислорода, и при появлении бикарбонат-ионов устанавлива» ют предельно допустимую плотность тока на электродах, при этом отделение раствора от получающегося кислорода производят путем охлаждения последнего ниже точки росы, причем контроль производят после установления стационарного концентрационного профиля s пористой матрице.

Время установления стационарного концентрационного профиля в пористой матрице может быть определено путем повторяющихся определений химического состава конденсата, отделяемого от и роду ци руемсг о ки слорода при er o охлаждении, При этом сбор конденсата начинают одновременно с пуском злект" ролиэера, а сб окончании установления стационарного концентрационного профиля судят по неизменности концентрации ионов ОН, СО и НС0> в конденсате в последовательно выполненных определениях, Обнаружение бикарбонатных ионов в частицах раствора электролита, выноI снмых образующимся кислородом из ра" створа на ансдной стороне пористой

-«,трицы псэвсл«er Фиксировать проис ходящее в случае превышения предельно допустимой плотности тока, изменение химического состава укаэанного раствора вследствие изменения характера анодного процесса. Накопление воды B результате анодной реакции в щелочной среде: 40Н .- О + 2Н 0 +

+ 4е, а также несоответствие между электромиграционным подводом ионов и их расходован>1ем в анодном процессе в сочетании с ограниченной скоростью диффузии в пористой матрице приводит к тому, что на ансдной стороне пористой матрицы концентрация гидроксильных ионов падает до значений, близких к нулю, при одновременном концентрировании карбонатных ионов, Анодный процесс в этом случае протекает за счет разложения воды по реакции, характерной для нейтральных .и кислых растворов: 2Н О - О + 4Н +

+ 4е. Образующиеся при этом водородные ионы взаимодействуют с карбонатными ионами, концентрируемыми на анодной стороне пористой матрицы, в результате чего образуются бикарбонатные ионы по реакции:

C0 + Н - НСО

3 з

Понижение концентрации гидроксиль" ных ионов на анодной стороне пористой матрицы, фиксируемое по появлению бикарбонатов в частицах раствора электролита, приводит к тому, что анодный процесс протекает в нейтральном или даже подкисленном растворе, вызывающем усиленную коррозию исполь" зуемых в этом процессе никелевых ано" дов, В то же время концентрация элек" тролита в этом растворе, состоящего из накапливающихся на анодной стороне пористой матрицы карбонатов и об-.> разующихся из них бикарбонатов, остается сравнительно высокой. Поэтому снижение концентрации гидроксильных ионов, приводяцее к резкому усилению коррозии анода, не может быть надеж" но зафиксировано по росту напряжения.

Резкий рост напряжения происходит при более высоких плотностях тока, когда содержание всех ионов в растворе на анодной стороне пористой матрицы стремится к нулю, Таким образом, предложеннь>й способ контроля электролизерсв, вырабатываю" цих сухой кислород из щелочного раствора электролита, позволяет выявить предельную с точки зрения ксррозион1059930 мый кислород направляли в теплообменник, охлаждаемь.й водой с температурой

5-12 С, затем пропускали через сбор-ник конденсата и выбрасывали в атмос феру. После накопления в сбопнике конденсата 50-70 мл жидкости, пред" ставляющей собой смесь сконденсировавшихся паров воды и аэрозольных частиц раствора электролита, она подвергалась анализу на содержание ионов

15 ОН, СО и НСО .- После этого производили замер обцей целочности продуцируемого кислорода. Полученные данные сведены в таблицу. Результаты анализов конденсата при плотности тока 2000 А/м приведены из-за кратковременности этого „еж., ia вследствие быстрого роста напряжения, что не позволило накопить достаточный для анализа объем конденсата.

Как видно из таблицы, бикарбонатные ионы появляются в конденсате при плотности тока 1600 А/м2. Поэтому максимальное рабочее значение плотности тока, безопасное с точки зре® ния коррозии анодов, целесообразно принять равным 1200 А/м . Максимальная производительность электролизера при этом равна 41,6 нл/ч кислорода.

Из той же таблицы видно, что резкое. 5. повышение напряжения на электролизере имеет место лишь при плотности то ка 2000 А/м2, т,е, при более высоком значении по сравнению с плотностью тока, при которой появляются бикарбо40

50

Испытания проводили с последовательно увеличивающейся плотностью тока, начиная с 1000 А/м2. После по-- дачи электропитания электролизер вы" держивали в контролируемом режиме ра 1 ной стойкости анодов плотность тока, - величина которой меньше значения плотности тока, вызывающего резкий ! рост напряжения.

Пример 1. Проведены испытания электролизера, продуцируюцего сухой кислород из щелочного раствора, с целью определения его максимальной производительности, Электролизер представляет собой конструкцию Фильтропрессного типа, содержащую 12 последовательно включенных ячеек, активная площадь каждой из которых составляет 0,0130 м2, Каждая ячейка содержит металлокерамические никелевые катоды и аноды толциной 2 мм и пористостью 60-703, между которыми зажаты диафрагмы из асбокартона толщиной 0,55 мм. С тыльной стороны катодов и анодов размещеныникелевые сетки толциной 1,8 мм и

0,7 мм соответственно, образующие катодные заэлектродные пространства, через которые рециркулирует раствор электролита, и анодные заэлектродные пространства, служащие для отвода су- хого кислорода. Ячейки разделены между собой биполярными никелевыми электродами толциной 1 мм.

В процессе испытаний непрерывно контролировали температуру, силу то- ка и напряжение на электролизере, а в качестве. раствора электролита использовали 6 н, раствор KOH содержащий 10-15 г/л К СО . Этот раствор циркулировал через катодные заэлект-. родные пространства электролизера с . расходом 80 л/ч с помощью циркуляционного насоса, перед которым был установлен сепаратор для отделения от раствора электролита водорода. Цирку" ляционный .контур электролита автоматически подпитывается водой для компенсации ее расхолования .в процессе электролиза. Специальное термостатируюцее. устройство поддерживало температуру рециркулирующего электролита в интервале 24-26 i. Давление кислорода в процессе испытаний поддерживалось на 3,5 м вод.ст. выше давления раствора электролита в электролизере, боты до стабилизации напряжения, после чего работа электролизера продолжалась в том же режиме, а продуцируенатные ионы, Пример 2. Проведены испыта" ния вышеуказанного электролизера при плотности тока 2000 А/м2, т.е. npeBHшающей предельное значение, определенное по появлению бикарбонатных ионов. Остальные условия испытания соответствовали примеру 1, Испытания продолжительностью 60-80 ч повторяли трижды и прекращали после обнаружения резкого роста напряжения на отдельных участках ячейках с 2,2 В до

4,0 В. В результате ревизии электро" лизера во всех ячейках были обнаружены следы коррозии на тыльной стороне анодов, а примыкаюцие к ним никелевые сетки оказались частично забитыми продуктами коррозии, . Пример 3, Проводили испытания описанного в примере 1 электро1059930

Среднее напряжение на ячейке электролизера, В

Общая щелочность

Концентрация ионов в конденсате, г/л

Плотность тока, А/м кислоро" да, мг/нмз

Т 1

НСО

1,41

1,90

2,04

1,03 .О, 24

0,17

0,06

1000

1 O) 0,25

0,77

О, 28 0,30

1300 .

1600

2,13

3ьО

2000

Составитель

Редактор Е,Нефедова Техред М.Моргентал Корректор H.Êîðîëü

Заказ 2830 Тираж " . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, N-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 лизера, в котором диафрагмы из асбокартона толщиной 0,55 мм заменены на аналогичные диафрагмы толщиной

0,35 мм, Условия проведения .испытаний соответствовали примеру 2, Анализ конденсата показал наличие гидроксильных (1,25 г/л) и карбонатных (0,9 г/л) ионов. Отсутствие в конденсате бикарбонатных ионов свиде- 10 тельствует о том, что условия работы электролизера не достигали предельных значений. Дальнейшие испытания в течение 4000 ч непрерывной работы подтвердили возможность устойчивой работы электролизера с диафрагмой

3 толщиной 0 35 мм при плотности тока

2000 А/м и температуре 24-26 С, Предложенный способ контроля работы электролизера для получения во. дорода и сухого кислорода по сравнению с используемыми в настоящее время способами контроля электрических параметров, температуры, содержания кислорода в водороде и водорода в кислороде имеет следующее преимущество: обеспечивается возможность определения предельно допустимой плотности тока, что позволяет повысить интенсивность процесса электролиза, снизить вероятность выхода из строя электролизеров при их эксплуатации, обнаружить скрытые дефекты материа.= лов и элементов конструкции электролизеров.