Электролизер для разложения воды

Электролизер для разложения воды

Реферат

 

Изобретение относится к устройствам для электролитического разложения воды и может использоваться в энергетической, химической и других отраслях промышленности. Электролизер позволяет увеличить производительность. Электролизер включает цилиндрический корпус, коаксиально расположенные цилиндрические электроды, разделенные герметично укрепленной мембраной, патрубки для подвода и отвода электролита также коаксиальные корпусу, выполненные продолжением электродов. Между корпусом и внешним электродом электролизер снабжен нажимным устройством в виде перфорированных шайб, крайние из которых выполнены из диэлектрического материала, обеспечивающим поджатие пружинных элементов из электропроводного материала. В указанном электролизере достигается увеличение его пропускной способности и обеспечение равномерного распределения тока по поверхности мембраны. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам для электролитического разложения воды, в частности к конструкциям электролизеров с твердополимерным электролитом и может быть использовано в энергетической, химической и других отраслях промышленности. Цель изобретения - увеличение пропускной способности электролизера и обеспечение равномерного распределения тока по поверхности мембраны. Поставленная цель достигается в электролизере, представленном на фиг. 1, вид электролизера; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - увеличенный узел I на фиг. 1. Электролизер состоит из корпуса 1 с патрубком 2 для подвода реакционной воды и патрубков 3 и 4 (для отвода анодных и катодных продуктов), соединенных с корпусом фланцевым соединением с помощью болтов 5 и гаек 6. Болты снабжены втулками 7 и шайбами 8 из диэлектрического материала. Герметизация фланцевых соединений осуществляется уплотнительным резиновым кольцом 9. Для предотвращения короткого замыкания между фланцами установлена диэлектрическая прокладка 10. Электролизная ячейка размещена внутри корпуса. Она содержит полую цилиндрическую перфорированную коаксиальную корпусу гильзу 11, на которую насажены внутренний сетчатый электрод 12, ионообменная мембрана 13 и внешний сетчатый электрод 14. На поверхностях электродов, обращенных к мембране, нанесен слой каталитически активных материалов. Внешний электрод по всей длине обжат для обеспечения надежного электрического контакта между электродами и мембраной перфорированным хомутом 15 с помощью болтов 16 и гаек 17. Для предотвращения смешивания анодных и катодных продуктов электролиза боковые поверхности мембраны у ее торцов уплотняются уплотнительными манжетами 18 с помощью нажимной втулки 19 и воротника 20, выполненных из диэлектрических материалов. К торцовым поверхностям гильзы 11 крепятся шпильками 21 и гайками 22 патрубки 23 и 3 для подвода потока воды к внутреннему электроду и отвода от него продуктов электролиза. Между корпусом 1 электролизера и гильзой 11 размещены витые пружинные элементы 24, выполненные из электропроводного материала и разделенные перфорированными металлическими шайбами 25, при этом верхние шайбы 26 и нижние шайбы 27 изготовлены из диэлектрика. Пружинные элементы поджимаются нажимными винтами 28 и, упруго деформируясь, обеспечивают многоточечный контакт между корпусом и хомутом и, соответственно, внешним электродом. Подвод электрического тока к внутреннему электроду осуществляется от клеммы 29, к внешнему - от клеммы 30. Работа электролизера осуществляется следующим образом. Водный поток с развитой турбулентностью, подаваемый на корректировку его водохимического состава, поступает к электролизной ячейке по патрубку 2. При этом часть потока поступает по патрубку 23 во внутреннюю полость гильзы 11 и через ее перфорацию к внутреннему сетчатому электроду 12 и ионообменной мембране 13. Другая часть потока вдоль внутренней поверхности корпуса электролизера поступает через перфорированные шайбы 25, пружинные элементы 24 и отверстия перфорированного хомута 15 к внешнему сетчатому электроду 14 и ионообменной мембране 13. Гидравлическое сопротивление потоку реакционной воды, подаваемой к внутреннему электроду, незначительно и зависит в основном от сопротивления патрубков 23 и 3. Сопротивление потоку, подаваемому к внешнему электроду, лимитируется сопротивлением витых пружинных элементов 24 и перфорированных нажимных шайб 25. Это позволяет вести процесс при повышенных расходах реакционной воды и повышенных скоростях. Ток к внутреннему электроду передается от клеммы 29 по патрубку 3 и перфорированной гильзе 11, к внешнему - от клеммы 30 через корпус 1, витые пружинные элементы 24 и перфорированный хомут 15. При подаче напряжения на электролизер на границах электрод - мембрана образуются в анодной зоне кислород и в катодной - водород. Образующиеся в результате электрохимической реакции газы диффундируют через сетчатые электроды 12 или 14 и, соответственно, через перфорации гильзы 11 или хомута 15 и уносятся раздельно потоками воды по патрубкам 3 или 4. Смешения газов не происходит, так как ионообменная мембрана с торцовых сторон герметично уплотнена манжетами 18 и воротниками 20. Повышенная скорость потоков воды способствует более равномерному распределению газов по сечению потока, в результате чего происходит эффективная корректировка водохимического состава исходного потока. При работе, например внутреннего электрода как анода, образующийся кислород диффундирует через электрод 12 и перфорированную гильзу 11 и уносится потоком по патрубку 3. Водород диффундирует через электрод 14, перфорированный хомут 15 и уносится потоком по патрубку 4. Полярность электродов может быть легко изменена соответствующим переключением проводов от источника тока к клеммам 29 или 30. Соотношение потоков, подаваемых в анодную и катодную зоны, также можно легко регулировать в широком диапазоне установкой соответствующей запорной арматуры на патрубках 3 и 4. Предлагаемый электролизер менее чувствителен к наличию механических включений в исходном водном потоке, так как повышенная скорость потока препятствует их осаждению на электродах, что, в свою очередь, обеспечивает их однородную структуру и равномерность распределения тока по ионообменной мембране. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять непосредственную обработку водных потоков с повышенной пропускной способностью и с достаточной степенью эффективности. Для корректировки содержания кислорода в охлажденном контуре АЭС необходимо до 90 м³/г водорода. Для получения такого количества водорода необходимо разложить 72 10^-3 м³/ч воды. Практически из-за необходимости поддержания стабильного температурного режима через электролизер пропускают большее количество воды - до 2 м³/ч. На такую скорость прокачки воды и рассчитывают жидкостные тракты электролизеров. Для нейтрализации водородом избыточного кислорода в водных технологических потоках промышленных установок целесообразно полное растворение генерируемого электролизером водорода в воде для предотвращения газовых карманов, застойных зон в трубопроводе, обеспечения стабильной работы перекачивающих насосов и т.д. Растворимость водорода в воде невелика и при давлении 2,5 МПа и температуре 90^оС составляет 439 см³/г воды. Т.е. для растворения 90 м³/ч водорода через электролизер необходимо прокачать не менее 200 м³/ч воды. Практически при конструктивном оформлении газожидкостных трактов электролизера по патенту США N 4210511 (прототип) это невозможно. Т.е. необходимо из общего технологического водного потока отобрать часть воды на электролиз, применить промежуточную емкость для сбора генерируемого водорода, компримировать газ до давления, превышающего давление в общем технологическом потоке и равномерно подавать водород в поток. Это усложняет конструкцию и увеличивает удельные энерго- и материалоемкость. Через предлагаемый электролизер такой водный поток пропустить возможно. При рекомендуемой скорости жидкостного потока в трубопроводах 3 м/с диаметр электролизера составит 160 мм. Одинаковая с прототипом площадь электродов (равная производительность) обеспечивается набором электролизных ячеек. В электролизерах с твердополимерным электролитом при разложении воды через катионообменную мембрану вместе с протоком водорода передается несколько молекул воды, поэтому для проведения электрохимической реакции воду достаточно подавать в анодную зону. Как отмечалось выше, для обеспечения равной с прототипом производительности достаточно подавать 1-2 м³/ч воды. В предлагаемом устройстве основной технологический корректируемый поток можно пропускать через катодную зону достаточно большого (любого необходимого) диаметра, а на разложение подавать небольшую часть потока во внутреннюю анодную зону. В предлагаемой экспериментальной установке с внутренним диаметром катодной зоны 35 мм через электролизер прокачивали 3 м³/ч воды. При плотности тока до 1 А/см² и площади электрода 120 см² в водородной разделительной колонке свободного выделения водорода практически не наблюдается. Таким образом, предлагаемый электролизер может устанавливаться как часть общего технологического трубопровода и пропускать через себя весь водный поток. При этом генерируемый водород легко растворяется в потоке воды, чем достигается высокая эффективность корректировки избыточного содержания кислорода и увеличивается скорость процесса нейтрализации кислорода.

Формула изобретения

1. ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ РАЗЛОЖЕНИЯ ВОДЫ, включающий цилиндрический корпус, электроды, разделенные ионообменной мембраной, анодные и катодные пространства, патрубки для подвода и отвода электролита, отличающийся тем, что, с целью увеличения пропускной способности электролизера и обеспечения равномерного распределения тока по поверхности мембраны, электроды, разделяющая мембрана, патрубки подвода и отвода выполнены цилиндрическими, коаксиальными корпусу, патрубки соединены с электродами и электролизер снабжен нажимным устройством с пружинными элементами из электропроводного материала, контактирующими с корпусом и внешним электродом и установленными между корпусом и внешним электродом. 2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что нажимное устройство выполнено в виде перфорированных шайб, разделяющих пружинные элементы, при этом крайние шайбы выполнены из диэлектрического материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3