RU2647841C2 - Water electrolyser and operation method thereof - Google Patents
Water electrolyser and operation method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2647841C2 RU2647841C2 RU2016133322A RU2016133322A RU2647841C2 RU 2647841 C2 RU2647841 C2 RU 2647841C2 RU 2016133322 A RU2016133322 A RU 2016133322A RU 2016133322 A RU2016133322 A RU 2016133322A RU 2647841 C2 RU2647841 C2 RU 2647841C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sealed
- electrolyte
- pressure
- water
- membrane
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 58
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 65
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 51
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 41
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims abstract description 35
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 25
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 23
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 21
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 19
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 15
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims description 9
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 8
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 6
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 4
- 210000005056 cell body Anatomy 0.000 claims description 3
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 abstract 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 abstract 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 14
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 6
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 6
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 3
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 3
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000010006 flight Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- -1 high pressure Chemical compound 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000010534 mechanism of action Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
- C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/05—Pressure cells
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электрохимии и может быть использовано в установках для разложения воды на водород и кислород, в том числе высокого давления, преимущественно в условиях невесомости.The invention relates to electrochemistry and can be used in installations for the decomposition of water into hydrogen and oxygen, including high pressure, mainly in zero gravity.
Известны электролизные установки для работы в невесомости, в которых кроме собственно электролизера, предназначенного для разложения воды на водород и кислород под действием электрического тока, имеются контуры циркуляции электролита, содержащие в качестве самостоятельных агрегатов насосы для циркуляции, теплообменники для отвода тепла от газов и электролита, а также газоотделители для выделения водорода и кислорода из газожидкостных смесей. Газоотделители для работы в невесомости могут быть центробежного типа с приводом (патент РФ №2525350, опубл. 10.08.2014, МПК: B64G 1/22 (2006.01), или статического типа с движением газожидкостной смеси по винтовому каналу (космическая электролизная установка «Электрон-ВМ», «Пилотируемые полеты в космос», №3 (8), 2013, стр. 86). Циркуляция электролита внутри электролизера может производиться вдоль электродов или по каналам в электродах, выполненным в форме змеевика (а.с. СССР №1840414, опубл. 10.01.2007, МПК С25В 1/10 (2006.01)).Electrolysis plants for work in zero gravity are known, in which, in addition to the electrolyzer itself, designed to decompose water into hydrogen and oxygen under the influence of electric current, there are electrolyte circulation circuits containing pumps for circulation, heat exchangers for removing heat from gases and electrolyte as independent units, as well as gas separators for the evolution of hydrogen and oxygen from gas-liquid mixtures. The gas separators for work in zero gravity can be of a centrifugal type with a drive (RF patent No. 2525350, publ. 08/10/2014, IPC: B64G 1/22 (2006.01), or of a static type with the movement of a gas-liquid mixture through a helical channel (space electrolysis installation "Electron- VM "," Manned space flights, No. 3 (8), 2013, p. 86). The electrolyte can be circulated inside the electrolyzer along the electrodes or along the channels in the electrodes made in the form of a coil (AS USSR No. 1840414, publ. 10.01.2007, IPC С25В 1/10 (2006.01)).
Общим недостатком этих установок является их конструктивная сложность, поскольку, например, с ростом давления газов каждый отдельный агрегат должен располагаться в отдельном прочном корпусе.A common drawback of these installations is their structural complexity, since, for example, with an increase in gas pressure, each individual unit must be located in a separate, robust housing.
Известны также электролизные установки, в которых газоотделители водорода и/или кислорода как отдельные агрегаты отсутствуют, а отделение газов от электролита происходит внутри электролизера на пористых гидрофобных электродах, вплотную прижатых к гидрофильной газозапорной диафрагме, внутрь которой подается электролит (патент JP 5314273 (В2), опубл. 16.10.2013, МПК С25В 9/00 (2006.01), или патент РФ №2074266, опубл. 27.02.1997, МПК С25В 9/00 (2006.01)).Electrolysis plants are also known in which hydrogen and / or oxygen gas separators as separate units are absent, and the gas is separated from the electrolyte inside the electrolyzer on porous hydrophobic electrodes, which are closely pressed against the hydrophilic gas shut-off diaphragm, into which the electrolyte is fed (JP 5314273 (B2), publ. October 16, 2013, IPC С25В 9/00 (2006.01), or RF patent No. 2074266, publ. 02/27/1997, IPC С25В 9/00 (2006.01)).
Такое же решение использовано в патенте РФ №2501890, опубл. 20.12.2013, С25В 9/10 (2006.01), принятом за прототип устройства. Электролизер включает корпус с установленными в нем электролизными ячейками, состоящими из катода, анода и газозапорной мембраны, насосы для циркуляции щелочного электролита, емкости с щелочным электролитом, систему подачи воды, отделители кислорода и водорода от паров воды и щелочи. Анод каждой из ячеек выполнен в виде трубы из сетчатого материала, а катод - в виде полого цилиндра из пористого гидрофобного материала. Эти электроды размещены вплотную к газозапорной гидрофильной мембране. Катод имеет связь по газу с водородной полостью между внешней стороной катода и корпусом. Электролит с помощью насоса циркулирует через газоотделитель кислорода и теплообменник. Между торцевой частью катода и корпусом установлена перегородка, образующая вместе с катодом и корпусом полость водорода.The same solution was used in RF patent No. 2501890, publ. 12/20/2013, С25В 9/10 (2006.01), adopted as a prototype device. The electrolyzer includes a housing with electrolysis cells installed in it, consisting of a cathode, anode, and a gas shut-off membrane, pumps for circulating an alkaline electrolyte, tanks with an alkaline electrolyte, a water supply system, oxygen and hydrogen separators from water vapor and alkali. The anode of each cell is made in the form of a tube of mesh material, and the cathode is in the form of a hollow cylinder of porous hydrophobic material. These electrodes are placed close to the gas-shut hydrophilic membrane. The cathode is connected in gas with a hydrogen cavity between the outer side of the cathode and the housing. The electrolyte is circulated through the oxygen separator and heat exchanger using a pump. A partition is installed between the end part of the cathode and the casing, which forms a hydrogen cavity together with the cathode and the casing.
Недостатком этого электролизера, как и аналогов, является сложность конструкции, которая выражается в наличии контура циркуляции электролита, а также газоотделителей, теплообменника и отделителей водяного пара, выполненных в виде отдельных агрегатов. Другим недостатком прототипа является невозможность работы в невесомости, поскольку отделение газа от жидкости происходит с использованием гравитации.The disadvantage of this electrolyzer, as well as analogues, is the design complexity, which is expressed in the presence of an electrolyte circulation circuit, as well as gas separators, a heat exchanger and water vapor separators, made in the form of separate units. Another disadvantage of the prototype is the inability to work in zero gravity, since the separation of gas from liquid occurs using gravity.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению - способу является электролизная установка космического назначения и способ ее эксплуатации (патент РФ №2543048, опубл. 27.02.2015, МПК: С25В 1/12 (2006/01)). В этом способе эксплуатации целью является осушка электролизных газов, которая производится в две стадии - путем охлаждения влажных газов в испарительном холодильнике и дальнейшего охлаждения при расширении этих газов в баллонах. Предлагается сконденсированную в этом процессе воду накапливать в пористом гидрофильном материале внутри баллонов, а затем отводить в жидком виде в электролизер и холодильник с помощью насосов.Closest to the proposed technical solution - the method is an electrolysis unit for space use and the method of its operation (RF patent No. 2543048, publ. 02.27.2015, IPC:
Одним из недостатков этого способа является то, что конденсация водяного пара как в холодильнике, так и в баллонах происходит в воду, находящуюся в пористом гидрофильном материале или в капельную воду внутри баллонов, которые при температуре около 0°С превращаются в лед в пористом материале, или в иней внутри баллона, и закупоривают пневмогидромагистрали, что сильно затрудняет дальнейшее охлаждение. Вторым недостатком является то, что в испарительном холодильнике происходит унос воды, которая в космосе является невосполнимым ресурсом.One of the disadvantages of this method is that the condensation of water vapor both in the refrigerator and in the cylinders takes place in water in a porous hydrophilic material or in droplet water inside the cylinders, which at a temperature of about 0 ° C turn into ice in a porous material, or in hoarfrost inside the cylinder, and the pneumohydraulic lines are clogged, which greatly complicates further cooling. The second disadvantage is that in the evaporative refrigerator, water is carried away, which in space is an irreplaceable resource.
Задача изобретения состоит в устранении указанных недостатков.The objective of the invention is to remedy these disadvantages.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции электролизера воды, а также более глубокая осушка газов.The technical result of the invention is to simplify the design of a water electrolyzer, as well as a deeper drying of gases.
Технический результат достигается тем, что в электролизере воды, содержащем источник тока, блок управления, герметичный корпус, на внешней поверхности которого установлен датчик температуры, подключенный к блоку управления, устройство для поддержания температуры герметичного корпуса в заданных пределах, расположенные в герметичном корпусе пористую гидрофильную мембрану, два прилегающих к ней пористых гидрофобных электрода - анода и катода, подключенных к источнику тока, две герметичные перегородки, одна из которых соединена с торцевой частью анода и герметичным корпусом с образованием кислородной полости между внешней поверхностью анода, перегородкой и внутренней поверхностью герметичного корпуса, а другая - с торцевой поверхностью катода и герметичным корпусом с образованием водородной полости между внешней поверхностью катода, перегородкой и внутренней поверхностью герметичного корпуса, при этом между перегородками образована полость электролита, соединенная с магистралью подачи воды с клапаном заправки воды, магистрали выдачи водорода и кислорода с клапанами для их выпуска из соответствующих полостей, регулятор перепада давлений газов, соединенный с магистралями выдачи указанных газов, и датчик давления, подключенный к блоку управления, внутренняя поверхность герметичного корпуса покрыта слоем пористого гидрофильного материала, аналогичного материалу мембраны и имеющего гидравлическую связь с полостью электролита и с мембраной, а герметичные перегородки выполнены гибкими и упругими, причем упругость каждой перегородки выбрана такой, чтобы во всем рабочем диапазоне ее перемещений величина давления упругости на электролит была ниже капиллярного давления мембраны и слоя пористого гидрофильного материала, при этом герметичные перегородки выполнены в виде диафрагм или сильфонов, кроме того, электролизер снабжен связанными с герметичным корпусом силовыми ограничителями максимального перемещения герметичных перегородок.The technical result is achieved in that in a water electrolyzer containing a current source, a control unit, a sealed enclosure, on the outer surface of which a temperature sensor is installed connected to the control unit, a device for maintaining the temperature of the sealed enclosure within specified limits, a porous hydrophilic membrane located in the sealed enclosure , two adjacent porous hydrophobic electrodes - anode and cathode connected to a current source, two sealed partitions, one of which is connected to the end the th part of the anode and the sealed housing with the formation of an oxygen cavity between the outer surface of the anode, the septum and the inner surface of the sealed housing, and the other with the end surface of the cathode and the sealed housing with the formation of the hydrogen cavity between the outer surface of the cathode, the partition and the inner surface of the sealed housing, an electrolyte cavity is formed between the partitions, connected to a water supply line with a water filling valve, a hydrogen and oxygen supply line from the valve and for their release from the respective cavities, a gas differential pressure regulator connected to the gas supply lines of these gases, and a pressure sensor connected to the control unit, the inner surface of the sealed housing is covered with a layer of porous hydrophilic material similar to the membrane material and having a hydraulic connection with the electrolyte cavity and with a membrane, and the sealed partitions are made flexible and elastic, and the elasticity of each partition is chosen so that in the entire working range of its movements the pressure value of the elasticity on the electrolyte was lower than the capillary pressure of the membrane and the layer of porous hydrophilic material, while the sealed partitions are made in the form of diaphragms or bellows, in addition, the electrolyzer is equipped with power limiters connected with the sealed case for maximum movement of the sealed partitions.
Технический результат достигается также тем, что в способе эксплуатации электролизера воды, включающем разложение воды в электролизере током с образованием водорода и кислорода при температуре, обеспечивающей заданную производительность, с контролем давления, температуры газов и тока электролиза, дальнейшее накопление, охлаждение и осушку полученных газов и последующую выдачу их потребителю, накопление, охлаждение и осушку газов производят внутри герметичного корпуса электролизера с обеспечением постоянного контакта газов с электролитом, в процессе разложения воды, при достижении заданного или максимально допустимого давления газов производят охлаждение герметичного корпуса электролизера до температуры, близкой к температуре плавления электролита, при этом темп охлаждения и/или ток электролиза поддерживают такими, чтобы давление газов в упомянутом корпусе в процессе охлаждения не снижалось, а по достижении вышеуказанной температуры отключают ток и производят выдачу осушенных газов потребителю.The technical result is also achieved by the fact that in the method of operation of the water electrolyzer, including the decomposition of water in the electrolyzer by current with the formation of hydrogen and oxygen at a temperature that provides a given performance, with control of pressure, gas temperature and electrolysis current, further accumulation, cooling and drying of the obtained gases and their subsequent delivery to the consumer, accumulation, cooling and drying of the gases is carried out inside the sealed cell body with constant contact of the gases with the electric olit, in the process of water decomposition, upon reaching a given or maximum allowable gas pressure, the sealed cell body is cooled to a temperature close to the melting temperature of the electrolyte, while the cooling rate and / or electrolysis current is maintained so that the gas pressure in the said body during cooling it did not decrease, and upon reaching the above temperature, the current is turned off and the dried gases are dispensed to the consumer.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемого электролизера воды.The invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of the proposed water electrolyzer.
Он включает в себя герметичный корпус 1, покрытый изнутри слоем пористого гидрофильного материала 2 и имеющий на внешней стороне датчик температуры 21, подключенный к блоку управления (не показан). С упомянутым корпусом связаны силовые ограничители максимального перемещения перегородок 3 и 14. В герметичном корпусе расположены гидрофильная пористая мембрана 7, два прилегающих к ней пористых гидрофобных электрода - анод 6 и катод 12, подключенные к источнику тока (не показан), две гибкие упругие герметичные перегородки 4 и 15, выполненные, например, в виде диафрагм, одна из которых соединена с торцевой частью анода 6 и корпусом 1 с образованием кислородной полости 5 между внешней поверхностью анода 6, перегородкой 4 и внутренней поверхностью герметичного корпуса 1, а другая - с торцевой частью катода 12 и корпусом 1 с образованием водородной полости 13 между внешней стороной катода 12, перегородкой 14 и внутренней поверхностью герметичного корпуса 1. При этом между перегородками 3 и 14 образована также полость электролита 16, гидравлически соединенная с гидрофильной мембраной 7 и слоем пористого гидрофильного материала 2. Кроме того, полость электролита 16 соединена с магистралью подачи воды 18, в состав которой входит клапан заправки воды 17. В состав электролизера входят также магистраль выдачи водорода 19 с клапаном выпуска водорода 10, магистраль выдачи кислорода 20 с клапаном выпуска кислорода 9, регулятор перепада давлений 8, соединенный с магистралями выдачи указанных газов, а также датчик давления 11, соединенный с любой из магистралей 19 или 20 и подключенный к блоку управления. В состав электролизера также входят (не показаны) источник тока, подключенный к аноду 6 и катоду 12, блок управления, подключенный ко всем датчикам, клапанам и источнику тока, и устройство для поддержания температуры герметичного корпуса в заданных пределах.It includes a sealed
Герметичный корпус 1 предназначен для размещения оборудования электролизера, противодействия внутреннему давлению газов и отвода тепла. Он имеет устройства для поддержания его температуры в заданных пределах (не показаны). Это может быть газовый или жидкостный теплообменник, либо радиационный излучатель.
Регулятор перепада давлений 8 предназначен для выравнивания давлений в полостях 5 и 13 и может быть любым из известных типов, например мембранным, в котором мембрана, перемещаясь под действием перепада давлений водорода и кислорода, открывает клапан выхода того газа, давление которого выше на заданную величину. Эта заданная величина должна быть такой, чтобы перепад давлений не превышал капиллярного давления мембраны 7 и гидрофильного слоя 2. В этом случае жидкость, заполняющая мембрану 7, не будет выдавливаться из нее под действием перепада давлений между полостями. Регулятор перепада давлений 8 устанавливают так, чтобы его входы и выходы соединялись с магистралью 20 выдачи кислорода и магистралью 19 выдачи водорода до и после выпускных клапанов 9 и 10.The
Электролизер работает следующим образом.The cell operates as follows.
Перед очередным циклом работы полость электролита 16 заполнена неизрасходованным в предыдущем цикле электролитом, например раствором щелочи КОН, перегородки 4 и 15 сближены между собой, объем полости 16 минимален, а концентрация электролита максимальна. Гидрофильная мембрана 7 и гидрофильный слой 2 замочены электролитом, непроницаемы для газов и сообщаются по жидкости между собой и с электролитом в полости 16. Клапаны 9, 10 и 17 закрыты. В полостях 5 и 13 находятся кислород и водород соответственно с остаточным (низким) давлением, а также водяной пар с парциальным давлением, соответствующим температуре электролизера.Before the next cycle of operation, the
Цикл работы электролизера начинается с того, что подают питание на блок управления (не показан), датчики давления 11 и температуры 21, включают регулятор перепада давлений 8 (если он электрического типа).The cycle of operation of the electrolyzer begins with the fact that power is supplied to the control unit (not shown), the
Далее открывают клапан 17 и с помощью внешнего дозирующего устройства (не показано) подают по магистрали подачи воды 18 в полость электролита 16 заданное количество дистиллированной воды. Это количество воды может быть определено различными способами, например, может быть подано столько воды (по массе), сколько наработано электролизных газов в предыдущем цикле. Можно также расчет заправки воды производить по наработанному в предыдущем цикле количеству амперчасов. В процессе заполнения водой перегородки 4 и 15 раздвигаются, давление кислорода, водорода, электролита в полостях 5, 13, 16 увеличивается. После заправки клапан 17 закрывают. Под действием диффузии дистиллированная вода разбавляет оставшийся в электролизере в полости 16, мембране 7 и гидрофильном слое 2 электролит до минимальной рабочей концентрации.Next, the
Затем подают напряжение постоянного тока от внешнего источника тока (не показан) на гидрофобные электроды 6 (анод) и 12 (катод) соответственно, положительной, и отрицательной полярности. Через мембрану 7, пропитанную электролитом, идет ток, при этом на границе между электродом 6 и мембраной 7 выделяется кислород, а на границе между электродом 12 и мембраной 7 - водород. Газы не могут проникать внутрь мембраны 7 из-за сил поверхностного натяжения жидкости, поэтому они идут сквозь пористые электроды 6 и 12, соответственно кислород - в полость 5, а водород - в полость 13. Гидрофобность электродов 6 и 12 не допускает их смачивания жидким электролитом, поэтому пористые каналы в электродах всегда сухие и проницаемы для газов.Then a DC voltage from an external current source (not shown) is supplied to the hydrophobic electrodes 6 (anode) and 12 (cathode), respectively, of positive and negative polarity. A current flows through the
В процессе прохождения тока через электролит мембрана 7 нагревается и усиливается процесс испарения воды из электролита. Водяной пар с поверхности мембраны 7 свободно проходит сквозь гидрофобные электроды в полости 5 и 13. В этих полостях пар частично конденсируется на более холодном гидрофильном слое 2, а образовавшаяся вода впитывается в гидрофильный слой 2 под действием капиллярных сил. При этом тепло от конденсации водяного пара передается корпусу 1 и далее отводится от него внешними средствами. Описанный механизм переноса тепла от мембраны к корпусу, и циркуляция воды в электролизере, аналогичен механизму действия тепловой трубы. Несконденсированный пар остается в полостях 5 и 13, его парциальное давление равно давлению насыщенного пара над щелочью при температуре, равной средней температуре в полостях 5 и 13.During the passage of current through the electrolyte, the
Избыточное количество воды в гидрофильном слое 2 под действием капиллярного давления перемещается в полость 16 и в мембрану 7, с которыми гидрофильный слой 2 гидравлически связан. Движение жидкости из гидрофильного слоя 2 в полость 16 происходит потому, что капиллярное давление в гидрофильном слое 2 и мембране 7 выше, чем давление упругости перегородок 4 и 15 на электролит во всем рабочем диапазоне перемещения перегородок. Капиллярное давление в гидрофильном материале возникает на границе жидкости и газа и обусловлено тем, что из-за смачиваемости материала граница жидкости состоит из менисков выпуклой формы, на которых силы поверхностного натяжения создают в жидкости избыточное давление. Это капиллярное давление пропорционально смачиваемости гидрофильного материала и обратно пропорционально радиусу капилляров.Excess water in the
Гибкие перегородки 4 и 15 служат для образования полости электролита 16 переменного объема, для выравнивания давления электролита с давлениями газов, для снижения перепада давлений газов в полостях 5 и 13. Кроме того, перегородки создают дополнительное давление на электролит за счет своей упругости. Это дополнительное давление создает условие для постоянного принудительного замачивания мембраны 7. Без этого давления при работе в невесомости может возникнуть ситуация, когда жидкость в полости 16 соберется в шаровую каплю и оторвется от мембраны 7, а жидкость в мембране 7 израсходуется на электролиз. Дополнительное давление со стороны перегородок не должно превышать капиллярного давления, чтобы не передавить электролит из мембраны 7 и гидрофильного слоя 2 в газовые полости 5 и 13. Например, если капиллярное давление в мембране и в гидрофильном слое составляет 10 кПа, то давление упругости эластичных перегородок на электролит, даже при их наибольшем возможном растяжении, не должно превышать 10 кПа.
В процессе накопления газов в полостях 5 и 13 давление в них растет. Для обеспечения приблизительно одинакового роста давлений в полостях 5 и 13 объемы этих полостей конструктивно выполняются в отношении 1:2, в соответствии с молярностью производимых газов. Предельно допустимое давление газов определяется прочностью герметичного корпуса 1, клапанов 9, 10, 17, регулятора перепада давлений 8 и датчика давления 11. Контроль температуры осуществляется по датчику температуры 21, контроль давления - по датчику давления 11, выравнивание давлений в полостях 5 и 13 - с помощью постоянно работающего регулятора перепада давлений 8. Дополнительное регулирование перепада давлений осуществляется гибкими перегородками 4 и 15, которые под действием нескомпенсированного перепада давлений в полостях 5 и 13 имеют возможность перемещаться вправо или влево в пределах своего свободного хода, вплоть до силовых ограничителей 3 и 14.During the accumulation of gases in
Как правило, потребителю требуется выдача осушенных газов. Например, в космической технике применяют газы с точкой росы порядка минус (50-60)°С.Typically, the consumer requires the issuance of dried gases. For example, in space technology, gases with a dew point of the order of minus (50-60) ° C are used.
Сущность предлагаемого способа эксплуатации электролизера воды заключается в следующем.The essence of the proposed method of operation of a water electrolyzer is as follows.
Накопление электролизных газов производят внутри герметичного корпуса 1 электролизера, в полостях 5 и 13 при закрытых клапанах 9 и 10. Процесс электролиза сопровождается выделением тепла при прохождении тока через электролит. Это тепло снимается с герметичного корпуса 1 с помощью внешнего теплообменника, причем рабочая температура электролиза может быть выбрана в широких пределах. В предлагаемом электролизере, как и в большинстве других, температуру электролиза при наработке газов поддерживают в пределах 50-70°С. Эта температура является оптимальной для обеспечения как малых потерь тока из-за низкого сопротивления электролита, так и относительно малого испарения воды.The accumulation of electrolysis gases is carried out inside the sealed
По мере расходования воды на электролиз объем полости 16 уменьшается, объемы полостей 5 и 13 увеличиваются, концентрация электролита растет, давление во всех полостях также растет.As water is consumed for electrolysis, the volume of the
При достижении по датчику давления 11 заданного или предельно допустимого давления газов, не выключая тока электролиза, проводят дополнительное, более интенсивное охлаждение герметичного корпуса 1 и постепенно доводят его температуру до температуры, близкой к температуре плавления электролита. При этом темп охлаждения и ток электролиза поддерживают такими, чтобы давление газов в корпусе в процессе охлаждения не снижалось. Контроль температуры производится по датчику температуры 21, и по достижении указанной температуры следует отключить ток и произвести выдачу газов потребителю путем открытия клапанов 9 и 10.When the
Температура плавления электролита, например, 30% раствора КОН составляет минус 60°С. При охлаждении до этой температуры (но до начала замерзания) электролизер полностью работоспособен, хотя его электрический КПД снижается примерно вдвое. Эти данные были получены в экспериментальных работах в РКК «Энергия».The melting point of an electrolyte, for example, a 30% KOH solution is minus 60 ° C. When cooled to this temperature (but before freezing), the electrolyzer is fully operational, although its electrical efficiency is reduced by about half. These data were obtained in experimental work at RSC Energia.
При охлаждении до минус (55-60)°С насыщенный водяной пар в полостях 5 и 13 конденсируется на поверхности гидрофильного слоя 2, соединяясь с насыщенным раствором щелочи и разбавляя его, впитывается в жидком виде в гидрофильный слой 2, далее он собирается в полости электролита 16 и в дальнейшем используется в следующем цикле работы. При этом, в отличие от прототипа, вода не уходит из электролизера вместе с паром.When cooled to minus (55-60) ° C, saturated water vapor in
Существенно важным в данном способе является также и то, что конденсация пара происходит не над водой, как в прототипе, а над электролитом. Известно, что давление насыщенного пара над электролитом при любой температуре более чем вдвое меньше, чем над водой. Например, при температуре 20°С давление пара над 30% раствором NaOH составляет 8 мм рт.ст., а над водой - 17,5 мм рт.ст. (Якименко Л.М., Электролиз воды, 1970, с. 28). Эта особенность позволяет получить в электролизере осушенные газы с точкой росы ниже чем минус 60°С.Essentially important in this method is also the fact that the condensation of the vapor does not occur over water, as in the prototype, but over the electrolyte. It is known that the pressure of saturated vapor above the electrolyte at any temperature is more than half that of water. For example, at a temperature of 20 ° C, the vapor pressure above a 30% NaOH solution is 8 mm Hg, and above water it is 17.5 mm Hg. (Yakimenko L.M., Water Electrolysis, 1970, p. 28). This feature allows you to get dried gases in the electrolyzer with a dew point lower than minus 60 ° C.
Для выдачи наработанных газов потребителю открывают клапаны 9 и 10 и выдают водород по магистрали 19, а кислород - по магистрали 20. После выдачи осушенных газов потребителю клапаны 9 и 10 закрывают, при этом цикл работы электролизера завершается.To produce accumulated gases to the consumer,
Описанные выше процессы относятся к штатной работе электролизера. В случае аварийной ситуации, при отказе регулятора перепада давлений 8 или отказе одного из клапанов 9 или 10, на перегородки 4 и 15 действует перепад давлений, существенно больше допустимого, вплоть до полного давления одного из газов. Например, при разгерметизации полости 5, перегородка 4 полностью прилегает к силовому ограничителю 3 и передает ему полное усилие от давления газа в полости 13. Перепад давлений между полостями 16 и 5 становится выше капиллярного, и жидкость из полости электролита 16, а также из мембраны 7 и гидрофильного слоя 2 передавливается в полость 5, после чего перегородка 15 также прилегает к ограничителю 3. Таким образом, разрушения мембран, как наименее прочных элементов конструкции, не происходит. В случае ликвидации аварийной ситуации и выравнивания давлений во всех полостях перегородки возвращаются в рабочее положение, электролит из полости 5 впитывается в гидрофильный слой 2 и далее в мембрану 7 и заполняет полость электролита 16. После этого электролизер снова готов к работе.The processes described above relate to the normal operation of the electrolyzer. In the event of an emergency, in the event of a failure of the
Конструктивно в качестве ограничителей 3 и 14 может использоваться внутренняя поверхность герметичного корпуса 1. Перегородки 4 и 15 могут быть выполнены, например, из щелочестойкой резины или полисульфона. Гидрофильные слои 2 и мембрана 7 могут быть выполнены из щелочестойких синтетических фильтровальных материалов (например, ПП-100, МПС-020, ММК-010 производства ООО НПП "Технофильтр", г. Владимир). Гидрофобные электроды могут быть изготовлены из никелевых сеток или спеченного никелевого порошка с фторопластовым покрытием (за исключением внешнего электропроводящего слоя, прилегающего к мембране). Охлаждение корпуса электролизера до минус 60°С в условиях космоса может быть достигнуто его затенением от солнечных лучей и раскрытием в сторону открытого пространства, без использования контура терморегулирования космического аппарата.Structurally, the internal surface of the sealed
Кроме предложенного способа, электролизер может работать и в традиционном режиме, при постоянном давлении и температуре, с непрерывной выдачей газов потребителю. При этом клапаны 9 и 10 должны быть открыты, а уход газов потребителю компенсироваться их наработкой.In addition to the proposed method, the electrolyzer can work in the traditional mode, at a constant pressure and temperature, with the continuous release of gases to the consumer. In this case, the
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016133322A RU2647841C2 (en) | 2016-08-11 | 2016-08-11 | Water electrolyser and operation method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016133322A RU2647841C2 (en) | 2016-08-11 | 2016-08-11 | Water electrolyser and operation method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016133322A RU2016133322A (en) | 2018-02-14 |
RU2647841C2 true RU2647841C2 (en) | 2018-03-21 |
Family
ID=61227476
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016133322A RU2647841C2 (en) | 2016-08-11 | 2016-08-11 | Water electrolyser and operation method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2647841C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3918112A4 (en) * | 2019-02-01 | 2022-10-26 | Aquahydrex, Inc. | Electrochemical system with confined electrolyte |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0389263A1 (en) * | 1989-03-24 | 1990-09-26 | United Technologies Corporation | Electrochemical hydrogen separator system for zero gravity water electrolysis |
JPH0339493A (en) * | 1989-07-07 | 1991-02-20 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Water electrolyzing equipment |
RU2074266C1 (en) * | 1991-06-22 | 1997-02-27 | Машинен-унд Анлагенбау Гримма ГмбХ (МАГ) | Electrolytic cell and electrode with capillary clearances for electrolytic reactions with release and absorption of gas and electrolytic method |
RU2126569C1 (en) * | 1993-04-30 | 1999-02-20 | Де Нора С.п.А. | Galvanic cell for chemical source of electric energy |
JP3039493B2 (en) * | 1997-11-28 | 2000-05-08 | 日本電気株式会社 | Substrate cleaning method and cleaning solution |
CN105392926A (en) * | 2013-07-26 | 2016-03-09 | 夏普株式会社 | Porous electrically conductive member for use in water electrolysis, and functional water generator equipped with same |
-
2016
- 2016-08-11 RU RU2016133322A patent/RU2647841C2/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0389263A1 (en) * | 1989-03-24 | 1990-09-26 | United Technologies Corporation | Electrochemical hydrogen separator system for zero gravity water electrolysis |
JPH0339493A (en) * | 1989-07-07 | 1991-02-20 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Water electrolyzing equipment |
JP2706320B2 (en) * | 1989-07-07 | 1998-01-28 | 三菱重工業株式会社 | Water electrolysis device |
RU2074266C1 (en) * | 1991-06-22 | 1997-02-27 | Машинен-унд Анлагенбау Гримма ГмбХ (МАГ) | Electrolytic cell and electrode with capillary clearances for electrolytic reactions with release and absorption of gas and electrolytic method |
RU2126569C1 (en) * | 1993-04-30 | 1999-02-20 | Де Нора С.п.А. | Galvanic cell for chemical source of electric energy |
JP3039493B2 (en) * | 1997-11-28 | 2000-05-08 | 日本電気株式会社 | Substrate cleaning method and cleaning solution |
CN105392926A (en) * | 2013-07-26 | 2016-03-09 | 夏普株式会社 | Porous electrically conductive member for use in water electrolysis, and functional water generator equipped with same |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3918112A4 (en) * | 2019-02-01 | 2022-10-26 | Aquahydrex, Inc. | Electrochemical system with confined electrolyte |
US11682783B2 (en) | 2019-02-01 | 2023-06-20 | Aquahydrex, Inc. | Electrochemical system with confined electrolyte |
US12080928B2 (en) | 2019-02-01 | 2024-09-03 | Edac Labs, Inc. | Electrochemical system with confined electrolyte |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016133322A (en) | 2018-02-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US12080928B2 (en) | Electrochemical system with confined electrolyte | |
US5306577A (en) | Regenerative fuel cell system | |
US5277994A (en) | Variable pressure passive regenerative fuel cell system | |
EP2247773B1 (en) | Water management and cooling during electrolysis | |
US3172784A (en) | Methods and apparatus for removing heat and water from a fuel cell | |
JP6332792B2 (en) | Water electrolysis method and water electrolysis apparatus | |
DE19629719C2 (en) | Water evaporation cooling system and process based on an electrolytic reaction | |
CA2819103A1 (en) | Electrolysis method and electrolytic cells | |
US5407756A (en) | Anode assembly for a variable pressure passive regenerative fuel cell system | |
CN114430056A (en) | Humidity control method for proton exchange membrane fuel cell system | |
RU2647841C2 (en) | Water electrolyser and operation method thereof | |
US20170232385A1 (en) | Dehumidifying and humidifying device | |
KR102468372B1 (en) | Water electrolysis device comprising an electrolyte correction unit equipped with a diaphragm | |
RU2501890C1 (en) | Electrolytic cell to produce hydrogen and oxygen from water | |
JP5314273B2 (en) | Electrolyzer and fuel cell power generation system using the same | |
JP5960464B2 (en) | Charging / discharging system and its operation method | |
JP2020012146A (en) | Electrolysis tank, and method of using the same | |
CN116742080B (en) | Hydrogen fuel cell water separation method and system | |
RU2623437C1 (en) | Electrolytic cell for producing hydrogen and oxygen from water | |
CN217052429U (en) | Water electrolysis device based on three-electrode system | |
JP7308361B2 (en) | Electrolytic system and method of use | |
JP7295704B2 (en) | Method of operating electrolyzer and electrolyzer | |
DE10306342A1 (en) | Electrolysis arrangement for obtaining hydrogen and oxygen from water comprises an electrolysis cell having a current connection, electrolyte supplies , gas compartments, and a housing with a current feed and a gas outlets | |
JP7269099B2 (en) | Method of operating electrolyzer and electrolyzer | |
KR20230114466A (en) | Humidification chamber-integrated electrolysis device |