Гідроелектролізер

УКРАЇНА (19) UA (11) 80052 (13) C2 (51) МПК (2006) C25B 9/00 C25B 1/00 C25B 15/00 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ Д ЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛ ЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) ГІДРОЕЛЕКТРОЛІЗЕР Винахід відноситься до області водневої енергетики, зокрема до електролізерів, які можуть бути використані для розділення води на водень і кисень. Відомо пристрій для одержання газу електролізом рідини [заявка Франції №2410058, 325 В 9/00, 1/08, 15/*8, публ. 27.07.79 № 80. «Удосконалений пристрій для одержання газу електролізом рідини»], який складається з декількох з'єднаних між собою комірок з біполярними електродами і діафрагмами. Недоліком цього пристрою є велике число тонких пластин електродів, що обмежують плоску камеру невеликої товщини, що є частиною контуру, по якому циркулює охолоджена рідина, що має електроізолюючі властивості для відводу тепла. Такий пристрій істотно збільшує металоємність і вартість електролізера. Найбільш близьким по технічній сутності є пристрій для одержання газу електролізом, узятий як прототип [заявка Франції №2410059, 325 В9/00, 1/08, опубл. 27.07.79, №30, «Удосконалений пристрій для одержання газу електролізом»]. Пристрій для одержання газу являє собою електролізер з (13) них осередків роздільні канали магістралей водню, кисню і живильної води, який відрізняється тим, що у кожному електролізному осередку реактора є два металевих кільця, між якими встановлений суцільний диск іонообмінної мембрани, що розділяє електролізний осередок на анодну і катодну порожнини, по зовнішніх сторонах двох металевих кілець розташовані диски біполярних електродів, що складаються зі з'єднаних між собою за допомогою зварювання вибухом пластини титану з анодної сторони і пластини сталі з нікелевим покриттям з катодної сторони, і мають на внутрішній площині дисків гофровані виштамповки, а на торцях опорних анодної і катодної плит із внутрішньої сторони реактора є такі ж гофри, на 1/3 ширини від внутрішньої поверхні металевих кілець розташовані роздільні канали магістралей: угорі - водню і кисню, унизу - живильної води, з боків - для двох фіксуючи х стрижнів з ізолюючого матеріалу, причому канали магістралей водню, кисню і живильної води з'єднані з внутрішніми анодними і катодними порожнинами радіальними отворами в шаховому порядку, киснева магістраль роздільно з'єднана з анодними порожнинами, воднева магістраль з'єднана з катодними порожнинами електролізних осередків, а магістраль живильної води з'єднана знизу отворами з кожною анодною і катодною порожнинами електролізних осередків. (19) UA (11) (21) a200511865 (22) 12.12.2005 (24) 10.08.2007 (46) 10.08.2007, Бюл. №12, 2007р. (72) Кудря Степан Олександрович, Александров Анатолій Олександрович (73) ІНСТИТУТ ВІДНОВЛЮВАНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ НАН УКРАЇНИ (56) UA, 12577, A, 28.02.1997 SU, 644871, 30.01.1979 SU, 1634727, A1, 15.03.1991 SU, 1419190, A1, 10.03.1995 FR, 241059, A1, 22.06.1979 US, 5783051, A, 21.07.1998 JP, 09176884, A, 08.07.1997 (57) Гідроелектролізер, що містить горизонтально розташований циліндричний реактор, який складається з декількох з'єднаних один з одним електролізних осередків, розташованих між опорними анодною і катодною плитами, скріпленими між собою стяжними болтами, пропущеними через ізолюючі втулки, оснащені комплектом тарілчастих пружин компенсації температурних розширень, електролізні осередки оснащені вертикальними дисками біполярних електродів з ізолюючими прокладками між металевими кільцями і розташованими між ними іонообмінними мембранами, що мають по внутрішньому периметрові електроліз C2 2 80052 1 3 80052 декількох з'єднаних один з одним осередків. Електролізер містить комплект біполярних електродів, що чередуються, утвореними частково хвилястими металевими пластинами і діафрагмами, кожна з яких затиснута між вигинами двох електродів, що їх тримають і обрамляють. Недоліком цього пристрою є: - ненадійне кріплення діафрагм між хвилястими вигинами двох електродів; - ослаблення поперечного переріза осередку отворами газових каналів і діафрагмами. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення електролізера, в якому шляхом зміни конструкції електролізного осередку забезпечується міцне кріплення іонообмінної мембрани, що підвищує експлуатаційну надійність електролізера. Поставлена задача вирішується тим, що в гідро - електролізері утримується горизонтально розташований циліндричний реактор, що складається з декількох з'єднаних один з одним електролізних осередків, розташованих між опорними анодною і катодною плитами, скріпленими між собою стяжними болтами, пропущеними через ізолюючі втулки, постачені комплектом тарілчастих пружин компенсації температурних розширень, електролізні осередки постачені вертикальними дисками біполярних електродів з ізолюючими прокладками між ними і розташованими між ними іонообмінними мембранами, що має по внутрішньому периметрі електролізних осередків роздільні канали магістралей водню (Н2), кисню (О2) і живильн^ води (Н2О - КОН). Відповідно до винаходу в кожнім електролізному осередку реактора мається два металевих кільця, між якими встановлений суцільний диск іонообмінної мембрани, що розділяє електролізний осередок на анодну і катодну порожнини, з боків двох металевих кілець розташовані диски біполярних електродів, що складаються з з'єднаних між собою (за допомогою зварювання вибухом) пластини титана з анодної сторони і пластини сталі з нікелевим покриттям з катодної сторони і мають на внутрішній площі дисків гофровані виштамповки, а на торцях опорних анодної і катодної плит із внутрішньої сторони реактора маються такі ж гофри, на 1/3 ширини від внутрішньої поверхні металевих кілець розташовані роздільні канали магістралей угорі - водню і кисню, унизу - живильної води, з боків - для двох фіксуючих стрижнів з ізолюючого матеріалу, причому канали магістралей водню, кисню і живильної води з'єднані з внутрішніми анодними і катодними порожнинами радіальними отворами в шаховому порядку, киснева магістраль роздільно з'єднана з анодними порожнинами, воднева магістраль роздільно з'єднана з катодними порожнинами електролізних осередків, а магістраль живильної води з'єднана знизу з кожною анодною і катодною порожнинами електролізних осередків. Завдяки ознакам: - у кожнім електролізному осередку реактора мається два металевих кільця, забезпечується надійне кріплення іонообмінної мембрани,, затиском між ними за допомогою стяжних болтів (у прототипі мембрана зажимається між двома хвилястими електродами, що ненадійно); 4 - з боків двох металевих кілець розташовані диски біполярних електродів, що складаються зі з'єднаних між собою (за допомогою зварювання вибухом) пластини титана з анодної сторони і пластини сталі з нікелевим покриттям з кожної сторони і, що мають на внутрішній площі дисків гофровані виштамповки, чим забезпечується надійне кріплення і захист від корозії (у прототипі біполярні електроди утворені частково хвилястими металевими пластинами, що підтримують іонообмінні мембрани, що недостатньо надійно в експлуатації і по корозії); - на 1/3 ширини від внутрішньої поверхні металевих кілець розташовані канали магістралей, угорі - водню, кисню, унизу - живильної води, з боків-для двох фіксуючих стрижнів з ізолюючого матеріалу чим забезпечується висока міцність реактора електролізера, що працює як судина під надлишковим тиском (у прототипі канали газових магістралей розташовані по всій ширині кільця осередку, а діафрагми підходять з мінімальною перемичкою до зовнішнього контуру осередку, що послабляє кільце осередку, що працює під надлишковим тиском газів). Зіставлений аналіз із прототипом показує, що гідро - електролізер відрізняється тим, що він оснащений: - в електролізному осередку двома металевими кільцями; - суцільним диском іонообмінної мембрани; ( - дисками біполярних електродів із з'єднаних між собою пластин титана і сталі з нікелевим покриттям з гофрованими виштамповками; - роздільними каналами магістралей водню, кисню, живильної води, для фіксуючи х стрижнів, розташованих на 1/3 ширини металевих кілець від внутрішньої поверхні; - канали водню, кисню і живильної води з'єднані з анодними і катодними порожнинами радіальними отворами. Таким чином, гідро-електролізер відповідає критерієві «новизна». Порівняння рішення, що заявляється, не тільки з прототипом, але і з іншими технічними рішеннями показало, що в запропонованому рішенні з'являються властивості, що не збігаються з властивостями відомих рішень: - надійне кріплення кожної іонообмінної мембрани між двома металевими кільцями, стиснутими стяжними болтами; - ефективний процес електролізу завдяки використанню в осередках дисків біполярних електродів, що складаються зі з'єднаних між собою пластин титана і стали з нікелевим покриттям і гофрами на внутрішній площі дисків; - міцна і надійна конструкція металевих кілець електролізного осередку, що дозволяє витримувати надлишковий тиск газів. Завдяки міцній і надійній конструкції реактора 1 за рахунок металевих кілець 9 в електролізних комірках 2, надійного кріплення іонообмінних мембран 10, здавлених між металевими кільцями 9, ефективного процесу електролізу за рахунок використання в електролізних комірках біполярних електродів 8, що складаються зі з'єднаних пластин 5 80052 титана 16 і стал.1/ 17 з нікелевим покриттям досягається позитивний ефект - підвищення експлуатаційної надійності гідро - електролізера. Винахід пояснюється кресленнями, на яких зображене: Фіг.1 - загальний вид гідро - електролізера з частковим розрізом; Фіг.2 - вид по стрілці А с Фіг.1; Фіг.3 - вузол 1 з Фіг.1,електролізний осередок; Фіг.4 - переріз Б-Б Фіг.1; Фіг.5 - переріз В-В з Фіг.4. Гідро—електролізер (Фіг.1) містить горизонтально розташований циліндричний реактор 1, що складається з декількох з'єднаних між собою електролізних комірок 2, розташованих між опорними анодної 3 і катодної 4 плитами, скріпленими між собою стяжними болтами 5, пропущеними через ізолюючі втулки 6, оснащені комплектом тарілчастих пружин 7 компенсації температурних розширень. Електролізні комірки 2 оснащені вертикальними дисками біполярних електродів 8 з ізолюючими прокладками, металевими кільцями 9 і розташованими між ними іонообмінними мембранами 10, що мають по внутрішньому периметрі електролізних комірок 2 роздільні канали магістралей водню 11, кисню 12 і живильної води 13 (Фіг.2). Кожна електролізна комірка 2 (Фіг.3) реактора 1 має два металевих кільця 9, між якими встановлений суцільний диск іонообмінної мембрани 10, що розділяє електролізну комірку на анодну 14 і катодну 15 порожнини. З боків двох металевих кілець 9 розташовані диски біполярних електродів 8, що складаються зі з'єднаних між собою (за допомогою зварювання вибухом) пластини титана 16 з анодної сторони і пластини сталі 17 з нікелевим покриттям з катодної сторони, що мають на внутрішній площі дисків гофровані виштамповки 18 (Фіг.4, 5). На торцях опорних анодної 3 і катодної 4 плит із внутрішньої сторони реактора 1 є такі ж гофри 19. На 1/3 ширини від внутрішньої поверхні металевих кілець 9 розташовані роздільні канали магістралей угорі - водню 11 і кисню 12, унизу -живильної води 13, з боків-два канали для двох фіксуючи х стрижнів 23 з ізолюючого матеріалу. Канали магістралей водню 11, кисню 12 і живильної води 13 ( Фіг. 3) з'єднані з внутрішніми анодними 14 і катодними 15 порожнинами радіальними отворами 24 у ша ховому порядку, - киснева магістраль 12 роздільно з'єднана з анодними порожнинами 14, воднева магістраль 11 з'єднана з катодними 15 порожнинами електролізних комірок 2, а магістраль живильної води 13 з'єднана знизу 15 отвором 24 з кожною анодною 14 і катодною 15 порожнинами електронних комірок 2. Гідро - електролізер працює в такий спосіб. Живильною водою заповнюють (розчин їдкого калію Н2О+КОН, тому що чиста вода має низьку електропровідність) по магістралі, через радіальні отвори 24 (Фіг.3) анодні 14 і катодні 15 порожнини всіх електролізних комірок 2 реактора 1 (Фіг.1, 3). Подають постійний електричний струм на крайні опорні анодну плиту 3+, і на катодну опорну плиту 4-, при цьому електроди 8 усіх проміжних комірок 2 включаються біполярно, тобто кожен 6 електрод 8 працює однією своєю стороною як анод 16, іншою стороною, як катод 17. Починається процес електролізу води. Під дією електричного струму в електролізних комірках 2 відбувається дисоціація / розпад / молекул води: - на катоді з пластинкою сталі 17 з нікелевим покриттям - з утворенням газу водню по залежності: 4Н2О+4е-=2Н2+4ОН-; - на аноді з боку титанової пластини 16 - розряд гідроксильних груп з утворенням газу кисню по залежності 4ОН-= О2+2Н2О+4е-(повна реакція : 4Н2О=4Н2+2О2). Іонообмінна мембрана 10 дозволяє проходження заряджених катіонів і аніонів до катода 17 і анода 16, і надійно розділяє гази, що утворюються, водень і кисень. По роздільних радіальних отворах 24 і роздільним каналам магістралей водню \\ і кисню 12 суміш живильної води і газу у вигляді бульбашок надходять у роздільні колонки водню і кисню (на кресленнях не показане), в яких відокремлюються газ від живильної води. Далі, по агрегатах обладнання технологічного ланцюжка, гази надходять у роздільні ресивери газосховища, а живильна вода по замкнутій магістралі 13 повертається в реактор 1. При електролізі води утворюється надлишковий тиск газів, що виділяються, в реакторі 1, який працює як посудина під тиском. Для забезпечення міцності і герметичності цієї посудини служать металеві кільця 9 у кожній електролізній комірці 2 та ізолюючі прокладки, які стиснуті між опорними анодною 3 і катодною 4 плитами, скріпленими між собою стяжними болтами 5 з комплектом тарілчастих пружин 7 компенсації температурних розширень. Для виключення зсувів електролізних комірок 2 відносно один одного при збиранні і при експлуатації вони оснащені в бічних каналах двома фіксуючими стрижнями 23. Внутрішня порожнина реактора 1 з електролізними комірками 2 і каналами магістралей водню, кисню і живильної води зібрана на ізолюючих прокладках і герметична завдяки тискові стяжних болтів 5, пропущених через ізолюючі втулки 6. Для компенсації температурних розширень стяжні болти оснащені комплектом тарілчастих пружин 7. Техніко-економічна ефективність гідроелектролізера забезпечується за рахунок ефективного процесу електролізу води в електролізних комірках 2 з біполярними електродами 8, що складаються зі з'єднаних пластин титана 16 і сталі 17 з нікелевим покриттям. Підвищується корозійна стійкість матеріалів у розчині води і їдкого лугу. Завдяки цьому подовжується термін служби електродів, скорочуються витрати на ремонт. Міцна і надійна конструкція реактора 1 за рахунок металевих кілець 9, стиснутих стяжними болтами 5, із двома стрижнями фіксації 23 забезпечує гідроелектролізеру збільшений міжремонтний термін служби. У підсумку ці фактори дають підвищену експлуатаційну надійність і техніко-економічну ефективність. 7 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 80052 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601