RU2501890C1 - Electrolytic cell to produce hydrogen and oxygen from water - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: proposed device comprises casing to accommodate cells connected in series and composed of cathode, anode, gastight membrane arranged there between, pump to circulate alkaline electrolyte, tanks with alkaline electrolyte, water feed system, device to separate oxygen from water and alkali vapors and device to separate hydrogen from water and alkaline vapors. Anode of every cell is composed of screen tube while cathode is composed of hollow cylinder made from porous water-repellant material. Note here that anode and cathode are located close to gastight membrane to form cathode gas chamber between outer side of cathodes and casing connected with hydroseal chamber, alkaline electrolyte tank and device separating hydrogen from water and alkali vapors. Cell anode chambers are connected with heat exchanger and alkaline electrolyte tank communicated with device separating oxygen from water and alkali vapors and water feed system.

EFFECT: power savings, higher efficiency, reliability and safety.

5 cl, 2 dwg

Description

Заявляемое техническое решение относится к технологии электрохимических производств, а именно к устройствам для получения водорода и кислорода методом электролиза воды.The claimed technical solution relates to the technology of electrochemical production, and in particular to devices for producing hydrogen and oxygen by electrolysis of water.

Известен электролизер воды трубчатого типа по патенту РФ на изобретение №2258767 (класс МПК С25В 1/04, приоритет 19.03.2003 г.) для получения водорода и кислорода путем электролиза воды, который содержит герметичную емкость с электродами, крышку, входные и выходные трубки. Электролизер снабжен регулятором уровня жидкости, выполненным в форме трубки, соединенной с герметичной емкостью, заполненной дистиллированной водой, с возможностью автоматического регулирования уровня жидкости в емкости электролизера при помощи вакуумного клапана. Электролизер соединен с емкостью жидкой щелочи через дозатор, снабженный соленоидом и реле времени. Электролизер соединен также с горелкой при помощи выходных труб, расположенных на разных уровнях и выполненных с возможностью раздельного извлечения из воды водорода и кислорода, полученных в процессе электролиза и перемещения их при помощи вакуум-насосов.Known tubular type water electrolyzer according to the RF patent for invention No. 2258767 (IPC class С25В 1/04, priority March 19, 2003) for producing hydrogen and oxygen by electrolysis of water, which contains a sealed container with electrodes, a cover, input and output tubes. The electrolyzer is equipped with a liquid level regulator, made in the form of a tube connected to a sealed container filled with distilled water, with the ability to automatically control the liquid level in the electrolyzer tank using a vacuum valve. The electrolyzer is connected to the capacity of liquid alkali through a dispenser equipped with a solenoid and a timer. The cell is also connected to the burner with the help of outlet pipes located at different levels and made with the possibility of separate extraction of hydrogen and oxygen from water obtained in the electrolysis process and moving them using vacuum pumps.

Недостатком данного электролизера является низкие производительность, надежность и долговечность.The disadvantage of this electrolyzer is low productivity, reliability and durability.

Конструкция электролизера по патенту США на изобретение №7510633 (класс МПК С25В 1/10, приоритет 21.02.2003 г.) для получения водорода и кислорода, принятая за прототип, включает в себя катод трубчатой формы, анод - в виде стержня, мембрану, анодную и катодную полость с электролитом, водородный и кислородный коллектор, насос для электролита.The design of the electrolytic cell according to US patent for invention No. 7510633 (IPC class С25В 1/10, priority 02.21.2003) for hydrogen and oxygen, adopted as a prototype, includes a tubular cathode, an anode in the form of a rod, a membrane, an anode and a cathode cavity with an electrolyte, a hydrogen and oxygen collector, an electrolyte pump.

Перед началом работы электролизера, в анодную и катодную полости ячейки между которыми установлена мембрана, подается раствор электролита. Затем на электроды подается электрическая нагрузка. Электролит в анодной и катодной полости ячейки циркулирует при помощи насоса. Газовые пузыри, выделившиеся на электродах, совместно с электролитом, покидают ячейку через газовые каналы. Далее в кислородной и водородной емкостях газ отделяется от электролита, после чего газ поступает в баллон (либо иную емкость), а электролит собирается в общую емкость и с помощью насоса используется в дальнейшей работе.Before starting the operation of the electrolyzer, an electrolyte solution is supplied to the anode and cathode cavities of the cell between which the membrane is installed. Then, an electrical load is applied to the electrodes. The electrolyte in the anode and cathode cavity of the cell is circulated by a pump. Gas bubbles released on the electrodes, together with the electrolyte, leave the cell through the gas channels. Then, in oxygen and hydrogen tanks, the gas is separated from the electrolyte, after which the gas enters the cylinder (or another container), and the electrolyte is collected in a common tank and is used in further work with the help of a pump.

Недостатками данного устройства являются:The disadvantages of this device are:

- излишние энергетические затраты, из-за наличия расстояния между электродами (за счет анодной и катодной полостей), следовательно и рост сопротивления, что увеличивает потребляемую мощность и снижает производительность устройства;- excessive energy costs, due to the distance between the electrodes (due to the anode and cathode cavities), therefore, an increase in resistance, which increases the power consumption and reduces the performance of the device;

- наличие высоких токов утечки, так как использование в конструкции электролизера общего электролитного коллектора заполненного раствором электролита, снижает производительность в целом всей установки.- the presence of high leakage currents, since the use of a common electrolyte collector filled with an electrolyte solution in the design of the electrolyzer reduces the overall performance of the entire installation.

Задачей заявляемой конструкции электролизера для получения водорода и кислорода из воды (водного раствора щелочи), является снижение потребляемой мощности, повышение производительности, а также надежности и безопасности в эксплуатации.The objective of the claimed design of the electrolyzer to produce hydrogen and oxygen from water (an aqueous solution of alkali) is to reduce power consumption, increase productivity, as well as reliability and safety in operation.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в электролизере для получения водорода и кислорода из воды включающем ряд последовательно соединенных ячеек, состоящих из катодов трубчатой формы, анодов выполненных в виде трубы, мембраны между катодом и анодом, исключающей смешивание выделившихся газов, анодной и катодной полостей, насосов для циркуляции электролита, емкости с щелочным электролитом, устройств для отделения газов от электролита, согласно заявляемой конструкции электролизера для получения водорода и кислорода из воды, набор из нескольких ячеек помещен в корпус. Анод и катод в ячейке плотно прилегают к газозапорной мембране, в качестве анода используется труба, выполненная из сетчатого материала (для легкого прохождения выделившегося анодного газа через анод), а в качестве катода - полый цилиндр из пористого гидрофобизированного материала. Анодные полости ячеек, заполненные электролитом, последовательно соединены между собой и с емкостью щелочного электролита, которая в свою очередь соединена с устройством для отделения кислорода от паров воды и щелочи, системой подачи воды и теплообменником. Катодная полость образована внешней стороной катодов ячеек и корпусом. Она не заполнена электролитом, является газовой и соединена с емкостью гидрозатвора и устройством для отделения водорода от паров щелочи и воды. Движение электролита в анодной полости осуществляется за счет эффекта «аэролифта». Для снижения напряжения электролизера, и, как следствие, уменьшения энергетических затрат, на поверхность анода и внутреннюю поверхность катода может быть нанесен катализатор.The stated technical problem is solved due to the fact that in the electrolyzer to produce hydrogen and oxygen from water, it includes a series of series-connected cells consisting of tubular cathodes, anodes made in the form of a tube, a membrane between the cathode and anode, which excludes mixing of the released gases, anode and cathode cavities, pumps for circulating the electrolyte, containers with alkaline electrolyte, devices for separating gases from the electrolyte, according to the claimed design of the electrolyzer to produce hydrogen and oxygen out of the water, a set of multiple cells is placed into the body. The anode and cathode in the cell fit snugly against the gas shutoff membrane, a tube made of mesh material is used as the anode (for easy passage of the released anode gas through the anode), and as a cathode, a hollow cylinder made of porous hydrophobized material. The anode cavities of the cells filled with an electrolyte are connected in series with each other and with an alkaline electrolyte capacity, which in turn is connected to a device for separating oxygen from water vapor and alkali, a water supply system and a heat exchanger. The cathode cavity is formed by the outer side of the cathodes of the cells and the housing. It is not filled with electrolyte, it is gas and is connected to a water trap container and a device for separating hydrogen from alkali and water vapors. The movement of the electrolyte in the anode cavity is due to the effect of "air lift". To reduce the voltage of the electrolyzer, and, as a consequence, reduce energy costs, a catalyst can be deposited on the surface of the anode and the inner surface of the cathode.

Существенным отличием заявляемого устройства является то, что электроды плотно прилегают к газозапорной мембране, а анодная полость представляет собой трубу, заполненную электролитом. Также в данной конструкции хоть и находится общий электролитный коллектор, образованный соединением анодных полостей ячеек друг с другом, но в связи с тем, что выделившийся газ вспенивает электролит, площадь сечения электролитного моста в местах соединения ячеек-электролизеров значительно меньше, что в значительной степени снижает токи утечки и как следствие, энергозатраты, увеличивая производительность установки в целом. Кроме того, предлагаемая конструкция легко размещается в трубе небольшого диаметра, которая является одновременно и корпусом, обеспечивая повышенную прочность при незначительной толщине стенки и, соответственно, способствует снижению массы электролизера.A significant difference of the claimed device is that the electrodes fit snugly against the gas shutoff membrane, and the anode cavity is a tube filled with electrolyte. Also in this design, although there is a common electrolyte collector formed by connecting the anode cavities of the cells to each other, but due to the fact that the released gas foams the electrolyte, the cross-sectional area of the electrolyte bridge at the junction of the cell electrolysers is much smaller, which significantly reduces leakage currents and, as a result, energy consumption, increasing the productivity of the installation as a whole. In addition, the proposed design is easily placed in a pipe of small diameter, which is also a casing, providing increased strength with an insignificant wall thickness and, accordingly, helps to reduce the mass of the cell.

Между собой ячейки могут быть электрически соединены последовательно или параллельно. Последовательное соединение предпочтительней.Between each other, the cells can be electrically connected in series or in parallel. Serial bonding is preferred.

На фиг.1 изображено заявляемое устройство, на фиг.2 на виде А-А показан корпус и ячейка в разрезе.Figure 1 shows the inventive device, figure 2 in a view aa shows the housing and the cell in section.

Заявляемая конструкция электролизера для получения водорода и кислорода из воды включает в себя следующие элементы: корпус (1) в виде трубы, например, круглого сечения, размещенные в нем ячейки (2), соединенные между собой последовательно. Емкость с раствором щелочного электролита (3) в которой с помощью насоса подающего воду (4), поддерживается необходимая для работы электролизера концентрация электролита, поступающего с помощью насоса (5) из гидрозатвора (емкости с конденсатом и раствором щелочи) (6). Электролит для поддержания рабочей температуры электролизера, циркулируя через теплообменник (7), подается в ячейки (2). Для циркуляции электролита, в случае необходимости, включается насос (8). Устройство для отделения водорода от щелочи и паров воды (9) соединено с гидрозатвором (6) и катодной полостью (10) заявляемого электролизера. Устройство для отделения кислорода от щелочи и паров воды (11) соединено с емкостью с раствором щелочного электролита (3). На корпусе установлены токовыводы (12) для подачи нагрузки.The inventive design of an electrolyzer for producing hydrogen and oxygen from water includes the following elements: a housing (1) in the form of a pipe, for example, of circular cross section, cells (2) placed in it, connected to each other in series. A container with an alkaline electrolyte solution (3) in which, using a water supply pump (4), the concentration of electrolyte required for operation of the electrolyzer supplied by a pump (5) from a water trap (condensate and alkali solution) (6) is maintained. The electrolyte to maintain the working temperature of the cell, circulating through the heat exchanger (7), is fed into the cell (2). To circulate the electrolyte, if necessary, the pump (8) is turned on. A device for separating hydrogen from alkali and water vapor (9) is connected to a water seal (6) and a cathode cavity (10) of the inventive electrolyzer. A device for separating oxygen from alkali and water vapor (11) is connected to the tank with an alkaline electrolyte solution (3). Current outputs (12) are installed on the casing to supply the load.

На фиг.2 (вид А-А) в разрезе показан корпус (1), например, круглого сечения, находящаяся в нем ячейка (2), представляющая собой катод (13) в виде цилиндра из пористого гидрофобизированного материала, анод (14) в виде трубы и расположенную между ними без зазора газозапорную мембрану (15). В анодной полости (16) ячейки (2) находится электролит, а внешняя сторона катодов (13) ячеек (2) и корпус (1) образуют катодную полость (10) электролизера.In Fig. 2 (view A-A), a sectional view shows a body (1), for example, of circular cross section, a cell (2) located in it, which is a cathode (13) in the form of a cylinder made of porous water-repellent material, and the anode (14) in in the form of a pipe and a gas-locking membrane located between them without a gap (15). An electrolyte is located in the anode cavity (16) of the cell (2), and the outer side of the cathodes (13) of the cells (2) and the housing (1) form the cathode cavity (10) of the electrolyzer.

Заявляемое устройство работает следующим образом. В корпусе (1) ячейки (2), число которых определяется необходимой производительностью электролизера, соединены между собой электрически последовательно. Кроме того, ячейки (2) последовательно соединяются между собой и по анодной полости (16), в которой циркулирует электролит. Катодная полость электролизера (10) является газовой, на дне которой собирается конденсат и раствор электролита, просочившийся через поры катода (13). Циркуляция электролита происходит за счет движения выделяемого при электролизе газа (эффект аэролифта) и при недостаточной подъемной силе возможно включение насоса (8). Для поддержания определенной рабочей температуры электролизера, электролит проходит через теплообменник (7). Электролит в виде пены попадает в емкость с раствором электролита (3), откуда, освободившись от газа, заново попадает в ячейки (2). Выделяясь, катодный газ насыщается парами воды и частично выносит щелочь из электролизера, некоторая часть которой конденсируется на стенках корпуса (1). Затем конденсат стекает в емкость гидрозатвора (6), далее при помощи насоса (5) перекачивается в емкость с раствором щелочного электролита (3). Для поддержания заданной концентрации электролита в анодных полостях (16) ячеек (2) в емкость с раствором щелочного электролита (3) подается вода при помощи насоса (4). Наработанные водород и кислород отводятся из электролизера для дальнейшего их использования, предварительно удаляя из них остатки щелочи и пары воды, соответственно в устройствах (9) и (11).The inventive device operates as follows. In the housing (1), cells (2), the number of which is determined by the required capacity of the electrolyzer, are interconnected electrically in series. In addition, the cells (2) are connected in series with each other and along the anode cavity (16), in which the electrolyte circulates. The cathode cavity of the electrolyzer (10) is gas, at the bottom of which condensate and an electrolyte solution are collected, seeped through the pores of the cathode (13). The circulation of the electrolyte occurs due to the movement of the gas released during electrolysis (aerial lift effect) and, with insufficient lifting force, the pump can be switched on (8). To maintain a certain operating temperature of the electrolyzer, the electrolyte passes through a heat exchanger (7). The electrolyte in the form of foam enters the container with the electrolyte solution (3), from where, having freed itself from the gas, it re-enters the cells (2). Standing out, the cathode gas is saturated with water vapor and partially removes alkali from the electrolyzer, some of which condenses on the walls of the housing (1). Then the condensate drains into the tank of the water trap (6), then using a pump (5) it is pumped into the tank with a solution of alkaline electrolyte (3). To maintain a given concentration of electrolyte in the anode cavities (16) of the cells (2), water is supplied to the container with an alkaline electrolyte solution (3) using a pump (4). The accumulated hydrogen and oxygen are discharged from the electrolysis cell for their further use, having previously removed alkali residues and water vapor from them, respectively, in devices (9) and (11).

В качестве материала для анода была применена никелевая сетка с нанесенным на нее катализаторм - серебром, для катода полый цилиндр из пористого никеля, покрытый с внутренней стороны платино-родиевым катализатором, а газозапорной мембраны - кремнесодержа-щий волокнистый материал с добавлением фторопласта.As the material for the anode, we used a nickel mesh with silver supported on it, for the cathode a hollow cylinder made of porous nickel coated on the inside with a platinum-rhodium catalyst, and a gas-containing membrane - a silicon-containing fibrous material with the addition of fluoroplastic.

Как показали испытания, использование заявляемой конструкции электролизера позволяет:As tests have shown, the use of the claimed design of the electrolyzer allows you to:

- снизить до 7% потребляемую мощность и до 5% повысить производительность. Это достигается в заявляемой конструкции электролизера за счет плотного прилегания электродов (анода и катода) к газозапорной мембране и сокращения площади сечения электролитного моста в местах соединения ячеек, за счет того, что выделившийся в процессе работы электролизера газ вспенивает электролит в общем электролитном коллекторе. Это позволяет в значительной степени снизить токи утечки и, как следствие, энергозатраты, тем самым увеличивая производительность установки в целом;- reduce power consumption up to 7% and increase productivity up to 5%. This is achieved in the claimed design of the electrolyzer due to the tight fit of the electrodes (anode and cathode) to the gas shutoff membrane and the reduction of the cross-sectional area of the electrolyte bridge at the junction of the cells, due to the fact that the gas released during the operation of the electrolyzer foams the electrolyte in a common electrolyte collector. This allows to significantly reduce leakage currents and, as a consequence, energy consumption, thereby increasing the performance of the installation as a whole;

- за счет использования единого корпуса, в котором размещаются ячейки, конструкция содержит меньше соединительных элементов вне корпуса электролизера, что позволяет снизить массо-габаритные характеристики, повысить надежность и безопасность электролизера в эксплуатации.- due to the use of a single housing in which the cells are located, the design contains fewer connecting elements outside the electrolysis cell, which allows to reduce the weight and size characteristics, to increase the reliability and safety of the electrolyzer in operation.

Claims (5)

1. Электролизер для получения водорода и кислорода из воды, включающий последовательно соединенные между собой ячейки, состоящие из катода, анода, размещенной между ними газозапорной мембраны, исключающей смешивание выделившихся газов, насосы для циркуляции щелочного электролита, емкости с щелочным электролитом, систему подачи воды, устройство для отделения кислорода от паров воды и щелочи и устройство для отделения водорода от паров воды и щелочи, отличающийся тем, что он снабжен корпусом для размещения в нем соединенных последовательно между собой ячеек, анод каждой из ячеек выполнен в виде трубы из сетчатого материала, а катод - в виде полого цилиндра из пористого гидрофобизированного материала, причем анод и катод каждой из ячеек размещены вплотную к газозапорной мембране с образованием катодной газовой полости между внешней стороной катодов и корпусом, соединенной с емкостью гидрозатвора, емкостью щелочного электролита и устройством для отделения водорода от паров воды и щелочи, при этом ячейки соединены анодными полостями с теплообменником и с емкостью щелочного электролита, которая, в свою очередь, соединена с устройством для отделения кислорода от паров воды и щелочи и системой подачи воды.1. An electrolyzer for producing hydrogen and oxygen from water, including cells connected in series, consisting of a cathode, an anode, a gas shut-off membrane placed between them, which excludes mixing of the evolved gases, pumps for circulating an alkaline electrolyte, tanks with an alkaline electrolyte, a water supply system, a device for separating oxygen from water vapor and alkali and a device for separating hydrogen from water vapor and alkali, characterized in that it is provided with a housing for accommodating connected follower about each other cells, 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 hydrophobized material, and the anode and cathode of each cell are placed close to the gas-tight membrane with the formation of a cathode gas cavity between the outer side of the cathodes and a housing connected to a water trap capacity, an alkaline electrolyte capacity and a device for separating hydrogen from water vapor and alkali, the cells being connected by anode cavities to a heat exchanger and to an alkaline capacity electrolyte, which in turn is connected to a device for separating oxygen from water vapor and alkali and water supply system. 2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что ячейки электрически соединены последовательно.2. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the cells are electrically connected in series. 3. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что на поверхность анода и внутреннюю поверхность катода ячеек нанесены катализаторы.3. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the catalysts are deposited on the surface of the anode and the inner surface of the cathode of the cells. 4. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала катода ячеек использован пористый гидрофобизированный никель.4. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the porous hydrophobized nickel is used as the cell cathode material. 5. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что анод выполнен из никелевой сетки. 5. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the anode is made of a Nickel mesh.

Images