Электролизер, работающий под давлением, и способ отключения электролизера

Изобретение относится к электролизеру, работающему под давлением, и способу его отключения. Электролизер содержит автоклав с расположенным внутри него блоком электролитических ячеек, содержащим аноды и катоды. Для подвода электролита к анодам и катодам предусмотрена система циркуляции электролита. Также предусмотрены сепаратор кислорода для отделения газообразного кислорода, сепаратор водорода для отделения газообразного водорода, а также запас инертного газа, в частности азота, для инертизации работающего под давлением электролизера при его отключении. Инертный газ подают в сепаратор кислорода и в системе циркуляции электролита предусматривают соединительную трубку, через которую при подаче в сепаратор кислорода инертного газа часть электролита перемещается для вытеснения газообразного водорода из сепаратора водорода. Технический эффект - возможность отключения электролизера без декомпрессии при минимальном количестве инертного газа. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электролизеру, работающему под давлением, с признаками пункта 1 формулы изобретения, а также к способу отключения электролизера, работающего под давлением, согласно признакам пункта 9.

Для электролитического расщепления воды на водород и кислород известны электролизеры, работающие под давлением, которые содержат автоклав и расположенный в автоклаве блок электролитических ячеек, содержащий множество ячеек, соединенных в виде штабеля. Электролитические ячейки содержат соответствующие аноды и катоды, а для подвода электролита к анодам и катодам предусмотрена система циркуляции электролита. Сепаратор кислорода служит для отделения газообразного кислорода, образующегося при эксплуатации электролизера, работающего под давлением, а сепаратор водорода служит для отделения газообразного водорода, образующегося при эксплуатации электролизера, работающего под давлением. Для инертизации работающего под давлением электролизера при его отключении предусмотрен запас инертного газа, в частности азота.

Работающий под давлением электролизер традиционного типа известен, например, из документа DE 25 48 699 C3.

К работающим под давлением электролизерам указанного типа предъявляют важное требование техники безопасности, заключающееся в возможности быстрой, надежной и полной инертизации, то есть в удалении водорода из автоклава и из сепаратора водорода до остаточного содержания водорода, лежащего заметно ниже нижнего предела взрывоопасности, составляющего 4 об.%.

Традиционно для инертизации держатся большие количества инертного газа, обычно азота, которым водород при отключении и в случае аварийного отключения вымывается из сепаратора водорода. При этом в электролизере, работающем под давлением, может либо сохраняться давление, либо в ходе продувки инертным газом происходить снижение давления до давления окружающей среды. В любом случае из-за смешения газов в запасе должен иметься объем инертного газа, в несколько раз превышающий объем газа в сепараторе водорода.

При быстрой декомпрессии электролизера из-за попадания водорода или кислорода в скрытые полости обычно в уплотнениях и конструкционных деталях ячеек образуются повреждения и поэтому последующий повторный пуск установки без давления связан с большими затратами, так что декомпрессия электролизера должна по возможности ограничиваться тремя типами аварийных ситуаций, при которых она действительно неизбежна: утечка электролита, утечка целевого газа и критическое загрязнение целевого газа. В остальных случаях давление при отключении всегда должно сохраняться.

Задачей изобретения является создание электролизера, работающего под давлением, и способа отключения электролизера с обеспечением надежной инертизации электролизера при как можно меньшем количестве инертного газа. В частности, однако не исключительно, отключение электролизера должно также быть возможным без декомпрессии.

С точки зрения устройства, поставленная задача решена в работающем под давлением электролизере с отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения.

С точки зрения способа, поставленная задача решена в способе с отличительными признаками пункта 9 формулы изобретения.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах.

Благодаря изобретению создан электролизер, работающий под давлением, с автоклавом и расположенным внутри автоклава блоком электролитических ячеек, содержащим множество ячеек. Электролитические ячейки содержат соответствующие аноды и катоды, а для подвода электролита к анодам и катодам предусмотрена система циркуляции электролита. Для отделения газообразного кислорода, образующегося при эксплуатации работающего под давлением электролизера, предусмотрен сепаратор кислорода, а для отделения газообразного водорода, образующегося при эксплуатации работающего под давлением электролизера, предусмотрен сепаратор водорода. Запас инертного газа, в частности азота, служит для инертизации электролизера, работающего под давлением, при его отключении. Согласно изобретению инертный газ может подводиться к сепаратору кислорода, а система циркуляции электролита содержит соединительную трубку, через которую при подаче инертного газа в сепаратор кислорода часть электролита может перемещаться с целью вытеснения газообразного водорода из сепаратора водорода.

Согласно одному варианту осуществления работающего под давлением электролизера согласно изобретению сепаратор кислорода и/или сепаратор водорода располагают снаружи автоклава и при подаче инертного газа в сепаратор кислорода часть электролита для вытеснения водорода из сепаратора водорода может перемещаться из автоклава и/или сепаратора кислорода в сепаратор водорода.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения сепаратор кислорода и/или сепаратор водорода образован частью объема внутри автоклава и при подаче инертного газа в сепаратор кислорода часть электролита для вытеснения водорода, в частности внутри автоклава, может перемещаться в часть объема автоклава, образующую сепаратор водорода.

Согласно одному варианту осуществления изобретения соединительная трубка, через которую может перемещаться часть электролита для вытеснения водорода из сепаратора водорода, предусмотрена снаружи автоклава.

При этом соединительная трубка может быть выполнена как подвесная трубка, идущая ниже уровня жидкого электролита и связывающая сепаратор кислорода с сепаратором водорода.

Согласно одному альтернативному варианту выполнения работающего под давлением электролизера согласно изобретению соединительная трубка, через которую может перемещаться часть электролита с целью вытеснения водорода из сепаратора водорода, предусмотрена внутри автоклава.

Согласно одному предпочтительному варианту выполнения работающего под давлением электролизера согласно изобретению кожух блока электролитических ячеек вместе с автоклавом образуют по меньшей мере два отделенных друг от друга объема, которые являются компонентами системы циркуляции электролита и которые отделены кожухом от электролитических ячеек и автоклавом от окружающей среды, причем один из отделенных друг от друга объемов является компонентом системы циркуляции анолита и соединен с сепаратором кислорода, а другой из отделенных друг от друга объемов является компонентом системы циркуляции католита и соединен с сепаратором водорода.

При этом отделенные друг от друга объемы могут быть отделены друг от друга перегородками, которые проходят между кожухом блока электролитических ячеек и автоклавом, а соединительная трубка, через которую может перемещаться часть электролита для вытеснения водорода из сепаратора водорода, может быть образована проходом в зоне перегородок, лежащем ниже уровня жидкого электролита.

Кроме того, в изобретении предложен способ отключения работающего под давлением электролизера, причем работающий под давлением электролизер включает автоклав и расположенный в автоклаве блок электролитических ячеек с множеством ячеек, причем ячейки содержат соответствующие аноды и катоды и для подвода электролита к анодам и катодам предусмотрена система циркуляции электролита. Сепаратор кислорода служит для отделения газообразного кислорода, образующегося при работе электролизера, работающего под давлением, а сепаратор водорода служит для отделения газообразного водорода, образующегося при эксплуатации работающего под давлением электролизера. Для инертизации к работающему под давлением электролизеру при его отключении подводится инертный газ, в частности азот. Согласно изобретению инертный газ подводится к сепаратору кислорода и при подаче инертного газа в сепаратор кислорода часть электролита для вытеснения газообразного водорода из сепаратора водорода перемещается через предусмотренную в системе циркуляции электролита соединительную трубку.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению сепаратор кислорода и/или сепаратор водорода размещают снаружи автоклава и при подаче инертного газа в сепаратор кислорода часть электролита для вытеснения водорода из сепаратора водорода перемещается из автоклава и/или из сепаратора кислорода в сепаратор водорода.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению сепаратор кислорода и/или сепаратор водорода образован частью объема внутри автоклава и при подаче инертного газа в сепаратор кислорода часть электролита для вытеснения водорода, в частности внутри автоклава, перемещается в часть объема автоклава, образующую сепаратор водорода.

Далее примеры осуществления изобретения поясняются посредством чертежей.

Показано:

фиг. 1 и 2 - схематичное изображение работающего под давлением электролизера согласно изобретению в рабочем состоянии (фиг. 1) или отключенном состоянии (фиг.2);

фиг. 3 и 4 - схематичное изображение работающего под давлением электролизера согласно изобретению в рабочем состоянии (фиг. 3) или в отключенном состоянии (фиг. 4).

На фиг. 1-4 работающий под давлением электролизер, отмеченный как целое ссылочными обозначениями 11 или 31, служащий для электролитического расщепления воды на водород и кислород, содержит автоклав 12, 32, в котором установлен блок 13, 33 электролитических ячеек. Блок 13, 33 электролитических ячеек состоит из множества ячеек 14, 34, соединенных в виде штабеля, которые на фигурах только обозначены. Электролитические ячейки 14 содержат, хотя особо не показано на фигурах, соответственно по одному аноду и одному катоду. Система циркуляции электролита, которая показана на фигурах только частично, служит для подвода электролита к анодам и катодам. Подобный электролизер представлен, например, в неопубликованной немецкой патентной заявке с официальным шифром 101 50 5574.

В примере осуществления, показанном на фиг. 1 и 2, снаружи автоклава 12 предусмотрен сепаратор 21 кислорода для отделения газообразного кислорода, образующегося при использовании работающего под давлением электролизера 11, и сепаратор 22 водорода для отделения газообразного водорода, образующегося при использовании работающего под давлением электролизера 11.

В примере осуществления, показанном на фиг. 3 и 4, кожух 35 блока 33 электролитических ячеек вместе с автоклавом 32 образуют два отделенных друг от друга объема 37, 38, которые отделены друг от друга перегородками 39, 40, проходящими между кожухом 35 блока 33 электролитических ячеек и автоклавом 32. Оба отделенные друг от друга объема 37, 38 являются компонентами системы циркуляции электролита и отделены кожухом 35 от электролитических ячеек 34 и автоклавом 32 от окружающей среды.

Часть внутреннего объема автоклава 32, которая находится над блоком 33 электролитических ячеек, образует сепаратор 41 кислорода для отделения газообразного кислорода, образующегося при использовании работающего под давлением электролизера 32, а другая часть внутреннего объема автоклава 32, которая также находится над блоком 33 электролитических ячеек, образует сепаратор 42 водорода для отделения газообразного водорода, образующегося при использовании работающего под давлением электролизера 31.

Из двух упомянутых ранее отделенных друг от друга объемов 37, 38, которые являются компонентами системы циркуляции электролита, один, а именно объем 37, является компонентом системы циркуляции анолита и соединен с частью объема внутри автоклава 32, образующей сепаратор 41 кислорода, а другой объем 38 является компонентом системы циркуляции католита и соединен с частью объема внутри автоклава 32, образующей сепаратор 42 водорода.

Во всех показанных примерах осуществления для инертизации работающего под давлением электролизера 11, 31 при его отключении предусмотрен запас инертного газа, в частности азота, который, однако, на фигурах не показан. Этот инертный газ служит для того, чтобы очистить работающий под давлением электролизер и, в частности, сепаратор 22, 42 водорода от водорода, по меньшей мере настолько, чтобы содержание водорода лежало ниже предела взрываемости 4 об.%. Этот запас инертного газа или накопленный заранее инертный газ может подводиться, вообще говоря, для этой цели к сепаратору 21, 41 кислорода таким образом, чтобы при подаче инертного газа в сепаратор 21, 41 кислорода часть электролита внутри системы циркуляции электролита перемещалась так, чтобы газообразный водород вытеснялся из сепаратора 22, 42 водорода. Вытесненный водород при этом отводится, например, в окружающую среду, аккумулируется или удаляется другим образом.

Чтобы электролит внутри системы циркуляции электролита в вышеописанном смысле мог перемещаться для вытеснения газообразного водорода из сепаратора 22, 42 водорода, в системе циркуляции электролита предусмотрена соединительная трубка 23a; 23b; 43a; 43b, которая может быть выполнена различными способами.

Для примера осуществления, показанного на фиг. 1 и 2, указанная соединительная трубка предусмотрена снаружи автоклава 12, причем одновременно показано два разных варианта. Так, соединительная трубка, проходящая снаружи автоклава 12, может быть выполнена либо в виде соединительной трубки 23a, которая соединяет область объема, соответствующую сепаратору 21 кислорода внутри автоклава 12, с областью объема, соответствующей сепаратору 22 водорода внутри автоклава 12, либо она может быть выполнена в виде подвесной трубки 23b, соединяющей сепаратор 21 кислорода с сепаратором водорода, которая проходит ниже уровня жидкого электролита. Наконец, указанная соединительная трубка может также соединять внутри автоклава 12 зону системы циркуляции электролита, соответствующую сепаратору 21 кислорода, с зоной системы циркуляции электролита, соответствующей сепаратору 22 водорода, что однако не показано на фиг. 1 и 2.

В показанном на фиг. 1 нормальном рабочем состоянии работающего под давлением электролизера 11 образующийся кислород собирается в сепараторе 21 кислорода, а образующийся водород собирается в сепараторе 22 водорода. Сепаратор 21 кислорода и сепаратор 22 водорода частично, а именно в нижней части заполнены электролитом, а в верхней части, сепараторов 21, 22 собирается соответствующий целевой газ.

Если работающий под давлением электролизер 11 должен быть отключен, в сепаратор 21 кислорода, обычно в предусмотренную для аккумулирования газообразного кислорода верхнюю часть его объема, подается имеющийся в запасе инертный газ, обычно газообразный азот. Через предусмотренную в системе циркуляции электролита соединительную трубку 23a или 23b происходит перемещение части электролита из сепаратора кислорода 21 и/или из автоклава 12 в сепаратор 22 водорода, что вызывает вытеснение из него газообразного водорода, вследствие чего происходит инертизация работающего под давлением электролизера 11 и сепаратора 22 водорода. Разумно считать инертизацию прошедшей только тогда, когда практически весь газообразный водород перешел из автоклава 12 в сепаратор 22 водорода. Фиг. 2 показывает работающий под давлением электролизер 11 в отключенном инертизированном состоянии.

В показанном на фиг. 3 и 4 примере выполнения соединительная трубка 43a; 43b, через которую может перемещаться часть электролита для вытеснения газообразного водорода из части объема автоклава 32, образующей сепаратор 42 водорода, выполнена либо в виде соединительной трубки 43a, проходящей вне автоклава 32, которая соединяет часть объема автоклава 32, соответствующую сепаратору 41 кислорода, а именно объем 37, образующий компонент системы циркуляции анолита, с частью объема автоклава 32, соответствующей сепаратору 42 водорода, а именно объемом 38, образующим компонент системы циркуляции католита, или соединительная трубка 43b, которая соединяет друг с другом часть объема автоклава 32, соответствующую сепаратору 41 кислорода, а именно объем 37, образующий компонент системы циркуляции анолита, с частью объема автоклава 32, соответствующей сепаратору 42 водорода, а именно с объемом 38, образующим часть системы циркуляции католита, выполняется внутри автоклава 32. Эта соединительная трубка 43b обычно предусматривается в перегородке 40 ниже блока 33 электролитических ячеек.

При инертизации электролизера 31 часть объема автоклава 32, образующая сепаратор 41 кислорода, заполняется инертным газом, обычно азотом, вследствие чего электролит через соединительную трубку 43a или 43b переходит из части объема автоклава 32, соответствующей сепаратору 41 кислорода, то есть из объема 37 системы циркуляции анолита, в часть объема автоклава 32, соответствующую сепаратору 42 водорода, то есть в объем 38 системы циркуляции католита, до полного удаления водорода из части объема автоклава 32, образующей сепаратор 42 водорода. Инертизацию также разумно считать осуществленной только тогда, когда практически весь образованный водород соберется в сепараторе 42 водорода, то есть в соответствующей части объема автоклава 32.

Изменение уровня электролита в сепараторе 22, 42 водорода можно контролировать для всех примеров осуществления с помощью подходящих средств, например с помощью указателя уровня, который отслеживает заполнение электролитом сепаратора 22, 42 водорода до заданного уровня.

Водород, вытесненный при инертизации сепаратора 22, 42 водорода, можно аккумулировать и применять далее, он не должен отбрасываться, так как он не смешан с подводимым инертным газом.

Применение изобретения возможно для всех типов электролизеров, например для электролизера с протообменными мембранами, в котором в качестве электролита применяется вода.

Список использованных обозначений

11; 31 электролизер, работающий под давлением

12; 32 автоклав

13; 33 блок электролитических ячеек

14; 34 электролитические ячейки

15; 35 кожух

17; 37 объем для циркуляции анолита

18; 38 объем для циркуляции католита

29 перегородка

40 перегородка

21; 41 сепаратор кислорода

22; 42 сепаратор водорода

23a; 43a соединительная трубка

23b; 43b соединительная трубка

1. Электролизер, работающий под давлением, с автоклавом (12; 32) и расположенным в автоклаве (12; 32) блоком (13, 33) электролитических ячеек (14; 34), причем электролитические ячейки (14; 34) содержат соответствующие аноды и катоды и для подвода электролита к анодам и катодам предусмотрена система циркуляции электролита, при этом предусмотрены сепаратор (21, 41) кислорода для отделения газообразного кислорода, образующегося при использовании электролизера (11; 31), работающего под давлением, и сепаратор (22, 42) водорода для отделения газообразного водорода, образующегося при использовании электролизера (11; 31), работающего под давлением, и запас инертного газа, в частности азота, для инертизации работающего под давлением электролизера (11; 31) при его отключении, отличающийся тем, что предусмотрена подача инертного газа из запаса в сепаратор (21, 41) кислорода, при этом система циркуляции электролита содержит соединительную трубку (23а; 23b; 43a; 43b), через которую при подаче в сепаратор (21, 41) кислорода инертного газа перемещается часть электролита для вытеснения газообразного водорода из сепаратора (22, 42) водорода.

2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что сепаратор (21) кислорода и/или сепаратор (22) водорода выполнен снаружи автоклава (12), при этом при подаче в сепаратор (21) кислорода инертного газа часть электролита для вытеснения водорода из сепаратора (22) водорода перемещается из автоклава (12) и/или из сепаратора (21) кислорода в сепаратор (22) водорода.

3. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что сепаратор (41) кислорода и/или сепаратор (42) водорода образован частью внутреннего объема автоклава (32), при этом при подаче инертного газа в сепаратор (41) кислорода часть электролита для вытеснения водорода перемещается в часть объема автоклава, образующую сепаратор (42) водорода.

4. Электролизер по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что соединительная трубка (23а; 23b; 43а), предусмотренная для перемещения части электролита для вытеснения водорода из сепаратора (22, 42) водорода, выполнена снаружи автоклава (12; 32).

5. Электролизер по п.4, отличающийся тем, что соединительная трубка (23b) выполнена в виде подвесной трубки (23b), идущей ниже уровня жидкого электролита и соединяющей сепаратор (21) кислорода с сепаратором (22) водорода.

6. Электролизер по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что соединительная трубка (43b) для перемещения части электролита для вытеснения водорода из сепаратора (42) водорода предусмотрена внутри автоклава (32).

7. Электролизер по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что кожух (35) блока (33) электролитических ячеек вместе с автоклавом (32) образуют по меньшей мере два отделенных друг от друга объема (37, 38), которые являются компонентами системы циркуляции электролита и которые отделены кожухом (35) от электролитических ячеек (34) и автоклавом (32) от окружающей среды, причем один из отделенных друг от друга объемов (37) является компонентом системы циркуляции анолита и соединен с сепаратором (41) кислорода, а другой из отделенных друг от друга объемов (38) является компонентом системы циркуляции католита и соединен с сепаратором (42) водорода.

8. Электролизер по п.7, отличающийся тем, что отделенные друг от друга объемы (37, 38) отделены друг от друга перегородками (39, 40), которые проходят между кожухом (35) блока (33) электролитических ячеек и автоклавом (32), при этом соединительная трубка (43b) для перемещения части электролита для вытеснения водорода из сепаратора (42) водорода образована проходом в перегородке (39, 40) ниже уровня жидкого электролита.

9. Способ отключения работающего под давлением электролизера, содержащего автоклав (12, 32) и расположенный в автоклаве (12; 22) блок (13; 33) электролитических ячеек (14; 34), причем электролитические ячейки (14; 34) содержат соответствующие аноды и катоды и для подвода электролита к анодам и катодам предусмотрена система циркуляции электролита, при этом предусмотрены сепаратор (21, 41) кислорода для отделения газообразного кислорода, образующегося при использовании работающего под давлением электролизера (11; 31), и сепаратор (22, 42) водорода для отделения газообразного водорода, образующегося при использовании работающего под давлением электролизера (11; 31), причем к работающему под давлением электролизеру (11; 31) для его инертизации при отключении подводят инертный газ, в частности азот, отличающийся тем, что инертный газ подают в сепаратор (21, 41) кислорода, при этом посредством подачи инертного газа в сепаратор (21, 41) кислорода часть электролита перемещают через предусмотренную в системе циркуляции электролита соединительную трубку (23а; 23b; 43a; 43b) для вытеснения газообразного водорода из сепаратора (22, 42) водорода.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что сепаратор (21) кислорода и/или сепаратор (22) водорода предусмотрен снаружи автоклава (12), причем посредством подачи инертного газа в сепаратор (21) кислорода часть электролита для вытеснения водорода из сепаратора (22) водорода перемещают из автоклава (12) и/или из сепаратора (21) кислорода в сепаратор (22) водорода.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что сепаратор (41) кислорода и/или сепаратор (42) водорода образован частью объема внутри автоклава (32), причем посредством подачи инертного газа в сепаратор (41) кислорода часть электролита для вытеснения водорода перемещают в часть объема автоклава, образующую сепаратор (42) водорода.