Способ отслеживания, защиты и безопасного выключения электролитической системы



Способ отслеживания, защиты и безопасного выключения электролитической системы
Способ отслеживания, защиты и безопасного выключения электролитической системы
Способ отслеживания, защиты и безопасного выключения электролитической системы
Способ отслеживания, защиты и безопасного выключения электролитической системы
Способ отслеживания, защиты и безопасного выключения электролитической системы
Способ отслеживания, защиты и безопасного выключения электролитической системы
Способ отслеживания, защиты и безопасного выключения электролитической системы
Способ отслеживания, защиты и безопасного выключения электролитической системы
C25B15/02 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

Владельцы патента RU 2624222:

ХАЛЬДОР ТОПСЕЭ А/С (DK)

Изобретение относится к способу отслеживания отказных ситуаций, связанных с потоком сырьевого газа и/или очистительным потоком в электролитических элементах, батареях или системах, причем указанный процесс отслеживания сочетают с предупредительными мерами, которые должны быть приняты в случае таких отказных ситуаций. При этом (a) ток и/или напряжение отслеживают и управляют на одиночной батарее, на всех батареях или на одной или более выбранных батареях в электролитической системе, (b) в случае, когда ток, напряжение или отношение напряжения к току пересекают свое заданное пороговое значение, обнаруживается отказной режим и передается сообщение в систему управления и (c) уровни напряжения системы регулируют с обеспечением нахождения внутри безопасных пределов (пределов безопасного режима), при этом для отслеживания как тока, так и напряжения с целью обнаружения сбоев в работе и перехода в случае сбоя к защитным уровням напряжения использован один и тот же блок питания, причем защитное напряжение между 600 и 1500 мВ на элемент подают на каждый элемент батареи, а дополнительную защиту обеспечивают путем осуществления одного или более из следующих действий: (1) продувание потенциально окисляемых электродов свободными от кислорода газами, (2) постепенное охлаждение электролитического элемента батареи либо продуванием газов, либо пассивным выводом тепла из системы и (3) поддерживание электролитического напряжения на каждом элементе множества элементов и батарей по меньшей мере до тех пор, пока их температура не опустится ниже порога окисления электродов электролитического элемента. Предложенное изобретение позволяет эффективно отслеживать отказные операции, связанные с сырьевым или продувочным газовым потоком. 10 з.п. ф-лы, 2 пр., 6 ил.

 

Настоящее изобретение относится к управлению и безопасному выключению электролитических систем, особенно систем на основе твердооксидных электролитических элементов (SOEC). В частности, изобретение касается механизмов электролитических систем для обнаружения сбоя в работе электросистемы и электробезопасного выключения, при этом указанные механизмы должны активироваться в случае, когда подача сырьевого или продувочного газа в систему непреднамеренно уменьшается или приостанавливается; см. фиг. 1.

Электролитические системы обычно применяются для производства водорода из воды, но могут быть также получены и другие химические продукты. Например, твердооксидные электролизеры (SOEC) могут также производить CO из CO2. Электролизер использует электрическую энергию для расщепления компонентов на составляющие с более высокой энергией, например воду/пар в водород и кислород. Настоящее изобретение относится к эффективным способам обнаружения и устранения отказных режимов работы электролизера, которые иначе могут привести к разрушениям, если никакие действия не будут предприняты.

В электролизере электрическая энергия используется для превращения одной молекулы в другую. Критичная отказная ситуация - это когда поток реагентов изменяется непредсказуемо, в то время как подача электроэнергии отсутствует.

Настоящее изобретение главным образом состоит в том, что для отслеживания ряда отказных ситуаций, возникающих в работе электролитической системы, используются изменения подаваемого напряжения и/или подаваемого тока. В частности, стала возможным косвенная идентификация срывов в сырьевом и продувочном газовом потоке посредством регистрации изменений напряжения и тока электролиза, а затем принятие соответствующих мер. В данном случае преимущество заключается в том, что значения тока и напряжения можно получить непосредственно от одного и того же источника питания, который также может быть задействован, чтобы принять соответствующие меры для уверенности в том, что отказная ситуация не приводит к серьезному повреждению электролитической системы. Напротив, любое дополнительное отслеживание является дорогостоящим, касательно как стоимости оборудования, сложности установки, так и потери тепла.

Когда обнаруживается необычное поведение тока и напряжения, то способ по настоящему изобретению обеспечивает соответствующие меры, которые должны быть приняты относительно

- тока и напряжения на батарее элементов

- газового потока и

- управления нагревателями.

Основные ситуации, которые должны быть обнаружены и устранены, связаны

- со срывом потока сырьевого газа и

- со срывом потока продувочного газа.

Таким образом, настоящее изобретение заключается в отслеживании отказной ситуации, связанной с сырьевым или продувочным газовым потоком, основанном на вольтамперных характеристиках применяемых элементов или батарей элементов. Когда обнаружена отказная ситуация, то для защиты электролитической системы необходимо принять соответствующие меры. Одной из таких мер является подача невысокого напряжения на эту систему и по возможности малого тока через нее. Это защитит катод электролизера от окисления, при этом в случае SOEC (твердооксидных электролитических элементов) под катодом имеется в виду никелевый электрод. Этот защитный способ далее именуется "безопасный режим". В этом изобретении как обнаружение срыва, так и его устранение может осуществляться блоком питания системы. В безопасном режиме газовыми потоками как на стороне сырья, так и на стороне кислорода можно управлять таким образом, при котором потребление энергии от источника питания сводилось бы к минимуму. Альтернативной защитной мерой может быть продувка стороны сырья (никелевого электрода) восстанавливающим "защитным газом" для защиты электрода от окисления. Таким защитным газом могла бы быть, например, смесь из 95% N2 и 5% H2 или CO. Однако эта схема потребовала бы хранилище защитного газа и тем самым увеличила бы стоимость системы.

Следовательно, настоящее изобретение относится к способу отслеживания отказных ситуаций, связанных с газовым потоком в электролитическом элементе, электролитической батарее или электролитической системе, при этом указанное отслеживание процесса комбинируется с соответствующими мерами, которые должны быть приняты в случае таких отказных ситуаций, в которых (а) ток и напряжение отслеживаются на единичном элементе, на всех элементах или на одном или более элементе, выбранном из батареи или системы батарей, и (b) в случае, когда отношение напряжения к току превышает предопределенное пороговое значение, регистрируется отказный режим и принимается соответствующая превентивная мера для защиты системы, например, от окисления электрода, при этом указанная мера (с) переводит систему в "безопасный режим".

"Безопасный режим" характеризуется следующими шагами:

(1) электролитическое напряжение устанавливается на значение между 600 мВ и 1500 мВ на элемент.

Дополнительной защиты можно добиться посредством принятия одной или более из следующих мер:

(2) продувка потенциально окисляющихся электродов газами, не содержащими кислород, (3) постепенное охлаждение батареи электролитических элементов либо продувочными газами, либо пассивным выводом тепла из системы и (4) поддерживание определенного электролитического напряжения на каждом элементе множества элементов и батарей по меньшей мере до тех пор, пока их температуры не станут ниже порога окисления критичных материалов, например 400°C для никелевых электродов.

В области управления и отслеживания электролитических систем известны различные системы и решения. Например, в публикации US 2005/0209800 A1 описываются автоматизированные защитные системы и способы, подходящие для управления модулем электролитического элемента путем отслеживания одного или нескольких процессов и рабочих параметров, относящихся к функционированию модуля электролитического элемента, и определения факта нарушения указанными параметрами (или параметром) по меньшей мере одного значения порога срабатывания аварийной сигнализации. Способ и система оценки повреждения некоторых элементов в электролизере посредством отслеживания значений порогового напряжения, описаны в US 2009/0014326 A1. Из публикации WO 2011/137916 A1 известен способ защиты электрода в электролитических системах. И наконец, в US 2009/0325014 A1 описано, как электролитический элемент управляется в процессе работы под действием изменяющихся условий электропитания.

Далее изобретение описывается более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:

на фиг. 1 показан принцип, лежащий в основе обнаружения отказа электрооборудования и механизмов электробезопасного выключения электролитических систем в соответствии с изобретением;

на фиг. 2 показан пример того, как изобретенный способ отслеживания и защиты систем электролиза может быть реализован. В этом случае для CO2-электролиза применяется батарея SOEC с 10 элементами. Напряжение питания батареи соответствует 1,6 B/элемент, а плотность тока 50 мА/см2 соответствует 70%-ному превращению потока сырьевого газа CO2, равного 0,32 Нм3/ч. Ток и напряжение отслеживаются, и, когда ток падает ниже 90% от установленного значения, что случается при уменьшении сырьевого потока до 0,2 Нм3/ч, то включаются меры, предусмотренные безопасным режимом. Регистрация инициирует заданные меры, предусмотренные безопасным режимом, которые в данном случае диктуют новые установки для тока (5 А) и напряжения (1,2 B/элемент). Более того, питание выключается, и электроды очищаются посредством N2 со скоростью 0,06 Нм3/ч.

На фиг. 3 представлены способы минимизации засасывания молекул кислорода посредством:

(a) продувания электролитической системы инертными газами. В приведенном случае как сырьевая, так и кислородная стороны, а также внешние стороны продуваются азотом, и

(b) содержания инертного газа на сырьевой стороне под давлением, которое выше, чем давление как на сырьевой стороне, так и на внешних сторонах. В приведенном случае N2 применяется в качестве инертного газа.

На фиг. 4 показаны ситуации с двумя вариантами потери сырья в результате изменения тока через батарею SOEC с 10 элементами и напряжения на нем. В батарее сначала осуществляется CO-электролиз с напряжением на батарее 1,4 B/элемент (а) и 1,7 B/элемент (b) соответственно. Это приводит к повышению степени превращения в CO2 приблизительно до 35% (a) и 60% (b) соответственно. В течение нескольких минут сырьевой поток CO2, равный 0,4 Нм3/ч, заменяется малым потоком инертного газа, в частности 0,07 Нм3/ч N2. Электроды кислородной стороны непрерывно продуваются азотом со скоростью 0,2 Нм3/ч. Настоящее изобретение основано на том факте, что приложенное напряжение, подаваемый ток и концентрация сырьевого и очистительного газа взаимосвязаны. Эта зависимость в идеале может быть описана соотношением

Здесь U - это напряжение, приложенное к рассматриваемой системе, I - ток, R - сопротивление и Σ EN - сумма соответствующих потенциалов Нернста электрохимических элементов, соединенных последовательно. Связь между концентрациями реагента и продукта вытекает из уравнения Нернста, см. ниже уравнение (3). Система может состоять из одиночного электрохимического элемента, из наборов элементов или устройства с элементами, например батареи элементов или интегрированных блоков батарей, включающих, например, электрические разъемы. Для каждого элемента потенциал Нернста представляет собой уравновешивающий электрический потенциал, который компенсирует разность химических потенциалов между электродами при нулевом токе (см. Carl Н. Hamann, Andrew Hamnett & Wolf Vielstich, "Electrochemistry", John Wiley & Sons, Inc. (2007)).

Для электролитической реакции, которая включает передачу электронов между электродами электрохимического элемента, суммарная реакция может быть записана в общем виде:

и уравнение Нернста имеет вид:

Здесь a(Xi) и a(Yj) - это активности соответствующих реагентов (Xi) и продуктов (Yj), νi и νj - стехиометрические коэффициенты, n - количество электронов, переносимых между электродами за реакцию, R - газовая постоянна, F - постоянная Фарадея, T - температура и E0 - равновесный потенциал в нормальных условиях.

В случае газов активность может быть аппроксимирована посредством парциального давления в единицах нормального давления, в данном случае 1 бар. К примеру, для CO2-электролиза посредством одного элемента

Комбинация уравнения (1) и (3) дает:

Парциальные давления p(CO2) и p(CO) относятся к сырьевой стороне, в то время как p(O2) относится к стороне, где выделяется O2.

Когда подача CO2 в качестве сырья уменьшается, p(CO2) будет уменьшаться, а, следовательно, в соответствии с уравнением (5) потенциал Нернста будет увеличиваться, при этом и отношение напряжения к току будет увеличиваться. В случае фиксированного тока напряжение будет увеличиваться, когда подача сырья будет уменьшается.

Для батарей с последовательно соединенными элементами применяются эквивалентные аргументы.

Таким образом, если батарея используется в режиме, в котором ток поддерживается постоянным, а подача сырья уменьшается, то это приведет к тому, что напряжение будет расти. В итоге, напряжение растет до уровня, когда и другие процессы начинают вносить свой вклад в этот ток. Этот рост постепенно разрушает электролизер. Настоящее изобретение предлагает способы обнаружения срыва подачи сырья и принятия соответствующих мер для исключения потенциально разрушающих эффектов.

В качестве альтернативы функционированию в режиме постоянного тока настоящее изобретение также предлагает функционирование батареи в режиме ограниченного напряжения. В этом случае ток, в соответствии с уравнением (1), будет уменьшаться как следствие повышения потенциала Нернста (3), когда парциальное давление сырьевого газа падает. Этот эффект показан ниже, в примере 2(a), для случая убыли сырьевого газа во время работы SOEC; показано на фиг. 4(a).

Однако настоящее изобретение учитывает также конкретное явление, которое может возникнуть при высоких, пока еще не рассматриваемых с коммерческой точки зрения уровнях рабочего напряжения, а именно пробой, при котором связь между током и напряжением больше не регулируется только входным и выходным газом, как это следует, например, из уравнения (5) в случае CO2-электролиза.

Важным объектом настоящего изобретения является способ отслеживания и регулирования электролитической системы таким образом, чтобы случаи нелинейного пробоя могли быть исключены. Это можно сделать, например, посредством эксплуатации электролитической системы в режиме фиксированного напряжения с отслеживанием тока. Если ток неожиданно резко уменьшается, это интерпретируется как знак уменьшенной подачи сырья, и при необходимости напряжение уменьшается до безопасного уровня, т.е. напряжения безопасного режима работы. Безопасный уровень довольно высокий, и поэтому исключает окисление никелевого электрода, но в то же время довольно низкий, и поэтому исключает нелинейный пробой в случае срыва подачи сырья. Обычно безопасный уровень расположен между 0,6 B и 1,5 B на элемент.

В альтернативных вариантах обычно должны отслеживаться непосредственно параметры потоков через батарею или падение давления на ней. Некоторое преимущество заключается в том, что не предусмотрено получение свободного доступа к непосредственным измерениям параметров потока и расхода газа для отдельных батарей в больших системах.

Очевидно, существуют и другие варианты концепции такого отслеживания и регулирования. Таким образом, ток можно зафиксировать при некотором значении и отслеживать напряжение, или же можно изменять как ток, так и напряжение. В общем это может быть выражено следующим образом: Когда отношение напряжения к току (U/I) неожиданно увеличивается, принимается соответствующая мера, для того чтобы ограничить как напряжение, так и ток с учетом соблюдения применимой защиты катода, которая, весьма кстати, может быть электрической (безопасный режим).

Другая отказная ситуация, которая может быть устранена способом согласно изобретению, представляет собой ситуацию, когда очистительный воздух на кислородной стороне исчезает. Для электролитических систем существует очень большой риск взрывоподобного возгорания на кислородной стороне, если в системах, в которых не приняты конкретные меры для соблюдения правил техники безопасности при работе с кислородом, присутствуют очень высокие концентрации кислорода (значительно выше 50%). Если применяется не чистый кислород, то электролитические системы обычно проектируются с очистительным газом (воздухом, N2 или CO2) на кислородной стороне для уверенности в том, что концентрация кислорода в выпускном патрубке не превышает указанные пределы безопасности (напр., 23%).

В механизме управления, как описано в настоящем документе, дополнительно предусмотрена возможность устранения исчезновения очистительного газа на кислородной стороне. Это означает, что концентрация кислорода возрастает по мере возрастания потенциала Нернста (3). При фиксированном напряжении ток будет снижаться как следствие уравнения (1). В общем, подходящим регулированием порога выключения система обычно выключается, когда концентрация кислорода превышает выбранный критический предел.

Существуют и альтернативные способы устранения этих сбоев в работе. В передней части батарей, удовлетворяющих необходимым условиям работы, могут быть помещены устройства измерения параметров потока, при этом могут быть применены подходящие механизмы выключения при выходе отслеживаемых параметров потока за определенные границы. Это решение, однако, имеет недостаток, который заключается в том, что контроллеры потока обычно должны находиться при комнатной температуре, что является основным недостатком, например, систем SOEC (твердооксидных электролитических элементов), функционирующих при температурах около 800°C. Более того, обычно требуется большое количество следящих устройств для отслеживания потоков всех батарей, удовлетворяющих условиям работы в больших системах. В альтернативном исполнении в качестве индикации потока могут быть применены измерения падения давления. Эти измерения, однако, дают только непрямое и возможно неточное отслеживание потока. Если, например, падение давления на батарее изменяется (в силу изменений, связанных с механическим старением), отношение между потоком и падением давления изменяется. Индикаторы давления, обладающие преимуществом в возможности проводить измерения в "горячих" точках системы посредством выдачи сигналов от индикаторов давления, обычно при этом приводят к потере тепла, что снижает КПД электролитической системы.

Еще одним признаком настоящего изобретения является то, что подходящая схема продувания может также защитить систему SOEC в случае отключения электроэнергии. Во время аварийного отключения для защиты от окисления частей батареи SOEC, которые потенциально могут быть окислены (напр., Ni), важно, чтобы любые молекулы кислорода удалялись от потенциально окисляющихся материалов. Как ранее упомянуто, этого, например, можно достичь подачей на батарею напряжения безопасного режима, чтобы предоставить возможность транспортировать через электролит любые ионы кислорода на сырьевой стороне (катод) на другую сторону (анод). Для применения этой схемы при нарушении энергоснабжения, предусмотрен еще один объект изобретения, относящийся к способам минимизации засасывания молекул кислорода в сырьевую сторону батареи во время аварийного отключения. Это обычно уменьшает ток, потребляемый в "безопасном режиме", и, тем самым, уменьшает мощность, выдаваемую источником тока. Это также уменьшает размер допустимого средства резервного электропитания, необходимого для поддержки работы в безопасном режиме в случае сбоя в энергоснабжении.

Минимизация засасывания молекул кислорода может быть осуществлена различными способами:

1) продувка батареи инертными и не содержащими кислород газами на сырьевой стороне и возможно также на кислородной стороне и внешней поверхности раздела (стороне батареи), чтобы исключить попадание кислорода на сырьевую сторону через трещины и отверстия. На фиг. 3(a) представлен пример способа такой защиты.

2) поддерживание инертного газа на сырьевой стороне и обеспечение на сырьевой стороне более высокого давления по сравнению с давлением на кислородной и внешних сторонах; см. фиг. 3(b) для иллюстрации.

Настоящее изобретение описано более подробно в следующих примерах.

Пример 1

Изобретенный способ выключения для защиты батареи элементов в случае срыва подачи сырья применен в тестовой системе. Применяемый способ основан на том факте, что любой срыв в подаче сырья в батарею вызывает заметное уменьшение тока и/или увеличение напряжения. Когда такая ситуация возникает, система переходит в "безопасный режим" с предопределенным небольшим подаваемым напряжением, характерным для безопасного режима, (обычно порядка 1 B на элемент для защиты от окисления), пока электроды продуваются N2, чтобы защитить их от чрезмерных концентраций продукта реакции. Вариант осуществления двух стадий способа описан ниже.

1. Индикаторы срыва подачи сырья

Ток и напряжение на элементах отслеживаются через параметры управляющей программы. Когда преодолевается определенный предел, например током, уменьшенным до величины ниже заданного значения, то система переходит в "безопасный режим". Предел задается, исходя из текущего рабочего напряжения, например в виде определенного процента от тока, наблюдаемого в течение последнего часа при фиксированном напряжении и потоке.

2. Меры для обеспечения "безопасного режима"

В "безопасном режиме" установленные границы для напряжения (и тока) предотвращают прохождение слишком большого тока через батарею. В это же время чистый N2 пропускается по обеим электродам. Для батареи из 10 элементов применяются уровни потока очистительного N2 в 60 л/ч для электродов как на сырьевой стороне, так и на кислородной стороне.

Полное приложенное напряжение вычислено, исходя из количества элементов в батарее. Для случая, изображенного на фиг. 2, напряжение безопасного режима равнялось 1,2 B/элемент, а с 10 элементами полное напряжение безопасного режима равно 12 В. К тому же, чтобы уменьшить максимальную мощность, выдаваемую системой, было введено ограничение тока в 50 мА/см2. При активной зоне элемента в 100 см2 это соответствует полному току 5 A.

Интересный режим работы - это тот режим, в котором напряжения безопасного режима применяются одновременно с поддержкой определенного избыточного давления на сырьевой стороне; см., напр., иллюстрацию на фиг. 3(b). Это может гарантировать очень низкое потребление тока в безопасном режиме, практически посредством блокирования кислорода от проникновения на сырьевую сторону, которое замедляется газовым потоком в противоположном направлении, от высокого давления к низкому.

Безопасный режим может также применяться и в других ситуациях, когда необходимо получить наилучшую возможную защиту батареи, например при управляемом выключении или при управляемом пуске/нагреве.

Пример 2

Потенциально разрушительные ситуации, которые могут возникнуть при срыве подачи сырья в процессе электролиза, изображены на фиг. 4. Показано два состояния CO2-электролиза на 10-элементной батарее SOEC. Выбраны такие условия работы, чтобы получить 35%-ное (а) и 60%-ное (b) превращение, соответственно. В обоих случаях сырьевой поток CO2 уменьшается от 0,4 Нм3/ч до нуля в пределах нескольких минут. На примере с высокой степенью превращения показан потенциально разрушительный пробой, который не виден в примере с низкой степенью превращения. Для случая, показанного на фиг. 4(a), где потребление тока составляет приблизительно 345 мА/см2, порог напряжения около 1,4 B на элемент приводит к тому, что ток через батарею падает быстро с уменьшением потока CO2. Около полутора минут после того, как поток CO2 прекратился, ток достиг стабильного уровня приблизительно 25 мА/см2, который близок к току утечки батареи. Ток утечки означает уровень тока через батарею при рабочей температуре и напряжении безопасного режима, когда обе стороны продуваются инертными газами.

Таким образом, прерывание потока CO2 приводит к остановке технологического процесса в SOEC без какого-то бы ни было заметного наблюдаемого дополнительного потребления тока через батарею.

В случае, изображенном на фиг. 4(b), приложенное напряжение с самого начала увеличивается, чтобы поддерживать потребление тока на уровне 575 мА/см2, в процессе исчезновения потока CO2. Когда напряжение достигает верхнего предела 1,7 B на элемент, ток начинает уменьшаться, но меняет направление уже при приблизительно 150 мА/см2, что значительно выше, чем ток утечки. Последующее повышение тока, которое возникает, несмотря на то что CO2 более не доступен для электролиза, является очевидной индикацией того, что другие процессы берут на себя генерацию тока через батарею. Таким образом, лишь незначительно повышенное напряжение батареи (1,7 B на элемент по сравнению с 1,4 B на элемент) является причиной ввода батареи SOEC в деструктивное состояние, когда сырьевой газ CO2 исчезает.

1. Способ отслеживания отказных ситуаций, связанных с потоком сырьевого газа и/или очистительным потоком в электролитических элементах, батареях или системах, причем указанный процесс отслеживания сочетают с предупредительными мерами, которые должны быть приняты в случае таких отказных ситуаций, причем

(a) ток и/или напряжение отслеживают и управляют на одиночной батарее, на всех батареях или на одной или более выбранных батареях в электролитической системе,

(b) в случае, когда ток, напряжение или отношение напряжения к току пересекают свое заданное пороговое значение, обнаруживается отказной режим и передается сообщение в систему управления и

(c) уровни напряжения системы регулируют с обеспечением нахождения внутри безопасных пределов (пределов безопасного режима), при этом для отслеживания как тока, так и напряжения с целью обнаружения сбоев в работе и перехода в случае сбоя к защитным уровням напряжения использован один и тот же блок питания,

причем защитное напряжение между 600 и 1500 мВ на элемент подают на каждый элемент батареи, а дополнительную защиту обеспечивают путем осуществления одного или более из следующих действий:

(1) продувание потенциально окисляемых электродов свободными от кислорода газами,

(2) постепенное охлаждение электролитического элемента батареи либо продуванием газов, либо пассивным выводом тепла из системы и

(3) поддерживание электролитического напряжения на каждом элементе множества элементов и батарей по меньшей мере до тех пор, пока их температура не опустится ниже порога окисления электродов электролитического элемента.

2. Способ по п. 1, в котором электролизер является твердооксидным электролитическим элементом (SOEC).

3. Способ по п. 1, в котором защитное напряжение подают до тех пор, пока температура элементов, батарей или системы не опустится ниже 500°С, предпочтительно ниже 400°С.

4. Способ по п. 1, в котором система в любых условиях эксплуатации функционирует под напряжением внутри диапазона между 600 и 1500 мВ на элемент, при этом в случае сбоя в работе никаких изменений приложенного напряжения не требуется.

5. Способ по п. 1, в котором предупредительная мера включает снижение скорости потока кислородосодержащих газов в элементы, батареи или систему.

6. Способ по п. 1, в котором предупредительная мера включает продувание защитным газом одного или обоих электродов в течение времени, необходимого для их защиты от чрезмерных концентраций продукта или выдувания кислорода.

7. Способ по п. 1, в котором ток через элементы ограничивают значением ниже 0,1 А/см2, предпочтительно ниже 0,05 А/см2.

8. Способ по п. 1, в котором предупредительная мера включает продувание защитным газом областей вокруг элементов, батарей или системы, пока их температура не опустится ниже 500°С, предпочтительно ниже 400°С.

9. Способ по п. 8, в котором защитный газ является инертным газом, не содержащим кислород, таким как N2.

10. Способ по п. 8, в котором сырьевую сторону, кислородную сторону и окружение батареи продувают инертным газом, свободным от кислорода, пока температура батареи не опустится ниже 500°С, предпочтительно ниже 400°С.

11. Способ по п. 8, в котором инертный газ подают на сырьевую сторону под давлением, более высоким, чем давление на кислородной стороне и/или на внешних частях поверхностей раздела.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электролизеру для получения водорода и кислорода из воды, состоящему из корпуса с размещенными в нем катодом в виде полого цилиндра из пористого гидрофобизированного материала и анодом в виде трубы из металла, находящегося между ними сепаратора в виде газозапорной мембраны, с образованием катодной газовой полости между внешней стенкой катода и внутренней стенкой корпуса, анодной полости внутри анода, с нанесенными на поверхность анода и поверхность катода катализатором.

Изобретение относится к катоду для электролиза, содержащему покрытие из никеля толщиной 300-1000 нм, нанесенное методом магнетронного распыления на матрицу пористого оксида алюминия с размерами пор 40-120 нм и расстоянием между стенками пор 10-20 нм.

Изобретение относится к способу получения никотината цинка гидрата путем электролиза водно-органического раствора никотиновой кислоты с цинковыми электродами при постоянном токе, включающему отделение полученного осадка, промывку осадка и его сушку.

Изобретения относятся к области осветления и обесцвечивания природных вод и могут быть использованы в процессах водоподготовки для питьевых и технических целей. Осветление и обесцвечивание природных вод осуществляют при помощи водозаборно-очистного устройства.

Изобретение относится к способам очистки сырой нефти, содержащей меркаптаны и серосодержащие примеси, включающим контактирование сырой нефти с очищающим раствором, содержащим раствор гипохлорита, в течение 30 с – 2 мин, при которых меркаптановая сера окисляется и превращается по меньшей мере в одну оксокислоту серы или ее соль, образуя на выходе очищенную сырую нефть, содержащую менее 50 ч/млн меркаптановой серы и остаточные хлориды.

Изобретение относится к области технологии неорганических веществ, в частности к утилизации загрязненного шламом белого фосфора. Способ осуществляется путем окисления белого фосфора кислородом до пятиокиси фосфора с последующей ее гидратацией, причем загрязненный шламом белый фосфор помещают в реакционную камеру трехкамерного электролизера, на электроды подают постоянный электрический ток, образующийся в результате электролиза воды кислород окисляет белый фосфор до пятиокиси фосфора, поглощаемой водой до образования фосфорной кислоты, при этом шлам откладывается в анодной камере электролизера, после полного окисления фосфора электролизер автоматически отключается от электрической сети.

Изобретение относится к способу получения электрохимического гипохлорита натрия, включающему получение водного раствора хлорида натрия путем смешивания воды с солью в определенной концентрации и электролиз.

Изобретение относится к двум вариантам устройства генерирования водорода, а также способу использования устройства. Устройство по одному из вариантов включает в себя: анод; катод; корпус, имеющий внутреннюю полость и по меньшей мере одно отверстие; цилиндрическую металлическую гильзу, введенную скольжением и размещенную во внутренней полости, металлическая гильза имеет по меньшей мере одно отверстие, выровненное с по меньшей мере одним отверстием корпуса; перфорированную стенку внутри внутренней полости возле ее конца, электрически соединенную с анодом или катодом и отделяющую концевую часть внутренней полости от основной части внутренней полости; и по меньшей мере одну электропроводящую клемму, выступающую наружу из внутренней полости через выровненные отверстия гильзы и корпуса и находящуюся в электрическом контакте с анодом; и воду в корпусе, непрерывно проходящую из основной части внутренней полости через перфорированную стенку в концевую часть внутренней полости.

Изобретение относится к способу получения высокодисперсной алюмоциркониевой оксидной системы. Способ включает анодное растворение металлического алюминия в растворе хлорида натрия с концентрацией 29±0,5 г/л в коаксиальном электролизере с отличающимися на два и более порядка площадями электродов при анодной плотности тока 20-160 А/м2 в присутствии ионов циркония в количестве, обеспечивающем содержание оксида циркония в образующемся осадке от 5 до 20 мас.%, выдерживание полученного осадка в маточном растворе в течение не менее 48 часов, фильтрацию и сушку осадка.

Изобретение относится к способу получения перфтор-3-метоксипропионилфторида, который является исходным продуктом получения перфтор-3-метоксипропилвинилового эфира (мономера М-60МП), обеспечивающего его сополимерам - фторкаучукам повышенную морозостойкость за счет снижения их температуры стеклования.
Изобретение относится к углеродистой композиции, пригодной для изготовления электрода суперконденсатора в контакте с водным ионным электролитом, причем композиция основана на угольном порошке, способном сохранять и высвобождать электроэнергию, и включает гидрофильную связующую систему. Указанная система содержит: согласно массовой доле в композиции от 3% до 10%, по меньшей мере, одного первого сшитого полимера, имеющего среднечисленную молекулярную массу Mn, составляющую более чем 1000 г/моль, и содержащего спиртовые группы, и согласно массовой доле в композиции от 0,3% до 3%, по меньшей мере, одного второго полимера, по меньшей мере, одной кислоты, который имеет рКа от 0 до 6 и среднечисленную молекулярную массу Mn, составляющую более чем 500 г/моль, причем указанный, по меньшей мере, один первый полимер термически сшит в присутствии указанного, по меньшей мере, одного второго полимера. Изобретение также относится к пористому электроду, способу изготовления электрода и суперконденсаторному элементу. Технический результат заключается в обеспечении энергетической эффективности за счет оптимизации емкости и потенциала суперконденсатора. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 табл., 10 пр.

Изобретение относится к электролитическому способу получения наноразмерных порошков силицидов лантана, включающему синтез силицидов редкоземельного элемента из расплавленных сред в атмосфере очищенного и осушенного аргона. Способ характеризуется тем, что синтез проводят из галогенидного расплава, в качества источника лантана используют безводный хлорид лантана, в качестве источника кремния - фторсиликат натрия, в качестве растворителя - эквимольную смесь хлоридов калия и натрия, при следующем соотношении компонентов, мас.%: хлорид лантана 1,0÷4,0, фторсиликат натрия 1,0÷5,0; остальное - эквимольная смесь хлоридов калия и натрия, причем процесс ведут при температуре 700°С и потенциалах электролиза относительно стеклоуглеродного электрода сравнения от -2,6 до -2,8 В. Техническим результатом является: получение наноразмерных порошков силицидов лантана; получение целевого продукта в чистом виде, за счет хорошей растворимости эквимольного расплава хлорида калия и хлорида натрия в воде и растворимости образующегося фторида лантана фторидом калия. 3 пр., 6 ил.
Изобретение относится к электрохимическому синтезу борида молибдена, включающему электролиз расплава, содержащего хлорид калия, молибдат натрия и оксид бора, хлорид натрия. Способ характеризуется тем, что дополнительно вводят фторид натрия, а также для повышения чистоты и снижения температуры электролиз ведут при следующем соотношении компонентов, мас.%: хлорид калия 15,60, фторид натрия 7,84, молибдат натрия 1,00, оксид бора от 1,00 до 3,0, хлорид натрия - остальное, при температуре 750°С и напряжении на ванне U=2,8 В. Использование предлагаемого способа позволяет повысить чистоту продукта, в частности снизить загрязнение целевого продукта другими металлами (алюминием), и снизить температуру процесса. 3 пр.
Изобретение относится к электрохимическому способу получения порошка силицида вольфрама, включающий электролиз расплава при температуре 850-950°С, содержащего хлорид натрия, вольфрамат натрия и диоксид кремния. Способ характеризуется тем, что дополнительно вводят фторид натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%: хлорид натрияот 56,75 до 57,33; фторид натрия от 40,75 до 41,17; вольфрамат натрия от 0,80 до 1,20; диоксид кремния от 0,80 до 1,20. С целью повышения дисперсности электролиз ведут при напряжении на ванне 2,8 В. Технический результат изобретения заключается в возможности получения порошка силицида вольфрама с использованием доступных солей, исключающих возможность загрязнения другими металлами (алюминием) и с размером частиц порошка 2-20 мкм. 3 пр.

Изобретение относится к электролизеру, содержащему корпус с электролитом с размещенными в нем электролизной ячейкой с анодом, катодом и мембраной, разделяющей объем электролизной ячейки на анодное и катодное пространства, анодный контур циркуляции электролита, включающий емкость с электролитом и теплообменник, сепараторы водорода и кислорода, магистрали подвода воды и отвода кислорода и водорода, отличающемуся тем, что электролизер содержит катодный контур циркуляции, совмещенный с анодным контуром циркуляции таким образом, что катодная емкость с электролитом соединена через анодный теплообменник с анодным пространством, а анодная емкость с электролитом соединена с катодным пространством через катодный теплообменник, и байпасную линию, соединяющую катодную емкость с электролитом через кран-регулятор и катодный теплообменник с катодным пространством. Также изобретение относится к каскаду электролизеров. Использование предлагаемого изобретения позволяет снизить удельный расход электроэнергии на производство водорода, увеличить ресурс работы электролизера и возможность эффективного использования предлагаемого технического решения в установках разделения изотопов водорода. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу получения альфа-оксида алюминия высокой чистоты. Способ включает анодное растворение алюминия высокой чистоты в водном растворе нитрата аммония, рафинирование электролита путем удаления 50-100% первой партии гидроксида алюминия с предварительным отстаиванием в электролите в течение 12-24 ч, разделение последующих партий гидроксида алюминия и электролита, промывку последующих партий гидроксида алюминия дистиллированной водой и их термическую обработку, которая осуществляется посредством предварительной сушки в течение 12-24 ч при температуре 200-250°С и окончательного прокаливания в течение 15-18 ч при температуре не менее 1100°С, при этом при прокаливании каждые 3 ч производится перемешивание продукта. Изобретение позволяет получать альфа-оксид алюминия с содержанием основного компонента 99,995-99,998 мас.% и со средней дисперсностью 40-45 мкм. 4 з.п. ф-лы, 1 пр., 3 табл.

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к способам электрохимического окисления железа для получения реагента-окислителя феррата (VI) FeO42-. В способе используют устройство для электрохимического синтеза ферратов щелочных металлов с по меньшей мере двумя электрохимическими реакторами, каждый из которых состоит из вертикально расположенного внутреннего анода - цилиндрического стержня на основе железа, внешнего цилиндрического титанового катода и размещенной между ними цилиндрической керамической ионопроницаемой диафрагмой, которые образуют замкнутые объемы анодной и катодной камер электрохимического реактора за счет наличия у него верхних и нижних втулок, имеющих в нижней и верхней частях входы и выходы. При этом нижние входы анодных камер всех электрохимических реакторов соединены с нижним анодным коллектором, в который насосом-дозатором подают раствор гидроксида щелочного металла. Верхние выходы анодных камер всех электрохимических реакторов соединены с верхним анодным коллектором, из которого продукты электрохимического разложения водного раствора гидроксида щелочных металлов проходят через сепаратор, отделяющий газообразную и жидкую фазы продуктов электрохимического разложения. При этом газообразную фазу в виде кислорода отводят в атмосферу, а жидкую фазу, содержащую феррат щелочного металла, отводят для дальнейшего использования. Технический результат заключается в сокращении энергопотребления на единицу продукции и обеспечении получения феррата щелочных металлов в одну стадию путем разложения гидроксидов щелочных металлов в электрохимическом реакторе. 2 ил.

Изобретение относится к способу получения водорода на основе химической реакции электролиза алюминиевого сплава и щелочного раствора воды в заполненном электролитом электролизере, в котором расположены анод и катод. Способ характеризуется тем, что в качестве катода используют пористый алюминий с содержанием окиси кальция 1,5%, помещают его в раствор с содержанием щелочи от 0,2% до 1% и ведут реакцию при температуре от 15°C до 70°C, с использованием воды с pН от 7 до 12. Использование предложенного способа позволяет увеличить производство водорода более чем в 1,5 раза по сравнению с известным способом. 5 пр., 5 табл.

Изобретение относится к электроду для устройства для разложения воды, содержащего: газопроницаемый материал; второй материал; разделительный слой, расположенный между газопроницаемым материалом и вторым материалом, где разделительный слой расположен рядом с внутренней стороной газопроницаемого материала, причем данный разделительный слой предоставляет газосборный слой, способен к перемещению газа внутри в электроде по меньшей мере к одной зоне выпуска газа, где перемещаемый газ является продуктом реакции разложения воды, и где газ мигрирует через газопроницаемый материал; и проводящий слой расположен рядом с внешней стороной газопроницаемого материала, на ней или частично внутри внешней стороны. Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить энергетический КПД. 21 з.п. ф-лы, 6 пр., 19 ил.

Изобретение относится к электролитической ячейке для выработки неразделенных анодных и катодных продуктов, состоящая из литографически структурируемой подложки, имеющей поверхность, множество анодных и катодных микроэлектродов, сформированных на упомянутой поверхности, причем упомянутые анодные и катодные микроэлектроды взаимно вставлены один в другой с межэлектродным промежутком менее 100 микрометров и имеют среднюю шероховатость Ra поверхности менее 0,05 мкм. Также изобретение относится к способу изготовления ячейки, способу изготовления растворов смешанных окислителей переменного состава и устройству для дозирования стерилизующих, дезинфицирующих или моющих веществ. Предлагаемая ячейка обладает повышенной скоростью выработки продукта при его меньших потерях. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 пр.

Изобретение относится к способу отслеживания отказных ситуаций, связанных с потоком сырьевого газа иили очистительным потоком в электролитических элементах, батареях или системах, причем указанный процесс отслеживания сочетают с предупредительными мерами, которые должны быть приняты в случае таких отказных ситуаций. При этом ток иили напряжение отслеживают и управляют на одиночной батарее, на всех батареях или на одной или более выбранных батареях в электролитической системе, в случае, когда ток, напряжение или отношение напряжения к току пересекают свое заданное пороговое значение, обнаруживается отказной режим и передается сообщение в систему управления и уровни напряжения системы регулируют с обеспечением нахождения внутри безопасных пределов, при этом для отслеживания как тока, так и напряжения с целью обнаружения сбоев в работе и перехода в случае сбоя к защитным уровням напряжения использован один и тот же блок питания, причем защитное напряжение между 600 и 1500 мВ на элемент подают на каждый элемент батареи, а дополнительную защиту обеспечивают путем осуществления одного или более из следующих действий: продувание потенциально окисляемых электродов свободными от кислорода газами, постепенное охлаждение электролитического элемента батареи либо продуванием газов, либо пассивным выводом тепла из системы и поддерживание электролитического напряжения на каждом элементе множества элементов и батарей по меньшей мере до тех пор, пока их температура не опустится ниже порога окисления электродов электролитического элемента. Предложенное изобретение позволяет эффективно отслеживать отказные операции, связанные с сырьевым или продувочным газовым потоком. 10 з.п. ф-лы, 2 пр., 6 ил.

Наверх