установка для электролиза воды

Формула изобретения

1. Установка для электролиза воды, содержащая электролизер, выполненный в виде корпуса, в котором смонтированы анодные и катодные электроды, связанные с источником электрического тока, и устройства циркуляции и перемешивания электролита, а также сбора газовой смеси, отличающаяся тем, что каждый из электродов выполнен из набора пластин, чередующихся с аналогичными пластинами другого электрода, при этом крайняя пластина одного из электродов образует днище корпуса, а другого - поршень, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения в корпусе и кинематически связанный с приводом.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что пластины электродов выполнены со сквозной перфорацией, при этом перфорации на пластинах разных электродов не совпадают друг с другом.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что корпус размещен коаксиально в емкости, которая сообщается с полостью корпуса через радиальные отверстия в стенке последнего и отверстия в неподвижном электроде, образующем днище корпуса, при этом все отверстия снабжены клапанами.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что радиальные отверстия снабжены выпускными клапанами, а отверстия в днище корпуса - впускными клапанами.

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что устройство сбора газовой смеси сообщено с полостью емкости.

6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что пластины электродов выполнены в виде дисков, а внутренняя полость корпуса - в виде цилиндра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электрохимии и наиболее эффективно может быть использовано в установках получения водородно-кислородной смеси, используемой в газопламенной технологии в ряде отраслей промышленности.

В промышленности водород получают главным образом из природного газа. Этот газ, состоящий в основном из метана, смешивают с водяным паром и кислородом и в реакторе в присутствии катализатора подвергают нагреву до 800-900^oС. В результате выделяется смесь углекислого газа и водорода, которую затем разделяют и транспортируют к потребителям в стальных баллонах под давлением [1].

Недостатком промышленного метода получения водорода является технологическая сложность и большая энергоемкость и материалоемкость технических средств.

Для удовлетворения нужд в водородном топливе в ограниченном количестве на мелких и средних предприятиях существуют автономные источники получения водорода - электролизеры, которые под действием электрического тока разлагают воду на водород и кислород. Принятая технология по своей сути проста и не требует особо сложного оборудования.

Известна установка для электролиза воды, которая включает собственно электролизер, в корпусе которого размещены электроды, связанные с источником постоянного электрического тока. В установке смонтированы и устройства инфраструктуры, включающие средства заливки-слива и циркуляции электролита, сбора газовой смеси и перемешивания. Последнее выполнено в виде мембранного регулятора с пружиной, соединенного с патрубком сбора одного из газов, снабженного дополнительной пружиной, связанной одной стороной шарниром со штоком, а другой - с корпусом регулятора. Для поддержания давления электролита ниже атмосферного предусмотрена специальная мембранная емкость, содержащая регулируемую пружину [2].

При проведении электролиза начинается разложение воды на водород и кислород. Давление газа в электролизере, перекрытого мембранным регулятором, начинает возрастать, что приводит при определенных значениях давления к открытию клапана регулятора и сбросу газа из установки. Сброс давления снова приведет к перекрытию прорези клапаном регулятора и цикл возрастания и падения давления повторится. Пульсация давления газа вызывает миграцию электролита в порах анода и катода, улучшая условия перемешивания.

Недостатком установки является сложность и малая надежность устройства регулирования перепада давления. В последнем применены несколько упругих элементов, жесткости которых находятся в строгой зависимости друг от друга. Это обстоятельство и способствует стабильной работе устройства, т.е. обеспечению требуемых величин перепада давления в одном из газов. Усталостные явления, являющиеся следствием длительной работы, как правило, меняют номинал установленных величин жесткости пружин, что приведет к разбалансировке всего механизма регулирования давления. Снижает надежность работы установки и наличие в ней мембранной емкости, которая поддерживает заданную величину давления в электролит. Описанная конструкция установки имеет ограниченное применение, т.к. распространяется только на электролизеры с пористыми электродами и не может быть использована в случае сплошных электродов.

Таким образом, целью изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности ее работы и универсальность применения независимо от типа электродов.

Цель согласно изобретению достигается за счет того, что в установке для электролиза воды, содержащей электролизер, выполненный в виде корпуса, в котором смонтированы анодные и катодные электроды, связанные с источником электрического тока, и устройства циркуляции и перемешивания электролита, а также сбора газовой смеси, каждый из электродов выполнен из набора пластин, чередующихся с аналогичными пластинами другого электрода, при этом крайняя пластина одного из электродов образует днище корпуса, а другого - поршень, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения в корпусе и связанный с приводом. Кроме того, достижению поставленной цели способствует и то, что корпус электролизера коаксиально размещен в емкости, которая сообщается с полостью через радиальные отверстия в стенке последнего и отверстия в неподвижном электроде, образующем днище корпуса, при этом все отверстия снабжены клапанами: радиальные - выпускными, а отверстия в днище корпуса - впускными. Для решения поставленной задачи пластины электродов выполнены со сквозной перфорацией, которые на пластинах разных электродов не совпадают друг с другом. При этом пластины электродов выполнены в виде дисков, а внутренняя полость корпуса - в виде цилиндра.

Сущность изобретения состоит в том, что при возвратно-поступательном движении поршня в электролите возникают пульсации давления в виде циклических растягивающих напряжений, которые создают условия для значительного увеличения производительности электролизера по газу. Система клапанов в стенке корпуса и его днище в условиях возвратно-поступательного движения поршня обеспечивает циркуляцию электролита по всему объему и представляет собой насос, совмещенный конструктивно с элементами электролизера, что упрощает конструкцию установки в целом. Надежность работы последней находится на уровне обычно высокой надежности работы поршневого насоса.

На прилагаемом к описанию чертеже дано схематическое изображение предлагаемой установки для электролиза воды.

Установка для электролиза воды состоит из электролизера, основу которого составляет цилиндрический корпус 1, внутри которого размещены электроды: 2 - анод, 3 - катод. Каждый из электродов выполнен из набора дисковых пластин, чередующихся с аналогичными пластинами другого электрода. При этом крайняя пластина анода 2 выполнена в виде поршня 4, который, как и все связанные с ним пластины, установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения благодаря связи с приводом 5. Катод 3 совмещен с днищем 6 корпуса 1 и все отнесенные к катоду пластины неподвижно закреплены на этом днище в чередующемся порядке с пластинами анода 2. Корпус 1 электролизера помещен коаксиально в емкости 7 с образованием кольцевой полости 8 и пространства 9 под днищем 6. Полости корпуса 1 и емкости 7 связаны между собой посредством выпускных клапанов 10, радиально смонтированных в боковой стенке корпуса 1, и впускных клапанов 11, смонтированных в днище 6. Полость 8 в верхней части герметизирована и сообщена с устройством 12 сбора газовой смеси. Все дисковые пластины электродов выполнены со сквозной перфорацией (не показана), при этом перфорации соседних пластин, т.е. принадлежащих разным электродам, не совпадают друг с другом.

Работает установка следующим образом.

Включение в работу привода 5, который может быть выполнен в виде электромагнитного двигателя, приводит поршень 4 в возвратно-поступательное перемещение, а вместе и связанные с ним дисковые пластины анода 2. При движении поршня 4 вверх открываются впускные клапаны 11 и электролит засасывается в рабочую полость электролизера, т.е. внутрь корпуса 1. При движении поршня 4 вниз клапаны 11 закрываются, но открываются выпускные клапаны 10 и часть электролита выдавливается в кольцевое пространство 8 емкости 7. Таким образом осуществляется циркуляция электролита в объеме электролизера. Следует отметить, что при засасывании электролита в полость корпуса 1 через клапаны 11 последние имеют проходное сечение создающее некоторое сопротивление всасываемому электролиту, причем это сопротивление согласовано с величиной хода поршня 4, а точнее - освобождаемого им объема. В результате в рабочем объеме электролита в пределах корпуса 1 создается пониженное давление, величина которого не превышает предел прочности электролита на растяжение, т.е. не вызывается кавитация в электролите. Так как поршень 4 совершает колебательные движения, то растяжение электролита будет носить циклический отнулевой характер. При подаче электрического постоянного тока на электроды на пластинах начнется процесс газовыделения: на аноде - кислорода, а на катоде - водорода. Постоянная циркуляция электролита будет способствовать удалению газовой смеси, которая, попадая в пространство 8, будет выводиться из него посредством устройства 12.

Особенности электролиза в условиях пульсирующего давления в электролите состоят в следующем. Циклическая растягивающая электролит пульсация приводит к консолидации и укрупнению пузырьков газа, собравшихся у электродов, и соответствующему увеличению активной поверхности последних, способствуя повышению производительности. Процесс консолидации и укрупнения пузырьков приводит к образованию микропотоков электролита у поверхности электродов, стимулируя его перемешивание за счет турбулизации и интенсифицируя отрыв образовавшихся укрупненных пузырьков, облегчая их отвод. Важным преимуществом предлагаемой установки является снижение работы пересыщения электролита растворенными газами, что происходит при растяжении жидкой фазы. Уменьшение уровня пересыщения ведет к уменьшению омического сопротивления электролита, что позволяет при прочих равных с прототипом технологических показателях повысить коэффициент полезного действия электролизера. Этому же способствует и то, что во время действия растягивающих напряжений облегчается диссоциация воды на ионы водорода и гидроксильной группы за счет ослабления внутренних связей в молекуле воды. При этом подвижность ионов возрастает, что эквивалентно уменьшению сопротивления электролита.

Лабораторные исследования, проведенные в НПП "ВРТ" для проверки основных технических положений, заложенных в предлагаемой установке, подтвердили их эффективность и дают основания рассчитывать на увеличение коэффициента полезного действия электролизера в несколько раз.

Источники информации

1. Якименко Л.Н. Получение водорода, кислорода, хлора и щелочей. - М.: Химия, 1981.

2. Патент РФ 2006527, кл. С 25 В 1/04, выдан 30.01.94 г. - прототип.