способ разложения воды в электролизере и конструкция последнего

Формула изобретения

1. Способ разложения воды в электролизере, включающий подвод электролита к электродам, разложение воды на водород и кислород под действием электрического тока, отличающийся тем, что на электролит воздействуют пульсацией давления в виде циклических растягивающих напряжений по отнулевому циклу, создаваемых путем изменения в сторону увеличения рабочего объема электролизера, полностью заполненного электролитом, в направлении между двумя электродами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пульсацию давления осуществляют с частотой не менее 5 Гц.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочий объем электролизера изменяют в пределах не менее 3% от первоначального.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрический ток подают импульсами, совпадающими по фазе с циклами растягивающих напряжений на стадии их нарастания.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что растягивающие напряжения сочетают с напряжениями, превышающими предел прочности электролита на растяжение, при отношении числа циклов между ними не менее 50:1, при реализации второго из напряжений электрический ток отключают.

6. Электролизер, содержащий корпус, в котором смонтированы электроды, связанные с источником электрического тока, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один электрод выполнен в виде фрагмента корпуса и установлен с возможностью совершения возвратно-поступательных движений в направлении другого электрода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электрохимии, в частности к способу электролитического получения водородно-кислородной смеси и конструкции электролизера, наиболее эффективно используемых для газопламенной технологии в ряде отраслей промышленности.

Горение водородно-кислородной смеси (гремучий газ) сопровождается выделением значительного количества теплоты. Стандартная энтальпия этой реакции в расчете на один моль образующейся жидкой воды равна 285,8 кДж. Температура водородного пламени достигает 2800°С. Водородно-кислородным пламенем пользуются для сварки и резки металлов. Последнее время водород рассматривается как перспективное горючее для наземных и воздушных транспортных средств.

В промышленности водород получают главным образом из природного газа. Этот газ, состоящий в основном из метана, смешивают с водяным паром и кислородом. При нагревании смеси газов до 800-900°С в присутствии катализатора происходит реакция, которую можно схематически изобразить уравнением:

2СН₄+О ₂+2H₂O=2CO₂+6H₂

Полученную смесь газов разделяют. Водород очищают и транспортируют в стальных баллонах под давлением.

Важным промышленным способом получения водорода служит его выделение из коксового газа или газов переработки нефти. Оно осуществляется глубоким охлаждением, при котором все газы, кроме водорода, сжижаются [1].

Недостатком вышеописанных способов получения водорода является их технологическая сложность и большая энергоемкость, которые могут быть реализованы лишь в индустриальных масштабах на крупных специализированных производствах, откуда газ в баллонах транспортируется к потребителю, что экономически не всегда оправдано.

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. Однако и в ней имеются проблемы, требующие своего разрешения.

Известен способ электролиза, принятый за прототип, который включает подвод электролита к электродам, разложение воды на водород и кислород под действием постоянного электрического тока, последующий отвод газов и тепла из зоны электролиза за счет циркуляции электролита. Перемешивание последнего, помимо циркуляции, усиливается за счет пульсации давления, по крайней мере одного из газов, что достигается периодическим его накоплением и сбросом. Это, в конечном итоге, приводит к усилению миграции электролита в порах электрода, в частности анода.

Таким образом достигается упрощение процесса электролиза и обеспечение технических результатов, в частности увеличение ресурса электродов [2].

Технически способ реализуется с помощью установки, 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 электролита, сбора газовой смеси и перемешивания. Последнее выполнено в виде мембранного регулятора с пружиной, соединенного с патрубком сбора кислорода, снабженного дополнительной пружиной, связанной одной стороной шарниром со штоком мембраны, а другой - с корпусом регулятора. Для поддержания давления электролита ниже атмосферного предусмотрена специальная мембранная емкость, содержащая регулирующую пружину [2].

Недостатком способа-прототипа является его ограниченная применимость, распространяющаяся только на электролизеры с пористыми электродами. Применение способа в установках со сплошными электродами приведет к воздействию на электролит повышенных давлений со стороны пульсирующего газа, что, в конечном итоге, резко повысит работу пересыщения электролита газом и потребует дополнительных энергозатрат. Следует также отметить, что эффективность перемешивания, достигаемая за счет пульсации давления одного из газов и заключающаяся в усилении миграции электролита в порах электрода, будет значительно снижена в силу сопротивлений, вызванных капиллярными силами, действующими в жидкой среде, замкнутой в порах твердого тела. В случае способа-прототипа пульсации будут иметь место в областях электрода, близких к пространству, заполненному пульсирующим газом, и не коснутся других областей, расположенных дальше и глубже.

Установка, реализующая способ, включает в себя, помимо технологически необходимых устройств, средство создания пульсаций в одном из газов, выделяемых в процессе электролиза, которое содержит по меньшей мере пять различных упругих элементов, соблюдение соотношений между величинами жесткости которых и обеспечивает осуществление способа в том виде, как он описан. Известно, однако, что в процессе эксплуатации любой упругий элемент подвержен усталостным явлениям, меняющим его силовые характеристики. И в этом смысле, выход из номинального значения жесткости хотя бы одного упругого элемента из пяти приведет к искажению процесса регулирования перепада давлений и к снижению качественной стороны реализуемого способа, т.е. ухудшению процесса перемешивания. В конечном итоге, основным недостатком установки является ее низкая надежность, отражающаяся и на качестве способа.

Целью изобретения является создание условий, способствующих повышению производительности электролизера, и упрощение конструкции последнего, делающее его работу более надежной.

Поставленная задача, согласно изобретения, достигается за счет того, что в способе разложения воды в электролизере, включающем подвод электролита к электродам, разложение воды на водород и кислород под действием электрического тока, на электролит воздействуют пульсацией давления в виде циклических растягивающих напряжений по отнулевому циклу, создаваемых путем изменения в сторону увеличения рабочего объема электролизера, полностью заполненного электролитом, в направлении между двумя электродами. При этом пульсацию давления осуществляют с частотой не менее 5 Гц, и рабочий объем электролизера изменяют в сторону увеличения не менее 3% от первоначального. Электрический ток подают импульсами, совпадающими по фазе с циклами растягивающих напряжений на стадии их нарастания. Последние сочетают с напряжениями, превышающими предел прочности электролита на растяжение при отношении циклов между ними не менее 50 к 1. При реализации второго из напряжений электрический ток отключают.

Реализация описанного выше способа осуществляется с помощью электролизера, содержащего корпус, в котором смонтированы электроды, связанные с источником электрического тока, при этом, по меньшей мере один электрод выполнен в виде фрагмента корпуса и установлен с возможностью совершения возвратно-поступательных движений в направлении другого электрода.

Техническая сущность изобретения состоит в структурировании молекул электролита, которое заключается в их ориентации вдоль силового поля от катода к аноду путем растяжения электролита в этом направлении и ослабления, таким образом, внутримолекулярных связей, что, в конечном итоге, приводит к снижению энергозатрат на процесс диссоциации и повышению производительности по выходу получаемого газа. Другими словами, циклическая растягивающая электролит пульсация приводит к консолидации (укрупнению) пузырьков газа, собравшихся у электродов, и соответствующему увеличению активной (рабочей) поверхности у последних, способствуя повышению производительности. Укрупнение пузырьков приводит к образованию микропотоков электролита у поверхности электродов, активизируя его перемешивание за счет турбулизации и интенсифицируя отрыв образовавшихся пузырьков производимых газов. Это также повышает производительность и облегчает отвод газов. Совмещение импульсов растяжения и подачи тока на электроды способствует снижению энергоемкости процесса электролиза. Важным преимуществом является снижение работы и уровня пересыщения электролита растворенными газами, являющимися центрами образования зародышей газовой фазы, что происходит при растяжении жидкой фазы, т.е. электролита. Уменьшение уровня пересыщения ведет к уменьшению омического сопротивления электролита, что позволяет, при прочих равных с прототипом технологических показателях, повысить производительность электролизера. Этому же способствует и то, что во время действия растягивающих напряжений облегчается диссоциация воды на ионы H и ОН^- за счет ослабления внутренних связей в молекулах Н₂О. При этом подвижность ионов возрастает, что эквивалентно уменьшению сопротивления электролита.

Техническая реализация способа осуществляется в электролизере, конструкция которого проста и не выходит за рамки идеологии обычных гидравлических машин, в частности, силовых гидроцилиндров.

На фиг.1 и 2 схематически изображены два конструктивных варианта исполнения электролизера, реализующих предлагаемый способ.

На фиг.3 изображены циклограммы напряжений и тока, поясняющие сущность процесса, организуемого в электролизере.

На фиг.4 дано схематическое изображение фрагмента электрода для пояснения явлений, имеющих место у его поверхности при осуществлении предлагаемого способа.

Установка для осуществления способа электролиза воды состоит из корпуса 1, представляющего собой емкость с днищем, имеющая поперечное сечение любой формы, например цилиндрической. Крышка 2 корпуса 1 выполнена подвижной в режиме возвратно-поступательных перемещений и связана с соответствующим приводом 3. Крышка 2 может быть изготовлена в форме поршня (фиг.1) или мембраны (фиг.2). Внутри корпуса 1 смонтирован катод, который с анодом и источником 4 постоянного тока образуют силовую цепь электролизера. Анод последнего совмещен с крышкой 2. Источник 4 содержит устройство формирования импульсов тока, согласованных с циклами растягивающих импульсов или режимом движения подвижной крышки 2. Инфраструктура электролизера включает в себя устройства: 5 - отвода полученных газов и 6 - рециркуляционный насос электролита, связанный с полостью электролизера через клапаны: 7 - впуска и 8 - выпуска.

Работает установка с использованием предлагаемого способа следующим образом.

Исходное состояние установки для осуществления способа электролиза воды состоит в том, что полость корпуса 1 полностью заливают щелочным электролитом с 25% содержанием NaOH или 34% КОН. При этом в полости полностью исключают воздушные подушки, что может быть достигнуто стравливанием под контролем воздуха из электролизера при его заполнении электролитом.

В работу электролизер вводят включением привода 3, под действием которого крышка 2 начинает совершать возвратно-поступательные перемещения. Величина последних рассчитана таким образом, что рабочий объем электролизера изменяется не менее чем на 3% от первоначального в сторону увеличения, что создает по всему объему электролита растягивающие напряжения по отнулевому циклу. Перемещения носят циклический характер и частота колебаний устанавливается на минимальном уровне, т.е. 5 Гц, но может быть и более до ультразвукового диапазона. Изменение объема на 3% обеспечивает величину растягивающих напряжений менее предела прочности электролита, т.е. не нарушая его сплошности и не вызывая кавитационных явлений (см. фиг.3). Постоянный ток с источника 4 подается импульсами, совпадающими по фазе с циклами растягивающих напряжений на стадии их нарастания. Такой режим связан с тем, что в растянутом электролите резко падает величина пересыщения газом, в связи с чем уменьшается омическое сопротивление, что способствует уменьшению энергозатрат.

При растяжении электролита из-за ослабления внутримолекулярных связей интенсифицируется процесс ионизации, т.е. происходит увеличение катионов водорода и анионов кислорода, также способствующих увеличению выхода получаемых газов. Как показали исследования, на электродах в цикле возрастания растягивающих напряжений в электролите происходит “стягивание” мелких пузырьков полученного газа, ранее располагавшихся в виде пленки, в крупные пузыри, ориентированные в основном в направлении движения тока. Этот процесс сопровождается освобождением части поверхности электрода, на которой идет интенсивное газообразование. Образование крупных пузырей ведет к появлению между ними не только свободных поверхностей электрода, но и появлению микропотоков электролита, определяемых авторами как микровихри, которые интенсивно турбулизируют околоэлектродное пространство, тем самым улучшая перемешивание и интенсифицируя процесс газообразования (фиг.4). Крупные пузыри, в силу их большой “парусности”, легко отрываются от электрода рециркуляционным потоком электролита, создаваемого насосом 6, и улавливаются устройством 5 отвода полученного газа. Отключение тока на стадии уменьшения растягивающего напряжения в электролите связано с экономией электроэнергии, тем более, что на этой стадии все активные процессы, связанные с увеличением производительности, имеют тенденцию к затуханию в связи с ростом давления. К тому же омическое сопротивление электролита растет из-за повышения его плотности в этот момент. Через 50 растягивающих электролит циклов целесообразно осуществить очистку электродов от окислов путем создания в электролите кавитации, что достигается некоторым увеличением хода поршня или мембраны при отключенном электропитании (см. фиг.3) и закрытых клапанах 7 и 8. Таким образом происходит нарушение сплошности электролита из-за превышения предела его прочности, что стимулирует образование кавитационных пузырьков, которые при схлопывании создают ударные волны в объеме электролита, интенсивно очищая электроды.

Лабораторные исследования, проведенные в OOO ”ВРТ” для проверки основных положений предлагаемого способа, подтвердили его эффективность, что позволит при промышленном освоении увеличить коэффициент 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 - прототип.