ГЕНЕРАТОР КИСЛОРОДА Российский патент 2000 года по МПК C25B1/02 C25B9/00 

Изобретение относится к электрохимической промышленности, а именно к генераторам кислорода на основе высокотемпературных твердых электролитов.

Известны генераторы кислорода на основе высокотемпературных твердоэлектролитных элементов (модулей), работающих по принципу извлечения кислорода из воздуха или разделения воздуха. Элемент состоит из керамического электролита и двух электродов (катод и анод). К электродам подводится постоянный ток. В анодное пространство подается воздух, в катодном пространстве накапливается кислород, при этом воздух из анодного пространства выходит обедненный кислородом. Накопление кислорода обеспечивается за счет тока от внешнего источника, при этом вся электрическая энергия переходит в тепло и нагревает элемент. Но электропроводность элемента наступает при температуре не менее 600^oC и его электрическая эффективность сильно зависит от температуры. Оптимальная рабочая температура элемента 900 ± 40^oC. Для увеличения производительности генератора по кислороду из элементов собираются модули, из модулей -электрохимический блок.

Для обеспечения условий работы электрохимического блока, как правило, генератор содержит нагреватели, теплообменники, газовую систему прокачки атмосферного воздуха ("Высокотемпературный электролиз газов". - М. Наука, 1988 г.).

Преимущества таких генераторов кислорода:
- получение сверхчистого кислорода и обедненного воздуха (гипоксическая смесь), используемых, например, в медицине;
- использование сбрасываемого в атмосферу тепла.

Недостатки - высокая рабочая температура элементов, очень жесткие требования к отклонению температуры элементов, особенно собранных в батарею, и обеспечение теплового баланса работы всех узлов генератора.

Известен также генератор кислорода, включающий электрохимический блок, состоящий из высокотемпературных твердоэлектролитных элементов (модулей) с кислородотводящими трубками, нагревателями, теплообменную и газовую системы с регулирующими устройствами (пат. США N 5186793, МКИ C 25 В 1/02, C 25 В 9/00, 16.02.93 г.) - прототип.

В этом генераторе электрохимический блок выполнен из трубчатых модулей, в каждом из которых размещен нагреватель.

Теплообменная система содержит коаксиально расположенные цилиндры, охватывающие электрохимический блок, отражательные экраны и завихрители.

Газовая система содержит два вентилятора, систему каналов для прокачки воздуха и кислорода, входные и выходные патрубки.

Одним из недостатков данного генератора является сложность обеспечения и точного поддержания рабочей температуры каждого модуля.

Электрохимический блок собран из пакета модулей, в каждом из которых в рабочем режиме выделяется тепло под действием электрического тока. При прокачке кислородотдающего воздуха через пакет модулей он будет забирать это тепло и передавать последующим модулям. В конечном счете на последнем модуле температура его может превысить критическую и блок выйдет из строя.

Необходимость поддержания одинаковой температуры первого и последующих по ходу воздуха модулей возможна в случае добавления холодного воздуха между секциями модулей, что непредусмотрено в конструкции данного генератора.

Другим недостатком является сложность обеспечения теплового баланса работы генератора и обеспечения необходимой температуры выходящего кислорода и гипоксической смеси, например, для медицины. Производительность генератора по кислороду определяется подводимой электрической мощностью, которая в свою очередь определяет минимальный расход кислородотдающего воздуха через электрохимический блок для отвода "джоулева" тепла и последующего нагрева атмосферного воздуха. Обеспечение минимально необходимого расхода воздуха диктуется еще и возможностью получения на выходе из электрохимического блока гипоксической смеси с содержанием в ней кислорода от 10 до 16%. Эту высокотемпературную выходящую из блока гипоксическую смесь, также как и выходящий кислород в дальнейшем необходимо охладить до температуры потребления в теплообменниках, одновременно нагревая при этом атмосферный воздух, необходимый для прокачки через генератор. Причем расход атмосферного воздуха, необходимый для обеспечения нужной температуры потребления, всегда больше, чем требуется для получения необходимого количества кислорода и гипоксической смеси и для отвода "джоулева" тепла. Такой тепловой баланс возможен в случае сброса излишнего атмосферного воздуха в газовой системе после теплообменников, что непредусмотрено в конструкции данного генератора.

Недостатком данного генератора является еще и сложность обеспечения надежной работы модулей при высокой температуре в части исключения поломок и негерметичности от температурных деформаций.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в создании надежного в работе генератора кислорода.

Технический результат, достигаемый от использования данного изобретения, состоит в обеспечении теплового баланса работы генератора.

Технический результат достигается за счет того, что в генераторе кислорода, включающем электрохимический блок, состоящий из секций высокотемпературных твердоэлектролитных модулей с кислородотводящими патрубками, нагреватель, теплообменную и газовую системы с регулирующими устройствами, электрохимический блок снабжен устройством наддува воздуха, содержащим коллектор с распределителями и патрубками подвода воздуха. Распределители и патрубки подвода воздуха установлены между секциями модулей вдоль кислородотдающего потока воздуха. Патрубки подвода выполнены перфорированными. Кроме того, газовая система дополнительно снабжена регуляторами, которые размещены между теплообменниками и электрохимическим блоком.

Для увеличения срока службы высокотемпературных твердоэлектролитных модулей их кислородотводящие патрубки с одной стороны выполнены глухими, а с другой стороны соединены с кислородотводящим трубопроводом.

Сущность изобретения заключается в конструктивном исполнении генератора.

Снабжение электрохимического блока устройством наддува воздуха, содержащим коллектор с распределителями и перфорированными патрубками подвода воздуха, а также место их расположения (между секциями модулей вдоль кислородотдающего потока воздуха), обеспечивает равномерную и стабильную температуру всех модулей в электрохимическом блоке, а следовательно, и тепловой баланс генератора, т.е. способствует оптимальному протеканию химических процессов.

Наличие в газовой системе регуляторов, установленных между теплообменниками и электрохимическим блоком, необходимо для регулирования теплового баланса генератора за счет того, что прокачка большего расхода атмосферного воздуха через теплообменники и последующий сброс его части по сравнению с необходимым расходом кислородотдающего воздуха через электрохимический блок, позволяет не только поддерживать необходимую рабочую температуру в электрохимическом блоке, но и обеспечивает необходимую рабочую температуру выходящих из генератора кислорода и гипоксической смеси, требуемую для медицинских целей.

Как известно, универсальный модуль электрохимического блока состоит из электролита (керамика), двух электродов и входного, и выходного патрубков. По патрубкам в случае применения модулей в электрохимическом генераторе прокачивается топливо, а в генераторе кислорода - кислород. При этом патрубки выполняют роль проводников электричества.

Соединение модулей в электрохимический блок с помощью этих патрубков может быть как по газу, так и по электричеству последовательное, параллельное или последовательно-параллельное. В любом случае соединение модулей между собой по газу с использованием входного и выходного патрубков требует непременного введения в соединительных ветвях электрохимического блока компенсаторов температурных деформаций. В противном случае герметичность модулей будет нарушена вплоть до их поломки.

Обеспечение надежной работы модулей при высокой температуре решается соединением патрубков с кислородотводящим трубопроводом только с одной стороны модуля, оставив второй его конец свободным, что дает ему возможность смещаться в любую сторону, это приводит к упрощению конструкции электрохимического блока и исключает поломки и негерметичность модулей от температурных деформаций.

При анализе научно-технической и патентной литературы заявляемой совокупности признаков, обеспечивающей тепловой баланс генератора кислорода, нами не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень."
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг 1 изображена общая схема генератора кислорода; на фиг. 2 - электрохимический блок с устройством наддува воздуха.

Генератор кислорода содержит электрохимический блок 1, нагреватель 2, теплообменную и газовую системы.

Электрохимический блок состоит из модулей 3 (фиг. 2), каждый их которых набран из нескольких высокотемпературных твердоэлектролитных элементов: двух кислородотводящих патрубков 4 и 5.

Нижние патрубки 4 соединены кислородотводящим трубопроводом 6 (фиг. 2) для отвода кислорода потребителю, а верхние патрубки 5 с заглушкой 7 соединены между собой эластичным электрическим кабелем 8.

Устройство наддува воздуха 9 содержит коллектор 10 (фиг. 2), распределители 11, перфорированные патрубки подвода воздуха 12. Теплообменная и газовая системы содержат воздуходувку 13 (фиг. 1), теплообменник воздушный 14, теплообменник кислородный 15, устройство наддува воздуха 9 и регулирующее устройство, состоящее из задвижек 16, 17 и регуляторов 18.

Изобретение осуществляется следующим образом.

В начале цикла работы включаются воздуходувка 13 и нагреватель 2. Воздух, проходя через нагреватель 2, нагревается и затем поступает в электрохимический блок 1, где нагревает модули 3. Из электрохимического блока 1 воздух проходит через воздушный теплообменник 14. Проходя через теплообменник 14, воздух охлаждается и одновременно нагревает атмосферный воздух, закачиваемый воздуходувкой 13. При достижении рабочей температуры в электрохимическом блоке на него подается электропитание по электрическому кабелю 8 и кислородотводящему трубопроводу 6. Включается задвижка 16 и часть атмосферного воздуха подается в устройство наддува воздуха 9. По сигналам датчиков температуры регуляторы 11 в устройстве наддува воздуха 9 перераспределяют потоки воздуха в электрохимическом блоке 1. При этом воздух попадает в патрубки 12 подвода воздуха и через отверстия в них - на модули 3. Начинается процесс разделения воздуха в электрохимическом блоке 1 на кислород и обедненную смесь (гипоксическую смесь). Кислород через кислородотводящие патрубки 4 модуля 3 попадает в кислородотводящий трубопровод 6, а затем проходит через кислородный теплообменник 14 к потребителю. Проходя через теплообменник 15, он охлаждается и одновременно нагревает атмосферный воздух, закачиваемый воздуходувкой 13. Гипоксическая смесь, проходя через теплообменник 14 к потребителю, охлаждается и одновременно нагревает атмосферный воздух. Включаются регуляторы 17 и часть атмосферного воздуха идет на сброс.

Тепло от сбрасываемого горячего воздуха используется по другому назначению.

При необходимости получения обогащенного кислородом воздуха включается регулирующее устройство 17, и атмосферный воздух подмешивается к кислороду в необходимой пропорции.

Изобретение относится к электрохимической промышленности, а именно к генераторам кислорода на основе высокотемпературных твердых электролитов. Генератор кислорода содержит электрохимический блок, состоящий из секций высокотемпературных твердоэлектролитных модулей с кислородсодержащими патрубками, нагреватель, теплообменную и газовую системы с регулирующими устройствами, а также снабжен устройством наддува воздуха. Устройство наддува воздуха содержит коллектор с распределителями и перфорированными патрубками подвода воздуха, установленными между секциями модулей вдоль кислородотдающего потока воздуха. Газовая система дополнительно снабжена регуляторами, установленными между теплообменниками и электрохимическим блоком. Для увеличения срока службы модулей кислородотдающие патрубки с одной стороны имеют заглушки, а с другой соединены с кислородотводящим трубопроводом. Технический результат - обеспечение теплового баланса работы генератора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Генератор кислорода, включающий электрохимический блок, состоящий из секций высокотемпературных твердоэлектролитных модулей с кислородотводящими патрубками, нагреватель, теплообменную и газовую системы с регулирующими устройствами, отличающийся тем, что электрохимический блок снабжен устройством наддува воздуха, содержащим коллектор с распределителями и перфорированными патрубками подвода воздуха, установленным между секциями модулей вдоль кислородотдающего потока воздуха, а газовая система дополнительно снабжена регуляторами, установленными между теплообменниками и электрохимическим блоком. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что кислородотводящие патрубки модулей с одной стороны выполнены глухими, а с другой стороны соединены с кислородотводящим трубопроводом.