УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗЛОЖЕНИЯ ВОДЫ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ Российский патент 2004 года по МПК C25B1/04 C25B9/12 

Изобретение относится к области электрохимии, а именно к конструкциям электролизеров для получения кислородно-водородной смеси - гремучего газа, водорода и кислорода путем электролиза воды, и может быть использовано в качестве источников гремучего газа, например, для газоплазменной технологии в ряде отраслей промышленности, водородного топлива, в частности, для питания двигателей внутреннего сгорания или иных энергетических и тепловых установок, а также кислорода для технологических нужд в различных отраслях промышленности.

Известен электролизер для получения кислородно-водородной смеси - гремучего газа, который при горении используют для газоплазменной технологии в ряде отраслей промышленности. Корпус электролизера установлен на валу с возможностью вращения и снабжен дисковыми электродами с кольцевыми проточками-канавками. Устройство обеспечивает возможность регулирования мощности электролизера (патент РФ 2006526, С 25 В 1/04, 1994 г.).

Недостатками этого устройства являются его ограниченные функциональные возможности, а также значительная энергоемкость, обусловленная тем, что электролиз ведут за счет потребления электрической энергии от внешнего источника.

Известен центробежный электролизер для получения водорода и кислорода путем электролиза воды, содержащий емкость с корпусом цилиндрической формы с полым валом, который установлен в опорах с возможностью вращения. Вал кинематически связан с приводом вращения и генератором электрического тока. Емкость снабжена электродами, включенными в электрическую цепь генератора, и каналами для подвода начальных и отвода конечных продуктов электролиза и заполнена раствором электролита. При вращения емкости происходит последовательное преобразование механической энергии привода вначале в электрическую, а затем в химическую энергию полученных из воды водорода и кислорода (патент РФ 2015395, F 02 М 21/00, 1990 г.).

Недостатком работы устройства является его низкая производительность, предопределенная обязательной последовательностью преобразования энергии, поскольку компенсация эндотермического эффекта реакции разложения воды производится за счет использования выработанной электроэнергии без утилизации внешней тепловой энергии.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенной установке является устройство для преобразования энергии путем разложения воды электролизом, содержащее технологические линии подачи воды и электролита и отвода продуктов электролиза, заполненную раствором электролита вращающуюся емкость с валом, связанным с приводом вращения, электроды, которые могут быть короткозамкнуты между собой, один из которых установлен на валу, а другой образован внутренней поверхностью вращающейся емкости, каналы подвода и отвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза, выполненные в валу, а также теплообменник и сепаратор, расположенные внутри емкости. В устройстве происходит параллельное преобразование механической и тепловой энергии в электрическую и химическую энергии. В результате утилизации тепла любого природного или техногенного происхождения повышается эффективность электролиза (патент РФ 2174162, С 25 В 9/00, 1/02, F 02 M 21/02, 2001 г.).

Недостатками известного устройства являются его низкая производительность и нестабильность работы, обусловленные отсутствием контроля за положением границы раздела раствора электролита и газовой среды во вращающейся емкости, в результате чего активные поверхности дисков электрода, установленного на валу, оказываются или в газовой среде или в области раствора электролита с низким электрическим потенциалом, что эквивалентно сокращению активной поверхности электрода и затрудняет процесс электролиза; а также сложность конструктивного исполнения, поскольку подача и отвод теплоносителя для теплообменника, расположенного внутри вращающейся емкости, через каналы вращающегося вала технически трудно реализуемо, кроме того, токопроводящие поверхности теплообменника препятствуют возникновению разности потенциалов в растворе электролита.

Технический результат заключается в повышении производительности и упрощении конструкции установки при одновременном расширении ее функциональных возможностей.

Технический результат достигается за счет того, что установка для разложения воды электролизом, содержащая технологические линии подачи воды и электролита и отвода продуктов электролиза, электролизер, включающий корпус, установленный на соединенном с приводом вращения валу с каналами подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза, канал отвода раствора электролита, короткозамкнутые электроды, один из которых расположен на валу, а другой образован внутренней поверхностью корпуса, и теплообменник, снабжена верхним и нижним подшипниковыми узлами, в которых вертикально расположен вал, и внешним контуром циркуляции раствора электролита, содержащим кольцевую камеру раствора электролита с внутренней поверхностью в форме улитки, установленную на верхнем подшипниковом узле неподвижно, датчик наличия раствора электролита и смеситель раствора электролита, соединенный с линиями подачи электролита и воды и каналом подвода раствора электролита, корпус электролизера выполнен из токопроводящего материала и снабжен нижней и верхней крышками, выполненными из токопроводящего материала, канал отвода раствора электролита выполнен в верхней крышке и снабжен регулируемым клапаном, сообщающимся с кольцевой камерой раствора электролита, внутренняя поверхность корпуса снабжена, по меньшей мере, одной направляющей канавкой, линия подачи воды снабжена устройством регулирования расхода воды, линия отвода продуктов электролиза снабжена устройством для откачивания продуктов электролиза, теплообменник расположен во внешнем контуре циркуляции раствора электролита, а датчик наличия раствора электролита соединен с устройством регулирования расхода воды и приводом вращения вала. Установка может быть снабжена сепаратором, установленным на линии отвода продуктов электролиза. Корпус электролизера может быть выполнен цилиндрическим, электрод, установленный на валу, может быть выполнен в виде конуса с прорезями, параллельными валу, и закрепленным на конусе цилиндром с радиальными отверстиями, по меньшей мере, одна, а предпочтительно две направляющих канавки выполнены винтовыми, в качестве устройства регулирования расхода воды может быть использован электромагнитный клапан, в качестве устройства для откачивания продуктов электролиза может быть использован электровакуумный насос, а установка может быть снабжена защитным кожухом.

Схематическое изображение установки для разложения воды электролизом приведено на чертеже.

Для большей наглядности соотношение размеров между отдельными узлами и элементами на чертежах изменено.

Установка содержит электролизер 1, включающий цилиндрический корпус 2, выполненный из токопроводящего материала, с верхней 3 и нижней 4 крышками, выполненными из токопроводящего материала, установленный на вертикальном валу 5 в нижнем 6 и верхнем 7 подшипниковых узлах, вал 5 соединен с приводом вращения 8 и внутри имеет каналы подвода раствора электролита 9 и отвода продуктов электролиза 10. На валу 5 внутри электролизера 1 расположен электрод 11 (например, катод), состоящий из конуса 12 с прорезями, параллельными валу, и закрепленного на конусе 12 цилиндра 13 с радиальными отверстиями. Внутренняя поверхность 14 корпуса 2 образует другой электрод (например, анод) и снабжена одной или более, предпочтительно двумя канавками 15, которые могут быть выполнены винтовыми.

Электролизер 1 снабжен внешним контуром циркуляции раствора электролита 16, содержащим неподвижную кольцевую камеру раствора электролита с внутренней поверхностью в форме улитки 17, расположенную на верхнем подшипниковом узле 7, датчик наличия раствора электролита 18, теплообменник 19 и смеситель раствора электролита 20, соединенный с каналом подачи раствора электролита 9, расположенным в валу 5, с технологической линией подачи воды 21 с устройством регулирования расхода воды 23, вентилем 24 и емкостью для воды 22 и технологической линией подачи электролита 25 из емкости для электролита 26.

В верхней крышке 3 электролизера 1 выполнен канал отвода раствора электролита 27, снабженный регулируемым клапаном 28, сообщающимся с кольцевой камерой раствора электролита с внутренней поверхностью в форме улитки 17. Канал отвода продуктов электролиза 10 соединен с технологической линией отвода продуктов электролиза 29 с устройством для откачивания продуктов электролиза 30, например электровакуумным насосом, и сепаратором 31 для разделения кислородно-водородной смеси на кислород и водород. Канал подачи раствора электролита 9 снабжен каналом отвода утечек раствора электролита 32 и емкостью сбора утечек раствора электролита 33. Датчик наличия раствора электролита 18 соединен с устройством регулирования расхода воды 23 и приводом вращения 8 вала 5. Установка снабжена защитным кожухом 34.

Установка работает следующим образом.

Электролит из емкости для электролита 26 по технологической линии подачи электролита 25 подают в смеситель раствора электролита 20, откуда через канал подачи раствора электролита 9, расположенный в валу 5, в электролизер 1. Вентиль 24 на линии подачи воды 21 закрыт. Включают привод вращения 8 вала 5, установленного вертикально в нижнем 6 и верхнем 7 подшипниковых узлах, который приводит электролизер 1, заполненный раствором электролита, во вращение, разгоняя его до начала процесса электролиза. В процессе разгона электролизера начинается циркуляция раствора электролита во внешнем контуре циркуляции 16. Датчик наличия раствора электролита 18 срабатывает и подает сигнал на электромагнитный клапан 23 (или любое другое устройство регулирования расхода воды), который перекрывает подачу воды, после чего открывают вентиль 24. Устройство переходит в режим автоматического регулирования подачи воды из емкости для воды 22 по линии подачи воды 21 через электромагнитный клапан 23, смеситель раствора электролита 20 и канал подачи раствора электролита 9 в электролизер 1.

Во вращающемся электролизере 1 в процессе выработки водорода и кислорода объем раствора электролита и соответственно его концентрация постоянно изменяются: концентрация раствора электролита повышается, а объем уменьшается. Граница раздела раствора электролита и газовой среды смещается, канал отвода электролита оказывается в зоне газовой среды и отвод раствора электролита из электролизера прекращается, а соответственно прекращается циркуляция раствора электролита во внешнем контуре. Датчик наличия раствора электролита 18 подает команды на устройство регулирования расхода раствора электролита - электромагнитный клапан 23 и одновременно на привод вращения 8. Начинается подача воды в смеситель 20 и далее разбавленного электролита через канал подвода раствора электролита 9 во вращающийся электролизер 1. Привод вращения 8 начинает торможение вращающегося электролизера 1. Под действием сил инерции и винтовых канавок 15 раствор электролита перемешивается. При возобновлении циркуляции электролита во внешнем контуре 16 и соответствующих командах датчика 18 электромагнитный клапан 23 перекрывает подачу воды по линии 21 из емкости для воды 22, а привод вращения 8 вновь разгоняет электролизер 1.

Внутри электролизера 1 на вертикальном валу 5 расположен один из электродов (например, катод) 11, состоящий из конуса 12 с прорезями, параллельными валу, и закрепленного на конусе 12 цилиндра 13 с радиальными отверстиями, функцию другого электрода (например, анода) выполняет внутренняя поверхность 14 корпуса 2, снабженная одной или более, предпочтительно двумя направляющими канавками 15, которые могут быть выполнены винтовыми. Канавки могут быть выполнены также спиральными, кольцевыми или прямолинейными, а также в виде сочетания перечисленных форм.

Каждый из электродов в электролизере 1 может выполнять функцию катода или анода в зависимости от химического состава используемого электролита.

Прорези в конусе 12, радиальные отверстия в цилиндре 13 электрода 11 и направляющие винтовые канавки 15 на внутренней поверхности 14 корпуса 2 электролизера 1 выполнены для улучшения подачи и перемешивания раствора электролита.

Для этой же цели в работе привода вращения 8 вала 5 предусмотрены кратковременные режимы торможения и последующего разгона, осуществляемые по команде от датчика наличия раствора электролита 18, установленного во внешнем контуре циркуляции раствора электролита 16.

В процессе вращения под действием центробежной силы в электролизере 1 создается поле искусственной силы тяжести, под воздействием которого катионы и анионы в виде гидратов, имеющих существенно разную собственную массу, разделяются. Более тяжелые ионы, например анионы, образуют около внутренней поверхности 14 корпуса 2 (анода) отрицательный пространственный электрический заряд, который индуцирует в корпусе 2, выполненном из токопроводящего материала, адекватный заряд из электриков проводимости.

Легкие ионы сконцентрируются в области между анодом и катодом 11, образуя свой пространственный положительный заряд, при этом если величина его потенциала окажется достаточной для создания электрического поля, способного деформировать гидратные оболочки легких ионов, возникшее равновесие будет нарушено на катоде 11. Легкие ионы приблизятся к поверхностям 12 и 13 катода 11 и разрядятся. Тяжелые ионы также отдадут свой заряд аноду, и между электродами через нижнюю 3 и верхнюю 4 крышки, выполненные из токопроводящего материала, как по короткозамкнутому проводнику, потечет постоянный электрический ток. Ионы электролита восстановятся, образуя водород и кислород, а промежуточные продукты электролиза вступят с водой во вторичные реакции.

Восстановленные водород и кислород всплывают к центру электролизера 1 и в виде кислородно-водородной смеси через канал отвода продуктов электролиза 10 устройством для откачивания продуктов электролиза 30, например вакуумным насосом, и линию отвода продуктов электролиза 29 отводят потребителю. Для разделения кислородно-водородной смеси на кислород и водород в установке может быть предусмотрен сепаратор 31, из которого разделенные газы направляют к потребителям водородного топлива и кислорода.

Устройство для откачивания продуктов электролиза (кислородно-водородной смеси - гремучего газа) 30 необходимо для предотвращения утечек водорода и кислорода из установки во внешнюю среду.

Раствор электролита через канал отвода раствора электролита 27 с регулируемым клапаном 28, сообщающимся с неподвижной кольцевой камерой раствора электролита с внутренней поверхностью в форме улитки 17, поступает во внешний контур циркуляции раствора электролита 16, откуда через теплообменник 19 поступает в смеситель раствора электролита 20, а затем через канал подвода раствора электролита 9 вала 5 обратно во вращающийся электролизер 1. Таким образом осуществляется циркуляция раствора электролита во внешнем контуре 16. Дренаж возможных утечек раствора электролита из канала 9 осуществляют через канал утечек раствора электролита 32 в дренажную емкость 33, откуда раствор электролита возвращают в емкость для электролита 26.

Внутренняя поверхность неподвижной кольцевой камеры раствора электролита 17 внешнего контура циркуляции раствора электролита 16 выполнена в форме улитки для того, чтобы гасить закрученный поток раствора электролита, отводимого из вращающегося электролизера 1.

Процесс разложения воды на водород и кислород за счет восстановления их ионов сопровождается уменьшением энтальпии раствора электролита, в результате чего температура раствора постоянно снижается, и, если не восполнять теплопотери, то раствор замерзнет и процесс прекратится. По этой причине раствор необходимо подогревать. С этой целью во внешнем контуре циркуляции раствора электролита 16 установлен теплообменник 19. В качестве теплоносителя используют раствор электролита. Тепловую энергию к теплообменнику 19 могут подводить в виде выхлопных газов или антифриза от двигателя внутреннего сгорания или в ином виде.

Во вращающемся электролизере 1 в процессе выработки водорода и кислорода объем раствора электролита и соответственно его концентрация постоянно изменяются: концентрация раствора электролита повышается, а объем - уменьшается. Для обеспечения достаточной площади контакта раствора электролита с электродом 11 в зоне высокого электрического потенциала в условиях постоянно изменяющегося объема раствора электролита, а также для того, чтобы сформировать пространство с газовой средой, электрод 11, установленный на вертикальном валу 5, выполнен в виде конуса 12 с закрепленным на нем цилиндром 13.

Корпус 2 электролизера 1 предпочтительно выполняют цилиндрическим, что упрощает конструкцию.

Для обеспечения техники безопасности установка может быть снабжена защитным кожухом 34.

В предложенной установке происходит преобразование механической и тепловой энергии в электрическую и химическую.

Изобретение позволяет повысить производительность установки. Установка достаточно проста, изготавливается с использованием традиционных конструкционных материалов и известных электролитов и может быть использована в агрегатах ДВС транспортных средств, повышая их топливную экономичность, с паровыми турбинами тепловых и атомных электростанций, для утилизации промышленного тепла в металлургии и др.

Изобретение относится к области электрохимии, а именно к конструкциям электролизеров для получения кислородно-водородной смеси - гремучего газа, водорода и кислорода путем электролиза воды. Установка для разложения воды электролизом содержит электролизер, включающий корпус, установленный на соединенном с приводом вращения валу с каналами подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза, канал отвода раствора электролита, короткозамкнутые электроды, один из которых расположен на валу, а другой образован внутренней поверхностью корпуса, и теплообменник. Установка снабжена верхним и нижним подшипниковыми узлами, в которых вертикально расположен вал, и внешним контуром циркуляции раствора электролита, содержащим кольцевую камеру раствора электролита с внутренней поверхностью в форме улитки, установленную на верхнем подшипниковом узле неподвижно, датчик наличия раствора электролита и смеситель раствора электролита, соединенный с линиями подачи электролита и воды и каналом подвода раствора электролита. Корпус электролизера выполнен из токопроводящего материала и снабжен нижней и верхней крышками, выполненными из токопроводящего материала, канал отвода раствора электролита выполнен в верхней крышке и снабжен регулируемым клапаном, сообщающимся с кольцевой камерой раствора электролита, внутренняя поверхность корпуса снабжена, по меньшей мере, одной направляющей канавкой. Линия подачи воды снабжена устройством регулирования расхода воды. Линия отвода продуктов электролиза снабжена устройством откачивания продуктов электролиза. Теплообменник расположен во внешнем контуре циркуляции раствора электролита, а датчик наличия раствора электролита соединен с устройством регулирования расхода воды и приводом вращения вала. Установка может быть снабжена сепаратором, установленным на линии отвода продуктов электролиза. Корпус электролизера может быть выполнен цилиндрическим, электрод, расположенный на валу, может быть выполнен в виде конуса с прорезями, параллельными валу, и закрепленным на конусе цилиндром с радиальными отверстиями, по меньшей мере, одна, а предпочтительно две направляющих канавки выполнены винтовыми, в качестве устройства регулирования расхода воды используют электромагнитный клапан, в качестве устройства для откачивания продуктов электролиза используют электровакуумный насос, а кроме того, установка может быть снабжена защитным кожухом. Технический эффект - повышение производительности и упрощение конструкции электролизера. 8 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Установка для разложения воды электролизом, содержащая технологические линии подачи воды и электролита и отвода продуктов электролиза, электролизер, включающий корпус, установленный на соединенном с приводом вращения валу с каналами подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза, канал отвода раствора электролита, короткозамкнутые электроды, один из которых расположен на валу, а другой образован внутренней поверхностью корпуса, и теплообменник, отличающаяся тем, что установка снабжена верхним и нижним подшипниковыми узлами, в которых вертикально расположен вал, и внешним контуром циркуляции раствора электролита, содержащим кольцевую камеру раствора электролита с внутренней поверхностью в форме улитки, установленную на верхнем подшипниковом узле неподвижно, датчик наличия раствора электролита и смеситель раствора электролита, соединенный с линиями подачи электролита и воды и каналом подвода раствора электролита, корпус электролизера выполнен из токопроводящего материала и снабжен нижней и верхней крышками, выполненными из токопроводящего материала, канал отвода раствора электролита выполнен в верхней крышке и снабжен регулируемым клапаном, сообщающимся с кольцевой камерой раствора электролита, внутренняя поверхность корпуса снабжена, по меньшей мере, одной направляющей канавкой, линия подачи воды снабжена устройством регулирования расхода воды, линия отвода продуктов электролиза снабжена устройством для откачивания продуктов электролиза, теплообменник расположен во внешнем контуре циркуляции раствора электролита, а датчик наличия раствора электролита соединен с устройством регулирования расхода воды и приводом вращения вала.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что снабжена сепаратором, установленным на линии отвода продуктов электролиза.3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что корпус электролизера выполнен цилиндрическим.4. Установка по пп.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что электрод, расположенный на валу, выполнен в виде конуса с прорезями, параллельными валу, и закрепленным на конусе цилиндром с радиальными отверстиями.5. Установка по пп.1, или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна направляющая канавка выполнена винтовой.6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что, количество канавок - две.7. Установка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что в качестве устройства регулирования расхода воды используют электромагнитный клапан.8. Установка по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что в качестве устройства для откачивания продуктов электролиза используют электровакуумный насос.9. Установка по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что снабжена защитным кожухом.