УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПОЛЕ Российский патент 2005 года по МПК C25B1/04 C25B9/12 

Изобретение относится к области электрохимии, а именно к конструкциям электролизеров для получения кислородо-водородной смеси, водорода, кислорода и электрической энергии путем электролиза воды в центробежном поле, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и энергетике, в частности, в агрегатах с двигателями внутреннего сгорания транспортных средств.

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 преобразование механической энергии привода последовательно 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 электролизера является его низкая производительность, предопределенная обязательной последовательностью преобразования энергии, поскольку компенсация эндотермического эффекта реакции разложения воды производится за счет использования выработанной электроэнергии.

Известно устройство для преобразования энергии путем разложения воды электролизом, содержащее технологические линии подачи воды и электролита и отвода продуктов электролиза, электролизер, заполненный раствором электролита и установленный на валу, который соединен с приводом вращения, а также теплообменник и сепаратор. Электролизер содержит электроды, которые могут быть короткозамкнуты между собой или соединены в контур через потребитель электроэнергии, при этом один из электродов установлен на валу, а другой образован внутренней поверхностью вращающейся емкости. В валу выполнены каналы подвода и отвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза. 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 активная поверхность электрода, установленного на валу, оказывается или в газовой среде, или в области раствора электролита с низким электрическим потенциалом, что эквивалентно сокращению активной поверхности электрода.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предложенной является установка для электролиза воды в центробежном поле, содержащая технологические линии подачи воды с устройством регулирования расхода, подачи электролита и отвода продуктов электролиза с устройством для их откачивания, электролизер, включающий корпус, внутренняя поверхность которого снабжена, по меньшей мере, одной направляющей канавкой, выполненный из токопроводящего материала, снабженный нижней и верхней крышками и установленный на соединенном с приводом вращения вертикальном валу с каналами подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза, размещенном в верхнем и нижнем подшипниковых узлах, электроды, один из которых расположен на валу, а другой образован внутренней поверхностью корпуса, и внешний контур циркуляции раствора электролита, содержащий кольцевую камеру раствора электролита с внутренней поверхностью в форме улитки, установленную на верхнем подшипниковом узле неподвижно, датчик наличия раствора электролита, соединенный с устройством регулирования расхода воды и приводом вращения вала, теплообменник и смеситель раствора электролита, соединенный с линиями подачи электролита и воды и каналом подвода раствора электролита, канал отвода раствора электролита, выполненный в верхней крышке корпуса и снабженный регулятором интенсивности циркуляции расхода электролита, сообщающимся с кольцевой камерой раствора электролита. Установка может быть снабжена сепаратором, установленным на линии отвода продуктов электролиза, и защитным кожухом (Патент РФ №2224051, С 25 В 1/04, 9/12, 2004 г.).

Недостатками известного устройства являются невысокая эффективность электролиза и ограниченные функциональные возможности.

Технический результат заключается в повышении эффективности электролиза, а также в расширении функциональных возможностей установки.

Технический результат достигается за счет того, что установка для электролиза воды в центробежном поле, содержащая технологические линии подачи воды и исходного электролита и отвода продуктов электролиза, электролизер, состоящий из токопроводящего корпуса, верхней и нижней крышек и электродов, и контур циркуляции раствора электролита, электролизер установлен на соединенном с приводом вращения вертикальном валу, в котором выполнены каналы подвода раствора электролита в корпус электролизера и отвода продуктов электролиза, в верхней крышке электролизера выполнен канал отвода раствора циркулирующего электролита с регулятором интенсивности циркуляции расхода циркулирующего электролита, один из электродов электролизера установлен на валу, а другой образован внутренней поверхностью корпуса электролизера, контур циркуляции раствора электролита содержит неподвижный приемник раствора циркулирующего электролита, датчик наличия раствора циркулирующего электролита в контуре циркуляции раствора электролита, теплообменник и смеситель раствора электролита, соединенный с линиями подачи воды и исходного электролита и каналом подвода раствора электролита в корпус электролизера, снабжена устройством преобразования и распределения электроэнергии с внешней электрической цепью, электрически соединенным с приводом вращения вала, электролизер снабжен устройством для распределения потока раствора циркулирующего электролита, выполненным из электроизоляционного материала и расположенным над электродом, установленным на валу, тоководом, электрически соединенным с корпусом электролизера и изолированным от вала, и двумя неподвижными скользящими контактами, соединенными с устройством преобразования и распределения электроэнергии, при этом скользящие контакты электрически соединены один - с тоководом, а другой - с валом, а крышки электролизера выполнены из электроизолирующего материала.

Электроды электролизера могут быть снабжены пористым покрытием, электрод, установленный на валу электролизера, может быть выполнен в виде усеченного конуса, при этом предпочтительно, что расстояние от оси вала до наиболее удаленной от оси вала образующей канала отвода раствора циркулирующего электролита равно радиусу меньшего основания усеченного конуса электрода, установленного на валу.

Установка может быть снабжена сепаратором, установленным на линии отвода продуктов электролиза, контур циркуляции раствора электролита может быть снабжен гидронасосом, внутренняя поверхность корпуса электролизера может быть снабжена, по меньшей мере, одной, например винтовой, направляющей канавкой.

Токовод предпочтительно располагать на нижней крышке электролизера.

Технический результат достигается также за счет того, что установка для электролиза воды в центробежном поле снабжена герметичным кожухом, соединенным с вакуумным насосом.

Схематическое изображение установки для электролиза воды в центробежном поле приведено на чертеже.

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

Установка содержит электролизер 1, состоящий из цилиндрического корпуса 2, выполненного из токопроводящего материала, с верхней 3 и нижней 4 крышками, выполненными из электроизолирующего материала, и установленный на вертикальном валу 5 в верхнем 6 и нижнем 7 подшипниковых узлах. Вал 5 соединен с электроприводом вращения 8 и внутри имеет каналы подвода раствора электролита 9 в корпус 2 электролизера 1 и отвода продуктов электролиза 10. На валу 5 внутри электролизера 1 расположен электрод (например, катод), состоящий из гладкого усеченного конуса 11. Внутренняя поверхность корпуса 2 образует другой электрод (например, анод) и снабжена винтовой направляющей канавкой 12. Электролизер 1 снабжен внешним контуром циркуляции раствора электролита, содержащим канал отвода раствора циркулирующего электролита 13 из электролизера 1, расположенный в верхней крышке 3, регулятор интенсивности циркуляции электролита 14, неподвижный приемник вращающегося потока раствора циркулирующего электролита 15, датчик наличия раствора циркулирующего электролита в контуре циркуляции 16, гидронасос 17, теплообменник 18 с подводом тепловой энергии 19 и смеситель раствора электролита 20, соединенный с каналом подвода раствора электролита 9, расположенным в валу 5, с технологической линией подачи воды 21, включающей емкость для воды 22, устройство регулирования расхода воды 23, электрически соединенное с датчиком наличия раствора циркулирующего электролита в контуре циркуляции 16, и вентиль 24 с технологической линией подачи исходного электролита 25 из емкости для исходного электролита 26 через вентиль 27 и со сливным вентилем 28.

Канал отвода продуктов электролиза 10 соединен с газовым переходником 29, откачивающим насосом 30 и с сепаратором 31. Внутри корпуса 2 электролизера 1 на валу 5 над электродом 11 установлено устройство для распределения потока раствора циркулирующего электролита 32, выполненное из электроизолирующего материала. Электролизер 1 снабжен тоководом 33, электрически соединенным с корпусом 2 электролизера 1 и изолированным от вала 5, и двумя неподвижными скользящими контактами 34 и 35, один из которых - 34 - электрически соединен с валом 5, а другой - 35 – электрически соединен с тоководом 33. Установка содержит устройство преобразования и распределения электроэнергии 36 с внешней электрической цепью 37, включающей, например, накопитель электрической энергии. Установка содержит также герметичный кожух 38, в который врезан патрубок 39, соединенный с вакуумным насосом 40. Устройство 36 электрически соединено с двумя неподвижными скользящими контактами 34 и 35, приводом вращения 8 вала 5, гидронасосом 17, откачивающим насосом 30, вакуумным насосом 40, а также с датчиком наличия раствора циркулирующего электролита в контуре циркуляции 16.

Установка работает следующим образом.

Для вывода электролизера на рабочий режим производят его запуск. Для этого порцию исходного электролита, например серной кислоты, подогревают и из емкости для исходного электролита 26 по технологической линии подачи исходного электролита 25 через открытый вентиль 27 подают в смеситель раствора электролита 20, откуда через канал подвода раствора электролита 9, расположенный в валу 5, в электролизер 1. Вентиль 24 на технологической линии подачи воды 21 закрыт. Включают электропривод вращения 8 вала 5, первоначально питаемый от внешней электрической цепи 37 (например, от аккумуляторной батареи), через устройство преобразования и распределения электроэнергии 36. Электролизер 1, заполненный электролитом, начинает вращаться, разгоняясь до начала процесса электролиза.

В процессе разгона электролизера 1 начинается циркуляция электролита во внешнем контуре циркуляции через канал отвода раствора циркулирующего электролита 13 из электролизера 1, регулятор интенсивности циркуляции электролита 14, неподвижный приемник вращающегося потока циркулирующего электролита 15, датчик наличия раствора циркулирующего электролита в контуре циркуляции 16, гидронасос 17, теплообменник 18 и смеситель 20. Датчик 16, зарегистрировав наличие расхода раствора электролита в контуре циркуляции, срабатывает и подает сигнал на устройство регулирования расхода воды 23, после чего открывают вентиль 24. Устройство переходит в режим автоматического регулирования подачи воды из емкости для воды 22 по технологической линии подачи воды 21 через устройство регулирования расхода воды 23, вентиль 24, смеситель 20 и канал подвода электролита 9 в электролизер 1.

Внутри электролизера 1, на вертикальном валу 5, размещенном в верхнем 6 и нижнем 7 подшипниковых узлах, установлен один из электродов (например, катод) 11, выполненный, например, в форме гладкого усеченного конуса, расположенного меньшим основанием кверху. Функцию другого электрода (например, анода) выполняет внутренняя поверхность корпуса 2, которая может быть снабжена по меньшей мере одной винтовой направляющей канавкой 12 для перемешивания раствора электролита и удаления образующейся газовой "шубы" с поверхностей электродов.

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

В процессе вращения под действием центробежной силы в электролизере 1 создается поле искусственной силы тяжести, под воздействием которого катионы и анионы в виде гидратов, которые обладают существенно разной собственной массой, разделяются. Более тяжелые ионы, например анионы, образуют около внутренней поверхности 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, когда величина его потенциала окажется достаточной для создания электрического поля, способного деформировать гидратные оболочки легких ионов, на катоде 11 будет нарушено возникшее равновесие. Легкие ионы приблизятся к поверхности катода 11 и разрядятся. Тяжелые ионы также отдадут свой заряд аноду, и между электродами по цепи - конический электрод 11 - вал 5 - неподвижный скользящий контакт 34 - устройство преобразования и распределения электроэнергии 36 - неподвижный скользящий контакт 35 - токовод 33 - корпус 2 - потечет постоянный электрический ток. Для того, чтобы электрический ток пошел по указанному контуру, крышки электролизера 3 и 4 выполняют из электроизолирующего материала. Ионы электролита восстановятся, образуя водород и кислород, а промежуточные продукты электролиза вступят с водой во вторичные реакции.

После осуществления процесса пуска электролизера 1 питание электропривода вращения 8 осуществляется от токосъемных щеток 34 и 35 через устройство преобразования и распределения электроэнергии 36. Установка начинает работать в автономном режиме. В случае недостатка или избытка электроэнергии, вырабатываемой в результате электролиза, подачу или отвод электроэнергии производят через устройство преобразования и распределения электроэнергии 36, соединенное с внешней электрической цепью 37, например аккумуляторной батареей. Электрическая энергия снимается с неподвижных скользящих контактов 34 и 35 и направляется в устройство преобразования и распределения электроэнергии 36, которое в заданных режимах питает электропривод вращения 8 вала 5, гидронасос 17, откачивающий насос 30 и вакуумный насос 4.

Электрод 11 может быть выполнен, например, и в форме цилиндра, однако выполнение электрода 11, установленного на валу 5, в форме гладкого усеченного конуса, расположенного меньшим основанием кверху, позволяет сформировать над ним газовое пространство.

Восстановленные водород и кислород вытесняются архимедовой силой в область пониженного давления в верхнюю часть электролизера 1 над электродом 11 вблизи вала 5, откуда через канал отвода продуктов электролиза 10 и газовый переходник 29 откачивающим насосом 30 их отводят из установки, например, подают в сепаратор 31 для разделения на водород и кислород, которые отправляют потребителям.

При использовании установки для разделения воды в центробежном поле в одном агрегате с двигателем внутреннего сгорания или иными энергетическими и тепловыми установками, в качестве топлива для которых используют кислородно-водородную смесь, сепаратор не применяют.

Откачивающий насос 30 (кислородно-водородной смеси - гремучего газа) необходим для предотвращения утечек водорода и кислорода из установки во внешнюю среду.

Электрохимический процесс разложения воды на водород и кислород за счет восстановления их ионов происходит с поглощением тепла и сопровождается уменьшением энтальпии электролита, в результате чего температура электролита постоянно снижается. Для предотвращения прекращения процесса электролиза и поддержания его высокой эффективности электролит необходимо постоянно подогревать. С этой целью во внешнем контуре циркуляции раствора электролита установлен теплообменник 18 с подводом тепловой энергии 19. В качестве теплоносителя используют раствор циркулирующего электролита. Тепловую энергию к теплообменнику 18 подводят в виде выхлопных газов или антифриза от двигателя внутреннего сгорания, отработанного пара турбины или в ином виде. В качестве источника тепловой энергии можно использовать также геотермальное и солнечное тепло.

Подвод тепла (в том числе бросового) от внешнего источника позволяет компенсировать энергию Гиббса, затрачиваемую на увеличение внутренней энергии воды до величины, достаточной для ее разложения путем деформирования гидратных связей легких ионов в водном растворе электролита.

В процессе вращения электролизера 1, под действием центробежной силы, около внутренней поверхности корпуса 2 (анода) образуется зона, где в электролите преобладают тяжелые ионы (например, анионы), а у поверхности электрода 11 (катода), установленного на валу 5, образуется зона с преобладанием легких ионов (например, катионов). Для поддержания процесса электролиза и повышения его эффективности тяжелые ионы необходимо переместить в зону с преобладанием легких ионов. Для этого электролизер 1 снабжают устройством для распределения потока раствора циркулирующего электролита 32, выполненным из электроизоляционного материала, расположенным над электродом 11, установленным на валу 5 и обеспечивающим отвод раствора электролита с преобладанием тяжелых ионов от внутренней поверхности корпуса 2 через канал отвода раствора циркулирующего электролита 13 во внешний контур циркуляции раствора электролита с последующим вводом раствора электролита с преобладанием тяжелых ионов в зону с преобладанием легких ионов, расположенную у поверхности электрода 11, установленного на валу 5.

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 электролита и газовой среды смещается, канал отвода раствора циркулирующего электролита 13 оказывается в зоне газовой среды и отвод раствора электролита из электролизера прекращается, а соответственно прекращается циркуляция раствора электролита во внешнем контуре.

В момент прекращения циркуляции электролита во внешнем контуре датчик наличия раствора циркулирующего электролита 16 подает команды на устройство регулирования расхода воды 23 и одновременно на электропривод вращения 8 через устройство преобразования и распределения электроэнергии 36. Начинается подача воды в смеситель 20, и далее разбавленный циркулирующий электролит через канал подвода электролита 9 подают во вращающийся электролизер 1. Электропривод вращения 8 начинает торможение вращающегося электролизера 1. Под действием сил инерции и винтовой канавки 12 раствор электролита перемешивается. При возобновлении циркуляции электролита во внешнем контуре и соответствующих командах датчика 16 устройство регулирования расхода воды 23 перекрывает подачу воды по линии 21 из емкости для воды 22, а электропривод 8 вновь разгоняет электролизер 1.

С другой стороны, переполнение электролизера 1 электролитом также контролируется датчиком наличия раствора циркулирующего электролита 16 во внешнем контуре циркуляции путем подачи команды на устройство регулирования расхода воды 23 для перекрытия подачи воды в электролизер 1.

Кратковременные режимы торможения и последующего разгона вала 5, осуществляемые по команде от датчика наличия раствора циркулирующего электролита 16, способствуют перемешиванию электролита, что повышает эффективность процесса электролиза.

Для улучшения перемешивания электролита в установке может быть предусмотрено наличие гидронасоса 17, установленного во внешнем контуре циркуляции раствора электролита.

Экспериментально установлено, что для наиболее оптимального протекания процесса электролиза граница раздела электролита и газовой среды не должна выходить за пределы поверхности электрода 11, что обеспечивается за счет того, что расстояние от оси вала 5 до наиболее удаленной от оси вала образующей канала отвода раствора циркулирующего электролита 13 равно радиусу меньшего основания усеченного конуса электрода 11, установленного на валу 5.

С целью повышения эффективности электролиза активную поверхность электродов можно увеличить за счет нанесения на них пористого покрытия, например пористого металлического материала, содержащего микропоры и создающего высокоразвитую и доступную для электролита поверхность пор металла (см. патент РФ №2137262, Н 01 М 4/86, 1999 г.).

Для обеспечения техники безопасности и снижения аэродинамических потерь в окружающую среду установку снабжают герметичным защитным кожухом 38, из внутреннего пространства которого через патрубок 39 вакуумным насосом 40 откачивают воздух. После окончания работы электролизера 1 раствор электролита сливают через вентиль 28.

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

Изобретение позволяет повысить эффективность процесса электролиза и расширить функциональные возможности установки за счет выработки электроэнергии, которая может быть использована для процесса электролиза, а также отводиться внешнему потребителю.

Установка достаточно проста в изготовлении и может быть использована в агрегатах с ДВС транспортных средств, повышая их топливную экономичность. Использование предложенной установки, например в автомобиле, в качестве дожигателя углеводородного топлива, для утилизации паразитного тепла в радиаторе и выхлопной трубе приведет к уменьшению выбросов в атмосферу углекислого газа, уменьшению расхода топлива и повышению ресурса ДВС. Установка также может быть использована с паровыми турбинами тепловых и атомных электростанций, для утилизации промышленного тепла и пр.

Открываются новые возможности использования солнечной и геотермальной энергии.

Вырабатываемые водород и кислород могут быть использованы в качестве топлива, а также как химические элементы в различных промышленных производствах.

Изобретение относится к области электрохимии, а именно к конструкциям электролизеров для получения кислородоводородной смеси - гремучего газа, водорода и кислорода путем электролиза воды. Установка содержит технологические линии подачи воды и исходного электролита и отвода продуктов электролиза и электролизер. Электролизер состоит из токопроводящего корпуса, верхней и нижней крышек и электродов, один из которых установлен на соединенном с приводом вращения вертикальном валу, в котором выполнены каналы подвода раствора электролита в корпус электролизера и отвода продуктов электролиза, а другой образован внутренней поверхностью корпуса электролизера. Контур циркуляции раствора электролита содержит канал отвода раствора циркулирующего электролита, выполненный в верхней крышке электролизера, с регулятором интенсивности циркуляции расхода циркулирующего электролита, неподвижный приемник раствора циркулирующего электролита, датчик наличия раствора циркулирующего электролита в контуре циркуляции раствора электролита, теплообменник и смеситель раствора электролита, соединенный с линиями подачи воды и исходного электролита и каналом подвода раствора электролита в корпус электролизера. Установка снабжена устройством преобразования и распределения электроэнергии с внешней электрической цепью, электрически соединенным с приводом вращения вала. Электролизер снабжен устройством для распределения потока раствора циркулирующего электролита, выполненным из электроизоляционного материала и расположенным над электродом, установленным на валу, тоководом и двумя неподвижными скользящими контактами, соединенными с устройством преобразования и распределения электроэнергии. Технический эффект - повышение эффективности электролизера при малых затратах электроэнергии. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка для электролиза воды в центробежном поле, содержащая технологические линии подачи воды и исходного электролита и отвода продуктов электролиза, электролизер, состоящий из токопроводящего корпуса, верхней и нижней крышек и электродов, и контур циркуляции раствора электролита, электролизер установлен на соединенном с приводом вращения вертикальном валу, в котором выполнены каналы подвода раствора электролита в корпус электролизера и отвода продуктов электролиза, в верхней крышке электролизера выполнен канал отвода раствора циркулирующего электролита с регулятором интенсивности циркуляции расхода циркулирующего электролита, один из электродов электролизера установлен на валу, а другой образован внутренней поверхностью корпуса электролизера, контур циркуляции раствора электролита содержит неподвижный приемник раствора циркулирующего электролита, датчик наличия раствора циркулирующего электролита в контуре циркуляции раствора электролита, теплообменник и смеситель раствора электролита, соединенный с линиями подачи воды и исходного электролита и каналом подвода раствора электролита в корпус электролизера, отличающаяся тем, что снабжена устройством преобразования и распределения электроэнергии с внешней электрической цепью, электрически соединенным с приводом вращения вала, электролизер снабжен устройством для распределения потока раствора циркулирующего электролита, выполненным из электроизоляционного материала и расположенным над электродом, установленным на валу, тоководом, электрически соединенным с корпусом электролизера и изолированным от вала, и двумя неподвижными скользящими контактами, соединенными с устройством преобразования и распределения электроэнергии, при этом скользящие контакты электрически соединены один - с тоководом, а другой - с валом, а крышки электролизера выполнены из электроизолирующего материала.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что электроды снабжены пористым покрытием.3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что электрод, установленный на валу электролизера, выполнен в виде усеченного конуса.4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что расстояние от оси вала до наиболее удаленной от оси вала образующей канала отвода раствора циркулирующего электролита равно радиусу меньшего основания усеченного конуса электрода, установленного на валу.5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что снабжена сепаратором, установленным на линии отвода продуктов электролиза.6. Установка по п.3, отличающаяся тем, что контур циркуляции раствора электролита снабжен гидронасосом.7. Установка по п.3, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность корпуса электролизера снабжена, по меньшей мере, одной направляющей канавкой.8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что направляющие канавки выполнены винтовыми.9. Установка по п.3, отличающаяся тем, что токовод расположен на нижней крышке электролизера.10. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что снабжена герметичным кожухом, соединенным с вакуумным насосом.