УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПОЛЕ Российский патент 2007 года по МПК C25B1/04 

Изобретение относится к области электрохимии, а именно к конструкциям электролизеров для получения кислородоводородной смеси, водорода и кислорода путем электролиза растворов электролитов в центробежном поле, и может быть использовано при создании гибридных, например бензоводородных, двигателей.

Известно устройство для преобразования энергии путем разложения воды электролизом, содержащее вращающуюся емкость с валом, заполненную раствором электролита, установленную на остове и связанную с приводом вращения, обеспечивающим определенную угловую скорость вращения емкости с валом, расположенные внутри емкости электроды, короткозамкнутые между собой или соединенные в контур через потребитель электроэнергии, каналы подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза и теплообменник. В устройстве происходит параллельное преобразование механической и тепловой энергии в электрическую и химическую энергии. Интенсификация электролиза происходит за счет утилизации тепла любого природного или техногенного происхождения (Патент РФ №2174162, С25В 9/00, 1/02, F02M 21/02, 2001 г.).

Недостатками известного устройства являются его низкая производительность и нестабильность работы, обусловленные невысокой активной поверхностью электрода, установленного на валу, т.к. граница раздела раствора электролита и газовой среды во вращающейся емкости во времени не постоянна.

Известна установка для разложения воды электролизом в центробежном поле, содержащая 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 (Патент РФ №2224051, С25В 1/04, 9/12, 2004 г.).

Недостатками известной установки являются высокие энергетические затраты, поскольку для начала разложения воды на водород и кислород должны обеспечиваться скорости вращения электролизера до 10000 об/мин, и сложность аппаратурного исполнения.

Известна установка для электролиза воды в центробежном поле, содержащая электролизер, состоящий из токопроводящего корпуса, верхней и нижней крышек из электроизолирующего материала и электродов, которые могут быть снабжены пористым покрытием, устройство преобразования и распределения электроэнергии с внешней электрической цепью, электрически соединенное с приводом вращения вала, 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, один из электродов электролизера установлен на валу, а другой образован внутренней поверхностью корпуса электролизера, при этом 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 (Патент РФ №2253700, С25В 1/04, 9/12, 2005 г.).

Недостатками известной установки являются сложность аппаратурного исполнения, а также невысокая производительность из-за протекания тока через корпус электролизера, что приводит к утечкам тока в его рабочем объеме.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание установки для получения водородного топлива с одновременной утилизацией бросовой тепловой энергии.

Технический результат, полученный от использования предложенного изобретения, заключается в повышении эффективности электролиза (КПД установки) при одновременном сокращении энергетических затрат и упрощении конструкции установки.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что установка для электролиза в центробежном поле содержит электролизер с полым корпусом и расположенными внутри него электродами, установленный на неподвижной оси с возможностью вращения, систему прокачки электролита, включающую насос, теплообменник, генератор ультразвука, каналы подачи электролита и прокачки и отвода жидких продуктов электролиза и канал отвода газообразных продуктов электролиза с установленным на его входе устройством для предотвращения попадания электролита в канал отвода газообразных продуктов электролиза, при этом электроды выполнены из пористого металла или, по меньшей мере, двух слоев металлической сетки, уложенной в проницаемом диэлектрике, и расположены в съемном блоке, выполненном из химически стойкой проницаемой пластмассы, установленном на оси и закрепленном на внутренней поверхности полого корпуса электролизера с образованием заэлектродной зоны, соединенной посредством каналов прокачки жидких продуктов электролиза с каналом отвода жидких продуктов электролиза.

А также за счет того, что внутри электролизера расположен катализатор, не вступающий в реакцию с электролитом.

А также за счет того, что электроды в съемном блоке, установленном на оси, предпочтительно расположены перпендикулярно оси.

А также за счет того, что корпус электролизера выполнен цилиндрическим с двумя крышками, по меньшей мере, одна из которых выполнена конической.

В одном из вариантов исполнения установки ось электролизера расположена вертикально, при этом предпочтительно, что корпус электролизера выполнен цилиндрическим с верхней и нижней крышками, по меньшей мере, верхняя из которых выполнена конической, установка снабжена опорой, при этом опора и нижняя крышка корпуса могут быть снабжены постоянными магнитами, одноименные полюсы которых направлены навстречу один другому.

Технический результат также достигается за счет того, что внутренняя стенка цилиндрического корпуса снабжена, по меньшей мере, одной винтовой канавкой.

А также за счет того, что в качестве устройства для предотвращения попадания электролита в канал отвода газообразных продуктов электролиза используют металлокерамическую мембрану.

А также за счет того, что система прокачки электролита может быть снабжена камерами подачи электролита и сбора жидких продуктов электролиза, при этом генератор ультразвука установлен в камере подачи электролита.

На чертеже схематически изображена установка для разделения в центробежном поле с вертикальным расположением оси и опорой.

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

Установка для электролиза в центробежном поле содержит электролизер 1 с полым цилиндрическим корпусом 2, коническими крышками верхней 3 и нижней 4, при этом цилиндрический корпус 2 выполнен как единое целое с крышкой 3 и соединен с крышкой 4 резьбовым соединением 5. Электролизер 1 установлен на вертикальной оси 6 с каналами подвода электролита 7, отвода жидких продуктов электролиза 8 и отвода газообразных продуктов электролиза 9. Электролизер 1 установлен на оси 6 с возможностью вращения на двух опорных подшипниках качения 10, перед которыми установлены торцевые диэлектрические уплотнения 11, изолирующие электролизер 1 от оси 6, и соединен с приводом вращения (на чертеже не показан), например, через шкив 12.

Внутри корпуса 2 расположен катализатор, не вступающий в реакцию с электролитом (на чертеже не показан), например, металлический катализатор 8-й группы таблицы Менделеева, а на оси 6 установлены электроды 13 и 14, расположенные в едином съемном блоке 15, выполненном из химически стойкой проницаемой пластмассы и закрепленном на внутренней поверхности цилиндрического корпуса 2 с образованием заэлектродной зоны 16, соединенной посредством каналов прокачки жидких продуктов электролиза 17 с каналом отвода жидких продуктов электролиза 8.

Электроды 13 и 14 выполнены из пористого металла или, по меньшей мере, двух слоев металлической сетки, уложенной в проницаемом диэлектрике. В зависимости от используемого в устройстве раствора электролита каждый электрод может выполнять функцию катода и анода.

На внутренней поверхности цилиндрического корпуса нанесена, по меньшей мере, одна винтовая канавка 18. На входе канала отвода газообразных продуктов электролиза 9 установлена металлокерамическая мембрана 19.

Установка содержит систему прокачки электролита, включающую узел подготовки электролита (смеситель) 20, насос 21, теплообменник 22, камеру подачи электролита 23 с патрубком приемки электролита 24 и генератором ультразвука 25, канал подачи электролита 7, заэлектродную зону 16, винтовую канавку 18, каналы прокачки жидких продуктов электролиза 17, канал отвода жидких продуктов электролиза 8 и камеру сбора жидких продуктов электролиза 26 с патрубком отвода жидких продуктов электролиза 27.

Установка снабжена опорой 28.

При вертикальном расположении оси нижняя крышка 4 и опора 28 снабжены постоянными магнитами 29, одноименные полюсы которых направлены навстречу один другому.

Установка работает следующим образом.

Исходный электролит, например концентрированную серную кислоту, и воду подают в узел подготовки электролита (смеситель) 20, в котором получают рабочий раствор электролита определенной концентрации, например 30%. Затем рабочий раствор электролита подают в теплообменник 22 где нагревают до 50-70°С за счет тепла, выделенного в процессе выброса выхлопных газов. Нагретый раствор электролита через патрубок приемки электролита 24 подают в камеру подачи электролита 23, где на подогретый рабочий раствор электролита воздействуют излучением от генератора ультразвука 25. Далее по каналу подачи электролита 7 его подают во вращающийся электролизер 1, соединенный с приводом вращения через шкив 12.

В корпусе 2 электролизера 1 установлен съемный блок, содержащий электроды 13 (катод) и 14 (анод), при этом электроды размещены в блоке горизонтально (т.е. перпендикулярно вертикальной оси 6). Для ускорения процессов, протекающих внутри электролизера 1, между осью 6 и катодом 14 располагают платиновый катализатор.

Цикл преобразования тепла в электрохимические формы энергии в установке основан на гравитационной сепарации тяжелых и легких ионов в быстровращаемом растворе электролита. При достаточно высокой инерционной «перегрузке» во вращающемся электролизере тяжелые отрицательные ионы SO₄ ^- отбрасываются к внутренней стенке полого корпуса 2, а легкие протоны Н⁺ вытесняются к оси вращения 6. Далее ионы разряжаются, отдавая соответствующим электродам свой заряд с выделением «электролизных газов» Н₂ и О₂. Подводимая через теплообменник 22 теплота от внешних источников бросовой тепловой энергии, например энергии выброса выхлопных газов, постоянно компенсирует электрохимическую работу электролизера 1 по гравитационному разложению воды в центробежном поле.

Расположенный в системе прокачки электролита генератор ультразвука 25 обеспечивает дополнительную энергию для разрыва молекул воды, что позволяет снизить скорость вращения электролизера, а соответственно и энергетические затраты.

Выделенные в процессе электролиза в центробежном поле газообразные водород и кислород собираются под верхней конической крышкой 3 и, проходя через металлокерамическую мембрану 19, попадают в канал отвода газообразных продуктов электролиза 9, откуда отводятся потребителю.

Жидкие продукты электролиза собираются в заэлектродной зоне 16 и через каналы прокачки жидких продуктов электролиза 17 поступают в канал отвода жидких продуктов электролиза 8, а затем через патрубок отвода 27 камеры сбора жидких продуктов электролиза 26 в фильтр-насос 21, где фильтруются с последующей подачей в узел подготовки электролита 20, куда также подают свежие порции электролита. Затем цикл повторяется.

Таким образом, в цикле устройства расходуется вода - растворитель, а выделяются водород и кислород.

Благодаря тому, что ось 6 установки неподвижна, отпадает необходимость создания сложных уплотнений между вращающимся корпусом 2 установки и неподвижной осью 6, что существенно упрощает конструкцию в части ввода и вывода электролита, а также отвода газообразных продуктов электролиза.

Снижение необходимой для разложения воды центробежной силы позволяет снизить требования к прочности материала электролизера и тем самым уменьшить затраты на изготовление конструкции установки.

За счет снабжения установки, размещенной на опоре, постоянными магнитами 29, установленными на нижней крышке 4 электролизера 1 и опоре 28 одноименными полюсами навстречу один другому, создается магнитная подушка и эффект «левитации» (парения).

Существенным отличием предложенного технического решения от известных является такое конструктивное выполнение электродов, при котором катодно-анодная пара представляет собой единый съемный конструктивный блок, выполненный из химически стойкой проницаемой пластмассы в виде кассеты, устанавливаемой на оси и закрепляемой на стенках корпуса электролизера. Сами электроды выполняют из пористого металла или металлической сетки, уложенной в проницаемом диэлектрике, что существенно увеличивает активную поверхность электролиза, а следовательно повышает его эффективность. Электроды по сути становятся электролитическим конденсатором, который в окрестности электродов образует двойной электрический слой, характеризуемый выраженным потенциалом относительно электролита, при этом электроды в кассете могут располагаться как вертикально, так и горизонтально.

Другим существенным отличием является наличие в системе прокачки электролита генератора ультразвука, который может быть установлен, например, в канале подачи электролита 7 или, как приведено на чертеже, в камере подачи электролита 23. Под воздействием ультразвуковых колебаний происходит не только активизация разрыва кислородоводородных связей, но и очистка электродов, что позволяет поддерживать активную поверхность электролиза практически постоянной во времени, что также способствует повышению эффективности электролиза.

В зависимости от предполагаемого использования установка может быть выполнена в горизонтальном или вертикальном исполнении.

С точки зрения оптимизации аэродинамики электролизера и гидродинамики процессов внутри него одну или обе крышки электролизера выполняют коническими, а для исключения дополнительного сопротивления одна коническая крышка может быть выполнена с цилиндрическим корпусом электролизера как одно целое. Использование конических поверхностей позволяет также снизить влияние застойных зон и достичь ламинарного движения электролита в установившемся режиме.

Наличие винтовой канавки в корпусе электролизера позволяет облегчить прокачку электролита, чем способствует ускорению обновления раствора электролита, поступающего на электролиз, и повышению степени очистки электродов.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить эффективность электролиза в центробежном поле при одновременном сокращении энергозатрат и упрощении конструкции установки.

Использование предложенной установки при создании, например, бензоводородных двигателей повлечет за собой резкое снижение токсичных выхлопов в атмосферу: окиси углерода - в 10 раз, углеводородов - в 2-3-раза, окислов азота - в 2 раза при увеличении КПД двигателей в среднем на 17%.

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 водорода и кислорода путем электролиза растворов электролитов в центробежном поле, и может быть использовано при создании гибридных, например бензоводородных, двигателей. Установка содержит электролизер с полым корпусом и расположенными внутри него электродами, установленный на неподвижной оси с возможностью вращения, систему прокачки электролита, включающую насос, теплообменник, генератор ультразвука, каналы подачи электролита и прокачки и отвода жидких продуктов электролиза и канал отвода газообразных продуктов электролиза с установленным на входе устройством для предотвращения попадания электролита в канал отвода газообразных продуктов электролиза. Электроды выполнены из пористого металла или, по меньшей мере, двух слоев металлической сетки, уложенной в проницаемом диэлектрике, и расположены в съемном блоке, выполненном из химически стойкой проницаемой пластмассы, установленном на оси и закрепленном на внутренней поверхности полого корпуса электролизера. Технический эффект - повышение эффективности работы установки при одновременном снижении энергозатрат и упрощении конструкции. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка для электролиза в центробежном поле, характеризующаяся тем, что содержит электролизер с полым корпусом и расположенными внутри него электродами, установленный на неподвижной оси с возможностью вращения, систему прокачки электролита, включающую насос, теплообменник, генератор ультразвука, каналы подачи электролита и прокачки и отвода жидких продуктов электролиза и канал отвода газообразных продуктов электролиза с установленным на входе устройством для предотвращения попадания электролита в канал отвода газообразных продуктов электролиза, при этом электроды выполнены из пористого металла или, по меньшей мере, двух слоев металлической сетки, уложенной в проницаемом диэлектрике, и расположены в съемном блоке, выполненном из химически стойкой проницаемой пластмассы, установленном на оси и закрепленном на внутренней поверхности полого корпуса электролизера с образованием заэлектродной зоны, соединенной посредством каналов прокачки жидких продуктов электролиза с каналом отвода жидких продуктов электролиза.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что внутри электролизера расположен катализатор, не вступающий в реакцию с электролитом.3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что электроды в съемном блоке, установленном на оси, расположены перпендикулярно оси.4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что корпус электролизера выполнен цилиндрическим с двумя крышками, по меньшей мере, одна из которых выполнена конической.5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что ось электролизера расположена вертикально.6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что корпус электролизера выполнен цилиндрическим с верхней и нижней крышками, по меньшей мере, верхняя из которых выполнена конической.7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что снабжена опорой.8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что опора и нижняя крышка корпуса снабжены постоянными магнитами, одноименные полюса которых направлены навстречу один другому.9. Установка по п.4 или 8, отличающаяся тем, что внутренняя стенка цилиндрического корпуса снабжена, по меньшей мере, одной винтовой канавкой.10. Установка по п.9, отличающаяся тем, что в качестве устройства для предотвращения попадания электролита в канал отвода газообразных продуктов электролиза используют металлокерамическую мембрану.11. Установка по п.10, отличающаяся тем, что система прокачки электролита снабжена камерами подачи электролита и сбора жидких продуктов электролиза.12. Установка по п.11, отличающаяся тем, что генератор ультразвука установлен в камере подачи электролита.