СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИЗА, УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА Российский патент 2014 года по МПК C25B15/00 C25B1/04 

Данное изобретение относится к способу электролиза, устройству для электролиза и системе использования электролизных газов для сжигания, в частности для двигателей внутреннего сгорания, например поршневых или газотурбинных двигателей.

Ранее был известен способ получения водорода и кислорода или их стехиометрической смеси (называемой ниже газом Брауна или детонирующим газом) электролизом воды. Ранее было также предложено использовать в данном варианте электролиза электрическую энергию, производимую из возобновляемых источников энергии, чтобы таким образом реализовать возможность использования водорода, полученного электролизом, в качестве возобновляемого топлива. До настоящего времени данные предложения имели ограниченный успех главным образом вследствие низкой эффективности существующих устройств для электролиза.

В заявке на патент Китая 1363726 А с целью повышения эффективности способа электролиза для отделения газа от жидкого электролита по меньшей мере на одном электролизном электроде, находящемся под электрическим напряжением, предложено вызывать искусственную вибрацию упомянутого электролизного электрода с соответствующей частотой колебаний.

Пузырьки газа, образующиеся на поверхности электролизного электрода, улетучиваются быстрее под действием данных искусственных колебаний. Таким образом, не происходит слишком сильного уменьшения эффективной поверхности электрода, обусловленного наличием пузырьков газа, и можно поддерживать оптимальный обмен электронами между поверхностью электрода и жидким электролитом.

Цель настоящего изобретения заключается в дополнительном повышении упомянутой эффективности. Согласно, по меньшей мере, одному из вариантов настоящего изобретения, она достигается тем, что упомянутое электрическое напряжение на электролизном электроде осциллирует с более низкой гармонической частотой, чем указанная резонансная частота.

Гармоническая осцилляция напряжения на электроде и колебания взаимосвязаны друг с другом в целях дополнительного повышения эффективности электролиза. Очевидно, что колебания оказывают влияние и на сами молекулы жидкости и неожиданно повышают эффективность электролиза посредством соударений между молекулами.

Предпочтительно, упомянутый электролизный электрод колеблется с резонансной частотой. В результате два эффекта дополнительно усиливаются, и эффективность электролиза становится еще выше.

Предпочтительно, упомянутый жидкий электролит содержит воду, вследствие чего упомянутый отделенный газ представляет собой горючий водородсодержащий газ. В результате эффективное топливо можно получать из воды с высокой продуктивностью.

Предпочтительно, горючий водородсодержащий газ сжигают и горячими выхлопными газами, образующимися в результате данного сжигания, подогревают жидкую воду и/или горючий водородсодержащий газ. При помощи данного варианта использования регенеративного тепла можно повысить эффективность и электролиза, и сжигания.

Настоящее изобретение относится также к устройству для электролиза, содержащему:

a) упомянутый сосуд для электролиза по меньшей мере с одной парой по существу аналогичных электродов, причем каждый из них содержит электропроводный материал с электрическим контактом для присоединения к электролизному контуру и пьезоэлемент с двумя электрическими контактами для присоединения к отдельному колебательному контуру,

b) электролизный контур, присоединенный к упомянутым электродам, в котором каждый из двух электродов пары присоединен к контуру с обратной полярностью, и

c) колебательный контур, присоединенный к упомянутым пьезоэлементам,

при этом указанный колебательный контур содержит регулятор контроля выходного напряжения с соответствующей частотой колебаний, и упомянутый электролизный контур также присоединен к указанному регулятору с целью управления выходным напряжением электролизного контура, характеризующегося более низкой гармонической частотой, чем упомянутая частота колебаний.

Предпочтительно, упомянутый регулятор может представлять собой широтно-импульсный регулятор.

Предпочтительно, упомянутая частота колебаний может быть резонансной частотой.

Предпочтительно, упомянутое устройство для электролиза оснащают электропитанием из возобновляемых источников энергии с целью уменьшения таким образом расхода ископаемого топлива и связанного с ним парникового эффекта.

Настоящее изобретение относится также к системе для сжигания, содержащей упомянутое устройство для электролиза, устройство для сжигания и газовую линию между устройством для электролиза и устройством для сжигания с целью снабжения устройства для сжигания горючим электролизным газом.

В результате при определенных обстоятельствах электричество можно превратить в тепловую энергию применимым способом.

Предпочтительно, упомянутая газовая линия содержит предохранительный барботер. Это предотвращает проскок пламени из устройства для сжигания и повреждение сосуда для электролиза.

Предпочтительно, упомянутая газовая линия содержит также перепускной клапан, подсоединенный до предохранительного барботера. Это предотвращает поступление текучей среды из предохранительного барботера обратно в сосуд для электролиза в случае отрицательного давления в данном сосуде.

Предпочтительно, система для сжигания включает в себя также резервуар для хранения электролизного газа, подсоединенный к упомянутой газовой линии. В результате этого электролизный газ можно накапливать с целью использования его при высоких нагрузках на устройство для сжигания.

Предпочтительно, система для сжигания включает в себя также линию вывода, присоединенную к системе для сжигания, по меньшей мере, с одним теплообменником, подсоединенным к газовой линии и/или резервуару для электролизного газа. В результате горючий электролизный газ и/или сосуд для электролиза можно подогревать газообразными продуктами сгорания с регенерацией тепла.

Предпочтительно упомянутое устройство для сжигания является двигателем внутреннего сгорания, предпочтительно поршневым или газотурбинным двигателем. В результате при определенных обстоятельствах электричество можно превращать в механическую энергию любым применимым способом.

Подробности, относящиеся к изобретению, описаны ниже со ссылкой на следующие фигуры.

Фигура 1 представляет собой схему электролизного электрода по одному из вариантов осуществления изобретения.

Фигура 2 представляет собой схематичное изображение устройства для электролиза по одному из вариантов осуществления изобретения, содержащего пару электролизных электродов, таких, как показаны на фигуре 1.

Фигура 3 представляет собой схематичное изображение системы для сжигания по варианту осуществления изобретения, включающему устройство для электролиза, такое, как показано на фигуре 1, и двигатель внутреннего сгорания.

Электролизный электрод 1, показанный на фигуре 1, представляет собой тонкий пластинчатый электрод из нержавеющей стали с электрическим контактом 2 и пьезоэлементом 3, присоединенным к поверхности электрода посредством изолирующего клея. Данный пьезоэлемент 3 содержит пьезоэлектрический керамический диск 4 с первым электрическим контактом 5, расположенным в центре, и внешним кольцом 6 из латуни вокруг керамического диска 4, со вторым электрическим контактом 7. Следовательно, подачей напряжения переменного тока между контактами 5 и 7 можно возбуждать колебания пьезоэлемента 3, вибрация которого воздействует на весь электрод 1, в частности, если частота напряжения является резонансной частотой электрода.

В устройстве для электролиза, показанном на фигуре 2, закрытый сосуд 8 для электролиза, содержащий.жидкий электролит 9, в данном случае соленую воду, снабжен одной или несколькими парами в принципе аналогичных электродов 1 такого типа, как показан на фигуре 1. Следовательно, каждый из электродов 1 оснащен пьезоэлементом 3, присоединенным к нему.

Контакты 5 и 7 пьезоэлемента 3 соединены химически стойким кабелем с колебательным контуром 10 в блоке 11 управления в целях активации упомянутого пьезоэлемента 3 на резонансной частоте. В предпочтительном варианте осуществления изобретения данный колебательный контур 10 содержит кристалл ИС для установки частоты, схему PLL (фазовой автоподстройки частоты) для поддержания оптимальной резонансной частоты без ручной регулировки и катушку самоиндукции для возбуждения пульсирующего выходного напряжения.

Контакты 2 электродов 1 в свою очередь подсоединены к электролизному контуру 12 блока 11 управления. Сам электролизный контур 12 присоединен к колебательному контуру 10 с целью приложения регулируемого широтно-импульсного напряжения между электродами 1 каждой пары, при этом частота данного регулируемого широтно-импульсного напряжения является более низкой гармонической частотой, синхронизированной с резонансной частотой колебательного контура.

При использовании резонансную частоту на электродах 1 устанавливают посредством пьезоэлемента 3 таким образом, что через электроды 1 эта частота передается молекулам воды. Электролиз воды поддерживают приложением регулируемого широтно-импульсного напряжения к электродам 1.

В таблице приведены параметры, использованные в примере испытания данного устройства для электролиза с дисковыми электродами диаметром 130 мм и толщиной 1 мм:

Таблица 1 Параметры электролиза Колебательный контур 10 Электролизный контур 11 Частота [МГц] Выходное напряжение [В] Частота [кГц] Выходное напряжение [В] 2,24 70-120 22,4 2,2

На фигуре 3 показана система для сжигания, в которой электролизный газ, вырабатываемый в сосуде 8 для электролиза, можно использовать в качестве топлива устройства для сжигания, в данном случае двигателя 13 внутреннего сгорания. Сосуд 8 для электролиза данного варианта осуществления изобретения содержит в целях безопасности также датчик 14 давления, предохранительный клапан 15 давления и датчик 16 уровня электролита. Датчик 14 давления контролирует давление внутри сосуда 8 для электролиза и соединен с блоком 12 управления через блок 26 управления двигателем с целью блокировки электролиза в случае, если внутреннее давление становится слишком высоким. Установлен также предохранительный клапан 15 давления для предотвращения повышения внутреннего давления выше опасного уровня. Датчик 16 уровня электролита также соединен с блоком 26 управления двигателем с целью включения подачи электролита по линии 17 подачи, если уровень электролита падает ниже заданного уровня. Данная линия 17 подачи может соединять, как показано, сосуд 8 для электролиза с резервуаром 18 электролита и иметь в своем составе насос 19, соединенный с блоком 26 управления, и перепускной клапан с тем, чтобы при использовании уровень электролита в сосуде 8 для электролиза оставался выше электродов 1.

Сосуд 8 для электролиза соединен с двигателем 13 внутреннего сгорания газовой линией 20 для того, чтобы электролизный газ мог подаваться в двигатель 13 внутреннего сгорания. К газовой линии 20 подключены перепускной клапан 21, клапан 22 с электронным управлением, предохранительный барботер 23, вакуумный насос 24, приводимый в движение двигателем без графитовых щеток, и сепаратор 25 воды. Предохранительный барботер 23 включен в схему для защиты от проскока пламени из зоны сгорания с тем, чтобы сосуд 8 для электролиза мог быть защищен от повреждений. Двигатель вакуумного насоса 24 также соединен с блоком 26 управления двигателем, так что скорость его вращения можно регулировать блоком 26 управления двигателем. После сепаратора 25 воды газовая линия 20 разветвляется на три линии 20а, 20b и 20с. В линии 20а регулирующий клапан 27 соединен с блоком 26 управления двигателем для регулирования газового потока, протекающего через данную газовую линию 20а. Линия 20b содержит трехходовой клапан 28, также соединенный с блоком 26 управления двигателем и резервуаром 29 для хранения газа. Данный резервуар 29 для хранения газа разделен эластичной диафрагмой 30 на газовую часть 29а, соединенную с трехходовым клапаном 28, и вакуумную часть 29b, соединенную через линию 31 пониженного давления с входом 32 двигателя 13, а также оснащенную воздухозаборником 33, регулируемым блоком 26 управления двигателем посредством электромагнитного клапана 34. Линия 31 пониженного давления снабжена одноходовым клапаном 41. Линия 20с с одноходовым клапаном 35 соединяет мостом линию 20b. Три линии 20а, 20b и 20с ведут на вход 32 двигателя 13, где подача газа и топлива регулируется педалью 36 газа, также соединенной с блоком 26 управления двигателем. Выхлоп 37 двигателя проходит два теплообменника 38, 39. Первый теплообменник 38 соединен с линией 20а для подогрева горючего электролизного газа. Во втором теплообменнике 39, управляемом регулирующим клапаном 40, контролируемым блоком 26 управления двигателем, осуществляется подогрев сосуда 8 для электролиза.

При использовании системы горючий электролизный газ, вырабатываемый в сосуде 8 для электролиза, подается по линии 20 через перепускной клапан 21 и электромагнитный клапан 22 в предохранительный барботер 23. Горючий электролизный газ откачивается из предохранительного барботера 23 вакуумным насосом 24. Затем горючий электролизный газ проходит через сепаратор 25 воды для отделения всех капель воды, которые уносятся в газовую линию 20 (вибрация при включении сцепления и т.п.) до поступления горючего электролизного газа в двигатель 13. По линиям 20а и 20b, соответственно, горючий электролизный газ направляют в регулирующий клапан 27 агрегата двигателя и трехходовой клапан 28 с электрическим управлением. Данные клапаны регулируются блоком 26 управления двигателем соответственно нагрузке на двигатель 13. После клапана 27 горючий электролизный газ подогревают в теплообменнике 38 перед подачей в двигатель 13. Мост на линии 20b является активным при постоянной нагрузке двигателя. Затем горючий электролизный газ подают в двигатель 13 по линии 20с.

При необходимости ускорения двигателя 13 трехходовой клапан 28 переключается с целью пропускания потока горючего электролизного газа из резервуара 29 для хранения газа в двигатель 13 по линии 20b. Резервуар 29 для хранения газа автоматически быстро дозаправляется при переходе двигателя 13 в режим снижения скорости, и вследствие создания вакуума на входе 32 диафрагма 30 изгибается под действием пониженного давления на линии 31 таким образом, что в резервуар 29 для хранения газа отбирается небольшое количество горючего электролизного газа, которое не требуется двигателю 13 при замедлении.

Данное изобретение не ограничивается примерами, описанными выше, и возможны изменения до таких пределов, чтобы они находились в рамках формулы изобретения, приведенной ниже. Например, несмотря на то, что в демонстрируемом варианте осуществления изобретения пьезоэлементы присоединяют к электродам с использованием изолирующего клея, в качестве альтернативы можно использовать также и проводящий клей. По данным причинам описание и чертежи настоящей заявки служат просто и исключительно иллюстрациями.

Изобретение относится к способу электролиза для отделения электролизных газов от жидкого электролита посредством по меньшей мере одного электролизного электрода, находящегося под электрическим напряжением, при этом вызывают искусственную вибрацию указанного электролизного электрода с резонансной частотой колебаний, а упомянутое электрическое напряжение подают на электролизный электрод в режиме колебаний с более низкой частотой гармоники, чем указанная резонансная частота колебаний. Также изобретение относится к устройству для электролиза и системе для сжигания, содержащей заявленное устройство. Технический результат заключается в дополнительном повышении эффективности поверхности электрода. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Способ электролиза для отделения электролизных газов от жидкого электролита посредством по меньшей мере одного электролизного электрода, находящегося под электрическим напряжением, отличающийся тем, что вызывают искусственную вибрацию указанного электролизного электрода с резонансной частотой колебаний, а упомянутое электрическое напряжение подают на электролизный электрод в режиме колебаний с более низкой частотой гармоники, чем указанная резонансная частота колебаний.

2. Способ электролиза по п.1, в котором жидкий электролит содержит воду, вследствие чего отделенные электролизные газы содержат горючий водородсодержащий газ.

3. Способ электролиза по п.2, в котором горючий водородсодержащий газ сжигают, а горячими выхлопными газами, образующимися в результате этого сжигания, подогревают жидкую воду и/или горючий водородсодержащий газ.

4. Устройство для электролиза, содержащее:
сосуд для электролиза по меньшей мере с одной парой по существу аналогичных электродов, причем каждый из электродов содержит электропроводный материал с электрическим контактом для присоединения к электролизному контуру и пьезоэлемент с двумя электрическими контактами для присоединения к отдельному колебательному контуру,
электролизный контур, присоединенный к упомянутым электродам, причем два электрода из пары электродов присоединены к контуру с обратной полярностью, и
колебательный контур, присоединенный к упомянутым пьезоэлементам, причем колебательный контур содержит регулятор для регулирования выходного напряжения с резонансной частотой колебаний указанного электрода, а электролизный контур также присоединен к указанному регулятору для регулирования выходного напряжения электролизного контура с более низкой частотой гармоники, чем упомянутая резонансная частота колебаний указанных электродов.

5. Устройство для электролиза по п.4, в котором регулятор представляет собой широтно-импульсный регулятор.

6. Устройство для электролиза по п.4 или 5, в котором электропитание обеспечивается от возобновляемого источника энергии.

7. Система для сжигания, содержащая устройство для электролиза по любому из пп.4-6, устройство для сжигания и газовую линию между устройством для электролиза и устройством для сжигания для подачи горючего электролизного газа в устройство для сжигания.

8. Система для сжигания по п.7, в которой упомянутая газовая линия содержит предохранительный барботер.

9. Система для сжигания по п.8, в которой упомянутая газовая линия содержит также перепускной клапан, подсоединенный до предохранительного барботера.

10. Система для сжигания по любому из пп.7-9, характеризующаяся тем, что дополнительно содержит резервуар для хранения электролизного газа, также подсоединенного к упомянутой газовой линии.

11. Система для сжигания по любому из пп.7-9, характеризующаяся тем, что дополнительно содержит выхлопную трубу, также присоединенную к устройству для сжигания по меньшей мере с одним теплообменником, подсоединенным к газовой линии и/или резервуару для электролизного газа.

12. Система для сжигания по любому из пп.7-9, в которой устройство для сжигания представляет собой двигатель внутреннего сгорания.