УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИССОЦИАЦИИ ВОДЫ НА ВОДОРОД И КИСЛОРОД Российский патент 2023 года по МПК C25B1/04 C25B9/17 C25B9/70 

Изобретения относятся к физико-химическим технологиям получения водорода и кислорода и могут быть использованы в области топливной энергетики и химического производства.

На современном этапе для промышленного получения водорода успешно используются такие технологические процессы, как конверсия метана, электролиз воды, паровая газификация угля, термохимическое разложение воды и др. Масштабное внедрение известных технологий в водородную энергетику требует комплексного решения проблем энергетической эффективности и экологической безопасности.

Известен патент №2556210, МПК С25В 1/04, B23K 5/00 Электролизно-водный генератор / Опубл. 10.07.2015. Бюл. 19.

Он содержит корпус с электролитом, в который погружен блок дистанцированных друг от друга электродов с отверстиями для прохода водородно-кислородной смеси и электролита и проводниками для подвода тока к электродам, блок электродов помещен в трубу из диэлектрического материала, охватывающую электроды по периметру без зазоров, один полюс источника питания электролизера подключен к электроду в центре блока, другой - к обоим концевым электродам.

Недостатки известного электролизно-водного генератора:

1. Большой расход электрической энергии при работе.

2. Генератор производит водородную и кислородную смесь без их разделения.

Известно устройство для диссоциации воды на водород и кислород, включает корпус и набор из погруженных в воду или водный электролит параллельно установленных четных и нечетных электродов, расположенных на расстоянии друг от друга и гидравлически сообщающихся с образованием электролитических секций, которые объединены в электрическую цепь, в своей верхней части электроды разделены друг от друга газонепроницаемыми перегородками, с образованием полостей, при этом каждая полость снабжена индивидуальным отводом образующихся в процессе электролиза газов, источник постоянного тока и генератор переменного тока (Патент РФ №2409704, МПК С25В 1/04 Опубл. 20.01.2011. Бюл. №2 - прототип). Недостатки известного устройства:

1. Источник переменного или постоянного магнитного поля расположен на большом расстоянии друг от друга и не оказывает существенного влияния на электролиз воды.

2. Плоские пластины для создания электрического поля от генератора переменного тока расположены на большом расстоянии друг от друга и не оказывают существенного влияния на электролиз воды. С другой стороны четные и нечетные электроды препятствуют прохождению электрического поля.

3. В процессе работы на электродах и в межэлектродном пространстве образуются отходы солей от воды, или водного электролита, которые необходимо периодически удалять.

4. По мнению авторов известного патента при воздействии на конденсированную среду переменным электрическим, электромагнитным или магнитным полем колеблющиеся ионы взаимодействуют с этими полями, образуя механическую колебательную систему. Если частота собственных колебаний атома химического элемента кратна частоте воздействующего переменного поля, происходит резонанс на гармониках. Кинетическая энергия резонирующих атомов повышается, в результате чего возрастает вероятность разрыва ковалентных связей между водородом и кислородом, и степень диссоциации воды повышается.

Поэтому авторы применяют кратные частоты по отношению к резонансной частоте колебаний атома водорода в молекуле воды.

Однако, кратные частоты, не всегда дают положительные результаты при диссоциации воды.

5. Указанные недостатки приводят к относительно высокому расходу электрической энергии на получение 1 м³ объема водорода.

Техническим результатом предлагаемого изобретения, является повышение производительности и снижение энергетических затрат на получение водорода.

Технический результат достигается тем, что устройство для диссоциации воды на водород и кислород содержащее корпус и набор из погруженных в воду или водный электролит параллельно установленных четных и нечетных электродов, расположенных на расстоянии друг от друга и гидравлически сообщающихся с образованием электролитических секций, которые объединены в электрическую цепь, в своей верхней части электроды разделены друг от друга газонепроницаемыми перегородками, с образованием полостей, при этом каждая полость снабжена индивидуальным отводом образующихся в процессе электролиза газов, источник постоянного тока и генератор переменного тока, согласно изобретению имеет прямоугольные катушки электромагнитных излучений ультразвуковой частоты, сплошные металлические сетки и отрезки таких сеток, входной и выходной кран и блок питания, при этом электроды выполнены из материалов с высокой магнитострикцией, в нижней части которых расположены по их периметру прямоугольные катушки электромагнитных излучений ультразвуковой частоты, герметически размещенные в дне корпуса, электрически соединенные первыми выводами с электродами, а с другой стороны эти катушки вторыми выводами соединены попарно параллельно между собой и объединены в электрическую цепь, соединенную через блок питания с источником постоянного тока, сплошные металлические сетки расположены на дне корпуса и изолированы, а в верху на индивидуальных отводах расположены изолированные отрезки таких сеток с отверстиями для прохождения газов, соединенные между собой и генератором переменного тока, в качестве которого использован генератор переменного тока с частотой 18-30 ГГц определяемой резонансной частотой колебаний атома водорода в молекуле воды, в верхней части устройства установлен входной кран для воды или водных электролитов с поплавком, а в нижней части корпуса сбоку установлен выходной кран для удаления осадков электролиза с электромагнитом управления, блок питания содержит последовательно соединенные генератор модулирующих импульсов с частотой 0,2-3 Гц, интегрирующую цепь, частотно-модулированный генератор с частотой 10,0-100 кГц, дифференцирующую цепь, амплитудный модулятор, усилитель импульсов в виде полевого транзистора, в исток которого последовательно соединены прямоугольные катушки, вода или водный электролит с источником постоянного тока и реле времени, при этом выход интегрирующей цепи связан так же с модулирующим входом амплитудного модулятора, а реле времени последовательно соединено с обмоткой электромагнита выходного крана и источником постоянного тока.

Новизна заявляемого предложения, согласно изобретению, обусловлена тем, что за счет специальных схемных решений блока питания, введение новых конструктивных элементов и их эксплуатационных свойств, обеспечивается повышение производительности и снижение энергетических затрат на получение водорода.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам не известно техническое решение, представляющее собой новую совокупность признаков, направленная на достижение технического результата, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения изобретательскому уровню.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо. Макетный образец устройства изготовлен и испытан в лаборатории кафедры электрических машин и электропривода Кубанского ГАУ.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фигуре 1 показан общий вид устройства для диссоциации воды на водород и кислород (разрез); на фигуре 2 показан его поперечный разрез по А-А на виде 1; на фигуре 3 дана электрическая схема устройства; на фигуре 4 (а, б, в, г и д) показаны графики, поясняющие работу блока питания и отдельных узлов устройства: на фиг. а) - представлен график прямоугольных импульсов на выходе генератора модулирующих импульсов; на фиг. б) - представлен график трапецеидальных импульсов на выходе интегрирующей цепи; на фиг. в) - представлен график прямоугольных импульсов частотой от 10 до 100 кГц на выходе частотно модулированного генератора; на фиг. г) - представлен график прямоугольных импульсов на выходе дифференцирующей цепи; на фиг. д) - представлен график импульсов на выходе амплитудного модулятора.

Устройство для диссоциации воды на водород и кислород содержит корпус 1 в виде элементарных ячеек, включает набор из погруженных в воду или водный электролит параллельно установленных электродов 2 и 3, расположенных на расстоянии друг от друга и гидравлически сообщающихся с образованием электролитических секций 4, в нижней части электродов 2 и 3 расположены по периметру электродов прямоугольные катушки электромагнитных излучений ультразвуковой частоты 5 и 6, электрически соединенные первыми выводами с электродами 2 и 3 и герметически размещенными в дне корпуса 7, с другой стороны катушки вторыми выводами соединены попарно параллельно между собой и объединены в электрическую цепь 8, 9, соединенную через блок питания 10 с источник постоянного тока «+» и «-».

В верхней части корпуса электроды 2 и 3 разделены друг от друга газонепроницаемыми перегородками 11, нижние границы 12 которых расположены ниже уровня 13 воды или водного электролита с образованием полостей 14, каждая из которых снабжена индивидуальным отводом водорода 15 и кислорода 16, образующихся в процессе электролиза газов.

Внизу в дне корпуса ниже катушек 5 и 6 расположена изолированная сплошная металлическая сетка 17, соединенная с генератором 19 переменного тока, а на отводах 15 и 16 расположены изолированные отрезки таких сеток 18 с отверстиями для прохождения газов, соединенные между собой и так же с генератором 19 переменного тока частотой от 18 до 30 ГГц, определяемой резонансной частотой колебаний атома водорода в молекуле воды.

В верхней части устройства установлен входной кран 20 для подачи воды или водных электролитов с поплавком 21, а в нижней части корпуса сбоку (фиг. 2) установлен выходной кран 22 для удаления осадков электролиза с электромагнитом 23.

Блок питания 10 (фиг. 3) содержит генератор модулирующих импульсов (ГМИ) 24, интегрирующую цепь (ИЦ) 25, частотно-модулированный генератор (ЧМГ) 26, дифференцирующую цепь (ДЦ) 27, амплитудный модулятор (AM) 28, усилитель импульсов (транзистор) 29 в исток которого последовательно соединены катушки 6, 5 и сопротивление воды или водного электролита 4.

Реле времени 30 последовательно соединено с обмоткой электромагнита 23 выходного крана 22 и источником постоянного тока 31.

Генератор модулирующих импульсов (ГМИ) 24 генерирует прямоугольные импульсы 24, а частотой 0,2-3 Гц (фиг. а).

Выход генератора модулирующих импульсов соединен с интегрирующей цепью 25, где происходит преобразование прямоугольных импульсов в трапецеидальные импульсы 25, а (фиг. 6).

Сигнал с интегрирующей цепи 25 поступает на частотно модулированный генератор 26, генерирующий прямоугольные импульсы частотой от 10 до 100 кГц и одновременно на амплитудный модулятор 28. Частотно-модулированный генератор 26 управляется трапецеидальным сигналом с интегрирующей цепи 25. Сначала частота увеличивается (по мере нарастания напряжения «трапеции»), потом становится неизменной (на вершине) и уменьшается в конце «трапеции» сигнал 26 а, (фиг. в). Амплитуда этих сигналов неизменная. Далее этот сигнал поступает на вход дифференцирующей цепи 27, где сигнал 26 а преобразуется в сигнал переменной частоты и скважности с «заостренными» вершинами, т.е. с плавным нарастанием и спадом переднего и заднего фронтов импульса 27 а, (фиг. г).

«Остроконечные» сигналы с дифференцирующей цепи 27 а и трапецеидальный сигнал 25 а с интегрирующей цепи 25 поступает на два входа амплитудного модулятора 28. В амплитудном модуляторе 28 «остроконечные» импульсы входные одинаковой амплитуды модулируются по трапецеидальному закону (при сохранении частоты и скважности), т.е. сначала амплитуда растет, потом становится неизменной и уменьшается в конце трапеции. На выходе амплитудного модулятора 28 формируется сигнал 28 а, (фиг. д).

Сигнал с выхода амплитудного модулятора 28 поступает на вход усилителя импульсов (транзистор) 29. В усилителе сигнал 28 а усиливается без изменений формы и проходит через катушки 6,5, сопротивление водного электролита 4 и соединяется с источником постоянного тока 31.

Устройство промышленно применимо. В качестве генератора 19 переменного тока частотой от 18 до 30 ГГц можно рекомендовать или другие с необходимыми параметрами [http://www.radiocomp.ru/joom/ru/].

Электроды выполнены из никеля или сплавов с большой магнито-стрикцией. Например, магнитострикция, λ_S, м: для никеля - 3,5⋅10^-5; для пер-мендюра - 7,0⋅10^-5.

Источник постоянного тока 31 выполнен в виде аккумуляторной батареи совместно с солнечной батареей или ВЭУ. Возможно применение сетевого выпрямителя с конденсатором фильтра.

Работа устройства для диссоциации воды на водород и кислород заключается в следующем. Из резервуара с водным электролитом или воду из водопровода подают через кран 20 до заполнения всего объема устройства. Реле времени 30 настраивают в зависимости от состава воды или водного электролита. Например, через каждые 60 минут включается реле на 15 секунд и открывает на это время кран 22 для удаления осадков электролиза.

Подается питание от источника постоянного тока 31, включается генератор переменного тока 19 частотой 18-30 ГГц. Генератор 19 через сплошные металлические сетки 17 и отрезки таких сеток 18 в объеме устройства возбуждает резонансные колебания атомов водорода в молекулах воды.

Одновременно через последовательно соединены прямоугольные катушки 6, 5, воду или водный электролит 4 проходят импульсы 28 а, «генерация», (фиг. 4). Создаются магнитострикционные излучения переменной частоты и скважности (в диапазоне механического резонанса воды), проходит ток такой же формы, идет интенсивный процесс электролиза воды. В момент «паузы» генерация прекращается, атомы водорода и кислорода концентрируются в своих ячейках 15 и 16. Одновременно с электродов 2 и 3 происходит осаждение солей и осадков электролиза.

Например, через 60 минут включается реле времени 30 на 15 секунд и открывает на это время кран 22 для удаления осадков электролиза. При удалении осадков поплавок 21 открывает кран 20 и пополняется устройство водным электролитом.

Изобретение относится к устройству для диссоциации воды на водород и кислород, содержащему корпус и набор из погруженных в воду или водный электролит параллельно установленных четных и нечетных электродов, расположенных на расстоянии друг от друга и гидравлически сообщающихся с образованием электролитических секций, которые объединены в электрическую цепь, в своей верхней части электроды разделены друг от друга газонепроницаемыми перегородками, с образованием полостей, при этом каждая полость снабжена индивидуальным отводом образующихся в процессе электролиза газов, источник постоянного тока и генератор переменного тока. Устройство характеризуется тем, что имеет прямоугольные катушки электромагнитных излучений ультразвуковой частоты, сплошные металлические сетки и отрезки таких сеток, входной и выходной кран и блок питания, при этом электроды выполнены из материалов с высокой магнитострикцией, в нижней части которых расположены по их периметру прямоугольные катушки электромагнитных излучений ультразвуковой частоты, герметически размещенные в дне корпуса, электрически соединенные первыми выводами с электродами. С другой стороны эти катушки вторыми выводами соединены попарно параллельно между собой и объединены в электрическую цепь, соединенную через блок питания с источником постоянного тока, сплошные металлические сетки расположены на дне корпуса и изолированы, а вверху на индивидуальных отводах расположены изолированные отрезки таких сеток с отверстиями для прохождения газов, соединенные между собой и генератором переменного тока, в качестве которого использован генератор переменного тока с частотой 18-30 ГГц, определяемой резонансной частотой колебаний атома водорода в молекуле воды, в верхней части устройства установлен входной кран для воды или водных электролитов с поплавком, а в нижней части корпуса сбоку установлен выходной кран для удаления осадков электролиза с электромагнитом управления, блок питания содержит последовательно соединенные генератор модулирующих импульсов с частотой 0,2-3 Гц, интегрирующую цепь, частотно-модулированный генератор с частотой 10,0-100 кГц, дифференцирующую цепь, амплитудный модулятор, усилитель импульсов в виде полевого транзистора, в исток которого последовательно соединены прямоугольные катушки, вода или водный электролит с источником постоянного тока и реле времени, при этом выход интегрирующей цепи связан также с модулирующим входом амплитудного модулятора, а реле времени последовательно соединено с обмоткой электромагнита выходного крана и источником постоянного тока. Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить производительность и снизить энергетические затраты на получение водорода. 4 ил.

Устройство для диссоциации воды на водород и кислород, содержащее корпус и набор из погруженных в воду или водный электролит параллельно установленных четных и нечетных электродов, расположенных на расстоянии друг от друга и гидравлически сообщающихся с образованием электролитических секций, которые объединены в электрическую цепь, в своей верхней части электроды разделены друг от друга газонепроницаемыми перегородками, с образованием полостей, при этом каждая полость снабжена индивидуальным отводом образующихся в процессе электролиза газов, источник постоянного тока и генератор переменного тока, отличающееся тем, что имеет прямоугольные катушки электромагнитных излучений ультразвуковой частоты, сплошные металлические сетки и отрезки таких сеток, входной и выходной кран и блок питания, при этом электроды выполнены из материалов с высокой магнитострикцией, в нижней части которых расположены по их периметру прямоугольные катушки электромагнитных излучений ультразвуковой частоты, герметически размещенные в дне корпуса, электрически соединенные первыми выводами с электродами, а с другой стороны эти катушки вторыми выводами соединены попарно параллельно между собой и объединены в электрическую цепь, соединенную через блок питания с источником постоянного тока, сплошные металлические сетки расположены на дне корпуса и изолированы, а вверху на индивидуальных отводах расположены изолированные отрезки таких сеток с отверстиями для прохождения газов, соединенные между собой и генератором переменного тока, в качестве которого использован генератор переменного тока с частотой 18-30 ГГц, определяемой резонансной частотой колебаний атома водорода в молекуле воды, в верхней части устройства установлен входной кран для воды или водных электролитов с поплавком, а в нижней части корпуса сбоку установлен выходной кран для удаления осадков электролиза с электромагнитом управления, блок питания содержит последовательно соединенные генератор модулирующих импульсов с частотой 0,2-3 Гц, интегрирующую цепь, частотно-модулированный генератор с частотой 10,0-100 кГц, дифференцирующую цепь, амплитудный модулятор, усилитель импульсов в виде полевого транзистора, в исток которого последовательно соединены прямоугольные катушки, вода или водный электролит с источником постоянного тока и реле времени, при этом выход интегрирующей цепи связан также с модулирующим входом амплитудного модулятора, а реле времени последовательно соединено с обмоткой электромагнита выходного крана и источником постоянного тока.