УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА Российский патент 2024 года по МПК C25B1/02 C25B9/00 

Устройство относится к физико-химическим технологиям производства водорода.

Известно техническое решение (прототип) описанное в патенте РФ №2277138 С2, где используется устройство для получения водорода и кислорода, содержащее цилиндрический корпус, патрубки для ввода рабочего раствора и вывода газов, анод и катод, соединенные соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника питания, отличающееся тем, что корпус из токопроводящего материала выполняет роль анода, верхняя крышка, изготовленная из диэлектрического материала, имеет осевое отверстие, коническое углубление с нижней стороны и кольцевой паз для размещения верхней части корпуса, нижняя крышка, также изготовленная из диэлектрического материала, имеет осевое отверстие с резьбой и концентрические кольцевые пазы для размещения корпуса и цилиндрических электродов, при этом стержневой катод цилиндрической формы вставлен посредством резьбы в осевое отверстие нижней крышки, корпус устройства, нижняя и верхняя крышки скреплены болтами, устройство подключено к источнику питания, генерирующему импульсы.

Недостатком данного изобретения является то, что конструкция катода не позволяет интенсифицировать физико-химический процесс и увеличить производство водорода в единицу времени.

Известно техническое решение, описанное в патенте России №2157861, для получения тепловой энергии водорода и кислорода, содержащее корпус, выполненный из диэлектрического материала, крышку, также выполненную из диэлектрического материала, которая имеет цилиндроконический прилив со сквозным отверстием, образующий совместно с корпусом анодную и катодную полости, анод выполнен плоским, кольцевым с отверстиями, расположен в анодной полости и соединен с положительным полюсом источника питания, катод - в виде стержня из тугоплавкого материала, вставлен в диэлектрический стержень с наружной резьбой, посредством которой он введен в межэлектродную камеру через резьбовое отверстие в корпусе и центрирован в сквозном отверстии крышки и соединен с отрицательным полюсом источника питания, патрубок для ввода рабочего раствора расположен в средней части анодной полости.

Недостатком описанного выше изобретения можно считать то, что цилиндрическая форма катода не способствует эффективному отделению от него водорода, в результате чего происходит скопление водорода в области катода и его площадь используется не эффективно, что снижает производительность установки.

Известно техническое решение, описанное в патенте России RU 2175027 С2, для получения тепловой энергии водорода и кислорода, содержащее корпус, с осевым отверстием и цилиндроконическим приливом и нижнюю крышку, которые образуют совместно с корпусом межэлектродную камеру с сообщающимися между собой анодной и катодной полостями. Плоский кольцевой анод с отверстиями расположен в анодной полости. Катод в виде цилиндрического стержня вставлен в диэлектрический стержень, который вводится в межэлектродную камеру через резьбовое отверстие в нижней крышке. Емкость для рабочего раствора с системой автоматического регулирования его уровня в катодной полости соединена с анодной полостью.

Недостатком данного изобретения является не достаточная по сравнению с заявляемым способом производительность по водороду менее 1 м³.

Технический эффект - повышение устойчивости технологического процесса и энергетических показателей устройства, а также возможность повышения синтеза водорода, за счет увеличения полезной площади катода кольцеобразной формы.

Технический результат достигается за счет того, что устройство для получения водорода, содержит корпус, из диэлектрического материала, анод, соединенный с положительным полюсом импульсного источника питания, и катод, соединенный с отрицательным полюсом импульсного источника питания, патрубки для ввода и вывода щелочного раствора, канал для отвода водорода и канал для отвода кислорода, отличающееся тем, что оно содержит кольцевой плоский анод без отверстий площадью s=2,0⋅10^-3 м² и катод s=16,8⋅10^-4 м², состоящий из металлического стержня со сменным металлическим наконечником, на котором расположены металлические кольца под углом 45° относительно оси катода, и регулируемого по вертикали диэлектрического держателя, при этом оно выполнено с возможностью подачи на анод и катод импульсное напряжения питания 220 В, электрического тока силой 0,98 А и частотой 500 Гц.

Изменение конструкции катода, а именно расположение круглых колец на катодном цилиндрическом стержне, создает ребристость, которая приводит к увеличению площади поверхности, в результате чего возрастает производительность водородной установки без увеличения габаритных размеров. С данными характеристиками водородной установки можно увеличить производительность по водороду в 2 раза и применить в отраслях промышленного и агарного сектора.

По данным патентно-технической литературы не обнаружена аналогичная совокупность признаков, при которых значительно увеличивается выход водорода, что позволяет судить об изобретательском уровне предложения.

Устройство для получения водорода с кольцеобразной формой катода в виде плоских колец, одетых на литой цилиндр, также содержит корпус и крышку, выполненные из диэлектрического материала. Анод выполнен в виде круглого плоского кольца без отверстий и установлен на диэлектрический цилиндрический прилив. Диэлектрический стержень вместе с плоским кольцевым анодом введен в осевое отверстие крышки посредством резьбы. Катод с осевым отверстием введен посредством резьбы в осевое отверстие катодного цилиндрического диэлектрического стержня. Катодный цилиндрический диэлектрический стержень вместе с катодом введен посредством резьбы в осевое отверстие в дне корпуса соосно с осевым отверстием анодного диэлектрического стержня. Зазор между диэлектрическим приливом анодного диэлектрического стержня и дном корпуса регулируется осевым перемещением анодного диэлектрического стержня посредством резьбы в осевом отверстии крышки. Анод и катод подсоединены к источнику импульсного питания.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена установка для получения водорода. Устройство состоит из диэлектрического корпуса 1, катода состоящего из металлического стержня 2 со сменным кольцеобразным металлическим наконечником 3, на котором расположены металлические кольца 4 и регулируемого по вертикали диэлектрического держателя 8, кольцевого плоского анода 5, устройство также состоит из входного 6 и выходного патрубков 7 для протекания водного раствора, для выхода водорода предназначен отводные каналы 9, а для отвода кислорода предназначен канал 10.

Устройство для получения водорода работает следующим образом. Раствор щелочи КОН плотностью 1010-1050 кг/м³ подается в корпус устройства 1, в это же время подается импульсное напряжение на катод кольцеобразной формы площадью s=16,0⋅10^-4 м² и анод кольцеобразной формы площадью s=2,0⋅10^-3 м² в результате протекания электролитического процесса; на катоде начинается выделяться водород на аноде кислород, в ходе процесса происходит частичное выделение тепла за счет воздействия электрического тока, на полость катода и анода, при этом для того чтобы сбалансировать процесс стабильного синтеза водорода на катоде используются кольцеобразная форма катода и наклон колец относительно оси катода составляет 45°, что позволяет снизить поверхностное взаимодействие между водородом и катодом, что облегчает выход газа к выходным водородным каналам - 9.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что наиболее оптимальными и энергосберегающими режимами и условиями процесса являются: плотность раствора щелочи 1030 кг/м³, с импульсное напряжение питания 220 В, электрический ток силой 0,98 А и частотой 500 Гц, наличие колец на наконечнике катода, расположенных под углом 45° относительно оси катода, и выходного водородного канала 8. В результате за счет кольцеобразной формы катода снижается сила поверхностного взаимодействия между водородом и катодом, водород не накапливается вокруг катода, а отводится выходным водородным каналом, что приводит к увеличению производительности установки в 2 раза.

Что касается импульсного напряжения 220 В и частоты 500 Гц данные параметры позволяют осуществить резонансный режим и произвести энергосбережение, при котором происходит максимальное выделение водорода на катоде и кислорода на аноде, если рассмотреть ближайшие частоты 400 и 600 Гц на таких частотах резонанс не наблюдается и соответственно не происходит максимального выделения водорода и кислорода с последующим синтезом тепла. Для расчета выхода водорода применима формула расчета

Q_в=S⋅V⋅t⋅к

Где S - площадь поперечного сечения выходных патрубков м²; V - скорость выхода газов водорода, м/с; t - время протекания процесса, час; к - коэффициент газообразования водорода в растворе, к=0,8;

Для доказательства эффективности способа были проведены производственные опыты (табл. 1).

Проведенные исследования показали, что наиболее эффективная плотность раствора гидроксида составляет ρ=1030 кг/м³, при этом выход по водороду составил 0,82 м³, в случае катода цилиндрической формы и 1,61 м³ при использовании кольцеобразного катод, что подтверждает эффективность работы установки по заявленному устройству по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к физико-химическим процессам получения водорода при электролизе воды. Устройство содержит кольцевой плоский анод без отверстий площадью s=2,0⋅10^-3 м² и катод s=16,8⋅10^-4 м², состоящий из металлического стержня со сменным металлическим наконечником, на котором расположены металлические кольца под углом 45° относительно оси катода, и регулируемого по вертикали диэлектрического держателя. Обеспечивается повышение устойчивости технологического процесса и энергетических показателей устройства, а также возможность повышения синтеза водорода за счет увеличения полезной площади катода кольцеобразной формы. 1 ил., 1 табл.

Устройство для получения водорода, содержащее корпус из диэлектрического материала, анод, соединенный с положительным полюсом импульсного источника питания, и катод, соединенный с отрицательным полюсом импульсного источника питания, патрубки для ввода и вывода щелочного раствора, канал для отвода водорода и канал для отвода кислорода, отличающееся тем, что оно содержит кольцевой плоский анод без отверстий площадью s=2,0⋅10^-3 м² и катод s=16,8⋅10^-4 м², состоящий из металлического стержня со сменным металлическим наконечником, на котором расположены металлические кольца под углом 45° относительно оси катода, и регулируемого по вертикали диэлектрического держателя, при этом оно выполнено с возможностью подачи на анод и катод импульсного напряжения питания 220 В, электрического тока силой 0,98 А и частотой 500 Гц.