СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА Российский патент 2025 года по МПК C25B1/02 C25B1/04 C25B9/15 C25B11/04 C25B9/60 

Изобретение относится к физико-химическим процессам получения тепловой энергии, водорода и кислорода при электролизе воды.

Известно техническое решение, описанное в патенте РФ № RU 2783379 C1 Способ получения водорода заключающийся во взаимодействии частиц алюминия сферической формы размером 0,020-0,999 мкм или 1-10 мкм с водой, заключающийся в приготовлении алюмоводной суспензии с массовой долей частиц алюминия 0,01-10%, ультразвуковой обработке алюмоводной суспензии, воздействии на частицы алюминия, находящиеся в алюмоводной суспензии, сфокусированного импульсного лазерного излучения с длиной волны 450-1064 нм, длительностью импульса 0,005-0,999 мкс, плотностью энергии 0,5-50 Дж/см², частотой следования импульсов 1-100 Гц с образованием газообразного водорода

Недостатком данного изобретения является то, что в данном физико-химическом процессе используется нестабильные анод и катод, так-как активный алюминий в процессе электролиза может покрыться оксидной пленкой и снизить производительность установки, и в дальнейшем вывести ее из эксплуатации. Кроме того, камеры выхода кислорода и водорода не разделены, в связи с чем не ограничен процесс постоянного взаимодействия газов, что будет снижать выход водорода и кислорода.

Известно техническое решение описанное в патенте РФ RU №2524391 С1 Способ получения водорода заключающийся во взаимодействии алюминия и воды, отличающийся тем, что алюминий в виде нанопорошока псевдоожижают потоком сжатого инертного газа и полученный реагент приводят в контакт с водяным паром в реакционной зоне, в результате чего флюидизированный нанопорошок алюминия самовоспламеняется и горит в водяном паре в объеме реакционной зоны, тем самым с получением высоких температур для газификации наночастиц алюминия и образованием газофазной реакционной среды с протеканием в ней высокотемпературного синтеза с получением молекулярного водорода, который непрерывно отделяют с помощью мембраны, селективно проницаемой для водорода, в качестве целевого продукта от побочных продуктов выхлопа реактора, таких как остатки паров воды, инертного газа и дополнительных продуктов, полученных при синтезе, например, дисперсных частиц кристаллического корунда.

Недостатком данного изобретения является то, что в данном физико-химическом процессе используется дорогостоящий нанопорошок для протекания химического процесса, его сжигают внутри устройства, что приведет к удорожанию процесса получения водорода и снизит безопасность протекающего химического процесса.

Известно техническое решение, описанное в патенте России №2816078 (прототип), 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.

Недостатками описанного выше изобретения являются:

1. Невозможность регулирование технических параметров процесса путем изменения расстояния между анодом и катодом и ограничено количество одной парой электродов (анода и катода). Что ведет к снижению эксплуатационных свойств электродов и надежности работы установки.

2. Данные технические параметры установки не позволяют производить большие объемы водорода и кислорода в короткий промежуток времени.

Техническим результатом является повышение эффективности получения водорода и тепла при работе электролизера и экономия энергозатрат.

Технический результат достигается за счет того, способ получения водорода и кислорода, включающий преобразование электрической энергии в плазмоэлектролитическом процессе и получение водорода и кислорода, отличается тем, что плазмоэлектролитический процесс обеспечивается подачей раствора электролита турбулентным непрерывным потоком, через систему симметрично расположенных горизонтально, полых цилиндрических электродов с отверстиями, катоды выполнены из бронзы общей площадью s=34,8⋅10^-4 м², аноды из нержавеющей стали общей площадью s=16,4⋅10^-4 м², образующиеся газы отводятся посредством выходных патрубков сбора водорода и кислорода, при этом в качестве раствора электролита используют водный раствор щелочи Са(ОН)₂ плотностью 1030 кг/м³, процесс электролиза протекает при импульсном напряжении с применением импульсного тока треугольной формы величиной 4,58 А, а регулировка интенсивности процесса осуществляется посредством изменения числа пар электродов от 2 до 8 и расстояния между ними.

При прохождении раствора электролита формируется турбулентный поток за счет цилиндрической формы электродов и корпуса установки. Протекающий процесс проточного (турбулетного) типа для получения водорода и кислорода, обеспечивается наличием системы симметрично расположенных горизонтально электродов (анода и катода) цилиндрической формы, полых внутри, количеством от 2 до 8 пар, снабженных вертикальными технологическими отверстиями, обеспечивающими сфокусированный, направленный отвод газов в выходные патрубки сбора водорода и кислорода и диэлектрическими держателями, а также наличием контактов подключения к источнику импульсного напряжения.

Для эффективного получения водорода и кислорода используется система разности электролитического потенциала металлов электродов для синтеза водорода и кислорода. Результаты опытов показали, что с применением бронзового катода и анода из нержавеющей стали процесс протекает наиболее эффективно.

Аноды и катоды подсоединены к источнику импульсного питания частотой 500 Гц. Технический эффект - повышение устойчивости технологического процесса и энергетических показателей устройства, а также возможность регулировки производительности, путем уменьшения количества электродов до двух посредством их извлечения.

Производительность устройства достигается за счет распределенной плотности тока по электродам установки. За счет особенностей конструкции катода и анода проходящий раствор равномерно прогревается по всей площади взаимодействия раствора и электродов, то есть происходит эффективное прогревание раствора по всему объему устройства.

Использование щелочного раствора Са(ОН)₂ при соотношении воды и щелочи 11:1, позволяет повысить ионизацию воды и эффективность выделения газов водорода и кислорода, а также тепла в установке за счет разной электролитической активности материалов катода, выполненного из бронзы и анода, выполненного из нержавеющей стали. Экспериментальные данные показали, что в случае использования щелочи NaOH, процесс электролиза протекает менее интенсивно.

Благодаря симметрично расположенной системе электродов в межэлектродном пространстве между анодами и катодами происходит распределение плотности электрического потенциала, что обеспечивает турбулентность протекающего потока электролита с кавитацией газов на поверхности электродов в ходе плазмоэлектролитического процесса, который в свою очередь сопровождается получением водорода и кислорода производительностью выше чем у прототипа с коэффициентом энергетической эффективности до 3. Что можно применить для локального получения водорода и кислорода для технологических нужд, к примеру, для охлаждения высокотехнологических установок с меньшими энергетическими затратами.

Сущность способа производства водорода и кислорода поясняется чертежом, где на фиг. 1. изображена установка для получения водорода и кислорода с симметричным расположением электродов и возможностью уменьшения количества или увеличения электродов катода и анода в диапазоне от 2 до 8 шт.

Устройство состоит из диэлектрического корпуса цилиндрической формы 1, в боковые крышки которого вмонтированы по 8 электродов. Катоды 2 полые цилиндрические снабжены технологическими отверстиями 4, и цилиндрическими диэлектрическими держателями 14, регулируемыми по горизонтали, позволяющими регулировать расстояние между электродами. Аноды 3 полые цилиндрические снабжены технологическими отверстиями 5 и анодными цилиндрическими диэлектрическими держателями 15, устройство содержит в себе межэлектродное пространство 16, для протекания щелочного раствора, предусмотрены входной катодный 10 и выходной анодный патрубки 11, для подключения импульсного источника питания используются катодный 6 и анодный 7 контакты, для отвода газов используется выходные патрубки сбора водорода 8 и кислорода 9. Для смены электродов в устройстве предусмотрены катодная 13 и анодная 12 крышки, имеющие форму круга (фиг. 2). Вид анодной 12 и катодной 13 крышек, имеющих осевые электродные отверстия 17-18, в которые посредством резьбы вмонтированы катодные и анодные цилиндрические диэлектрические держатели, а также входной и выходной патрубки 10-11 для протекания щелочного раствора показан на фиг. 2.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Подготовленная вода (после дистиллятора) смешивается с щелочью Са(ОН)₂ в соотношении 11:1, полученный раствор плотностью 1010-1050 кг/м³ подается в корпус устройства 1, посредством входного патрубка 10. В это же время подается импульсное напряжение на электроды и начинает протекать плазмоэлектролитический процесс с возникновением плазмы с сопровождением турбулентного движения жидкости вследствие возникновения кавитанционного процесса, который заключается в следующем, на катодах 2 начинается выделяться водород, на анодах кислород. Этот процесс сопровождается выделением незначительного количества тепловой энергии в области катодов 3, при этом для того, чтобы щелочной раствор интенсивно взаимодействовал с электродами они расположены друг против друга соосно и симметрично, что позволяет максимально использовать объем электролита для взаимодействия и повысить устойчивость процесса за счет распределения плотности тока в объеме электролита, межэлектродного пространства 16, для стабильного производства водорода и кислорода производится регулировка расстояния между электродами (анодами и катодами) при помощи диэлектрических держателей 14 и 15, также посредством держателей можно производить замену электродов, осуществлять регулирование мощности установки в зависимости от плотности раствора, для отведения водорода и кислорода предусмотрены вертикальные технологические отверстия 4 и 5 в катодах и анодах которые фокусируют производство водорода и кислорода на их выходные патрубки 8, 9.

В результате экспериментальных исследований было выявлено, что наиболее оптимальным и энергосберегающим режимом плазмоэлектролитического процесса является использование раствора электролита плотностью 1030 кг/м³, импульсное напряжение питания 220 В и электрический ток величиной 4,58 А и частотой 500 Гц, При уменьшении плотности раствора до 1010 кг/м³, 1020 кг/м³, протекание плазмоэлектролитического процесса проходит с меньшей интенсивностью выделения водорода и кислорода, если увеличить плотность до 1040 кг/м³, 1050 кг/м³ происходит дестабилизация процесса выделения водорода и кислорода, сопровождающаяся взаимодействием кислорода и водорода, возникновением горения водорода и кислорода в установке, что сказывается на производительности. Что касается импульсного напряжения 220 в и частоты 500 Гц, данные параметры позволяют осуществить резонансный режим и оптимизировать процесса синтеза водорода и кислорода, при котором происходит максимальное выделение водорода на катодах из бронзы, так как у бронзы повышенный электрохимический эквивалент по выходу водорода, площадью s=34,8⋅10^-4 м² и повышенный электрохимический эквивалент по выходу кислорода на анодах из нержавеющей стали, площадью s=16,4⋅10^-4 м². Если рассмотреть ближайшие частоты 400 и 600 Гц, то 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.

Раствор плотностью ρ=1030 кг/м³ подается в устройство, показанное на фиг 1. Длительность опыта 5 мин.

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

Проведенные исследования показали, что наиболее эффективная плотность раствора гидроксида Са(ОН)₂ составляет ρ=1030 кг/м³, при этом выход по водороду составил 1,61 м³, в случае катода кольцеобразной формы и 6,45 м³ при использовании цилиндрического полого катода, что подтверждает эффективность работы установки, по заявленному способу, по сравнению с прототипом.

При расчетах коэффициент энергетической эффективности устройства составил 3,31. Если рассмотреть параметр изменения пар электродов (катод-анод), то коэффициент энергетической эффективности максимален при симметрии 8 катодов и 8 анодов, это обоснуется, симметричным расположением и расстоянием между электродами.

Изобретение относится к физико-химическим процессам получения тепловой энергии, водорода и кислорода при электролизе воды. Способ получения водорода и кислорода включает преобразование электрической энергии в плазмоэлектролитическом процессе и получение водорода и кислорода, плазмоэлектролитический процесс обеспечивается подачей раствора электролита турбулентным непрерывным потоком через систему симметрично расположенных горизонтально, полых цилиндрических электродов с отверстиями, катоды выполнены из бронзы общей площадью s=34,8⋅10^-4 м², аноды - из нержавеющей стали общей площадью s=16,4⋅10^-4 м², образующиеся газы отводятся посредством выходных патрубков сбора водорода и кислорода, при этом в качестве раствора электролита используют водный раствор щелочи Са(ОН)₂ плотностью 1030 кг/м³, процесс электролиза протекает при импульсном напряжении с применением импульсного тока треугольной формы величиной 4,58 А, а регулировка интенсивности процесса осуществляется посредством изменения числа пар электродов от 2 до 8 и расстояния между ними. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности получения водорода и тепла при работе электролизера и экономия энергозатрат. 2 ил.

Способ получения водорода и кислорода, включающий преобразование электрической энергии в плазмоэлектролитическом процессе и получение водорода и кислорода, отличающийся тем, что плазмоэлектролитический процесс обеспечивается подачей раствора электролита турбулентным непрерывным потоком через систему симметрично расположенных горизонтально, полых цилиндрических электродов с отверстиями, катоды выполнены из бронзы общей площадью s=34,8⋅10^-4 м², аноды - из нержавеющей стали общей площадью s=16,4⋅10^-4 м², образующиеся газы отводятся посредством выходных патрубков сбора водорода и кислорода, при этом в качестве раствора электролита используют водный раствор щелочи Са(ОН)₂ плотностью 1030 кг/м³, процесс электролиза протекает при импульсном напряжении с применением импульсного тока треугольной формы величиной 4,58 А, а регулировка интенсивности процесса осуществляется посредством изменения числа пар электродов от 2 до 8 и расстояния между ними.