Малоамперный электролизер Российский патент 2025 года по МПК C25B1/04 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано для установки при преобразовании одного вида энергии в другой, например электролиза для получения водорода и кислорода.

Известна установка для получения водорода из воды [Пат. РФ 2258099], состоящая из корпуса, с находящейся в ней электролизной ячейке, содержащей катод и анод из пористого гидрофобизированного материала и размещенную между ними газонапорную мембрану, разделяющую электролизный элемент и корпус на катодную и анодную полости, заправочную емкость с электролитом и емкость гидрозатвора с электролитом, содержит запорные регуляторы давления водорода и кислорода, поддерживающие избыточное давления в газовых полостях.

Недостатком установки является наличие большого количества узлов и агрегатов, выход которых из строя лишает установку работоспособности.

Известный электролизер воды высокого давления [Пат. РФ 2470096] содержит батарею электролизных ячеек, состоящую из двух блоков, каждый из которых содержит свои трубопроводы с клапанами для водоснабжения и для отдельного отвода газов из блоков. Кислород отводится за внешние границы корпуса, а водород - внутрь корпуса, который разделен на две разные секции.

Недостатком данного электролизера является то, что в батарее электролизных ячеек находится контур теплообмена, значительно усложняющий схему электролиза.

Известна установка для электролиза воды [Пат. РФ 2508419] под давлением, состоящая из электролизера с линией подачи воды, подключенного к блоку питания, который электрически связан с блоком управления подключенных к электролизеру по линиям водорода и кислорода для накопления водорода и кислорода с установленными на них датчиками водорода и кислорода с тем, что каждый ресивер снабжен линией заправки воды, линией слива воды и датчиком количества воды.

Недостатком данной установки является наличие сообщающихся сосудов по воде, что может при большом перепаде давлений при разгерметизации вся вода может перейти в один ресивер, что приведет к образованию взрывчатой смеси.

Известна установка получения водорода путем низковольтового электролиза воды при малых плотностях тока в электролизе с полупроводниковым анодом и металлическим анодом [Пат. США 4011149]. Полупроводниковый анод подвергают облучению солнечным светом за счет преобразования анода в солнечное излучение электролитической ячейки, индуцируя электродвижущую силу, достаточную для разложения воды на водород и кислород.

Недостатком данной установки является ее малая производительность.

Известно изобретение получения водорода и кислорода из перегретого водяного пара с температурой 1800-2500 С, описанное в заявке Великобритании номер [1489054].

Недостаток этого изобретения - энергоемко и трудно осуществимо.

Известно изобретение [Пат. РФ 2142905] получения водорода и кислорода из пара воды, включающее пропускание этого перегретого пара через электрическое поле с температурой 500-550 С через электрическое поле постоянного тока высокого напряжения для диссоциации пара и разделение его на атомы водорода и кислорода. Электронная связь между атомами водорода и кислорода ослабевает пропорционально повышению температуры.

Недостаток этого изобретения: невозможность получения водорода в больших количествах; энергоемкость; сложность устройства и использование дорогих материалов.

Более близким к предлагаемой установке для электролиза воды [Пат. РФ 2034933], состоящей из электролизера и питающей емкости, включающего концевые электроды, промежуточные пористые катоды и аноды, размещенными между ними сепарационными перегородками, каналы для отвода газов. Работа этой установки включает в себя подачу питающей воды в электролизер, подвод воды к электродам и отвод продуцируемых газов.

К недостаткам прототипа можно отнести:

- при большой мощности электролизера наступает его перегрев;

- повышенные энергозатраты, связанные с «предпусковым» нагревом воды.

Как известно, причина расточительной затраты электроэнергии при классическом электролизе кроется в том, что она используется на преодоление сил гидратных связей ионов с молекулами воды и компенсацию эндотермического эффекта реакции ее разложения. По той и другой причинам затраты на выработку одного кубометра водорода с учетом перенапряжения в традиционном электролизе составляет 18-21,1 МДж, а общий расход энергии (с учетом производства самой электроэнергии) превышает 50 МДж, что делает водород недопустимо дорогим.

Поэтому задачей данного технического решения создание установки для получения водорода и кислорода является:

- Минимизация энергетических затрат;

- Повышение КПД установки;

- Чистота вырабатываемых газов.

Технический результат достигается в установке для электролиза воды, состоящей из электролизера и питающей емкости, содержащего концевые электроды, промежуточные аноды и катоды, размещенные между ними сепарационные перегородки и каналы для отвода газов за счет снижения поверхностного натяжения воды. Для снижения поверхностного натяжения воды в пространстве между поверхностями электродов в щелевые зазоры между ними поступает кавитированная вода в виде восходящего жидкосного потока после гидродинамического ударного кавитатора, где электродными поверхностями являются плоские пластины, у которых повышенный коэффициент трения с зазором щелей 6-8 мм (алюминий, медь, нержавеющая сталь), или цилиндрические поверхности из аналогичных материалов с кольцевым зазором 6- 8 мм.

Кавитация представляет средство локальной концентрации энергии низкой плотности в энергию высокой плотности, связанную с пульсациями и захлопываниями кавитационных пузырьков. При обтекании твердого тела в жидкости образуются каверны. Выделяющейся в ходе процесса схлопывания пузырька энергии достаточно для возбуждения, ионизации и диссоциации молекул воды, газов и веществ с высокой упругостью пара кавитационной полости.

При схлопывании кавитационных пузырьков в раствор переходят радикалы Н,ОН и электрон малой энергии, образующейся при расщеплении Н20. Действие кавитации на воду приводят к ее физико-химическому изменению поверхностного натяжения молекулы воды [Маргулис М.А. Сонолюминисценция Успех физ. Наук том 190 N 3].

На рис. 1 схематично изображен гидродинамический ударный кавитатор. Он содержит: патрубок ввода жидкого потока (1); крышку(2); проточную камеру(3); цилиндр(4); обратные усеченные конусы (5); каверны схлопывания (6); сопло (7); рассекатель(8); разделительную перфорированную перегородку(9), которая служит опорой для рассекателя; диффузор (Ю); выходной патрубок (11).

Вода подается по патрубку ввода (1) в цилиндр(4), где установлены обратно усеченные конусы (5), которые своими горизонтальными и наклонными поверхностями образуют камеры схлопывания. Встреча высокоскоростной струи с рассекателем (8) приводит к туманообразному мелкому распылу жидкости под давлением, создаваемым высоконапорным поршневым насосом до 20 МПа и скорости потока 140 м/с. При геометрических размерах патрубка 200 мм и диаметре 57*3,5 мм производительность по кавитированному потоку составляет 1500 л/ч. При этом производится нагрев воды до 70 град, что не требует дополнительного начального «разогрева».

О поверхностном натяжении воды:

- при температуре 20 град и атмосферном давлении=0,0725 н/м;

- при температуре 70 град и давлении 20 МП=0,05796 н/м.

Величина поверхностного натяжения воды от твердой поверхности с высоким коффициентом трения отличается от поверхностного натяжения соответствующей гладкой поверхности тем, что шероховатости многократно деформируют поверхностный слой кавитированного потока.

Сущность изобретения объясняется чертежом.

На рис. 2 представлена схема устройства для электролиза воды, где обозначено: 1 - электролизер; 2 - водородная полость электролизера; 3 - кислородная полость электролизера; 4 - газоотделитель кислорода; 5 - емкость для воды; 6 - высоконапорный поршневой насос; 7- гидродинамический ударный кавитатор; 8 - перфорированный распределитель кавитированного потока; 9 - газоотделитель водорода; 10 - молекулярные сита разделение смеси водород- вода; 11 - блок питания; 12 - система контроля параметров; 13 - молекулярные сита разделение смеси кислород-вода.

В предлагаемой схеме электролизной установки водородная (2) и кислородная (3) полости электролизера (1) соединены с газоотделителем водорода (9) и газоотделителем кислорода (4), которые своими выходными патрубками связаны с емкостью для воды (5), которая через высоконапорный поршневой насос (6) и гидродинамический ударный кавитатор (7) соединена с перфорированным распределителем кавитированного потока (8). Кроме того, верхний патрубок газоотделителя водорода (9) снабжен молекулярными ситами для смеси водород-вода (10), а верхний патрубок газоотделителя кислород-вода (4) снабжен молекулярными ситами для смеси кислород-вода (13).

При запуске электролизный установок обычно производится предварительный нагрев воды до 70 град, поскольку циркуляция через электродные ячейки холодной водой замедляет процесс ее разложения.

Движение потоков осуществляется следующим образом: из резервуара воды (5) высоконапорный поршневой насос (6) направляет поток в гидродинамичекий кавитатор (7), где каветирует воду и нагревает до 70 град, после чего через перфорированный распределитель (8) в обе полости электролизера. Поднимающийся восходящий поток подается в щелевые пространства, образованные поверхностями электродов из пластин или цилиндров, или гофр из металлических материалов с высоким коффицентом трения и с зазором щелей 6-8 мм.

Выходной поток водородо-водяной смеси направлятся в газоотделитель водорода (9) и далее на молекулярные сита (10) для получения высококачественного водорода. Выходной поток кислородно-водяной смеси (3) из полости (3) направлятся в газоотделитель кислорода (4) и далее на молекулярные сита (13) для получения высококачественного кислорода.

Газоотделитель водорода (9) охлаждается обдувом воздуха.

В процессе работы осуществляется постоянный переток жидкости из водородной и кислородной газоотделительных колонок (9 и 4) в питающую емкость (5).

На экспериментальной установке было установлено напряжение питания постоянно 24 вольта, номинальный ток электролизера 15 ампер.

В сущности, производительность электролизера оказалась следующей:

- Известно, что из 1 кг воды образуется 0,111 кг водорода;

- из 1 кг воды образуется 0,889 кг кислорода;

- при производительности гидродинамического ударного кавитатора 1500 л/ч образуется: 0,111*1500=166,5 кг водорода и 0,889*1500=1333,5 кг кислорода.

При геометрических размерах кавитатора: L=200 мм и d=57*35 мм.

О производительности электролизера по водороду: из 1 кг воды образуется 0,111 кг водорода и 0,889 кг кислорода. Тогда электролизера составит 0,111*1500=16,65 кг водорода.

Таким образом, приведенные в формуле признаки полезной модели, характеризующие заявляемую установку, необходимы и достаточны для достижения необходимого технического уровня.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник с характеризующимися признаками, и что заявленное устройство отвечает не только критерию патентноспособности «новизна», но и «изобретательскому уровню».

Изобретение относится к установке для электролиза воды из питающей емкости и электролизера, содержащего концевые электроды, размещенные между ними сепарационные перегородки и каналы для отвода газов. Установка характеризуется тем, что для минимизации энергетических затрат, повышения КПД установки и чистоты вырабатываемых газов за счет снижения поверхностного натяжения кавитированной воды используют гидродинамический кавитатор, состоящий из патрубка ввода воды, крышки, проточной камеры, цилиндра, обратно усеченных конусов, каверн схлопывания, сменного сопла, рассекателя разделительной перегородки, диффузора и выходного патрубка, в виде восходящего потока в щелевые зазоры, образованные поверхностями электродов. 2 ил., 1 пр.

Установка для электролиза воды из питающей емкости и электролизера, содержащего концевые электроды, размещенные между ними сепарационные перегородки и каналы для отвода газов, отличающаяся тем, что минимизация энергетических затрат, повышение КПД установки и чистоты вырабатываемых газов достигается за счет снижения поверхностного натяжения кавитированной воды, поступающей из гидродинамического кавитатора, состоящего из патрубка ввода воды, крышки, проточной камеры, цилиндра, обратно усеченных конусов, каверн схлопывания, сменного сопла, рассекателя разделительной перегородки, диффузора и выходного патрубка, в виде восходящего потока в щелевые зазоры, образованные поверхностями электродов.