ЭЛЕКТРОЛИЗЕР

Полезная модель относится к области электрохимии, а именно к конструкции электролизера для получения водорода путем разложения пресной воды на газообразный водород и кислород, и может быть использована для обеспечения экологически чистым топливом промышленных объектов, на которых применяются газопламенные технологии, наземного, речного и морского транспорта, работающего на водородном топливе и т.п.
Известно устройство для электролитического получения водорода и кислорода, содержащее технологические линии подачи воды и электролита и отвода продуктов электролиза, электролизер, включающий корпус с верхней и нижней крышками, выполненными из электропроводящего материала, установленный на соединенном с приводом вращения валу с каналами подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза, короткозамкнутые электроды, один из которых расположен на валу, а другой образован внутренней поверхностью корпуса, при этом линия отвода продуктов электролиза содержит последовательно соединенные устройство откачивания продуктов электролиза и сепаратор, а линия подачи воды и электролита содержит емкости для воды и электролита, устройство регулирования расхода воды, вентили, смеситель и теплообменник, см патент РФ№2309198. Устройство снабжено электромагнитной системой, включающей неподвижные магниты в виде дисков, установленные параллельно над верхней и под нижней крышками корпуса, механически соединенный с ними магнитопровод с обмоткой возбуждения, электрически соединенной с генератором импульсов и преобразователем напряжения, на линии отвода продуктов электролиза установлен газовый анализатор, вход которого соединен с выходом устройства откачивания продуктов электролиза, а выход соединен с устройством регулирования расхода воды, при этом короткозамкнутый электрод, расположенный на валу, выполнен в виде цилиндра с радиальными каналами.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и низкая эксплуатационная надежность, обусловленные наличием подвижных элементов, необходимость использования смеси воды и электролита, повышенные значения рабочего тока и удельного расхода электрической энергии для производства водорода.
Известен электролизер, содержащий цилиндрический электропроводящий корпус, анод, катод, патрубки для ввода электролита и для вывода газа, который характеризуется тем, что электроды выполнены герметичными в виде полых цилиндров с полостями, сообщающимися с внешней средой через патрубки, при этом катод выполнен вписывающимся через рабочую полость в анод, в рабочей полости между боковыми цилиндрическими поверхностями электродов концентрично размещены с зазорами электропроводящие перегородки, вписывающиеся друг в друга, а в зазорах между основаниями цилиндрических электродов размещены диэлектрические прокладки с концентрическими проточками для крепления перегородок, см. патент РФ №2034934.
Недостатками данного устройства является сложность конструкции, низкая производительность и высокое значение рабочего тока.
Наиболее близким аналогом к заявляемому электролизеру является электролизер воды по патенту РФ №2258767, который содержит герметичную емкость с электродами, крышку, входные и выходные трубки, регулятор уровня жидкости, выполненный в форме трубки, соединенной с герметичной емкостью, заполненной дистиллированной водой, с возможностью автоматического регулирования уровня жидкости в емкости электролизера при помощи вакуумного клапана. Электролизер соединен с емкостью жидкой щелочи через дозатор, снабженный соленоидом и реле времени, соединен также с горелкой при помощи выходных труб, расположенных на разных уровнях и выполненных с возможностью раздельного извлечения из воды водорода и кислорода, полученных в процессе электролиза и перемещения их при помощи вакуум-насосов через секции-накопители в горелку. Электроды выполнены трубчатыми и соединены в батарею. В каждом электроде анод и катод размещены один в другом с зазором. Батарея снабжена ножками, на которых жестко закреплена рама, и боковыми упорами из диэлектрического материала, при этом аноды и катоды последовательно соединены друг с другом соответственно, а также с источником переменного тока через электромашинный преобразователь, генератор электрических импульсов и электрические переключатели; емкость электролизера снабжена также решетчатым поддоном, связанным с генератором инфразвуковых или ультразвуковых колебаний.
В данном техническом решении за счет применения комбинаций батарей с разными конструктивными электродами с использованием вакуума, ультразвуковых или инфразвуковых генераторов повышается производительность, снижаются затраты энергии, расширяются технологические возможности. Однако, использование вакуума, ультразвуковых или инфразвуковых генераторов усложняет конструкцию электролизера, а затраты энергии при этом снижаются незначительно. Для работы электролизера необходимо в воду добавлять жидкую щелочь, иметь ее дозатор, снабженный соленоидом и реле времени.
Задачей полезной модели является создание высокопроизводительного электролизера упрощенной конструкции с малыми удельными массогабаритными показателями и энергетическими затратами, позволяющего при заданных габаритах и массе увеличить поверхность электродов и эффективно использовать их для получения конечного продукта электролиза воды без введения щелочи и при низком значении рабочего тока.
Сущность заявляемой полезной модели выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Электролизер, включающий корпус, расположенные коаксиально друг другу и соединенные в батарею трубчатые электроды, в каждом из которых анод и катод размещены один в другом, крышку, входные и выходные патрубки, систему контроля и электрического питания, датчик уровня воды и блок питания, характеризуется тем, что в каждом электроде анод выполнен в виде внешней и внутренней труб, соосно расположенных одна в другой, а катод выполнен в виде промежуточной трубы, расположенной между внешней и внутренней трубами анода, на внутренней поверхности внешней трубы анода выполнены канавки переменного сечения, при этом корпус электролизера образован внешними боковыми поверхностями труб анода, размещенными по наружному периметру батареи, нижней электропроводящей платформой и верхней электропроводящей платформой, выполненной с отверстиями для подачи воды и выхода водорода и кислорода, а крышка выполнена с возможностью образования полости селекции водорода и кислорода, причем блок питания, включающий низковольтный источник постоянного тока и высоковольтный импульсный источник тока, соединен с верхней, нижней и промежуточной электропроводящими платформами и с системой контроля электрического питания.
В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:
- система контроля электрического питания снабжена датчиками постоянного и импульсного тока, датчиком температуры, датчиком давления газа, датчиком интенсивности газообразования, соединенными с контроллером устройства управления технологическим процессом получения кислорода и водорода, который связан с блоком управления высоковольтного импульсного источника тока, блоком управления низковольтного источника постоянного тока, с клапаном подачи воды и с запорным клапаном сборника водорода;
- канавки переменного сечения на внутренней поверхности внешней трубы анода выполнены вертикальными с переменным размером сечения, увеличивающимся по высоте так, что сумма площадей внутренней поверхности внешней трубы и внутренней и внешней поверхности внутренней трубы анода соизмерима сумме площадей внутренней и внешней поверхностей промежуточной трубы катода;
- внутренние трубы анода и промежуточные трубы катода снабжены перфорацией;
- крышка выполнена с возможностью образования полости селекции водорода и кислорода и снабжена внутренней мембраной.
За счет реализации отличительных признаков полезной модели достигается технический результат, заключающийся в следующем. Выполнение в каждом электроде анода в виде внешней и внутренней труб, расположенных соосно, увеличивает поверхность электродов, повышает коэффициент заполнения электролизера электродами и уменьшает зазоры между ними. Обеспечение соизмеримости суммы площадей внутренней поверхности внешней трубы и внутренней и внешней поверхности внутренней трубы анода сумме площадей внутренней и внешней поверхностей промежуточной трубы катода повышает производительность электролизера без увеличения его габаритов. Выполнение на внутренней поверхности внешней трубы анода канавок переменного сечения позволяет интенсифицировать поток газообразного водорода и снизить насыщение воды газообразными продуктами электролиза. Образование корпуса электролизера внешними боковыми поверхностями труб анода, размещенными по наружному периметру батареи, и нижней электропроводящей платформой упрощает конструкцию электролизера, улучшает его массогабаритные характеристики. Выполнение крышки с возможностью образования полости селекции водорода и кислорода повышает надежность и безопасность эксплуатации электролизера. Наличие в блоке питания низковольтного источника постоянного тока и высоковольтного импульсного источника тока исключает потребность добавлять в воду щелочь и обеспечивает снижение рабочего тока и затрат электрической энергии на получение конечного газообразного продукта.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен продольный разрез электролизера, на фиг.2 - поперечный разрез, на фиг.3 - блок-схема системы контроля электрического питания.
Электролизер состоит из коаксиально установленных трубчатых электродов, соединенных в батарею. В каждом электроде анод состоит из внешней трубы 1 и внутренней трубы 2, расположенных соосно. Катод выполнен в виде промежуточной трубы 3, расположенной соосно между внешней 1 и внутренней 2 трубами анода. Внешние трубы 1 анода смонтированы на нижней электропроводящей платформе 4. На внутренней поверхности внешней трубы 1 анода имеются канавки 5 переменного сечения. Канавки 5 выполнены с сечением, увеличивающимся по высоте внешней трубы 1 анода. Промежуточные трубы 3 катода смонтированы на промежуточной электропроводящей платформе 6, имеющей отверстия 7 для внутренних труб 2 анодов. Внутренние трубы 2 анодов смонтированы на верхней электропроводящей платформе 8, имеющей отверстия 9 для подачи воды и выхода продуктов электролиза: водорода и кислорода. Промежуточные трубы 3 катода имеют перфорацию 10 и установлены соосно внешним 1 и внутренним 2 трубам анода. Внутренние трубы 2 анода имеют перфорацию 11 и установлены соосно промежуточным трубам 3 катода и внешним трубам 1 анода. В основании внешних труб 1 анода имеются электроизоляционные прокладки 12. Боковые поверхности внешних труб 1 анода, расположенных по наружному периметру батареи, образуют вместе с нижней электропроводящей платформой 4 водонепроницаемый корпус 13 электролизера. Между промежуточной электропроводящей платформой 6 и водонепроницаемым корпусом 13 электролизера размещена электроизоляционная прокладка 14. Между верхней электропроводящей платформой 8 и промежуточной электропроводящей платформой 6 размещена электроизоляционная прокладка 15. На промежуточной электропроводящей платформе 6 смонтирована крышка 16, образующая полость селекции водорода и кислорода. Под крышкой 16 установлена диафрагма 17 для разделения водорода и кислорода. Верхняя часть крышки 16 снабжена отверстиями для установки выходных патрубков 18 и 19 для отвода газообразных продуктов электролиза - водорода и кислорода, соответственно. В боковой части крышки 16 имеется отверстие для монтажа узла 20 подачи воды с клапаном подачи воды 21. Нижняя 4, промежуточная 6 и верхняя 8 электропроводящие платформы снабжены контактными узлами 22 для подвода постоянного и импульсного тока от блока питания 23. В каждом электроде зазоры между внешней трубой 1 анода, промежуточной трубой 3 катода и внутренней трубой 2 анода составляют 1-2 мм. Выходные патрубки 18 и 19 для отвода газообразных продуктов электролиза водорода и кислорода снабжены запорным клапаном сборника кислорода 24 и запорным клапаном сборника водорода 25.
Блок-схема системы контроля электрического питания содержит низковольтный источник постоянного тока 26 с блоком управления низковольтного источника постоянного тока 27 и высоковольтный импульсный источник тока 28 с блоком управления высоковольтного импульсного источника тока 29; контроллер устройства управления технологическим процессом получения кислорода и водорода 30 с датчиком постоянного тока 31, датчиком импульсного тока 32, датчиком интенсивности газообразования 33, датчиком давления газа 34, датчиком температуры 35, датчиком уровня воды 36. Кроме того, параллельно блоку питания 23 подключена катушка индуктивности 37.
Электролизер работает следующим образом.
Перед началом работы через клапан подачи воды 21 электролизер заполняется водой. Оптимальный режим электропитания электролизера обеспечивается работой системы контроля электрического питания. На внешние 1 и внутренние 2 трубы анодов и промежуточную трубу 3 катода подают постоянное низковольтное напряжение от низковольтного источника постоянного тока 26, снабженного блоком управления низковольтного источника постоянного тока 27. Начальное напряжение устанавливают в соответствии с алгоритмом программы стартового запуска электролизера и заданным временем, определяемым опытным путем, и последующим выравниванием потенциала по поверхности анодов и катодов. Работа электролизера в этом режиме характеризуется появлением мелких газовых пузырьков, количество которых доводится до равномерного их распределения по поверхности анодов и катодов. С помощью датчика постоянного тока 31, датчика интенсивности газообразования 33 осуществляют контроль параметров цепи питания через контроллер устройства управления технологическим процессом получения кислорода и водорода 30. После установления начального режима работы электролизера командой контроллера устройства управления технологическим процессом получения кислорода и водорода 30 подают импульсное напряжение от высоковольтного импульсного источника тока 28, снабженного блоком управления высоковольтного импульсного источника тока 29, со стартовыми значениями амплитуды, частоты и скважности.
Электролизер работает эффективно на резонансной частоте. Резонансную частоту определяют по снижению потребляемого тока с помощью датчика постоянного тока 31. Для достижения резонанса и, следовательно, оптимального электролитического эффекта через заданные интервалы времени, определяемые алгоритмом программы управления контроллером устройства управления технологическим процессом получения кислорода и водорода 30, изменяют параметры токов низковольтного источника питания 26 и высоковольтного источника питания 28. Общее время выхода на номинальный режим работы электролизера определяется временем достижения стабильных показателей датчиков интенсивности газообразования 33, датчиков давления газа 34 и датчиков температуры 35.
Экономичный расход электроэнергии обеспечивается за счет комбинированного питания внешних труб 1 и внутренних труб 2 анодов и промежуточных труб 3 катодов низким постоянным и высоким импульсным напряжением, создания резонанса напряжения в цепи питания внешних труб 1 и внутренних труб 2 анодов и промежуточных труб 3 катодов, а также управляемой оптимизации процесса получения водорода и кислорода.
Производительность электролизера находится в обратно пропорциональной зависимости от зазора между анодом и катодом. В предлагаемой конструкции за счет применения полых трубчатых анодов и катодов предельно сокращается зазор между ними. Внешние трубы 1 и внутренние трубы 2 анода и промежуточные трубы 3 катодов позволяют точнее обеспечить соизмеримость участвующих в электролизе активных площадей, устанавливаемая расчетным путем. При подведении к внешним трубам 1 и внутренним трубам 2 анода и промежуточным трубам 3 катодов низковольтного постоянного напряжения вместе с высоковольтным импульсным напряжением создают необходимые условия для возникновения резонанса в цепи питания, что обеспечивает интенсивный процесс поляризации кластерных цепочек молекул воды. Положительно заряженные концы кластерных цепочек направляются к промежуточным трубам 3 катодов, а отрицательные - к внешним трубам 1 и внутренним трубам 2 анода. В результате уменьшают подводимую к электролизеру мощность, необходимую для разделения молекул воды на водород и кислород.
Производительность электролизера также зависит от циркуляции воды между внешними 1 трубами и внутренними 2 трубами анодов и промежуточными трубами 3 катодов. Во время электролиза поверхности внешних 1 труб и внутренних 2 труб анодов и промежуточных труб 3 катодов покрываются мелкими газовыми пузырьками продуктов производства - водорода и кислорода. Пузырьки увеличиваются в размере. При достижении критического объема они отрываются от поверхности внешних труб 1 и внутренних труб 2 анодов и промежуточных труб 3 катодов. Устремляясь вверх, пузырьки создают неравномерный поток газообразных продуктов производства - водорода и кислорода. В результате по высоте возникают пульсации давления в виде циклических растягивающих напряжений. Они стимулируют возникновение потока воды вверх по каналам, образованным боковыми поверхностями внешних труб 1, внутренних труб 2 анодов и промежуточных труб 3 катодов. Циклические пульсации давления содействуют объединению мелких пузырьков водорода и кислорода в более крупные, что в свою очередь повышает интенсивность газовых потоков, препятствуя насыщению воды растворенными газами. Однако, если критический размер пузырька становится соизмеримым с зазором между внешними трубами 1, внутренними трубами 2 анодов и промежуточными трубами 3 катодов, пузырьки остаются между ними. Это приводит к увеличению наполнения воды газообразными продуктами электролиза и, как следствие, к необходимости увеличения постоянного напряжения на внешних трубах 1, внутренних трубах 2 анодов и промежуточных трубах 3 катодов для сохранения производительности электролизера.
В ближайшем аналоге данная проблема решается посредством периодического или постоянного встряхивания электролизера, добавления в электролит специальных присадок или увеличения расстояния между анодом и катодом. В предлагаемом техническом решении для обеспечения беспрепятственного прохода пузырьков газа между внешними трубами 1 и внутренними трубами 2 анодов и промежуточными трубами 3 катодов, при наличии минимального расстояния между ними, внешние трубы 1 анодов снабжены канавками 5 переменного сечения, а их поверхность, с целью эффективного образования водорода может быть покрыта тонким слоем цезия.
2
Наличие на внутренней боковой поверхности внешней трубы 1 анода канавок 5 переменного сечения, размер которого увеличивается по высоте, способствует интенсификации потока газообразного водорода H и дополнительно влияет на снижение уровня насыщения воды газообразными продуктами электролиза. Уменьшение уровня насыщения воды газообразными продуктами электролиза ведет к уменьшению электрического сопротивления воды, что повышает производительность электролизера. Этому способствует и действие растягивающих напряжений, облегчающих электролиз воды на водород и кислород.
В результате обеспечивается низкое потребление электрической энергии, необходимой для разделения молекул воды на водород и кислород, и отпадает необходимость в электролитических добавках. Процесс электролиза воды является экологически чистым. Он не сопровождается образованием вредных продуктов распада из-за отсутствия в воде электролитических добавок.
2
Следствием повышенной интенсивности электролитических процессов является увеличение производительности электролизера и снижение удельных затрат электрической энергии при производстве водорода. Так, результаты предварительных испытаний модели электролизера, выполненного в соответствии с предлагаемым техническим решением, показывают, что электрический потенциал, в расчете на электрод высотой 450 мм, сечением 40×40 мм, составляет ~0,03 B при постоянном токе ~0,02 A, что соответствует потребляемой мощности ~0,06 мВт. Таким образом, конструкция предлагаемого электролизера в 5-8 раз экономичнее конструкции ближайшего аналога.
Режим оптимизации процесса электролиза задается программой в соответствии с алгоритмом управления технологическим процессом и осуществляется с помощью контроллера устройства управления технологическим процессом получения кислорода и водорода 30.
Напряжение низковольтного источника постоянного тока 26 имеет стартовую величину ~3 B. В процессе работы электролизера его корректируют в пределах 3÷12 B. Относительно высокое, по сравнению с постоянным, импульсное напряжение высоковольтного импульсного источника тока 28 изменяют в диапазоне 50÷500 B. Оно подается на внешние трубы 1 и внутренние трубы 2 анодов и промежуточные трубы 3 катода от высоковольтного импульсного источника тока 28 с автоматической установкой оптимальной частоты, формы напряжения и скважности, что обеспечивается путем поступления сигналов коррекции от контроллера устройства управления технологическим процессом получения кислорода и водорода 30.
Развязка в цепи низковольтного источника постоянного тока 26 и высоковольтного импульсного источника тока 28 может быть осуществлена, например, при помощи диодов (на чертеже не показаны), включенных последовательно с нижней электропроводящей платформой 4.
Блок питания 23 и параллельно подключенная к нему катушка индуктивности 37 обеспечивают создание резонанса, при этом вода служит емкостью. В результате образуется колебательный контур со свойством накачки. Высокая частота импульсов производит ступенчато поднимающийся потенциал на внешних трубах 1 и внутренних трубах 2 анодов и промежуточных трубах 3 катодов до тех пор, пока не достигается точка, где молекула воды распадается и возникает кратковременный импульс тока. Схема измерения тока питания с датчиком постоянного тока 31 и датчиком импульсного тока 32 выявляет этот скачок и запирает высоковольтный импульсный источник тока 28 на несколько циклов, позволяя воде, как электролиту, восстановиться.
Катушка индуктивности 37, подключенная параллельно блоку питания 23, внешним трубам 1 и внутренним трубам 2 анодов и промежуточным трубам 3 катодов, служит для создания резонансного контура. Вода служит конденсатором.
Вода, заливаемая в электролизер и соприкасающаяся с поверхностью внешних труб 1 и внутренних труб 2 анодов и промежуточных труб 3 катодов, обладает высоким удельным электрическим сопротивлением. Этим достигается высокая добротность резонансного контура, что и определяет возникновение условий резонанса напряжения.
После выхода на резонансную частоту производительность электролизера регулируется с помощью изменения импульсного напряжения, формы и скважности. Вследствие того, что вода служит конденсатором, подводимая к электролизеру электроэнергия не расходуется на нагрев воды. Емкость воды, как конденсатора, в электролизере зависит от ее диэлектрической проницаемости и размеров электролизера. В предлагаемом техническом решении резонанс достигается при импульсах напряжения с амплитудой в диапазоне 50÷500 В.
При возникновении анормального режима работы электролизера контроллер устройства управления технологическим процессом получения кислорода и водорода 30 отключает питание внешних труб 1 и внутренних труб 2 анодов и промежуточных труб 3 катодов и прекращает подачу воды в электролизер. Безопасность процесса электролиза и сбора конечных продуктов - газообразного водорода и кислорода обеспечивает контроллер управления технологическим процессом получения кислорода и водорода 30 по показаниям датчика постоянного тока 31 и датчика импульсного тока 32, датчика температуры 35, датчика давления газа 34. При этом запорный клапан сборника кислорода 24 и запорный клапан сборника водорода 25 закрываются.
Конечный газообразный продукт разделяют с помощью диафрагмы 17 на водород и кислород и через выходные патрубки 18 и 19 направляют в систему накопления и хранения.
Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление заявленной полезной модели в том виде, как она охарактеризована в формуле. Заявленное устройство может быть реализовано промышленным способом с использованием известных технических средств.