Электросорбционный генератор водорода

Полезная модель относится к оборудованию электрохимического получения водорода и может быть использована в теплоэнергетике, транспортных средствах, металлургии и нефтеперерабатывающей промышленности в качестве энергоносителя, в процессах восстановления металлов из руд при гидрогенизации нефти в другие продукты.
Известен электролизер (RU № 2034934, С25B 9/00, С25B 1/02, опубл. 10.05.1995 г.), включающий цилиндрический электропроводящий корпус, анод, катод, патрубки для ввода электролита и для вывода газа, 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. Наличие электропроводящих перегородок в межэлектродном пространстве предполагает их катодную и анодную поляризацию относительно уровня электролита и его электролитическое разложение в объеме образованным перегородками, пространство выше уровня электролита не участвует в процессе электролиза, тем самым не обеспечивается плотность тока, предусмотренная конструкцией перегородок, а следовательно, коэффициент полезного действия электролизера.
В известном электролизере газовыделение происходит только между перегородками, и вынос пузырьков газа объективно невозможен, а при увеличении концентрации газов не отвечает технике безопасности, так как будет деформироваться сам корпус.
Известен электросорбционный фильтр (RU 142081 МПК C02F 1/46) для высокопроизводительной и эффективной очистки любой воды без ограничения по составу и области применения за счет ее фильтрации и сорбции на гранулированной загрузке, обладающей поляризационными свойствами, последующей тонкой доочистки в объемно-пористом материале анода и катодным осаждением на поверхности катода из токопроводящего объемно-пористого материала. Очистка воды в известном фильтре производится в условиях ее электролитического разложения, и выделяющиеся при этом газы: водород и кислород, вместе с водяным паром выпускаются в атмосферу, через клапан сброса парогазовой смеси.
Возможность генерирования водорода с последующим его компримированием, с минимальными энергетическими затратами и высокой производительностью является основной задачей предлагаемой полезной модели.
Поставленная задача решается тем, что в электросорбционном генераторе водорода, включающем корпус с патрубками подвода и отвода обрабатываемой воды, патрубком шлама и клапаном сброса парогазовой смеси, размещенные внутри корпуса коаксиально расположенные электроды:
анод выполнен из токопроводящего углеродно-волокнистого пористого материала, инертного к процессу анодного растворения и имеющего сквозные поры, а также сильно развитую поверхность;
катод изготовлен в виде полого герметичного металлического цилиндра из стали или чугуна для адсорбции на его наружной поверхности ионов водорода и абсорбции молекулярного внутри него в результате наводороживания.
Сильно развитая поверхность углеродно-волокнистого материала анода существенно снижает энергозатраты на электролиз за счет образования многостримерной системы разрядов с каждого волокна, имеющего на острие большую энергию заряда.
В качестве материала для полого металлического цилиндра используют стали и чугуны, обеспечивающие конструктивную прочность при компримировании в нем электролитического водорода и имеющие способность к наводороживанию.
Процесс электролиза воды происходит под давлением за счет герметизации анодного пространства в корпусе электросорбционного генератора водорода.
Проточность электросорбционного генератора водорода обеспечивается подводом воды и отводом парогазовой смеси обрабатываемой воды вместе с пузырьками газов, одновременным охлаждением электродов и использованием тепла парогазовой смеси. Подвод воды осуществляется с помощью эжектора, срабатывающего синхронно с клапаном сброса парогазовой смеси.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом на фиг. 1.
Электросорбционный генератор водорода включает корпус 1 с патрубками подвода обрабатываемой воды 2 и отвода 10 парогазовой смеси, насыщенной кислородом, с эжектором 11. Внутри корпуса 1 размещены коаксиально расположенные анод 3 и катод 4. Анод 3 выполнен из углеродно-волокнистого токопроводящего пористого материала, инертного к процессу анодного растворения, имеющего сквозные поры и сильно развитую поверхность. Катод 4 изготовлен в виде полого цилиндра из стали или чугуна, марки которых обеспечивают конструктивную прочность при компримировании в нем электролитического водорода. Сталь и чугун должны обладать также способностью к наводороживанию.
Катод 4 оборудован редуктором 7 с вентилем 8 для выпуска водорода к потребителю. В нижней части корпуса 1 имеется патрубок выпуска 10 парогазовой смеси, насыщенной кислородом, патрубок 11 предназначен для слива шлама, межэлектродный промежуток обозначен как 13.
Электросорбционный генератор водорода работает следующим образом: исходная вода поступает через патрубок 2 в корпус 1 генератора водорода, заполняет через поры сквозного типа материала анода, анодное пространство и межэлектродный промежуток 13, при этом очищается от твердых включений, взвешенных веществ, ионов металлов механической фильтрацией и за счет сорбционных свойств углеродно-волокнистого материала анода 3.
Сквозной тип пор в объемно-пористом материале электродов обеспечивает проницаемость для воды, при этом размеры пор в материале электродов препятствуют проникновению твердых включений, поперечный размер которых превышает диаметр пор, тем самым достигается предварительная механическая очистка. Объемная структура пористого электрода создает объемный электростатический заряд, обеспечивающий максимально возможное взаимодействие с ионами загрязняющих веществ в очищаемой воде, усиливает сорбционную активность и снижает энергетические затраты на процесс электролитического получения водорода.
При включении источника 6 постоянного напряжения ток по проводам 5 через токопроводы 9 подается на электроды 3 и 4, инициируется процесс электролиза. Электролиз проявляется адсорбцией ионов водорода на поверхности катода 4 с последующей диффузией атомов водорода во внутрь полого цилиндрического электрода 4, также происходит компримирование уже молекулярного водорода до величины давления, не превышающего предел прочности материала катода 4, изготовленного из стали или чугуна.
Образующийся на поверхности анода 3 кислород в виде пузырьков выносится из межэлектродного промежутка 13 потоком парогазовой смеси, насыщенной кислородом через патрубок 10 поступает за счет избыточного давления к потребителю.
Заявляемый электросорбционный генератор водорода отличается от известных устройств низкими энергозатратами за счет:
изготовления катода в виде полого цилиндра из стали или чугуна, имеющих высокую адсорбционную способность к наводороживанию, конструктивную прочность, позволяющую компримировать водород в процессе электролиза, так и хранить его;
использования объемно-пористого углеродно-волокнистого, имеющего собственную сорбционную емкость катионитного типа, инертного к анодному растворению, сквозные поры, в качестве материала анода обеспечивает снижение энергозатрат на электролиз из-за:
предварительной деминерализации воды;
развитой поверхности анода и возникновения объемного заряда высокой плотности энергии;
протекания электролиза под давлением за счет герметизации анодного пространства;
отвода пузырьков газов из межэлектродного промежутка для увеличения проводимости;
охлаждения электродов;
использования тепла парогазовой смеси.
Энергозатраты на получение водорода в электросорбционном генераторе представлены в таблице 1.