ПЛАЗМЕННЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР

Техническое решение относится к области электролитических устройств, в частности, к области электролизеров, и может быть использовано в различных областях техники для получения водорода и кислорода путем электролиза водных электролитов.
Известен (RU, патент 2149921) электролизер для электролиза воды, включающий множество образующих анод электродов в виде стопки, причем каждый электрод-анод состоит из плоской пластины, множество образующих катод электродов в виде стопки, причем каждый электрод-катод состоит из плоской пластины, а электроды-аноды и электроды-катоды чередуются. Кроме того, в состав электролизера входят, по меньшей мере, один проводящий первый соединяющий элемент, проходящий сквозь чередующиеся аноды и обеспечивающий электрическое соединение только с каждым электродом-анодом, и, по меньшей мере, один проводящий второй соединяющий элемент, проходящий сквозь чередующиеся катоды и обеспечивающий электрическое соединение только с каждым электродом-катодом.
Недостатком известного электролизера, предназначенного для производства газообразных кислорода и водорода, применяемых в сварочных процессах, следует признать его конструктивную сложность и низкую эффективность.
Известно (RU, патент 2228390) устройство для получения тепловой энергии, водорода и кислорода, содержащее корпус, выполненный из диэлектрического материала, крышку, анодную и катодную полости, плоский кольцевой анод с отверстиями, расположенный в анодной полости и соединенный с положительным полюсом источника питания, катод, выполненный в виде стержня из тугоплавкого материала, вставленный в диэлектрический стержень с наружной резьбой и соединенный с отрицательным источником питания, и патрубок для ввода рабочего раствора, расположенный в средней части анодной полости, крышка выполнена из диэлектрического материала и снабжена цилиндроконическим приливом со сквозным отверстием, образующим совместно с корпусом анодную и катодную полости, диэлектрический стержень введен в межэлектродную камеру посредством наружной резьбы через резьбовое отверстие в корпусе и центрирован в сквозном отверстии крышки, образующем верхнюю катодную полость, анодная полость сообщена с верхней катодной полостью посредством канала, состоящего из вертикальной и горизонтальной частей, расположенных в крышке, при этом зазор между верхней и нижней катодными полостями установлен с возможностью регулирования его величины посредством перемещения диэлектрического стержня, устройство имеет также патрубок для вывода раствора, расположенный сбоку в крышке, и патрубок для выхода смеси газов, расположенный в верхней части крышки соосно верхней катодной полости, а катод и анод подсоединены к блоку питания, состоящему из генератора импульсов и цепи управления.
Недостатком известного устройства следует признать его конструктивную сложность и экономическую неэффективность.
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 2175027) устройство для получения тепловой энергии, водорода и кислорода, содержащее корпус, изготовленный из диэлектрического материала, со сквозным отверстием, межэлектродную камеру, патрубки для ввода и вывода рабочего раствора, анод, соединенный с положительным полюсом источника питания, и катод, соединенный с отрицательным полюсом источника питания. Корпус с осевым отверстием содержит нижний цилиндро-конический прилив, нижнюю крышку, образующую совместно с корпусом межэлектродную камеру, состоящую из анодной и катодной полостей, сообщающихся между собой в нижней части. Плоский кольцевой анод с отверстиями расположен в анодной полости. Катод выполнен в виде цилиндрического стержня из тугоплавкого материала, заключенного в диэлектрический стержень с резьбой. Указанный цилиндрический стержень введен в межэлектродную камеру с нижней стороны через резьбовое отверстие в нижней крышке с возможностью вертикального перемещения вдоль осевой линии устройства. Емкость для рабочего раствора с системой автоматического регулирования его уровня в катодной полости соединена с анодной полостью. Также устройство содержит охладительную камеру для конденсации пара и выделения водорода, полость которой соединена с входным патрубком подачи рабочего раствора в анодную полость. Патрубок для подачи парогазовой смеси в охладительную камеру введен посредством резьбы отверстие корпуса, а патрубок для вывода кислорода введен в верхнюю часть анодной полости.
Известное устройство работает следующим образом.
Рабочий раствор заливают в емкость, из которой он проходит через дозирующее устройство и поплавковую камеру в анодную полость, а также в катодную полость. После того, как заполнение реактора раствором достигает заданного уровня, поплавок поплавковой камеры закрывает входное отверстие дозирующего устройства. Далее, включают электрическая сеть и постепенно повышают напряжение до момента появления устойчивой плазмы в зоне катода. Образующаяся парогазовая смесь у катода поступает в охладитель. Пар, соприкасаясь с охлажденной поверхностью трубки охладителя, конденсируется, а выделившийся газ выходит из-под отражателя и поступает к выходному патрубку. Конденсат пара поступает в анодную полость через трубку и входной патрубок. Кислород, выделившийся у анода, поступает в верхнюю часть анодной полости и удаляется из нее через патрубок. Поскольку уровень раствора в реакторе регулируется автоматически, то данное устройство для получения водорода и кислорода работает в автоматическом режиме. По мере расхода раствора, он доливается в приемную емкость.
Сущность протекающих физико-химических процессов состоит в том, что под действием электрического поля между многократно уменьшенной площадью катода по отношению к площади анода, формируется начальный, сфокусированный на катод, поток ионов щелочного металла, присутствующего в электролите. Имея запас кинетической энергии при движении к катоду, ионы щелочного металла выбивают протоны атомов водорода из молекул воды. Достигнув катода, протоны приобретают электроны и образуют атомы водорода, излучая фотоны, которые формируют плазму атомарного водорода с температурой 5000…10000°С. Энергия этой плазмы и служит источником термической диссоциации воды на водород и кислород и источником дополнительной энергии, наличие которой легко фиксируется по энергии нагретого раствора, испарившейся воды и собранных газов. Одновременно с этим у анода идет электролитический процесс выделения кислорода. Таким образом, водородная плазма у катода является источником тепловой энергии, передаваемой водному раствору, и источником атомарного и молекулярного водорода и кислорода одновременно.
Недостатком известного технического решения является то, что катод постоянно находится в зоне плазмы, что резко уменьшает срок его службы. Кроме того, устройство достаточно сложно устроено конструктивно.
Техническая задача, решаемая посредством разработки данного устройства, состоит в расширении ассортимента электролизеров, выполненных с возможностью электролитического разложения водного электролита на водород и кислород.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в упрощении конструкции при одновременном повышении срока службы катода и снижение расходов на получение единичного объема газа.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать плазменный электролизер разработанной конструкции. Плазменный электролизер содержит анод и катод, размещенные в диэлектрических сосудах, которые соединены между собой в нижних частях трубкой. Катод спиралевидной формы выполнен из электрически изолированной медной проволоки, причем электрическая изоляция частично нарушена, катодный и анодный сосуд закрыты крышками с вмонтированными в них клапанами для регулирования давления газа в сосуде, к верхним частям сосудов подключены средства отбора газов, при этом катодный и анодный сосуды выполнены с возможностью дополнительного приема электролита, а также контроля уровня электролита.
В некоторых вариантах реализации электроизоляция с катода снята ступенчато с шириной полос от 4 до 6 мм с расстоянием меду полосами от 20 до 60 мм. Однако возможны и другие варианты удаления изоляции с поверхности катода. Предпочтительно катод максимально заполняет катодный сосуд. В некоторых вариантах реализации электролизер выполнен с возможностью подачи дополнительных порций электролита в нижние части катодного и анодного сосудов.
Принцип действия разработанного устройства аналогичен принципу действия технического решения, использованного в качестве ближайшего аналога. Разработанное техническое решение направлено на получение водорода и кислорода из водного электролита путем плазменного электролиза при одновременном разделении этих газов. Плазменный электролиз осуществляют с использованием катода, обеспечивающего взаимодействие с раствором лишь отдельных его рабочих зон не изолированных от электролита. В результате исчезает единая зона концентрации высокотемпературной плазмы и появляется возможность распределить тепловую нагрузку на катод на большем его объеме.
Это резко уменьшает тепловую нагрузку на катод и значительно увеличивает срок его службы. Импульсное появление плазмы в разных зонах катода приводит к формированию импульсов тока, средняя величина которых значительно меньше той, которая получается при использовании постоянного напряжения и тока на электролиз воды. Благодаря этому затраты энергии на процесс электролиза резко уменьшаются.
Кроме этого отдельное получение водорода и кислорода достигается размещением катода и анода в отдельных сосудах, растворы которых соединены только в нижней части сосудов через трубку с ограниченным сечением.
Катод, размещенный в катодном сосуде, изготовлен, предпочтительно, из медной, изолированной лаком, проволоки в форме спирали. Для равномерности распределения тепловой нагрузки на катоде, у него снята изоляция не полностью, а интервалами, длиною, предпочтительно, до 5 мм на расстоянии 3-5 см.
Анод расположен в анодном сосуде и имеет, предпочтительно, пластинчатую форму.
Водород, выделяющийся у катода, выходит из катодного сосуда через клапан, регулирующий давление в катодном сосуде, а кислород выходит через клапан и патрубок верхней крышки анодного сосуда.
Плазменный электролизер в базовом варианте выполнен следующим образом. Он состоит из двух диэлектрических сосудов: катодного и анодного, соединенных между собой в нижней части диэлектрической трубкой. Катодный и анодный сосуды соединены с общей емкостью трубками, через которые они пополняются новыми порциями электролита.
Катод изготовлен из меди, изолированной лаком, который удален интервалами до 5 мм на расстоянии 3-5 см. Форма катода спиральная. Анод имеет пластинчатую форму и выполнен из электропроводящего материала. Катодный и анодный сосуды имеют крышки, в которых установлены клапаны, регулирующие давление в катодном и анодном сосудах.
Водород выходит из катодного сосуда, через клапан и трубку, которая направляет его в осушительное стандартное устройство. Кислород выходит из анодного сосуда через клапан и трубку, которая направляет его в стандартное осушительное устройство.
Плазменный электролизер работает следующим образом. После заполнения емкости и сосудов электролитом к клеммам подключают электропитание, при этом начинается процесс нагрева электролита. Интенсивность выделения газов нарастает постепенно и, когда температура раствора достигает критической величины, в зонах отсутствия изоляции на катоде возникает периодическая плазма и скорость выделения газов увеличивается в десятки раз, достигая 0,3-0,5 л/с. Правильно отрегулированные клапаны в катодном и анодном сосудах автоматически поддерживают заданный уровень раствора в каждом из них. Амплитуда тока в этот момент меняется хаотически, но ее средняя величина остается небольшой. За счет этого и достигается экономия электроэнергии. При этом срок службы катода увеличивается в десятки раз.