ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА ЭЛЕКТРОЛИЗОМ ВОДНОГО РАСТВОРА ЭЛЕКТРОЛИТА
ELECTROLYSIS UNIT FOR OBTAINING HYDROGEN AND OXYGEN BY ELECTROLYSIS OF WATER SOLUTION OF ELECTROLYTE

Изобретение относится к технологии и устройствам для получения водорода и кислорода путем электролиза водного раствора электролита для использования в качестве энергетического сырья для топливно-энергетического комплекса, в промышленности, автомобильном транспорте и коммунальном хозяйстве, при максимальном соблюдении экологических норм и требований защиты естественной среды.
Известным близким по конструкции электролизером без мембраны является устройство, которое было описано в патенте Российской Федерации №2092614, опубл. 10.10.1997 г., индекс МПК6 С25В 1/02, по которому электролизер для разложения воды в присутствии фонового электролита содержит аноды и катоды, разделенные изолирующей неэлектропроводной перегородкой с образованием анодных и катодных камер с дополнительно установленными парами электродов из оксида рутения, соединенных между собой, размещенных в соседних анодных и катодных камерах и установленных с возможностью перемещения.
Причинами, которые препятствуют получению необходимого технического результата, являются отсутствие процесса деионизации отработанного электролита, что приводит к повышенной рекомбинации и перенасыщению электролита в камерах ионами противоположного знака, создается повышенный расход энергии на деионизацию, также повышенные затраты энергии на обмен электролита, так как камеры полностью отделены одна от другой.
Наиболее близким по конструкции электролизером является электролизер, описанный в международной заявке WO 2004076722 А1, опубл. 10.09.2004 г., по приоритетной заявке, поданной в Украине №2003021661 от 25.02.03 на способ и электролизер для получения водорода и кислорода электролизом водного раствора электролита, включающий расположенные в общем корпусе анодную и катодную камеры с электродами, камеры соединены трубопроводами с камерами деионизации и осушения. Анодная камера от катодной отделена электроизоляционной перегородкой, которая не доходит до дна общего корпуса, и на ней установлен источник светового излучения, в анодной и катодной камерах расположены монополярные электроды, анод и катод, камера диссоциации соединена с анодной и катодной камерами через фильтр, катализатор холодного водного раствора электролита и сепаратор ионов градиентным полем, а анодная и катодная камеры через заборники отработанного водного раствора электролита из верхних слоев электролита в анодной и катодной камерах, фильтр деионизатор и катализатор горячего водного раствора электролита соединены с камерой диссоциации, также верхняя часть анодной и катодной камер подсоединена к элементам приема и передачи кислорода и водорода.
На крайних дальних стенках в направлении анод-катод в анодной и катодной камерах расположены дополнительные монополярные электроды ускорителя, которые подключены к источнику постоянного напряжения.
На трубопроводах подачи водного раствора электролита установлены насосы, на трубопроводах подачи кислорода и водорода - фильтры осушения, запорные клапаны и манометры.
Фильтры, катализаторы и основная часть их трубопроводов расположены в камере диссоциации, камера диссоциации находится в общем корпусе с анодной и катодной камерами и отделена от них изоляционной перегородкой.
Также описан электролизер для получения водорода и кислорода из водного раствора электролита, в котором установлен сепаратор ионов, в который входят анод, катод и дополнительные электроды в анодной и катодной камерах, отделенных между собой изоляционной неэлектропроводной перегородкой, и дополнительные камеры, причем анодная камера от катодной отделена перегородкой, которая не доходит до дна совместного корпуса, а дополнительные монополярные электроды расположены ниже низа перегородки под острым углом один относительно другого, под острым углом относительно поверхности электролита и частично перекрывают друг друга в горизонтальной плоскости, электроды расположены на пластинах, которые установлены с возможностью ограничения потока водного раствора электролита, а под перегородкой, которая разделяет анодную камеру от катодной, выполнен выход из канала, образованный пластинами, которые ограничивают поток, также на соединении пластин ограничителей потока выполнены отверстия с возможностью впуска водного раствора электролита из дополнительной камеры диссоциации.
В каждом электроде и в пластинах выполнены перфорационные отверстия, пластины выполнены из электропроводного материала, а электроды закреплены на пластинах через прокладки из электроизоляционного материала и подключены к источнику постоянного напряжения.
Общими существенными признаками является то, что электролизер для получения водорода и кислорода электролизом водного раствора электролита включает расположенные в общем корпусе анодную и катодную камеры с электродами, подключенными к источнику постоянного напряжения, камеры соединены трубопроводами с камерой деионизации, анодная камера от катодной отделена электроизоляционной перегородкой, которая не доходит до дна общего корпуса и на ней установлен источник ультрафиолетового излучения, в анодной камере расположен монополярный электрод - анод, а в катодной расположен монополярный электрод - катод, камера диссоциации соединена с анодной и катодной камерами через сепаратор ионов электрическим градиентным полем, также анодная и катодная камеры через заборники отработанного водного раствора электролита из верхних слоев электролита соединены с камерой диссоциации, верхняя часть анодной и катодной камер присоединена к элементам приема и передачи кислорода и водорода.
Недостатками известной конструкции является повышенная потеря электроэнергии из-за большого расстояния между анодами и катодами, которые находятся в разных камерах и разделены электролитом, в котором ионы перемещаются медленно и с большим сопротивлением.
Целью изобретения является создание устройства для получения водорода и кислорода с минимальными затратами электроэнергии, с устранением нерациональных затрат электрической и химической энергии, обеспечение ускорения процессов.
Поставленная задача конструкции устройства решается так: электролизер для получения водорода и кислорода электролизом водного раствора электролита включает расположенные в общем корпусе анодную и катодную камеры с электродами, подключенными к источнику постоянного напряжения, камеры соединены трубопроводами с камерой деионизации, анодная камера от катодной отделена электроизоляционной перегородкой, которая не доходит до дна общего корпуса и на ней установлен источник ультрафиолетового излучения, в анодной камере расположен монополярный электрод - анод, а в катодной расположен монополярный электрод - катод, камера диссоциации соединена с анодной и катодной камерами через сепаратор ионов электрическим градиентным полем, также анодная и катодная камеры через заборники отработанного водного раствора электролита из верхних слоев электролита соединены с камерой диссоциации, верхняя часть анодной и катодной камер подсоединена к элементам приема и передачи кислорода и водорода. В анодной и катодной камерах между анодами и катодами установлены дополнительные электроды, которые соединены между собой общим проводником, который соединяет плюсовый и минусовый выводы двух блоков источника питания постоянного тока, другие концы которых подключены соответственно к аноду и катоду, один блок питания подает стабилизированное постоянное напряжение, минимально необходимое для выделения на аноде кислорода, а второй подает стабилизированное постоянное напряжение минимально необходимое для выделения на катоде водорода, а материал дополнительных электродов выбран из ряда материалов, на которых перенапряжение для водорода и кислорода превышает разность между напряжениями, поданными на анод и катод в рабочем режиме. Уровень напряжения каждого блока в рабочем режиме составляется из внутреннего падения напряжения блока питания, сопротивления проводников, напряжения перехода диссоциированных в камере диссоциации, разделенных сепаратором и возбужденных световым излучением ионов в молекулы газов с учетом дополнительного перенапряжения на электродах, которое зависит от материала электрода. Общий проводник заземлен. Анод сделан из титана, катод из губчатого графита, а электроды, которые соединены между собой общим проводником - из хромоникелевой стали.
В отличии от прототипа существенными признаками электролизера по изобретению является то, что в анодной и катодной камерах между анодами и катодами установлены дополнительные электроды, которые соединены между собой общим проводником, который соединяет плюсовый и минусовый выводы двух блоков источника питания постоянного тока, другие концы которых подключены соответственно к аноду и катоду, один блок питания подает стабилизированное постоянное напряжение, минимально необходимое для выделения на аноде кислорода, а второй подает стабилизированное постоянное напряжение, минимально необходимое для выделения на катоде водорода, а материал дополнительных электродов выбран из ряда материалов, на которых перенапряжение для водорода и кислорода превышает разность между напряжениями, поданными на анод и катод в рабочем режиме - анод выполнен из титана, катод из губчатого графита, а электроды, которые соединены между собой общим проводником - из хромоникелевой стали, причем общий проводник заземлен.
Существенными признаками, достаточными во всех случаях, является то, что в анодной и катодной камерах между анодами и катодами установлены дополнительные электроды, которые соединены между собой общим проводником, который соединяет плюсовый и минусовый выводы двух блоков источника питания постоянного тока, другие концы которых подключены соответственно к аноду и катоду, один блок питания подает стабилизированное постоянное напряжение, минимально необходимое для выделения на аноде кислорода, а второй подает стабилизированное постоянное напряжение, минимально необходимое для выделения на катоде водорода, а материал дополнительных электродов выбран из ряда материалов, на которых перенапряжение для водорода и кислорода превышает разность между напряжениями, поданными на анод и катод в рабочем режиме - анод выполнен из титана, катод из губчатого графита, а электроды, которые соединены между собой общим проводником - из хромоникелевой стали.
Существенным признаком, достаточным в отдельных случаях, является то, что общий проводник заземлен.
Таким образом, представленная конструкция позволяет изготовить электролизер для получения водорода и кислорода с минимальными затратами электроэнергии, с устранением нерациональных затрат энергии электрической и химической, с обеспечением ускорения процессов электролиза. Уменьшение затрат электроэнергии достигается за счет оптимального выбора напряжения и уменьшение сопротивления за счет расположения электродов анода и катода на малом расстоянии от дополнительных электродов, на которые благодаря перенапряжению, которое превышает перенапряжение на анодах и катодах, не выделяется газ из ионов противоположного знака. Ускорение процессов также обеспечивается расположением электродов и камер.
На фиг.1 схематично показана конструкция электролизера.
На фиг.2 показано сечение А-А.
На фиг.3 показана схема питания электролизера.
При выполнении работ по доведению к промышленной пригодности был изготовлен электролизер с общими габаритами совместного корпуса анодной, катодной камер и камеры диссоциации: длина 800 мм, ширина 400 мм и высота 200 мм.
Электролизер для получения водорода и кислорода из водного раствора электролита включает общий корпус 1 из электроизоляционного материала, в котором находится анодная камера 2, катодная камера 3 и камера диссоциации 4. Анодная камера от катодной отделена электроизоляционной перегородкой 5, которая не доходит до дна совместного корпуса 1 и обеспечивает герметичное разделение камер по верхней части, в которой собирается выделяющийся газ. Камера диссоциации 4 отделена герметичной электроизоляционной перегородкой 6 по всей высоте и соединена с анодной камерой 2 и катодной камерой 3 через приемник отработанного водного раствора 7, насос 8 и фильтр 10, через трубопровод 11, сепаратор ионов 12, в котором монополярные электроды сепаратора 13 и 14 расположены ниже низа перегородки. Электроды закреплены на пластинах 15 и 16, изготовленных из электропроводного материала, через прокладку из электроизоляционного материала 17 и подключены к источнику постоянного тока напряжением 30 В. Под перегородкой 5, которая разделяет анодную камеру 2 от катодной 3, сделан выход из канала в анодную и катодную камеры, который образовывается пластинами 15 и 16 и ограничивает поток водного раствора из камеры диссоциации. На соединении ограничителей потока 15 и 16 выполнены отверстия 18, к которым подсоединены трубопроводы 11 из камеры диссоциации 4. Анодная камера 2 и катодная камера 3 соединены с камерой диссоциации 4 через заборники отработанного электролита 19 и 20, через насос 9, фильтр деионизатор 21, трубопровод 22. Дополнительные электроды 23 расположены между катодов 26, изготовленных из губчатого графита, а дополнительные электроды 24 расположены между электродов анодов 27, изготовленных из титана, а дополнительные электроды 23 и 24 изготовлены из хромоникелевой стали 12Х18Н10Т. Все электроды созданы из пластин, которые собраны в блоки и закреплены на стенках корпуса 1. К верхней крышке 28 подсоединены трубопроводы для отвода водорода и кислорода. На трубопроводах установлены: фильтр осушения 29, манометр 30, запорный клапан 31 для водорода, манометр 32 и запорный клапан 33 для кислорода.
Для пополнения электролизера водой установлены запорный клапан 34 и фильтр 35 и подведена труба 36 к трубе 22. Лампа ультрафиолетового излучения 37 установлена в нижней части перегородки 5, перпендикулярно к пластинам анода 27 и катода 26, и обеспечивает облучение анодной, катодной камер и промежутка между пластинами. Насосы 8 и 9 приводят в действие электродвигатели 38 и 39.
Напряжение на электродах и выбор электролита в каждом случае зависят от необходимой производительности, габаритов электролизера и материала электродов.
Схема блока питания анода, катода и дополнительных электродов представляет собой два понижающих трансформатора 40 и 41, подключенных к разным фазам сети переменного тока, вторичная обмотка которых подключена к блокам выпрямителей 42 и 43, выходы которых последовательно подключены через катушки индуктивности 44, 45, 46, 47, и параллельно подключены конденсаторы 48, 49, 50, 51. Проводник 52 подключен к катоду 26, проводник 53 к аноду 27, а проводники 54 и 55 соединены между собой общим проводником 56, и подключены к дополнительным электродам 23 и 24. Между общим проводником и проводником 53 подключен вольтметр 57, а между общим проводником и проводником 52 подключен вольтметр 58. Общий проводник 56 имеет отводку 59 и заземлен.
Работает электролизер так: готовят 20% раствор едкого калия в камере диссоциации 4, насосом 8 подается водный раствор электролита в анодную 2 и катодную 3 камеры с обеспечением одинакового уровня. Из силового источника питания по проводникам 52, 53, 56 подается постоянное электрическое напряжение +1,23 В на анод 27, и -0,9 В на катод 26 через дополнительные электроды 23 и 24. Из блока питания, типичной для электрических устройств схемы, поэтому его схема на фиг.3 не показана, подается постоянное напряжение 30 В на электроды сепаратора ионов 13, 14, и 500 В переменного напряжения на лампу ультрафиолетового облучения 37, 24 В постоянного напряжения на электродвигатели 38 и 39. Начинается замкнутый цикл последовательных действий. Водный раствор электролита, который диссоциировался в камере диссоциации 4, подается насосом 8 через фильтр 10 по трубопроводу 11 в канал сепарации ионов 12, в котором ионы делятся на анионы и катионы градиентным полем. Через перфорационные отверстия на электроде 13 и пластине ограничителя 15 ионы водорода Н+ поступают в катодную камеру на пластины катода 26 и пластины дополнительного электрода 23, а ионы гидроксильной группы через перфорационные отверстия в электроде 14 и ограничители 16 проходят в анодную камеру на пластины анода 27 и пластины дополнительного электрода 24.
Ускорение перемещения ионов обеспечивается подачей свежего электролита из камеры диссоциации, его отбором с верхнего слоя и маленькими промежутками между пластинами анода катода и дополнительными электродами, которые через общий проводник обеспечивают поток электронов со скоростью их движения в металле. Лампа 37 освещает поток однополярных ионных растворов, которые в разделенных потоках перемещаются в направлении анода 27, катода 26 и к дополнительным электродам 23 и 24. В результате энергия, необходимая для возобновительных и окислительных реакций ионов в атомарные газы, уменьшается. На аноде 27 и катоде 26 ионы восстанавливаются и окисляются, а дополнительные электроды имеют недостаточный потенциал для восстановления или окисления и обеспечивают поставку электрической энергии с сопротивлением, намного меньшим чем электролит. Потоки ионизированного водного раствора электролита направлены от сепаратора ионов к заборникам отработанного водного раствора электролита 19, 20, ускоряют перемещение ионов и атомарных газов вдоль плоскости пластин. Атомарные газы отбираются в верхней части камер и направляются по назначению. Отработанный водный раствор электролита насосом 9 через заборники 19, 20 поступает в фильтр 21, в котором потоки из анодной и катодной камер, которые имеют излишек ионов разной полярности, смешиваются и деионизируются. Отработанный водный раствор попадает в камеру диссоциации 4, в которой диссоциирует и снова подается для электролиза в катодную и анодную камеры. Пополнение электролизера водой выполняется через запорный клапан 34, фильтр 35 по трубопроводу 36.