УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА
DEVICE FOR PRODUCING HYDROGEN AND OXYGEN

Устройство предназначено для получения водорода и кислорода и использования получаемых газов для производства газопламенных работ, для технологических нужд, кислорода в медицинских целях и водорода для водородной энергетики.
Известны наиболее простые электролизеры, у которых анод и катод установлены в колоколах, обеспечивающих разделение и получение наиболее чистого кислорода и водорода, помещенных в открытые или закрытые коробки с электролитом (Л.М.Якименко, И.Д.Модылевская, З.А.Ткачек. Электролиз воды, Изд. Химия, М. 1970. Стр.99. Рис.111-2, а-б, в-г).
Недостаток таких устройств - низкий КПД, не превышающий 50%. Поэтому такие устройства используют для получения малых количеств газов высокой чистоты, например для газопламенной хроматографии.
Наиболее близким аналогом является вариант устройства для газопламенных работ по патенту №2359795 от 11 мая 2007 г. (стр.16, Фиг.6 описания). Устройство состоит из электролизера, устройства выравнивания давлений газов, подпитывающего сосуда, диэлектрического клапана, блока управления и датчика температуры. Электролизер установлен наклонно и состоит из биполярных электродов, разделенных кольцевыми диэлектрическими прокладками, стянутых между концевыми плитами стержнями с упругими компенсаторами. Электролизные ячейки разделены диэлектрическими перфорированными диафрагмами.
Недостаток устройства состоит в непрерывных колебаниях уровня электролита в электролизных ячейках, обусловленного поочередным перемещением жидкостных пробок электролита по газоотводным трубкам в подпитывающий сосуд при подпитке, что вызывает перенос пузырьков кислорода в водород и пузырьков водорода в кислород через перфорации диафрагм.
Технической задачей является получение водорода и кислорода, аналогичного по чистоте получаемым в электролизерах колокольного типа, но с высоким КПД и длительным периодом непрерывной работы, с возможностью заправки водой в процессе работы.
Поставленная задача решается устройством для получения водорода и кислорода, состоящим из установленного наклонно электролизера фильтр-прессного типа с плоскими электродами и диэлектрическими перфорированными диафрагмами для разделения получаемых газов, подпитывающего сосуда, мембранного устройства выравнивания давления, диэлектрического клапана подпитки, блока управления и датчика температуры.
Для решения поставленной задачи электролизер содержит две емкости, сообщающиеся друг с другом и частично заполненные электролитом, в который помещены газоотводные трубки, соединенные с каналами кислорода и водорода электролизера. Емкость с кислородом содержит трубку, конец которой находится на уровне электролита, соединенную с подпитывающим сосудом, который через клапан подпитки соединен с электролизером. Подпитывающий сосуд разделен перегородкой на две части - в нижней части находится полый поплавок с иглой, перекрывающей поступление воды из верхней части, через которую проходит кислородный трубопровод. Мембранное устройство выравнивания давления газов в сообщающихся емкостях электролизера снабжено выходными штуцерами с калиброванными отверстиями, соединено трубопроводом с подпитывающим сосудом, а водородная часть соединена трубопроводом с водородной емкостью электролизера и с предохранительным клапаном.
Отличия от прототипа состоят в том, что электролизер содержит две емкости, сообщающиеся друг с другом и частично заполненные электролитом, в который помещены газоотводные трубки, соединенные с каналами кислорода и водорода электролизера. Емкость с кислородом содержит трубку, конец которой находится на уровне электролита, соединенную с подпитывающим сосудом, который через клапан подпитки соединен с электролизером. Подпитывающий сосуд разделен перегородкой на две части - в нижней части находится полый поплавок с иглой, перекрывающей поступление воды из верхней части, через которую проходит кислородный трубопровод. Мембранное устройство выравнивания давления газов в сообщающихся емкостях электролизера снабжено выходными штуцерами с калиброванными отверстиями, соединено трубопроводом с подпитывающим сосудом, а водородная часть соединена трубопроводом с водородной емкостью электролизера и с предохранительным клапаном.
Указанные отличия обеспечивают выполнение поставленной задачи. Газоотводные трубки, соединенные с каналами кислорода и водорода электролизера и помещенные в электролит в сообщающихся емкостях электролизера, обеспечивают равенство давлений газов в электролизных ячейках и газоотводных каналах электролизера на основании закона Паскаля, а избыточный электролит из газоотводных каналов стекает вниз, не образуя пробок. Конвекционное перемешивание электролита между анодной и катодной частями электролизной ячейки, обусловленное его разной плотностью, происходит крайне медленно и переносит только растворенные газы. Растворимость газов при малых давлениях и повышенных температурах незначительна, и условий для их выделения в стационарном режиме работы нет.
Емкость с кислородом содержит трубку, конец которой находится на уровне электролита, соединенную с подпитывающим сосудом. Через эту трубку в подпитывающий сосуд возвращается избыточный электролит в виде жидкостных пробок, число которых снижено в связи с тем, что клапан подпитки автоматически регулирует подпитку в соответствии с расходом воды.
Подпитывающий сосуд разделен перегородкой на две части - в нижней части находится полый поплавок с иглой, перекрывающей поступление воды из верхней части, через которую проходит кислородный трубопровод. Малое количество воды, вводимое в оборот для подпитки, обеспечивает неизменный и оптимальный состав электролита, соответствующий наибольшему КПД. Верхняя часть подпитывающего сосуда может иметь любую емкость и к ней возможно подсоединение дополнительной емкости двумя кранами, которую можно полностью заправлять водой в процессе работы электролизера, закрыв краны и открывая их после полного заполнения дополнительного сосуда.
Мембранное устройство выравнивания давления газов в сообщающихся емкостях электролизера снабжено выходными штуцерами с калиброванными отверстиями, соединено трубопроводом с подпитывающим сосудом, а водородная часть соединена трубопроводом с водородной емкостью электролизера и с предохранительным клапаном. Использование выходных штуцеров с калиброванными отверстиями позволяет получать давление газов, пропорционально их количеству, что обеспечивает автоматическую регулировку подпитки и выключение устройства со сбросом давления газов при превышении заданного давления в аварийных ситуациях, что повышает надежность и безопасность.
На фиг.1 показана схема устройства для получения водорода и кислорода.
Устройство для получения водорода и кислорода, показанное на фиг.1, состоит из электролизера 1, блока питания и управления 2, подпитывающего сосуда 3, клапана подпитки 4, мембранного устройства выравнивания давлений 5 и предохранительного клапана 6.
Электролизер 1 состоит из биполярных электродов 7, разделенных перфорированными диафрагмами 8 и диэлектрическими рамками 9, а также кислородной емкости 10 и водородной емкости 11 с электролитом, образующих сообщающиеся сосуды, в которых установлены газоотводные трубки 12 и 13, соединенные с газоотводными каналами электролизных ячеек. Выходной штуцер 14 кислородной емкости 10 имеет патрубок 15, конец которого находится на уровне электролита. Водородная емкость 11 имеет выходной штуцер 16. Все детали расположены между концевыми плитами 17 и 18 с концевыми упругими элементами 19 и стянуты стержнями 20.
Блок питания и управления 2 аналогичен известному по прототипу. Для включения использован электромагнитный пускатель, в самоблокирующуюся цепь которого включены нормально замкнутые контакты микропереключателя 21 предохранительного клапана 6, электромагнит которого закрывает клапан. Термодатчик 22 находится на наружной поверхности электролизера 1. Разрядный ток определяется положением регулятора тока, и поэтому измерительный прибор может отсутствовать.
Подпитывающий сосуд 3 разделен по высоте на две части. В нижней части находится поплавок 23 с иглой 24, перекрывающей поступление воды из верхней части, через которую проходит кислородный трубопровод 25, и расположен выходной штуцер 26, соединенный трубопроводом с мембранным устройством выравнивания давлений 5. Выходной штуцер 14 кислородной емкости 10 соединен трубопроводом с патрубком 27, расположенным под поплавком 23. Штуцер 28 с фильтром соединен трубопроводом с клапаном подпитки 4.
Клапан подпитки 4 содержит подвижную пластинку 29 с выступом, который через винт приподнимает поршень, прижимавший эластичную мембрану к отверстию выходного патрубка 30, открывая клапан 4 при заправке электролизера электролитом через подпитывающий сосуд 3. После заправки электролитом пластинка 29 с выступом отводится в сторону, и подпружиненный поршень опускается, прижимая мембрану к отверстию патрубка 30. Давлением кислорода на поршень клапан 4 открывается пропорционально расходу кислорода, обеспечивая необходимую подпитку электролита электролизера 1.
Мембранное устройство выравнивания давлений 5 состоит из емкости, разделенной эластичной мембраной 31. Каждая из разделенных частей снабжена входными патрубками для кислорода 32 и водорода 33, а также калиброванными выходными патрубками для водорода 34 и кислорода 35. Через перекрываемый мембраной 31 патрубок 36 выводится избыточный кислород, а патрубок 37 соединен трубопроводом с предохранительным клапаном 6.
Предохранительный клапан 6 состоит из электромагнита 38 с магнитопроводом и подпружиненным якорем, который связан штоком с поршнем, прижимающим эластичную мембрану к отверстию патрубка 39, закрывая его. Выступающая часть штока упирается в кнопку микропереключателя 21, разрывая нормально замкнутые контакты. Предохранительный клапан 6 предназначен для автоматического выключения устройства и сброса давлений газов в случае перегрева электролизера 1 и в случае превышения давления газов выше допустимого.
Устройство для получения водорода и кислорода готовят к работе следующим образом. Снимают защитный чехол электролизера. Заливают электролит (29-30% водный раствор КОН) в подпитывающий диэлектрический сосуд 3, фиг.1, и открывают диэлектрический клапан 4 подпитки перемещением подвижной пластины 28 в положение, показанное на фиг.1. Заполнение ячеек электролизера 1 контролируют по уровню электролита в подпитывающем диэлектрическом сосуде 3 и омметром. Залив заданное количество электролита (6,4 литра), подвижную пластину 28 сдвигают вправо, что приводит к закрытию клапана. В подпитывающий сосуд 3 заливают дистиллированную воду и закрывают горловину пробкой. Устанавливают защитный чехол. Устройство готово к работе.
Работу устройства для получения водорода и кислорода рассмотрим на примере его использования для производства газопламенных работ. Для этого к патрубкам 34 и 35 мембранного устройства выравнивания давлений 5 подсоединяют шланги стандартной газосварочной горелки и открывают кран подачи водорода, закрывая кран подачи кислорода. Если предполагается использование кислородной резки, то к патрубку 36 мембранного устройства выравнивания давлений 5 подсоединяют шланг кислородного резака. Включают устройство и устанавливают регулятор тока в положение, соответствующее выбранному расходу водорода. Поджигают водород и, открывая кислородный кран горелки, формируют требуемый факел пламени для газосварки. Для кислородной резки закрывают кислородный кран горелки и, подогревая место реза водородным пламенем, осуществляют резку. При необходимости регулятор тока переводят на больший ток.
При использовании водорода в качестве технологической среды требуется осушение известными методами: сорбционными, криогенными, диффузионными. Выбор метода осушения и дополнительной очистки определяется требованиями к технологической среде в непрерывном потоке. При необходимости заполнения емкостей осуществляют отвод от потока.
Получаемый кислород может быть использован в медицинских целях. Двукратная барботажная промывка в электролите и возможная дополнительная промывка в чистой воде верхней части подпитывающего сосуда 3 полностью исключают щелочной туман, да он и не образуется. Многочисленными наблюдениями установлена техника образования пузырьков газа - они растут и, достигнув определенного размера, отрываются и поднимаются вверх, оставляя на своем месте зародыш будущего пузырька. Поднимающиеся пузырьки отрывают на своем пути относительно большие пузырьки. Мелкие пузырьки не отрываются. Микроскопические брызги образуются в момент разрушения пузырьков на поверхности жидкости. Такие брызги немногочисленны, тумана не образуют и довольно быстро оседают, что видно при выключении потока газа.
При использовании устройства для получения водорода в энергетических целях регулятор тока устанавливают на максимально возможный ток для длительной и непрерывной работы. Фактический ток определяется источником тока и не может быть больше максимально возможного тока. В остальном работа устройства аналогична предшествующим случаям.
Технико-экономические преимущества использования предложенного устройства для получения водорода и кислорода состоят в получении газов, пригодных для практического использования в различных целях без дополнительной очистки и с высоким КПД.