ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА ИЗ ВОДЫ
ELECTROLYTIC CELL TO PRODUCE HYDROGEN AND OXYGEN FROM WATER

Заявляемое техническое решение относится к технологии электрохимических производств, а именно к устройствам для получения водорода и кислорода методом электролиза воды.
Известен электролизер воды трубчатого типа по патенту РФ на изобретение №2258767 (класс МПК С25В 1/04, приоритет 19.03.2003 г.) для получения водорода и кислорода путем электролиза воды, который содержит герметичную емкость с электродами, крышку, входные и выходные трубки. Электролизер снабжен регулятором уровня жидкости, выполненным 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. Электролизер 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.
Недостатком данного электролизера является низкие производительность, надежность и долговечность.
Конструкция электролизера по патенту США на изобретение №7510633 (класс МПК С25В 1/10, приоритет 21.02.2003 г.) для получения водорода и кислорода, принятая за прототип, включает в себя катод трубчатой формы, анод - в виде стержня, мембрану, анодную и катодную полость с электролитом, водородный и кислородный коллектор, насос для электролита.
Перед началом работы электролизера, в анодную и катодную полости ячейки между которыми установлена мембрана, подается раствор электролита. Затем на электроды подается электрическая нагрузка. Электролит в анодной и катодной полости ячейки циркулирует при помощи насоса. Газовые пузыри, выделившиеся на электродах, совместно с электролитом, покидают ячейку через газовые каналы. Далее в кислородной и водородной емкостях газ отделяется от электролита, после чего газ поступает в баллон (либо иную емкость), а электролит собирается в общую емкость и с помощью насоса используется в дальнейшей работе.
Недостатками данного устройства являются:
- излишние энергетические затраты, из-за наличия расстояния между электродами (за счет анодной и катодной полостей), следовательно и рост сопротивления, что увеличивает потребляемую мощность и снижает производительность устройства;
- наличие высоких токов утечки, так как использование в конструкции электролизера общего электролитного коллектора заполненного раствором электролита, снижает производительность в целом всей установки.
Задачей заявляемой конструкции электролизера для получения водорода и кислорода из воды (водного раствора щелочи), является снижение потребляемой мощности, повышение производительности, а также надежности и безопасности в эксплуатации.
Поставленная техническая задача решается за счет того, что в электролизере для получения водорода и кислорода из воды включающем ряд последовательно соединенных ячеек, состоящих из катодов трубчатой формы, анодов выполненных в виде трубы, мембраны между катодом и анодом, исключающей смешивание выделившихся газов, анодной и катодной полостей, насосов для циркуляции электролита, емкости с щелочным электролитом, устройств для отделения газов от электролита, согласно заявляемой конструкции электролизера для получения водорода и кислорода из воды, набор из нескольких ячеек помещен в корпус. Анод и катод в ячейке плотно прилегают к газозапорной мембране, в качестве анода используется труба, выполненная из сетчатого материала (для легкого прохождения выделившегося анодного газа через анод), а в качестве катода - полый цилиндр из пористого гидрофобизированного материала. Анодные полости ячеек, заполненные электролитом, последовательно соединены между собой и с емкостью щелочного электролита, которая в свою очередь соединена с устройством для отделения кислорода от паров воды и щелочи, системой подачи воды и теплообменником. Катодная полость образована внешней стороной катодов ячеек и корпусом. Она не заполнена электролитом, является газовой и соединена с емкостью гидрозатвора и устройством для отделения водорода от паров щелочи и воды. Движение электролита в анодной полости осуществляется за счет эффекта «аэролифта». Для снижения напряжения электролизера, и, как следствие, уменьшения энергетических затрат, на поверхность анода и внутреннюю поверхность катода может быть нанесен катализатор.
Существенным отличием заявляемого устройства является то, что электроды плотно прилегают к газозапорной мембране, а анодная полость представляет собой трубу, заполненную электролитом. Также в данной конструкции хоть и находится общий электролитный коллектор, образованный соединением анодных полостей ячеек друг с другом, но в связи с тем, что выделившийся газ вспенивает электролит, площадь сечения электролитного моста в местах соединения ячеек-электролизеров значительно меньше, что в значительной степени снижает токи утечки и как следствие, энергозатраты, увеличивая производительность установки в целом. Кроме того, предлагаемая конструкция легко размещается в трубе небольшого диаметра, которая является одновременно и корпусом, обеспечивая повышенную прочность при незначительной толщине стенки и, соответственно, способствует снижению массы электролизера.
Между собой ячейки могут быть электрически соединены последовательно или параллельно. Последовательное соединение предпочтительней.
На фиг.1 изображено заявляемое устройство, на фиг.2 на виде А-А показан корпус и ячейка в разрезе.
Заявляемая конструкция электролизера для получения водорода и кислорода из воды включает в себя следующие элементы: корпус (1) в виде трубы, например, круглого сечения, размещенные в нем ячейки (2), соединенные между собой последовательно. Емкость с раствором щелочного электролита (3) в которой с помощью насоса подающего воду (4), поддерживается необходимая для работы электролизера концентрация электролита, поступающего с помощью насоса (5) из гидрозатвора (емкости с конденсатом и раствором щелочи) (6). Электролит для поддержания рабочей температуры электролизера, циркулируя через теплообменник (7), подается в ячейки (2). Для циркуляции электролита, в случае необходимости, включается насос (8). Устройство для отделения водорода от щелочи и паров воды (9) соединено с гидрозатвором (6) и катодной полостью (10) заявляемого электролизера. Устройство для отделения кислорода от щелочи и паров воды (11) соединено с емкостью с раствором щелочного электролита (3). На корпусе установлены токовыводы (12) для подачи нагрузки.
На фиг.2 (вид А-А) в разрезе показан корпус (1), например, круглого сечения, находящаяся в нем ячейка (2), представляющая собой катод (13) в виде цилиндра из пористого гидрофобизированного материала, анод (14) в виде трубы и расположенную между ними без зазора газозапорную мембрану (15). В анодной полости (16) ячейки (2) находится электролит, а внешняя сторона катодов (13) ячеек (2) и корпус (1) образуют катодную полость (10) электролизера.
Заявляемое устройство работает следующим образом. В корпусе (1) ячейки (2), число которых определяется необходимой производительностью электролизера, соединены между собой электрически последовательно. Кроме того, ячейки (2) последовательно соединяются между собой и по анодной полости (16), в которой циркулирует электролит. Катодная полость электролизера (10) является газовой, на дне которой собирается конденсат и раствор электролита, просочившийся через поры катода (13). Циркуляция электролита происходит за счет движения выделяемого при электролизе газа (эффект аэролифта) и при недостаточной подъемной силе возможно включение насоса (8). Для поддержания определенной рабочей температуры электролизера, электролит проходит через теплообменник (7). Электролит в виде пены попадает в емкость с раствором электролита (3), откуда, освободившись от газа, заново попадает в ячейки (2). Выделяясь, катодный газ насыщается парами воды и частично выносит щелочь из электролизера, некоторая часть которой конденсируется на стенках корпуса (1). Затем конденсат стекает в емкость гидрозатвора (6), далее при помощи насоса (5) перекачивается в емкость с раствором щелочного электролита (3). Для поддержания заданной концентрации электролита в анодных полостях (16) ячеек (2) в емкость с раствором щелочного электролита (3) подается вода при помощи насоса (4). Наработанные водород и кислород отводятся из электролизера для дальнейшего их использования, предварительно удаляя из них остатки щелочи и пары воды, соответственно в устройствах (9) и (11).
В качестве материала для анода была применена никелевая сетка с нанесенным на нее катализаторм - серебром, для катода полый цилиндр из пористого никеля, покрытый с внутренней стороны платино-родиевым катализатором, а газозапорной мембраны - кремнесодержа-щий волокнистый материал с добавлением фторопласта.
Как показали испытания, использование заявляемой конструкции электролизера позволяет:
- снизить до 7% потребляемую мощность и до 5% повысить производительность. Это достигается в заявляемой конструкции электролизера за счет плотного прилегания электродов (анода и катода) к газозапорной мембране и сокращения площади сечения электролитного моста в местах соединения ячеек, за счет того, что выделившийся в процессе работы электролизера газ вспенивает электролит в общем электролитном коллекторе. Это позволяет в значительной степени снизить токи утечки и, как следствие, энергозатраты, тем самым увеличивая производительность установки в целом;
- за счет использования единого корпуса, в котором размещаются ячейки, конструкция содержит меньше соединительных элементов вне корпуса электролизера, что позволяет снизить массо-габаритные характеристики, повысить надежность и безопасность электролизера в эксплуатации.