ЭЛЕКТРОЛИЗЕР
ELECTROLYSER

Изобретение относится к устройствам для получения водорода и кислорода непосредственно из воды и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства
Известно устройство для разложения воды на водород и кислород, содержащее герметично заполненную электролитом емкость электролизера, в которую установлена батарея электродов из нержавеющей стали, соединенных между собой через шайбы из диэлектрического материала при помощи болтов и гаек. Аноды и катоды соответственно последовательно соединены между собой и источником переменного тока через электромашинный преобразователь, генератор электрических импульсов и электрические переключатели. Первая входная трубка емкости электролизера соединена с емкостью с дистиллированной водой через регулятор уровня. Вторая входная трубка соединена с емкостью наполненной жидкой щелочью через дозатор, снабженный соленоидом и реле времени, а емкость электролизера соединена с устройством для отделения водорода от кислорода (RU 2227177 [1]). Недостатком известного технического решения является сложность конструкции устройства для отделения водорода от кислорода и его недостаточная производительность.
Известно устройство для получения водорода и кислорода путем разложения воды с помощью электрического тока (US 20080202921 [2]). Устройство содержит емкости, заполняемые водой с добавлением катализатора, и расположенные в емкости наборы плоских электродов, подключаемых через один к разнополярным полюсам источника постоянного тока. Устройство снабжено средствами для регулирования производительности выделяемых газов, которое выполнено в виде перемещаемой с помощью механических средств перегородки между камерами. Недостатком известного устройства является сложность конструкции и невозможность регулирования производительности по получаемым газам в широких пределах.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является устройство для производства водорода и кислорода с использованием электрического тока для разложения воды (US 2008047840 [3]). Устройство содержит прямоугольную емкость, выполненную из плексигласа, и размещенный в ней набор листовых электродов прямоугольной формы. Емкость снабжена штуцерами для подвода рабочей жидкости и штуцерами для раздельного отвода полученных газов - кислорода и водорода. Емкость заполняется водой с добавлением катализатора в виде гидроокиси калия или натрия для повышения эффективности выделения газов. Четные электроды подключены с положительным полюсом источника постоянного тока с напряжением 12 В, а нечетные - заземлены. В устройстве предусмотрено средство для регулирования его производительности по выделяемым газам. В частности, изменение производительности достигается путем изменения величины напряжения, подаваемого от источника тока к электродам.
Недостатком известного устройства является его относительно невысокая эффективность и малый и, как правило, нелинейный диапазон регулирования производительности устройства.
Заявляемый в качестве изобретения электролизер направлен на повышение производительности получения газов и расширение диапазона регулирования производительности.
Указанный результат достигается тем, что электролизер содержит корпус из диэлектрического материала, штуцер ввода рабочей жидкости, штуцеры вывода газообразных продуктов и набор электродов в виде поверхностей, установленных с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно друг друга и снабженных приводом этого перемещения, при этом крайние электроды подключены к разным полюсам источника постоянного тока и выходу высокочастотного импульсного генератора тока, а в промежутках между электродами размещены диэлектрические упругие элементы.
Указанный результат достигается также тем, что корпус выполнен осесимметричным, а электроды - в виде идентичных фрагментов объемных геометрических фигур, при этом, по крайней мере, некоторая часть поверхности их размещена под углом к горизонтальной или вертикальной плоскости, при этом оси симметрии корпуса и электродов совпадают между собой и с направлением перемещения электродов.
Указанный результат достигается также тем, что электроды выполнены в виде сегментов сфер или усеченных конусов.
Указанный результат достигается также тем, что упругие элементы выполнены в виде диэлектрических пружин или шайб из упругих диэлектриков.
Выполнение электродов с возможностью возвратно-поступательного смещения относительно друг друга и снабжение их приводом этого перемещения позволяет изменять величину межэлектродного промежутка и тем самым изменять в широких пределах производительность устройства по получаемым газам.
Размещение в промежутках между электродами диэлектрических упругих элементов позволяет обеспечить возврат электродов в исходное положение. Если использовать не диэлектрические упругие элементы, то произойдет короткое замыкание между разнополярными электродами.
В частных случаях реализации подсоединение к электродам источника постоянного тока выходных электродов высокочастотного импульсного генератора тока позволяет существенно расширить диапазон регулирования производительности устройства по получаемым газам. Экспериментально установлено, что если на постоянный ток, подаваемый к электродам, входящим в состав устройства, накладывать высокочастотную переменную составляющую, то эффективность выделения газов существенно возрастает. Кроме этого установлено, что эффективность выделения газов одновременно зависит от величины межэлектродного промежутка и амплитуды и частоты подаваемого высокочастотного сигнала. Поэтому для обеспечения высокоэффективной работы экспериментально подбираются, в зависимости от величины межэлектродного промежутка, параметры высокочастотного сигнала. Соответственно, когда с целью изменения производительности, происходит изменение величины межэлектродного промежутка, то в соответствии с этим изменением на основе полученных предварительно градуировочных кривых изменяют величину и амплитуду высокочастотного сигнала, накладываемого на постоянный ток.
Выполнение корпуса электролизера осесимметричным, а электродов - в виде идентичных фрагментов объемных геометрических фигур (в виде сегментов сфер или усеченных конусов с различным числом граней в основании) позволяет обеспечить более высокую производительность устройства при меньших его габаритах, т.е. повысить удельный съем получаемых газов с единицы объема устройства.
На достижение этого же результата направлено и выполнение электродов так, что, по крайней мере, некоторая часть поверхности их размещена под углом к горизонтальной или вертикальной плоскости, при этом оси симметрии корпуса и электродов совпадают между собой и с направлением перемещения электродов.
В частных случаях реализации целесообразно выполнять электроды в виде сегментов сфер или усеченных конусов, или пирамид с различным числом сторон в основании. В этом случае даже относительно небольшое смещение электродов относительно друг друга приводит к значительному изменению производительности устройства.
Диэлектрические упругие элементы могут быть выполнены любыми и выбранными из числа известных. Но как показали опыты, наиболее целесообразно выполнять их в виде диэлектрических пружин или шайб из упругих диэлектриков. Их применение существенно упрощает конструкцию привода перемещения электродов.
Сущность заявляемого электролизера поясняется примером его реализации и чертежом, на котором схематично представлен его разрез вдоль оси.
Электролизер содержит емкость 1, выполненную из диэлектрического материала в виде тела вращения, состоящего из цилиндра, усеченного конуса и узкой цилиндрической части. Емкость снабжена верхней 2 и нижней 3 крышками. Внутри емкости расположен набор электродов 4, которые, как указано в формуле изобретения, могут быть выполнены в виде частей поверхностей геометрических тел. В данном примере реализации электроды выполнены в виде боковых поверхностей и малого основания усеченного конуса. Электроды могут быть выполнены из любого, подходящего для этой цели, электропроводящего конструкционного материала - алюминия, меди, стали. Наиболее подходящим материалом, учитывая условия работы электродов, является нержавеющая сталь. При этом самый нижний электрод 5 закреплен неподвижно на конической стенке емкости 1 так, что угол наклона к горизонту конической стенки емкости и конической части электродов совпадают. По оси емкости установлен и жестко закреплен в ней полый цилиндрический стержень 6, внутри которого установлен с возможностью его перемещения вдоль продольной оси стержень 7, изготовленный из токопроводящего материала, к которому подключается один из электродов источника постоянного тока или источника постоянного тока и высокочастотного импульсного генератора тока (не показаны), которые могут быть выбраны из числа известных, а второй электрод упомянутых источников тока соединяют электрически с неподвижным электродом 5. Первый (самый верхний электрод) 4 примыкает к подвижному стержню и имеет с ним механический и электрический контакт. С подвижным стержнем 7 жестко соединен стержень 8 из диэлектрического материала меньшего диаметра, чем стержень 7, и выполняющий функцию направляющей для смещаемых относительно друг друга электродов 4. Для обеспечения перемещения электродов 4 в полом стержне 6 выполнено несколько вертикальных щелевых окон 9, а в каждом из подвижных электродов окна 10, охватывающие стенки полого стержня 6 между щелевыми окнами 9. Электроды 4 надеваются на диэлектрический стержень 8, а между ними размещают диэлектрические упругие элементы 11, которые, с одной стороны, обеспечивают заданный начальный промежуток между электродами 4, а с другой стороны, являются возвратным механизмом для перемещения электродов в исходное положение. Емкость 1 снабжена штуцерами для подвода рабочей жидкости и вывода получаемых газообразных кислорода и водорода (на чертеже показано стрелками). В качестве рабочей жидкости могут быть использованы любые из числа известных, например дистиллированная вода, вода с добавками различных гидроокисей и т.д.
Устройство функционирует следующим образом. В емкость 1 через штуцер заливают рабочую жидкость до требуемого уровня так, чтобы все электроды были погружены в нее. На подвижный стержень 7 и неподвижный электрод 5 подают потенциалы от источника постоянного тока. Под воздействием электрического тока, протекающего в жидкости через межэлектродные промежутки, происходит разложение воды на газообразные кислород и водород. Образовавшиеся газовые пузырьки поднимаются вверх над уровнем жидкости и в силу разного молярного веса расслаиваются. Соответственно водород удаляется через штуцер в крышке 2 емкости 1, а кислород - через штуцер в ее боковой стенке. Для изменения производительности электролизера на подвижный стержень 7 прикладывается механическое усилие, вследствие чего происходит смещение электродов 4 относительно друг друга, что приводит к изменению (уменьшению) межэлектродного промежутка и сжатию упругих элементов 11. В результате уменьшения межэлектродного промежутка возрастает плотность тока между электродами и процесс получения газов из воды интенсифицируется. Для уменьшения производительности электролизера по газообразным продуктам приложенное к подвижному стержню 7 усилие снижается или снимается полностью. В результате за счет упругих элементов 11 электроды расходятся или возвращаются в исходное положение.
Для более существенного увеличения производительности электролизера к электродам наряду с источником постоянного тока подключается высокочастотный импульсный генератор тока. Экспериментально было установлено, что производительность электролизера при использовании высокочастотного импульсного генератора тока зависит от трех факторов - величины межэлектродного промежутка, амплитуды и частоты импульсов тока. Поэтому для оптимизации работы устройства необходимо сначала провести серию установочных опытов с вариацией указанных параметров. При этом эти серии опытов необходимо осуществить отдельно для каждой используемой рабочей жидкости. На основании полученных результатов формируется блок управления работой электролизера, предусматривающий автоматическую установку требуемой оптимальной амплитуды и частоты высокочастотного генератора, в зависимости от величины межэлектродного промежутка. В этом случае работа устройства осуществляется также, как описано выше.