МОНОПОЛЯРНО-БИПОЛЯРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СМЕСИ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА
UNIPOLAR-BIPOLAR ELECTROLYTIC CELL TO MAKE MIX OF HYDROGEN WITH OXYGEN

Изобретение относится к газопламенной обработке материалов водородно-кислородным пламенем с получением водородно-кислородной смеси электролизом воды непосредственно на месте сварки.
Современные электролизеры подразделяют на монополярные и биполярные по схеме подключения электродов к источнику питания (Якименко Л.М., Модылевская И.А., Ткачек З.А. Электролиз воды. М.: Химия, 1970 г., 263 с.). В монополярных электролизерах все электроды-аноды присоединены к одной общей токоведущей шине, а все электроды-катоды - к другой. Поэтому такой электролизер представляет собой, в сущности, одну электролизную ячейку, каждый из электродов которой состоит из нескольких элементов, включенных параллельно в цепь тока. Биполярные электролизеры состоят из большого количества ячеек, включенных последовательно в цепь тока, причем одна сторона каждого электрода, за исключением двух крайних, к которым подключен источник питания, является катодом одной ячейки, другая - анодом соседней ячейки.
Электролизеры, предназначенные для общепромышленного применения, должны давать не менее 1,5 куб. м смеси в час. Монополярный электролизер потребляет около 1600 А на каждый кубометр водородно-кислородной смеси в час. Следовательно, монополярный электролизер, предназначенный для общепромышленного применения, потребляет не менее 2400 А. При таком токе электролизеру необходимы массивные токоподводы и тяжелый источник питания, что делает его неприемлемо громоздким для использования в составе электролизно-водного генератора (термин «электролизно-водный генератор» - по ГОСТ 2601-84, термин №160). Биполярные электролизеры потребляют сравнительно небольшой ток, но высокого напряжения. Отсюда повышенные требования к изоляции электродов и утечка тока в обход электродов (через отверстия в них и неплотности между электродом и корпусом электролизера). Энергия тока утечки расходуется только на нагрев электролита, а не на образование водороднокислородной смеси.
В крупных электрохимических цехах, например, в производстве меди, где имеется много электролизеров, используют параллельно-последовательное включение монополярных электродов, когда несколько монополярных электролизеров (электролизных ванн) соединяют последовательно (Прикладная электрохимия / Учебник для вузов под ред. А.П.Томилова. М.: Химия, 1984. Стр.38-39). При этом каждый электролизер установлен в отдельном корпусе или отделен от другого электролизера общей для них диэлектрической стенкой. Применительно к электролизно-водным генераторам реализация и этой схемы подключения делает электролизер неприемлемо громоздким.
Предлагается электролизер для получения водородно-кислородной смеси, в котором большинство электродов - монополярные, а остальные - биполярные. Электролизер может быть фильтр-прессным или ящичным и содержит плоские или рельефные параллельные электроды с отверстиями или пазами для прохода газа и электролита. Зазоры между электродами одинаковы и заполнены электролитом, а к крайним электродам подведен электрический ток. Электроды соединены между собой токоведущими шинами в блоки, два крайних из которых содержат по n+1, остальные - по 2n+1 электродов, где n - натуральное число. При этом средний электрод каждого блока с 2n+1 электродами размещен между двумя смежными блоками электродов, а остальные 2n этого блока - в середине зазоров между электродами смежных блоков, не соприкасаясь с их токоведущими шинами.
В результате средние электроды блоков с 2n+1 электродами являются биполярными, все остальные - монополярными, а электролизер в целом представляет собой последовательно соединенные монополярные электролизеры, в каждом из которых 2n+1 электролизных ячеек. Перегородками, отделяющими каждый такой монополярный электролизер от смежных, являются биполярные электроды.
Число блоков электродов выбирают сообразно напряжению источника питания электролизера, а число электродов в блоке - по току, на который рассчитывают электролизер.
Схематическое изображение описываемого электролизера для n=2 и семи блоков с 2n+1 электродами изображено на чертеже.
Как видно из чертежа, электролизер содержит пакет электродов 1 с электролитом 2 между ними. К крайним электродам подключены токоподводы 3 и 4. Электролизер может быть фильтр-прессным или ящичным. В электродах имеются отверстия или пазы для прохода газа и электролита (на чертеже не показаны). Электроды в пакете могут быть плоскими или рельефными в них. Электроды соединены токоведущими шинами 5 в блоки I-IX. Два крайних блока (I и IX) содержат по 3 электрода, остальные - по 5 электродов. Средние электроды блоков II-VIII являются биполярными и делят пакет электродов на восемь последовательно соединенных монополярных электролизеров по 5 ячеек в каждом (границы монополярных электролизеров показаны на чертеже пунктиром).
Технический эффект предложенного изобретения - многократное уменьшение площади (диаметра) каждого отдельного электрода в электролизерах, рассчитанных на токи порядка 100 А и более, что, в свою очередь,
1) облегчает обеспечение безопасности электролизеров для получения водородно-кислородной смеси, как сосудов, работающих под давлением,
2) позволяет сделать электролизеры производительностью 1500 литров/час и более водородно-кислородной смеси столь компактными, что «Правила проектирования и эксплуатации сосудов, работающих под давлением» не распространяются на них,
3) значительно сокращает выделение тепла по сравнению с биполярными электролизерами с таким же числом ячеек, так как потери тока на утечку в обход электродов при прочих равных сокращаются в 2n+1 раз,
4) позволяет облегчить циркуляцию электролита через электролизер, так как в монополярных электродах увеличение площади отверстий для протекания электролита не приводит к росту потерь тока и тепловыделения за счет утечки тока в обход электродов.
В соответствии с предложенным, были изготовлены электролизеры для получения водородно-кислородной смеси мощностью 3,0, 7,5 и 15,0 кВА. Испытания этих электролизеров подтвердили работоспособность питания электродов по предложенной схеме и все изложенные выше преимущества такого питания. В частности, тепловыделение сократилось в несколько раз по сравнению с тепловыделением биполярных электролизеров такой же производительности по водородно-кислородной смеси.