АППАРАТ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ
WATER HIGH-TEMPERATURE ELECTROLYSIS APPARATUS

Изобретение относится к области высокотемпературной электрохимии, точнее к устройствам для разложения (электролиза) воды в высокотемпературных электрохимических устройствах с твердым электролитом, например, на основе двуокиси циркония. Изобретение может быть использовано при решении проблем водородной энергетики для получения водорода, а также в системах жизнеобеспечения для регенерации газовой среды замкнутых обитаемых объемов (космических кораблей, подводных лодок и т.п.).
Известны устройства для высокотемпературного электролиза, состоящие из разнесенных в пространстве систем для испарения воды, перегрева, конденсации, сбора водорода и кислорода, системы соединяются между собой трубопроводами. Например, патент США №3616334, опубл. в 1971 г.
Каждая из систем представляет достаточно сложное конструктивно и в эксплуатации законченное устройство, предназначенное для выполнения конкретных задач по возможности в очень широких интервалах регулирования параметров, поэтому эти устройства имеют низкие тепловые КПД и не могут быть использованы в небольших замкнутых объектах с ограниченным запасом энергии.
3
Наиболее близким техническим решение (прототипом) можно считать систему для высокотемпературного электролиза воды, предложенную в Ин-те электрохимии УНЦ АН СССР, (Тр. Ин-та электрохимии УНЦ АН СССР, вып. 26, 1978 г., стр.102, г.Свердловск), у которой при плотности тока 0,25 А и производительности 8,5 л кислорода в час суммарные электроэнергозатраты составляли 4,0 кВт·час/м кислорода.
3
3
Эта система также имеет блочную систему и ей присущи все вышеперечисленные недостатки аналогов. Использование ее в качестве локального источника кислорода и водорода является тоже достаточно сложной задачей. Достаточно сказать, что вся многочисленная система трубопроводов, подводящая и отводящая пары воды, должна перегреваться до 120÷150°С, чтобы избежать конденсации и, как следствие, увеличения сопротивления газовому потоку, подводящему пары воды к каждому электрохимическому модулю, что может привести к неравномерной подаче газа и снижению общего КПД устройства. Блочная проработка устройства увеличивает в конечном итоге его объем, вес и энергозатраты. Описываемое устройство производительностью 8,5 л кислорода при 0,25 А имело общий объем 0,12 м, вес 20 кг и общие электроэнергозатраты составляли 4,0 кВт·ч/м кислорода при разложении воды (850°С).
Целью настоящего изобретения является создание компактного аппарата для высокотемпературного электролиза воды более простого по конструкции, надежного в эксплуатации, имеющего более высокий КПД использования тепловой энергии с целью использования его в космической технике.
Указанная цель достигается благодаря изготовлению аппарата в виде концентрично соединенных тонкостенных труб и фланцев, причем источник тепла устанавливается в центральной трубе. В полости между центральной трубой и внешним пакетом труб расположены сами электролизные модули, соединенные по газу с каналами, образованными во внешнем пакете труб таким образом, что осуществляется противоток входящих и отходящих газов.
На чертеже представлена половина продольного разреза аппарата, состоящего из источника тепловой энергии 1, помещенного в центральной герметизированной трубке 2, электролизных модулей 3, соединенных по газу и току между собой и с внешним пакетом тонкостенных труб 4, которые образуют герметичные каналы для входящих и выходящих во встречном направлении газов. Чтобы не загромождать рисунка, на нем не показаны стыковка и соединение фланцев 5 и токогазоподводов модулей.
Трубы и фланцы изготовлены из жаропрочной окалиностойкой стали ЭИ-435. Толщина труб в пакете 0,1-0,5 мм. По торцам трубы сварены аргонодуговой сваркой. Электролизные модули изготовлены из батарей электрохимических устройств. Высокотемпературный твердый электролит - на основе двуокиси циркония, стабилизированной окисью скандия. Источником тепловой энергии является радиоизотопный тепловой элемент.
2
3
3
Дозированное эжектором количество воды попадает через полость во фланце и внешнюю полость пакета по каналам между трубами внешнего пакета в электролизные модули. При этом в едином устройстве нагревается, испаряется и перегревается, используя тепловую энергию кислорода, водорода и конденсирующейся воды, выходящих из электролизных модулей после разложения. Стартовый разогрев и поддержание рабочей температуры 900-1000°С осуществляют радиоизотопным тепловым элементом. Кислород и водород используют по назначению, а воду возвращают на вход прибора для разложения. Заявляемый прибор для высокотемпературного электролиза воды при 900°С и производительности 100 л кислорода в час при 0,25 А/см имеет объем 0,008 м, вес 15 кг и общие электроэнергозатраты не более 3,2 кВт·ч/м кислорода.
Аппарат для высокотемпературного электролиза воды предлагаемой конструкции совмещает воедино все необходимые для разложения системы. Благодаря этому удалось создать аппарат с увеличенной почти в 12 раз производительностью кислорода (при равных плотностях тока), у которого одновременно объем уменьшен в 15 раз, вес снижен на 25%, а общие электроэнергозатраты на 20%. Это позволяет рассматривать его приемлемым для использования в космической технике в системах жизнеобеспечения.