Спосіб та електролізер для одержання водню та кисню електролізом водного розчину електроліту (варіанти)

Взаємозв'язана група винаходів відноситься до технології і пристроїв для одержання водню і кисню шляхом електролізу водного розчину електроліту для використання їх в якості енергетичної сировини для паливно-енергетичного комплексу, в промисловості, автомобільному транспорті та комунальному господарстві, при максимальному дотриманні екологічних норм та вимог захисту природного середовища. Відомий спосіб та пристрій, що був описаний у [патенті Російської Федерації №2034933, індекс МПК С25В1/02], який виконується в установці, що складається з живильної ємності і електролізера, що містить кінцеві електроди, проміжні пористі аноди і катоди, розміщені між ними сепараційні перегородки і канали для відводу газів і включає подачу води в електролізер, підведення води до пористих анодів і відбір одержаних газів. Подачу води в електролізер ведуть по каналу для відводу газів і підведення води до пористих анодів через їхню торцеву поверхню. Подачу води в електролізер ведуть по обох каналах для відводу газів. Пристрій для електролізу води, що складається з живильної ємності і електролізера, що включає кінцеві електроди, проміжні пористі аноди і катоди, розміщені між ними сепараційні перегородки, канали для відводу газів і ущільнювальні елементи, торцева поверхня пористих анодів з'єднана з одним каналом для відводу газів, а торцева поверхня пористих катодів з іншим каналом для відводу газів і один з каналів для відводу газів з'єднаний з живильною ємністю. Причинами, які перешкоджають одержанню необхідного технічного результату, є неможливість послабити міжмолекулярні зв'язки, так як електроліт знаходиться у внутрішніх порожнинах пористих електродів, неможливість перервати рекомбінацію іонів та зменшити затрачену на іонізацію та сепарацію іонів енергію, в зв'язку з великими витратами її на рекомбінацію іонів, окислення та відновлення продуктів електролізу, а відсутність процесів деіонізації, каталітичної очистки призводить до додаткового зменшення коефіцієнта корисної дії. Найбільш близьким с спосіб одержання кисню та водню, описаний в [патенті Російської Федерації №2010890, індекси МПК С25В1/12, С25В1/02], що включає деіонізацію живильної води, готування на її основі розчину лугу, електролітичне розкладання лугу під тиском з одержанням кисню і водню, їхнє каталітичне очищення і наступну осушку, а з метою підвищення чистоти газів, один з отриманих газів поділяють на два потоки, перший з яких у кількості 0,75-0,95 загального продукту під тиском 1-2,5МПа подають споживачу, а другий, у кількості 0,05-0,25 загального продукту підтиском (0,105-0,125)МПа, подають на продувку деіонізованої живильної води. Перед продувкою потік газу під тиском (0,13-0,16)МПа подають на регенерацію осушувана. Спільними суттєвими ознаками є те, що відомий спосіб одержання водню та кисню електролізом водного розчину електроліту, виконується з використанням деіонізації, дисоціації, каталітичної обробки, очистки газів, заповнення водою з електролітом камери дисоціації, анодної та катодної камер. Причинами, які перешкоджають одержанню необхідного технічного результату, є відсутність дій по послабленню міжмолекулярних зв'язків, неможливість перервати рекомбінацію іонів та зменшити затрачену на іонізацію та сепарацію іонів енергію, підвищені витрати енергії на окислення та відновлення газів, у зв'язку з малою швидкістю руху іонів в електроліті, підвищені витрати енергії на окислення та відновлення газів, що в сукупності призводить до зменшення коефіцієнта корисної дії, збільшення енерговкладу за рахунок витрат на продувку. Найбільш близьким по конструкції до електролізера для одержання кисню та водню є генератор водню, описаний в [авторському свідоцтві СРСР №1435664, МПК4 С25В1/12], по якому пристрій включає електролізер з патрубками введення і відбирання води, розділений іонообмінними мембранами на анодні і катодні камери, сепаратори анодних і катодних продуктів, з'єднані трубопроводами з відповідними камерами електролізера, деіонізатор і патрон-осушувач, причому сепаратори анодних і катодних продуктів виконані у вигляді камери, розділеної перегородкою з фільтруючим елементом, розташованим під гострим кутом до поверхні рідини в катодному сепараторі. Спільними суттєвими ознаками є те, що відомий електролізер для одержання водню та кисню з води включає анодну та катодну камери, що з'єднані трубопроводами з камерами деіонізації та осушення. Причинами, які перешкоджають одержанню необхідного технічного результату, є відсутність дій попослабленню міжмолекулярних зв'язків, неможливість перервати рекомбінацію іонів та зменшити затрачену на іонізацію енергію, великі витрати енергії в іонообмінній мембрані на сепарацію іонів, відсутня можливість підвищити рівень збудження іонів. Найбільш близьким по конструкції електролізером з сепарацією іонів без мембрани є відомий пристрій, що був описаний у [патенті Російської Федерації №2092614 індекс МПК С25В1/02], по якому, електролізер для розкладу води у присутності фонового електроліту, що містить аноди і катоди, розділені ізолюючою неелектропровідною перегородкою з утворенням анодних і катодних камер з додатково встановленими парами електродів з оксиду рутенію, з'єднаних між собою, розміщених у сусідніх анодних і катодних камерах і встановлених з можливістю переміщення. Причинами, які перешкоджають одержанню необхідного технічного результату, є відсутність процесу деіонізації відпрацьованого електроліту, що призводить до підвищеної рекомбінації та перенасичення електроліту в камерах іонами протилежного знаку, що призводить до підвищених витрат енергії на деіонізацію, також підвищені витрати енергії на розсіювання у зовнішнє середовище. Метою групи винаходів є спосіб та пристрої для одержання водню та кисню з мінімальними витратами електроенергії, з усуненням нераціональних витрат енергії теплової, електричної, хімічної, затраченої на іонізацію, на сепарацію, енергії окислення та відновлення, забезпечення прискорення процесів, зменшення витрат за рахунок обмеження рекомбінації іонів та атомів молекул газів. Поставлені завдання вирішуються тим, що спосіб одержання водню та кисню електролізом водного розчину електроліту, виконується з деіонізацією, дисоціацією електроліту, каталітичній обробці, очистці газів, заповненням водним розчином електроліту камери дисоціації, анодної та катодної камер, при виконанні процесу підтримується однакова температура у всіх камерах, а процеси виконують у такий замкнутій послідовності дій: водний розчин електроліту дисоціюють в камері дисоціації води та насосом подають через фільтр і каталізатор холодного водного розчину електроліту на електроди катода і анода через канал сепарації іонів на аніони та катіони градієнтним полем, що створюється джерелом живлення постійної напруги, після якого розділені потоки катіонів в катодній камері, а аніонів в анодній камері підвергають додатковому підвищенню рівня збудження аніонів та катіонів, в розділених потоках світловим опроміненням, розташованою під перегородкою між анодною та катодною камерами лампою, що випромінює в ультрафіолетовому спектрі та додатковим електроградієнтним полем прискорювача, монополярні електроди якого розташовані в анодній та катодній камерах на крайніх дальніх стінках у напрямку анод-катод і підключені до постійної напруги. Потім збуджений потік аніонів пропускають через зону розташування анодів, а потік катіонів - через зону розташування катодів, а потім виконують відбір відпрацьованого водного розчину електроліту з верхніх шарів електроліту встановленими нарівні поверхні електроліту забірниками та подають насосом на змішування та деіонізацію водного розчину електроліту у фільтрі та каталізаторі гарячого водного розчину електроліту, потім виконують подачу розігрітого в процесі електролізу водного розчину електроліту до камери дисоціації, з передачею тепла в камеру дисоціації, так як фільтри, каталізатори та трубопроводи знаходяться у камері дисоціації та омиваються водним розчином електроліту. Таким чином процес циркуляції водного розчину електроліту замкнувся і повторюється з заданою циклічністю, при якій електроліт відновлюється, а вода поповнюється з зовнішнього джерела через фільтр та каталізатор гарячого режиму. В анодній і катодній камерах виконується відбір та осушення водню та кисню по своїх трубопроводах. Суттєвими ознаками ,які характеризують заявлений спосіб, є: одержання водню та кисню електролізом водного розчину електроліту, що включає деіонізацію, дисоціацію, каталітичну обробку, очистку газів, заповнення водним розчином електроліту камери дисоціації, анодної та катодної камер. Спочатку електроліт дисоціюють в камері дисоціації води та подають через фільтр і каталізатор холодного водного розчину електроліту, на основні електроди катода і анода через канал сепарації іонів на аніони та катіони градієнтним полем, після якого роздільні потоки катіонів в катодній камері, а аніонів в анодної камері, підвергають додатковому підвищенню рівня збудження, світловим опроміненням розділених потоків та додатковим електроградієнтним полем прискорювача, збуджений потік аніонів пропускають через зону розташування анодів, а потік катіонів - через зону розташування катодів, а потім виконують відбір відпрацьованого водного розчину електроліту з верхніх шарів електроліту, його деіонізацію у фільтрі та каталізаторі гарячого водного розчину електроліту, подачу до камери дисоціації, з передачею тепла в камеру дисоціації. Постійно виконується відбір та осушення водню та кисню по своїх трубопроводах. Градієнтне поле в каналі сепаратора іонів забезпечують постійною напругою на електродах сепаратора, а додаткове градієнтне поле прискорювача забезпечують постійною напругою на електродах прискорювача. Світлове опромінення виконують в ультрафіолетовому спектрі. На відміну від прототипу виконують наступні процеси в такій послідовності: спочатку водний розчин електроліту дисоціюють в камері дисоціації води та подають через фільтр і каталізатор холодного водного розчину електроліту на основні електроди катода і анода через канал сепарації іонів на аніони та катіони градієнтним полем, після якого розділені потоки катіонів в катодній камері, а аніонів в анодній камері, додатково збуджують, в розділених потоках світловим опроміненням та додатковим електроградієнтним полем прискорювача, збуджений потік аніонів пропускають через зону розташування анодів, а потік катіонів - через зону розташування катодів, а потім виконують відбір відпрацьованого водного розчину електроліту з верхніх шарів електроліту, його деіонізацію у фільтрі та каталізаторі гарячого водного розчину електроліту, подачу до камери дисоціації, а з анодної і катодної камер постійно виконується відбір та осушення водню та кисню по своїх трубопроводах. Градієнтне поле в каналі сепаратора іонів забезпечують постійною напругою на електродах сепаратора, а додаткове градієнтне поле прискорювача забезпечують постійною напругою на електродах прискорювача. Світлове опромінення виконують в ультрафіолетовому спектрі. Поставлене завдання конструкції пристрою вирішується так: електролізер для одержання водню та кисню з водного розчину електроліту, що включає розташовані в спільному корпусі анодну та катодну камери, що з'єднані трубопроводами з камерами деіонізації та осушення, в якому анодна камера від катодної відділена електроізоляційною перегородкою, що не доходить до дна спільного корпусу, в анодній та катодній камерах розташовані монополярні електроди, анод та катод до них під'єднана камера дисоціації, яка додатково з'єднана з анодною та катодною камерами через фільтр, каталізатор холодного водного розчину електроліту і сепаратор іонів, а анодна і катодна камери, також через забірники відпрацьованого водного розчину електроліту, з верхніх шарів електроліту у анодній та катодній камерах, фільтр деіонізатор та каталізатор гарячого водного розчину електроліту з'єднані з камерою дисоціації, також верхня частина анодної і катодної камер під'єднана до елементів прийому та передачі кисню та водню. На крайніх дальніх стінках у напрямку анод-катод в анодній та катодній камерах розташовані додаткові монополярні електроди прискорювача, які підключені до джерела постійної напруги. На трубопроводах подачі електроліту встановлені насоси, на трубопроводах подачі кисню та водню - фільтри осушення, запірні клапани та манометри. Фільтри, каталізатори та основна частина їх трубопроводів розташовані в камері дисоціації безпосередньо в електроліті. Поставлені завдання конструкції електролізера з сепаратором іонів, в який входять основні та додаткові електроди в анодній та катодній камерах, відділених між собою перегородкою, та додаткові камери вирішується так: анодна камера від катодної відділена ізоляційною перегородкою, що не доходить до дна сумісного корпусу, а додаткові монополярні сепараторні електроди розташовані нижче низу перегородки під гострим кутом один відносно другого, під гострим кутом відносно поверхні електроліту і частково перекривають один одного в горизонтальній площині, електроди розташовані на пластинах, які встановлені з можливістю обмежування потоку електроліту, а під перегородкою, що розділяє анодну камеру від катодної виконаний вихід з каналу утвореному пластинами, що обмежують потік, також на з'єднанні обмежувачів потоку виконані отвори з можливістю впуску електроліту з додаткової камери дисоціації. В кожному електроді та в пластині, що обмежують потік виконані перфораційні отвори. Електроди закріплені на пластинах через прокладки з електроізоляційного матеріалу. Таким чином, представлений спосіб та конструкція дозволяє виготовити електролізер для одержання водню та кисню з мінімальними витратами електроенергії, з усуненням нераціональних витрат енергії теплової, електричної, хімічної, затраченої на іонізацію, на сепарацію, енергії окислення та відновлення, з забезпеченням прискорення процесів електролізу. Зменшення витрат, за рахунок обмеження рекомбінації іонів та атомів і молекул газів, досягається розділенням іонів на свої потоки і подальші дії в роздільних камерах. Зменшення витрат електроенергії досягається за рахунок оптимального вибору напруги і забезпечення її достатності додатковим впливом на електрохімічні процеси, наприклад опроміненням, дією градієнтного поля, підвищенням електропровідності, що забезпечується описаною конструкцією. Прискорення процесів забезпечується розташуванням елементів, що підвищують електропровідність та примусовими направленими потоками електроліту з активними процесами деіонізації та повторної дисоціації. На Фіг.1 показана схематично конструкція електролізера; На Фіг.2 показаний переріз А-А; На Фіг.3 показана блок-схема процесу; При виконанні робіт по доведенню до промислової придатності електролізера був виготовлений електролізер з загальними габаритами сумісного корпусу анодної, катодної камер та камери дисоціації: довжина 800мм., ширина 400мм. і висота 200мм. Заповнили водою з фоновим електролітом їдкого калію, камеру дисоціації 4, подали електроліт в анодну 2 та катодну 3 камери до забезпечення однакового рівня. Проводили експерименти, при яких в першому варіанті були виконані усі процеси у заявленій послідовності: - подали напругу на анод 33 та катод 34; - електроліт, що дисоціювався в камері дисоціації 4, через збірник 7 подали насосом 8 через фільтр 9 і іонізацію в каталізаторі холодного водного розчину електроліту 10, по трубопроводу 11 в канал сепарації іонів 12 на аніони та катіони градієнтним полем , забезпечили його постійним струмом напругою 30В на електродах 13 і 14 сепаратора; - розділені потоки катіонів в катодній камері 3, а аніонів в анодної камері 2, підвергли додатковому підвищенню рівня збудження, світловим опроміненням лампою 37, що випромінює ультрафіолетові промені та додатковим електроградіснтним полем прискорювача, же забезпечили постійним струмом напругою 50В на електродах 25,26; - збуджений потік аніонів пропустили через зону розташування анода 33, а потік катіонів-через зону розташування катода 3 4, відібрали насосом 21 відпрацьований водний розчин електроліту з верхніх шарів електроліту, виконали його очистку і деіонізацію у фільтрі 22 та каталізаторі гарячого водного розчину електроліту 23, подали гарячий розчин до камери дисоціації 4, з передачею тепла в камеру дисоціації, так як фільтри 9,22, каталізатори 10,23 та основна частина їх трубопроводів розташовані в камері дисоціації 4; Протягом всього процесу виконували заміри енерговитрат та виходу кисню і водню. Проводили експерименти, в яких був вилучений будь-якій з заявлених процесів і виявили: - якщо відключити електроди сепаратора іонів то, у зв'язку з переповненням анодної та катодної камер іонами протилежного заряду, підвищується рекомбінація іонів питомий вихід водню та кисню на затрачену електроенергію падає; - якщо водний розчин електроліту не подавати через фільтр 9 і каталізатор холодного водного розчину електроліту 10, або не виконувати деіонізацію у фільтрі 22 та каталізаторі гарячого електроліту 23, то розчин в анодній та катодній камерах перегрівається, вихід продуктів водню і кисню зменшується, оскільки потрібні для процесу іони вже використані, а камери заповнені іонами протилежного знаку; - якщо не подавати напругу на електроди прискорювача 25, 26 то густина електричного струму в анодній та катодній камерах зменшується, в результаті зменшується вихід кисню та водню; - якщо не включати лампу ультрафіолетового опромінення, то зменшується густина електричного струму в анодній та катодній камерах, зменшується вихід кисню та водню, розчин перегрівається; - якщо напруга на електродах сепаратора іонів перевищує 35В, а на електродах прискорювача 65В, то заміри показали необґрунтовану перевитрату електроенергії, до того ж знизилась хімічна чистота продуктів виходу - водню та кисню; - якщо напруга на електродах сепаратора іонів нижча 25В, а на електродах прискорювача нижче 50В то недостатня напруженість поля не забезпечує сепарацію іонів та їх подачу з прискоренням на електроди 33, 34 анодної та катодної камери, що призводить до переповнення анодної та катодної камер іонами протилежного заряду, зменшується вихід кисню та водню, розчин перегрівається. Як кращий варіант конкретного електролізера, показаний електролізер з сепаратором іонів заявленим у п.8 формули, але сепарація може бути забезпечена і іншим способом та пристроєм, що забезпечує необхідне градієнтне поле, наприклад, електромагнітним полем, що теж підпадає під захист формули винаходу. Електролізер для одержання водню та кисню з водного розчину електроліту включає спільний корпус 1 з електроізоляційного матеріалу, в якому знаходиться анодна камера 2, катодна камера 3 та камера дисоціації 4. Анодна камера від катодної відділена електроізоляційною перегородкою 5, що не доходить до дна сумісного корпусу 1. Камера дисоціації 4 відділена герметичною електроізоляційною перегородкою 6 та з'єднана з анодною камерою 2 та катодною камерою 3 через прийомник відпрацьованого водного розчину 7, насос 8, фільтр 9, каталізатор холодного водного розчину електроліту 10, через трубопровід 11, сепаратор іонів 12, в якому монополярні електроди 13 та 14 розташовані нижче низу перегородки 5, під гострим кутом один відносно другого, під гострим кутом відносно поверхні електроліту, частково перекривають один одного в горизонтальній площині. Електроди закріплені на пластинах 15 та 16, виготовлених з електропровідного матеріалу, через прокладку з електроізоляційного матеріалу 17 та підключені до джерела постійного струму напругою 25-35В. Під перегородкою 5, що розділяє анодну камеру 2 від катодної З, зроблено вихід з каналу в анодну і катодну камери, який утворюється пластинами 15 та 16 і обмежує потік водного розчину з камери дисоціації. На з'єднанні обмежувачів потоку 15 та 16 виконані отвори 18, до яких під'єднані трубопроводи 11 по яких водний розчин електроліту з камери дисоціації 4 подається для сепарації іонів. У електродах 13 і 14 та в пластинах 15 і 16 по течії потоку виконані наскрізні перфораційні отвори. Анодна 2 і катодна З камери з'єднані з камерою дисоціації 4 через забірники відпрацьованого електроліту 19 та 20 ,через насос 21, фільтр деіонізатор 22, каталізатор гарячого водного розчину електроліту 23, трубопровід 24. Монополярні електроди прискорювача 25 та 26 підключені до постійного струму 60 В. Фільтри 9 і 22, каталізатори 10 і 23 та основна частина їх трубопроводів розташовані в камері дисоціації 4, але для наочності вони показані в схематичному вигляді за межами камери. До верхньої кришки 27 під'єднані трубопроводи для виведення водню та кисню. На трубопроводах встановлені фільтр осушення 28, манометр 29 та запірний клапан ЗО для водню, та манометр 31 та клапан 32 для кисню. Електродні пластини аноду 33 та катоду 34 з'єднані в блоки, які закріплені на стінках корпусу 1 та підключені до джерела постійного струму. Для поповнення електролізера водою запірний клапан 35 та фільтр 36 підключені до каталізатора гарячого водного розчину електроліту 23. Лампа ультрафіолетового випромінювання 37 встановлена в нижній частині перегородки 5 перпендикулярно до пластин аноду 33 та катоду 34, і забезпечує опромінення всього об'єму анодної та катодної камер і проміжок між пластинами анода та катода. Насоси 8 та 21 приводить в дію електродвигун 38. Напруга на електродах та вибір електроліту залежать від необхідної продуктивності та габаритів електролізера. Працює електролізер так: заповнюється водою з фоновим електролітом, наприклад, їдким калієм, камера дисоціації 4, насосом 8 подається водний розчин електроліту в анодну 2 та катодну 3 камери до забезпечення однакового рівня. Подається електрична напруга на анод 33, та катод 34, електроди сепаратора іонів 13,14, електроди прискорювача 25, 26, лампу ультрафіолетового опромінення 37, електродвигун 38 насосів 8 та 21. Починається замкнений цикл послідовних дій. Водний розчин електроліту, що дисоціювався в камері дисоціації 4, подається насосом 8 через фільтр 9 і каталізатор холодного водного розчину електроліту 10, по трубопроводу 11 в канал сепарації іонів 12, в якому іони поділяються на аніони та катіони градієнтним полем. Через перфораційні отвори на електроді 13 та пластині обмежувача 15 іони водню Н+ поступають в катодну камеру на пластини катоду 34, а іони гідроксильної групи через перфораційні отвори в електроді 14 та обмежувачі 16 проходять в анодну камеру на пластини аноду. Прискорення переміщення іонів забезпечується швидкістю подачі свіжого електроліту з камери дисоціації та електроградієнтним полем прискорювача на електроди якого 25, 26 подана напруга 60В. Лампа 37 опромінює потік однополярних іонних розчинів, що в розділених потоках переміщуються в напрямку аноду 33, та катоду 34 енергія необхідна для відновлювальних та окислювальних реакцій іонів в атомарні гази зменшується. На аноді та катоді 33, 34 іони відновлюються та окислюються. Потоки іонізованого водного розчину електроліту направлений від сепаратора іонів до забірників відпрацьованого водного розчину електроліту 19,20 прискорює переміщення іонів вздовж площини пластин анода та катода. Атомарні гази з анодної і катодної камер відбираються та направляються по призначенню. Відпрацьований водний розчин електроліту насосом 21 через забірники 19,20, фільтр 22 та каталізатор 23, в яких потоки з анодної та катодної камер, що мають надлишок іонів різної полярності деіонізуються, передає тепло в камеру дисоціації, так як фільтри 9,22, каталізатори 10,23 та основна частина їх трубопроводів розташовані в камері дисоціації 4. Відпрацьований водний розчин попадає в камеру дисоціації, де дисоціюється та знову подається для електролізу в катодну і анодну камери. Поповнення електролізеру водою виконують через запірний клапан 35, фільтр 36, каталізатор 23 по трубопроводу 24. Заміри, що були виконані при експерименті, показали, що на одержання 1м3 водню та 0,5 м3 кисню потрібно 1,6 кіловат в годину електроенергії.