Електролізер для одержання водню та кисню електролізом водного розчину електроліту

1. Електролізер для одержання водню та кисню електролізом водного розчину електроліту, який містить розташовані в спільному корпусі анодну та катодну камери з електродами, під'єднаними до джерела постійної напруги, камери з'єднані трубопроводами з камерою деіонізації, анодна камера від катодної відділена електроізоляційною герметичною перегородкою, яка не доходить до дна спільного корпусу, і на ній встановлено джерело світлового випромінювання, в анодній камері розташовані монополярні електроди - анод, а в катодній - катод, камера дисоціації з'єднана з анодною та катодною камерами через сепаратор іонів градієнтним полем, також анодна і катодна камери через забірники відпрацьованого водного розчину електроліту з верхніх шарів електроліту з'єднані з камерою дисоціації, верхня частина анодної і катодної камер під'єднана до елементів прийому та C2 2 (11) 1 3 79719 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 обмін електроліту так як камери повністю відділені одна від іншої Найбільш близьким по конструкції електролізером являється електролізер описаний в заявці на [патент України №2003021661 від 25.02.03 "Спосіб та електролізер для одержання водню та кисню електролізом водного розчину електроліту"], що включає розташовані в спільному корпусі анодну та катодну камери з електродами, камери з'єднані трубопроводами з камерами деіонізації та осушення. Анодна камера від катодної відділена електроізоляційною перегородкою, що не доходить до дна спільного корпусу і на ній встановлено джерело світлового випромінювання, в анодній та катодній камерах розташовані монополярні електроди, анод та катод, камера дисоціації з'єднана з анодною та катодною камерами через фільтр, каталізатор холодного водного розчину електроліту та сепаратор іонів градієнтним полем, а анодна і катодна камери через забірники відпрацьованого водної о 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 анодкатод в анодній та катодній камерах розташовані додаткові монополярні електроди прискорювача, які підключені до джерела постійної напруги. На трубопроводах подачі водного розчину 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, камера дисоціації знаходиться в спільному корпусі з анодною та катодною камерами і відділена від них ізоляційною перегородкою. Також описаний електролізер для одержання водню та кисню з водного розчину електроліту з сепаратором іонів, в який входять анод, катод та додаткові електроди в анодній та катодній камерах, відділених між собою ізоляційною неелектропровідною перегородкою та додаткові камери , причому анодна камера від катодної відділена перегородкою, яка не доходить до дна сумісного корпуса, а додаткові монополярні електроди розташовані нижче низу перегородки під гострим кутом один відносно другого, під гострим кутом відносно поверхні електроліту і частково перекривають один одного в горизональній площині. електроди розташовані на пластинах, які встановлені з можливістю обмеження потоку водного розчину електроліту, а під перегородкою, що 4 розділяє анодну камеру від катодної, виконаний вихід з каналу, який утворений пластинами , що обмежують потік, також на з'єднанні пластин обмежувачів потоку виконані отвори з можливістю впуску водної о розчину електроліту з додаткової камери дисоціації. У кожному електроді та в пластинах виконані перфораційні отвори, пластини виконані з електропровідного матеріалу, а електроди закріплені на пластинах через прокладки з електроізоляційного матеріалу, та підключені до джерела постійної напруги. Загальними суттєвими ознаками є те що електролізер для одержання водню та кисню з водного розчину електроліту, включає розташовані в спільному корпусі анодну та катодну камери з електродами, під'єднаними до джерела постійної напруги, камери з'єднані трубопроводами з камерою деіонізації, анодна камера від катодної відділена електроізоляційною герметичною перегородкою, що не доходить до дна спільного корпусу і на ній встановлено джерело світлового випромінювання, в анодній камері розташовані монополярні електроди - анод, а в катодній - катод, камера дисоціації з'єднана з анодною та катодною камерами через сепаратор іонів градієнтним полем, також анодна і катодна. камери через забірники відпрацьованого водного розчину електроліту з верхніх шарів електроліту, з'єднані з камерою дисоціації, верхня частина анодної і катодної камер під'єднана до елементів прийому та передачі кисню та водню. Недоліками відомої конструкції є те що підвищені втрати електроенергії із-за великої відстані між анодами та катодами, які знаходяться в різних камерах. Метою винаходу є створення пристрою для одержання водню та кисню з мінімальними витратами електроенергії, з усуненням нераціональних витрат електричної та хімічної енергії, забезпечення прискорення процесів. Поставлене завдання конструкції пристрою вирішується так: електролізер для одержання водню та кисню електролізом водного розчину електроліту, включає розташовані в спільному корпусі анодну та катодну камери з електродами, під'єднаними до джерела постійної напруги, камери з'єднані трубопроводами з камерою деіонізації, анодна камера від катодної відділена електроізоляційною герметичною перегородкою, що не доходить до дна спільного корпусу і на ній встановлено джерело світлового випромінювання, в анодній камері розташовані монополярні електроди - анод, а в катодній - катод, камера дисоціації з'єднана з анодною та катодною камерами через сепаратор іонів градієнтним полем, також анодна і катодна камери через забірники відпрацьованого водного розчину електроліту з верхніх шарів електроліту, з'єднані з камерою дисоціації, верхня частина анодної і катодної камер під'єднана до елементів прийому та передачі кисню та водню. В анодній та катодній камерах між анодів та катодів встановлені додаткові електроди, які з'єднані між собою загальним провідником, який з'єднує плюсовий та мінусовий виводи двох блоків джерела живлення постійного струму інші кінці яких підключені, відповідно до аноду та катоду, один блок живлення подає стабілізовану постійну напругу міні 5 79719 мально необхідну для виділення на аноді кисню, а другий подає стабілізовану постійну напругу мінімально необхідну для виділення на катоді водню, а матеріал додаткових електродів вибраний з ряда матеріалів на яких перенапруга для водню і кисню перевищує різницю між напругами поданими на анод та катод в робочому режимі. Рівень напруги кожного блоку в робочому режимі складається, з внутрішнього падіння напруги блока живлення, опіру провідників, напруги переходу дисодійованих в камері дисоціації, розділених сепаратором та збуджених світловим випромінюванням іонів у молекули газів з урахуванням додаткової перенапруги на електродах, яка залежить від матеріалу електроду. Загальний провідник заземлений. Анод зроблений з титану, катод з губчастого графіту, а електроди, що з'єднані між собою загальним провідником - з хромо-нікелевої сталі. На відміну від прототипу суттєвими ознаками електролізера по винаходу є те що в анодній та катодній камерах між анодів та катодів встановлені додаткові електроди, які з'єднані між собою загальним провідником, який з'єднує плюсовий та мінусовий виводи двох блоків джерела живлення постійного струму інші кінці яких підключені, відповідно до аноду та катоду, один блок живлення подає стабілізовану постійну напругу мінімально необхідну для виділення на аноді кисню, а другий подає стабілізовану постійну напругу мінімально необхідну для виділення на катоді водню, а матеріал додаткових електродів вибраний з ряда матеріалів на яких перенапруга для водню і кисню перевищує різницю між напругами поданими на анод та катод в робочому режимі. Рівень напруги кожного блоку в робочому режимі складається, з внутрішнього падіння напруги блока живлення, опіру провідників, напруга переходу дисоційованих в камері дисоціації, розділених сепаратором та збуджених світловим випромінюванням іонів у молекули газів з урахуванням додаткової перенапруга на елекгродах, яка залежить від матеріалу електроду, азагальний провідник заземлений. Анод зроблений з тіпану, катод з губчастого графіту, а електроди, що з'єднані між собою загальним провідником - з хромо-нікелевої сталі. Суттєвими ознаками достатніми у всі х випадках є те, що в анодній та катодній камерах між анодів та катодів встановлені додаткові електроди, які з'єднані між собою загальним провідником, який з'єднує плюсовий та мінусовий виводи двох блоків джерела живлення постійного струму інші кінці яких підключені, відповідно до аноду та катоду, один блок живлення подає стабілізовану постійну напругу мінімально необхідну для виділення на аноді кисню, а другий подає стабілізовану постійну напругу мінімально необхідну для виділення на катоді водню, а матеріал додаткових електродів вибраний з ряда матеріалів на яких перенапруга для водню і кисню перевищує різницю між напругами поданими на анод та катод в робочому режимі. Суттєвими ознаками достатніми в окремих випадках є те, що Рівень напруги кожного блок)/ в робочому режимі складається, з внутрішнього падіння напруги блока живлення, опіру провідників, 6 напруги переходу дисоційованих в камері дисоціації, розділених сепаратором та збуджених світловим випромінюванням іонів у молекули газів з урахуванням додаткової перенапруг» і на електродах, яка залежить від матеріалу електроду. Загальний провідник заземлений. Анод зроблений з титану, катод з губчастого графітy, а електроди, що з'єднані між собою загальним провідником - з хромонікелевої сталі. Таким чином, представлена конструкція дозволяє виготовити електролізер для одержання водню та кисню з мінімальними витратами електроенергії, з усуненням нераціональних витрат енергії електричної і хімічної, з забезпеченням прискорення процесів електролізу. Зменшення витрат електроенергії досягається за рахунок оптимального вибору напруги і зменшення опіру за рахунок розташування електродів аноду і катоду на малої відстані від додаткових електродів, на яких завдяки перенапрузі, яка перевищує перенапругу на анодах і катодах, не виділяється газ з іонов протилежного знаку. Прискорення процесів також забезпечується розташуванням електродів та камер. На Фіг.1 показана схематично конструкція електролізера; На Фіг.2 показаний переріз А-А На Фіг.3 показана схема живлення електролізера. При виконанні робіт по доведенню до промислової придатності елекгролізера був виго товлений електролізер з загальними габаритами сумісного корпусу анодної, катодної камер та камери дисоціації: довжина 800мм., ширина 400мм. і висота 200мм. 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 і та забезпечує герметичне розділення камер по всій своїй висоті. 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, та фільтр 10, через трубопровід 11, сепаратор іонів 12, в якому монополярні електроди сепаратору 13 та 14 розташовані нижче низу перегородки. Електроди закріплені на пластинах 15 та і 6, виготовлених з електропровідного матеріалу, через прокладку з електроізоляційного матеріалу 17 та підключені до джерела постійного струму напругою 30В. Під перегородкою 5, що розділяє анодну камеру 2 від катодної 3, 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 з камери дисоціації 4. Анодна 2 і катодна 3 камери з'єднані з камерою дисоціації 4 через забірники відпрацьованого електроліту 19 та 20, через насос 9, фільтр деіонізатор 21, трубопровід 22. Додаткові електроди 23 розташовані між катодів 26 виготовлених з 7 79719 губчастого графіту, а додаткові електроди 24 розташовані між електродів анодів 27 виготовлених з титану, а самі додаткові електроди 23 та 24 виготовлені з хромонікелевої сталі 12Х18Н10Т. Усі електроди створені з пластин які зібрані в блоки та закріплені на стінках корпусу 1. До верхньої кришки 28 під'єднані трубопроводи для виведення водню та кисню. На трубопроводах встановлені фільтр осушення 29, манометр 30 та запірний клапан 31 для водню, та манометр 32 та запірний клапан 33 для кисню. Для поповнення електролізера водою встановлені запірний клапан 34 та фільтр 35 та підведена труба 36 до тр уби 22. Лампа ультрафіолетового випромінювання 37 встановлена в нижній частині перегородки 5 перпендикулярно до пластин аноду 27 та катоду 26, і забезпечує опромінення анодної та катодної камер і проміжка між пластинами Насоси 8 та 9 приводить в дію електродвигуни 38 та 39. Напруга на електродах та вибір електроліту в кожному випадку залежать від необхідної продуктивності, габаритів електролізера та матеріалу електродів. Схема блоку живлення аноду, катоду та додаткових електродів уявляє собою два понижуючих трансформатора 40 та 41 підключених до різних фаз перемінного струму, вторинна обмотка яких підключена до блоків випрямників 42 та 43, виходи яких послідовно підключені через катушки індуктивності 44, 45, 46, 47 та паралельно підключені конденсатори 48, 49, 50, 51. Провідник 52 під'єднаний до катоду 26, провідник 53 до аноду 27, а провідники 54 та 55 з'єднані між собою загальним провідником 56, та підключені до додаткових електродів 23 та 24. Між загальним провідником та провідником 53 підключений вольтметр 57, а між загальним провідником та провідником 52 підключений вольтметр 58. Загальний провідник 56 має відвітлення 59 для заземлення. Працює електролізер так: готовлять, 20% розчин їдкого калія в камері дисоціації 4, насосом 8 подається водний розчин електроліту в анодну 2 та катодну 3 камери до забезпечення однакового рівня. З силового джерела живлення по провідникам 52, 53, 56 подається постійна електрична напруга +1,23 В на анод 27, та - 0,9В на катод 26 через додаткові електроди 23 та 24. З блоку живлення, типової для електричних пристроїв схеми, 8 тому на схемі не показаний, подається постійна напруга 30В на електроди сепаратора іонів 13,14, 500В змінної напруги на лампу ультрафіолетового опромінення 37, 24В постійного струму на електродвигуни 38 та 39. Починається замкнений цикл послідовних дій. Водний розчин електроліту, що дисоціювався в камері дисоціації 4, подається насосом 8 через фільтр 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 26 та пластини додаткового електрода 23. а іони гідроксильної групи через перфораційні отвори в електроді 14 та обмежувачі 16 проходять в анодну камеру на пластини аноду 27 та пластини додаткового електроду 24. Прискорення переміщення іонів забезпечується швидкістю подачі свіжого електроліту з камери дисоціації, його відбором та маленькими проміжками між електродами. Лампа 37 опромінює потік однополярних іонних розчинів, що в розділених потоках переміщуються в напрямку аноду 27, катоду 26, та додаткових електродів 23 та 24, енергія необхідна для відновлювальних та окислювальних реакцій іонів в атомарні гази зменшується. На аноді 27 та катоді 26 іони відновлюються та окислюються, а додаткові електроди мають недостатній потенціал для відновлювання або окислення і забезпечують поставку електричної енергії з опіром багато нижчим ніж електроліт. Потоки іонізованого водного розчину електроліту направлені від сепаратора іонів до забірників відпрацьованого водного розчину електроліту 19, 20 прискорюють переміщення іонів та атомарніх газів вздовж площини пластин. Атомарні гази відбираються в верхній частині камер та направляються по призначенню. Відпрацьований водний розчин електроліту насосом 9 через забірники 19, 20, поступає в фільтр 21, в якому потоки з анодної та катодної камер, що мають надлишок іонів різної полярності змішуються та деіонізуються. Відпрацьований водний розчин попадає в камеру дисоціації 4, де дисоціюється та знову подається для електролізу в катодну і анодну камери. Поповнення електролізеру водою виконують через запірний клапан 34, фільтр 35 по трубопроводу 36. 9 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 79719 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601