Спосіб, апарат і система для електролізу

Реферат: Даний винахід стосується способу електролізу, електроду для електролізу, ємності для електролізу, апарата для електролізу та системи для використання електролізних газів для спалювання, зокрема для двигунів внутрішнього згоряння, наприклад поршневих або газотурбінних двигунів, де електрод для електролізу примусово вібрує з певною частотою вібрації, а електрична напруга на електроді для електролізу коливається з частотою нижчої гармоніки вказаної частоти вібрації. UA 107785 C2 (12) UA 107785 C2 UA 107785 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Цей винахід стосується способу електролізу, апарату для електролізу та системи для застосування електролізних газів для спалювання, зокрема для двигунів внутрішнього згоряння, наприклад поршневих та газотурбінних двигунів. Вже певний час відомо, що з води шляхом електролізу можна одержувати водень і кисень або їх стехіометричну суміш (яка далі буде називатись газом Брауна або гримучим газом). Певний час тому вже пропонувалось для здійснення такого електролізу використовувати електричний струм від відновлювальних джерел енергії, щоб у такий спосіб мати змогу застосовувати водень, утворюваний при електролізі, в якості відновлювального палива. Досі ці пропозиції мали обмежений успіх, головним чином через низьку ефективність існуючих апаратів для електролізу. В китайській патентній заявці CN 1 363 226 А для підвищення ефективності процесу електролізу у відношенні виділення газу з рідкого електроліту щонайменше на одному використовуваному для електролізу електроді під електричною напругою було запропоновано примусово вібрувати вказаний електрод з певною частотою коливань. Завдяки цій примусовій вібрації бульбашки газу, які утворюються на використовуваному для електролізу електроді, швидше відриваються від нього. У такий спосіб ефективна поверхня електроду суттєво не зменшується бульбашками газу і може підтримуватись оптимальний електронний обмін між поверхнею електроду і рідким електролітом. Метою даного винаходу є подальше підвищення вказаної ефективності. Згідно з щонайменше одним варіантом здійснення цього винаходу, це досягається тим, що згадувана електрична напруга на використовуваному для електролізу електроді коливається з частотою нижчої гармоніки вказаної резонансної частоти. Таке гармонічне коливання напруги на електроді взаємодіє з його вібрацією, ще більше підвищуючи ефективність електролізу. Вібрація очевидно впливає також на самі молекули рідини і неочікувано підвищує ефективність електролізу за рахунок зіткнень між молекулами. Переважно використовуваний для електролізу електрод вібрує з резонансною частотою. Як результат, ці два ефекти посилюються ще більше і ефективність електролізу стає ще вищою. Переважно вказаний рідкий електроліт містить воду, так що вказаний газ, що відділяється, є горючим газом, який містить водень. Як результат, з води можна отримувати економічне паливо з високою ефективністю. Переважно такий горючий газ, що містить водень, спалюється, і гарячі відпрацьовані гази, які утворюються при спалюванні, попередньо нагрівають рідку воду та/або горючий газ, що містить водень. Завдяки такому використанню регенеративного тепла може підвищуватись ефективність як електролізу, так і спалювання. Даний винахід стосується також апарату для електролізу, який включає: а) ємність для електролізу з щонайменше однією парою суттєво однакових електродів, кожний з яких виготовлений з електропровідного матеріалу, має електричний контакт для з'єднання з електролітичним контуром і п'єзоелемент з двома електричними контактами для з'єднання з окремим контуром вібрації, б) електролітичний контур, з'єднаний з вказаними електродами, де кожний з двох електродів пари електродів є з'єднаним з цим контуром з оберненою полярністю, і в) контур вібрації, з'єднаний з вказаними п'єзоелементами, де вказаний контур вібрації має регулятор для контролю вихідної напруги в залежності від частоти вібрації, а вказаний електролітичний контур є також з'єднаним з вказаним регулятором для контролю вихідної напруги електролітичного контуру з частотою нижчої гармоніки вказаної частоти вібрації. Переважно вказаний регулятор може бути регулятором ширини (тривалості) імпульсів. Переважно вказана частота вібрації може бути резонансною частотою. Переважно вказаний апарат для електролізу оснащується підводом електроенергії від джерел відновлювальної енергії, щоб у такий спосіб зменшити споживання викопних видів палива і пов'язаний з цим парниковий ефект. Даний винахід стосується також системи спалювання, яка містить вказаний апарат для електролізу, пристрій для спалювання і газопровід між апаратом для електролізу і пристроєм для спалювання для підведення горючого електролітичного газу до пристрою для спалювання. Як результат, електрична енергія за певних обставин може ефективно перетворюватись на теплову енергію. Переважно вказаний газопровід містить запобіжний барботер. Це дозволяє уникнути пошкодження апарату для електролізу внаслідок зворотного спалаху від пристрою для спалювання. 1 UA 107785 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Переважно вказаний газопровід містить також односторонній клапан, встановлений перед запобіжним барботером. Це дозволяє уникнути зворотного руху рідини від запобіжного барботеру в напрямі апарату для електролізу в разі негативного тиску в останньому. Переважно система для спалювання має також резервуар для зберігання електролізного газу, з'єднаний з вказаним газопроводом. Як результат, електролізний газ може запасатись, щоб бути використаним під час високого навантаження на пристрій для спалювання. Переважно система для спалювання має також випускний трубопровід, сполучений з системою для спалювання, з щонайменше одним теплообмінником, з'єднаним з газопроводом та/або резервуаром для зберігання електролізного газу. Як результат, горючий електролізний газ та/або резервуар для зберігання електролізного газу можуть попередньо нагріватись за рахунок регенерації тепла газів, що утворюються внаслідок спалювання. Переважно вказаний пристрій для спалювання є двигуном внутрішнього згоряння, переважно поршневим або газотурбінним двигуном. Як результат, електрична енергія за певних обставин може ефективно перетворюватись на механічну енергію. Далі запропонований винахід буде описаний докладно з посиланням на наступні малюнки: На Фіг. 1 схематично представлений використовуваний для електролізу електрод у відповідності до одного варіанту здійснення даного винаходу. На Фіг. 2 схематично представлений апарат для електролізу у відповідності до одного варіанту здійснення даного винаходу з парою електродів для електролізу, таких як показаний на Фіг. 1. На Фіг. 3 схематично представлена система для спалювання у відповідності до одного варіанту здійснення даного винаходу, яка включає апарат для електролізу, такий як показаний на Фіг. 2, і двигун внутрішнього згоряння. Використовуваний для електролізу електрод 1, показаний на Фіг. 1, являє собою тонкий пластинчастий електрод з нержавіючої сталі з електричним контактом 2 і п'єзоелементом 3, приєднаним до поверхні електроду за допомогою адгезиву, що має властивості ізолятору. Цей п'єзоелемент 3 містить п'єзоелектричний керамічний диск 4 з першим електричним контактом 5 центрального розміщення і зовнішнє мідне кільце 6 навколо керамічного диску 4 з другим електричним контактом 7. Це дозволяє викликати вібрацію п'єзоелемента 3, подаючи змінну напругу між контактами 5 і 7, яка діє на весь електрод 1, зокрема коли частота цієї напруги є резонансною частотою цього електроду. В апараті для електролізу, показаному на Фіг. 2, закрита ємність 8 для електролізу, що містить рідкий електроліт 9, в даному випадку морську воду, має одну або більше пар суттєво однакових електродів 1 того типу, який показано на Фіг. 1. Кожний електрод 1, відповідно, оснащений приєднаним до нього п'єзоелементом 3. Контакти 5 і 7 п'єзоелементу 3 з'єднані хімічно стійким кабелем з контуром 10 вібрації в модулі 11 управління для забезпечення активації вказаного п'єзоелемента 3 резонансною частотою. В кращому варіанті здійснення цього винаходу контур 10 вібрації містить кристал для встановлення частоти, контур фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) для підтримання оптимальної резонансної частоти без ручного регулювання і котушку самоіндукції для забезпечення пульсуючої вихідної напруги. Контакти 2 електродів 1, в свою чергу, з'єднані з електролітичним контуром 12 модулю 11 управління. Сам електролітичний контур 12 з'єднаний з контуром 10 вібрації для прикладання напруги з регульованою тривалістю імпульсу між електродами 1 кожної пари електродів, причому частота цієї напруги з регульованою тривалістю імпульсу є частотою нижчої гармоніки, синхронізованою з резонансною частотою контуру вібрації. При використанні, за допомогою п'єзоелемента 3, резонансна частота на електродах 1 встановлюється такою, щоб через електроди 1 ця частота передавалась молекулам води. Електроліз води підтримується прикладанням напруги з регульованою тривалістю імпульсу до електродів 1. В Таблиці 1 наведені параметри тестованого зразка такого апарату для електролізу з дископодібними електродами діаметром 130 мм і товщиною 1 мм: Таблиця 1 Параметри електролізу Контур 10 вібрації Частота [МГц] Вихідна напруга [В] 2,24 70-120 Електролітичний контур 12 Частота [КГц] Вихідна напруга [В] 22,4 2,2 2 UA 107785 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На Фіг. 3 показана система спалювання, в якій електролітичний газ, утворений в ємності 8 для електролізу, може бути використаний в якості палива для пристрою для спалювання, в даному випадку для двигуна 13 внутрішнього згоряння. Ємність 8 для електролізу в цьому варіанті здійснення даного винаходу з міркувань безпеки містить також датчик 14 тиску, клапан 15 надлишкового тиску і датчик 16 рівня електроліту. Датчик 14 тиску контролює внутрішній тиск в ємності 8 для електролізу і з'єднується з модулем 11 управління через модуль 26 управління двигуном з метою припинення електролізу, коли внутрішній тиск стає надто високим. Клапан 15 надлишкового тиску також встановлюється для попередження підвищення внутрішнього тиску вище небезпечного рівня. Датчик 16 рівня електроліту також з'єднується з модулем 26 управління двигуном для активації подачі електроліту по трубопроводу 17, коли рівень електроліту падає нижче встановленого рівня. Цей трубопровід 17, як показано, сполучає ємність 8 для електролізу з резервуаром 18 для електроліту і має насос 19, з'єднаний з модулем 26 управління і одностороннім клапаном, так що при використанні рівень електроліту в ємності 8 для електролізу залишається вищим електродів 1. Ємність 8 для електролізу сполучається з двигуном 13 внутрішнього згоряння газопроводом 20, по якому електролітичний газ може подаватись у двигун 13 внутрішнього згоряння. Сполученими з газопроводом 20 є односторонній клапан 21, клапан 22 з електронним управлінням, запобіжний барботер 23 та вакуум-насос 24 з приводом від мотору без вугільних щіток, а також сепаратор води 25. Запобіжний барботер 23 є передбаченим для утримування будь-якого зворотного потоку від загоряння, щоб ємність 8 для електролізу не могла отримати ушкодження. Мотор вакуум-насосу 24 також є з'єднаним з модулем 26 управління двигуном, так що швидкість його обертання можна регулювати цим модулем 26 управління двигуном. Поза сепаратором води 25 газопровід 20 розгалужується на три лінії 20а, 20b і 20с. В лінії 20а регулюючий клапан 27 є з'єднаним з модулем 26 управління двигуном для регуляції газового потоку по цій лінії 20а. Лінія 20b містить трьохходовий клапан 28, який також є з'єднаним з модулем 26 управління двигуном і резервуаром 29 для зберігання газу. Еластична діафрагма 30 ділить цей резервуар 29 для зберігання газу на газову частину 29а, сполучену з трьохходовим клапаном 28, і вакуумну частину 29b, сполучену лінією 31 зниженого тиску з впускним патрубком 32 двигуна 13 і також оснащену вентиляційним отвором 33, який регулюється модулем 26 управління двигуном через соленоїдний клапан 34. В лінії 31 зниженого тиску встановлений однопрохідний клапан 41. Лінія 20с з однопрохідним клапаном 35 шунтує лінію 20b. Три лінії 20а, 20b і 20с є відкритими у впускний патрубок 32 двигуна 13, в якому подача повітря і пального регулюється педаллю газу 36, також з'єднаною з модулем 26 управління двигуном. Вихлопні гази 37 двигуна проходять через два теплообмінники 38 і 39. Перший теплообмінник 38 є сполученим з лінією 20а для попереднього нагрівання горючого електролізного газу. Другий теплообмінник 39, який регулюється клапаном 40, що управляється модулем 26 управління двигуном, попередньо нагріває ємність 8 для електролізу. При використанні горючий електролізний газ, що утворюється в ємності 8 для електролізу, через трубопровід 20, односторонній клапан 21 і електричний соленоїдний клапан 22 попадає в запобіжний барботер 23. З запобіжного барботеру 23 горючий електролізний газ викачується вакуум-насосом 24. Потім горючий електролізний газ проходить через сепаратор води 25 (вібраційного або іншого типу), щоб відділити від нього всі крапельки води, які попадають в газопровід 20, перед тим, як горючий електролізний газ попаде в двигун 13. Лініями 20а і 20b, відповідно, горючий електролізний газ спрямовується до регулюючого клапану 27 з електроприводом та трьохходового клапану 28, що управляється електричним струмом. Ці клапани управляються модулем 26 управління двигуном у відповідності до навантаження на двигун 13. Після клапану 27 горючий електролізний газ попередньо нагрівається теплообмінником 38, після чого поступає в двигун 13. Шунтування лінії 20b є активним при постійному навантаженні двигуна. Потім горючий електролізний газ по лінії 20с подається в двигун 13. Коли від двигуна 13 вимагається прискорення, трьохходовий клапан 28 переключається, щоб пропускати потік горючого електролізного газу від резервуару 29 для зберігання газу по лінії 20b в двигун 13. Резервуар 29 для зберігання газу автоматично швидко поповнюється при зниженні швидкості обертання двигуна 13, і завдяки вакууму, який створюється у впускному патрубку 32, діафрагма 30 втягується зниженим тиском в лінії 31, так що резервуар 29 для зберігання газу впускає невелику кількість горючого електролізного газу, яка при зниженні швидкості обертання є непотрібною для двигуна 13. Даний винахід не обмежується прикладами, наведеними вище, і допускає зміни, якщо вони не виходять за межі формули винаходу, що додається. Наприклад, хоча в наведеному варіанті 3 UA 107785 C2 здійснення п'єзоелементи є приєднаними до електродів з використанням адгезиву з ізоляційними властивостями, альтернативно може застосовуватись адгезив з властивостями провідника. Отже, опис і малюнки, що прикладаються до даної заявки, слугують тільки і виключно як ілюстрації. 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 35 40 45 1. Спосіб електролізу для відділення електролізних газів від рідкого електроліту з використанням щонайменше одного електроду для електролізу під електричною напругою, який характеризується тим, що вказаний електрод для електролізу примусово вібрують з резонансною частотою вібрації, а вказану електричну напругу на електроді для електролізу коливають з частотою нижчої гармоніки вказаної резонансної частоти вібрації. 2. Спосіб електролізу за пунктом 1, в якому вказаний рідкий електроліт містить воду, так що вказані електролітичні гази, що відділяються, являють собою горючий газ, який містить водень. 3. Спосіб електролізу за пунктом 2, в якому горючий газ, який містить водень, спалюють і гарячі відпрацьовані гази, що утворюються при цьому спалюванні, попередньо нагрівають рідку воду та/або горючий газ, який містить водень. 4. Апарат для електролізу, який містить: а) ємність для електролізу з щонайменше однією парою суттєво однакових електродів, кожний з яких виготовлений з електропровідного матеріалу, має електричний контакт для з'єднання з електролітичним контуром і п'єзоелемент з двома електричними контактами для з'єднання з окремим контуром вібрації, б) електролітичний контур, з'єднаний з вказаними електродами, де кожний з двох електродів пари електродів є з'єднаним з цим контуром з оберненою полярністю, і в) контур вібрації, з'єднаний з вказаними п'єзоелементами, який відрізняється тим, що вказаний контур вібрації має регулятор для контролю вихідної напруги в залежності від резонансної частоти вібрації вказаного електроду, а вказаний електролітичний контур є також з'єднаним з вказаним регулятором для контролю вихідної напруги електролітичного контуру з частотою нижчої гармоніки вказаної резонансної частоти вібрації вказаних електродів. 5. Апарат для електролізу за пунктом 4, в якому вказаний регулятор є регулятором тривалості імпульсу. 6. Апарат для електролізу за одним з пунктів 4, 5, з підводом електричної енергії від відновлювального джерела енергії. 7. Система спалювання, яка включає апарат для електролізу за будь-яким з пунктів 4-6, пристрій для спалювання і газопровід між апаратом для електролізу і пристроєм для спалювання для забезпечення пристрою для спалювання горючим електролітичним газом. 8. Система для спалювання за пунктом 7, в якій вказаний газопровід містить запобіжний барботер. 9. Система для спалювання за пунктом 8, в якій вказаний газопровід містить також односторонній клапан, встановлений перед запобіжним барботером. 10. Система для спалювання за будь-яким із пунктів 6-9, яка містить резервуар для зберігання електролізного газу, також сполучений з вказаним газопроводом. 11. Система для спалювання за будь-яким із пунктів 6-10, яка містить випускну трубу, також сполучену з пристроєм для спалювання, з щонайменше одним теплообмінником, сполученим з газопроводом та/або резервуаром для зберігання електролізного газу. 12. Система для спалювання за будь-яким із пунктів 6-11, в якій вказаний пристрій для спалювання є двигуном внутрішнього згоряння. 4 UA 107785 C2 5 UA 107785 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6