Способ электролиза воды и установка для его осуществления

 

Способ заключается в подводе электролита к электродам, перемешивании электролита в межэлектродном пространстве, разложении воды на кислород и водород под действием постоянного электрического тока и в отводе полученных газов. Перемешивание электролита в межэлектродном пространстве осуществляют пульсацией давления, по крайней мере, одного из получаемых в процессе электролиза воды газов. Установка для электролиза воды, в которой устройство для перемешивания электролита в межэлектродном пространстве выполнено в виде мембранного регулятора с пружиной, снабженного дополнительной пружиной, шарнирно связанной одной стороной со штоком мембраны, а второй стороной - с корпусом регулятора, причем ось нейтрального положения дополнительной пружины перпендикулярна оси основной пружины мембранного регулятора. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электролизных систем и может быть использовано в установках для электролиза воды, работающих в любом положении по отношению к вектору гравитации.

Известен способ электролиза воды, применяемый в промышленности для получения кислорода и водорода. Способ включает в себя подвод электролита к электродам, разложение воды на кислород и водород под действием постоянного электрического тока, отвод получаемых газов, отвод тепла из зоны электролиза за счет циркуляции электролита и перемешивание электролита в межэлектродном пространстве.

Устройство для осуществления этого способа состоит из электролизера, разделительных колонок, работающих за счет разности плотностей рабочий сред, холодильников, регуляторов давления газов, циркуляционного и подпитывающего насосов.

Недостатком известных способа и устройства является сложность и невозможность их использования в установках, работающих в любом положении по отношению к вектору гравитации.

Целью изобретения является снижение массогабаритных характеристик и увеличение ресурса работы за счет устранения из установки разделителей газожидкостных смесей и постоянно работающего циркуляционного насоса.

Указанная цель достигается за счет следующих технических решений.

В отличие от известного способа проведением перемешивания электролита не за счет его циркуляции, а за счет пульсаций давления по крайней мере одного из газов.

Введением в схему установки мембранного регулятора, обеспечивающего пульсацию давления одного из газов.

На фиг. 1 показана схема установки для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - общий вид ячеек электролизера установки; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2.

Установка для осуществления предлагаемого способа электролиза воды, работающая в любом положении по отношению к вектору гравитации, состоит из электролизера 1, буферной емкости 2, мембранной емкости 3, электромагнитного клапана 4, дросселя 5, мембранного регулятора 6, включающего в себя: полукорпуса 7 и 8, мембрану 9, стяжные болты 10, гайки 11, шток мембраны 12, пружину 13, шток 14, пружину 15 и шток 16. Шток 14 шарнирно связан со штоком 12 мембраны 9 и имеет со стороны шарнира внешний опорный поясок для пружины 15. Второй стороной шток 14 входит по ходовой посадке вовнутрь штока 16, шарнирно связанного с корпусом 8 регулятора и имеющего внешний опорный поясок для противоположной стороны пружины 15.

В зависимости от положения мембраны 9 и ее штока 12 расстояние между опорными поясками штоков 14 и 16 для пружины 15 меняется, что соответствует большему или меньшему сжатию пружины 15. Нейтральным положением пружины 15 является положение, когда ось пружины 15 перпендикулярна оси штока 12 и пружины 13.

По обе стороны оси нейтрального положения пружины 15 усилие этой пружины, умноженное на cos α (см. фиг. 1), или складывается с усилием пружины 13 (угол α > 90^о), или вычитается из него (α < 90^о).

Работает предлагаемая установка с использованием предлагаемого способа следующим образом.

Исходное состояние установки для осуществления предлагаемого способа электролиза воды: электролизер отключен, выход через сопло мембранного регулятора закрыт клапаном (α > 90^о), электромагнитный клапан 4 закрыт.

Перекрытие прорези сопла клапаном мембранного регулятора гарантированно обеспечивается усилием пружины 13, превышающим на необходимую величину усилие пружины 15 при любом положении мембраны 9. Включается электролизер и начинается разложение воды на кислород и водород. Давление газа, перекрытого мембранным регулятором 6, начинает возрастать, что приведет при определенных значениях давления и α (α < 90^о) к открытию клапана регулятора 6 и сбросу газа из установки через дроссель 5. Сброс давления снова приведет к перекрытию прорези сопла клапаном регулятора 6 (см. фиг. 1), и цикл возрастания и падения давления повторяется.

Такая пульсация давления газа (кислорода и водорода) определяется работой регулятора 6, имеющего различные значения перепада давлений по обе стороны мембраны 9 (Δ р) для открытия и закрытия прорези сопла клапаном. Различные Δ р открытия и закрытия прорези сопла клапаном обеспечиваются подбором силовых характеристик пружин 13 и 15 и их положением относительно одна другой, когда становится возможным при определенных положениях мембраны 9 или действие усилий обеих пружин в одну стороны (α > 90^о), или их противодействию одна другой (α < 90^о) (см. фиг. 1). Назначение буферной емкости 2 и дросселя 5 - увеличение времени цикла пульсации давления газа за счет уменьшения скорости его возрастания и падения. Пульсация давления газа (согласно фиг. 1 кислорода) вызывает миграцию электролита в порах анода 18 и соответственно в диафрагме 20 и пористом катоде 21 (см. фиг. 2). Это происходит потому, что увеличение давления кислорода приводит к увеличению перепада давлений между получаемым кислородом и электролитом. Давление электролита поддерживается ниже атмосферного давления за счет установки пружины в мембранной емкости 3 (см. фиг. 1).

Увеличение перепада давлений между кислородом и электролитом выдавливает электролит из пор анода соответствующего размера. Уменьшение перепада давлений, напротив, приводит снова к заполнению этих пор электролитом. Освобождение пор от электролита при росте перепада давлений и заполнение этих же пор электролитом при уменьшении перепада давления будет происходить в соответствии с известным уравнением для определения критического перепада давлений по методу Баруса-Бехгольца.

Таким образом, пульсация давления кислорода приводит к периодическому (согласно циклограммы изменения давления кислорода) перемещению электролита в пористом аноде 18, диафрагме 20 и пористом катоде 21. Это снижает концентрационную поляризацию электролизной ячейки, повышает коррозионную стойкость электродов, особенно анода (за счет повышения концентрации электролита у анода), то есть приводит к некоторому снижению напряжения на электролизной ячейке и увеличению ресурса работы электродов.

Внедрение в промышленность изобретения, обеспечивающего более высокий ресурс работы электродов и некоторое (на 20-50 мВ) снижение напряжения на электролизной ячейке дает заметный экономический эффект. (56) Якименко А. М. и др. Электролиз воды. М. : Химия, 1970, с. 180-186.

Формула изобретения

1. Способ электролиза воды с получением кислорода и водорода, включающий подачу воды в межэлектродное пространство, перемешивание и отвод кислорода и водорода, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса, перемешивание осуществляют пульсацией давления кислорода или водорода.

2. Установка для электролиза воды, включающая электролизер с электродами и пористыми гидрофильными диафрагмами, патрубками вывода кислорода и водорода, контур электролита с мембранной емкостью и устройство для перемешивания, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса, устройство для перемешивания выполнено в виде мембранного регулятора с пружиной, соединенного с патрубком кислорода или водорода, снабженного дополнительной пружиной, соединенной одной стороной шарниром со штоком мембраны, а другой стороной с корпусом регулятора, причем ось нейтрального положения дополнительной пружины перпендикулярна оси основной пружины мембранного регулятора.

3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что между патрубком кислорода или водорода и регулятором размещена буферная емкость, а на выходе из регулятора установлен дроссель.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3