Высокотемпературный электролизер

 

Изобретение относится к высокотемпературным электрохимическим устройствам, в частности для получения газовых смесей на основе воздуха, и может быть использовано в медицинской, химической и парфюмерной промышленности, в станциях озонирования (очистки) воды и т.п. Электролизер содержит теплоизоляционный кожух, твердоэлектролитный электрохимический блок, нагреватель, теплообменную систему, вентилятор и источник постоянного тока. Электрохимический блок состоит из твердоэлектролитных модулей, которые, в свою очередь, набраны из последовательно соединенных единичных элементов. Теплообменная система расположена между теплоизоляционным кожухом и электрохимическим блоком и выполнена в виде комбинированного теплообменника, подводящих и отводящих каналов с заслонками, а также рециркуляционных каналов. Последние выполнены в теплоизоляционном слое кожуха и соединяют комбинированный теплообменник с лопастным механизмом вентилятора. Лопастной механизм размещен в рабочей зоне электролизера, а нагреватель установлен между ним и электрохимическим блоком. Контроль за качеством и количеством кислородсодержащих смесей (чистого кислорода и гипоксической смеси) осуществляется системой управления, соединенной с заслонками. Для обеспечения безопасной температуры внешней поверхности электролизера он заключен в дополнительный кожух. Данный высокотемпературный электролизер позволяет получить кислородсодержащие смеси в промышленном масштабе. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к высокотемпературным электрохимическим устройствам для электролиза газов, в частности, для получения газовых смесей на основе воздуха, содержащих 8,00 - 99,85% кислорода. Изобретение может быть использовано в медицине в реанимационных и физиотерапевтических отделениях, для получения высокочистых веществ в химии и в парфюмерной промышленности, а также в установках для озонирования воды.

Известен электролизер с твердым электролитом для получения водорода электролизом паров воды. В нем использован высокотемпературный твердоэлектролитный модуль, состоящий из 10 единичных элементов. Носителями электродов служат тонкие пористые слои на основе кобальта (катод) и серебра (анод) (С. Ф. Пальгуев, А.Д. Неуймин, В.В.Федин. Получение водорода электролизом паров воды в электролизере с твердым электролитом. - Уральский научный центр АН СССР. Физическая химия солевых расплавов и твердых электролитов. Свердловск, 1978, вып. 26, с. 102-105). Однако, это устройство не может рассматриваться как законченное техническое решение, т.е. не содержит многих элементов практического электролизера и, по существу, представляет собой лишь действующий макет электролизера, состоящий из двух основных элементов: нагревателя и электрохимического модуля, что не обеспечивает эффективного проведения электролиза.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является кислородный концентратор с электрохимической ячейкой (высокотемпературный электролизер), состоящий из внешнего теплоизоляционного и внутреннего кожухов, твердоэлектролитной электрохимической ячейки, расположенного внутри нее нагревателя, вентилятора и отражательных экранов, а также теплообменной системы. Внутренний кожух выполняет роль теплообменника, внутри которого вертикально расположена электрохимическая ячейка, состоящая из отдельных трубчатых элементов. В каждом из трубчатых элементов расположены нагревательные спирали. Вентилятор расположен в отдельном блоке и служит для протяжки воздуха (США, пат. N 5186793, МКИ 5 C 25 B 1/02, C 25 B 9/00, 1993) - прототип.

Такой электролизер позволяет получать кислород из кислородсодержащих газов и смесей газов, однако в этом устройстве имеется большая проблема с преодолением градиента температур в зоне расположения электролизных модулей, что не позволяет проводить электролиз в оптимальном режиме, в частности из-за недостаточной интенсивности газовых потоков, а также существует трудность регулирования газовых потоков в различных сечениях электролизера, что значительно влияет на его производительность.

Кроме того, такой электролизер требует большого расхода электроэнергии на электролиз и имеет довольно сложную и дорогостоящую конструкцию.

Задачей данного изобретения является получение кислородсодержащих смесей в промышленном масштабе.

Технический результат заключается в повышении производительности высокотемпературного электролизера.

Технический результат достигается за счет того, что в высокотемпературном электролизере, включающем теплоизоляционный кожух, твердоэлектролитный электрохимический блок, нагреватель, теплообменную систему, вентилятор и источник постоянного тока, электрохимический блок состоит из твердоэлектролитных модулей, каждый из которых набран из последовательно соединенных единичных элементов, а теплообменная система расположена между теплоизоляционным кожухом и электрохимическим блоком и выполнена в виде комбинированного теплообменника, подводящих и отводящих каналов с заслонками и рециркуляционных каналов. Последние выполнены в теплоизоляционном слое кожуха и соединяют комбинированный теплообменник с лопастным механизмом вентилятора.

Лопастной механизм вентилятора установлен в рабочей зоне электролизера. Нагреватель установлен между электрохимическим блоком и лопастным механизмом вентилятора.

Обеспечение контроля кислородсодержащей смеси (кислорода и гипоксической смеси) осуществляют системой управления, соединенной с заслонками.

Для обеспечения безопасных условий работы электролизер заключен в дополнительный кожух, образующий с теплоизоляционным кожухом воздушный зазор.

Сущность изобретения состоит в конструктивном выполнении электролизера, во взаиморасположении отдельных его элементов.

Выполнение электрохимического блока из твердоэлектролитных модулей, каждый из которых набран из последовательно соединенных единичных элементов, например, объемной блочной конструкции, увеличивает единичную мощность модуля относительно объема электролизера.

Расположение теплообменной системы между теплоизоляционным кожухом и электрохимическим блоком позволяет создать наиболее компактную установку и уменьшить теплопотери в электролизере.

Выполнение теплообменной системы в виде комбинированного теплообменника служит для охлаждения двух газовых потоков: чистого кислорода и обедненного по кислороду воздуха (гипоксической смеси).

Система каналов (подводящих и отводящих с заслонками и рециркуляционных) обеспечивает подачу и отвод газов из комбинированного теплообменника, а также циркуляцию воздуха по контуру "вентилятор - нагреватель - электрохимический блок - обводные каналы - вентилятор".

Установка лопастного механизма вентилятора в рабочей (горячей) зоне электролизера обеспечивает циркуляцию воздуха без его охлаждения при длительном ресурсе работы лопастей.

Расположение нагревателя между электрохимическим блоком и лопастным механизмом вентилятора позволяет обеспечить наиболее быстрый прогрев рабочей зоны в электрохимическом блоке и наибольшую равномерность температурного поля.

Совокупность всех указанных выше признаков обуславливает более близкое к термодинамическому равновесию протекание проходящих в электролизере химических процессов и, следовательно, высокую производительность (выход кислородсодержащих продуктов: чистый кислород и гипоксическая смесь (в зависимости от назначения)).

Система управления количеством и качеством кислородсодержащей смеси, связанная с заслонками газовой системы, расширяет возможности практического использования электролизера и существенно повышает возможности лечебного воздействия на пациента газовых (гипоксических) смесей за счет качественного контроля за составом этих смесей.

Заключение электролизера в дополнительный кожух с образованием воздушного зазора обеспечивает безопасную температуру внешней поверхности электролизера, т.е. отвечает требованиям техники безопасности при использовании высокотемпературных устройств. Кроме того, этот признак существенно влияет на весогабаритные характеристики электролизера, т.к. позволяет уменьшить толщину теплоизоляции.

Помимо вышеуказанного признака на уменьшение веса и габаритов влияет также наличие в теплоизоляционном слое кожуха каналов прокачки воздуха (рециркуляционных каналов), соединяющих теплообменники с лопастным механизмом вентилятора.

Использование в электрохимическом блоке модулей, набранных из последовательно соединенных единичных элементов, позволяет увеличить электролизную поверхность, а значит, повысить выход годного продукта. Кроме того, такая конструкция модулей позволяет минимизировать весогабаритные характеристики электрохимического блока, повысить напряжение подаваемого на электролиз тока, снизить вес источника питания и, как следствие, повысить надежность работы электролиза.

Из анализа научно-технической и патентной литературы заявленной совокупности признаков высокотемпературного электролизера, позволяющего в промышленных условиях получать различную по содержанию кислорода газовую смесь, нами не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежом, где изображен общий вид высокотемпературного электролизера.

Электролизер содержит теплоизоляционный кожух 1, кожух 2, образующий с теплоизоляционным кожухом 1 воздушный зазор "C", электрохимический блок 3, нагреватель 6, теплообменную систему, вентилятор 7 и источник постоянного тока, входящий в блок управления 8. Электрохимический блок 3 состоит из модулей 4, которые в свою очередь набраны из единичных элементов 5, соединенных последовательно. Нагреватель 6 расположен в рабочей зоне электролизера между электрохимическим блоком 3 и лопастным механизмом 9 вентилятора 7.

Теплообменная система расположена между теплоизоляционным кожухом 1 и электрохимическим блоком 3 и состоит из комбинированного теплообменника 10 и системы каналов: подводящих 11, отводящих 12, заслонок 13 и рециркуляционных каналов 14. Каналы 14 выполнены в теплоизоляционном кожухе 1 и соединяют комбинированный теплообменник 10 с лопастным механизмом 9 вентилятора 7. Система управления содержит кислородный датчик 15 и термопару 16, а блок управления 8 этой системы соединен с заслонками 13.

Электролизер работает следующим образом.

Для его запуска включают вентилятор 7 и нагреватель 6. Лопастной механизм 9 вентилятора 7 начинает перемешивать воздух рабочей зоны электролизера и подает его к нагревателю 6. В подводящий канал 11 при открытой заслонке 13 и перекрытых отводящих каналах 12 поступает атмосферный воздух и далее по теплообменнику 10, расположенному между теплоизоляционным кожухом 1 и электрохимическим блоком 3, поступает в рециркуляционные каналы 14, выполненные в теплоизоляционном слое кожуха 1. Из рециркуляционных каналов воздушная смесь (воздух) лопастным механизмом 9, установленном в рабочей зоне электролизера, подается к нагревателю 6. Далее воздух поступает в электрохимический блок 3. Идет рециркуляция воздуха по замкнутому циклу. Единичные элементы 5, образующие модули 4, постепенно разогреваются до рабочей температуры 800 - 1000^oC. Электрохимический блок 3, а значит, электролизер готов для проведения электролизного процесса. Затем с блока управления 8 на электрохимический блок 3 подают постоянный ток. В электрохимическом блоке имеются катод (-) и анод (+). При этом на катоде (-) твердоэлектролитных модулей происходит ионизация кислорода воздуха, т.е. образуются ионы кислорода которые затем под воздействием электрического поля перемещаются к аноду (+), где происходит процесс образования чистого кислорода Полученный таким образом чистый кислород (99,85 мас.%) поступает в верхний отводящий канал 12, затем через комбинированный теплообменник 10 и через нижний отводящий канал 12 к потребителю.

Обедненный воздух (8-16% O₂), оставшийся после отвода (откачки) чистого кислорода, из рециркуляционных каналов 14 через комбинированный теплообменник 10 по отводящему каналу 12 выводится из электролизера и может быть использован в качестве лечебной гипоксической смеси. Во время отвода обедненного воздуха заслонку 13 канала 12 автоматически открывают с блока управления 8.

В случае необходимости при помощи термопары 16 контролируют температуру в рабочей зоне электрохимического блока, а с помощью кислородного датчика 15 - качество кислородсодержащей (гипоксической) смеси.

Для снижения температуры наружной поверхности электролизер заключают в дополнительный кожух 2.

Таким образом, заявляемый электролизер позволяет интенсифицировать процесс электролиза, упростить конструкцию, снизить весогабаритные характеристики электролизера, уменьшить энергозатраты, расширить функциональные возможности электролизера - получить чистый кислород и гипоксические смеси, снизить стоимость электролизера и значительно снизить удельные затраты на выпуск единицы продукции.

Получаемый на данном электролизере чистый кислород успешно используется при реанимации, лечении туберкулеза, гнойных ран, обморожениях, ожогах, сахарном диабете, аллергии и др., а также для получения высокочистых веществ в химии и парфюмерии и в установках озонирования воды.

Получаемые гипоксические смеси используются при лечении бронхолегочных заболеваний, гипертонии, лучевой болезни и др.

Формула изобретения

1. Высокотемпературный электролизер, включающий теплоизоляционный кожух, твердоэлектролитный электрохимический блок, нагреватель, теплообменную систему, расположенную между теплоизоляционным кожухом и электрохимическим блоком, вентилятор и источник постоянного тока, отличающийся тем, что электрохимический блок состоит из твердоэлектролитных модулей, каждый из которых набран из последовательно соединенных единичных элементов, теплообменная система выполнена в виде комбинированного теплообменника, подводящих и отводящих каналов с заслонками и рециркуляционных каналов, выполненных в теплоизоляционном слое кожуха и соединяющих комбинированный теплообменник с лопастным механизмом вентилятора, а нагреватель установлен между электрохимическим блоком и лопастным механизмом вентилятора.

2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно снабжен системой управления количеством и качеством кислородсодержащей смеси, связанной с заслонками.

3. Электролизер п п.1, отличающийся тем, что имеет дополнительный кожух, образующий с теплоизоляционным кожухом воздушный зазор.

РИСУНКИ

Рисунок 1