Устройство для получения водорода и кислорода

 

Изобретение относится к технологии электрохимических производств и может быть использовано в качестве источника тепла для сварки, резки и пайки в производственных и бытовых условиях. Устройство содержит ряд ячеек-электролизеров, выполненных из двух коаксиально расположенных тонкостенных трубок-электродов, межтрубное пространство которых герметизировано. Ячейки сообщены по газовому тракту и электролиту с подпитывающей емкостью. Центральные электроды электролизеров поделены на две группы - анодную и катодную, в каждой из которых центральные электроды соответствующим образом подключены к источнику питания, а внешние электроды соединены и заземлены. Подпитывающая емкость дополнительно снабжена вертикальной перегородкой, которая образует два сообщающихся по электролиту объема и разделяет свободное пространство над электролитом на два герметичных относительно друг друга объема, каждый из которых снабжен патрубком для отбора газов, при этом ячейки анодной и катодной групп сообщены по раздельному газовому тракту с соответствующим свободным объемом подпитывающей емкости. Технический результат - получение кислорода отдельно от водорода, что снижает взрывоопасность, уменьшает потребляемую мощность и увеличивает производительность установки. 1 ил.

Изобретение относится к технологии электрохимических производств, конкретно к получению горючих газов, используемых в качестве источника тепла для сварки, резки и пайки в производственных и бытовых условиях, а также в лабораторной практике.

Известен биполярный электролизер фильтр-прессорного типа (а.с. 968101, М.Кл. C 25 B 1/04, публ. 1981 г.) для получения водорода и кислорода электролизом воды, который включает концевые монополярные электроды, набор металлических концевых рам, с закрепленными в них биполярными электродами и диафрагмами; рамы соединены через концевые уплотнительные прокладки и в них выполнены сквозные отверстия, образующие по одному каналу для подвода электролита и отвода водорода и кислорода, по меньшей мере, одно радиальное отверстие для отвода кислорода, при этом между сквозными отверстиями в рамах, образующих канал для отвода кислорода, размещены уплотнительные прокладки, которые расположены за сквозными отверстиями и прижаты к периферической части торцевых поверхностей металлических кольцевых рам.

Данное устройство позволяет получать водород отдельно от кислорода, образовавшиеся газы не смешиваются благодаря наличию диафрагмы.

Недостатком устройства по а.с. 968101 является его недостаточная безопасность: наличие диафрагмы приводит при работе устройства к перегреву электролита и повышению давления внутри системы. Периодически электролизер отключают во избежание перегрева электролита, а также перенасыщения газов водяными парами электролита.

За прототип принят электролизер для получения кислородно-водородной смеси (патент РФ N2048609, М.Кл. C 25 B 1/04, публ. 1995 г.), включающий ряд электролитических ячеек, электрически соединенных последовательно, а относительно прохождения газов - параллельно, в котором электролитические ячейки выполнены в виде двух коаксиальных тонкостенных электродов с расстоянием между ними (0,3 - 6,0)·10^-3 м, электроизолированных одна от другой, межэлектродное пространство ячеек выполнено загерметизированным по концам, причем ячейки сообщены по газу и электролиту с подпитывающей емкостью.

Устройство работает следующим образом.

Вначале подают электролит из подпитывающей емкости в ячейки, затем включают источник питания.

При подаче напряжения на электроды электролит в межтрубных пространствах ячеек начинает нагреваться. Выделяющееся при этом тепло равномерно отводится в окружающую среду по всей поверхности внутреннего и внешнего электродов. Предлагаемая в прототипе конструкция электродов, а также выбранные расстояния между ними позволяют обеспечить температуру электролита в межэлектродном пространстве ~52^oC и равномерность плотности тока по поверхности электродов.

Однако следует отметить, что при электролизе по двухэлектродной схеме "анод" - "катод", которая реализована в устройстве по прототипу, при получении смеси газов на электроды необходимо подавать напряжение по большему потенциалу разложения, т.е. 1,23 В. Известно, что для протекания окислительно-восстановительных реакций величины стандартных электродных потенциалов для водорода -0,83 В, а для кислорода +1,23 В. (И.А. Зубович. Неорганическая химия. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, с.163). Подача излишнего напряжения на электроды приводит к увеличению общей потребляемой мощности. В результате излишняя мощность тратится на нагрев электролита и устройства в целом, что повышает его взрывоопасность.

Образующиеся на электродах газовые пузыри способствуют вспениванию электролита, который в виде пены вместе с образующимся газом поступает в газовый тракт, а оттуда в подпитывающую емкость, где за счет резкого снижения скорости движения происходит разделение газа и капель электролита. Полученная газовая смесь поступает потребителю, а электролит равномерно возвращается в ячейки, поддерживая тем самым постоянный уровень электролита и обеспечивая взрывобезопасное количество газовой смеси.

Недостатками устройства по прототипу являются: - конструкция устройства не позволяет получать кислород и водород раздельно, что с одной стороны увеличивает взрывоопасность процесса электролиза, а с другой - ограничивает область применения устройства из-за невозможности регулирования температуры горения в широких пределах в зависимости от назначения; - получение кислорода совместно с водородом из-за различной энергии образования этих газов приводит к перенапряжению на одном и недостаточному напряжению на другом электроде, что увеличивает потребляемую мощность и снижает производительность устройства; - увеличение потребляемой мощности обуславливает повышение температуры электролита и, приводит к выносу паров электролита в газовый тракт образующейся смесью газов; периодически электролизер отключают во избежание перенасыщения газов парами электролита, что снижает производительность установки; - увеличение потребляемой мощности исключает возможность организации эффективного охлаждения электродов, т.к. это охлаждение может быть обеспечено только воздухом или какой-либо диэлектрической средой.

Технической задачей, положенной в основу настоящего изобретения, является расширение функциональных возможностей устройства, снижение потребляемой мощности, повышение производительности, а также надежности и безопасности в эксплуатации.

Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве для получения кислорода и водорода, включающем ряд ячеек-электролизеров, выполненных их двух коаксиально расположенных тонкостенных трубок-электродов, межтрубное пространство которых герметизировано, а ячейки сообщены по газовому тракту и электролиту с подпитывающей емкостью, центральные электроды электролизеров поделены на две группы-анодную и катодную, в каждой из которых центральные электроды соответствующим образом подключены к источнику питания, а внешние электроды соединены и заземлены, подпитывающая емкость дополнительно снабжена вертикальной перегородкой, которая образует два сообщающихся по электролиту объема и разделяет свободное пространство над электролитом на два герметичных относительно друг друга объема, каждый из которых снабжен патрубком для отбора газов, при этом ячейки анодной и катодной групп сообщены по раздельному газовому тракту с соответствующим свободным объемом подпитывающей емкости.

Существенным отличием патентуемого устройства является то, что коаксиально расположенные тонкостенные трубки-электроды, образующие электролитические ячейки, поделены на две группы - анодную и катодную, при этом внешние электроды каждой группы соединены и заземлены, а центральные электроды подключены к соответствующему полюсу источника питания (анодная группа - к "плюсу", катодная - к "минусу"). В результате заземления внешние электроды приобретают "нулевой" потенциал, и при разложении воды на кислород и водород в межэлектродном пространстве электролитической ячейки выделяется только один газ - водород или кислород.

Все электроды катодной группы (также, как и анодной) сообщены по раздельным газовым трактам с подпитывающей емкостью.

Между собой электролитические ячейки могут быть электрически соединены параллельно или последовательно. Параллельное соединение предпочтительнее, т.к. при этом уменьшается потребляемая мощность.

При электролизе по трех электродной схеме "анод" - "земля" - "катод", которая реализована в предлагаемом устройстве за счет заземления внешних электродов, и определенного подключения центральных электродов к источнику питания, происходит разделение процессов получения водорода и кислорода. В результате уменьшается общая потребляемая мощность, не происходит нагрев электролита и, как следствие, практически отсутствует вынос паров электролита в газовый тракт.

Снижение температуры электролита в межэлектродном пространстве при одновременном снижении общей потребляемой мощности позволяет осуществлять охлаждение ячеек любым хладоагентом (воздух, вода, и т.д.).

Другим существенным отличием патентуемого устройства является наличие в подпитывающей емкости вертикальной перегородки, которая образует два сообщающихся по электролиту объема, каждый из которых снабжен патрубком для отвода газов, при этом ячейки анодной и катодной групп сообщены по раздельным газовым трактам с соответствующим свободным объемом подпитывающей емкости.

Раздельный вывод газов из устройства позволяет регулировать температуру горения в зависимости от назначения.

Предлагаемые существенные отличия устройства позволяют получить следующие технические результаты: - расширение функциональных возможностей устройства - получение кислорода и водорода раздельно за счет соответствующего подключения электродов к источнику питания; - снижение потребляемой мощности за счет раздельного получения кислорода и водорода на электродах разных групп; - повышение взрывобезопасности устройства за счет раздельного получения газов; - расширение области применения патентуемого устройства за счет, с одной стороны, возможности организации эффективного охлаждения любым хладоагентом проточную воду, а с другой использования получаемых раздельно кислорода и водорода для любых технических целей, как газов самостоятельных; - исключение выноса паров электролита в газовый тракт за счет снижения общей потребляемой мощности.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного устройства для получения кислорода и водорода, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в области электрохимических производств и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Заявителем не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

На чертеже изображено предложенное устройство.

Оно состоит из блока питания 1, ряда отдельных ячеек, образованных из внешних 2 и внутренних 3 трубок - электродов, по концам каждой из которых установлены изоляционные герметизирующие шайбы 4 и 5, имеющие штуцеры 6 и 7 для подключения к газовым трактам 8 и 9 к тракту 10 для подачи электролита 11, заливаемого в подпитывающую емкость 12. Подпитывающая емкость разделена вертикальной перегородкой 13, которая делит ее на два сообщающихся по электролиту объема.

Устройство для получения кислорода и водорода электролизом воды работает следующим образом.

Перед началом процесса подпитывающая емкость 11 заполняется электролитом, который поступает через тракт 10 в электролитические ячейки между внешним 2 и внутренним 3 электродами. При подаче напряжения от источника тока 1 на электроды в межтрубном пространстве электролитических ячеек начинается процесс разложения воды. При этом на внутренних электродах катодной группы начинают выделяться пузырьки водорода, а на внутренних электродах анодной группы - кислорода. Образующиеся кислород и водород по раздельным газовым трактам 8 и 9 поступают в соответствующий отсек подпитывающей емкости 12, образованный вертикальной перегородкой 13. Поскольку температура электролита не превышает 40^oC, пенообразование и унос паров электролита в газовый тракт не происходит.

Из подпитывающей емкости кислород и водород через соответствующие патрубки поступают в отдельные емкости, откуда поступают в смеситель, а далее - в горелку.

Для увеличения температуры горения водород подают в смеситель сразу, а кислород предварительно пропускают через озонатор, где происходит преобразование кислорода в озон. Использование горючей смеси водорода с озоном позволяет повысит температуру горения до 3000^oC и выше.

Следует отметить, что температуру горения можно регулировать в широких пределах, не изменяя мощности, потребляемой устройством, путем разбавления полученной смеси потоком воздуха, например, с помощью пневмокомпрессора, включенного в сеть газопровода горелки. Полученные газы могут быть использованы для любых технических целей в качестве самостоятельных газов.

Т. о. предлагаемое к патентованию устройство для получения кислорода и водорода электролизом воды позволяет получать горючие газы раздельно, снизить потребляемую мощность и увеличить производительность процесса электролиза.

Устройство для получения кислорода и водорода электролизом воды позволяет получать водорода 22 л/м² в минуту, кислорода - 16 л/м² в минуту при плотности тока 90 А/м², при этом температура электролита в межэлектродном пространстве не превышает 40^oC (пенообразование отсутствует).

Максимальная производительность предлагаемой к патентованию установки составляет 220 л/м² водорода и 160 л/м² кислорода в минуту, при плотности тока 160 А/м². Однако при этом температура электролита в межэлектродном пространстве повышается до 60^oC, и начинается процесс пенообразования и насыщения выходящих газов парами электролита. Для подавления процесса пенообразования необходимо охлаждать электродные ячейки. Поскольку внешние электроды заземлены, возможно охлаждение любым хладоагентом, в т.ч. обыкновенной проточной водой.

Промышленная применимость.

Устройство для получения кислорода и водорода может быть использовано в качестве источника горючих газов, применяемых для сварки, резки и пайки в производственных и бытовых условиях. lь

Формула изобретения

Устройство для получения кислорода и водорода, включающее ряд ячеек-электролизеров, выполненных из двух коаксиально расположенных тонкостенных трубок-электродов, межтрубное пространство которых герметизировано, в ячейки сообщены по газовому тракту и электролиту с подпитывающей емкостью, отличающееся тем, что центральные электроды электролизеров поделены на две группы - анодную и катодную, в каждой из которых центральные электроды соответствующим образом подключены к источнику питания, а внешние электроды соединены и заземлены, подпитывающая емкость дополнительно снабжена вертикальной перегородкой, которая образует два сообщающихся по электролиту объема и разделяют свободное пространство над электролитом на два герметичных относительно друг друга объема, каждый из которых снабжен патрубком для отбора газов, при этом ячейки анодной и катодной групп сообщены по раздельному газовому тракту с соответствующим свободным объемом подпитывающей емкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1