монополярно-биполярный электролизер для получения смеси водорода и кислорода. Электролизер для получения водорода
Получение водорода электролизом воды.
Электролиз воды один из наиболее известных и хорошо исследованных методов получения водорода. Он обеспечивает получение чистого продукта (99,6-99,9%h3 ) в одну технологическую ступень. В производственных затратах на получение водорода стоимость электрической энергии составляет примерно 85%.
Электролиз воды один из наиболее известных и хорошо исследованных методов получения водорода [433]. Он обеспечивает получение чистого продукта (99,6—99,9 % Н2) в одну технологическую ступень. Экономика процесса в основном зависит от стоимости электроэнергии. В производственных затратах на получение водорода стоимость электрической энергии составляет примерно 85 % .
Этот метод получил применение в ряде стран, обладающих значительными ресурсами дешевой гидроэнергии. Наиболее крупные электрохимические комплексы находятся в Канаде, Индии, Египте, Норвегии, но созданы и работают тысячи более мелких установок во многих странах мира. Важен этот метод и потому, что он является наиболее универсальным в отношении использования первичных источников энергии. В связи с развитием атомной энергетики возможен новый расцвет электролиза воды на базе дешевой электроэнергии атомных электростанций. Ресурсы современной электроэнергетики недостаточны для получения водорода в качестве продукта для дальнейшего энергетического использования. Если электроэнергию получать за счет наиболее дешевой атомной энергии, то при КПД процесса получения электроэнергии, равном 40 % (в случае быстрых реакторов-размножителей) и КПД процесса получения водорода электролизом даже 80 %, полный КПД электролизного процесса составит 0,8-0,4 = 0,32, или 32 %. Далее, если предположить, что электроэнергия составляет 25 % полного производства энергии, а 40 % электроэнергии расходуется на электролиз, тогда вклад этого источника в общее энергообеспечение составит в лучшем случае 0,25Х X 0,4-0,32 = 0,032, или 3,2%. Следовательно, электролиз воды, как метод получения водорода для энергоснабжения может рассматриваться в строго ограниченных рамках. Однако как метод получения водорода для химической и металлургической индустрии его следует иметь на технологическом вооружении, поскольку при определенных экономических условиях он может быть использован в крупнопромышленном масштабе.
Электролиз с успехом может быть использован на гидростанциях или в тех случаях, когда тепловые и атомные электростанции имеют избыточные мощности, и получение водорода является средством для использования, хранения и накопления энергии. Для этой цели могут быть использованы мощные электролизеры производительностью до 1 млн. м3 водорода в сутки. На крупном заводе электролиза воды мощностью 450 т/сут и выше расход электроэнергии на 1 м3 водорода может быть доведен до 4—4,5 кВт-ч. При таком расходе электроэнергии в ряде энергетических ситуаций электролиз воды даже в современных условиях сможет стать конкурентоспособным методом получения водорода [435].
Электрохимический метод получения водорода из воды обладает следующими положительными качествами: 1) высокая чистота получаемого водорода – до 99,99% и выше; 2) простота технологического процесса, его непрерывность, возможность наиболее полной автоматизации, отсутствие движущихся частей в электролитической ячейке; 3) возможность получения ценнейших побочных продуктов – тяжелой воды и кислорода; 4) общедоступное и неисчерпаемое сырье – вода; 5) гибкость процесса и возможность получения водорода непосредственно под давлением; 6) физическое разделение водорода и кислорода в самом процессе электролиза.
Во всех процессах получения водорода разложением воды в качестве побочного продукта будут получаться значительные количества кислорода. Это даст новые стимулы его применения. Он найдет свое место не только как ускоритель технологических процессов, но и как незаменимый очиститель и оздоровитель водоемов, промышленных стоков. Эта сфера использования кислорода может быть распространена на атмосферу, почву, воду. Сжигание в кислороде растущих количеств бытовых отходов сможет решить проблему твердых отбросов больших городов.
Еще более ценным побочным продуктом электролиза воды является тяжелая вода – хороший замедлитель нейтронов в атомных реакторах. Кроме того, тяжелая вода используется в качестве сырья для получения дейтерия, который в свою очередь является сырьем для термоядерной энергетики.
Электролитическое разложение воды.
2 h3O = 2 h3 + O2
Чистая вода практически не проводит тока, поэтому к ней прибавляются электролиты (обычно КОН). При электролизе водород выделяется на катоде. На аноде выделяется эквивалентное количество кислорода, который, следовательно, в этом методе является побочным продуктом.
Получающийся при электролизе водород очень чист, если не считать примеси небольших количеств кислорода, который легко удалить пропусканием газа над подходящими катализаторами, например над слегка нагретым палладированным асбестом. Поэтому его используют как для гидрогенизации жиров, так и для других процессов каталитического гидрирования. Водород, получаемый этим методом довольно дорог.
Похожие статьи:
poznayka.org
Даёшь дешёвый водород. Найден упрощённый способ электролиза воды / Хабр
Схема электролиза без мембраны: два параллельных электрода располагаются на расстоянии в несколько сотен микрометровНе секрет, что чистый водород — один из наиболее перспективных видов альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду, что может быть прекраснее?
Проблема только в стоимости добычи водорода. Электролиз воды предполагает, что электроды погружаются в воду, а между ними находится полимерная мембрана. Ток идёт от катода к аноду, а на своём пути он (при помощи катализатора) расщепляет воду на кислород и водород. Полимерная мембрана выполняет важную функцию, разделяя получившиеся газы. На сегодняшний в качестве мембраны с ионной проводимостью практически повсеместно используется нафион или другой тип мембраны. Но все они отличаются дороговизной и ограниченным сроком службы. К тому, мембраны требуют особых условий проведения электролиза. Например, нафион работает в жидкости только с низкой кислотностью и только с определёнными катализаторами.
Изобретение химиков из EPFL под руководством Деметри Псалтиса (Demetri Psaltis) позволяет избавиться от этих ограничений и намного удешевить электролиз воды.
Они провели ряд экспериментов с микроустройством, размещая электроды на разном расстоянии друг от друга и прогоняя между ними воду на разной скорости. Оказалось, что при определённом расстоянии между электродами h3 и O2 сами разлетаются в разные стороны, без всякой мембраны!
Причина такого поведения ионов — эффект Сегре-Зильберберга, когда при движении жидкости находящиеся в ней частицы поток уносит в стороны.
Учёные надеются, что им удастся приспособить прибор для работы с любыми видами жидких электролитов и любыми катализаторами, поскольку больше нет риска повреждения хрупкой мембраны. Исчезнут обязательные требования использовать только благородные металлы вроде платины из-за ограничений на кислотность (pH) жидкости.
Если получится масштабировать микроустройство до промышленного образца, то это кардинально снизит стоимость водорода, получаемого при электролизе воды.
Научная работа “A membrane-less electrolyzer for hydrogen production across the pH scale” опубликована в журнале “Energy & Environmental Science”, DOI: 10.1039/C5EE00083A (зеркало).
habr.com
Электролизер для получения водорода и кислорода электролизом водного раствора электролита
Изобретение относится к технологии и устройствам для получения водорода и кислорода путем электролиза водного раствора электролита для использования в топливно-энергетическом комплексе, в промышленности, автомобильном транспорте и коммунальном хозяйстве. Электролизер содержит расположенные в общем корпусе анодную и катодную камеры с монополярными электродами - анодом и катодом, подключенными к источнику постоянного напряжения, причем анодная камера отделена от катодной электроизоляционной перегородкой, которая не доходит до дна общего корпуса и на которой установлен источник ультрафиолетового излучения. Анодная и катодная камеры соединены с камерой деионизации трубопроводами, а также с камерой диссоциации через сепаратор ионов электрическим градиентным полем и через заборники отработанного водного раствора электролита из верхних слоев электролита. В анодной и катодной камерах между анодами и катодами установлены дополнительные электроды, соединенные между собой общим проводником, который соединяет плюсовый и минусовый выводы двух блоков источника питания постоянного тока, другие концы которых подключены соответственно к аноду и катоду, причем один блок питания подает стабилизированное постоянное напряжение, минимально необходимое для выделения на аноде кислорода, а второй подает стабилизированное постоянное напряжение, минимально необходимое для выделения на катоде водорода. Технический результат заключается в уменьшении затрат электроэнергии, в устранении нерациональных затрат электрической и химической энергии, в обеспечении ускорения процессов электролиза. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к технологии и устройствам для получения водорода и кислорода путем электролиза водного раствора электролита для использования в качестве энергетического сырья для топливно-энергетического комплекса, в промышленности, автомобильном транспорте и коммунальном хозяйстве, при максимальном соблюдении экологических норм и требований защиты естественной среды.
Известным близким по конструкции электролизером без мембраны является устройство, которое было описано в патенте Российской Федерации №2092614, опубл. 10.10.1997 г., индекс МПК6 С25В 1/02, по которому электролизер для разложения воды в присутствии фонового электролита содержит аноды и катоды, разделенные изолирующей неэлектропроводной перегородкой с образованием анодных и катодных камер с дополнительно установленными парами электродов из оксида рутения, соединенных между собой, размещенных в соседних анодных и катодных камерах и установленных с возможностью перемещения.
Причинами, которые препятствуют получению необходимого технического результата, являются отсутствие процесса деионизации отработанного электролита, что приводит к повышенной рекомбинации и перенасыщению электролита в камерах ионами противоположного знака, создается повышенный расход энергии на деионизацию, также повышенные затраты энергии на обмен электролита, так как камеры полностью отделены одна от другой.
Наиболее близким по конструкции электролизером является электролизер, описанный в международной заявке WO 2004076722 А1, опубл. 10.09.2004 г., по приоритетной заявке, поданной в Украине №2003021661 от 25.02.03 на способ и электролизер для получения водорода и кислорода электролизом водного раствора электролита, включающий расположенные в общем корпусе анодную и катодную камеры с электродами, камеры соединены трубопроводами с камерами деионизации и осушения. Анодная камера от катодной отделена электроизоляционной перегородкой, которая не доходит до дна общего корпуса, и на ней установлен источник светового излучения, в анодной и катодной камерах расположены монополярные электроды, анод и катод, камера диссоциации соединена с анодной и катодной камерами через фильтр, катализатор холодного водного раствора электролита и сепаратор ионов градиентным полем, а анодная и катодная камеры через заборники отработанного водного раствора электролита из верхних слоев электролита в анодной и катодной камерах, фильтр деионизатор и катализатор горячего водного раствора электролита соединены с камерой диссоциации, также верхняя часть анодной и катодной камер подсоединена к элементам приема и передачи кислорода и водорода.
На крайних дальних стенках в направлении анод-катод в анодной и катодной камерах расположены дополнительные монополярные электроды ускорителя, которые подключены к источнику постоянного напряжения.
На трубопроводах подачи водного раствора электролита установлены насосы, на трубопроводах подачи кислорода и водорода - фильтры осушения, запорные клапаны и манометры.
Фильтры, катализаторы и основная часть их трубопроводов расположены в камере диссоциации, камера диссоциации находится в общем корпусе с анодной и катодной камерами и отделена от них изоляционной перегородкой.
Также описан электролизер для получения водорода и кислорода из водного раствора электролита, в котором установлен сепаратор ионов, в который входят анод, катод и дополнительные электроды в анодной и катодной камерах, отделенных между собой изоляционной неэлектропроводной перегородкой, и дополнительные камеры, причем анодная камера от катодной отделена перегородкой, которая не доходит до дна совместного корпуса, а дополнительные монополярные электроды расположены ниже низа перегородки под острым углом один относительно другого, под острым углом относительно поверхности электролита и частично перекрывают друг друга в горизонтальной плоскости, электроды расположены на пластинах, которые установлены с возможностью ограничения потока водного раствора электролита, а под перегородкой, которая разделяет анодную камеру от катодной, выполнен выход из канала, образованный пластинами, которые ограничивают поток, также на соединении пластин ограничителей потока выполнены отверстия с возможностью впуска водного раствора электролита из дополнительной камеры диссоциации.
В каждом электроде и в пластинах выполнены перфорационные отверстия, пластины выполнены из электропроводного материала, а электроды закреплены на пластинах через прокладки из электроизоляционного материала и подключены к источнику постоянного напряжения.
Общими существенными признаками является то, что электролизер для получения водорода и кислорода электролизом водного раствора электролита включает расположенные в общем корпусе анодную и катодную камеры с электродами, подключенными к источнику постоянного напряжения, камеры соединены трубопроводами с камерой деионизации, анодная камера от катодной отделена электроизоляционной перегородкой, которая не доходит до дна общего корпуса и на ней установлен источник ультрафиолетового излучения, в анодной камере расположен монополярный электрод - анод, а в катодной расположен монополярный электрод - катод, камера диссоциации соединена с анодной и катодной камерами через сепаратор ионов электрическим градиентным полем, также анодная и катодная камеры через заборники отработанного водного раствора электролита из верхних слоев электролита соединены с камерой диссоциации, верхняя часть анодной и катодной камер присоединена к элементам приема и передачи кислорода и водорода.
Недостатками известной конструкции является повышенная потеря электроэнергии из-за большого расстояния между анодами и катодами, которые находятся в разных камерах и разделены электролитом, в котором ионы перемещаются медленно и с большим сопротивлением.
Целью изобретения является создание устройства для получения водорода и кислорода с минимальными затратами электроэнергии, с устранением нерациональных затрат электрической и химической энергии, обеспечение ускорения процессов.
Поставленная задача конструкции устройства решается так: электролизер для получения водорода и кислорода электролизом водного раствора электролита включает расположенные в общем корпусе анодную и катодную камеры с электродами, подключенными к источнику постоянного напряжения, камеры соединены трубопроводами с камерой деионизации, анодная камера от катодной отделена электроизоляционной перегородкой, которая не доходит до дна общего корпуса и на ней установлен источник ультрафиолетового излучения, в анодной камере расположен монополярный электрод - анод, а в катодной расположен монополярный электрод - катод, камера диссоциации соединена с анодной и катодной камерами через сепаратор ионов электрическим градиентным полем, также анодная и катодная камеры через заборники отработанного водного раствора электролита из верхних слоев электролита соединены с камерой диссоциации, верхняя часть анодной и катодной камер подсоединена к элементам приема и передачи кислорода и водорода. В анодной и катодной камерах между анодами и катодами установлены дополнительные электроды, которые соединены между собой общим проводником, который соединяет плюсовый и минусовый выводы двух блоков источника питания постоянного тока, другие концы которых подключены соответственно к аноду и катоду, один блок питания подает стабилизированное постоянное напряжение, минимально необходимое для выделения на аноде кислорода, а второй подает стабилизированное постоянное напряжение минимально необходимое для выделения на катоде водорода, а материал дополнительных электродов выбран из ряда материалов, на которых перенапряжение для водорода и кислорода превышает разность между напряжениями, поданными на анод и катод в рабочем режиме. Уровень напряжения каждого блока в рабочем режиме составляется из внутреннего падения напряжения блока питания, сопротивления проводников, напряжения перехода диссоциированных в камере диссоциации, разделенных сепаратором и возбужденных световым излучением ионов в молекулы газов с учетом дополнительного перенапряжения на электродах, которое зависит от материала электрода. Общий проводник заземлен. Анод сделан из титана, катод из губчатого графита, а электроды, которые соединены между собой общим проводником - из хромоникелевой стали.
В отличии от прототипа существенными признаками электролизера по изобретению является то, что в анодной и катодной камерах между анодами и катодами установлены дополнительные электроды, которые соединены между собой общим проводником, который соединяет плюсовый и минусовый выводы двух блоков источника питания постоянного тока, другие концы которых подключены соответственно к аноду и катоду, один блок питания подает стабилизированное постоянное напряжение, минимально необходимое для выделения на аноде кислорода, а второй подает стабилизированное постоянное напряжение, минимально необходимое для выделения на катоде водорода, а материал дополнительных электродов выбран из ряда материалов, на которых перенапряжение для водорода и кислорода превышает разность между напряжениями, поданными на анод и катод в рабочем режиме - анод выполнен из титана, катод из губчатого графита, а электроды, которые соединены между собой общим проводником - из хромоникелевой стали, причем общий проводник заземлен.
Существенными признаками, достаточными во всех случаях, является то, что в анодной и катодной камерах между анодами и катодами установлены дополнительные электроды, которые соединены между собой общим проводником, который соединяет плюсовый и минусовый выводы двух блоков источника питания постоянного тока, другие концы которых подключены соответственно к аноду и катоду, один блок питания подает стабилизированное постоянное напряжение, минимально необходимое для выделения на аноде кислорода, а второй подает стабилизированное постоянное напряжение, минимально необходимое для выделения на катоде водорода, а материал дополнительных электродов выбран из ряда материалов, на которых перенапряжение для водорода и кислорода превышает разность между напряжениями, поданными на анод и катод в рабочем режиме - анод выполнен из титана, катод из губчатого графита, а электроды, которые соединены между собой общим проводником - из хромоникелевой стали.
Существенным признаком, достаточным в отдельных случаях, является то, что общий проводник заземлен.
Таким образом, представленная конструкция позволяет изготовить электролизер для получения водорода и кислорода с минимальными затратами электроэнергии, с устранением нерациональных затрат энергии электрической и химической, с обеспечением ускорения процессов электролиза. Уменьшение затрат электроэнергии достигается за счет оптимального выбора напряжения и уменьшение сопротивления за счет расположения электродов анода и катода на малом расстоянии от дополнительных электродов, на которые благодаря перенапряжению, которое превышает перенапряжение на анодах и катодах, не выделяется газ из ионов противоположного знака. Ускорение процессов также обеспечивается расположением электродов и камер.
На фиг.1 схематично показана конструкция электролизера.
На фиг.2 показано сечение А-А.
На фиг.3 показана схема питания электролизера.
При выполнении работ по доведению к промышленной пригодности был изготовлен электролизер с общими габаритами совместного корпуса анодной, катодной камер и камеры диссоциации: длина 800 мм, ширина 400 мм и высота 200 мм.
Электролизер для получения водорода и кислорода из водного раствора электролита включает общий корпус 1 из электроизоляционного материала, в котором находится анодная камера 2, катодная камера 3 и камера диссоциации 4. Анодная камера от катодной отделена электроизоляционной перегородкой 5, которая не доходит до дна совместного корпуса 1 и обеспечивает герметичное разделение камер по верхней части, в которой собирается выделяющийся газ. Камера диссоциации 4 отделена герметичной электроизоляционной перегородкой 6 по всей высоте и соединена с анодной камерой 2 и катодной камерой 3 через приемник отработанного водного раствора 7, насос 8 и фильтр 10, через трубопровод 11, сепаратор ионов 12, в котором монополярные электроды сепаратора 13 и 14 расположены ниже низа перегородки. Электроды закреплены на пластинах 15 и 16, изготовленных из электропроводного материала, через прокладку из электроизоляционного материала 17 и подключены к источнику постоянного тока напряжением 30 В. Под перегородкой 5, которая разделяет анодную камеру 2 от катодной 3, сделан выход из канала в анодную и катодную камеры, который образовывается пластинами 15 и 16 и ограничивает поток водного раствора из камеры диссоциации. На соединении ограничителей потока 15 и 16 выполнены отверстия 18, к которым подсоединены трубопроводы 11 из камеры диссоциации 4. Анодная камера 2 и катодная камера 3 соединены с камерой диссоциации 4 через заборники отработанного электролита 19 и 20, через насос 9, фильтр деионизатор 21, трубопровод 22. Дополнительные электроды 23 расположены между катодов 26, изготовленных из губчатого графита, а дополнительные электроды 24 расположены между электродов анодов 27, изготовленных из титана, а дополнительные электроды 23 и 24 изготовлены из хромоникелевой стали 12Х18Н10Т. Все электроды созданы из пластин, которые собраны в блоки и закреплены на стенках корпуса 1. К верхней крышке 28 подсоединены трубопроводы для отвода водорода и кислорода. На трубопроводах установлены: фильтр осушения 29, манометр 30, запорный клапан 31 для водорода, манометр 32 и запорный клапан 33 для кислорода.
Для пополнения электролизера водой установлены запорный клапан 34 и фильтр 35 и подведена труба 36 к трубе 22. Лампа ультрафиолетового излучения 37 установлена в нижней части перегородки 5, перпендикулярно к пластинам анода 27 и катода 26, и обеспечивает облучение анодной, катодной камер и промежутка между пластинами. Насосы 8 и 9 приводят в действие электродвигатели 38 и 39.
Напряжение на электродах и выбор электролита в каждом случае зависят от необходимой производительности, габаритов электролизера и материала электродов.
Схема блока питания анода, катода и дополнительных электродов представляет собой два понижающих трансформатора 40 и 41, подключенных к разным фазам сети переменного тока, вторичная обмотка которых подключена к блокам выпрямителей 42 и 43, выходы которых последовательно подключены через катушки индуктивности 44, 45, 46, 47, и параллельно подключены конденсаторы 48, 49, 50, 51. Проводник 52 подключен к катоду 26, проводник 53 к аноду 27, а проводники 54 и 55 соединены между собой общим проводником 56, и подключены к дополнительным электродам 23 и 24. Между общим проводником и проводником 53 подключен вольтметр 57, а между общим проводником и проводником 52 подключен вольтметр 58. Общий проводник 56 имеет отводку 59 и заземлен.
Работает электролизер так: готовят 20% раствор едкого калия в камере диссоциации 4, насосом 8 подается водный раствор электролита в анодную 2 и катодную 3 камеры с обеспечением одинакового уровня. Из силового источника питания по проводникам 52, 53, 56 подается постоянное электрическое напряжение +1,23 В на анод 27, и -0,9 В на катод 26 через дополнительные электроды 23 и 24. Из блока питания, типичной для электрических устройств схемы, поэтому его схема на фиг.3 не показана, подается постоянное напряжение 30 В на электроды сепаратора ионов 13, 14, и 500 В переменного напряжения на лампу ультрафиолетового облучения 37, 24 В постоянного напряжения на электродвигатели 38 и 39. Начинается замкнутый цикл последовательных действий. Водный раствор электролита, который диссоциировался в камере диссоциации 4, подается насосом 8 через фильтр 10 по трубопроводу 11 в канал сепарации ионов 12, в котором ионы делятся на анионы и катионы градиентным полем. Через перфорационные отверстия на электроде 13 и пластине ограничителя 15 ионы водорода Н+ поступают в катодную камеру на пластины катода 26 и пластины дополнительного электрода 23, а ионы гидроксильной группы через перфорационные отверстия в электроде 14 и ограничители 16 проходят в анодную камеру на пластины анода 27 и пластины дополнительного электрода 24.
Ускорение перемещения ионов обеспечивается подачей свежего электролита из камеры диссоциации, его отбором с верхнего слоя и маленькими промежутками между пластинами анода катода и дополнительными электродами, которые через общий проводник обеспечивают поток электронов со скоростью их движения в металле. Лампа 37 освещает поток однополярных ионных растворов, которые в разделенных потоках перемещаются в направлении анода 27, катода 26 и к дополнительным электродам 23 и 24. В результате энергия, необходимая для возобновительных и окислительных реакций ионов в атомарные газы, уменьшается. На аноде 27 и катоде 26 ионы восстанавливаются и окисляются, а дополнительные электроды имеют недостаточный потенциал для восстановления или окисления и обеспечивают поставку электрической энергии с сопротивлением, намного меньшим чем электролит. Потоки ионизированного водного раствора электролита направлены от сепаратора ионов к заборникам отработанного водного раствора электролита 19, 20, ускоряют перемещение ионов и атомарных газов вдоль плоскости пластин. Атомарные газы отбираются в верхней части камер и направляются по назначению. Отработанный водный раствор электролита насосом 9 через заборники 19, 20 поступает в фильтр 21, в котором потоки из анодной и катодной камер, которые имеют излишек ионов разной полярности, смешиваются и деионизируются. Отработанный водный раствор попадает в камеру диссоциации 4, в которой диссоциирует и снова подается для электролиза в катодную и анодную камеры. Пополнение электролизера водой выполняется через запорный клапан 34, фильтр 35 по трубопроводу 36.
1. Электролизер для получения водорода и кислорода электролизом водного раствора электролита, который содержит расположенные в общем корпусе анодную и катодную камеры с электродами, подключенными к источнику постоянного напряжения, камеры соединены трубопроводами с камерой деионизации, анодная камера от катодной отделена электроизоляционной перегородкой, которая не доходит до дна общего корпуса и на ней установлен источник ультрафиолетового излучения, в анодной камере расположен монополярный электрод - анод, а в катодной расположен монополярный электрод - катод, камера диссоциации соединена с анодной и катодной камерами через сепаратор ионов электрическим градиентным полем, также анодная и катодная камеры через заборники отработанного водного раствора электролита из верхних слоев электролита соединены с камерой диссоциации, верхняя часть анодной и катодной камер присоединена к элементам приема и передачи кислорода и водорода, отличающийся тем, что в анодной и катодной камерах между анодами и катодами установлены дополнительные электроды, которые соединены между собой общим проводником, который соединяет плюсовый и минусовый выводы двух блоков источника питания постоянного тока, другие концы которых подключены, соответственно, к аноду и катоду, один блок питания подает стабилизированное постоянное напряжение, минимально необходимое для выделения на аноде кислорода, а второй подает стабилизированное постоянное напряжение, минимально необходимое для выделения на катоде водорода, а материал дополнительных электродов выбран из ряда материалов, на которых перенапряжение для водорода и кислорода превышает разность между напряжениями, поданными на анод и катод в рабочем режиме - анод выполнен из титана, катод - из губчатого графита, а электроды, которые соединены между собой общим проводником - из хромоникелевой стали.
2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что общий проводник заземлен.
www.findpatent.ru
электролизер для получения водорода и кислорода из воды - патент РФ 2501890
Изобретение относится к устройствам для получения водорода и кислорода электролизом воды. Электролизер включает корпус, размещенные в нем последовательно соединенные между собой ячейки, состоящие из катода, анода, размещенной между ними газозапорной мембраны, насосы для циркуляции щелочного электролита, емкости с щелочным электролитом, систему подачи воды, устройство для отделения кислорода от паров воды и щелочи и устройство для отделения водорода от паров воды и щелочи. Анод каждой из ячеек выполнен в виде трубы из сетчатого материала, а катод - в виде полого цилиндра из пористого гидрофобизированного материала. Причем анод и катод каждой из ячеек размещены вплотную к газозапорной мембране с образованием катодной газовой полости между внешней стороной катодов и корпусом, соединенной с емкостью гидрозатвора, емкостью щелочного электролита и устройством для отделения водорода от паров воды и щелочи. Ячейки соединены анодными полостями с теплообменником и с емкостью щелочного электролита, которая, в свою очередь, соединена с устройством для отделения кислорода от паров воды и щелочи и системой подачи воды. Изобретение обеспечивает снижение потребляемой мощности, повышение производительности, надежности и безопасности эксплуатации. 4 з.п. ф-лы, 2 ил. 
Рисунки к патенту РФ 2501890
Заявляемое техническое решение относится к технологии электрохимических производств, а именно к устройствам для получения водорода и кислорода методом электролиза воды.
Известен электролизер воды трубчатого типа по патенту РФ на изобретение № 2258767 (класс МПК С25В 1/04, приоритет 19.03.2003 г.) для получения водорода и кислорода путем электролиза воды, который содержит герметичную емкость с электродами, крышку, входные и выходные трубки. Электролизер снабжен регулятором уровня жидкости, выполненным в форме трубки, соединенной с герметичной емкостью, заполненной дистиллированной водой, с возможностью автоматического регулирования уровня жидкости в емкости электролизера при помощи вакуумного клапана. Электролизер соединен с емкостью жидкой щелочи через дозатор, снабженный соленоидом и реле времени. Электролизер соединен также с горелкой при помощи выходных труб, расположенных на разных уровнях и выполненных с возможностью раздельного извлечения из воды водорода и кислорода, полученных в процессе электролиза и перемещения их при помощи вакуум-насосов.
Недостатком данного электролизера является низкие производительность, надежность и долговечность.
Конструкция электролизера по патенту США на изобретение № 7510633 (класс МПК С25В 1/10, приоритет 21.02.2003 г.) для получения водорода и кислорода, принятая за прототип, включает в себя катод трубчатой формы, анод - в виде стержня, мембрану, анодную и катодную полость с электролитом, водородный и кислородный коллектор, насос для электролита.
Перед началом работы электролизера, в анодную и катодную полости ячейки между которыми установлена мембрана, подается раствор электролита. Затем на электроды подается электрическая нагрузка. Электролит в анодной и катодной полости ячейки циркулирует при помощи насоса. Газовые пузыри, выделившиеся на электродах, совместно с электролитом, покидают ячейку через газовые каналы. Далее в кислородной и водородной емкостях газ отделяется от электролита, после чего газ поступает в баллон (либо иную емкость), а электролит собирается в общую емкость и с помощью насоса используется в дальнейшей работе.
Недостатками данного устройства являются:
- излишние энергетические затраты, из-за наличия расстояния между электродами (за счет анодной и катодной полостей), следовательно и рост сопротивления, что увеличивает потребляемую мощность и снижает производительность устройства;
- наличие высоких токов утечки, так как использование в конструкции электролизера общего электролитного коллектора заполненного раствором электролита, снижает производительность в целом всей установки.
Задачей заявляемой конструкции электролизера для получения водорода и кислорода из воды (водного раствора щелочи), является снижение потребляемой мощности, повышение производительности, а также надежности и безопасности в эксплуатации.
Поставленная техническая задача решается за счет того, что в электролизере для получения водорода и кислорода из воды включающем ряд последовательно соединенных ячеек, состоящих из катодов трубчатой формы, анодов выполненных в виде трубы, мембраны между катодом и анодом, исключающей смешивание выделившихся газов, анодной и катодной полостей, насосов для циркуляции электролита, емкости с щелочным электролитом, устройств для отделения газов от электролита, согласно заявляемой конструкции электролизера для получения водорода и кислорода из воды, набор из нескольких ячеек помещен в корпус. Анод и катод в ячейке плотно прилегают к газозапорной мембране, в качестве анода используется труба, выполненная из сетчатого материала (для легкого прохождения выделившегося анодного газа через анод), а в качестве катода - полый цилиндр из пористого гидрофобизированного материала. Анодные полости ячеек, заполненные электролитом, последовательно соединены между собой и с емкостью щелочного электролита, которая в свою очередь соединена с устройством для отделения кислорода от паров воды и щелочи, системой подачи воды и теплообменником. Катодная полость образована внешней стороной катодов ячеек и корпусом. Она не заполнена электролитом, является газовой и соединена с емкостью гидрозатвора и устройством для отделения водорода от паров щелочи и воды. Движение электролита в анодной полости осуществляется за счет эффекта «аэролифта». Для снижения напряжения электролизера, и, как следствие, уменьшения энергетических затрат, на поверхность анода и внутреннюю поверхность катода может быть нанесен катализатор.
Существенным отличием заявляемого устройства является то, что электроды плотно прилегают к газозапорной мембране, а анодная полость представляет собой трубу, заполненную электролитом. Также в данной конструкции хоть и находится общий электролитный коллектор, образованный соединением анодных полостей ячеек друг с другом, но в связи с тем, что выделившийся газ вспенивает электролит, площадь сечения электролитного моста в местах соединения ячеек-электролизеров значительно меньше, что в значительной степени снижает токи утечки и как следствие, энергозатраты, увеличивая производительность установки в целом. Кроме того, предлагаемая конструкция легко размещается в трубе небольшого диаметра, которая является одновременно и корпусом, обеспечивая повышенную прочность при незначительной толщине стенки и, соответственно, способствует снижению массы электролизера.
Между собой ячейки могут быть электрически соединены последовательно или параллельно. Последовательное соединение предпочтительней.
На фиг.1 изображено заявляемое устройство, на фиг.2 на виде А-А показан корпус и ячейка в разрезе.
Заявляемая конструкция электролизера для получения водорода и кислорода из воды включает в себя следующие элементы: корпус (1) в виде трубы, например, круглого сечения, размещенные в нем ячейки (2), соединенные между собой последовательно. Емкость с раствором щелочного электролита (3) в которой с помощью насоса подающего воду (4), поддерживается необходимая для работы электролизера концентрация электролита, поступающего с помощью насоса (5) из гидрозатвора (емкости с конденсатом и раствором щелочи) (6). Электролит для поддержания рабочей температуры электролизера, циркулируя через теплообменник (7), подается в ячейки (2). Для циркуляции электролита, в случае необходимости, включается насос (8). Устройство для отделения водорода от щелочи и паров воды (9) соединено с гидрозатвором (6) и катодной полостью (10) заявляемого электролизера. Устройство для отделения кислорода от щелочи и паров воды (11) соединено с емкостью с раствором щелочного электролита (3). На корпусе установлены токовыводы (12) для подачи нагрузки.
На фиг.2 (вид А-А) в разрезе показан корпус (1), например, круглого сечения, находящаяся в нем ячейка (2), представляющая собой катод (13) в виде цилиндра из пористого гидрофобизированного материала, анод (14) в виде трубы и расположенную между ними без зазора газозапорную мембрану (15). В анодной полости (16) ячейки (2) находится электролит, а внешняя сторона катодов (13) ячеек (2) и корпус (1) образуют катодную полость (10) электролизера.
Заявляемое устройство работает следующим образом. В корпусе (1) ячейки (2), число которых определяется необходимой производительностью электролизера, соединены между собой электрически последовательно. Кроме того, ячейки (2) последовательно соединяются между собой и по анодной полости (16), в которой циркулирует электролит. Катодная полость электролизера (10) является газовой, на дне которой собирается конденсат и раствор электролита, просочившийся через поры катода (13). Циркуляция электролита происходит за счет движения выделяемого при электролизе газа (эффект аэролифта) и при недостаточной подъемной силе возможно включение насоса (8). Для поддержания определенной рабочей температуры электролизера, электролит проходит через теплообменник (7). Электролит в виде пены попадает в емкость с раствором электролита (3), откуда, освободившись от газа, заново попадает в ячейки (2). Выделяясь, катодный газ насыщается парами воды и частично выносит щелочь из электролизера, некоторая часть которой конденсируется на стенках корпуса (1). Затем конденсат стекает в емкость гидрозатвора (6), далее при помощи насоса (5) перекачивается в емкость с раствором щелочного электролита (3). Для поддержания заданной концентрации электролита в анодных полостях (16) ячеек (2) в емкость с раствором щелочного электролита (3) подается вода при помощи насоса (4). Наработанные водород и кислород отводятся из электролизера для дальнейшего их использования, предварительно удаляя из них остатки щелочи и пары воды, соответственно в устройствах (9) и (11).
В качестве материала для анода была применена никелевая сетка с нанесенным на нее катализаторм - серебром, для катода полый цилиндр из пористого никеля, покрытый с внутренней стороны платино-родиевым катализатором, а газозапорной мембраны - кремнесодержа-щий волокнистый материал с добавлением фторопласта.
Как показали испытания, использование заявляемой конструкции электролизера позволяет:
- снизить до 7% потребляемую мощность и до 5% повысить производительность. Это достигается в заявляемой конструкции электролизера за счет плотного прилегания электродов (анода и катода) к газозапорной мембране и сокращения площади сечения электролитного моста в местах соединения ячеек, за счет того, что выделившийся в процессе работы электролизера газ вспенивает электролит в общем электролитном коллекторе. Это позволяет в значительной степени снизить токи утечки и, как следствие, энергозатраты, тем самым увеличивая производительность установки в целом;
- за счет использования единого корпуса, в котором размещаются ячейки, конструкция содержит меньше соединительных элементов вне корпуса электролизера, что позволяет снизить массо-габаритные характеристики, повысить надежность и безопасность электролизера в эксплуатации.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Электролизер для получения водорода и кислорода из воды, включающий последовательно соединенные между собой ячейки, состоящие из катода, анода, размещенной между ними газозапорной мембраны, исключающей смешивание выделившихся газов, насосы для циркуляции щелочного электролита, емкости с щелочным электролитом, систему подачи воды, устройство для отделения кислорода от паров воды и щелочи и устройство для отделения водорода от паров воды и щелочи, отличающийся тем, что он снабжен корпусом для размещения в нем соединенных последовательно между собой ячеек, анод каждой из ячеек выполнен в виде трубы из сетчатого материала, а катод - в виде полого цилиндра из пористого гидрофобизированного материала, причем анод и катод каждой из ячеек размещены вплотную к газозапорной мембране с образованием катодной газовой полости между внешней стороной катодов и корпусом, соединенной с емкостью гидрозатвора, емкостью щелочного электролита и устройством для отделения водорода от паров воды и щелочи, при этом ячейки соединены анодными полостями с теплообменником и с емкостью щелочного электролита, которая, в свою очередь, соединена с устройством для отделения кислорода от паров воды и щелочи и системой подачи воды.
2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что ячейки электрически соединены последовательно.
3. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что на поверхность анода и внутреннюю поверхность катода ячеек нанесены катализаторы.
4. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала катода ячеек использован пористый гидрофобизированный никель.
5. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что анод выполнен из никелевой сетки.
www.freepatent.ru
электролизер для получения водорода и кислорода - патент РФ 2400565
Изобретение относится к области электрохимии и предназначено для получения газообразного водорода и газообразного кислорода. Сущность изобретения заключается в том, что электролизер для получения водорода и кислорода содержит корпус с электролитом, например водным раствором гидроксида натрия, а также рабочие электроды, участвующие в непосредственном процессе электролиза. При этом электролизная ячейка дополнительно содержит поляризующие раствор электроды, электрически изолированные от электролита при помощи изолятора и расположенные с боков межэлектродного пространства. Технический результат заключается в повышении эффективности разложения воды. 1 ил.
Рисунки к патенту РФ 2400565
Устройство относится к области электрохимии и предназначено для получения газообразного водорода и газообразного кислорода.
Известны электролизеры, содержащие камеру с электролитом и электроды [1, 2], а также ближайший аналог заявляемого изобретения GB 1139614 А, из которого известен электролизер для получения водорода и кислорода, содержащий корпус с электролитом, например водным раствором гидроксида натрия, а также рабочие электроды, участвующие в непосредственном процессе электролиза. В качестве электролита используются водные растворы неорганических веществ, например гидроксид натрия (NaOH), а в качестве электродов такие металлы, которые не разлагаются водным раствором, например платина.
К недостатку известных электролизеров следует отнести пониженную эффективность производства водорода и кислорода, обусловленную необходимостью расхода большого количества электроэнергии для разложения воды на известных электродах. Известной причиной, препятствующей получению технического результата, который обеспечивается изобретением, является то обстоятельство, что между расходящимися к противоположным рабочим электродам положительными и отрицательными ионами возникает дополнительное напряжение, направленное противоположно к прикладываемому к рабочим электродам напряжению, в результате чего ток через электролизер возникает только при напряжении на рабочих электродах выше 1.48 вольта.
Цель - повысить эффективность разложения воды и, таким образом, уменьшить затраты электроэнергии на производство водорода и кислорода.
Цель достигается тем, что в электролизной ячейке электролизера используются специальные электроды, поляризующие раствор гидроксида натрия или любого другого вещества, способствующего более легкому разложению воды на водород и кислород, чем в его отсутствие, причем расположены они с боков межэлектродного пространства рабочих электродов, что приводит к снижению напряжения поляризации рабочих электродов электролизной ячейки с 1.48 Вольта до 0.3-0.1 Вольта, что позволяет более эффективно проводить процесс электролиза, а это значит более эффективно осуществлять разложение воды и тем самым уменьшить затраты на производство водорода и кислорода.
На чертеже представлены электролизные ячейки двух вариантов. Они содержат корпус 1 с электролитом 2, поляризующими электродами 3, расположенными с боков межэлектродного пространства рабочих электродов 4, и рабочими электродами 4, причем поляризующие электроды 3 электрически заизолированы от электролита 2 и рабочих электродов 4 изолятором 5. В качестве электролита 2 использован водный раствор гидроксида натрия или любого другого вещества, способствующего более легкому разложению воды на водород и кислород, чем в его отсутствие.
Работа электролизера осуществляется следующим образом.
На электроды 3 подается специальное принудительное электрическое напряжение порядка 12 киловольт, как с кинескопа телевизора «Юность», питающегося от автомобильного аккумулятора, достаточное для эффективной поляризации электролита, а на электроды 4 подается электрическое напряжение порядка 0.1-0.3 вольта, меньше обычного напряжения их поляризации, 1.48 вольта, которое для каждого конкретного электролита может быть определено экспериментально, необходимое для разложения воды на водород и кислород, что позволяет вести электролиз при большом токе и низком напряжении на рабочих электродах, при этом на отрицательном рабочем электроде выделяется водород, а на положительном - кислород.
Литература
1. А.А.Жуховицкий, Л.А.Шварцман. Физическая химия. - М.: Металлургия, 1976, с.193-200.
2. Электрохимия. Прошедшие тридцать лет и будущие тридцать лет. Пер. с англ. - М.: Химия, с.328-334.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Электролизер для получения водорода и кислорода, содержащий корпус с электролитом, например водным раствором гидроксида натрия, а также рабочие электроды, участвующие в непосредственном процессе электролиза, отличающийся тем, что электролизная ячейка дополнительно содержит поляризующие раствор электроды, электрически изолированные от электролита при помощи изолятора и расположенные с боков межэлектродного пространства.
www.freepatent.ru
Электролизер для получения водорода и озон-кислородной смеси
Изобретение относится к технологии электрохимических производств, в частности к конструкции электролизеров для получения водорода и озон-кислородной смеси, и может найти применение для нужд энергетики (охлаждение водородных генераторов на ТЭЦ, ГРЭС и АЭС), электроники (очистка поверхности полупроводниковых пластин). Электролизер для получения водорода и озон-кислородной смеси содержит анод и катод цилиндрической формы, расположенные коаксиально и скрепленные сверху и снизу фторопластовыми деталями, обеспечивающими подачу электролита и отвод электролита и газа, при этом корпусом служит катод, а анод расположен внутри катода. Анод выполнен в виде электропроводящей никелевой трубы со стеклоуглеродным покрытием, катод изготовлен из нержавеющей стали с никелевым покрытием или никеля, в качестве охлаждающей жидкости используют электролит, при этом электролизер связан с насосом, рефрижератором, емкостью с рабочим электролитом, дозирующим насосом, емкостью с концентратом электролита и деионизированной водой, а также с блоком анализа качества электролита.
Технический результат - упрощение конструкции электролизера, увеличение удельной производительности, снижение материалоемкости, обеспечение надежности, простоты монтажа и эксплуатации. 2 ил.
Изобретение относится к технологии электрохимических производств, в частности к конструкции электролизеров для получения водорода и озон-кислородной смеси, и может найти широкое применение для нужд энергетики (охлаждение водородных генераторов на ТЭЦ, ГРЭС и АЭС), электроники (очистки поверхности полупроводниковых пластин и удаления фоторезиста) и других отраслей (металлургия, нефтехимия, стекольная и пищевая промышленности, а также медицина).
Известен [1. Foller Peter С. / Patent US №4541989] электролизер, содержащий корпус, в который помещены несколько анодных и катодных камер и электролит, раствор борфтористоводородной кислоты. Анодная камера - охлаждаемый изнутри анод цилиндрической формы, расположенный внутри цилиндрической катодной камеры. Во внутреннюю часть катодной камеры подается воздух отдельно от электролита. Преимущество использования катода с воздушной деполяризацией заключается в понижении напряжения на электролизере (и, следовательно, понижении расхода электроэнергии, а также в элиминировании выделения взрывоопасного водорода). Кроме того, образующаяся вода устраняет необходимость периодической допитки водой анолита. Катоды с воздушной деполяризацией для работы при температуре окружающей среды модифицированы, используя максимально высокое содержание платины в катализаторе. Основа катода должна быть металлической для хорошей проводимости и инертной к коррозии в электролите. Материал катода - благородным металл. В качестве анодного материала используются: платина, β - диоксид свинца
В данной конструкции электролизера сведены к минимуму возможности утечки электролита, не требуется механического перемешивания электролита, так как циркуляция обеспечивается естественной конвекцией, охлаждающая вода используется для увлажнения питающего воздуха, что позволяет подавить испарение электролита.
Существенные недостатки данной конструкции электролизера - сложность конструкции, высокая стоимость изготовления конструкционных материалов, токсичность используемых растворов борфтористоводородной кислоты.
Известен [2. Патент РФ 2091506, МПК7 C25B 1/13, C01B 13/10] электролизер, содержащий из ПВХ или фторопласта, прижимную крышку со штуцерами, электроды в виде усеченных полых конусов из стелоуглерода, кольцевую перегородку с жестко закрепленной в ней диафрагмой, дополнительные перегородки с центральными отверстиями и отверстиями по периметру, каплеулавливателями, токоподводы из медных пластин. Анод и катод в виде усеченных полых конусов размещены горизонтально меньшими основаниями друг к другу. При этом меньшие основания электродов устанавливаются в центральных отверстиях дополнительной перегородки. Функция дополнительных перегородок, как полагают авторы изобретения, заключается в надежном изолировании боковой поверхности электродов от протекания электролиза из-за очень малой плотности тока на этой поверхности. Подаваемый ток реализуется в межэлектродном зазоре, увеличивая плотность тока до 1,6-1,8 А/см2 на рабочей поверхности, а это в свою очередь приводит к образованию озона высокой концентрации до 42 мас.% при температуре 15°C. Наличие по периметру наружной окружности дополнительных перегородок диаметром 4-6 мм, по мнению авторов, служит для подвода электролита к поверхности электрода и отвода газообразных продуктов.
Недостатками конструкции электролизера являются сложность конструкции, высокая материалоемкость, высокие эксплуатационные и технологические характеристики.
1. Не обоснована форма анода и катода в виде усеченных полых конусов.
2. Работающей поверхностью являются только основания усеченных конусов, что приводит к значительным непроизводительным закладкам дорогостоящего стеклоуглерода и значительному расходу реагентов и охлаждающей электроды воды.
3. Неудовлетворительны технико-технологические характеристики электролизера. Реализуемые высокие плотности тока 1,6-1,8 А/см2 приводят к росту скорости растворения стеклоуглерода и повышению напряжения на электролизере. Таким образом, конструкция имеет низкий ресурс работы и значительный расход электроэнергии.
4. Нерационально применение в конструкции дополнительных фторопластовых перегородок, «экранирующих» боковые поверхности электродов, предопределяющих неравномерное токораспределение по поверхности и обуславливающих хаотичное образование крупных газовых пузырей, которые могут частично изолировать электрод от электролита, нарушая процесс электролиза.
В качестве прототипа принимаем электролизер [3. Патент РФ №2285061, МПК7 C25B 1/13], содержащий генератор озона, состоящий из монополярных анода и катода цилиндрической формы, расположенных коаксиально и скрепленных сверху и снизу кольцевыми фторопластовыми деталями, обеспечивающими подачу и отвод газа, при этом корпусом служит катод, а анод расположен внутри катода. Материал анода и катода - стеклоуглерод. Токоподвод к катоду выполнен в виде полой камеры, являющейся одновременно рубашкой для охлаждающей катод воды. Конструкция дополнительно содержит абсорбционную колонну, обеспечивающую очистку озон-кислородной смеси от паров и капель электролита.
Существенными недостатками конструкции прототипа являются:
- использование в качестве материала анода и катода хрупкого и трудно обрабатываемого стеклоуглерода;
- для определения параметров электролита требуется остановка работы электролизера и слив электролита.
Техническая задача изобретения - упрощение конструкции электролизера, увеличение удельной производительности, снижение материалоемкости, обеспечение надежности, простоты монтажа и эксплуатации.
Технический результат изобретения состоит в том, что разработанная конструкция обеспечивает новые отличительные признаки, определенные формулой изобретения. Электролизер для получения водорода и озон-кислородной смеси, содержащий анод и катод цилиндрической формы, расположенные коаксиально и скрепленные сверху и снизу фторопластовыми деталями, обеспечивающими подачу электролита и отвод электролита и газа, при этом корпусом служит катод, а анод расположен внутри катода, отличающийся тем, что анод выполнен в виде электропроводящей никелевой трубы со стеклоуглеродным покрытием, катод изготовлен из нержавеющей стали с никелевым покрытием или никеля, в качестве охлаждающей жидкости используют электролит, при этом электролизер связан с насосом, рефрижератором, емкостью с рабочим электролитом, дозирующим насосом, емкостью с концентратом электролита и деионизированной водой, а также с блоком анализа качества электролита.
Предлагаемая конструкция электролизера изображена на фиг.1 и 2. На фиг.1 дана блок схема обеспечения работы электролизера, где 1 - электролизер, 2 - насос, 3 - блок анализа качества электролита, 4 - рефрижератор, 5 - емкость с рабочим электролитом, 6 - дозирующий насос, 7 - емкость с концентратом электролита, деионизированной водой. На фиг.2 представлен разрез электролизера разработанной конструкции. Электролизер состоит из монополярных электродов (катод - 15, анод - 13), механически скрепленных сверху и снизу с помощью фторопластовых деталей 17. Монополярные электроды (анод 13 и катод 15) представляют собой полые цилиндры. Материал катода - нержавеющая сталь с никелевым покрытием, никель или нержавеющая сталь. Материал анода - электропроводящая никелевая труба со стеклоуглеродным покрытием. Монополярные электроды устанавливаются вертикально: анод расположен внутри катода на расстоянии не более 10 мм, т.к. коаксиальное расположение электродов обеспечивает работу всей поверхности электрода и равномерное распределение плотности тока по поверхности, что снижает напряжение на электролизере. Монополярные электроды (анод и катод) разделяются между собой фильтрующей или ионообменной мембраной, закрепленной на фторопластовом каркасе 14, перфорированном прорезями.
Технологическая обвязка монополярных электродов состоит из фторопластовых деталей 17, имеющих верхние штуцера через которые подводится электролит и отводятся электролит и газы. Штуцера: 8 - подача электролита в электролизер, 9 - выход электролита, 10 - выход озон-кислородной смеси (О3+О2), 11 - выход водорода, 12 - выход электролита после окончания работы электролизера (при работе электролизера закрыт). Переход электролита в анодную камеру 19 осуществляется через клапаны 20 и 21, а в катодную камеру 18 через клапаны 22 и 23. Выход электролита после окончания работы электролизера для очистки устройства осуществляется клапанами (20, 21, 22, 23, 24, 25) через штуцер - 12. Для удаления газов при заполнении электролизера электролитом предусмотрен клапан Маевского - 16. Отличительным признаком предлагаемой конструкции является применение в качестве материала анода электропроводящей никелевой трубы со стеклоуглеродным покрытием, что повышает надежность и прочностные свойства анода, а также удобство в изготовлении и эксплуатации.
В заявляемой конструкции, в отличие от прототипа, по-новому решена проблема системы охлаждения электролизера. В качестве охлаждающей жидкости используется сам электролит.Такое решение системы охлаждения позволяет равномерно охлаждать анод и катод по всему объему и тем самым уменьшить напряжение на электролизере и повысить эффективность работы установки.
В предлагаемой конструкции электролизера осуществляется постоянная замена и движение электролита с установленной скоростью в направлении выхода водорода и озон-кислородной смеси. Постоянная замена электролита с установленной скоростью позволяет контролировать и поддерживать (качественные) параметры электролита: плотность, окислительно-восстановительный потенциал (Redox) и рабочую температуру электролита. Восстановление плотности и окислительно-восстановительного потенциала электролита достигается путем дозированного добавления аммония фтористого кислого или деионизированной воды, а охлаждении электролита до рабочей температуры (до +10°C) осуществляется за счет прохождения электролита через рефрижератор - 4, как показано на фиг.1.
Кроме того, принудительное движение электролита в направлении выхода производимых газов приводит к уменьшению времени их нахождения в ионизированной деструктивной среде (электролите) и, следовательно, повышает выход водорода и озон-кислородной смеси.
Описанная конструкция электролизера опробована в условиях промышленного производства для получения озона (для очистки полупроводниковых пластин) и водорода.
Электролизер для получения водорода и озон-кислородной смеси, содержащий анод и катод цилиндрической формы, расположенные коаксиально и скрепленные сверху и снизу фторопластовыми деталями, обеспечивающими подачу электролита и отвод электролита и газа, при этом корпусом служит катод, а анод расположен внутри катода, отличающийся тем, что анод выполнен в виде электропроводящей никелевой трубы со стеклоуглеродным покрытием, катод изготовлен из нержавеющей стали с никелевым покрытием или никеля, в качестве охлаждающей жидкости используют электролит, при этом электролизер связан с насосом, рефрижератором, емкостью с рабочим электролитом, дозирующим насосом, емкостью с концентратом электролита и деионизированной водой, а также с блоком анализа качества электролита.
www.findpatent.ru
монополярно-биполярный электролизер для получения смеси водорода и кислорода - патент РФ 2475343
Изобретение относится к газопламенной обработке материалов водородно-кислородной смесью, в частности к электролизерам для получения смеси водорода и кислорода. В электролизере Электролизер может быть фильтр-прессным или ящичным, при этом часть его электродов - монополярные, а часть - биполярные. Электролизер состоит из плоских или фигурных параллельных электродов с отверстиями или пазами для прохода газа и электролита. Пространство между электродами заполнено электролитом, и к крайним электродам подведен электрический ток. Электроды соединены между собой токоведущими шинами в блоки, два крайних из которых содержат по n+1, а остальные - по 2n+1 электродов, где n - натуральное число. При этом средние электроды каждого блока с 2n+1 электродами размещены в зазоре между двумя смежными блоками, а остальные 2n электродов этого блока - в середине зазоров между электродами смежных блоков, не контактируя с их токоведущими шинами. Технический результат заключается в многократном уменьшении площади (диаметра) каждого отдельного электрода в электролизерах, рассчитанных на токи порядка 100 А и более. 1 ил. 
Рисунки к патенту РФ 2475343
Изобретение относится к газопламенной обработке материалов водородно-кислородным пламенем с получением водородно-кислородной смеси электролизом воды непосредственно на месте сварки.
Современные электролизеры подразделяют на монополярные и биполярные по схеме подключения электродов к источнику питания (Якименко Л.М., Модылевская И.А., Ткачек З.А. Электролиз воды. М.: Химия, 1970 г., 263 с.). В монополярных электролизерах все электроды-аноды присоединены к одной общей токоведущей шине, а все электроды-катоды - к другой. Поэтому такой электролизер представляет собой, в сущности, одну электролизную ячейку, каждый из электродов которой состоит из нескольких элементов, включенных параллельно в цепь тока. Биполярные электролизеры состоят из большого количества ячеек, включенных последовательно в цепь тока, причем одна сторона каждого электрода, за исключением двух крайних, к которым подключен источник питания, является катодом одной ячейки, другая - анодом соседней ячейки.
Электролизеры, предназначенные для общепромышленного применения, должны давать не менее 1,5 куб. м смеси в час. Монополярный электролизер потребляет около 1600 А на каждый кубометр водородно-кислородной смеси в час. Следовательно, монополярный электролизер, предназначенный для общепромышленного применения, потребляет не менее 2400 А. При таком токе электролизеру необходимы массивные токоподводы и тяжелый источник питания, что делает его неприемлемо громоздким для использования в составе электролизно-водного генератора (термин «электролизно-водный генератор» - по ГОСТ 2601-84, термин № 160). Биполярные электролизеры потребляют сравнительно небольшой ток, но высокого напряжения. Отсюда повышенные требования к изоляции электродов и утечка тока в обход электродов (через отверстия в них и неплотности между электродом и корпусом электролизера). Энергия тока утечки расходуется только на нагрев электролита, а не на образование водороднокислородной смеси.
В крупных электрохимических цехах, например, в производстве меди, где имеется много электролизеров, используют параллельно-последовательное включение монополярных электродов, когда несколько монополярных электролизеров (электролизных ванн) соединяют последовательно (Прикладная электрохимия / Учебник для вузов под ред. А.П.Томилова. М.: Химия, 1984. Стр.38-39). При этом каждый электролизер установлен в отдельном корпусе или отделен от другого электролизера общей для них диэлектрической стенкой. Применительно к электролизно-водным генераторам реализация и этой схемы подключения делает электролизер неприемлемо громоздким.
Предлагается электролизер для получения водородно-кислородной смеси, в котором большинство электродов - монополярные, а остальные - биполярные. Электролизер может быть фильтр-прессным или ящичным и содержит плоские или рельефные параллельные электроды с отверстиями или пазами для прохода газа и электролита. Зазоры между электродами одинаковы и заполнены электролитом, а к крайним электродам подведен электрический ток. Электроды соединены между собой токоведущими шинами в блоки, два крайних из которых содержат по n+1, остальные - по 2n+1 электродов, где n - натуральное число. При этом средний электрод каждого блока с 2n+1 электродами размещен между двумя смежными блоками электродов, а остальные 2n этого блока - в середине зазоров между электродами смежных блоков, не соприкасаясь с их токоведущими шинами.
В результате средние электроды блоков с 2n+1 электродами являются биполярными, все остальные - монополярными, а электролизер в целом представляет собой последовательно соединенные монополярные электролизеры, в каждом из которых 2n+1 электролизных ячеек. Перегородками, отделяющими каждый такой монополярный электролизер от смежных, являются биполярные электроды.
Число блоков электродов выбирают сообразно напряжению источника питания электролизера, а число электродов в блоке - по току, на который рассчитывают электролизер.
Схематическое изображение описываемого электролизера для n=2 и семи блоков с 2n+1 электродами изображено на чертеже.
Как видно из чертежа, электролизер содержит пакет электродов 1 с электролитом 2 между ними. К крайним электродам подключены токоподводы 3 и 4. Электролизер может быть фильтр-прессным или ящичным. В электродах имеются отверстия или пазы для прохода газа и электролита (на чертеже не показаны). Электроды в пакете могут быть плоскими или рельефными в них. Электроды соединены токоведущими шинами 5 в блоки I-IX. Два крайних блока (I и IX) содержат по 3 электрода, остальные - по 5 электродов. Средние электроды блоков II-VIII являются биполярными и делят пакет электродов на восемь последовательно соединенных монополярных электролизеров по 5 ячеек в каждом (границы монополярных электролизеров показаны на чертеже пунктиром).
Технический эффект предложенного изобретения - многократное уменьшение площади (диаметра) каждого отдельного электрода в электролизерах, рассчитанных на токи порядка 100 А и более, что, в свою очередь,
1) облегчает обеспечение безопасности электролизеров для получения водородно-кислородной смеси, как сосудов, работающих под давлением,
2) позволяет сделать электролизеры производительностью 1500 литров/час и более водородно-кислородной смеси столь компактными, что «Правила проектирования и эксплуатации сосудов, работающих под давлением» не распространяются на них,
3) значительно сокращает выделение тепла по сравнению с биполярными электролизерами с таким же числом ячеек, так как потери тока на утечку в обход электродов при прочих равных сокращаются в 2n+1 раз,
4) позволяет облегчить циркуляцию электролита через электролизер, так как в монополярных электродах увеличение площади отверстий для протекания электролита не приводит к росту потерь тока и тепловыделения за счет утечки тока в обход электродов.
В соответствии с предложенным, были изготовлены электролизеры для получения водородно-кислородной смеси мощностью 3,0, 7,5 и 15,0 кВА. Испытания этих электролизеров подтвердили работоспособность питания электродов по предложенной схеме и все изложенные выше преимущества такого питания. В частности, тепловыделение сократилось в несколько раз по сравнению с тепловыделением биполярных электролизеров такой же производительности по водородно-кислородной смеси.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Электролизер для получения водородно-кислородной смеси фильтр-прессного или ящичного типа, содержащий пакет параллельных электродов, выполненных плоскими или рельефными с отверстиями или пазами для прохода газа и электролита, электролит в межэлектродном пространстве и токоподводы к крайним электродам, отличающийся тем, что электроды соединены между собой токоведущими шинами в блоки, два крайних из которых содержат по n+1 электродов, а остальные - по 2n+1 электродов, где n - натуральное число, при этом средние электроды каждого блока с 2n+1 электродами размещены в зазоре между смежными блоками, а остальные 2n электродов этого блока - в середине зазоров между электродами двух смежных блоков, без контакта с их токоведущими шинами, причем средние электроды блоков c 2n+1 электродами являются биполярными, а остальные электроды - монополярными.
www.freepatent.ru
