PL205891B1 - Urządzenie do rozkładu wody metodą elektrolizy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiot wynalazku dotyczy urządzenia do rozkładu wody metodą elektrolizy.

Znany jest elektrolizer do otrzymywania mieszaniny tlenowo-wodorowej - mieszaniny piorunującej, w szeregu gałęzi przemysłu. Korpus elektrolizera umieszczony jest na wale, z możliwością obracania się, i wyposażony jest w elektrody tarczowe z pierścieniowymi podtoczeniami - rowkami. Urządzenie umożliwia regulację mocy elektrolizera (patent Federacji Rosyjskiej nr 2006526, C25B 1/04, 1994 r.).

Urządzenie to ma jednak ograniczone możliwości funkcjonalne, jak również znaczną energochłonność, spowodowaną tym, że elektroliza odbywa się kosztem energii pobieranej z zewnętrznego źródła.

Znany jest elektrolizer odśrodkowy, do otrzymywania wodoru i tlenu przez elektrolizę wody, zawierający zbiornik mający korpus o kształcie cylindrycznym, z pełnym wałem, który osadzony jest na podporach z możliwością obracania się. Wał ma połączenie kinematyczne z napędem obrotowym i generatorem prą du elektrycznego. Zbiornik wyposaż ony jest w elektrody włączone w elektryczny obwód generatora, oraz w kanały służące do doprowadzania produktów wejściowych i odprowadzania produktów końcowych elektrolizy, i napełniony jest roztworem elektrolitu. Przy wirowaniu zbiornika następuje kolejne przetwarzanie mechanicznej energii napędu, najpierw na energię elektryczną, a nastę pnie na energię chemiczn ą wodoru i tlenu, otrzymanych z wody (patent Federacji Rosyjskiej nr 2015395, F 02 M 21/00, 1990 r).

Urządzenie to ma jednak niską wydajność spowodowaną wymuszoną kolejnością przekształcania energii, ponieważ kompensowanie endotermicznego efektu rozkładu wody odbywa się kosztem wykorzystania wytwarzanej energii elektrycznej bez utylizacji zewnętrznej energii cieplnej.

Urządzeniem najbardziej zbliżonym pod względem istoty technicznej do urządzenia według niniejszego wynalazku jest urządzenie do przetwarzania energii przez rozkład wody metodą elektrolizy, zawierające linie technologiczne do doprowadzania wody i odprowadzania produktów elektrolizy, napełniony roztworem elektrolitu zbiornik z wałem sprzężonym z napędem obrotowym, elektrody, które mogą być zwarte nawzajem ze sobą, z których jedna osadzona jest na wale, a druga jest utworzona przez wewnętrzną powierzchnię obracają cego się zbiornika, kanał y doprowadzania i odprowadzania elektrolitu, i odprowadzania produktów elektrolizy, wykonane w wale, jak również znajdują cy się wewną trz zbiornika wymiennik ciepł a i separator. W urzą dzeniu odbywa się równoległe przetwarzanie energii mechanicznej i cieplnej w energię elektryczną i chemiczną . W wyniku wykorzystania ciepł a, czy to naturalnego, czy pochodzenia technicznego, zwiększa się sprawność elektrolizy (patent Federacji Rosyjskiej nr 2174162, C25B 9/00, 1/02, F02M 21/02, 2001 r).

Urządzenie to ma jednakże małą przepustowość, a jego praca jest niestabilna, co jest spowodowane brakiem kontroli położenia granicy rozdziału roztworu elektrolitu i środowiska gazowego w obracającym się zbiorniku, w wyniku czego aktywne powierzchnie tarcz elektrody osadzonej na wale, znajdują się albo w środowisku gazowym albo w obszarze roztworu elektrolitu o niskim potencjale elektrycznym, co jest równoznaczne ze zmniejszeniem aktywnej powierzchni elektrody, i utrudnia proces elektrolizy, jak również zł o ż oną budową konstrukcyjną , ponieważ podawanie i odprowadzanie noś nika ciepł a w przypadku wymiennika ciepł a znajdują cego się wewną trz obracającego się zbiornika, przez kanały obracającego się wału jest trudne w realizacji technicznej, a poza tym przewodzą ce prąd powierzchnie wymiennika ciepł a przeszkadzają w powstawaniu różnicy potencjałów w roztworze elektrolitu.

Celem wynalazku jest zwiększenie wydajności i uproszczenie konstrukcji urządzenia przy równoczesnym rozszerzeniu jego możliwości funkcjonalnych.

Urządzenie do rozkładu wody metodą elektrolizy, według wynalazku, zawierające linie technologiczne dostarczające wodę i elektrolit oraz odprowadzające produkty elektrolizy, elektrolizer, w skład którego wchodzi korpus, osadzony na połączonym z obrotowym napędem wale z kanał ami do doprowadzania roztworu elektrolitu i odprowadzania produktów elektrolizy, kanał odprowadzania roztworu elektrolitu, zwarte na krótko elektrody, z których jedna osadzona jest na wale, a drugą stanowi powierzchnia korpusu, i wymiennik ciepła, charakteryzuje się tym, że urządzenie zawiera zespoły łożyskowe, dolny i górny, w których pionowo osadzony jest wał, na którym osadzony jest przewodzący prąd elektryczny korpus elektrolizera mający pokrywy, dolną i górną z materiał u przewodzącego prą d, przy czym w pokrywie górnej jest wykonany kanał odprowadzaPL 205 891 B1 jący roztwór elektrolitu, zaopatrzony w zawór regulacyjny połączony z zamocowaną nieruchomo na zespole łożyskowym górnym pierścieniową komorą roztworu elektrolitu, mającą powierzchnię wewnętrzną w kształcie ślimaka, przy czym pierścieniowa komora jest połączona z zewnętrznym obwodem krążenia roztworu elektrolitu, który poprzez wymiennik ciepła jest połączony z mieszalnikiem zamocowanym do linii doprowadzania elektrolitu i linii doprowadzania wody, w której umieszczone jest urządzenie regulujące zużycie wody, oraz z kanałem doprowadzającym roztwór elektrolitu, a ponadto z urządzeniem do regulacji zużycia wody jest połączony czujnik obecności roztworu elektrolitu, który jest także połączony z napędem obrotowym wału, zaś korpus ma powierzchnię wewnętrzną mającą co najmniej jeden rowek kierujący, a linia odprowadzająca produkty elektrolizy, połączona z wykonanym w wale kanałem odprowadzającym, zaopatrzona jest w urzą dzenie wypompowują ce produkty elektrolizy.

Korzystnie linia, odprowadzająca produkty elektrolizy, jest połączona z separatorem.

Korpus elektrolizera ma kształt cylindryczny.

Korzystnie elektroda osadzona na wale ma kształt stożka z przecięciami równoległymi do wału, na którym zamocowany jest cylinder z otworami promieniowymi oraz co najmniej jeden rowek kierujący ma kształt śrubowy.

Liczba rowków kierujących wynosi dwa.

Korzystnie urządzeniem do regulacji zużycia wody jest zawór elektromagnetyczny.

Korzystnie urządzeniem do wypompowywania produktów elektrolizy jest elektryczna pompa ssąca, a urządzenie zawiera płaszcz ochronny.

W urzą dzeniu wedł ug niniejszego wynalazku odbywa się przetwarzanie energii mechanicznej i cieplnej na energię elektryczną i chemiczną .

Wynalazek umożliwia podwyższenie wydajności urządzenia. Urządzenie jest dość proste, jest wykonane z wykorzystaniem tradycyjnych materiałów konstrukcyjnych i znanych elektrolitów, może być wykorzystywane w spalinowych agregatach środków transportowych, podwyższając w nich oszczędność paliwową, z turbinami parowymi elektrowni cieplnych i atomowych, do utylizacji ciepła przemysłowego w metalurgii i innych.

Zaletą wynalazku jest to, że korpus elektrolizera jest wykonany jako cylindryczny, co upraszcza konstrukcję.

Wynalazek służy do otrzymywania mieszaniny tlenowo-wodorowej, mieszaniny piorunującej, wodoru i tlenu, przez elektrolizę wody, i może być wykorzystywany w źródłach mieszaniny piorunującej, na przykład dla techniki gazowo - plazmowej w szeregu gałęzi przemysłu, paliwa wodorowego, a w szczególności, do zasilania silników spalinowych lub innych urzą dzeń energetycznych i cieplnych, jak również tlenu do celów technologicznych w różnych gałęziach przemysłu.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, przedstawiającym w uproszczeniu urzą dzenie do rozkł adu wody metodą elektrolizy.

Dla większej poglądowości, na rysunku zmieniono stosunki wymiarowe między poszczególnymi zespołami i elementami.

Urządzenie zawiera elektrolizer 1, w skład którego wchodzi cylindryczny korpus 2 wykonany z materiału przewodzącego prąd elektryczny, z pokrywami, górną 3 i dolną 4, wykonanymi z materiału przewodzącego prąd elektryczny, osadzony na pionowym wale 5 w zespołach łożyskowych, dolnym 6 i górnym 7, przy czym wał 5 jest połączony z napędem obrotowym 8, i wewnątrz ma kanały doprowadzające 9 elektrolitu i kanały odprowadzające 10 produktów elektrolizy. Na wale 5 wewnątrz elektrolizera 1 znajduje się elektroda 11 (na przykład katoda), składająca się ze stożka 12 z przecięciami równoległymi do wału, i zamocowanego na stożku 12 cylindra 13 z otworami promieniowymi. Powierzchnia wewnętrzna 14 korpusu 2 stanowi drugą elektrodę (na przykład anodę), i zaopatrzona jest w jeden lub więcej rowków 15, które mogą być wykonane jako śrubowe. Elektrolizer 1 wyposażony jest w zewnętrzny obwód krążenia 16 roztworu elektrolitu, w którego skład wchodzi nieruchoma pierścieniowa komora dla roztworu elektrolitu, z powierzchnią wewnętrzną 17 w kształcie ślimaka, znajdująca się na zespole łożyskowym górnym 7, czujnik 18 obecności elektrolitu, wymiennik 19 ciepła i mieszalnik 20 roztworu elektrolitu, połączony poprzez kanał doprowadzający 9 roztwór elektrolitu, znajdujący się wewnątrz wału 5, z technologiczną linią 21 doprowadzania wody z urządzeniem 23 do regulacji zużycia wody, zaworem 24 i zbiornikiem 22 na wodę, i technologiczną linią 25 do doprowadzania elektrolitu ze zbiornika 26 na elektrolit. W pokrywie górnej 3 elektrolizera 1 wykonany jest kanał 27 do odprowadzania roztworu elektrolitu, zaopatrzony w zawór regulacyjny 28, mający połączenie z pierścieniową komorą

PL 205 891 B1 roztworu elektrolitu o powierzchni wewnętrznej 17 w kształcie ślimaka. Kanał odprowadzający 10 produktów elektrolizy jest połączony z technologiczną linią 29 do odprowadzania produktów elektrolizy, z urządzeniem 30 do odpompowywania produktów elektrolizy, na przykład elektryczną pompą próżniową, i separatorem 31 do rozdzielania mieszaniny tlenowo-wodorowej na tlen i wodór. Kanał doprowadzający 9 roztworu elektrolitu jest wyposażony w kanał 32 odprowadzający wycieki roztworu elektrolitu i w pojemnik 33 do zbierania wycieków roztworu elektrolitu. Czujnik 18 obecności roztworu elektrolitu jest połączony z urządzeniem 23 do regulacji zużycia wody i napędem obrotowym 8 wału 5. Urządzenie zaopatrzone jest w płaszcz ochronny 34.

Urządzenie działa w sposób następujący.

Elektrolit ze zbiornika 26 na elektrolit, linią technologiczną 25 do podawania elektrolitu podaje się do mieszalnika 20 roztworu elektrolitu, a stąd przez znajdujący się wewnątrz wału 5 kanał doprowadzający 9 roztworu elektrolitu, do elektrolizera 1. Zawór 24 w linii 21 podawania wody jest zamknięty. Włączenie napędu obrotowego 8 wału 5, osadzonego pionowo w zespołach łożyskowych, dolnym 6 i górnym 7, powoduje wprawienie w ruch obrotowy elektrolizera 1, napełnionego roztworem elektrolitu, i rozpędzenie go przed rozpoczęciem procesu elektrolizy. W procesie rozpędzania elektrolizera rozpoczyna się krążenie roztworu elektrolitu w zewnętrznym obwodzie krążenia 16. Następuje zadziałanie czujnika 18 obecności elektrolitu, który podaje sygnał do urządzenia 23, będącego zaworem elektromagnetycznym lub dowolnym innym urządzeniem do regulacji zużycia wody, które wstrzymuje podawanie wody, po czym następuje otwarcie zaworu 24. Urządzenie przechodzi w tryb pracy z automatycznym podawaniem wody z linii 21 przez urządzenie 23, mieszalnik 20 roztworu elektrolitu, kanały doprowadzające 9 i elektrolizer 1.

W obracającym się elektrolizerze 1, w procesie wytwarzania wodoru i tlenu, objętość roztworu elektrolitu i odpowiednio jego stężenia stopniowo się zmienia: stężenie roztworu elektrolitu zwiększa się, a objętość się zmniejsza. Granica rozdziału roztworu elektrolitu i środowiska gazowego przesuwa się, kanał odprowadzający elektrolitu zaczyna znajdować się w strefie środowiska gazowego, i ustaje odprowadzanie roztworu elektrolitu, i odpowiednio ustaje krążenie roztworu elektrolitu w obwodzie zewnętrznym. Czujnik 18 obecności roztworu elektrolitu podaje rozkazy do urządzenia 23 regulacji zużycia wody, na przykład zaworu elektromagnetycznego, i równocześnie do napędu obrotowego 8. Zaczyna się podawanie wody do mieszalnika 20 i dalej, rozcieńczonego elektrolitu, przez kanał doprowadzający 9 roztworu elektrolitu, do obracającego się elektrolizera 1. Napęd obrotowy 8 zaczyna hamowanie obracającego się elektrolizera 1. Pod działaniem sił bezwładności i śrubowych rowków 15 roztwór elektrolitu ulega przemieszaniu. Przy wznowieniu krążenia elektrolitu w zewnętrznym obwodzie krążenia 16 i odpowiednich rozkazach czujnika 18, zawór elektromagnetyczny przestaje podawać wodę do linii 21 ze zbiornika 22 na wodę, a napęd obrotowy 8 na nowo rozpędza elektrolizer 1.

Wewnątrz elektrolizera 1 na pionowym wale 5 osadzona jest jedna z elektrod (na przykład katoda), składająca się ze stożka 12 z przecięciami równoległymi do wału, i zamocowanego na stożku 12 cylindra 13 z otworami promieniowymi, funkcję drugiej elektrody (na przykład anody) pełni powierzchnia wewnętrzna 14 korpusu 2, zaopatrzona w jeden lub więcej, a korzystnie dwa rowki kierujące 15, które mogą być wykonane jako śrubowe. Rowki mogą być także wykonane jako spiralne, kołowe lub prostoliniowe, a również mieć kształt złożony z kształtów wymienionych.

Każda z elektrod w elektrolizerze może pełnić funkcję katody lub anody, w zależności od składu chemicznego wykorzystywanego elektrolitu.

Przecięcia w stożku 12 i promieniowe otwory w cylindrze 13 elektrody 11, i kierujące śrubowe rowki 15 na wewnętrznej powierzchni 14 korpusu 2 elektrolizera 1 są wykonane dla poprawienia dostarczania i mieszania roztworu elektrolitu.

Do tego samego celu służą krótkotrwałe tryby hamowania i następnie rozpędzania, przewidziane w pracy napędu obrotowego 8 wału 5, realizowane na rozkaz z czujnika 18 obecności roztworu elektrolitu, włączonego w zewnętrzny obwód krążenia 16 roztworu elektrolitu.

W procesie obracania się pod działaniem siły odśrodkowej w elektrolizerze 1 powstaje pole sztucznej siły ciężkości, pod którego działaniem rozdzielają się kationy i aniony, w postaci hydratów, mających istotnie różniącą się masę własną. Cięższe jony, na przykład aniony, wytwarzają przy powierzchni wewnętrznej 14 korpusu 2 (anody) ujemny przestrzenny ładunek elektryczny, który w korpusie 2, wykonanym z materiału przewodzącego prąd elektryczny, indukuje adekwatny ładunek z elektronów przewodzenia.

PL 205 891 B1

Jony lekkie skupią się w obszarze między anodą i katodą 11, tworząc swój przestrzenny dodatni ładunek przestrzenny, przy czym, jeżeli wielkość jego potencjału okaże się dostateczna do wytworzenia pola elektrycznego, zdolnego do odkształcania hydratowych powłok lekkich jonów, to powstała równowaga zostanie naruszona na elektrodzie 11 (katodzie). Lekkie jony zbliżą się do powierzchni 12 i 13 elektrody 11 (katody) i rozładują się. Jony ciężkie również oddadzą swój ładunek anodzie, i między elektrodami, przez pokrywę dolną 3 i pokrywę górną 4, wykonane z materiału przewodzącego prąd elektryczny, jak po zwartym na krótko przewodzie, popłynie stały prąd elektryczny. Jony elektrolitu są odtwarzane, tworząc wodór i tlen, a pośrednie produkty elektrolizy wchodzą we wtórne reakcje z wodą.

Po rekombinacji wodór i tlen wypływają w stronę środka elektrolizera 1 i w postaci mieszaniny tlenowo-wodorowej, przez kanał odprowadzający 10 produktów elektrolizy, za pomocą urządzenia 30 do odpompowywania produktów elektrolizy, na przykład pompy próżniowej, i linii 29 odprowadzania produktów elektrolizy, odprowadzane są do użytkownika. W celu rozdzielenia mieszaniny tlenowo-wodorowej na tlen i wodór, w urządzeniu może być stosowany separator 31, z którego rozdzielone gazy są kierowane do użytkowników paliwa wodorowego i tlenu.

Urządzenie 30 do odpompowywania produktów elektrolizy (mieszaniny tlenowo-wodorowej, mieszaniny piorunującej) jest niezbędne do zapobieżenia wyciekom wodoru i tlenu do środowiska zewnętrznego.

Roztwór elektrolitu, poprzez kanał 27 z zaworem regulacyjnym 28, mającym połączenie z nieruchomą pierścieniową komorą roztworu elektrolitu, z powierzchnią wewnętrzną 17 w kształcie ślimaka do odprowadzania roztworu elektrolitu, wydostaje się do zewnętrznego obwodu krążenia 16 roztworu elektrolitu, skąd przez wymiennik 19 ciepła przechodzi do mieszalnika 20 roztworu elektrolitu, a następnie przez kanał doprowadzający 9 roztworu elektrolitu wału 5, z powrotem do obracającego się elektrolizera 1. Tym sposobem realizowane jest krążenie roztworu elektrolitu w zewnętrznym obwodzie krążenia 16. Drenowanie możliwych wycieków elektrolitu z kanału doprowadzającego 9 odbywa się przez kanał 32 dla wycieków roztworu elektrolitu, i pojemnik drenażowy 33, skąd roztwór elektrolitu jest zwracany do zbiornika 26 elektrolitu.

Powierzchnia wewnętrzna 17 nieruchomej pierścieniowej komory roztworu elektrolitu zewnętrznego obwodu krążenia 16 roztworu wykonana jest w kształcie ślimaka, dla gaszenia zawirowania w strumieniu roztworu elektrolitu, odprowadzanym z wirującego elektrolizera 1.

Procesowi rozkładu wody na wodór i tlen w wyniku rekombinacji jonów towarzyszy zmniejszenie entalpii roztworu elektrolitu, w wyniku czego temperatura roztworu stale się obniża, i bez uzupełniania strat ciepła roztwór zamarznie i proces ulegnie zatrzymaniu. Z tej przyczyny, konieczne jest podgrzewanie roztworu. W tym celu, w zewnętrznym obwodzie krążenia 16 roztworu elektrolitu wstawiony jest wymiennik 19 ciepła. W charakterze nośnika ciepła wykorzystuje się roztwór elektrolitu. Energię cieplną do wymiennika 19 ciepła można doprowadzać za pośrednictwem gazów wydechowych lub środka niezamarzającego do silników spalinowych, lub też w innej postaci.

W wirującym elektrolizerze 1, w procesie wytwarzania wodoru i tlenu, objętość roztworu elektrolitu i odpowiednio jego stężenie stopniowo się zmieniają: stężenie roztworu elektrolitu ulega zwiększeniu, a objętość ulega zmniejszeniu. Dla zapewnienia dostatecznego pola powierzchni styku roztworu elektrolitu z elektrodą 11 w strefie wysokiego potencjału elektrycznego w warunkach stale zmieniającej się objętości roztworu elektrolitu, jak również dlatego, aby utworzyć przestrzeń ze środowiskiem gazowym, elektroda 11 osadzona na wale pionowym 5, jest wykonana w kształcie stożka 12 z zamocowanym na nim cylindrem 13.

Dla spełnienia warunków bezpieczeństwa urządzenie może być wyposażone w płaszcz ochronny 34.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do rozkładu wody metodą elektrolizy, zawierające linie technologiczne dostarczające wodę i elektrolit oraz odprowadzające produkty elektrolizy, elektrolizer, w skład którego wchodzi korpus, osadzony na połączonym z obrotowym napędem wale z kanałami do doprowadzania roztworu elektrolitu i odprowadzania produktów elektrolizy, kanał odprowadzania roztworu elektrolitu, zwarte na krótko elektrody, z których jedna osadzona jest na wale, a drugą stanowi powierzchnia korpusu, i wymiennik ciepła, znamienne tym, że urządzenie zawiera zespoły łożyskowe, dolny (6) i górny (7),

   PL 205 891 B1 w których pionowo osadzony jest wał (5), na którym osadzony jest przewodzący prąd elektryczny korpus (2) elektrolizera (1) mający pokrywy, dolną (4) i górną (3) z materiału przewodzącego prąd, przy czym w pokrywie górnej (3) jest wykonany kanał (27) odprowadzający roztwór elektrolitu, zaopatrzony w zawór regulacyjny (28) połączony z zamocowaną nieruchomo na zespole łożyskowym górnym (7) pierścieniową komorą roztworu elektrolitu, mającą powierzchnię wewnętrzną (17) w kształcie ślimaka, przy czym pierścieniowa komora jest połączona z zewnętrznym obwodem krążenia (16) roztworu elektrolitu, który poprzez wymiennik (19) ciepła jest połączony z mieszalnikiem (20) zamocowanym do linii (25) doprowadzania elektrolitu i linii (21) doprowadzania wody, w której umieszczone jest urządzenie (23) regulujące zużycie wody, oraz z kanałem doprowadzającym (9) roztwór elektrolitu, a ponadto z urządzeniem (23) do regulacji zużycia wody jest połączony czujnik (18) obecności roztworu elektrolitu, który jest także połączony z napędem obrotowym (8) wału (5), zaś korpus (2) ma powierzchnię wewnętrzną mającą co najmniej jeden rowek kierujący (15), a linia (29) odprowadzająca produkty elektrolizy, połączona z wykonanym w wale (5) kanałem odprowadzającym (10), zaopatrzona jest w urządzenie (30) wypompowujące produkty elektrolizy.
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że linia (29), odprowadzająca produkty elektrolizy, jest połączona z separatorem.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że korpus (1) elektrolizera (1) ma kształt cylindryczny.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że elektroda (11) osadzona na wale ma kształt stożka (12) z przecięciami równoległymi do wału, na którym zamocowany jest cylinder (13) z otworami promieniowymi.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że co najmniej jeden rowek kierujący (15) ma kształt śrubowy.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że liczba rowków kierujących (15) wynosi dwa.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że urządzeniem (23) do regulacji zużycia wody jest zawór elektromagnetyczny.
8. 8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że urządzeniem (30) do wypompowywania produktów elektrolizy jest elektryczna pompa ssąca.
9. 9. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera płaszcz ochronny (34).