MD322Z - Electrolizor compact pentru obţinerea hidrogenului - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la aparatele pentru obţinerea electrolitică a hidrogenului, care poate fi utilizat în calitate de combustibil secundar sau alternativ pentru motoarele cu ardere internă ale transportului automobilistic. Invenţia de asemenea poate fi utilizată în industriile chimică şi petrolieră.Electrolizorul compact pentru obţinerea hidrogenului include un corp (1) cu un compartiment catodic central în flux dintr-un material spumat volumic poros cu acoperire chimico-catalitică de nichel-reniu cu supratensiune joasă de degajare a hidrogenului şi anozi (3) plani perforaţi dintr-un material cu supratensiune înaltă de degajare a oxigenului; două racorduri de evacuare (10) a electrolitului, care comunică cu capetele inferioare cu o capacitate de alimentare (7). Partea superioară a corpului este executată ca un capac în formă de cupolă (11) unit cu o cameră semiinelară (12) cu racord de evacuare a hidrogenului (13), care comunică cu un canal (14) cu o clapetă (15) amplasat orizontal pentru separarea şi evacuarea oxigenului, executate dintr-un material diamagnetic, totodată din exteriorul canalului (14) de partea camerei semiinelare sunt amplasaţi magneţi permanenţi (16), iar partea de mijloc a canalului este acoperită cu o bobină de rezistenţă în două secţii cu acoperire termoizolatoare (17) care formează două braţe ale unei punţi neechilibrate, conectate cu rezistoare, un potenţiometru automat (18) cu scară a conţinutului procentual al oxigenului şi cu o sursă de curent (19). Electrolizorul este dotat cu un dispozitiv de dozare (6), un alimentator (4) cu nivelmetru (5), precum şi cu o pompă de recirculaţie (8) unită cu capacitatea de alimentare (7) şi compartimentul catodic.

Description

Invenţia se referă la aparatele pentru obţinerea electrolitică a hidrogenului, care poate fi utilizat în calitate de combustibil secundar sau alternativ pentru motoarele cu ardere internă ale transportului automobilistic. Invenţia de asemenea poate fi utilizată în industriile chimică şi petrolieră.

Cea mai apropiată soluţie este electrolizorul pentru obţinerea hidrogenului care include o capacitate dotată cu doi catozi în flux şi doi anozi plaţi perforaţi, un capac de gaze în formă de cupolă şi o sursă pentru menţinerea nivelului electrolitului cu racorduri şi pompă pentru recircularea lui [1]. Acest electrolizor conţine o diafragmă care separă spaţiile catodic şi anodic, iar catozii în flux volumici poroşi sunt executaţi din material carbonic fibros, care însă este instabil în condiţiile exploatării instalaţiei, totodată, funcţionarea unui astfel de electrolizor este legată de cheltuieli suplimentare de energie la electroliză pentru depăşirea rezistenţei electrice a diafragmei, care separă spaţiul anodic de cel catodic. Prezenţa diafragmei diminuează stabilitatea de funcţionare a instalaţiei din cauza stabilităţii joase a electrolitului în condiţiile recirculării electrolitului.

Problema tehnică pe care o rezolvă prezenta invenţie constă în diminuarea consumului specific de energie pentru obţinerea hidrogenului datorită diminuării rezistenţei electrice a sistemului în timpul electrolizei, majorarea eficacităţii procesului de electroliză a apei la obţinerea hidrogenului, precum şi asigurarea compacticităţii şi a durabilităţii electrolizorului.

Problema se soluţionează prin aceea că electrolizorul compact pentru obţinerea hidrogenului include un corp cu un compartiment catodic central în flux dintr-un material spumat volumic poros cu acoperire chimico-catalitică de nichel-reniu cu supratensiune joasă de degajare a hidrogenului, anozi plani perforaţi dintr-un material cu supratensiune înaltă de degajare a oxigenului şi două racorduri de evacuare a electrolitului, care comunică cu capetele inferioare cu o capacitate de alimentare. Partea superioară a corpului este executată ca un capac în formă de cupolă unit cu o cameră semiinelară cu racord de evacuare a hidrogenului, care comunică cu un canal cu clapetă amplasat orizontal pentru separarea şi evacuarea oxigenului, executat dintr-un material diamagnetic, totodată din exteriorul canalului de partea camerei semiinelare sunt amplasaţi magneţi permanenţi, iar partea de mijloc a canalului este acoperită cu o bobină de rezistenţă în două secţii cu acoperire termoizolatoare care formează două braţe ale unei punţi neechilibrate, conectate cu rezistoare, un potenţiometru automat cu scară a conţinutului procentual al oxigenului şi cu o sursă de curent. Electrolizorul este dotat cu un dispozitiv de dozare, un alimentator cu nivelmetru, precum şi cu o pompă de recirculaţie unită cu capacitatea de alimentare şi compartimentul catodic.

Rezultatul tehnic al invenţiei constă în aceea că excluderea diafragmelor de separare diminuează considerabil rezistenţa electrică în sistem la electroliza apei, ceea ce micşorează consumul de energie la electroliză şi, respectiv, consumul specific de energie electrică pentru obţinerea electrolitică a hidrogenului. Executarea electrozilor din materiale cu supratensiune scăzută şi materiale cu supratensiune ridicată facilitează degajarea hidrogenului electrolitic cu o degajare concomitentă cât mai mică a oxigenului, care datorită susceptibilităţii magnetice se separă şi se degajă uşor în câmpul magnetic. În cazul încălcării regimului electrolizei, la care este posibilă degajarea unor cantităţi mici de oxigen, concomitent este posibilă determinarea cantităţii lui în gazele electrolitice şi reglarea scoaterii acestuia cu ajutorul racletei.

Prin aceasta se asigură majorarea eficacităţii procesului şi a ieşirii specifice de hidrogen raportată la o unitate de energie consumată, ceea ce facilitează creşterea ergonomiei tehnologiei de obţinere a hidrogenului. Totodată, aceasta condiţionează majorarea compactităţii electrolizorului şi stabilitatea funcţionării.

Invenţia se explică cu ajutorul figurii, care prezintă schema electrolizorului propus.

Electrolizorul compact pentru obţinerea hidrogenului include un corp 1 cu un compartament catodic 2 central în flux dintr-un material spumat volumic poros cu acoperire chimico-catalitică de nichel-reniu cu supratensiune joasă de degajare a hidrogenului şi anozi 3 plani perforaţi dintr-un material cu supratensiune înaltă de degajare a oxigenului; două racorduri de evacuare 10 a electrolitului, care comunică cu capetele inferioare cu o capacitate de alimentare 7. Partea superioară a corpului este executată ca un capac în formă de cupolă 11, unit cu o cameră semiinelară 12 cu racord de evacuare a hidrogenului 13, care comunică cu un canal 14 cu clapetă 15 amplasat orizontal pentru separarea şi evacuarea oxigenului, executate dintr-un material diamagnetic. Totodată, din exteriorul canalului 14, de partea camerei semiinelare sunt amplasaţi magneţi permanenţi 16, iar partea de mijloc a canalului este acoperită cu o bobină de rezistenţă în două secţii Rt1 şi Rt2 cu acoperire termoizolatoare 17, care formează două braţe ale unei punţi neechilibrate, conectate cu rezistoarele R3 şi R4, tranzistorul reglabil R5, potenţiometrul automat 18 cu scară a conţinutului procentual al oxigenului şi cu o sursă de curent 19. Electrolizorul este dotat cu un dispozitiv de dozare 6, un alimentator 4 cu nivelmetru 5, precum şi cu o pompă de recirculaţie 8 unită cu capacitatea de alimentare 7 şi compartimentul catodic prin intermediul racordului de admisie 9 a electrolitului.

Capacul 11 electrolizorului, camera semiinelară 12 şi canalul 14 sunt executate din material diamagnetic. În calitate de electrolit pentru electroliză se utilizează apă distilată sau apă desaturată cu electroconductibilitatea de 10-4 cm/m, în scopul sporirii electroconductibilităţii electrolitului se pregătesc soluţii de KOH de 25…30% sau de NaOH de 16…20% cu posibilitatea adăugării cromatului de sodiu în cantitate de 2,5…3 g/l. Rolul ultimelor este orientat la ameliorarea funcţionării catozilor datorită pasivării suprafeţei lor şi excluderea descărcărilor de sarcină pe ei a compuşilor - impurităţi din electrolit.

În calitate de material pentru catozii poroşi în flux 2, care sunt o varietate a electrozilor tridiminsionali pot fi utilizate metalele spumate, în special, cuprul care este produs în industria metalurgică prin împroşcarea gazelor inerte în metalul topit sau prin stimularea formării locale a gazelor la introducerea unui reactiv care degajă gaz (de ex.: TiH2), datorită cărui fapt se formează structura celulară cu pori deschişi având coeficientul de porozitate de 0,92…0,96.

Pentru asigurarea unei supratensiuni scăzute pentru degajarea hidrogenului pe suprafaţa acestui electrod se depune prin metoda chimico-catalitică un strat de grosime omogenă din aliaj de nichel-reniu de 5…10 mm. Tehnologia cunoscută de depunere asigură un grad înalt de omogenitate stratului depus în volumul inert al porilor metalului spumat cu structură celulară, asigurând proprietăţi electrocatalitice respective suprafeţei electrozilor. Ca rezultat, caracterul deosebit al microstructurii pe suprafaţa metalului spumat, iar prezenţa reniului în componenţa stratului de nichel facilitează diminuarea supratensiunii -0,5-0,6 V, caracteristică pentru straturile de nichel până la -0,1-0,12 V pentru aliajul nichel-reniu.

În calitate de anozi insolubili 3 poate fi utilizat grafitul electrodic sau titanul placat cu dioxid de ruteniu de tip ORTA, sau dioxid de iridiu de tip OPTA, care posedă valori mari ale supratensiunii pentru degajarea hidrogenului. Însă ultimul este mai stabil şi practic nu se distruge în procesul electrolizei, datorită cărui fapt asigură o exploatare mai îndelungată. Prezenţa orificiilor în construcţia anozilor asigură nu numai schimbul de masă în volumul electrolizorului, dar şi majorează capacitatea de difuzie a curentului la electroliză, ceea ce este favorabil pentru funcţionarea întregului sistem.

Aceste proprietăţi ale materialelor catozilor şi anozilor conduc la aceea că procesul de electroliză la electrozi decurge în domeniul potenţialelor de până la degajarea oxigenului, ceea ce facilitează minimizarea cantităţii degajate a acestuia, pe când degajarea hidrogenului în electrolizorul propus va fi maximală. Aceasta condiţionează majorarea cantităţii specifice a hidrogenului degajat la electroliză, diminuarea consumului de energie în timpul procesului şi, respectiv, majorarea productivităţii procesului în condiţii de flux.

Electrolizorul funcţionează astfel.

În interiorul corpului 1 electrolizorului, prin dispozitivul de dozare 6 este introdus electrolitul până la nivelul stabilit, determinat de înălţimea racordurilor 10 şi înregistrat de nivelmetru 5. Apoi se include pompa de recirculaţie 8 şi se aplică curent la catodul dublu 2 şi anozi 3, iniţiindu-se procesul de electroliză a apei, ca rezultat pe catod şi în porii acestuia se degajă hidrogen în formă de gaz, care este scos de fluxul de electrolit în capacul 11 electrolizorului, apoi în camera semiinelară 12, de unde prin racordul de evacuare 11 hidrogenul este dirijat spre utilizare.

Pe anozi 3, datorită supratensiunii, procesul de formare a oxigenului este încetinit, este posibilă degajarea oxigenului într-o cantitate mică în capacul 11 electrolizorului împreună cu cantitatea principală de hidrogen în camera semiinelară 12.

La conectarea curentului la sursă 19 are loc încălzirea bobinei de platină bisecţionată Rt1 şi Rt2. Dacă în amestecul iniţial lipseşte oxigenul, atunci nu există nici mişcare în canalul transversal. În prezenţa oxigenului în amestecul iniţial moleculele acestuia se orientează în câmpul magnetic şi sunt atrase în canal, încălzindu-se până la 100…200°C. Odată cu creşterea temperaturii susceptibilitatea magnetică a oxigenului se micşorează, de aceea porţiile noi de gaz rece sunt atrase în zona câmpului magnetic, împingând oxigenul înfierbântat în camera semiinelară. Fluxul convex de gaze percepe căldura în principal de la bobina Rt1, ca rezultat temperatura în secţii devine diferită.

Conform rezultatelor măsurării rezistenţei Rt1 şi rezistenţei Rt2, proporţională concentraţiei gazului analizat în amestecul iniţial, în diagonala de măsurare a punţii, care include rezistenţele continui R3 şi R4 şi tranzistorul reglabil R5, apare semnalul de dezechilibru care este fixat automat de potenţiometrul 18 cu scară gradată în procente pentru conţinutul de oxigen, care apoi este evacuat din sistem prin clapeta reglabilă 15.

Procesul de electroliză în electrolizorul propus decurge la o tensiune joasă la electrozi datorită pierderilor ohmice reduse la valori mici ale densităţii curentului la o unitate de suprafaţă volumică activă a catozilor poroşi, care condiţionează posibilitatea atingerii unei forţe sumare mari a curentului, necesare pentru electroliza apei, care decurge în aceste condiţii foarte intens. Pe măsura scăderii nivelului electrolitului din cauza consumului obişnuit de apă la electroliză, cantitatea necesară automat se adaugă cu ajutorul dispozitivului de dozare 6, dotat cu capac ermetic şi ventil, prin racordul amplasat la nivelul dat al electrolitului. Pe măsura atingerii nivelului necesar, deschizătura de emisie a racordului în dispozitivul de dozare 6 se închide şi scurgerea apei se întrerupe până la o nouă scădere a nivelului electrolitului, asigurând astfel menţinerea lui la nivelul dat.

Astfel, se asigură diminuarea consumului de energie pentru obţinerea hidrogenului datorită micşorării rezistenţei electrice în sistem, majorarea eficacităţii procesului de electroliză a apei şi a fiabilităţii electrolizorului, totodată este posibilă compactarea construcţiei.

1. MD 3660 G2 2008.07.31

Claims (1)

1. Electrolizor compact pentru obţinerea hidrogenului, care include un corp cu un compartiment catodic central în flux dintr-un material spumat volumic poros cu acoperire chimico-catalitică de nichel-reniu cu supratensiune joasă de degajare a hidrogenului, anozi plani perforaţi dintr-un material cu supratensiune înaltă de degajare a oxigenului şi două racorduri de evacuare a electrolitului, care comunică cu capetele inferioare cu o capacitate de alimentare; partea superioară a corpului este executată ca un capac în formă de cupolă unit cu o cameră semiinelară cu racord de evacuare a hidrogenului, care comunică cu un canal cu o clapetă amplasat orizontal pentru separarea şi evacuarea oxigenului, executate dintr-un material diamagnetic, totodată din exteriorul canalului de partea camerei semiinelare sunt amplasaţi magneţi permanenţi, iar partea de mijloc a canalului este acoperită cu o bobină de rezistenţă în două secţii cu acoperire termoizolatoare care formează două braţe ale unei punţi neechilibrate, conectate cu rezistoare, un potenţiometru automat cu scară a conţinutului procentual al oxigenului şi cu o sursă de curent; electrolizorul este dotat cu un dispozitiv de dozare, un alimentator cu nivelmetru, precum şi cu o pompă de recirculaţie unită cu capacitatea de alimentare şi compartimentul catodic.