Аппарат для высокотемпературного электролиза воды

 

Изобретение относится к устройствам получения кислорода и водорода, в частности к аппарату для высокотемпературного электролиза воды, преимущественно, на борту космических кораблей и подводных лодках. Техническим результатом предложенного аппарата является его компактность, снижение веса и низкие энергозатраты для получения кислорода электролизом воды, а также надежность. Указанный технический результат достигается благодаря тому, что аппарат изготовлен в виде концентрично соединенных тонкостенных труб и фланцев, с источником тепла, установленным в центральной трубе. При этом в полости между центральной трубой и внешним пакетом труб расположены сами электролизные модули, соединенные по газу с каналами, образованными во внешнем пакете труб таким образом, что осуществляется противоток входящих и отходящих газов. 1 ил.

Изобретение относится к области высокотемпературной электрохимии, точнее к устройствам для разложения (электролиза) воды в высокотемпературных электрохимических устройствах с твердым электролитом, например, на основе двуокиси циркония. Изобретение может быть использовано при решении проблем водородной энергетики для получения водорода, а также в системах жизнеобеспечения для регенерации газовой среды замкнутых обитаемых объемов (космических кораблей, подводных лодок и т.п.).

Известны устройства для высокотемпературного электролиза, состоящие из разнесенных в пространстве систем для испарения воды, перегрева, конденсации, сбора водорода и кислорода, системы соединяются между собой трубопроводами. Например, патент США №3616334, опубл. в 1971 г.

Каждая из систем представляет достаточно сложное конструктивно и в эксплуатации законченное устройство, предназначенное для выполнения конкретных задач по возможности в очень широких интервалах регулирования параметров, поэтому эти устройства имеют низкие тепловые КПД и не могут быть использованы в небольших замкнутых объектах с ограниченным запасом энергии.

Наиболее близким техническим решение (прототипом) можно считать систему для высокотемпературного электролиза воды, предложенную в Ин-те электрохимии УНЦ АН СССР, (Тр. Ин-та электрохимии УНЦ АН СССР, вып. 26, 1978 г., стр.102, г.Свердловск), у которой при плотности тока 0,25 А и производительности 8,5 л кислорода в час суммарные электроэнергозатраты составляли 4,0 кВт·час/м³ кислорода.

Эта система также имеет блочную систему и ей присущи все вышеперечисленные недостатки аналогов. Использование ее в качестве локального источника кислорода и водорода является тоже достаточно сложной задачей. Достаточно сказать, что вся многочисленная система трубопроводов, подводящая и отводящая пары воды, должна перегреваться до 120÷150°С, чтобы избежать конденсации и, как следствие, увеличения сопротивления газовому потоку, подводящему пары воды к каждому электрохимическому модулю, что может привести к неравномерной подаче газа и снижению общего КПД устройства. Блочная проработка устройства увеличивает в конечном итоге его объем, вес и энергозатраты. Описываемое устройство производительностью 8,5 л кислорода при 0,25 А имело общий объем 0,12 м³, вес 20 кг и общие электроэнергозатраты составляли 4,0 кВт·ч/м³ кислорода при разложении воды (850°С).

Целью настоящего изобретения является создание компактного аппарата для высокотемпературного электролиза воды более простого по конструкции, надежного в эксплуатации, имеющего более высокий КПД использования тепловой энергии с целью использования его в космической технике.

Указанная цель достигается благодаря изготовлению аппарата в виде концентрично соединенных тонкостенных труб и фланцев, причем источник тепла устанавливается в центральной трубе. В полости между центральной трубой и внешним пакетом труб расположены сами электролизные модули, соединенные по газу с каналами, образованными во внешнем пакете труб таким образом, что осуществляется противоток входящих и отходящих газов.

На чертеже представлена половина продольного разреза аппарата, состоящего из источника тепловой энергии 1, помещенного в центральной герметизированной трубке 2, электролизных модулей 3, соединенных по газу и току между собой и с внешним пакетом тонкостенных труб 4, которые образуют герметичные каналы для входящих и выходящих во встречном направлении газов. Чтобы не загромождать рисунка, на нем не показаны стыковка и соединение фланцев 5 и токогазоподводов модулей.

Трубы и фланцы изготовлены из жаропрочной окалиностойкой стали ЭИ-435. Толщина труб в пакете 0,1-0,5 мм. По торцам трубы сварены аргонодуговой сваркой. Электролизные модули изготовлены из батарей электрохимических устройств. Высокотемпературный твердый электролит - на основе двуокиси циркония, стабилизированной окисью скандия. Источником тепловой энергии является радиоизотопный тепловой элемент.

Дозированное эжектором количество воды попадает через полость во фланце и внешнюю полость пакета по каналам между трубами внешнего пакета в электролизные модули. При этом в едином устройстве нагревается, испаряется и перегревается, используя тепловую энергию кислорода, водорода и конденсирующейся воды, выходящих из электролизных модулей после разложения. Стартовый разогрев и поддержание рабочей температуры 900-1000°С осуществляют радиоизотопным тепловым элементом. Кислород и водород используют по назначению, а воду возвращают на вход прибора для разложения. Заявляемый прибор для высокотемпературного электролиза воды при 900°С и производительности 100 л кислорода в час при 0,25 А/см² имеет объем 0,008 м³, вес 15 кг и общие электроэнергозатраты не более 3,2 кВт·ч/м³ кислорода.

Аппарат для высокотемпературного электролиза воды предлагаемой конструкции совмещает воедино все необходимые для разложения системы. Благодаря этому удалось создать аппарат с увеличенной почти в 12 раз производительностью кислорода (при равных плотностях тока), у которого одновременно объем уменьшен в 15 раз, вес снижен на 25%, а общие электроэнергозатраты на 20%. Это позволяет рассматривать его приемлемым для использования в космической технике в системах жизнеобеспечения.

Формула изобретения

Аппарат для высокотемпературного электролиза воды, включающий ряд электролизных ячеек с твердым электролитом, и источник тепла, отличающийся тем, что, с целью снижения объемно-весовых показателей и увеличения производительности, аппарат выполнен в виде концентрически размещенных труб, причем источник тепла помещен в центральной трубе и выполнен в виде радиоизотопного источника, а между центральной трубой и периферийными трубами помещены электролизные ячейки, имеющие общие патрубки вывода водорода и ввода электролита, соединенные соответственно с периферийными трубами, выполненными в виде змеевиков, имеющих общую поверхность контакта.

РИСУНКИ