Способ получения кислорода и водорода и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к электрохимии и может быть использовано в устройствах для газопламенной обработки материалов. Технический результат изобретения - повышение производительности и коэффициента полезного использования энергии. Способ получения кислорода и водорода электролизом воды заключается в том, что на ячейки электролизера подают напряжение от источника питания постоянного тока, причем сначала напряжение подают на n ячеек, а затем дополнительно подключают m ячеек. Устройство для получения кислорода и водорода содержит источник питания постоянного тока, подключенный к электролизеру, включающему (n + m) последовательно соединенных электролитических ячеек и переключатель. Вход переключателя соединен с одним из полюсов источника питания, один выход подключен к n-й ячейке электролизера, а другой к (n + m)-й ячейке. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электрохимии и может быть использовано при получении кислорода и водорода путем электролиза воды в устройствах для газопламенной обработки материалов.

Известен способ получения водорода и кислорода /1/ электролизом воды путем подачи на электроды электролизера напряжения от источника питания постоянного тока. Для повышения производительности электролизера увеличивают плотность тока за счет снижения сопротивления межэлектродного пространства путем улучшения перемещения и уменьшения газозаполнения электролита.

Устройство для получения кислорода и водорода /1/ включает источник питания постоянного тока и биполярный электролизер, состоящий из нескольких электродов, разделенных диэлектрическими прокладками. Электрод выполнен в виде профилированного листа с продольными канавками, имеющими уклон относительно поверхности электрода.

Недостатком известного технического решения является сложность конструкции, кроме того увеличение плотности тока снижает ресурс электродов.

Известен также способ получения кислорода и водорода /2/ электролизом воды путем подачи напряжения от источника питания постоянного тока на электролизер. Для повышения производительности электролизера увеличивают плотность тока за счет интенсивного теплоотвода от поверхности электродов.

Устройство для получения кислорода и водорода /2/ состоит из блока питания, ряда отдельных электролитических ячеек, образованных двумя тонкостенными, коаксиально расположенными трубками-электродами, межтрубное пространство которых герметизировано по концам. Ячейки сообщаются по газу и электролиту и электрически соединены последовательно.

Недостатком известного способа является низкий коэффициент полезного использования энергии и сложность устройства для его осуществления.

Известен способ получения кислорода и водорода /3/ путем электролиза воды, в котором на ячейки электролизера подают напряжение от регулируемого источника питания постоянного тока.

Устройство для получения кислорода и водорода /3/ содержит электролизер, состоящий из ряда электролитических ячеек, и источник питания с трансформатором, первичная обмотка которого содержит отпайки. Регулировка производительности осуществляется путем изменения напряжения на электролитической ячейке при помощи переключателя числа витков первичной обмотки трансформатора.

Недостатком известного способа является снижение коэффициента полезного использования энергии с ростом производительности, вследствие уменьшения коэффициента полезного использования напряжения.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение производительности установки и коэффициента полезного использования энергии.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения кислорода и водорода электролизом воды, путем подачи на ячейки электролизера напряжения от источника питания постоянного тока сначала напряжение подают на n ячеек, а затем дополнительно подключают m ячеек. Устройство для получения кислорода и водорода содержит источник питания постоянного тока, подключенный к электролизеру, включающему (n+m) электролитических ячеек, электрически соединенных последовательно, и переключатель. Для решения поставленной задачи вход переключателя соединен с одним из полюсов источника питания, один выход подключен к n-й ячейке, а другой - к (n+m)-й ячейке.

Поскольку коэффициент использования тока при электролизе (выход по току) близок к 100%, то увеличить коэффициент полезного использования энергии, и, следовательно, снизить количество тепла, выделяющегося в электролизере при электролизе воды, можно только за счет увеличения коэффициента полезного использования напряжения, который ориентировочно равен 50% и вычисляется по формуле: где η_u - коэффициент полезного использования напряжения; U_раз - напряжение разложения воды; U_ист - напряжение источника питания; n - количество последовательно соединенных электролитических ячеек, подключенных к источнику питания.

Из формулы (1) видно, чем больше ячеек подключено к источнику питания, тем выше коэффициент использования напряжения η_u В процессе работы температура электролита растет, при этом напряжение разложения воды U_разл уменьшается, и при неизменном напряжении источника питания коэффициент полезного использования напряжения η_u также уменьшается, количество электроэнергии, затрачиваемой на преобразование в тепло, растет. Чтобы избежать применения интенсивных методов охлаждения и улучшить коэффициент полезного использования энергии, предлагается увеличить количество ячеек, включенных последовательно, через некоторое время после начала работы электролизера, что вполне возможно, т.к. напряжение разложения воды с ростом температуры уменьшается, уменьшается также сопротивление электролита и анодное и катодное перенапряжения. Увеличение количества работающих ячеек позволит увеличить производительность устройства, не увеличивая плотность тока и не сокращая ресурс электродов.

Предлагаемое изобретение существенно отличается от известных.

На чертеже представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Оно состоит из электролизера 1, содержащего (n+m) электролитических ячеек, электрически соединенных последовательно (на чертеже не показано), источника питания 2 и переключателя 3, вход которого соединен с одним из полюсов источника питания, один выход подключен к n-й ячейке электролизера, а другой - к (n+m)-й ячейке.

Способ осуществляется следующим образом.

К источнику питания 2 подключают n последовательно включенных электролитических ячеек электролизера 1. Количество ячеек выбирается в зависимости от напряжения источника питания и требуемой производительности устройства, при этом часть электроэнергии, подводимой к электролизеру 1, затрачивается на химическое превращение (разложение воды на кислород и водород), а часть преобразуется в тепло. Начальные условия электролиза изменяются в процессе работы главным образом из-за роста температуры. Напряжение разложения воды и сопротивление электролита уменьшаются, при неизменном напряжении источника питания коэффициент полезного использования напряжения снижается, из-за чего доля электроэнергии, преобразующейся в тепло, растет. При подключении к источнику питания переключателем 3 дополнительно m ячеек коэффициент полезного использования напряжения увеличивается согласно формуле: Увеличение количество ячеек, принимающих участие в электролизе, согласно результатам проведенных испытаний, позволяет сохранить производительность газа на первоначальном уровне, уменьшив ток на 20%, или при первоначальном токе увеличить производительность на 20%.

Источники информации 1. Авторское свидетельство N 1023002, кл. C 25 B 1/08, 23.04.79.

2. Патент РФ N 2048609, кл. C 25 B 1/04, 22.03.90.

3. Корж В.Н., Дыхно С.П. Обработка металлов водородно-кислородным пламенем. Киев: Техника, 1985, с. 20, рис. 8 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ получения кислорода и водорода электролизом воды путем подачи на ячейки электролизера напряжения от источника питания постоянного тока, отличающийся тем, что сначала напряжение подают на n ячеек, а затем дополнительно подключают m ячеек.

2. Устройство для получения кислорода и водорода, содержащее источник питания постоянного тока, подключенный к электролизеру, включающему (n + m) электролитических ячеек, электрически соединенных последовательно, и переключатель, отличающееся тем, что вход переключателя соединен с одним из полюсов источника питания, один выход подключен к n-й ячейке электролизера, а другой к (n + m)-й ячейке.

РИСУНКИ

Рисунок 1