Генератор кислорода

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике и может быть использовано при разработке эффективных энергоустановок на основе высокотемпературных твердооксидных электрохимических устройств для получения кислорода из воздуха, а также водорода и кислорода из воды и для топливных элементов. Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является повышение удельной объемной производительности генератора кислорода и получение двух потоков воздуха с заданной степенью обеднения и обогащения кислородом. Для этого предложен генератор кислорода, включающий электрохимический блок, состоящий из секций твердоэлектролитных модулей, нагревателей, теплообменников, воздуходувок и подводящих и отводящих патрубков, при этом твердоэлектролитные модули (по патенту на полезную модель 133653) выполнены из трубчатых электролитических элементов диаметром 1-3 мм с открытыми торцами, расположенных внутри металлического корпуса прямоугольной формы, заполненного электропроводными гранулами, с сетчатыми торцами, перпендикулярными открытым торцам элементов, установлены сетчатыми торцами между противолежащими стенками внутреннего корпуса электрохимического блока, имеющими полости подвода и отвода воздуха, обедняющегося кислородом с прямоугольными отверстиями, и разделены керамическими вставками, воздуходувки обогащающегося кислородом воздуха и обедняющегося кислородом воздуха расположены на противоположных торцах внешнего корпуса и соединены со своими полостями на стенках внутреннего корпуса через рекуперативные теплообменники и стартовые нагреватели, а полости подвода и отвода воздуха, обогащающегося кислородом, с перфорированными стенками внутреннего корпуса электрохимического блока перпендикулярны полостям подвода и отвода воздуха, обедняющегося кислородом. Кроме того, рекуперативные теплообменники выполнены плоскими зигзагообразными с теплоизоляционными слоями между зигами. 1 н.п.ф., 1 з.п.ф., 5 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике и может быть использовано при разработке эффективных энергоустановок на основе высокотемпературных твердооксидных электрохимических устройств для получения кислорода из воздуха.

Известны генераторы кислорода на основе твердооксидных электрохимических модулей, например, по пат. США 5186793, 5397443.

Известен генератор кислорода, включающий электрохимический блок, состоящий из секций твердоэлектролитных модулей, нагревателей, теплообменников, воздуходувок и подводящих и отводящих патрубков, принятый за прототип (пат. РФ 2151219).

Недостатками данного технического решения являются сложная двухпоточная система подвода атмосферного воздуха между всеми твердоэлектролитными модулями, что снижает удельную объемную производительность генератора кислорода и может вызвать перекосы температурного поля внутри электрохимического блока, а также получение только чистого кислорода, что приводит к необходимости его смешивания с воздухом вне генератора, что требует дополнительного внешнего устройства для получения смеси с заданной степенью обогащения кислородом.

Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является повышение удельной объемной производительности генератора кислорода и получение двух потоков воздуха с заданной степенью обеднения и обогащения кислородом.

Для достижения указанного результата предложен генератор кислорода, включающий электрохимический блок, состоящий из секций твердоэлектролитных модулей, нагревателей, теплообменников, воздуходувок и подводящих и отводящих патрубков, при этом твердоэлектролитные модули выполнены из трубчатых электролитических элементов диаметром 1-3 мм с открытыми торцами, расположенных внутри металлического корпуса прямоугольной формы, заполненного электропроводными гранулами, с сетчатыми торцами, перпендикулярными открытым торцам элементов, установлены сетчатыми торцами между противолежащими стенками внутреннего корпуса электрохимического блока, имеющими полости подвода и отвода воздуха, обедняющегося кислородом с прямоугольными отверстиями, и разделены керамическими вставками, воздуходувки обогащающегося кислородом воздуха и обедняющегося кислородом воздуха расположены на противоположных торцах внешнего корпуса и соединены со своими полостями на стенках внутреннего корпуса через рекуперативные теплообменники и стартовые нагреватели, а полости подвода и отвода воздуха, обогащающегося кислородом, с перфорированными стенками внутреннего корпуса электрохимического блока перпендикулярны полостям подвода и отвода воздуха, обедняющегося кислородом, а рекуперативные теплообменники выполнены плоскими зигзагообразными с теплоизоляционными слоями между зигами.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что повышается удельная объемная производительность генератора кислорода с получением двух потоков воздуха с заданной степенью обеднения и обогащения кислородом.

На фиг.1 приведена схема генератора кислорода, где

1 - твердоэлектролитный модуль,

2 - керамическая вставка,

3 - стенки внутреннего корпуса для воздуха, обедняющегося кислородом,

4 - полость внутреннего корпуса подвода воздуха, обедняющегося кислородом,

5 - внешний корпус электрохимического блока,

6 - теплоизоляция,

7 - стартовый нагреватель воздуха, обедняющегося кислородом,

8 - рекуперативный теплообменник воздуха, обедняющегося кислородом,

9 - воздуходувка воздуха, обедняющегося кислородом,

10 - патрубок отвода воздуха, обедняющегося кислородом,

11 - полость внутреннего корпуса отвода воздуха, обедняющегося кислородом. На фиг.2 приведена схема генератора кислорода вид сбоку, где

12 - стенки внутреннего корпуса для воздуха, обогащающегося кислородом,

13 - полость внутреннего корпуса подвода воздуха, обогащающегося кислородом,

14 - стартовый нагреватель воздуха, обогащающегося кислородом,

15 - рекуперативный теплообменник воздуха, обогащающегося кислородом,

16 - воздуходувка воздуха, обогащающегося кислородом,

17 - патрубок отвода воздуха, обогащающегося кислородом,

18 - полость внутреннего корпуса отвода воздуха, обогащающегося кислородом.

На фиг.3 показана керамическая вставка.

На фиг.4 показан вид по А-А фиг.1 на стенку внутреннего корпуса, где

19 - прямоугольные отверстия в стенке внутреннего корпуса для отвода воздуха, обедняющегося кислородом.

На фиг. 5 показан вид сверху по Б-Б фиг. 2.

Предлагаемый электрохимический модуль состоит из твердоэлектролитных модулей 1, которые могут быть выполнены по патенту 133653, разделенных керамическими вставками 2 и размещенных между стенками внутреннего корпуса для воздуха, обедняющегося кислородом, 3, образующими полость внутреннего корпуса подвода воздуха, обедняющегося кислородом, 4 и полость внутреннего корпуса отвода воздуха, обедняющегося кислородом, 11. Полости внутреннего корпуса подвода 4 и отвода 11 воздуха, обедняющегося кислородом, соединены, соответственно, с воздуходувкой воздуха, обедняющегося кислородом, 9 и патрубком выхода воздуха, обедняющегося кислородом, 10 через стартовый нагреватель воздуха, обедняющегося кислородом, 7 и рекуперативный теплообменник воздуха, обедняющегося кислородом, 8. Между стенками внутреннего корпуса 3 и внешним корпусом электрохимического блока 5 находится теплоизоляция 6. Перпендикулярно стенкам внутреннего корпуса, образующим полости для подвода 4 и отвода 11 воздуха, обедняющегося кислородом, расположены стенки 12 внутреннего корпуса, образующие полости для подвода 13 и отвода 18 воздуха, обогащающегося кислородом, при этом полости 13 и 18 соединены, соответственно, с воздуходувкой воздуха, обогащающегося кислородом, 16 и патрубком отвода воздуха, обогащающегося кислородом, 17 через стартовый нагреватель воздуха, обогащающегося кислородом, 14 и рекуперативный теплообменник воздуха, обогащающегося кислородом, 15. Воздуходувки обогащающегося кислородом воздуха 16 и обедняющегося кислородом воздуха 9 расположены на противоположных торцах внешнего корпуса 5, а рекуперативные теплообменники 8 и 15 выполнены плоскими зигзагообразными с теплоизоляционными слоями между зигами. Стенки внутреннего корпуса 3, прилегающие к твердоэлектролитным модулям 1, имеют прямоугольные отверстия 19 с отогнутыми наружу краями, соответствующими размерам твердоэлектролитных модулей 1, и отделены от последних керамическими вставками 2.

Предлагаемый электрохимический модуль работает следующим образом. Воздух, являющийся источником кислорода, подается воздуходувкой 9 через рекуперативный теплообменник 8 и стартовый нагреватель 7 в полость подвода воздуха 4, из которой через отверстия 19 подается внутрь твердоэлектролитных модулей 1, в которых за счет подвода постоянного тока часть кислорода восстанавливается до ионов кислорода и через твердый электролит поступает внутрь электролитических элементов, окисляется до молекулярного кислорода и через торцы элементов выделяется снаружи твердоэлектролитных модулей 1.

Воздух внутри твердоэлектролитных модулей 1 обедняется кислородом и отводится в полость 11, из которой через рекуперативный теплообменник 8, охлаждаясь сам и нагревая входящий воздух, и патрубок 10 отводится для использования.

Воздух, обогащающийся кислородом, подается воздуходувкой 16 через рекуперативный теплообменник 15 и стартовый нагреватель 14 в полость подвода воздуха 13, из которой через перфорации в стенке 12 подается во внутренний корпус, омывая снаружи твердоэлектролитные модули 1, из которых выделяется кислород, обогащающий воздух, после чего воздух отводится в полость 18, из которой через рекуперативный теплообменник 15, охлаждаясь сам и нагревая входящий воздух, и патрубок 17 отводится для использования. Внутри полостей отвода обедняющегося и обогащающегося кислородом воздуха 11 и 18 установлены твердоэлектролитные датчики кислорода (на фиг. не показаны), с помощью которых осуществляется управление воздуходувками 9 и 16 для создания заданных значений парциальных давлений кислорода в обедняющемся и обогащающемся воздухе.

В режиме запуска на стартовые нагреватели 7 и 14 подается необходимое напряжение для нагрева входных потоков воздуха, а напряжение на твердоэлектролитные модули не подается. После достижения необходимой рабочей температуры внутри электрохимического блока подается напряжение питания модулей и отключаются стартовые нагреватели. В дальнейшем температура внутри блока поддерживается за счет баланса между джоулевым теплом в твердоэлектролитных модулях и теплопотерями блока. Расчеты показывают, что при заявленных параметрах устройства - диаметр трубчатых электролитических элементов 1-3 мм, параметры модуля составляют около 0,4 м² электролизной поверхности в 1 дм³ объема модулей, что при номинальной плотности тока 0,5 А/см² соответствует удельной объемной производительности 7,6 л O₂/дм³. В сравнении с аналогичным решением патентом США 5186793, являющегося прототипом патента РФ 2151219 -нашего прототипа, указаны параметры модуля: диаметр пористого носителя 50 мм, длина 450 мм. При заявленной плотности тока 2 А/см² производительность по кислороду составляет 3 л/мин, что соответствует удельной объемной производительности 2,67 л O₂/дм³.

Таким образом, повышение удельной объемной производительности генератора кислорода составляет 2,8 раза, аналогичный рост производительности будет и по сравнению с прототипом.

Таким образом, за счет плотноупакованной конструкции твердоэлектролитных модулей и рекуперативных теплообменников в виде плоских зигзагообразных с теплоизоляционными слоями между зигами повышается удельная объемная производительность генератора кислорода с получением двух потоков воздуха с заданной степенью обеднения и обогащения кислородом.

Генератор кислорода, включающий электрохимический блок, состоящий из секций твердоэлектролитных модулей, нагревателей, теплообменников, воздуходувок и подводящих и отводящих патрубков, отличающийся тем, что твердоэлектролитные модули выполнены из трубчатых электролитических элементов диаметром 1-3 мм с открытыми торцами, расположенных внутри металлического корпуса прямоугольной формы, заполненного электропроводными гранулами, с сетчатыми торцами, перпендикулярными открытым торцам элементов, установлены сетчатыми торцами между противолежащими стенками внутреннего корпуса электрохимического блока, имеющими полости подвода и отвода воздуха, обедняющегося кислородом с прямоугольными отверстиями, и разделены керамическими вставками, воздуходувки обогащающегося кислородом воздуха и обедняющегося кислородом воздуха расположены на противоположных торцах внешнего корпуса и соединены со своими полостями на стенках внутреннего корпуса через рекуперативные теплообменники и стартовые нагреватели, а полости подвода и отвода воздуха, обогащающегося кислородом, с перфорированными стенками внутреннего корпуса электрохимического блока перпендикулярны полостям подвода и отвода воздуха, обедняющегося кислородом, а рекуперативные теплообменники выполнены плоскими зигзагообразными с теплоизоляционными слоями между зигами.

РИСУНКИ