Усовершенствования в системах электролиза

 

Изобретение относится к химии. Ячеистое устройство имеет сложенную конструкцию из разделяющих дисков, ячеистых пластин первого типа (анод), ячеистых пластин второго типа (катод) и разделяющих мембран. Соединяющие проводящие прутья проходят сквозь отверстия ячеистых пластин для осуществления выборочного электрического соединения. Вода и электролит подаются впускными отверстиями для погружения ячеистых пластин. Мембраны нормально изолируют соседние пластины-катоды и пластины-аноды от смешивания высвобожденных газообразных кислорода и водорода, в то же время обеспечивая протекание ионного тока. Технический результат - повышение эффективности преобразования электрической энергии. 3 с. и 9 з.п. ф-лы, 21 ил.

Настоящее изобретение относится к образованию газообразного водорода и газообразного кислорода из воды либо в виде смеси, либо в виде разделенных газов с помощью процесса электролиза, и относится также к приложениям, связанным с использованием высвобожденного газа. Воплощения изобретения, в частности, относятся к устройству для эффективного производства этих газов и к использованию указанных газов в качестве теплового источника в атомарной сварке или резке и к устранению газообразных потерь.

Хорошо известен способ электролиза воды в присутствии электролита, такого как гидроксид натрия (NaOH) или гидроксид калия (KOH) с выделением газов водорода и кислорода (H₂, O₂). Процесс подразумевает приложение разности потенциалов постоянного тока между двумя или более анод/катодными электродными парами и подачу минимальной энергии, требуемой для разрушения H-O связей (т. е. 68.3 ккал/моль при нормальных условиях). Газы производятся в стехиометрической пропорции для O₂:H₂ в соотношении 1:2, выделенных соответственно на аноде (+) и катоде (-).

Можно сослаться на следующие статьи: "Modern Electrochemistry, v. 2, John O'M. Bockris and Amulya K. N. Reddy, Plenum Publishing Corporation", "Electro-Chemical Science, J. O'M Bockris and D.M. Drazik, Taylor and Francis Limited" and "Fuel Cells, Their Electrochemistry, J. O'M. Bockris and S. Srinivasan, McGraw-Hill Book Company".

Обсуждение экспериментальной работы применительно к процессам электролиза можно найти в "Hydrogen Energy, Part A, Hydrogen Economy Miami Energy Conference, Miami Beach, Florida, 1974, edited by T. Nejat Veziroglu, Plenum Press".

Особенно уместными являются статьи, представленные J. O'M. Bockris на с. 371-379, F. C. Lensen и F.H. Schubert на с. 425-439 и B. Pangborn и John C. Sharer на с. 499-508.

По большому счету количество выделенного газа зависит от ряда переменных, включающего тип и концентрацию используемого электролитического раствора, площадь поверхности анодно-катодной электродной пары, электролитическое сопротивление (приравненное к ионной проводимости, которая является функцией температуры), достижимой плотности тока и разности потенциалов между анодом и катодом. Общая подаваемая энергия должна быть достаточной для диссоциации ионов воды и образования газов водорода и кислорода, однако необходимо избежать покрытия (окисления/восстановления) металлического или проводящего ток неметаллического материалов, из которых изготовлены электроды.

Можно сослаться на предшествующий Australian Patent N 487062 автора Yull Brown, в котором раскрывается конструкция электролитической ячейки для производства водорода и кислорода по мере необходимости вместе с предохранительным устройством, предотвращающим создание избыточного давления выделяемых газов. Фиг. 2 в патенте Брауна показывает несколько электродов (20а, 20б) при последовательном электрическом соединении между двумя выводами (22), к которым прикладывается разность потенциалов. Ячейка (20) обеспечивает объемную скорость потока газа на выходе, и, если эта производительность недостаточна для конкретного применения, тогда необходимо большее количество отдельных ячеистых устройств, которые все соединены электрически последовательно. Конечным результатом является большая конструкция, которую требуется поддерживать.

Также не представляется возможным достижение требуемых высоких объемных скоростей газового потока (порядка 10.000 л/ч) от ранее известных аппаратов без использования дорогостоящего и сложного оборудования, но даже тогда оборудование отличается низкой эффективностью преобразования электрической энергии для производства газообразных водорода и кислорода. Таким образом, коммерческое применение устройств такого типа большого размера не является экономически целесообразным.

Смешанные газы водород и кислород (или гидрокси-газ) используются в качестве термического источника при сгорании в потоке, например в печах. Для атомарной резки используется только один водород, и часто - для атомарной сварки, хотя описанное в патенте Брауна устройство выполняет атомарную сварку в присутствии смешанных водорода и кислорода. Современная промышленная практика ясно подтвердила, что присутствие кислорода в плазме дуги вызывает интенсивное окисление вольфрамовых электродов.

Одной из проблем, проявившихся при использовании этих приложений, является необходимость объединить электрическое распределительное устройство для того, чтобы преобразовывать напряжения питания до соответствующего уровня для блока электролитических ячеек (т.е. посредством понижающих трансформаторов). Конечная завершенная конструкция является неэффективной, с электрической точки зрения, и громоздкой, а также может быть дорогой, если требуется точная регулировка напряжения и тока (следовательно, регулирование газового потока).

Сгораемые газообразные водород и кислород, смешанные в единый поток, горят при очень высокой температуре, обычно порядка 6000^oC. Водород/кислородные сварочные устройства являются широко известными и состоят из сварочного наконечника или ручной части с подсоединенным двойным газовым шлангом для раздельной подачи кислорода и водорода.

Существуют четыре других известных типа сварочных аппаратов и способов их применения - это кислородно-ацетиленовая сварка, электродуговая сварка, системы MIG (металл-инертный газ)/TIG (вольфрам-инертный газ) и плазменная резка.

Оценено, что в эксплуатации в Австралии находятся более 100000 кислородно-ацетиленовых установок. Из них приблизительно 70% используется в первую очередь для резки металлов, а оставшиеся используются в качестве источников тепла для сварки наплавлением листового металла, пайки, пайки серебром и т. п. Обычно кислородно-ацетиленовые установки могут сваривать металл толщиной от 0.5 до 2 мм. Кроме того, может быть разрезан металл толщиной до 140 мм, но только если сталь содержит высокий процент железа. Причина этого заключается в том, что железо и кислород необходимы для поддержания процесса окисления, который и вызывает эффект резки. Газообразный ацетилен создает начальную температуру для начала реакции окисления, равную обычно 850^oC. Кислородно-ацетиленовые установки требуют наличия баллонов с газами (ацетиленом и кислородом), следовательно, баллоны должны быть куплены или арендованы, а затем постоянно содержаться в исправности и повторно заполняться при использовании.

Электродуговая сварка является способом, применяемым для сварки металлов более 1,5 мм толщиной. Принцип работы состоит в том, что ручная часть подается вместе с расходуемым электродом, а рабочая часть образует другой электрод. Между электродами создается разность потенциалов переменного или постоянного тока, таким образом вызывая образование дуги, когда ручная часть вносится в область, близкую к рабочей части. Дуга может быть использована для расплавления или сварки металлических частей вместе.

Системы MIG (металл-инертный газ) основываются на системе подачи непрерывного провода. В одной известной конструкции расходуемый провод окружается газообразным аргоном (или плазмой), который обычно подается из баллона. TIG (вольфрам-инертный газ) системы, с другой стороны, требуют наплавляемого провода, который должен быть введен вручную в область сварки. MIG/TIG-системы могут сваривать металл толщиной от 1 до 20 мм, типовую нержавеющую сталь, алюминий, мягкую сталь и т.п. Ссылки относительно плазменного MIG-процесса могут быть сделаны на текст "The Science and Practice of Welding, v. 2, A.C. Davies, Cambridge University Press".

Плазменная резка является способом резки посредством подачи сжатого воздуха (содержащего преимущественно азот) в электрическую дугу постоянного тока, создавая этим очень высокие температуры (около 15000^oC) и, таким образом, отрывая электроны от ядер азота для образования высокотемпературной плазмы. Эта плазма может быть использована для резки железосодержащих и железонесодержащих материалов, таких как мягкая сталь, нержавеющая сталь, медь, латунь и алюминий. Применяемые плазменные резцы могут разрезать материал до 25 мм толщины и имеют то преимущество, что не требуют газового баллона и используют обычный воздух. Ссылки в отношении плазменной резки можно сделать на текст "Gas Shielded Arc Welding, N.J. Henthorne and R.W. Chadwick Newnes Technical Books". Как следует из обсуждения предшествующего уровня техники, ни одно устройство или система не может выполнить все функции сварки и резки, и обычно одной из описанных выше систем должно быть отдано предпочтение другим для какой-нибудь конкретной работы. Это в свою очередь требует, чтобы рабочие по металлу или другие промышленные производители металлических отраслей покупали и поддерживали в исправности много различных типов сварочных устройств, для того чтобы иметь возможность выполнять любую требуемую работу. Затраты, связанные с покупкой газа для замены в баллонах, также очень высоки.

Предпочтительной целью настоящего изобретения является предложение конструкции, посредством которой газообразные водород и кислород могут быть произведены электролитическим способом, который лишен одного или более вышеупомянутых недостатков. В этом смысле электролитическое устройство является компактным и предоставляет большую эффективность, чем предшествующие устройства, при сравнимых газовых расходах.

Другой предпочтительной целью настоящего изобретения является предложение усовершенствованной структуры электролитической ячейки для использования в производстве газообразных водорода и кислорода. Электролитическая ячейка может быть применена в водородно/кислородной сварке или водородной плазменной резке. Другие приложения могут относиться к промышленным процессам, где требуются источники со сгораемым топливом, такие как печи для прокаливания, и к сжиганию труднообрабатываемых отходов.

Еще одной предпочтительной целью настоящего изобретения является предложение конструкции электролитической ячейки, которая обеспечивает по выбору разделение или смешивание газообразных водорода и кислорода в единые газовые потоки.

Настоящее изобретение далее преимущественно направлено на создание единого сварочного агрегата, который может удовлетворить все требования пользователя к сварке или резке. Преимуществом является то, что не требуется наличия баллонов с водородом или кислородом. Не требуется также баллонов с любым другим газом, например аргоном, в системах MIG/TIG с погружением в инертный газ.

Еще одной предпочтительной целью настоящего изобретения является предложение гасителя обратного пламени для водородно/кислородной сварки или наконечника для резки водородной плазмой.

Поэтому изобретение раскрывает ячеистую конструкцию для электролиза воды для высвобождения газообразных водорода и кислорода.

Указанная конструкция содержит множество электродов-анодов в сложенном состоянии, каждый электрод-анод содержит плоскую пластину, сквозь которую проходят один или более общих первых проводящих ток соединительных элементов, и множество электродов-катодов в сложенном состоянии, каждый электрод-катод содержит плоскую пластину, сквозь которую проходят один или более общих вторых проводящих ток соединительных элементов; в указанной конструкции электроды-аноды и электроды-катоды перекрываются.

Изобретение далее раскрывает ячеистую конструкцию для электролиза воды для высвобождения газообразных водорода и кислорода.

Указанная конструкция содержит множество электродов-анодов, соединенных между собой посредством одного или более первых общих проводящих ток элементов, соединенных электрически параллельно; электроды-аноды, перекрываемые множеством электродов-катодов, соединенных между собой посредством одного или более вторых общих проводящих ток элементов, соединенных электрически параллельно; указанные электроды-аноды и электроды-катоды, образующие ячеистое устройство, и множество ячеистых устройств, соединенных электрически последовательно.

Изобретение далее раскрывает ячеистую конструкцию для электролиза воды для высвобождения газообразных водорода и кислорода.

Указанная конструкция содержит множество электродов-анодов, объединенных в сложенную конструкцию, каждый электрод-анод содержит плоскую пластину, сквозь которую проходит один или более общих первых проводящих ток соединительных элементов; множество электродов-катодов, объединенных в пространственную линейную сложенную конструкцию, каждый электрод-катод содержит плоскую пластину, сквозь которую проходят один или более общих вторых проводящих ток соединительных элементов; в указанной конструкции электроды-аноды и электроды-катоды перекрываются; и множество мембран, каждая мембрана расположена между соседними электродом-анодом и электродом-катодом, мембраны позволяют проходить ионному току между соседними электродами-анодами и электродами-катодами, но выборочно блокируют проходящий поток газа в зависимости от разности давлений между противоположными сторонами мембраны.

Изобретение далее раскрывает электролитическое устройство для высвобождения газообразных загрязняющих веществ.

Устройство содержит множество электродов-анодов, перекрываемых множеством электродов-катодов; множество разделительных мембран между каждыми соседними электродом-анодом и электродом-катодом; средства для подачи по меньшей мере воды к электродам-анодам и электродам-катодам; указанные средства подачи должны быть работоспособны для управления разностью давлений по меньшей мере воды на противоположных сторонах каждой мембраны для обеспечения по выбору разделения или смешивания высвобожденных газообразных кислорода и водорода.

Изобретение далее раскрывает конструкцию устройства сжигания для использования термического разложения газообразных загрязняющих веществ.

Устройство сжигания содержит полусферическую камеру сгорания; подачу газов водорода и кислорода в камеру сгорания через извилистый путь, выходящий через множество концентрически расположенных сопел, направленных к эпицентру полусферической камеры; впускное отверстие для подачи газообразных загрязняющих веществ; в устройстве сжигания газообразные загрязняющие вещества сжигаются вместе с газами (водородом и кислородом).

Изобретение также раскрывает мультимодульный сварочный и режущий генератор, содержащий источник питания, приспособленный для выдачи множества выходных напряжений переменного и постоянного тока; электролитическое устройство, подключенное к источнику питания, предназначенное для производства по выбору водорода и кислорода по отдельности или в виде смеси водорода и кислорода посредством электролиза воды с использованием постоянного напряжения, подаваемого от источника питания; водород, кислород и смешанные водород и кислород вместе с источниками выходного напряжения, пригодными для подсоединения к аппаратуре сварки и/или резки.

Изобретение раскрывает также гаситель обратного пламени для сварочного наконечника, использующегося при сжигании газов, гаситель содержит сеточный барьер на пути прохождения потока газов, которые должны быть сожжены, сеточный барьер имеет просветы для обеспечения свободного прохода газов, но предотвращения прохода обратного пламени, обратное пламя, не имея возможности пройти барьер, таким образом, гасится.

Фиг. 1а и 1b изображают вид одной ячеистой пластины в плане и сбоку соответственно.

Фиг. 2 изображает сложенный набор ячеистых пластин.

Фиг. 3 изображает вертикальное сечение блока электролитических ячеек.

Фиг. 4 изображает вертикальное сечение, показывающее конструкцию электродов части другого блока электролитических ячеек, воплощающее изобретение.

Фиг. 5 изображает вид в перспективе части одного электрода, показанного на фиг. 4.

Фиг. 6 изображает упрощенное представление конструкции последовательности электродов, изображенных на фиг. 4.

Фиг. 7a и 7b изображают механическое соединение одной группы ячеек в другом воплощении.

Фиг. 8 изображает соединение нескольких групп ячеек, показанных на фиг. 7a и 7b.

Фиг. 9 изображает последовательное электрическое соединение нескольких групп ячеек в блоке ячеек.

Фиг. 10a и 10b изображают механическую конструкцию устройства блока ячеек.

Фиг. 11a и 11b изображают еще одно воплощение ячеистой пластины.

Фиг. 12a и 12b изображают комплементарные пластины ячеек для изображенных на фиг. 11a и 11b ячеек.

Фиг. 13 изображает подробности перфорации и части ячеистых пластин, изображенных на фиг. 11a, 11b, 12a и 12b.

Фиг. 14 изображает в разрыве сложенную конструкцию ячеистых пластин, изображенных на фиг. 11a, 11b, 12a и 12b.

Фиг. 15a изображает схематический вид системы разделения газов, изображенной на фиг. 14.

Фиг. 15b изображает стилизованное представление фиг. 15a.

Фиг. 15c изображает электрическую эквивалентную схему фиг. 15a.

Фиг. 16 изображает систему сбора газа для использования совместно с системой разделения блока ячеек, изображенного на фиг. 14 и 15a.

Фиг. 17 изображает в поперечном сечении гидравлический газоочиститель (скруббер) и стопорный вентиль.

Фиг. 18 изображает в поперечном сечении сварочный наконечник, используемый с оборудованием, показанным на фиг. 10, включая гаситель обратного пламени.

Фиг. 19a и 19b изображает печь для разложения горением загрязняющих газов.

Фиг. 20 изображает блок-схему мультимодульного сварочного и режущего устройства.

Фиг. 21 изображает схему устройства, изображенного на фиг. 20.

Подробное описание изобретения.

Блок электролитических ячеек, воплощающий изобретение, состоит из нескольких электролитических ячеистых пластин 10 шестиугольной формы, одна из которых показана в плане на фиг. 1a и на виде сбоку на фиг. 1b. Каждая пластина 10 имеет три паза 12, каждый из которых расположен на чередующихся крайних сторонах пластины 10. Другие стороны каждой ячеистой пластины 10 снабжаются проводящим мостом или фланцем 14. Обычно двадцать отдельных ячеистых пластин 10 объединяются в набор для образования одной заполненной ячейки 16, как показано на виде сбоку на фиг. 2. Общее количество пластин может меняться в соответствии с требуемой площадью поверхности и поэтому является также функцией диаметра пластины.

Объединение в набор соседних ячеистых пластин 10 осуществляется в разном порядке так, чтобы проводящие мосты 12 соседних пластин выступали в противоположных направлениях и с относительным поворотом на 60^o. Указанный поворот делается по причине того, что соседние пластины 10 должны быть противоположной полярности. Проводящие мосты 14 являются достаточно длинными, чтобы пройти через соответствующий паз 12 в соседней плате 10 без контакта с этой платой и так, чтобы контактировать со следующей последовательной пластиной, формируя проводящий путь между каждыми чередующимися пластинами. Таким образом, заполненная ячеистая структура 16 имеет три положительных вывода и три отрицательных вывода, хотя фиг. 2 изображает только два положительных вывода и один отрицательный вывод. Ячеистый набор 16 окружен изолирующим корпусом 18 (показан в разорванном виде). Ячеистые пластины 10, изображенные на фиг. 1a, 1b и 2 пригодны для образования параллельного электрического соединения с каждыми двумя соседними ячеистыми пластинами 10, формируя или анод или катод.

Параллельно сложенные плоские ячеистые пластины описаны в Australian Patent N 487062. В нем набор из двадцати ячеистых пластин обычно требует разности потенциалов между отдельными электродами каждой ячеистой пластины в диапазоне 1.55-2.0 В для высвобождения газообразных водорода и кислорода из воды, содержащей электролит из обычного 15%-ного раствора гидроксида натрия.

Фиг. 3 изображает на вертикальном сечении семь заполненных ячеистых наборов 16, собранных в шестиугольную матрицу и закрытую стальным корпусом 20, образуя таким образом блок электролитических ячеек 25. Ячеистые наборы 16 изолированы от стального корпуса 20 нейлоновыми изолирующими вкладышами 22. Электрическое межсоединение отдельных ячеистых наборов 16 не показано, но обычно ячейки соединены между собой своими соответствующими положительными (+) и отрицательными (-) выводами с помощью лент для образования последовательного соединения.

Иногда бывает, что делают параллельное межсоединение ячеистых наборов 16. Реальное электрическое межсоединение будет зависеть от количества отдельных ячеистых пластин 10, составляющих каждый ячеистый набор 16, подаваемого напряжения и тока, который должен протекать от источника.

Во время электролитической реакции, когда высвобождаются газообразные водород и кислород, расходуется вода. 1 л воды производит 1860 л смешанных кислорода и водорода при нормальных условиях (н.у.) в объемной пропорции, указанной выше. В изображенной конструкции вода постоянно подается через впускное отверстие 24.

Нейлоновое покрытие 18, отделяющие соседние наборы, способствует направлению наверх поднимающихся высвобожденных газов, которые должны быть собраны с помощью газового выпускного отверстия 26, расположенного на вершине блока электролитических ячеек 25. Благодаря объемному расширению в отношении 1: 1860 высвобожденные газы являются самосжимающимися, когда они выходят из выпускного отверстия 26 в соединительную трубу (не показана), которая имеет значительно более узкое сечение, чем блок ячеек.

Фиг. 4 является вертикальным сечением, изображающим механическую конструкцию электролитической ячейки в соответствии со следующим воплощением. Основное ячеистое устройство 30 образуется соответствующими половинами парных перекрывающихся электродов 32, 34, расположенных аналогично перекрывающимся гребням. Каждый электрод образован посредством проводящих держателей 36, 38, обычно изготовленных из связанного смолой графита, мягкой стали или проводящих полимеров, от держателей отходят одиннадцать пластин 40, 42 в виде пальцев, так же изготовленных из графита, стали или проводящего полимера.

Фиг. 5 является перспективным видом одного из электродов 32, в котором держатель 36 и пластина 40 имеют прямоугольную форму. Необязательно, чтобы электроды имели указанную форму, а скорее могут принимать много других форм, пример одной из которых будет описан. Общим требованием для всех таких конструкций является то, чтобы пластины были параллельны и соединены посредством общего конструктивного элемента, расположенного ортогонально пластинам.

Каждая пара электродов 32, 34 расположена в чередующейся конструкции так, что соответствующие наиболее внешние пластины 40а, 42а являются смещенными приблизительно наполовину общей длины каждого электрода 32, 34. Соответствующие средние пластины обозначены позициями 40b и 42b.

Фиг. 6 изображает сложенную конструкцию в упрощенной форме. Каждая шестая пластина расположена в пространстве, образованном первой и одиннадцатой пластинами соответствующих соседних противоположных электродов.

Обращаясь снова к фиг. 4, на которой изображены два заполненных ячеистых устройства 30 и части последующих соответствующих соседних ячеистых устройств. Общее количество ячеистых устройств определяется источником постоянного напряжения, т. к. для начала электролитического процесса требуется минимальное анод/катодное напряжение, и каждое соседнее ячеистое устройство находится в последовательном электрическом соединении параллельно расположенных пластин 40, 42. При электрическом процессе ячейки 30 погружаются в воду и электролит, прикладывается постоянное напряжение между крайними пластинами 40c и 42c, заставляя элементарные ионные токи (некоторые из которых представлены пунктирными стрелками) протекать между соседними пластинами 40, 42, а суммарный ток - вдоль соответствующих держателей 36, 38 и пластин 40, 42 (показанных сплошными стрелками). В каждой средней пластине вызываются токи различного направления. Например, постоянный ток протекает от одной оконечной ячеистой пластины 42a через электролит, протекая через среднюю пластину 40b, и опять через электролит к следующей оконечной ячеистой пластине 42a. Этот процесс вызывает накапливание сеточного положительного заряда на одной стороне средней пластины 40b, и отрицательного заряда - на другой стороне.

Протекание ионного тока сопровождается диссоциацией молекул воды так, что газы кислород и водород производятся соответственно на поверхностях анодной пластины и катодной пластины. Поверхностями катодных пластин являются те пластины, к которым направлены ионные токи. Обратное справедливо для поверхностей анодных пластин.

Напряжение, приложенное к наиболее удаленным пластинам 40c, разделяется поровну между составными ячеистыми устройствами 30, и так же поровну приложенное напряжение разделяется между соответствующими наиболее внешними пластинами и средними пластинами 40a и 42b, 40b и 42a.

Достижимая плотность тока ограничена, в частности, эффективным электрическим сопротивлением электролитического раствора. Чем меньше расстояние между соседними пластинами 40, 42, тем меньше сопротивление. Перекрывающаяся конструкция электродов 32, 34 означает, что имеется большая площадь поверхности, приходящаяся на единицу объема, и существует минимальное расстояние между электродами-пластинами во всем устройстве. В этом случае сопротивление электролита сохраняется низким, следовательно, эффективность преобразования электрической энергии в производство водорода и кислорода больше, чем в предшествующих конструкциях.

Благодаря показанной специфической конструкции нет необходимости изолировать каждое отдельное ячеистое устройство 30 от таких же соседних устройств. Ионный ток протекает, естественно, по пути наименьшего сопротивления, следовательно, более короткие цепи между ячеистыми устройствами 30, но имеющие большее сопротивление, избегаются. Поэтому большое количество ячеек может быть объединено в расширенную линейную конструкцию и разрешено прямое подсоединение к источнику выпрямленного напряжения, таким образом, избегая необходимости электрически соединять группы ячеистых устройств посредством стягивания, как это было сделано в предшествующих разработках.

Каждое отдельное ячеистое устройство 30 удовлетворяет условиям работоспособности с точки зрения подачи напряжения, площади поверхности пластин и т. д. , для успешного электролиза воды, и вследствие этого работает существенно независимо от соседних ячеистых устройств 30.

Тестирование установило, что для температурного диапазона от 90 до 50^oC напряжение постоянного тока в пределах 1.47-1.56 В, приложенное к одному ячеистому устройству 30 (т. е. на одну половину целого электрода 32 или 34) требуется минимальная (и оптимальная) плотность анодного тока 0.034 А/см² для получения расхода газа около 340-300 л/ч на 1 кВтч соответственно. Открытие, что минимальная площадь поверхности пластины соответствует оптимальному расходу газа, означает, что общий занимаемый объем может быть сохранен минимальным. Например, выпрямленное сетевое напряжение 240 В_скв (среднеквадратичное) номинально приводит к среднему постоянному напряжению 215 В, следовательно, при прямом подсоединении к устройству через выпрямитель (т.е. без требующегося понижающего трансформатора) требуется в целом 140 ячеек. Особенно выгодно, что не требуется оборудование для преобразования напряжения в смысле стоимости оборудования, технической простоты и избежания потерь.

Фиг. 7a изображает частный разорванный вид сбоку ячеистого устройства 50 в соответствии с другим воплощением. Ячеистое устройство 50 аналогично по конфигурации устройству, показанному на фиг. 4, за исключением количества и формы перекрывающихся выступающих элементов и формы пластин электродов.

Фиг. 7b изображает вид сзади ячеистого устройства 50 и, в частности, самой последней платы 52c. Пластинчатые электроды 52, 54 имеют форму шестиугольника. Сквозь каждую пластину 52, 54 проходят шесть связывающих прутьев 56, 58, по одной около каждой вершины. Каждый из чередующихся прутьев 56 представляет собой общий положительный проводник, а другой набор чередующихся прутьев 58 представляют собой отрицательные проводники. Каждая соседняя пластина 52, 54 электрически соединена или с положительными проводниками или с отрицательными проводниками. Промежуточные вкладыши 60 вставляются между соседними пластинами 52, 54 для электрической изоляции и для образования пространства, в котором циркулируют вода и электролит. Подсоединение каждого проводника 56, 58 к соответствующему пластинчатому электроду 52, 54 обычно осуществляется завинчиванием гайки или плотной посадкой. Причина подсоединения каждой пластины 52, 54 к трем общим проводникам 56, 58 заключается в том, чтобы достичь однородного распределения тока по всей площади поверхности пластины 52, 54.

Как можно видеть на фиг. 7b, положительный проводник 56 выходит наружу из одного торца устройства для последовательного соединения с другим набором ячеек, так же как и три отрицательных выступающих проводника 58 - из другого торца. Все несоединенные концы проводников закрыты непроводящими заглушками 62.

Фиг. 8 изображает в стилизованной форме три ячеистых устройства 50, соединенных электрически последовательно (соединенных в продольном направлении), и в частности - прохождение выступающих проводников 56, 58. Ячеистые устройства 50 помещены в изолирующую трубу 64, обычно изготовленную из поливинилхлорида (ПВХ), которая имеет доступ для обмена воды для погружения пластин 52, 54 и для удаления производимых газов.

Фиг. 9 изображает последовательное электрическое соединение нескольких ячеистых устройств 50, соединенных напрямую с выходом постоянного тока преобразователя переменного тока в постоянный ток (такого как простой выпрямитель с использованием диодного моста) без применения понижающего трансформатора.

Фиг. 10a изображает вид сзади механической конструкции из семи устройств (обозначенных A-G), каждое состоит из трех последовательно соединенных ячеистых устройств 50 (как показано на фиг. 8), формируя общую ячеистую конструкцию 70. Ячеистые устройства 50 находятся в стальном цилиндре 72, содержащем воду и электролит, требуемые для производства газов водорода и кислорода. Каждая группа (A-G) из трех ячеистых устройств 50 соединена посредством первой группы стальных соединительных стяжек 74 на одном конце и второй группы стальных соединительных стяжек 76 (не показаны) на другом конце для образования перемычки между группами. Хотя на фиг. 10a показана единственная первая стяжка 74, оба набора стяжек более ясно изображены на фиг. 10b, которая является развернутым видом сбоку групп A-G.

Трубы 64 из ПВХ, показанные на фиг. 10a, изолируют соседние группы во избежание эффекта короткого замыкания между ними. Ячеистая структура 70 является очень компактной и по сравнению с известной конструкцией Брауна занимает только одну третью часть от ее физического объема при сравнимом объемном расходе газа, при этом также уменьшая примерно в таком же соотношении общую массу. Подача воды для электролитического процесса осуществляется через впускное отверстие 78, расположенноe на дне цилиндра 72, с выходом полученного газа через выпускное отверстие 80, расположенноe на вершине цилиндра 72.

Электрическое подсоединение к выводу источника постоянного тока осуществляется через набор ячеек, и в указанной конструкции подключение осуществляется к центральному выводу 82 на нижней стороне ячейки A и к центральному выводу 84 на верхней стороне ячейки G соответственно.

Фиг. 11a и 12a изображают вид сзади дальнейшего воплощения ячеистых пластин 90, 98 первого и второго типа. Фиг. 11b и 12b являются частными поперечными сечениями вдоль соответствующих средних линий, как показано на чертеже. Общая нумерация используется там, где требуется ссылка. Пластины 90, 98 могут выполнять функцию или анода (+) или катода (-), как станет очевидно далее. Каждая пластина содержит дисковый электрод 92, который имеет отверстия (перфорацию) 96 шестиугольной формы. Диск 92 сделан из стали или просмоленного графита или проводящего полимерного материала. Диск 92 находится в кольцевом ободе или муфте 94. Функцией отверстий 96 является максимизировать площадь поверхности дискового электрода 92 и уменьшить вес твердой конструкции до 45%.

Например, для диска диаметром 280 мм толщина диска должна быть 1 мм, для того чтобы плотность тока (которая изменяется в пределах 90А/2650 см² - 100 А/2940 см² анода или катода) была оптимальной. Если диаметр пластины увеличен, что соответственно увеличивает площадь поверхности, то необходимо увеличить толщину пластины, для того чтобы поддержать одну и ту же проводимость для желаемой плотности тока.

Между плоскостями шестиугольных отверстий (перфорации) в диске толщиной 1 мм расстояние составляет 2 мм, и отверстия находятся на расстоянии 1 мм от следующего соседнего отверстия, для того чтобы поддержать ту же самую общую площадь поверхности, что и у предшествующих разработок, и оптимизировать плотность тока. Между соседними шестиугольными отверстиями требуется расстояние в 1 мм (от плоскости до плоскости), т.к. меньшее расстояние приводит к термическим (резистивным) потерям, а большее расстояние приведет к увеличению общего веса пластины.

Кольцевой обод 94 изготовлен из ПВХ материала и объединяет множество отверстий 100, 102 с расположенными на одинаковом расстоянии осями. Отверстия предназначены для прохождения соединяющих осей, присутствующих в собранной конструкции пластин 90, 98 и образующих общий проводник для соответствующих анодных или катодных пластин, так же как в конструкции устройства, показанного на фиг. 7a и 7b. Следующие два верхних отверстия, 104, 106, каждое поддерживает трубопровод соответственно для вытекающих кислорода и водорода. Отверстия 108, 110 в нижней части кольцевого обода 94 предназначены для впуска воды и электролита к соответствующим ячеистым пластинам 90, 98.

Фиг. 13 изображает увеличенный вид части ячеистой пластины 90, показанной на фиг. 11a. Отверстие 104 соединено с шестиугольными отверстиями 96 внутри кольцевого обода 94 посредством внутреннего канала 112. Аналогичная конструкция имеет место для другого отверстия 106 и для отверстий 108, 110 подачи воды/электролита.

В случае когда высвобождаемые газы водород и кислород должны быть сохранены раздельными (т.е. не должны получаться в виде смеси), необходимо отделить их при получении. В предшествующих разработках это достигалось посредством использования диафрагм, которые блокируют прохождение газов и эффективно изолируют воду/электролит на каждой стороне диафрагмы. Перенос ионов, таким образом, облегчается ионной проницаемостью материала диафрагмы (т.е. путь вода - диафрагма - вода). Это приводит к увеличению ионного сопротивления и, следовательно, снижению эффективности. Предшествующий патент N 487062 описывает другую конструкцию (см. фиг. 6 в нем), которая использует магниты для разделения газов.

Фиг. 14 изображает в разорванном виде собранную конструкцию из четырех ячеистых пластин, в которой чередуются составляющие ее две (анодные) ячеистые пластины 90 и две (катодные ячеистые пластины 98. Два крайних диска в собранной конструкции ячеистых пластин завершают формирование одного ячеистого устройства 125. Между каждыми соседними пластинами 90, 98 расположены разделители 116 из политетрафторэтилена (ПТФЕ). Хотя это не показано на фиг. 14, ячеистое устройство содержит отдельные газопроводные трубы для водорода и кислорода, которые соответственно проходят через собранную конструкцию ячеистых пластин через отверстия 106, 104 соответственно. Аналогично устроены газопроводные трубопроводы для подачи воды/электролита, проходя соответственно через отверстия 108, 110 в нижних частях соответствующих пластин 90, 98.

Показаны только две пары анод/катодных ячеистых пластин. Количество таких пластин в одном ячеистом устройстве 125 может быть значительно увеличено.

Также не показаны соединительные проводящие ток оси, которые электрически связывают чередующиеся общие ячеистые пластины. Причина изготовления отверстия большого диаметра в одной ячеистой пластине и изготовления отверстий меньшего диаметра в соседней следующей ячеистой пластине заключается в том, что соединительная ось будет проходить через отверстия большего диаметра без электрического соединения (т.е. изолированы с помощью ПВХ труб), а только образуя электрическое соединение между чередующимися (общими) ячеистыми пластинами.

Ячеистое устройство 125 показано на фиг. 14 в разорванном виде. В собранном виде все элементы собраны для получения тесного контакта. Механическое закрепление достигается использованием одного из двух связывающих веществ (адгезивов), таких как (a) "PUR-FECT LOK" (ТМ) 34-9002, который является уретановым реактивным горячим расплавом адгезива с основным компонентом Methylene Bispheny/Dirsocynate (MDI) и б) "MY-T-BOND" (ТМ), который является связывающим веществом на основе ПВХ растворителя. Оба связывающих вещества являются стойкими к гидроксиду натрия (20%-ное наличие в электролите). В этом случае вода/электролит находятся только в области, не занимаемой кольцевым ободом 94 ячеистой пластины. Таким образом, путем для воды/электролита является только путь от впускного отверстия по нижним каналам 118, 122, а для удаления газов служит путь только по верхним каналам 112, 120. В системе, сконструированной и протестированной изобретателем, толщина ячеистых пластин 90, 98 была равна 1 мм (2 мм по краю из-за ПВХ кольцевого обода 94), а диаметр - 336 мм. Ячеистое устройство 125 отделено от следующей ячейки посредством изолирующего разделяющего диска 114 из ПВХ. Разделяющий диск 114 также размещен в начале и конце целого ячеистого банка.

Если не требуется управлять разделением высвобождающихся газов, то ПТФЕ мембрана 116 отсутствует.

ПТФЕ мембрана 116 является волокнистой и имеет просветы размером от 0,2 до 1.0 мкм. Подходящим типом является тип Catalogue Code J., поставляемый Tokio Roshi International Inc. (Advantec). Вода/электролит заполняет промежутки, и ионный ток протекает только через воду - не существует компенсации потоку ионов через сам материал ПТФЕ. Это приводит к уменьшению сопротивления ионному потоку. ПТФЕ материал также имеет "точку вспенивания", которая является функцией давления, следовательно, управляя относительным давлением на любой стороне разделяющих листов из ПТФЕ, газы могут быть "продавлены" сквозь просветы для формирования смеси или, наоборот, для сохранения разделения. Другими преимуществами данной конструкции являются значительно меньшая стоимость конструкции, улучшенная эффективность работы и значительно большая устойчивость к сбоям.

Фиг. 15a является стилизованным и разорванным схематическим видом линейного соединения из трех последовательно соединенных ячеистых устройств 125. Для ясности показаны только шесть соединяющих осей 126-131. Оси 126-131 проходят сквозь соответствующие осевые отверстия 102, 100 в различных ячеистых пластинах 90, 98 в сложенной конструкции. Указана также полярность питания, подключенного к каждым незакрытым оконечным осям, к которым подсоединяется источник постоянного тока. Оси 126-131 проходят не по всей длине трех ячеистых блоков 125. Данная конструкция аналогична конструкции, показанной на фиг. 7a и 8. Одна третья часть полного напряжения источника постоянного тока присутствует на каждой паре (анодно-катодной) ячеистых пластин 90, 98.

Далее показаны также газовые трубопроводы 132, 133 соответственно для водорода и кислорода, которые проходят через отверстия 104, 106 в ячеистых пластинах 90, 98. Аналогично показаны трубопроводы 134, 135 для воды/электролита, проходящие через отверстия 108, 110 в ячеистых пластинах.

Фиг. 15b отдельно показывает, как изменяется относительная разность потенциалов в среднем ячеистом блоке 125. То есть пластинчатый электрод 90a здесь функционирует в качестве катода (т.е. относительно более отрицательного) для производства водорода, а пластинчатый электрод 98a здесь функционирует в качестве анода (т.е. относительно более положительного) для производства кислорода. Это имеет место для каждого чередующегося ячеистого устройства. Показанные на фиг. 15b стрелки указывают цепи для электронного и ионного токов. Фиг. 15c является эквивалентной электрической схемой фиг. 15b, в которой резистивные элементы представляют собой ионное сопротивление между соседними анодно-катодными пластинами. Таким образом, можно видеть, что ячеистые устройства соединены последовательно.

Из-за изменения функции ячеистых пластин 90a и 98a на каждой из них высвобождаются дополнительные газы, следовательно, соответствующие каналы 112 подсоединены к противоположным газовым трубопроводам 132, 133. В частности, это может быть достигнуто простой перестановкой пластин 90, 98.

Фиг. 16 изображает три ячеистых устройства 125, показанных на фиг. 15a, подсоединенными к устройству сбора газов. Ячеистые устройства 125 расположены внутри резервуара 140, который заполнен водой/электролитом до уровня, обозначенного h. Вода расходуется при электролитическом процессе, а новая подача ее осуществляется через впускное отверстие 152. Уровень воды/электролита h можно увидеть сквозь прозрачное стекло 154. При нормальной работе производятся различные потоки водорода и кислорода и проходят от ячеистого устройства 125 к соответствующим возвышающимся колоннам 142, 144. То есть давление электролита на противоположных сторонах ПТФЕ мембраны 116 выравнено, таким образом, газы не могут смешиваться.

Колонны 142, 144 также заполнены водой/электролитом, и при его расходе на электродных пластинах вновь осуществляется подача электролита посредством циркуляции через трубопроводы 134, 135 для воды/электролита. Циркуляция вызывается уносом высвобожденных газов и обеспечивающей циркуляцию конструкциeй трубопроводов и колонн.

Верхняя часть резервуара 140 образует две газоочистительныe колонны 156, 158 соответственно для сбора газов водорода и кислорода. Газы поднимаются вверх по соответствующим колоннам 142, 144 и выходят из колонн через отверстия в точке, расположенной в пределах перекрывающихся перегородок 146. Этa точка, где газы выходят из колонн 142, 144, находится ниже уровня h воды, которая служит для устранения любого турбулентного потока и захваченного газом электролита. Перегородки 146, расположенные выше уровня h, очищают газ от любого захваченного газом электролита, и очищенный газ затем выхолит через соответствующие выпускные колонны 148, 150 и, таким образом, - в приемник газа. Уровень h в резервуаре 140 может регулироваться любыми обычными способами, используя поплавковый переключатель с вновь поступающей водой, подаваемой по впускной трубе 152.

Высвобожденные газы будут всегда отделяться от раствора воды/электролита благодаря различию в плотностях. Из-за относительной высоты соответствующего набора перегородок и из-за различия между плотностями газов и воды/электролита невозможно смешивание высвобожденных газов водорода и кислорода. Наличие полного объема воды внутри резервуара 140 поддерживает ячеистые пластины в погруженном состоянии и служит также для поглощения сотрясений от любых внутренних детонаций, если они имеют место.

В случае когда требуется смешивание газов, в первую очередь закрыты два вентиля 136, 137, расположенные соответственно в трубопроводе 132 для выхода газообразного кислорода и впускном отверстии 134 для воды/электролита. Этo блокирует выходной путь для газообразного кислорода и заставляет впускаемую воду/электролит проходить во впускной трубопровод 134 через однонаправленный стопорный вентиль 139 и насос 138. Вода/электролит внутри резервуара 140 находится под давлением благодаря своей глубине (объему), и насос 138 работает на увеличение давления воды/электролита около анодных ячеистых пластин 90, 98a, что приводит к увеличенному давлению по отношению к давлению воды/электролита на другой стороне мембраны 116. Этa разница давлений является достаточной для того, чтобы вызвать перемещение газообразного кислорода сквозь мембрану, таким образом, смешанные кислород и водород высвобождаются через газовый выходной трубопровод 133 и колонну 144. Так как нет обратного пути для подаваемой насосом 138 воды/электролита, то давление около ячеистых пластин 90, 98a будет возрастать и далее до значения, при котором разница достаточна, чтобы вода/электролит также могла проходить через мембрану 116. Обычно требуется разница давлений в пределах 1,5-10 фунт/дюйм², чтобы разрешить прохождение газа, и разница давлений в пределах 10-40 фунт/дюйм² для воды/электролита.

Хотя изображены только три ячеистых устройства 125, ясно, что может быть сформировано любое их количество, соединенных последовательно.

Фиг. 17 изображает другое воплощение стопорного вентиля и газоочищающего устройства 160 для очистки высвобождаемого (ых) газа (газов) перед последующим использованием. Устройство 160 заполнено водой обычно до уровня, составляющего половину от общей высоты устройства. Уровень регулируется посредством поплавкового переключателя 162. Вода подается через впускное отверстие 164. Встраивается также прозрачная трубка 166, которая служит для визуальной индикации уровня воды.

Газообразные водород и/или кислород из газового приемника под давлением поступают по входной трубе 168, имеющей внизу выход 170. Газы проходят вниз по трубе 168 и выходят из отверстия 170, в виде пузырьков поднимаются вверх внутрь внутренней колонны 172, которая также заполнена поданной водой, таким образом выполняя первоначальную очистку для удаления гидроксид-натриевого электролита. Затем газ поступает в направленную вниз трубу 174 и выходит из ее открытого конца, вновь проходя сквозь воду во внешнюю камеру 176, чтобы далее очиститься, и, таким образом, находится под давлением в объеме над уровнем воды для последующего выхода из выпускного отверстия 176.

Смешанные газообразные водород и кислород, выходящие из выпускного отверстия 178, скажем, на сварочный наконечник (не показан) находятся в правильных стехиометрических пропорциях в результате электролитического процесса, и можно быть уверенным, что при сгорании образуется нейтральное пламя. Продуктами процесса сгорания являются только теплота и пары воды.

Если газы произведены отдельно, то используется скрубберы 160 с двумя стопорными вентилями, газы затем должны быть смешаны в смесительной камере, которая тоже будет производить смесь в правильной стехиометрической пропорции.

Если имеет место взрыв, который "возвращается" через выходное отверстие 178 от сварочного наконечника, то он должен быть погашен водой внутри устройства 160, а энергия взрыва поглощена смещением воды и во внешней камере 176, и во внутренней колонне 172, и указанное смещение также отрезает поток поступающего газа в трубу 168. В этом случае не должно быть возможности распространения взрыва по направлению к банку электролитических ячеек, производящих газы. Вода в устройстве 160 выступает, таким образом, в качестве очистителя газа и стопорного вентиля.

Фиг. 18 изображает сварочный наконечник 180 в поперечном сечении. Газообразные водород и кислород поступают от входной трубки 182, пропускаются игольчатым вентилем 184 и, таким образом, поступают в камеру 186 расширения. Камера 186 расширения содержит устройство управления гашением обратного пламени, которая состоит из цилиндрического гасителя 188 обратного пламени, обычно изготавливаемого из 5-мкм сетки из нержавеющей стали. При нормальной работе газы протекают через гаситель 188 обратного пламени и, таким образом, - к выходному отверстию или соплу 190, где происходит сгорание или ионизация газа в процессе образования плазмы.

В случае если имеет место обратное пламя, гаситель 188 обратного пламени не позволяет далее распространяться в обратном направлении пламени, которое физически не может пройти сквозь отверстия такого малого размера, как, скажем, 5 мкм. Связанным с этим является эффект поглощения теплоты материалом, из которого изготовлен гаситель 188, который приводит к диссипации энергии пламени, и что, следовательно, способствует уничтожению пламени.

Использование водорода и/или кислорода в сварке и резке с помощью электролиза позволяет достигать температур порядка 6000^oC с возможностью производить газ в требуемом количестве. Не требуется газа, хранимого в баллоне. Также возможно осуществлять сварку высококачественным пламенем с высокочистым газом, а также можно расплавлять керамические материалы.

Все нижеперечисленные материалы могут быть сварены: углеродистая сталь, литое железо, нержавеющая сталь, алюминий, латунь, серебряный припой, медь и керамика. Следующие железосодержащие и железонесодержащие материалы вследствие возможности производства чистого водорода, проходящего через электродугу постоянного тока, образующую поток водородной плазмы (H₂--->H₁), могут быть легко разрезаны: углеродистая сталь, литое железо, нержавеющая сталь, алюминий, латунь и медь.

Воплощение изобретения может предоставить непрерывную подачу газообразного водорода с большим расходом. Раз так, то изобретение хорошо подходит для тех применений, которые расходуют большое количество водорода. Примером такого процесса является Plascon (ТМ)-процесс разложения отходов, разработанный Australian CSIBO's Division of Manufacturing Technology. Обзор-Plascon процесса можно найти в CS1BO Journal "Ecos, Volume 68, Winter 1991".

Одним применением газообразных водорода и кислорода, произведенных описанной выше аппаратурой, является термическое разложение отходов без сжигания атмосферного кислорода. Эта процедура требует подачи по требованию газообразных водорода и кислорода. Описанная выше аппаратура электролиза может при увеличении размеров производить необходимый расход газа, для того чтобы сжигать газообразные отходы в коммерческом масштабе.

Фиг. 19a и 19b изображают конфигурацию печи, используемой для разложения указанных газообразных загрязняющих выделений. Фиг. 19a изображает поперечное сечение печи 200. Поперечное сечение вдоль средней линии показано на фиг. 19b. Печь 200 имеет камеру сгорания 202 полусферической формы. Выделения, которые могут содержать смесь дымов, содержащих гидрокарбонаты и другие летучие загрязнители в качестве продукта отходов промышленных процессов, впрыскиваются в камеру сгорания через впускное отверстие 206. Существуют два источника смешивания газообразных водорода и кислорода в стехиометрической пропорции 2:1, которые находятся в верхнем и нижнем квадрантах камеры сгорания 202. Эти газы подаются с помощью двух газовых впускных отверстий 208, расположенных в точках, находящихся на диаметрально противоположных сторонах печи 200. Смесь водорода и кислорода и выделений, образуемая внутри камеры сгорания, зажигается посредством искры от запальной свечи 210 или ей подобной и сгорает при температуре, не меньшей 4000^oC, таким образом предоставляя энергию для диссоциации молекул всех загрязнений в безвредные компоненты, которые могут быть выброшены в атмосферу. В процессе сгорания не сгорает атмосферный кислород. Завершению сгорания загрязнений способствует эффект "фокусировки" камеры сгорания 202, который также улучшает смешивание потоков газа.

Термопара 212 измеряет температуру внутри силиконового волокнистого огнеупорного теплоизолирующего материала 214, окружающего камеру сгорания 202. Облицовка 216, примененная в печи 200, обычно изготавливается из нержавеющей стали.

Конструкция печи изготавливается из семи (показаны только четыре) концентрически расположенных наборов сопел 212, как ясно изображено на фиг. 19b. Сопла 222 направлены к общей точке пересечения в эпицентре 204 камеры сгорания 202. Охлаждающая вода, подаваемая через впускное отверстие 218 и выходящая через выпускное отверстие 220, предназначена для поддержания температуры сопел 222 менее 300^oC. Свыше 300^oC газообразный водород имеет тенденцию к "обратному горению".

Путь потока газообразных водорода и кислорода к соплам 222 от впускных отверстий 208 имеет четыре (минимум) изменения направления на 90^oC. Это предназначено для того, чтобы уменьшить линейную инерцию гидрокси-пламени в случае обратного горения и, таким образом, заставить пламя погаснуть самому. Это, в частности, выгодно, когда водород сгорает со скоростью 3600 м/с.

Фиг. 20 изображает в виде блок-схемы мультимодульноe режущеe и сварочноe устройствo 230. К устройству подается энергия постоянного тока, поступающая от преобразователя 232 переменного тока в постоянный. Имеющийся в наличии источник переменного напряжения предназначен для подсоединения к устройству 234, сваривающему электрической дугой переменного напряжения, в то время как преобразованное выходное постоянное напряжение предназначено для подсоединения к устройству, сваривающему электрической дугой постоянного напряжения, или режущему устройству 236. Напряжение, подаваемое с выхода источника постоянного напряжения, подается на электролитическое ячеистое устройство 238 для получения в этом случае разделенных газообразных водорода и кислорода. Газообразные водород и кислород подаются к газовому сварочному устройству 240. Водород (и кислород для вторичной инжекции) имеeтся в наличии для подключения к плазменному режущему устройству 242. Водород проходит через дугу постоянного тока для получения плазменного потока, а при вторичной инжекции кислород вводится в плазменный поток для получения эффекта окисляющего плазменного разрезания, который увеличивает эффективность резки. С помощью этого процесса можно разрезать толщину материала до 150 мм. Следует заметить, что введение кислорода нисходящим потоком от вольфрамовых электродов уничтожает любое окисление электродов.

Для устройства MIG/TIG 244 производится один газообразный водород в плазменной форме в отличие от обычно имеющего место инертного газа. Для образования плазмы также требуется источник переменного или постоянного тока.

Преобразователь 232 может быть любой обычной конструкции, обычно имеющeй многовыводный трансформатор для выбора подходящего выпрямленного напряжения. Электролитическое устройство 238 может быть любым из ранее описанных воплощений и содержать скруббер и стопорный вентиль. Различные описанные режущие и сварочные устройства 234, 236, 240, 242, 244 также являются обычными.

Мультимодульное устройство 230, таким образом, предоставляет большую гибкость для пользователя в возможности выбора с помощью одного устройства конкретного требуемого режима резки или сварки. Ясно, что устройство, содержащее любой единичный или комбинацию устройств сварки/резки, предусмотрено настоящим изобретением.

Фиг. 21 изображает мультимодульное устройство 230 с большой степенью детализации. Как описано выше, электролитический генератор 238 производит по отдельности газообразные водород и кислород и может также производить газообразные водород и кислород в качестве смеси.

Устройство подачи питания 232 содержит многовыводный трансформатор 246. Уменьшенное напряжение выпрямляется мостовым выпрямителем 247. Выходное выпрямленное напряжение затем подсоединяется выводами 248 к блоку ячеек 238, содержащему 30 ячеек, через контактор 249, который приводится в действие переключателем давления 250. Переключатель 250 в свою очередь приводится в действие датчиком давления 251, который воспринимает уровень давления газа внутри блока ячеек 238. Таким образом, контактор 249 является управляемым, чтобы удалить подачу напряжения на блок ячеек 238 при установлении рабочего давления. Контактор 249 работает по требованию с использованием газа.

Таким образом, газ производится в нужных количествах, и обычно 15 л в любой момент времени. В этих 15 л газов содержится 10 л водорода и 5 л кислорода.

Газы поступают из газоочищающих колонн 156, 158 блока ячеек 238. Так как циклическая система является закрытой, то давление в каждой колонне будет компенсироваться давлением в другой, посредством этого поддерживая постоянный желаемый уровень производства газа. Если, однако, уровень воды является слишком высоким из-за излишнего использования какого-либо газа, то соответствующий поплавковый переключатель 254, 255 в соответствующей колонне 156, 158 будет препятствовать потоку газа, закрывая соответствующий соленоидный клапан 256, 257.

Поплавковые переключатели 254, 255 приводят в действие соленоидные клапаны 256, 257 от источника переменного напряжения 258, отходящего от трансформатора 246. Другие поплавковые переключатели, расположенные в стопорном клапане и скрубберах 160, и нагнетающий насос 138 также питаются от источника переменного напряжения 258.

Два регулятора потока 261, 262 объединены с целью поддержания желаемого обратного давления в колоннах 156, 158, для того чтобы указанная система всегда была под давлением, даже если система выключена и/или газы были исчерпаны через выпускные отверстия газа, газовые выходы 263, 264 стопорных вентилей/газоочищающих устройств 160 или сварочным наконечником 265.

Другим способом получения смеси является тот, когда газообразные водород и кислород в противоположность разделению газов в блоке ячеек 238 прошли через стопорный вентиль и очистительные устройства 160, тогда вентиль выбора 266 позволяет газам смешиваться и поступать на сварочный наконечник, где они зажигаются и сгорают, для того чтобы использоваться для водород/кислородной сварки.

Если газообразные водород и кислород подаются отдельно и требуются для устройства водородной плазменной резки 242 и/или устройства водородной плазменной MIG/TIG-сварки 244, то вентиль выбора 266 не позволяет смешиваться двум газам.

Устройство подачи напряжения 232 является обычным устройством с многовыводным трансформатором 246, содержащим реактивную обмотку 267 и переключатель выбора диапазона 268, который разрешает выбор уровня выходного напряжения. Сгенерированное вторичное переменное напряжение также может быть выпрямлено выпрямителем 247 для получения постоянного напряжения на выходе. Все указанные выходные напряжения далее поступают на селектор полярности 269, позволяющий пользователю выбирать между переменным или постоянным выходным напряжением и выбирать подходящую полярность для выходного постоянного напряжения.

Вывод 248 источника питания 232 показан подсоединенным к блоку электролитических ячеек 238, однако источник питания может быть также соединен с другими видами сварочного или режущего оборудования, такими, которые показаны на фиг. 20.

Далее выход 271 подает необходимую энергию постоянного тока к сварочному устройству 244 MIG/TIG-погружения в водородную плазму и водородную плазменную окисляющую режущего устройства 242. Далее выход 272 переменного тока и выход 273 постоянного тока выдают необходимый ток для получения дуги для MTG- или TIG-процессов.

Для блока ячеек 238 и устройств электрической дуги 234, 263 требуются выходные напряжения в диапазоне 20-60 В, в то время как сварочные MIG/TIG-устройства работают обычно при выходном напряжении 30-60 В (переменном или постоянном). Плазменное разрезание и плазменное погружение, которое осуществляется плазменным устройством 242, обычно требует подачи 120 В постоянного тока.

Формула изобретения

1. Электролизер для электролиза воды, включающий множество образующих анод электродов (52) в виде стопки, причем каждый электрод-анод состоит из плоской пластины, множество образующих катод электродов (54) в виде стопки, причем каждый электрод-катод состоит из плоской пластины, а электроды-аноды и электроды-катоды чередуются, отличающийся тем, что имеет по меньшей мере один проводящий первый соединяющий элемент (56), проходящий сквозь чередующиеся электроды (52, 54) и обеспечивающий электрическое соединение только с каждым электродом-анодом (52), и по меньшей мере один проводящий второй соединяющий элемент (58), проходящий сквозь чередующиеся электроды (52, 54) и обеспечивающий электрическое соединение только с каждым электродом-катодом (54).

2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что группа в виде стопки электродов-анодов (52) образует анодный ячеистый блок и группа в виде стопки электродов-катодов (54) образует катодный ячеистый блок, посредством чего каждый анодный ячеистый блок только на части своей длины перекрывается соответствующим катодным ячеистым блоком.

3. Электролизер по п.2, отличающийся тем, что в каждом ячеистом блоке соответствующие первый и второй соединяющие элемента (56, 58) проходят только на длину соответствующего ячеистого блока.

4. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что каждый электрод имеет шестиугольную форму и первые соединяющие элементы (56) проходят сквозь электрод в точке, близкой к каждой чередующейся вершине, а вторые соединяющие элементы (58) проходят сквозь электрод рядом с другими чередующимися вершинами.

5. Электролизер по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что каждый электрод (90) имеет перфорированную внутреннюю часть (92) и наружную краевую часть (94) с отверстиями (100, 102), через которые пропущены первый и второй соединяющие элементы.

6. Электролизер по п.5, отличающийся тем, что электроды (90) имеют круглую форму.

7. Батарея элементов для электролиза воды, которая содержит множество электрически последовательно соединенных электролизеров по любому из предшествующих пунктов и один или более из последовательно соединенных электролизеров имеют последовательное электрическое соединение и физически установлены параллельно.

8. Батарея элементов по п.7, отличающаяся тем, что имеет одинаковое количество электролизеров в каждом последовательном соединении, параллельная физическая установка образована плотно упакованным массивом последовательно соединенных электролизеров и дополнительно содержит по меньшей мере один соединяющий мост (74, 76) на каждом конце каждого электролизера, причем мосты (74, 76) на каждом конце соответственно соединяют электроды-аноды (52) каждого электролизера и электроды-катоды (54) каждого электролизера образуют последовательное электрическое соединение.

9. Электролизная система, включающая электролизер или батарею элементов по любому из предшествующих пунктов, резервуар (72), приспособленный для содержания и погружения указанного электролизера или батареи элементов (125) по меньшей мере в воду, средство питания постоянного тока, положительный вывод которого соединен с электродами-анодами (52), а отрицательный вывод которого соединен с электродами-катодами (54) посредством соответствующих первого и второго соединяющих элементов (56, 58) для высвобождения газообразных кислорода и водорода соответственно с указанных электродов-анодов и указанных электродов-катодов.

10. Электролизная система по п.9, отличающаяся тем, что дополнительно включает трубопроводные средства (142, 146) для сбора указанных газообразных кислорода и водорода в виде газовой смеси и средства газоочистки (156, 158), через которые проходит собранный газ, причем указанные средства газоочистки имеют по меньшей мере два отдельных пути, по которым смешанный газ вынужден проходить, будучи разделен по меньшей мере одной очищающей жидкостью.

11. Электролизная система по п.10, отличающаяся тем, что указанные средства газоочистки содержат резервуар (140), наполненный очищающей жидкостью до определенного уровня (h) резервуара и по меньшей мере две вертикально располагающиеся колонны (142, 144) внутри резервуара, причем первая колонна имеет верхний конец, предназначенный для приема собранного смешанного газа, и нижний конец, открытый в очищающую жидкость, а вторая колонна имеет верхний конец, предназначенный для приема предварительно очищенного газа, и нижний конец, открытый в очищающую жидкость, причем вторично очищенный газ проходит в выпускное отверстие (148, 150).

12. Электролизная система по п.10 или 11, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средство ограничения потока, через которое проходит указанный собранный газ, создавая тем самым обратное давление на воду в резервуаре.

Приоритет по пунктам: 06.09.1993 по пп.1 - 4, 7 - 9; 02.08.1994 по пп.5 и 6; 19.04.1994 по пп.10 - 12.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24