МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ МАТРИЧНЫЙ ФИЛЬТР-ПРЕССНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ВОДЫ
MULTIELEMENT MATRIX FILTER-PRESS WATER ELECTROLYSIS UNIT

Заявляемое техническое решение относится к области электрохимии, точнее к технике электролитического получения водорода и кислорода в электролизерах воды, и может быть использовано в топливных элементах (ТЭ), применяющихся в космических, подводных аппаратах и в наземном транспорте, а также в других устройствах и средствах, оснащенных водородными двигателями или энергетическими установками на основе водорода.
Особым преимуществом полученных электролитическим путем водорода и кислорода является их высокая чистота. Это важно при использовании их в ТЭ. Примеси в этих газах, полученных другими способами (прежде всего, в случае водорода риформингом), оказывают отравляющее действие на электроды и электролит ТЭ, снижая срок их эксплуатации. Для удаления примесей требуются дорогостоящие и громоздкие системы очистки. Очистка газов от паров воды в случае ТЭ, особенно щелочных, не требуется.
Известны различные электролизеры воды для получения водорода и кислорода.
В изобретении по патенту РФ №2341590 «Установка для производства водорода» (класс МПК С25В 1/04, дата приоритета 03.11.2006 г.) [1] для обеспечения чистоты кислорода и водорода, получаемых в электролизерах воды путем удаления капельной влаги и остатков электролита в состав фильтр-прессного электролизера введены фазоразделители кислорода и водорода, а также блоки фильтров. Это является недостатком данного технического решения, удорожающим и усложняющим устройство. Другим недостатком является наличие коллекторов подачи воды в жидком состоянии. Из-за них между электролизными ячейками многоэлементного фильтр-прессного электролизера возникают токи утечки, снижающие его эффективность, кроме этого, из-за высокой разницы потенциалов в электролизерах воды с большим количеством элементов усугубляется электрохимическая коррозия металлических деталей, а последнее обстоятельство уменьшает ресурс изделия.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому многоэлементному матричному фильтр-прессному электролизеру воды, и потому принятому за прототип, является матричный фильтр-прессный щелочной электролизер, описанный в отчетах фирмы Life Systems Inc., . L.D.Noble, A.J.Kovach, F.A.Fortunato, F.h.Schubert and D.J.Gigger. Alcaline Static Feed Electrolyzes Based Oxygen Generation System. Final Report. October, 1988 [2] и Franz H.Schubert. Preliminary Design Programm. Final Report. Static Feed Electrolyzes Flight Experiment Programm, 1995 [3]. Его главной особенностью является подача воды в виде пара в смеси с водородом (статическая подача) на катоды электролизных ячеек.
На фиг.1 и 2 схематически представлены конструкция и схемное решение прототипа.
Сборочной единицей электролизера-прототипа является узел, объединяющий электролизную ячейку и увлажняющий элемент [3, стр.4]. Он схематически приведен на фиг.1.
Увлажняющий элемент (1) сборочного узла содержит электролитную полость (2) и пористую мембрану (3), пропускающую через себя пары воды и не пропускающую жидкость. Пористая мембрана (3) отделяет увлажняющий элемент (1) от электролизной ячейки (4), которая включает в себя кислородную (5) и паро-водородную (6) полости, пористый катод (7), пористый анод (8) и пористую электролитосодержащую матрицу (9). Электролит (гидроксид калия) в комплектующих находится в их капиллярах в связанном состоянии. Вода в электролитную полость увлажняющего элемента подается в составе водного раствора гидроксида калия с концентрацией гидроксил-ионов, меньшей концентрации гидроксил-ионов в электролизной ячейке. За счет разности концентраций гидроксил-ионов в увлажняющем элементе и электролизной ячейке между ними в паро-водородной полости возникает разность упругостей паров воды, причем упругость паров над мембраной увлажняющего элемента больше, чем упругость паров над катодом электролизной ячейки, в результате чего вода в виде пара диффундирует к катоду электролизной ячейки. Необходимая разность концентраций гидроксил-ионов устанавливается путем раздельных заправок увлажняющего элемента и электролизной ячейки растворами гидроксида калия различной концентрации до начала эксплуатации.
Как следует из прототипа - конструкция электролизера воды фильтр-прессная. На фиг.2 схематически представлены конструкция и коммутация многоэлементного фильтр-прессного электролизера-прототипа по газам и электролиту. Коммутация электролизных ячеек по электрическому току (на фиг.2 не показана)  последовательная. Сборочные узлы размещены между фланцами (10). Как и на фиг.1, в их состав входят: электролитные полости (2), пористые мембраны (3), паро-водородные полости (6), пористые катоды (7), пористые аноды (8), пористые электролитосодержащие матрицы (9) и кислородные полости (5).
Недостатком электролизера воды, приводимого в прототипе, является объединение каждого увлажняющего элемента с каждой электролизной ячейкой. Это приводит к тому, что металлические комплектующие увлажняющего элемента находятся под потенциалом электролизной ячейки и в случае многоэлементного фильтр-прессного электролизера из-за наличия жидкого электролита между элементами возникают токи утечки и создаются условия для интенсивной коррозии металлических материалов. Первое обстоятельство снижает эффективность электролизера, а второе - уменьшает его ресурс.
Задачей заявляемой конструкции многоэлементного матричного фильтр-прессного электролизера воды является повышение его эффективности и увеличение ресурса работы.
Решение поставленной задачи заключается в том, что в известном многоэлементном матричном фильтр-прессном электролизере воды, состоящем из электролизных ячеек и увлажняющих элементов, содержащих пористые катод, анод, пористые электролитосодержащую матрицу и пористую мембрану, проницаемую для паров воды и непроницаемую для жидкости, электролитную, паро-водородную и кислородную полости, согласно заявляемому техническому решению электролизные ячейки пространственно отделены от увлажняющих элементов и образуют две самостоятельные секции: секцию электролизных ячеек и секцию увлажняющих элементов. Секции могут представлять из себя как самостоятельные узлы, так и могут быть объединены в общий узел. Количество как увлажняющих элементов, так и электролизных ячеек в секциях могут быть как одинаковыми, так и различными. В увлажняющие элементы могут подаваться как электролит, так и вода. Для питания электролизных ячеек водой в виде пара водяной пар в смеси с водородом циркулирует через газовые паро-водородные полости обеих секций. Циркуляция осуществляется по замкнутому контуру побудителем расхода, например компрессором. Циркуляция паро-водородной смеси обеспечивает перенос тепла из секции увлажняющих элементов в секцию электролизных ячеек и равенство температур секций. При этом требуемая температура секции увлажняющих элементов поддерживается циркулирующим электролитом, в контур которого включен нагреватель.
В заявляемом многоэлементном матричном фильтр-прессном электролизере воды для предотвращения проникновения электролита из электролитной полости в паро-водородную полость увлажняющих элементов применена гидрофильная газозапорная мембрана, а давление паро-водородной смеси сделано большим по сравнению с давлением электролита. Практика показывает, что гидрофобная мембрана не приемлема из-за исключительной трудности сохранения ее гидрофобных свойств при длительной эксплуатации в горячей щелочи, особенно концентрированной.
Технический результат при использовании заявляемой конструкции - повышение эффективности и ресурса многоэлементного матричного фильтр-прессного электролизера воды, достигается тем, что жидкий электролит (вода) подается не в сборочные узлы, в каждом из которых объединены увлажняющий элемент и электролизная ячейка, а только в увлажняющие элементы, пространственно отделенные и изолированные по металлу и электролиту от электролизных ячеек. Заявляемое техническое решение в силу отсутствия электролита в коллекторах секции электролизных ячеек, во-первых, устраняет токи утечки между электролизными ячейками, повышая эффективность электролизера, а во-вторых, радикально ослабляет электрохимическую коррозию металлических комплектующих секции электролизных ячеек в силу этой же причины (отсутствия общего электролитного коллектора). Последнее обстоятельство увеличивает ресурс секции электролизных ячеек и, тем самым, всего заявляемого многоэлементного матричного фильтр-прессного электролизера воды. Вопроса электрохимической коррозии секции увлажняющих элементов в заявляемой конструкции не существует из-за отсутствия в ней разности напряжений и наличия в газовой атмосфере только паро-водородной смеси.
На фиг.3 схематически представлена заявляемая конструкция многоэлементного матричного фильтр-прессного электролизера воды в части коммутации увлажняющих элементов и электролизных ячеек по газу и электролиту, на фиг.4 представлена упрощенная схема работы заявляемого многоэлементного матричного фильтр-прессного электролизера воды.
В заявляемом многоэлементном матричном фильтр-прессном электролизере воды все электролизные ячейки по электрическому току скоммутированы последовательно (на фиг.3 электрическая коммутация не показана).
Как видно на фиг.3, заявляемый многоэлементный матричный фильтр-прессный электролизер воды содержит: фланцы (11), электролитные полости (12), проницаемые для паров воды пористые мембраны (13), паро-водородные полости (14), пористые катоды (15), пористые электролитосодержащие матрицы (16), пористые аноды (17), кислородные полости (18) и диэлектрическую проставку (19), отделяющую секцию увлажняющих элементов от секции электролизных ячеек, контур циркуляции электролита (20), контур циркуляции паро-водородной смеси (21), а также побудители расходов электролита (22) и пароводородной смеси (23). В секции (24) объединены увлажняющие элементы, а в секции (25) объединены электролизные ячейки. Кроме подачи пара циркуляция паро-водородной смеси способствует обеспечению равенства температур обеих секций.
Согласно заявляемому техническому решению многоэлементный фильтр-прессный матричный электролизер воды состоит из двух секций: секции увлажняющих элементов и секции электролизных ячеек, объединенные в общий узел. Секции отделены друг от друга диэлектрической проставкой. В состав электролизера также входят побудители расхода электролита и паро-водородной смеси.
Работа заявляемого многоэлементного матричного фильтр-прессного электролизера воды происходит следующим образом. В электролитные полости (12) секции объединенных увлажняющих элементов (24) нагретый электролит (раствор КОН) по контуру циркуляции электролита (20) подается побудителем расхода электролита (22). Проникновению жидкого электролита в паро-водородную полость (14) препятствует избыточное давление газа в ней. Проникновению водорода в электролитную полость (12) препятствуют газозапорные свойства пористой мембраны (13).
Водяной пар, испарившийся из электролита в паро-водородную полость (14), по контуру циркуляции паро-водородной смеси (21) циркулирующим водородом переносится в паро-водородную полость (14) секции объединенных электролизных ячеек (25). Циркуляция осуществляется с помощью побудителя расхода паро-водородной смеси (23). Одновременно поток водорода переносит тепло из секции объединенных увлажняющих элементов (24) в секцию объединенных электролизных ячеек (25), что вместе с притоком тепла по конструктивным элементам заявляемой конструкции многоэлементного матричного фильтр-прессного электролизера воды обеспечивает равенство температурных секций.
Поскольку концентрация электролита, например раствора КОН, в секции объединенных увлажняющих элементов (24) поддерживается меньше таковой, чем в секции объединенных электролизных ячейках, то при одинаковой температуре секций упругость паров воды в паро-водородной полости (14) секции объединенных увлажняющих элементов (24) оказывается большей, чем упругость паров в секции объединенных электролизных элементов (25). В результате объединенные электролизные ячейки поглощают пары воды из паро-водородной смеси, выходящей из секции объединенных увлажняющих элементов. При подключении секции объединенных электролизных ячеек к источнику постоянного тока их катоды генерируют водород, а аноды - кислород.
Заявляемое техническое решение иллюстрируется следующим примером.
2
Был изготовлен и длительно испытан электролизер воды, содержащий 38 увлажняющих элементов с площадью мембран 176 см и 38 электролизных ячеек той же площади.
На фиг.4 представлена упрощенная схема, по которой испытывался электролизер. Чистая вода из емкости (26) водяным насосом (27) подавалась в емкость с водным раствором гидроксида калия (28). Концентрация гидроксида калия поддерживалась 5 моль/л.
Электролит в виде раствора гидроксида калия из емкости с водным раствором гидроксида калия (28) побудителем расхода электролита (22) подавался в электролитные полости секции увлажняющих объединенных элементов (24), а оттуда вновь возвращался в емкость с водным раствором гидроксида калия (28). Требуемая температура электролита 80°С поддерживалась при помощи электронагревателя (29). Таким образом, электролитные полости секции увлажняющих элементов (24), побудитель расхода электролита (22), емкость с водным раствором гидроксида калия (28) и электронагреватель (29) образовали замкнутый контур циркуляции электролита.
2
-3
Замкнутый контур циркуляции паро-водородной смеси включал в себя паро-водородные полости секций объединенных увлажняющих элементов (24) и объединенных электролизных ячеек (25), компрессор (23) и регулятор давления (30), поддерживавший давление паро-водородной смеси выше давления в электролите на 20 - 40 кПа. Кратность циркуляции водорода (отношение расхода водорода, проходящего через секцию электролизных ячеек, к расходу водорода, генерируемого этой секцией) составляла 20. Электролизер устойчиво работал во всем испытанном интервале таковой нагрузки (до 1000 мА/см). Суммарное содержание примесей в полученных кислороде и водороде, исключая пары воды, не превышало 1-10% об.
Заявляемая конструкция многоэлементного матричного фильтр-прессного электролизера воды обеспечивает его надежную эксплуатацию в течение длительного времени и с высокой эффективностью. Он способен работать как в вакууме, так и при высоком давлении. Его применение предпочтительно в тех областях, где требуются высокие массо-габаритные характеристики и минимальное обслуживание, прежде всего, в космосе, подводных аппаратах и на интенсивно разрабатываемых в настоящее время электромобилях на топливных элементах.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ на изобретение №2341590 «Установка для получения водорода», класс МПК С 5 В 1/04, дата приоритета 03.11.2006.
2. Alcaline Static Feed Electrolyzes Based Oxygen Generation System. Final Report. October, 1988.
3. Franz H.Schubert. Preliminary Design Programm. Final Report. Static Feed Electrolyzes Flight Experiment Programm, 1995. http://www.hydrogen. http://energy.gov