ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА

Электрохимическая ячейка относится к области электрохимии, в частности, к технологии и техническим средствам электрохимии и может быть использована в электрохимических производствах и электролизерах для получения водорода, аналитической химии, водородной сварке, а также в топливных элементах для получения энергии.
Известна электрохимическая ячейка, содержащая корпус, пористые металлические электроды, и жидкий электролит на основе водного раствора щелочи. Основным недостатком таких ячеек является большой вес и габариты, высокие энергозатраты за счет экранирования поверхности электродов выделяющимися газовыми пузырьками, примесь в получаемых газах паров щелочи, что является небезопасным для человека (Л.М. Якименко, И.Д. Модылевская, 3.А. Ткачек Электролиз воды, 1970, М., Химия).
Известна электрохимическая ячейка, содержащая корпус, пористые электроды, твердый электролит на основе двуокиси циркония. Недостатком такой ячейки является высокая (1000°С) температура процесса, вследствие этого предъявляются специальные требования к технологичности конструкционных материалов, недолговечность платиновых электродов из-за процесса испарения (Зорина Н.Г., Федоров В.Н. Электролизер для получения кислорода, авт. свид. №289609 от 08.01.1988 г.).
Известна электрохимическая ячейка (далее ячейка), содержащая корпус, пористые металлические электроды - катод из пористого никеля и анод из диоксида свинца на графитовой основе и твердый полимерный электролит.
Недостатками такой ячейки являются невысокая каталитическая активность никелевых катодов, высокое контактное сопротивление границы «электрод-электролит», которое приводит к увеличению энергопотерь, снижению надежности и увеличению срока службы (Ю.В. Морозов Электролизеры с твердым полимерным электролитом для электролиза воды. Журнал депонированных рукописей 2002, №9, с. 54-56).
Известна электрохимическая ячейка, содержащая корпус, пористые металлические электроды и твердый полимерный электролит. Электроды представляют собой токопроводящую основу с нанесенным подслоем смеси оксидов рутения, титана и олова, и слоем диоксида марганца, получаемого путем анодного осаждения из электролита, в состав которого входят хлорид марганца и соляная кислота.
Недостатками такой ячейки являются дороговизна материалов, постепенное растворение компонента сплава рутения с последующей потерей стабильности и надежности работы, сложность приготовления поверхностного слоя электрода, нестабильность каталитической активности двуокиси марганца, что приводит к увеличению эенерготат на процесс (Патент 2069239 от 20.11.1996 г НИФТИ при Дальневосточном Государственном Университете).
Известна электрохимическая ячейка, содержащая корпус, пористые металлические электроды и твердый полимерный электролит. Электроды представляют собой пористую токопроводящую основу с нанесенным слоем палладия (Электрохимия, 2006, т.42, №11, с.231-235).
Недостатками ячейки является высокая стоимость палладия и ограниченность ресурса работы из-за снижения каталитических свойств палладия в процессе работы ячейки.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является электрохимическая ячейка, содержащая корпус, пористые электроды с нанесенным поверхностным слоем платины (Journal of Power Sources, V. 177, ussue 2, March 2008).
Недостатками прототипа являются дороговизна материала, нестабильность значений перенапряжения вследствие постепенного анодного растворения и механического разрушения платинового слоя. Кроме того, платина имеет высокую стоимость и ее залежи невосполнимы. Поэтому платина имеет малую перспективу широкого использования.
Технический результат предлагаемого устройства выражается:
- в снижении на 30% энерготрат за счет нового каталитического материала;
- в уменьшении на два порядка стоимости материалов катализаторов, благодаря применению оксидных материалов.
В основу технического решения положено создание усовершенствованной электрохимической ячейки с твердым полимерным электролитом для получения водорода, производства энергии, для различных исследовательских целей, в том числе, в газовой хроматографии, а также в автомобильной промышленности.
Поставленная задача достигается тем, что электрохимическая ячейка содержит корпус, твердый полимерный электролит, пористые электроды, а согласно полезной модели на поверхность пористых электродов нанесена смесь оксидов празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5.
Таким образом, в электрохимической ячейке предложена новая совокупность существенных признаков. Все предложенные признаки существенны, поскольку влияют на достигаемый технический результат, т.е. находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом.
Так например, в предпочтительном варианте рабочая поверхность электродов активирована смесью оксидов празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5, что неизвестно. Кроме того, активация пористых электродов смесью оксидов приводит к снижению напряжения, а следовательно, энергопотерь, в среднем, на 30% за счет высокой каталитической активности смеси оксидов празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5. Помимо этого, стоимость оксидных каталитических материалов для активации электродов по сравнению с металлами платиновой группы ниже в 100-200 раз. Ячейка безопасна для человека в использовании, поскольку рабочей средой является вода.
На основании вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что известные устройства недостаточно эффективны вследствие увеличенных энергопотерь. Кроме того, они экономически нецелесообразны при больших производствах из-за дороговизны каталитических материалов.
На фиг.1 представлен общий вид электрохимической ячейки с твердым полимерным электролитом.
Устройство готовят: пористый электрод готовят по известной технологии создания пористых изделий (Н.Ф. Федоров Российский химический журнал №39, 1995 г.с. 73). Активация поверхности пористого электрода смесью оксидов проводится известным методом соосаждения азотнокислых солей, взятых в стехиометрическом соотношении (Танганов Б.Б. Химические методы анализа 2005, Улан-Удэ, изд. ВСГТУ). Активация пористых электродов платиной проводилась осаждением на пористую поверхность хлоплатината с последующим отжигом (Л.М. Якименко Электродные материалы в прикладной электрохимии, М. Химия, 1977). Твердый полимерный электролит готовится по известной технологии приготовления полимерных ионитов (Паншин Ю.А., Дрейман Н.А., Андреева А.И., Манечкина О.Н. Свойства перфторированных сульфокатионитовых мембран МФ-4СК, Пластические массы, 1977, №8, с.46-48).
0,1
0,9
3
Устройство содержит: корпус, пористые электроды (катод и анод) с поверхностным каталитическим слоем - смесью оксидов состава Pr Sr СoO в соотношении 0,05:0,45:0,5, твердый полимерный электролит марки МФ-4СК.
2
2
-
+
Устройство работает следующим образом: дистиллированная вода подается в анодное пространство ячейки, проникает через поры анода к границе раздела «электрод-твердый полимерный электролит». На границе происходит электроокисление воды с выделением кислорода 2НО+4е---O+4Н. Кислород удаляют из реакционной зоны через поры электрода.
+
-
2
Гидратированные протоны движутся через мембрану к катоду, где происходит их восстановление с выделением газообразного водорода 2Н+2е---Н.
Величину энергопотерь определяют по величине напряжения в процессе электрохимического разложения воды.
0,1
0,9
3
Схема предлагаемой электрохимической ячейки представлена на фиг.1 Электрохимическая ячейка представляет собой пакет из активированных смесью оксидов Pr Sr СоО в соотношении 0,05:0,45:0,5 пористых электродов и твердого полимерного электролита марки МФ-4СК. Предлагаемая ячейка располагается в корпусе из органического стекла с возможностью изменения степени поджатия пакета. Питание ячейки осуществляется постоянным током с помощью потенциостата, работающего в режиме стабилизатора напряжения. Аналогичные измерения дополнительно проведены с ячейкой, включающей пористые электроды, активированные платиной и полимерный электролит марки МФ-4СК.
0,1
0,9
3
На фиг.2 представлены результаты измерения вольтамперных характеристик, из которых видно, что в ячейках с каталитическим покрытием электродов состава PrSrCoO величина клеммного напряжения, снижается в среднем, на 30%, что приводит к уменьшению величины энергопотерь.
Таким образом, использование нового технического решения в процессе испытаний позволило добиться высокой электрохимической активности ячейки для снижения непроизводительных энерготрат, в среднем, на 30% при недорогих каталитических материалах.
Полезная модель может быть использована:
- в газовой хроматографии;
- аналитическом приборостроении;
- аналитической химии;
- автомобильной промышленности;
- водородной сварке.