Электролизер для получения водорода и кислорода из воды
ELECTROLYTIC CELL FOR PRODUCING HYDROGEN AND OXYGEN FROM WATER

Предлагаемое техническое решение относится к технологии электрохимических производств, а именно к устройствам для получения водорода и кислорода методом электролиза воды.
Известна конструкция электролизера по патенту США на изобретение №7510633 (класс МПК С25В 1/10, дата приоритета 21.02.2003 г.) [1] для получения водорода и кислорода, который состоит из катода трубчатой формы, анода в виде стержня, мембраны, анодной и катодной полостей, водородного и кислородного коллектора, насоса для электролита. Катодная и анодная полости содержат электролит.
Данный электролизер работает следующим образом. Раствор электролита перед началом работы подается в анодную и катодную полости ячейки, между которыми установлена мембрана. Затем на анод и катод электролизера подается постоянный ток. Циркуляция электролита в анодной и катодной полостях осуществляется с помощью насоса. Образовавшиеся на электродах во время работы электролизера газовые пузыри вместе с электролитом через газовые каналы покидают ячейку. Затем в кислородной и водородной емкостях газ отделяется от электролита, поступает в баллоны или в иную емкость, а электролит собирается в одну общую емкость и используется с помощью насоса в системе циркуляции электролита при дальнейшей работе электролизера.
Недостатки данного устройства следующие:
- использование в конструкции электролизера общего электролитного коллектора, заполненного электролитом, снижает производительность установки в целом, так как в этом случае возникают высокие токи утечки;
- наличие расстояния между электродами (за счет анодной и катодной полостей), приводит к росту электрического сопротивления и возникновению излишних энергетических затрат, что увеличивает потребляемую мощность и снижает производительность в целом всего устройства;
- в данной конструкции электролизера необходимо наличие дополнительного устройства для отделения водорода от щелочи;
- в данной конструкции электролизера необходим насос для циркуляции электролита через анодную и катодную полости.
Известен электролизер по патенту РФ на изобретение №2400566 (класс МПК С25В 9/00, дата приоритета 24.08.2009, дата публикации 27.09.2010) [2]. Электролизер содержит герметичный корпус-анод цилиндрической формы, катод, диэлектрическими прокладками с двух сторон закрепленный в полости корпуса-анода. Патрубки для ввода электролита (водного раствора электролита) и вывода газа. При этом катод выполнен в виде перфорированного цилиндра и закреплен в нем диэлектрическими перфорированными прокладками концентрично корпусу-аноду. Патрубок для ввода электролита выполнен в виде диффузора с возможностью постоянно циркулирующей подачи электролита насосом и распыления форсункой из бака в корпус-анод, донная часть которого переливной трубкой с обратным клапаном сообщена с баком. Патрубок для вывода газа снабжен каплеулавливателем.
В патенте РФ на изобретение №2441944 «Электролизер» (класс МПК С25В 9/00, дата приоритета 17.02.2011, дата публикации 10.02.2011) [3] описан электролизер для получения кислорода и водорода.
Работа электролизера осуществляется следующим образом. Бак электролизера заправляют электролитом, а на его электроды - анод и катод, разделенные диафрагмой, подают регулируемый блоком управления постоянный ток. Насосом из электролитного бака электролит через дозирующее устройство в постоянном режиме подается и распыляется через форсунку в патрубок-диффузор. В патрубке-диффузоре за счет того, что он распыляется форсункой в виде тумана от нижней диэлектрической перфорированной вставки распыляется вертикально вверх и поступает в перфорированный цилиндр-катод, что дает возможность контактировать электролиту со всей поверхностью электродов электролизера, при этом присутствующая в электролите вода разлагается на кислород и водород. Диафрагма, проницаемая для ионов, но препятствующая смешиванию кислорода и водорода, отделяет катодную полость электролизера от анодной полости. Полученные в результате электролиза кислород и водород проходят через верхнюю перфорированную вставку, каждый по своей части вставки в каплеотделителе, очищается от капель электролита и через соответствующие патрубки с отсекателями подводятся потребителю. Сконденсировавшийся в донной части полости корпуса-анода электролит по переливной трубке с обратным клапаном сливается в электролитный бак и используется повторно.
Недостатками электролизеров по патентам РФ на изобретения №400566 и 2441944 является то, что в данных конструкциях электролизеров:
- требуется наличие постоянно работающего щелочного насоса для распыления через форсунку электролита в зону электролиза воды, что создает дополнительные энергетические затраты и не обеспечивает равномерность работы электролизного элемента по всей площади, что в свою очередь снижает его КПД всего электролизера;
- использование постоянно работающего механического узла (насоса) снижает надежность электролизной установки;
- применение узла каплеотделения, обоснованное необходимостью получать в результате работы устройства кислород и водород, очищенные от электролита.
Известен электролизер по патенту РФ на изобретение №2501890 «Электролизер для получения водорода и кислорода из воды» (класс МПК С25В 9/10, С25В 1/10, дата приоритета 11.05.2012, дата публикации 20.12.2013) [4], наиболее близкий к предлагаемому техническому решению и потому принятый за прототип.
Данный электролизер состоит из корпуса и размещенных в нем соединенных последовательно между собой ячеек. Анод каждой из ячеек выполнен в виде трубы из сетчатого материала, а катод - в виде полого цилиндра из пористого гидрофобизированного материала. Анод и катод каждой из ячеек размещены вплотную к газозапорной мембране с образованием катодной газовой полости между внешней стороной катодов и корпусом. Катодная газовая полость соединена с емкостью гидрозатвора, емкостью щелочного электролита и устройством для отделения водорода от паров воды и щелочи. Ячейки соединены анодными полостями с теплообменником и с емкостью щелочного электролита, которая, в свою очередь, соединена с устройством для отделения кислорода от паров воды и щелочи и системой подачи воды. На поверхность анода и внутреннюю поверхность катода ячеек нанесены катализаторы. В качестве материала катода ячеек использован пористый гидрофобизированный никель. Анод может быть выполнен из никелевой сетки.
Недостатком электролизера данной конструкции является то, что:
- в конструкции электролизера используется несколько электролизных элементов, что создает необходимость последовательной герметизации газовых полостей электролизной установки;
- наличие в контуре анода теплообменника;
- необходимость использования устройства для отделения газов от паров воды и щелочи;
- наличие насоса для циркуляции электролита в анодной полости.
Задачами предлагаемой конструкции электролизера для получения водорода и кислорода из воды являются минимизация энергетических затрат на собственные нужды и, как следствие, повышение КПД предлагаемого электролизера, повышение надежности работы электролизера и чистоты вырабатываемых газов.
Поставленные задачи решаются за счет того, что в предлагаемом электролизере для получения кислорода и водорода, состоящем из корпуса с размещенными в нем катодом в виде полого цилиндра из пористого гидрофобизированного материала и анодом в виде трубы, вплотную размещенным между ними сепаратором из газозапорной мембраны, с образованием катодной газовой полости между внешней стенкой катода и внутренней стенкой корпуса, анодной полости внутри анода, с нанесенными на поверхность анода и поверхность катода катализаторами, согласно предлагаемому техническому решению анод выполнен из перфорированного металлического листа с присоединенной по всей наружной поверхности трубы металлической сеткой с нанесенным на нее катализатором, катод изготовлен из пористого гидрофобизированного материала с нанесенным на его наружную поверхность со стороны водородной полости катализатором, а с внутренней стороны с присоединенной к нему сеткой с нанесенным на нее катализатором, сепаратор состоит из газозапорной мембраны из пористого гидрофильного материала, окруженного с обеих сторон одним или несколькими слоями сепарационного материала, герметизация полости водорода относительно полости кислорода осуществляется при сборке электролизера как за счет фланцев, выполненных из электроизоляционного материала и имеющих кольцевые канавки с прокладками для создания уплотнения по торцам катода в местах соприкосновения с фланцами, так и за счет обжатия (уплотнения) при сборке электролизера верхнего и нижнего концов сепаратора, выступающих за пределы анода и сеток, присоединенных к катоду и аноду, между концевыми конусообразными поверхностями соответствующих фланцев и соответствующими концевыми конусообразными поверхностями катода.
Конструкция предлагаемого электролизера для получения водорода и кислорода из воды характеризуется фиг. 1 - общий вид электролизера в разрезе, фиг. 2 - увеличенный вид в разрезе кислородной, водородной полостей и корпуса электролизера (вид А), фиг. 3 - увеличенный вид элемента уплотнения между кислородной и водородной полостями (вид Б).
Электролизер для получения водорода и кислорода из воды предлагаемой конструкции, показанный на фиг. 1, состоит из корпуса (1), например цилиндрического, внутри которого находятся полости водорода (2) и кислорода (3). Полость водорода (2) организована между внутренней стенкой корпуса (1) и внешней стенкой катода (4).
Катод (4) представляет собой полый цилиндр из пористого гидрофобизированного материала, например пористого спеченного никеля, с нанесенным на его поверхность с внешней стороны (со стороны водородной полости) катализатором, а к внутренней стороне цилиндра присоединена, например припечена, сетка, например никелевая, с нанесенным на сетку катализатором.
Кислородная полость (3) образована внутри анода (5), выполненного в виде перфорированной металлической трубы, например, в виде цилиндра с присоединенной, например припеченной, к ней с наружной стороны сеткой, например никелевой, с нанесенным на нее катализатором.
По всей площади внутренней поверхности катода (4) и внешней поверхности анода (5), между ними и вплотную к ним, размещен сепаратор (6), состоящий из газозапорной мембраны из пористого гидрофильного материала и прилегающего к газозапорной мембране с двух сторон сепарационного материала, например, в виде одного или более слоев пленки из полимерного микропористого материала.
Внизу корпуса (1) предлагаемого электролизера расположен нижний изоляционный фланец (7) со штуцером подвода водного раствора электролита (8). Штуцер отвода электролита (9), попавшего в водородную полость, и образовавшейся воды находится внизу водородной полости электролизера. Для герметизации изоляционного фланца (7) используются уплотняющие прокладки (10), например кольцевые. Для герметизации штуцера подвода водного раствора электролита (8) используются уплотняющие прокладки (11), например кольцевые.
Сбоку на корпусе (1) электролизера находится штуцер для отвода водорода (12), произведенного в результате работы электролизера, уплотнение которого осуществляется с помощью уплотняющих прокладок (13), например кольцевых.
Кроме этого, например, с боку предлагаемый электролизер имеет токоввод «минус» (14), контактирующий со стенкой катода (4) при помощи токоподводящей пластины (15), например никелевой, которая приварена к катоду. Токоввод «минус» изолирован от корпуса (1) электролизера с помощью втулок (16) из электроизоляционного материала и уплотняющих прокладок (17), например кольцевых.
В верхней части электролизера находится верхний изоляционный фланец (18), уплотненный относительно находящегося поверх него металлического фланца (19) с помощью уплотняющих прокладок (20), например кольцевых. В свою очередь металлический фланец (19) уплотнен относительно внутренней стенки корпуса (1) электролизера при помощи прокладок (21), например кольцевых, и накидной гайки (22).
В верхнем изоляционном фланце (18) расположены штуцер (23) для циркуляции электролита и отвода кислорода, получившегося в результате работы электролизера, который уплотнен с помощью уплотняющих прокладок (24), например кольцевых. Кроме того, в нем расположен токоввод «плюс» (25), контактирующий со стенкой анода с помощью токоподводящей пластины (26), уплотнение которого осуществляется с помощью прокладок (27), например кольцевых.
На виде А (фиг. 2) показан в увеличенном виде фрагмент разреза кислородной, водородной полостей, находящегося между ними сепаратора и корпуса электролизера.
Полость водорода (2) находится между внутренней поверхностью (28) корпуса (1) и внешней стенкой катода (4). Катод (4) состоит из пористого полого цилиндра (29) из гидрофобизированного материала, нанесенного на пористый полый цилиндр (29) со стороны водородной полости слоя катализатора (30) и присоединенной с противоположной поверхности пористого полого цилиндра (29) сетки (31) с нанесенным на нее катализатором.
Кислородная полость (3) образована внутри анода (5), выполненного в виде перфорированной металлической трубы с присоединенной к ее наружной поверхности сеткой с катализатором (32).
Между катодом (4) и анодом (5) по всей площади их поверхностей вплотную к ним размещен сепаратор (6), состоящий из газозапорной мембраны из пористого гидрофильного материала (33) и прилегающего к газозапорной мембране с двух сторон сепарационного материала (34), например, в виде одного или нескольких слоев пленки из полимерного микропористого материала.
На фиг. 3 изображен увеличенный фрагмент уплотнения между водородной полостью (2) и кислородной полостью (3) в предлагаемом электролизере (вид Б).
Уплотнение между водородной (2) и кислородной (3) полостями предлагаемого электролизера, исключающее перетечку кислорода из кислородной полости в водородную полость и наоборот организовано следующим образом.
Нижний изоляционный фланец (7) имеет кольцевую канавку (35), в которой при сборке электролизера размещается кольцевая уплотнительная прокладка (36). Внешняя поверхность (37) на конце нижнего изоляционного фланца (7) выполнена конусообразной, например, под углом от 5° до 20°. Внутренняя поверхность (38) на конце катода (4) выполнена также конусообразной, например, под углом от 5° до 20°. Сепаратор (6) имеет такую длину, что его концы вверху и внизу выступают за пределы анода (5) и сеток (31 и 32).
Герметизация водородной полости относительно кислородной полости в предлагаемой конструкции электролизера при его сборке, например, в нижней части электролизера осуществляется следующим образом:
- во-первых, за счет обжатия нижнего конца (39) сепаратора (6) в зазоре между внешней конусообразной поверхностью (37) нижнего изоляционного фланца (7) и соответствующей внутренней конусообразной поверхностью (38) нижней части катода (4), так как при сборке электролизера нижний конец сепаратора расположен в зазоре между ними и при сборке электролизера сжимается между ними.
- во-вторых, по торцу катода (4) за счет сжатия им при сборке электролизера прокладки (36), находящейся в кольцевой канавке (35) нижнего изоляционного фланца (7).
Аналогично герметизация водородной полости электролизера относительно кислородной полости организована и в верхней части электролизера между верхним изоляционным фланцем (18), верхним концом сепаратора (6) и верхней частью катода (4).
Пример конкретного применения.
Электролизер для получения водорода и кислорода из воды предлагаемой конструкции состоял из металлического корпуса (1) из нержавеющей стали 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72) [5]; катода (4) в виде полого цилиндра из спеченного пористого никеля марки НП2 (ГОСТ 492-73) [6] гидрофобизированного [7] фторопластом марки Ф-4Д (ТУ 6-05-1246-81), на наружную сторону которого нанесен платинородиевый катализатор (30), а к его внутренней стенке припечена сетка (31) из никеля марки НП2 с нанесенным на нее платинородиевым катализатором; анода (5), выполненного из перфорированного никелевого листа, марка материала листа НП2 в виде цилиндра с припеченной к нему сеткой (32) из никеля марки НП2 с нанесенным на нее платинородиевым катализатором; сепаратора (6), состоящего из газозапорной мембраны (33) из пористого гидрофильного материала, а именно асбеста (еК0.023.709 ТУ) [8], и прилегающего к газозапорной мембране (33) с двух сторон сепарационного материала (34), уложенного в два слоя из пленки полипропиленовой микропористой ПОРП-А1-22-114 (ТУ 6-00001-94) [9].
Нижний (7) и верхний (18) изоляционные фланцы выполнены из фторопласта марки 4-С (ГОСТ 10007-80) [10]. Уплотнительные прокладки в виде колец выполнены из смеси резиновой РП-2043 (ТУ 38.005924-2002) [11].
Внешняя поверхность (37) на конце нижнего изоляционного фланца (7) была выполнена конусообразной под углом 10°, аналогично была выполнена внешняя поверхность на конце верхнего изоляционного фланца (18). Внутренняя поверхность (38) на обоих концах катода (4) выполнена также конусообразной под углом от 10°. Изоляция водородной полости (2) от кислородной полости (3) осуществлялась при сборке электролизера описанным выше способом.
Работа предлагаемого электролизера для получения водорода и кислорода из воды осуществляется следующим образом.
На электролизер подается напряжение 2,4 В, при этом сила постоянного тока составляет ≈38 А.
Электролит, водный семи нормальный раствор КОН поступает снизу, через штуцер подвода водного раствора электролита (8) в кислородную (анодную) полость (3) и заполняет ее полностью. При подаче напряжения на токовводы «минус» (14) и «плюс» (25) происходит электролиз воды, находящейся в электролите. В кислородной полости (3) на аноде (5) выделяется кислород, а на внутренней стороне катода (4) - водород, который, проходя через пористый гидрофобизированный полый цилиндр (29) катода (4), попадает в водородную полость (2) и удаляется из нее через штуцер для отвода водорода (12). Поскольку катод (4) гидрофобизирован щелочь практически не проходит в водородную полость. Электролит, который может иногда просачиваться в полость водорода (2) через гидрофобизированный полый пористый цилиндр (29) катода (4), удаляется из нее через штуцер отвода электролита (9).
Выделившийся на аноде кислород через штуцер для циркуляции электролита и отвода кислорода (23) удаляется из электролизера.
Сепаратор (6) обладает газозапорными свойствами, т.е. в замоченном состоянии он не пропускает сквозь себя газы. Газозапорные свойства сепаратора таковы, что он непроходим для газов при давлении до 0,4 МПа и благодаря этим свойствам получающийся кислород не проникает сквозь него в полость водорода (2).
С целью обеспечения безопасности работы электролизера и получения более чистого водорода катод (4) с наружной стороны покрыт катализатором, на котором, в случае проникновения ничтожного количества кислорода через катод, он вступает в реакцию с водородом на поверхности катализатора, образовавшееся при этом вода вместе с избытками щелочи удаляется через штуцер отвода электролита (9).
Использование в предлагаемой конструкции электролизера анода (5), выполненного из листа металла с перфорацией по всей его площади и свернутого в цилиндр при сборке электролизера, позволяет за счет упругих свойств материала цилиндра плотно соединить (прижать) между собой катод (4), сепаратор (6) и анод (5) для снижения омических потерь, что приводит к увеличению КПД электролизера.
В результате работы электролизера предлагаемой конструкции был получен водород с чистотой выше 99,99%.
Использование предлагаемого технического решения позволяет:
- минимизировать энергетические затраты на работу электролизера и, как следствие, повысить КПД установки;
- способ изготовления анода и катода, а также способ их герметизации позволяет получать рабочие газы повышенного давления без применения устройств сжатия газа;
- максимально поднять КПД электролизного элемента за счет изменения конструкции анода и катода.
- повысить безопасность за счет использования сепарационных материалов и применения катализатора на наружной поверхности катода;
- повысить чистоту выделяемых газов.
Источники информации
1. Патент США на изобретение №7510633.
2. Патент РФ на изобретение №2400566 «Электролизер».
3. Патент РФ на изобретение №2441944 «Электролизер».
4. Патент РФ на изобретение №2501890 «Электролизер для получения водорода и кислорода из воды».
5. ГОСТ 5632-72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные».
6. ГОСТ 492-73 «Никель, сплавы никелевые и медно-никелевые, обрабатываемые давлением».
7. ТУ 6-05-1246-81 «Суспензии фторопластовые Ф-4Д, Ф-4ДВ».
8. еК0.023.709 ТУ «Волокно асбестовое».
9. ТУ 6-00001-94.
10. ГОСТ 10007-80 «Фторопласт-4. Технические условия».
11. ТУ 38.005924-2002 «Смеси резиновые специальные».