ГАЗОПРОНИЦАЕМЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЯЧЕЙКИ
GAS-PERMEABLE ELECTRODES AND ELECTROCHEMICAL CELLS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ДАННОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение в основном относится электрохимическим устройствам или ячейкам, электродам, способам их изготовления и/или способам осуществления электрохимических или электролитических реакций или процессов. В конкретных аспектах данное изобретение относится к устройствам, ячейкам, электродам и/или способам для осуществления преобразований газа в жидкость или жидкости в газ и, например, к ячейкам или электродам для электролиза воды, которые успешно выполняют разложение воды. В других примерах данное изобретение относится к способам изготовления электродов и/или электрохимических устройств или ячеек, включающих данные электроды.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
+
Электролитическое разложение воды на газообразный водород и газообразный кислород обычно выполняют посредством приложения тока к двум, близко расположенным электродам, обычно изготовленным из платины, каждый из которых находится в контакте с промежуточным водным раствором. На одном электроде аноде, вода обычно окисляется в соответствии с полуреакцией, представленной уравнением (1). На другом электроде катоде, протоны (H) обычно восстанавливаются в соответствии с полуреакцией, представленной уравнением (2). Общая реакция на двух электродах представлена уравнением (3):
2H<sub>2</sub>O→O<sub>2</sub>+4H<sup>+</sup>+4e<sup>-</sup>
(анод)
(1)
4e<sup>-</sup>+4 H<sup>+</sup>→2 H<sub>2</sub>
(катод)
(2)
2H<sub>2</sub>O→O<sub>2</sub>+2H<sub>2</sub>
(общая реакция)
(3)
Многочисленные устройства для разложения воды электролитическим образом, известные как электролизеры для разложения воды, являются коммерчески доступными. Обычной проблемой с коммерчески доступными электролизерами для разложения воды является то, что они, как правило, являются неэффективными в отношении их способности к преобразованию электрической энергии в энергию, содержащуюся в водороде, который они генерируют. А именно, они проявляют низкий энергетический КПД при преобразовании воды в водород. Водород является, несомненно, топливом, которое может в будущем заменить ископаемые топлива, такие как бензин и дизельное топливо. Кроме того, он является потенциально незагрязняющим топливом, поскольку единственным продуктом сжигания водорода является вода.
Один килограмм водорода содержит в себе эквивалент 39 кВт·ч электрической энергии (в соответствии с его величиной высшей теплоты сгорания, или ВТС (HHV)). Однако коммерческие электролизеры обычно требуют существенно больше электрической энергии, чем 39 кВт·ч, чтобы образовать 1 кг водорода. Например, электролизер Stuart IMET 1000 требует, в среднем, 53,4 кВт·ч электрической энергии, чтобы образовать 1 кг водорода, предоставляя, тем самым, общий энергетический КПД для преобразования воды в водород (в расчете на ВТС) 73%. То есть примерно четверть электрической энергии, подаваемой в электролизер, теряется (большей частью в виде тепла) и не используется для производства водорода.
Сходным образом электролизер Teledyne EC-750 требует 62,3 кВт·ч электрической энергии для производства 1 кг водорода (энергетический КПД 63%, в расчете на ВТС). Электролизер Proton Hogen 380 требует 70,1 кВт·ч/кг водорода (энергетический КПД 56%, в расчете на ВТС), в то время как атмосферный электролизер Norsk Hydro тип № 5040 (5150 А постоянного тока) требует 53,5 кВт·ч/кг образованного водорода (энергетический КПД 73%, в расчете на ВТС). AvalenceHydrofiller 175 требует 60,5 кВт·ч электрической энергии, чтобы образовать 1 кг водорода (энергетический КПД 64%, в расчете на ВТС).
Таким образом, суммируя приведенное выше, современные коммерчески доступные электролизеры для разложения воды являются сравнительно неэкономичными в отношении электрической энергии при производстве ими водорода. Эта неэффективность в значительной степени ставила в невыгодное положение водород в качестве, например, потенциального моторного топлива для экономики будущего.
Например, в период президентства Джорджа У. Буша, США рассматривали водород как являющийся стратегически важным в качестве альтернативного моторного топлива. Однако с того времени, в период президентства Обамы, было признано, что электрические батареи могут предоставлять более высокий общий КПД для преобразования электрической энергии энергосистемы в механическую тягу автомобиля по сравнению с тем, что достигается современными коммерческими электролизерами для разложения воды совместно с применением высокоэффективных топливных элементов (питаемых водородом). США изменила, соответственно, свое стратегическое направление от автомобилей с питанием от водородных элементов на автомобили с электроприводом в период 2009-2012. Министерство энергетики США, тем не менее, имеет, в качестве одной из его стратегических целей, разработку электролизеров для разложения воды, общий энергетический КПД которых достигает 90%, в расчете на ВТС.
2
Ключевой проблемой современных коммерческих электролизеров для разложения воды является то, что они подвержены электрическим потерям, вызываемых их функционированием при экстремально высоких плотностях электрического тока (типично 1000-8000 мА/см). Это является неизбежным в промышленном масштабе, поскольку единственным путем достижения низкой стоимости производства водорода является минимизация количества материалов, требующихся в электролизере на килограмм образуемого водорода. Многие из материалов, используемых в коммерческих электролизерах, являются чрезвычайно дорогими, например, катализаторы из благородного металла, используемые на аноде/катоде, и протонообменная мембрана/диафрагма, используемая для разделения газов. Единственным путем достижения низкой полной цены для произведенного водорода является, поэтому, образование наибольшего приемлемого количества водорода на единицу площади по отношению к стоимости изготовления электролизера. Другими словами, требуется высокая плотность тока, чтобы снизить капитальные затраты электролизера на килограмм произведенного водорода. Министерство энергетики США имеет в качестве других своих стратегических целей разработку электролизеров для разложения воды, которые минимизируют количество катализаторов из благородного металла и других требующихся дорогих компонентов и тем самым уменьшают капитальные затраты.
При таких высоких плотностях тока потери энергии, которые имеют место в процессе разложения воды, являются большими. Эти потери энергии включают омические потери на электродах и в электролите, а также так называемые потери при перенапряжении, которые происходят, когда более высокое напряжение, чем то, что требуется теоретически, должно быть приложено для запуска процесса разложения воды. Эти потери объединяются, создавая низкие величины энергетического КПД, проявляемые коммерчески доступными электролизерами для разложения воды.
В более ранней международной заявке на патент № PCT/AU2011/001603 данного заявителя, заявителем описана ячейка для разложения воды, в которой использованы разделители, делающие возможным изготовление ячейки из недорогих и тонких материалов. Ключевое преимущество использования недорогих технологий производства для изготовления ячеек для разложения воды заключается в том, что оно делает коммерчески целесообразным конструктивное исполнение ячеек с большими площадями поверхности и эксплуатирование их при низких плотностях тока. Таким образом, могут быть реализованы гораздо более высокие величины общего энергетического КПД могут быть реализованы, чем те, что возможны в современных коммерческих электролизерах для разложения воды. Традиционные подходы к изготовлению электролизеров для разложения воды включают высокие капитальные затраты, которые препятствуют дополнительным капитальным вложениям, включаемым в изготовление электродов с большими площадями поверхности, требующимися при низких плотностях тока.
Функционирование при низких плотностях тока улучшает способность к производству водорода при очень высоких величинах КПД. В таких устройствах важно минимизировать потери энергии таким образом, чтобы величины эксплуатационной эффективности и уменьшенные производственные затраты компенсировали увеличение площади поверхности электрода.
2
Важной потерей энергии является так называемое «перенапряжение вследствие выделения пузырьков газа», которое имеет место на обоих электродах во время формирования пузырьков газообразного водорода (катод) и кислорода (анод). Например, требующиеся концентрации пузырьков O не только создают перенапряжение на аноде, но также означают очень активную окружающую среду, которая влияет на долговременную стабильность многих катализаторов.
Низкие плотности тока обычно соответствуют высоким величинам энергетического КПД, поскольку они минимизируют происходящие потери, включая омические потери и т.п., во время реакции разложения воды. Однако в настоящее время коммерчески нецелесообразно использовать низкие плотности тока в современных коммерческих электролизерах для разложения воды вследствие высокой стоимости материалов, используемых в таких устройствах.
Подводя итог вышесказанному, в настоящее время существует настоятельная потребность в улучшении технологического уровня электролизера для разложения воды, чтобы достигнуть более высокого энергетического КПД в расчете на ВТС и более низкой общей стоимости водорода, произведенного электролитическим разложением воды. В отношении одной из типичных проблем, уменьшение или устранение основной потери энергии - перенапряжения вследствие выделения пузырьков газа - могло бы уменьшить потери энергии и улучшить общий энергетический КПД разложения воды.
Многочисленные другие электрохимические преобразования жидкости в газ имеют проблемы, сходные с теми, что описаны выше для электролиза воды, а именно, высокую стоимость материалов, которая вынуждает использовать высокие плотности тока в устройстве или ячейке, при сопутствующих низких величинах общего энергетического КПД. Например, электрохимическое производство хлора из рассола (водного раствора хлорида натрия) является чрезвычайно неэкономичным в отношении энергии. То же самое справедливо для различных электрохимических преобразований газа в жидкость. Например, водород-кислородные топливные ячейки имеют обычно энергетический КПД 40-70% по тем же самым причинам, что описаны выше.
Имеет место потребность в электрохимических устройствах или ячейках, электродах, способах их изготовления и/или способах проведения электрохимических или электролитических реакций или процессов, которые направлены на устранение или, по меньшей мере, смягчение одной или нескольких проблем, присущих известному уровню техники, например, предоставление возможности достижения более высоких величин энергетического КПД.
Ссылка в этом описании на любую публикацию (или производную от них информацию) или на любой материал, который известен, не является и не должна рассматриваться как подтверждение или допущение или предположение в любой форме, что более ранняя публикация (или производная от нее информация) или известный материал образует часть известных знаний в области деятельности, к которой относится это описание.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Это описание сущности изобретения предоставлено для ознакомления с выборкой концепций изобретения в упрощенной форме, которые дополнительно описаны ниже в Примерах. Это описание сущности изобретения не предназначено для идентификации ключевых признаков или основных признаков заявленного предмета, а также не предназначено быть использованным для ограничения объема заявленного предмета.
Будет удобно описывать варианты осуществления данного изобретения по отношению к электрохимическим устройствам или ячейкам, электродам или способам разложения воды, однако следует понимать, что данное изобретение может быть применено к другим видам электрохимических реакций жидкости в газ или газа в жидкость.
В одном варианте предоставлен электрод для устройства для разложения воды, содержащий газопроницаемый материал. Также второй материал включен в электрод или используется в качестве части сопряженного электрода или анода/катода, например, расположенной рядом с электродом. Разделительный слой расположен между газопроницаемым материалом и вторым материалом, данный разделительный слой предоставляет газосборный слой, например, внутри электрода, между парой анод-катод, парой анод-анод или парой катод-катод. Проводящий слой также предоставлен в качестве части электрода. Второй материал может быть частью электрода, или сопряженного или соседнего электрода, катода или анода, и в одном варианте он может также являться газопроницаемым материалом.
Ссылку на газопроницаемый материал следует понимать как общую ссылку, также включающую любую форму или вид газопроницаемой среды, изделия, слоя, мембраны, барьера, матрицы, элемента или структуры, или их комбинации.
Ссылку на газопроницаемый материал следует также понимать как включающую то смысловое содержание, что, по меньшей мере, часть материала является в достаточной мере пористой или проницаемой, чтобы сделать возможным перемещение, перенос, проникновение или прохождение одного или нескольких газов через или поперек, по меньшей мере, части газопроницаемого материала. Газопроницаемый материал может также называться «воздухопроницаемым» материалом.
В различных примерах: проводящий слой предоставлен рядом с газопроницаемым материалом или, по меньшей мере, частично внутри него; проводящий слой связан с газопроницаемым материалом; проводящий слой нанесен на газопроницаемый материал; газопроницаемый материал нанесен на проводящий слой; и/или газосборный слой способен к перемещению газа внутри в электроде. В другом примере газопроницаемый материал является газопроницаемой мембраной. В другом примере второй материал является другой или дополнительной газопроницаемой мембраной.
Предпочтительно, газосборный слой способен к перемещению газа внутри в электроде, по меньшей мере, к одной зоне выпуска газа, расположенной на краю или конце электрода или вблизи них.
В различных других типичных аспектах: газопроницаемый материал и второй материал являются отдельными слоями электрода; второй материал являются частью соседнего анода или катода; второй материал является газопроницаемым материалом; и/или второй материал является газопроницаемым материалом, и второй проводящий слой предоставлен рядом со вторым материалом или, по меньшей мере, частично внутри него. Таким образом, в одном из примеров разделительный слой, предоставляющий газосборный слой, предоставлен между газопроницаемым слоем и вторым слоем, являющимся дополнительным газопроницаемым слоем электрода. В другом примере второй материал является газопроницаемым материалом, и второй проводящий слой связан со вторым материалом, расположен рядом с ним, или нанесен на второй материал.
В еще одних типичных аспектах: электрод сформирован из гибких слоев; электрод, по меньшей мере, частично намотан в виде спирали; и/или проводящий слой включает один или несколько катализаторов.
В типичном аспекте, разделительный слой расположен рядом с внутренней стороной газопроницаемого материала, и проводящий слой расположен рядом с внешней стороной газопроницаемого материала, на ней или частично внутри внешней стороны.
Необязательно, газопроницаемый материал изготовлен по меньшей мере частично или полностью из полимерного материала, например, политетрафторэтилена (ПТФЭ), полиэтилена или полипропилена.
В других типичных аспектах: по меньшей мере, часть проводящего слоя расположена между одним или несколькими катализаторами и газопроницаемым материалом; разделительный слой находится в форме разделителя с газовыми каналами; и/или разделительный слой включает рельефные структуры на внутренней поверхности газопроницаемого материала и/или второго материала.
В другом варианте предоставлен электрод для устройства для разложения воды, содержащий: первый газопроницаемый материал; второй газопроницаемый материал; разделительный слой, расположенный между первым газопроницаемым материалом и вторым газопроницаемым материалом, данный разделительный слой предоставляет газосборный слой; первый проводящий слой, связанный с первым газопроницаемым материалом; и второй проводящий слой, связанный со вторым газопроницаемым материалом.
В различных примерах: первый проводящий слой предоставлен рядом с первым газопроницаемым материалом или, по меньшей мере, частично внутри него; второй проводящий слой предоставлен рядом со вторым газопроницаемым материалом или, по меньшей мере, частично внутри него; электрод сформирован из гибких слоев, намотанных в виде спирали; электрод сформирован из плоских слоев; первый проводящий слой включает катализатор; и/или второй проводящий слой включает другой катализатор.
В другом варианте предоставлено устройство для разложения воды, содержащее: электролит; по меньшей мере один электрод, включающий: газопроницаемый материал; второй материал; разделительный слой, расположенный между газопроницаемым материалом и вторым материалом, данный разделительный слой предоставляет газосборный слой; и проводящий слой.
В другом варианте предоставлено устройство для разложения воды, содержащее: по меньшей мере один катод, включающий: первый газопроницаемый материал и первый проводящий слой, связанный с первым газопроницаемым материалом; второй газопроницаемый материал и второй проводящий слой, связанный со вторым газопроницаемым материалом; разделительный слой, расположенный между первым газопроницаемым материалом и вторым газопроницаемым материалом, данный разделительный слой предоставляет газосборный слой; и, по меньшей мере, один анод, включающий: третий газопроницаемый материал и третий проводящий слой, связанный с третьим газопроницаемым материалом; четвертый газопроницаемый материал и четвертый проводящий слой, связанный с четвертым газопроницаемым материалом; дополнительный разделительный слой, расположенный между третьим газопроницаемым материалом и четвертым газопроницаемым материалом, данный дополнительный разделительный слой предоставляет газосборный слой; где, по меньшей мере, один катод и, по меньшей мере, один анод находятся, по меньшей мере, частично внутри электролита при функционировании.
В одном из примеров, по меньшей мере, один электрод является газопроницаемым электродом, содержащим два газопроницаемых материала, имеющим разделительный слой, расположенный между данными материалами и рядом с внутренней стороной каждого материала, и где каждый материал включает проводящий слой на внешней стороне каждого материала. В другом примере предоставлено несколько катодов и анодов, перемежающихся с водопроницаемыми разделителями, определяющими электролитные слои. В типичном аспекте электролит соединен с возможностью протекания текучей среды с впускным отверстием для электролита и выпускным отверстием для электролита, и газосборный слой соединен с возможностью протекания газа с отверстием для выпуска газа.
2
2
2
В различных других примерах предоставлены способы обработки воды, выполняемой при приложении тока низкой плотности к устройству для разложения воды, включающие: производство газообразного водорода и отбор газообразного водорода через газосборный слой; и/или приложение давления к электролиту. В других примерах, низкая плотность тока составляет менее чем 1000 мА/см; низкая плотность тока составляет менее чем 100 мА/см; низкая плотность тока составляет менее чем 20 мА/см; газообразный водород производится при энергетическом КПД 75%, в расчете на ВТС, или более; и/или газообразный водород производится при энергетическом КПД 85%, в расчете на ВТС, или более.
В одном варианте предоставлен газопроницаемый электрод для устройства для разложения воды, содержащий, по меньшей мере, один газопроницаемый материал и разделительный слой, расположенный напротив, рядом или образующий часть внутренней стороны материала и между материалом и другим слоем, указанный разделительный слой определяет газосборный слой, и в котором материал включает проводящий слой. Необязательно, проводящий слой включает или связан с одним или несколькими катализаторами, и при этом проводящий слой расположен на внешней стороне материала.
В другом варианте предоставлена сборка газопроницаемых электродов для устройства для разложения воды, содержащая два газопроницаемых материала, имеющая разделительный слой, расположенный между материалами и напротив, рядом или образующий часть внутренней стороны каждого материала, указанный разделительный слой определяет газосборный слой, и в которой каждый материал включает проводящий слой. Необязательно, один или оба из проводящих слоев включают один или несколько катализаторов, и при этом проводящий слой расположен на внешней стороне каждого материала.
В одном типичном варианте осуществления газопроницаемый материал включает политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиэтилен или полипропилен или их комбинации. В другом типичном варианте осуществления, по меньшей мере, часть проводящего слоя расположена между катализатором и материалом. Предпочтительно, газопроницаемый материал является газопроницаемым и непроницаемым для электролита. В другом типичном варианте осуществления предоставлен газопроницаемый электрод, в котором разделительный слой находится в форме разделителя с газовыми каналами, или рельефные структуры расположены, присоединены, включены или размещены на, вблизи или, по меньшей мере, частично внутри внутренней стороны, по меньшей мере, одного из газопроницаемых материалов.
В другом типичном варианте газопроницаемые электроды могут перемежаться с водопроницаемыми разделителями, чтобы образовывать многослойную ячейку для разложения воды. Преимущество этих электродов заключается в том, что в этом случае газосборный слой размещен между двумя газопроницаемыми электродами и может предоставляться недорогой путь изготовления многослойной ячейки для разложения воды.
В другом типичном варианте осуществления предоставлено устройство для разложения воды, содержащее, по меньшей мере, один катод и, по меньшей мере, один анод, в котором, по меньшей мере, один из, по меньшей мере, одного катода и, по меньшей мере одного, анода является сборкой газопроницаемых электродов, содержащей два газопроницаемых материала, имеющей разделительный слой, расположенный между материалами или в качестве их промежуточного слоя и напротив, рядом, или по меньшей мере частично внутри внутренней стороны каждого материала, указанный разделительный слой определяет газосборный слой, и в котором каждый материал включает проводящий слой или связан с ним. Необязательно, проводящий слой включает один или несколько катализаторов, и при этом проводящий слой расположен на внешней стороне каждого материала.
В другом типичном варианте осуществления предоставлено устройство для разложения воды, содержащее несколько катодов и анодов, перемежающихся с водопроницаемыми разделителями, определяющими электролитные слои, в котором катоды и аноды находятся в форме сборки газопроницаемых электродов, содержащей два газопроницаемых материала, имеющей разделительный слой, расположенный между материалами или в качестве их промежуточного слоя и напротив или, по меньшей мере, частично внутри внутренней стороны каждого материала, указанный разделительный слой определяет газосборный слой, и в котором каждый материал включает проводящий слой. Необязательно, проводящий слой включает один или несколько катализаторов, и при этом проводящий слой расположен на внешней стороне каждого материала.
В других типичных вариантах, устройства для разложения воды могут быть скомпонованы в виде модульных устройств, в которых установочная площадь и инфраструктура для обработки газов могут быть уменьшены. В одном типичном варианте осуществления предоставлено устройство для разложения воды, содержащее многослойную ячейку со спиральной намоткой для разложения воды. В еще одном примере ячейка для разложения воды включает несколько катодов и анодов, перемежающихся с водопроницаемыми разделителями, определяющими электролитные слои, и в которой катоды и аноды находятся в форме сборок газопроницаемых электродов, содержащих два газопроницаемых материала, имеющих разделительный слой, расположенный между материалами или в качестве их промежуточного слоя и напротив или, по меньшей мере, частично внутри внутренней стороны каждого материала, указанный разделительный слой определяет газосборный слой, и при этом каждый материал включает проводящий слой, который включает по меньшей мере один катализатор, и при этом проводящий слой расположен на внешней стороне каждого материала, указанный электролит соединен с возможностью протекания текучей среды с впускным отверстием для электролита и выпускным отверстием для электролита, указанный газосборный слой между анодами соединен с возможностью протекания текучей среды с выпускным отверстием для кислорода, и указанный газосборный слой между катодами соединен с возможностью протекания текучей среды с выпускным отверстием для водорода. Устройство со спиральной намоткой для разложения воды является практическим примером пути уменьшения установочной площади и инфраструктуры для обработки газов. Устройства со спиральной намоткой предоставляют возможность электролиту проходить через электролитные слои вдоль устройства для разложения воды. Газы могут быть извлечены в боковом направлении, например, кислород в одном направлении к каналу для отбора и водород в другом направлении к другому каналу для отбора.
Типичное устройство со спиральной намоткой для разложения воды делает возможным изготовление ячейки из недорогих и тонких материалов. Ключевое преимущество использования недорогих технологий производства для изготовления ячеек для разложения воды заключается в том, что оно делает коммерчески целесообразным конструктивное исполнение ячеек с большими площадями поверхности и эксплуатирование их при низких плотностях тока. Эти типичные ячейки для разложения воды являются гибкими и могут быть скомпонованы в виде устройства со спиральной намоткой для разложения воды.
В соответствии с другими типичными вариантами, для того, чтобы образовать устройства со спиральной намоткой для разложения воды, многослойная сборка материалов в виде плоского листа может быть свернута в виде сборки со спиральной намоткой. Сборка со спиральной намоткой может быть затем заключена в оболочку, которая поддерживает элемент со спиральной намоткой на месте внутри модуля, при предоставлении возможности прохождения воды через модуль. Трубы для отбора могут быть расположены, чтобы отводить соответствующие газы, водород и кислород, из устройства для разложения воды. Соответственно, трубы для отбора могут быть присоединены к устройству для разложения воды с заданными каналами для отбора, открытыми в трубу для отбора соответствующего газа. Например, все каналы для газообразного водорода могут быть открыты в соответствующем месте расположения и соединены с трубой для отбора газообразного водорода. В этом месте расположения каналы для газообразного кислорода могут быть закрыты или герметизированы. В других местах расположения на ячейке для разложения воды каналы для газообразного кислорода могут быть открыты и соединены с трубой для отбора газообразного кислорода. В этом месте расположения каналы для газообразного водорода могут быть закрыты или герметизированы.
В другом типичном варианте осуществления предоставлено устройство для разложения воды, содержащее несколько катодов из полых волокон и несколько анодов из полых волокон, в котором указанные несколько катодов из полых волокон содержат газопроницаемый материал из полого волокна, имеющий проводящий слой, который может включать катализатор, и в котором указанные несколько анодов из полых волокон содержат газопроницаемый материал из полого волокна, имеющий проводящий слой, который может включать катализатор.
Одним из преимуществ, на достижение которых адресованы типичные варианты осуществления, является устранение необходимости в протонообменной мембране между электродами, как использовано в известных ячейках для разложения воды. Протонообменные мембраны обычно не требуются, когда используют газопроницаемые или воздухопроницаемые (предпочтительно «без образования газовых пузырьков» или «по существу без образования газовых пузырьков») электроды. Кроме того, протонообменные мембраны разбухают в водной среде и, в результате, затрудняют предоставление эффективности упаковки и модульных конструкций, желательных для изготовления ячеек для разложения воды, имеющих низкие капитальные затраты и низкие эксплуатационные расходы.
Авторы данного изобретения нашли, что ячейки для разложения воды делают возможным эффективное использование пространства между анодом и катодом. В одном из примеров ячейки для разложения воды делают возможным заполнение электролитом, по меньшей мере, 70% объема между анодом и катодом, при одновременном поддержании анода и катода на определенном расстоянии друг от друга. В дополнение к этому, ячейки для разложения воды могут делать возможным то, что неэлектролитный компонент (например, разделительный слой) в электролитной камере составляет менее чем 20% от общего сопротивления электролитной камеры. Ячейки для разложения воды могут также делать возможным диффузию как катионов, так и анионов через электролитную камеру без импеданса, который мог бы в противном случае иметь место при применении протонообменной мембраны/диафрагмы.
В одном типичном варианте осуществления разделительный слой или компонент внутри электролитной камеры может быть газопроницаемым. В дополнение к применению в ячейках для разложения воды, различные типичные варианты осуществления могут быть применимы для выполнения других преобразований газа в жидкость или жидкости в газ, таких как топливные ячейки или устройства для обработки воды. Различные типичные варианты направлены на настоятельную потребность в электрохимических ячейках, способных к выполнению преобразований газа в жидкость или жидкости в газ с высокими величинами энергетического КПД. Более конкретно, различные типичные варианты направлены на потребность в электролизере, способном к производству водорода из воды при высоком энергетическом КПД и низкой стоимости.
Авторы данного изобретения реализовали или осуществили один или несколько из представленных ниже типичных аспектов, признаков или преимуществ, предоставляя тем самым различные типичные варианты осуществления:
(1) при оптимальном изготовлении и осуществлении, газопроницаемые или воздухопроницаемые электродные структуры уменьшают общие потери энергии, возникающие в электролизере для разложения воды от перенапряжения вследствие выделения пузырьков газа. Результатом уменьшения или устранения перенапряжения вследствие выделения пузырьков газа является увеличение общего энергетического КПД процесса электролиза воды. Газопроницаемые или воздухопроницаемые электродные структуры могут быть сформированы из различных газопроницаемых материалов. В одном варианте газопроницаемые материалы могут быть пористыми, предоставляющие газам возможность перемещаться через материал посредством его пористой структуры. В другом варианте газопроницаемый материал может предоставлять газу возможность диффундировать через непористую структуру.
(2) дешевые катализаторы, содержащие широко распространенные в земной коре элементы, могут быть использованы, чтобы катализировать реакции разложения воды на аноде и катоде в газопроницаемых или воздухопроницаемых электродных структурах. Несмотря на то, что такие катализаторы часто непригодны для энергоэффективного функционирования при высоких плотностях тока, они способны к достижению чрезвычайно высоких величин энергетического КПД при более низких плотностях тока, чем те, что используются в настоящее время в коммерческих электролизерах для разложения воды. Некоторые катализаторы являются электропроводными, и в некоторых вариантах осуществления катализатор может быть использован для формирования проводящего слоя. Примером электропроводного материала, который подходит для применения в качестве катализатора, является никель.
(3) коммерчески доступные и дешевые материалы и структуры материалов могут быть выгодным с экономической точки зрения образом применены для изготовления газопроницаемых или воздухопроницаемых электродных структур, которые разлагают воду с высоким энергетическим КПД.
(4) конструкции реактора могут быть использованы для изготовления модульных, многослойных ячеек для электролиза воды, имеющих очень большие внутренние площади поверхности, однако сравнительно небольшие внешние установочные площади и низкие общие затраты. Эффект этой реализации состоит в том, чтобы сделать возможным изготовление недорогих, модульных ячеек для электролиза воды, имеющих большую внутреннюю площадь поверхности, однако небольшую внешнюю установочную площадь.
(5) доступность дешевых катализаторов и материалов, а также дешевые конфигурации реакторов с большими внутренними площадями поверхности делают возможным изготовление электролизера совершенно нового типа, который генерирует водород при низких затратах и высоком энергетическом КПД посредством функционирования при более низких плотностях тока, чем это было коммерчески целесообразно до настоящего времени.
В различных типичных вариантах, высокий энергетический КПД достигается посредством одного или нескольких из следующих факторов: (a) низкая плотность тока, которая минимизирует электрические потери, (b) дешевые катализаторы, например, широко распространенные в земной коре элементы, которые функционируют высокоэффективным образом при пониженных плотностях тока, и (c) применение газопроницаемого или воздухопроницаемого электрода или структур материала, которые уменьшают или устраняют перенапряжение вследствие выделения пузырьков газа на каждом электроде.
В различных типичных вариантах, низкие затраты достигаются посредством одной или нескольких характерных особенностей внутри электролизера: (i) дешевые материалы в качестве основы для газопроницаемых или воздухопроницаемых анодов и/или катодов, (ii) дешевые катализаторы, например, широко распространенные в земной коре элементы, в качестве катализаторов на аноде и катоде (вместо дорогих благородных металлов), и (iii) дешевые конструкции реактора, которые имеют сравнительно большие внутренние площади поверхности, однако сравнительно малые внешние установочные площади. Предпочтительно, комбинация этих факторов делает возможными сравнительно высокие общие скорости генерации газа, даже когда используются сравнительно небольшие плотности тока на единицу площади поверхности.
В других типичных вариантах, аноды и катоды могут содержать полые плоские листы или трубы, внешние поверхности которых являются пористыми и либо гидрофобными (в случае, когда используемая жидкость является гидрофильной - например, водой), либо гидрофильными (в случае, когда используемая жидкость является гидрофобной - например, петролейным эфиром), чтобы тем самым предоставить возможность газам, однако не жидкостям, или другим текучим средам электролита, проходить через них в связанные газовые каналы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Иллюстративные варианты осуществления будут теперь описаны исключительно в виде неограничивающих примеров и со ссылками на сопроводительные фигуры. Различные типичные варианты осуществления будут очевидны из представленного ниже описания, представленного в виде примера лишь, по меньшей мере, одного предпочтительного, однако неограничивающего варианта осуществления, описанного вместе с сопроводительными фигурами.
Фиг. 1 графически представляет эксплуатационные характеристики типичных электролизеров для разложения, содержащих на каждом аноде и катоде: (a) воздухопроницаемый электрод в виде плоского листа, покрытого Ni, в 1 M NaOH (без образования пузырьков или значительного образования пузырьков на электроде), или (b) воздухопроницаемые электроды в виде плоского листа, покрытого Pt, в 1 M сильной кислоте (без образования пузырьков или значительного образования пузырьков на электроде), по сравнению с (c) электролизером, содержащим известные электроды в виде сплошного плоского листа из Pt в 1 M сильной кислоте на аноде и катоде (с образованием пузырьков).
Фиг. 2 графически представляет эксплуатационные качества типичных электролизеров для разложения, содержащих на каждом аноде и катоде: (a) воздухопроницаемые электроды из полых волокон, покрытых Pt, (герметизированных в нижней части и открытых на верхнем конце) в 1 M сильной кислоте (без образования пузырьков или значительного образования пузырьков на электроде), по сравнению с (b) электролизером, содержащим известные электроды в виде проволоки из сплошной Pt в 1 M сильной кислоте на аноде и катоде (с образованием пузырьков).
Фиг. 3 изображает: (a) перспективный вид типичной ячейки, используемой для выполнения измерений, представленных на Фиг. 1; (b) схематический вид поперечного сечения структуры типичной ячейки.
Фиг. 4 изображает: (a) фотографию экспериментального оборудования для электролиза воды, содержащего известную стандартную Pt проволоку на одном электроде (с ясно видимыми пузырьками) и типичное полое волокно, покрытое Pt, (т.е. типичный газопроницаемый электрод) (герметизированное в нижней части, открытое на верхнем конце) на другом электроде, без видимых пузырьков; (b) схематический вид, поясняющий изготовление типичных газопроницаемых электродов с полыми волокнами, покрытыми Pt, для применения в типичной ячейке для разложения воды.
Фиг. 5 изображает полученные электронным микроскопом фотографии поверхности типичного электрода с полым волокном, покрытым Pt, по Фиг. 4.
Фиг. 6 изображает: (a) схематическое изображение, поясняющее изготовление типичных газопроницаемых или воздухопроницаемых электродов в виде полых листов для анода и катода в типичном электролизере; (b) электронную микрофотографию плотного и прочного типичного разделителя (также называемого «проницаемым» или «газопроводящим» разделителем или разделительным слоем), который может быть включен в полое пространство внутри или между скрученным газопроницаемым материалом или газопроницаемыми листовыми материалами.
Фиг. 7 изображает электронную микрофотографию примера «проточного канала».
Фиг. 8 схематически изображает типичный процесс или способ, посредством которого могут быть сформированы типичные электроды для применения в качестве электродов со спиральной намоткой или плоских электродов в электролизере.
Фиг. 9 схематически изображает: (a) типичный электролизер или ячейку, имеющие электроды в виде плоского листа; (b) и (c) типичные электролизеры или ячейки, имеющие электрод со спиральной намоткой; (d) и (e) типичные электрические соединения для униполярной структуры и биполярной структуры.
Фиг. 10 схематически изображает типичный процесс или способ, посредством которого могут быть сформированы другие типичные электроды для применения в качестве электродов со спиральной намоткой или плоских электродов в электролизере.
Фиг. 11 схематически изображает (a) другой типичный электролизер или ячейку, имеющие электроды в виде плоского листа; (b) и (c) другие типичные электролизеры или ячейки, имеющие электроды со спиральной намоткой; при применении типичных электродов по Фиг. 10.
Фиг. 12 изображает вид с частичным разрезом типичного модуля электролизера, содержащего газопроницаемые или воздухопроницаемые материалы в виде полых волокон.
Фиг. 13 представляет собой схематическую иллюстрацию функционирования одного из видов типичного модуля электролизера, включающего газопроницаемые или воздухопроницаемые материалы в виде полых волокон.
Фиг. 14 представляет собой схематическую иллюстрацию функционирования другого вида типичного модуля электролизера, включающего газопроницаемые или воздухопроницаемые материалы в виде полых волокон.
Фиг. 15 представляет собой схематическую иллюстрацию, показывающую, каким образом отдельные модули типичного электролизера со спиральной намоткой могут быть объединены внутри дополнительного трубчатого кожуха, чтобы образовывать большее количество водорода из воды.
Фиг. 16 иллюстрирует, каким образом отдельные трубчатые кожухи, содержащие несколько модулей, могут быть объединены внутри агрегата.
Фиг. 17 иллюстрирует типичную схему для преобразования трехфазного электричества переменного тока в электричество постоянного тока при энергетическом КПД вблизи 100% для применения в типичных электролизерах.
Фиг. 18 иллюстрирует (a) в виде перспективного изображения с пространственным разделением деталей, и (b) в собранном виде, каким образом электроды из однослойного газопроницаемого или воздухопроницаемого материала в виде плоского листа могут быть объединены в типичный электролизер типа «пластина-рама». Фиг. 18(c)-(d) иллюстрируют, каким образом две такие типичные анод-катодные ячейки могут быть объединены в типичный многослойный электролизер.
Фиг. 19(a)-(c) изображает характерные скорости образования газа посредством типичного электролизера типа «пластина-рама» по Фиг. 18, на протяжении трех дней функционирования при условиях постоянного переключения «включено» и «выключено». (a) изображает данные для части дня 1; (b) изображает данные для части дня 2; и (c) изображает данные для части дня 3.
ПРИМЕРЫ
Представленные ниже формы, особенности или аспекты, приведенные лишь в качестве примера, описаны для того, чтобы предоставить более точное понимание предмета предпочтительного варианта или вариантов осуществления. На фигурах, включенных для иллюстрирования особенностей типичных вариантов осуществления, одинаковые цифровые обозначения использованы для идентификации идентичных деталей на всех фигурах.
Типичные газопроницаемые или воздухопроницаемые электроды могут быть сформированы любыми подходящими средствами. Например, газопроницаемые электроды могут быть сформированы посредством нанесения проводящего слоя на газопроницаемый материал и последующего нанесения катализатора на проводящий слой. В одном из примеров, формирование может быть начато с газопроницаемого непроводящего материала, и затем формируют проводящий слой на данном материале, после чего наносят катализатор. В качестве альтернативы, формирование может быть начато с газопроницаемого проводящего материала, и затем наносят катализатор.
В другом примере, газопроницаемый или воздухопроницаемый электрод может быть сформирован посредством закрепления или расположения проводящего слоя, включающего катализатор или без него, в тесной связи с газопроницаемым или воздухопроницаемым материалом. В этом примере, проводящий слой с катализатором может быть сформирован отдельно, и затем проводящий слой может быть размещен рядом с газопроницаемым материалом или присоединен к нему. Авторы данного изобретения нашли, что посредством простого прижимания проводящего слоя к газопроницаемому материалу создается возможность перемещения значительной доли газообразных продуктов реакции через материал без образования пузырьков или по существу без образования пузырьков или же по меньшей мере без образования видимых пузырьков в электролите. Проводящий слой с катализатором может быть химически или физически связан с газопроницаемым материалом.
Анодные и катодные слои могут быть разделены подходящими проницаемыми для жидкости, электроизолирующими разделителями, которые предоставляют возможность жидкости поступать к анодам и катодом, при одновременном предотвращении образования коротких замыканий между анодами и катодами. Одним из примеров такого разделителя являются разделители с «каналами подвода», используемые в коммерчески доступных модулях с мембранами обратного осмоса. Такой разделитель является достаточно прочным, чтобы сделать возможным перемещение жидкостей, однако предотвращать аноды и катоды от сплющивания, даже при высоких величинах приложенного давления.
В одном из примеров предоставлен электрод для устройства для разложения воды. Данный электрод содержит газопроницаемый материал и второй материал, являющийся частью электрода и/или анода или катода, соседнего с электродом. Разделительный слой расположен между газопроницаемым материалом и вторым материалом, данный разделительный слой предоставляет газосборный слой, а именно, внутри электрода или между данным электродом и соседним анодом или катодом. Проводящий слой также предоставлен в качестве части электрода и связан с газопроницаемым материалом. Второй материал может быть частью данного электрода или соседнего электрода (например, пар анод-анод, катод-катод или анод-катод), и в предпочтительном примере является также газопроницаемым или воздухопроницаемым материалом. Проводящий слой может быть предоставлен рядом с газопроницаемым материалом или, по меньшей мере, частично внутри него, предпочтительно на внешней стороне газопроницаемого материала. Предпочтительно, проводящий слой связан с газопроницаемым материалом, расположен рядом с ним или нанесен на газопроницаемый материал. Газосборный слой способен к перемещению газа внутри в электроде, предпочтительно к выпускной зоне или области электрода. В другом примере, газопроницаемый материал является газопроницаемой мембраной, и второй материал является другой или дополнительной газопроницаемой мембраной.
Предпочтительно, газосборный слой способен к перемещению газа внутри в электроде, по меньшей мере, к одной зоне выпуска газа, расположенной на краю или конце электрода или вблизи них. В другом примере газопроницаемый материал и второй материал являются отдельными слоями электрода. Второй материал предпочтительно является газопроницаемым материалом или мембраной. Второй материал может быть газопроницаемым материалом, и второй проводящий слой может быть предоставлен рядом со вторым материалом или по меньшей мере частично внутри него. Таким образом, в одном из примеров разделительный слой, предоставляющий газосборный слой, предоставлен или расположен между газопроницаемым слоем и вторым слоем (т.е. вторым материалом), являющимся дополнительным газопроницаемым слоем электрода. В другом примере, второй материал является газопроницаемым материалом, и второй проводящий слой связан со вторым материалом, расположен рядом с ним, или нанесен на второй материал.
Разделительные слои предоставляют, чтобы поддерживать в рабочем состоянии соответствующие каналы для отбора газа, а также каналы для электролита. Подходящие разделительные слои могут быть выбраны для каждого канала. Газосборный слой в соответствующих электродах поддерживается разделительным слоем, который может быть в форме рельефных структур на внутренних поверхностях материалов или в виде отдельного разделителя, такого как газодиффузионный разделитель или т.п. Электролитный слой между анодами и катодами может поддерживаться посредством применения разделительного слоя в форме «проточного» разделителя. Могут быть использованы другие подходящие пространства, которые могут предоставлять возможность электролиту проходить через электролитный слой и контактировать с соответствующими анодом и катодами.
Внутренние пустоты, полости или промежутки внутри полых листов или волокон, составляющих аноды и катоды, могут быть заполнены, или, по меньшей мере, частично заполнены, разделителем или разделительным слоем, предпочтительно прочным разделителем или разделительным слоем, что делает возможным прохождение газов через разделитель или разделительный слой, однако предотвращает стенки полой структуры от взаимного сплющивания, даже при высоких величинах приложенного давления. Примером такого разделителя является «проницаемый» разделитель, используемый в коммерчески доступных модулях с мембранами обратного осмоса.
Газопроницаемые или воздухопроницаемые аноды и катоды могут быть изготовлены посредством нанесения электропроводных металлических слоев на внешнюю поверхность или поверхности газопроницаемых или воздухопроницаемых материалов и последующего, при необходимости, нанесения подходящих электрокатализаторов на электропроводные слои. В качестве альтернативы, электропроводные металлические слои могут служить в качестве электрокатализаторов сами по себе. Катализаторы могут быть выбраны таким образом, чтобы способствовать и ускорять преобразование жидкости в газ или газа в жидкость.
Газопроницаемые или воздухопроницаемые электроды могут быть изготовлены простым образом, посредством чего газовый поток через газопроницаемый материал регулируют до нормы выработки реакционного продукта, который может образовывать газ на электроде. В альтернативном примере, газопроницаемые или воздухопроницаемые аноды и катоды изготовлены посредством сборки при близком расположении друг к другу и плотной компоновке: (1) газопроницаемого или воздухопроницаемого материала с (2) свободно располагающейся, плоской, из пористого металла или проводящей структурой, покрытой, при необходимости, подходящими катализаторами. Свободно располагающимися, плоскими, пористыми проводящими структурами могут быть мелкие металлические сетки, решетки, фетры или подобные плоские, пористые проводники. Проводящие структуры этого вида коммерчески доступны от большого числа поставщиков.
Газопроницаемые или воздухопроницаемые материалы поддерживают четко определенную границу раздела жидкость-газ на всех анодах и катодах в ячейке во время реакции. Это может быть достигнуто посредством обеспечения того, что перепад давления на газопроницаемых или воздухопроницаемых материалах анодов и катодов (со стороны жидкости в сторону газа) меньше, чем капиллярное давление для увлажнения их пор. Таким образом, жидкость не вводится в газовые каналы, и также газ не вводится в жидкостные камеры, вследствие приложенного давления.
При преобразованиях жидкости в газ или газа в жидкость, в которых давление выше атмосферного приложено к жидкости или газам, реактор может быть спроектирован таким образом, что приложенное давление не превышает капиллярное давление, при котором жидкость вводится в газовые каналы, или газ вводится в жидкостные каналы. А именно, поры материалов выбирают таким образом, чтобы обеспечить поддержание отчетливой границы раздела жидкость-газ на анодах и катодах во время функционирования при приложенном давлении.
Уравнение Уошбурна используют для расчета максимального размера пор, необходимого для поддержания отчетливой границы раздела жидкость-газ на газопроницаемых или воздухопроницаемых электродах, когда давление прикладывают к газам или к жидкостям в реакторе, как описано в неограничивающем случае в примере 5. В неограничивающем случае с применением политетрафторэтиленовых (ПТФЭ) материалов с водой в качестве электролита в электролизере для разложения воды, когда краевой угол составляет 115° и перепад давления 1 бар приложен к материалу, поры должны предпочтительно иметь радиус или другой характеристический размер менее чем 0,5 микрон, более предпочтительно менее чем 0,25 микрон, и еще более предпочтительно примерно 0,1 микрон или менее. В случае, когда краевой угол составляет 100°, поры должны предпочтительно иметь радиус или другой характеристический размер менее чем 0,1 микрон, более предпочтительно менее чем 0,05 микрон, и еще более предпочтительно примерно 0,025 микрон или менее.
Материалы, применяемые для изготовления газопроницаемых или воздухопроницаемых анодов и катодов, в одном из примеров разбухают на менее чем 1% в воде или в жидкости, используемой в устройстве. Газы, связанные с анодами и катодами, поддерживаются отделенными друг от друга посредством конструирования газовых каналов внутри реактора таким образом, что анодные газы отделены во всех местах от катодных газов. В другом примере, многослойная структура анодов и катодов, составляющая электрохимическую ячейку, размещена в плотно закрытом и прочном корпусе, который поддерживает внутри себя все аноды и катоды, а также газовые и жидкостные каналы. А именно, многослойная структура анодов и катодов и связанные с ними газовые и жидкостные каналы изготовлены в модульной форме, которая может быть легко соединена с другими модулями, чтобы образовать более крупные общие конструкции реактора. Кроме того, в случае повреждения они могут быть легко удалены и заменены в таких структурах модулями, изготовленными идентичным образом.
В другом примере многослойные структуры анодов и катодов внутри одного модуля имеют сравнительно большую площадь внутренних поверхностей, однако сравнительно небольшую площадь внешней поверхности или установочную площадь. Например, один модуль может иметь внутреннюю структуру более чем 2 квадратных метра, а внешние размеры 1 квадратный метр. В другом примере, один модуль может иметь внутреннюю площадь более чем 10 квадратных метров, а внешнюю площадь менее чем 1 квадратный метр. Один модуль может иметь внутреннюю площадь более чем 20 квадратных метров, а внешнюю площадь менее, чем 1 квадратный метр. В другом примере, многослойная структура анодов внутри одного модуля может иметь газовые каналы, связанные с анодом, соединенным с одной впускной/выпускной трубой.
В другом примере многослойная структура катодов внутри одного модуля может иметь газовые каналы, связанные с катодом, соединенным с одной впускной/выпускной трубой, которая отделена от впускной/выпускной трубы анода. В еще одном примере многослойная структура анодов и катодов внутри одного модуля может быть сформирована в виде многослойного расположения материала. Многослойная структура со спиральной намоткой может содержать одну или несколько парных электродных сборок катод/анод и может содержать одну или несколько листовых сборок.
Модульные узлы, описанные выше, могут быть спроектированы таким образом, чтобы быть легко присоединяемыми к другим, идентичным модульным узлам, чтобы тем самым без каких-либо проблем увеличивать реактор в целом до требуемого объема. Объединенные модульные узлы, как описано выше, могут быть сами размещены внутри второго, прочного корпуса, который содержит внутри себя всю жидкость, проходящую через модульные узлы, и который служит в качестве второй удерживающей камеры для газов, которые присутствуют внутри взаимосвязанных модулей. Индивидуальные модульные узлы внутри второго, внешнего прочного корпуса могут быть простым и легким образом удалены и заменены другими, идентичными модулями, что делает возможной простую замену дефектных или ненормально функционирующих модулей.
Типичная ячейка для разложения воды может функционировать при сравнительно низких плотностях тока, для того, чтобы достигнуть высоких величин энергетического КПД при производстве газов из жидкостей или жидкостей из газов. Ячейки для разложения воды могут функционировать при плотности тока, которая соответствует наибольшему рациональному энергетическому КПД при данных условиях. Например, в случае реактора, который преобразует воду в газообразный водород и кислород (электролизера для разложения воды), реактор может функционировать при плотности тока, которая соответствует энергетическому КПД более чем 75%, в расчете на высшую теплоту сгорания (ВТС) водорода. Поскольку 1 кг водорода содержит в себе в общем 39 кВт·ч энергии, энергетический КПД 75% может быть достигнут, если электролизер образует 1 кг водорода при применении 52 кВт·ч электрической энергии.
Электролизер для разложения воды может функционировать при плотности тока, которая соответствует энергетическому КПД более чем 85% в соответствии с высшей теплотой сгорания (ВТС) водорода; энергетический КПД 85% может быть достигнут, если электролизер образует 1 кг водорода при применении 45,9 кВт·ч электрической энергии. Ячейка для разложения воды может функционировать при плотности тока, которая соответствует энергетическому КПД более чем 90% в соответствии с высшей теплотой сгорания (ВТС) водорода; энергетический КПД 90% может быть достигнут, если электролизер образует 1 кг водорода при применении 43,3 кВт·ч электрической энергии. Удаление произведенного газа через газопроницаемый материал предоставляет в результате устройство, способное к отделению газа от реакции на электроде. Больше чем 90% газа, произведенного, по меньшей мере, одним электродом, может быть удалено из ячейки через газопроницаемый материал. Желательно, чтобы больше чем 95% и больше чем 99% произведенного газа могло быть удалено через газопроницаемый материал. Ячейка для разложения воды может функционировать, чтобы производить газообразный водород при энергетическом КПД более чем 75%, в расчете на ВТС. Желательно, чтобы ячейка для разложения воды могла производить газообразный водород при энергетическом КПД более чем 90%, в расчете на ВТС.
Авторы данного изобретения нашли, что ячейки для разложения воды могут функционировать эффективным образом посредством регулирования перепада давления через газопроницаемые материалы. Регулирование перепада давления может предотвращать смачивание материалов и способствует перемещению газообразных продуктов реакции через материал. Выбор перепада давления будет обычно зависеть от природы материалов для разложения воды, и он может быть определен при применении уравнения Уошбурна, как описано ниже. Приложение давления к электролиту также может быть использовано для поступления сжатого газообразного продукта в газосборные слои.
В другом примере предоставлен процесс образования водорода, включающий приложение тока низкой плотности к ячейке для разложения воды, приложение давления к электролиту, разложение воды и производство газообразного водорода и газообразного кислорода; и отбор соответствующих сжатых газов с помощью соответствующих газосборных слоев. Ячейка для разложения воды может функционировать при температурах, которые желательно менее чем 100°C, менее чем 75°C и менее чем 50°C.
Индивидуальные электрохимические ячейки внутри реактора могут быть сконфигурированы при параллельном или последовательном соединении, чтобы максимизировать напряжение (вольты) и минимизировать ток (амперы) требуемым образом. Это обусловлено тем, что, как правило, затраты на электрические проводники увеличиваются, когда токовая нагрузка возрастает, тогда как затраты на оборудование для выпрямления тока (преобразования переменного тока в постоянный) на единицу выходной мощности уменьшаются, когда выходное напряжение увеличивается. Общая конфигурация индивидуальных ячеек в последовательном или параллельном соединении внутри реактора может быть выполнена в такой форме, чтобы наилучшим образом соответствовать доступной трехфазной промышленной системе энергоснабжения или системе энергоснабжения зданий. Это обусловлено тем, что близкое соответствие требований в отношении общего электропитания для электролизера и доступной трехфазной электроэнергии обычно делает возможным низкозатратное преобразование переменного тока в постоянный ток при энергетическом КПД вблизи 100%, минимизируя тем самым потери.
Предпочтительный вариант осуществления типично включает электрохимический реактор для прямого электрического преобразования воды в водород и кислород, электролизер для разложения воды, предпочтительно, однако не исключительно, содержащий полые газопроницаемые или воздухопроницаемые электродные структуры (например, плоские листы или волокна) в качестве анодов и катодов в многослойных структурах:
i. где аноды имеют связанные с ними дискретные каналы для газообразного кислорода,
ii. где катоды имеют связанные с ними дискретные каналы для газообразного водорода,
iii. каждый из водородных или кислородных каналов связан с их соответствующими электродами посредством пор в газопроницаемых или воздухопроницаемых материалов,
iv. где газопроницаемые или воздухопроницаемые материалы поддерживают отчетливую границу раздела жидкость-газ во время реакции,
v. где размеры и количества пор газопроницаемых или воздухопроницаемых материалов являются такими, что они поддерживают отчетливые границы раздела жидкость-газ при условиях, когда жидкости и/или газы во время функционирования подвергаются приложенному давлению, которое выше, чем атмосферное,
vi. где промежутки между анодами и катодами заняты прочными электроизолирующими разделителями («разделителями с каналами подвода») которые делают возможным проникновение водного электролита к анодам и катодам, при одновременном предотвращении анодов и катодов от контактирования друг с другом и образования тем самым коротких замыканий.
vii. где газовые каналы предпочтительно, однако не исключительно, заняты прочными разделителями («разделителями с газовыми каналами»), которые делают возможным перемещение через них газов, однако предотвращают стенки газовых каналов от взаимного сплющивания даже при таких условиях, когда давление выше атмосферного приложено к водному электролиту,
viii. где каналы для газообразного водорода связаны с единственным выпускным отверстием для газообразного водорода,
ix. где каналы для газообразного кислорода связаны с единственным выпускным отверстием для газообразного кислорода,
x. где воде предоставлена возможность проходить между анодами и катодами,
xi. где полная многослойная структура из анодов, катодов, разделителей и газовых каналов включена в один модуль, имеющий относительно большую внутреннюю площадь поверхности, однако небольшую внешнюю установочную площадь,
xii. где модульные узлы могут быть легко присоединены к другим, идентичным модульным узлам, чтобы тем самым простым образом увеличить электролизер в необходимой степени,
xiii. где объединенные друг с другом модульные узлы размещены внутри второго, прочного корпуса, который содержит внутри себя всю воду, проходящую через модульные узлы, и который служит в качестве второй герметичной защитной оболочки для легковоспламеняющегося газообразного водорода, который образуется внутри модулей,
xiv. где индивидуальные модульные узлы внутри второго корпуса могут быть легко и быстро заменены другими, идентичными модулями,
xv. где электролизер функционирует при низкой общей плотности тока для того, чтобы достигнуть высокой величины энергетического КПД при производстве газообразного водорода из воды; предпочтительно при плотности тока, соответствующей энергетическому КПД 75%, или, более предпочтительно, при 85%, или еще более предпочтительно при энергетическом КПД более, чем 90%,
xvi. где индивидуальные ячейки внутри общей сборки электролизера сконфигурированы при параллельном или последовательном соединении таким образом, чтобы в целом максимизировать напряжение (вольты) и минимизировать ток (амперы) требуемым образом, и/или
xvii. где индивидуальные ячейки внутри общей сборки электролизера сконфигурированы при параллельном или последовательном соединении таким образом, чтобы наилучшим образом соответствовать доступной трехфазной промышленной системе энергоснабжения или системе энергоснабжения зданий.
Пример 1: Демонстрация потенциала газопроницаемых или воздухопроницаемых электродов для достижения высокой величины энергетического КПД при электролизе воды
Для того чтобы оценить, может ли применение газопроницаемых или воздухопроницаемых электродов улучшить энергетический КПД преобразования жидкости в газ, которое происходит в электролизерах для разложения воды, мы провели исследование оптимального изготовления газопроницаемых или воздухопроницаемых электродов. Газопроницаемые или воздухопроницаемые электроды затем испытывали посредством включения в электролизеры для разложения воды лабораторного масштаба, без образования газовых пузырьков, в которых их эксплуатационные параметры сравнивали при оптимальных условиях кислотности/основности со стандартными, наилучшими для промышленности, катализаторами, которые образовывали пузырьки. Для этого сравнения мы выбрали сплошную платину (Pt) в 1 M сильной кислоте в качестве «наилучшего для промышленности» катализатора. Причиной для этого выбора являлось то, что другие альтернативы, а именно, никелевый (Ni) катализатор в сильноосновных щелочных электролизерах, обычно рассматривается как имеющий меньший общий энергетический КПД, чем Pt в сильной кислоте.
Все сравнения включали применение очень просто нанесенных гладких металлов с небольшой площадью поверхности. Идея заключалась в том, чтобы сравнить их эффективность и общий выход и определить, может ли применение газопроницаемых или воздухопроницаемых электродов улучшить общий энергетический КПД электролиза воды по сравнению с наилучшими промышленными катализаторами, применяемыми в промышленности. Данные на Фиг. 1-2 сравнивают типичные эксплуатационные параметры различных электролизеров без образования газовых пузырьков, с наилучшим для промышленности Pt катализатором в 1 M сильной кислоте, когда пузырьки образуются.
Пример 1A: Электролизеры для разложения воды, использующие газопроницаемые или воздухопроницаемые электроды в виде плоских листов
Первая группа данных, отображенная на Фиг. 1, относится к испытанию двух электролизеров «без образования газовых пузырьков», включающих воздухопроницаемые электроды в виде плоского листа как на катоде, так и на аноде: щелочной электролизер, с Ni катализатором, в 1 M сильном основании (Фиг. 1(a)) и кислотный электролизер, с Pt катализатором в 1 M сильной кислоте (Фиг. 1(b)). Используемой кислотой являлась серная кислота. Используемым основанием являлся гидроксид натрия. Одни и те же катализаторы были использованы как для анода, так и для катода одновременно.
Данные на Фиг. 1(a)-(b) получали при использовании ячейки, изображенной на Фиг. 3. Ячейка, представленная на Фиг. 3(a), отображена схематически на Фиг. 3(b). Ячейка содержит следующие части: центральный водный резервуар 100, имеющий не содержащую воду камеру 110 для отбора водорода на левой стороне и не содержащую воду камеру 120 для отбора кислорода на правой стороне. Между водным резервуаром 100 и камерой 110 для отбора водорода находится газопроницаемый или воздухопроницаемый электрод 130. Между водным резервуаром 100 и камерой 120 для отбора кислорода находится газопроницаемый или воздухопроницаемый электрод 140. На поверхности газопроницаемых или воздухопроницаемых электродов 130 и 140 или вблизи нее, или частично внутри, находится проводящий слой, содержащий соответствующий катализатор 150 или несколько катализаторов. Когда электрический ток приложен к проводящим слоям 150 посредством источника электропитания 160, такого как батарея, то электроны протекают по внешней цепи, как представлено токопроводами 170. Этот ток вызывает разложение воды на водород на поверхности воздухопроницаемого электрода 130 (называемого катодом) и кислород на поверхности воздухопроницаемого электрода 140 (называемого анодом). Вместо формирования пузырьков на этих поверхностях, кислород и водород проходят через гидрофобные поры 180 в камеры 120 и 110 для отбора кислорода и водорода, соответственно. Жидкая вода не может проходить через эти поры, поскольку она отталкивается гидрофобными поверхностями пор, и поверхностное натяжение воды предотвращает отделение капель воды от основной массы воды и прохождение их, тем самым, через поры. Соответственно, электроды 130 и 140 функционируют в качестве газопроницаемых, водонепроницаемых барьеров.
В отношении данных на Фиг. 1(a), Ni катализатор являлся коммерчески доступной, тонкой гибкой тканью, покрытой Ni, которую используют для электромагнитного экранирования. Ткань прижимали и плотно удерживали на газопроницаемом или воздухопроницаемом гидрофобном материале. Это выполняли таким же образом, в дополнение к нанесению металла непосредственно на поверхность материала, как было сделано в отношении данных на Фиг. 1(b), где Pt катализатор наносили непосредственно на материал вакуумной металлизацией, стандартным промышленным способом. В обоих случаях, катализаторы подвергали продолжительному кондиционированию перед тем, как были собраны представительные данные, показанные на Фиг. 1(a)-(b). Это означает, что электролизеры оставляли при функционировании в представленных условиях в 1 M сильной кислоте/основании при приложенном напряжении (обычно 2-3 В) в течение нескольких часов перед измерением для получения данных. Кондиционирование предоставляет системе возможность прийти к отчетливому устойчивому состоянию и обеспечивает то, что измерения являются достоверными.
2
2
Плотность тока при фиксированном напряжении на ячейке 1,6 В (= энергетическому КПД 93% в расчете на ВТС) затем измеряли для двух электролизеров без образования газовых пузырьков. Как можно видеть, обе воздухопроницаемые Ni и Pt системы предоставляли плотности тока 1 мА/см или более. Pt система предоставляла стабильный ток в течение 1 мин после включения. Для Ni системы достижение стабильного тока занимало примерно 5 мин. Однако в обоих случаях токи составляли более 1 мА/см и поддерживались неизменными в течение продолжительных периодов времени (данные не показаны на Фиг. 1 для простоты).
2
Посредством сравнения и при ссылке на Фиг. 1(c), авторы данного изобретения предварительно исследовали «наилучший для промышленности» Pt катализатор в 1 M сильной кислоте с образованием пузырьков. Эти исследования показали, что после кондиционирования в течение 1 ч и при наиболее оптимальных возможных условиях (более оптимальных, чем для результатов на Фиг. 1(a) и (b)) сплошная неизолированная Pt образует установившийся ток в среднем 0,83 мА/см. Это является абсолютным максимумом установившейся плотности тока, которая может быть получена на Pt катоде при использовании очень большого Pt сетчатого электрода в качестве анода. Если два электрода одинакового размера были бы использованы на аноде и катоде (как это было в случае данных на Фиг. 1(a)-(b)), плотность тока была бы ниже.
Посредством этого измерения оба электролизера без образования газовых пузырьков, включающие щелочные Ni-катализированные и кислотные Pt-катализированные воздухопроницаемые ячейки на каждом аноде и катоде убедительно превосходят простые электролизеры, использующие наилучший для промышленности катализатор, Pt, на аноде и катоде, в конфигурации, в которой образовывались пузырьки. Кроме того, электролизеры на основе данных материалов не проявляют ни обычных зубчатых хроноамперометрических профилей, связанных с образованием пузырьков, ни медленно снижающегося выхода, пока сохраняется установившееся состояние, как это найдено в случае с неизолированной Pt.
Пример 1B: Электролизеры для разложения воды, использующие газопроницаемые или воздухопроницаемые электроды из полых волокон
Вторая группа данных на Фиг. 2 сравнивает, при оптимальных условиях кислотности (1 M сильной кислоте):
(1) электролизер без образования газовых пузырьков, включающий газопроницаемые или воздухопроницаемые электроды из полых волокон, покрытые Pt, на аноде и катоде (Pt была нанесена непосредственно на материалы при применении вакуумной металлизации, стандартного промышленного способа), и
(2) такую же ячейку электролизера, однако с известными проволочными электродами из неизолированной Pt на аноде и катоде.
Фиг. 4(a) представляет фотографию примера электролизера, сравнивающего известную неизолированную Pt проволоку для катода и газопроницаемый электрод из гидрофобного полого волокна, покрытого Pt, для анода. Как можно видеть, известная неизолированная Pt проволока покрывается пузырьками во время электролиза воды, в то время как газопроницаемый электрод из полого волокна свободен от пузырьков, т.е. без образования пузырьков или без существенного образования пузырьков, по крайней мере, видимого образования пузырьков.
Фиг. 4(b) изображает схематическое изображение способа или процесса, посредством которого был изготовлен электролизер без образования газовых пузырьков по пункту (1) выше, и каким образом он функционирует. Получали гидрофобные материалы 200 из полых волокон. Их затем покрывали Pt посредством вакуумной металлизации, стандартного промышленного способа, чтобы получить материал 210 из полого волокна, покрытый Pt. (Фиг. 5 представляет полученную с помощью сканирующего электронного микроскопа микрофотографию поверхности материала 210, показывающую, что толщина покрытия составляет 20-50 нм). Два материала из полых волокон, покрытых Pt, затем герметизируют в нижней части при применении аралдитного клея и погружают в водный раствор 1 M сильной кислоты. Открытые верхние концы материалов из полых волокон оставляют выступающими над поверхностью жидкой воды. Электрические соединения на их поверхностях (на электропроводной Pt) соединяют с источником питания, таким как батарея 220, который используют, чтобы пропускать электрический ток между двумя электродами, при перемещении электронов, указанном на токопроводящем пути 230. В результате приложенного напряжения вода разлагается на газообразный водород на поверхности катода и газообразный кислород на поверхности анода. Однако газы не образуют пузырьков, поскольку они вместо этого проходят через гидрофобные поры газопроницаемых материалов 240 из полых волокон. Жидкая вода не проходит через эти поры, поскольку при испытании при атмосферных условиях жидкая вода не способна к увлажнению гидрофобной пористой поверхности, в этом примере основанной на материале Goretex, пористой форме политетрафторэтилена (ПТФЭ) с микроструктурой, характеризующейся узлами, связанными фибриллами. Соответственно, газообразный водород отбирается в канал 260 для газообразного водорода в центре материала катода из полого волокна. Газообразный кислород отбирается в канал для газообразного кислорода в центре анодного полого волокна.
2
Функционирование представленного выше примера электролизера предоставляет в результате данные, показанные на Фиг. 2(a). Для того, чтобы получить эти данные, мы прикладывали фиксированную плотность тока 2 мА/см к электролизеру и затем исследовали, каким образом напряжение (энергетический КПД) изменялся с течением времени. Данные проиллюстрированы таким образом, что демонстрируют, каким образом может функционировать коммерческий электролизер этого вида. Применение фиксированной плотности тока может быть наиболее подходящим режимом функционирования, поскольку он обеспечивает образование определенного количества водорода в день. (Скорость образования водорода зависит от приложенного тока). Данные на Фиг. 2(b) показывают результаты, сравнимые с известной неизолированной Pt проволокой на аноде и катоде при иных идентичных условиях. В обоих случаях катализаторы не были подвергнуты предварительному кондиционированию, для того, чтобы продемонстрировать то, что происходит в течение первого часа функционирования электролизера, и чтобы показать, почему кондиционирование необходимо для получения точных данных.
2
Для известной неизолированной Pt проволоки наблюдается четкое падение энергетического КПД на протяжении одного часа кондиционирования; это является очень типичным для электродов из неизолированной Pt и происходит перед тем, как создается установившееся состояние (после 1-2 часов функционирования). Во время процесса кондиционирования энергетический КПД, как можно видеть, снижается до примерно 88% (в течение 1 часа). Через один час он составляет обычно примерно 85%, что находится при или вблизи плотности тока в установившемся состоянии. Электроды из сплошной Pt были предварительно исследованы авторами данного изобретения и обеспечивали энергетический КПД примерно 83-85% при 2 мА/см после того, как было достигнуто установившееся состояние. В противоположность этому, газопроницаемые электроды из полых волокон не проявляют такого падения. Их хроновольтометрический профиль является практически плоским, при энергетическом КПД примерно 96%, и при лишь сравнительно небольших снижениях по отношению к установившемуся состоянию. Кроме того, они поддерживают более высокие величины энергетического КПД, чем сопоставимые известные «наилучшие для промышленности» катализаторы из неизолированной Pt проволоки в течение продолжительных периодов времени (например, 12 ч непрерывного испытания). Они значительно более эффективны в отношении энергетического КПД, чем наилучший для промышленности Pt катализатор, в конфигурации, когда образуются пузырьки.
Выводы для Примера 1: Электролизеры, содержащие газопроницаемые или воздухопроницаемые электроды на аноде и катоде, могут достигать высоких величин энергетического КПД при электролизе воды
Соответственно, может быть сделан вывод, что электролизеры для разложения воды без образования газовых пузырьков, т.е. такие, которые функционируют без образования пузырьков, содержащие газопроницаемые или воздухопроницаемые электроды на катоде и аноде, могут достигать более высоких величин энергетического КПД, чем системы, которые образуют пузырьки при преобразованиях жидкости в газ. Это обусловлено уменьшением или устранением перенапряжения вследствие выделения пузырьков газа, которое является основным источником энергетических потерь в таких системах.
Кроме того, если это относится к электролизу воды, который является одним из наиболее перспективных электрохимических преобразований жидкости в газ, тогда это может также относиться к другим электрохимическим преобразованиям жидкости в газ. Кроме того, стабильность границы раздела газ-жидкость в таких системах будет, вероятно, также значительно содействовать сравнимым электрохимическим преобразованиям газа в жидкость в таких реакторах и улучшать их энергетический КПД.
Пример 2: Электрохимический реактор, имеющий многослойную конфигурацию, из полого плоского листа («Модуль со спиральной намоткой»)
Фиг. 6(a) схематически изображает двусторонний, гидрофобный материал 710 в виде плоского листа. Материал содержит верхнюю и нижнюю гидрофобные поверхности с разделителем, известным обычно как «проницаемый» разделитель, 740 между ними. Верхняя и нижняя поверхности содержат гидрофобные поры, которые предоставляют возможность газам, но не жидкой воде, проходить через них, если только не приложено достаточное давление и/или поверхностное натяжение воды не снижено в достаточной степени. «Проницаемый» разделитель является обычно плотным, но пористым. Фиг. 6(b) иллюстрирует типичную микроскопическую структуру этого разделителя. Микроскопическая структура «проточного» разделителя этого типа изображена на Фиг. 7. Как можно видеть на Фиг. 7, в то время как этот разделитель имеет открытую структуру, которая подходит для перемещения через нее воды, разделитель на Фиг. 6(b) имеет более плотную структуру, делающую его пригодным для перемещения газа, но не жидкости. Изготовление реактора электролизера для разложения воды в виде плоского листа может быть начато с гидрофобного двустороннего материала со встроенным газовым разделителем 710. На поверхность этого материала наносят проводящий слой, обычно при применении вакуумной металлизации. В случае щелочного электролизера, проводящим слоем является типично никель (Ni). При применении этого метода могут быть нанесены слои Ni толщиной 20-50 нм. Материалы, покрытые Ni, могут затем быть подвергнуты нанесению покрытия окунанием при применении, например, нанесения покрытия из никеля методом химического восстановления, чтобы увеличить толщину токопроводящего слоя Ni на их поверхности. После этого, один катализатор или несколько катализаторов могут быть осаждены на проводящую поверхность Ni или закреплены на ней иным образом. Существует диапазон возможных катализаторов, известный в данной области техники.
3
4
2
4
2
4
2
2
3
3
4
Для окисления воды (а именно, реакции, которая происходит на аноде при разложении воды), применимы такие катализаторы как CoO, LiCoO, NiCoO, MnO, MnO, и другие катализаторы. Катализатор может быть нанесен различными средствами, известными в данной области техники. Типичный пример нанесения такого катализатора на поверхность никеля приведен в публикации, озаглавленной: «Size-Dependent Activity of CoO Nanoparticle Anodes for Alkaline Water Electrolysis», авторы Arthur J. Esswein, Meredith J. McMurdo, Phillip N. Ross, Alexis T. Bell и T. Don Tilley, в Journal of Physical Chemistry C 2009, Volume 113, pages 15068-15072. С помощью таких средств может быть изготовлен анод 720 на Фиг. 6(a).
Для катода имеются различные катализаторы, которые могут быть нанесены на поверхность никеля, такие как наночастицы Ni или наночастицы сплавов никеля и другого металла. Публикация, озаглавленная «Pre-Investigation of Water Electrolysis», документ PSO-F&U 2006-1-6287, изданная совместно химическим факультетом Технического университета Дании, Национальной лабораторией Рисе, Дания, и компанией ДОНГ Энерджи (DONG Energy), в 2008, описывает средства для нанесения таких материалов на анод (начиная со страницы 50). Таким образом может быть изготовлен катод 730 на Фиг. 6(a). Данный документ продолжается описанием анодных катализаторов и средств для их нанесения на анод.
Фиг. 8 иллюстрирует один из подходов к изготовлению типичного электролизера для разложения воды при применении катода 730 и анода 720 в виде полых плоских листов, приготовленных таким образом. Катод 730 уплотняют 731 на трех из четырех краев, в то время как четвертый край наполовину уплотняют 731 и наполовину оставляют неуплотненным 732, как показано. Уплотнение может быть выполнено посредством обжима с нагреванием и плавлением краев полых плоских листов, чтобы тем самым блокировать выведение газов и жидкостей наружу через края. Лазерный нагрев может также быть использован для уплотнения краев катода. Анод 720 уплотняют 721 на трех из четырех краев, в то время как четвертый край наполовину уплотняют 721 и наполовину оставляют неуплотненным 722, как показано. Уплотнение может быть выполнено посредством обжима с нагреванием и плавлением краев полых плоских листов, чтобы тем самым блокировать выведение газов и жидкостей наружу через края. Лазерный нагрев может также быть использован для уплотнения краев анода. Уплотнение, изображенное на Фиг. 8(a) и (b), может быть выполнено перед нанесением токопроводящего слоя Ni и нанесением катализаторов, если это является более подходящим. Как показано на Фиг. 8(c), аноды и катоды затем укладывают один на другой с размещением между ними разделителей с проточными каналами типа, изображенного на Фиг. 7. Следует заметить, что все неуплотненные края анодов выровнены совместно друг с другом вдоль тыльной стороны левого края, в то время как неуплотненные края катодов выровнены совместно друг с другом вдоль передней стороны левого края. Следует заметить, что неуплотненные края анодов и катодов не накладываются друг на друга.
Фиг. 9(a) изображает, каким образом сборка на Фиг. 8(c) может быть преобразована в типичный электролизер для разложения воды. Полую трубу (обычно изготовленную из электроизолирующего полимера) присоединяют к сборке на Фиг. 8(c), как показано на Фиг. 9(a). Труба разделена на переднюю камеру 910 и заднюю камеру 920, которые не соединены одна с другой. Аноды и катоды присоединяют к трубе таким образом, что их неуплотненные края открыты во внутренние камеры трубы. Неуплотненные края катода открыты только лишь в заднюю камеру 920 трубы, в то время как неуплотненные края анода открыты только лишь в переднюю камеру 910 трубы. Аноды и катоды могут быть электрически соединены последовательно (биполярная конструкция) или параллельно (униполярная конструкция), при единственном внешнем электрическом соединении для положительного полюса и другом единственном внешнем электрическом соединении для отрицательного полюса (как показано на Фиг. 9(a)). Фиг. 9(d)-(e) изображает возможные, неограничивающие соединительные пути для униполярной конструкции (Фиг. 9(d)) и биполярной конструкции (Фиг. 9(e)). Возможны и другие соединительные пути.
Во время функционирования электролизера воде предоставляется возможность проходить через разделители с проточными каналами в направлении (от страницы), показанном на Фиг. (9(a)). Соответственно, во время функционирования, вода присутствует в промежуточном пространстве между анодами и катодами и заполняет его.
Когда напряжение теперь прикладывают на аноды и катоды, водород образуется на поверхности катодов и проходит через поры катодных материалов, как изображено на Фиг. 6(a). Кислород одновременно образуется на поверхности анодов и проходит через поры анодных материалов, как изображено на Фиг. 6(a). Кислород и водород затем заполняет свободное пространство возле разделителя внутри полых листовых анодов и катодов. Единственным путем выпуска для водорода является его выход из катодов в виде полого листа посредством неуплотненных краев в заднюю камеру 920 присоединенной трубы. Единственным путем выпуска для кислорода является его выход из анодов в виде полых листов посредством неуплотненных краев в переднюю камеру 910 присоединенной трубы. Таким образом, газы направляются и отбираются отдельно в переднюю 910 и заднюю 920 камеры присоединенной трубы.
Для того чтобы минимизировать общую установочную площадь реактора, многослойная сборка материалов в виде плоского листа может быть свернута в виде сборки со спиральной намоткой, как обозначено числом 940 (Фиг. 9(b). Сборка со спиральной намоткой может быть затем заключена в полимерный корпус 950, который поддерживает элемент со спиральной намоткой на месте внутри модуля (950), при предоставлении, тем не менее, возможности прохождения воды через модуль, как показано на Фиг. 9(b). Когда подходящее напряжение приложено к такому модулю, газообразный водород образуется и выпускается из модуля через заднюю трубу, как показано. Образуемый газообразный кислород выпускается через переднюю трубу, как показано.
Альтернативное расположение изображено на Фиг. 9(c). В этом расположении, труба для отбора не разделена на переднюю и заднюю камеры для отбора. Вместо этого, труба разделена вдоль ее длины на две отдельные камеры. Аноды и катоды в виде плоского листа присоединяют к трубе таким образом, что неуплотненные края анодов открыты в одну из этих камер, а неуплотненные края катодов открыты в другую из этих камер. Соответственно, при спиральной намотке, как обозначено 940 на Фиг. 9(c), и образовании модуля посредством заключения в полимерный корпус 950, модуль делает возможным прохождение через него воды, как показано на Фиг. 9(c). Когда подходящее напряжение приложено к такому модулю, газообразный водород образуется и выпускается из модуля через один из разделенных газовых каналов внутри трубы для отбора, в то время как кислород образуется и выпускается из модуля через другую из разделенных камер, как показано. Модули для электролиза воды типа, обозначенного на изображении как 950, обычно демонстрируют большую внутреннюю площадь поверхности, однако сравнительно небольшую общую установочную площадь. Имеется ряд других вариантов изготовления модуля для электролиза воды со спиральной намоткой. Для того, чтобы продемонстрировать некоторые из других, неограничивающих вариантов изготовления электролизеров со спиральной намоткой, ссылка сделана на Фиг. 10 и 11.
Фиг. 10 иллюстрирует другой подход к изготовлению модуля электролизера со спиральной намоткой. Катод 730 уплотняют 731 на трех из четырех краев, в то время как четвертый край оставляют неуплотненным 732, как показано (Фиг. 10(a)). Анод 720 уплотняют 721 на трех из четырех краев, в то время как четвертый край оставляют неуплотненным 722, как показано (Фиг. 10(b)). Аноды и катоды затем укладывают один на другой, как показано на Фиг. 10(c), с размещением между ними разделителей с проточными каналами типа, изображенного на Фиг. 7. Следует заметить, что все неуплотненные края анодов выровнены совместно друг с другом вдоль левого края, в то время как неуплотненные края катодов выровнены совместно друг с другом вдоль правого края.
Фиг. 11(a) изображает, каким образом сборка на Фиг. 10(c) может быть преобразована в электролизер для разложения воды по данному изобретению. Полую трубу 1110 присоединяют к левой стороне сборки на Фиг. 10(c), как показано на Фиг. 11(a). Аноды присоединяют к трубе 1110 таким образом, что их неуплотненные края открыты во внутреннюю полость трубы 1110. Другую трубу 1120 присоединяют к правой стороне сборки. Катоды присоединяют к трубе 1120 таким образом, что их неуплотненные края открыты во внутреннюю полость трубы 1120. Соответственно, когда вода проходит через сборку, и приложено соответствующее напряжение, образующийся газообразный водород отбирается посредством правой трубы 1120, в то время как образующийся газообразный кислород отбирается отдельно посредством левой трубы 1110.
Когда эта сборка является сборкой со спиральной намоткой 1130 (Фиг. 11(b)-(c), две возможные модульные сборки могут быть изготовлены. Модульная сборка, обозначенная как 1140 на Фиг. 11(b), содержит два, примерно равной толщины, элемента со спиральной намоткой, помещенные в полимерный корпус 1140. Корпус делает возможным прохождение воды через модуль, как показано. Две внутренние трубы раздельным образом отбирают и выводят образующиеся водород и кислород. Модульная сборка, обозначенная как 1150 на Фиг. 11(c), содержит один элемент со спиральной намоткой, включающий левую трубу для отбора (образуемого кислорода) и помещенный в полимерный корпус 1140, при внешней трубе для отбора (образуемого водорода), расположенной на внешней поверхности модуля. Корпус делает возможным прохождение воды через модуль, как показано. Внутренняя труба отбирает и подает образуемый кислород. Внешняя труба отбирает и подает образуемый водород.
2
Поскольку такие модули для электролиза воды имеют большую внутреннюю площадь поверхности, однако сравнительно небольшую общую установочную площадь или внешнюю площадь, они могут функционировать при сравнительно низких общих плотностях тока. Типичная плотность тока может составлять 10 мА/см, что на два порядка меньше по величине, чем плотности тока, используемые в настоящее время в большинстве коммерческих электролизеров для разложения воды. При такой низкой плотности тока возможно образовывать водород при энергетическом КПД, в расчете на ВТС, находящемся вблизи или превышающем 90%. Требования в отношении электропитания и вариантов для последовательного и параллельного электрического соединения индивидуальных ячеек в таких модулях рассмотрены подробно в Примере 6.
Пример 3: Электрохимический реактор, имеющий многослойную конфигурацию, из полых волокон («Модуль из полых волокон»)
Фиг. 12 изображает схематически и в принципе, каким образом группа анодных и катодных электродов из полых волокон может быть сконфигурирована для типичного электролизера для разложения воды. Группа проводящих каталитических материалов 1200 из полых волокон может быть ориентирована и размещена внутри корпуса 1200, который предоставляет возможность перемещения воды вокруг массива материалов из полых волокон. Изготовление реактора электролизера для разложения воды с полыми волокнами может быть начато с гидрофобного материала из полого волокна со встроенным газовым разделителем 200, изображенного на Фиг. 4(b). На поверхность этого материала наносят проводящий слой, обычно при применении вакуумной металлизации. В случае щелочного электролизера, проводящим слоем является типично никель (Ni). При применении этого метода могут быть нанесены слои Ni толщиной 20-50 нм. Материалы, покрытые Ni, могут затем быть подвергнуты нанесению покрытия окунанием при применении нанесения покрытия из никеля методом химического восстановления, чтобы увеличить толщину токопроводящего слоя Ni на их поверхности. После этого, катализатор может быть нанесен на проводящую поверхность Ni. Существует диапазон возможных катализаторов, известных в данной области техники. Способы их нанесения описаны в Примере 3.
Для того чтобы анод или катод из полых волокон, изготовленный таким образом был электрически изолирован от других электродов при функционировании, он должен быть обычно дополнительно покрыт слоем пористого тефлона или сульфонированного фторсодержащего полимера при применении стандартной процедуры нанесения покрытия окунанием, хорошо известной в данной области техники. Посредством этого, могут быть изготовлены анод 1320 из полого волокна и катод 1310 из полого волокна в соответствии с Фиг. 13. Катоды и аноды, изготовленные таким образом, затем уплотняют на их обоих краях при применении простого процесса уплотнения нагреванием или лазерного уплотнения. При необходимости газопроницаемые материалы из полых волокон могут быть уплотнены перед нанесением проводящих и каталитических слоев на их поверхность.
Полые волокна катода и анода затем объединяют в виде встречноштыревой структуры, как показано схематически на Фиг. 13, при их концах, расположенных нечередующимся образом на противоположных сторонах. На Фиг. 13, анодные полые волокна 1320 имеют свои нечередующиеся концы на правой стороне, а катодные полы волокна 1310 имеют свои нечередующиеся концы на левой стороне. Проводящий адгезив затем заливают вокруг нечередующихся концов анодных полых волокон 1320. Адгезиву предоставляют возможность отверждения после того, как проводящий адгезив залит вокруг нечередующихся концов катодных полых волокон 1310. После того как два адгезива отверждены, их пропиливают тонкой пилой, открывая один конец герметизированных полых волокон. Анодные полые волокна 1320 теперь открыты на правой стороне встречноштыревой сборки (как показано на Фиг. 13), в то время как катодные полые волокна 1310 открыты на левой стороне встречноштыревой сборки (как показано на Фиг. 13). Встречноштыревую сборку затем помещают в полимерный корпус 1330, который делает возможным прохождение воды между полыми волокнами, расположенными встречноштыревым образом, а не в их внутренних каналах для отбора газа.
Аноды и катоды затем предпочтительно, однако не обязательно, соединяют параллельно друг с другом (униполярная конструкция), при отрицательном внешнем полюсе, соединенном с левой (катодной) пробкой из проводящего адгезива и положительном внешнем полюсе, соединенном с правой (анодной) пробкой из проводящего адгезива. Также возможны биполярные конструкции, в которых индивидуальные волокна, или пучки волокон, соединены последовательно друг с другом таким образом, что водород образуется в полых волокнах, открытых на левой стороне электролизера, и кислород образуется в полых волокнах, открытых на правой стороне электролизера.
При приложении электрического напряжения к двум пробкам из проводящего адгезива на каждом конце встречноштыревой структуры, в присутствии воды, газообразный водород образуется на поверхности катодных полых волокон. Как показано на Фиг. 4(b), водород проходит через гидрофобные поры 240 полых волокон во внутренний канал 260 для отбора газа, без образования пузырьков на поверхности катода. Водород направляется, как показано на Фиг. 13, в выпускное отверстие для водорода на левой стороне реактора на Фиг. 13.
В то же самое время, кислород образуется на поверхности анодных полых волокон. Как показано на Фиг. 4(b), водород проходит через гидрофобные поры 240 полых волокон во внутренний канал 270 для отбора газа анодов, без образования пузырьков на поверхности анода. Кислород направляется, как показано на Фиг. 13, в выпускное отверстие для кислорода на правой стороне реактора на Фиг. 13.
Соответственно, модуль, изображенный на Фиг. 13, образует водород и кислород при приложении подходящего напряжения и когда вода проходит через модуль. Имеется ряд других вариантов изготовления модуля из полых волокон для электролиза воды по данному изобретению. Для того чтобы продемонстрировать другой, неограничивающий, вариант, ссылка сделана на Фиг. 14.
На Фиг. 14, аноды и катоды из полых волокон не являются встречноштыревыми, а вместо этого были включены в две отдельные многослойные сборки, которые расположены одна напротив другой. На левой стороне, множество параллельных катодов 1410 из полых волокон было расположено совместно внутри корпуса 1430 модуля, в то время как на правой стороне множество параллельных анодов 1420 из полых волокон было расположено совместно внутри корпуса 1430 модуля. Протонообменная мембрана или протонообменный материал может необязательно быть расположен между полыми волокнами катода и анода.
При приложении электрического напряжения к двум пробкам из проводящего адгезива на каждом конце модуля, в присутствии подходящего водного электролита, заполняющего модуль, газообразный водород образуется на поверхности катодных полых волокон 1410 и перемещается к выпускному отверстию для водорода через поры материалов и их полые внутренние части. Газообразный кислород аналогично образуется на поверхности анодных полых волокон 1420 и перемещается к выпускному отверстию для кислорода через поры материалов и их полые внутренние части. Соответственно, модуль, изображенный на Фиг. 14, образует водород и кислород при приложении подходящего напряжения и когда модуль заполнен подходящим водным электролитом.
2
Поскольку такие модули для электролиза воды на основе полых волокон имеют большую внутреннюю площадь поверхности, однако сравнительно небольшую общую установочную площадь, они могут функционировать при сравнительно низких общих плотностях тока. Типичная плотность тока может составлять 10 мА/см, что на два порядка меньше по величине, чем плотности тока, используемые в настоящее время в большинстве коммерческих электролизеров для разложения воды. При такой низкой плотности тока возможно образовывать водород при энергетическом КПД, в расчете на ВТС, находящемся вблизи или превышающем 90%. Требования в отношении электропитания и вариантов для последовательного и параллельного электрического соединения индивидуальных ячеек в таких модулях рассмотрены подробно в Примере 6.
Пример 4: Сборка модулей электролизера для разложения воды в электролизные установки
Фиг. 15 схематически изображает, каким образом модули электролизера для разложения воды могут быть собраны в узлы большего размера, которые составляют электролизную установку. Три модуля 1510 (того типа, что описан как 950 на Фиг. 9(c)) присоединяют один к другому посредством прочных фитингов 1520 для быстрого соединения («quick-fit»), которые корректным образом соединяют отдельные каналы для отбора газообразного водорода и кислорода совместно в общие каналы. Объединенные модули затем вводят в толстостенную металлическую трубу 1530, которую герметизируют толстостенной металлической крышкой 1540 на каждом конце. Крышки 1540 делают возможным перемещение воды через трубу и предоставляют возможность трубам для отбора газов выступать наружу из трубы. Воду затем пропускают через герметизированную трубу 1550, как показано, наряду с тем, что напряжение прикладывают к объединенным анодам и катодам в модулях внутри трубы. Получаемые водород и кислород, которые образуются при этом, отбирают, как показано внизу справа на Фиг. 15.
Труба 1530 действует в качестве второй герметизирующей оболочки для образуемого водорода и тем самым выполняет функцию обеспечения безопасности для электролизера. Конфигурация, изображенная на Фиг. 15, предназначена для электролизной установки для разложения воды. В таких установках может быть объединено множество труб, содержащих модули, как показано на фотографии на Фиг. 16. Трубчатые сборки модулей для электролиза воды могут быть объединены подобным образом.
Пример 5: Изготовление электролизера для образования сжатого водорода
Во многих видах применения желательно производить водород при давлении выше атмосферного. По этой причине, большинство коммерческих электролизеров образуют сжатый водород. Например, коммерческие щелочные электролизеры обычно производят водород при давлениях 1-20 бар. Для того чтобы образовать сжатый водород в типичном электролизере, необходимо прикладывать давление к воде, при одновременном обеспечении того, что поддерживается стабильная граница раздела газ-жидкость в воздухопроницаемых электродах при приложенном давлении. А именно, воздухопроницаемый электрод должен типично быть сконструированным таким образом, что вода не выдавливалась через поры в связанные газовые каналы при приложенном давлении.
Уравнением, относящимся к увлажнению пор пористого материала используемой жидкостью и перепаду давления, является уравнение Уошбурна:
C
где P=капиллярное давление, r=радиус поры, γ=поверхностное натяжение жидкости, и φ=краевой угол смачивания жидкостью материала. При применении этого уравнения, может быть рассчитан оптимальный размер пор (для круглых пор), чтобы обеспечить желательную, отчетливую границу раздела жидкость-газ при конкретном перепаде давления.
Например, для политетрафторэтиленового (ПТФЭ) материала при контакте с жидкой водой краевые углы обычно составляют 100-115°. Поверхностное натяжение воды составляет обычно 0,07197 Н/м при 25°C. Если вода содержит электролит, такой как 1 M KOH, тогда поверхностное натяжение воды обычно увеличивается до 0,07480 Н/м. Применение этих параметров к уравнению дает в результате следующие данные:
Размер пор материала, микрометры
Краевой угол смачивания жидкостью материала, градусы
Давление на смачиваемой/ несмачи-ваемой поре, Pa (Н/м<sup>2</sup>)
Давление на смачиваемой/ несмачи-ваемой поре, Pa (бар)
Давление на смачиваемой/ несмачивае-мой поре, Pa (фунты/кв. дюйм)
10
115
6322
0,06
0,9
5
115
12645
0,13
1,8
1
115
63224
0,63
9,2
0,5
115
126447
1,26
18,3
0,3
115
210746
2,11
30,6
0,1
115
632237
6,32
91,7
0,05
115
1264474
12,64
183,3
0,025
115
2528948
25,29
366,7
0,013
115
4863361
48,63
705,2
0,01
115
6322369
63,22
916,7
10
100
2598
0,03
0,4
5
100
5196
0,05
0,8
1
100
25978
0,26
3,8
0,5
100
51956
0,52
7,5
0,3
100
86593
0,87
12,6
0,1
100
259778
2,60
37,7
0,05
100
519555
5,20
75,3
0,025
100
1039111
10,39
150,7
0,013
100
1998290
19,98
289,8
0,01
100
2597777
25,98
376,7
Несмотря на то что многие политетрафторэтиленовые (ПТФЭ) материалы имеют вытянутые, не круглые поры, эти данные указывают, что для перепада давления на воздухопроницаемых материалах в 1 бар при преобразовании жидкости в газ, включающей 1 M KOH (водн.) и политетрафторэтиленовые (ПТФЭ) материалы, где краевой угол составлял 115°, поры должны предпочтительно иметь радиус менее чем 0,5 микрон, более предпочтительно менее чем 0,25 микрон и еще более предпочтительно примерно 0,1 микрон или менее. Таким образом, может быть уменьшена возможность вызывания приложенным давлением введения воды в газовые каналы.
Если краевой угол составлял 100°, тогда для перепада давления на материале 1 бар при преобразовании жидкости в газ, включающей 1 M KOH (водн.) и политетрафторэтиленовые (ПТФЭ) материалы, поры политетрафторэтиленового (ПТФЭ) материала должны предпочтительно иметь радиус или другой характеристический размер менее, чем 0,1 микрон, более предпочтительно менее, чем 0,05 микрон и еще более предпочтительно примерно 0,025 микрон или менее.
Пример 6: Требования в отношении электропитания электролизеров. Адаптация электролизера к доступной трехфазной электроэнергии для максимальной эффективности преобразования переменного тока в постоянный ток.
Как отмечено ранее, индивидуальные анод-катодные ячейки внутри модулей тех типов, что обозначены на изображениях как 950, 1140, 1150, 1210, 1330 и 1430, могут быть соединены последовательно или параллельно, или в виде комбинации этих соединений. Модули, содержащие ячейки при параллельных электрических соединениях, называют униполярными модулями. Модули, содержащие ячейки при последовательных электрических соединениях, называют биполярными модулями (см., например, Фиг. 9(d)-(e)). Кроме того, модули (например, 1510 на Фиг. 15) могут сами быть электрически соединены последовательно или параллельно.
Общая электрическая компоновка, соединены ли ячейки последовательно или параллельно или в виде комбинации таких соединений, существенным образом влияет на требования в отношении электропитания для электролизера. В общем, желательно, по причинам затрат, энергетического КПД и сложности конструкции, конструировать электролизер в целом таким образом, чтобы использовать более высокое полное напряжение и более низкий общий ток. Это обусловлено тем, что затраты на электрические проводники увеличиваются, когда токовая нагрузка возрастает, тогда как затраты на оборудование для выпрямления тока (преобразования переменного тока в постоянный) на единицу выходной мощности уменьшаются, когда выходное напряжение увеличивается. Еще более предпочтительно, поскольку требуется электроэнергия постоянного тока, чтобы электролизер в целом был изготовлен таким образом, чтобы электрические потери, включенные в преобразование переменного тока промышленной системы энергоснабжения или системы энергоснабжения зданий в постоянный ток, были минимизированы, в идеальном случае до менее чем 10%. В идеальном случае, требования в отношении электропитания для конфигурации электролизера в целом будут соответствовать трехфазной промышленной системе энергоснабжения или системе энергоснабжения зданий, которая имеется в распоряжении. Это обеспечивает практически 100%-ную эффективность в преобразовании переменного тока в постоянный ток.
2
2
Для того чтобы проиллюстрировать различные изменения, рассмотренные выше, ссылка сделана на пример модуля тех типов, что обозначены на изображениях как 950, 1140, 1150, 1210, 1330 и 1430. Для целей примера, будет предположено, что каждый модуль спроектирован таким образом, что содержит 20 индивидуальных ячеек, содержащих один воздухопроницаемый анод и один воздухопроницаемый катод 1 м каждый, при этом каждая ячейка функционирует при 1,6 В постоянного тока (=энергетическому КПД 93% в расчете на ВТС) и плотности тока 10 мА/см. При этих условиях, каждая ячейка будет образовывать 90 граммов водорода в день (24 часа), и каждый модуль будет образовывать 1,8 кг водорода в день.
Варианты для требований к электропитанию модуля этого типа могут быть следующими:
(1) Если модуль являлся униполярным, при ячейках, расположенных исключительно параллельно, тогда требовалась бы подача электрической мощности, способной к предоставлению 1,6 вольт постоянного тока и тока 2000 ампер (3,2 кВт в целом).
(2) Если модуль являлся биполярным, при ячейках, расположенных исключительно последовательно, тогда требовалась бы подача электрической мощности, способной к предоставлению 32 вольт постоянного тока и тока 100 ампер (3,2 кВт в целом).
В общем, биполярный модуль мог бы быть дешевле, более эффективным и менее сложным по отношению к электропитанию, поскольку он мог бы использовать более низкий ток и более высокое напряжение.
Если 60 модулей вышеуказанных типов были электрически объединены, тогда это, опять же, могло быть выполнено параллельным или последовательным образом. Варианты для требований к электропитанию являются следующими:
(1) При параллельном расположении униполярных модулей, требованием в отношении общего электропитания являлось бы 1,6 вольт постоянного тока и 120000 ампер (192 кВт в целом).
(2) При последовательном расположении униполярных модулей, требованием в отношении общего электропитания являлось бы 96 вольт постоянного тока и 2000 ампер (192 кВт в целом).
(3) При параллельном расположении биполярных модулей, требованием в отношении общего электропитания являлось бы 32 вольт постоянного тока и 6000 ампер (192 кВт в целом).
(4) При последовательном расположении биполярных модулей, требованием в отношении общего электропитания являлось бы 1920 вольт постоянного тока и 100 ампер (192 кВт в целом).
При всех этих условиях, электролизер будет образовывать 108 кг водорода в день.
Оптимальная общая электрическая конфигурация для типичного электролизера может быть определена посредством нацеливания на соответствие его требования к электропитанию трехфазной промышленной системе энергоснабжения или системе энергоснабжения зданий, которая имеется в распоряжении. Если это может быть достигнуто, то потери мощности при переходе от переменного тока к постоянному току могут быть ограничены, по существу, до нулевой величины, поскольку лишь диоды и конденсаторы требуются для выпрямителя, и не требуется трансформатор.
2
2
Например, в Австралии трехфазная электросеть предоставляет 600 вольт постоянного тока, при максимальной токовой нагрузке 120 ампер. Если индивидуальные ячейки в электролизере функционируют оптимальным образом при 1,6 В постоянного тока и плотности тока 10 мА/см, и содержат один воздухопроницаемый анод и один воздухопроницаемый катод 1 м каждый, то для электролизера требуется 375 ячеек, соединенных последовательно, чтобы приводиться в действие от 600 вольт постоянного тока. Каждая индивидуальная ячейка будет в таком случае находиться под напряжением 1,6 вольт постоянного тока. Общий ток, потребляемый таким электролизером, будет составлять 100 ампер, предоставляя общую мощность 60 кВт.
Для того, чтобы собрать такой электролизер могут быть объединены 19 вышеуказанных модулей биполярного варианта при последовательном соединении. Это привело бы в совокупности к 380 ячейкам, каждая из которых находилась бы под напряжением 600/380=1,58 вольт постоянного тока. Общий ток, потребляемый электролизером, составлял бы 101 ампер, что согласуется с максимальной токовой нагрузкой Австралийской трехфазной системы энергоснабжения. Такой электролизер образовывал бы 34,2 кг водорода за 24-часовой день, при почти 100%-ной эффективности в преобразовании переменного тока в постоянный ток. Он может быть включен в стандартную трехфазную стенную розетку.
Узел преобразования переменного тока в постоянный ток в системе энергоснабжения, требуемый для такого электролизера, мог бы иметь очень простую конструкцию из шести диодов и конденсаторов размером с банку для напитка, соединенных проводами треугольником, как показано на Фиг. 17. Узлы этого типа являются в настоящее время коммерчески доступными (например, «SEMIKRON - SKD 160/16 - BRIDGE RECTIFIER, 3 PH, 160A, 1600V». Соответственно, стоимость системы энергоснабжения будет также минимизирована, эффективным, обычным и неограничивающим образом в целом.
Имеется несколько альтернативных подходов, в которых имеющаяся в распоряжении трехфазная электроэнергия может быть использована эффективным образом. Например, другим подходом является подвергание трехфазной электроэнергии однополупериодному выпрямлению при применении очень простой схемы, которая опять же использует лишь диоды и конденсаторы и тем самым устраняет потери электрической энергии. Электролизер, приспособленный для однополупериодного выпрямления 300 вольт постоянного тока, будет в идеальном случае содержать 187 индивидуальных ячеек вышеуказанного типа при последовательном соединении. Такой электролизер может быть изготовлен из 9 биполярных модулей, соединенных последовательно, которые содержат 180 индивидуальных ячеек. Каждая ячейка будет находиться под напряжением 1,67 вольт постоянного тока. Общий потребляемый ток будет составлять 96 ампер. Такой электролизер будет образовывать 16,2 кг водорода за 24-часовой день. Он может быть включен в стандартную трехфазную стенную розетку.
Пример 7: Электрохимический реактор, имеющий многослойную конфигурацию из плоских листов («Модуль типа пластина-рама»)
Фиг. 18(a) предоставляет перспективное изображение с пространственным разделением деталей, которое иллюстрирует, каким образом несколько электродов из однослойного или листового материала может быть объединено внутри электролизера типа «пластина-рама». Приведенные ниже элементы включены в виде пакета в структуру типичного электролизера или присоединены к ней:
(1) Две торцевых платы 1600, каждая из которых содержит углубленную камеру 1610 для отбора газа, в которую встроена пористая пластиковая опора 1620;
(2) Электрод 1630 из газопроницаемого материала (анод), который может включать материал Gortex, или подобный материал, покрытый проводящим каталитическим слоем на стороне, обращенной к середине устройства, поддерживаемый внутри полимерной слоистой структуры 1640. Слоистая структура также поддерживает мелкую проводящую сетку 1650 поверх материала электрода со стороны проводящего каталитического слоя. Сетка присоединена к медному соединителю 1660;
(3) Разделитель 1670, внутри которого находится электролит (1 M раствор KOH);
(4) Второй электрод 1680 из газопроницаемого материала (катод), который включает материал Gortex, или подобный материал, покрытый проводящим каталитическим слоем на стороне, обращенной к середине устройства, поддерживаемый внутри полимерной слоистой структуры 1690. Слоистая структура также поддерживает мелкую проводящую сетку 1700 поверх материала электрода со стороны проводящего каталитического слоя. Сетка присоединена к медному соединителю 1710.
При свинчивании или при взаимном прикреплении или соединении иным образом, например посредством клеев, адгезивов или процессов сплавления, как показано на Фиг. 18(b), сборка 1720 может функционировать в качестве высокоэффективного электролизера. Водный раствор (1 M KOH) вводят в пространство между электродами через отверстия 1730 и 1740. Вода заполняет объем внутри разделителя 1670. Когда электрическое напряжение затем прикладывают к медным соединителям 1660 и 1710, вода разлагается на водород и кислород. Газы перемещаются через материалы их соответствующих электродов. Газообразный кислород выпускается из устройства через отверстия 1750 и 1760. Водород выпускается из устройства через соответствующие отверстия на задней стороне сборки 1720.
Несколько таких сборок могут быть объединены в многослойную сборку. Фиг. 18(c)-(d) иллюстрируют, каким образом это может быть сделано. На Фиг. 18(c)-(d), две сборки 1720 объединены посредством включения газоотборного разделительного узла 1770 между ними. Разделительный узел содержит выпускное отверстие 1780 для водорода, которое отбирает водород из каждой из смежных сборок 1720. Для того чтобы облегчить такую компоновку, оба катода 1690 сборок 1720 присоединяют к разделителю 1770, который имеет пористую внутреннюю структуру 1790, через которую образованный водород может проходить перед выпуском через выпускное отверстие 1780. Аноды 1640 сборок 1720 расположены на внешней стороне пакета, вызывая перемещение кислород через выпускные отверстия 1750 и 1760, на внешних сторонах собранного электролизера «пластина-рама».
2
Фиг. 19 изображает данные для функционирования устройства, показанного на Фиг. 18 (a)-(b) при приложении к ячейке напряжения 1,6 V (электрический КПД 94%, в расчете на ВТС), на протяжении трех дней функционирования, при повторяющемся, прерывистом включении и выключении. Как можно видеть, устройство образует газы при сравнительно постоянной скорости, потребляя при этом ток примерно 10-12 мА/см. В течение третьего дня функционирования (Фиг. 19(c)), устройство испытывали при 1,5 В (электрический КПД 99%, в расчете на ВТС) и 1,6 В (электрический КПД 94%, в расчете на ВТС), как показано.
Несколько сборок этого вида могут быть объединены в один, многослойный электролизер типа «пластина-рама», как показано на Фиг. 18(c)-(d).
На протяжении этого описания и формулы изобретения, которая представлена далее, если контекст не требует иного, слово «содержать» и его вариации, такие как «содержит» или «содержащий», следует понимать как подразумевающее включение определенной составной части или этапа или же группы составных частей или этапов, однако без исключения любой другой составной части или этапа или же группы составных частей или этапов.
Также может быть указано, что необязательные варианты осуществления определенно заключаются в частях, элементах и признаках, на которые сделана ссылка или которые указаны в данном документе, индивидуальным или общим образом, в любой или всех комбинациях двух или более частей, элементов или признаков, и в конкретных составных частях, указанных в данном документе, которые имеют известные эквиваленты в данной области техники, к которой относится данное изобретение, такие известные эквиваленты считаются включенными в данный документ, как если бы они были изложены индивидуальным образом.
Несмотря на то что предпочтительный вариант осуществления был описан подробно, следует понимать, что многочисленные модификации, изменения, замещения и поправки будут очевидны специалистам в данной области техники без отклонения от объема данного изобретения.