СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДНО-ДИАФРАГМЕННОГО БЛОКА ДЛЯ ЩЕЛОЧНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ВОДЫ
METHOD OF MAKING ELECTRODE-DIAPHRAGM UNIT FOR ALKALINE WATER ELECTROLYSIS CELL

Изобретение относится к технологии изготовления и сборки рабочего элемента «анод/диафрагма/катод» в форме электродно-диафрагменного блока для электролизеров воды с щелочным электролитом. Изобретение обеспечивает упрощение процесса сборки ячеек и батарей щелочного электролизера и снижение его энергопотребления.
Известен способ изготовления мембранно-электродных блоков для электролизеров воды с твердополимерным электролитом [Патент RU 2392698. Способ изготовления мембранно-электродного блока с бифункциональными электрокаталитическими слоями], при котором на поверхности протон-проводящей мембраны формируют электрокаталитический слой. Недостатком данного технического решения является то, что протон-проводящие мембраны и соответствующие электрокатализаторы не могут быть применены в электролизе воды с щелочным электролитом.
Наиболее близким по технической сущности является способ компоновки электродно-диафрагменного блока для щелочных электролизеров воды с «нулевым зазором» [М. Треггер. Уровень технического развития в области щелочного электролиза//Труды 2-го Международного симпозиума по водородной энергетике. 1-2 ноября 2007. Изд. МЭИ, М., 2007]. Способ включает: приготовление формующего раствора диафрагмы, представляющего раствор полимера полисульфонового ряда с гидрофильным наполнителем (например, диоксид титана, циркония или полисурьмяную кислоту) в органическом растворителе; нанесение формующего раствора полимера на подложку (например, стекло или сетку); погружение подложки с формующим раствором в воду для формирования диафрагмы методом фазовой инверсии; формирование электродно-диафрагменного блока прижатием электродов к изготовленной диафрагме. Недостатком данного технического решения является то, что диафрагма и электроды электродно-диафрагменного блока представляют собой отдельные элементы. Это обусловливает усложнение процесса сборки ячеек и батарей электролизера, поскольку в случае избыточного сдавливания, диафрагма может быть повреждена электродами, либо в случае недостаточно плотного прилегания электродов к диафрагме, в ходе эксплуатации между ними могут образовываться скопления газа, что приводит к снижению удельной электропроводности электролита и/или термической деструкции диафрагмы. Кроме того, отсутствие промежуточного слоя приводит к возникновению дополнительного электросопротивления на границе «поверхность диафрагмы/поверхность электрода», вносящего вклад в суммарное увеличение напряжения и энергопотребления электролизера.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в совершенствовании конструкции, процессов производства и улучшении электрохимических характеристик щелочных электролизеров воды.
Технический эффект, возникающий при решении поставленной задачи и заключающийся в упрощении сборки ячейки и батареи электролизера, а также снижении его энергопотребления, достигается тем, что в известном способе изготовления электродно-диафрагменного блока для щелочного электролизера воды, включающем приготовление формующего раствора диафрагмы, нанесение формующего раствора на подложку, изготовление диафрагмы методом фазовой инверсии и формирование электродно-диафрагменного блока прижатием электродов с двух сторон диафрагмы, согласно изобретению пористые электроды предварительно вдавливают в формующий раствор диафрагмы, нанесенный на сетчатую подложку, используя текучесть формующего раствора диафрагмы, и затем погружают полученный элемент в воду для проведения фазовой инверсии, приводящей к формированию пористого диафрагменного материала и фиксации электродов материалом диафрагмы и к формированию электродно-диафрагменного блока, в котором электроды и диафрагма представляют собой единый рабочий элемент. Кроме того, на поверхность формующего раствора диафрагмы, перед вдавливанием электродов, напылением из суспензии в органическом растворителе наносят промежуточный слой диоксида титана, модифицированного металлическим никелем.
x
2
4
Основой электродно-диафрагменного блока для щелочного электролизера воды является диафрагма на основе полимерной матрицы, получаемая методом фазовой инверсии [Кулешов Н.В., Кулешов В.Н., Терентьев А.А. Патент RU 2322460]. В качестве электродов может быть использована никелевая сетка, электроды с поверхностно-скелетными катализаторами, но более предпочтительными являются электроды на основе никелевой просечно-вытяжной сетки (размер ячейки 0.5-1.5 мм) с пористым никелевым покрытием, получаемым гальваническим нанесением мелкодисперсного никелевого порошка из стандартной ванны Уоттса для никелирования. Пористое никелевое покрытие может быть дополнительно модифицировано катализаторами катодных процессов (NiP) и катализаторами анодных процессов (NiCoO) [Кулешов В.Н., Коровин Н.В., Кулешов Н.В., Удрис Е.Я., Бахин А.Н “Разработка новых электрокатализаторов для низкотемпературного электролиза воды” // Электрохимическая энергетика. 2012. Т. 12. №2. С. 51-58].
Предлагаемый способ изготовления электродно-диафрагменного блока для щелочных электролизеров воды заключается в следующем. В среде герметичного перчаточного бокса с осушенной атмосферой (до 0.1 ррm) готовят формующий раствор диафрагменного материала. Для этого растворяют полимер полисульфонового ряда, например, ПСФ-150 (ТУ 6-06-6-88) в диметилацетамиде (х.ч.). Порошок гидрофильного наполнителя (диоксида титана, либо диоксида циркония, либо полисурьмяной кислоты) осушают при 80°C в течение 8 часов, перемалывают с помощью планетарной мельницы и отсеивают на виброгрохоте. Далее подготовленный порошок гидрофильного наполнителя и порообразующего агента (поливинилпирролидон ММ 35.000) добавляют к раствору полимера. В конечном диафрагменном материале содержание полисульфона составляет 20-40 мас. %, а диоксида титана 80-60 мас. % соответственно.
Полученный формующий раствор диафрагменного материала в среде герметичного бокса наносят (с помощью шпателя или напылением) на сетку саржевого плетения толщиной 0.5-1.5 мм и размером ячейки от 0.5×0.5 мм до 1.5×1.5 мм, изготовленную из нитей щелочестойкого полимера, например, полисульфона, полипропилена, монохлортрифторэтилена. Для формирования промежуточного слоя, на поверхность формующего раствора диафрагмы наносят суспензию диоксида титана, модифицированного металлическим никелем, в разбавленном (5 мас. %) растворе полисульфона в диметилацетамиде.
Далее в формующий раствор диафрагменного материала, нанесенный на сетчатую основу и покрытый промежуточным слоем, вдавливают пористые электроды. При этом происходит проникновение формующего раствора диафрагменного материала в поры и каналы электрода. Расстояние между электродами (толщину диафрагмы) задают, выбирая подходящую толщину сетчатой основы диафрагмы. Концентричность электродов обеспечивается отметками на сетке, либо оправкой.
Полученный элемент погружают в воду. При этом происходит инверсия органического растворителя и воды, сопровождающаяся коагуляцией полимерных цепей и формированием губчатой матрицы, а также вымывание порообразователя, сопровождающееся формированием пор и каналов. Полученная пористая полимерная матрица надежно удерживает частицы диоксида титана (гидрофильного наполнителя) и пористое никелевое покрытие электродов.
2
Указанный электродно-диафрагменный блок был испытан в ячейке щелочного электролизера. Ячейка была изготовлена из нержавеющей стали марки Х18Н10Т и снабжена рубашками для термостатирования. Исследования проводили при плотности тока 400 мА/см и температуре 80°C. Для сравнения была испытана ячейка «с нулевым зазором», с аналогичной диафрагмой и электродами, представляющими собой отдельные плотно прижатые элементы. Напряжение, полученное для ячейки с электродно-диафрагменным блоком, составляет 1,78 В, а ячейки «с нулевым зазором» - 1,85 В. Чистота кислорода и водорода, измеренная с помощью газового хроматографа, для обеих ячеек составляет 99,5% и 99,8%, соответственно.