Способ получения водорода
METHOD FOR PRODUCING HYDROGEN

Изобретение относится к электрохимии и может быть использовано для получения водорода и тепла и с применением электролитических ячеек.
Известно техническое решение [RU 93804, U1, С25В 11/10, 10.05.2010], согласно которому дистиллированную воду подают в анодное пространство ячейки, содержащей размещенные в корпусе пористые токопроводящие электроды и твердый полимерный электролит, причем на поверхность пористых электродов предварительно наносят смесь оксидов на основе празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая производительность.
Известен способ получения водорода при электролизе [RU 2532561, С2, С25В 1/04, 10.11.2014], согласно которому подают энергию от источника энергии на анод и активированный катод в электролизере, а полученный в результате электролиза водород направляют в накопитель водорода и производят отбор тепла, выделяющегося в процессе электролиза в теплообменник, причем, энергию для электролиза поставляют от возобновляемых источников энергии в импульсном режиме подачи тока, а отбор тепла осуществляют посредством циркуляции теплоносителя в теплообменнике-аноде, выполненном в виде изогнутой по спирали полой трубки, при этом, активацию катода проводят импульсным П-образным электрическим током непосредственно в электролите электролизера, в качестве которого использована морская вода с содержанием соли от 3,5 до 40 г/л.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая производительность.
Кроме того, известен способ получения водорода [RU 2497748, С2, С25В 3/38, 10.11.2013], согласно которому проводят реакцию паровой каталитической конверсии углеродсодержащей жидкости с получением продуктов реакции, содержащих водород, продукты реакции направляют на вход катодного пространства для электролиза в высокотемпературном электролизере, на выходе из катодного пространства выделяют реакционный поток, содержащий синтез-газ, который направляют на каталитический синтез углеродсодержащей жидкости, в анодном пространстве, отделенном от катодного пространства электролитическим слоем, выделяют кислород, углеродсодержащую жидкость возвращают в начало процесса на конверсию, а полученный в процессе синтеза углеродсодержащей жидкости водород очищают от оксидов углерода.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая производительность и относительно высокая сложность.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является техническое решение [US 2632901, С2, С25В 1/13, 11.10.2017], согласно которому электролит подают межэлектродное пространство электролитической ячейки, содержащую непроводящий корпус, имеющий входной и выходной электроды, первую проводящую сетку, помещенную внутри корпуса, вторую проводящую сетку, помещенную внутри корпуса с промежутком от первой проводящей сетки и смежный канал, направленный к выходному электроду, множество проводящих микросфер в основном однородного размера и плотности с электрическим контактом с первой проводящей сеткой и изолированными от второй проводящей сетки, причем, проводящие микросферы выполнены с тонким проводящим металлическим покрытием, сформированным химическим соединением с катионной обменной поверхностью сферической полимерной микрокромки.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая производительность.
Задачей, которая решается в изобретении, является создание способа, который обеспечивает большую производительность получения водорода с одновременным увеличением уровня генерации тепловой энергии.
Требуемый технический результат заключается в повышении производительности получения водорода с одновременным увеличением уровня генерации тепловой энергии.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в способе, согласно которому в заполненную микросферами реакционную зону электролитной ячейки, размещенной между катодом и анодом подают электролит, при этом, согласно изобретению, концы катода и анода в месте их контакта с реакционной зоной, выполняют в виде перфорированных дисков, причем, отверстия перфорации равномерно распределяют по площади перфорированных дисков для обеспечения равномерного потока электролита в реакционной зоне для равномерного обтекания микросфер, которые выполняют из нанопористого полистирола с диаметром 1 мм, и покрывают островковым методом пленкой переходных металлов, в поры микросфер включают наноразмерные частицы металлов, чем обеспечивают при подаче положительных импульсов на анод и отрицательных импульсов на катод повышение выхода водорода и выделения тепла, причем, внешние поверхности электродов и соответствующих им перфорированных дисков покрывают электроизолирующей пленкой толщиной 0.1-20 мкм.
На чертеже представлена конструкция электролитической ячейки, с помощью которой реализуют предложенный способ.
На чертеже обозначены: 1 - верхний корпус, 2 - верхний электрод, 3 - диэлектрические сетки, например, из капрона, 4 - уплотнительное кольцо, обеспечивающее защиту от протечки электролита между диэлектрической емкостью цилиндрической формы и корпусом, 5 - фланец, обеспечивающий сжатие уплотнительного кольца для более эффективного уплотнения, 6 - диэлектрическая емкость цилиндрической формы, 7 - микросферы с диаметром 1 мм из полистирола, покрытого металлом, например, палладием, 8 - нижний корпус, 9 - нижний электрод, 10 - перфорированные диски.
Верхний 2 и нижний 9 электроды выполнены, в частности, из титана, имеют форму трубки и покрыты резистивной пленкой толщиной, например, 100 нм. На концах верхнего 2 и нижнего 9 электродов в месте соединения с диэлектрической емкостью 6 цилиндрической формы закреплены перфорированные диски 10 с диаметром, соответствующим внутреннему диаметру диэлектрической емкости 6 цилиндрической формы.
Используется электролитическая ячейка следующим образом.
4
Через электролитическую ячейку прокачивают снизу вверх электролит, например, 2-х молярный раствор соли LI SO. Так, как микросферы 7 электропроводны, то для предотвращения короткого замыкания установлены диэлектрические сетки 3. При этом, внешние поверхности верхнего 2 и нижнего 9 электродов и соответствующих им перфорированных дисков 10 покрыты электроизолирующей пленкой с толщиной 0.1-20 мкм. При меньшей толщине возникают технологические трудности изготовления и снижается надежность сохранения пленки в процессе эксплуатации, а при большей толщине снижается интенсивность выхода целевого продукта.
4
Верхний 2 и нижний 9 электроды выполнены с возможность подачи и вывода в реакционную зону диэлектрической емкости 6 цилиндрической формы электролита в виде двухмолярного раствора соли LI SO.
Диэлектрическая емкость цилиндрической формы выполнена с возможностью размещения в ее реакционной зоне микросфер, представляющих собой, например, нанопористые сферические сферы из полистирола с диаметром 1 мм, покрытые островковым методом пленкой переходных металлов в поры которых включены наноразмерные частицы металлов.
На электроды подается импульсное напряжение, например, 100…200 вольт. Получаемая тепловая энергия подсчитывается как разница температур на выходе (на выходе верхнего электрода 2) по отношению температуры на входе (на входе нижнего электрода 9), умноженная на величину расхода электролита через ячейку и на его теплоемкость.
Благодаря введенным верхнему и нижнему перфорированным дискам 10 с диаметром, соответствующим внутреннему диаметру диэлектрической емкости 3 цилиндрической формы, каждый из которых закреплен на концах, соответственно, верхнего 2 и нижнего 9 электродов, которые используются для ввода и вывода электролита в реакционной зоне диэлектрической емкости 6 цилиндрической формы, обеспечивается более равномерное обтекание электролитом микросфер, что повышает интенсивность формируемого потока водорода и выделения тепла.
Такое же повышение интенсивности формируемого потока водорода и выделения тепла возникает и за счет покрытия электродов и перфорированным дискам электроизолирующей пленкой. Это обеспечивает более равномерное электромагнитное поле в реакционной зоне и также способствует повышению интенсивности формируемого потока водорода и выделению тепла.
Подавая импульс положительной полярности на анод и соответственно, противоположной полярности на анод островковые наноразмерные пленки металла на поверхности микросфер и нано размерные частицы металла в их порах реализуют протекание трех процессов. Это - подогрев электролита и повышении эффективности процесса электролиза. Подогрев катализаторов разложения воды на ионы, разряда последних на атомарные радикалы и катализаторов «сборки» молекул водорода и кислорода. Причем, за счет экзотермичности процессов «сборки» температура электролита повышается существенно сильнее, чем это достигается только от джоулева тепла, протекающего тока, чем увеличивают интенсивность процесса электролиза. При этом, используют все указанные процессы в комплексе и, тем самым, повышают выход водорода, против процесса в обычной электролитической ячейке.
Экспериментально установлено, что длительность импульса положительной полярности следует выбирать больше длительности импульсов отрицательной полярности, а соотношение длительностей подбирать из условия максимального нагрева электролита в реакционной зоне и максимального выделения водорода при минимальной мощности потребления из источника электроэнергии.
Таким образом, указанные выше усовершенствования позволили получать существенно большее количество водорода и тепла, чем и достигается требуемый технический результат.