ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2003 года по МПК C25B1/08 

Изобретение относится к электрохимическим устройствам фильтр-прессного типа и может быть использовано, например, для получения водорода и кислорода высокой чистоты методом электролиза воды.

Известен электролизер фильтр-прессного типа, включающий концевые плиты, между которыми размещена, по крайней мере, пара электрохимических электрически последовательно соединенных ячеек, включающих токоотводы, электроды и разделяющий электроды твердополимерный электролит, образующие в сборе электродные рабочие зоны (Патент на изобретение 2041291, РФ, oпубл. 09.08.1995, МПК⁶ С 25 В 9/00. Электролизер). Электролизер содержит распределительное устройство для подачи реагентов и отвода продуктов реакции, размещенное между соседними электрохимическими ячейками.

Недостатком указанного электролизера являются сложность конструкции в целом и высокая металлоемкость элементов конструкции: токоотводов и распределительного устройства.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является электрохимическое устройство фильтр-прессного типа, включающее концевые плиты, между которыми размещены, по крайней мере, пара уплотнительных рамок с установленными в них демпфирующими токоотводами и электродами и разделяющий электроды твердополимерный электролит, образующие в сборе электродные рабочие зоны. В концевых плитах, уплотнительных рамках и в твердополимерном электролите выполнены отверстия, образующие в сборе каналы для подачи реагентов и отвода продуктов реакции (Свидетельство на полезную модель 22308, РФ, oпубл. 20.03.2002, МПК⁷ С 22 В 9/00. Электрохимическое устройство).

Электродные рабочие зоны, анодная и катодная, соединены с соответствующими каналами для отвода продукта реакции и подачи реагента при помощи распределительных устройств, расположенных между концевыми плитами и соседними ячейками. Распределительные устройства включают разделительные пластины с соосными отверстиями и отверстиями для сообщения с анодом и катодом и эластичные прокладки из изоляционного материала, каждая с четырьмя окнами со щелевыми каналами, зажатые между разделительными пластинами или разделительными пластинами и концевыми плитами.

Существенным недостатком описанной конструкции является ее недостаточная технологичность вследствие большого количества деталей и операций, применяемых при изготовлении и сборке элементов конструкции распределительных устройств и электрохимического устройства в целом.

Перед авторами изобретения стояла задача упрощения конструкции электрохимического устройства, снижения материалоемкости и технологических затрат при сохранении эксплуатационных и технических характеристик устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в электрохимическом устройстве фильтр-прессного типа, включающем концевые плиты, между которыми размещены, по крайней мере, пара уплотнительных рамок с установленными в них демпфирующими токоотводами и электродами и разделяющий электроды твердополимерный электролит, образующие в сборе электродные рабочие зоны, с выполненными в концевых плитах, уплотнительных рамках и в твердополимерном электролите отверстиями, образующими в сборе каналы для подачи реагентов и отвода продуктов реакции, в уплотнительных рамках с противоположной от электролита стороны выполнены щелевые пазы, соединяющие каждую электродную рабочую зону с соответствующими каналами для отвода продукта реакции и подачи реагента, при этом щелевые пазы выполнены не на всю толщину рамки и армированы вставками.

Таким образом, в заявляемом техническом решении распределительное устройство сформировано внутри электрохимической ячейки. Уплотнительная рамка в данном техническом решении сочетает в себе одновременно несколько функций: уплотнения электродных рабочих зон и конструкции устройства в целом, формирования объема электродной рабочей зоны, в которой протекает электрохимическая реакция, а также создания транспортного потока между каналами для подачи реагентов в электродные рабочие зоны и отвода из них продуктов реакции.

Выполнение в уплотнительных рамках с противоположной от электролита стороны щелевых пазов, соединяющих каждую электродную рабочую зону с соответствующими каналами для отвода продукта реакции и подачи реагента, позволяет сформировать распределительное устройство внутри ячейки и вследствие этого отказаться от большого количества деталей и операций, применяемых при изготовлении и сборке элементов известной конструкции распределительного устройства и электрохимического устройства в целом.

Выполнение щелевых пазов не на всю толщину рамки и их армирование вставками позволяет одновременно с повышением технологичности изготовления электрохимического устройства обеспечить надежный отвод продуктов реакции и подачу реагента в рабочие электродные зоны и сохранить эксплуатационные и технические характеристики электрохимического устройства фильтр-прессного типа за счет обеспечения жесткости структуры, сохранения плоскостности электродов в процессе эксплуатации устройства, равномерного токораспределения по твердополимерному электролиту.

Сохранение целостности уплотнительных рамок со стороны твердополимерного электролита за счет выполнения щелевых пазов не на всю толщину рамки и их армирование вставками позволяет сохранить плоскостность твердополимерного электролита и герметичность конструкции при перепадах давления между анодной и катодной рабочими зонами, не допуская перетекания продуктов реакции из одной зоны в другую.

Предложенное щелевое соединение электродных рабочих зон с соответствующими каналами для отвода продукта реакции и подачи реагента уменьшает переходные сопротивления за счет уменьшения элементов конструкции распределительного устройства и улучшения электрического контакта между токоотводами и электродами.

В заявляемом устройстве обеспечивается целостность твердополимерного электролита за счет выравнивания механических воздействий на электролит и устранения электрических пробоев в электродных рабочих зонах.

Указанная совокупность отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого электрохимического устройства критерию "новизна".

Положительный эффект заявляемой конструкции, выраженный в снижении материалоемкости и технологических затрат на изготовление устройства при сохранении его эксплуатационных и технических характеристик, не вытекает явным образом из указанной совокупности существенных признаков, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

В заявляемом устройстве решаются все основные технологические проблемы создания электрохимических устройств фильтр-прессного типа: герметичность, сохранение объемов электродных рабочих зон, надежные электрические контакты, организация подачи реагентов и отвода продуктов реакции, сохранение целостности твердополимерного электролита в процессе эксплуатации.

Предельная простота конструкции и ее эксплуатационная надежность позволяют считать вопрос оптимизации конструкции данного типа устройств практически решенным и перенести внимание по совершенствованию электрохимических устройств на вопросы электрохимии.

Сущность изобретения поясняется чертежами и описанием конструкции заявленного электрохимического устройства фильтр-прессного типа.

На фиг. 1 представлен общий вид в изометрии электрохимического устройства, состоящего из двух электрохимических ячеек, соединенных электрически последовательно и гидравлически параллельно. На фиг.2 показана в изометрии уплотнительная рамка со щелевыми пазами. На фиг.3 показана армирующая вставка щелевого паза.

Электрохимическое устройство фильтр-прессного типа состоит из концевых плит 1, между которыми размещены уплотнительные рамки 2. В рамках 2 установлены демпфирующие токоотводы 3 и электроды, одни из которых служат анодами 4, а другие - катодами 5. Анод 4 и катод 5 разделены твердополимерным электролитом 6. Уплотнительная рамка 2, токоотвод 3 и анод 4, ограниченные с одной стороны концевой плитой 1, а с другой - твердополимерным электролитом 6, образуют электродную (анодную) рабочую зону. Уплотнительная рамка 2, токоотвод 3 и катод 5, ограниченные с одной стороны тем же твердополимерным электролитом 6, а с другой стороны - разделительной пластиной 7, образуют электродную (катодную) рабочую зону. Разделительная пластина 7 выполняет функцию концевой плиты для отдельной электрохимической ячейки и функцию разделительной пластины в устройстве, состоящем из двух электрохимических ячеек, соединенных электрически последовательно и гидравлически параллельно. Увеличение числа электрохимических ячеек между концевыми плитами повышает производительность электрохимического процесса за счет увеличения суммарной площади электродных рабочих зон, а их число является результатом компромисса между производительностью электрохимического устройства (количеством продуктов реакции в единицу времени) и ресурсом работы устройства в целом.

В уплотнительных рамках 2 с противоположной от электролита 6 стороны выполнены щелевые пазы 8, 9, 10 и 11.

В концевых плитах 1, в уплотнительных рамках 2 и в твердополимерном электролите 6 выполнены соосные отверстия 12, которые образуют канал 13 для отвода продукта реакции через щелевой паз 10 из катодной рабочей зоны, например водорода при электролизе воды.

В концевых плитах 1, в уплотнительных рамках 2 и в твердополимерном электролите 6 выполнены соосные отверстия 14, которые образуют канал 15 для отвода продукта реакции через щелевой паз 9 из анодной рабочей зоны, например кислорода.

В концевых плитах 1, в уплотнительных рамках 2 и в твердополимерном электролите 6 выполнены соосные отверстия 16, которые образуют канал 17, и отверстия 18, образующие канал 19, и служат для подачи реагентов через щелевые пазы 8 и 11 в обе электродные рабочие зоны, например для подачи воды.

Щелевые пазы 8, 9, 10, 11 (см. фиг.2) выполнены не на всю толщину рамки 2 и армированы вставками 20 (см. фиг.3).

В концевых плитах 1, в уплотнительных рамках 2, в твердополимерном электролите 6 и в разделительной пластине 7 выполнены соосные отверстия 21 (см. фиг.2) для сборки элементов устройства в единую конструкцию фильтр-прессного типа.

Концевые плиты 1 имеют габаритные размеры, например по высоте, ширине и длине соответственно 90, 70 и 10 мм, и изготовлены из титана ВТ 1-0 ГОСТ 23755-79.

Уплотнительные рамки 2 изготовлены из смеси резиновой 51-1742НТА ТУ 38405584-85 с габаритными размерами 90, 70 и 3 мм (см. фиг.2).

Демпфирующие токоотводы 3 изготовлены из профилированной объемной сетки, сформированной из титанового листа ВТ 1-0-0,2 ОСТ 196027-71 толщиной 0,2 мм. Сетка представляет собой объемную рельефную поверхность высотой 2-2,2 мм с образующимися внутри прерывистыми каналами, причем все каналы в местах разрыва смещены относительно друг друга на 1/3 длины профиля канала, образуя проемы, обеспечивающие прочную связь между каналами.

Вершины профиля сетки обеспечивают надежный токопроводящий контакт с электродами 4 и 5, с одной стороны, а с другой стороны - с концевыми плитами 1 и разделительной пластиной 7.

Прерывистые каналы сетки формируют проток реагентов, например воды, и выход продуктов реакции, например кислорода и водорода. Продольные промежуточные канавки между профилями способствуют выравниванию давления реагентов и продуктов реакции во всех каналах, перераспределяя давление через прорези между профилями, что исключает возможные локальные пересыхания или образование стоячих пузырьков, обеспечивая водогазообмен.

Демпфирующие токоотводы 3 расположены в электрохимическом устройстве, например, таким образом, что направляющие прерывистых каналов сетки перпендикулярны потоку реагента в электродных рабочих зонах.

Электроды, одни из которых служат анодами 4, а другие - катодами 5, изготавливаются из пористого титана ППТ-ЭМ-МП-0,8 ТУ 14-1-1895-76 и имеют геометрические размеры 50, 50 и 0,8-1,0 мм. Со стороны твердополимерного электролита электроды имеют покрытия: анод 4 - покрытие из платины и иридия, катод 5 - покрытие из платиновой черни. Материалы покрытий являются катализаторами для эффективного протекания электрохимической реакции, например, при электролизе воды.

Твердополимерный электролит 6 представляет собой мембрану типа МФ-4ск-4 ТУ 6-05-041-944-87 толщиной 0,2 мм и габаритными размерами 90 и 70 мм.

Разделительная пластина 7 изготовлена из титанового листа ВТ 1-0-0,8 ГОСТ 22178-76 и имеет размеры 90, 70 и 0,8 мм.

В уплотнительных рамках 2 с противоположной от электролита 6 стороны выполнены щелевые пазы 8, 9, 10 и 11 глубиной 2 мм и шириной 6 мм. Щелевые пазы армированы вставками из титанового листа ВТ 1-0-0,5 ГОСТ 22178-76 толщиной 0,5 мм по всей образующей щелевого паза.

В концевых плитах 1, в уплотнительных рамках 2, в твердополимерном электролите 6 и в разделительной пластине 7 выполнены соосные отверстия 12, 14, 16 и 18 диаметром 8 мм, которые в сборе образуют каналы 13, 15, 17 и 19 для отвода продуктов реакции, например водорода (канал 13) и кислорода (канал 15), из электродных рабочих зон и для подачи в них реагента (каналы 17 и 19), например воды.

Соосные отверстия 21 в концевых плитах 1, в уплотнительных рамках 2, в твердополимерном электролите 6 и в разделительной пластине 7 имеют диаметр 11 мм и служат для сборки устройства в единую конструкцию фильтр-прессного типа с помощью болтов и гаек.

Заявляемое электрохимическое устройство фильтр-прессного типа работает следующим образом, например, при электролизе воды. В анодной рабочей зоне под действием электрического поля в присутствии катализаторов вода, поступающая из канала 19 через щелевой паз 11, подвергается диссоциации H₂O<---->2H⁺+O^-2. Гидратированные катионы (Н⁺+n•Н₂О) проникают через твердополимерный электролит 6 в катодную рабочую зону, где в присутствии катализатора образуется водород 2H⁺+2e^--->H₂, который протоком воды, поступающей в катодную рабочую зону из канала 17 через щелевой паз 8, отводится через щелевой паз 10 в канал 13. Анионы О^-2 (результат диссоциации воды) в анодной рабочей зоне образуют кислород 2О^-2-4e^--->O₂, отводимый протоком воды через щелевой паз 9 в канал 15.

ФГУП "НИИ НПО "Луч" изготовил опытные партии модульного ряда заявляемых электрохимических устройств для осуществления электролиза воды с получением водорода и кислорода. Модификации отличаются количеством электрохимических ячеек от 1 до 18 при рабочем размере электродных зон 50х50 мм, потребляемой мощностью от 0,020 до 0,688 кВт и производительностью по водороду от 5 до 124 л/ч и кислороду от 2,5 до 62 л/ч.

Сравнительные данные эксплуатационных и технических характеристик известного устройства, принятого за прототип, и заявляемого устройства при получении водорода и кислорода методом электролиза дистиллированной воды (удельное сопротивление - более 10⁶ Ом•см) приведены в таблице.

По сравнению с известной конструкцией электрохимического устройства, принятого за прототип и выпускаемого ФГУП "НИИ НПО "Луч" серийно, заявляемое электрохимическое устройство фильтр-прессного типа характеризуется значительным упрощением конструкции, снижением материалоемкости в среднем по устройству в целом до 30%, снижением технологических затрат до 40% при сохранении эксплуатационных и технических характеристик устройства.

Проводимые ФГУП "НИИ НПО "Луч" в течение 1 года и продолжающиеся в настоящее время сравнительные испытания серийно изготавливаемых электрохимических устройств, принятых за прототип, и заявляемого устройства показывают устойчивую тенденцию в превосходстве эксплуатационных и технических характеристик заявляемого устройства при значительном упрощении конструкции заявляемого электрохимического устройства, снижении материалоемкости и технологических затрат при его изготовлении.

Электрохимическое устройство фильтр-прессного типа для получения кислорода и водорода методом электролиза воды. Между концевыми плитами 1 расположены электрохимические ячейки, разделенные пластиной 7. В уплотнительных рамках 2 установлены демпфирующие токоотводы 3, электроды 4, 5 и разделяющий их твердополимерный электролит 6, образующие электродные рабочие зоны. В концевых плитах 1, уплотнительных рамках 2 и в твердополимерном электролите 6 выполнены отверстия 12, 14, 16, 18, образующие каналы для подачи реагентов 17, 19 и отвода продуктов реакции 13, 15. Армированные вставками 20 щелевые пазы 8, 9, 10, 11 соединяют электродные рабочие зоны с каналами для подачи реагентов 17, 19 и каналами отвода продуктов реакции 13, 15. Щелевые пазы 8, 9, 10, 11 выполнены в уплотнительных рамках 2 и имеют ширину меньше ширины рамки. Технический результат заключается в снижении материалоемкости и технологических затрат. 3 ил., 1 табл.

Электрохимическое устройство фильтр-прессного типа, включающее концевые плиты, между которыми размещены, по крайней мере, пара уплотнительных рамок с установленными в них демпфирующими токоотводами и электродами и разделяющий электроды твердополимерный электролит, образующие в сборе электродные рабочие зоны, при этом в концевых плитах, уплотнительных рамках и в твердополимерном электролите выполнены отверстия, образующие в сборе каналы для подачи реагентов и отвода продуктов реакции, отличающееся тем, что в уплотнительных рамках с противоположной от электролита стороны выполнены щелевые пазы, соединяющие каждую электродную рабочую зону с соответствующими каналами для отвода продукта реакции и подачи реагента, при этом щелевые пазы выполнены не на всю толщину рамки и армированы вставками.