Электролитическая ячейка для получения водорода Российский патент 2020 года по МПК C25B1/12 C25B9/10 C25B9/18 

Область, к которой относится изобретение

[001] Настоящее изобретение имеет отношение к электролитической ячейке для получения водорода путем электролиза воды.

Уровень техники

[002] Известны различные методы получения водорода путем электролиза воды. Среди них можно выделить следующие методы:

- ННО: в этом методе в качестве электролита, то есть средства, обеспечивающего прохождение тока в растворе, используют гидроксид калия КОН или гидроксид натрия NaOH в водном растворе, как правило, 25-35% (масс.). Этот раствор помещают между двумя электродами из нержавеющей стали, и при подаче напряжения на эти два электрода вода разлагается на водород и кислород в той же емкости. В результате получают смесь влажных газов (также содержащих электролит) с соотношением водород/кислород, составляющим 2:1.

- Электролиз щелочной воды: этот наиболее широко используемый метод принципиально подобен методу ННО, отличаясь тем, что камеры, в которых образуются газообразный водород и газообразный кислород, разделены пластмассовой диафрагмой, которая препятствует их смешиванию между собой. На выходе из камер размещены соответствующие очистители для отделения жидкости от газа, с регенерацией электролита, и для удаления небольшой части кислорода, который, проходя через диафрагму, смешивается с водородом.

- РЕМ: является аббревиатурой для термина "Polymer Electrolyte Membrane полимерная электролитная мембрана". В этом методе соответствующие камеры разделены полимерной мембраной, которая действует и как твердый электролит (кислотная электролитная мембрана), и как разделитель камер.

- SOE: является аббревиатурой для термина "Solid Oxide Electrolyte - твердооксидный электролит". Этот метод требует использования высоких температур, воздействующих на водяной пар, и по этой причине этот метод также называют "высокотемпературным электролизом водяного пара". В этом методе электролит выполнен в виде керамической диафрагмы.

- Высокотемпературный щелочной метод: представляет собой новый, недавно разработанный метод, основанный на обычном щелочном методе, который обеспечивает повышение его эффективности благодаря использованию высоких температур (обычно до 400°С).

- АЕМ: является аббревиатурой для термина "Alkaline Electrolyte Membrane - щелочная электролитная мембрана" и является вариантом щелочного метода, в котором в качестве электролита используют полимерную мембрану. Представляет собой недавно разработанный метод, и по этой причине еще не получил широкого применения, хотя сочетает в себе преимущества метода РЕМ и обычного щелочного метода.

[003] В настоящее время в крупномасштабном производстве водорода преобладает обычный щелочной метод, тогда как для небольших масштабов широкое распространение получил метод РЕМ. Метод ННО пригоден для получения газовой смеси очень низкой чистоты, что ограничивает сферу его использования некоторыми конкретными вариантами применения. Высокотемпературный электролиз водяного пара (или SOE) используют только для особых вариантов применения, тогда как высокотемпературный щелочной метод все еще находится в стадии испытаний. В настоящее время в стадии разработки находится метод АЕМ, однако его промышленное применение сталкивается с некоторыми проблемами, связанными с необходимостью разработки подходящих высокоэффективных и долговечных анионообменных (щелочных) мембран.

[004] Основные преимущества обычного щелочного метода и метода РЕМ обусловлены низкой рабочей температурой (приблизительно 80°С и 50°С, соответственно), что позволяет проводить процесс электролиза при умеренной потребности в тепловой энергии по сравнению с высокотемпературными методами, такими как высокотемпературный электролиз водяного пара и высокотемпературный щелочной метод. Кроме того, электролитические ячейки, используемые в обычном щелочном методе и методе РЕМ, имеют относительно быстрые фазу запуска и фазу остановки, которые, вследствие их низких рабочих температур, менее важны, чем соответствующие фазы ячеек, работающих при высоких температурах. Ячейки с полимерными мембранами, используемые в методе РЕМ, являются менее хрупкими, чем твердооксидные ячейки, используемые в методе SOE, и по этой причине они могут быть использованы для получения водорода и кислорода в мобильных вариантах применения и при более высоких давлениях.

[005] Для практических целей обычный щелочной метод и метод РЕМ являются основными методами, используемыми в промышленности, хотя метод АЕМ пользуется растущим интересом на рынке.

[006] По сравнению со щелочными электролитическими ячейками ячейки РЕМ обеспечивают более высокую эффективность выработки водорода в небольших и высокопроизводительных устройствах, которые находят применение в определенных нишах рынка, хотя многие компании пытаются приспособить этот метод для производства больших ячеек, или электролизеров. Кроме того, в ячейках РЕМ не используется жидкий электролит, и они обладают преимуществом, которое заключается в обеспечении высокой плотности тока и высокой производительности.

[007] Проблема, являющаяся общей для обоих упомянутых выше методов, касается чистоты полученного водорода, который насыщен водяным паром. Для решения этой проблемы требуется сушка водорода, выполняемая перед его использованием или хранением.

[008] Еще один недостаток связан с возможностью загрязнения, которое может происходить различным образом в зависимости от конкретного метода: фактически, щелочной электролит очень легко поглощает углекислоту с образованием карбонатов, тогда как метод с использованием кислотной полимерной мембраны (РЕМ) требует использования чрезвычайно чистой воды, чтобы избежать накопления катионов, которые конкурируют с протонами в переносе заряда и обуславливают повышенное электрическое сопротивление ячейки.

[009] Разработка щелочных обменных мембран (alkaline exchange membranes - АЕМ) и их применение в топливных элементах со щелочной мембраной (alkaline membrane fuel cells - AMFC) были обусловлены необходимостью снижения стоимости материалов с тем, чтобы сделать топливные элементы конкурентоспособными с батареями, выполненными по существующим технологиям. Фактически, сильнокислотный характер ионсодержащего полимера и мембраны NAFION^®, материала, разработанного компанией DuPont^® и являющегося основой метода РЕМ, требует использования катализаторов на основе дорогостоящих благородных металлов, главным образом платины, тогда как метод АЕМ позволяет использовать катализаторы на основе дешевых металлов и электроды с более быстрой кинетикой.

[0010] Несмотря на преимущества, упомянутые выше, общая эффективность низкотемпературных методов обычного щелочного и РЕМ не превышает 60%, и может достигать 72% с рекуперацией тепла. Одним из методов повышения энергоэффективности является повышение температуры, как в случае высокотемпературного щелочного метода (до 400°С) или в случае высокотемпературного электролиза водяного пара (до 600-1000°С). К сожалению, устройства, обеспечивающие возможность осуществления таких методов, являются более сложными и имеют значительные размеры, поскольку при таких температурах вода находится в газообразном состоянии и занимает большие объемы. Кроме того, системы управления работой таких устройств являются значительно более сложными.

[0011] Одна из причин низкой эффективности заключается в том, что в современных промышленных установках питание не подают непосредственно на электроды, и ток подают на электроды через соединительные элементы, известные как токосъемники, что значительно снижает эффективность электродов. В большинстве случаев эти компоненты выполнены из пены или сетки на основе никеля.

[0012] Другая причина описанного выше недостатка заключается в том, что в технических решениях, доступных на рынке, предусмотрена водонепроницаемая изоляция между полимерной мембраной и анодной камерой (положительным электродом), что предотвращает просачивание воды мимо мембраны и ее попадание на катод; эту изоляцию обеспечивают, как правило, с помощью кольцевых уплотнений, которые взаимодействуют непосредственно с неметаллическими поверхностями. Наличие таких поверхностей обусловлено необходимостью электрически изолировать анод от катода с помощью пластиковых материалов, поверхности которых непригодны для обеспечения надлежащей водонепроницаемости. Это приводит к невозможности достижения высоких значений давления, создаваемого водородом, которые в результате, как правило, варьируют в пределах значений, не превышающих 35 бар (3,5 МПа).

Сущность изобретения

[0013] Таким образом, основной целью настоящего изобретения является устранение недостатков известного уровня техники путем разработки электролитической ячейки для получения водорода, которая делает возможным упрощение конструкции электролизного устройства, наряду со значительным снижением себестоимости.

[0014] В рамках описанной выше цели одной из задач настоящего изобретения является уменьшение размера ячейки без изменения количества получаемого водорода, или увеличение выхода водорода без изменения размеров ячейки по сравнению с размерами ячеек, обычно используемых в этой области техники.

[0015] Еще одной задачей настоящего изобретения является создание ячейки с повышенной герметичностью, способной выдерживать высокие давления.

[0016] Еще одной задачей настоящего изобретения является повышение производительности ячейки.

[0017] Еще одной задачей настоящего изобретения является снижение стоимости процесса получения водорода.

[0018] Последней, но не менее важной, задачей настоящего изобретения является создание электролитической ячейки для получения водорода, которая позволяет достичь описанную выше цель и решить описанные выше задачи при конкурентных затратах, и которая может быть изготовлена с применением обычных широко известных установок, машин и оборудования.

[0019] Описанная выше цель достигнута, а описанные выше и другие задачи, которые станут более понятными из последующего описания, решены путем создания электролитической ячейки для получения водорода, как определено в п. 1 формулы изобретения.

Краткое описание фигур

[0020] Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из приведенного ниже в качестве примера, который не ограничивает объем изобретения, описания предпочтительного, но не исключительного, варианта осуществления этого изобретения, иллюстрированного сопроводительными фигурами, при этом:

на Фиг. 1 схематически проиллюстрирована работа электролитической ячейки;

Фиг. 2 представляет собой вид в разрезе сборки ячеек для получения водорода, также называемой "электролизной батареей", содержащей две ячейки, соответствующие настоящему изобретению, расположенные вдоль диаметральной плоскости, соответствующей соединительным выводам электродов;

Фиг. 3 представляет собой вид в поперечном разрезе, выполненном вдоль плоскости III-III, соответствующей плоскости, проходящей через анод, сборки ячеек, показанной на Фиг. 2;

Фиг. 4 представляет собой вид в поперечном разрезе, выполненном вдоль плоскости IV-IV, соответствующей плоскости, проходящей через катод, сборки ячеек, показанной на Фиг. 2;

Фиг. 5 представляет собой часть Фиг. 2, соответствующую правой части показанной на Фиг. 2 верхней ячейки;

Фиг. 6 представляет собой местный вид в увеличенном масштабе, на котором показана обозначенная буквой А часть ячейки, показанной на Фиг. 5;

Фиг. 7 представляет собой еще один местный вид в увеличенном масштабе, на котором показана обозначенная буквой В часть ячейки, показанной на Фиг. 5.

Подробное описание изобретения

[0021] Перед подробным описанием настоящего изобретения, для более ясного понимания описания изобретения, ниже приведены определения терминов, употребляемых в настоящем описании, со ссылкой на упомянутые выше фигуры:

- Электролитическая ячейка (или просто "ячейка"): представляет собой емкость, в которой происходит электролитическая реакция. Как показано на Фиг. 1, ячейка 1 состоит по существу из отрицательного электрода 2, положительного электрода 3, мембраны или диафрагмы 4, в зависимости от конкретной технологии;

- Электролиз воды: буквально означает "разложение воды" и обозначает реакцию, в результате которой вода разлагается на ее основные составляющие, т.е. водород и кислород, под действием проходящего через нее электрического тока;

- Электролизная батарея: как показано на Фиг. 2, электролизная батарея 5 представляет собой блок, составленный из нескольких ячеек с целью получения большего потока водорода. Ячейки разделены биполярными защитными пластинами 6, изготовленными из стали. Конструктивные элементы ячейки (т.е. совокупность всех компонентов внутри ячейки) опираются на раму, тогда как ток, подаваемый для осуществления электролитической реакции, подают через токосъемники. Все эти элементы вместе с электродами 2, 3 и мембраной или диафрагмой 4, если таковая имеется, размещены на упомянутой раме. Несколько рам (и, следовательно, несколько ячеек), в зависимости от требуемого потока водорода, расположены вместе одна над другой так, чтобы образовать батарею 5. Батарея 5 закрыта с обеих сторон первой верхней закрывающей пластиной 7 и второй нижней закрывающей пластиной 8 (концевыми пластинами), изготовленными из стали или композиционного материала соответствующей толщины;

- Отрицательный электрод: отрицательный электрод 2 представляет собой отрицательный полюс тока, подаваемого на ячейку. На его контактной поверхности происходит выделение водорода. В технике отрицательный электрод также называют "катодом";

- Положительный электрод: положительный электрод 3 представляет собой положительный полюс тока, подаваемого на ячейку. На его контактной поверхности происходит выделение кислорода. В технике положительный электрод также называют "анодом";

- Катодная камера: катодная камера 9 представляет собой ту часть ячейки (полуячейку), в которой выделяется водород;

- Анодная камера: анодная камера 10 представляет собой ту часть ячейки (полуячейку), в которой выделяется кислород;

- Ионный перенос заряда (или упрощенно "перенос заряда"): электрический заряд может переноситься в проводящем материале электронами или в жидком растворе ионами (электрически заряженными молекулами). Чтобы обеспечить прохождение тока через раствор, необходимо "замкнуть цепь", т.е. сделать так, чтобы существовал контур, в котором ток, подаваемый извне, переносится от одного электрода к другому. Этот механизм называют "ионным переносом заряда", и такой перенос происходит в электролите, который в данном случае состоит из мембраны 4;

- Твердая полимерная мембрана (или упрощенно "мембрана"): мембрана 4 представляет собой компонент, который помещен между двумя упомянутыми камерами, а именно - анодной камерой 10 и катодной камерой 9, с тем, чтобы поддерживать разделение газов (водорода и кислорода) во время их выделения, и выполняет функцию электролита, делая возможным перенос заряда в результате прохождения через нее ионов;

- РЕМ является аббревиатурой для термина "Polymer Electrolyte Membrane - полимерная электролитная мембрана" (в литературе также определена как "протонообменная мембрана"). Помимо этого значения, используемого для него, этот термин употребляют для обозначения метода, в котором в качестве разделителя между анодной камерой 10 и катодной камерой 9 используют твердую полимерную мембрану 4, которая, как уже упоминалось выше, также выполняет функцию электролита, обеспечивая прохождение ионов Н+;

- Ион ОН-: является одним из двух ионов, на которые, вместе с ионом Н+, разлагается вода. Также известен как "щелочной ион". Присутствует в высокой концентрации в едких (основных) веществах;

- Ион Н+: является другим из двух ионов, на которые, вместе с ионом ОН-, разлагается вода. Присутствует в высокой концентрации в кислотных веществах.

[0022] В настоящем изобретении используют в основном метод АЕМ, т.е. щелочной метод с твердым полимерным электролитом (мембраной), что позволяет снизить производственные затраты благодаря использованию катализаторов на основе неблагородных металлов как в аноде 3, так и катоде 2, а также щелочной мембраны 4, обычно доступной на рынке, или, предпочтительно, щелочной мембраны 4 с особенностями, которые будут описаны ниже. Устройство по настоящему изобретению обладает преимуществами как обычного щелочного метода благодаря использованию недорогих материалов, так и метода РЕМ, который делает возможным изготовление компактных электролитических ячеек с высокой плотностью тока и разностью давлений газа, достигающей 30 бар (3 МПа) или даже более высоких значений, и при этом обеспечивает дополнительную экономию за счет упрощения соответствующей промышленной установки в результате устранения необходимости в операции очистки водорода.

[0023] Метод АЕМ является самым инновационным методом электролиза воды и, как уже упоминалось во вводной части описания, до сих пор не получил широкого распространения. Основной принцип и схема технологического процесса, показанные на Фиг. 1, подобны таковым для метода РЕМ, но в этом случае перенос заряда обеспечивается ионами ОН-, как в обычном щелочном методе, вместо ионов Н+, как в методе РЕМ. Таким образом, АЕМ сочетает в себе преимущества обычного щелочного метода, главным образом дешевизну компонентов, и преимущества метода РЕМ, главным образом возможность получения водорода при высоком давлении. Водород, получаемый по этому методу, имеет высокую степень чистоты и высокое давление, что устраняет необходимость в системах последующей очистки и сжатия на выходе из ячейки.

[0024] По существу, особенности и преимущества, обеспечиваемые методом АЕМ по сравнению с обычным щелочным методом и методом РЕМ, заключаются в следующем, как обобщено в приведенной ниже таблице:

- высокая чистота получаемого водорода;

- интенсивный поток водорода на выходе, и поэтому высокая производительность;

- высокое давление водорода на выходе;

- низкое содержание воды в получаемом водороде, и поэтому технологический процесс не требует сушки водорода;

- низкая стоимость материалов;

- возможность использования воды с низкой степенью очистки в качестве топлива (допускается использование деминерализованной воды, обычно используемой для батарей или утюгов);

- низкие эксплуатационные затраты.

[0025] Как показано на Фиг. 1, схема технологического процесса по методу АЕМ заключается в следующем: подаваемую воду (Н₂О) закачивают внутрь анодной камеры 10, после чего вода, проникая через твердую полимерную мембрану 4, вступает в контакт с отрицательным электродом 2, который, под действием подаваемого электрического тока, обеспечивает выделение газообразного водорода H₂ в катодной камере 9. Вместе с газообразным водородом образуются ионы ОН-, которые, перемещаясь к положительному электроду 3, противодействуют перемещению воды из анодной камеры 10 в катодную камеру 9. Когда ионы ОН- входят в контакт с положительным электродом 3, происходит выделение кислорода О₂, который, после пропускания через влагоотделитель 11 для рекуперации воды, присутствующей в газе, высвобождают в атмосферу. Вместе с тем газообразный водород Н₂, образующийся в катодной камере 9, извлекают с очень низким количеством воды, что позволяет использовать его для 90% применений непосредственно без последующих операций очистки. Наличие твердой полимерной мембраны 4 делает возможным сжатие водорода внутри катодной камеры 9 до высоких давлений. Этот процесс повторяется во всех ячейках 1, которые составляют электролизную батарею 5.

[0026] В соответствии с инновационным аспектом настоящего изобретения производительность ячейки 1 можно значительно увеличить, повысив водонепроницаемость изоляции между полимерной мембраной 4 и анодной камерой 10 (положительным электродом 3) с тем, чтобы предотвратить просачивание воды мимо мембраны 4 и ее контакт с катодом 2. Это позволяет увеличить создаваемое водородом давление без применения специальных компрессоров.

[0027] Для достижения этого предназначенная для получения водорода электролитическая ячейка 1 по настоящему изобретению имеет катодную камеру 9, в которой образуется водород, выходящий из полимерной мембраны 4, изготовленную из того же материала, что и анодная камера 10.

[0028] Кроме того, как анодный электрод 3, так и катодный электрод 2 изготовлены как цельная деталь вместо того, чтобы быть изготовленными, как в известных методах, из слоев материалов, уложенных один на другой в многослойную конструкцию. Это позволяет подвергнуть поверхности концевых частей электродов, обозначенных на Фиг. 6 и Фиг. 7 позициями 12, 13, 14, 15 и расположенных соответственно в центральной зоне и периферийной зоне ячейки 1, операциям высокоточной механической обработки, например, шлифованию или пескоструйной обработке, с тем, чтобы сделать их, в частности, подходящими для размещения одного или нескольких кольцевого(-ых) уплотнения(-ий) 16, пригодного(-ых) для работы в условиях давлений, создаваемых при выделении газов, в частности, при образовании водорода.

[0029] Хорошо известно, что эффективность ячейки обратно пропорциональна сопротивлению электродов, и, следовательно, электроды, изготовленные как цельная деталь, в которой отсутствует увеличение сопротивления при переходе от одного слоя к другому, как в случае электродов с многослойной конструкцией, обладают лучшей проводимостью и обеспечивают повышенную эффективность ячейки, которая для ячейки по настоящему изобретению может превышать 80%.

[0030] Как анод 3, так и катод 2 состоят из носителя из устойчивого к щелочной среде проводящего сплава, имеющего компактную и однородную структуру, на который методом осаждения (например, напылением или трафаретной печатью с последующим спеканием) наносят катализаторы для реакции выделения водорода и реакции выделения кислорода. Таким образом, катализаторы также образуют единое целое с электродами 2 и 3.

[0031] Материалом анода 3 может быть металлический сплав или спеченный оксид металла, тогда как катод 2 должен быть изготовлен из материала, стойкого к коррозии в результате контакта со щелочной мембраной 4 (АЕМ), которая, чтобы выполнять свою функцию переноса заряда ионов ОН-, переносимых водой, обязательно должна быть влажной.

[0032] Что касается катализатора, также определяемого как "электрокатализатор", то в последнее время широкое распространение получило использование оксидов переходных металлов, что обусловлено их низкой стоимостью по сравнению с благородными металлами (металлами платиновой группы), такими как иридий и рутений, используемые в форме оксида для реакции выделения кислорода, или платина и палладий, используемые для реакции выделения водорода.

[0033] В ячейке по настоящему изобретению в качестве катализаторов для реакции выделения кислорода можно использовать смеси оксидов переходных металлов на основе таких металлов, как, например, медь, кобальт, стронций, лантан, железо, никель, или другие оксиды, такие как оксиды перовскитного типа или шпинели, тогда как в качестве катализаторов для реакции выделения водорода можно использовать оксиды переходных металлов, но на основе других металлов, таких как, например, лантан, железо, никель, кобальт, марганец, нанесенный на оксид церия молибден, оксид алюминия, нанесенный на углерод диоксид циркония.

[0034] Альтернативные или дополнительные электрокатализаторы представлены наночастицами сульфида молибдена или производных металл офтал о цианина. Возможность уменьшения размеров наночастиц оксидов переходных металлов с использованием литий-индуцированных реакций преобразования, что увеличивает поверхность и активность катализатора, позволяет использовать их как для реакции выделения кислорода, так и для реакции выделения водорода, упрощая процесс производства катализатора (который одинаков для обеих камер) и последующий процесс сборки устройства.

[0035] Все это обеспечивает более значительную гибкость производства ячейки, значительно снижая затраты и повышая производительность ячейки.

[0036] Улучшенная водонепроницаемость, достигаемая за счет того, что мембрана 4 работает на обеих поверхностях электродов, предотвращает загрязнение водорода, которое может быть вызвано даже малейшими микропротечками воды из анодной камеры 10, в том числе при разнице давлений (между анодной камерой 10 и катодной камерой 9) порядка нескольких десятков бар (нескольких мегапаскалей). Фактически в ячейке по настоящему изобретению можно использовать электроды, которые обладают, только в зонах герметизации, шероховатостью менее чем 3 мкм, тогда как та часть 17 положительного электрода 3, которая погружена в воду (в анодной камере), предпочтительно может быть выполнена с использованием другого материала пористого типа, проницаемого для воды и проводящего электрический ток, который наносят на электрод теми же методами осаждения, что и описанные выше катализаторы, такими как, например, напыление или трафаретная печать с последующим спеканием. Эти операции обработки позволяют тщательно связать упомянутый пористый материал с материалом основы, образующим электрод 3, с тем, чтобы электрод оставался выполненным как единая деталь, что значительно уменьшает его сопротивление и обеспечивает возможность изменения других химико-физических свойств электрода, таких как проницаемость для воды. Дополнительные преимущества обеспечиваются тем, что часть 17 положительного электрода 3, которая погружена в воду, может содержать соответствующие катализаторы того же типа, что и описанные выше, что способствует ионному обмену и в то же время увеличивает электропроводность анодной камеры 10 и повышает производительность ячейки. Таким образом, при помощи этих операций обработки получают электрод, материал основы которого "легирован" катализаторами и/или другими материалами, которые также могут изменять его химико-физические свойства, но которые при этом образуют единую деталь с материалом основы.

[0037] Предпочтительно и подобно тому, как описано выше, катод 2 может включать в себя пористую часть 24 с меньшей радиальной протяженностью, чем у пористой части 17 анода.

[0038] Полимерная мембрана 4 представляет собой анионную (или щелочную) обменную полимерную мембрану, функциональность которой основана на присутствии катионных групп, обеспечивающих перенос ионов ОН- и, следовательно, проводимость. Катионная группа представлена винилбензилхлоридом (сокращенно VBC)

[0039] Подложка представлена полимерной цепью, такой как, например, полиэтилен (РЕ) или полипропилен (РР), функционализированной винилбензилхлоридом в боковой цепи.

[0040] Хотя проводимость мембраны этого типа в соответствии с известным уровнем техники главным образом обусловлена присутствием винилбензилхлоридных групп в боковой цепи, другие характеристики мембраны зависят главным образом от основной цепи полимера, которая представлена подложкой мембраны

[0041] Инновационная мембрана, особенно пригодная для использования в настоящем изобретении, может быть основана на основных полимерных цепях, таких как, например, полиэтилен, полипропилен, полисульфон (PSU), полиэфирсульфон (PES), сополимеры или терполимеры на основе полистирола (PS). Соотношение гигрофильности/гидрофобности можно варьировать в зависимости от типа и длины привитой боковой цепи. Тепловое сопротивление и механическую прочность можно регулировать на основе процентной доли поперечно-сшитых групп, как правило, с использованием бифункционального амина, такого как, например, 1,4-диазобицикло[2.2.2]октан (рАВСО).

[0042] Подложка может быть изготовлена из оксида графена (GO), очень гибкого, прочного и доступного материала. Функционализировать этот материал можно с использованием винилбензилхлоридной или другой амидной группы непосредственно во время синтеза. В процессе постсинтеза можно ввести катализаторы для реакции выделения водорода и реакции выделения кислорода, которые могут быть одинаковыми, т.е. состоять из одного и того же материала, с уменьшением производственных затрат за счет синтеза одного-единственного катализатора для обоих электродов.

[0043] Функционализацию подложки можно обеспечить различными методами, например, при помощи радикальных реакций присоединения, индуцируемых облучением, и характеристики мембраны можно улучшить, вводя в ее структуру определенные наночастицы. В другом варианте осуществления настоящего изобретения можно предусмотреть использование керамических материалов, диспергированных в мембране, что приведет к увеличению механической прочности мембраны.

[0044] Электролизная батарея 5, которая включает в себя множество ячеек, выполненных по настоящему изобретению, схематически изображена на Фиг. 2-4, тогда как на Фиг. 5-7 показаны некоторые подробности сборки ячеек.

[0045] Первый трубопровод 18 для подачи воды предусмотрен на первой периферийной части первой верхней закрывающей пластины 7, проходя через ограничительные пластины 6 и электроды 2, 3. На нижней поверхности каждого положительного электрода 3 вода отводится из впускного трубопровода 18 через приемлемую систему каналов, так что слой 19 воды простирается по существу по всей нижней поверхности анода 3, который, таким образом, поддерживается "смоченным" для обеспечения процесса электролиза.

[0046] На второй периферийной части первой верхней закрывающей пластины 7 предусмотрен второй трубопровод 20 для отвода воды, смешанной с кислородом, образующимся в процессе электролиза, через такую же систему каналов, что и для подачи воды. В ограничительных пластинах 6 и электродах 2, 3 предусмотрены надлежащие уплотнения, предпочтительно кольцевого типа, с целью обеспечения водонепроницаемости.

[0047] В соответствии с отличительной особенностью настоящего изобретения образующийся водород транспортируется через центральный коллектор 21, который в то же время выполнен так, чтобы была обеспечена возможность вставления в него стяжной детали 22, размещаемой соосно с центральным коллектором 21 и выполненной так, чтобы значительно уменьшать деформации изгиба, которые имеют место в центральной зоне ячеек вследствие выделения внутри них газообразного водорода при высоком давлении.

[0048] Отверстие 23, выполненное в стяжной детали 22, сообщает катодную камеру 9, где образуется водород, с центральным коллектором 21, делая возможным прохождение водорода, вырабатываемого катодной камерой 9, в центральный коллектор 21, который транспортирует водород наружу к, например, накопительной емкости, предназначенной для хранения сжатого водорода.

[0049] Следует отметить, что этот конкретный вариант конфигурации позволяет распределить воду по всей поверхности анода 3 с тем, чтобы обеспечить увеличение поверхности обмена и, таким образом, добиться увеличения выработки водорода или, альтернативно, уменьшения размеров ячейки и, тем самым, уменьшения размеров батарей. В других, даже самых последних, известных устройствах распределение воды осуществляется по существу кольцеобразным или радиальным образом, что приводит к использованию лишь некоторой части поверхности электрода.

[0050] Как показано на Фиг. 2, центральная стяжная деталь 22 прикреплена к двум закрывающим пластинам 7, 8 электролизной батареи 5 с тем, чтобы поддерживать отдельные ячейки полностью прижатыми одна к другой и предотвращать возможные изгибы в центральной зоне ячеек. Этот вариант конструктивного исполнения позволяет увеличить рабочее давление электролизной батареи по сравнению с подобными устройствами, имеющимися на рынке, не требуя чрезмерного увеличения массы и размеров соответствующей промышленной установки в дополнение к предотвращению любых боковых утечек вследствие деформации ячеек.

[0051] Разумеется, раскрытый выше вариант конфигурации также в равной степени применим к батарее, содержащей одну-единственную ячейку, заключенную между двумя закрывающими пластинами 7, 8, вместо группы уложенных в стопу ячеек, с достижением тех же преимуществ, которые указаны выше.

[0052] Возможность вставления стяжной детали 22 в соосный центральный коллектор 21, предназначенный для собирания и транспортировки получаемого водорода, обеспечивается тем, что электроды выполнены как цельные элементы, образующие единую деталь с соответствующими катализаторами, как описано выше. Коллектор 21 сообщается с центральной частью катода 2 через отверстие 23 и отделен простыми уплотнениями 16 кольцевого типа. Известные устройства не обеспечивают возможность вставления такой стяжной детали, поскольку электроды и катализаторы выполнены в виде многослойной конструкции и с использованием различных материалов, что делает невозможным получение при помощи операций механической обработки однородных поверхностей с малой шероховатостью, способных взаимодействовать с уплотнениями 16 для обеспечения надлежащей герметичности. Кроме того, по этой причине давление, которое может быть достигнуто с использованием существующих методов, ограничено несколькими десятками бар (несколькими мегапаскалями). Настоящее изобретение, как уже объяснялось выше, позволяет значительно повысить рабочее давление и, таким образом, позволяет накапливать большее количество газа в меньшем объеме (до 10 раз меньшем), что позволяет добиться значительного уменьшения размеров ячейки при том же количестве получаемого водорода и, таким образом, добиться оптимизации формы и уменьшения размеров соответствующей производственной установки.

[0053] Расположение ячеек в батарее 5 схематически изображено на Фиг. 2, на которой в качестве примера показаны две последовательные ячейки, что позволяет подключить все катодные электроды 2 к одному и тому же электрическому потенциалу, чтобы обеспечить эффективное параллельное соединение ячеек и, следовательно, более эффективную схему подачи питания с повышением в результате этого эффективности устройства в целом; то же самое применимо и к анодным электродам 3, что позволяет обеспечить одинаковую разность электрического потенциала для каждого электрода отдельных ячеек. Этого также добиваются вставлением ограничительных пластин 6 из изоляционного материала. Эта новая схема расположения ячеек, в которой каждый электрод запитан отдельно, и лучшая опора для мембраны на идеально гладкие поверхности, делают возможным равномерное распределение натяжения на отдельных поверхностях мембраны и на поверхностях электродов, и при этом устраняется возможность появления точек перенапряжения, являющихся точечными источниками выбросов электрических разрядов, которые вредны для правильной работы ячеек; такие электрические разряды могут повредить целостность внутренних компонентов ячейки, в частности, мембраны. Кроме того, раздельное питание электродов позволяет увеличить ток питания при том же напряжении и повысить производительность ячейки, уменьшив ее размеры при том же количестве вырабатываемого водорода. Достигнутое повышение производительности позволяет уменьшить размер ячеек примерно наполовину при той же выработке водорода.

[0054] Кроме того, эта новая конфигурация делает возможным использование более прецизионных (с меньшими допусками на механическую обработку) внутренних компонентов, а использование центральной стяжной детали делает возможным производство более крупных ячеек по сравнению с существующими ячейками без необходимости уменьшения рабочего давления.

[0055] В известных применениях, в которых используют мембрану того же типа, но с электродами, состоящими из множества компонентов, уложенных в многослойную конструкцию, невозможно обеспечить тот же тип соединения ячеек в параллель, поскольку внутреннее распределение электрических потенциалов отдельных ячеек зависит от того, как ток передается через отдельные элементы, из которых состоят электроды, и, следовательно, от неизбежных снижений потенциала от одного компонента к другому. Такие падения потенциала не могут быть точно одинаковыми для каждого отдельного электрода и каждой отдельной ячейки. Таким образом, в устройствах известного уровня техники невозможно обеспечить одинаковую разность потенциалов на каждой отдельной ячейке.

[0056] Таким образом, из изложенного выше очевидно, что настоящее изобретение обеспечивает достижение первоначально намеченных целей и преимуществ: фактически разработана электролитическая ячейка для получения водорода, которая позволяет упростить конструкцию электролизной установки при значительном снижении производственных затрат, а также значительно уменьшить размеры ячейки при том же выходе водорода и добиться, таким образом, чрезвычайной компактности конструкции ячейки и, следовательно, соответствующей производственной установки.

[0057] Кроме того, была получена ячейка с повышенной герметичностью, способная выдерживать высокие значения давления, что позволяет значительно повысить производительность ячейки, а также обеспечивает возможность производства более крупных ячеек по сравнению с существующими ячейками без необходимости уменьшения рабочего давления.

[0058] Следует отметить, что настоящее изобретение допускает множество различных вариантов применения, модификаций или изменений без выхода за пределы объема патентной защиты, как определено независимым пунктом 1 формулы изобретения.

[0059] Кроме того, материалы и оборудование, применяемые для реализации настоящего изобретения, а также формы и размеры отдельных компонентов могут быть выбраны так, чтобы быть наиболее пригодными для удовлетворения конкретных поставленных требований.

Изобретение относится к электролитической ячейке для получения водорода путем электролиза воды, содержащая анодную камеру (10) и катодную камеру (9), разделенные твердой полимерной электролитной щелочной мембраной (4). Причем упомянутая анодная камера (10) содержит положительный электрод, или анод (3), по меньшей мере частично погруженный в слой (19) воды, и упомянутая катодная камера (9) содержит отрицательный электрод, или катод (2), причем упомянутая ячейка (1) заключена между первой закрывающей пластиной (7) и второй закрывающей пластиной (8), при этом в центральной части упомянутой первой закрывающей пластины (7) предусмотрена стяжная деталь (22), причем упомянутая стяжная деталь (22) проходит через упомянутую первую закрывающую пластину (7), упомянутую ячейку (1) и упомянутую вторую закрывающую пластину (8), при этом соосно упомянутой стяжной детали (22) расположен центральный коллектор (21) для транспортировки водорода, образующегося в упомянутой катодной камере (9). Ячейка характеризуется тем, что упомянутый центральный коллектор (21) сообщается с упомянутой катодной камерой (9) через отверстие (23), образованное в упомянутой стяжной детали (22), причем упомянутый катод (2) выполнен как единая деталь и упомянутый анод (3) выполнен как единая деталь, так что поверхности соответствующих концевых частей упомянутого катода (2) и упомянутого анода (3), расположенных, соответственно, в периферийной зоне и центральной зоне упомянутой ячейки (1), выполнены так, что их можно подвергнуть операциям механической высокоточной обработки, так чтобы сделать упомянутые поверхности приспособленными для размещения одного или нескольких уплотнения(-ий) (16), обеспечивающих возможность выдерживать высокие рабочие давления, возникающие при образовании водорода. Также изобретение относится к батарее. Предложенная ячейка имеет упрощенную конструкцию. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электролитическая ячейка для получения водорода путем электролиза воды, содержащая анодную камеру (10) и катодную камеру (9), разделенные твердой полимерной электролитной щелочной мембраной (4), причем упомянутая анодная камера (10) содержит положительный электрод, или анод (3), по меньшей мере частично погруженный в слой (19) воды, и упомянутая катодная камера (9) содержит отрицательный электрод, или катод (2), причем упомянутая ячейка (1) заключена между первой закрывающей пластиной (7) и второй закрывающей пластиной (8), при этом в центральной части упомянутой первой закрывающей пластины (7) предусмотрена стяжная деталь (22), причем упомянутая стяжная деталь (22) проходит через упомянутую первую закрывающую пластину (7), упомянутую ячейку (1) и упомянутую вторую закрывающую пластину (8), при этом соосно упомянутой стяжной детали (22) расположен центральный коллектор (21) для транспортировки водорода, образующегося в упомянутой катодной камере (9), отличающаяся тем, что упомянутый центральный коллектор (21) сообщается с упомянутой катодной камерой (9) через отверстие (23), образованное в упомянутой стяжной детали (22), причем упомянутый катод (2) выполнен как единая деталь и упомянутый анод (3) выполнен как единая деталь, так что поверхности соответствующих концевых частей упомянутого катода (2) и упомянутого анода (3), расположенных, соответственно, в периферийной зоне и центральной зоне упомянутой ячейки (1), выполнены так, что их можно подвергнуть операциям механической высокоточной обработки, так чтобы сделать упомянутые поверхности приспособленными для размещения одного или нескольких уплотнения(-ий) (16), обеспечивающих возможность выдерживать высокие рабочие давления, возникающие при образовании водорода.

2. Электролитическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что на упомянутый катод (2) и упомянутый анод (3) посредством операций осаждения нанесены соответствующие катализаторы, пригодные для активации реакции выделения водорода и, соответственно, реакции выделения кислорода, причем упомянутые катализаторы образуют единое целое с упомянутым катодом (2) и упомянутым анодом (3), соответственно.

3. Электролитическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что на первой периферийной части упомянутой первой закрывающей пластины (7) предусмотрен первый трубопровод (18) для подачи воды, причем у нижней поверхности упомянутого анода (3) предусмотрена соответствующая система каналов для отвода некоторого количества воды от упомянутого первого трубопровода (18) для подачи воды, чтобы образовать слой (19) воды, причем по меньшей мере часть (17) упомянутого анода (3) погружена в упомянутый слой (19) воды.

4. Электролитическая ячейка по п. 3, отличающаяся тем, что вся нижняя поверхность упомянутого анода (3) погружена в упомянутый слой (19) воды.

5. Электролитическая ячейка по п. 3, отличающаяся тем, что упомянутая часть (17), погружаемая в упомянутый слой (19) воды, изготовлена из пористого проводящего материала, проницаемого для воды, который нанесен на упомянутый анод (3) посредством операций осаждения, так что он образует единое целое с материалом, из которого состоит упомянутый анод (3).

6. Электролитическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что упомянутая стяжная деталь (22) закреплена у упомянутой первой закрывающей пластины (7) и упомянутой второй закрывающей пластины (8).

7. Электролизная батарея (5), включающая в себя множество ячеек по любому из предыдущих пунктов, причем упомянутые ячейки наложены одна на другую и разделены между собой ограничительными пластинами (6), причем упомянутая электролизная батарея (5) заключена между первой закрывающей пластиной (7) и второй закрывающей пластиной (8).

8. Электролизная батарея (5) по п. 7, отличающаяся тем, что отрицательные электроды (2) и положительные электроды (3) упомянутого множества ячеек подключены к одному и тому же электрическому потенциалу, так что упомянутые отрицательные электроды (2) и положительные электроды (3) соединены в параллель.