Электролизер для получения кислорода из водяных паров воздуха Советский патент 1982 года по МПК C25B1/04 

Изобретение относится к электрохимическим процессам и аппаратам и может быть использовано в системах жизнеобеспечения, а также в качестве бортовых кислородных систем самолетов г передвижных кислородных генератормйэ Для госпиталей, кислородных концентраторов и осушителей.

Известен электролизер для получения кислорода из водяных паров, включающий корпус, катод, перфорированный анод и-помещенную между ними .пористую диафрагму, пропитанную электролите. В качестве пористой диафрагмы используют диафрагму из асбеста и микропористого каучука, а в качестве электролита - концентрированную фосфорную кислоту .

Поскольку вода извлекается из циркулирующего в кабине гермообъекта воздуха, аппарат является также осушителем. Выделяемая человеком при дыхании и испарении вода дает достаточное количество водяного пара для электролиза, обеспечивающего потребность человека в кислороде.

Недостатком конструкции известного электролизера является использование недостаточно мелкоячеистой анодной сетки, что приводит к увеличению затрат электроэнергии и снижению производительности электролизера, вследствие того, что производительность лимитируется стадией переноса пара из воздушного потока в зону электрохимической реакции. Кроме того, использование катода сетчатой структуры не. позволяет компенсировать разбаланс по воде и не обеспечивает саморегулирование электролизера по подводу и разложению воды. Вследствие этого при изменении производительности электролизера или параметров воздуха (влажности, температуры, скорости продувки) возникающий разбаланс по подводу и разложению воды приводит к осушке или Затоплению ячейки. Осушка вызывает утечку и смешивание газов, а также увеличивает напряжение на ячейке. Затопление приводит к потерям кислоты и туманообразованию в воздушном потоке.

Цель изобретения - повыиение производительности электролизера и повышение надежности его работы.

Поставленная цель достигается тем, что в электролизере для получения кислорода из водяных паров воздуха, включающем корпус, катод. перфорированный анод и помещенную ме ду ними пористую диафрагму, пропитан ную электролитом, перфорированный анод содержит 10-Ю отв/см со степенью перфорации 50-60% и катод выполнен пористым с пористостью 45-75% Подвод пара воздушного потока в зону электрохимической реакции cocl-o ит из стадии переноса по газовой и жидкой фазах. С увеличением числа отверстий на единицу поверхности сетчатого анода уменьшаются размеры отверстий и соответственно, расстояние переноса молекул воды в электролите к поверхности, на которой протекает ее электрохимическое разложение. Вследствие этого снижаются внутридиффузионные ограничения в жидкой фазе и-коэффициент массопередачи воз)астает. При определенном значении отверстий N - 1010 отв/см коэффициент массопередачи выходит на предельное значение и дальнейшее увеличение N практичес 1ки не приводит к возрастанию коэф/фициента массопередачи. В этой области проявляются, в основном,, внеш недиффузионные ограничения в газово фазе. В связи с этим увеличение чис ла отверстий выше 10 отв/см- нецелесообразно, и, кроме этого, приводит к ухудшению механического контакта сетчатого анода с диафрагмой. Использование сетчатых анодов, имеющих менее Ю отв/см поверхнос ти электрода нецелесообразно, так как в этом случае производительност электролизера снижается за счет внутридиффузионных ограничений пере носу молекул воды из области абсорб ции в зону электрохимической реакции. Предпочтительным является использование сетчатых анодов, содерж щих 10 -10 отв/см. При заданном напряжении зависимость плотности тока на ячейке от степени перфорации {степень перфора ции - это отношение площади отверстий к геометрической поверхности сетки) имеет экстремальный характер При малом значении степени перфорации производительность ячейки невелика вследствие затруднений по подводу воды через сетчатый электрод. Снижение производительности ячейки при использовании сетчатых анодов с выбокой степенью перфорации связа но Q большой поляризацией анода из- уменьшения активной поверхности. Расчетами на ЭЦВМ установлен и экспериментально подтверждено, что оптимальная степень перфорации составляет; 50-60%. Катод выполняют пористым с порис тостью 45-75%. Величина буферной емкости по объему электролита соста ляет 0,1-0,2 смЗ на 1 .баритно поверхности. Такая конструкция катода позволяет скомпенсировать разбаланс воды и обеспечить саморегулирование электролизера по подводу и разложению воды. Увеличение пористости электрода выше 75% приводит к ухудшению механической прочности катода. При пористости ниже 45% не обеспечивается необходимая буферная емкость по электролиту, а также ухудшаются элек трохимические характеристики электрода за счет возрастания эффективного удельного сопротивления электролита . На чертеже показан электролизер, разрез. Устройство включает катодный блок 1, анодный блок 2.и диафрагму 3,сжатую-между блоками. Анодный блок 2 прижимает к диафрагме 3 анод 4,выполненный из мелкоячеистой сетки (1-100 тыс. отв/см) со степенью перфорации 50-60%. Анодную сетку изготавливают из платины или титана и покрывают слоем платиновой черни. Вкатодный блок 1 вставляется пористый катод 5 (пористость 4575%). В качестве материала для катода можно использовать пористую платину . С целью снижения расхода платины можно изготавливать катод на пористой основе из инертного материала, rta которую нанесен активный платиновый слой. Пористая асбестовая диафрагма 3 и пористый катод 5 пропитаны электролитом-влагопоглотителем (концентрированной фосфорной кислотой). В теле анодного блока 2 находится входной 6 и выходной 7 штуцеры для подвода влажного воздуха и отвода из системы ocytjeHHoro воздуха, обогащенного кислородом. Для вывода из системы получаемого в электролизере водорода катодный блок 1 имеет выходной штуцер 8. Электролизер снабжен вентилятором для подвода влажного воздуха к системе. Электролизер работает следующим образом. От вентилятора через коллектор и входной штуцер 6 влажный воздух поступает в анодный блок 2 ячейки. Пары воды абсорбируются электролитом-влагопоглотителем, пропитывающим диафрагму 3. На аноде происходит разряд воды с выделением молекулярного кислорода. Кислород вместе с частично осушенным воздухом выводят из ячейки через выходной штуцер 7 анодного блока 2. Ионы водорода, образовавшиеся на аноде 4, переносятся за счет миграции и диффузии по электролиту{ пропитывающему диафрагму 3, к катоду 5, где восстанавливсиотся до молекулярного водорода. Образовавшийся водород удаляют из катодного блока 1 через

выходной штуцер 8, В дальнейшем этот водород может быть использован для восстановления углекислого газа и в качестве восстановителя в топливных элементах.

Положительный эффект состоит в повышении производительности электролизера и снижении затрат электроэнергии за счет более эффективного подвода воды в электролизер через мелкоячеистый сетчатый анод, а также в обеспечении саморегулирования в системе при значительнсям изменении производительности электролизера и параметров воздуха (влажность, температура, скорость продувки) за счет использования пористого катода, об-,. ладающего буферной емкостью по отношению к объему электролита.

Формула изобретения

Электролизер для получения кислорода из водяных паров воздуха, включающий корпус, катод, перфорированный анод и помещенную между ними пористую диафрагму, пропитанную электролитом, отличающийс я тем, что, с целью повыиения производительности и надежности

работы электролизера, перфорированный анод содержит отверстий на 1 степенью перфорации 50-60% и катод выполнен пористым с пористостью ..4 5 - 7 5 %.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1. J. Е. Clifford Paper 670851, Society of Automotive Englneerz, Oct. 1967.