MD4109C1 - Bloc modular electrochimic pentru generarea hidrogenului - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la electrochimie, în particular la un bloc modular electrochimic pentru generarea hidrogenului.Blocul modular electrochimic pentru generarea hidrogenului include un corp cilindric (1), cuprins între capete (11, 9) cu ştuţuri de admisiune (10) şi evacuare (20) a soluţiei alcaline, de evacuare a hidrogenului (13) şi a oxigenului (14), un catod volumic poros în flux continuu (2) şi un anod tubular central (3) instalaţi coaxial, precum şi o diafragmă (4) instalată între ei formând compartimentele catodic (8) şi anodic (19). Catodul (2) este unit cu corpul (1) şi diafragma (4) prin intermediul unor punţi (5, 6), pe capetele superioare ale anodului şi diafragmei este instalat un capac (16) de colectare a oxigenului, unit cu ştuţul (14) de evacuare a acestuia, totodată capacul (16) este executat cu un tub coaxial intern cu orificii (18) pentru evacuarea soluţiei alcaline prin anod, care este unit cu ştuţul (20) de evacuare a acesteia. Capul superior (11) este dotat cu un hidroînchizător (12), montat sub ştuţul (13) de evacuare a hidrogenului.

Description

Invenţia se referă la electrochimie, în particular la un bloc modular electrochimic pentru generarea hidrogenului.

Este cunoscut electrolizorul compus dintr-un corp secţionat printr-o diafragmă în spaţii catodic şi anodic cu electrozii conectaţi, respectiv, la polii negativ şi pozitiv ai sursei de curent continuu [1]. Însă această construcţie nu este compactă şi nu asigură indicatorii economici satisfăcători.

Cel mai apropiat după esenţa tehnică este blocul modular electrochimic, compus dintr-un corp cu anodul şi catodul de formă cilindrică amplasaţi vertical, cu diafragmă şi capete cu ştuţuri [2]. Însă acest bloc este menit pentru activarea electrochimică a apei şi nu asigură posibilitatea de degajare catodică eficientă a hidrogenului.

Problema pe care o soluţionează invenţia propusă constă în majorarea eficienţei procesului de electroliză a apei în scopul obţinerii hidrogenului, asigurarea compacticităţii instalaţiei şi posibilitatea creării unei construcţii modulare din blocuri în funcţie de capacitatea necesară a ei, precum şi reducerea dimensiunilor de gabarit specifice raportate la o unitate de volum a hidrogenului degajat.

Problema se soluţionează prin aceea că blocul modular electrochimic pentru generarea hidrogenului include un corp cilindric, cuprins între capete cu ştuţuri de admisiune şi evacuare a soluţiei alcaline, de evacuare a hidrogenului şi a oxigenului, un catod volumic poros în flux continuu şi un anod tubular central instalaţi coaxial, precum şi o diafragmă instalată între ei formând compartimentele catodic şi anodic, totodată catodul este unit cu corpul şi diafragma prin intermediul unor punţi, pe capetele superioare ale anodului şi diafragmei este instalat un capac de colectare a oxigenului, unit cu ştuţul de evacuare a acestuia, totodată capacul este executat cu un tub coaxial intern cu orificii pentru evacuarea soluţiei alcaline prin anod, care este unit cu ştuţul de evacuare a acesteia, capul superior este dotat cu un hidroînchizător, montat sub ştuţul de evacuare a hidrogenului. Catodul este executat din nichel spongios cu dimensiunea porilor de 1,0…0,25 mm, având suprafaţa specifică de 1000…6000 m2/m3, suprafaţa interioară a căruia este modificată cu aliaj de cobalt-reniu cu supratensiune joasă de degajare a hidrogenului. Anodul este executat din aliaje de fier slab aliate de tipul ARMCO sau de titan modificat cu dioxid de ruteniu şi/sau iridiu cu supratensiune înaltă de degajare a oxigenului.

Rezultatul tehnic se obţine datorită construcţiei cilindrice a blocului şi utilizării electrozilor volumici poroşi în flux continuu confecţionaţi din nichel spongios cu structură celulară, care posedă o suprafaţă specifică activă foarte înaltă, depăşind cu 1…2 ordine suprafaţa plană a electrozilor.

Prin folosirea acestor materiale pentru electrozi a devenit posibilă majorarea densităţii de curent de acţionare pe o unitate de suprafaţă, asigurând astfel intensificarea procesului electrolitic. Structura celulară a materialului propus pentru electrozi în scopul obţinerii hidrogenului electrolitic, având coeficientul de porozitate egal cu 0,05…0,1, asigură posibilitatea efectuării electrolizei în flux continuu, ceea ce majorează eficienţa procesului datorită majorării schimbului şi transferului de masă, care reduce polarizarea concentrată şi majorează randamentul de curent al hidrogenului degajat.

Invenţia se explică cu ajutorul schemei blocului modular electrochimic propus prezentate în figură.

Blocul modular electrochimic pentru generarea hidrogenului include un corp cilindric 1, cuprins între capete 11, 9 cu ştuţuri de admisiune 10 şi evacuare 20 a soluţiei alcaline, de evacuare a hidrogenului 13 şi a oxigenului 14, un catod volumic poros în flux continuu 2 şi un anod tubular central 3 instalaţi coaxial, precum şi o diafragmă 4 instalată între ei formând compartimentele catodic 8 şi anodic 19. Între corpul 1 şi catodul 2 se formează un spaţiu. Catodul 2 este unit cu corpul 1 şi diafragma 4 prin intermediul unor punţi 5, 6, pe capetele superioare ale anodului şi diafragmei este instalat un capac 16 de colectare a oxigenului, unit prin intermediul unui canal 15 cu ştuţul 14 de evacuare a acestuia, totodată capacul 16 este executat cu un tub coaxial intern 17 cu orificii 18 pentru evacuarea soluţiei alcaline prin anod, care este unit cu ştuţul 20 de evacuare a acesteia. Capul superior 11 este dotat cu un hidroînchizător 12 montat sub ştuţul 13 de evacuare a hidrogenului.

Metalele spongioase, în special nichelul, se produc în industria metalurgică prin injectarea gazelor inerte în metalul topit sau prin stimularea formării locale a gazelor la introducerea reactivelor care degajă gaze (de exemplu, TiH2), ca rezultat se formează o structură celulară cu pori străpunşi.

Modificarea suprafeţei interioare a porilor nichelului spongios cu aliaj de cobalt-reniu se efectuează printr-un procedeu cunoscut de metalizare chimico-catalitică. O astfel de tehnologie de precipitare a acoperirii asigură o uniformitate înaltă stratului modificat depus de precipitat de cobalt-reniu în volumul porilor interiori ai metalului spongios cu structură celulară.

Datorită introducerii reniului în componenţa stratului activ al acoperirii polimetalice de cobalt-reniu, care posedă o supratensiune joasă a degajării hidrogenului, se asigură emanarea hidrogenului la un consum energetic mai mic, permite majorarea cantităţii de hidrogen degajat raportat la o unitate de volum al electrolizorului, ceea ce îl face aplicabil în electroliza industrială a soluţiilor apoase ale electroliţilor în scopul obţinerii hidrogenului electrolitic.

În calitate de anozi insolubili pot fi utilizate aliaje slab aliate ale fierului, inclusiv ARMCO - fierul, precum şi titanul placat cu dioxid de ruteniu de tip ORTA, sau cu dioxid de iridiu marca ОИТА, care posedă valori înalte ale supratensiunii de degajare a oxigenului.

Atare proprietăţi ale materialelor electrozilor conduc la realizarea procesului de electroliză la anod în domeniul potenţialelor până la începutul degajării oxigenului, ceea ce favorizează reducerea cantităţii de degajare a acestuia. Concomitent, degajarea hidrogenului la catod, datorită supratensiunii joase de degajare în electrolizorul propus va fi maximală. Aceasta determină majorarea producţiei specifice a hidrogenului degajat la electroliză, reducerea consumului de energie la realizarea lui şi, respectiv, majorarea randamentului procesului de electroliză în flux continuu.

În calitate de diafragme pot fi utilizate elemente inerte din ceramică impermeabile cu rezistenţă electrică relativ joasă, cum ar fi, de exemplu, elementele tubulare produse de uzina „Electrofarfor” din Tighina.

În calitate de electrolit pentru electroliză se utilizează apă distilată sau apă desalinizată cu conductivitatea electrică iniţială de până la 10-4 S/cm, pentru majorarea conductivităţii electrice a căreia se prepară soluţii de KOH de 25…30% sau NaOH de 16…20%, cu adaos de cromat de sodiu sau de potasiu în doze de 2,5…3,0 g/l. Rolul ultimilor este de a îmbunătăţi funcţionarea anozilor din contul pasivizării suprafeţei acestora şi inadmisibilităţii descărcării pe ei a compuşilor de impurităţi din electrolit.

Avantajele tehnice ale blocurilor se manifestă prin posibilitatea de adaptare flexibilă la condiţii diferite şi de conexiune a acestora: consecutivă, paralelă sau combinată - consecutiv-paralelă.

Blocurile electrochimice pot fi confecţionate, de exemplu, pe bază de blocuri cilindrice din nichel, care reprezintă un metal cu celule deschise din nichel expandat, cu diametrul de cel mult 40 mm şi grosimea pereţilor de 6…13 mm. Avantajul metalului spongios cu celule deschise constă în suprafaţa specifică interioară a porilor de 1000…6000 m2/m3 şi dimensiunile porilor de 1,0…2,5 mm, ceea ce permite majorarea cu un ordin şi mai mare a densităţii curentului de gabarit raportată la suprafaţa vizibilă.

Distanţa dintre electrozi şi diafragmă este de 3…5 cm, ceea ce reduce pierderile ohmice la electroliză. Toate elementele se fixează coaxial şi se ermetizează.

Blocul modular electrochimic funcţionează în modul următor.

Soluţia alcalină din rezervorul intermediar (în fig. 1 nu este prezentat) se introduce prin ştuţul de admisiune 10 în partea inferioară a blocului, unde este repartizat în două fluxuri (este indicat cu săgeţi). Primul flux umple spaţiul 7 format de corpul 1, catodul poros 2 în flux continuu, conectat la polul negativ al sursei de curent continuu şi puntea superioară 6, apoi trece prin porii străpunşi ai catodului 2, umplând compartimentul catodic 8, format de catodul 2, diafragmă 4 şi puntea inferioară 5, până la nivelul capacului 16 cu un tub coaxial intern 17, care contactează cu anodul 3 conectat la polul pozitiv al sursei de curent continuu. Al doilea flux al soluţiei alcaline umple compartimentul anodic 19, format din partea laterală exterioară a anodului tubular 3 şi diafragma 4, până la nivelul orificiilor laterale 18. Pe măsura umplerii compartimentelor catodic 8 şi anodic 19, soluţia alcalină este transvazată în partea interioară a anodului tubular, iar prin ştuţul de evacuare 20 se scurge în rezervorul intermediar pentru recirculare. Rolul diafragmei 4 constă prioritar în prevenirea amestecului hidrogenului şi oxigenului pentru a se evita formarea gazului detonant. În acelaşi timp, alegerea materialului pentru diafragma ionpermeabilă se efectuează nu numai din considerente de impermeabilitate a gazelor, dar şi pentru asigurarea condiţiilor de rezistentă electrică mică, care condiţionează pierderile ohmice şi influenţează pierderile energetice pentru electroliză.

După aceasta, catodul volumic poros în flux continuu 2 şi anodul 3 sunt conectaţi la o sursă de curent continuu pentru a începe electroliza. În procesul de electroliză a apei, la catod şi în porii lui se degajă hidrogen sub formă gazoasă, bulele căruia sunt antrenate de fluxul soluţiei alcaline şi transportate prin porii catodului şi compartimentul catodic 8. Apoi hidrogenul din zona interioară a blocului electrochimic iese prin hidroînchizătorul 12, care serveşte pentru reducerea cantităţii de lichid antrenat cu hidrogenul degajat, şi ştuţul de evacuare 13.

La anodul 3, datorită supratensiunii înalte de descărcare a oxigenului în timpul electrolizei, formarea acestuia se frânează, însă acea cantitate mică de oxigen degajat este evacuată prin capacul 16, canalul 15 şi ştuţ 14.

Blocurile electrochimice modulare pot fi grupate într-un număr necesar funcţie de capacitatea instalaţiei pentru hidrogenul generat. Pentru aceasta ele se montează pe rezervorul de alimentare cu soluţie alcalină dotat cu o pompă de recirculare (în fig. 1 nu este prezentată), care se racordează cu un furtun flexibil la ştuţul de admisiune 10. Evacuarea soluţiei alcaline pentru recirculare se efectuează gravitaţional prin ştuţul de evacuare 20 în acelaşi rezervor.

În procesul electrolizei pentru formarea 1 m3 de hidrogen, în condiţii normale, se consumă teoretic 805 ml de apă, iar în realitate aceasta va constitui până la 1 l de apă datorită antrenării parţiale a vaporilor cu gazele degajate la electroliza apei. Aceasta se manifestă prin scăderea nivelului soluţiei alcaline în rezervorul de alimentare intermediar, pentru fixarea căruia rezervorul poate fi dotat cu un indicator de nivel.

Pentru menţinerea nivelului constant şi a concentraţiei necesare a electrolitului în electrolizor este prevăzută umplerea periodică a rezervorului intermediar cu apă desalinizată.

Astfel, blocul modular electrochimic reprezintă un electrolizor cu diafragmă compact şi miniaturizat cu electrozi cilindrici amplasaţi vertical, cu diafragmă ceramică poroasă tubulară, care divizează spaţiul dintre electrozi în 2 părţi - catodică şi anodică. O astfel de soluţie asigură majorarea durabilităţii electrozilor în procesele electrochimice pentru obţinerea hidrogenului datorită utilizării aliajului de nichel spongios cu structură celulară de porozitate înaltă în flux continuu, reducerea consumului de energie la realizarea lor datorită prezenţei reniului în componenţa acoperirii de nichel şi modificarea suprafeţei interioare a electrodului în flux continuu, care contribuie la reducerea supratensiunii de degajare a hidrogenului, precum şi la intensificarea acestui proces prin majorarea capacităţii sale în condiţiile fluxului continuu al electrolizei.

1. Вольфкович С.И., Роговнин З.А., Руденко Ю.П., Шманенков И.В. Общая химическая технология. Москва, Госхимиздат, 1959, т.2, с. 562-563

2. Бахир В.М., Задорожний Ю.Г., Леонов Б.И., Паничева С.А., Прилуцкий В.И., Сухова О.И. Электрохимическая активация: история, состояние, перспективы. Москва, ВНИИИМТ, 1999, с. 24-25

Claims (3)

1. Bloc modular electrochimic pentru generarea hidrogenului, care include un corp cilindric, cuprins între capete cu ştuţuri de admisiune şi evacuare a soluţiei alcaline, de evacuare a hidrogenului şi a oxigenului, un catod volumic poros în flux continuu şi un anod tubular central instalaţi coaxial, precum şi o diafragmă instalată între ei formând compartimentele catodic şi anodic, totodată catodul este unit cu corpul şi diafragma prin intermediul unor punţi, pe capetele superioare ale anodului şi diafragmei este instalat un capac de colectare a oxigenului, unit cu ştuţul de evacuare a acestuia, totodată capacul este executat cu un tub coaxial intern cu orificii pentru evacuarea soluţiei alcaline prin anod, care este unit cu ştuţul de evacuare a acesteia, capul superior este dotat cu un hidroînchizător, montat sub ştuţul de evacuare a hidrogenului.

2. Bloc modular electrochimic conform revendicării 1, în care catodul este executat din nichel spongios cu dimensiunea porilor de 1,0…0,25 mm, având suprafaţa specifică de 1000…6000 m2/m3, suprafaţa interioară a căruia este modificată cu aliaj de cobalt-reniu cu supratensiune joasă de degajare a hidrogenului.

3. Bloc modular electrochimic conform revendicării 1, în care anodul este executat din aliaje de fier slab aliate de tipul ARMCO sau de titan modificat cu dioxid de ruteniu şi/sau iridiu cu supratensiune înaltă de degajare a oxigenului.