Способ электролиза воды и устройство для его осуществления

 

Способ электролиза воды и устройство для его осуществления относятся к электрохимической технологии. Способ электролиза воды осуществляют в устройстве, содержащем питающую емкость и электролизер, включающий концевые электроды, промежуточные пористые аноды и катоды, размещенные между ними сепарационные перегородки, каналы для отвода газов и уплотнительные элементы, в котором торцовая поверхность пористых анодов сообщена с одним каналом для отвода газов, а торцовая поверхность пористых катодов - с другим каналом для отвода газов, и один из каналов для отвода газов сообщен с питающей емкостью, и процесс ведут с подачей воды в электролизер, по одному из каналов для отвода газов он сообщен с питающей емкостью, и процесс ведут с подачей воды в электролизер по одному из каналов для отвода газов и подвод воды к пороистым электродами осуществляют через их торцовую поверхность, что позволяет упростить способ, снизить металлоемкость устройства и ее массогабаритные характеристики. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электрохимической технологии, в частности к способам и устройствам для получения водорода и кислорода электролизом воды, и может быть использовано в химической, электронной, медицинской и других областях промышленности, а также для получения водородно-кислородных смесей для газопламенной обработки материалов.

Известны способ и устройство для получения водорода и кислорода в установке, включающей питающую емкость и электролизер, содержащий концевые электроды, промежуточные пористые электроды аноды и катоды, размещенные между ними сепарационные перегородки, каналы для подачи питающей воды в электролизер, каналы для отвода продуцируемых газов и уплотнительные элементы. Способ работы этого устройства включает в себя подачу питающей воды в электролизер, подвод воды в электролизере к пористым электродам и отвод продуцируемых газов. При этом подачу воды в зону электрохимической реакции осуществляют за счет подвода ее к боковой поверхности пористого электрода за счет диффузии ее через пористый электрод навстречу потоку выделяющихся газов [1] Недостатками известного способа и устройства для его осуществления является необходимость создания достаточно сложной и громоздкой установки, содержащей специальные полости, смежные с боковой поверхностью электрода для подвода к нему питающей воды, а также необходимость принудительной подачи воды в контур указанных полостей, в частности с помощью насоса для равномерного ее распределения по поверхности электрода.

Целью изобретения является снижение массогабаритных характеристик и металлоемкости устройства и упрощение способа осуществления процесса.

Указанная цель достигается в способе электролиза воды в установке, состоящей из питающей емкости и электролизера, содержащего концевые электроды, промежуточные пористые электроды, размещенные между ними сепарационные перегородки и каналы для отвода газов, включающем подачу воды в электролизер, подвод воды к пористым анодам и отвод продуцируемых газов, по которому подачу воды в электролизер ведут по каналу для отвода газов и подвод воды к пористым анодам ведут через их торцовую поверхность. Подача воды в электролизер может осуществляться и по обоим каналам для отвода газов.

Указанный способ осуществляют в устройстве, включающем питающую емкость и электролизер, содержащий концевые электроды, промежуточные пористые электроды аноды и катоды, размещенные между ними сепарационные перегородки, каналы для отвода продуцируемых газов и уплотнительные элементы, в котором торцовая поверхность пористых анодов сообщена с одним каналом для отвода газов, а торцовая поверхность пористых катодов с другим каналом для отвода газов и канал для отвода газов сообщен с питающей емкостью.

Сущность изобретения заключается в том, что подача питающей воды в один или оба газоотводящих канала и подвод воды к пористым электродам через их торцовую поверхность позволяет исключить из конструкции электролизера отдельный канал для подвода воды и специальные приэлектродные полости, что позволяет сделать устройство более компактным и легким и снизить его металлоемкость, а также упростить способ подпитки электролизера водой и подвода ее к пористым электродам. Кроме того, отвод газов с противоположных торцевых поверхностей разнополярных электродов позволяет надежно разделять продуцируемые газы.

Подача воды по обоим каналам для отвода газов позволяет снизить температуру процесса электролиза, что обеспечивает более надежную работу электролизера и увеличение срока его службы.

На фиг.1 показана схема устройства; на фиг.2 конструкция электролизера.

Устройство включает электролизер 1, питающую емкость 2, водородную разделительную колонку 3, осушители кислорода 4 и водорода 5 и регулятор давления водорода 6. Электролизер выполнен в виде концевых электродов 7 и 8, между которыми размещен набор промежуточных электродов пористых катодов 9, пористых анодов 10, биполярных электродов 11, размещенных между пористыми анодами и катодами сепарационных перегородок 12 и уплотнительных элементов со стороны пористых катодов 13, со стороны пористых анодов 14, для обеспечения внешней герметичности электролизера 15. Пакет электродов стягивается с помощью стяжной шпильки 16, изоляционной втулки 17 и размещается в корпусе 18. Зазор между пакетом электродов и шпилькой образует канал 19 для вывода продуцируемого водорода, а зазор между пакетом электродов и корпусом канал 20 для вывода кислорода.

Установка работает следующим образом. Вода из питающей емкости 2 подается в зазор 20 между корпусом 18 и пакетом электродов и через торцовые поверхности пористых анодов 10 попадает на границу между пористым анодом и сепарационной перегородкой 12, где подвергается разложению под действием постоянного электрического тока, подводимого к фильтр-прессному электролизному пакету. В качестве токоподводов используют концевой электрод 7 и шпильку 16, замкнутую электрически на концевой электрод 8.

В анодных камерах на границе сепарационная перегородка (мембрана)-анод под действием постоянного электрического тока вода подвергается разложению по реакции: 2H₂O+4e __→ O₂+4H⁺·nH₂O Кислород, образовавшийся в анодных камерах в смеси с водой, собирается в канале 20 для вывода кислорода, оттуда поступает в питающую емкость 2, где освобождается от капельной влаги, а затем через осушитель кислорода 4 и кислородный трубопровод выводится из установки и поступает к потребителю.

Водород-ион (в гидратной оболочке) под действием приложенного напряжения мигрирует через сепарационную перегородку (мембрану) на пористый катод 9, где поляризуется по реакции: 4H⁺·nH₂O+4e __→ 2H₂+nH₂O с образованием газообразного водорода и некоторого количества воды.

Водород в смеси с водой собирается в канале для вывода водорода 19, откуда попадает в водородную разделительную колонку 3, где освобождается от воды и, пройдя осушитель водорода 5 и средство для поддержания давления водорода 6 (выполненное, например, в виде регулятора давления "до себя", дроссельной шайбы или вентиля тонкой регулировки), по водородному трубопроводу выводится из установки и направляется потребителю.

В процессе работы устройства осуществляется циркуляция воды методом "газ-лифт" по анодным камерам электролизера 1 и одновременно происходит постоянный перенос воды из питающей емкости 2 в водородную разделительную колонку 3, что создает проблему возврата воды в питающую емкость 2.

Уровень давления в питающей емкости 2 устанавливается меньше, чем минимальный уровень рабочего давления водорода, т.е. давления, устанавливаемого в водородном тракте при полностью открытом регуляторе давления 6. Постоянно действующий при работе устройства перепад давления между водородным и кислородным трактами создается с помощью установленного на водородной линии средства для поддержания давления водорода в виде регулятора давления "до себя", вентиля тонкой регулировки или дроссельной шайбы.

Постоянный возврат воды из водородной разделительной колонки 3 в питающую емкость 2 осуществляется под действием указанного перепада давления, что позволяет поддерживать в питающей емкости 2 высокий уровень воды, необходимый для безотказной работы "газ-лифта". При этом снижается рабочая температура процесса электролиза, что позволяет избежать скопления конденсата в водородных и кислородных трубопроводах и обеспечивает надежную работу устройства.

В установке может быть установлено несколько электролизных блоков, работающих в одинаковом режиме.

П р и м е р. Процесс получения водорода и кислорода вели в установке, содержащей 12-ячеечный электролизер фильтр-прессного типа с твердым полимерным электролитом, питающую емкость и водородную газоразделительную колонку, сообщенные между собой по жидкости.

Напряжение на электролизном блоке 23,2 В. Производительность электролизера по водороду составляла 80 л/ч и по кислороду соответственно 40 л/ч. Средство для поддержания давления водорода было выполнено в виде регулятора давления "до себя". Давление в водородной газоразделительной колонке поддерживалось 0,85 ати.

Вода из питающей емкости 2 поступает в канал для вывода кислорода 20 и через торцовую поверхность пористых анодов проникает на границу анод-сепарационная перегородка, в качестве которой была использована катионообменная мембрана МФ-4СК. Под действием постоянного электрического тока, приложенного к электролизеру через концевой электрод-катод 7 и концевой электрод-анод 8, вода разлагается с получением водорода и кислорода. Кислород в смеси с водой через тот же канал 20 выводится из электролизера, освобождается от капельной влаги в питающей емкости 2 и через осушитель 4 направляется потребителю. Водород в смеси с водой выводится из электролизера по второму каналу для вывода газов 19 и через водородную газоразделительную колонку 3, осушитель газа 5 и регулятор давления "до себя" направляется потребителю.

В процессе работы осуществляется постоянный переток жидкости из водородной газоразделительной колонки 3 в питающую емкость 2.

Установка проработала безотказно в указанном режиме 250 ч.

Предлагаемые изобретения позволяют более равномерно подводить питающую воду к электродам за счет того, что вода подводится ко всей торцовой поверхности электродов, что в значительной степени упрощает способ проведения электролиза, отказаться от использования насоса для принудительной подачи питающей воды, а также упростить конструкцию электролизера, исключив из его состава специальный канал для подвода питающей воды, и сделать конструкцию более компактной и менее металлоемкой за счет отказа от специальных приэлектродных полостей.

Формула изобретения

1. Способ электролиза воды в установке, состоящей из питающей емкости и электролизера, содержащего концевые электроды, промежуточные пористые аноды и катоды, размещенные между ними сепарационные перегородки и каналы для отвода газов, включающий подачу воды в электролизер, подвод воды к пористым анодам и отвод продуцируемых газов, отличающийся тем, что подачу воды в электролизер ведут по каналу для отвода газов и подвод воды к пористым анодам ведут через их торцевую поверхность.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу воды в электролизер ведут по обеим каналам для отвода газов.

3. Устройство для электролиза воды, состоящее из питающей емкости и электролизера, включающего концевые электроды, промежуточные пористые аноды и катоды, размещенные между ними сепарационные перегородки, каналы для отвода газов и уплотнительные элементы, отличающееся тем, что торцевая поверхность пористых анодов сообщена с одним каналом для отвода газов, а торцевая поверхность пористых катодов с другим каналом для отвода газов и один из каналов для отвода газов сообщен с питающей емкостью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2