Способ изготовления электродно-диафрагменного блока для щелочного электролизера воды


 

C25B11/02 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

Владельцы патента RU 2562457:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") (RU)

Изобретение относится к способу изготовления электродно-диафрагменного блока для щелочного электролизера воды, включающему приготовление формующего раствора диафрагмы, нанесение формующего раствора на подложку, изготовление диафрагмы методом фазовой инверсии и формирование электродно-диафрагменного блока прижатием электродов с двух сторон диафрагмы. Способ характеризуется тем, что пористые электроды предварительно вдавливают в формующий раствор диафрагмы, нанесенный на сетчатую подложку, используя текучесть формующего раствора диафрагмы, и затем погружают полученный элемент в воду для проведения фазовой инверсии, приводящей к формированию пористого диафрагменного материала и фиксации электродов материалом диафрагмы и к формированию электродно-диафрагменного блока, в котором электроды и диафрагма представляют собой единый рабочий элемент. Использование настоящего изобретения позволяет упростить процесс сборки ячеек и батарей щелочного электролизера и снизить его энергопотребление. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к технологии изготовления и сборки рабочего элемента «анод/диафрагма/катод» в форме электродно-диафрагменного блока для электролизеров воды с щелочным электролитом. Изобретение обеспечивает упрощение процесса сборки ячеек и батарей щелочного электролизера и снижение его энергопотребления.

Известен способ изготовления мембранно-электродных блоков для электролизеров воды с твердополимерным электролитом [Патент RU 2392698. Способ изготовления мембранно-электродного блока с бифункциональными электрокаталитическими слоями], при котором на поверхности протон-проводящей мембраны формируют электрокаталитический слой. Недостатком данного технического решения является то, что протон-проводящие мембраны и соответствующие электрокатализаторы не могут быть применены в электролизе воды с щелочным электролитом.

Наиболее близким по технической сущности является способ компоновки электродно-диафрагменного блока для щелочных электролизеров воды с «нулевым зазором» [М. Треггер. Уровень технического развития в области щелочного электролиза//Труды 2-го Международного симпозиума по водородной энергетике. 1-2 ноября 2007. Изд. МЭИ, М., 2007]. Способ включает: приготовление формующего раствора диафрагмы, представляющего раствор полимера полисульфонового ряда с гидрофильным наполнителем (например, диоксид титана, циркония или полисурьмяную кислоту) в органическом растворителе; нанесение формующего раствора полимера на подложку (например, стекло или сетку); погружение подложки с формующим раствором в воду для формирования диафрагмы методом фазовой инверсии; формирование электродно-диафрагменного блока прижатием электродов к изготовленной диафрагме. Недостатком данного технического решения является то, что диафрагма и электроды электродно-диафрагменного блока представляют собой отдельные элементы. Это обусловливает усложнение процесса сборки ячеек и батарей электролизера, поскольку в случае избыточного сдавливания, диафрагма может быть повреждена электродами, либо в случае недостаточно плотного прилегания электродов к диафрагме, в ходе эксплуатации между ними могут образовываться скопления газа, что приводит к снижению удельной электропроводности электролита и/или термической деструкции диафрагмы. Кроме того, отсутствие промежуточного слоя приводит к возникновению дополнительного электросопротивления на границе «поверхность диафрагмы/поверхность электрода», вносящего вклад в суммарное увеличение напряжения и энергопотребления электролизера.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в совершенствовании конструкции, процессов производства и улучшении электрохимических характеристик щелочных электролизеров воды.

Технический эффект, возникающий при решении поставленной задачи и заключающийся в упрощении сборки ячейки и батареи электролизера, а также снижении его энергопотребления, достигается тем, что в известном способе изготовления электродно-диафрагменного блока для щелочного электролизера воды, включающем приготовление формующего раствора диафрагмы, нанесение формующего раствора на подложку, изготовление диафрагмы методом фазовой инверсии и формирование электродно-диафрагменного блока прижатием электродов с двух сторон диафрагмы, согласно изобретению пористые электроды предварительно вдавливают в формующий раствор диафрагмы, нанесенный на сетчатую подложку, используя текучесть формующего раствора диафрагмы, и затем погружают полученный элемент в воду для проведения фазовой инверсии, приводящей к формированию пористого диафрагменного материала и фиксации электродов материалом диафрагмы и к формированию электродно-диафрагменного блока, в котором электроды и диафрагма представляют собой единый рабочий элемент. Кроме того, на поверхность формующего раствора диафрагмы, перед вдавливанием электродов, напылением из суспензии в органическом растворителе наносят промежуточный слой диоксида титана, модифицированного металлическим никелем.

Основой электродно-диафрагменного блока для щелочного электролизера воды является диафрагма на основе полимерной матрицы, получаемая методом фазовой инверсии [Кулешов Н.В., Кулешов В.Н., Терентьев А.А. Патент RU 2322460]. В качестве электродов может быть использована никелевая сетка, электроды с поверхностно-скелетными катализаторами, но более предпочтительными являются электроды на основе никелевой просечно-вытяжной сетки (размер ячейки 0.5-1.5 мм) с пористым никелевым покрытием, получаемым гальваническим нанесением мелкодисперсного никелевого порошка из стандартной ванны Уоттса для никелирования. Пористое никелевое покрытие может быть дополнительно модифицировано катализаторами катодных процессов (NiPx) и катализаторами анодных процессов (NiCo2O4) [Кулешов В.Н., Коровин Н.В., Кулешов Н.В., Удрис Е.Я., Бахин А.Н “Разработка новых электрокатализаторов для низкотемпературного электролиза воды” // Электрохимическая энергетика. 2012. Т. 12. №2. С. 51-58].

Предлагаемый способ изготовления электродно-диафрагменного блока для щелочных электролизеров воды заключается в следующем. В среде герметичного перчаточного бокса с осушенной атмосферой (до 0.1 ррm) готовят формующий раствор диафрагменного материала. Для этого растворяют полимер полисульфонового ряда, например, ПСФ-150 (ТУ 6-06-6-88) в диметилацетамиде (х.ч.). Порошок гидрофильного наполнителя (диоксида титана, либо диоксида циркония, либо полисурьмяной кислоты) осушают при 80°C в течение 8 часов, перемалывают с помощью планетарной мельницы и отсеивают на виброгрохоте. Далее подготовленный порошок гидрофильного наполнителя и порообразующего агента (поливинилпирролидон ММ 35.000) добавляют к раствору полимера. В конечном диафрагменном материале содержание полисульфона составляет 20-40 мас. %, а диоксида титана 80-60 мас. % соответственно.

Полученный формующий раствор диафрагменного материала в среде герметичного бокса наносят (с помощью шпателя или напылением) на сетку саржевого плетения толщиной 0.5-1.5 мм и размером ячейки от 0.5×0.5 мм до 1.5×1.5 мм, изготовленную из нитей щелочестойкого полимера, например, полисульфона, полипропилена, монохлортрифторэтилена. Для формирования промежуточного слоя, на поверхность формующего раствора диафрагмы наносят суспензию диоксида титана, модифицированного металлическим никелем, в разбавленном (5 мас. %) растворе полисульфона в диметилацетамиде.

Далее в формующий раствор диафрагменного материала, нанесенный на сетчатую основу и покрытый промежуточным слоем, вдавливают пористые электроды. При этом происходит проникновение формующего раствора диафрагменного материала в поры и каналы электрода. Расстояние между электродами (толщину диафрагмы) задают, выбирая подходящую толщину сетчатой основы диафрагмы. Концентричность электродов обеспечивается отметками на сетке, либо оправкой.

Полученный элемент погружают в воду. При этом происходит инверсия органического растворителя и воды, сопровождающаяся коагуляцией полимерных цепей и формированием губчатой матрицы, а также вымывание порообразователя, сопровождающееся формированием пор и каналов. Полученная пористая полимерная матрица надежно удерживает частицы диоксида титана (гидрофильного наполнителя) и пористое никелевое покрытие электродов.

Указанный электродно-диафрагменный блок был испытан в ячейке щелочного электролизера. Ячейка была изготовлена из нержавеющей стали марки Х18Н10Т и снабжена рубашками для термостатирования. Исследования проводили при плотности тока 400 мА/см2 и температуре 80°C. Для сравнения была испытана ячейка «с нулевым зазором», с аналогичной диафрагмой и электродами, представляющими собой отдельные плотно прижатые элементы. Напряжение, полученное для ячейки с электродно-диафрагменным блоком, составляет 1,78 В, а ячейки «с нулевым зазором» - 1,85 В. Чистота кислорода и водорода, измеренная с помощью газового хроматографа, для обеих ячеек составляет 99,5% и 99,8%, соответственно.

1. Способ изготовления электродно-диафрагменного блока для щелочного электролизера воды, включающий приготовление формующего раствора диафрагмы, нанесение формующего раствора на подложку, изготовление диафрагмы методом фазовой инверсии и формирование электродно-диафрагменного блока прижатием электродов с двух сторон диафрагмы, отличающийся тем, что пористые электроды предварительно вдавливают в формующий раствор диафрагмы, нанесенный на сетчатую подложку, используя текучесть формующего раствора диафрагмы, и затем погружают полученный элемент в воду для проведения фазовой инверсии, приводящей к формированию пористого диафрагменного материала и фиксации электродов материалом диафрагмы и к формированию электродно-диафрагменного блока, в котором электроды и диафрагма представляют собой единый рабочий элемент.

2. Способ изготовления электродно-диафрагменного блока для щелочного электролизера воды по п. 1, отличающийся тем, что на поверхность формующего раствора диафрагмы, перед прижатием электродов, напылением из суспензии наносят промежуточный слой диоксида титана, модифицированного металлическим никелем.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к аноду для выделения хлора при электролизе из водного раствора. Анод имеет сформированный на проводящей подложке каталитический слой, содержащий аморфный оксид рутения и аморфный оксид тантала.

Изобретение относится к батарее твердооксидных электролитических элементов (SOEC), изготовляемой способом, который включает следующие стадии: (a) формирование первого блока батареи элементов путем чередования по меньшей мере одной соединительной пластины и по меньшей мере одного узла элемента, причем каждый узел элемента содержит первый электрод, второй электрод и электролит, расположенный между этими электродами, а также обеспечение стеклянного уплотнителя между соединительной пластиной и каждым узлом элемента, причем стеклянный уплотнитель имеет следующий состав: от 50 до 70 мас.% SiO2, от 0 до 20 мас.% Аl2О3, от 10 до 50 мас.% СаО, от 0 до 10 мас.% МgО, от 0 до 2 мас.% (Na2O+K2O), от 0 до 10 мас.% В2O3 и от 0 до 5 мас.% функциональных элементов, выбранных из TiO2, ZrO2, F2, P2O5, МоО3, Fе2O3, MnO2, La-Sr-Mn-O перовскита (LSM) и их комбинаций; (b) превращение указанного первого блока батареи элементов во второй блок со стеклянным уплотнителем толщиной от 5 до 100 мкм путем нагревания указанного первого блока до температуры 500°C или выше и воздействия на батарею элементов давлением нагрузки от 2 до 20 кг/см2; (c) превращение указанного второго блока в конечный блок батареи твердооксидных электролитических элементов путем охлаждения второго блока батареи, полученного на стадии (b), до температуры ниже, чем на стадии (b), при этом стеклянный уплотнитель на стадии (a) представляет собой лист стекловолокон.

Изобретение относится к способу эксплуатации твердополимерного электролизера воды, включающему подачу в него постоянного напряжения питания и реакционной воды, нагрев твердополимерного электролизера и реакционной воды до рабочей температуры, соответствующей заданному значению тока электролиза с контролем текущих значений тока электролиза и температуры, фиксацию рабочей температуры твердополимерного электролизера воды, обеспечивающей заданное значение тока электролиза, и последующее разложение воды при данной температуре и токе электролиза на водород и кислород.
Изобретение относится к электрохимическому способу получения ацетиленидов меди. При этом ацетилениды общей формулы R-C≡C-Cu, где R-алкил (C6-C8), арил получают путем электролиза раствора, состоящего из алкина общей формулы R-C≡CH, где R-алкил (C6-C8), арил, безводной соли щелочноземельного металла общей формулы MX2, где M=Mg, Ca; X=Cl, Br, J и биполярного апротонного растворителя (N, N-диметилформамид, Н, N-диметилацетамид) в мольном отношении алкин : MX2 : растворитель - 1:3:15 на медных электродах и контролируемом потенциале Е=2,4 В.

Изобретение относится к электролизно-водному генератору для получения смеси водорода и кислорода электролизом воды при газопламенной обработке материалов, биполярный или монополярно-биполярный, содержащий корпус с электролитом, погруженный в электролит блок дистанцированных друг от друга электродов с отверстиями для прохода водородно-кислородной смеси и электролита и проводники для подвода тока к электродам.

Изобретение относится к способу производства углеводородов из диоксида углерода и воды, в котором обеспечивают первый реакционный сосуд, содержащий положительный электрод и жидкую электролитическую среду, включающую воду и ионизирующий материал; обеспечивают второй реакционный сосуд, содержащий отрицательный электрод и жидкую электролитическую среду, включающую смесь воды и диоксида углерода; соединяют первый и второй реакционные сосуды средством связи в виде жидкой электролитической среды; прилагают постоянный электрический ток к положительному электроду и отрицательному электроду, обеспечивая образование углеводородов на отрицательном электроде в реакционном сосуде и кислорода на положительном электроде в реакционном сосуде, причем реакционные сосуды работают при давлении более 5,1 атм и при разных температурах.

Изобретение относится к технологии получения серосодержащих органических соединений, в частности к синтезу метансульфокислоты. Метансульфокислота используется в качестве катализатора реакций нитрования, ацилирования, этерификации и полимеризации олефинов.

Изобретение относится к способу эксплуатации твердополимерного электролизера, включающему подачу в него постоянного напряжения питания и воды, нагрев твердополимерного электролизера и воды до температуры, обеспечивающей заданную производительность и соответствующее значение тока электролиза, контроль текущих значений температуры, давления, тока электролиза, производительности в процессе нагрева твердополимерного электролизера, фиксирование рабочего давления и рабочей температуры, последующую работу электролизера в стационарном режиме при фиксированной рабочей температуре с заданной производительностью и давлением.

Изобретение может быть использовано в производстве магнитных порошков, постоянных магнитов, магнитопластов, магнитных жидкостей, а также устройств магнитной записи высокой плотности.

Изобретение относится к области наноструктурированных биосовместимых материалов, в частности к пористому кремниевому наноносителю. Способ включает следующие этапы - получение пор под действием электролиза в пластине толщиной 700-730 мкм и площадью до 32 см2 монокристаллического кремния, являющейся анодом, p-типа проводимости, легированной бором с концентрацией около 10-19 см-3, с удельным сопротивлением 3-7·10-3 Ом·см, поверхности которой ориентированы параллельно кристаллографическим плоскостям в стеклоуглеродном стакане, являющемся катодом.

Изобретение относится к мембранной технике. Многослойная композитная полимерная сильноосновная мембрана, включающая как минимум два полимерных слоя, первый слой, образующий подложку композитной мембраны, содержит четвертичные аммониевые основания с тремя алкильными заместителями у атома азота и поверхностный слой, содержащий ион-полимер с четвертичными аминами, бидентатно связанными с матрицей двумя связями C-N.

Изобретение относится к проницаемому для ионов армированному сепаратору. При этом сепаратор содержит по меньшей мере один сепарационный элемент и по существу полый обходной канал, прилегающий к указанному по меньшей мере одному сепарационному элементу, причем указанный по меньшей мере один сепарационный элемент содержит связующее и оксид или гидроксид металла, диспергированный в нем, и указанный сепарационный элемент характеризуется давлением выдавливания первого пузырька по меньшей мере 1 бар и сопротивлением при обратной промывке по меньшей мере 1 бар, причем давление выдавливания первого пузырька определяется с помощью ASTM E128 и ISO 4003.
Изобретение относится к способу изготовления полимерной ионообменной мембраны, которую применяют для разделения вещества с помощью электрохимических процессов, таких как электродиализ, электролиз, для получения электричества в гальванических батареях, в частности, для топливного элемента.

Изобретение относится к технологии получения композитных наномодифицированных мембран и может быть использовано при изготовлении мембранно-электродных блоков, применяемых в электрохимических устройствах, в том числе в электролизерах воды низкого и высокого давления, портативных электронных устройствах.
Настоящее изобретение относится к способу получения модифицированных перфторированных сульфокатионитных мембран. Описан способ получения модифицированных перфторированных сульфокатионитных мембран путем формирования высокомолекулярных протонпроводящих добавок в их транспортных каналах, отличающийся тем, что в мембране, предварительно выдержанной в полярном растворителе, выбранном из ряда: этиловый спирт, изопропиловый спирт, диметилформамид или диметилсульфооксид, проводят радикальную полимеризацию стирола в присутствии дивинилбензола в качестве сшивающего агента и 2,2-азо-бис-изобутиронитрила в качестве инициатора, а после проведения полимеризации проводят сульфирование сшитого полистирола, внедренного в мембрану.

Изобретение относится к технологии получения селективнопроницаемых ультрафильтрационных мембран на основе ацетатов целлюлозы и может быть использовано для задержания веществ в диапазоне молекулярных масс М=(2-10)×104Да из полидисперсных жидких смесей в пищевой промышленности при выделении сывороточных белков из вторичного сырья, пектинов из пектиносодержащих экстрактов, для концентрирования и очистки плодово-ягодных соков, пива, вина, питьевой и сточной вод.

Изобретение относится к способу получения проницаемого ионообменного материала, который может быть использован в качестве сырья для изготовления мембран, пленок, гранул и модифицирующих покрытий, обладающих ионообменными свойствами и способностью к быстрому переносу ионов.

Изобретение относится к процессам получения пористых пленочных материалов с размером пор микрометрового диапазона из алифатических сополиамидов. Способ включат получение раствора сополимера ε-капролактама и полигексаметиленадипинамида с соотношением компонентов 40:60-60:40 мас.% или сополимера полигексаметиленадипинамида и полигексаметиленсебацинамида с соотношением компонентов 60:40 мас.% концентрацией 10-30 мас.% при Т=50-70°C в спирто-водной смеси с содержанием этанола 45-97 об.%, фильтрацию раствора, его обезвоздушивание и подачу через щелевую фильеру на подложку, выдержку на воздухе сформованного раствора при Т=20-40°C в течение 30-150 сек, осаждение в воде при Т=20°C в течение 1-5 мин, сушку полученной пленки при Т=20-70°C.

Изобретение относится к области мембранных технологий и может быть использовано в пищевой, химической, нефтехимической, фармацевтической и других отраслях промышленности при очистке и разделении разных технологических жидких сред.

Изобретение относится к мелкодисперсному порошку смолы функционального тетрафторэтилена (TFE), дисперсии функционального сополимера TFE, способу изготовления мелкодисперсного порошка экспандируемого функционального сополимера TFE, экспандированному полимерному материалу, способу его изготовления, а также композиционному материалу, включающему экспандированный функциональный TFE сополимер.
Изобретение относится к технологии изготовления нетканых диафрагменных материалов на основе волокон полимера с внедренными по поверхности частицами гидрофильного наполнителя для электролизеров воды с щелочным электролитом. Способ изготовления диафрагменного материала для электролитического разложения воды с щелочным электролитом, при котором электроформование волокон полимера происходит одновременно с обработкой их поверхности раствором прекурсора гидрофильного наполнителя и последующим гидролизом прекурсора, сопровождающимся образованием частиц гидрофильного наполнителя, удерживаемых поверхностью волокон. Электроформование волокон производится в атмосфере герметичного бокса с остаточной влажностью 0.01 ppm и оптимальным содержанием паров растворителя, коррелирующим с составом раствора полимера. Изобретение позволяет создать нетканые диафрагменные материалы на основе полимерных волокон, характеризующиеся высокой удельной электропроводностью, оптимальной пористостью, высокой химической и механической устойчивостью в условиях щелочного электролиза, и обеспечивает высокую чистоту генерируемых газов. 1 з.п. ф-лы, 1 пр.Использование новых диафрагменных материалов позволяет повысить рабочую температуру электролиза (для систем, работающих под давлением вплоть до 140°C), снизить энергопотребление электролизера на 10-15% и значительно повысить ресурс работы. 1 н., 2 з.п. ф-лы.
Наверх