Электролизер для получения кислорода из водяных паров воздуха

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Рвс ублнк

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву(22) Заявлено 2%1280 (21) 3223910/23-26 (51) М. Кл.з

С 25 В 1/04 с присоединением заявки ¹(23) Приоритет—

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений и открытий (33) УДК 621. 317. .729(088.8) Опубликовано 30.07.82, Бюллетень ¹ 28

Дата опубликования описания 300782 (72) Авторы изобретения

Е.A. Калиновский, В.A. Шустов, Е.М. Шемб ь и Ю.К. Россинский ф : . -Р

4 ..:;, ., Днепропетровский химико-технологический ин титИт„,,„. им. Ф.Э. Джержинского (71) Заявитель (54) ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА ИЭ ВОДЯНЫХ

ПАРОВ ВОЗДУХА

Изобретение относится к электро химическим процессам и аппаратам и может быть использовано в системах жизнеобеспечения, а также в качестве бортовых кислородных систем самолетов, передвижных кислородных генераторов 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 электролитом. В качестве пористой диафрагмы используют диафрагму из асбеста и микропористого каучука, а в качестве электролита — концентрированную фосфорную кислоту (1)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 вызываех утечку и смешивание газов, а также увеличивает напряжение на ячейке. Затопление приводит к потерям кислоты и туманообразованию в воздушном потоке.

Цель изобретения - повышение про2з изводительности электролизера и повышение надежности его работы.

Поставленная цель достигается тем, что в электролизере для получения кислорода иэ водяных паров возЗО духа, включающем корпус, катод, 947224

20 сетку изготавливают из платины или титана и покрывают слоем платиновой черни. В катодный 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, на которую нанесен активный платиновый слой.

Пористая асбестовая диафрагма 3 и пористый катод 5 пропитаны элекЗ5 тролитом-нлагопоглотителем (концентрированной фосфорной кислотой).

В теле анодного блока 2 находится входной 6 и выходной 7 штуцеры для подвода влажного воздуха и отвода

40 из системы осушенного воздуха, обогащенного кислородом. для вывода из системы получаемого в электролизере водорода катодный блок 1 имеет выходной штуцер 8. Электролизер

45 снабжен вентилятором для подвода влажного ноздуха 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, 60 переносятся за счет миграции и диффузии по электролиту пропитывающему диафрагму 3, к катоду 5, где восстанавливаются до молекулярного водорода. Образовавшийся водород уда65 перфорированный анод и помещенную между ними пористую диафрагму, пропитанную электролитом перфорированный анод содержит 10 -10 отв/см со степенью перфорации 50-60% и катод выполнен пористым с пористостью 45-75%. 5

Подвод пара воздушного потока н зону электрохимической реакции сосгоит иэ 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 возрастает. При определенном значении числа отверстий и †.. 1010 отв/см коэффициент массопередачи выходит на предельное значение и дальнейшее увеличение N практичес—

1 ки не приводит к возрастанию коэф, фициента массопередачи. В этой области проявляются, в основном,. внешнедиффузионные ограничения в газовой фазе. В связи с этим увеличение чис- ла отверстий выше 10 отв/см не:т целесообразно, и, кроме этого, приводит к ухудшению механического контакта сетчатого анода с диафрагмой. Использование сетчатых анодов, имеющих менее 10 отн/см поверхнос ти электрода нецелесообразно, так как н этом случае производительность электролизера снижается за счет внутридиффузионных ограничений переносу молекул воды из области абсорбции в зону электрохимической реакции. Предпочтительным является использование сетчатых анодов, содержащих 103-10 отв/см

При заданком напряжении зависимость плотности тока на ячейке от степени перфорации (степень перфорации — 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 высокой степенью перфорации связано ц большой поляризацией анода из-ф уменьшения активной поверхности. Расчетами на ЭЦВМ установлено и экспериментально подтверждено, что оптимальная степень перфорации составляет, 50-60%.

Катод выполняют пористым с пористостью 45-75%. Величина буферной емкости по объему электролита состав ляет 0,1-0,2 смЗ на 1 см габаритной

1понерхности, 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.

Устройстно 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 ляют из катодного блока 1 через

947224

Формула изобретения

Составитель О. Зобнин

Редактор В. Пилипенко Техреду. Рейвес Корректор Н. Король 4

Тираж 686 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 5551/41

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 выходной штуцер Р. 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 эа счет более эффективного подвода воды в электролизер через мелкоячеистый сетчатый анод, а также 10 в обеспечении саморегулирования в системе при значительном изменении производительности электролизера и параметров воздуха (влажность, температура, скорость продувки) за счет использования пористого катода, об-, ладающего буферной емкостью по отношению к объему электролита.

Электролизер для получения кислорода из водяных паров воздуха, включающий корпус, катод, перфорированный анод и помещенную между ними пористую диафрагму, пропитанную электролитом, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повьавения производительности и надежности работы электролиэера, перфорированный анод содержит 10 -10 отверстий на 1 см со степенью перфорации

50-60% и катод выполнен пористым с пористостью.45-75%.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. J. Е. С i i f ford Paper Р 670851, Society of Automotive Engineerz, (Jct. 1967.