Способ получения водорода

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Белорусский государственный технологический университет(73) Патентообладатель Белорусский государственный технологический университет(57) Способ получения водорода электролизом воды в щелочном электролите в электролизере с прижатыми к диафрагме электродами, отличающийся тем, что процесс осуществляют при плотности тока 4 - 10 кА/м 2 и соотношении ширины, длины и высоты электродного пространства электролизера 13065. Изобретение относится к области прикладной электрохимии и используется в щелочных электролизерах для получения водорода и кислорода. Известно, что осуществление способа получения водорода путем электролиза воды связано с потреблением электрической энергии. Общее напряжение на ячейке электролизера в процессе разложения воды на водород и кислород зависит от конструкции электролизера (расстояние между электродами), условиями отвода газовых пузырьков и от режима работы электролизера (плотность тока,температура и др.) С увеличением плотности тока возрастает напряжение на ячейке, включающее в себя перенапряжение на аноде и катоде, потери напряжения в электролите, диафрагме и металлических проводниках. Так как с ростом плотности тока увеличивается газонаполнение электролита, то потери напряжения в электролите возрастают непропорционально, в большей мере, чем в случае омических потерь, вызванных увеличением плотности тока. Поэтому больший вклад в потерю напряжения на ячейке с увеличением плотности тока вносят потери напряжения в электролите и на диафрагме. Для снижения падения напряжения в электролите в современных электролизерах применяют вертикальные, так называемые, выносные вперед (перфорированные) электроды, которые позволяют уменьшить расстояние между электродами и отвести образующиеся водород и кислород из межэлектродного пространства и уменьшить газонаполнение электролита 1. Наиболее близким к предлагаемому способу получения водорода по технической сущности и достигаемому результату является способ, в котором отвод газов для снижения газонаполнения электролита и уменьшения потерь напряжения на преодоление сопротивления газонаполненного электролита осуществляется путем прижатия сетчатых электродов к диафрагме и прокачивания электролита с помощью циркуляционного насоса 2. Недостатком указанных способов получения водорода 1, 2 является высокое газонаполнение электролита в электродном пространстве и высокий расход электроэнергии (до 5,8 кВтч/нм 3 Н 2, при плотности тока до 3,5 кА/м 2), связанный либо с отсутствием циркуляции электролита, либо с дополнительными затратами электроэнергии на транспортировку электролита. 2716 1 Задачей предлагаемого изобретения является снижение газонаполнения электролита в электродном пространстве за счет самоциркуляции электролита в электродном пространстве, обеспечиваемой соотношением геометрических параметров электродного пространства и плотностью тока. Для осуществления поставленной задачи предложен способ получения водорода электролизом воды в щелочном электролите в электролизере с прижатыми к диафрагме электродами, в котором процесс осуществляют при плотности тока 4-10 кА/м 2 и соотношении ширины, длины и высоты электродного пространства электролизера как 13065. Например, при производительности 0,5 нм 2 водорода в час эти соотношения составляют высота - 0,295 м,длина - 0,17 м, ширина - 0,005 м. Производительность электролизера определяется рабочей плотностью тока и числом ячеек. Производительность электролитической ячейки по водороду согласно закону Фарадея определяется по уравнению 0,418, л/ч(1) где 0,418 л/(Ач), электрохимический эквивалент водорода- плотность тока, /см 2- высота электрода, см- ширина электрода, см. Объем электродного пространства, заполненного электролитом при отсутствии тока составляет эл, дм 3,где а - ширина электродного пространства. При электролизе газонаполнение щелочного электролита в электродном пространстве не должно превышать 20 . Тогда, основное количество водорода, равное 1(-0,2 эл) , л/ч,должно выводится из заэлектродного пространства электролизной ячейки. При изменении режима работы электролизера, т. е. плотности тока, изменяется величина газонаполнения электролита (табл. 1) Таблица 1 Режим работы электролитической ячейки При работе с плотностью тока в интервале 2,0-3,5 кА/м 2 объем выделяющегося водорода не обеспечивает самоциркуляцию электролита, что приводит к изменению концентрации щелочи в электролите. При плотности тока 4 кА/м 2 наступает момент, когда газовые пузырьки начинают увлекать с собой электролит и при дальнейшем увеличении токовой нагрузки до 10 кА/м 2 создается развитый турбулентный поток. Это улучшает гидродинамические характеристики процесса и обеспечивает самоциркуляцию электролита в электродном пространстве по замкнутому контуру при поступлении электролита из буферной емкости в электролизер, переносе электролита из электролизера выделяющимися водородом и кислородом в газоотделители и возврате электролита в буферную емкость. Обеспечение самоциркуляции электролита приводит к интенсификации процесса электролиза воды за счет повышения рабочей плотности тока, снижению удельного расхода электроэнергии и поддержанию концентрации щелочи одинаковой по всему замкнутому контуру. 2716 1 Из литературных источников не известен способ получения водорода путем электролиза воды с самоциркуляцией щелочного электролита в электродном пространстве, обеспечиваемой соотношением геометрических параметров электродных пространств, и нами предлагается впервые. Изобретение поясняется выполнением конкретных примеров. Электролит из напорной емкости стекает в буферную емкость, из которой под давлением поступает в электролизер и газоотделители до определенного уровня. На электролизер подается напряжение, обеспечивающее процесс выделения водорода и самоциркуляцию электролита в электродном пространстве. Примеры приведены в таблице 2. Таблица 2 Вольтамперные характеристики способов получения водорода. Способы получения водорода предлагаемый прототип удельный раснапряжение напряжение на удельный расход энергии на ячейке ячейке электроход энергии электролизелизера кВтч/нм 3 Н 2 кВтч/нм 3 Н 2 ра, ,1,81 4,42 2,09 5,10 1,93 4,71 2,36 5,76 1,95 4,76 запредельные 2,26 5,52 значения 2,30 Отсутствие самоциркуляции Интенсивная самоциркуляция электролита Возможно электрохимическое растворение анода Из данных таблицы 2 видно, что обеспечение самоциркуляции электролита в способе получения водорода приводит к снижению напряжения на ячейке электролизера и удельного расхода электроэнергии на 0,25 кВтч/нм 3 Н 2 по сравнению с прототипом. Кроме того, в предлагаемом способе исключение принудительной циркуляции устраняет необходимые затраты электроэнергии на транспортировку жидкости и монтаж дополнительного оборудования. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.