Способ эксплуатации твердополимерного электролизера

Авторы патента:

C25B15/02 - 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 2554876:

Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (RU)

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. Способ характеризуется тем, что ток электролиза фиксируют после достижения заданной производительности в процессе нагрева, а рабочую температуру - после достижения рабочего давления, при полученном фиксированном токе электролиза и минимальном напряжении питания. Использование способа позволяет достичь заданных показателей процесса электролиза (давления и производительности) при минимальных энергозатратах, т.е. при максимальном КПД электролизера. 2 ил.

Изобретение относится к электрохимии и может использоваться при эксплуатации твердополимерных (ТП) электролизеров, а также электрохимических генераторов (ЭХГ), изготовленных на основе протонопроводящих мембран типа Нафион (отечественный вариант - МФ-4СК).

Прототипом данному предложению может служить общепринятая методика эксплуатации электрохимических установок с ЭВ, когда ЭВ вместе с реакционной водой разогревают до определенной рабочей температуры, а затем работают при данной температуре и фиксированном давлении на стационарном режиме. Напряжение на ячейках ЭВ и ток электролиза при этом постоянны. Такая методика работы ТП ЭВ поэтапно описывается, например, в «DEVELOPMENT OF A HIGH PRESSURE РЕМ ELECTROLYZER: ENABLING SEASONAL STORAGE OF RENEWABLE ENERGY», R.A. Engel, G.S. Chapman, C.E. Chamberlin and P.A. Lehman, 15^th Annual U.S. Hydrogen Conference, Los Angeles, CA, April 26-30, 2004. Электропитание электролизера при этом может начинаться как после достижения рабочей температуры, так и раньше. Для запуска ТП электролизера с мембраной Нафион используются следующие операции:

- включение электропитания электролизера (постоянное напряжение);

- включение циркуляции воды через электролизер, ее нагрев до рабочей температуры (36-50°C) и соответствующего значения тока электролиза;

- контроль текущих значений тока электролиза и температуры;

- фиксация рабочего давления электролизера;

- фиксация рабочей температуры твердополимерного электролизера, обеспечивающей его заданную производительность, и соответствующее значение тока электролиза;

- разложение воды при данной температуре и токе электролиза (производительности) на водород и кислород (стационарный режим работы).

Недостатком прототипа является то, что на стационарном режиме электролизер работает с КПД, который ниже максимально возможного при данном давлении и производительности. Это связано с тем, что проводимость мембраны Нафион зависит от конкретных условий, в которых она работает, включая плотность тока, температуру и давление. Кроме того, на проводимость мембраны влияет срок ее службы, а также параметры образца пленки, из которой изготовлена мембрана. В связи с этим для оптимизации режима работы ТП электролизера надо учитывать его индивидуальные характеристики и конкретные условия работы его мембраны.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка методики получения максимальной эффективности работы электролизера на заданном режиме (при фиксированных производительности и давлении) с учетом конкретных характеристик его мембраны.

Техническим результатом предложения является достижение заданных показателей процесса электролиза (давления и производительности) при минимальных энергозатратах, т.е. при максимальном КПД электролизера.

Технический результат достигается за счет того, что в способе эксплуатации твердополимерного электролизера, включающем 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, ток электролиза фиксируют после достижения заданной производительности в процессе нагрева, а рабочую температуру - после достижения рабочего давления, при полученном фиксированном токе электролиза и минимальном напряжении питания.

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1 и фиг.2).

На фиг.1 схематично изображена температурная характеристика (ТХ) мембраны Нафион, то есть зависимость ее проводимости (П) от температуры (Т). Температурная характеристика мембраны Нафион для P₁~1 атм изображена сплошной линией для двух разных напряжений питания U₁<U₂. Для давления Р₂>P₁ и напряжений питания U₁<U₂ температурные характеристики показаны пунктиром. При давлениях, близких к атмосферному (Р₁~1 атм), максимальная проводимость достигается при Т=Т^∗=80÷85°C («Протонообменные мембраны для водородно-воздушных топливных элементов». Ю.А. Добровольский и др. Российский химический журнал, 2006 г., т.L, №6, стр.97). Если напряжение питания электролизера постоянно (U=const), в этой же точке Т^∗ достигается его максимальная производительность и КПД. Если же электролизер работает с более низкой производительностью (Пр₀), при более низкой температуре (Т₀<Т^∗), то его КПД будет меньше возможного для данного режима работы. В этом случае предлагается корректировать режим таким образом, чтобы, не меняя производительности и рабочего давления, получить максимальный КПД, снижая начальный уровень питающего напряжения.

При более высоких давлениях (Р₂>P₁) температурная характеристика смещается в сторону более высоких температур (Т^∗∗>Т^∗) - последнее связано с тем, что при более высоких давлениях Нафион будет лучше сохранять воду и его проводимость будет выше.

Следует отметить, что смещение ТХ может быть связано не только с повышенным давлением, но также со старением материала мембраны. Кроме того, такой эффект наблюдается для мембраны Нафион, модифицированной различными гидрофильными добавками («Новые протонопроводящие мембраны для топливных элементов и газовых сенсоров» Ю.А. Добровольский и др. Международный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ (ISJAEE), №12(20), 2004 г., стр.36).

Фиг.2 иллюстрирует изменение тока электролиза (I) и напряжения (U) от температуры при реализации данного способа.

В начале процесса нагревания при (Т<Т₀) электролизер работает с постоянным напряжением U₀, при этом ток электролиза растет вместе с температурой согласно ТХ до значения I₀, соответствующего заданной производительности Пр₀. На графике (фиг.2) это соответствует перемещению рабочей точки из точки А в точку В. После установления рабочего давления Р₂ при Т=Т₀ и Пр=Пр₀ ток фиксируется (I=I₀) в точке В, однако проводимость мембраны П вместе с температурой продолжает расти, поэтому согласно закону Ома напряжение начинает падать (U<U₀). На спадающих же участках любой ТХ проводимость начинает падать, поэтому, начиная с некоторой температуры Т^∗∗, напряжение на мембране снова начнет увеличиваться. Для получения максимального КПД при заданных давлении и токе электролиза (т.е. производительности) рабочую температуру очевидно необходимо фиксировать именно в точке С при минимальном напряжении питания U₁. Данная точка будет соответствовать максимуму некоторой ТХ мембраны Нафион, соответствующей давлению Р₂ и напряжению питания U₁ (на фиг.2 соответствующая ТХ обозначена пунктиром). При этом рабочая температура в точке С будет выше оптимальной рабочей температуры Т^∗, соответствующей более высокому напряжению U₂ (Т^∗∗>Т^∗).

Способ осуществляют следующим образом.

В твердополимерный электролизер подают постоянное напряжение питания от источника питания и воду. Затем производят нагрев твердополимерного электролизера и воды до температуры Т₀, обеспечивающей заданную производительность Пр₀ электролизера и соответствующее значение тока электролиза I₀. Нагрев производится с помощью системы терморегулирования электролизера, а также с использованием тепла, выделяющегося при электролизе.

Затем фиксируют рабочее давление электролизера Р₂, например с помощью обратного клапана, установленного на входной магистрали электролизера.

После того как в процессе нагрева производительность электролизера достигнет заданного значения Пр₀, фиксируют ток электролиза I₀ (т.е. производительность электролизера). Для этого можно использовать стандартный стабилизатор тока. При этом из-за того что температура и проводимость мембраны продолжают расти, напряжение питания начнет падать согласно закона Ома, однако, начиная с некоторой температуры Т^∗∗, оно вновь станет увеличиваться. С помощью системы терморегулирования фиксируют эту новую рабочую температуру электролизера Т^∗∗, соответствующую минимальному напряжению питания U₁. Для заданных рабочих параметров (давление Р₂ и производительность Пр₀) это соответствует максимальному КПД работы электролизера. В последующем электролизер работает в таком стационарном режиме при полученных таким образом электрических параметрах питания (ток I₀, напряжение U₁) и температуре Т^∗∗.

Способ эксплуатации твердополимерного электролизера, включающий 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, отличающийся тем, что ток электролиза фиксируют после достижения заданной производительности в процессе нагрева, а рабочую температуру - после достижения рабочего давления, при полученном фиксированном токе электролиза и минимальном напряжении питания.

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

Способ получения пористых кремниевых биосовместимых наноносителей // 2553913

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.

Катод для электрохимического получения водорода и способ его изготовления // 2553737

Изобретение относится к области металлургии, а именно к катодным материалам на основе нанокристаллических частиц Fe-Ni. Катод для электрохимического получения водорода выполнен в виде стальной подложки с нанесенным на ее поверхность нанокомпозитным покрытием железо-никель.

Катодные материалы для твердооксидных топливных элементов на основе никельсодержащих слоистых перовскитоподобных оксидов // 2553460

Изобретение относится к катодному материалу для твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) на основе никельсодержащих перовскитоподобных слоистых оксидов. При этом в качестве перовскитоподобного оксида взято соединение с общей формулой Pr2-xSrxNi1-yCoyO4-z, где 0.0<x<1.0; 0.0<y<1.0; -0.25≤z≤0.25.

Способ получения водорода // 2551425

Изобретение относится к способу получения водорода низкого давления для последующего сжигания и получения водяного пара с помощью низковольтного электролиза щелочного электролита раствора солей галогенводородных кислот и их смесей постоянным током, с помощью алюминиевых электродов, с дальнейшим извлечением кислорода в отдельный накопитель из образовавшихся алюминиевых комплексов, с поддержанием состава электролита и контролем температуры и давления в электрохимической ячейке.

Новый сепаратор, электрохимическая ячейка с новым сепаратором и применение нового сепаратора в электрохимической ячейке // 2551365

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.

Способ извлечения йода из подземных напорных вод // 2550405

Изобретение может быть использовано в газо- и нефтедобывающей промышленности для попутного извлечения йод-сырца из бедных по его содержанию подземных напорных вод.

Электрохимический способ получения циклогексантиола в органических растворителях // 2550141

Изобретение относится к электрохимическому способу получения циклогексантиола в органических растворителях. Способ включает взаимодействие циклогексена с сероводородом при атмосферном давлении, причем одностадийную реакцию циклогексена с сероводородом проводят в условиях электролиза при потенциале окисления сероводорода в органическом растворителе, в который помещают фоновый электролит, без использования катализатора или специфического реагента при температуре процесса 20-25°С.

Способ получения ультрамикродисперсного порошка оксида никеля // 2550070

Изобретение относится к получению ультрамикродисперсного порошка оксида никеля. Способ включает получение порошка оксида никеля из металлических никелевых электродов электролизом в щелочном растворе гидроксида натрия.

Способ и устройство получения водорода и кислорода из водяного пара с электрической гравитационной водородной ячейкой // 2546149

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для частичного или полного замещения углеводородного топлива на различных видах транспорта, в отопительных системах жилых и производственных помещений, в генераторах производства пара и для раздельного получения чистого кислорода и водорода для производственных, медицинских и других нужд.

Способ получения метансульфокислоты // 2554880

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. Она также используется в химической, электронной и радиотехнической отраслях промышленности. Способ получения метансульфокислоты осуществляют путем электролиза водного раствора диметилсульфона на фоне метансульфокислоты, электролиз проводят из концентрированных водных растворов 0,2-1,6 М диметилсульфона и осуществляют в анодном отделении диафрагменного электролизера, причем после завершения электролиза анолит подвергают нагреванию при температуре 70-80°C. Задачей данного изобретения является усовершенствование способа синтеза метансульфокислоты путем электролиза водных растворов диметилсульфона высоких концентраций. Технический результат заключается в проведении процесса электросинтеза метансульфокислоты из концентрированных растворов диметилсульфона. Предложенный метод имеет ряд преимуществ: производительность процесса увеличивается за счет повышения концентрации исходного вещества; получают метансульфокислоту высокой чистоты; в значительной степени ускоряется процесс получения метансульфокислоты; не требуется сложное оборудование; промежуточный продукт электролиза - диметилдисульфон - является нетоксичным и экологически безопасным веществом. 6 пр., 1 табл.

Способ и устройство для производства углеводородов // 2555841

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. Также изобретение относится к устройству для осуществления способа. Изобретение позволяет эффективно производить углеводороды из воды и диокида углерода. 2 н. и 31 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл., 1 пр.

Электролизно-водный генератор // 2556210

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. При этом упомянутый блок электродов помещен в трубу из диэлектрического материала, охватывающую электроды без зазоров по периметру, один провод, подводящий ток, подключен к электроду в центре блока, другой - к обоим концевым электродам. Использование настоящего изобретения позволяет стабилизировать состав электролита в блоке, ликвидировать противоток «газ-жидкость» в блоке электродов, решает проблему трещин из-за трехосного расширения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Электрохимический способ получения ацетиленидов меди // 2557660

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. Использование настоящего способа позволяет исключить ядовитые и дорогие реагенты, расширить сырьевую базу, упростить технологию. 1 пр.

Способ эксплуатации твердополимерного электролизера воды // 2560883

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. Способ характеризуется тем, что фиксацию рабочей температуры твердополимерного электролизера воды осуществляют после того, как ток электролиза в процессе нагрева достигнет своего максимального значения и начнет падать, достигнув заданного значения. Использование настоящего изобретения позволяет обеспечить быстродействующую тепловую стабилизацию электролизной ячейки. 1 ил.

Стеклянный уплотнитель для батарей твердооксидных электролитических элементов (soec) // 2561097

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. Также изобретение относится к применению Е-стекла в качестве стеклянного уплотнителя в батареях твердооксидных электролитических элементов. Предлагаемые батареи демонстрируют малую степень ухудшения свойств в процессе эксплуатации. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Анод для выделения хлора // 2561565

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. Обеспечивается снижение напряжения электролиза и удельное потребление электроэнергии. 14 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл., 6 пр.

Способ изготовления электродно-диафрагменного блока для щелочного электролизера воды // 2562457

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.

Способ получения йодата калия // 2563870

Изобретение относится к технологии получения йодата калия и найдет применение в химической, фармацевтической и пищевой промышленности при изготовлении йодсодержащих соединений. Способ получения йодата калия включает непрерывное электрохимическое окисление йодида калия до йодата калия с массовой концентрацией йодида калия 55-85 кг/м3 и йодата калия 70-170 кг/м3 в присутствии бихромата калия с массовой концентрацией до 2 кг/м3 на окислительном рутениево-титановом аноде при анодной плотности тока не более 2000 А/м2 в растворе при температуре 60-80°C, кристаллизацию йодата калия путем непрерывного отбора части электролита, его охлаждение до температуры окружающей среды и отделение кристаллов йодата калия от маточного раствора, отделенный от кристаллов маточный раствор укрепляется по йодиду калия и возвращается в электролизер.

Способ изготовления диафрагменного материала для электролитического разложения воды // 2565319

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.