CZ304861B6

CZ304861B6 - Electrolytic cell for preparing hydrogen

Info

Publication number: CZ304861B6
Application number: CZ2013-794A
Authority: CZ
Inventors: Jan Pliska; Eva Plisková
Original assignee: Jan Pliska; Eva Plisková
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2014-12-10
Also published as: CZ2013794A3

Abstract

The present invention relates to an electrolytic cell for preparing hydrogen comprising working electrodes separated from each another by a partition (10), wherein the electrodes are arranged in a jacket (1) having the working electrodes formed by a system of plate anodes (2) and a system of plate cathodes (3), which all are arranged perpendicularly to the partition (10), whereby the partition (10) is provided in its lower section with channels (8), in which there are arranged holders (16) with diaphragms (4).

Description

Vynález se týká elektrolyzéru určeného pro výrobu vodíku, zahrnujícího anody a katody oddělané přepážkou, které jsou uspořádány v plášti.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an electrolyzer for the production of hydrogen, including anode and septum-separated cathodes arranged in a housing.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Elektrolýza je proces, při kterém stejnosměrný proud při průchodu vodným roztokem štěpí chemickou vazbu mezi vodíkem a kyslíkem:Electrolysis is a process in which direct current, when passing through an aqueous solution, breaks down the chemical bond between hydrogen and oxygen:

2H₂O -a· 2H₂ + O₂ 2H ₂ O -a · 2H ₂ + O ₂

H+ poté reaguje na katodě za vzniku plynu, který je jímán a následně skladován. Proces elektrolýzy probíhá za pokojových teplot a pro jeho chod je nutná pouze elektrická energie. Tímto způsobem jsou vyrobena asi 4 % z celkové světové produkce vodíku. Elektrolyzér je chemický reaktor sestávající z nádoby, nejméně dvou elektrod a elektrolytu. Vlivem vnějšího napětí protéká elektrolytem elektrický proud a dochází k elektrochemickým reakcím na elektrodách. Elektrolyzér bývá většinou vybaven zařízením pro míchání elektrolytu, regulátorem teploty a tlaku, proudovými přívody apod. Elektrolyzér s přepážkou, která odděluje anodu od katody, se používá pro v širokém rozsahu pro výrobu plynů pomocí elektrolýzy. Jedna z důležitých součástí elektrolyzéru je membrána její úlohou je zamezit míchání produktů elektrolýzy a bránit tak nežádoucím reakcím mezi nimi. Pokud má membrána zabránit průchodu plynů, musí mít její póry menší průměr než je průměr nejmenších bublinek plynu. Membránou by mohly procházet i větší bublinky plynu za předpokladu, že by rozdíl tlaků na obou jejich stranách překonal kapilární síly v pórech. Pro dosažení co nejvyšších energetických výtěžků je podmínkou, aby celkové napětí na elektrolyzéru co nejméně převyšovalo rovnovážné rozkladné napětí elektrodové reakce, to jest, aby přepětí na elektrodách i při dostatečně vysokých proudových hustotách bylo co nejmenší. Obvykle je na elektrodu, jejímž základním materiálem je například nikl, železo nebo mosaz, v galvanické lázni, v níž byla dispergována slitina obsahující katalyticky účinný kov, například nikl a katalyticky neúčinný kov například hliník o velikosti zrna 1 až 100 pm, vyloučen kovový povlak, z něhož se katalyticky neúčinný kov vyloučí roztokem alkalického hydroxidu.H + then reacts at the cathode to form a gas that is collected and subsequently stored. The electrolysis process takes place at room temperature and only electrical energy is required for its operation. In this way, about 4% of the world's total hydrogen production is produced. An electrolyzer is a chemical reactor consisting of a vessel, at least two electrodes and an electrolyte. Under the influence of external voltage, an electric current flows through the electrolyte and electrochemical reactions occur on the electrodes. The electrolyzer is usually equipped with an electrolyte mixing device, a temperature and pressure regulator, power supplies, and the like. The bulkhead electrolyzer that separates the anode from the cathode is widely used for gas production by electrolysis. One important component of the electrolyzer is the membrane, its role is to prevent the electrolysis products from being mixed and thus to prevent undesired reactions between them. If the membrane is to prevent the passage of gases, its pores must be smaller in diameter than the diameter of the smallest gas bubbles. Larger gas bubbles could pass through the membrane, provided that the pressure difference on both sides would exceed the capillary forces in the pores. In order to achieve the highest possible energy yields, it is a condition that the total voltage at the electrolyzer is as little as possible above the equilibrium decomposition voltage of the electrode reaction, i.e. that the overvoltage at the electrodes, even at sufficiently high current densities, is minimized. Typically, a metal coating on the electrode whose base material is nickel, iron or brass in a galvanic bath in which an alloy containing a catalytically active metal such as nickel and a catalytically inactive metal such as aluminum having a grain size of 1 to 100 µm is dispersed, from which the catalytically inactive metal is precipitated with an alkali hydroxide solution.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Cílem tohoto vynálezu je navrhnout elektrolyzér pro výrobu vodíku, jehož čistota by přibližovala čistotě plynu, kde by nečistoty tvořily maximálně 5 % z celkových 100% a jeho účinnost by dosahovala hodnot mezi 90 až 95 %.It is an object of the present invention to provide an electrolyser for the production of hydrogen, the purity of which is close to that of gas, where the impurities are no more than 5% of the total 100% and have an efficiency of between 90 and 95%.

Vynález řeší elektrolyzér pro výrobu vodíku, zahrnující pracovní elektrody oddělené přepážkou, které jsou uspořádány v plášti, jehož podstata spočívá v tom, že má pracovní elektrody, tvořené soustavou deskových anod a soustavou deskových katod, které jsou uspořádány kolmo vůči přepážce, přičemž přepážka je ve své spodní části opatřena kanály, ve kterých jsou uspořádány držáky s membránami.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an electrolyser for producing hydrogen, comprising working electrodes separated by a baffle, which are arranged in a sheath, characterized in that it has working electrodes comprising a set of plate anodes and a set of plate cathodes arranged perpendicular to the baffle. its lower part is provided with channels in which the membrane holders are arranged.

Otočením pracovních elektrod, tvořených soustavou deskových katod a anod, které jsou uspořádány kolmo k přepážce, má za důsledek zvětšení aktivního povrchu pracovních elektrod. Takováto konstrukce má výhodu v tom, že se nemusí složitě propojovat jednotlivé katody a anody a dále oddělovat tyto prostory membránami.The rotation of the working electrodes, consisting of a set of plate cathodes and anodes, which are arranged perpendicular to the partition, results in an increase in the active surface of the working electrodes. Such a design has the advantage that it is not necessary to interconnect the individual cathodes and anodes in a complicated way and further separate these spaces by membranes.

Je výhodné, jsou-li kanály uspořádány maximálně do 1/3 výšky přepážky.It is advantageous if the channels are arranged to a maximum of 1/3 of the height of the partition.

-1 CZ 304861 B6-1 CZ 304861 B6

Další výhody elektrolyzérů podle tohoto vynálezu jsou:Further advantages of the electrolysers of the present invention are:

• Snížení ztrát celého systému až o 40 %;• Reduce system losses by up to 40%;

• Zmenšení velikosti samotného elektrolyzérů, až o polovinu;• Reduce the size of the cell itself by up to half;

• Minimalizace přítomnosti vodních pár ve vyrobeném plynu;• Minimizing the presence of water vapor in the gas produced;

• Na základě tvaru kanálu zvýšení čistoty vyrobeného plynu až 99 %;• Up to 99% purity of produced gas due to channel shape;

• Snížení investičních nákladů o 70 % oproti stávajícím elektrolyzérům;• Reduction of investment costs by 70% compared to existing electrolysis cells;

• Jednoduchá výroba;• Easy to manufacture;

• Rychlá instalace zařízení;• Quick installation of equipment;

• Jednoduchá obsluha;• Easy to use;

Přehled obrázků na výkresechBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Předkládaný vynález bude osvětlen pomocí výkresu, na kterém obr. 1 znázorňuje uspořádání anod a katod oddělených přepážkou, obr. 2 znázorňuje pohled na elektrolyzér v řezu A-A, obr. 3 znázorňuje plášť s naznačením vstupem a výstupem chladicích okruhů anodového okruhu, obr. 4 znázorňuje pohled na přepážku opatřenou soustavou kanálů, obr. 5 pohled na přepážku v řezu BB a obr. 6 znázorňuje detail kanálu s držákem membrány.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will be elucidated by means of the drawing in which FIG. 1 shows the arrangement of anodes and cathodes separated by a baffle; FIG. 2 shows a view of the cell in section AA; FIG. Fig. 5 is a sectional view of BB and Fig. 6 shows a detail of a channel with a membrane holder.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Podstata vynálezu bude osvětlena na příkladném provedení elektrolyzérů s přepážkou určeného pro výrobu vodíku.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be elucidated on an exemplary barrier-type electrolyzer.

Jak je patrné z obr. 1 a obr. 2 pracovní elektrody elektrolyzérů tvoří soustava deskových anod 2 a katod 3. Základní materiál elektrod tvoří difúzní uhlíkový materiál o čistotě 99,9 %. Uhlíkový materiál, z něhož jsou vytvořeny elektrody, je zhotoven postupnou karbonízací, aby došlo k vytvoření houbovitého povrchu (difúzního povrchu). Na takto zhotovené elektrody se pomocí vakuového nanášení kovů nanese vrstva niklu o síle 2 pm, která představuje na jednu elektrodu 0,01 % hmotnostních z celkové hmotnosti elektrody. Dále se na tuto vrstvu vakuově nanese další vrstva vanadu o čistotě přibližně 100 %. Tato vrstva má tloušťku 0,01 pm a představuje na jednu elektrodu 0,001 % hmotnostních, z celkové hmotnosti elektrody. Takto dostaneme elektrody, kde základní materiál je uhlík s povrchem nikl-vanad. Tímto způsobem vzniknou elektrody, které jsou porézní a netečné vůči elektrolytu 9. Použitý elektrolyt 9 je tvořen roztokem hydroxidů alkalických kovů, například KOH a chemicky čisté vody, jejíž čistota se blíží 99,9 %.As can be seen from FIGS. 1 and 2, the working electrodes of the electrolysers comprise a set of plate anodes 2 and cathodes 3. The base electrode material is a diffuse carbon material with a purity of 99.9%. The carbon material from which the electrodes are formed is made by gradual carbonization to form a spongy surface (diffuse surface). A 2 µm nickel layer, which represents 0.01% by weight of the total electrode weight, is deposited on the electrodes so produced by vacuum deposition of metals. Next, a further layer of vanadium having a purity of about 100% is vacuum deposited on this layer. This layer has a thickness of 0.01 µm and represents 0.001% by weight of the total electrode weight per electrode. This gives electrodes where the base material is carbon with a nickel-vanadium surface. In this way, electrodes are formed which are porous and inert to the electrolyte 9. The electrolyte 9 used consists of a solution of alkali metal hydroxides such as KOH and chemically pure water, the purity of which is close to 99.9%.

Pracovní elektrody tvoří výše popsaná soustava deskových anod 2 a katod 3, jež jsou uspořádány vůči sobě v odstupu na svornících 5, přičemž vzdálenosti mezi nimi jsou vymezeny prostřednictvím distančních podložek 13 požadované tloušťky, s výhodou 5 mm. Následně jsou na svornících 5 staženy pomocí matic 12 způsobem, že tvoří jeden celek. Takto vytvořené pracovní elektrody jsou orientovány kolmo vůči kanálům 8. Kolmé uspořádání pracovních elektrod umožňuje urychlení vývinu plynu na svém povrchu. Dále jsou v kanálech 8 uspořádány držáky 16 membrány 4, přičemž jak kanály 8, tak držáky 16 mají v půdorysném řezu shodný tvar.The working electrodes consist of the above-described array of plate anodes 2 and cathodes 3 which are spaced apart from one another on the terminals 5, the distances between them being defined by spacers 13 of the desired thickness, preferably 5 mm. Subsequently, they are tightened on the bolts 5 by means of nuts 12 in such a way that they form one unit. The working electrodes so formed are oriented perpendicularly to the channels 8. The perpendicular arrangement of the working electrodes allows acceleration of gas evolution on its surface. Further, the holders 16 of the membrane 4 are arranged in the channels 8, wherein both the channels 8 and the holders 16 have the same shape in plan view.

Držák j_6 znázorněný na obr. 5 a 6 je tvořen dvěma bloky, které mají v půdorysném řezu tvar kruhu, přičemž jejich tvar také může mít v půdorysném řezu tvar čtyřúhelníku nebo trojúhelníku nebo víceúhelníku. V těchto blocích jsou vytvořeny trychtýřové otvory, přičemž membrána 4 je uchycena mezi tyto bloky v místě válcových částí otvorů, přičemž válcové části mají s výhodou v půdorysném řezu kruhovitý tvar. A oba bloky jsou vzájemně spojeny pomocí svorníků 5 a matic 12. Membrána 4 odděluje prostory anody 2 a katody 3 s cílem docílit vysoké čistoty vyrobených plynů, která se blíží hodnotě až 99,99999 % čistoty. Membránu 4 tvoří polymemí materiál,The holder 16 shown in FIGS. 5 and 6 is formed by two blocks having a circular cross-sectional plan view, which may also have a rectangular or triangular or polygonal cross-sectional plan view. Funnel openings are formed in these blocks, the membrane 4 being mounted between these blocks at the location of the cylindrical portions of the openings, the cylindrical portions preferably having a circular shape in plan view. And the two blocks are connected to each other by bolts 5 and nuts 12. The membrane 4 separates the spaces of the anode 2 and the cathode 3 in order to achieve a high purity of the produced gases, which is close to 99.99999% purity. The membrane 4 is a polymeric material,

-2CZ 304861 B6 například fólie z polyvinylchloridu, která má maximální tloušťku 0,1 pm, přičemž na povrchu membrány 4 je nanesen elektrostaticky teflon ve formě prášku o zrnitosti 0,1 milimetrů.For example, a polyvinyl chloride film having a maximum thickness of 0.1 µm is coated electronically with Teflon in the form of a powder having a particle size of 0.1 mm.

Obr. 3 znázorňuje plášť i, jejž tvoří nádoba zhotovená z libovolného nevodivého materiálu, který je netečný k elektrolytu 9 a produktům elektrolýzy. Plášť Ije dále opatřen víkem 11. Jakje patrné z obr. 1 a obr. 4 jsou pracovní prostory anody 2 a katody 3 rozděleny přepážkou JO, v níž jsou kanály 8, ve kterých jsou upevněny držáky 16 s membránou 4. Tato přepážka 10 odděluje pracovní prostory' anody 2 a katody 3. Víko 11 je dále opatřeno otvory (na obr. nejsou zakresleny) pro odebírání plynného vodíku a kyslíku, které jsou uspořádány jak prostoru anody 2, tak z prostoru katody 3.Giant. 3 shows a sheath 1 formed of a container made of any non-conductive material that is inert to the electrolyte 9 and the electrolysis products. The housing 1 is further provided with a lid 11. As can be seen from FIGS. 1 and 4, the working spaces of the anode 2 and the cathode 3 are divided by a partition 10 in which the channels 8 in which the membrane holders 16 are fastened. The lid 11 is further provided with openings (not shown in the figure) for the removal of gaseous hydrogen and oxygen, which are arranged both in the anode compartment and in the cathode compartment.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Elektrolyzér lze využít pro výrobu vodíku.The electrolyzer can be used to produce hydrogen.

Claims

An electrolyzer for the production of hydrogen, comprising working electrodes separated by a partition (10) arranged in a housing (1), characterized in that it has working electrodes formed by a set of plate anodes (2) and a set of plate cathodes (3) which are arranged perpendicular to the partition (10), the partition (10) at its lower part being provided with channels (8) in which the brackets (16) with the membranes (4) are arranged.

Electrolyser for the production of hydrogen, according to claim 1, characterized in that the channels (8) are arranged to a maximum of 1/3 of the height of the partition (10).

Electrolyser for the production of hydrogen according to claim 1 or 2, characterized in that the plate anode array (2) and the plate cathode array (3) are spaced apart from one another on the studs (12), the distances between them being defined by means of spacers (13) having a thickness of 1 to 6 mm.

6 drawings

List of reference marks:

1 sheath

2 anode

3 cathode

4 membrane

5 bolt

6 shows the cooling circuit inlet to the anode compartment

7 shows the cooling circuit output from the anode compartment

8 channel

9 electrolyte

10 bulkhead

11 lid

12 nut

13 spacer plate

14 membrane holder

15 funnel openings

16 bracket