RU2328552C2 - Method of hydrogen preparation - Google Patents
Method of hydrogen preparation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2328552C2 RU2328552C2 RU2005128966/15A RU2005128966A RU2328552C2 RU 2328552 C2 RU2328552 C2 RU 2328552C2 RU 2005128966/15 A RU2005128966/15 A RU 2005128966/15A RU 2005128966 A RU2005128966 A RU 2005128966A RU 2328552 C2 RU2328552 C2 RU 2328552C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrolytic cell
- cathode
- hydrogen
- anode
- electrodes
- Prior art date
Links
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электрохимии и может быть использовано для получения водорода путем электрохимического разложения водного раствора электролита, например путем осуществления низковольтного электролиза воды при малых плотностях тока в режиме низкотемпературного «теплового насоса».The invention relates to the field of electrochemistry and can be used to produce hydrogen by electrochemical decomposition of an aqueous electrolyte solution, for example, by performing low-voltage electrolysis of water at low current densities in the low-temperature "heat pump" mode.
Возможно последующее применение водорода, полученного при электролизе воды, в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания или в иных энергетических и тепловых установках, в частности преобразующих энергию сгорания водорода в энергию высокого качества - электрическую энергию.Perhaps the subsequent use of hydrogen obtained in the electrolysis of water as a fuel for internal combustion engines or in other energy and thermal installations, in particular, converting the energy of hydrogen combustion into high-quality energy - electrical energy.
Известен способ получения водорода путем низковольтного электролиза воды при малых плотностях тока в электролизере с полупроводниковым анодом и металлическим катодом (Патент США № 4011149, кл. 204-249, опубл. в 1977 г.). Полупроводниковый анод подвергают облучению солнечным светом. За счет преобразования анодом солнечного излучения в электролитической ячейке индуцируется электродвижущая сила, достаточная для разложения воды на водород и кислород.A known method of producing hydrogen by low-voltage electrolysis of water at low current densities in an electrolytic cell with a semiconductor anode and a metal cathode (US Patent No. 4011149, CL 204-249, published in 1977). The semiconductor anode is exposed to sunlight. Due to the conversion by the anode of solar radiation in an electrolytic cell, an electromotive force is induced sufficient to decompose water into hydrogen and oxygen.
К недостаткам такого способа получения водорода, при прочих равных условиях, можно отнести его малую производительность, которая пропорциональна плотности тока и определяется только соотношением величин нормальных электрохимических потенциалов анода в возбужденном состоянии при солнечном облучении и катода, выполненного из металла с малой величиной перенапряжения по водороду, например из никеля или платины. При этом можно считать, что в условиях реализации малых величин перенапряжения на электродах логарифм плотности тока практически линейно зависит от величины перенапряжения (эмпирическая зависимость Тафеля).The disadvantages of this method of producing hydrogen, ceteris paribus, include its low productivity, which is proportional to the current density and is determined only by the ratio of the normal electrochemical potentials of the anode in the excited state under solar radiation and a cathode made of metal with a small amount of hydrogen overvoltage, for example, nickel or platinum. In this case, it can be assumed that under conditions of realization of small values of overvoltage on the electrodes, the logarithm of the current density almost linearly depends on the magnitude of the overvoltage (the empirical dependence of Tafel).
При этом под перенапряжением понимается разница между фактическим напряжением на электролитической ячейке и напряжением начала появления продуктов электролиза (или иначе - это разность потенциалов электрода под током и в равновесии).At the same time, overvoltage refers to the difference between the actual voltage on the electrolytic cell and the voltage at which the appearance of electrolysis products begins (or else, this is the potential difference between the electrode under current and in equilibrium).
Основной недостаток вышеприведенного способа - принципиальная невозможность его функционирования без наличия светового потока на анод.The main disadvantage of the above method is the fundamental impossibility of its functioning without the presence of a light flux to the anode.
Известен способ получения водорода путем электролиза, заключающийся в погружении металлических электродов в раствор электролита, замыкании электродов электролитической ячейки на генератор электрического тока, принудительном вращении электролитической ячейки и генератора электрического тока, а также подводе подготовленного раствора электролита и отводе отработанного раствора электролита, включая и конечные продукты электролиза.A known method of producing hydrogen by electrolysis, which consists in immersing metal electrodes in an electrolyte solution, closing the electrodes of the electrolytic cell to an electric current generator, forcing the electrolytic cell and electric current generator to rotate, as well as supplying the prepared electrolyte solution and removing the spent electrolyte solution, including end products electrolysis.
При вращении электролитической ячейки реализуется последовательное преобразование механической энергии привода вначале в электрическую энергию генератора, которая затем преобразуется в химическую энергию водорода и кислорода, получающихся из воды в процессе электролиза (патент РФ № 2015395, F02M 21/00, опубл. 30.06.1994 г.).When the electrolytic cell rotates, a sequential conversion of the mechanical energy of the drive, first into the electrical energy of the generator, is realized, which is then converted into the chemical energy of hydrogen and oxygen obtained from water during electrolysis (RF patent No. 2015395, F02M 21/00, published on June 30, 1994. )
К недостаткам такого способа получения водорода можно отнести значительную энергоемкость способа, а значит и его неэффективность, так как при вращении электролитической ячейки реализуется только последовательное преобразование механической энергии привода в электрическую, а только потом в химическую энергию водорода и кислорода. Кроме того, отсутствует возможность реализации режима низкотемпературного 10-25°С «теплового насоса», так как система функционирует при рабочем напряжении, превышающем термонейтральное (например, 1,48 В при температуре 25°С и давлении 0,1 МПа). Это автоматически приводит к необходимости обеспечения принудительного охлаждения электролизера и потери тепла, т.е. в известном способе нет подвода тепла от внешнего «бесплатного» источника, например окружающей атмосферы, с целью компенсации эндотермического эффекта реакции разложения воды, что ведет к неэффективности процесса.The disadvantages of this method of producing hydrogen can be attributed to the significant energy intensity of the method, and hence its inefficiency, since when the electrolytic cell is rotated, only the sequential conversion of the mechanical energy of the drive into electrical energy, and only then into the chemical energy of hydrogen and oxygen, is realized. In addition, there is no possibility of implementing the low-temperature 10-25 ° C “heat pump” mode, since the system operates at an operating voltage exceeding the thermal neutral (for example, 1.48 V at a temperature of 25 ° C and a pressure of 0.1 MPa). This automatically leads to the need to ensure forced cooling of the electrolyzer and heat loss, i.e. in the known method there is no supply of heat from an external "free" source, for example, the surrounding atmosphere, in order to compensate for the endothermic effect of the decomposition of water, which leads to inefficiency of the process.
Эффективность процесса электролиза - это отношение величины термонейтрального напряжения к фактически действующему на ячейке, что соответствует отношению высшей теплоты сгорания получаемого водорода к величине подводимой электрической энергии.The efficiency of the electrolysis process is the ratio of the thermoneutral voltage to the actually acting on the cell, which corresponds to the ratio of the higher calorific value of the hydrogen produced to the amount of electrical energy supplied.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения водорода путем электролиза воды по патенту РФ № 2174162, С25В 9/00, 1/02, F02M 21/02, опубл. 27.09.2001 г. Способ заключается в погружении электродов в раствор электролита, замыкании электродов электролитической ячейки накоротко или их замыкании на полезную внешнюю нагрузку, принудительном вращении электролитической ячейки, а также подводе подготовленного раствора электролита и отводе отработанного раствора электролита, включая и конечные продукты электролиза, при этом принудительное вращение электролитической ячейки осуществляют с фактической угловой скоростью вращения ωФ, превышающей минимальную величину ω0, определяемую из приведенной в материалах прототипа расчетно-экспериментальной зависимости.Closest to the claimed method according to the technical essence and the achieved result is a method for producing hydrogen by electrolysis of water according to the patent of the Russian Federation No. 2174162, С25В 9/00, 1/02, F02M 21/02, publ. 09/27/2001, the Method consists in immersing the electrodes in an electrolyte solution, shorting the electrodes of the electrolytic cell or shorting them to a useful external load, forcing the electrolyte cell to rotate, as well as supplying the prepared electrolyte solution and removing the spent electrolyte solution, including the final electrolysis products, wherein the forced rotation of the electrolytic cell is carried out with an actual angular velocity of rotation ω Ф exceeding the minimum value of ω 0 determined from the prototype of the calculated experimental dependence.
Электродвижущая сила, достаточная для реализации процесса электролиза воды в электролитической ячейке, возникает за счет пространственного инерционного разделения катионов и анионов электролита (массы катиона и аниона существенно различаются по величине) при вращении электролитической ячейки. Электролитическая ячейка под действием центробежных сил преобразуется в гальванический элемент концентрационного типа.An electromotive force sufficient to implement the process of water electrolysis in an electrolytic cell arises due to the spatial inertial separation of cations and anions of the electrolyte (the masses of the cation and anion differ significantly in magnitude) during rotation of the electrolytic cell. The electrolytic cell under the action of centrifugal forces is converted into a galvanic cell of a concentration type.
Замыкание контактов электролитической ячейки обеспечивает процесс начала появления продуктов электролиза на электродах лишь после достижения электролитической ячейкой минимальной величины угловой скорости вращения ω0. Это объясняется тем, что реакции образования молекулярных водорода и кислорода экзотермичны, то есть возможно их самопроизвольное протекание, но только при условии преодоления энергетического барьера, установленного силами гидратных связей ионов электролита. Этот барьер в известном способе разрушается механическим полем искусственной силы тяжести.Closing the contacts of the electrolytic cell provides the process of the onset of the appearance of electrolysis products on the electrodes only after the electrolytic cell reaches the minimum value of the angular velocity of rotation ω 0 . This is because the reactions of molecular hydrogen and oxygen formation are exothermic, that is, their spontaneous course is possible, but only if the energy barrier established by the hydrated bonds of the electrolyte ions is overcome. This barrier in the known method is destroyed by a mechanical field of artificial gravity.
Процесс разложения воды на кислород и водород за счет восстановления их ионов сопровождается уменьшением энтальпии раствора, в результате чего температура раствора постоянно снижается, и если не восполнять теплопотери, то раствор электролита замерзнет и процесс прекратится. Если приток тепла недостаточен, то температура раствора электролита станет ниже температуры окружающей среды и создадутся условия для поглощения внешнего тепла в режиме электрохимического «теплового насоса», который, в свою очередь, в известном способе получения водорода обеспечивается путем подвода подготовленного раствора электролита через теплообменник системы отвода отработанного раствора электролита.The process of decomposition of water into oxygen and hydrogen due to the reduction of their ions is accompanied by a decrease in the enthalpy of the solution, as a result of which the temperature of the solution is constantly reduced, and if heat losses are not replenished, the electrolyte solution will freeze and the process will stop. If the heat influx is insufficient, then the temperature of the electrolyte solution will become lower than the ambient temperature and conditions will be created for the absorption of external heat in the electrochemical "heat pump" mode, which, in turn, in the known method for producing hydrogen is provided by supplying the prepared electrolyte solution through the heat exchanger of the exhaust system spent electrolyte solution.
Способ позволяет эффективно преобразовывать механическую энергию привода и тепловую энергию раствора электролита в электрическую и химическую энергию продуктов электролиза. Такое преобразование идет в режиме низкотемпературного «теплового насоса» при малой плотности тока путем закачивания в систему тепла любого природного или техногенного происхождения.The method allows you to effectively convert the mechanical energy of the drive and the thermal energy of the electrolyte solution into electrical and chemical energy of the electrolysis products. Such a conversion occurs in the mode of a low-temperature “heat pump” at a low current density by pumping into the system heat of any natural or man-made origin.
Высокая эффективность такого способа получения водорода определяется, в первую очередь, тем, что процесс реализуется при малых величинах перенапряжений, например внутри интервала 0-250 мВ (1,48 В-1,23 В=0,25 В, где для нормальных условий 1,23 В - термодинамический потенциал начала процесса выделения кислорода, а 1,48 В - термонейтральное напряжение - потенциал, при котором существует баланс тепла, выделяющегося при электролизе, с теплом, необходимым для его продолжения, - система не требует подвода тепла внешнего источника).The high efficiency of this method of producing hydrogen is determined, first of all, by the fact that the process is realized at low overvoltages, for example, within the interval of 0-250 mV (1.48 V-1.23 V = 0.25 V, where for normal conditions 1 , 23 V is the thermodynamic potential of the beginning of the process of oxygen evolution, and 1.48 V is the thermoneutral voltage - the potential at which there is a balance of the heat released during electrolysis with the heat necessary to continue it - the system does not require the supply of heat from an external source).
При этом в гальваническом элементе концентрационного типа, например, для нормальных условий потенциал величиной 1,23 В обеспечивается при минимальной угловой скорости вращения электролитической ячейки ω0, а значимое количество выделяющегося газообразного водорода контролируется величиной превышения фактического напряжения на электродах над величиной 1,23 В, что требует большей фактической угловой скорости вращения ячейки ωФ с целью достижения номинальной величины перенапряжения на ячейке. Иными словами, выделяемое количество газообразного водорода контролируется разностью угловых скоростей вращения ячейки (ωФ-ω0), которая пропорциональна величине перенапряжения на ее электродах.Moreover, in a concentration-type galvanic cell, for example, for normal conditions, a potential of 1.23 V is provided at a minimum angular rotation speed of the electrolytic cell ω 0 , and a significant amount of hydrogen gas released is controlled by the excess of the actual voltage across the electrodes over the value of 1.23 V, which requires a greater actual angular velocity of rotation of the cell ω Ф in order to achieve the nominal value of the overvoltage on the cell. In other words, the generated amount of hydrogen gas is controlled by the difference in angular speeds of rotation of the cell (ω -ω F 0) which is proportional to the over-voltage at its electrodes.
Однако известный способ получения водорода не лишен недостатков. К ним можно отнести достаточно низкую производительность способа.However, the known method for producing hydrogen is not without drawbacks. These include a fairly low productivity of the method.
Это обусловлено тем, что в прототипе, с одной стороны, учтено влияние сил инерции на раствор электролита (процесс разделения ионов электролита), но, с другой стороны, не учтен характер их силового механического влияния на электроды соответствующей полярности. В известном способе влияние вышеназванных инерционных сил на величину производительности получения водорода носит случайный характер и может привести как к некоторому ее увеличению, так и уменьшению.This is due to the fact that in the prototype, on the one hand, the influence of inertia forces on the electrolyte solution (the process of separation of electrolyte ions) is taken into account, but, on the other hand, the nature of their mechanical force on electrodes of the corresponding polarity is not taken into account. In the known method, the influence of the above inertial forces on the amount of hydrogen production is random and can lead to some increase or decrease.
Задачей настоящего изобретения является повышение производительности способа получения водорода в режиме эффективного низкотемпературного «теплового насоса» и малой плотности тока, например в нормальных условиях.An object of the present invention is to increase the productivity of a method for producing hydrogen in an effective low-temperature “heat pump” mode and low current density, for example, under normal conditions.
Использование настоящего изобретения обеспечивает следующий технический результат - увеличение производительности способа на 10-20% при величинах рабочих перенапряжений на электролитической ячейке, например, в пределах до 120 мВ.Using the present invention provides the following technical result - an increase in the productivity of the method by 10-20% with the values of the working overvoltages on the electrolytic cell, for example, in the range up to 120 mV.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в известном способе получения водорода путем электролиза, включающем замыкание электрической цепи, установленной на валу электролитической ячейки, содержащей анод и катод, и ее вращение, подвод раствора электролита к электролитической ячейке и его отвод, отвод конечных продуктов электролиза, согласно изобретению катод устанавливают неподвижно на валу, электроды подвергают объемно-упругому деформированию, при этом катод растягивают, а анод сжимают.This problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the known method for producing hydrogen by electrolysis, including the closure of the electrical circuit mounted on the shaft of the electrolytic cell containing the anode and cathode, and its rotation, the supply of the electrolyte solution to the electrolytic cell and its removal, removal of the final electrolysis products, according to the invention, the cathode is fixedly mounted on the shaft, the electrodes are subjected to volume-elastic deformation, while the cathode is stretched, and the anode is compressed.
Замыкание электрической цепи электролитической ячейки обеспечивает такой известный суммарный технический эффект, как принципиальную возможность реализации процесса электролиза.The closure of the electrical circuit of the electrolytic cell provides such a well-known overall technical effect as the fundamental possibility of the implementation of the electrolysis process.
Вращение электролитической ячейки обеспечивает такой известный суммарный технический эффект, как преобразование электролитической ячейки в гальванический элемент концентрационного типа, возникающий за счет инерционного разделения ионов электролита. В электролитической ячейке реализуется электродвижущая сила (ЭДС), достаточная для процесса электролиза воды при угловых скоростях ее вращения ωФ, превышающих величину ω0, задаваемую известной из прототипа расчетно-экспериментальной зависимостью.The rotation of the electrolytic cell provides such a well-known overall technical effect, as the conversion of the electrolytic cell into a concentration-type galvanic cell arising from the inertial separation of electrolyte ions. An electromotive force (EMF) is realized in the electrolytic cell, which is sufficient for the process of electrolysis of water at angular velocities of its rotation ω Ф exceeding the value of ω 0 specified by the calculation and experimental dependence known from the prototype.
Подвод подготовленного раствора электролита и отвод отработанного раствора электролита, включая и конечные продукты электролиза, обеспечивают такой известный технический эффект, как эффективность процесса электролиза, например, в нормальных условиях в режиме низкотемпературного «теплового насоса» и малой плотности тока при параллельном преобразовании механической энергии привода и тепловой энергий электролита в электрическую и химическую энергии продуктов электролиза.The supply of the prepared electrolyte solution and the discharge of the spent electrolyte solution, including the final electrolysis products, provide such a well-known technical effect as the efficiency of the electrolysis process, for example, under normal conditions in the low-temperature “heat pump” mode and low current density with parallel conversion of the mechanical energy of the drive and thermal energies of electrolyte into electrical and chemical energy of electrolysis products.
Вращение электролитической ячейки, реализующее не только инерционное разделение ионов электролита, но и инерционное механическое деформирование электродов случайного вида и степени, обеспечивает такой известный технический эффект, как нестабильность процесса электролиза по току (фактически при прочих равных условиях по величине перенапряжения, что уменьшает производительность по водороду).The rotation of the electrolytic cell, which implements not only the inertial separation of electrolyte ions, but also the inertial mechanical deformation of electrodes of a random type and degree, provides such a well-known technical effect as the instability of the electrolysis process in current (practically all other conditions being equal in magnitude of the overvoltage, which reduces hydrogen productivity )
Физически указанный эффект опирается на трактовку температурной зависимости работы выхода электрона в зоммерфельдовском приближении, который сводится к эффекту изменения концентрации электронов в металле, связанному с изменением объема тела. Это, в свою очередь, изменяет работу выхода электрона из проводника и, следовательно, изменяет уровень нормального электрохимического потенциала тела (В.С.Фоменко, И.А.Подчерняева. Эмиссионные и адсорбционные свойства веществ и материалов. Справочник. Под редакцией Г.В.Самсонова. М., Атомиздат, 1975 г., с.15).The physically indicated effect is based on the interpretation of the temperature dependence of the electron work function in the Sommerfeld approximation, which reduces to the effect of a change in the electron concentration in the metal associated with a change in the body volume. This, in turn, changes the work function of the electron from the conductor and, therefore, changes the level of the normal electrochemical potential of the body (V. S. Fomenko, I. A. Podchernyaeva. Emission and adsorption properties of substances and materials. Reference book. Edited by G.V. Samsonova. M., Atomizdat, 1975, p. 15).
То есть согласно зоммерфельдовскому приближению два электрода из одного металла, помещенные в раствор электролита, относительно друг друга будут обладать нулевым потенциалом, но при объемном деформировании одного из них в упругой зоне (в пределах закона Гука) электрохимическое равновесие между ними будет нарушено и возникнет дополнительная электродвижущая сила, индуцированная упругими силами кристаллической решетки деформированного электрода. Величина этой дополнительной электродвижущей силы и ее полярность будет целиком контролироваться в неразрывном единстве видом (объемное растяжение или объемное сжатие) деформирования, а также его степенью (объемно-упругое).That is, according to the Sommerfeld approximation, two electrodes of the same metal, placed in an electrolyte solution, will have zero potential relative to each other, but if one of them bulk deforms in the elastic zone (within the framework of Hooke's law), the electrochemical equilibrium between them will be violated and an additional electromotive the force induced by the elastic forces of the crystal lattice of the deformed electrode. The magnitude of this additional electromotive force and its polarity will be entirely controlled in inextricable unity by the form (volumetric tension or volumetric compression) of deformation, as well as its degree (bulk-elastic).
Таким образом, целенаправленное обеспечение объемно-упругого деформирования электродов за счет такого средства как инерционные силы, которое для катода достигается растяжением, а для анода - сжатием, обеспечивает такой сверхсуммарный технический эффект в сравнении с прототипом, как принципиальную возможность увеличения и стабилизацию величины производительности способа получения водорода в режиме эффективного низкотемпературного «теплового насоса» и малой плотности тока, например в нормальных условиях.Thus, the targeted provision of volume-elastic deformation of the electrodes due to such a means as inertial forces, which is achieved by stretching for the cathode, and by compression for the anode, provides such a super-total technical effect in comparison with the prototype, as a fundamental possibility of increasing and stabilizing the productivity of the production method hydrogen in the effective low-temperature “heat pump” mode and low current density, for example, under normal conditions.
При этом указанный технический эффект по увеличению производительности способа в своей физической основе, в отличие от прототипа, достигается за счет одновременного смещения нормальных электрохимических потенциалов анода и катода в противоположные стороны. Этот процесс автоматически реализует индуцирование между электродами дополнительной электродвижущей силы, в дополнение к той, которая генерируется инерционным разделением ионов водного раствора электролита при той же угловой скорости вращения ячейки (фактическая величина перенапряжения увеличивается на величину дополнительной ЭДС, пропорционально которой увеличивается и производительность заявляемого способа). Таким образом, работа электролитической ячейки на номинальных величинах перенапряжения, например, в пределах до 100-120 мВ и его увеличение на 12-60 мВ за счет дополнительной ЭДС приводит к росту производительности заявляемого способа по водороду, при прочих равных условиях, примерно на 10-50%.Moreover, the specified technical effect of increasing the productivity of the method in its physical basis, in contrast to the prototype, is achieved by simultaneously shifting the normal electrochemical potentials of the anode and cathode in opposite directions. This process automatically implements the induction between the electrodes of an additional electromotive force, in addition to that generated by inertial separation of ions of an aqueous electrolyte solution at the same angular velocity of rotation of the cell (the actual value of the overvoltage increases by the amount of additional EMF, which is proportional to which the productivity of the proposed method also increases). Thus, the operation of the electrolytic cell at nominal values of overvoltage, for example, in the range up to 100-120 mV and its increase by 12-60 mV due to additional EMF leads to an increase in the productivity of the proposed method for hydrogen, ceteris paribus, by about 10- fifty%.
Выбор вида объемно-упругого деформирования соответствующего электрода (сжатие или растяжение) диктуется полярностью концентрационной гальванической ячейки инерционного типа и требует для проводника катода уменьшения, а для проводника анода увеличения их нормальных электрохимических потенциалов относительно любого электрода сравнения, что эквивалентно требованию уменьшения работы выхода электрона для катода и ее увеличения для анода.The choice of the type of volume-elastic deformation of the corresponding electrode (compression or tension) is dictated by the polarity of the inertial-type concentration galvanic cell and requires a decrease for the cathode conductor and an increase in their normal electrochemical potentials for any reference electrode, which is equivalent to the requirement to reduce the electron work function for the cathode and its increase for the anode.
Теоретическим подтверждением практической достижимости указанных эффектов является, например, работа Р.М.Пелещака и В.П.Яцишина («О влиянии неоднородной деформации металла на работу выхода электрона» // Физика металлов и металловедение / Том 82, № 3, 1996 г., стр.18-26), в которой показано, что работа выхода электрона из металла в окрестности плоского дефекта уменьшается, когда кристаллическая решетка претерпевает деформационное растяжение.Theoretical confirmation of the practical attainability of these effects is, for example, the work of R.M. Peleshak and V.P. Yatsishin (“On the effect of inhomogeneous metal deformation on the electron work function” // Physics of Metals and Metallurgy / Volume 82, No. 3, 1996 , pp. 18-26), in which it is shown that the work function of an electron from a metal in the vicinity of a plane defect decreases when the crystal lattice undergoes strain extension.
Собственные исследования авторов показали уменьшение нормального электрохимического потенциала проводника (Сталь 45) в условиях одноосного растяжения и уровня эквивалентных напряжений примерно О,65×σ0,2 (σ0,2 - условный предел текучести металла) на не более 35-45 мВ в зависимости от исходной микротвердости поверхности проводника (степени закалки). Аналогично ведут себя электроды из листового никеля, палладия, иридия, что и обеспечивает возможность реализации технического эффекта в качестве индуцированной дополнительно ЭДС величиной, например, до 60-80 мВ (суммарно для обоих электродов) к номинальной величине перенапряжения до 120 мВ в нормальных условиях, генерируемой концентрационной ячейкой за счет сил инерции. При малых плотностях тока производительность ячейки по водороду пропорциональна величине перенапряжения, что в рамках вышеприведенных количественных характеристик возможных величин дополнительной ЭДС реализует увеличение производительности по водороду в сравнении с прототипом существенно большее, чем заявляемое авторами увеличение на 10-20%.The authors' own studies showed a decrease in the normal electrochemical potential of the conductor (Steel 45) under uniaxial tension and the level of equivalent stresses of about O, 65 × σ 0.2 (σ 0.2 is the conditional yield strength of the metal) by no more than 35-45 mV, depending from the initial microhardness of the surface of the conductor (hardening degree). Electrodes made of sheet nickel, palladium, and iridium behave similarly, which makes it possible to realize the technical effect as an additionally induced EMF, for example, up to 60-80 mV (for both electrodes in total) to a nominal overvoltage of up to 120 mV under normal conditions, generated concentration cell due to inertia forces. At low current densities, the hydrogen productivity of the cell is proportional to the magnitude of the overvoltage, which, in the framework of the above quantitative characteristics of the possible values of the additional EMF, realizes an increase in hydrogen productivity in comparison with the prototype, which is significantly greater than the authors claimed increase by 10-20%.
Возможно достижение и иного технического эффекта. При производительности по водороду, равной производительности прототипа, и прочих равных условиях сравнения заявляемый способ обеспечивает возможность иметь угловую скорость вращения ячейки меньшую, чем требуется прототипу на величину, примерно пропорциональную величине дополнительной ЭДС.It is possible to achieve a different technical effect. When the hydrogen productivity is equal to the productivity of the prototype, and other equal conditions of comparison, the inventive method provides the ability to have an angular velocity of rotation of the cell less than the prototype requires by a value approximately proportional to the value of the additional emf.
Этот технический эффект, по мнению авторов, и является основным для этого вида техники, так как технически проще по известным законам подобрать вид и степень деформирования электродов и увеличить напряжение на ячейке, например с 1350 мВ до 1430 мВ, чем увеличивать фактическую угловую скорость вращения ячейки примерно со 140 тыс. об/мин до 150 тыс. об/мин (номинальная величина угловой скорости ячейки существенно зависит от ее фактического радиуса, свойств электролита, геометрии и механических характеристик материалов электродов, а также работы выхода электрона из электродов в раствор электролита).This technical effect, according to the authors, is the main one for this type of technology, since it is technically simpler to determine the type and degree of deformation of the electrodes and increase the voltage across the cell, for example, from 1350 mV to 1430 mV, according to well-known laws, than to increase the actual angular velocity of rotation of the cell from approximately 140 thousand rpm to 150 thousand rpm (the nominal value of the angular velocity of the cell substantially depends on its actual radius, electrolyte properties, geometry and mechanical characteristics of the electrode materials, as well as the operation ode electron from electrodes into electrolyte solution).
На чертеже представлена принципиальная схема устройства электролитической ячейки инерционного типа, реализующая заявляемый способ получения водорода путем электролиза воды.The drawing shows a schematic diagram of an inertial type electrolytic cell device that implements the inventive method for producing hydrogen by electrolysis of water.
Электролитическая ячейка инерционного типа представляет собой привод с неподвижным защитным кожухом, на котором вертикально размещены опоры (условно не показаны) ведомого ступенчатого вала 1 электролитической ячейки, вращающейся с угловой скоростью ωФ.The inertial type electrolytic cell is a drive with a stationary protective casing, on which the supports (not shown conventionally) of the driven stepped shaft 1 of the electrolytic cell rotating at an angular speed ω Ф are vertically placed.
На валу 1 коаксиально и неподвижно относительно него установлены герметичный разъемный корпус электролитической ячейки 2, анод 3 и катодный блок, состоящий из набора электродов 4. Набор электродов 4 и анод 3 закорочены отдельным проводником (на условно не показан).A sealed detachable housing of the electrolytic cell 2, anode 3 and a cathode block consisting of a set of electrodes 4 are mounted on the shaft 1 coaxially and motionlessly relative to it. The set of electrodes 4 and the anode 3 are shorted by a separate conductor (not shown conventionally).
С внешних сторон торцев корпуса 2 ячейки на валу 1 с возможностью его вращения установлены неподвижно относительно защитного кожуха герметичные обоймы подвода водного раствора электролита 5, отвода газообразного водорода 6 и отвода отработанного раствора электролита совместно с продуктами анодной реакции 7.On the outer sides of the ends of the cell body 2, on the shaft 1 with the possibility of its rotation, the sealed clips for supplying an aqueous solution of electrolyte 5, removal of hydrogen gas 6 and removal of the spent electrolyte solution together with the products of the anode reaction 7 are fixedly mounted relative to the protective casing.
Герметичность ступенчатого вала 1 в верхнем и нижнем торцах разъемного корпуса 2 ячейки обеспечена набором неподвижных резиновых уплотнений 8 (со стороны нижнего торца корпуса ячейки 2 уплотнение 8 условно не показано). Неподвижность корпуса 2 и отдельных электродов 4 катодного блока относительно вала 1 обеспечена шпонками 9 (шпонки 9 электродов 4 условно не показаны).The tightness of the stepped shaft 1 in the upper and lower ends of the detachable body 2 of the cell is provided by a set of stationary rubber seals 8 (from the side of the lower end of the body of the cell 2, the seal 8 is conditionally not shown). The immobility of the housing 2 and the individual electrodes 4 of the cathode block relative to the shaft 1 is provided with keys 9 (keys 9 of the electrodes 4 are conditionally not shown).
При вращении электролитической ячейки водный раствор электролита в ее внутренней полости под действием сил инерции занимает объем, ограниченный контуром К.When the electrolytic cell rotates, an aqueous electrolyte solution in its internal cavity under the action of inertia forces occupies a volume limited by circuit K.
Каждый электрод 4 катодного набора представляет собой плоский иридиевый диск, на обеих торцевых поверхностях которого выполнено по одной широкой кольцевой канавке. Толщина металлической перемычки 10 между кольцевыми канавками электрода 4 выбирается переменной и рассчитана так, чтобы механические напряжения объемно-упругого растяжения, индуцированные в ней силами инерции при вращении электролитической ячейки, были примерно равны. Это обеспечивает одинаковый электрохимический потенциал всех точек поверхности перемычки 10, что, в свою очередь, обусловливает стабильность кинетики выделения на них водорода при величине его перенапряжения близкой к нулю. Электрод 4 перфорирован вертикальными перепускными отверстиями 11 и радиальными прорезями 12, предназначенными для подвода газообразного водорода к сквозным радиальным отверстиям 13 вала 1. Все отверстия 13 вала 1 объединены его центральным каналом 14 и через радиальные перфорационные каналы 16 вала 1 соединены с неподвижными отводящими каналами газообразного водорода обоймы 6.Each electrode 4 of the cathode set is a flat iridium disk, on both end surfaces of which there is one wide annular groove. The thickness of the metal jumper 10 between the annular grooves of the electrode 4 is selected variable and is designed so that the mechanical stresses of the body-elastic tension induced in it by inertia during rotation of the electrolytic cell are approximately equal. This ensures the same electrochemical potential of all points on the surface of the jumper 10, which, in turn, determines the stability of the kinetics of the evolution of hydrogen at them when its overvoltage is close to zero. The electrode 4 is perforated with vertical bypass holes 11 and radial slots 12 for supplying hydrogen gas to the through radial holes 13 of the shaft 1. All holes 13 of the shaft 1 are connected by its central channel 14 and are connected to the stationary exhaust channels of the hydrogen gas through radial perforation channels 16 of the shaft 1 clips 6.
Подводящие водный раствор подготовленного электролита каналы неподвижной обоймы 5 соединены с центральным вертикальным и радиальными каналами 15 вала 1, при этом верхние радиальные перфорационные каналы 15 вала 1 размещены между вершиной контура К параболического вида и внутренней поверхностью нижнего торца корпуса 2 электролитической ячейки.The channels of the fixed cage 5 leading the aqueous solution of the prepared electrolyte are connected to the central vertical and radial channels 15 of the shaft 1, while the upper radial perforation channels 15 of the shaft 1 are located between the top of the contour K of a parabolic shape and the inner surface of the lower end of the body 2 of the electrolytic cell.
Отвод отработанного раствора электролита совместно с продуктами анодной реакции осуществляется через канал 17 вала 1 и каналы неподвижной обоймы 7.The discharge of the spent electrolyte solution together with the products of the anode reaction is carried out through the channel 17 of the shaft 1 and the channels of the stationary holder 7.
Анод 3, скрепленный неподвижно с корпусом 2 ячейки, представляет собой цилиндрическую оболочку, изготовленную из иридия, при этом вдоль образующей цилиндрической оболочки выполнен сквозной разрез Р, обеспечивающий при вращении ячейки за счет сил инерции вид деформирования анода - радиальное сжатие.The anode 3, fixed to the cell body 2, is a cylindrical shell made of iridium, and a through cut P is made along the generatrix of the cylindrical shell, which ensures the type of anode deformation — radial compression — during inertia rotation of the cell.
Выбор металла для анода обусловлен тем, что величина перенапряжения кислорода на нем меньше, чем, например, для платинированной платины при температуре 25°С. Обеспечивается возможность, находясь в некотором интервале малых плотностей тока, например, реализовать более выгодный процесс получения на аноде не газообразного кислорода - технологически трудноотделимого в полости электролитической ячейки от газообразного водорода, а жидкой перекиси водорода, отводимой из ячейки через канал 17 вала 1 и обойму 7.The choice of metal for the anode is due to the fact that the magnitude of the overvoltage of oxygen on it is less than, for example, for platinum platinum at a temperature of 25 ° C. It is possible, being in a certain range of low current densities, for example, to implement a more profitable process of producing not gaseous oxygen on the anode - it is technologically difficult to separate from the gaseous hydrogen in the cavity of the electrolytic cell, but liquid hydrogen peroxide removed from the cell through the channel 17 of the shaft 1 and the cage 7 .
Заявленный способ получения водорода путем электролиза воды реализуется следующим образом.The claimed method of producing hydrogen by electrolysis of water is implemented as follows.
Анод 3 электролитической ячейки инерционного типа и катодную обойму из электродов 4 замыкают накоротко между собой отдельным проводником (не показан). Внешним приводом ведомый вал 1 электролитической ячейки раскручивают до угловой скорости ωФ, величина которой в данном примере совпадает с минимально необходимой величиной угловой скорости ω0, обеспечивающей начало появления водорода на катодных электродах 4. Через обойму 5 и каналы 15 вала 1 в полость электролитической ячейки вводят, например, подготовленный водный раствор серной кислоты (2н раствор H2SO4). За счет электродвижущей силы низковольтного концентрационного гальванического элемента инерционного типа величиной 1,23 В, возникающей при инерционной сепарации ионов электролита, и дополнительной ЭДС величиной примерно 80 мВ, индуцированной на электродах за счет объемно-упругого растяжения катода и сжатия анода силами инерции, в электролитической ячейке появляются продукты электролиза водного раствора серной кислоты при температуре примерно 25°С.The anode 3 of the inertial type electrolytic cell and the cathode cage of the electrodes 4 are short-circuited between themselves by a separate conductor (not shown). With an external drive, the driven shaft 1 of the electrolytic cell is untwisted to an angular velocity ω Ф , the value of which in this example coincides with the minimum necessary value of the angular velocity ω 0 , which ensures the onset of hydrogen on the cathode electrodes 4. Through the ferrule 5 and the channels 15 of the shaft 1 into the cavity of the electrolytic cell injected, for example, a prepared aqueous solution of sulfuric acid (2N solution of H 2 SO 4 ). Due to the electromotive force of a low-voltage inertial concentration galvanic cell of 1.23 V, which occurs during inertial separation of electrolyte ions, and an additional EMF of approximately 80 mV induced on the electrodes due to volume-elastic tension of the cathode and compression of the anode by inertia forces in the electrolytic cell electrolysis products of an aqueous solution of sulfuric acid appear at a temperature of about 25 ° C.
На катоде появляется газообразный водород, который, выделяясь на границе фаз К, через каналы 11 и прорези 12 электродов 4, отверстия 13 и центральный канал 14 вала 1, а также отверстия 16 вала 1 попадает в отводящие каналы неподвижной обоймы 6.At the cathode, gaseous hydrogen appears, which, standing out at the phase boundary K, passes through channels 11 and slots 12 of the electrodes 4, holes 13 and the central channel 14 of the shaft 1, as well as the holes 16 of the shaft 1, into the outlet channels of the stationary holder 6.
Продуктом анодной реакции является жидкая перекись водорода, которая совместно с отработанным водным раствором электролита отводится через канал 17 вала 1 в каналы неподвижной обоймы 7.The product of the anode reaction is liquid hydrogen peroxide, which, together with the spent aqueous electrolyte solution, is discharged through the channel 17 of the shaft 1 into the channels of the stationary holder 7.
Отдельными экспериментами в стационарных условиях авторами установлено, что при плотности тока в электролитической ячейке примерно 0,008 кА/м2 величина перенапряжения выделения кислорода на иридиевом аноде не превышает примерно 115 мВ.By separate experiments in stationary conditions, the authors found that at a current density in the electrolytic cell of approximately 0.008 kA / m 2 the magnitude of the overvoltage of oxygen evolution at the iridium anode does not exceed approximately 115 mV.
Следует подчеркнуть, что в сравнении с прототипом, который в нормальных условиях принципиально лишен возможности, в описанном выше примере реализации способа, производить газообразный водород в силу отсутствия анодного перенапряжения по перекиси водорода, предлагаемый способ обеспечивает генерацию газообразного водорода пропорционально величине перенапряжения, равной дополнительной ЭДС.It should be emphasized that in comparison with the prototype, which under normal conditions is fundamentally deprived of the possibility, in the method example described above, to produce hydrogen gas due to the absence of anode overvoltage by hydrogen peroxide, the proposed method provides the generation of gaseous hydrogen in proportion to the overvoltage equal to the additional EMF.
При этом упругое одновременное деформирование электродов обеих полярностей - действие способа, ведущее к практическому удвоению дополнительной электродвижущей силы, которое по величине практически равно сумме противоположно смещающихся электрохимических потенциалов анода и катода, индуцированных упругими силами кристаллической решетки деформированных электродов.In this case, the simultaneous elastic deformation of the electrodes of both polarities is the action of the method, leading to the practical doubling of the additional electromotive force, which is almost equal to the sum of the oppositely displaced electrochemical potentials of the anode and cathode induced by the elastic forces of the crystal lattice of the deformed electrodes.
Следствием названного технического эффекта становится возможной реализация режима максимальной производительности заявляемого способа получения водорода.The consequence of the named technical effect, it becomes possible to implement the maximum performance mode of the proposed method for producing hydrogen.
Авторы считают, что заявляемый способ допускает и возможность предварительного частичного индуцирования упругих сил кристаллической решетки материалов электродов путем их деформирования перед вращением электролитической ячейки известными из уровня техники средствами и методами. Реализация этого приема возможна, например, путем предварительного проведения известных из уровня техники процедур структурно-фазовой перестройки приповерхностных слоев материалов электродов (бомбардировка ускоренными частицами, лазерная или СВЧ-закалка, механический наклеп и т.п.), ответственных за величину и знак (сжатие или растяжение) остаточных напряжений в приповерхностных слоях материалов электродов. При этом ограничение режима реализации заявляемого способа имеет вид - суммарная величина степени деформирования электродов при вращении электролитической ячейки остается в пределах закона Гука для соответствующего вида деформирования материала соответствующего электрода.The authors believe that the claimed method also allows the possibility of preliminary partial induction of the elastic forces of the crystal lattice of the electrode materials by deforming them before the rotation of the electrolytic cell by means and methods known from the prior art. The implementation of this technique is possible, for example, by preliminary carrying out the procedures of structural-phase reconstruction of the surface layers of electrode materials (bombardment by accelerated particles, laser or microwave hardening, mechanical hardening, etc.) known for the size and sign (compression) or tension) residual stresses in the surface layers of electrode materials. Moreover, the limitation of the implementation mode of the proposed method has the form - the total value of the degree of deformation of the electrodes during rotation of the electrolytic cell remains within the Hooke law for the corresponding type of deformation of the material of the corresponding electrode.
Это обеспечивает достижение заявленного технического результата в условиях либо отсутствия технической возможности реализации воздействия на электролитическую ячейку инерционных сил требуемого уровня, либо обеспечивает возможность увеличения радиуса ячейки при уменьшении угловой скорости ее вращения.This ensures the achievement of the claimed technical result in the conditions of either the lack of technical feasibility of the impact on the electrolytic cell of the inertial forces of the required level, or provides the possibility of increasing the radius of the cell with a decrease in the angular velocity of its rotation.
Учет механоэлектрохимического эффекта особенно актуален в тех способах осуществления электролиза воды, которые нацелены на утилизацию тепла атмосферы с температурой, например, в интервале от плюс 10 до плюс 50°С («положительная климатика») в условиях малых плотностей тока и величине перенапряжения на электролитической ячейке, стремящейся к нулю.The consideration of the mechanoelectrochemical effect is especially relevant in those methods of water electrolysis that are aimed at utilizing the heat of the atmosphere with a temperature, for example, in the range from plus 10 to plus 50 ° C (“positive climate”) under conditions of low current densities and the magnitude of the overvoltage on the electrolytic cell tending to zero.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005128966/15A RU2328552C2 (en) | 2005-09-20 | 2005-09-20 | Method of hydrogen preparation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005128966/15A RU2328552C2 (en) | 2005-09-20 | 2005-09-20 | Method of hydrogen preparation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005128966A RU2005128966A (en) | 2007-03-27 |
| RU2328552C2 true RU2328552C2 (en) | 2008-07-10 |
Family
ID=37998817
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005128966/15A RU2328552C2 (en) | 2005-09-20 | 2005-09-20 | Method of hydrogen preparation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2328552C2 (en) |
-
2005
- 2005-09-20 RU RU2005128966/15A patent/RU2328552C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЛАНДСБЕРГ Г.С. Элементарный учебник физики. - М.: Наука, 1975, т.1, с.257-264. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005128966A (en) | 2007-03-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Stucki et al. | In situ production of ozone in water using a membrel electrolyzer | |
| US4084038A (en) | Electrical power generation and storage system | |
| US4677038A (en) | Gas concentration cells for utilizing energy | |
| KR950034576A (en) | Electrolytic water generation method and apparatus therefor | |
| CN104099635B (en) | Hydrogen production device adopting electrolyzed water and method thereof | |
| US1588214A (en) | Production of gas by electrolysis | |
| RU2328552C2 (en) | Method of hydrogen preparation | |
| Rusanov et al. | IMPROVEMENT OF THE MEMBRANE-FREE ELECTROLYSIS PROCESS OF HYDROGEN AND OXYGEN PRODUCTION. | |
| JP5824122B1 (en) | Liquid activation / electrolysis apparatus and liquid activation / electrolysis method | |
| US3216919A (en) | Electrolytic gas generator | |
| JP6066170B2 (en) | Secondary battery energization method, energization device, secondary battery | |
| JPS58516B2 (en) | Koden Henkansu Isohatsu Seisouchi | |
| CN114405231A (en) | Electrically-driven chemical carbon pump combined circulation device and method for thin gas source | |
| JP2011109891A (en) | Temperature difference power generation using micro bubble containing aqueous solution, and method of extracting motive power or electric power using implosion reaction of atomic hydrogen gas which is a mixture gas of hydrogen and oxygen generated relating to the generation | |
| WO2001036817A1 (en) | Wind powered electrical generator | |
| CN111910233A (en) | Surface modification method suitable for large-scale stainless steel bipolar plate of PEMFC | |
| WO2008010108A2 (en) | Dual voltage electrolysis apparatus and method of using same | |
| Singla et al. | Analysis of HHO gas generation rate under KOH & NaOH electrolytic solution | |
| Mutlag et al. | Experimental performance of HHO gas generator | |
| Pashaei et al. | Hydrogen production with water electrolysis method to use in fuel cell for electricity generation | |
| CN1393950A (en) | Method and product for using seawater to provide electric energy | |
| SU455401A1 (en) | Device for supplying load with direct current | |
| Justi | Fuel cell research in europe | |
| WO2008146187A1 (en) | Pulsed electrolysis apparatus and method of using same | |
| RU2162259C1 (en) | Energy source |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20090421 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: PLEDGE Effective date: 20121004 |
|
| QZ41 | Official registration of changes to a registered agreement (patent) |
Free format text: PLEDGE FORMERLY AGREED ON 20121004 Effective date: 20130611 |
|
| QZ41 | Official registration of changes to a registered agreement (patent) |
Free format text: PLEDGE FORMERLY AGREED ON 20121004 Effective date: 20131219 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: PLEDGE Effective date: 20140429 |
|
| QZ41 | Official registration of changes to a registered agreement (patent) |
Free format text: PLEDGE FORMERLY AGREED ON 20140429 Effective date: 20150525 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190921 |