RU2656219C1 - Coaxial electrochemical compressor of hydrogen - Google Patents

Coaxial electrochemical compressor of hydrogen Download PDF

Info

Publication number
RU2656219C1
RU2656219C1 RU2017113187A RU2017113187A RU2656219C1 RU 2656219 C1 RU2656219 C1 RU 2656219C1 RU 2017113187 A RU2017113187 A RU 2017113187A RU 2017113187 A RU2017113187 A RU 2017113187A RU 2656219 C1 RU2656219 C1 RU 2656219C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
electrode
package
compressor
cathode
Prior art date
Application number
RU2017113187A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Николаевич Глухих
Владимир Филиппович Челяев
Original Assignee
Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" filed Critical Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority to RU2017113187A priority Critical patent/RU2656219C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2656219C1 publication Critical patent/RU2656219C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B37/00Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00
    • F04B37/10Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for special use
    • F04B37/12Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for special use to obtain high pressure

Abstract

FIELD: electrochemistry.
SUBSTANCE: invention relates to electrochemistry, including green energy, and can be used in transport energy systems and in space. Hydrogen compressor includes a casing with inlet and outlet fittings, as well as a package of electrically insulated membrane-electrode blocks, consisting of a proton-conducting membrane installed between the gas-permeable electrodes-the cathode and the anode, contacting the surface of the membrane. Membrane-electrode blocks are located inside the housing and are divided into pneumatically isolated cavities. In each cavity, with the exception of the extreme cavities, a cathode and an anode of two adjacent blocks separated by a gas-permeable insulator are located. Package of membrane-electrode blocks is formed from nested individual blocks, made in the form of hollow cylinders. External electrode of the package is connected to the common anode power supply bus of the coaxial electrochemical hydrogen compressor, the inner electrode - the central electrode - to the common cathode supply line of the compressor. Outlet connection of the compressor communicates with the internal cathode cavity of the internal membrane-electrode block of the package located on the package axis. Inlet connection is with the external anodic cavity of the external membrane-electrode block of the package located under the compressor casing.
EFFECT: increased reliability and safety of the compressor, improved weight and size characteristics, and obtained possibility of using compressor in transport and space power plants.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электрохимии, в том числе к «зеленой энергетике», и может использоваться в транспортных энергосистемах и космосе.The invention relates to electrochemistry, including "green energy", and can be used in transport power systems and space.

Основной причиной востребованности предлагаемого компрессора в космической технике является неизбежность использования в будущем технологии производства ракетного топлива в полете или на напланетных станциях (например, лунной базе). Компонентами топлива при этом служат водород и кислород, получаемые электролизом воды. Перспективные проработки такой технологии ведутся как за рубежом, так и в нашей стране. При этом требуется производить в космосе водород высокого давления.The main reason for the demand for the proposed compressor in space technology is the inevitability of the future use of rocket fuel production technology in flight or at planetary stations (for example, a lunar base). The components of the fuel in this case are hydrogen and oxygen, obtained by electrolysis of water. Promising studies of such technology are being carried out both abroad and in our country. In this case, it is required to produce high-pressure hydrogen in space.

В качестве аналога данного предложения может служить любой из существующих компрессоров водорода с давлением порядка 100 атм и выше (например, www.ngpedia.ru Водородный компрессор. Большая энциклопедия нефти и газа). В таких машинах компримирование газа проводится в несколько приемов путем его поршневого сжатия, с соблюдением многочисленных мер безопасности. Даже при небольших расходных характеристиках подобные агрегаты весят сотни килограмм. Механические компрессоры других типов (винтовые, вибрационные и др.) при этом, как правило, не применяются по причине уникальных свойств газа. Специфика водорода (малая плотность, взрывоопасность, склонность к диффузии и др.) являются также причиной того, что компрессоры имеют большие массогабаритные характеристики и сравнительно низкий КПД (около 40%). Они требуют постоянного техобслуживания, а их надежность оставляет желать лучшего. Благодаря всему этому применение механических компрессоров водорода в некоторых областях, в частности в космосе, бывает проблематичным. Помимо механических существуют также компрессоры, работающие на специальных физико-химических принципах с использованием особенных свойств водорода. Так, для получения газа высокого давления может использоваться термосорбция, интерметаллидные сплавы (используются для хранения водорода на транспорте), поглощающие водород вещества или вещества, реагирующие с ним (такой способ применяется, например, в никель-водородных аккумуляторах). Для обычных условий такие системы, как правило, не являются оптимальными, однако в специальных условиях их применение может быть вполне оправданным. «Немеханические» компрессионные системы таких типов не имеют подвижных элементов, что повышает их надежность, зато требуют специальных систем терморегулирования, а структура и состав вещества-поглотителя водорода со временем изменяется (например, интерметаллидные сплавы насыщаются водородом и рассыпаются), и его «водородная емкость» снижается.Any of the existing hydrogen compressors with a pressure of the order of 100 atm and above can serve as an analogue of this proposal (for example, www.ngpedia.ru Hydrogen compressor. A large encyclopedia of oil and gas). In such machines, gas compression is carried out in several stages by means of its piston compression, in compliance with numerous safety measures. Even with small flow characteristics, such units weigh hundreds of kilograms. Mechanical compressors of other types (screw, vibration, etc.) in this case, as a rule, are not used due to the unique properties of the gas. The specifics of hydrogen (low density, explosiveness, tendency to diffusion, etc.) are also the reason that compressors have large mass and size characteristics and a relatively low efficiency (about 40%). They require ongoing maintenance, and their reliability is poor. Due to all this, the use of mechanical hydrogen compressors in some areas, in particular in space, is problematic. In addition to mechanical, there are also compressors operating on special physicochemical principles using the special properties of hydrogen. So, to obtain a high-pressure gas, thermosorption, intermetallic alloys (used to store hydrogen in transport), hydrogen-absorbing substances or substances that react with it can be used (this method is used, for example, in nickel-hydrogen batteries). For ordinary conditions, such systems, as a rule, are not optimal, but in special conditions their use can be quite justified. "Non-mechanical" compression systems of these types do not have moving elements, which increases their reliability, but they require special thermal control systems, and the structure and composition of the hydrogen absorbing substance changes over time (for example, intermetallic alloys are saturated with hydrogen and crumble), and its "hydrogen capacity "Is declining.

Более близким к предлагаемому решению является электрохимический компрессор водорода (ЭКВ), основным элементом которого служит протонопроводящая мембрана типа Нафион (наиболее распространенный коммерческий тип мембран), установленная в мембранно-электродном блоке (МЭБ). Стандартный МЭБ представляет собой сборку из такой мембраны (с нанесенным на ней катализатором) и двух плоских газопроницаемых электродов (катода и анода), контактирующих с ней с разных сторон. Электроды могут изготавливаться, например, из пористого металла или асбеста, покрытого углеродом. Помимо этих основных деталей МЭБ может включать также дополнительные газораспределительные пластины, суппорты мембраны, силовые и герметизирующие прокладки и т.д. Такие элементы важны для конструкции МЭБ, но не играют принципиальной роли в его работе. МЭБ с мембранами Нафион широко применяются в современных топливных элементах и твердополимерных электролизерах воды [Assemblies (MEA) Fuell Cell Store.www fuelcellstore.com., а также Membrane electrode assembly - wikipedia]. Для сжатия водорода МЭБ были предложены около 10 лет назад, и с тех пор принцип их работы был изучен как теоретически, так и экспериментально [А.А. Авдиенко, И.П. Жуков. «Исследования системы компрессирования водорода на основе электрохимической ячейки с твердополимерным электролитом», Ж.: Успехи в химии и химической технологии, том 23, 2009, №8 (101), стр. 70-75]. Однако такие исследования проводились с применением только одной мембраны, поэтому уровень высокого давления ограничивался прочностью последней. Известно, что мембраны типа Нафион в существующих электрохимических ячейках (при средней толщине около 100 мк и диаметре 50-150 мм) выдерживают перепад давления 3-4 ати. Специальная доработка конструкции МЭБ позволяет работать при перепадах давления на мембране до 10-15 атм [А.А. Авдиенко, И.П. Жуков «Исследования системы компрессирования водорода на основе электрохимической ячейки с твердополимерным электролитом», Ж.: Успехи в химии и химической технологии, том 23, 2009, №8 (101), стр. 70-75; «Высокоселективный электрохимический концентратор/компрессор водорода высокого давления», https//xpir.ru/project/1648/2 НИЦ «Курчатовский институт», проект 2008-2013 гг.; патент US 6361896 В1, опубл. 26.03.2002, МПК: Н01М 4/86 (2006.01), С01В 31/20 (2006.01)].Closer to the proposed solution is an electrochemical hydrogen compressor (ECV), the main element of which is a proton-conducting membrane of the Nafion type (the most common commercial type of membrane) installed in a membrane-electrode unit (OIE). The standard OIE is an assembly of such a membrane (with a catalyst deposited on it) and two flat gas-permeable electrodes (cathode and anode) in contact with it from different sides. The electrodes can be made, for example, of porous metal or asbestos coated with carbon. In addition to these basic parts, the OIE may also include additional gas distribution plates, membrane supports, power and sealing gaskets, etc. Such elements are important for the construction of the OIE, but do not play a fundamental role in its work. OIE membranes with Nafion membranes are widely used in modern fuel cells and solid polymer water electrolysers [Assemblies (MEA) Fuell Cell Store.www fuelcellstore.com., As well as Membrane electrode assembly - wikipedia]. OIEs were proposed for hydrogen compression about 10 years ago, and since then the principle of their operation has been studied both theoretically and experimentally [A.A. Avdienko, I.P. Zhukov. “Studies of a hydrogen compression system based on an electrochemical cell with a solid polymer electrolyte”, J.: Advances in Chemistry and Chemical Technology, Volume 23, 2009, No. 8 (101), pp. 70-75]. However, such studies were carried out using only one membrane, so the level of high pressure was limited by the strength of the latter. It is known that Nafion-type membranes in existing electrochemical cells (with an average thickness of about 100 microns and a diameter of 50-150 mm) withstand a pressure drop of 3-4 ati. A special refinement of the OIE design allows operation at pressure drops on the membrane up to 10-15 atm [A.A. Avdienko, I.P. Zhukov, “Studies of a hydrogen compression system based on an electrochemical cell with a solid polymer electrolyte”, J.: Advances in Chemistry and Chemical Technology, Volume 23, 2009, No. 8 (101), pp. 70-75; “Highly selective electrochemical concentrator / high pressure hydrogen compressor”, https // xpir.ru / project / 1648/2 SIC “Kurchatov Institute”, project 2008-2013; US patent 6361896 B1, publ. 03/26/2002, IPC: Н01М 4/86 (2006.01), СВВ 31/20 (2006.01)].

Рекордный перепад около 50 атм для одномембранной схемы был достигнут в [R.Strobel, M.Oszcipok, M.Fasil, B.Rohland, L.Jorissen, J.Garche. The compression of hydrogen in an electrochemical cell based on a PE fuel cell design // J. of Power Sources. - 2002. - №105. - РР. 208-215]. Это используется, например, при «дифференциальном» электролизе воды. Для дальнейшего повышения допустимого перепада давления на мембране при электролизе были разработаны также специальные высокотехнологичные суппорты, позволяющие вести процессы при разнице давлений до ~140 ати. [US 6916443 В2, опубл. 12.07.2005, МПК: B22F 3/00 (2006.01), B22F 1/02 (2006.01); Dimensionally stable membrane - Giner Inc. www.ginerinc.com>dimensionally-stable-membrane]. Несмотря на то, что они существенно «затеняют» рабочую поверхность мембраны, применение их в ЭКВ в принципе позволяет компримировать водород до такого давления, однако реализовать это на практике невозможно. Причиной является обратная диффузия молекулярного водорода через мембрану. В [А.А. Авдиенко, И.П. Жуков. «Исследования системы компрессирования водорода на основе электрохимической ячейки с твердополимерным электролитом», Ж.: Успехи в химии и химической технологии, том 23, 2009, №8 (101), стр. 70-75.] показано, что по этой причине рост давления за мембраной замедляется уже при перепаде давления на ней около 10 атм. При дальнейшем росте перепада давления прямой и обратные потоки водорода сравниваются и давление за мембраной расти перестает. Таким образом, ЭКВ с одной мембраной в принципе не позволяет получить давление водорода больше 10-15 атм.A record drop of about 50 atm for a single-membrane scheme was achieved in [R. Strobel, M. Oszcipok, M. Fasil, B. Rohland, L. Jorissen, J. Garche. The compression of hydrogen in an electrochemical cell based on a PE fuel cell design // J. of Power Sources. - 2002. - No. 105. - PP. 208-215]. This is used, for example, in the "differential" electrolysis of water. To further increase the permissible pressure drop across the membrane during electrolysis, special high-tech calipers have also been developed that allow processes to be carried out with a pressure difference of up to ~ 140 atm. [US 6916443 B2, publ. July 12, 2005, IPC: B22F 3/00 (2006.01), B22F 1/02 (2006.01); Dimensionally stable membrane - Giner Inc. www.ginerinc.com> dimensionally-stable-membrane]. Despite the fact that they significantly "obscure" the working surface of the membrane, their use in ECV in principle allows hydrogen to be compressed to such a pressure, but it is impossible to put it into practice. The reason is the back diffusion of molecular hydrogen across the membrane. In [A.A. Avdienko, I.P. Zhukov. “Studies of a hydrogen compression system based on an electrochemical cell with a solid polymer electrolyte”, J.: Advances in Chemistry and Chemical Technology, Volume 23, 2009, No. 8 (101), pp. 70-75.] It is shown that, for this reason, the pressure increase behind the membrane, it slows down even with a pressure drop of about 10 atm. With a further increase in the pressure drop, the forward and reverse hydrogen flows are compared and the pressure behind the membrane ceases to grow. Thus, ECV with a single membrane, in principle, does not allow to obtain a hydrogen pressure of more than 10-15 atm.

Прототипом данному предложению служит многоступенчатый ЭКВ, основным элементом которого является пакет МЭБ, соединенных пневматически последовательно, так, что водород, выходя из каждого блока, кроме последнего, попадает на вход следующего [US 2004/0211679 А1, опубл. 28.10.2004, МПК: C25D 17/00 (2006.01)]. Электрохимический компрессор водорода включает корпус с входным и выходным штуцерами, а также пакет электроизолированных мембранно-электродных блоков, состоящих из протонопроводящей мембраны, установленной между плоскими газопроницаемыми электродами - катодом и анодом, контактирующих с поверхностью мембраны, при этом мембранно-электродные блоки размещены внутри корпуса и разделяют его на пневматически изолированные полости, в каждой из которых, за исключением крайних, находятся разделенные газопроницаемым изолятором катод и анод двух соседних блоков. Перепады давления на каждом из блоков пакета при этом суммируются, и на выходе ЭКВ давление превышает входное на сумму этих перепадов. В конструкции прототипа используются стандартные МЭБ с мембраной Нафион (что, вообще говоря, не принципиально), описанные ранее. При подаче на электроды МЭБ постоянного напряжения через мембрану начинают диффундировать протоны, а во внешней цепи начинается соответственно ток электронов, которые за мембраной рекомбинируют с протонами, снова образуя атомарный, а затем и молекулярный водород. Характерной особенностью прототипа является также то, что каждый МЭБ пакета имеет индивидуальный источник электропитания.The prototype of this proposal is a multi-stage EEC, the main element of which is a package of OIE connected pneumatically in series, so that hydrogen, leaving each block except the last one, enters the input of the following [US 2004/0211679 A1, publ. 10/28/2004, IPC: C25D 17/00 (2006.01)]. The electrochemical hydrogen compressor includes a housing with inlet and outlet fittings, as well as a package of electrically insulated membrane-electrode blocks, consisting of a proton-conducting membrane installed between flat gas-permeable electrodes - the cathode and anode, in contact with the membrane surface, while the membrane-electrode blocks are placed inside the housing and they divide it into pneumatically isolated cavities, in each of which, with the exception of the extreme ones, there are a cathode and anode d separated by a gas-permeable insulator vuh neighboring blocks. The pressure drops on each of the blocks in the package are summed up, and at the output of the ECV, the pressure exceeds the input pressure by the sum of these drops. In the design of the prototype, standard OIEs with a Nafion membrane are used (which, generally speaking, is not important), described earlier. When a constant voltage is applied to the OIE electrodes, protons begin to diffuse through the membrane, and the current of electrons begins in the external circuit, which recombine behind the membrane with protons, again forming atomic and then molecular hydrogen. A characteristic feature of the prototype is that each OIE package has an individual power source.

К недостаткам прототипа можно отнести:The disadvantages of the prototype include:

- необходимость рассчитывать корпус на максимальное выходное давление, которое может на порядок превышать его входную величину. Следствием такой неравномерности нагрузки на корпус является «переутяжеление» компрессора в целом. В предлагаемой конструкции на корпус действует минимальное входное давление;- the need to calculate the housing for maximum output pressure, which may be an order of magnitude higher than its input value. The consequence of this uneven load on the housing is the "overload" of the compressor as a whole. In the proposed design, the housing has a minimum inlet pressure;

- контакт выходной части корпуса с водородом высокого давления, ускоряющий диффузию водорода в материал корпуса, что изменяет свойства материала (например, металл становится хрупким). В результате снижается ресурс корпуса и безопасность компрессора, требуется применение более дорогих материалов. В предлагаемой же конструкции корпус ЭКВ изолирован от водорода высокого давления, и «наводораживание» материала корпуса гораздо меньше;- contact of the output part of the casing with high-pressure hydrogen, accelerating the diffusion of hydrogen into the casing material, which changes the properties of the material (for example, the metal becomes brittle). As a result, the housing resource and compressor safety are reduced, the use of more expensive materials is required. In the proposed design, the ECV casing is isolated from high pressure hydrogen, and the “hydrogen disturbance” of the casing material is much less;

- форму мембраны: если она круглая, то для повышения производительности ЭКВ (т.е. рабочего тока) приходится увеличивать ее диаметр и диаметр корпуса. При высоких давлениях это повышает вероятность разгерметизации МЭБ и требует усиления корпуса. Если же мембрана является боковой поверхностью цилиндра, ее площадь (а следовательно, рабочий ток и производительность ЭКВ) можно сделать существенно больше при той же плотности тока, не увеличивая существенно массогабаритные характеристики компрессора.- the shape of the membrane: if it is round, then in order to increase the efficiency of the ECV (i.e., the operating current) it is necessary to increase its diameter and the diameter of the housing. At high pressures, this increases the likelihood of depressurization of the OIE and requires strengthening the body. If the membrane is the lateral surface of the cylinder, its area (and, consequently, the operating current and ECV performance) can be made significantly larger at the same current density without significantly increasing the mass and size characteristics of the compressor.

Кроме того, цилиндрическая поверхность (мембраны) в принципе устойчивее к действию внутреннего давления (что используется в трубопроводах и баллонах), и допустимое рабочее давление для такой мембраны будет, вообще говоря, больше.In addition, the cylindrical surface (membranes) is, in principle, more resistant to internal pressure (which is used in pipelines and cylinders), and the allowable working pressure for such a membrane will generally be greater.

Задача данного предложения - разработка безопасного и легкого ЭКВ высокого давления с повышенным ресурсом работы и производительностью.The objective of this proposal is to develop a safe and easy high-pressure ECV with an increased service life and productivity.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и безопасности ЭКВ, улучшение его массогабаритных и расходных характеристик, позволяющее использовать такие компрессоры в транспортных и космических системах.The technical result of the invention is to increase the reliability and safety of ECV, to improve its weight and size and flow characteristics, allowing the use of such compressors in transport and space systems.

Технический результат достигается тем, что в коаксиальном электрохимическом компрессоре водорода, включающем корпус с входным и выходным штуцерами, а также пакет электроизолированных мембранно-электродных блоков, состоящих из протонопроводящей мембраны, установленной между газопроницаемыми электродами - катодом и анодом, контактирующих с поверхностью мембраны, при этом мембранно-электродные блоки размещены внутри корпуса и разделяют его на пневматически изолированные полости, в каждой из которых, за исключением крайних, находятся разделенные газопроницаемым изолятором катод и анод двух соседних блоков, пакет мембранно-электродных блоков сформирован из вложенных друг в друга отдельных блоков, выполненных в виде полых цилиндров, при этом внешний электрод пакета подключен к общей анодной шине электропитания коаксиального электрохимического компрессора водорода, внутренний - центральный электрод - к общей катодной шине электропитания упомянутого компрессора, выходной штуцер которого сообщается с находящейся на оси пакета внутренней катодной полостью внутреннего мембранно-электродного блока пакета, а входной штуцер - с находящейся под корпусом упомянутого компрессора внешней анодной полостью внешнего мембранно-электродного блока пакета.The technical result is achieved by the fact that in a coaxial electrochemical hydrogen compressor, comprising a housing with inlet and outlet fittings, as well as a package of electrically insulated membrane-electrode blocks consisting of a proton-conducting membrane installed between gas-permeable electrodes - the cathode and anode in contact with the membrane surface, while membrane-electrode blocks are placed inside the housing and divide it into pneumatically isolated cavities, in each of which, with the exception of the extreme, there are p the cathode and anode of two adjacent blocks separated by a gas-permeable insulator, the membrane-electrode block package is formed of separate blocks made in the form of hollow cylinders, the external electrode of the package being connected to a common anode power supply bus of a coaxial hydrogen electrochemical compressor, and the inner one, the central electrode - to the common cathode power supply bus of said compressor, the output fitting of which communicates with the internal cathode cavity of the internal the membrane-electrode block of the package, and the inlet fitting with the external anode cavity located under the casing of the said compressor of the external membrane-electrode block of the package.

Суть предложения - в общей архитектуре МЭБ, позволяющей кардинально повысить безопасность ЭКВ высокого давления, снизить прочностные характеристики корпуса и массогабаритные параметры компрессора в целом. Возможность изготовления гибкого МЭБ подтверждена в патентах на изобретения: US 8846267 В2, 30.09.2014, МПК: Н01М 4/88 (2006.01), Н01М 8/10 (2006.01); US 8410747 В2, 02.04.2013, МПК: Н01М 2/08 (2006.01), Н01М 8/02 (2006.01); US 8920998 В2, 30.12.2014, МПК: Н01М 8/04 (2006.01), Н01М 8/24 (2006.01).The essence of the proposal is in the overall architecture of the OIE, which allows cardinally improving the safety of high-pressure ECB, reducing the strength characteristics of the casing and the overall dimensions of the compressor. The possibility of manufacturing a flexible OIE is confirmed in the patents for inventions: US 8846267 B2, 09/30/2014, IPC: Н01М 4/88 (2006.01), Н01М 8/10 (2006.01); US 8410747 B2, 04/02/2013, IPC: Н01М 2/08 (2006.01), Н01М 8/02 (2006.01); US 8920998 B2, 12/30/2014, IPC: Н01М 8/04 (2006.01), Н01М 8/24 (2006.01).

На фиг. 1 представлено поперечное сечение предложенного коаксиального ЭКВ. Он включает пакет МЭБ (на схеме показано три блока), сформированный из вложенных друг в друга отдельных блоков, выполненных в виде полых цилиндров и размещенных в общем корпусе (1), имеющем входной (2) и выходной (3) штуцеры, размещенные на торцах корпуса (1).In FIG. 1 shows a cross section of the proposed coaxial ECV. It includes the OIE package (three blocks are shown in the diagram), formed from separate blocks inserted into each other, made in the form of hollow cylinders and placed in a common housing (1), having inlet (2) and output (3) fittings located at the ends housing (1).

Выходной штуцер (3) при этом сообщается с внутренней (катодной) полостью внутреннего МЭБ, которая находится на оси пакета, где давление максимально. Входной штуцер (2) сообщается с внешней (анодной) полостью внешнего МЭБ, находящейся непосредственно под корпусом (1) компрессора и давление здесь минимальное. Основными элементами цилиндрического МЭБ, как и его обычного «плоского» варианта, являются мембрана (6) и газопроницаемые электроды - катод (5) и анод (4), контактирующие с ней по ее боковой цилиндрической поверхности. Внешний электрод пакета подключен к общей анодной шине электропитания (на фиг. 1 не показана) компрессора, внутренний - центральный электрод - к общей катодной шине электропитания (на фиг. 1 не показана) коаксиального электрохимического компрессора водорода. Второстепенные элементы конструкции МЭБ, не играющие принципиальной роли в его работе (детали оправки, герметизирующие прокладки, крепежные детали и др.) на фиг. 1 не показаны. Друг от друга МЭБ отделены газопроницаемыми изоляторами (7), выполненными также в виде цилиндрических прокладок. Таким образом, катодная полость (т.е. полость, в которой размещен катод МЭБ) каждого блока пневматически связана с анодной полостью (полость, в которой размещен анод) следующего блока (исключение составляют, естественно, крайние блоки пакета). Электроснабжение ЭКВ осуществляется по монополярной схеме, т.е. все одноименные электроды электрически связаны друг с другом (катоды с катодами, аноды - с анодами). Таким образом, в данной схеме МЭБ электрически соединены параллельно, а пневматически – последовательно.At the same time, the outlet fitting (3) communicates with the internal (cathode) cavity of the internal OIE, which is located on the axis of the packet, where the pressure is maximum. The inlet fitting (2) communicates with the external (anode) cavity of the external OIE located directly below the compressor housing (1) and the pressure here is minimal. The main elements of a cylindrical OIE, as well as its usual “flat” version, are a membrane (6) and gas-permeable electrodes - a cathode (5) and an anode (4) that come into contact with it along its lateral cylindrical surface. The external electrode of the packet is connected to a common anode power bus (not shown in Fig. 1) of the compressor, the inner - central electrode - to a common cathode power bus (not shown in Fig. 1) of a coaxial electrochemical hydrogen compressor. Minor design elements of the OIE that do not play a fundamental role in its operation (mandrel parts, sealing gaskets, fasteners, etc.) in FIG. 1 are not shown. OIE are separated from each other by gas permeable insulators (7), also made in the form of cylindrical gaskets. Thus, the cathode cavity (i.e., the cavity in which the OIE cathode is placed) of each block is pneumatically connected to the anode cavity (cavity in which the anode is placed) of the next block (the exception is, of course, the outermost blocks of the packet). Electric power supply of electric energy supply is carried out according to a monopolar scheme, i.e. all electrodes of the same name are electrically connected to each other (cathodes with cathodes, anodes - with anodes). Thus, in this scheme, the OIE are electrically connected in parallel, and pneumatically in series.

Работает коаксиальный ЭКВ так же, как его «плоский» прототип. Через штуцер (2) водород направляется в корпус (1) и заполняет анодную полость первого (в данном случае - наружного) МЭБ пакета. На катализаторе, покрывающем поверхность мембраны (6) и анода (4), молекулы газа сначала диссоциируют, затем ионизуются, и полученные таким образом протоны диффундируют через мембрану (6) к катоду (5). Электроны при этом перетекают между электродами по внешней цепи. На катоде (5) протоны рекомбинируют с электронами, образуя сначала атомарный, а затем и молекулярный водород. Последний через газопроницаемый изолятор (7) попадает на анод (4) второго МЭБ, и процесс повторяется. При этом за счет напряжения между электродами МЭБ поддерживается определенный перепад давления на его мембране.Coaxial EQ works the same as its "flat" prototype. Through the fitting (2), hydrogen is directed into the housing (1) and fills the anode cavity of the first (in this case, the outer) OIE package. On the catalyst covering the surface of the membrane (6) and the anode (4), the gas molecules first dissociate, then ionize, and the protons thus obtained diffuse through the membrane (6) to the cathode (5). The electrons flow between the electrodes in an external circuit. At the cathode (5), protons recombine with electrons, forming first atomic and then molecular hydrogen. The latter through a gas-permeable insulator (7) falls on the anode (4) of the second MEA, and the process repeats. Moreover, due to the voltage between the OIE electrodes, a certain pressure drop across its membrane is maintained.

Разность давлений у входного штуцера (2) в анодной полости первого блока (т.е. под корпусом ЭКВ) и у выходного штуцера (3), в катодной полости внутреннего МЭБ (т.е. в полости на оси пакета) равна сумме перепадов давления на всех блоках пакета. Таким образом, в принципе коаксиальный ЭКВ работает так же, как прототип, однако в отличие от ЭКВ с плоской мембраной, где рабочий перепад давления всех блоков один и тот же, допустимый перепад давления цилиндрических МЭБ может существенно различаться, несмотря на одинаковые прочностные параметры пленки, из которой их мембрана изготовлена. Последнее объясняется тем, что допустимое давление цилиндрической оболочки существенно зависит от ее диаметра, поэтому рабочий перепад для внутренних МЭБ может быть заметно больше, чем для наружных (примерно обратно пропорционально радиусу блока). Последнее также можно отнести к преимуществам цилиндрической архитектуры коаксиального ЭКВ, поскольку это позволяет использовать меньшее количество блоков для достижения заданного давления.The pressure difference at the inlet fitting (2) in the anode cavity of the first block (i.e., under the ECV housing) and at the outlet nozzle (3), in the cathode cavity of the internal OIE (i.e., in the cavity on the axis of the packet) is equal to the sum of the pressure drops on all blocks of the package. Thus, in principle, a coaxial EEC works the same as a prototype, however, unlike an EEC with a flat membrane, where the working pressure drop of all blocks is the same, the allowable pressure drop of cylindrical OIEs can vary significantly, despite the same strength parameters of the film, from which their membrane is made. The latter is explained by the fact that the permissible pressure of the cylindrical shell substantially depends on its diameter; therefore, the working differential for internal OIEs can be noticeably greater than for external ones (approximately inversely proportional to the radius of the block). The latter can also be attributed to the advantages of the cylindrical architecture of coaxial EQ, since this allows the use of fewer blocks to achieve a given pressure.

В целом изложенное выше позволяет сделать вывод о том, что компактность и сравнительно небольшая масса данного ЭКВ, наряду с его способностью генерировать водород высокого давления, делают целесообразным его применение на борту небольших КА, двигательная установка которых включает электролизер воды.In general, the foregoing allows us to conclude that the compactness and relatively small mass of this ECV, along with its ability to generate high pressure hydrogen, make it advisable to use it on board small spacecraft, the propulsion system of which includes a water electrolyzer.

Claims (1)

Коаксиальный электрохимический компрессор водорода, включающий корпус с входным и выходным штуцерами, а также пакет электроизолированных мембранно-электродных блоков, состоящих из протонопроводящей мембраны, установленной между газопроницаемыми электродами - катодом и анодом, контактирующих с поверхностью мембраны, при этом мембранно-электродные блоки размещены внутри корпуса и разделяют его на пневматически изолированные полости, в каждой из которых, за исключением крайних, находятся разделенные газопроницаемым изолятором катод и анод двух соседних блоков, отличающийся тем, что пакет мембранно-электродных блоков сформирован из вложенных друг в друга отдельных блоков, выполненных в виде полых цилиндров, при этом внешний электрод пакета подключен к общей анодной шине электропитания коаксиального электрохимического компрессора водорода, внутренний - центральный электрод - к общей катодной шине электропитания упомянутого компрессора, выходной штуцер которого сообщается с находящейся на оси пакета внутренней катодной полостью внутреннего мембранно-электродного блока пакета, а входной штуцер - с находящейся под корпусом упомянутого компрессора внешней анодной полостью внешнего мембранно-электродного блока пакета.A coaxial electrochemical hydrogen compressor including a housing with inlet and outlet fittings, as well as a package of electrically insulated membrane-electrode blocks consisting of a proton-conducting membrane installed between gas-permeable electrodes - the cathode and anode in contact with the membrane surface, while the membrane-electrode blocks are placed inside the housing and divide it into pneumatically isolated cavities, in each of which, with the exception of the extreme, are the cathode separated by a gas-permeable insulator the anode of two adjacent blocks, characterized in that the membrane-electrode block package is formed of individual blocks embedded in each other made in the form of hollow cylinders, the external electrode of the package being connected to a common anode power supply bus of a coaxial electrochemical hydrogen compressor, the inner one - the central electrode - to the common cathode power supply bus of the said compressor, the output fitting of which communicates with the inner cathode cavity of the inner membrane-electrode cavity located on the axis of the stack block of the package, and the inlet fitting with the external anode cavity located under the casing of the mentioned compressor of the external membrane-electrode block of the package.
RU2017113187A 2017-04-17 2017-04-17 Coaxial electrochemical compressor of hydrogen RU2656219C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017113187A RU2656219C1 (en) 2017-04-17 2017-04-17 Coaxial electrochemical compressor of hydrogen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017113187A RU2656219C1 (en) 2017-04-17 2017-04-17 Coaxial electrochemical compressor of hydrogen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2656219C1 true RU2656219C1 (en) 2018-06-01

Family

ID=62560177

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017113187A RU2656219C1 (en) 2017-04-17 2017-04-17 Coaxial electrochemical compressor of hydrogen

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2656219C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6361896B1 (en) * 1996-04-19 2002-03-26 Zentrum Fur Sonnenenergie Und Wasserstoff-Forschung Baden Wuetternberg Gemeinnuetzige Stiftung Device and method for combined purification and compression of hydrogen containing CO and the use thereof in fuel cell assemblies
US20040211679A1 (en) * 2002-03-07 2004-10-28 Wong Terrance Y.H. Electrochemical hydrogen compressor
US6916443B2 (en) * 1999-11-18 2005-07-12 Proton Energy Systems, Inc. High differential pressure electrochemical cell
KR20160094937A (en) * 2013-10-07 2016-08-10 다니엘 에이. 슈어슨 Electrochemical method and apparatus for forming a vacuum in a sealed enclosure

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6361896B1 (en) * 1996-04-19 2002-03-26 Zentrum Fur Sonnenenergie Und Wasserstoff-Forschung Baden Wuetternberg Gemeinnuetzige Stiftung Device and method for combined purification and compression of hydrogen containing CO and the use thereof in fuel cell assemblies
US6916443B2 (en) * 1999-11-18 2005-07-12 Proton Energy Systems, Inc. High differential pressure electrochemical cell
US20040211679A1 (en) * 2002-03-07 2004-10-28 Wong Terrance Y.H. Electrochemical hydrogen compressor
KR20160094937A (en) * 2013-10-07 2016-08-10 다니엘 에이. 슈어슨 Electrochemical method and apparatus for forming a vacuum in a sealed enclosure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6685821B2 (en) Method and system for producing high-pressure hydrogen
WO2003075379A2 (en) Electrochemical spefc hydrogen compressor
US10053784B2 (en) Differential pressure water electrolysis system
US8894829B2 (en) Water electrolysis apparatus
US8679305B2 (en) High-pressure hydrogen producing apparatus
AU2019478718A1 (en) Membrane electrolysis cell and method of use
US9828682B2 (en) Differential pressure water electrolysis apparatus
US20100206722A1 (en) Electrolysis apparatus
US9783897B2 (en) High pressure water electrolysis device
CN111424286B (en) SO (SO)2Depolarized electrolytic cell
JPWO2018139597A1 (en) Electrolytic cell, electrolytic device, electrolytic method
RU2656219C1 (en) Coaxial electrochemical compressor of hydrogen
US10041178B2 (en) End pressure plate for electrolysers
RU2660695C1 (en) Electrochemical hydrogen compressor
JP4838879B2 (en) Water electrolysis equipment
KR20220057576A (en) Cross-flow water electrolysis
WO2020105369A1 (en) Hydrogen production method
JP5364056B2 (en) Water electrolysis equipment
CN216237301U (en) Efficient proton exchange membrane electrolytic cell
JP5095715B2 (en) Water electrolysis equipment
JP5525195B2 (en) High-pressure water electrolyzer and method for manufacturing anode-side power feeder for high-pressure water electrolyzer
JP7149319B2 (en) electrochemical booster
Kuleshov et al. High-pressure alkaline water electrolyser of coaxial configuration
EP4350053A1 (en) Electrochemical cell for hydrogen pumps, and compression apparatus
BG4303U1 (en) Electrochemical hydrogen compressor with integrated reference electrode for real-time precise control and diagnostics