Диафрагма для электролиза своими руками

Протонобменная мембрана: электролиз воды полимерным электролитом + конструкция своими руками

Главная страница » Протонобменная мембрана: электролиз воды полимерным электролитом + конструкция своими руками

Электролизу воды по технологии «ПОМ» (PEM — Proton Exchange Membrane) присуще использование твёрдого полимерного электролита, именуемого в инженерных кругах как протонобменная мембрана. Технологически протоны стабильно протекают внутри мембраны, тогда как электроны движутся по внешнему каналу. Соответственно, водород вырабатывается на катоде. Таким образом, электролиз с протонобменной мембраной («ПОМ») — есть не что иное, как электролиз воды в ячейке, снабженной твёрдым полимерным электролитом (SPE — Solid Polymer Electrolyte). Такого рода электролит обеспечивает проводимость протонов, разделение газообразных продуктов, а также электрическую изоляцию между электродами.

Основные моменты технологии «ПОМ» (PEM)

Электролизёр на протонобменной мембране предназначен для преодоления недостатков, обусловленных:

• частичной нагрузкой,
• низким потенциалом тока,
• плотностью водорода,
• работой при низком давлении.

Все эти проблемы характерны для работы щелочных электролизёров. Технология электролиза с применением протонобменной мембраны видится значимым процессом в производстве водорода, предназначенного под использование в качестве энергоносителя.

Электролиз протонобменной мембраной предлагает ускоренное динамическое время отклика, расширенный рабочий диапазон, высокий процент рабочей эффективности и чистоту газа на выходе (99,999%).

Структурная схема ячейки на протонобменной мембране: 1 – направление течения тока; 2 – движение электронов; 3 – область подачи воды; 4 – выход кислорода; 5 – выход водорода; 6 — электрическое напряжение; А – анод; Э – электролит; К – катод; Г — генератор

Одной из преимущественных сторон электролиза протонобменной мембраной является способность устройства работать при высокой плотности тока и степени эффективности процесса. Такие показатели способствуют снижению эксплуатационных расходов.

Полимерный электролит в конструкции электролизёра делает возможным использование очень тонкой протонобменной мембраны (100-200 мкм). Тем не менее, устройством обеспечивается электрохимическое сжатие и рост давления водорода на выходе.

Протонобменная мембрана современного электролизёра

Современные электролизёры объединены блоками и дают производительность водорода до 15-20 Нм 3 /ч. Активная поверхность ячеек достигает 600 см 2 . Модули (стопки) рабочих блоков содержат до 100 ячеек.

Чтобы увеличить мощности и расширить возможности энергопотребления выше 1 МВт (применительно к процессам накопления возобновляемой энергии), производители электролизёров с протонобменной мембраной стараются достичь:

1. Увеличение активной поверхности на элемент.
2. Усиление плотности тока (А/см 2 ), сохраняя при этом эффективность выше 83%.
3. Наращивание сборки ячеек.

Следовательно, чем выше мощность электролиза, тем ниже стоимость установленного киловатта (или Нм 3 /ч). Однако на текущий момент технология находится на ранних стадиях применения.

Ещё одним существенным преимуществом электролизёров «ПОМ» является простота общей станционной системы. Электролизёры на твёрдой полимерной мембране питаются водой и электричеством.

Следовательно, нижние области штабелей станционной системы участвуют только на стадии сушки полученных газов. При давлении на выходе около 30 атм., сушка водорода до 4°C приводит к точке росы -33°C при атмосферном давлении.

Схема компонентов ячейки электролизёра «ПОМ»: 1 – выход кислорода; 2 – вход воды; 3, 9 – поточная плата; 4 – титановый газоразрядный элемент; 5 – иридиевый катализатор; 6 – нафионовая мембрана; 7 – платиновый катализатор; 8 – углеродный газоразрядный элемент; 10 – выход водорода

Секрет долгосрочной работы электролизёров «ПОМ» заключается в подготовке воды и контроле качества рабочей жидкости. Взятая из водопроводной сети, вода деионизируется через систему обратного осмоса, чем обеспечивается проводимость ниже 0,1 мкСм/см.

До момента пока мембранные катализаторы не перенасыщены ионами, эффективность клеточного стёка и срок службы обеспечен периодом более 60000 часов. Критические применения, такие как космическая сфера и военная область, показали высокую надёжность технологии.

Благодаря внедрению электролизёров с протонобменной мембраной в области традиционных промышленных применений, например:

• охлаждение генераторов электростанций,
• защита атмосферы при термообработке,
• процессы изготовления листового стекла,

промышленные производства приобретают новое видение понимания технологии получения водорода непосредственно на месте.

Преимущественные стороны эксплуатации «ПОМ»

Оборудование на основе протонобменной мембраны отличается простым обращением и, прежде всего, требует меньшего технического обслуживания по сравнению с традиционными щелочными электролизёрами. Кислородно-конвертерный процесс охватывает как минимум 20-летний срок службы без необходимости замены клапанов или фитингов и без использования (обращения) агрессивных химических соединений.

Однако техническое обслуживание протонобменных мембран ограничивается обязательными правилами, такими как калибровка детектора водорода. Поскольку подготовка воды перед электрохимическим процессом имеет решающее значение, необходимо устанавливать первичные фильтры. Наконец, циркуляция воды в штабелированных модулях обеспечивается насосами с поддержкой смазки один раз в году и заменой подшипников каждые 5 лет.

Одна из многих вариаций исполнения электролизёра на протонобменной мембране. Такие системы обладают вполне достаточной мощностью выработки водородного топлива под производственные нужды

Гибкость и экономическая эффективность являются главными приоритетами для обеспечения конкуренции электролизёров на протонобменной мембране с другими — более устоявшимися на промышленном рынке технологиями. Уровни гибкости и безопасности, обеспечиваемые этим решением, не имеют приоритета.

Производство водорода непосредственно на месте больше не воспринимается процессом, требующим крайне сложного опасного оборудования. Исключительно высокопроизводительный, надежный, экономически эффективный способ предлагает технология электролиза с протонобменной мембраной.

Электролиз на протонобменной мембране также рассматривается многообещающей альтернативой хранения энергии водорода в конструкциях возобновляемых источников энергии. Одним словом – найден оптимальный способ получения водорода электролизом по технологии «ПОМ».

Протонобменная мембрана своими руками

В принципе, не составит особых сложностей своими руками изготовить простейший электролизёр на принципах протонобменной мебраны в домашних условиях. Для этого потребуется некоторое количество доступных компонентов и традиционный бытовой инструмент.

Детали для создания устройства «ПОМ» своими руками:

• поликарбонат листовой (толщина 10 мм),
• резиновая трубка (D вн = 8 мм),
• листовая резина (толщина 3 мм),
• шпильки металлические (М8 длина 180 мм),
• гайки М8 обычные и купольные,
• шайбы алюминиевые,
• соединительные адаптеры,
• двухходовые шаровые краны.

Для производства работ потребуется инструмент бытовой, в частности:

• мелкие гаечные ключи;
• электродрель;
• обжимной инструмент;
• кусачки;
• лобзик (пилка);
• маркер, линейка, нож.

Шаг #1 – изготовление торцевых стенок ячейки «ПОМ»

Торцевые стенки ячейки пртонобменной мембраны выполняются на основе листового поликарбоната размером 240×200 мм. Каждая стенка содержит 18 отверстий диаметром 8,5 мм для болтов M8, разнесённых по периметру и одно отверстие диаметром 11,4 мм с резьбой ¼ . Наличие резьбового отверстия на каждой пластине требуется для подключения кранов и шлангов.

Вот такая примерно пластина, создаваемая из поликарбоната, должна получиться в конечном итоге. В общей сложности потребуется, соответственно, пара таких деталей для изготовления системы

Шаг #2 – изготовление элементов электродов ячейки

Электроды устройства изготавливаются из нержавеющей листовой стали толщиной 0,7 мм. Конечно, лучшим материалом электродов видится золото, как высокостабильный и нереакционноспособный материал, но такой вариант обойдётся очень дорого. Поэтому оптимальный выбор для домашней конструкции – нержавеющая сталь (желательно аустенитная сталь 304 с низким содержанием углерода).

По сути, оба типа электродов одинаковы по исполнению. Разница состоит лишь в расположении отверстий диаметром 3 мм, благодаря которым достигается баланс газовой составляющей внутри конструкции. То же самое касается отверстий диаметром ¼. Обе пластины имеют размер 200×160 мм и метки для подвода питания.

Исполнение компонентов электролизёра – рабочих электродов из нержавеющей стали с размещением контактных лепестков и функциональных отверстий

Шаг #3 – прокладки, гайки, болты и сборка аппарата

В общей сложности потребуется 16 прокладок, сделанных из чистого ПВХ размером 200×160 мм с вырезом 136×176 мм и несколько скошенными углами 6×6 мм. Такие прокладки устанавливаются между рабочими электродами системы, способствуя созданию активной ячейки электролизёра по принципу протонобменной мембраны.

Фигурное исполнение поливинилхлоридной прокладки, которая располагается между электродами самодельной установки получения водорода

Далее устанавливаются 18 шпилек в отверстия одной из торцевых стенок, снабжаются необходимыми аксессуарами – гайками и шайбами. Затем нарезаются резиновые трубки по размеру для каждой из 18 шпилек и надеваются на металлическое основание, выступая в качестве изоляторов.

Начальный этап сборки электролизёра своими руками – установка стягивающих шпилек на одну из торцевых поликарбонатных пластин конструкции и оснащение шпилек резиновой изоляцией

На следующем этапе в области между болтами с резиновыми трубками укладывается прокладка ПВХ и следом электрод «А». Далее вновь накладывается прокладка ПВХ, следом электрод «B» и т.д. В общем итоге сборки получается 16 прокладок, 8 электродов «A» и 7 электродов «B».

Следует учитывать точное совпадение больших по диаметру отверстий электродов с отверстиями ¼, сделанных на торцевых стенках конструкции. В эти отверстия устанавливаются запорные краны. В результате получается готовое изделие, как на картинке ниже:

Готовая к эксплуатации конструкция, изготовленная своими руками. Мощность устройства, конечно, несопоставима с промышленными установками, но важен сам факт возможности производства водорода

Шаг #4 – Запуск изготовленной системы в работу

Перед запуском аппарат заполняется смесью воды (предпочтительно дистиллированной) и гидроксида натрия в соотношении 40:1. Резиновая трубка, соединённая с концевой частью выходного шарового крана, подключается к сборному контейнеру (например, к пластиковому пакету).

Далее следует подключить кабели к источнику питания 12В с током нагрузки не менее 20А. Если всё сделано правильно, контейнер начнёт заполняться водородом и кислородом сразу после подачи питания.

При помощи информации: Instructables

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Zetsila — публикации материалов, интересных и полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мультитематическая информация — СМИ .

Источник

Способ получения пористой диафрагмы для электролиза

ИЗОБРЕТЕНИЯ п1 5О5332

Со ог Советских

К ПАТЕНТУ (61) Дополнительный к патенту (51) М. Кл г В OID 13/02

С 08К 5/42 (22) Заявлено 17,05.74 (21) 2026617/23-5 (23) Приоритет — (32) 18.05.73 (31) 7318805 (33) Франция

Опубликовано 28.02.76. Бюллетень № 8

Совета Министров СССР по делам изобретений

H открь|тнй (53) УДК 621.3.035.31 (088.8) Дата опубликования описания 15,07.76 (72) Авторы изобретения

)Кан Башо, Пьер Буи и Мишель Жюйар (Франция) Иностранная фирма

«Рон-Прожили» (Франция) (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОЙ ДИАФРА МБ1

Изобретение относится к промышленности пластмасс, в частности к способу получения диафрагмы для электролиза.

Известен способ получения пористой диафрагмы для электролиза смешением водной суспензии асбестового волокна с водной дисперсией фторсодержащей смолы и порообразователем, формованием из полученной суспензии — смеси листа на сетке с последующими сушкой, термообработкой и удалением порообразователя. При этом термообработку проводят при температуре плавления смолы и повышенном давлении (1).

Диафрагмы, полученные таким образом, характеризуется плохими эксплуатационными свойствами, низкой пористостью и неудовлетворительными прочностными показателями.

Цель изобретения состоит в получении прочных мембран с высокими эксплуатационными (электрическими) свойствами в условиях электролиза.

Для улучшения прочностных и эксплуатационных свойств предложено при смешении водной суспензии волокна и водной дисперсии фторсодержащей смолы (полимера) вводить поверхностно-активные вещества (ПАВ) — анионные сульфопиевые соединения, и термообработку проводить при температуре на 25 — 75 С выше температуры плавлсния смолы в течение 2 — 20 мин.

Введением ПАВ обеспечивается большая стабильность суспензии и отличное диспергировапие волокон асбеста с получением гомогенных слоев с регулируемыми гидродинамиче5 скими и электрическими характеристиками.

Для стабилизации суспензни используют анионные сульфониевые поверхностно-активные вещества, особенно алкилсульфонаты, сульфосукцинаты, в особенности диоктилсуль1р фосукцннаты натрия. Необходимые пропорции

ПАВ изменяются в пределах 2 — 10 вес. % по отношению к асбесту.

На практике готовят суспензию из, части:

Анионное поверхностноактивное вещество 0,02 — 0,1

Используемый асбест состоит предпочти20 тельно из волокон 0,5 — 50 мм. Поверхностноактивное вещество, предпочтительно сульфосукцинат натрия, используется в чистом виде или в виде спиртового раствора. Путем энергичного перемешивания получают стабильную суспензию хорошо диспергированного асбеста.

К этой суспензии добавляют дисперсию (латекс) фторированной смолы и порофор таким образом, чтобы соблюдались следуюши

ЗО весовые пропорции, части:

Фторированная сухом виде

Порофор смола в

Пример 1. Готовят суспензию волокон асбеста, содержащего, г:

Асбест со средней длиной волокон 1 — 2 мм 100

Диоктилсульфосукцинат натрия (75/О-ный в спирте) 5

Диспергируют в течение 50 мин с помощью мешалки возвратно-поступательного типа.

Затем добавляют 130 г политетрафторэтилена в форме латекса (60 /о сухой остаток) и

930 r карбоната кальция.

Перемешивают в течение 1 — 20, предпочтительно 5 — 10 мин, при определенной скорости, Конечная концентрация суспензии может быть установлена путем добавления воды.

Политетрафторэтиленовый латекс представляет собой обычно суспензию порядка 60 /О политетрафторэтилена в воде. Он может быть заменен другими дисперсиями фторированных смол (смесь тетрафторэтилен — гексафторпропилен, полихлортрифторэтилен и т. д.) ..

Используемым порофором может быть карбонат кальция, коллоидная окись алюминия, металлические окиси или все продукты, которые могут быть удалены растворителем или разложением.

Порофор должен иметь хорошо определенную гранулометрию. Предпочтительно используют карбонат кальция, образованный частицами со средним диаметром 2 — 25 мк.

Для изготовления плоской диафрагмы, гомогенную и стабильную смесь ее вышеуказанных составляющих выливают на тонкую (сетку) решетку в таком количестве, что получают желаемую толщину. Затем фильтруют под вакуумом, полученную форму снимают с решетки, затем высушивают. Это высушивание осуществляется при температуре выше 100 порядка 150 С в течение 24 час.

Затем спекают пластину путем внесения ее в печь при температуре выше точки плавления фторированного полимера, предпочтительно на 25 — 75 С, в течение 2 — 20 мин, предпочтительно порядка 6 — 10 мин. Выбранная температура зависит от продолжительности обжига, но также от толщины и состава диафрагмы.

После охлаждения погружают эту пластину в водный 10 — 20О/о-ный раствор слабой кислоты в течение 24 — 72 час в зависимости от толщины для удаления порофора используют предпочтительно уксусную кислоту, но также и другие слабые кислоты могут быть использованы с тем же успехом. Затем промывают водой полученную диафрагму для удаления кислоты и хранят ее под водой во избежание ее затвердевания.

Эту смесь перемешивают в течение 5 мин, затем разбавляют водой в количестве 8300 г; гомогепизируют в течение 1 — 2 мин с помощью аппарата возвратно-поступательного типа.

Отжимают 387 г этой суспензии на фильтре на 1 дм (бронзовой сетке с отверстиями

40 меш, соблюдая следующий заданный режим вакуума.

Под давлением 20 мм рт. ст.

Под давлением 300 мм рт. ст.

Под давлением 740 мм рт. ст.

Полученный образец снимают с решетки и высушивают в сушильном шкафу при 150 С в течение 24 час. Затем термообрабатывают в

20 печи, при 360 С, в течение 7 мин. Удаляют карбонат кальция в 10О/о-ной уксусной кислоте в течение 24 час и затем в 20 /О-ной уксусной кислоте в течение 48 час. Промывают водой полученную диафрагму.

25 Диафрагма имеет следующие характеристики:

Относительная прочность 2,2

Сопротивление расстоянию во влажном состоянии, кг/см 11,7

Пример 2. Используют тот же способ.

Состав суспензии следующий, r:

Карбонат кальция 1120

Вода для разбавления 8300

Конечные характеристики диафрагмы (383 r суспензии на дм ) следующие, Относительная прочность выражается отношением прочности среды, образованной диафрагмой, пропитанной электролитом, к проч35 ности той же среды, образованной только электролитом.

Эта диафрагма использована в качестве сепаратора при электролизе раствора хлористого натрия с получением следующих результа40 тов (электроды) были образованы из решетки — платинированной титан со стороны анода и железа со стороны катода, и расположенными на расстоянии 5 мм.

Плотность тока, а/дм 25

Температура, С 85

Напряжение в ячейке при равновесии спустя несколько дней, в 2,95

Состав щелока, г/л:

50 едкий натр хлор аты жидкий наполнитель для диафрагмы, см воды 11

Состав (моющего раствора) щелока, г/л:

Хлор аты 0,3 — 0,5 жидкий наполнитель для диафрагмы, см 15 же способ.

Сопротивление растяжению, кг/см — (влажная) 9,7

Относительная прочность 2,0

Результаты электролиза при 25 а/дм2

11апря>кение в ячейке при равновесии, В 3,1

Состав щелока, г/л:

ХаОН 135 †1 хлор аты 0,4 — 0,6 жидкий наполнитель для диафрагмы, см 11

Пример 5. Используют тот

Состав суспензии следующий, r:

Конечные характеристики диафрагмы (387 г суспензии на дм ) следующие:

Относительная прочность 2,7

Сопротивление растяжению во влажном состоянии, кг/см — 11,3

Результаты электролиза при 25 а/дм и

Напряжение в ячейке при равновесии, в 3,2

Состав щелока, г/л:

NaOH 130 †1 хлораты 0,2 — 0,3 жидкий наполнитель для диафрагмы, см 28 — 29

Пример 4. Используют такой же способ осуществления.

Конечные характеристики диафрагмы (150 г суспензии на дм2) следующие:

Относительная прочность 4,2

Сопротивление растяжению во влажном состоянии, кг/см (влага) 13,6

Результаты электролиза при 15 а/дм и

Напряжение в ячейке при равновесии, в 1,15

Пример 3. Используют тот способ осуществления.

Состав суспензии следующий, г:

Вода для разбавления

Состав суспензии следующий, г:

Вода для разбавления

Характеристики диафрагмы (195 зии на дм — ) следующие:

20 Относительная прочность

Сопротивление растяжению во влажном состоянии, кг/см-» г суспен1,55

Результаты электролиза при

Напряжение в ячейке при равновесии, в

Состав (моющего раствора) щелока, г/л:

Жидкий наполнитель для диафрагмы, см

50 Характеристики диафрагмы (387 зии на дм ) следующие:

Сопротивление растяжению во влажном состоянии, кг/см

Результаты электролиза при 25

Напряжение в ячейке при равновесии, в

60 Состав щелока (моющего раствора), г/л:

Хлораты жидкий наполнитель для диафрагмы, см г суспен3,05

35 Пример 6 (сравнительный) . Используют тот же способ осуществления, но без использования поверхностно-активного вещества. Суспензия нестабильна, дисперсия более слабая. Полученные диафрагмы механически

40 менее устойчивы и заметно хуже результаты при электролизе.

Состав начальной суспензии следующий, г:

Поверхностно-активное вещество 0

Вода для разбавления 8300

Составитель С, Кравцов

Редактор Л. Герасимова Техред Е. Подурушина Корректор А. Дзесова

Заказ 140!/15 Изд. № 1158 Тираж 850 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

Пример 7. Используют тот же способ осуществления. Перед фильтрованием на бронзовой решетке, металлической из стали создают квадратное отверстие 450 мк. Эта решетка остается введенной на катодную поверхность диафрагмы.

Состав суспензии следующий, г:

Карбонат кальция 1120

Вода для разбавления 5000

Характеристики диафрагмы (300 г суспензии на дм — ) следующие:

Относительпая прочность 1,8

Сопротивление растяжению во влажном состоянии Без изменения

Результаты электролиза при 25 а/дм- и

Напряжение в ячейке при равновесии, в 3,25

Состав (моющего раствора) щелока, г/л

NaOH хлораты жидкий наполнитель для диафрагмы, см 15 — 20

Пример 8. (Диафрагма на пальце или стержне). Используют тот же самый способ осуществления, но без разбавления м аточпого раствора.

Состав суспензии следующий, г:

Асбест длинные волокна (10—

Карбонат кальция 930

Осаждение на пальце. Катод, образованный пальцем (стержнем) 70+70+22 мм, тканый и каландрированный с решеткой, погружается в суспензию. Пропитку проводят под вакуумом: 1 мин, для каждой точки вакуума (100 — 200 — 300 — 400 — -500 — -700 мм рт. ст.) .

Удаленный из ванны палец, поверхность которого покрыта гомогенным осадком суспензии, 5 отжимают под вакуумом в течение 20 мин.

После высушивания в сушильном шкафу при 150 С в течение 24 час выдерживают при

300 — 310 С в течение 12 мин, затем при 365 С в течение 7 мин. Удаляют карбонат в 20%-ной

10 уксусной кислоте, ипгибироваппой 2% фепилтиомочевины, в течение 4 дней.

Палец, покрытый диафрагмой толщиной

3 мм, помещают в электролизер, между двумя анодами (на расстоянии 6,35 мм) из ти15 тана, покрытого благородными металлами.

В первом опыте, межполюсное расстояние

D фиксируется па 5 — 6 мин, во втором — 13-—

Результаты, полученнные при равновесии, 20 при 25 а/дм и 85 С следующие:

Напряжение в ячейке для

D 5 — 6 мм, в 3,2 — 3,1

То же для D 13 — 14 мм, в 34 — 35

Состав (моющего раствора) щелока, г/л:

NaOH 125 хлораты 0,7 — 0,9 жидкий наполнитель для диафрагмы, см 20 — 25

Способ получения пористой диафрагмы для

35 электролиза смешением водной суспензии асбестового волокна с водной дисперсией фторсодержащей смолы и порообразователем, формированием слоя на сетке из полученной смеси, сушкой, термообработкой и удалением по40 рообразователя, отличающийся тем, что, с целью улучшения эксплуатационных и прочностных свойств диафрагмы, смешение проводят в присутствии анионного сульфониевого поверхностно-активного вещества, и термооб45 работку осуществляют при температуре на

25 — 75 С выше температуры плавления смолы в течение 2 — 20 мин. (1). Пат. ФРГ № 2140714, кл. 39 b 1/34 от

Источник