Спосіб одержання водню і кисню високого тиску

Спосіб одержання водню і кисню високого тиску, що включає подачу води в зону реакції, електрохімічне розкладання електроліту при подачі різниці потенціалів на електроди, який відрізняється тим, що цикли виділення газів проводять роздільно за часом по черзі при зміні полярностей електричного потенціалу на електродах, одержання одного з газів ведуть з одночасним оборотним поглинанням іншого активним електродом, при цьому цикл виділення водню ведуть в інтервалі зміни напруги 0,3-0,5 В, а цикл виділення кисню в інтервалі зміни напруги 1,4-1,5 В при стабілізованій густині стр уму. Винахід належить до галузей енергетики, космічної, електронної, медичної, хімічної, переробної промисловості і може бути використаний у виробництвах і процесах, що споживають гази високої чистоти та заданого тиску. Відомий спосіб одержання водню і кисню, [а.с. СРСР №1172945, С25В1/08, 1983], що включає подачу води в зону реакції, електрохімічне розкладання електроліту при подачі різниці потенціалів на електроди. Відомий спосіб проводять у мембранному електролізері, що не дозволяє одержувати гази заданого тиску роздільно за часом. Одночасне одержання газів згідно з відомим способом викликає необхідність двостороннього утримання, встановленої в об'ємі електролізера розділяючої реакційну камеру мембрани, міцність якої обмежує величину тиску газів. Тому спосіб не дає можливості одержувати гази під заданим високим тиском з заданою різницею цих тисків. У результаті тиск одержуваних газів не може перевищувати 2,5 МПа. Причому робоча напруга електродів не нижче 20В, що призводить до його низької ефективності, за рахунок високої енергоємності. Найбільш близьким по сукупності ознак є спосіб одержання водню і кисню [пат. РФ №2034933, С25В1/02, 1995], що включає подачу води в зону реакції, електрохімічне розкладання електроліту при подачі різниці потенціалів на електроди. Недоліком відомого способу є складність і багатоступеневість процесу регулювання тиску, а також неможливість одержання кисню і водню роздільно за часом без розділяючих мембран, наявність яких не дозволяє відбирати гази з заданим високим тиском (тобто вище 2,5МПа). Спосіб енергоємний, оскільки процес одержання газів проводять при напрузі не менш 20В. В основу винаходу поставлено задачу створення способу одержання водню і кисню високого тиску шляхом реалізації технологічного режиму з періодично поновлюваними змінюваними циклами знакозмінних потенціалів, при якому здійснена можливість тимчасового зв'язування (поглинання) робочою речовиною активного електрода одного з газів у момент забору іншого з подальшим відновленням первісного стану робочої речовини електрода, завдяки чому підвищена продуктивність по газах при високих і заданих тисках і ефективність процесу за рахунок зниження енерговитрат. (19) UA (11) 84350 (13) C2 (21) a200700340 (22) 15.01.2007 (24) 10.10.2008 (46) 10.10.2008, Бюл.№ 19, 2008 р. (72) СОЛОВЕЙ ВІКТОР ВАСИЛЬОВИЧ, UA, ШЕВЧЕНКО АНДРІЙ АНДРІЙОВИЧ, U A, ЖИРОВ ОЛЕКСАНДР СЕРГІЙОВИЧ, UA, МАКАРОВ ОЛЕКСАНДР ОЛЕКС АНДРОВИЧ, U A (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ НАН УКРАЇНИ, UA (56) UA 29852, A, 15.11.2000 US 3907980, A, 23.09.1975 RU 2034933, C1, 10.05.1995 RU 2038422, C1, 27.06.1995 RU 2111285, C1, 20.05.1998 US 2003/0062268, A1, 03.04.2003 US 4332650, A, 01.06.1982 3 84350 4 Цикли виділення газів проводять роздільно за на пасивному електроді відбувається виділення часом по черзі при зміні полярностей електричного газоподібного кисню: потенціалу на електродах, що забезпечує періоди2ОН-=Н2O+½О2+2е чне змінювання циклів протікання робочого процеВ об'ємі електроліту в кисневому циклі виділясу електролізера, підготовку умов для роздільного ється тільки газоподібний кисень. У той же час на виділення газів при високому тиску. катоді відбувається відновлення активної речовиОдержання одного з газів ведуть з одночасним ни з гідроокису заліза: оборотним поглинанням іншого активним електроFe(OH)2+2е=2OН-+Fe дом, що забезпечує вилучення газу з реакції і Або Fe(OH)2+ОН-=Н2O+HFeO2створює умову для одержання газів високої чистоHFeO2-+Н2O+2е=Fe+3OНти при високому вихідному тиску в межах циклу, При цьому напруга на електродах у кисневому обмеженого електрохімічною ємністю речовини циклі утримується в інтервалі від 1,4В до 1,5В стаактивного електрода. білізованою густиною струму. У такий спосіб проПідтримання напруги у водневому циклі від тягом кисневого циклу відбувається виділення 0,3В до 0,5В и в кисневому циклі від 1,4В до 1,5В тільки одного газу кисню, у межах циклу, обмежезабезпечує в порівнянні з відомими аналогами ного електрохімічною ємністю речовини активного зниження енерговитрат при роботі електролізера в електрода, тиск якого обмежено міцністю електро1,5-2,0 рази. Максимальний тиск (75МПа) обмежелізера й опором у кисневій магістралі. но тільки розчинністю водню в електроліті, а кільЯк видно з циклограми напруг оптимального кість утворюваного водню пропорційно кількості режиму одержання газів, що зображена на фігурі, гідроксилу ОН-, поглиненого активною речовиною площі обмежені лініями циклу і горизонтальною анода в межах його електролітичної ємності. віссю часу пропорційні питомим електроспоживанНа Фіг. подана циклограма напруг оптимальням. Тому всі значення напруг, які лежать вище ного режиму одержання газів. оптимальних режимів - менш ефективні, а всі знаСпосіб циклічного, розділеного за часом одерчення, які лежать нижче - нестійкі. жання водню і кисню високого тиску полягає у виПриклад здійснення способу. користанні активного і пасивного електродів, розДля здійснення способу як електролізер викоміщених в електроліт, на які циклічно подається ристовували ємність високого тиску об'ємом 0,3л., знакозмінна різниця потенціалів при стабілізованій що за міцнісними характеристиками, здатна вигустині струм у. тримувати робочий тиск до 75,0МПа. У ході проПід час першого водневого циклу на пасивноведення експериментальних досліджень, була му електроді, що знаходиться під негативним повизначена величина перенапруги на електродах, тенціалом відбувається виділення водню відповідщо дозволяє генерувати гази на пасивному електно до реакції: роді з малою перенапругою (відбором енергії), та Н2О+е-=½Н2+ОНзабезпечує виділення водню на пасивному електУ той же час, на активну речовину активного роді з моменту початку процесу окиснювання акелектроду що знаходиться під позитивним потентивної маси газопоглинаючого електрода. Як паціалом виконаного, наприклад, з губчатого заліза, сивний електрод використовували нікелевий відбувається зв'язування звільненого гідроксилу електрод, а як активну масу, що утворює активний ОН- з утворенням гідроокису заліза: електрод, - пористе залізо. Об'єм ємності електроFe+2ОН-=2Fe(OH)2+2е лізера заповнювали 20% розчином їдкого калію у або 2Fe+3ОН-=HFeO2-+Н2О+2е воді до густини 1,21мг/л. HFeO2-+Н2О=Fe(OH)2OHПроцес електролізу проводили при кімнатній Активність губчатого електрода обумовлена температурі. Тиск одержуваних газів знаходився в відсутністю на поверхні часток суцільної пасивуінтервалі від 25МПа до 75МПа. Дотримування техвальної плівки окисла. У той же час, розгалужена нологічного режиму проводили в широкому діапаповерхня електрода сприяє високому газоутвозоні робочої напруги на електродах у водневому і ренню. Це дозволяє зменшити розміри електродів кисневому циклах. при збереженні високих енергетичних параметрів. Густина стабілізованої сили струму складала Напруга на електродах у водневому циклі підтри200,0а/м 2. Оптимальні питомі витрати електроенемується в інтервалі від 0,3В до 0,5В при стабілізоргії у водневому циклі складали - 0,88КВт.год./м 3, а ваній густини струму. Таким чином, протягом водв кисневому циклі - 3,28КВт.год./м 3. Загальна пиневого циклу відбувається виділення тільки водню, тома витрата електроенергії для одержання газів тиск якого обмежено тільки розчинністю водню в не перевищувала 4,16КВт.год./м 3. Виділювані гази електроліті з кількістю утворюваного водню пропонакопичувалися в ресиверах. рційним кількості гідроксилу ОН-, поглиненого акПроведені випробування показали, що питоме тивною речовиною анода в межах його електрохіенергоспоживання при одержанні газів роздільно мічної ємності. У той же час, тиск водню, що за часом і тиском до 75,0МПа пропорційно напрузі виділяється обмежено границею міцності ємності на електродах. При цьому найменше значення електролізера й опором магістралі. енергоспоживання за умови стійкого протікання Після вироблення (відбору) ємності активної процесу знаходиться в інтервалі 0,3 до 0,4В по речовини електрода, коли основна кількість порисводню і 1,4 до 1,5В по кисню. того заліза перейшла в Fe(ОH)2 полярність електДля збільшення продуктивності способу мож родів змінюється на протилежну. Пасивний електливе збільшення послідовно з'єднаних електролізрод стає анодом, а активний - катодом. При цьому них комірок із пропорційним збільшенням газопродуктивності та зниженням теплових втрат. 5 84350 6 Таким чином, використання запропонованого одержанні газів із прямою закачкою газів - водню і способу виробництва газів високого тиску шляхом кисню в балони на газовиробних станціях. Спосіб циклічного чергування окисної і відтворювальної забезпечує високу продуктивність по газам при реакцій активної маси газопоглинаючого електромалих масогабаритних параметрах і порівняно да дозволяє одержувати водень і кисень в одному невисоких питомих енерговитратах, а також високу процесі роздільно за часом шляхом електрохімічексплуатаційну надійність. ного розкладання електроліту при будь-якому заЗапропонований спосіб електрохімічної генеданому тиску газів (до 75,0МПа) і кожною (доцільрації водню і кисню високого тиску може успішно ною) заданою різницею цих тисків. Це усуває застосовуватися в комплексах з використанням необхідність додаткового використання компресопоновлюваних джерел енергії (сонячної, вітрової, рного устаткування, необхідного при роздільному тощо). Комп’ютерна в ерстка В. Мацело Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601