RU2432420C1 - Cathode element of electrolytic cell with hard polymer membrane - Google Patents
Cathode element of electrolytic cell with hard polymer membrane Download PDFInfo
- Publication number
- RU2432420C1 RU2432420C1 RU2010130861/07A RU2010130861A RU2432420C1 RU 2432420 C1 RU2432420 C1 RU 2432420C1 RU 2010130861/07 A RU2010130861/07 A RU 2010130861/07A RU 2010130861 A RU2010130861 A RU 2010130861A RU 2432420 C1 RU2432420 C1 RU 2432420C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current collector
- carbon
- cathode
- grid
- thickness
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электрохимии, а именно к конструкциям катодных элементов электролизеров с твердополимерным электролитом для получения высокочистых водорода и кислорода путем электролиза воды, и может быть использовано в электролизерах, включающих в себя одну или несколько (батареи) электролизных ячеек.The invention relates to the field of electrochemistry, and in particular, to designs of cathode elements of electrolytic cells with a solid polymer electrolyte for producing high-purity hydrogen and oxygen by electrolysis of water, and can be used in electrolytic cells, including one or more (batteries) electrolysis cells.
Известно, что электролизер с твердополимерной мембраной включает в себя твердополимерную мембрану, расположенную между анодным и катодными элементами электролизера, включающими в себя, соответственно, анодный и катодный каталитические слои, обращенные к мембране, коллекторы тока и биполярные пластины, выполненные с возможностью токоотвода, а также подачи и отвода реагентов химической реакции (см., например, Н.В.Кулешов, С.А.Григорьев, В.Н. Фатеев «Электрохимические технологии в водородной энергетике» М., МЭИ, 2007 г., с.49-55). При этом анодный и катодный коллекторы тока выполняются из пористого титана, а биполярные (токоотводящие) пластины, также выполненные из титана, имеют сложный профиль.It is known that an electrolyzer with a solid polymer membrane includes a solid polymer membrane located between the anode and cathode elements of the electrolyzer, which include, respectively, the anode and cathode catalytic layers facing the membrane, current collectors and bipolar plates configured to collector, as well as supply and removal of chemical reaction reagents (see, for example, N.V. Kuleshov, S. A. Grigoriev, V. N. Fateev “Electrochemical technologies in hydrogen energy” M., MPEI, 2007, p. 49-55 ) In this case, the anode and cathode current collectors are made of porous titanium, and the bipolar (current-conducting) plates, also made of titanium, have a complex profile.
Недостатками указанного электролизера, в частности катодного элемента, включающего в себя протонопроводящую твердополимерную мембрану, поджатые к мембране каталитический слой, коллектор тока, выполненный из пористого титана, и токоотводящую (биполярную) пластину, являются сложность и высокая стоимость изготовления токоотводящей пластины и коллектора тока, а также невысокая надежность коллектора тока из-за водородного охрупчивания титанового коллектора тока при длительной эксплуатации электролизера. Такое водородное охрупчивание, которое, в конечном счете, может приводить к полному разрушению катодного коллектора тока, наиболее интенсивно происходит при взаимодействии титана с протонами, прошедшими через протонообменную мембрану и не успевшими рекомбинировать в молекулу водорода в катодном каталитическом слое. Увеличение же толщины катодного каталитического слоя ведет к его удорожанию, кроме того, при этом ухудшаются рабочие характеристики электролизера, в частности, из-за увеличения омического сопротивления каталитического слоя.The disadvantages of this electrolyzer, in particular the cathode element, which includes a proton-conducting solid polymer membrane, a catalytic layer pressed to the membrane, a current collector made of porous titanium, and a current-conducting (bipolar) plate, are the complexity and high cost of manufacturing a current-conducting plate and current collector, and also low reliability of the current collector due to hydrogen embrittlement of the titanium current collector during prolonged operation of the electrolyzer. Such hydrogen embrittlement, which, ultimately, can lead to the complete destruction of the cathode current collector, occurs most intensively during the interaction of titanium with protons passing through the proton exchange membrane and not having time to recombine into a hydrogen molecule in the cathode catalytic layer. An increase in the thickness of the cathode catalytic layer leads to a rise in its cost, in addition, in this case, the performance of the electrolyzer deteriorates, in particular, due to an increase in the ohmic resistance of the catalytic layer.
Известны способы защиты коллекторов тока, выполненных из пористого титана, от коррозии путем нанесения тонкого слоя благородного металла на его внутреннюю поверхность (см., например, заявка №1020060015769 (Корея) или заявка ЕР 20020701558 (Япония)), например, при помощи электролитического покрытия, ионной имплантации или плазменного напыления. К недостаткам указанных способов относятся их сложность и высокая стоимость.Known methods for protecting current collectors made of porous titanium from corrosion by applying a thin layer of a noble metal on its inner surface (see, for example, application No. 1020060015769 (Korea) or application EP 20020701558 (Japan), for example, by electrolytic coating ion implantation or plasma spraying. The disadvantages of these methods include their complexity and high cost.
Известны катодные элементы, входящие в состав электролизера или батареи электролизных ячеек с твердополимерной мембраной, включающий протонообменную твердополимерную мембрану, обращенный к мембране каталитический слой, пористый коллектор тока, токопроводящую демпфирующую сетку, выполненную с возможностью прохождения воды и газа как по толщине, так по длине и ширине сетки, токоотводящую пластину и герметизирующее уплотнение, образующие в сборе катодную рабочую зону электролизера (см., например, «Свидетельство на Полезную модель» №22308, РФ, 2002 г., МПК7 С22B 9/00 или «Патент на полезную модель» №75660, РФ, 2008 г., МПК С25В 9/00).Known cathode elements that are part of an electrolyzer or a battery of electrolysis cells with a solid polymer membrane, including a proton exchange solid polymer membrane, a catalytic layer facing the membrane, a porous current collector, a conductive damping grid configured to allow water and gas to pass both in thickness and in length and length the width of the grid, the collector plate and the sealing seal, forming the cathode working area of the electrolyzer assembly (see, for example, “Certificate for Utility Model” No. 22308 , RF, 2002, IPC 7 С22B 9/00 or “Utility Model Patent” No. 75660, RF, 2008, IPC С25В 9/00).
Недостатками известных катодных элементов являются их невысокая надежность, сложность изготовления составных частей, высокая стоимость, относительно большой вес и габариты.The disadvantages of the known cathode elements are their low reliability, the complexity of the manufacture of components, high cost, relatively large weight and dimensions.
Известен катодный элемент электролизера с твердополимерной мембраной (принятый нами за прототип), включающий протонообменную твердополимерную мембрану, обращенный к мембране каталитический слой, пористый коллектор тока, токопроводящую сетку, выполненную с возможностью прохождения воды и газа как по толщине, так по длине и ширине сетки, токоотводящую пластину, герметизирующее уплотнение, образующие в сборе катодную рабочую зону электролизера, дополнительно снабженную каналами для отвода воды и водорода. При этом токопроводящая сетка выполнена демпфирующей и обладает объемной рельефной поверхностью и прерывистыми каналами, а коллектор тока выполнен из пористого титана (см. Свидетельство на полезную модель №29307, РФ, 2002 г., МПК7 С25В 9/00).A known cathode element of an electrolyzer with a solid polymer membrane (adopted by us for the prototype), including a proton exchange solid polymer membrane, a catalytic layer facing the membrane, a porous current collector, a conductive mesh made with the possibility of water and gas passing through both the thickness and the length and width of the mesh, a current-conducting plate, a sealing seal, which form an assembled cathode working zone of the electrolyzer, additionally equipped with channels for draining water and hydrogen. In this case, the conductive grid is made damping and has a volumetric embossed surface and discontinuous channels, and the current collector is made of porous titanium (see Utility Model Certificate No. 29307, RF, 2002, IPC 7 С25В 9/00).
Недостатками известного катодного элемента являются его невысокая надежность, обусловленная водородным охрупчиванием пористого титанового коллектора тока при длительной эксплуатации электролизера, особенно при высоких плотностях тока (более 1,5-2,0 А/см2), относительно высокий вес и сложность изготовления пористого титанового коллектора тока, обеспечивающего высокие эксплуатационные характеристики электролизера, а также сложность и высокая стоимость изготовления демпфирующей профилированной сетки. Кроме того, надежность работы указанного катодного элемента снижается из-за релаксации упругих свойств сетки (в частности, также из-за возможности ее водородного охрупчивания и обычной релаксации напряжений материала сетки при длительной эксплуатации упругого элемента), что, в конечном счете, приводит к ухудшению рабочих характеристик электролизера.The disadvantages of the known cathode element are its low reliability due to hydrogen embrittlement of the porous titanium current collector during long-term operation of the electrolyzer, especially at high current densities (more than 1.5-2.0 A / cm 2 ), the relatively high weight and complexity of manufacturing a porous titanium collector current, providing high operational characteristics of the electrolyzer, as well as the complexity and high cost of manufacturing a damping profiled mesh. In addition, the reliability of the specified cathode element decreases due to relaxation of the elastic properties of the grid (in particular, also due to the possibility of its hydrogen embrittlement and the usual relaxation of the stresses of the material of the mesh during long-term operation of the elastic element), which ultimately leads to deterioration cell performance.
Целью изобретения является устранение недостатков в указанном выше прототипе, повышение надежности работы катодного элемента в составе электролизера или батареи электролизных ячеек, снижении его веса и себестоимости без ухудшения рабочих характеристик электролизера.The aim of the invention is to eliminate the shortcomings in the above prototype, increasing the reliability of the cathode element in the composition of the electrolytic cell or battery of electrolysis cells, reducing its weight and cost without compromising the performance of the cell.
Технический результат, который может быть получен от использования заявленного изобретения, заключается в повышении надежности работы катодного элемента в составе электролизера или батареи электролизных ячеек, снижении его веса и себестоимости без ухудшения рабочих характеристик электролизера.The technical result that can be obtained from the use of the claimed invention is to increase the reliability of the cathode element in the composition of the cell or the battery of electrolysis cells, reducing its weight and cost without compromising the performance of the cell.
Указанный технический результат достигается при использовании катодного элемента электролизера с твердополимерной мембраной в составе электролизера или батареи электролизных ячеек, включающего протонообменную твердополимерную мембрану, обращенный к мембране каталитический слой, пористый коллектор тока, токопроводящую сетку, выполненную с возможностью прохождения воды и газа как по толщине, так по длине и ширине сетки, токоотводящую пластину, герметизирующее уплотнение, образующие в сборе катодную рабочую зону электролизера, дополнительно снабженную каналами для отвода воды и водорода, в котором пористый коллектор тока выполнен из двухслойной углеродной ткани с содержанием углерода не менее 99%, выполненной путем предварительного окисления исходного вискозного полотна на воздухе при температуре 240-260°С с последующими карбонизацией в среде инертного газа или вакууме не хуже 5·10-3 Па при температуре 800-1500°С и графитизацией при содержании углеродного связующего в исходном углепластике от 130 до 140% и температуре 2500-2700°С, а токопроводящая сетка выполнена не менее чем из двух жестких по толщине сеток, при этом сетка, расположенная со стороны углеродного коллектора тока, выполнена с максимальным размером отверстий ячеек не более толщины углеродного коллектора тока.The specified technical result is achieved by using a cathode element of an electrolyzer with a solid polymer membrane as part of an electrolyzer or a battery of electrolysis cells, including a proton exchange solid polymer membrane, a catalytic layer facing the membrane, a porous current collector, a conductive mesh configured to allow water and gas to pass through both thickness and thickness along the length and width of the grid, the collector plate, the sealing seal, forming the cathode working zone of the electrolyzer assembly, additional Relatively equipped with channels for the removal of water and hydrogen, in which the porous current collector is made of a two-layer carbon fabric with a carbon content of at least 99%, made by pre-oxidizing the initial viscose fabric in air at a temperature of 240-260 ° C, followed by carbonization in an inert gas or vacuum better than 5 · 10 -3 Pa at a temperature of 800-1500 ° C, and graphitization at a binder content of carbon in the source CFRP from 130 to 140% and a temperature of 2500-2700 ° C, and the conductive mesh is made of at least Vuh rigid grid thickness, the mesh situated with the side of the carbon current collector is made with a maximum mesh size of cells is not more than the thickness of the carbon current collector.
Отличительной особенностью изобретения является то, что пористый коллектор тока выполнен из двухслойной углеродной ткани с содержанием углерода не менее 99%, выполненной путем предварительного окисления исходного вискозного полотна на воздухе при температуре 240-260°С с последующими карбонизацией в среде инертного газа или вакууме не хуже 5·10-3 Па при температуре 800-1500°С и графитизацией при содержании углеродного связующего в исходном углепластике 130-140% и температуре 2500-2700°С, а токопроводящая сетка выполнена не менее чем из двух жестких по толщине сеток, при этом сетка, расположенная со стороны углеродного коллектора тока, выполнена с максимальным размером отверстий не более толщины углеродного коллектора токаA distinctive feature of the invention is that the porous current collector is made of a two-layer carbon fabric with a carbon content of at least 99%, made by pre-oxidizing the initial viscose fabric in air at a temperature of 240-260 ° C with subsequent carbonization in an inert gas or vacuum environment no worse 5 · 10 -3 Pa at a temperature of 800-1500 ° C and graphitization at a carbon binder content in the initial carbon fiber of 130-140% and a temperature of 2500-2700 ° C, and the conductive mesh is made of at least two rigid the thickness of the grids, while the grid located on the side of the carbon current collector is made with a maximum hole size of not more than the thickness of the carbon current collector
Выполнение пористого коллектора из двухслойной углеродной ткани с содержанием углерода не менее 99%, выполненной путем предварительного окисления исходного вискозного полотна на воздухе при температуре 240-260°С с последующими карбонизацией в среде инертного газа или вакууме не хуже 5·10-3 Па при температуре 800-1500°С и графитизацией при содержании углеродного связующего в исходном углепластике 130-140% и температуре 2500-2700°С, позволяет указанной углеродной ткани выполнять функции коллектора тока. При этом уменьшается себестоимость коллектора тока, его вес и габариты (в частности, толщина). Кроме того, углеродная ткань более стойка к воздействию водорода и протонов, чем пористый титан. На ней возможно протекание дополнительной реакции рекомбинации протонов, не рекомбированных в молекулу водорода, после прохождения каталитического слоя. Таким образом, она служит дополнительной защитой от наводораживания последующих элементов рабочей зоны электролизера, в частности токопроводящей сетки и токоотводящей пластины. Все это позволяет повысить надежность работы катодного элемента и электролизера в целом.The implementation of the porous collector from a two-layer carbon fabric with a carbon content of at least 99%, made by pre-oxidizing the initial viscose fabric in air at a temperature of 240-260 ° C with subsequent carbonization in an inert gas or vacuum not worse than 5 · 10 -3 Pa at a temperature 800-1500 ° C and graphitization at a carbon binder content in the initial carbon fiber of 130-140% and a temperature of 2500-2700 ° C, allows the specified carbon fabric to serve as a current collector. This reduces the cost of the current collector, its weight and dimensions (in particular, thickness). In addition, carbon fabric is more resistant to hydrogen and protons than porous titanium. It may lead to an additional recombination reaction of protons not recombined into a hydrogen molecule after passing through the catalytic layer. Thus, it serves as additional protection against the hydrogenation of subsequent elements of the working area of the electrolyzer, in particular a conductive grid and a collector plate. All this improves the reliability of the cathode element and the cell as a whole.
Кроме того, выполнение углеродной ткани именно двойной при указанных режимах ее получения, как показали проведенные нами исследования, обеспечивает получение углеродной ткани с содержанием углерода не менее 99% и примесями, сосредоточенными внутри волокна ткани, что весьма важно для обеспечения высокой чистоты водорода - одной из основных характеристик работы электролизера.In addition, the implementation of carbon fabric is double in the indicated modes of its production, as shown by our studies, provides carbon fabric with a carbon content of at least 99% and impurities concentrated inside the fabric fiber, which is very important to ensure high purity of hydrogen - one of basic characteristics of the electrolyzer.
С другой стороны, именно такая двойная углеродная ткань обладает механическими характеристиками (прочностью, пористостью и жесткостью в процессе эксплуатации) и электропроводностью, необходимыми для получения вольтамперных характеристик (ВАХ) работы электролизера не хуже, чем при использовании пористого титанового катодного коллектора тока в электролизере. При этом второй слой углеродной ткани, наиболее удаленный от мембраны, выполняет функцию дополнительного поддерживающего элемента, жестко связанного с первым слоем. Это позволяет обеспечить более равномерное распределение сжимающего напряжения по рабочей поверхности мембраны в сборе электролизера, что также необходимо для получения требуемых ВАХ работы электролизера. В частности, как показали проведенные нами исследования, использование однорядной углеродной ткани с содержанием углерода не менее 99% в качестве катодного коллектора тока электролизера с твердополимерной мембраной не позволяет обеспечить заявленный технический результат.On the other hand, it is such a double carbon fabric that has the mechanical characteristics (strength, porosity and rigidity during operation) and the electrical conductivity necessary to obtain the current-voltage characteristics (CVC) of the electrolyzer operation no worse than when using a porous titanium cathode current collector in the electrolyzer. In this case, the second layer of carbon fabric, the farthest from the membrane, serves as an additional supporting element, rigidly connected with the first layer. This allows you to provide a more uniform distribution of compressive stress on the working surface of the membrane in the Assembly of the cell, which is also necessary to obtain the required I-V characteristics of the cell. In particular, as our studies have shown, the use of single-row carbon fabric with a carbon content of at least 99% as a cathode current collector of an electrolyzer with a solid polymer membrane does not provide the claimed technical result.
Вторым необходимым условием для получения таких характеристик (ВАХ) работы электролизера является наличие в сборе катодной рабочей зоны электролизера жесткой сетки, на которую опирается коллектор тока из двойной углеродной ткани, выполненной с максимальным размером отверстий не более толщины углеродного коллектора тока.The second necessary condition for obtaining such characteristics (CVC) of the electrolyzer operation is the presence of a rigid grid assembly of the cathode working zone of the electrolyzer, on which a current collector of double carbon fabric is supported, with a maximum hole size not exceeding the thickness of the carbon current collector.
В частности, известно, что перенос протона через протонообменную мембрану сопровождается переносом 2-5 молекул воды (явление осмоса). Таким образом, работа электролизера сопровождается потоком воды и ее давлением на углеродный коллектор тока, особенно сильным при высоких плотностях тока. Под действием такого давления без наличия указанной выше сетки с характерным размером отверстий ячейки не более толщины углеродного коллектора тока возможен недопустимый локальный прогиб или даже отслоение отдельных участков углеродного коллектора, что приводит к ухудшению ВАХ работы электролизера.In particular, it is known that proton transfer through a proton exchange membrane is accompanied by the transfer of 2-5 water molecules (the phenomenon of osmosis). Thus, the operation of the electrolyzer is accompanied by a stream of water and its pressure on the carbon current collector, which is especially strong at high current densities. Under the influence of such pressure, without the presence of the above mesh with a characteristic size of the cell openings not exceeding the thickness of the carbon current collector, unacceptable local deflection or even peeling of individual sections of the carbon collector is possible, which leads to a deterioration in the I – V characteristic of the cell.
Выполнение токопроводящей сетки не менее чем из двух жестких по толщине сеток с возможностью прохождения воды и газа как по толщине, так по длине и ширине составной сетки легко осуществимо. Например, сетки могут быть собраны с разворотом или смещением ячеек сеток относительно друг друга. Также могут быть использованы сетки с разным размером ячеек. При этом для обеспечения удобства сборки катодного элемента сетки могут быть предварительно сварены между собой. Такое выполнение сеток обеспечивает и стабилизирует выход воды и водорода. При этом стабилизируются контактные напряжения в катодной зоне электролизера. Все это также служит повышению надежности работы катодного элемента и работы электролизера в целом.The implementation of the conductive mesh of at least two rigid in thickness gauzes with the possibility of the passage of water and gas both in thickness and in length and width of the composite grid is easily feasible. For example, grids can be assembled with a spread or offset of grid cells relative to each other. Mesh with different cell sizes can also be used. Moreover, to ensure ease of assembly of the cathode element of the grid can be pre-welded together. This embodiment of the nets provides and stabilizes the output of water and hydrogen. In this case, contact voltages in the cathode zone of the electrolyzer are stabilized. All this also serves to increase the reliability of the cathode element and the operation of the electrolyzer as a whole.
Перечень чертежейList of drawings
На фиг.1 представлена схема катодного элемента с твердополимерной мембраной.Figure 1 presents a diagram of a cathode element with a solid polymer membrane.
На фиг.2 представлены ВАХ сравнительных испытаний электролизера с катодом, выполненным из однорядной углеродной ткани, с заявленным катодным элементом (с катодом из двухрядной углеродной ткани) и с контрольным пористым титановым коллектором тока.Figure 2 presents the CVC of comparative tests of an electrolyzer with a cathode made of single-row carbon fabric, with the claimed cathode element (with a cathode of double-row carbon fabric) and with a control porous titanium current collector.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
В соответствии с представленным изобретением катодный элемент электролизера с твердополимерной мембраной (фиг.1) состоит из твердополимерной протонопроводящей мембраны 1, каталитического слоя 2, коллектора тока 3, выполненного из двухслойной углеродной ткани с содержанием углерода не менее 99%, токопроводящей сетки, выполненной из не менее чем из двух жестких по толщине сеток 4 и 5, токоотводящей пластины 6 и герметизирующего уплотнения 7. Он также снабжен каналами 8 и 9 для отвода водорода и воды. При этом каналы для отвода водорода и газа могут быть выполнены не в токоотводящей пластине, а, например, в герметизирующем уплотнении (например, при использовании заявленного катодного элемента в составе батареи электролизных ячеек).In accordance with the invention, the cathode element of the electrolyzer with a solid polymer membrane (Fig. 1) consists of a solid polymer
При этом в данном устройстве:Moreover, in this device:
Двухслойная углеродная ткань (3) получена путем предварительного окисления исходного вискозного полотна на воздухе в диапазоне температур 240-260°С с последующей карбонизацией в среде инертного газа при температуре, лежащей в диапазоне 800-1500°С, и окончательной графитизадией при содержании углеродного связующего в исходном углерода не менее 99% углепластике от 130 до 140% и температуре от 2500 до 2700°С. При этом карбонизация и графитизация могут также проводиться в вакууме не хуже 5·10-3 Па;The two-layer carbon fabric (3) was obtained by pre-oxidizing the initial viscose fabric in air in the temperature range of 240-260 ° C, followed by carbonization in an inert gas medium at a temperature lying in the range of 800-1500 ° C, and finally graphitizing with the content of the carbon binder in carbon source of at least 99% carbon fiber from 130 to 140% and a temperature of from 2500 to 2700 ° C. Moreover, carbonization and graphitization can also be carried out in vacuum no worse than 5 · 10 -3 Pa;
Токопроводящие сетки (4 и 5) расположены с возможностью прохождения воды и газа в трех взаимно перпендикулярных направлениях. При этом сетка (4), расположенная со стороны коллектора тока, выполнена с максимальным размером отверстий (максимальным размером в плоскости сетки), не более толщины коллектора тока;Conductive grids (4 and 5) are arranged with the possibility of the passage of water and gas in three mutually perpendicular directions. In this case, the grid (4) located on the side of the current collector is made with a maximum hole size (maximum size in the grid plane), not more than the thickness of the current collector;
Каталитический слой может быть нанесен как на коллектор тока, так и на мембрану.The catalytic layer can be deposited both on the current collector and on the membrane.
Заявленный катодный элемент электролизера с твердополимерной мембраной может работать как в составе электролизера, так и в составе батареи электролизных ячеек.The claimed cathode element of the electrolyzer with a solid polymer membrane can operate both as part of the electrolyzer and as part of the battery of electrolysis cells.
При этом в сборе электролизера или батареи электролизных ячеек входящие части заявленного катодного элемента стягиваются между собой с образованием катодной рабочей зоны электролизера. (Например, при помощи болтов и концевых изолирующих элементов, не показанных на фиг.1).Moreover, in the assembly of the electrolyzer or battery of electrolysis cells, the incoming parts of the claimed cathode element are pulled together to form a cathode working zone of the electrolyzer. (For example, using bolts and end insulating elements not shown in FIG. 1).
Заявленный катодный элемент в электролизере с твердополимерной мембраной, предназначенном для получения водорода и кислорода путем электролиза воды, работает следующим образом. В рабочей анодной зоне электролизера образуются кислород и протоны, которые под действием электрического поля приложенного к электролизеру напряжения проходят через протонообменную мембрану (1) и попадают в катодную рабочую зону, герметизированную уплотнением (7) и снабженную каналами для отвода водорода и воды (8 и 9). При этом в результате явления осмоса с каждым протоном переносятся 2-5 молекул воды. В каталитическом слое (2) происходит рекомбинация протонов в молекулу водорода. Водород, вода и неуспевшие рекомбинировать в каталитическом слое протоны попадают в коллектор тока (3), выполненный из двухслойной углеродной ткани. Двухслойная углеродная ткань служит для подвода электронов к катодному катализатору, отвода водорода и воды. Кроме того, на ней происходит дополнительная рекомбинация попадающих на нее протонов в молекулу водорода. Таким образом, она служит дополнительной защитой от наводораживания остальных элементов катодной рабочей зоны. Затем водород и вода отводятся через поджимающую двойную углеродную ткань сетку (4) и сетку (5) через каналы для отвода водорода (8) и воды (9).The claimed cathode element in an electrolyzer with a solid polymer membrane designed to produce hydrogen and oxygen by electrolysis of water, works as follows. In the working anode zone of the electrolyzer, oxygen and protons are formed, which, under the action of the electric field of the voltage applied to the electrolyzer, pass through the proton exchange membrane (1) and enter the cathode working zone, sealed by a seal (7) and equipped with channels for the removal of hydrogen and water (8 and 9 ) Moreover, as a result of the phenomenon of osmosis, 2-5 water molecules are transferred with each proton. In the catalytic layer (2), protons recombine into a hydrogen molecule. Hydrogen, water, and protons that failed to recombine in the catalytic layer enter the current collector (3), made of two-layer carbon fabric. The two-layer carbon fabric serves to supply electrons to the cathode catalyst, and remove hydrogen and water. In addition, additional recombination of protons incident on it into a hydrogen molecule occurs on it. Thus, it serves as additional protection against hydrogen disturbance of the remaining elements of the cathode working area. Then, hydrogen and water are discharged through a mesh double carbon fabric (4) and mesh (5) through channels for the removal of hydrogen (8) and water (9).
Работоспособность заявленного катодного элемента электролизера с твердополимерной мембраной, а также возможность достижения заявленного технического результата подтверждается, в частности, результатами испытаний электролизера с заявленным и контрольным (известным) катодным элементом, представленные на фиг.2.The performance of the claimed cathodic cell element with a solid polymer membrane, as well as the possibility of achieving the claimed technical result is confirmed, in particular, by the test results of the cell with the claimed and control (known) cathode element, shown in figure 2.
При проведении испытаний использовался электролизер с рабочей поверхностью 7 см2. Анодный каталитический слой электролизера был выполнен в виде смеси частиц иридия с 5% протонопроводящего лака. Плотность нанесения анодного катализатора: Ir - 2 мг/см2. Электролизер содержал протонопроводящую мембрану марки Nafion-117. Катодный каталитический слой был выполнен в виде смеси частиц катализатора Pt 40/V (40% платины, высаженной на углерод марки Vulcan XC-72) с 12% протонопроводящего лака. Плотность нанесения катализатора на катодный коллектор тока: Pt 40/V - 1 мг/см2.During the tests, an electrolyzer with a working surface of 7 cm 2 was used . The anode catalytic layer of the electrolyzer was made in the form of a mixture of iridium particles with 5% proton conductive varnish. The density of the anode catalyst: Ir - 2 mg / cm 2 . The cell contained a proton conducting membrane brand Nafion-117. The cathode catalytic layer was made as a mixture of Pt 40 / V catalyst particles (40% platinum deposited on Vulcan XC-72 carbon) with 12% proton conductive varnish. The density of the deposition of the catalyst on the cathode current collector: Pt 40 / V - 1 mg / cm 2 .
При проведении контрольных испытаний использовался титановый коллектор тока, выполненный из пористого титана марки ПП-ЭМ-МП-0,8 ТУ 14-1-1895-76. Толщина пористого титанового коллектора тока составляла 0,95 мм.During the control tests, a titanium current collector made of porous titanium of the grade PP-EM-MP-0.8 TU 14-1-1895-76 was used. The thickness of the porous titanium current collector was 0.95 mm.
При проведении испытаний заявленного катодного элемента в качестве коллектора тока была использована двухслойная углеродная ткань с содержанием углерода 0,99%.When testing the claimed cathode element, a two-layer carbon fabric with a carbon content of 0.99% was used as a current collector.
Углеродная ткань (как двухрядная, так и однорядная) была изготовлена путем предварительного окисления исходного вискозного полотна на воздухе при температуре 250°С с последующей карбонизацией в среде инертного газа при температуре 1000°С и графитизацией при содержании углеродного связующего в исходном углепластике 134,6% и температуре 2600°С.Carbon fabric (both double-row and single-row) was made by pre-oxidizing the initial viscose fabric in air at a temperature of 250 ° C, followed by carbonization in an inert gas at a temperature of 1000 ° C and graphitization with a carbon binder content of 134.6% of the original carbon fiber and temperature 2600 ° С.
Сетка, использованная при проведении испытаний заявленного катодного элемента, была выполнена из трех сваренных между собой сеток, изготовленных из титана марки ВТ-1.0. Максимальный размер отверстий сетки, прилегающей к углеродной ткани, в плоскости сетки составлял 0,4 мм.The grid used in testing the claimed cathode element was made of three welded together meshes made of titanium grade VT-1.0. The maximum size of the holes of the mesh adjacent to the carbon fabric in the plane of the mesh was 0.4 mm.
Токоотводящие пластины в электролизере также были выполнены из титана марки ВТ-1.0.The collector plates in the cell were also made of VT-1.0 grade titanium.
Электролизер был снабжен камерами для нагрева анодной и катодной рабочей зоны.The cell was equipped with chambers for heating the anode and cathode working area.
Все испытания проводились при температуре 90°С.All tests were carried out at a temperature of 90 ° C.
Сравнение представленных на фиг.2 результатов проведенных испытаний показывает, что однорядная углеродная ткань не обладает свойствами катодного коллектора тока, необходимыми для получения высоких рабочих характеристик электролизера. Практическое совпадение ВАХ, полученной при проведении контрольных испытаний, с ВАХ, полученной при проведении испытаний заявленного катодного элемента в составе электролизера, является одним из доказательств достижения заявленного технического результата.A comparison of the test results presented in FIG. 2 shows that a single-row carbon fabric does not have the properties of a cathode current collector necessary to obtain high performance characteristics of the cell. The practical coincidence of the I – V characteristics obtained during the control tests with the I – V characteristics obtained when testing the claimed cathode element in the electrolyzer is one of the evidence of the achievement of the claimed technical result.
Другим доказательством служит высокая чистота полученного водорода (не менее 99,99%), полученная при проведении испытаний заявленного катодного элемента, соответствующая чистоте водорода при проведении контрольных испытаний (также 99,99%).Another evidence is the high purity of the obtained hydrogen (not less than 99.99%) obtained by testing the claimed cathode element, corresponding to the purity of hydrogen during the control tests (also 99.99%).
Заявленный катодный элемент электролизера с твердополимерной мембраной более легок, имеет меньшие габариты и себестоимость, более устойчив к водородному охрупчиванию, в нем исключена релаксация упругих напряжений в упругой сетке, что повышает надежность его работы, его рабочие характеристики в составе электролизера не хуже чем при использовании катодного элемента, принятого за прототип. Таким образом, достигается заявленный технический результат.The claimed cathode element of the electrolyzer with a solid polymer membrane is lighter, has smaller dimensions and cost, is more resistant to hydrogen embrittlement, it eliminates the relaxation of elastic stresses in the elastic grid, which increases the reliability of its operation, its performance in the composition of the electrolyzer is not worse than when using the cathode element adopted as a prototype. Thus, the claimed technical result is achieved.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010130861/07A RU2432420C1 (en) | 2010-07-23 | 2010-07-23 | Cathode element of electrolytic cell with hard polymer membrane |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010130861/07A RU2432420C1 (en) | 2010-07-23 | 2010-07-23 | Cathode element of electrolytic cell with hard polymer membrane |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2432420C1 true RU2432420C1 (en) | 2011-10-27 |
Family
ID=44998111
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010130861/07A RU2432420C1 (en) | 2010-07-23 | 2010-07-23 | Cathode element of electrolytic cell with hard polymer membrane |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2432420C1 (en) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4339322A (en) * | 1980-04-21 | 1982-07-13 | General Electric Company | Carbon fiber reinforced fluorocarbon-graphite bipolar current collector-separator |
| US4586999A (en) * | 1984-10-29 | 1986-05-06 | The Dow Chemical Company | Three layer carbon based electrode |
| RU2107752C1 (en) * | 1991-06-27 | 1998-03-27 | Де Нора С.п.А. | Electrolyzer, method of preparation of base solution and solution containing acid, and method of preparation of base solution and solution of pure acid |
| JP2000204491A (en) * | 1999-01-11 | 2000-07-25 | Toyota Motor Corp | Water electrolysis method |
| RU2187578C2 (en) * | 1996-05-07 | 2002-08-20 | Де Нора Элеттроди С.П.А. | Bipolar plate for electrolyzer of filter-press type |
| JP2003138392A (en) * | 2001-10-30 | 2003-05-14 | Chlorine Eng Corp Ltd | Ion exchange membrane electrolytic cell |
| RU2211885C1 (en) * | 2002-06-20 | 2003-09-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "Луч" | Electrochemical facility |
| RU2293141C2 (en) * | 2001-09-27 | 2007-02-10 | Де Нора Элеттроди С.П.А. | Diaphragm type electrolyzer with increased electrode surface for producing chlorine and caustic soda, method for making such electrolyzer |
-
2010
- 2010-07-23 RU RU2010130861/07A patent/RU2432420C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4339322A (en) * | 1980-04-21 | 1982-07-13 | General Electric Company | Carbon fiber reinforced fluorocarbon-graphite bipolar current collector-separator |
| US4586999A (en) * | 1984-10-29 | 1986-05-06 | The Dow Chemical Company | Three layer carbon based electrode |
| RU2107752C1 (en) * | 1991-06-27 | 1998-03-27 | Де Нора С.п.А. | Electrolyzer, method of preparation of base solution and solution containing acid, and method of preparation of base solution and solution of pure acid |
| RU2187578C2 (en) * | 1996-05-07 | 2002-08-20 | Де Нора Элеттроди С.П.А. | Bipolar plate for electrolyzer of filter-press type |
| JP2000204491A (en) * | 1999-01-11 | 2000-07-25 | Toyota Motor Corp | Water electrolysis method |
| RU2293141C2 (en) * | 2001-09-27 | 2007-02-10 | Де Нора Элеттроди С.П.А. | Diaphragm type electrolyzer with increased electrode surface for producing chlorine and caustic soda, method for making such electrolyzer |
| JP2003138392A (en) * | 2001-10-30 | 2003-05-14 | Chlorine Eng Corp Ltd | Ion exchange membrane electrolytic cell |
| RU2211885C1 (en) * | 2002-06-20 | 2003-09-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "Луч" | Electrochemical facility |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Vincent et al. | Hydrogen production by water electrolysis with an ultrathin anion-exchange membrane (AEM) | |
| Rozain et al. | Influence of iridium oxide loadings on the performance of PEM water electrolysis cells: Part II–Advanced oxygen electrodes | |
| Kim et al. | The effects of Nafion® ionomer content in PEMFC MEAs prepared by a catalyst-coated membrane (CCM) spraying method | |
| Su et al. | Membrane electrode assemblies with low noble metal loadings for hydrogen production from solid polymer electrolyte water electrolysis | |
| Uhm et al. | Clean hydrogen production from methanol–water solutions via power-saved electrolytic reforming process | |
| US10889903B2 (en) | Oxygen-generating anode | |
| US8343321B2 (en) | Membrane electrode unit for the electrolysis of water | |
| Lee et al. | Development of porous Pt/IrO2/carbon paper electrocatalysts with enhanced mass transport as oxygen electrodes in unitized regenerative fuel cells | |
| US8309267B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
| KR102126183B1 (en) | Diffusion layer and oxygen electrode composite layers of polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus and method for preparing the same and polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus using the same | |
| US20140287347A1 (en) | Method for fabricating a membrane-electrode assembly | |
| Su et al. | Study of catalyst sprayed membrane under irradiation method to prepare high performance membrane electrode assemblies for solid polymer electrolyte water electrolysis | |
| Sadhasivam et al. | Graphitized carbon as an efficient mesoporous layer for unitized regenerative fuel cells | |
| WO2013018843A1 (en) | Oxygen gas diffusion electrode and method of making the same | |
| Ponomarev et al. | Electrospun nanofiber pyropolymer electrodes for fuel cells on polybenzimidazole membranes | |
| Shi et al. | High hydrogen evolution activity and suppressed H 2 O 2 production on Pt-skin/PtFe alloy nanocatalysts for proton exchange membrane water electrolysis | |
| EP3040449A1 (en) | Electrochemical reduction device | |
| US20140113217A1 (en) | Selectively Coated Bipolar Plates for Water Management and Freeze Start in PEM Fuel Cells | |
| RU2496186C1 (en) | Fuel element and battery of fuel elements | |
| Ravichandran et al. | Platinum deposition on the nafion membrane by impregnation reduction using nonionic surfactant for water electrolysis–An alternate approach | |
| RU2432420C1 (en) | Cathode element of electrolytic cell with hard polymer membrane | |
| Umap et al. | Performance analysis of gas diffusion electrode with varying platinum loading under different oxidant condition | |
| KR20140133301A (en) | The membrane electrdoe assembly for an electrochemical cell | |
| CN111424286A (en) | SO (SO)2Depolarized electrolytic cell | |
| Guzmán et al. | Development of a dynamic hydrogen electrode coupled to proton exchange membrane fuel cell |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160724 |