СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Изобретение относится к области получения технического водорода для топливных элементов.

Топливом для топливных элементов является технический водород [1]. Между тем водород в энергетике будущего занимает ведущее положение, так как является одним из наиболее распространенных элементов в природе, самым эффективным и экологически чистым энергоносителем [2].

Предложение.

1 вариант: получение водорода путем растворения металлических стружек и других отходов обработки металлов (или проводников тока в виде пластин) в электролите под действием электрического тока, потребляемого промышленными и другими предприятиями различного назначения.

2 вариант: получение водорода путем применения платиновых пластинок, используемых одновременно как проводники тока и как катализаторы, в электролите под действием электрического тока, потребляемого промышленными и другими предприятиями различного назначения (Для ускорения процесса выработки водорода и объема получаемого водорода можно подавать к поверхности катализатора различные газы, например природный газ с кислородом).

Предлагается: не нарушая существующую схему электропитания линии сети промышленных и других потребителей электрической энергии, подключать установку для получения водорода 7 параллельно к указанной линии электрической сети 2 (фиг.1).

На фиг.1 представлена схема получения водорода, где: 1 - промышленные, сельскохозяйственные и коммунальные потребители электрической энергии; 2 - линия электропередачи (ЛЭП) 0,4 кВ; 3 - трансформаторная подстанция; 4 - трансформаторная подстанция и электростанция; 5 - выключатель; 6 - кабель подключения ванны; 7 - ванна, содержащая электролит, в котором находятся металлические пластины или стружки, служащие как проводники электрического тока, и подключается к кабелю - 6; 8 - корпус установки для получения водорода, изготовленного из диэлектрического материала; 9 - отводная трубка, через которую водород направляется в твердые аккумуляторы на основе металлогидридов емкостью по газу 70 м³; затем используется в бытовой технике или в топливных элементах.

1. Прототип (аналог)

Краткое описание аналога.

Промышленное получение водорода осуществляется путем электролитического разложения воды. Ввиду малой электропроводности воды, для уменьшения расхода электроэнергии электролизу подвергают не чистую воду, а раствор электролита.

Электролиз водного раствора серной кислоты. В воде молекулы серной кислоты диссоциируют на ионы водорода и ионы кислотного остатка

.

При пропускании тока через раствор серной кислоты положительные ионы водорода превращаются на платиновом катоде в нейтральные атомы Н и объединяются попарно в молекулы H₂. Схема прибора для электролиза водного раствора серной кислоты изображена на фиг.2 [3].

На фиг.2. представлена схема прибора для электролиза водного раствора серной кислоты, где: 1 - катодный электрод из платины; 2 - водород; 3 - кран; 4 - кислород; 5 - водный раствор серной кислоты; 6 - анодный электрод из платины.

2. Недостатки и достоинства прототипа

Недостатки

Для электролиза воды требуется большое количество электрической энергии. Одновременно водород требует соблюдения строгих мер безопасности. Он может образовывать горючие смеси, хорошо воспламеняется, обладает высокой детонационной способностью и большой скоростью распространения пламени.

Достоинство

Альтернативная водородная энергетика предоставляет возможность децентрализации объектов энергетики и способствует переходу на малую энергетику. При этом указанная энергетика значительно уменьшает загрязнение окружающей среды отходами и продуктами своей деятельности по сравнению с традиционной энергетикой.

3. Предлагаемый способ отличается от прототипа:

1. Для получения водорода не используется активная составляющая электрической энергии. Согласно рисунку 1 в схеме электропитания потребителей ванна 7 содержит электролит, в котором находятся металлические пластины или стружки, и служащие как проводники электрического тока; ванна 7 подключена параллельно сети, служит проводником, который увеличивает поперечное сечение ЛЭП 0,4 кВ, тем самым, уменьшая активное сопротивление указанного участка сети. Здесь для получения водорода вблизи поверхности растворимого металла в электролите используется электромагнитное поле, образуемое вокруг проводника тока.

2. Проводником тока является металлическое тело, а в прототипе - электролит.

3. Используется либо переменное, либо постоянное напряжение, а в прототипе - только постоянное.

4. Электроды могут изготавливаться из любого материала, который реагирует с электролитом; а также из платины, не реагирующей с электролитом, а в прототипе электроды делаются из металла, не реагирующего с электролитом, например из платины.

4. Результаты экспериментов, подтверждающие правомерность положений предлагаемого способа.

При электролитическом способе очистки воды с использованием растворимых электродов объем растворенного металла не всегда соответствует закону Фарадея. Так, объем растворенного металла существенно зависит от плотности тока. Использование электролитических процессов при очистке воды с большими значениями плотности тока неэкономично.

При определении оптимальной плотности тока при электролизе особый интерес вызывает явление зависимости количества растворенного металла от площади поверхности электрода, т.е. от геометрического фактора. Не связано ли это с явлением влияния магнитного поля на скорость протекания химических реакций в растворах? По аналогии можно предположить, что электромагнитное поле, образуемое вокруг проводника тока, оказывает влияние на скорость растворения металла [4, 5].

Для проверки этой гипотезы был проведен опыт в соответствии со схемой, приведенной на фиг.3.

На фиг.3. представлена схема проведения опыта по растворению проводника тока в электролите, где: Р - источник питания; O₁, O₂ - алюминиевые образцы; R - переменное сопротивление; К - кюветы.

Электрический ток от источника питания Р в течение 1 ч проходил через алюминиевые образцы O₁ и O₂. Образцы были погружены в кюветы К с 2%-ным раствором NaOH. При этом длительность выдержки времени была выбрана в соответствии с представлениями, развитыми в работах [5-7]. Площадь поверхности обоих образцов поддерживалась равной 6 см². Величину тока в исследуемых образцах регулировали с помощью переменного сопротивления R. Величину напряжения поддерживали постоянной. При этом образец O₁ моделировал процесс растворения фазной цепи, а образец O₂ - в нулевой. Следует отметить, что при проведении опыта по такой методике исключалось влияние электрического поля, электрохимических процессов в межэлектродном пространстве при электролизе, а также влияние геометрического фактора на результаты эксперимента.

Исследовалась зависимость убыли массы образцов из алюминия Δm от силы тока при растворении их в электролите. Убыль массы образцов Δm определялась взвешиванием. Величина убыли массы образцов O₁ и O₂ при растворении их в электролите без воздействия электротока имела постоянное значение, равное 33 мг. Отметим, что процесс химического растворения алюминиевых образцов в растворе NaOH происходил в обычных условиях при комнатной температуре.

На фиг.4 представлены результаты опытов, проведенных при напряжениях 4 В и 30 В постоянного тока, а также при 4 В, 30 В и 220 В переменного тока. На фиг.4 видим, что кривая убыли массы образцов Δm сначала монотонно возрастает, достигая максимума при силе тока около 90 мА, а при дальнейшем увеличении силы тока уменьшается до минимума. Наименьшее значение убыли массы образцов Δm наступало при величине тока около 130 мА. Примечательно, что точки экстремума кривой убыли массы образцов Δm от силы тока при напряжениях 30 В постоянного тока и 30 В переменного тока совпадают с результатами опытов, проведенных при напряжении 220 В переменного тока. В нашем опыте значение максимума растворения алюминиевого образца наблюдалось при плотности тока, приблизительно равной 15 мА/см², которая совпадала с результатами опытов многих исследователей. В опытах, проведенных при напряжении 4 В постоянного тока и 4 В переменного тока, пики экстремума кривой убыли массы образцов Δm от силы тока смещены влево по абсциссе. При возрастании силы тока более 130 мА процесс растворения образцов снова ускорялся. Используемое на практике ускорение растворения электрода за счет повышения величины напряжения хорошо согласуется с результатами эксперимента (см. фиг.4).

На фиг.4. показана зависимость убыли массы образцов от силы тока, где: - постоянный ток, U=30 В; - переменный ток, U=30 В; - постоянный ток, U=4 В; ⊕ - переменный ток, U=4 В; Δ - переменный ток, U=220 В.

Таким образом, в точке максимума кривой убыли массы образцов Δm в зависимости от силы тока скорость растворения электродов увеличивается в два раза.

Появление точек максимума и минимума на графике зависимости убыли массы образцов Δm от силы тока можно объяснить в рамках классического подхода следующим образом: при наличии около поверхности проводника достаточного количества анионов ОН^- происходят вытеснение кислорода из окисной пленки и разрушение ее без дополнительных затрат электрической энергии, что наблюдается в начале кривой изменения Δm от силы тока (см. фиг.4). В таких процессах электрическая энергия расходуется непосредственно на электрохимическое растворение металла электрода. После достижения точки максимума растворения электрода и при дальнейшем увеличении силы тока анионов около поверхности проводника тока, необходимых для химической реакции, начинает недоставать. По этой причине на электрохимическое растворение окисных пленок затрачивается дополнительная электрическая энергия, что приводит к монотонному уменьшению кривой изменения Δm от силы тока до точки минимума растворения электрода (см. фиг.4). Заметим, что с точки зрения электротехники электрическая энергия в эксперименте затрачивается на преодоление сопротивления R, а не на прохождение по проводам питания, коими являются образцы O₁ и O₂ (см. фиг.3). В рамках классического подхода трудно объяснить факт увеличения, затем уменьшения количества анионов около поверхности проводника в зависимости от силы тока, наблюдаемых при фиксированных условиях эксперимента.

Если объяснять эти факты ориентационным воздействием электромагнитного поля на молекулы жидкости у поверхности проводника, то остается неясным наличие фиксированных точек максимума и минимума растворения электрода в зависимости от силы тока. Очевидно, объяснение этих фактов возможно с точки зрения квантохимического подхода, которое выходит за рамки прикладных задач данной работы.

1. В опыте переменное сопротивление R на фиг.3 моделирует промышленные, сельскохозяйственные и коммунальные потребителей электрической энергии - 1, представленной на фиг.1; растворением в электролите алюминиевого образца O₁ под действием электротока моделируется процесс получения водорода в ванне 7, которая подключена параллельно к линии электропередачи 2.

2. При параллельном соединении ванны 7 напряжение U на ней одинаково с линией электропередачи 2, а сила тока I в неразветвленной цепи ЛЭП (в точке подключения выхода ванны 7) равна сумме токов параллельно включенных линий электропередачи 2 и ванны 7. Таким образом, в точке подключения выхода ванны 7 величину мощности Р приблизительно можно принять

Р=I U=const,

(т.е. не расходуется активная составляющая электрической энергии).

3. На графике из фиг.4, а также из формулы (1) видим, что предлагаемый способ по сравнению со случаем растворения электрода без применения электротока увеличивает получение водорода в два раза.

4. При увеличении напряжения U ванна 7 увеличивает получение водорода.

5. На графике из фиг.4 видим, что для увеличения объема получаемого водорода необходимо определить оптимальную величину плотности тока, при котором происходит максимальное увеличение процесса растворения металла в электролите.

Т.о. предлагается способ получения водорода, при котором металлические стружки погружают в емкость с раствором электролита, отличающийся тем, что с целью увеличения выделенного водорода, через стружки пропускают электрический ток и ускоряют растворение металла силой тока.

Список использованной литературы

1. Григорович Д.Н., Нестрахов А.С., Фофанов Г.А., Щербаков А.Н. Исследование по созданию энергоустановки на топливных элементах для перспективного локомотива. // Вестник ВНИИЖТ. - 2006. - №2. - С.28-30.

2. Лисов О.М., Степанов В.Е. Энергетика, экология и альтернативные источники энергии. // Экология промышленного производства. - 2006. - №1. - С.53-54.

3. Карякин Н.И., Быстров К.Н., Киреев П.С. Краткий справочник по физике. - М.: Высш. шк., 1964. - С.200.

4. Ванчиков В.Ц., Ванчиков А.В. Коррозия проводника тока. // Деп. в ВИНИТИ. 15.02.91, №1125. - 3 с.

5. Ванчиков В.Ц. Очистка воды растворимыми электродами. // Экология промышленного производства. - 2006. - №4. - С.36-38.

6. Ванчиков В.Ц. Гидродинамические свойства и методы управления вязким подслоем технических систем. Канд. дис. - Улан-Удэ: Восточ.-Сибир. гос. технол. ун-т, 2001. - 130 с.

7. Ванчиков В.Ц. Управление слоем трения в технологических процессах. - Иркутск: ИрГУПС, 2006. - 167 с.