ГРАНТ РФФИ 15-08-602А. Создание щелочных электролизеров воды нового поколения

Электролизеры малой и средней производительности, работающие при высоких выходных давлениях (без дожимающих компрессоров), востребованы космической и оборонной промышленностью, малой энергетикой, в лабораторной технике и метеорологии. В отечественной и зарубежной литературе встречаются описания исследований отдельных элементов подобных устройств либо промышленных электролизеров высокой производительности, работающих при малых и средних выходных давлениях. Реализация проекта позволила провести комплексные исследования элементной базы и создать модельную батарею щелочного электролизера новой конструкции, не имеющую мировых аналогов. Осуществлен выбор метода синтеза диафрагменного материала как основы электродно-диафрагменного блока (ЭДБ); исследовано влияние метода изготовления, давления и температуры на электрохимическую активность, структуру, состав и морфологию ЭДБ. Изучено влияние плотности тока (до 2 А/см²), температуры (до 150°С) и повышенных давлений на электропроводность диафрагменного материала и кинетику электродных процессов на электродах с каталитическим покрытием. Разработана математическая модель тепломассопереноса в ЭДБ. Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование перекрестных явлений, учитывающих электрокапиллярные и термоэлектрические эффекты. Произведен расчет ионных и молекулярных потоков, а также расчет температурных полей вдоль ЭДБ. Разработана модельная ячейка щелочного электролиза, позволяющая проводить исследования при повышенных давлениях, температурах и плотностях тока. Рассмотрены общие закономерности изменения параметров щелочного электролиза в условиях высоких давлений и температур. Исследовано влияние природы и свойств электрокатализаторов и диафрагменных материалов на вольт-амперные характеристики электролитической ячейки, работающей при высоких плотностях тока, давлениях и температурах. Исследовано влияние давления, температуры и плотности тока на вольт-амперные характеристики электролитической ячейки. Исследовано влияние геометрии конструкционных и рабочих элементов электролитической ячейки на тепломассообменные процессы и вольт-амперные характеристики. Изучено влияние перепадов давлений в анодной и катодной камерах электролитической ячейки на потенциал электродов. Установлены корреляционные зависимости между природой, поверхностью, удельной электропроводностью диафрагмы, вольт-амперными характеристиками электролитической ячейки и чистотой генерируемых газов. Разработана математическая модель тепломассообменных потоков электролизной ячейки. На основании полученных данных проведена оптимизация эксплуатационных параметров электролизной ячейки. Исследовано влияние геометрии и способа организации внутренней циркуляции электролита на распределение двухфазных потоков и вольт-амперные характеристики электролизной батареи. Установлено, что перекрестная подача электролита и отвода газожидкостной смеси позволяет добиться более равномерного распределения потоков. Проведены исследования теплопотерь электролизной батареи новой конструкции в окружающую среду. Установлено, что тип подачи электролита незначительно влияет на величину потерь теплоты, которые определяются температурой окружающей среды и процесса электролиза воды. Проведены теоретические и экспериментальные исследования распределения тока по батарее из пяти ячеек при температуре 100°С и давлении 1 атм. Показано, что потери на токи утечек достигают 3 - 4%. На основании гидродинамических расчетов, моделирования потоков и экспериментальных данных разработана модельная электролизная батарея, не имеющей аналогов в мире. Новая конструкция позволяет отказаться от уплотнительных материалов, что позволило решить известную для всех щелочных электролизеров проблему утечек электролита. Проведены исследования вольт-амперных характеристик батареи при температуре 95°С, давлениях 1, 15, 30, 50 и 80 атм и плотностях тока до 1000 мА/см². Показано, что снижения напряжения батареи (энергопотребления) можно достигнуть при рабочем давлении до 30 атм. Дальнейшее повышение выходного давления в диапазоне до 80 атм позволяет сократить энергозатраты на производство водорода за счет отказа от дожимающих компрессоров.