Протонобменная мембрана: электролиз воды полимерным электролитом + конструкция своими руками

Протонобменная мембрана: электролиз воды через полимерный электролит + 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 протонобменной мемраны
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 Нм3/ч. Активная поверхность ячеек достигает 600 см2. 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/см2), сохраняя при этом эффективность выше 83%.
  3. Наращивание сборки ячеек.

Следовательно, чем выше мощность электролиза, тем ниже стоимость установленного киловатта (или Нм3/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 классической ячейки ПОМ
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.

Вариант электролизёра промышленного типа с протонобменной мембраной
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.

Пластина торцевая поликарбонат
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.

Электроды устройства с протонобменной мембраной
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.

Прокладка ПВХ - протонобменная мембрана своими руками
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.

Протонобменная мембрана - сборка конструкции
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:

Электролизёр ПОМ своими руками
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


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *