способ получения водорода

Формула изобретения

Способ получения водорода методом электролиза, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водопроводную воду, в качестве анода - пластину из меди, а в качестве катода - сплав Д16 - дюральалюминий, при напряжении в электролизной ячейке 30-110 В, плотности тока 4 мА/см² сплав активируется 20 мин, затем ток отключается на 5-10 мин, после чего активацию при каждом последующем цикле проводят в течение 1-10 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения водорода при взаимодействии металла с водой методом электролиза и к активации пассивных алюминиевых сплавов.

Прототипом настоящего изобретения может быть патент РФ № 2032611, где активация металла осуществляется, как утверждают авторы, путем снятия окисной пленки алюминия в растворе галогенида щелочного или щелочно-земельного металла при пропускании постоянного электрического тока в режиме 1,5-0,3 В. Режим по току не приводится - значит он соответствует стандартной величине 2000 А/м² (см. Ж.Биллитер. Промышленный электролиз водных растворов, стр.42, М. 1959 г.).

В цитируемом изобретении при электролизе применяется раствор поваренной соли, т.е. NaCl непонятной концентрации «17» (то ли в грамм-молях, то ли в кг/л, то ли в г/л). Известно (см. там же - стр.355-357), что при электролизе раствора поваренной соли на аноде образуются различные соединения хлора и сам хлор, что совершенно не желательно при производстве водорода. И если использовать выработанный на борту этим способом водород, например, на экологически чистом транспортном средстве, например на автомобиле, то куда девать при этом соединения хлора?

В предлагаемом нами способе с целью экономии энергозатрат и улучшения экологии используется обычная водопроводная вода, а в качестве катода, на котором выделяется при ее электролизе водород, самый распространенный сплав дюральалюминия Д16, имеющий состав: Cu 3,8-4,9%; Mg 1,2-1,8%; Mn 0,3-0,9%; Fe 0,5%; Si 0,5%; Ni 0,1%; остальное Al - по ГОСТ 4784-74).

Сущность способа заключается в следующем. Для процесса выделения водорода в основном использовались образцы в виде «сигары» d 17,7 и длиной 135 мм с эффективной реакционной поверхностью S=76 см кв. и в виде цилиндра d 16 мм и длиной 25 мм и S=16,5 см кв.

Газопроизводительность подсчитывалась по формуле:

q=V/(S·t) л/(м²·мин),

где V - объем выделившегося водорода, мл или л,

t - время выделения водорода, мин,

S - реакционная поверхность образца, см².

Опыты проводились в емкости из прозрачного оргстекла с внутренними размерами 137×137×90 мм (см. фиг.1) в обычной водопроводной воде. Исследуемый образец служил катодом и располагался в случае «сигары» вертикально, когда происходил замер газопроизводительности, или горизонтально, когда исследовалась равномерность выделения водорода по длине образца. Электролиз осуществлялся непосредственно от источника постоянного тока U=30 В или от сети переменного тока в 220 В через диод Д 245, в результате чего на расстоянии между электродами 40 мм получали U эф. = 110 В и ток I=200-300 мА в зависимости от размеров исследуемого образца. В дальнейшем для распространения данного способа было подтверждено выделение водорода и при 12 В. В качестве анода использовалась медная пластина.

Газопроизводительность измерялась методом вытеснения воды из мерного цилиндра объемом 200 мл и с ценой деления шкалы 0,5 мл. Схема установки представлена на фиг.1.

В опытах также подсчитывалась плотность тока: i=I/S, мА/см² .

Замер температуры воды осуществлялся термометром с точностью 1°С. В опытах использовались, кроме основного сплава Д 16, образцы из АД-1М (чистый Al), сплав AП (Zn 4-6%, Ti, Zr, T1 до 0,1% в сумме, Fe 0,1%, Cu 0,01% и Si 0,1%, остальное Al), алюминиевый сплав № 90, где кроме Al-In и Ga по 3% (ВАМИ) с увеличенной газопропроизводительностью по сравнению со сплавом АП, сплав Al-Mg (АМГ6, где 5,8-6,9% Mg; 0,5-0,8% Mn, остальное Al), Fe и др.

Результаты экспериментов занесены в таблицу 1 и показаны на фиг.2. Из представленных экспериментальных результатов наиболее интересны опыты, когда выделение водорода можно осуществлять в обычной воде, используя инертный сплав Д16, активируя его электрическим током в электролизной ячейке, например, в течение 20 мин с плотностью тока всего 4 мА/см² при напряжении 30-110 В, затем ток отключается на 5-10 мин, в течение которых выделяется водород. Далее активация идет в каждом последующем цикле в течение более короткого промежутка времени 1-10 мин, и процесс выделения водорода идет с постепенным ослаблением. Т.е., создавая различные режимы активации электрическим током, можно получать различные графики подачи водорода в сеть потребителя.

Как показали опыты, другие исследуемые материалы при исследуемых параметрах электролиза активации почти не поддавались, т.е при снятии напряжения выделение водорода тут же прекращалось или было незначительным (см. табл.1).

В работе Григорьева В.П., Гонтмахера Н.М., Кравченко В.М., Гершановой И.М. Влияние температуры на дифференц-эффект для Al марки АД-1М. Защита металлов. № 3, том X1, 1975 г. авторы изучали дифференц-эффект на Al, специально подготовленном в различных растворах, марки АД-1М, где получена газопроизводительность по водороду 0,005 мл/см ² мин при плотности тока 4 мА/см². При такой же плотности тока в наших опытах на сплаве Д16 было получено 0,066 мл/(см² мин), т.е. в 13 раз выше.

Чем этот сплав отличается от исследованных в этих опытах различных металлов и сплавов, где после отключения тока процесс выделения водорода прекращался. Тем, что он содержит два основных элемента Al и Cu, образующих при определенных условиях неустойчивые гидриды и хорошую гальванопару, и то, и другое создает самоподдерживающийся процесс генерации водорода.

Пояснения к таблице 1

При составлении формулы изобретения первое испытание было пробным при использовании маломощного источника постоянного тока и поэтому при составлении формулы изобретения не рассматривалось. Учитывались испытания № 21-22 уже активированного Al. Главное в электролизе - плотность тока. Поэтому, используя бытовое напряжение сети 220 В, через простейший выпрямитель добивались плотности тока 4 мА/см ². Как показывают проведенные эксперименты, чем выше плотность тока, тем значительнее эффект. 20-минутное активирование - это суммарное время испытаний № 2 - № 6.

Для каждого образца время, указанное в столбце № 2, - это последовательные промежутки времени, следующие друг за другом (но только для одного образца).

На фиг.2 для сплава Д16 приведены данные испытаний № № 17-20, и для сравнения показано падение избыточной газопроизводительности на сильноактивированном образце № 90 по времени при тех же условиях. Сам образец без активации электрическим током показал q=0,42 л/(м²·мин) (исп. № 32).

Исп.23 и 24 проведены на свежем (неактивированном) образце из Д16 с целью определить, как меняется эдс в начале испытания (ток еще не подавали) и в конце испытания после активации электрическим током в течение 10 мин, т.е после снятия напряжения. Проведено сравнение с испытанием № 32. Нейтральный образец из Д16 имел после активации электрическим током такое же значение эдс как и сильно активированный образец № 90, у которого в воде постоянно нарушена окисная пленка.

Как указывалось выше в прототипе, плотность тока составляет 200 мА/см² при напряжении 1,5-2 вольта, т.е. 0,4 Вт в нашем изобретении мощность та же самая, но она подается не все время, а циклически, за счет чего достигается экономия энергозатрат при производстве водорода. Кроме того, получаемую при этом эдс = 1,24 В можно использовать в батареях таких электролизеров как дополнительный источник энергии. Кроме того, растворяющийся при этом катод из Д16 образует нерастворимый в воде осадок - Al₂O₃ (этот окисел при восстановлении относится к возобновляемым источникам энергии), которого по весу почти в 2 раза больше исходного Al, а стоимость его в 3-4 раза выше исходного Al.

С точки зрения экологии разложение воды, не содержащей галогенидов щелочных металлов, и образование безвредной окиси Al не нарушает экологию окружающей среды.