ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ВОДЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
HIGH-PRESSURE WATER CELL AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к «водородной» энергетике и может быть использовано на станциях заправки водородом перспективного автотранспорта на топливных элементах.
Многие газодинамические установки включают в себя два однотипных агрегата, последовательно выполняющих одну и ту же функцию в различных диапазонах рабочего параметра. К таким установкам относятся, например, компрессоры, имеющие несколько ступеней для сжатия газа или вакуумные установки, включающие форвакуумный насос и насос глубокого вакуума. Любую из этих традиционных конструкций можно рассматривать как аналог предлагаемому решению (особенно в части принципа работы).
Известен двухступенчатый газовый компрессор, близкий к предлагаемому электролизеру воды (ЭВ) высокого давления (ВД). Его недостатки (по сравнению с электролизером) очевидны и определяются сложностью конструкции компрессоров и наличием в них подвижных деталей (высокая стоимость, малый ресурс, сложность обслуживания и т.д.).
Кроме того, для работы компрессора требуется запас рабочего тела - водорода, в то время как ЭВ получает водород из обычной воды, что более безопасно.
В качестве прототипа выбран электролизер (патент №2258099 от 10.08.05; МПК7: С25В 1/12), основным элементом которого является батарея электролизных ячеек (БЭЯ), снабженная системой охлаждения и размещенная в прочном герметичном корпусе, имеющем внутреннюю перегородку и трубопроводы с клапанами для подвода реакционной (предназначенной для разложения) воды и отвода электролизных газов водорода и кислорода.
Работает электролизер-прототип следующим образом. После включения системы водоснабжения и подачи электропитания на батарею электролизных ячеек (БЭЯ) начинается разложение воды током. Наработка электролизных газов в батарею производится раздельно, без образования гремучей смеси. В процессе работы производится охлаждение батареи за счет внутренней циркуляции раствора электролита, которая осуществляется благодаря специальному секционированию полости электролизера.
Недостатком прототипа является его непригодность для работы в системах заправки транспорта водородом, где требуется минимальное время для выдачи заданного и достаточно большого количества водорода. Для реализации большой производительности электролизера требуется соответственно большая БЭЯ с системой охлаждения и, соответственно, крупногабаритный прочный корпус, способный вместить как саму батарею, так и ее обслуживающие системы. Масса, объем и стоимость такой емкости, рассчитанной на высокое давление, будут весьма велики.
Кроме того, необходимая в этом случае крупногабаритная емкость высокого давления взрывоопасна и требует специального регламента обслуживания. Все это затрудняет эксплуатацию электролизера.
При эксплуатации такого электролизера на высоких давлениях (это происходит на конечных стадиях заправки) требуется снижение производительности, поскольку при больших скоростях заправки возможен перегрев заправляемой емкости и самого электролизера. Особенно существенно это именно при заправке водородом, имеющим максимальную среди газов теплопроводность. Конструкция же прототипа не допускает регулировки производительности.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка электролизера воды высокого давления (ЭВВД), имеющего минимальную взрывоопасность и минимальное время выработки заданного количества водорода высокого (до ~400 атм.) давления.
Техническим результатом изобретения является оптимизация режима генерирования водорода для условий работы водородной заправочной станции (высокий уровень давлений, минимальное время работы), а также повышение безопасности электролизера.
Технический результат достигается за счет того, что в электролизере воды высокого давления, состоящем из герметичного корпуса, батареи электролизных ячеек и перегородки, размещенных внутри корпуса, трубопроводов с клапанами, подсоединенных к батарее электролизных ячеек для ее водоснабжения и для раздельного отвода из нее водорода и кислорода, батарея электролизных ячеек состоит, по крайней мере, из двух различных по количеству ячеек блоков, каждый из которых имеет свои трубопроводы с клапанами для водоснабжения и для раздельного отвода газов из блоков, причем кислород отводится за внешние границы корпуса, а водород - внутрь корпуса, при этом корпус разделен герметичной перегородкой, по крайней мере, на две, соединенные трубопроводом с клапаном разнопрочные секции, в одной из которых размещен блок с меньшим количеством ячеек, а в другой, менее прочной, - блок с большим количеством ячеек, снабженный системой охлаждения, при этом более прочная секция снабжена трубопроводом с клапаном для вывода водорода.
Технический результат достигается также и тем, что в способе эксплуатации электролизера воды высокого давления, включающем подачу воды и электропитания в батарею электролизных ячеек, разложение воды током, выдачу электролизных газов, а также отключение электропитания электролизных ячеек после достижения максимально допустимого давления, батарею электролизных ячеек и корпус разделяют, по крайней мере, на два различных по количеству ячеек блока и на две секции соответственно, при этом разложение воды ведут сначала во всех электролизных ячейках и при наличии пневматической связи по водороду между секциями, после достижения давления, максимально допустимого для секции, в которой расположен блок с большим количеством ячеек, работа этого блока прекращается, и секция герметизируется, а после достижения давления, максимально допустимого для электролизера, отключают и секцию, в которой расположен блок с меньшим количеством ячеек.
Суть изобретения состоит в следующем (как для устройства, так и для способа его эксплуатации).
Работа электролизера с большой производительностью в широком диапазоне давлений проблематична, поскольку быстрая «накачка» баллонов (баллонов потребителя, либо собственных баллонов установки) приводит к их перегреву, особенно в области высоких давлений и особенно для водорода. Поэтому с высокой производительностью и, соответственно, с системой охлаждения электролизер работает только в начале процесса. Для этого используется в основном большой блок с большой производительностью, размещенный вместе со своим вспомогательным оборудованием в более крупной секции корпуса. Малый блок ячеек при этом также работает, а секции корпуса пневматически связаны по водороду.
В последующем, при высоких давлениях, приходится снижать скорость генерирования водорода, а для этого можно использовать только малый блок ячеек, работающий без охлаждения и находящийся во второй секции корпуса, имеющей небольшой объем.
Конструкция данного электролизера позволяет обеспечить:
- минимальное время его работы (минимальное время генерирования заданного количества водорода), то есть минимальное время заправки потребителя;
- максимальную взрывобезопасность работы, поскольку под высоким давлением находится лишь небольшая по объему часть электролизера (взрывобезопасность сосуда оценивается по произведению его объема и максимального рабочего давления. Такая оценка используется, в частности, Горгостехнадзором).
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг.1 представлена принципиальная конструкция электролизера; на фиг.2 - графики изменения во времени давления в электролизере и расхода генерируемых газов.
Принятые обозначения:
1 - герметичный корпус;
2 - блок с большим количеством электролизных ячеек (ЭЯ);
3 - блок с меньшим количеством ЭЯ;
4, 5 - секции корпуса;
6 - герметичная перегородка;
7 - система охлаждения блока с большим количеством ЭЯ;
8 - трубопровод для подвода воды к блоку с большим количеством ЭЯ;
9 - трубопровод для подвода воды к блоку с меньшим количеством ЭЯ;
12 - трубопровод для отвода кислорода из блока с большим количеством ЭЯ;
13 - трубопровод для отвода кислорода из блока с меньшим количеством ЭЯ;
16 - трубопровод для отвода из блока с большим количеством ЭЯ водорода;
17 - трубопровод для отвода из блока с меньшим количеством ЭЯ водорода;
18 - соединительный трубопровод водорода;
20 - трубопровод для вывода водорода из герметичного корпуса;
10, 11, 14, 15, 19, 21 - клапаны;
22 - изменение давления в секции корпуса с бóльшим количеством ячеек;
23 - изменение давления в секции корпуса с меньшим количеством ячеек.
Герметичный корпус (1) электролизера разделен перегородкой (6) на секции (4) и (5) с различным объемом и рабочим давлением. В большей (и менее прочной) секции (4) размещен блок (2) с бóльшим количеством ячеек и системой охлаждения (7). Блок (2) имеет трубопровод для подвода воды (8) с клапаном (10), а также трубопроводы для выдачи кислорода (12) с клапаном (14) и выдачи водорода (16). Выход водорода из БЭЯ (2) производится внутри секции (4).
В меньшей (и более прочной) секции (5) корпуса (1) размещен меньший БЭЯ (3), также снабженный трубопроводом для подвода воды (9) с клапаном (11), трубопроводами для выдачи кислорода (13) с клапаном (15) и выдачи водорода (17) внутрь секции (5).
Секции (4), (5) корпуса (1) пневматически соединены трубопроводом (18) с клапаном (19). Выдача водорода из электролизера осуществляется по трубопроводу (20) с клапаном (21).
Работает «двухступенчатый» электролизер следующим образом. Сначала работают оба БЭЯ (2), (3) в секциях (4), (5). Кислород выдается при этом по трубопроводам (12), (13) при открытых клапанах (14) и (15) соответственно. Водород выдается из полости меньшей секции (5) по трубопроводу (20) при открытом клапане (21). Из обоих БЭЯ (2), (3) водород при этом выходит внутрь соответствующих секций, давление в которых сохраняется одинаковым, так как на соединительном трубопроводе (18) клапан (19) открыт. На фиг.2 это соответствует совместному расположению линий (22) и (23). В это время работает также система охлаждения (7). После достижения максимального для секции (4) давления блок ячеек (2) отключается и герметизируется, клапаны (14, 19) этой секции закрываются, и дальше продолжает работать только секция электролизера (5). На фиг.2 это соответствует точке расхождения линий (22, 23).
После достижения максимального рабочего давления электролизера отключается также блок ячеек (3), закрываются клапаны (15), (21) секции (5), электролизер работу прекращает, закрываются клапаны (10), (11) на трубопроводах подачи воды (8), (9).
Таким образом, предлагаемый «двухступенчатый» электролизер воды высокого давления позволяет максимально безопасно и быстро производить заправку водородом баллонов высокого давления.