СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТВЕРДОПОЛИМЕРНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
METHOD FOR USING SOLID-POLYMER ELECTROLYTIC CELL

Изобретение относится к электрохимии и может использоваться при эксплуатации твердополимерных (ТП) электролизеров, а также электрохимических генераторов (ЭХГ), изготовленных на основе протонопроводящих мембран типа Нафион (отечественный вариант - МФ-4СК).
th
Прототипом данному предложению может служить общепринятая методика эксплуатации электрохимических установок с ЭВ, когда ЭВ вместе с реакционной водой разогревают до определенной рабочей температуры, а затем работают при данной температуре и фиксированном давлении на стационарном режиме. Напряжение на ячейках ЭВ и ток электролиза при этом постоянны. Такая методика работы ТП ЭВ поэтапно описывается, например, в «DEVELOPMENT OF A HIGH PRESSURE РЕМ ELECTROLYZER: ENABLING SEASONAL STORAGE OF RENEWABLE ENERGY», R.A. Engel, G.S. Chapman, C.E. Chamberlin and P.A. Lehman, 15 Annual U.S. Hydrogen Conference, Los Angeles, CA, April 26-30, 2004. Электропитание электролизера при этом может начинаться как после достижения рабочей температуры, так и раньше. Для запуска ТП электролизера с мембраной Нафион используются следующие операции:
- включение электропитания электролизера (постоянное напряжение);
- включение циркуляции воды через электролизер, ее нагрев до рабочей температуры (36-50°C) и соответствующего значения тока электролиза;
- контроль текущих значений тока электролиза и температуры;
- фиксация рабочего давления электролизера;
- фиксация рабочей температуры твердополимерного электролизера, обеспечивающей его заданную производительность, и соответствующее значение тока электролиза;
- разложение воды при данной температуре и токе электролиза (производительности) на водород и кислород (стационарный режим работы).
Недостатком прототипа является то, что на стационарном режиме электролизер работает с КПД, который ниже максимально возможного при данном давлении и производительности. Это связано с тем, что проводимость мембраны Нафион зависит от конкретных условий, в которых она работает, включая плотность тока, температуру и давление. Кроме того, на проводимость мембраны влияет срок ее службы, а также параметры образца пленки, из которой изготовлена мембрана. В связи с этим для оптимизации режима работы ТП электролизера надо учитывать его индивидуальные характеристики и конкретные условия работы его мембраны.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка методики получения максимальной эффективности работы электролизера на заданном режиме (при фиксированных производительности и давлении) с учетом конкретных характеристик его мембраны.
Техническим результатом предложения является достижение заданных показателей процесса электролиза (давления и производительности) при минимальных энергозатратах, т.е. при максимальном КПД электролизера.
Технический результат достигается за счет того, что в способе эксплуатации твердополимерного электролизера, включающем подачу в него постоянного напряжения питания и воды, нагрев твердополимерного электролизера и воды до температуры, обеспечивающей заданную производительность и соответствующее значение тока электролиза, контроль текущих значений температуры, давления, тока электролиза, производительности в процессе нагрева твердополимерного электролизера, фиксирование рабочего давления и рабочей температуры, последующую работу электролизера в стационарном режиме при фиксированной рабочей температуре с заданной производительностью и давлением, ток электролиза фиксируют после достижения заданной производительности в процессе нагрева, а рабочую температуру - после достижения рабочего давления, при полученном фиксированном токе электролиза и минимальном напряжении питания.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1 и фиг.2).
1
1
2
2
1
1
2
1
0
0
∗
∗
∗
На фиг.1 схематично изображена температурная характеристика (ТХ) мембраны Нафион, то есть зависимость ее проводимости (П) от температуры (Т). Температурная характеристика мембраны Нафион для P~1 атм изображена сплошной линией для двух разных напряжений питания U<U. Для давления Р>P и напряжений питания U<U температурные характеристики показаны пунктиром. При давлениях, близких к атмосферному (Р~1 атм), максимальная проводимость достигается при Т=Т=80÷85°C («Протонообменные мембраны для водородно-воздушных топливных элементов». Ю.А. Добровольский и др. Российский химический журнал, 2006 г., т.L, №6, стр.97). Если напряжение питания электролизера постоянно (U=const), в этой же точке Т достигается его максимальная производительность и КПД. Если же электролизер работает с более низкой производительностью (Пр), при более низкой температуре (Т<Т), то его КПД будет меньше возможного для данного режима работы. В этом случае предлагается корректировать режим таким образом, чтобы, не меняя производительности и рабочего давления, получить максимальный КПД, снижая начальный уровень питающего напряжения.
2
1
∗∗
∗
При более высоких давлениях (Р>P) температурная характеристика смещается в сторону более высоких температур (Т>Т) - последнее связано с тем, что при более высоких давлениях Нафион будет лучше сохранять воду и его проводимость будет выше.
Следует отметить, что смещение ТХ может быть связано не только с повышенным давлением, но также со старением материала мембраны. Кроме того, такой эффект наблюдается для мембраны Нафион, модифицированной различными гидрофильными добавками («Новые протонопроводящие мембраны для топливных элементов и газовых сенсоров» Ю.А. Добровольский и др. Международный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ (ISJAEE), №12(20), 2004 г., стр.36).
Фиг.2 иллюстрирует изменение тока электролиза (I) и напряжения (U) от температуры при реализации данного способа.
0
0
0
0
2
0
0
0
0
1
2
1
2
∗∗
∗
∗∗
∗
В начале процесса нагревания при (Т<Т) электролизер работает с постоянным напряжением U, при этом ток электролиза растет вместе с температурой согласно ТХ до значения I, соответствующего заданной производительности Пр. На графике (фиг.2) это соответствует перемещению рабочей точки из точки А в точку В. После установления рабочего давления Р при Т=Т и Пр=Пр ток фиксируется (I=I) в точке В, однако проводимость мембраны П вместе с температурой продолжает расти, поэтому согласно закону Ома напряжение начинает падать (U<U). На спадающих же участках любой ТХ проводимость начинает падать, поэтому, начиная с некоторой температуры Т, напряжение на мембране снова начнет увеличиваться. Для получения максимального КПД при заданных давлении и токе электролиза (т.е. производительности) рабочую температуру очевидно необходимо фиксировать именно в точке С при минимальном напряжении питания U. Данная точка будет соответствовать максимуму некоторой ТХ мембраны Нафион, соответствующей давлению Р и напряжению питания U (на фиг.2 соответствующая ТХ обозначена пунктиром). При этом рабочая температура в точке С будет выше оптимальной рабочей температуры Т, соответствующей более высокому напряжению U (Т>Т).
Способ осуществляют следующим образом.
0
0
0
В твердополимерный электролизер подают постоянное напряжение питания от источника питания и воду. Затем производят нагрев твердополимерного электролизера и воды до температуры Т, обеспечивающей заданную производительность Пр электролизера и соответствующее значение тока электролиза I. Нагрев производится с помощью системы терморегулирования электролизера, а также с использованием тепла, выделяющегося при электролизе.
2
Затем фиксируют рабочее давление электролизера Р, например с помощью обратного клапана, установленного на входной магистрали электролизера.
0
0
1
2
0
0
1
∗∗
∗∗
∗∗
После того как в процессе нагрева производительность электролизера достигнет заданного значения Пр, фиксируют ток электролиза I (т.е. производительность электролизера). Для этого можно использовать стандартный стабилизатор тока. При этом из-за того что температура и проводимость мембраны продолжают расти, напряжение питания начнет падать согласно закона Ома, однако, начиная с некоторой температуры Т, оно вновь станет увеличиваться. С помощью системы терморегулирования фиксируют эту новую рабочую температуру электролизера Т, соответствующую минимальному напряжению питания U. Для заданных рабочих параметров (давление Р и производительность Пр) это соответствует максимальному КПД работы электролизера. В последующем электролизер работает в таком стационарном режиме при полученных таким образом электрических параметрах питания (ток I, напряжение U) и температуре Т.