УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ В АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ
DEVICE FOR WATER ELECTROLYSIS IN THE ARCTIC ZONE

Область техники
Изобретение относится к устройствам для электролиза воды и может быть использовано для получения водорода в условиях арктической зоны эксплуатации при резко отрицательных температурах окружающей среды.
Уровень техники
Известны устройства с твердополимерными электролизерами для электролиза воды например, патент РФ №2034933. Однако, их использование в арктических условиях представляется затруднительным из-за замерзании воды при прерывании работы электролизера с невозможностью последующего пуска.
Известно использование спиртового раствора для запуска твердополимерных электролизеров Фатеев В.Н., Лютикова Е.К. и др. О возможности запуска электролизеров с твердым полимерным электролитом при отрицательных температурах, ж. Альтернативная энергетика и технология, 2015, 28-39., однако технического решения для обеспечения такого запуска не приведено.
Известно устройство для электролиза воды патент РФ №2493292, оп. 20.09.2013 бюл. №26, принятое за прототип, содержащее твердополимерный электролизер с пневматически изолированными полостями для водорода и кислорода, подключенный к блоку питания и управления, а также к системе водоснабжения с запасом деионизированной воды, включающей газоотделители водорода и кислорода, соединенные с соответствующими полостями электролизера своими входными и выходными гидромагистралями и снабженные пневмомагистралями с запорными элементами. Как следует из описания заявки, для «холодного» запуска электролизной установки используется тепло, генерируемое самим электролизером. Однако при арктических температурах запуск устройства на воде невозможен, так как она находится в твердом состоянии. Следовательно, недостатком прототипа является невозможность запуска устройства в условиях резко отрицательных (арктических) температур.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является возможность применения электролизной установки в районах Крайнего Севера.
Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик устройства для электролиза воды, заключающееся в ее эффективном использовании при резко отрицательных температурах окружающей среды, характерных для арктических регионов, что позволяет применять ее в качестве источника водорода (и кислорода) для районов Крайнего Севера.
Технический результат достигается тем, что устройство для электролиза воды дополнительно содержит термокаталитический рекомбинатор, соединенный с газоотделителем водорода через запорный элемент, емкость с запасом спирта, соединенную через запорный элемент с емкостью с водным раствором спирта, в свою очередь, соединенную через насос-дозатор с контурами циркуляции водородной и кислородной полостей, емкость с запасом деионизированной воды состоит из не менее трех секций, соединенных через насос-дозатор с контурами циркуляции водородной и кислородной полостей, датчики уровня жидкости в газоотделителях водорода и кислорода, соединенные с блоком питания и управления, теплообменные секции, установленные в электролизере, емкости с деионизированной водой и термокаталитическом рекомбинаторе, соединены в общий контур циркуляции теплоносителя с циркуляционным насосом, а устройство в целом снабжено теплоизоляционной оболочкой.
Краткое описание графических материалов
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом фигурой, где показано следующее:
1 - твердополимерный электролизер,
2 - водородная полость электролизера,
3 - кислородная полость электролизера,
4 - газоотделитель водорода,
5 - газоотделитель кислорода,
6 - блок электропитания и управления,
7 - каталитический рекомбинатор водорода,
8 - емкость с запасом спирта,
9 - емкость с водным раствором спирта,
10 - емкость с запасом деионизованной воды,
11 - насос-дозатор подачи воды,
12 - насос-дозатор подачи раствора спирта,
13 - насос контура циркуляции теплоносителя,
14 - газовые запорные элементы подачи водорода и кислорода потребителям,
15 - жидкостные запорные элементы подачи реагентов,
16 - контур циркуляции кислородной полости,
17 - контур циркуляции водородной полости,
18 - гидромагистраль подачи воды,
19 - гидромагистраль подачи и отвода раствора спирта,
20 - контур циркуляции теплоносителя,
21 - группа датчиков параметров электролиза,
22 - датчики уровня жидкости в газоотделителях,
23 - газовый запорный элемент подачи водорода в каталитический рекомбинатор,
24 - теплообменная секция.
Осуществление изобретения
Устройство для электролиза воды в арктической зоне по фиг. содержит твердополимерный электролизер 1 с пневмоизолированными полостями для водорода 2 и кислорода 3 с группой датчиков параметров электролиза 21, подключенный к блоку питания и управления 6, и к системе водоснабжения с запасом деионизированной воды 10, включающей газоотделители водорода 4 и кислорода 5, соединенные с соответствующими полостями электролизера своими входными и выходными гидромагистралями и снабженные пневмомагистралями с запорными элементами 14, а также термокаталитический рекомбинатор 7, соединенный с газоотделителем водорода 4 через запорный элемент 23, емкость с запасом спирта 8, соединенную с емкостью с водным раствором спирта 9 через запорный элемент 15, в свою очередь, соединенную гидромагистралью 19 через насос-дозатор 12 с контурами циркуляции 16 и 17 водородной и кислородной полостей, емкость с запасом деионизированной воды 10 состоит из нескольких секций (минимум 3), соединенных гидромагистралью 18 через насос-дозатор 11 с контурами циркуляции 16 и 17 водородной и кислородной полостей, датчики уровня жидкости 22 в газоотделителях водорода 4 и кислорода 5, соединенные с блоком питания и управления 6, теплообменные секции 24, установленные в электролизере 1, емкости с деионизированной водой 10 и термокаталитическом рекомбинаторе 7, соединены в общий контур циркуляции теплоносителя 20 с циркуляционным насосом 13, а устройство в целом снабжено теплоизоляционной оболочкой.
Заявленное устройство для электролиза воды работает следующим образом. Перед остановом устройства газовые запорные элементы 14 перекрываются, выделяющийся водород и кислород выдавливают воду из электролизера 1 с полостями 2 и 3, газоотделителей 4 и 5 и контуров циркуляции 16 и 17 через остановленный насос-дозатор 11 и гидромагистраль 18 в емкость с деионизированной водой 10. При уменьшении уровня воды в газоотделителях 4 и 5, определяемого датчиками уровня 22, блок питания и управления 6 отключает электропитание электролизера 1 и электролиз прекращается. После этого с помощью насоса-дозатора 12 через гидромагистраль 19 электролизер 1 с полостями 2 и 3 и газоотделителями 4 и 5 заполняется водным раствором спирта из емкости 9, на некоторое время включается электропитание электролизера 1 для промывки электролизера от воды, после чего установка может быть остановлена. При этом внутренние полости электролизера 1 с электродами и мембранами, заполненные раствором спирта, могут быть безопасно охлаждены до низких (арктических) температур.
При запуске из холодного состояния к электролизеру подводится напряжение и начинается электролиз водного раствора спирта. Газовые запорные элементы 14 для кислорода открыт, а для водорода закрыт, но открыт запорный элемент 23 подачи водорода в каталитический рекомбинатор водорода 7. Выделяющееся в электролизе 1 и в каталитическом рекомбинаторе водорода 7 тепло начинает нагревать теплоноситель в теплообменных секциях 24 контура циркуляции 20, который с помощью насоса 13 переносит часть тепла в емкость для деионизированной воды 10. Для ускорения разогрева установки оттаивание и прогрев воды начинается с одной секции, а в дальнейшем по мере разогрева устройства оттаивают и прогреваются и остальные секции емкости 10. После достижения существенной положительной температуры около 20°С, определяемой датчиком 21, перекрываются запорные элементы 23 для водорода и 14 для кислорода, остатки спиртового раствора через остановленный насос-дозатор 12 выдавливаются в емкость 9, запорный элемент 15 закрывается, включается насос-дозатор подачи воды 11, открываются запорные краны 14 подачи водорода и кислорода потребителям и устройство начинает работать в штатном режиме, прогреваясь внутри теплоизоляционной оболочки до заданной рабочей температуры. С помощью добавки спирта из емкости 8 в емкость 9 восстанавливается необходимая концентрация водного раствора спирта для дальнейшей работы.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении заявленный результат достигается тем, что устройство для электролиза воды дополнительно содержит термокаталитический рекомбинатор, соединенный с газоотделителем водорода через запорный элемент, емкость с запасом спирта, соединенную через запорный элемент с емкостью с водным раствором спирта, в свою очередь, соединенную через насос-дозатор с контурами циркуляции водородной и кислородной полостей, емкость с запасом деионизированной воды состоит из не менее трех секций, соединенных через насос-дозатор с контурами циркуляции водородной и кислородной полостей, датчики уровня жидкости в газоотделителях водорода и кислорода, соединенные с блоком питания и управления, теплообменные секции, установленные в электролизере, емкости с деионизированной водой и термокаталитическом рекомбинаторе, соединены в общий контур циркуляции теплоносителя с циркуляционным насосом, а устройство в целом снабжено теплоизоляционной оболочкой, что обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик устройства, заключающееся в его эффективном использовании при резко отрицательных температурах окружающей среды, характерных для арктических регионов.
Как показывают проведенные расчеты, время разогрева устройства с помощью предлагаемого технического решения от -50°С до +20°С составляет от 15 до 20 минут.