УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
WATER ELECTROLYSIS APPARATUS AND OPERATION METHOD THEREOF

Изобретение относится к энергетике и может использоваться в автономных энергоустановках (ЭУ), в том числе ЭУ, работающих с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ).
С 19-го века известны способ и устройство для электролиза воды, включающее питательную емкость и электролизер с каналами для подвода воды к электродам и для раздельного отвода электролизных газов водорода и кислорода (von Hofmann, A.W. Introduction to Modern Chemistry: Experimental and Theoretic; Embodying Twelve Lectures Delivered in the Royal College of Chemistry, London. Walton and Maberly, London, 1866., ru.wikipedia.org>wiki/Аппарат_Гофмана). Такой «аппарат Гофмана» не пригоден для электролиза с большой производительностью (когда выделяется много тепла), а использование общей питающей емкости со временем приводит к появлению взаимных примесей в электролизных газах.
Более близкими к предлагаемому решению является способ электролиза воды и устройство для его осуществления (RU 2034933 C1, МПК: C25B 1/02 (2006.01), 10.05.1995 г.), в котором применяется твердополимерный электролизер, а устройство работает методом «газ-лифт» (прототип). В обоих случаях используется анодная схема подачи реакционной воды (РВ) в электролизер, когда вода подается в кислородную полость электролизных ячеек (ЭЯ), а в водородную их полость РВ попадает через протонопроводящую мембрану ЭЯ. Устройство для электролиза воды содержит твердополимерный электролизер с пневматически изолированными полостями водорода и кислорода, подключенный к блоку питания, который электрически связан с системой контроля параметров, а также систему водоснабжения с запасом реакционной воды, включающую газоотделитель кислорода, соединенный с кислородной полостью электролизера своими входной и выходной гидромагистралями и снабженный выходной пневмомагистралью с запорным элементом, газоотделитель водорода с входной и выходной гидромагистралью, соединенный своей входной гидромагистралью с водородной полостью электролизера и снабженный выходной пневмомагистралью с запорным элементом. Способ эксплуатации устройства для электролиза воды включает запуск электролизера и последующую подачу реакционной воды через его водородную и кислородную полости методом «газ-лифт», частичное разложение воды электрическим током на водород и кислород, отделение полученных газов от оставшейся воды и выдачу их потребителю, контроль параметров процесса.
К недостаткам прототипа-устройства можно отнести:
- при большой мощности электролизера наступает перегрев электролизера, так как тепло из ЭЯ не отводится;
- при высоких давлениях, когда растворимость газов в воде растет, в питающей емкости образуется гремучая смесь.
Недостатками прототипа-способа являются:
- необходимость предварительного нагрева РВ и связанное с этим недостаточное быстродействие устройства, что затрудняет его использование с ВИЭ и затрудняет запуск при низких температурах;
- повышенные энергозатраты, также связанные с предпусковым нагревом РВ.
Задачей данного технического решения является:
- повышение быстродействия и сокращение энергозатрат;
- реализация возможности «холодного» запуска установки без вспомогательных источников энергии;
- возможность длительной работы в стационарном режиме;
- исключение возможности образования гремучей смеси в процессе работы установки при высоких давлениях.
Техническим результатом изобретения является повышение энергоэффективности, быстродействия и безопасности работы устройства для электролиза воды, снижение его зависимости от вспомогательных источников энергии и условий окружающей среды.
Технический результат достигается тем, что в устройство для электролиза воды, содержащее твердополимерный электролизер с пневматически изолированными полостями водорода и кислорода, подключенный к блоку питания, который электрически связан с системой контроля параметров, а также систему водоснабжения с запасом реакционной воды, включающую газоотделители водорода и кислорода, соединенные с соответствующими полостями электролизера своими входными и выходными гидромагистралями и снабженные пневмомагистралями с запорными элементами, введена система охлаждения газоотделителя водорода, выходная гидромагистраль которого снабжена регулятором расхода воды, подключенным к системе контроля параметров, а входная гидромагистраль - датчиком температуры, также подключенным к этой системе, при этом на выходной гидромагистрали газоотделителя кислорода установлен запорный элемент.
Технический результат достигается за счет того, что в способе эксплуатации устройства для электролиза воды, включающем запуск электролизера и последующую подачу реакционной воды через его водородную и кислородную полости методом «газ-лифт», частичное разложение воды на водород и кислород, отделение полученных газов от оставшейся воды и выдачу их потребителю, контроль параметров процесса, после запуска электролизера регистрируют величину тока электролиза и в случае ее меньшего значения по сравнению с заданной величиной тока подачу реакционной воды прерывают, а после установления заданной величины тока возобновляют подачу воды через водородную полость электролизера с расходом, обеспечивающим постоянство температуры воды на выходе из этой полости, при этом в случае падения тока возобновляют подачу реакционной воды в кислородную полость электролизера.
Суть предлагаемого способа состоит в том, что для ускорения выхода электролизера на заданный режим (а также для «холодного» запуска электролизной установки) используется тепло, генерируемое самим электролизером. Тепловая мощность последнего составляет обычно 20÷30% от потребляемой энергии, при этом она увеличивается с увеличением срока службы электролизера (то есть старый электролизер греется больше и выходить на режим будет быстрее). Это тепло и используется для разогрева ЭЯ.
При запуске электролизных установок обычно производится предварительный нагрев РВ до 40÷50°C, поскольку циркуляция через твердополимерную ЭЯ холодной воды препятствует процессу ее разложения там. Это связано с тем, что скорость реакций определяющим образом зависит от температуры реагентов.
В предлагаемом способе течения воды через ЭЯ нет, и появляется возможность для саморазогрева ячеек. Тепло, выделяющееся на поверхности их мембран при химических реакциях, не выносится наружу, а остается в пристеночном пограничном слое у поверхности мембраны. Это стимулирует ускорение самих этих реакций, что в свою очередь повышает мощность тепловыделения и температуру воды в ячейке. Таким образом, в отсутствии течения воды в ЭЯ происходит ее саморазогрев даже при относительно низких температурах окружающей среды. В частности, при испытаниях в РКК «Энергия» в 2010 г. твердополимерная установка без специальных средств теплоизоляции выходила на номинальный режим работы при температуре окружающей среды до 5÷10°C.
Длительность работы электролизера в режиме саморазогрева ограничивается двумя факторами:
- возможностью перегрева ЭЯ (рабочая температура мембраны обычно не превышает 100°C);
- ограниченным запасом воды, находящейся в ЭЯ (ее запас не пополняется, так как течения нет).
При этом следует подчеркнуть, что при анодной схеме водоснабжения (принятой и здесь, и в прототипе) вода из кислородной полости ЭЯ вместе с протонами переносится в водородную полость, где происходит выделение основной части тепла. В связи с этим в предлагаемой установке используется два циркуляционных контура в системе водоснабжения электролизера (фиг.1):
- водородный контур, служащий для выноса тепла из ЭЯ и работающий постоянно, с расходом, обеспечивающим стационарность теплового режима электролизера;
- кислородный контур, используемый для пополнения запасов воды в ЭЯ. Для предотвращения захолаживания ячеек холодной водой «проливки» кислородной полости необходимо проводить кратковременно, при падении тока электролиза (ток падает при заполнении ячеек газом, когда вода заканчивается).
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства для электролиза воды, где обозначено: 1 - твердополимерный электролизер; 2 - водородная полость электролизера; 3 - кислородная полость электролизера; 4 - блок питания; 5 - система контроля параметров; 6 - газоотделитель кислорода; 7 - входная гидромагистраль газоотделителя кислорода; 8 - выходная гидромагистраль газоотделителя кислорода; 9 - пневмомагистраль газоотделителя кислорода; 10, 11, 19 - запорный элемент; 12 - газоотделитель водорода; 13 - входная гидромагистраль газоотделителя водорода; 14 - выходная гидромагистраль газоотделителя водорода; 15 - пневмомагистраль газоотделителя водорода; 16 - теплообменник газоотделителя водорода; 17 - регулятор расхода воды (РРВ); 18 - датчик температуры.
На фиг.2 представлено изменение основных параметров процесса электролиза (ток, давление, температура) при способе эксплуатации устройства, где обозначено:
20 - зависимость тока электролиза от времени;
21 - зависимость давления в газоотделителях (6), (12) от времени;
22 - зависимость температуры на выходе электролизера от времени.
В предлагаемой схеме электролизной установки водородная (2) и кислородная (3) полости твердополимерного электролизера (1), соединены с газоотделителем водорода (11) и газоотделителем кислорода (6) их входными гидромагистралями (13) и (7) соответственно. Газоотделители (6) и (12) снабжены соответствующими пневмомагистралями (9) и (15) с запорными элементами (10), (11). На гидромагистралях водородного газоотделителя (12) установлены:
- на входной магистрали (13) - датчик температуры (18);
- на выходной (14) - регулятор расхода воды (17).
Датчик температуры (18), и регулятор расхода воды (17) подключены к системе контроля параметров (5), которая электрически связана с блоком питания (4) электролизера (1).
Выходная гидромагистраль (8) газоотделителя кислорода (6) снабжена запорным элементом (19).
Газоотделитель водорода (12) снабжен системой охлаждения - например, теплообменником (16). В качестве системы охлаждения могут использоваться различные средства: рубашка охлаждения, обдув воздухом и др.
Работает данное устройство в соответствии с предлагаемым способом следующим образом. После запуска электролизера (1) (то есть заполнения его водой из газоотделителей (6) и (12) и включения блока питания (4)) система контроля параметров (5) регистрирует величину тока электролиза.
Если величина тока недостаточна из-за низкой температуры реакционной воды и электролизера, подачу воды в полости (2) и (3) электролизера прекращают, с помощью РРВ (17) и запорного элемента (19) на выходных магистралях (14) и (8) газоотделителей водорода (12) и кислорода (6). В отсутствие циркуляции воды начинается саморазогрев электролизера (1) вместе с находящейся в нем водой. Обусловленное повышением температуры увеличение тока электролиза регистрируется системой контроля (5). Образующиеся при этом водород и кислород из полостей электролизера (2) и (3) соответственно по входным гидромагистралям (13) и (7) поступают в газоотделители (12) и (6) вместе с небольшим количеством воды. В ходе электролиза тепло выделяется в основном в водородной полости (2) электролизера (1).
Температура водородо-водяной смеси на выходе водородной полости (2) регистрируется датчиком температуры (18) и системой контроля параметров (5), которая фиксирует также величину рабочего тока. Когда ток достигнет заданной величины, открывают РРВ (17) и устанавливают такой расход воды в гидромагистрали (14), который бы остановил дальнейший рост температуры воды на выходе из водородной полости (2) электролизера, в гидромагистрали (13).
Таким образом, тепло, выработанное электролизером (1) при работе в режиме саморазогрева, расходуется на нагрев реакционной воды (и самого электролизера) до необходимой температуры, соответствующей заданному значению тока. Избыточное тепло выносится в водородный газоотделитель (12) и удаляется через систему охлаждения (16), в результате чего реализуется стационарный тепловой режим устройства. В целом водородный контур устройства работает как его система терморегулирования, а кислородный контур является системой водоснабжения.
Нарушен такой режим работы, может быть в случае, когда заканчивается запас воды в кислородной полости (3) электролизера (1). В процессе работы эта вода частично разлагается током, а частично переносится через мембрану ЭЯ в водородную полость (2). При этом кислородная полость (3) заполняется газом и ток падает. В этом случае открывается запорный элемент (19), и запас воды в кислородной полости (3) пополняется из газоотделителя кислорода (6).
Выход водорода и кислорода из газоотделителей (6), (12) потребителю осуществляется по соответствующим пневмомагистралям (9) и (15), которые снабжены запорными элементами (10), (11).
Получены экспериментальные данные (фиг.2) при испытаниях твердополимерной электролизной установки с производительностью по водороду до 100 нл/ч (РКК «Энергия», 2010 г.). Напряжение питания электролизера, имеющего 12 электролизных ячеек, постоянно (22 B), номинальный ток электролиза - 15 A. Импульсные провалы на графике тока (зависимость тока электролиза от времени - кривая 20 на фиг.2) соответствуют временному заполнению кислородной полости электролизера газом (кислородная полость одной из ячеек обезвоживается и ток падает).