ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники в частности к генераторам водорода высокого давления (ГВВД) на основе электролизного модуля высокого давления (ЭМВД) с твердым полимерным электролитом.
Известен ГВВД, содержащий ЭМВД со щелочным электролитом и мембраной на основе асбеста (ЕР №0995818 A1, C25B 9/00, 2000 г.).
Недостатком указанного ГВВД является низкая надежность из-за использования уплотнительных прокладок и применение в качестве разделительной мембраны экологически опасного асбеста.
Из известных ГВВД наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является ГВВД, содержащий электролизный модуль высокого давления (ЭМВД) с твердым полимернымм электролитом, размещенный в разгрузочном корпусе с противодавлением производимого в ГВВД газа, систему терморегулирования, систему баростабилизации, систему подпитки, источник электропитания и систему контроля и управления, содержащий ЭМВД с твердым полимерным электролитом (И.Н.Глухих и др. Установки с электролизерами воды высокого давления, «Альтернативная энергетика и экология» №11(55), 2007, с.73-79).
Недостатком известного ГВВД является недостаточная надежность, связанная с использованием противодавления производимого газа, а также повышенные габариты, из-за подачи воды при высоком давлении.
Техническим результатом заявленной полезной модели является уменьшение габаритов и повышение надежности ГВВД.
Указанный технический результат достигается тем, что ГВВД содержит электролизный модуль высокого давления (ЭМВД) с твердым полимерным электролитом, размещенный в разгрузочном корпусе с противодавлением производимого в ГВВД газа, систему терморегулирования, систему баростабилизации, систему подпитки, источник электропитания и систему контроля и управления, при этом он дополнительно содержит катодный и анодный циркуляционные контуры, каждый из которых включает циркуляционный насос, газожидкостной сепаратор и ионообменный фильтр, и систему перекачки католитной воды, соединенную с анодным контуром посредством управляемого вентиля.
Анодный и катодный контуры предназначены для сепарации и отвода производимых в ГВВД водорода и кислорода, а также очистки отделенной в сепараторах воды в ионообменных фильтрах и возврате ее в зону реакции в ЭМВД.
Целесообразно, чтобы разгрузочный корпус был заполнен диэлектрической несжимаемой жидкостью, например, полиметилсилоксановой жидкостью ПМС-10, отделенной от производимого в ГВВД газа эластичной мембраной.
Заполнение корпуса диэлектрической жидкостью повышает надежность, за счет снижения вероятности образования внутри корпуса гремучей смеси и исключения взрыва.
Целесообразно, чтобы система терморегулирования включала нагреватели, теплообменники-рекуператоры, газо-жидкостные и паро-газовые теплообменники.
Система термостатирования обеспечивает оптимальный режим работы ЭМВД повышает КПД ГВВД, снижает температуру производимых газов, обеспечивает разогрев ЭМВД до нужной температуры за счет наличия нагревателей.
Целесообразно, чтобы система подпитки включала емкость-хранилище питающей воды, ионообменный фильтр, шлюзовую камеру и систему клапанов и трубопроводов, соединяющих шлюзовую камеру и анодный контур.
Система подпитки обеспечивает автоматическую подачу питающей воды, находящейся под атмосферным давлением, в анодный контур, находящийся при высоком давлении. Это обеспечивается за счет наличия шлюзовой камеры, системы автоматических управляемых вентилей и соединительных трубопроводов.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
На фигуре приведена функциональная схема ГВВД.
ГВВД включает:
1 - бак питательный деионизованной воды,
2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 - вентили
9 - гидроаккумулятор
10, 11, 12, 13 - датчики давления
14 - датчик давления дифференциальный
15- нагреватели водяные
16 - насосы циркуляционные
17 - клапаны обратные
18 - клапаны предохранительные
19 - клапан редукционный
20, 21 - регуляторы перепада давления
22 - сепаратор кислородный
23 - сепаратор водородный
24 - теплообменники-рекуператоры
25 - теплообменники газо-водяные
26 - теплообменники паро-газовые
27 - преобразователи уровня
28, 29, 30 - фильтры водяные ионообменные
31 - камера шлюзовая
32 - электролизный модуль высокого давления (ЭМВД)
ГВВД функционирует следующим образом. В исходном состоянии установка находится при атмосферном давлении. Установка обесточена. В сепараторы 22 и 23 залита вода, причем, в сепараторе 22 вода залита до срабатывания уровнемера «max», а в сепараторе 23 - до уровня «min».
Включают циркуляционные насосы 16 и нагреватели 15, разогревают воду в контурах ГВВД до температуры запуска электролизного модуля (40÷60)°С. При достижении температуры запуска подают рабочий ток на электроды электролизного модуля. По показаниям датчиков давления следят за началом протекания процесса электролиза. Давление в контурах должно расти. С помощью теплообменников 25, 26 устанавливают необходимую температуру производимых газов. Далее установка работает в автоматическом режиме. По мере производства газов происходит рост давления в контурах ГВВД. При этом автоматически поддерживается необходимый перепад давления между контурами. Давление в катодном контуре поддерживается выше, чем в анодном, на 0,3…0,5МПа в целях обеспечения в дальнейшем возможности передавливания католитной воды из сепаратора 23 в сепаратор 22. В сепараторах происходит гравистатическое отделение газов от воды. Отсепарированная вода поступает вновь в соответствующий циркуляционный контур, а газы - на выдачу потребителю или сброс. При этом на электродах электролизного модуля происходит очистка продуцируемых газов от диффузионной примесной составляющей посредством каталитического «дожигания».
В связи с тем, что регулятор перепада давления анодного контура 20 находится в нормально открытом состоянии, а 21 - в нормально закрытом, в катодном контуре начинается рост давления водорода. При достижении заданного перепада давления, рабочее давление катодного контура закрывает регулятор 20, обеспечивая тем самым рост давления в анодном контуре. В случае, если превышение давления в катодном контуре выйдет за установленные пределы, по сигналу от датчика перепада давления 14 откроется вентиль 7, обеспечив сброс избытка давления в атмосферу.
Одновременно с ростом давления в контурах установки растет давление и разгрузочном корпусе электролизного модуля. При этом водород из катодного контура через эластичную мембрану гидроаккумулятора 9 воздействует на технологическую жидкость, которая залита в разгрузочный корпус.
В случае возникновения превышения давления в анодном контуре над давлением в катодном контуре, управляющее давление анодного контура закроет регулятор 21, обеспечив тем самым рост давления в катодном контуре до заданного уровня.
При достижении заданного рабочего давления на выходе из установки закрывается редуктор давления «после себя» 19, а по сигналу с датчика давления 13 производится автоматическое прекращение электролиза.
В случае возникновения аварийной ситуации, связанной с превышением давления в контурах установки выше допустимого уровня, по сигналу с датчиков давления 10 и 11 автоматически открываются предохранительные клапаны, соответственно, 18.
По мере проведения электролиза происходит убывание воды в сепараторе 22. При этом подпитка сепаратора 22 производится автоматически по следующей технологической схеме:
- по мере снижения уровня воды в сепараторе, по сигналу от уровнемера «max» происходит открытие вентилей 2 и 4. Давление в шлюзовой камере 31 сравнивается с атмосферным и вода из емкости-хранилища питающей воды 1, подвергаясь дополнительной очистке в ионообменном фильтре 30, поступает самотеком в шлюзовую камеру 31;
- при срабатывании уровнемера «max» вентили 2 и 4 закрываются;
- при срабатывании уровнемера «min» в сепараторе 22 производится автоматическое открытие вентилей 3 и 5, давление в шлюзовой камере 31 выравнивается с давлением в сепараторе 22 и вода из шлюзовой камеры 31 самотеком переливается в анодный контур;
- при срабатывании уровнемера «min» в шлюзовой камере 31 происходит закрытие вентилей 3 и 5.
При проведении процесса электролиза, катодный сепаратор постоянно подпитывается католитной водой заполняя сепаратор. При срабатывании уровнемера «max» сепаратора 23 происходит автоматическое открытие вентиля 8 и католитная вода до срабатывания уровнемера «min» сепаратора 23, под действием разницы давления в контурах, перетекает в анодный контур.
Приведенные выше описание схемы и принципа работы ГВВД подтверждают промышленную применимость заявленной полезной модели.