СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ ПОД ДАВЛЕНИЕМ В ЭЛЕКТРОЛИЗНОЙ СИСТЕМЕ
METHOD FOR WATER ELECTROLYSIS UNDER PRESSURE IN ELECTROLYSIS SYSTEM

Изобретение относится к области автономных электрохимических систем, работа которых связана с накоплением и выдачей электроэнергии и может использоваться при разработке твердополимерных электролизных систем (ЭЛС), входящих в состав накопителей электроэнергии, работающих с замкнутым по воде рабочим циклом.
Известны твердополимерные электрохимические системы, входящие в состав накопителей электроэнергии, работающих с замкнутым по воде рабочим циклом (например, «Установка с электролизером воды высокого давления для лунной базы». Изд. РАН, Ж. «Энергетика» №3, 2007 г., стр.35-45; US 20100055512 (A1), 04.03.2010).
Известна электрохимическая система, взятая за аналог (RU 2371813, 29.01.2008), в которой осуществляется раздельное генерирование водорода и кислорода, а также их сбор в соответствующих баллонах. Данная система работает в непрерывном режиме, осуществляя одновременно и разложение воды на газы, и сбор последних в баллонах - ресиверах.
Недостатком такого способа эксплуатации ЭЛС является трудность их использования при высоких давлениях. При давлениях ≈60÷80 атм и выше между кислородной и водородной частями систем неизбежно возникает перепад давлений, связанный с эффектом «неидеальности», то есть отклонения свойств газов от законов идеального газа. При небольших рабочих давлениях ЭЛС такие перепады невелики, и мембрана электролизной ячейки их выдерживает. При более высоких давлениях приходится использовать ячейки усиленной конструкции, с более толстой мембраной и более низкими электрическими характеристиками (WO 01/37359 (А2), 25.05.2001). Массогабаритные параметры электролизера с такими ячейками также ухудшаются, а опасность прорыва мембраны естественно возрастает с увеличением перепада давления на ней.
При невысоких давлениях, когда перепад давлений между водородом и кислородом также невелик, для разгрузки мембран электролизных ячеек используют компенсаторы с изменяемым объемом. Это могут быть пружинные (RU 2102535, 20.01.1998, US 7097748 (В2), 29.08.2006) или гидравлические устройства, работающие на принципе сообщающихся сосудов (RU 2349683, 20.03.2009). Такие способы компенсации перепада давлений на мембрану электролизных ячеек трудно использовать при давлениях 100 атм и выше, когда величина перепада давлений между водородом и кислородом может достигать нескольких десятков атмосфер. В этом случае объем газовых полостей таких компенсаторов (сообщающихся с ресиверами ЭЛС) должен быть соизмерим с объемом самих ресиверов (баллонов), поэтому подобные устройства получаются довольно громоздкими. Кроме того, сложность их конструкции снижает их надежность и, соответственно, безопасность ЭЛС.
Данные обстоятельства явились одной из причин разработки «Устройства для электролиза воды под давлением», в котором гидрокомпенсаторами перепада давлений между кислородом и водородом являются сами баллоны установки (RU 2508419, 27.02.2014). Эффект «неидеальности» здесь парируется с помощью «управляемого» принципа сообщающихся сосудов, которыми служат ресиверы ЭЛС. При этом данный принцип реализуется не непосредственной гидравлической связью, а с помощью системы управления и дополнительной системой водоснабжения, подключенной к ресиверам (прототип).
3
3
Главным недостатком прототипа является принципиальное решение хранить газы при высоком давлении вместе с водой, поскольку 100% влажность газов затрудняют их дальнейшее использование. В изделиях ракетно-космической техники, например, используются только газы с точкой росы около -50°C. Предельно влажные водород и кислород применяют лишь в газорезке, где их давление невелико (1÷3 атм). В остальных случаях, при высоких давлениях неизбежно будет происходить конденсация воды в магистралях и агрегатах установки. При дросселировании таких газов (в клапанах и т.д.) арматура может замерзать. Слив воды, насыщенной газами (особенно кислородом) при высоких давлениях также проблематичен, поскольку при падении давления вода будет «вскипать», а выделяющиеся газы могут вывести из строя, например, насосы. В связи с этим ГОСТы на электролизные водород (ГОСТ 3022-60) и кислород (ГОСТ 5583-78) ограничивают допустимую влажность этих газов значениями 1 г/м и 0,07 г/м, что на два порядка меньше значения, реализуемого в прототипе.
Помимо этого регулировка уровней воды в ресиверах с помощью системы управления достаточно сложна, а поэтому не очень надежна и инерционна по времени.
Благодаря этому повышение рабочего давления ЭЛС неизбежно приводит к увеличению перепада давления водорода и кислорода в системе, что может разрушить мембраны электролизных ячеек. Например, мембрана твердополимерной ячейки обычно выдерживает перепад давлений в несколько атмосфер, мембрана щелочной ячейки - несколько десятых атмосферы.
2
2
2
2
На начальной стадии работы ЭЛС, при небольших давлениях, равенство давлений H и O обеспечивается выбором соответствующих объемов газовых баллонов (H:O=2:1). Это позволяет эксплуатировать ЭЛС в непрерывном режиме, осуществляя одновременно и генерирование газов, и их «закачку» в баллоны. При давлениях 60÷80 атм и выше для этого режима работы необходимо применять специальные меры, к которым относятся:
1) использование ячеек повышенной прочности (WO 01/37359 (А2), 25.05.2001);
2) применение пневмокомпенсаторов с изменяемым объемом (RU 2102535, 20.01.1998; US 7097748 (В2), 29.08.2006; RU 2349683, 20.03.2009).
3) дренаж «избыточного» электролизного газа. Первые два варианта требуют усложнения конструкции электролизера и ЭЛС. Кроме этого ухудшаются массогабаритные характеристики системы и возрастает опасность взрыва баллонов ЭЛС. Третий вариант снижает энергоэффективность системы.
Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего твердополимерной ЭЛС стандартной конфигурации работать не только при низких (до 60÷80 атм), но и при высоких давлениях, когда эффект неидеальности газов значителен.
Техническим результатом изобретения является генерирование водорода и кислорода с одинаковым давлением, без силовых нагрузок на мембраны ячеек; заполнение баллонов ЭЛС газами с различными давлениями без потери газов благодаря двухстадийному алгоритму работы электролизного накопителя газов, т.е. разделению по времени процессов генерирования газов и заполнения ими баллонов.
Технический результат достигается тем, что способ эксплуатации электролизной системы включает подачу постоянного напряжения питания и воду, раздельное генерирование водорода и кислорода в процессе частичного разложения воды током, отделение этих газов от воды в газоотделителях при обеспечении в процессе генерирования равенства давлений этих газов, а также заправку полученными газами баллонов системы, при этом процессы генерирования газов и заправки ими баллонов производят поочередно, пневматически изолируя газоотделители системы от ее баллонов при генерировании газов, и от электролизера - во время заправки баллонов, причем перед заправкой баллонов газоотделители изолируют друг от друга, а после окончания заправки их снова соединяют.
Суть предложения заключается в том, что эффект «неидеальности» различен для различных газов, а наиболее «идеальным» является водород. Давление же кислорода существенно меньше расчетного.
Разделение же по времени процессов генерирования газов и заполнения ими баллонов позволяет:
- генерировать водород и кислород с одинаковым давлением, без силовых нагрузок на мембраны ячеек;
- заполнять баллоны ЭЛС газами с различными давлениями, без потерь газов.
2
2
Такая методика позволяет эксплуатировать ЭЛС со стандартной архитектурой (электролизер - газоотделители - баллоны) при любых допустимых для системы давлениях. Промежуточным компенсатором перепада давлений H и O при этом служат газоотделители, в которых используется гидравлический принцип компенсации перепада давлений (принцип сообщающихся сосудов).
Способ реализуется следующим образом.
В ЭЛС подают постоянное напряжение питания от источника питания и воду. Затем начинается генерирование водорода и кислорода по обычной для твердополимерных установок методике (частичное разложение воды током и отделение полученных газов от оставшейся воды). При этом газы накапливаются в соответствующих газоотделителях (ГО), гидравлически соединенных между собой, а не в баллонах системы - последние в это время изолированы от газоотделителей.
После наработки определенной порции газов, когда давление в ГО больше давления в баллонах-ресиверах, электролиз прекращают, а ГО изолируют друг от друга (перекрывают соединяющую их гидромагистраль). Магистрали, соединяющие ГО с электролизером, также перекрываются, и открываются магистрали, соединяющие ГО с баллонами. Происходит зарядка баллонов - ресиверов от ГО. После выравнивания давлений в ГО и ресиверах (давление водорода и давление кислорода при этом различны) ресиверы изолируются от ГО; а гидромагистрали, соединяющие ГО, открывают, в результате чего давления в ГО водорода и кислорода выравниваются. Затем ГО снова подключаются к электролизеру, подключается его питание, и снова начинается генерирование газов. Таким образом, ГО играют роль передаточного звена между электролизером, в котором давления водорода и кислорода одинаковы, и баллонами, в которых давления водорода и кислорода различны. При этом появляется возможность осушить газы перед их сбором в баллонах.
Таким образом, предложенный двухстадийный алгоритм работы электролизного накопителя газов позволяет использовать простейшую конструкцию установки при относительно высоких давлениях, допустимых по условиям ее прочности.