СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ БИФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF OPERATING BIFUNCTIONAL ELECTROCHEMICAL SYSTEM AND DEVICE THEREFOR

Предлагаемое устройство относится к бифункциональным электрохимическим системам (БЭС), которые в различные периоды времени работают как электролизеры воды (производя водород и кислород) и как топливные элементы (генерируя электричество и тепло). Областями применения БЭС являются энергетика, транспорт, авиакосмические объекты, подводный флот и пр.
Известен бифункциональный электрохимический элемент (Цыпкин М.А., Лютикова Е.К., Фатеев В.Н., Русанов В.Д. Каталитические слои для обратимой ячейки электролизер-топливный элемент на основе ТПЭ // Электрохимия, 2000, Т. 36, №5, стр. 613-616), состоящий из анодной и катодной электродных камер, разделенных ионно-обменной электролитической мембраной. Бифункциональный элемент работает попеременно в режиме электролизера воды и в режиме топливного элемента.
Известна БЭС (патент США №5316643, опубл. 31.05.1994), состоящая из электрохимического элемента, имеющего анодную и катодную электродные камеры, разделенные ионно-обменной электролитической мембраной. В состав системы входят также контуры для подвода и отвода реагентов и продуктов электрохимической реакции (текучих сред), газожидкостные сепараторы, вентили, клапаны и пр. элементы. В процессе работы БЭС в режиме электролизера воды в анодной электродной камере генерируется кислород, а в катодной - водород. При работе БЭС в режиме топливного элемента в анодную камеру подается водород, а в катодную - кислород. При смене режимов работы для предотвращения образования взрывопожароопасных смесей водорода с кислородом проводится очистка электродных камер азотом. Недостатками указанного способа являются:
- потери азота (который из электродных камер вместе с оставшимися в них газами выбрасывается в атмосферу);
- потери электролизных газов, оставшихся в электродных камерах, в результате их продувки;
- необходимость периодического пополнения или замены баллона с азотом и связанные с этим эксплуатационные затраты;
- необходимость дополнительного объема, массы и капитальных затрат, связанных с хранением азота в составе системы.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в улучшении массогабаритных характеристик БЭС, снижении ее стоимости, эксплуатационных расходов и повышении экономичности.
Поставленная техническая задача в части способа решается тем, что в известном способе эксплуатации бифункциональной электрохимической системы, содержащей электрохимический элемент, имеющий анодную и катодную электродные камеры, четырехходовые клапаны на входе и выходе из электродных камер, резервуар-сепаратор с водой, соединенный с анодной и катодной камерами и с контейнерами хранения водорода и кислорода, насосы, включающем очистку от газов анодной и катодной электродных камер при смене режимов работы, согласно изобретению систему снабжают дополнительными насосами и дополнительным резервуаром-сепаратором с водой, сообщенным с источником поступления воды и имеющим выходы для подсоединения трубопроводов ко входам анодной и катодной камер бифункциональной электрохимической системы, осуществляют очистку электродных камер путем закачивания в них воды из дополнительного резервуара и вытеснения оставшихся газов из анодной и катодной камер в контейнеры для хранения водорода и кислорода.
В части устройства технический эффект достигается тем, что бифункциональная электрохимическая система, включающая в себя электрохимический элемент, имеющий анодную и катодную электродные камеры с четырехходовыми клапанами на входе и выходе из электродных камер, резервуар-сепаратор с водой, соединенный с анодной камерой, контейнеры для хранения водорода и кислорода, трубопроводы, вентили, обратные клапаны, насосы, газовую сушилку, обратный и запорный клапаны, согласно изобретению снабжена дополнительным резервуаром-сепаратором с водой, который первым входом соединен с анодной электродной камерой через первый четырехходовой клапан, вторым входом через второй четырехходовой клапан и первый дополнительный насос соединен с катодной электродной камерой, третьим входом через второй дополнительный насос подключен к источнику питающей воды, первым выходом через газовую сушилку, обратный клапан и запорный клапан соединен с контейнером хранения кислорода, вторым выходом через третий дополнительный насос и третий четырехходовой клапан соединен с входом анодной электродной камеры, а первый резервуар-сепаратор дополнительным выходом соединен с анодной электродной камерой через первый четырехходовой клапан, дополнительным входом через четвертый дополнительный насос и третий четырехходовой клапан соединен с анодной электродной камерой.
На фиг. 1 представлена схема БЭС.
На фиг. 2 представлена схема бифункционального электрохимического элемента и приведены электродные реакции, протекающие в режиме электролизера воды и топливного элемента. Обозначения на фиг. 2 соответствуют обозначениям на фиг. 1.
БЭС, в состав которой входят электрохимический элемент 1, включающий ионно-обменную электролитическую мембрану 2, катод 3, анод 4, катодную 5 и анодную 6 электродные камеры, подача и отвод текучих сред в которые осуществляется через четырехходовые клапаны 7, 8, 9 и 10. Каждый из клапанов имеет 4 патрубка, обозначенных на схеме цифрами 0′, 1′, 2′, 3′. Клапаны предназначены для распределения потоков рабочих сред. Предлагаемое устройство содержит следующие элементы: третий дополнительный насос 11, предназначенный для подачи воды в анодную камеру, дополнительный резервуар-сепаратор с водой 12, вентиль на первом трубопроводе подачи подпиточной воды 13, второй дополнительный насос 14, установленный на том же трубопроводе, газовую сушилку 15, расположенную на трубопроводе отвода кислорода, на котором последовательно расположены обратный 16 и запорный 17 клапаны, сообщающемся с контейнером для хранения кислорода 18, резервуар-сепаратор с водой 19, сепаратор воды 20, вентиль на трубопроводе отвода избыточной воды 21, вентиль на втором трубопроводе подачи подпиточной воды 22, подающий насос 23, установленный на том же трубопроводе, газовую сушилку 24, расположенную на трубопроводе отвода водорода, на котором последовательно расположены обратный 25 и запорный 26 клапаны, сообщающемся с контейнером для хранения водорода 27, циркуляционный насос 28, запорный клапан 29, первый дополнительный насос 30, четвертый дополнительный насос 31, запорный клапан 32, регулятор давления кислорода 33, конденсатор 34, запорный клапан 35, регулятор давления водорода 36, увлажнитель водорода 37, газовый насос 38 и газовый насос 39.
Удаление кислорода из анодной камеры 6 осуществляется за счет имеющегося циркуляционного контура, состоящего из элементов 6, 10, 12, 7, 6, при этом работа БЭС в режиме электролизера предусматривает постоянную циркуляцию воды через анодную камеру 6. Для удаления водорода из катодной камеры 5 используется циркуляционный контур, включающий в себя элементы 19, 9, 5, 8, 19. Запорный клапан 29 предотвращает циркуляцию воды при работе в режиме электролизера, поскольку циркуляция воды в этом случае не требуется, а вода, переносимая через мембрану, удаляется с помощью сепаратора 20. Дополнительные трубопроводные контуры, а именно контуры, состоящие из элементов 5, 9, 12, 8, 5 и 6, 10, 19, 7, 6, служат для вытеснения кислорода из катодной камеры и водорода - из анодной, соответственно. При этом газы вытесняются в соответствующие емкости-сепараторы, что предотвращает смешивание водных потоков, насыщенных разноименными газами, и их реакцию, а также обеспечивает раздельный сбор газов в соответствующих хранилищах: кислорода в контейнере 18, а водорода в контейнере 27. Все дополнительные циркуляционные контуры снабжены циркуляционными насосами. Работа БЭС в различных переходных и основных режимах подробно описана ниже.
Работает устройство следующим образом.
Если все четырехходовые клапаны находятся в положении, при котором патрубки 0 и 1 соединены (здесь и далее будем обозначать как положение "0"-"1"), обеспечивается работа электрохимического элемента в режиме электролизера воды при подаче постоянного тока таким образом, чтобы положительный полюс приходился на анод 6, а отрицательный - на катод 5. В этом режиме работы БЭС в катодной камере выделяется водород, а в анодной - кислород (см. фиг. 2). Дистиллированная вода является реагентом и подается в электрохимический элемент 1 третьим дополнительным насосом 11, циркулируя через анодную электродную камеру 6. Дополнительный резервуар-сепаратор 12 функционирует в качестве емкости для воды и сепаратора. Подпитка осуществляется через клапан 13 с помощью второго дополнительного насоса 14. Сепарированный кислород хранится в контейнере 18 после прохождения через газовую сушилку 15, обратный 16 и запорный 17 клапаны. В процессе работы электрохимического элемента вода диффундирует через мембрану 2 в катодное отделение 5 и собирается в сепараторе воды 20 и может быть по мере необходимости отведена через клапан 21. Водород, который выделяется в катодной камере 5, направляется в контейнер 27 через газовую сушилку 24, обратный 25 и запорный 26 клапаны.
Для перехода БЭС из режима электролизера воды в режим топливного элемента электрохимический элемент 1 отключается от внешней электрической цепи, и его электродные камеры очищаются от оставшихся электролизных газов (водорода и кислорода в катодной 5 и анодной 6 камерах соответственно). Для продувки анодной камеры 6 вода продолжает циркулировать через нее, удаляя кислород, который в дальнейшем сепарируется в дополнительном резервуаре-сепараторе 12. Аналогичным образом в катодную камеру 5 циркуляционным насосом 28 через запорный клапан 29 подается вода из резервуара-сепаратора 19 и заполняет ее, вытесняя водород в емкость 27.
Затем вода удаляется из электродных камер 5 и 6. Для этого клапаны 7 и 8 переводятся в положение "0"-"3”, а клапаны 9 и 10 - в положение "0"-"2". Таким образом, поступающие под давлением газы вытесняют воду в направлении соответствующих контейнеров: водород вытесняет воду из анодной камеры 6 в резервуар-сепаратор 19, откуда собирается в емкости 27, а кислород вытесняет воду из катодной камеры 5 в дополнительный резервуар-сепаратор 12, откуда собирается в контейнер 18. Когда вся вода из электродных камер 5 и 6 полностью удаляется, клапаны 9 и 10 переводятся в положение "0"-"3" и электрохимический элемент 1 начинает функционировать в режиме топливного элемента (фиг. 2). Кислород при этом продолжает подаваться в катодную камеру 5, а водород - в анодную камеру 6; электрохимический элемент 1 генерирует электричество, тепло и воду. Указанные газы подаются из соответствующих контейнеров для хранения газов 18, 27 через запорные клапаны 32, 35 и регуляторы давления 33, 36. Газовые контуры имеют конденсатор 34 и увлажнитель 37, установленные до электрохимического элемента 1, и газовые насосы 38 и 39 соответственно после электрохимического элемента 1.
Обратное переключение режимов происходит следующим образом. Все четырехходовые клапаны 7, 8, 9 и 10 переключаются в положение "0"-"2". С помощью первого дополнительного насоса 30 и четвертого дополнительного насоса 31 вода из дополнительного резервуара-сепаратора 12 и резервуара-сепаратора 19 циркулирует соответственно через катодную 5 и анодную 6 камеры, вытесняя оставшиеся газы соответственно в контейнеры 18 и 27. Затем клапаны 7, 8, 9 и 10 переключаются в положение "0"-"1" и электрохимический элемент 1 начинает функционировать в режиме электролизера воды. Образующаяся в катодной камере 5 вода удаляется из нее и отделяется от электролизного водорода с помощью сепаратора 20.
Преимуществом предлагаемого технического решения является отсутствие необходимости в расходовании инертного газа для продувки электродных камер и больших потерь реагентов, уносимых вместе с инертным газом в переходных режимах работы БЭС.
Источники информации
1. Цыпкин М.А., Лютикова Е.К., Фатеев В.Н., Русанов В.Д. Каталитические слои для обратимой ячейки электролизер-топливный элемент на основе ТПЭ // Электрохимия, 2000, Т. 36, №5, стр. 613-616.
2. Патент США №5316643, опубл. 31.05.1994.