УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ ПОД ДАВЛЕНИЕМ И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
APPARATUS FOR ELECTROLYSIS OF WATER UNDER PRESSURE AND METHOD FOR OPERATION THEREOF

Изобретение относится к электрохимии и может быть использовано в электролизных установках, работающих под давлением и содержащих ресиверы для накопления рабочих газов.
Электролизные элементы этих установок содержат тонкие мембраны, на поверхности которых происходит электрохимическая реакция. Эти мембраны по условиям прочности работают при перепаде давлений газов не более нескольких десятков кПа, что требует специального выравнивания давлений рабочих газов при эксплуатации электролизных установок.
Известны электролизные установки, в которых при их эксплуатации выравнивание давлений газов производится путем выпуска из установки того газа, давление которого выше. Для этого установки снабжены соответствующими клапанами (патенты Российской Федерации №2111285, 20.05.1998, МПК: С25В 1/12; №2102535, 20.01.1998, МПК: С25В 1/12; заявка JP 2006249496 (А), 14.09.2006, МПК: Н04В 7/26 (2006.01); Н04М 1/00 (2006.01); H04Q 7/38 (2006.01)). Однако в случае, когда вырабатываемые электролизером газы - водород и кислород - должны накапливаться в собственных ресиверах электролизной установки, этот способ регулирования ведет к потерям газов, т.е. снижает экономичность установки.
Известны также электролизные установки, в которых выравнивание давлений производится путем использования сепараторов электролизеров в качестве сообщающихся сосудов (например, ЕР 2014799 (А1), 14.01.2009, МПК: С25В 1/12 (2006.01), С25В 15/08 (2006.01), патент РФ №2219291, 20.12. 2003, МПК: С25В 1/04 (2006.01)). Сепараторы в количестве двух штук входят в состав электролизера и предназначены для отделения соответствующего газа - водорода или кислорода - из смеси газа и воды, поступающей из батареи электролизных ячеек. Вода в нижней части сепараторов под действием перепада давлений газов может перетекать из одного сепаратора в другой, компенсируя тем самым перепад давлений. Недостатком этих изобретений является то, что при большом перепаде давлений или при разгерметизации любой магистрали вся вода может перейти в один сепаратор, а затем произойдет смешение водорода и кислорода с образованием гремучего газа. Таким образом, эксплуатация таких электролизных установок недостаточно безопасна.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является система выравнивания давлений в электролизере по патенту US 7097748 (B2), 29.08.2006, МПК: С25В 9/20 (2006.01), Н01М 8/06 (2006.01), Н01М 8/18 (2006.01), С25В 1/08 (2006.01), выбранная за прототип.
В патенте описана установка для электролиза воды под давлением, которая включает электролизер с линией подачи воды, подключенный к блоку питания, который электрически связан с блоком управления, подключенные к электролизеру по линиям водорода и кислорода два ресивера для хранения реакционной воды и части водорода и кислорода с установленными на них датчиками давления водорода и кислорода, аккумулятор газов для хранения другой части водорода и кислорода, клапаны выдачи водорода и кислорода из установки, расположенные на линиях водорода и кислорода, регулятор перепада давления в линиях водорода и кислорода. Вода подается в электролизер насосами из одного или двух ресиверов. Способ-прототип эксплуатации электролизной установки под давлением состоит в подаче воды и электрического тока в электролизер, накоплении водорода и кислорода в ресиверах, контроле параметров процесса, выравнивании давлений газов и последующей выдаче полученных газов потребителю. Выравнивание давлений газов  в электролизной установке происходит с помощью сообщающихся по воде сосудов, регулятора давления газов и гибкой перегородки между водородом и кислородом внутри аккумулятора. Сообщающиеся по воде сосуды-ресиверы образованы линией воды, соединяющей между собой ресиверы и предназначенной для выравнивания уровней воды в ресиверах. Вода может перетекать между ресиверами самотеком или при помощи выравнивающего насоса. Выравнивание давления происходит за счет изменения объемов ресиверов путем перемещения воды из ресивера с большим давлением в ресивер с меньшим давлением.
Регулятор давления газов, основанный на выпуске из установки газа с более высоким давлением. При выпуске части газа из линии с повышенным давлением происходит выравнивание давления.
Гибкая перегородка между водородом и кислородом внутри аккумулятора при перепаде давлений изменяет свое положение и тем самым меняет соотношение объемов газов и выравнивает давления газов.
Недостатками электролизной установки и способа ее эксплуатации являются:
- наличие сообщающихся по воде сосудов, как и в аналогах, которое может привести к тому, что при большом перепаде давлений или при разгерметизации любой магистрали вся вода может перейти в один ресивер, а затем произойдет смешение водорода и кислорода с образованием взрывчатой смеси. Это тем более вероятно, что в установке отсутствуют датчики количества воды в ресиверах;
- потеря части водорода или кислорода при срабатывании регулятора давления газов (например, для установки с давлением 35 МПа потеря газа из-за неравномерного роста давления при сжатии составляет 15-20% нарабатываемого газа);
- возможность взрыва образующегося гремучего газа в случае повреждения гибкой перегородки, примененной в аккумуляторе газов и разделяющей взрывоопасные газы - водород и кислород, находящиеся при высоком давлении.
Задача изобретения состоит в устранении вышеперечисленных недостатков прототипа и в том, чтобы в процессе эксплуатации установки для электролиза воды, при накоплении газов в собственных ресиверах установки производить выравнивание давлений газов путем изменения газовых объемов ресиверов за счет управляемого слива из них заранее залитой воды.
Техническим результатом изобретения является повышение экономичности установки на 15-20 процентов за счет исключения потерь газов, а также повышение безопасности ее эксплуатации за счет исключения возможности смешения газов.
Технический результат достигается тем, что в установке для электролиза воды под давлением, состоящей из электролизера с линией подачи воды, подключенного к блоку питания, который электрически связан с блоком управления, подключенных к электролизеру по линиям водорода и кислорода ресиверов для накопления водорода и кислорода с установленными на них датчиками давления водорода и кислорода, электрически связанных с блоком управления, клапанов выдачи водорода и кислорода из установки, расположенных на линиях водорода и кислорода, каждый ресивер снабжен линией заправки воды, линией слива воды и датчиком количества воды, при этом на линиях заправки и слива воды установлены клапаны, а датчики количества воды и клапаны на линиях слива воды электрически связаны с блоком управления.
Кроме того, один из ресиверов снабжен линией подачи воды в электролизер с клапаном, электрически связанным с блоком управления, при этом электролизер располагается по уровню ниже данного ресивера.
Технический результат достигается также за счет того, что в способе эксплуатации установки для электролиза воды под давлением, состоящем в подаче воды и электрического тока в электролизер, накоплении водорода и кислорода в ресиверах, контроле параметров процесса, выравнивании давлений газов и последующей выдаче полученных газов потребителю, перед началом цикла работы ресиверы водорода и кислорода заполняют водой от 15% до 30% объема соответствующего ресивера, а в процессе работы контролируют количество воды в ресиверах, регистрируют давление водорода и кислорода в соответствующих ресиверах и в случае превышения допустимого перепада давлений водорода и кислорода производят слив воды из того ресивера, где давление газа выше, до выравнивания давлений в ресиверах.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемой установки для электролиза воды под давлением.
Она включает в себя электролизер 1 с линией подачи воды 6, подключенный к блоку питания 24, который электрически связан с блоком управления 9, подключенных к электролизеру 1 по линиям водорода 4 и кислорода 5 ресиверов для накопления водорода 2 и кислорода 3 с установленными на них датчиками давления водорода 7 и кислорода 8, электрически связанных с блоком управления 9, клапанов выдачи водорода 10 и кислорода 11 из установки, расположенных на линиях водорода 4 и кислорода 5. Каждый ресивер 2 и 3 снабжен линией заправки воды 12 и 13, линией слива воды 16 и 17 и датчиком количества воды 20 и 21, при этом на линиях заправки воды 12 и 13 установлены клапаны 14 и 15 соответственно, на линиях слива воды 16 и 17 установлены клапаны 18 и 19 соответственно, а датчики количества воды 20, 21 и клапаны 18, 19 электрически связаны с блоком управления. Электропитание электролизера 1 и блока управления 9 производится от блока питания 24. Датчики давления 7 и 8, датчики количества воды 20 и 21, а также клапаны 18, 19, 23 соединены электрически с блоком управления 9. Клапаны 10, 11, 14, 15 управляются вручную.
Установка может содержать одну или две независимые линии для подачи воды в электролизер 1. Предпочтительной является подача воды из ресивера водорода 2 по линии 22 с клапаном 23. Кроме того, подача воды в электролизер 1 может производиться из внешней магистрали по линии подачи воды 6.
Установка работает следующим образом.
Перед началом цикла работы электролизер 1, блок управления 9 и блок питания 24 выключены, все клапаны закрыты, избыточное давление газов в ресиверах 2 и 3 небольшое или отсутствует, вода в них отсутствует или присутствует в небольшом количестве. Суммарный объем ресивера водорода 2 вместе с линией водорода 4 должен превосходить суммарный объем ресивера кислорода 3 вместе с линией кислорода 5 приблизительно вдвое, поскольку в этой пропорции распределяются объемы газов при электролизе воды.
Цикл работы начинается с того, что включаются блок питания 24 и блок управления 9. Затем вручную открывают клапаны 14 и 15. Ресиверы 2 и 3 начинают заправляться водой по линиям 12 и 13. Объем воды в каждом ресивере после заправки должен составлять от 15 до 30% объема соответствующего ресивера. Количество воды в ресиверах 2 и 3 контролируют с помощью датчиков количества воды 20 и 21 соответственно и блока управления 9. После заполнения воды клапаны 14 и 15 закрывают.
Затем включается подача воды в электролизер 1 по линии 22 (предпочтительно) или по линии 6 и включается электропитание электролизера 1 от блока питания 24. При этом водород по линии 4 начинает заполнять ресивер 2, а кислород по линии 5 - ресивер 3. Давления в линиях водорода и кислорода измеряются с помощью датчиков давлений 7 и 8 соответственно и связанного с ними блока управления 9.
Из-за неидеальности сжатия разнородных газов между давлениями в ресиверах 2 и 3 возникает перепад давлений, который может приблизиться к допустимому пределу. Этот предел определяется прочностью элементов электролизера и обычно составляет около 50 кПа. При достижении этого предела блок управления 9 открывает клапан слива воды из того ресивера, давление в котором больше. Если давление в ресивере 2 превышает давление в ресивере 3, открывается клапан 18 и вода из ресивера 2 сливается из установки по линии 16. Как только давления в ресиверах сравняются, блок управления 9 закрывает клапан 18. Аналогично, если давление в ресивере 3 превышает давление в ресивере 2, открывается клапан 19 и вода из ресивера 3 сливается из установки по линии 17. В процессе работы постоянно контролируется количество воды в ресиверах 2 и 3 с помощью датчиков количества воды 20 и 21. Если вода в любом из ресиверов заканчивается, электролизер 1 по команде блока управления 9 выключается. Если давление газов в ресиверах по датчикам давления 7 или 8 достигает предельно допустимого, электролизер 1 также выключается. Процесс управления сливом воды ведут таким образом, чтобы к моменту достижения предельного давления в одном из ресиверов, обычно в ресивере водорода, оставалось минимальное количество воды. Для слива излишне заправленной воды могут одновременно открываться оба клапана 18 и 19.
Количество первоначально заправляемой воды зависит от предельного давления газов и точного соотношения объемов ресиверов. Для реальных (неидеальных) газов расчет показывает, что давление водорода при электролизе растет быстрее, чем давление кислорода. При соотношении объемов ресиверов 2:1 и достижении давления водорода, например, 35 МПа давление кислорода составит 30 МПа, т.е. для выравнивания давлений необходимо, чтобы к этому моменту в ресивере кислорода оставался объем воды, равный 16% от объема ресивера, а в ресивере водорода вода должна быть слита полностью. Если соотношение объемов ресиверов иное, чем 2:1, например 2,3:1, объем слитой из обоих ресиверов воды к концу процесса будет примерно равным. Поэтому точное количество заливаемой в ресиверы воды устанавливается в процессе испытаний конкретной установки.
Воду, сливаемую из одного из ресиверов, целесообразно, хотя и не обязательно, использовать в электролизере для выработки газов. Это существенно упрощает схему подачи воды, поскольку ресиверы и электролизер находятся под одним и тем же давлением. Для реализации этой схемы электролизер должен располагаться ниже уровня воды в ресивере, а установка должна быть снабжена линией подачи воды 22 в электролизер 1 с клапаном 23, связанным с блоком управления 9. Для выработки водорода и кислорода с максимальным давлением 35 МПа в одном цикле работы электролизеру требуется количество воды, равное 25% от объема ресивера водорода. Поэтому целесообразно заправить в ресиверы несколько больше, к примеру 30% воды, и в процессе работы большую часть воды подавать в электролизер из ресивера водорода, а остальную воду использовать для точного регулирования давлений.
Клапаны 10 и 11 служат для выдачи водорода и кислорода внешним потребителям.
Конструктивно линия 12 и клапан 14 могут быть объединены с линией 16 и клапаном 18, а линия 13 и клапан 15 с линией 17 и клапаном 19.
В качестве датчиков количества воды 20 и 21 могут использоваться датчики уровня любого типа или датчики веса в опорах ресиверов.