СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТВЕРДОПОЛИМЕРНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

Изобретение относится к электрохимии и может использоваться при эксплуатации твердополимерных (ТП) электролизеров, а также электрохимических генераторов (ЭХГ), изготовленных на основе протонопроводящих мембран типа Нафион (отечественный вариант - МФ-4СК).

Прототипом данному предложению может служить общепринятая методика эксплуатации электрохимических установок с ЭВ, когда ЭВ вместе с реакционной водой разогревают до определенной рабочей температуры, а затем работают при данной температуре и фиксированном давлении на стационарном режиме. Напряжение на ячейках ЭВ и ток электролиза при этом постоянны. Такая методика работы ТП ЭВ поэтапно описывается, например, в «DEVELOPMENT OF A HIGH PRESSURE РЕМ ELECTROLYZER: ENABLING SEASONAL STORAGE OF RENEWABLE ENERGY», R.A. Engel, G.S. Chapman, C.E. Chamberlin and P.A. Lehman, 15^th Annual U.S. Hydrogen Conference, Los Angeles, CA, April 26-30, 2004. Электропитание электролизера при этом может начинаться как после достижения рабочей температуры, так и раньше. Для запуска ТП электролизера с мембраной Нафион используются следующие операции:

- включение электропитания электролизера (постоянное напряжение);

- включение циркуляции воды через электролизер, ее нагрев до рабочей температуры (36-50°C) и соответствующего значения тока электролиза;

- контроль текущих значений тока электролиза и температуры;

- фиксация рабочего давления электролизера;

- фиксация рабочей температуры твердополимерного электролизера, обеспечивающей его заданную производительность, и соответствующее значение тока электролиза;

- разложение воды при данной температуре и токе электролиза (производительности) на водород и кислород (стационарный режим работы).

Недостатком прототипа является то, что на стационарном режиме электролизер работает с КПД, который ниже максимально возможного при данном давлении и производительности. Это связано с тем, что проводимость мембраны Нафион зависит от конкретных условий, в которых она работает, включая плотность тока, температуру и давление. Кроме того, на проводимость мембраны влияет срок ее службы, а также параметры образца пленки, из которой изготовлена мембрана. В связи с этим для оптимизации режима работы ТП электролизера надо учитывать его индивидуальные характеристики и конкретные условия работы его мембраны.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка методики получения максимальной эффективности работы электролизера на заданном режиме (при фиксированных производительности и давлении) с учетом конкретных характеристик его мембраны.

Техническим результатом предложения является достижение заданных показателей процесса электролиза (давления и производительности) при минимальных энергозатратах, т.е. при максимальном КПД электролизера.

Технический результат достигается за счет того, что в способе эксплуатации твердополимерного электролизера, включающем подачу в него постоянного напряжения питания и воды, нагрев твердополимерного электролизера и воды до температуры, обеспечивающей заданную производительность и соответствующее значение тока электролиза, контроль текущих значений температуры, давления, тока электролиза, производительности в процессе нагрева твердополимерного электролизера, фиксирование рабочего давления и рабочей температуры, последующую работу электролизера в стационарном режиме при фиксированной рабочей температуре с заданной производительностью и давлением, ток электролиза фиксируют после достижения заданной производительности в процессе нагрева, а рабочую температуру - после достижения рабочего давления, при полученном фиксированном токе электролиза и минимальном напряжении питания.

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1 и фиг.2).

На фиг.1 схематично изображена температурная характеристика (ТХ) мембраны Нафион, то есть зависимость ее проводимости (П) от температуры (Т). Температурная характеристика мембраны Нафион для P₁~1 атм изображена сплошной линией для двух разных напряжений питания U₁<U₂. Для давления Р₂>P₁ и напряжений питания U₁<U₂ температурные характеристики показаны пунктиром. При давлениях, близких к атмосферному (Р₁~1 атм), максимальная проводимость достигается при Т=Т^∗=80÷85°C («Протонообменные мембраны для водородно-воздушных топливных элементов». Ю.А. Добровольский и др. Российский химический журнал, 2006 г., т.L, №6, стр.97). Если напряжение питания электролизера постоянно (U=const), в этой же точке Т^∗ достигается его максимальная производительность и КПД. Если же электролизер работает с более низкой производительностью (Пр₀), при более низкой температуре (Т₀<Т^∗), то его КПД будет меньше возможного для данного режима работы. В этом случае предлагается корректировать режим таким образом, чтобы, не меняя производительности и рабочего давления, получить максимальный КПД, снижая начальный уровень питающего напряжения.

При более высоких давлениях (Р₂>P₁) температурная характеристика смещается в сторону более высоких температур (Т^∗∗>Т^∗) - последнее связано с тем, что при более высоких давлениях Нафион будет лучше сохранять воду и его проводимость будет выше.

Следует отметить, что смещение ТХ может быть связано не только с повышенным давлением, но также со старением материала мембраны. Кроме того, такой эффект наблюдается для мембраны Нафион, модифицированной различными гидрофильными добавками («Новые протонопроводящие мембраны для топливных элементов и газовых сенсоров» Ю.А. Добровольский и др. Международный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ (ISJAEE), №12(20), 2004 г., стр.36).

Фиг.2 иллюстрирует изменение тока электролиза (I) и напряжения (U) от температуры при реализации данного способа.

В начале процесса нагревания при (Т<Т₀) электролизер работает с постоянным напряжением U₀, при этом ток электролиза растет вместе с температурой согласно ТХ до значения I₀, соответствующего заданной производительности Пр₀. На графике (фиг.2) это соответствует перемещению рабочей точки из точки А в точку В. После установления рабочего давления Р₂ при Т=Т₀ и Пр=Пр₀ ток фиксируется (I=I₀) в точке В, однако проводимость мембраны П вместе с температурой продолжает расти, поэтому согласно закону Ома напряжение начинает падать (U<U₀). На спадающих же участках любой ТХ проводимость начинает падать, поэтому, начиная с некоторой температуры Т^∗∗, напряжение на мембране снова начнет увеличиваться. Для получения максимального КПД при заданных давлении и токе электролиза (т.е. производительности) рабочую температуру очевидно необходимо фиксировать именно в точке С при минимальном напряжении питания U₁. Данная точка будет соответствовать максимуму некоторой ТХ мембраны Нафион, соответствующей давлению Р₂ и напряжению питания U₁ (на фиг.2 соответствующая ТХ обозначена пунктиром). При этом рабочая температура в точке С будет выше оптимальной рабочей температуры Т^∗, соответствующей более высокому напряжению U₂ (Т^∗∗>Т^∗).

Способ осуществляют следующим образом.

В твердополимерный электролизер подают постоянное напряжение питания от источника питания и воду. Затем производят нагрев твердополимерного электролизера и воды до температуры Т₀, обеспечивающей заданную производительность Пр₀ электролизера и соответствующее значение тока электролиза I₀. Нагрев производится с помощью системы терморегулирования электролизера, а также с использованием тепла, выделяющегося при электролизе.

Затем фиксируют рабочее давление электролизера Р₂, например с помощью обратного клапана, установленного на входной магистрали электролизера.

После того как в процессе нагрева производительность электролизера достигнет заданного значения Пр₀, фиксируют ток электролиза I₀ (т.е. производительность электролизера). Для этого можно использовать стандартный стабилизатор тока. При этом из-за того что температура и проводимость мембраны продолжают расти, напряжение питания начнет падать согласно закона Ома, однако, начиная с некоторой температуры Т^∗∗, оно вновь станет увеличиваться. С помощью системы терморегулирования фиксируют эту новую рабочую температуру электролизера Т^∗∗, соответствующую минимальному напряжению питания U₁. Для заданных рабочих параметров (давление Р₂ и производительность Пр₀) это соответствует максимальному КПД работы электролизера. В последующем электролизер работает в таком стационарном режиме при полученных таким образом электрических параметрах питания (ток I₀, напряжение U₁) и температуре Т^∗∗.