Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТВЕРДОПОЛИМЕРНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ВОДЫ

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

Известна общепринятая методика эксплуатации электрохимических установок с ЭВ или ЭХГ, когда эти агрегаты вместе с рабочим телом (реакционной водой или водородом и кислородом) сначала разогревают, а затем уже работают на стационарном режиме. В некоторых случаях для пускового разогрева электрохимического генератора используются тепловые аккумуляторы, а в регенеративной системе «ЭХГ+ЭВ» электролизер нагревают теплом, которое вырабатывает ЭХГ (заявка №2008123214, 10.01.2010, МПК: C25B 1/04 (2006.01)).

В качестве прототипа выбрано техническое решение, предложенное 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» для твердополимерного электролизера воды. Здесь для запуска ТП ЭВ с мембраной Нафион используется процедура, включающая:

- включение электропитания ЭВ (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;

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

- генерирование газов - водорода и кислорода - на стационарном режиме при рабочей температуре и токе электролиза.

Недостатком прототипа является его тепловая инерционность - регулировать таким способом можно только достаточно медленные тепловые процессы. Импульсные колебания температуры в отдельных электролизных ячейках (ЭЯ), тем более перегрев отдельных зон на их мембранах, такое устройство парировать не в состоянии. Между тем, именно в этих случаях чаще всего происходит прогар ЭЯ, который приводит к возникновению взрывоопасной ситуации. Необходимо при этом отметить, что прогорание мембраны происходит на тех ее участках, которые не контактируют с жидкой водой, так как в газовых полостях вблизи поверхности мембраны теплоотвод на несколько порядков хуже, чем в воде.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение быстродействующей тепловой стабилизации ЭЯ путем демпфирования возможных импульсных и локальных перегревов мембраны.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы электролизных ячеек, снижение вероятности прогорания их протонопроводящих полимерных мембран и предотвращение взрывоопасной ситуации.

Технический результат достигается за счет того, что в способе эксплуатации твердополимерного электролизера воды, включающем подачу в него постоянного напряжения питания и реакционной воды, нагрев твердополимерного электролизера и реакционной воды до рабочей температуры, соответствующей заданному значению тока электролиза с контролем текущих значений тока электролиза и температуры, фиксацию рабочей температуры твердополимерного электролизера воды, обеспечивающей заданное значение тока электролиза, и последующее разложение воды при данной температуре и токе электролиза на водород и кислород, фиксацию рабочей температуры твердополимерного электролизера воды осуществляют после того, как ток электролиза в процессе нагрева достигнет своего максимального значения и начнет падать, достигнув заданного значения.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1), на котором представлен общий вид температурной характеристики протонопроводящей мембраны Нафион.

Сущность изобретения заключается в том, что быстродействующая тепловая стабилизация электролизных ячеек обеспечивается за счет специфики температурной характеристики (ТХ) мембраны Нафион, то есть зависимости ее проводимости от температуры (Ю.А. Добровольский и др. «Протонообменные мембраны для водородно-воздушных топливных элементов», «Российский химический журнал», 2006 г., т.L, №6, с.97). Проводимость мембраны и, соответственно, тока электролиза растет пропорционально температуре, а достигнув своего максимума i_max (точка С), резко падает. На участке нарастания ТХ произвольная рабочая точка А является неустойчивой (фиг.1). Действительно, любое случайное кратковременное изменение температуры в ту или иную сторону приводит к изменению тока в направлении, стимулирующем дальнейшее изменение температуры («больше-больше», «меньше-меньше»). В результате нагрев или остывание идет по нарастающей, и стабильность рабочего режима в точке А обеспечивает только система терморегулирования (СТР) электролизной установки.

При этом СТР, определяющая рабочую температуру (T₁), из-за своей инерционности не может демпфировать кратковременные отклонения температуры, тем более образование локальных зон перегрева на поверхности мембран ЭЯ (причина прогорания мембраны).

Если же работать на убывающем участке ТХ в точке В при том же токе электролиза (i₀), но более высокой температуре (Т₂), то тепловое состояние мембраны и отдельных участков ее поверхности будет устойчивым. В этом случае отклонения температуры и тока будут компенсировать друг друга («больше-меньше», «меньше-больше»). Таким образом, наличие отрицательной обратной связи между этими рабочими характеристиками ЭЯ обеспечивает «тепловую автостабилизацию» ячейки. При этом малая толщина мембраны обеспечивает ее малую тепловую инерционность и, как следствие, синхронность флуктуации тока и температуры.

Реализуется способ следующим образом.

В твердополимерный электролизер воды подают постоянное напряжение питания от источника питания и реакционную воду. Так же, как и при известной методике запуска электролизной установки, твердополимерный электролизер воды и реакционная вода нагреваются с помощью СТР электролизной установки до температуры Т₁, обеспечивающей заданную производительность ЭВ и ток электролиза i₀. Тепловой режим ЭВ при этом не стабилизируют, а продолжают дальнейший нагрев твердополимерного электролизера и реакционной воды. Рост тока электролиза и температуры, происходящий за счет работы СТР и тепловыделения самого электролизера, продолжается. После достижения максимального значения i_max (при температуре ≈80°C) ток электролиза начинает падать, несмотря на то что температура по-прежнему растет. Фиксацию рабочей температуры твердополимерного электролизера воды осуществляют с помощью СТР при прежнем значении тока электролиза i₀, но при более высокой температуре Т₂ (Т₂>Т₁). В дальнейшем работа ЭВ происходит на стационарном режиме с заданной производительностью и током i₀, но при температуре Т₂. При этом, несмотря на более высокий уровень температуры, тепловой режим мембран ЭЯ является более устойчивым по отношению к кратковременным колебаниям температуры самой мембраны и локальных зон на ее поверхности.

Контроль текущих значений тока электролиза и температуры, фиксацию рабочей температуры, обеспечивающей заданную производительность и соответствующее значение тока электролиза, осуществляют с помощью СТР электролизера и системы управления контроля и параметров электролизной установки.

Таким образом, предложенное изобретение повышает надежность работы твердополимерного электролизера, снижая вероятность прогорания его мембран.