Електролізна установка для одержання водню і кисню високого тиску

1. Електролізна установка для одержання водню і кисню високого тиску, яка містить електролізер, пов'язані із блоком живлення водневий і кисневий газорідинні сепаратори, обладнані датчиками рівня, джерело струму, систему живлення електролізера рідким агентом, що містить збуджувач циркуляції електроліту, трубопровідну арматуру та електромагнітні клапани, яка відріз C2 2 (19) 1 3 містить електролізер, пов'язаний із блоком живлення, водневий і кисневий газорідинні сепаратори, обладнані датчиками рівня, систему живлення електролізера рідким агентом, що включає побудник циркуляції рідкого агента (механічний насос), трубопровідну арматуру та електромагнітні клапани. Експлуатація механічних засобів подачі рідкого агента в умовах високих тисків (понад 2,5МПа) веде до зростання навантажень тертя в спряжених поверхнях тертьових елементів, передчасного їхнього зношування, а також вимагає використання мастильних матеріалів, що призводить до забруднення мастильними продуктами змащення циркулюючого в електролізері електроліту і необхідності його регулярної заміни. Це ускладнює експлуатацію установки і знижує робочий ресурс. Крім того, механічні пристрої примусової циркуляції рідкого агента є додатковим джерелом енерговитрат. В основу винаходу поставлено задачу створення установки для одержання водню і кисню високого тиску шляхом організації примусового впорскування рідкого агента за допомогою механізму безвідмовно функціонуючого в умовах високих тисків з використанням у системі живлення електролізера термосорбційного компресора (ТСК) з прямим перетворенням теплоти в потенційну енергію стислого водню, за рахунок чого досягнуто підвищення експлуатаційної надійності і збільшення робочого ресурсу електролізної установки. Поставлена задача досягається тим, що в електролізній установці для одержання водню і кисню високого тиску, яка містить електролізер, пов’язані із блоком живлення водневий і кисневий газорідинні сепаратори, обладнані датчиками рівня, джерело струму, систему живлення електролізера рідким агентом, що включає побудник циркуляції електроліту, трубопровідну арматуру та електромагнітні клапани, згідно з винаходом, установка оснащена термосорбційним компресором, принаймні, із двома генераторами-сорберами водню і датчиком тиску на виході, що через електромагнітний клапан сполучений з витискувальною ємністю, розділеною гнучкою перегородкою на газову та рідинну порожнини так, що рідинна порожнина через електромагнітний клапан і живильний трубопровід сполучена з електролізером, при цьому генератори-сорбери термосорбційного компресора заповнено гідридоутворюючою речовиною оборотно поглинаючою та виділяючою водень, охолоджувач термосорбційного компресора підключений до водопроводу, а нагрівач -до блока живлення, підключеного до електролізера і блока керування, пов'язаного з електромагнітними клапанами, датчиками рівня у сепараторах, датчиком тиску термосорбційного компресора. Крім того, в електролізній установці для одержання водню і кисню високого тиску як гідридоутворюючу речовину використовують інтерметалідні сполуки типу LaNi5, FeTi тощо. Використання в електролізній установці термосорбційного компресора водню із двома генераторами-сорберами водню і датчиком тиску на виході, через електромагнітний клапан сполученого з 90421 4 витискувальною ємністю, дозволяє при нагріванні створювати тиск газу шляхом прямого перетворення підведеної до металогідриду теплоти з передачею силового впливу на "рідинний поршень", що підвищує експлуатаційну надійність та збільшує ресурс роботи установки. Застосування у термосорбційному компресорі генераторів-сорберів, заповнених гідридоутворюючою речовиною оборотно поглинаючою та виділяючою водень з охолоджувачем, підключеним до водопроводу і нагрівачем - до блоку живлення, який з'єднано з електролізером та блоком керування, пов'язаним з електромагнітними клапанами, датчиками рівня сепараторів, датчиком тиску термосорбційного компресора, забезпечує надійне кероване підведення і відбір теплоти у генераторах-сорберах термосорбційного компресора для здійснення десорбції водню під заданим тиском, достатнім для дозованого впорскування рідини з витискувальної ємності та здійснення (установкою) нагнітальної функції. Відсутність елементів, що рухаються і труться у нагнітальному пристрої системи живлення електролізера рідким агентом забезпечує спрощення функціонування, експлуатаційну надійність конструкції і підвищує ресурс роботи установки. Наявність у ємності Об'ємного витиснення гнучкої перегородки дозволяє ізолювати газ від рідкого агента і створює ефект "рідкого поршня", що забезпечує примусову подачу рідкого агента для надійного живлення електролізера, підвищує надійність та збільшує ресурс роботи установки. Використання електронного блока керування пов'язаного з датчиками рівня рідини газорідинних сепараторів, датчиком тиску термосорбційного компресора та електромагнітними клапанами, дозволяє здійснювати керуючий вплив на конструктивні елементи, надійне регулювання з підтримкою режимних параметрів електролізної установки, і, зокрема, процесу подачі в електролізер рідкого агента, що забезпечує надійне функціонування елементів в умовах високих тисків та збільшує ресурс роботи пристрою. На фігурі подано схему електролізної установки високого тиску, що функціонує в циклічному режимі генерації водню і кисню з примусовим впорскуванням рідкого агента за допомогою водневого термосорбційного компресора (ТСК). Електролізна установка містить електролізер 1, сполучений через перемикач потоків 2, з водневим 3 і кисневим 4 сепараторами, обладнаними верхнім і нижнім датчиками рівня у водневому сепараторі 3 - ДР1 і ДР2 та у кисневому сепараторі 4 - ДР1’ і ДР2’ відповідно. Сепаратори 3 і 4 через електромагнітні клапани 5 і 6 підключено відповідно до ліній подачі водню і кисню. Датчики рівня ДР1 і ДР1’, ДР2 і ДР2’ і електромагнітні клапани 5 і 6 підключено до блока 7 керування і блока 8 живлення. Електролізна установка містить водневий термосорбційний компресор 9, що включає принаймні два ідентичних генератори-сорбери (не позначено), кожний з яких заповнено речовиною, здатною оборотно поглинати і виділяти водень при нагріванні та охолодженні відповідно, наприклад, інте 5 рметалідами LaNi5, FeTi тощо. Термосорбційний компресор 9 обладнаний нагрівачем 10 і охолоджувачем 11. При цьому кожний нагрівач 10 термосорбційного компресора підключено до блока 8 живлення, а охолоджувач 11 до водопроводу. На виході термосорбційного компресора 9 установлено послідовно датчик тиску 12, та електромагнітний клапан 13, що підключені до блока 7 керування. Витискувальну ємність 14 розділено на газову та рідинну порожнини гнучкою перегородкою 15, що, наприклад, виконано у вигляді мембрани, сильфона або поршня. Рідинну порожнину 16 витискувальної ємності 14 заповнено рідким агентом, наприклад, дистилятом води і сполучено через електромагнітний клапан 17, підключений до блока 7 керування, із загальним вхідним штуцером 18 електролізера 1. Блок 8 живлення підключено до електролізера 1. Робота електролізної установки для одержання водню та кисню високого тиску здійснюється розділеними в часі циклами виділеннями водню і кисню шляхом електрохімічного розкладання води в електролізері з виходом виділюваних газів під високими тисками (до 75МПа) досягається при використанні пасивних і активних електродів, здатних поглинати та виділяти водень і кисень при зміні полярності живлення. Через вхідний штуцер 18 електролізер 1 і газорідинні сепаратори 3 і 4 заповнюють електролітом. При цьому клапани 5 і 6 на водневій і кисневій лініях закрито, а продувні вентилі (на фігурі не позначено) відкрито. Заповнення установки електролітом здійснюють до рівня обмежувального спрацьовування датчиків ДР1 і ДР1’, відповідно водневого 3 і кисневого 4 газорідинних сепараторів. За командою блоку керування 7 при спрацьовуванні датчиків ДР1 і ДР1’ заповнення електролізера 1 електролітом припиняється. При проведенні водневого циклу на пасивні електроди електролізера 1 подається негативний потенціал - електроди працюють у режимі катодів, а на активні подається позитивний потенціал електроди працюють у режимі анодів. Одночасно перемикач потоків 2 сполучає електролізер 1 з водневим сепаратором 3. При цьому на катоді виділяється водень, що надходить через перемикач потоків 2 у водневий сепаратор 3 і через відкритий електромагнітний клапан 5-у водневу магістраль споживачеві. Одночасно, кисень, що виділяється на аноді (активному електроді), поглинається та хімічно зв'язується активною масою електрода. Виділення водню триває доти, поки не окисниться вся активна маса електрода. Водневий цикл супроводжується ростом напруги на електродах і при досягненні заданої напруги, наприклад 0,5В, блок живлення 8 змінює полярність електродів на протилежну, а перемикач потоків 2 перемикається на кисневий сепаратор 4. У кисневому циклі на пасивні електроди подається позитивний потенціал, а на активні - негативний. Пасивні електроди працюють у режимі анодів, на яких відбувається виділення кисню, а на активному електроді - регенерація (відновлення) 90421 6 окисненої активної маси. Процес виділення кисню триває доти, поки не закінчиться відновлення активної маси, що супроводжується спаданням напруги на електродах, наприклад до 1,4В. Кисень, який виділився, через сепаратор 4 і відкритий електромагнітний клапан 6 надходить у кисневу лінію споживачеві. У процесі роботи установки відбувається зменшення об’єму електроліту на величину витраченого водного дистиляту при електрохімічному розкладанні на водень і кисень, що приводить до зниження рівня рідини в обох сепараторах 3 і 4. У той же час за сигналом датчика тиску 12 на блок 7 керування блок 8 живлення включає нагрівач 10 термосорбційного компресора 9. Відбувається виділення водню, що приводить до зростання тиску водню до заданого рівня, який перевищує робочий тиск установки на 5-7атм. У цьому стані термосорбційний компресор 9 перебуває в режимі очікування. Тиск водню при нагріванні металогідриду LaNi5Hx у процесі десорбції визначається виразом: B lg p A , T де р, Τ - тиск водню і температура, відповідно; А, В - постійні коефіцієнти, що залежать від властивостей речовини використовуваного металогідриду. При робочому тиску в установці порядку 15,017,0МПа температура металогідриду LaNi5Hx при десорбції водню повинна бути порядку 170-200°С. Режим очікування термосорбційного компресора 9 підтримується блоком 7 керування за сигналом датчика 12 тиску. Блок 7 керування ураховує сигнали всієї групи датчиків установки. Так, при зниженні рівня рідини в сепараторах 3 і 4 нижче рівня датчиків ДР2 і ДР2’ через блок 7 керування запускається система живлення водним дистилятом електролізера 1 і газорідинних сепараторів 3 і 4. При цьому, електромагнітні клапани 5 і 6 закрито, перемикач потоків 2 відключено. При досягненні номінального тиску виділюваний термосорбційним компресором 9 водень через відкритий електромагнітний клапан 13 надходить у газову порожнину витискувальної ємності 14, впливаючи на гнучку перегородку 15 з витисненням водного дистиляту з рідинної порожнини 16. Водний дистилят через відкритий електромагнітний клапан 17 і загальний вхідний штуцер надходить в електролізер 1 та сепаратори 3 і 4. Рівень рідини в сепараторах 3 і 4 нормалізується до рівня встановленого датчиками ДР1 і ДР1’, за сигналом яких блок керування 7 повертає установку в початок перерваного робочого циклу технологічного процесу одержання газів. Об'єми запасеного у термосорбційному компресорі 9 водню та рідини у витискувальній ємності 14 визначені тривалістю режимів технологічного процесу роботи установки, тобто циклами між регламентними остановами. При останові нагрівач 10 термосорбційного компресора 9 відключається, а охолоджувач 11 підключається до водопроводу з температурою води не вище 18°С, при якій через відкритий електромагнітний клапан 13 відбувається поглинання водню з газової порожнини витискувальної 7 ємності 14 (генератором-сорбером термосорбційного компресора 9). У термосорбційному компресорі 9 відновлюється вихідний металогідрид LaNi5Hx і термосорбційний компресор 9 готовий до роботи в наступному циклі. Одночасно у витиснювальну ємність 14 через спеціальний клапан (на фігурі не показано) подається рідкий агент - водний дистилят у необхідному технологічному об'ємі. Гнучка перегородка 15 повертається у вихідне положення, при якому система живлення рідким агентом готова до роботи. Приклад конкретного виконання Пристрій для одержання водню і кисню високого тиску габаритними параметрами 500×640×2500мм, масою - 200кг, довжиною литого корпусу електролізера - 1054мм і діаметром 219мм. Об'єм робочої порожнини електролізера 40л. У робочій порожнині електролізера встановлювали 3 пакети оборотних електродів. Як активна маса газопоглинаючих електродів використовували губчасте залізо. Робочий тиск генерованих газів становить від 0,01 до 15МПа. Електролізер установки заповнювали 20% розчином лугу густиною 1,21мг/л., при цьому продуктивність установки по водню становила 0,5м3/год, по кисню - 0,25м3/год. Як побудник циркуляції використовували підключений до витискувальної ємності водневий термосорбційний компресор з габаритами 730×290×170 з двома генераторамисорберами, у кожному з яких маса металогідриду LaNi5Hx становила 4кг. Сорбційна ємність кожного з генераторів-сорберів - 170л/кг, теплота фазового переходу - 17кДж/гн2. Робочий тиск водню у термосорбційному компресорі становив 5,0-25,0МПа. Відбір теплоти для десорбції водню проводився проточною водопровідною водою з температурою 18-20°С. Електролізна установка включала джерело постійного струму, електронний перемикач полярності електродного потенціалу, блок керування 90421 8 для контролю дотримання штатних режимів роботи пристроями та механізмами установки. Як витискувальну ємність використовували посудину ємністю 5л, довжиною 150мм, діаметром 240мм, масою 18кг, випробувану на міцність при тиску 25,0МПа. Як гнучку перегородку використовували деформований (поліпропіленовий) сильфон. Максимальний об’єм рідинної порожнини, заповненої дистилятом, становив 4л. Технологічний цикл роботи установки складав 10год. Для перевірки працездатності запропонованої електролізної установки для одержання водню і кисню проведено розрахункові дослідження кінетичних та термосорбційних характеристик генераторів-сорберів, які доводять можливість здійснення інтенсивного процесу сорбції водню при температурі нагрівача та десорбції водню з використанням за охолоджувач відводу тепла сорбції трубопроводу з проточною водопровідною водою. Як показує розрахунок економічної ефективності та порівняльний аналіз прототипу із запропонованим пристроєм, виконання пристрою в поданому варіанті підвищує експлуатаційну надійність та збільшує робочий ресурс електролізної установки за рахунок використання термосорбційного компресора як побудника впорскування дистиляту в систему живлення електролізера з рідким агентом. Тобто електролізна установка для одержання водню і кисню високого тиску на базі металогідридного термосорбційного компресора дозволяє здійснювати пряме перетворення теплоти в потенційну енергію стислого водню, минаючи проміжні стадії перетворення енергії, що мають місце у відомій технології компримування газу. Використання електролізної установки за поданою схемою дозволяє одержувати водень і кисень під тисками 25-75МПа. Запропонований пристрій може успішно використовуватися в комплексах як відновлювані джерела енергії (сонячної, вітрової тощо). 9 Комп’ютерна верстка А. Рябко 90421 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601