ES2899400T3 - Sistema de electrólisis de agua y procedimiento de funcionamiento del sistema de electrólisis de agua - Google Patents

Sistema de electrólisis de agua y procedimiento de funcionamiento del sistema de electrólisis de agua Download PDF

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Ayaka Oishi
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Abstract

Un sistema de electrólisis de agua que comprende: un tanque de electrólisis de agua (2) que incluye una cámara de ánodo (2a) que incluye un ánodo (8) en su interior y está configurada para la electrólisis del agua mediante potencia eléctrica para generar un gas oxígeno, la potencia eléctrica se suministra desde el exterior, una cámara de cátodo (2b) que incluye un cátodo (9) en su interior y está configurada para la electrólisis del agua mediante potencia eléctrica para generar un gas hidrógeno, y un diafragma (10) dispuesto entre la cámara de ánodo y la cámara de cátodo; un conducto de gas del lado del cátodo (R2) a través del cual fluye un gas del lado del cátodo desde la cámara de cátodo y que contiene el gas hidrógeno; un dispositivo de monitorización (3, 7) configurado para monitorizar al menos uno de una concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo, una concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo, y una cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua; un conducto de suministro de hidrógeno (R3) a través del cual el gas hidrógeno se suministra al gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo para aumentar la concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo; y una válvula reguladora de flujo (V3, V4) configurada para regular el régimen de flujo del gas hidrógeno suministrado a través del conducto de suministro de hidrógeno al gas del lado del cátodo.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de electrólisis de agua y procedimiento de funcionamiento del sistema de electrólisis de agua
Campo técnico
La presente invención se refiere a un sistema de electrólisis de agua y a un procedimiento de funcionamiento del sistema de electrólisis de agua.
Antecedentes de la técnica
Por ejemplo, se conoce un sistema de electrólisis de agua que almacena energía renovable, como la potencia eólica, mediante la producción de hidrógeno a partir de la energía renovable y mediante el cual la energía renovable se puede usar de manera estable. El sistema de electrólisis de agua incluye un tanque de electrólisis de agua. El tanque de electrólisis de agua incluye: una cámara de ánodo configurada para electrolizar agua para generar un gas oxígeno; una cámara de cátodo configurada para electrolizar agua para generar un gas hidrógeno; y un diafragma dispuesto entre la cámara de ánodo y la cámara de cátodo.
El documento PTL 1 divulga un generador de gas hidrógeno/oxígeno capaz de evitar un caso en el que uno del gas hidrógeno y el gas oxígeno fluya a través del diafragma para mezclarse con el otro gas hidrógeno y el gas oxígeno. Lista de citas
Literatura de patente
PTL 1: La publicación de solicitud de patente japonesa abierta a consulta por el público número 2006-131957 JP2009 195884 A (PUROTEKKU KK) 3 de septiembre de 2009 (2009-09-03) divulga la reintroducción de hidrógeno disuelto en agua en el cátodo (párrafos 59-61). Sin embargo, no se añade gas hidrógeno y la medición de la concentración de gas (66) y el control de la válvula están asociados con el escape, que también tiene lugar como líquido. Solo se emite oxígeno como gas a través de la válvula (74).
Sumario de la invención
Problema técnico
El documento PTL 1 no considera cómo tratar un caso en el que el gas hidrógeno y el gas oxígeno se mezclan entre sí en el generador de gas hidrógeno/oxígeno.
Un objeto de la presente invención es, incluso cuando un gas oxígeno generado en un lado del ánodo en un sistema de electrólisis de agua configurado para producir hidrógeno fluye a través de un diafragma para ser mezclado con un gas hidrógeno generado en un lado del cátodo, y esto aumenta la concentración de oxígeno del gas de mezcla, reduce de forma segura la concentración de oxígeno del gas de mezcla. Otro objeto de la presente invención es mejorar la eficiencia de producción del hidrógeno al evitar un caso de descarte del gas hidrógeno que no satisface la pureza debido a la mezcla con el oxígeno.
Solución al problema
Para resolver los problemas anteriores, un sistema de electrólisis de agua de acuerdo con un aspecto de la presente invención incluye: un tanque de electrólisis de agua que incluye una cámara de ánodo que incluye un ánodo en su interior y está configurada para la electrólisis del agua mediante potencia eléctrica para generar un gas oxígeno, la potencia eléctrica se suministra desde el exterior, una cámara de cátodo que incluye un cátodo en su interior y está configurada para la electrólisis del agua mediante potencia eléctrica para generar un gas hidrógeno, y un diafragma dispuesto entre la cámara de ánodo y la cámara de cátodo; un conducto de gas del lado del cátodo a través del cual fluye un gas del lado del cátodo que se descarga de la cámara de cátodo y que contiene el gas hidrógeno; un dispositivo de monitorización configurado para monitorizar al menos una concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo, una concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo, y una cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua; un conducto de suministro de hidrógeno a través del cual se suministra gas hidrógeno al gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo para aumentar la concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo; y una válvula reguladora de flujo configurada para regular el flujo del gas hidrógeno suministrado a través del conducto de suministro de hidrógeno al gas del lado del cátodo.
De acuerdo con la configuración anterior, por ejemplo, cuando se confirma en base a un resultado de la monitorización del dispositivo de monitorización que la concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo que fluye a través del conducto del gas del lado del cátodo es la concentración de hidrógeno de referencia o menos, la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo que fluye a través del conducto de gas del lado del cátodo es la concentración de oxígeno de referencia o más, o la cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua es la cantidad de potencia eléctrica de referencia o menos, el gas de hidrógeno se puede suministrar al gas del lado del cátodo por la abertura de la válvula reguladora de flujo. Además, por ejemplo, cuando se confirma en base al resultado de la monitorización del dispositivo de monitorización que la concentración de hidrógeno es más alta que la concentración de hidrógeno de referencia, la concentración de oxígeno es más baja que la concentración de oxígeno de referencia, o la cantidad de potencia eléctrica suministrada es mayor que la cantidad de potencia eléctrica de referencia, el suministro de gas hidrógeno al gas del lado del cátodo se puede detener por el cierre de la válvula reguladora de flujo.
Por lo tanto, en el sistema de electrólisis de agua, incluso cuando el gas oxígeno generado en el lado del ánodo fluye a través del diafragma para mezclarse con el gas del lado del cátodo generado en el lado del cátodo y que contiene el gas hidrógeno, esto aumenta la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo, la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo se puede reducir de forma segura.
Dado que la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo se puede reducir al añadir el gas de hidrógeno al gas del lado del cátodo, se evita que se descarte el gas del lado del cátodo. Además, el gas que tiene los mismos componentes que el hidrógeno producido en el sistema de electrólisis de agua se añade al gas del lado del cátodo. Por lo tanto, se puede evitar que se detenga la producción de hidrógeno en el sistema de electrólisis de agua cuando se añade el gas hidrógeno al gas del lado del cátodo y, por lo tanto, se puede aumentar el tiempo de funcionamiento del sistema de electrólisis de agua. Por tanto, se puede mejorar la eficiencia de producción del hidrógeno en el sistema de electrólisis de agua.
El sistema de electrólisis de agua puede incluir además un controlador configurado para controlar la válvula reguladora de flujo en base a un resultado de la monitorización del dispositivo de monitorización, en el que: el controlador puede controlar la válvula reguladora de flujo para detener el suministro del gas hidrógeno al gas del lado del cátodo cuando el hidrógeno la concentración es mayor que una concentración de hidrógeno de referencia, la concentración de oxígeno es menor que una concentración de oxígeno de referencia, o la cantidad de potencia eléctrica suministrada es mayor que una cantidad de potencia eléctrica de referencia; y el controlador puede controlar la válvula reguladora de flujo para suministrar el gas hidrógeno al gas del lado del cátodo cuando la concentración de hidrógeno es la concentración de hidrógeno de referencia o menos, la concentración de oxígeno es la concentración de oxígeno de referencia o más, o la cantidad de potencia eléctrica suministrada es la cantidad de potencia eléctrica de referencia o menos.
De acuerdo con la configuración anterior, el controlador puede controlar automáticamente la válvula reguladora de flujo. Por lo tanto, mientras se reduce la carga de la operación manual del operador, se puede evitar que se deteriore la eficiencia de producción del hidrógeno y se puede reducir la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo.
El sistema de electrólisis de agua puede incluir además un compresor configurado para comprimir el gas del lado del cátodo, en el que el conducto de suministro de hidrógeno puede estar conectado a una porción del conducto de gas del lado del cátodo, la porción está ubicada aguas arriba del compresor en una dirección de flujo del gas del lado del cátodo. Con esto, antes de que el compresor realice el calentamiento por compresión del gas del lado del cátodo, se puede aumentar la concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo y, por lo tanto, se puede mejorar aún más la seguridad del sistema.
El sistema de electrólisis de agua puede incluir además un purificador configurado para eliminar el gas oxígeno del gas del lado del cátodo para generar el gas de hidrógeno del gas del lado del cátodo, en el que el gas de hidrógeno generado por el purificador se puede suministrar a través del conducto de suministro de hidrógeno al gas del lado del cátodo. El sistema de electrólisis de agua puede incluir además un tanque de almacenamiento configurado para almacenar el gas hidrógeno generado por el purificador, en el que el gas hidrógeno almacenado en el tanque de almacenamiento puede suministrarse a través del conducto de suministro de hidrógeno al gas del lado del cátodo. Con esto, el gas oxígeno en el gas del lado del cátodo se puede eliminar de forma eficaz sin proporcionar una fuente de suministro de hidrógeno adicional.
Un procedimiento de funcionamiento de un sistema de electrólisis de agua de acuerdo con otro aspecto de la presente invención es un procedimiento de funcionamiento de un sistema de electrólisis de agua, incluyendo el sistema de electrólisis de agua: un tanque de electrólisis de agua que incluye una cámara de ánodo que incluye un ánodo en su interior y está configurada para la electrólisis del agua mediante potencia eléctrica para generar un gas oxígeno, la potencia eléctrica se suministra desde el exterior, una cámara de cátodo que incluye un cátodo en su interior y está configurada para la electrólisis del agua mediante potencia eléctrica para generar un gas de hidrógeno, y un diafragma dispuesto entre la cámara de ánodo y el cámara de cátodo; un conducto de gas del lado del cátodo a través del cual fluye un gas del lado del cátodo que se descarga de la cámara de cátodo y que contiene el gas hidrógeno; un dispositivo de monitorización configurado para monitorizar al menos una de la concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo, una concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo y una cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua; un conducto de suministro de hidrógeno a través del cual se suministra gas hidrógeno al gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo para aumentar la concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo; y una válvula reguladora de flujo configurada para regular el flujo del gas hidrógeno suministrado a través del conducto de suministro de hidrógeno al gas del lado del cátodo, el método incluye controlar la válvula reguladora del flujo para (i) detener el suministro del gas hidrógeno al gas del lado del cátodo cuando la concentración de hidrógeno es más alta que una concentración de hidrógeno de referencia, la concentración de oxígeno es más baja que una concentración de oxígeno de referencia, o la cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua es mayor que una cantidad de potencia eléctrica de referencia y (ii) suministra el gas hidrógeno al gas del lado del cátodo cuando la concentración de hidrógeno es la concentración de hidrógeno de referencia o menos, la concentración de oxígeno es la concentración de oxígeno de referencia o más, o la cantidad de potencia eléctrica suministrada es la cantidad de potencia eléctrica de referencia o menos.
Efectos ventajosos de la invención
De acuerdo con la presente invención, en el sistema de electrólisis de agua configurado para producir hidrógeno, incluso cuando el gas oxígeno generado en el lado del ánodo fluye a través del diafragma para mezclarse con el gas hidrógeno generado en el lado del cátodo, y esto aumenta la concentración de oxígeno del gas de mezcla, la concentración de oxígeno del gas de mezcla se puede reducir de forma segura. Además, se evita el descarte del gas hidrógeno que no satisface la pureza debido a la mezcla con el oxígeno y, por lo tanto, se puede mejorar la eficiencia de producción del hidrógeno.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es un diagrama de configuración esquemático de un sistema de electrólisis de agua de acuerdo con una realización.
La Figura 2 es un diagrama que muestra un flujo de control del sistema de electrólisis de agua de la Figura 1.
Descripción de las realizaciones
A continuación, se explicará una realización con referencia a los dibujos.
La Figura 1 es un diagrama de configuración esquemático de un sistema 1 de electrólisis de agua de acuerdo con la realización. El sistema de electrólisis de agua 1 incluye un tanque de electrólisis de agua 2, un analizador de pureza de gas 3, un compresor 4, un purificador 5, un tanque de almacenamiento 6, un controlador 7, un conducto de gas del lado del ánodo R1, un conducto de gas del lado del cátodo R2, un conducto de suministro de hidrógeno R3, un conducto de suministro de nitrógeno R4, un conducto de descarga de gas del lado del cátodo R5, válvulas reguladoras de flujo V1 a V4 y puertos de descarga 11 y 12.
El tanque de electrólisis de agua 2 se alimenta con potencia eléctrica (corriente continua) desde el exterior. La potencia eléctrica es, por ejemplo, potencia eléctrica generada a partir de energías renovables, como la potencia eólica, pero no se limita a esto. El tanque de electrólisis de agua 2 incluye un ánodo 8, un cátodo 9 y un diafragma 10. El tanque de electrólisis de agua 2 incluye además una cámara de ánodo 2a y una cámara de cátodo 2b. El ánodo 8 está dispuesto en la cámara de ánodo 2a, y la cámara de ánodo 2a electroliza el agua para generar un gas oxígeno mediante potencia eléctrica suministrada desde el exterior. Un gas del lado del ánodo que contiene el oxígeno gaseoso se descarga de la cámara de ánodo 2a. El cátodo 9 está dispuesto en la cámara de cátodo 2b, y la cámara de cátodo 2b electroliza el agua para generar un gas hidrógeno mediante potencia eléctrica. Un gas del lado del cátodo que contiene el gas hidrógeno se descarga de la cámara de cátodo 2b. El diafragma 10 está dispuesto entre la cámara de ánodo 2a y la cámara de cátodo 2b.
El tanque de electrólisis de agua 2 de la presente realización es, por ejemplo, del tipo de electrólisis de agua alcalina, y una solución electrolítica que contiene hidróxido de potasio (KOH) se almacena en la cámara de ánodo 2a y la cámara de cátodo 2b. Mientras el sistema de electrólisis de agua 1 está en funcionamiento, los electrolitos en la solución electrolítica se mueven en la cámara de ánodo 2a y la cámara de cátodo 2b a través del diafragma 10, y el agua se electroliza.
El tanque de electrólisis de agua 2 no se limita al tipo de electrólisis de agua alcalina y puede ser del otro tipo, tal como un tipo de polímero sólido. Dado que la Figura 1 muestra esquemáticamente el tanque de electrólisis de agua 2, se muestran una cámara de ánodo 2a y una cámara de cátodo 2b. Sin embargo, el número de cámaras de ánodo 2a y el número de cámaras de cátodo 2b no están limitados. Por ejemplo, en el tanque de electrólisis de agua 2, una pluralidad de cámaras de ánodo 2a y una pluralidad de cámaras de cátodo 2b pueden estar dispuestas alternativamente a través de una pluralidad de diafragmas 10.
El gas del lado del ánodo descargado de la cámara 2a del ánodo y que contiene el gas oxígeno fluye a través del conducto de gas R1 del lado del ánodo. Una porción del extremo aguas arriba del conducto de gas del lado del ánodo R1 está conectada a la cámara de ánodo 2a. El puerto de descarga 11 se proporciona en una porción del extremo aguas abajo del conducto de gas del lado del ánodo R1. El gas del lado del ánodo se separa de la solución electrolítica, fluye a través del conducto de gas R1 del lado del ánodo y luego se descarga a través del puerto de descarga 11 al exterior del sistema 1 de electrólisis de agua.
El gas del lado del cátodo descargado de la cámara 2b del cátodo y que contiene el gas hidrógeno fluye a través del conducto de gas R2 del lado del cátodo. Una porción del extremo aguas arriba del conducto de gas R2 del lado del cátodo está conectada a la cámara 2b del cátodo. Una porción del extremo aguas abajo del conducto de gas R2 del lado del cátodo está conectada al tanque de almacenamiento 6. El gas del lado del cátodo se separa de la solución electrolítica y fluye a través del conducto de gas R2 del lado del cátodo.
El analizador de pureza de gas 3 analiza la pureza de hidrógeno del gas del lado del cátodo que fluye a través de una porción del conducto de gas R2 del lado del cátodo, cuya porción se ubica aguas arriba del compresor 4 en una dirección de flujo del gas del lado del cátodo (en lo sucesivo, simplemente denominado "aguas arriba del compresor 4"). Específicamente, el analizador de pureza de gas 3 mide al menos una de la concentración de hidrógeno y la concentración de oxígeno (en la presente memoria, la concentración de hidrógeno como un ejemplo) del gas del lado del cátodo separado de la solución electrolítica y que fluye a través de la porción del conducto de gas R2 del lado del cátodo cuya porción se ubica aguas arriba del compresor 4. El resultado de la medición del analizador de pureza de gas 3 se transmite al controlador 7.
El compresor 4 comprime el gas del lado del cátodo. En la presente realización, el compresor 4 realiza un calentamiento por compresión del gas del lado del cátodo. El purificador 5 está dispuesto en una porción del conducto de gas del lado del cátodo R2, cuya porción se ubica aguas abajo del compresor 4 en la dirección de flujo del gas del lado del cátodo (en lo sucesivo denominado simplemente "aguas abajo del compresor 4"). El purificador 5 elimina el gas oxígeno del gas del lado del cátodo para generar el gas de hidrógeno del gas del lado del cátodo. El tanque de almacenamiento 6 está dispuesto en una porción del conducto de gas R2 del lado del cátodo, cuya porción está ubicada aguas abajo del purificador 5. El tanque de almacenamiento 6 almacena el gas hidrógeno generado por el purificador 5. El tanque de almacenamiento 6 puede almacenar hidrógeno líquido. En este caso, es necesario proporcionar un licuador en una porción del conducto de gas R2 del lado del cátodo, cuya porción se ubica entre el purificador 5 y el tanque de almacenamiento 6.
El conducto de suministro de nitrógeno R4 se proporciona para poder suministrar un gas nitrógeno al gas del lado del cátodo que fluye a través del conducto de gas del lado del cátodo R2. Una porción del extremo aguas arriba del conducto de suministro de nitrógeno R4 está conectada a una fuente de nitrógeno 13. Una porción del extremo aguas abajo del conducto de suministro de nitrógeno R4 está conectada a una porción del conducto de gas R2 del lado del cátodo, cuya porción se ubica aguas arriba del analizador 3 de pureza de gas.
La válvula reguladora de flujo V1 se proporciona en una porción del conducto de suministro de nitrógeno R4. La válvula reguladora de flujo V1 regula el régimen de flujo del gas nitrógeno suministrado a través del conducto de suministro de nitrógeno R4 al gas del lado del cátodo. Cuando se abre la válvula reguladora de flujo V1, el gas nitrógeno se suministra al gas del lado del cátodo que fluye a través del conducto de gas R2 del lado del cátodo, y esto reduce la concentración de hidrógeno y la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo. Con esto, el gas del lado del cátodo se puede inactivar y el trabajo de mantenimiento del sistema de electrólisis de agua 1 y similares se pueden realizar de forma segura.
El conducto de descarga de gas del lado del cátodo R5 se proporciona para poder descargar el gas del lado del cátodo desde el conducto de gas del lado del cátodo R2 hacia el exterior del sistema 1 de electrólisis de agua. Una porción del extremo aguas arriba del conducto de descarga de gas del lado del cátodo R5 está conectada a una porción del conducto de gas del lado del cátodo R2, cuya porción se ubica aguas abajo del analizador de pureza de gas 3 y aguas arriba del compresor 4. El puerto de descarga 12 se proporciona en una porción de extremo aguas abajo del conducto de descarga de gas del lado del cátodo R5.
La válvula reguladora de flujo V2 se proporciona en una porción del conducto de descarga de gas del lado del cátodo R5. La válvula reguladora de flujo V2 regula el régimen de flujo del gas del lado del cátodo que fluye a través del conducto de descarga de gas del lado del cátodo R5. Cuando se abre la válvula reguladora de flujo V2, el gas del lado del cátodo fluye a través del conducto R5 de descarga de gas del lado del cátodo para descargarse a través del puerto de descarga 12 hacia el exterior del sistema 1 de electrólisis de agua.
El conducto de suministro de hidrógeno R3 se proporciona para poder suministrar el gas hidrógeno al gas del lado del cátodo de manera que aumente la concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo que fluye a través del conducto de gas R2 del lado del cátodo. El gas hidrógeno que fluye a través del conducto de suministro de hidrógeno R3 es, por ejemplo, el gas hidrógeno almacenado en el tanque de almacenamiento 6. El conducto de suministro de hidrógeno R3 está conectado a una porción del conducto de gas R2 del lado del cátodo, cuya porción se ubica aguas arriba del compresor 4. En la presente realización, una porción del extremo aguas arriba del conducto de suministro de hidrógeno R3 está conectada al tanque de almacenamiento 6. Una porción del extremo aguas abajo del conducto de suministro de hidrógeno R3 está conectada a una porción del conducto de gas R2 del lado del cátodo, cuya porción se ubica aguas arriba del analizador 3 de pureza de gas.
Las válvulas reguladoras de flujo V3 y V4 se proporcionan en porciones del conducto de suministro de hidrógeno R3. Cada una de las válvulas reguladoras de flujo V3 y V4 regula el régimen de flujo del gas hidrógeno suministrado a través del conducto de suministro de hidrógeno r3 al gas del lado del cátodo. La válvula reguladora de flujo V3 se proporciona en una porción del conducto de suministro de hidrógeno R3. La válvula reguladora de flujo V4 se proporciona en una porción del conducto de suministro de hidrógeno R3, cuya porción está ubicada aguas abajo de la válvula reguladora de flujo V3 en la dirección del flujo del gas hidrógeno. Cuando las válvulas reguladoras de flujo V3 y V4 se abren, el gas hidrógeno se suministra al gas del lado del cátodo que fluye a través del conducto de gas R2 del lado del cátodo, y esto reduce la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo.
Por ejemplo, las válvulas reguladoras de flujo V1 a V3 son válvulas reguladoras de flujo electromagnéticas, y la válvula reguladora de flujo V4 es una válvula reguladora de flujo reductora de presión. Sin embargo, los tipos de válvulas reguladoras de flujo V1 a V4 no están limitados. Además, el número de válvulas reguladoras de flujo provistas en el conducto de suministro de hidrógeno R3 no está limitado y, por ejemplo, solo una de las válvulas reguladoras de flujo V3 y V4 puede proporcionarse en el conducto de suministro de hidrógeno R3. Además, por ejemplo, el gas hidrógeno que fluye a través del conducto de suministro de hidrógeno R3 puede ser el hidrógeno producido por el sistema de electrólisis de agua 1 o el gas hidrógeno suministrado desde un cilindro de hidrógeno. El sistema de electrólisis de agua 1 incluye un dispositivo de monitorización. El dispositivo de monitorización monitoriza al menos uno de: la concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo R2 (en lo sucesivo puede denominarse simplemente como una "concentración de hidrógeno"); la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo R2 (en lo sucesivo puede denominarse simplemente "concentración de oxígeno"); y la cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua 2 (en lo sucesivo puede denominarse simplemente "cantidad de suministro de potencia eléctrica"). En la presente realización, el dispositivo de monitorización monitoriza la concentración de hidrógeno y la cantidad de suministro de potencia eléctrica. Por ejemplo, el dispositivo de monitorización monitoriza la concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo en una porción del conducto de gas R2 del lado del cátodo, cuya porción se ubica aguas arriba del compresor 4. Además, el dispositivo de monitorización monitoriza la concentración de hidrógeno en base a un resultado de medición del analizador de pureza de gas 3. Además, el dispositivo de monitorización monitoriza la cantidad de suministro de potencia eléctrica en base a en un valor medido de un medidor de potencia eléctrica provisto en el sistema de electrólisis de agua 1.
El analizador de pureza de gas 3 y las válvulas reguladoras de flujo V1 a V4 están conectados al controlador 7. El controlador 7 controla las válvulas reguladoras de flujo V1 y V2 en tiempos predeterminados. Además, el controlador 7 controla las válvulas reguladoras de flujo V3 y V4 en base a en un resultado de la monitorización del dispositivo de monitorización. En la presente realización, como ejemplo, el controlador 7 también sirve como dispositivo de monitorización. Sin embargo, el dispositivo de monitorización se puede proporcionar por separado del controlador 7. El controlador 7 es, por ejemplo, un ordenador que incluye una CPU, una RAM y una ROM. La ROM almacena un programa de control predeterminado. La CPU monitoriza la concentración de hidrógeno y la cantidad de suministro de potencia eléctrica y controla las válvulas reguladoras de flujo V3 y V4 mediante el programa de control.
En algunos casos, en el sistema de electrólisis de agua, el gas oxígeno generado en el lado del ánodo fluye a través del diafragma para mezclarse con el gas del lado del cátodo generado en el lado del cátodo y que contiene el gas hidrógeno y, como resultado, el gas del lado del cátodo se convierte en la mezcla de gas. El gas oxígeno en el gas del lado del cátodo es eliminado por el purificador. La concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo aumenta a medida que disminuye la cantidad de suministro de potencia eléctrica. Cuando la cantidad de suministro de potencia eléctrica se vuelve menor que una cierta cantidad, la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo aumenta significativamente en algunos casos. En casos convencionales, cuando la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo excede un valor especificado, por ejemplo, la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo se reduce al añadir el gas nitrógeno al gas del lado del cátodo. Con esto, se mejora la seguridad del gas del lado del cátodo.
Sin embargo, dado que es difícil separar el gas hidrógeno y el gas nitrógeno después de que el gas hidrógeno y el gas nitrógeno se mezclan entre sí, el gas del lado del cátodo al que se agrega el gas nitrógeno se descarga al exterior del sistema de electrólisis de agua. Mediante esta descarga, se descarta una porción del hidrógeno producido. Además, incluso cuando se agrega el gas nitrógeno al gas del lado del cátodo, y luego, la cantidad de suministro de potencia eléctrica se recupera, es difícil reiniciar la producción de hidrógeno en el sistema de electrólisis de agua hasta que el gas nitrógeno que queda en el conducto del gas del lado del cátodo sea difícil eliminarlo adecuadamente.
Además, de acuerdo con la generación de potencia eléctrica mediante el uso de potencia renovable, la cantidad de potencia eléctrica generada cambia fácilmente en función de las condiciones, como el clima. Por lo tanto, cuando se opera el sistema de electrólisis de agua mediante el uso de energía renovable, la cantidad de suministro de potencia eléctrica tiende a convertirse en un valor especificado o menos y, en consecuencia, la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo tiende a exceder un valor especificado. Con esto, la cantidad de hidrógeno descartado después de que se agrega el gas nitrógeno puede aumentar.
Por otro lado, como se describe a continuación, el sistema de electrólisis de agua 1 controla las válvulas reguladoras de flujo V3 y V4 para detener el suministro del gas hidrógeno al gas del lado del cátodo cuando (i) la concentración de hidrógeno es mayor que una concentración de hidrógeno de referencia predeterminada, (ii) la concentración de oxígeno es menor que una concentración de oxígeno de referencia predeterminada, o (iii) la cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua 2 es mayor que una cantidad de potencia eléctrica de referencia predeterminada, y controla las válvulas reguladoras de flujo V3 y V4 para suministrar el gas hidrógeno al gas del lado del cátodo cuando (i) la concentración de hidrógeno es la concentración de hidrógeno de referencia o menos, (ii) la concentración de oxígeno es la concentración de oxígeno de referencia o más, o (iii) la cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua 2 es la cantidad de potencia eléctrica de referencia o menos. El gas oxígeno contenido en el gas del lado del cátodo se elimina por el purificador 5. Con esto, de acuerdo con el sistema de electrólisis de agua 1, se puede reducir la cantidad de hidrógeno descartado después de que se agrega el gas nitrógeno, y el hidrógeno se puede producir con alta eficiencia de producción.
A continuación, se explicará un flujo de control del sistema de electrólisis de agua 1. La Figura 2 es un diagrama que muestra el flujo de control del sistema de electrólisis de agua de la Figura 1. En el sistema de electrólisis de agua 1 en funcionamiento, el controlador 7 determina si la cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua 2 es mayor que la cantidad de potencia eléctrica de referencia (S1). Cuando el controlador 7 determina en S1 que la cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua 2 es mayor que la cantidad de potencia eléctrica de referencia, el controlador 7 determina si la concentración de hidrógeno es o no mayor que la concentración de hidrógeno de referencia (S3). La cantidad de potencia eléctrica de referencia y la concentración de hidrógeno de referencia se establecen de antemano por un operador y pueden establecerse adecuadamente.
Cuando el controlador 7 determina en S1 que la cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua 2 no es mayor que la cantidad de potencia eléctrica de referencia (es decir, la cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua 2 es la cantidad de potencia eléctrica de referencia o menos) o cuando el controlador 7 determina en S3 que la concentración de hidrógeno no es mayor que la concentración de hidrógeno de referencia (es decir, la concentración de hidrógeno es la concentración de hidrógeno de referencia o menos), el controlador 7 abre las válvulas reguladoras de flujo V3 y V4 para un cierto período de tiempo para suministrar una cierta cantidad de gas hidrógeno al gas del lado del cátodo que fluye a través de una porción del conducto de gas R2 del lado del cátodo, cuya porción está ubicada aguas arriba del compresor 4 (en la presente memoria, aguas arriba del analizador de pureza de gas 3) (S2). Con esto, se reduce la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo.
El controlador 7 realiza repetidamente S1 a S3 hasta que el controlador 7 determina en S1 que la cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua 2 es mayor que la cantidad de potencia eléctrica de referencia y determina en S3 que la concentración de hidrógeno es mayor que la concentración de hidrógeno de referencia. Cuando el controlador 7 determina en S3 que la concentración de hidrógeno es mayor que la concentración de hidrógeno de referencia, el controlador 7 cierra las válvulas reguladoras de flujo V3 y V4 para detener el suministro del gas hidrógeno al gas del lado del cátodo (S4).
El controlador 7 determina entonces si se ordena o no una parada del sistema 1 de electrólisis de agua (S5). El controlador 7 ejecuta repetidamente S1 a S5 hasta que el controlador 7 determina en S5 que se ordena la parada del sistema 1 de electrólisis de agua. Cuando el controlador 7 determina en S5 que se ordena la parada del sistema de electrólisis de agua 1, el controlador 7 termina el flujo de control. Cabe señalar que el orden de S1 y S3 en el flujo de control se puede invertir, o solo se puede realizar uno de S1 y S3.
Como se explicó anteriormente, en el sistema de electrólisis de agua 1, por ejemplo, cuando se confirma en base al resultado de la monitorización del dispositivo de monitorización que la concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo que fluye a través del conducto de gas R2 del lado del cátodo es la concentración de hidrógeno de referencia o menos o que la cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua 2 sea la cantidad de potencia eléctrica de referencia o menos, el gas hidrógeno se puede suministrar al gas del lado del cátodo por la abertura de las válvulas reguladoras de flujo V3 y V4. Además, por ejemplo, cuando se confirma, en base al resultado de la monitorización del dispositivo de monitorización, que la concentración de hidrógeno es mayor que la concentración de hidrógeno de referencia o que la cantidad de suministro de potencia eléctrica es mayor que la cantidad de potencia eléctrica de referencia, el suministro de gas hidrógeno al gas del lado del cátodo puede detenerse por el cierre las válvulas reguladoras de flujo V3 y V4.
Por lo tanto, en el sistema de electrólisis de agua 1, incluso cuando el gas oxígeno generado en el ánodo 8 fluye a través del diafragma 10 para mezclarse con el gas del lado del cátodo generado en el cátodo 9 y que contiene el gas hidrógeno, esto aumenta la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo, la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo se puede reducir de forma segura.
Dado que la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo se puede reducir al añadir el gas de hidrógeno al gas del lado del cátodo, se evita que se descarte el gas del lado del cátodo. Además, el gas que tiene los mismos componentes que el hidrógeno producido en el sistema de electrólisis de agua 1 se añade al gas del lado del cátodo.
Por lo tanto, se puede evitar que se detenga la producción de hidrógeno en el sistema de electrólisis de agua 1 cuando se añade gas hidrógeno al gas del lado del cátodo y, por lo tanto, se puede aumentar el tiempo de funcionamiento del sistema de electrólisis de agua 1. Por tanto, se puede mejorar la eficiencia de producción del hidrógeno en el sistema de electrólisis de agua 1.
Además, de acuerdo con el sistema de electrólisis de agua 1, el controlador 7 puede controlar automáticamente las válvulas reguladoras de flujo V3 y V4. Por lo tanto, mientras se reduce la carga de la operación manual del operador, se puede evitar que se deteriore la eficiencia de producción del hidrógeno y se puede reducir la concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo.
Además, el conducto de suministro de hidrógeno R3 está conectado a una porción del conducto de gas R2 del lado del cátodo, cuya porción se ubica aguas arriba del compresor 4. Por lo tanto, antes de que el compresor 4 realice el calentamiento por compresión del gas del lado del cátodo, se puede aumentar la concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo y, por lo tanto, se puede mejorar aún más la seguridad del sistema 1 de electrólisis de agua. El gas hidrógeno generado por el purificador 5 se suministra a través del conducto de suministro de hidrógeno R3 al gas del lado del cátodo. Específicamente, el gas hidrógeno almacenado en el tanque de almacenamiento 6 se suministra a través del conducto de suministro de hidrógeno R3 al gas del lado del cátodo. Con esto, el gas oxígeno en el gas del lado del cátodo se puede eliminar de forma eficaz sin proporcionar una fuente de suministro de hidrógeno adicional. Además, se puede suministrar una cantidad 12 adecuada de gas hidrógeno al gas del lado del cátodo mediante el uso del gas hidrógeno almacenado en el tanque de almacenamiento 6.
El controlador 7 puede determinar en S3 si la concentración de oxígeno es menor que la concentración de oxígeno de referencia predeterminada. En este caso, cuando el controlador 7 determina en S1 que la cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua 2 no es mayor que la cantidad de potencia eléctrica de referencia o determina en S3 que la concentración de oxígeno no es menor que la concentración de oxígeno de referencia (es decir, la concentración de oxígeno es la concentración de oxígeno de referencia o más), el controlador 7 ejecuta S2. Además, cuando el controlador 7 determina en S1 que la cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua 2 es mayor que la cantidad de potencia eléctrica de referencia y determina en S3 que la concentración de oxígeno es menor que la concentración de oxígeno de referencia, el controlador 7 ejecuta S4. La presente invención no se limita a la realización anterior, y se pueden realizar modificaciones, adiciones y eliminaciones con respecto a las configuraciones y procedimientos de la presente invención dentro del ámbito de la presente invención, cuyo ámbito está definido por las reivindicaciones.
Lista de Signos de Referencia
R2 conducto de gas del lado del cátodo
R3 conducto de suministro de hidrógeno
V3, V4 válvula reguladora de flujo
1 sistema de electrólisis de agua
2 tanque de electrólisis de agua
2a cámara de ánodo
2b cámara de cátodo
4 compresor
5 purificador
6 tanque de almacenamiento
7 controlador
8 ánodo
9 cátodo
10 diafragma

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de electrólisis de agua que comprende:
un tanque de electrólisis de agua (2) que incluye
una cámara de ánodo (2a) que incluye un ánodo (8) en su interior y está configurada para la electrólisis del agua mediante potencia eléctrica para generar un gas oxígeno, la potencia eléctrica se suministra desde el exterior, una cámara de cátodo (2b) que incluye un cátodo (9) en su interior y está configurada para la electrólisis del agua mediante potencia eléctrica para generar un gas hidrógeno, y
un diafragma (10) dispuesto entre la cámara de ánodo y la cámara de cátodo;
un conducto de gas del lado del cátodo (R2) a través del cual fluye un gas del lado del cátodo desde la cámara de cátodo y que contiene el gas hidrógeno;
un dispositivo de monitorización (3, 7) configurado para monitorizar al menos uno de una concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo, una concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo, y una cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua;
un conducto de suministro de hidrógeno (R3) a través del cual el gas hidrógeno se suministra al gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo para aumentar la concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo; y
una válvula reguladora de flujo (V3, V4) configurada para regular el régimen de flujo del gas hidrógeno suministrado a través del conducto de suministro de hidrógeno al gas del lado del cátodo.
2. El sistema de electrólisis de agua de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además un controlador (7) configurado para controlar la válvula reguladora de flujo en base a un resultado de la monitorización del dispositivo de monitorización, en el que:
el controlador controla la válvula reguladora de flujo para detener el suministro del gas hidrógeno al gas del lado del cátodo cuando la concentración de hidrógeno es mayor que una concentración de hidrógeno de referencia, la concentración de oxígeno es menor que una concentración de oxígeno de referencia, o la cantidad de potencia eléctrica suministrada es mayor que una cantidad de potencia eléctrica de referencia; y
el controlador controla la válvula reguladora de flujo para suministrar el gas hidrógeno al gas del lado del cátodo cuando la concentración de hidrógeno es la concentración de hidrógeno de referencia o menos, la concentración de oxígeno es la concentración de oxígeno de referencia o más, o la cantidad de potencia eléctrica suministrada es la cantidad de potencia eléctrica de referencia o menos.
3. El sistema de electrólisis de agua de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, que comprende además un compresor (4) configurado para comprimir el gas del lado del cátodo, en el que el conducto de suministro de hidrógeno está conectado a una porción del conducto de gas del lado del cátodo, la porción está situada aguas arriba del compresor en una dirección de flujo del gas del lado del cátodo.
4. El sistema de electrólisis de agua de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende además un purificador (5) configurado para eliminar el gas oxígeno del gas del lado del cátodo para generar el gas hidrógeno del gas del lado del cátodo, en el que
el gas hidrógeno generado por el purificador se suministra a través del conducto de suministro de hidrógeno al gas del lado del cátodo.
5. El sistema de electrólisis de agua de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende además un tanque de almacenamiento (6) configurado para almacenar el gas hidrógeno generado por el purificador, en el que el gas hidrógeno almacenado en el tanque de almacenamiento se suministra a través del conducto de suministro de hidrógeno al gas del lado del cátodo.
6. Un procedimiento de funcionamiento de un sistema de electrólisis de agua,
el sistema de electrólisis de agua comprende:
un tanque de electrólisis de agua que incluye
una cámara de ánodo que incluye un ánodo en su interior y está configurada para la electrólisis del agua mediante potencia eléctrica para generar un gas oxígeno, la potencia eléctrica se suministra desde el exterior,
una cámara de cátodo que incluye un cátodo en su interior y está configurada para la electrólisis del agua mediante potencia eléctrica para generar un gas hidrógeno, y
un diafragma dispuesto entre la cámara de ánodo y la cámara de cátodo;
un conducto de gas del lado del cátodo a través del cual fluye un gas del lado del cátodo que se descarga de la cámara de cátodo y que contiene el gas hidrógeno;
un dispositivo de monitorización configurado para monitorizar al menos una de una concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo, una concentración de oxígeno del gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo y una cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua;
un conducto de suministro de hidrógeno a través del cual se suministra gas hidrógeno al gas del lado del cátodo en el conducto de gas del lado del cátodo para aumentar la concentración de hidrógeno del gas del lado del cátodo; y una válvula reguladora de flujo configurada para regular el flujo del gas hidrógeno suministrado a través del conducto de suministro de hidrógeno al gas del lado del cátodo,
comprendiendo el procedimiento
controlar la válvula reguladora de flujo para (i) detener el suministro del gas hidrógeno al gas del lado del cátodo cuando la concentración de hidrógeno es mayor que una concentración de hidrógeno de referencia, la concentración de oxígeno es menor que una concentración de oxígeno de referencia, o la cantidad de potencia eléctrica suministrada al tanque de electrólisis de agua es mayor que una cantidad de potencia eléctrica de referencia y (ii) suministrar el gas hidrógeno al gas del lado del cátodo cuando la concentración de hidrógeno es la concentración de hidrógeno de referencia o menos, la concentración de oxígeno es la concentración de oxígeno de referencia o más, o la cantidad de potencia eléctrica suministrada es la cantidad de potencia eléctrica de referencia o menos.
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