RU2560883C1 - Method of operating solid-polymer water electrolyser - Google Patents

Method of operating solid-polymer water electrolyser Download PDF

Info

Publication number
RU2560883C1
RU2560883C1 RU2014102826/04A RU2014102826A RU2560883C1 RU 2560883 C1 RU2560883 C1 RU 2560883C1 RU 2014102826/04 A RU2014102826/04 A RU 2014102826/04A RU 2014102826 A RU2014102826 A RU 2014102826A RU 2560883 C1 RU2560883 C1 RU 2560883C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
water
electrolysis current
electrolysis
electrolyser
Prior art date
Application number
RU2014102826/04A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014102826A (en
Inventor
Игорь Николаевич Глухих
Юлия Михайловна Федорова
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" filed Critical Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority to RU2014102826/04A priority Critical patent/RU2560883C1/en
Publication of RU2014102826A publication Critical patent/RU2014102826A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2560883C1 publication Critical patent/RU2560883C1/en

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to a method of operating a solid-polymer water electrolyser, which includes applying dc supply voltage and feeding reaction water into the electrolyser, heating the solid-polymer electrolyser and the reaction water to operating temperature which corresponds to a given electrolysis current while monitoring the present electrolysis current and temperature values, measuring the operating temperature of the solid-polymer water electrolyser which provides the given electrolysis current value, and breaking down water at said temperature and electrolysis current into hydrogen and oxygen. The method is characterised by that measurement of the operating temperature of the solid-polymer water electrolyser is carried out once the electrolysis current during heating reaches its maximum value and begins to fall, having reached the given value.
EFFECT: use of the present invention provides high-speed thermal stabilisation of the electrolysis cell.
1 dwg

Description

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).The invention relates to electrochemistry and can be used in the operation of solid polymer (TP) electrolyzers of water (EV), as well as electrochemical generators (ECG) made on the basis of proton-conducting membranes of the Nafion type (domestic version - MF-4SK).

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)).The generally accepted method of operating electrochemical plants with EV or ECG is known, when these units together with the working fluid (reaction water or hydrogen and oxygen) are first heated, and then they are already operating in stationary mode. In some cases, heat accumulators are used to start the heating of the electrochemical generator, and in the ECG + EV regenerative system, the electrolyzer is heated with the heat generated by ECG (application No. 2008123214, 01/10/2010, IPC: 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, 15th 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:As a prototype chosen technical solution proposed in «DEVELOPMENT OF A HIGH PRESSURE PEM ELECTROLYZER: ENABLING SEASONAL STORAGE OF RENEWABLE ENERGY , RA Engel, GS Chapman, CE Chamberlin and PA Lehman, 15 th Annual US Hydrogen Conference, Los Angeles , CA, April 26-30, 2004 ”for solid polymer water electrolyzer. Here, to start the TP EV with the Nafion membrane, a procedure is used that includes:

- включение электропитания ЭВ (постоянное напряжение);- turning on the power supply of the EV (constant voltage);

- включение циркуляции воды через электролизер, ее нагрев до рабочей температуры (36-50°C) и соответствующего значения тока электролиза;- inclusion of water circulation through the electrolyzer, its heating to the working temperature (36-50 ° C) and the corresponding value of the electrolysis current;

- контроль текущих значений тока электролиза и температуры;- control of current values of electrolysis current and temperature;

- фиксацию рабочей температуры твердополимерного электролизера воды, обеспечивающей его заданную производительность, и соответствующее значение тока электролиза;- fixing the operating temperature of the solid polymer electrolyzer of water, ensuring its predetermined performance, and the corresponding value of the electrolysis current;

- генерирование газов - водорода и кислорода - на стационарном режиме при рабочей температуре и токе электролиза.- generation of gases - hydrogen and oxygen - in stationary mode at operating temperature and electrolysis current.

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.The disadvantage of the prototype is its thermal inertia - to regulate in this way can only be quite slow thermal processes. Pulse temperature fluctuations in individual electrolysis cells (EJ), especially the overheating of individual zones on their membranes, is not able to fend off such a device. Meanwhile, it is precisely in these cases that burnout of the EE most often occurs, which leads to the occurrence of an explosive situation. It should be noted at the same time that the membrane burns out in those parts of it that do not come into contact with liquid water, since in the gas cavities near the membrane surface the heat sink is several orders of magnitude worse than in water.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение быстродействующей тепловой стабилизации ЭЯ путем демпфирования возможных импульсных и локальных перегревов мембраны.The objective of the invention is the provision of high-speed thermal stabilization of EJ by damping possible pulse and local overheating of the membrane.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы электролизных ячеек, снижение вероятности прогорания их протонопроводящих полимерных мембран и предотвращение взрывоопасной ситуации.The technical result of the invention is to increase the reliability of the electrolysis cells, reduce the likelihood of burnout of their proton-conducting polymer membranes and prevent an explosive situation.

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.The technical result is achieved due to the fact that in the method of operation of the solid polymer electrolyzer of water, which includes supplying a constant supply voltage and reaction water to it, heating the solid polymer electrolyzer and reaction water to a working temperature corresponding to a predetermined value of the electrolysis current with monitoring of the current values of the electrolysis current and temperature, fixing the working temperature of the solid polymer electrolyzer of water, providing a given value of the electrolysis current, and the subsequent decomposition of water and a given temperature and current electrolysis into hydrogen and oxygen, operating temperature fixing a solid polymer water electrolyzer is performed after the electrolysis current in the heating process reaches its maximum value and begins to fall, having reached a predetermined value.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1), на котором представлен общий вид температурной характеристики протонопроводящей мембраны Нафион.The invention is illustrated in the drawing (figure 1), which shows a General view of the temperature characteristics of the proton conducting membrane Nafion.

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 imax (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.The essence of the invention lies in the fact that high-speed thermal stabilization of electrolysis cells is provided due to the specific temperature characteristics (TX) of the Nafion membrane, that is, the dependence of its conductivity on temperature (Yu.A. Dobrovolsky et al. “Proton-exchange membranes for hydrogen-air fuel cells” , “Russian Chemical Journal”, 2006, vol. L, No. 6, p. 97). The conductivity of the membrane and, accordingly, the electrolysis current increases in proportion to the temperature, and having reached its maximum i max (point C), it drops sharply. In the area of growth of TX, an arbitrary operating point A is unstable (Fig. 1). Indeed, any random short-term temperature change in one direction or another leads to a change in current in a direction that stimulates a further change in temperature ("more-more", "less-less"). As a result, heating or cooling is increasing, and the stability of the operating mode at point A is ensured only by the thermal control system (CTP) of the electrolysis unit.

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).In this case, the STR, which determines the operating temperature (T 1 ), due to its inertia, cannot damp short-term temperature deviations, especially the formation of local overheating zones on the surface of the EH membranes (the cause of burnout of the membrane).

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.If you work on the decreasing section of TX at point B at the same electrolysis current (i 0 ), but a higher temperature (T 2 ), then the thermal state of the membrane and individual sections of its surface will be stable. In this case, temperature and current deviations will cancel each other out (“more-less”, “less-more”). Thus, the presence of negative feedback between these operating characteristics of the electromagnet provides “thermal auto-stabilization” of the cell. Moreover, the small thickness of the membrane ensures its low thermal inertia and, as a consequence, the synchronism of current and temperature fluctuations.

Реализуется способ следующим образом.The method is implemented as follows.

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 imax (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 Т221). 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.A constant voltage supply voltage from the power source and reaction water are supplied to the solid polymer water electrolyzer. Just as with the well-known method of starting an electrolysis unit, the solid-polymer water electrolyzer and reaction water are heated with the help of a CTP electrolysis unit to a temperature T 1 , which provides a given EV output and an electrolysis current i 0 . In this case, the thermal regime of the EV is not stabilized, but the further heating of the solid polymer electrolyzer and reaction water is continued. The increase in the electrolysis current and temperature, which occurs due to the operation of the STR and the heat generation of the electrolyzer itself, continues. After reaching the maximum value of i max (at a temperature of ≈80 ° C), the electrolysis current begins to fall, despite the fact that the temperature is still growing. The fixation of the operating temperature of the solid polymer water electrolyzer is carried out using the STR at the previous value of the electrolysis current i 0 , but at a higher temperature T 2 (T 2 > T 1 ). In the future, the operation of the EV occurs in a stationary mode with a given performance and current i 0 , but at a temperature of T 2 . At the same time, despite the higher temperature level, the thermal regime of the EH membranes is more stable with respect to short-term temperature fluctuations of the membrane itself and local zones on its surface.

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.Monitoring the current values of the electrolysis current and temperature, fixing the operating temperature, providing a given performance and the corresponding value of the electrolysis current, is carried out using the STR electrolyzer and a control system for monitoring and parameters of the electrolysis unit.

Таким образом, предложенное изобретение повышает надежность работы твердополимерного электролизера, снижая вероятность прогорания его мембран.Thus, the proposed invention improves the reliability of the solid polymer cell, reducing the likelihood of burnout of its membranes.

Claims (1)

Способ эксплуатации твердополимерного электролизера воды, включающий 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, отличающийся тем, что 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. A method of operating a solid polymer water electrolyzer, including supplying a constant supply voltage and reaction water to it, heating the solid polymer electrolyzer and reaction water to a working temperature corresponding to a predetermined value of the electrolysis current with monitoring the current values of the electrolysis current and temperature, fixing the operating temperature of the solid polymer water electrolyzer, providing a predetermined the value of the electrolysis current, and the subsequent decomposition of water at a given temperature and electrolysis current into hydrogen and oxygens, characterized in that the fixation of the working temperature is carried out a solid polymer electrolytic water after electrolysis current in the heating process reaches its maximum value and begins to fall, having reached a predetermined value.
RU2014102826/04A 2014-01-28 2014-01-28 Method of operating solid-polymer water electrolyser RU2560883C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014102826/04A RU2560883C1 (en) 2014-01-28 2014-01-28 Method of operating solid-polymer water electrolyser

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014102826/04A RU2560883C1 (en) 2014-01-28 2014-01-28 Method of operating solid-polymer water electrolyser

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014102826A RU2014102826A (en) 2015-08-10
RU2560883C1 true RU2560883C1 (en) 2015-08-20

Family

ID=53795654

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014102826/04A RU2560883C1 (en) 2014-01-28 2014-01-28 Method of operating solid-polymer water electrolyser

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2560883C1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2769324C1 (en) * 2021-06-10 2022-03-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Device for water electrolysis in the arctic zone

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1754798A1 (en) * 1990-10-25 1992-08-15 Московский Технологический Институт Министерства Бытового Обслуживания Населения Рсфср Device for automatic control of water electrolysis for production of hydrogen and oxygen
RU94014775A (en) * 1994-04-20 1996-12-20 В.Н. Дудин Method of controlling current in electrolyzers for producing combustible gases from water

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1754798A1 (en) * 1990-10-25 1992-08-15 Московский Технологический Институт Министерства Бытового Обслуживания Населения Рсфср Device for automatic control of water electrolysis for production of hydrogen and oxygen
RU94014775A (en) * 1994-04-20 1996-12-20 В.Н. Дудин Method of controlling current in electrolyzers for producing combustible gases from water

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
R.A. Engel et. al., DEVELOPMENT OF A HIGH PRESSURE PEM ELECTROLYZER: ENABLING SEASONAL STORAGE OF RENEWABLE ENERGY, 15th Annual U.S. Hydrogen Conference, Los Angeles, CA, April 26-30, 2004. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014102826A (en) 2015-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10081872B2 (en) Hydrogen production system and method for producing hydrogen
US20080296172A1 (en) Pulsed electrolysis apparatus and method of using same
JP6574891B2 (en) Hydrogen production system and hydrogen production method
US20120103824A1 (en) Multi-Cell Dual Voltage Electrolysis Apparatus and Method of Using Same
RU2013155686A (en) ELECTRIC ENERGY GENERATION SYSTEM BASED ON FUEL ELEMENTS AND METHOD FOR MANAGING THIS ELECTRIC ENERGY GENERATION SYSTEM
WO2013177272A3 (en) Energy generation system and related uses thereof
KR102543800B1 (en) Water electrolysis system that improves durability by preventing performance degradation inside the water electrolysis stack
KR20210103780A (en) Hydroelectric system and control method of the same
RU2560883C1 (en) Method of operating solid-polymer water electrolyser
Gong et al. Response behaviour of proton exchange membrane water electrolysis to hydrogen production under dynamic conditions
CN109196748B (en) Method for powering a device by an autonomous hybrid station
WO2020008687A1 (en) Water electrolysis system and water electrolysis method
JP6826476B2 (en) Water electrolysis system
RU2554876C1 (en) Method for using solid-polymer electrolytic cell
Lettenmeier et al. Proton Exchange Membrane Electrolyzer Systems Operating Dynamically at High Current Densities
CN114243714A (en) Electrolytic bath control method, electrolytic bath control device, computer equipment and storage medium
WO2008010108A2 (en) Dual voltage electrolysis apparatus and method of using same
JP5239577B2 (en) FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL START-UP METHOD
JP2013241638A (en) Water electrolysis system and operation method of the same
WO2008146187A1 (en) Pulsed electrolysis apparatus and method of using same
Cheng et al. Adaptive Efficiency Enhancement Control for Hydrogen Production by Alkaline Water Electrolyzers Under Varying Temperature
Giotakos Mathematical modeling of electrocatalytic layers in high temperature polymer electrolyte membrane fuel cells
JP2022187743A (en) Hydrogen production apparatus and hydrogen production method
Ahmed et al. Design and development of Fuel Cell Oxygen Tree (FCOT)
KR20240027085A (en) High-temperature water vapor electrolysis device, hydrogen production method, and hydrogen production system

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20210129