Харьковский Национальный Университет им В Н Каразина Физико-энергетический

Харьковский Национальный Университет им. В. Н. Каразина Физико-энергетический факультет Кафедра физики нетрадиционных энерготехнологий и экологии Бакалаврская аттестационная работа Электрохимичекий генератор высокого давления Выполнил: ст. гр. НФ-41 Барсуков А. С. Научный руководитель: д-р техн. наук, проф. Соловей В. В.

Цель работы Доказать, что электрохимические генераторы водорода и кислорода высокого давления позволят решить ряд важных задач в области энергетики. 2

Актуальность исследований Одними из основных недостатков электрохимического метода получения водорода является его большая энергоемкость и высокая стоимость оборудования. Поэтому для водородной энергетики перспективной и актуальной является разработка электрохимических технологий генерации водорода из воды с минимальными затратами электроэнергии и средств. 3

Основные задачи, на решение которых направлено исследование ü Снижение энергоемкости процесса генерации водорода и кислорода. ü Снижение материалоемкости основных узлов и механизмов. ü Повышение надежности и безопасности процесса. ü Существенное повышение давления генерируемых газов. 4

Экспериментальные циклограммы изменения напряжения генерации водорода и кислорода высокого давления 5

Зависимость расхода электроэнергии от напряжения для фиксированной температуры электрохимической реакции Uт=1, 48 В; W т=3, 53 к. Втч 6 Температура электролита: Т=280 К Т=300 К Т=333 К W, кв ч/m 3 5, 5 5 4, 5 4 КПД=92% при W=3, 8 к. Втч 3, 5 3 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 t, o. C Напряжение 0, 5 В; Напряжение 1, 0 В; Напряжение 1, 8 В; Прогнозируемое значени (напряжение 1, 8 В); Прогнозируемое значени (напряжение 1, 0 В); Прогнозируемое значени (напряжение 0, 5 В). 6

Экспериментальные установки для исследования процессов электрохимического получения водорода 7

Образцы электролизной техники высокого давления (Р=20, 0 МПа), разработанные в ИПМаш НАН Украины Внешний вид электролизера ЭВД 0, 5 -15 Производительностью 0, 5 м 3/ч Внешний вид электролизера ЭВД 1, 0 -15 Производительностью 1, 0 м 3/ч Внешний вид электролизера ЭВД 0, 2 -15 производительностью 0, 2 м 3/ч 8

Рабочие характеристики генераторов водорода Параметр ЭВД 0, 2 -150 ЭВД 0, 5 -150 ЭВД 1, 0 -150 ЭВД 4 -150 ЭВД 6 -150 Производительность по Н 2, м 3/ч 0, 2 0, 5 1, 0 4, 0 6, 0 Производительность по О 2, м 3/ч 0, 1 0, 25 0, 5 2, 0 3, 0 0, 83× 2, 1× 2, 6 1, 5× 3, 5× 5 Чистота Н 2, % 99, 98 Чистота О 2, % 99, 95 Рабочее давление генерируемых газов, МПа 0, 1 – 15 Потребляемая мощность на 1 м 3 водорода, к. Вт·ч 3, 8 – 4, 1 Расход воды на 1 м 3 водорода, кг 0, 84 ± 0, 02 Качество питающей воды Габаритные размеры, м Вес, кг Позиционирование установки Диапазон рабочих температур, К дистиллят по ГОСТ 6709 -72 0, 5× 0, 6× 1, 75 50 – 80 0, 5× 0, 6× 2, 5 200 – 220 1, 0× 1, 85 300 – 450 2000 – 2200 4000 – 4200 вертикальное расположение 280 – 393 9

Рыночные возможности внедрения предлагаемой технологии Космос 1% Другие 4% Метанол 8% Аммиак 50% Нефтепереработка 37% Структура потребления водорода Технология может использоваться не только в качестве источника экологически чистого вида топливаводорода, но и как составляющая экологически чистого энерготехнологического комплекса, в который могут входить установки, использующие возобновляемые виды энергии (ветер, солнце). Электролизер высокого давления в комплексе с гелиоэнергетической установкой может использоваться на фермерских хозяйствах, животноводческих комплексах, автономных узлах связи и других объектах. Возможно использование предложенной разработки в системах, для сглаживания неравномерности между поступлением и потреблением энергии. 10

Схема автономной гелиоводородной станции с электролизером высокого давления ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ ПОТРЕБИТЕЛЮ 1 9 Н 2 2 3 О 2 7 4 5 7 6 Н 2 8 О ~U=50 -380 V, DS. ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ ПОТРЕБИТЕЛЮ 10 2 1 - Гелиоэлектрическая установка; 2 - система электропреобразования и управления; 3 - электролизер высокого давления модульного типа; 4 - бак опресненной воды; 5 - опреснительный блок (дистилляционного /обратноосмотического типа); 6 - бак исходной воды; 7 - насос; 8 - система хранения товарного водорода и кислорода ; 9– гидридный аккумулятор водорода; 11 10—ДВС использующий водород.

Основные особенности электрохимической технологии получения водорода и кислорода 1. Снижение энергозатрат на единицу произведенного продукта. В экспериментальных образцах удельные затраты электроэнергии составляют 3, 8 - 4, 1 к. Вт. ч/м 3. 2. Система обеспечивает генерацию газов с давлением ограниченным лишь прочностью конструкции корпусных элементов (до Р = 70 МПа). 3. Отсутствие разделительных мембран повышает надежность и безопасность эксплуатации системы. 4. В электрохимическом генераторе водорода и кислорода высокого не используются редкоземельные металлы и металлы платиновой группы, что в совокупности с отсутствием компрессорной техники удешевляет стоимость основного оборудования. 5. Чистота получаемого в результате электрохимической реакции 12 водорода 99, 98%, а кислорода 99, 95%.