Водородные станции, генераторы водорода | ЭкоГазСистем

Процесс начинается с подготовки воды. Для процесса электролиза требуется так называемая деионизованная вода (также называемая обессоленная, деминерализованная). Это совершенно чистая вода, очищенная от механических и химических загрязнений. Обычная водопроводная вода поступает в «Блок водоподготовки» по трубопроводу «Тр-4». Вода последовательно проходит несколько стадий очистки: механический фильтр, ионообменные смолы, обратный осмос. Насосный блок «Н-1» (включает два насоса – основной и резервный) подаёт готовую деионизованную воду в блок сепарации, через который вода попадает в «Блок электролиза».

«Блок электропитания» понижает сетевое напряжение и преобразует переменный ток в постоянный, который необходим для электролизера. Кроме того, блок обеспечивает электропитание для остального оборудования водородной установки.

В «Блоке электролиза» вода под действием постоянного электрического тока распадается в электролизере «Элз-1» на составляющие ее водород и кислород. Отметим, что деионизованная вода практически не проводит электрический ток. Поэтому для придания воде проводящих свойств в неё добавляют гидроксид калия (KOH). То есть в электролизере циркулирует не чистая вода, а электролит в виде 30%-го раствора KOH в воде. Кроме того, в электролит добавляют пентоксид ванадия (V₂O₅) для снижения поляризации электродов, что повышает эффективность процесса. Выделяющиеся газы (водород и кислород) далее идут по отдельным трактам. Далее рассматривается водородный тракт, кислородный тракт аналогичен водородному.

Водород из электролизера поступает в «Блок сепарации» по трубопроводу «Тр-1» в виде смеси с электролитом. Для выделения водорода от жидкости служит газожидкостный сепаратор «С-1». Сепаратор представляет собой сосуд, в который снизу подаётся электролит. Пузырьки газа выделяются из электролита, газ собирается в верхней части сосуда и уходит в трубопровод. Электролит сливается из сосуда и возвращается в блок электролиза по отдельному трубопроводу (на схеме не показан).

Водород на этом этапе содержит примеси щелочи. Для очистки от щелочи служит скруббер (промыватель) «Ск-1». Промыватель – это сосуд, в который снизу подаётся газ, а сверху из разбрызгивателя подаётся деионизованная вода. Капли воды падают вниз, очищая (промывая) встречный поток газа от капель щелочи. В верхней части сосуда установлен коалесцентный фильтр (пакет из мелкой металлической сетки). Мельчайшие капельки щелочи (туман) конденсируются в этом пакете и стекают вниз. Таким образом водород практически полностью очищается от следов щелочи. Далее вода по отдельному трубопроводу (на схеме не показан) поступает в сепаратор «С-1», а оттуда – в блок электролиза.

На данном этапе водород насыщен водяным паром и имеет довольно высокую температуру (порядка 50°С. Для его удаления служит конденсатор «К-1». Конденсатор – это теплообменник, в котором газ охлаждается хладоносителем поступающим от «Рефрижератора». Рефрижератор может быть часть оборудования водородной станции, но возможен вариант, когда хладоноситель подаётся от внешней системы охлаждения. Водяной пар конденсируется в конденсаторе после чего отводится из системы с помощью конденсатоотводчика «Ко-1». Водород, полученный на этом этапе называется «сырой», так он все еще содержит примеси воды (точка росы не ниже +3°С) и кислорода (на уровне 0,1-0,5%). Для дальнейшей очистки водород по трубопроводу «Тр-2» подаётся в «Блок очистки». Заметим, что кислород, в случае, если он не нужен потребителю, на аналогичном этапе по трубопроводу «Тр-5» сбрасывается в атмосферу.

В «Блоке очистки» водород сначала поступает в реактор каталитической очистки «Кт-1». Реактор представляет собой сосуд, заполненный мелкими гранулами катализатора на основе благородных металлов (платина, палладий). В присутствии катализатора примеси кислорода активно реагируют с водородом, обращаясь в воду. Таким образом водород практически полностью очищается от кислорода (содержание кислорода порядка 1-5 ppmv). Далее водород подаётся в осушитель «Осш-1». Осушитель действует на принципе короткоцикловой адсорбции (КЦА). В нем два попеременно работающий сосуда-адсорбера, заполненных специальным поглотителем (адсорбентом). Адсорбент поглощает влагу из газа. Сосуды-адсорберы работают попеременно – один находится в рабочем цикле, другой – в цикле регенерации. Таким образом водород осушается до точки росы -75°С, после чего подаётся потребителю.

 

Замечание по терминологии. В отечественной традиции используется термин «установка по производству водорода». Наравне с этим используется термин «генератор водорода», который является калькой с английского языка. Под генератором водорода обычно понимают установку, в состав которой входят: электролизер, блок сепарации, блок очистки водорода. Термином «водородная станция» обычно обозначают здание или автономный блок-контейнер, в котором размещены генератор водорода и вспомогательные агрегаты, такие как блок водоподготовки, блок электропитания, система охлаждения и прочее. 

Промышленные генераторы водорода серии H

Модели серии H	h3m	h5m	H6m
Производительность по водороду	2 м3/час 4,31 кг/24 часа	4 м3/час 8,63 кг/24 часа	6 м3/час 12,94 кг/24 часа
Давление водорода на выходе — номинальное	15 бар Опционально 30 бар
Потребляемая мощность на единицу объема произведенного водорода	7,3 кВт ч/ м3	7,0 кВт ч/ м3	6,8 кВт ч/ м 3
Чистота (концентрация примесей)	99,9995% Вода< 5 ppm, (температура насыщения -65º C), N2 < 2 ppm, O2 < 1 ppm, все остальное ниже предела обнаружения
Диапазон регулировки производительности	От 0 до 100% от номинального значения
Возможность модернизации	Модернизируемый до 6 м3	Модернизируемый до 6 м3	Нет
Требования к деионизированной воде
Расход при максимальной производительности	1,83 л/час	3.66 л/час	5.50 л/час
Температура	от 5 ºС до 50 ºС
Давление	От 1,5 до 4 бар
Качество подводимой воды	Минимальные требования: деионизированная вода ASTM тип II, < 1 мкСм/см Предпочтительно: деионизированная вода ASTM тип I, < 0,1 мкСм/см
Тепловая нагрузка и требования к охлаждению
Охлаждение	Жидкостное охлаждение
Тепловая нагрузка от системы	макс. 8.1 кВт	макс. 16.1 кВт	макс. 23.7 кВт
Охлаждающий агент	от 15 до 45 л/мин	от 15 до 68 л/мин	от 15 до 86 л/мин
	от 0 до 50 % гликоля, не загрязняющийся от 1,4 до 6,9 бар изб. 5 ºС до 35 ºС
Требования к электричеству
Рекомендуемое значение на предохранителе	22 кВА	40 кВА	58 кВА
Электропитание	От 380 до 480 В (переменный ток), трехфазный, 50 или 60 Гц
Соединения
Выход производимого водорода	¼ » CPI прессуемый зажим для труб, нержавеющая сталь
Н2/Н2О вентиляционный порт	1/2» стандартная внутренняя трубная резьба, нержавеющая сталь
Вход для деионизированной воды	1/4» стандартная внутренняя трубная резьба, нержавеющая сталь
Вход для калибровочного газа	1/8» стандартная внутренняя трубная резьба, латунь
Вход охлаждающего агента	1» стандартная внутренняя трубная резьба, латунь
Выход охлаждающего агента	1» стандартная внутренняя трубная резьба, латунь
Слив	3/8» стандартная внутренняя трубная резьба, латунь
Электричество	Подсоединено к встроенному прерывателю цепи
Цифровой выход	Ethernet
Системы управления
Стандартные характеристики	Полностью автоматизированное управление, кнопка запуск/выкл, E-stop. Встроенная система детекции утечки водорода. Самодиагностика ошибок и падения давления в системе.
Удаленный аварийный терминал	Реле тип С (5А, 250 В, 150 Вт макс. выключение)
Удаленное выключение	через предохранительный контур
Внешние характеристики
Размеры Д х Ш х В	180 x 80 x 190 см Примечание: необходимо прибавлять 8 см к высоте для установки подъемных кронштейнов
Вес (генератор / в транспортируемой упаковке )	700 кг / 807 кг	727 / 858 кг	773 кг / 908 кг
Класс	IP43 для жидкостной секции; модернизируемо до IP56 IP66 для блока электроники
Требования к условиям окружающей среды
Стандартное размещение	Внутри помещения, уровень ± 1º, от 0 до 90 % влажности без конденсата, безопасная/не классифицированная окружающая среда
Температура при хранении/перевозке	От 5°C до 60°C
Диапазон температур окружающей среды	От 5°C до 50°C
Диапазон высот — высота над уровнем моря до	2400 м
Вентиляция	Надлежащая вентиляция должна быть обеспечена из безопасной окружающей среды в соответствии с IEC60079-10, Zone 2 NE
Меры безопасности и нормативные регламенты
Вентиляция внутреннего пространства из окружающей среды	NFPA 69 и EN 1127-1, пункт 6.2. Вентилятор нагнетает поток свежего воздуха со скоростью до 28 м3/мин
Шум дБ на расстоянии 1 метр	< 83
Сертификаты	cTUVus (UL и эквивалент CSA), CE (PED, ATEX, LVD, Mach. Dir. EMC), NYFD
Опции
Proton Onsite предлагает широкий диапазон опций для конфигурирования систем, чтобы они наилучшим способом соответствовали Вашим требованиям. Для ознакомления со списком опций, доступных в настоящий момент, и обсуждения наиболее подходящего для ваших задач варианта, свяжитесь с местным представителем.

Промышленная установка производства водорода до 400 м3/час

Модуль для производства водорода.

Выходная производительность по водороду: 0-400 м3/ч

Система серии M имеет модульный дизайн, который позволяет легко конфигурировать платформу из электролитических модулей мощностью 250 кВт и производительностью 50 м3/ч. Эти модули могут быть добавлены к уже установленной базовой конфигурации для увеличения максимальной производительности системы по водороду в случае роста потребности с течением времени. Выходная производительность, независимо от максимальной производительности полной конфигурации, может регулироваться напрямую в соответствии с требованиями процесса в диапазоне 0-100% от номинальной мощности. Установки серии М могут быть сконфигурированы для работы в режиме следования за командой, позволяя пользователю эксплуатировать систему с учетом доступного источника энергии. Помимо этого, система может быть сконфигурирована для производства водорода партиями (например, для заполнения резервуара) или в режиме подачи непрерывного потока (следование за нагрузкой). Контроль за производством водорода можно осуществлять посредством дистанционного управления с очень быстрым временем отклика. Время отклика на внешние нагрузки проиллюстрировано на диаграмме, представленной ниже, которая демонстрирует превосходные показатели электролиза с ПОМ в приложениях возобновляемой энергии. Компания Proton OnSite — единственный изготовитель газогенераторных систем, обладающий техническими знаниями и опытом разработки конструкций ПОМ-модулей с высоким избыточным давлением, что практически исключает риск попадания кислорода в поток водорода. Таким образом, понятие опасности, обусловленной наличием кислорода, фактически устаревает, свидетельствуя, что разработанный компанией Proton метод с использованием ПОМ является безопасным, современным методом газового производства.

Чистота водорода: 99.9998%

Реализация технологии на основе ПОМ компании Proton, а именно, работа батареи электролитических элементов при высоком избыточном давлении газа устраняет необходимость в использовании улавливающего кислород катализатора благодаря крайне низкому содержанию кислорода (2 или углеводороды также не превышает 1 ppm. Единственным загрязнителем водорода на выходе из электролизного модуля является водяной пар, который удаляется встроенными автоматически регенерируемыми осушителями, что позволяет получать на выходе водород чистотой 99,9998% и с точкой росы – 70 °С.

Сертифицировано по ISO22734-1:2008

Система производства водорода серии M прошла независимую сертификацию (TUV Rhineland) на соответствие техническим требованиям, изложенным в стандарте ISO 22734-1:2008. Стандарт ISO 22734-1:2008 определяет требования к конструкции, безопасности и производительности полностью укомплектованных устройств и установок, изготавливаемых для нужд предприятий, производящих водород посредством электрохимических реакций, а именно, электролизом воды с образованием газообразных водорода и кислорода.

Современные операционная система и система безопасности

В генераторе водорода серии M для безопасного контроля за ходом электролиза используется комбинация инструментов, мониторинг которых производится ПЛК аварийной защиты (SIL3/Cat.3/PLe) и ПЛК операционной системы. ПЛК аварийной защиты отслеживает состояние таких устройств, как вентиляция и кнопка аварийного отключения, детекторы дыма, горючего газа и огня, а также некоторых датчиков давления и температуры. ПЛК операционной системы отвечает за выполнение последовательности автоматического запуска системы и отслеживает примерно 130 параметров, отклонения которых могут привести к возникновению в системе аварийной ситуации или ее отключению. В техническом решении системы реализована концепция аварийной безопасности, которая гарантирует, что система находится в нейтральных и безопасных условиях после отключения по какой бы то ни было причине не прибегая к использованию блока бесперебойного питания (UPS).

Сигнал удаленного доступа для контроля выходных параметров водорода.

Система производства водорода серии M принимает сигнал, подаваемый конечным пользователем для запроса выработки водорода исходя из желаемой электрической нагрузки. Этот сигнал подобен сигналу датчика давления продукта, который используется в режиме «следования за нагрузкой», за исключением того, что, чем выше сигнал команды, тем большая производительность по водороду требуется. Схема регулировки режима следования за командой подобна режиму «полного заполнения резервуара», который предполагает следующий механизм действий: когда давление продукта достигает заданного значения, система постепенно снижает количество производимого продукта и переходит в состояние Подготовка / Готов к запуску.

Модульный дизайн и комплектация позволяют легко интегрировать установку на предприятии заказчика. Система производства водорода серии М спроектирована таким образом, что ее основные функции разделены на соответствующие модули, которые изготавливаются и тестируются независимо, но в то же время могут быть быстро соединены при подключении по месту на предприятии заказчика. Главный модуль системы – электролитический, состоит из восьми батарей электролитических элементов, резервуара для воды, сепаратора газообразного кислорода, теплообменника основного процесса и водяного циркуляционного насоса. Каждый из 250-киловаттных электролитических модулей оснащен соответствующим выпрямителем и блоком распределения электропитания, которые регулируют уровень тока, подаваемого к каждой из батарей. Пара 250-киловаттный электролитический модулей / выпрямитель дает возможность в определенной мере снизить степень операционного риска для мегаваттной и мультимегаваттной платформ серии М, а также обеспечить существенный уровень дублирования. Водород отводится из электролитического модуля в систему контроля и обработки газообразного водорода, где производится его отделение и сжатие. По требованию пользователя газообразный водород подается на осушитель для дальнейшей очистки. Система поставляется со всей сопутствующей трубной развязкой и электропроводкой, необходимой для подключения главных электролитических модулей во время инсталляции у конечного пользователя.
Комплект для установки в помещении включает следующее оборудование:

• Трансформатор среднего напряжения поставляется для перехода от напряжения, обеспечиваемого пользователем (обычно 10 кВ или 20 кВ, трехфазное, 50/60 Гц с допустимым колебанием входного напряжения ±10% от номинального) к низкому напряжению, от которого питается распределительное устройство (поставляемое компанией Proton), подающее электричество к выпрямителям батареи электролитических элементов.
• Модули водородного и кислородного процессов
• Функции системы контроля и обработки воды и кислорода:
• Прокачивает воду через батарею электролитических элементов
• Подает воду для электролиза к батарее элементов
• Отводит тепло от батареи элементов для поддержания в них стабильной температуры
• Регулирует давление кислорода
• Отделяет жидкую водную фазу от газообразного кислорода, образующегося в процессе электролиза
• Отслеживает чистоту воды, минимальный расход воды в батарее, количество/уровень воды, температуру воды/кислорода на выходе из батареи, давление в модулях, содержание горючего газа в производимом газообразном кислороде и давление воды во входном трубопроводе каждой батареи элементов.
• Обеспечивает выбор и подачу газов из отдельных камер вручную для периодического проведения техобслуживания
• Обеспечивает водоподготовку с целью удаления из нее следовых количеств ионов.
• Реле расхода гарантируют надлежащую подачу потоков к батарее электролитических элементов.

Функции системы контроля и обработки газообразного водорода:

• Отделяет жидкую «протонированную воду» (прошедшую через мембраны батареи элементов вместе с газообразным водородом, полученным во время электролиза) от водорода
• Охлаждает газ и конденсирует водяной пар из потока газообразного водорода, возвращая его в систему обработки газа для повторного использования
• Осушает водород до требуемого значения точки росы при помощи опционального осушителя, работающего по принципу короткоцикловой адсорбции
• Создает и регулирует противодавление в системе с водородной стороны батареи элементов
• Возвращает протонированную и конденсированную воду в систему обработки воды и кислорода для повторного использования в процессе
• Следит за давлением водорода в системе, температурой и содержанием протонированной воды
• Предотвращает противоток выходящего водорода обратно в систему
• Опционально возможен мониторинг расхода водорода и точки росы водорода
• При необходимости выбрасывает часть водорода в систему вентиляции в условиях низкого уровня тока

Батареи элементов и выпрямители

Батареи образованы элементами, состоящими из слоев протонообменных мембран (ПОМ), имеющих последовательное электрическое соединение и внутреннюю трубную обвязку с параллельным подключением для подачи жидкости к каждому элементу. Батарея элементов имеет вход для воды, выход воды/водорода, контакт положительной шины, контакт отрицательной шины, монтажные крепежи. Поток деионизированной дистиллированной воды попадает в батарею через входной порт для воды и далее разделяется внутри батареи, поступая по входной трубной обвязке к каждому из электролитических элементов. Небольшая порция воды, протекающей через каждый элемент, попадает на анод (+) и расщепляется на ион кислорода и протоны при пропускании постоянного тока через контакты шин батареи; пузырьки кислорода, формирующиеся на аноде, вовлекаются в основной поток. Основная часть воды, протекающей через каждый элемент, уносит кислород и отводит от элементов тепло, вытекая через выходную трубную обвязку батареи.

Водород образуется внутри камеры с катодом каждого ПОМ-элемента при поступлении на анод элемента воды и подаче тока на шину батареи. Когда постоянный ток подается к батарее элементов, идет производство водорода. Притяжение молекул воды к положительному заряду протонов, прошедших через протонообменную мембрану, приводит к формированию потока жидкой воды, также транспортируемой через мембрану. Она носит название «протонированная вода». Водород и вода от каждого действующего элемента собираются во внутренней трубной обвязке катода батареи элементов и выходят из нее за счет давления в системе. Выпрямители тока (AC/DC) превращают входной переменный ток в постоянный, необходимый для питания батарей электролитических элементов. Постоянный выходной ток выпрямителя регулируется системным ПЛК с целью контроля объема производимого газообразного водорода. Существует три основных режима работы: Режим следования за командой: Если необходим локальный контроль, пользователь вводит желаемое значение выработки продукта в процентах от производительности системы. В режиме следования за командой для представления требуемого процента производительности также можно использовать внешний сигнал 4 — 20 мА, подаваемый пользователем. При этом источнику питания батареи электролитических элементов дается команда вырабатывать ток пропорционально команде. При достижении максимального давления продукта установка перейдет в режим остановки работы. Режим заполнения резервуара: Источнику питания батареи электролитических элементов дается команда обеспечить подачу максимально возможного тока. При достижении установленного максимального значения давления продукта (т.е. соответствующего полностью заполненному резервуару) установка переходит в холостой режим. Когда давление продукта упадет ниже заданного порогового значения давления для наполнения резервуара, снова будет подан максимальный ток. Режим следования за нагрузкой: Выходной ток варьируется на основе обратной связи от датчика, детектирующего рабочее давление. Ток снижается, когда датчик показывает, что давление приближается к заданной величине. Ток увеличивается при уменьшении давления.

Режим сниженной производительности:

Цель режима сниженной производительности заключается в том, чтобы поддержать функционирование системы в случае отказа некоторых компонентов системы. В случае сбоя в работе системы электроснабжения батареи элементов, переключателя потока воды либо в условиях высокой температуры воды система продолжит работать таким образом, чтобы поддержать работоспособность оборудования системы безопасности, уменьшив в то же время объем производимого водорода.

Система управления на базе ПЛК

В водородных установках серии М управление работой системы и контроль безопасности осуществляются при помощи ПЛК.

Генераторы водорода серии S для лабораторий и небольших производств

Модели серии S                                              S10                                        S20                                     S40
Производительность по водороду	0.26 м3/час 4.7 л/мин 0.57 кг/24 часа			0.53 м3/час 9.4 л/мин 1.14 кг/24 часа			1.05 м3/час 18.8 л/мин 2.27 кг/24 часа
Давление водорода на выходе — номинальное	13,8 бар
Потребляемая мощность на единицу объема произведенного водорода	6,5 кВт ч/ м3				6,3 кВт ч/ м3			6,1 кВт ч/ м3
Чистота (концентрация примесей)	99,9995% Водяной пар < 5 ppm воды (температура насыщения -65º C) N2 < 2 ppm, O2 < 1 ppm, Всё остальное ниже предела обнаружения
Диапазон регулировки производительности	От 0 до 100% от номинального значения
Возможность модернизации	Нет
Требования к деионизированной воде
Расход  при максимальной производительности		0.26 л/час	0.47 л/час			0.94 л/час
Температура		от 5 ºС до 35 ºС
Давление		От 1,5 до 4 бар
Качество подводимой воды		Минимальные требования: деионизированная вода ASTM тип II, < 1 мкСм/см (> 1 МОм-см) Предпочтительно: деионизированная вода ASTM тип I, < 0,1 мкСм/см (> 10 МОм-см)
Тепловая нагрузка и требования к охлаждению
Охлаждение	Воздушное охлаждение
Максимальная тепловая нагрузка от системы	1.1 кВт макс		2.2 кВт макс			4.3 кВт макс
Охлаждающий агент	Воздух из окружающей среды, от 5 ºС до 40 ºС
Требования к электричеству
Рекомендуемое значение на предохранителе		3 кВА	4,5 кВА			8,5 кВА
Электропитание		205-240 В (переменный ток), однофазный, 50 или  60 Гц
Соединения
Выход производимого водорода		¼ » CPI™  прессуемый зажим для труб, нержавеющая сталь
Н2/Н2О вентиляционный порт		1/2 » CPI™  прессуемый зажим для труб, нержавеющая сталь
Вход для деионизированной воды		¼ » ПП трубка с защелкой
Дренажный выход		¼ » ПП трубка с защелкой
Электричество		Подсоединено к встроенному автоматическому предохранителю
Цифровой выход		RS 232, Ethernet
Система управления
Стандартные характеристики		Полностью автоматизированное управление, кнопка запуск/выкл, E-stop. Встроенная система детекции утечки водорода. Самодиагностика ошибок и падения давления в системе.
Удаленный аварийный терминал		Реле тип С 2А/30 В(пост.ток) для выключения
Удаленное выключение		Предохранительный шунтовый выключатель
Внешние характеристики
Размеры Ш х Д х В		97 см  x 79 см  x 112 см
Вес		209 кг
Класс		IP22
Требования к окружающим условиям *Не замораживать*
Стандартное размещение		Внутри помещения, уровень ± 1º, от 0 до 90 % влажности без конденсата, безопасная/не классифицированная окружающая среда
Температура при хранении/перевозке		От 5°C до 60°
Диапазон температур окружающей среды		От 5°C до 40°
Диапазон высот — высота над уровнем моря до		1520 м
Вентиляция		Надлежащая вентиляция должна быть обеспечена из безопасной окружающей среды в соответствии с IEC60079-10, Zone 2 NE
Меры безопасности и нормативные регламенты
Вентиляция помещения (окружающая среда)		NFPA 69 и EN 1127-1, пункт 6.2. Вентилятор нагнетает поток свежего воздуха со скоростью до 28 м3/мин (1000 фут3/мин)
Шум, дБ на расстоянии 1 метр		< 70
Сертификаты		cTUVus (UL и эквивалент CSA), CE (PED, ATEX, LVD, Mach. Dir. EMC), Сертификат NYFD