Выпрямитель для электролитического производства водорода из воды

Когда говорят про водородную энергетику, все сразу вспоминают про топливные элементы или хранение газа, а ведь выпрямитель для электролитического производства водорода — это тот самый узел, от которого КПД всей системы зависит. Многие почему-то думают, что можно взять любой промышленный выпрямитель — и вперёд, но на практике даже 2-3% просадки по напряжению могут снизить выход водорода на десятки процентов.

Почему стандартные решения не всегда работают

В прошлом году на одном из заводов в Новосибирске пытались адаптировать выпрямитель от гальванической линии — получили перегрев электродов и постоянные скачки плотности тока. Оказалось, что для электролизёров нужна не просто стабилизация, а плавная регулировка в диапазоне 1.5–3 В с защитой от обратной полярности. Если где-то в цепи есть даже минимальные пульсации — щёлочь начинает 'кипеть' неравномерно, и мембрана выходит из строя за месяц вместо заявленных пяти лет.

Кстати, про мембраны — тут тоже есть нюанс. Когда мы тестировали импульсные источники питания для экспериментальной установки, то заметили, что при частотах выше 10 кГц начинается кавитация в приэлектродной зоне. Вроде бы мелочь, но именно из-за таких 'мелочей' потом приходится менять всю конструкцию электролизёра.

Особенно проблематично с дешёвыми китайскими блоками — они дают красивые цифры на табличке, но при длительной работе на 80% от номинала начинают 'плыть' по току. Как-то раз пришлось переделывать всю систему охлаждения подстанции из-за такого экземпляра.

Что должно быть в хорошем водородном выпрямителе

Первое — это возможность работать с разными типами электролитов. Щёлочь, твёрдые оксиды, протонообменные мембраны — везде свои требования к форме тока. Например, для щелочных электролизёров лучше подходит постоянный ток с возможностью плавного изменения плотности, а для PEM — уже с определённой пульсацией.

Второй момент — система мониторинга. Не те красивые графики на экране, которые показывают усреднённые значения, а реальный контроль мгновенных значений напряжения на каждой ячейке. В том же ООО 'Хэбэй Тонгке по производству электрооборудования' как раз делают акцент на этом — их распределительные шкафы могут интегрироваться с АСУ ТП без дополнительных преобразователей.

И третье — ремонтопригодность. Сейчас многие производители запихивают всё в монолитные корпуса, а когда сгорает один силовой ключ — приходится менять весь модуль. Гораздо практичнее разборная конструкция с доступом к силовым диодам и системе охлаждения.

Примеры из практики

На установке в Томске использовали каскад из трёх выпрямителей от ООО 'Хэбэй Тонкге' — специально для электролитического производства водорода. Сначала были опасения по поводу работы в параллельном режиме, но схема с главным-ведомым оказалась устойчивой даже при скачках нагрузки в сети.

А вот в Казани пытались сэкономить и поставили переделанные сварочные выпрямители — через два месяца пришлось останавливать линию. Пульсации 15% против требуемых 3% буквально 'съели' электроды за такой короткий срок.

Кстати, про охлаждение — водяное лучше воздушного, но только если использовать дистиллированную воду с ингибиторами коррозии. Однажды видел, как из-за простой водопроводной воды за полгода полностью вышла из строя медная обвязка теплообменника.

Ошибки при выборе оборудования

Самая распространённая — брать выпрямитель 'впритык' по мощности. Для водородных установок нужен запас хотя бы 25-30%, потому что при старте холодного электролизёра ток может кратковременно превышать номинал. Особенно это критично для высокочастотных импульсных источников питания — они хоть и компактнее, но более чувствительны к перегрузкам.

Ещё забывают про гармоники в сети — если выпрямитель не имеет входного фильтра, то он сам становится источником помех для другого оборудования. Как-то на комбинате из-за этого отключалась система контроля загазованности — оказалось, что гармоники от выпрямителя влияли на датчики.

И последнее — не стоит экономить на системе защиты от дурака. Водородная установка — не то место, где можно позволить оператору вручную менять параметры без блокировок. Лучше сразу ставить выпрямители с жёсткой логикой управления и парольной защитой критических настроек.

Перспективы развития технологии

Сейчас идёт активный переход на транзисторные схемы вместо тиристорных — это позволяет точнее управлять формой тока и уменьшить потери. В тех же разработках ООО 'Хэбэй Тонкге' уже есть модели с ШИМ-регулированием специально для электролизёров с твёрдым электролитом.

Интересное направление — гибридные системы, где источники постоянного тока работают в паре с ВИЭ. Но тут есть сложность с тем, что солнечные панели и ветряки дают нестабильное напряжение, а для электролиза нужна стабильность. Приходится ставить промежуточные накопители, что удорожает систему.

Лично я считаю, что будущее за модульными решениями — когда на каждый электролизёр стоит свой выпрямитель, а не одна мощная установка на всю линию. Так и КПД выше, и ремонт проще — можно менять модули без остановки всего производства. Кстати, на сайте https://www.tongke.ru есть хорошие примеры таких решений для разных отраслей.