Alkalielektrolyysin paineenhallinta PWM-ohjatuilla venttiileillä

Abstract

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin alkalielektrolyysin paineenhallinnan toteutusta PWM-ohjatuilla venttiileillä. Työn tarkoituksena oli selvittää kuinka paineenhallinta on toteutettavissa yksinkertaisesti sekä tehokkaasti ja millaiset venttiilit ja säätötekniikka soveltuvat parhaiten käyttötarkoitukseen. Paineenhallinta on oleellinen osa elektrolyysiprosessia, sillä liian suuret paine-erot anodin ja katodin välillä voivat aiheuttaa vaarallisia kaasuyhdisteitä ja paine-ero anodin ja katodin välillä tulisikin pysyä alle 10mbar alueella.

Työn kirjallisuuskatsauksessa katsottiin läpi erilaisia venttiilejä sekä säätömenetelmiä elektrolyysiprosessin paineenhallintaa varten. Säätöventtiilien todettiin olevan toimivampi vaihtoehto paineenpitoventtiilien yli niiden toimintaperiaatteen takia. Toimivaksi säätöventtiilityypiksi valikoitui solenoidiventtiili sen nopean ja tarkan toiminnan takia. Venttiilien säätimeksi todettiin riittävän PI-säädin sen yksinkertaisuuden sekä helppokäyttöisyyden takia.

Työn ensimmäisissä mittauksissa tutkittiin venttiilien ja säädön käyttäytymistä vakiopaineella ja niiden kyvykkyyttä ohjata ja säätää massavirtaa. Työn toisissa mittauksissa käytetyt venttiilit sekä säädin kytkettiin elektrolyysitestipenkkiin, ja tutkittiin kuinka tehokkaasti laitteistot kykenevät säätämään painetta sekä paine-eroa oikeassa elektrolyysiprosessissa. Työn tuloksissa todettiin, että solenoidisäätöventtiilit ja yksinkertainen PI-säädin ovat riittävät alkalielektrolyysin paineenhallintaan laboratorio-olosuhteissa. Säätöalue oli varsin tarkka ja pystyi pitämään paine-eron selkeästi alle 10 mbar.

This bachelor’s thesis investigated alkaline electrolysis pressure control with PWM-controlled valves. The objective of this thesis was to figure out how the pressure control could be implemented in a simple and effective manner and what kind of valves and control method are best suited for the purpose. Pressure control is a major part of an electrolysis pro-cess because large pressure differences between the anode and cathode can cause dangerous gas mixtures to occur. Ideally the pressure differential should remain under 10 mbar.

The literature review looked at different kinds of valves and control methods for pressure control in an electrolysis process. Control valves were deemed to be the better option over pressure regulator valves due to their working mechanisms. Solenoid valves were found to be a suitable type of control valve for their fast and precise operation. A PI controller was deemed to be enough for the valves control for it simplicity and ease of use.

In the first measurements the valves and control methods behaviour under constant pressure was examined as well as their ability to regulate mass flow. In the second measurements the valves and controller were used in an electrolysis test bench to examine how efficiently they can regulate pressure, pressure differences and mass flow in a real electrolysis process. The results of the thesis found that solenoid control valves and a simple PI-controller are applica-ble for electrolysis pressure control in laboratory conditions. The control range was precise and capable of keeping the pressure difference under 10 mbar.