(12) Oversettelse av europeisk patentskrift

Transkript

1 (12) Oversettelse av europeisk patentskrift (11) NO/EP B1 (19) NO NORGE (1) Int Cl. C2B 1/02 ( ) Patentstyret (21) Oversettelse publisert (80) Dato for Den Europeiske Patentmyndighets publisering av det meddelte patentet (86) Europeisk søknadsnr (86) Europeisk innleveringsdag (87) Den europeiske søknadens Publiseringsdato (30) Prioritet US P (84) Utpekte stater AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR (73) Innehaver Recherche 2000 Inc., 380 St-Antoine West, Suite 700, Montréal QC H2Y 3X7, Canada (72) Oppfinner Berriah, Said, 4294, rue Rebecca, Laval Québec, H7R 7P8, Canada Veillette, Michel, 2170, Du Calvados, St-Bruno Québec, J3V 3K2, Canada Tremblay, Gilles, 347, St-Paul O. Apt. 43, Montréal Québec, H2Y 1Y8, Canada (74) Fullmektig Tandbergs Patentkontor AS, Postboks 170 Vika, 0118 OSLO, Norge (4) Benevnelse Effektivitetsoptimalisering og skadedetektering i elektrolyseceller (6) Anførte publikasjoner US-A B1, US-A B1, US-A B1

2 1 Område for oppfinnelsen Den foreliggende beskrivelse angår fremgangsmåter og systemer for overvåkning av elektrolysatoreffektivitet, for diagnostisering og for evaluering av skade, samt tilveiebringe vedlikeholdsdata for å forbedre effektivitet Bakgrunnsteknikk Elektrolysatorer anvendes til å utføre elektrolysereaksjoner som enten dekomponerer en kjemisk forbindelse i sine grunnstoffer eller produserer en ny forbindelse gjennom virkningen av elektrisk strøm. Elektrolysatorer har et antall elektroder, anoder og katoder som hver er atskilt med en separator, så som en membran. Separatoren er imidlertid valgfri, slik det kan ses i kloratindustrien hvor natriumklorat eller natriumhypokloritt fremstilles av elektrogenerert klor og kaustisk soda. Andre eksempler på elektrolysatorer er brenselceller hvor vann elektrolyseres for å fremstille hydrogen. I kloralkaliindustrien anvendes også elektrolysatorer. Primærproduktene ved elektrolysereaksjonen i et slikt tilfelle er klor, hydrogen og natriumhydroksid. Disse forbindelser anvendes som regel i oppløsning som vanligvis kalles "kaustisk soda" eller ganske enkelt "kaustisk". Det finnes tre hovedelektrolyseprosesser, de er kjent som: membranprosessen, diafragmaprosessen og kvikksølvprosessen. Dagens trender sammen med voksende miljøbevissthet gjør at de sistnevnte prosessfamilier erstattes med membranelektrolyseprosessen. I anlegg for kloralkaliproduksjon anvendes vanligvis elektrolysatorer som kombinerer mange elementære membranceller. I en bipolar konfigurasjon finner f.eks. elektrolyseprosessen sted i hver elementærcelle etter påføring av strøm. Av mange årsaker, så som regulering av elektrolysatorens energiforbruk og maksimering av produktlagringshastigheten, er det ønskelig å opprettholde og forsøke å forbedre elektrolysatorens effektivitet. Selv om det er mulig å måle parametere på elementærcellenivå, er det behov for omhyggelig regulering av flere driftsaspekter i hver elementærcelle for å bestemme dens effektivitet og evaluere skade i den. Det er følgelig behov for å bestemme hensiktsmessige vedlikeholdstiltak for hver celle, basert på hele elektrolysatorkonfigurasjonen og effektivitetsoppførselen. 3 Sammenfatning I den foreliggende beskrivelse beskrives en fremgangsmåte og et system for å evaluere optimal produksjonseffektivitet for et enkeltelement og detektere membranskader i elementære elektrolyseceller installert i en bipolar elektrolysator under reelle driftsbetingelser. Denne fremgangsmåten omfatter å detektere elementærceller med skade i ionebyttermembranen og identifisere celler med lavere strømeffektivitet. Når en slik

3 diagnose utføres, kan det oppnås bedre total elektrolyseeffektivitet gjennom omordning av cellene i elektrolysatoren til nye posisjoner som er avhengige av den estimerte effektivitet for hver celle. Ifølge én utførelsesform tilveiebringes her en fremgangsmåte for å evaluere skade på flere celler i en elektrolysator, hvor fremgangsmåten omfatter: det påføres en spenning på hver av cellene; spenningen sammenlignes på minst to terskelverdier for spenningsnivåer; cellene klassifiseres som én av: alvorlig skadede celler, ikke-alvorlig skadede celler og uskadede celler, basert på sammenligningen av spenningen med de minst to terskelverdier for spenningsnivåer; og deaktivere fra elektrolysatoren cellene klassifisert som alvorlig skadede celler. Ifølge en annen utførelsesform tilveiebringes her et system for å evaluere skade på flere celler i en elektrolysator, hvor systemet omfatter en spenningsgivende innretning koblet til hver av cellene i elektrolysatoren for å gi en spenning for hver enkelt av cellene; og en skadeevaluerende modul koblet til den spenningsgivende innretning, hvor den skadeevaluerende modul er tilpasset å motta den påførte spenning for hver enkelt av cellene; sammenligne spenningen på minst to terskelverdier for spenningsnivåer; klassifisere cellene som å være én av: alvorlig skadede celler, ikke-alvorlig skadede celler og uskadede celler, basert på sammenligningen; og sende et signal for å deaktivere cellene klassifisert som alvorlig skadede celler. I den foreliggende beskrivelse er uttrykket "celle" (også betegnet "elementærcelle") ment å referere til den minste gruppen med anoder og katoder som er koblet til den samme strømtilførsel og separert med en membran. Det skal bemerkes at ordene "celle" og "element" anvendes om hverandre i den foreliggende beskrivelse. Måten anodene, katodene og membranen er koblet sammen, varierer i henhold til den valgte teknologi. For eksempel kan elektrodene være koblet i parallell, i serie eller en kombinasjon derav. En "bipolar elektrolysator" har flere celler. Kort beskrivelse av tegningene Figur 1a viser skjematisk et eksempel som representerer en membrancelle i henhold til kjent teknikk. Figur 1b viser skjematisk et eksempel som representerer en elektrolysator som har flere celler i henhold til kjent teknikk. Figur 2 er et blokkdiagram for et system for å evaluere skade på flere celler i en elektrolysator i henhold til én utførelsesform ifølge den foreliggende oppfinnelse. Figur 3a er et flytdiagram for en fremgangsmåte for å evaluere skade på flere celler i en elektrolysator i henhold til én utførelsesform. Figur 3b er et flytdiagram for en fremgangsmåte for å estimere celleeffektivitet og maksimere en total effektivitet av en elektrolysator i henhold til én utførelsesform.

4 Figur 3c er et flytdiagram for en fremgangsmåte for å estimere et nålehull og posisjonen i en ikke-alvorlig skadet celle for å sette i gang vedlikehold, fortsatt i henhold til én utførelsesform. Figur 4 er en graf som viser et eksempel på en sammenheng mellom tid og strømtetthet gjennom en oppstartsone i elektrolysatoren. Figur er en graf som illustrerer spenningsfordelinger i flere celler ved en strømtetthet på 0,2 ka/m 2 i henhold til én utførelsesform. Figur 6 er en graf som illustrerer spenningsfordelinger for celler slik som på figur, ved en strømtetthet på 0, ka/m 2 i henhold til én utførelsesform. Figur 7 er en graf som illustrerer spenningsfordelinger for celler slik som på figur, ved en strømtetthet på 1,0 ka/m 2 i henhold til én utførelsesform. Figur 8 er en graf som illustrerer spenningsfordelinger for celler slik som på figur, ved en strømtetthet på 2,0 ka/m 2 i henhold til én utførelsesform. Figur 9 er en graf som viser oppførselen for spenning versus tid for flere celler fra oppstart av elektrolysatoren, hvor hver linje representerer oppførselen til én celle, i henhold til én utførelsesform. Figur er en graf som viser oppførselen for spenning versus strømtetthet for flere celler, hvor hver linje representerer oppførselen til én celle, i henhold til én utførelsesform. Detaljert beskrivelse Figur 1a viser skjematisk en typisk membrancelle 11 anvendt i kloralkaliindustrien. Den består av to kamre, et anodekammer 12 og et katodekammer 13, atskilt med en membran 14. Anodekammeret 12 er fylt opp med en mettet saltvannsløsning (NaCl), mens fortynnet kaustisk soda passerer gjennom katodekammeret 13. I anlegg for produksjon av kloralkali genereres klor ved den belagte anoden 1 (vanligvis med titan). Kombinasjonen av hydroksidioner med migrerte natriumioner gjennom den selektive membranen 14 genererer kaustisk soda (NaOH) og hydrogengass. Katoden 16 er vanligvis fremstilt av nikkel med et katalytisk belegg for å redusere overpotensialet for H 2 -utvikling. Den fullstendige kloralkaliprosessen kan beskrives med følgende ligning: 2 NaCl + 2 H 2 O Cl 2 + H NaOH (1) 3 Effektiviteten i en kloralkalicelle av membrantype (kw/h) per enhet produsert kaustisk soda) er en kompleks resultant av interaksjonen av et antall aspekter. Dette innbefatter celleutforming, transportkarakteristika hos membranen 14, konsentrasjonen, ph, temperatur og strømningshastighet, eller oppholdstid, for anolytten som er saltlake og katolytten som er kaustisk oppløsning i cellen, og cellestrømmen og -spenningen. Selv om

5 et antall av disse faktorer i det vesentlige er fiksert så snart cellen er satt sammen og satt i drift, kan andre som primært angår de elektriske aspekter og massestrømningsaspektene, være utsatt for betydelige endringer og effektivitetstap under driften av cellen. Uansett når slike endringer forekommer, bør de fortrinnsvis rettes så snart som mulig dersom systemet skal bli gjenopprettet til nivået med optimal effektivitet med minimum kostnad. Én type skade som forårsaker fall i celleeffektiviteten, er forekomst av hull eller rifter i cellemembranen (her henvist til som nålehull). Noen årsaker til tilstedeværelsen av nålehull og porer i cellemembranen er dannelse av hulrom, blærer og delaminering av membranen på grunn av feil ved oppstart og driftsstopp, og kontaminerte elektrolytter. Tilstedeværelsen av nålehull i en membran kan f.eks. påvirke cellens effektivitet på forskjellige måter, avhengig av nålehullets eller nålehullenes størrelse og plassering (i en del av cellen hvor det er til stede væske, eller i en annen del av cellen hvor det kun er til stede gass), samt alderen på cellen. Som regel er nålehulleffekter ikke detekterbare ved normal driftsfase så sant det ikke finner sted korrosjon på anodebelegget på grunn av angrep av kaustisk soda. Nålehulleffekter kan imidlertid merkes ved oppstart av elektrolysatoren, fordi kaustisk soda trenger gjennom membranen og strømmer mot anoden og på dette tidspunkt forårsaker en vannspaltingsreaksjon i alkaliløsningen i cellen. Tilstedeværelse av en vannspaltingsreaksjon kan detekteres ved å benytte forskjellige teknikker, så som ved å detektere den reversible eller karakteristiske spenning ved vannspaltingsreaksjonen, som typisk er ca. 1,2 volt til 1, volt ved lave strømtettheter (dvs. mindre enn 3 ka/m 2 ). Dette er i motsetning til spenninger som kan detekteres når den normale spaltingsreaksjonen av natriumklorid finner sted slik den skal i anodekammeret i cellen, som er 2,2 volt til 2,6 volt ved strømtettheter på opptil 0,3 ka/m 2 (ved en temperatur på f.eks. 80 C). Andre teknikker kan anvendes til å detektere vannspaltingsreaksjonen, så som detektering av oksygenutvikling i anodekammeret basert på en ph-måling i cellen. En slik måling kan anvendes til å detektere oksygenutvikling fordi når oksygen er til stede i anodekammeret, blir cellen sterkt ph-avhengig sammenlignet med klorutvikling som finner sted i relativt uskadede celler. Selv i nærvær av nålehull i membranen blir etter hvert som strømtettheten øker i cellen, små porer absorbert på grunn av gassturbulensen i cellen, hypokloritt dannes av tilbakemigrerende kaustisk soda, og oksygenutvikling forårsaket av nålehullene blir gradvis erstattet med klorutvikling. Dersom den fortsatt er ved høy strømtetthet, vil cellespenningen forbli lav sammenlignet med forventede spenningsnivåer, og størrelsen på membranhullet kan anslås til å ha stor størrelse. Kaustisk soda som trenger inn i anodekammeret gjennom nålehull i membranen, har virkninger på cellens effektivitet. Siden nye membranceller har en effektivitet på ca. 98 %, kan et anslag av effektiviteten for hver enkelt elementærcelle oppnås ved å sammenligne hver skadet membrancelle med nye eller nominelle membranceller.

6 I henhold til de ovennevnte prinsipper beskrives her en fremgangsmåte og et system for å diagnostisere lav effektivitet og skadede elementærceller installert i en bipolar elektrolysator. Andre typer elektrolysatorer, samt brenselceller, kan også diagnostiseres ved å benytte fremgangsmåten og systemet beskrevet her. I noen utførelsesformer kan fremgangsmåten og systemet tilveiebringes i linjen. I forklarende hensikt illustrerer figur 1b et vanlig arrangement for elektrolysator 17, hvor en produksjonslinje 18 har et antall cellegrupperinger 19; hver cellegruppering 19 inneholder åtte elementærceller 11 (ikke vist). Hver elektrodespenning måles med en metalltråd 20. Tråden 20 kan være konsentrert i en multikabelbeskyttet kabel 22 gjennom en TFP-innretning 23 (terminal beskyttelse med sikring ). En oppsamlingsinnretning 24 kan således anvendes til å samle opp data fra f.eks. fire cellegrupperinger 19. I dette eksemplet kan hver oppsamlingsinnretning 24 multiplekse signalene fra hver cellegruppering 19 med en serie releer, i en sekvens for overføring til en personlig datamaskin 2 som eventuelt er forbundet med et lokalt nettverk 26, og i henhold til et gitt kommunikasjonsoppsett. På figur 2 illustreres et skjematisk eksempel på et system 30 for å evaluere skade på flere celler i en elektrolysator i henhold til én utførelsesform. Systemet 30 har en dataoppsamlingsinnretning 32 for å måle spenning eller andre fysiske parametere for hver elementærcelle; en skadeevalueringsmodul 34 for å overvåke data samlet opp fra hver celle i elektrolysatoren og estimere skadenivå, en minneinnretning 36, og en vedlikeholdsmodul 38. Minneinnretningen 36 kan anvendes til å lagre oppsamlede data, laboratorie- eller anleggsinformasjon, innbefattende alle parameter- eller designdata som gjelder elektrolysatoren eller cellene, så som forutbestemte terskelverdinivåer, i én utførelsesform hvor slik lagring er ønsket. I én utførelsesform kan en vedlikeholdsmodul 38 anvendes til å sette ut eller virke direkte på hver celle eller på vedlikeholdstiltak for elektrolysatoren. Vedlikeholdstiltakene avhenger av skadeevalueringen. Et eksempel er omorganisering av cellene i elektrolysatoren, deaktivering av skadede celler, utbytting av skadede celler med nye, eller om mulig tilføye celler i elektrolysatoren. Alternativt til å utføre vedlikeholdstiltak, kan systemet 30 utløse en alarm eller starte en triggermekanisme som gjør en tekniker oppmerksom på situasjonen. Dataoppsamlingsinnretningen 32 har én eller flere sensorer 40 for å samle opp data fra en celle 11 (det henvises til figur 1a), samt en strømregulerende innretning 41. Sensorene 40 kan være spenningssensorer, trykksensorer, temperatursensorer, væske- og strømningssensorer, sensorer med evne til å detektere en type ph i en oppløsning inne i en celle eller tilstedeværelse av en gitt forbindelse i cellen etc. Andre typer fysiske parametere kan også anvendes, så som strømsensorer og lignende. Den strømregulerende innretning 41 kan anvendes til å variere strømtettheten som passerer i cellen for således å

7 øke strømmen tilført til en celle fra null, gjennom et polarisasjonsnivå, og opp til en gitt optimal verdi ved oppstart, eller tilbake til null for nedstenging, i én utførelsesform. Skadeevalueringsmodulen 34 har prosessmodul 42 og en celleeffektivitetsevalueringsmodul 43. Prosessmodulen 42 sikrer implementeringen av fremgangsmåten for å evaluere skade på celler i elektrolysatoren. Skadeevalueringsmodulen 34 klassifiserer cellene som uskadet, alvorlig skadet eller ikke-alvorlig skadet for å gjøre hensiktsmessige tiltak. Celleeffektivitetsevalueringsmodulen 43 er valgfri og utfører en evaluering av effektiviteten i hver celle klassifisert som ikke-alvorlig skadet for å bestemme hvordan elektrolysatorens totale effektivitet kan maksimeres. Uskadede celler kan også evalueres med hensyn til deres effektivitet. Skadeevalueringsmodulen 34 kan ha en applikasjon (ikke vist) med kodede instruksjoner som anvendes av prosesseringsinnretningen 42 og celleeffektivitetsevalueringsmodulen 43 for å utføre en fremgangsmåte som angitt detaljert her. Vedlikeholdstiltak eller enhver type resultat oppnådd med skadeevalueringsmodulen 34 kan føres ut til vedlikeholdsmodulen 38, eller til enhver annen utenhet (ikke vist) for å informere en bruker om en gitt tilstand. Figurer 3a og 3b er flytdiagrammer for én utførelsesform av fremgangsmåten beskrevet her. I trinn 0 på figur 3a måles spenninger i hver celle i elektrolysatoren mens en gitt strømtetthet passerer gjennom hver celle. I én utførelsesform blir cellespenningene og -strømmene målt ved å benytte systemet skissert i US patentskrift nr , tilhørende Recherche 2000 Inc., idet innholdet i dette innlemmes her gjennom henvisning. Ethvert annet målesystem med en målenøyaktighet (på minst 1 mv) og en prøvetakingsfrekvens som er egnet for å ta målinger med høy nok presisjon, kan også anvendes. Andre relevante parametere kan også måles i trinn 0 ved å anvende andre typer sensorer som ikke er forbundet med en spesifikk celle, så som produksjonsanleggssensorer, eller direkte relatert til fysiske eller kjemiske parametere i en enkelt celle i elektrolysatoren. En oppsamlingsenhet kan anvendes til å implementere trinn 0, og produksjonsanleggssensorer lokalisert på forskjellige posisjoner i elektrolysatoren kan kommunisere til oppsamlingsenheten ved å anvende en kommunikasjonsprotokoll som angitt i detalj i det forannevnte US patentskrift nr I trinn 2 blir spenningen målt for hver celle sammenlignet med minst to terskelverdier for spenningsnivåer ved en gitt strømtetthet. Hver av de to terskelverdier for strømnivåer indikerer en spenningsverdi ved hvilken en celle skal klassifiseres som å være under, over eller på det kritiske nivået.

8 I trinn 4 er cellene klassifisert som én av: alvorlig skadede celler, ikke-alvorlig skadede celler og uskadede celler, basert på sammenligningen av spenningen med de minst to terskelverdier for spenningsnivåer. I trinn 6 blir cellene klassifisert som alvorlig skadede celler deaktivert fra elektrolysatoren. Dette trinnet kan utføres ved å fjerne fullstendig cellene som er klassifisert slik, eller erstatte dem med nye. Som et eksempel på de ovennevnte trinn 4 og 6, dersom spenningen i en celle er under en minimumsterskelspenning (Vmin), er den ikke lenger operativ og for alvorlig skadet (avgitt spenning er for lav for den gitte strømtettheten). Dersom spenningen i cellen er på Vmin, er cellen på et kritisk nivå og kan enten klassifiseres som alvorlig skadet eller ikke-alvorlig skadet. Det er da nødvendig med ytterligere bedømmelse, eller cellen blir ganske enkelt klassifisert som alvorlig skadet av sikkerhetsårsaker. På den annen side, dersom cellen er skadet men fortsatt brukbar, er spenningen mellom de to terskelverdier for spenningsnivåer, mens dersom cellen sannsynligvis er uskadet, er spenningen over den høyeste terskelverdien for spenningsnivå (Vskade). En celle som har en spenning ved Vskade, kan enten klassifiseres som uskadet eller ikkealvorlig skadet. Videre bedømmelse med hensyn til dens effektivitet kan anvendes til å bestemme klassifiseringen. Cellen klassifiseres som det ene eller det andre, eller som ikke-alvorlig skadet dersom det foretrekkes sikrere overvåkning. Det etableres en liste over celler med respektiv klassifisering. Det tas ut en liste over celler som sannsynligvis har membranskade, men som er evaluert til ikke å være alvorlig skadet, og det frembringes en liste med normale eller uskadede celler. Listen kan spesifikt identifisere cellene i henhold til deres posisjon i elektrolysatoren. En identifikasjon av alvorlig skadede celler tas også ut, slik at disse kan deaktiveres, fjernes, erstattes eller gjøres tilgjengelig for vedlikehold. Fremgangsmåten kan eventuelt gå videre til trinnene 60, 62 og 64 på figur 3b. Disse trinnene kan også utføres uavhengig av fremgangsmåten på figur 3a. I trinn 60 samles temperatur og strømfordeling for cellene klassifisert som uskadede celler eller ikke-alvorlig skadede celler. Dette kan gjøres ved å anvende temperatursensorer lokalisert ved cellene, eller gjennom elektrolysatoren. I trinn 62 blir effektiviteten av hver enkelt av cellene estimert ved å anvende temperaturen og strømfordelingen. I én utførelsesform kan en estimering av en elementærcelles effektivitet ta i betraktning temperaturfluktuasjoner som kan forekomme gjennom elektrolysatoren, særlig ved lave strømtettheter. Trinn 62 kan involvere en sammenligning av hver celles estimerte effektivitet med en nominell effektivitet tilveiebrakt av leverandøren for å identifisere elementer/celler som påvirker hele elektrolysatorens oppførsel. Den nominelle effektiviteten kan også tilveiebringes ved å estimere effektiviteten av en ny celle. Alderen på cellen kan

9 også tas i betraktning ved estimering av dens effektivitet. For eksempel forekommer et forventet fall i effektivitet hos en celle i løpet av cellens levetid. En celleeffektivitet som er funnet å være lavere enn en forventet verdi med hensyn til alderen på cellen, kan indikere at cellen plutselig er blitt skadet og det kan bestemmes en årsak med korrelasjon til tidspunktet for andre hendelser i elektrolysatoren. I trinn 64 kan elektrolysatorens totale effektivitet maksimeres ved å foreta et gitt vedlikeholdstiltak, basert på den estimerte effektivitet hos cellen i trinn 62. En måte å optimalisere elektrolysatorens totale kraftforbruk, er f.eks. å flytte minst én av cellene til en ny posisjon i elektrolysatoren. Ett eksempel er å reposisjonere en celle som har en høy estimert effektivitet for å kompensere for en celle som har en lavere estimert effektivitet. Laveffektivitetsceller kan f.eks. samles på nytt i utkanten av elektrolysatoren, hvor temperaturen typisk er svakt lavere enn i de midtre posisjonene, eller reposisjonert i elektrolysatoren med celler som har tilsvarende effektivitetsnivåer. Siden temperaturfordelingen i elektrolysatoren kan variere avhengig av utformingen, kan andre reposisjoneringsskjemaer anvendes. Ytterligere analyser kan utføres for å estimere kostnadene og/eller gevinstene ved å reposisjonere cellene sammenlignet med å holde cellene i sine opprinnelige posisjoner. Fremgangsmåten på figur 3a kan også eventuelt gå videre til trinnene 66, 68 og 70 på figur 3c. I trinn 66 blir en fysisk eller kjemisk parameter for hver enkelt av cellene klassifisert som ikke-alvorlig skadet celle, målt og samlet inn. En fysisk parameter innbefatter, men er ikke begrenset til, temperatur, mengde væske eller gass inne i cellen, trykkfall, strøm av kaustisk soda (eller enhver strøm av en gitt væske) og tilstedeværelse av en gitt forbindelse. Parametere for uskadede celler kan også samles inn. I trinn 68 blir posisjon og/eller størrelse på nålehull i en membran i hver enkelt av de ikke-alvorlig skadede celler målt ved å anvende de målte fysiske parametere. Dette trinnet kan imidlertid utføres for alle cellene som er aktive i elektrolysatoren. Trinn 68 kan involvere bruk av en ikke-lineær parametrisk regresjon på kurven for strøm versus spenning tatt opp i trinn 0 på figur 3a. Kurven kan regresseres ved å anvende en parameterligning på formen: V = A*exp(CD)+B*exp(-CD)+C (2) 3 hvor A, B, C er regresjonsparametere eller konstanter, CD refererer til en strømtetthet, og V er spenningen i cellen. Andre parameterligninger kan anvendes, så som logaritme- eller sigmoidform. Ikke-lineære regresjonsparametere kan også anvendes for å reflektere graden/mengden av kaustisk strøm som penetrerer anodekammeret.

10 Regresjonsparameterne er korrelert med de fysiske eller kjemiske parameterne målt i trinn 66. Regresjonsparameterne er relatert til cellens strømtetthet, likestrømsspenning, trykkfall, kaustisk strøm og/eller væskenivå for å estimere nålehullets størrelse og posisjon. Dersom f.eks. de parametriske parametere for en celle som et resultat av en ikke-lineær regresjon er betydelige (dvs. anslått å ha høy verdi), er nålehullet eller nålehullene i membranen i cellen anslått å ha relativt stor størrelse og/eller være posisjonert i en lavere del (eller under en midtseksjon) av cellen. I trinn 70 angis et vedlikeholdstiltak, eller det gjøres automatisk på elektrolysatoren. For eksempel kan vedlikeholdstiltaket utføres på en celle klassifisert som ikkealvorlig skadet, basert på en estimering av nålehullets posisjon eller en estimering av nålehullets størrelse for denne cellen. Dersom nålehullet er stort og lokalisert i den øvre delen av cellen (hvor gass og/eller skum er til stede), kan det forekomme alvorlig skade på grunn av risikoen for oksygenutvikling i anodekammeret og/eller korrosjon som et resultat av at kaustisk soda angriper belegget på anoden. Vedlikeholdstiltaket gjennomføres så for å fjerne eller erstatte de skadede membrancellene. Alternativt til å fjerne eller erstatte kan cellen deaktiveres, og membranen kan erstattes med en ny. Som detaljert angitt ovenfor, kan fremgangsmåten illustrert på figur 3a utføres fra oppstart til full drift av elektrolysatoren, eller fra full drift til nedstengning. Fremgangsmåtene beskrevet på figurer 3b-3c, kan anvendes ved oppstart, nedstengning eller under full drift av elektrolysatoren. Et eksempel på en oppstartsone er vist på figur 4. Ved oppstarting er typisk det første trinn polarisasjonstrinnet ved strømverdier rundt 20 A, deretter stiger strømmen fra lave verdier til høye verdier via stabile trinn opp til strømtettheter av størrelsesorden, ka/m 2. Maksimum strømtetthet kan variere avhengig av den bestemte utformingen av elektrolysatoren. I trinnene 0-4 på figur 3a kan spenningsfordelingen for elektrolysatorens enkelte elementer (spenningen på hver celle i elektrolysatoren) overvåkes ved svært lave strømtettheter innen polarisasjonsnivået. Celler med en spenning som er mindre enn 2,0 V, blir så identifisert, merket eller detektert på grunnlag av fordelingen. Figurer -8 illustrerer et eksempel på utvikling av spenningsfordeling for enkeltelementer når strømtettheten som strømmer i hver celle, varierer fra én verdi til en annen. Disse representerer en oppstart som er typisk for en elektrolysator som omfatter 0 celler. Grafene på figurer -8 representerer spenningene påført på hver celle, som i trinn 0 på figur 3a. Utstyr for måling av spenning med en presisjon av størrelsesorden 2, V ble anvendt for å oppnå disse avlesningene. Hver celle er representert ved en blokk.

11 Som det kan ses av grafene på figurer -8, vil når polarisasjonsnivået for hver celle er passert ved oppstart av elektrolysatoren, spenningsfordelingen for cellene kunne bli etablert ved jevn økning av strømtettheten, og det vil kunne foretas spenningsmålinger kontinuerlig eller ved forutbestemte trinn. Selv om spenningsmålingen kan foretas for hver diskrete økning i strømtetthet på 0,2 ka/m 2 eller mindre, ble den på figurer -8 foretatt ved strømtettheter på henholdsvis 0,2 ka/m 2, 0, ka/m 2, 1 ka/m 2 og 2 ka/m 2. Som et eksempel kan spenningsfordelingene oppnådd som illustrert på figurer -8 og (den sistnevnte er forklart mer detaljert nedenfor), settes som terskelverdier som i trinnene 2 og 4 på figur 3a. Ved en strømtetthet på 0,4 ka/m 2 (se figur ) er f.eks. celler med et spenningsnivå lavere enn 1,7 V kategorisert som alvorlig skadet. På figur er det imidlertid ikke funnet noen slik celle. Dersom slike celler ville ha vært detektert fra resultatene på figur, skulle disse cellene bli deaktivert, fjernet eller erstattet med nye, eller elektrolysatoren stengt ned for vedlikehold, som i trinn 6 på figur 3a. Ved en strømtetthet på 0, ka/m 2 (se figur 6) har tre celler et relativt lavt spenningsnivå (rundt 1,8 V). Disse tre cellene er klassifisert som ikke-alvorlig skadet og har eventuelt nålehull i membranen. En ikke-lineær regresjon kan så anvendes på dataene målt for de tre lavspenningscellene identifisert på figur 6, som utført i trinn 68 på figur 3c, for å anslå nålehullets størrelse og/eller posisjon i cellen. Spenningsfordelinger for de gjenværende celler på figur 6 ved en strømtetthet så som 1 ka/m 2 som vist på figur 7, og ved 2 ka/m 2 som vist på figur 8, kan analyseres videre for å anslå deres virkningsgrader og derved detektere celler hvor det er problemer med virkningsgraden, som i trinnene på figur 3b. På figur 8 er f.eks. de to cellene med høyest spenning over gjennomsnittet. Som i trinn 64 på figur 3b kan posisjonen for celler som viser virkningsgrad- eller oppførselsproblemer, endres til en ny posisjon i elektrolysatoren på en slik måte at det kompenseres for en lavere virkningsgrad hos cellen. I eksemplet på figur 8 kan de to cellene som har de høyeste spenninger, reposisjoneres i elektrolysatoren ved f.eks. en begynnelse eller en ende av en produksjonslinje 18 eller cellegruppering 19 (se figur 1b). På figur 9 vises en graf som et eksempel på oppførsel ved spenning versus tid for celler klassifisert som ikke-alvorlig skadet, etter oppstart av elektrolysatoren. En slik graf kan være et resultat av implementeringen av det ovennevnte trinn 0 på figur 3a når oppsamlingen gjøres gjennom en oppstartsone. Hver linje representerer oppførselen til én celle. På figur vises en graf som viser oppførselen for spenning versus strømtetthet for flere celler. Igjen representerer hver linje oppførselen til én celle. En slik graf kan også oppnås fra implementeringen av det ovennevnte trinn 0 på figur 3a, eller ved å kombinere mange avlesninger som illustrert på figurer -8. På figur kan alvorlig skadede celler identifiseres ved deres typisk lave spenning ved lave strømtettheter. En terskelverdi

12 11 for spenning anvendes i trinn 2 for å skille alvorlig skadede celler fra ikke-alvorlig skadede celler ved å klassifisere avgitte spenningsnivåer for hver celle ved lave strømtettheter. I én utførelsesform er den laveste kurven klassifisert som alvorlig skadet, mens de to midterste kurver er klassifisert som ikke-alvorlig skadet. De nøyaktige spenningsnivåer anvendt ved klassifiseringen avhenger av den spesifikke celle og den anvendte elektrolysatorens konfigurasjon. De ovennevnte utførelsesformer er kun eksempler og kan tilpasses til forskjellige spesifikke anvendelser. For eksempel kan de forskjellige involverte sensorer gjøres avhengige av de bestemte fysiske parameterne som skal måles, og klassifiseringen av cellene i henhold til deres skadenivå kan variere avhengig av cellens utforming, produksjonsanleggets utforming og elektrolysatorens utforming. De følgende krav er ment å definere rammen for oppfinnelsen.

13 12 P a t e n t k r a v 1. Fremgangsmåte for å evaluere skade på flere celler i en elektrolysator, hvor fremgangsmåten omfatter: en spenning bestemmes for hver enkelt av cellene; spenningen sammenlignes med minst to terskelverdier for spenningsnivåer; cellene klassifiseres som én av: alvorlig skadede celler, ikke-alvorlig skadede celler og uskadede celler, basert på sammenligning av spenningen med de minst to terskelverdier for spenningsnivåer; og cellene klassifiseres som alvorlig skadede celler deaktiveres fra elektrolysatoren. 2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor bestemmelsen av en spenning omfatter å bestemme en spenning versus strømfordeling for hver enkelt av cellene ved én av oppstart og nedstengning av elektrolysatoren Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor den også omfatter: det bestemmes en temperatur og en strømfordeling for én av de uskadede celler og de ikke-alvorlig skadede celler; og det estimeres en virkningsgrad for hver enkelt av cellene, hvor estimeringen av virkningsgrad fortrinnsvis omfatter å sammenligne temperaturen og strømfordelingen for hver enkelt av cellene med nominelle celleparametere Fremgangsmåte ifølge krav 3, hvor den også omfatter å maksimere en total virkningsgrad for elektrolysatoren ved å bevege minst én av cellene til en ny posisjon i elektrolysatoren Fremgangsmåte ifølge krav 2, hvor den også omfatter: det måles en fysisk parameter for hver enkelt av cellene klassifisert som ikkealvorlig skadede celler; og det estimeres minst én av en posisjon og en størrelse på et nålehull i en membran for hver enkelt av de ikke-alvorlig skadede celler ved å anvende de målte fysiske parametere, hvor estimeringen av minst én av en posisjon og en størrelse på et nålehull fortrinnsvis omfatter: anvendelse av en regresjon på fordelingen av spenning versus strøm tatt opp for hver enkelt av de ikke-alvorlig skadede celler; og korrelere regresjonen med den målte fysiske parameter, og hvor den fysiske parameter er én av en trykkforskjell og et væskenivå i cellen.

14 13 6. Fremgangsmåte ifølge krav, hvor estimeringen av minst én av en posisjon og en størrelse på et nålehull omfatter å evaluere en kaustisk strøm som trenger gjennom et anodisk kammer på én av de ikke-alvorlig skadede celler ved å gå gjennom membranen Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvor estimeringen av en posisjon for et nålehull omfatter å sammenligne minst én av trykkforskjellen og væskenivået med en forventet verdi for å bestemme om posisjonen er én av over, under eller i en midtseksjon av cellen. 8. System for å evaluere skade på flere celler i en elektrolysator, hvor systemet omfatter: en spenningsregistreringsenhet koblet til hver enkelt av cellene i elektrolysatoren for å registrere en spenning for hver enkelt av cellene; og en skadeevalueringsmodul koblet til spenningsregistreringsinnretningen, hvor skadeevalueringsmodulen er tilpasset å motta registrert spenning for hver enkelt av cellene, sammenligne spenningen med minst to terskelverdier for spenningsnivåer, klassifisere cellene til å være én av: alvorlig skadede celler, ikke-alvorlig skadede celler og uskadede celler, basert på sammenligningen, og sende et signal for å deaktivere cellene klassifisert som alvorlig skadede celler. 9. System ifølge krav 8, hvor det også omfatter en minneinnretning koblet til spenningsregistreringsinnretningen og skadeevalueringsmodulen for å lagre spenningen registrert for hver enkelt av cellene og de minst to terskelverdier for spenningsnivåer.. System ifølge krav 8, hvor spenningsregistreringsinnretningen omfatter en strømregulerende innretning for å registrere en spenning versus strømfordeling for hver enkelt av cellene, hvor den strømregulerende innretning varierer en strøm i hver enkelt av cellene ved én av oppstart og nedstengning av elektrolysatoren. 11. System ifølge krav, hvor det videre omfatter: en temperatursensor og en strømsensor for å registrere en temperatur og en strømfordeling for hver enkelt av cellene klassifisert som én av uskadede celler og ikke-alvorlig skadede celler; og en modul for evaluering av cellens virkningsgrad for å estimere en virkningsgrad for hver enkelt av cellene. 12. System ifølge krav 11, hvor det videre omfatter en vedlikeholdsmodul for elektrolysator tilpasset å motta virkningsgraden for hver enkelt av cellene og indikere en virkning som skal utføres for å justere en total virkningsgrad for elektrolysatoren.

15 System ifølge krav 12, hvor det også omfatter en prosesseringsmodul for å sammenligne temperaturen og strømfordelingen registrert for hver enkelt av cellene, med nominelle celleparametere System ifølge krav 8, hvor det også omfatter en sensor for å måle en fysisk parameter for hver enkelt av cellene klassifisert som ikke-alvorlig skadede celler, og en prosesseringsmodul for å estimere minst én av en posisjon og en størrelse på et nålehull i en membran for hver enkelt av de ikke-alvorlig skadede celler ved å anvende den målte fysiske parameter og spenningen registrert for hver enkelt av de ikke-alvorlig skadede celler. 1. System ifølge krav 14, hvor det også omfatter en vedlikeholdsmodul for elektrolysator tilpasset å transmittere et signal som er representativt for et vedlikeholdstiltak som skal utføres på hvilke som helst av de ikke-alvorlig skadede celler, hvor vedlikeholdstiltaket er basert på minst én av posisjonen og størrelsen på et nålehull estimert for én av de ikke-alvorlig skadede celler, hvor sensoren fortrinnsvis omfatter en strømningssensor for å måle en kaustisk strøm i hver enkelt av de ikke-alvorlig skadede celler, hvor den kaustiske strøm trenger gjennom et anodisk kammer ved å gå gjennom membranen. 16. System ifølge krav 1, hvor prosesseringsmodulen omfatter minst én av den fysiske parameter målt med differensialtrykksensoren og væskesensoren med en forventet verdi for å bestemme om posisjonen på nålehullet er over, under eller i en midtseksjon av cellen.

16 1/13

17 2/13

18 3/13

19 4/13

20 /13

21 6/13

22 7/13

23 8/13

24 9/13

25 /13

26 11/13

27 12/13

28 13/13