CN106795638B - 多堆叠电化学压缩机系统及操作方法 - Google Patents

多堆叠电化学压缩机系统及操作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106795638B
CN106795638B CN201580045041.5A CN201580045041A CN106795638B CN 106795638 B CN106795638 B CN 106795638B CN 201580045041 A CN201580045041 A CN 201580045041A CN 106795638 B CN106795638 B CN 106795638B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ehc
stacking
stacked
power
coolant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201580045041.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106795638A (zh
Inventor
凯文·贝弗里奇
斯科特·布兰切特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nuwera Fuel Cell Co Ltd
Original Assignee
Nuwera Fuel Cell Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nuwera Fuel Cell Co Ltd filed Critical Nuwera Fuel Cell Co Ltd
Publication of CN106795638A publication Critical patent/CN106795638A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106795638B publication Critical patent/CN106795638B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
    • B01D53/326—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00 in electrochemical cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/05—Pressure cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

提供多堆叠电化学氢气压缩机（EHC）系统。该EHC系统可具有两个或更多个EHC堆叠，其中每个EHC堆叠包括至少一个电化学电池和电源。该EHC系统也可具有与每个EHC堆叠的电源连通的控制器，其中控制器被构造成通过独立控制每个EHC堆叠的电源来减少EHC系统的总能耗。

Description

多堆叠电化学压缩机系统及操作方法
本申请要求于2014年7月2日提交、申请号为62/020,030的美国临时申请的权益，该美国临时申请的全部内容通过引用并入。
技术领域
本发明针对多堆叠电化学压缩机(EHC)系统及操作方法，更具体地，针对用于优化电功率消耗的多堆叠EHC系统及方法。
背景技术
氢已作为传统能源的可行替代品出现。氢作为能量载体的成功商品化以及“氢经济”的长期可持续性很大程度依赖于氢燃料电池、氢电解池、氢生产、氢处理/管理系统(如压缩机)以及氢分布系统的效率和成本效益。气态氢是一种方便且有效的能量储存方法，通常是通过加压容积。有利地，在高压下储存氢产生高能量密度。
电化学氢气压缩机(EHC)是用于加压氢气的安静、可扩展、模块化且有效的机构。EHC能够由膜电极组件(MEA)形成。MEA能够包括带负电的阳极、带正电的阴极以及分隔阳极和阴极的质子交换膜。当包含氢气的气体能够接触带负电的阳极时，电流能够穿过MEA，氢分子能够在阳极被氧化，且该反应能够生成两个电子和两个质子。这两个质子能够被电化学地驱动穿过膜、到达带正电的阴极，在此它们能够通过两个改道的电子再结合并被还原成氢分子。以这种方式操作的EHC有时指的是氢泵。当在带正电的阴极累积的氢被局限于密闭空间时，EHC对氢进行加压。EHC也可指的是EHC堆叠。
EHC堆叠能够串联设置，以形成能够将氢压缩至更高压力的多级EHC堆叠。EHC堆叠也能够并联设置，以形成能够增大体积容量的多堆叠EHC系统。传统上，多堆叠EHC系统可包括两个或更多个EHC堆叠。对于多堆叠EHC系统，电源将功率传递至所有EHC堆叠，并且到系统的总电流是受控制的，以维持氢气生产量。此关系由以下所示的式1表示。
H2～Itot 式(1)
因此，多堆叠EHC系统在单荷载上充当单个大堆叠，其对于所有的堆叠而言需要相同的电流。此关系能够由以下所示的关于电流的式2和关于功率的式3表示。
此操作方法的其中一个缺点是，不良的堆叠(如出故障或劣化)然后被迫超过其安全范围操作，迅速加快退化，同时能量效率也变差。减少退化的可能性以及允许在不良的堆叠的安全界限内操作的一种方法是总系统降额。例如，如果性能不良的电池或堆叠发生，可减少总系统电流和功率，以防止不良的电池或堆叠故障。尽管此方法可减少不良的电池或堆叠故障的可能性，但这并不是最佳的，因为能量效率仍旧变差，并且减少总系统电流和功率会减少系统生产量。
发明内容
考虑到前面提及的情况，本发明提供用于操作多堆叠EHC系统的改进的系统以及方法。
一方面，本发明针对多堆叠电化学氢气压缩机(EHC)系统。EHC系统可包括两个或更多个EHC堆叠，其中每个EHC堆叠包括至少一个电化学电池和电源。EHC系统也可包括控制器，该控制器与每个EHC堆叠的电源连通，其中控制器被构造成通过独立控制每个EHC堆叠的电源来减少EHC系统的总能耗。
另一方面，本发明针对控制多堆叠电化学氢气压缩机(EHC)系统的方法，所述多堆叠电化学氢气压缩机(EHC)系统具有两个或更多个EHC堆叠。该方法可包括将包含氢气的气体流引导至两个或更多个EHC堆叠。该方法也可包括将功率从独立电源供应至两个或更多个EHC堆叠，以及独立控制被供应至每个EHC堆叠的功率。
本发明额外的目的和优点将在以下说明中部分阐述，且将从说明中部分显而易见，或可从本发明的实践中被得知。本发明的目的和优点将通过在附加的权利要求中具体指出的要素和组合来实现和获得。
应当理解，前述的一般说明和以下的详细说明都只是示例性和解释性的，并不是对请求保护的本发明的限制。
附图说明
附图并入说明书并且构成本说明书的一部分，示出了本发明的多个实施例，并连同说明书用于解释本发明的原理。
图1示出根据示例性实施例的多堆叠电化学氢气压缩机(EHC)系统。
图2示出根据示例性实施例的多堆叠EHC系统。
图3是示出操作多堆叠EHC系统的示例性公开方法的流程图。
图4是示出操作多堆叠EHC系统的示例性公开方法的流程图。
图5是示出操作多堆叠EHC系统的示例性公开方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的示例性实施例，且本发明的示例在附图中示出。在任何可能的情况下，相同的附图标记将在全部附图使用，以参照相同或相似的部分。
本文参照用于具体应用(如加压氢气)的说明性实施例来描述本发明。应该理解到，本文描述的实施例并不仅限于此。那些具有本领域普通技术并获取在本文提供的教导的人员将认识到，额外的修改、应用、实施例以及等同替代全部落入本发明的范围。因此，本发明不受前述或以下说明所限制。
图1是根据示例性实施例的多堆叠电化学氢气压缩机(EHC)系统100的示意图。EHC系统100能够包括一个或多个EHC堆叠120。例如，如图所示的EHC系统100包括两个EHC堆叠(即EHC堆叠121和EHC堆叠122)。在其他实施例中，EHC系统100可包括多于两个EHC堆叠。例如，EHC系统100可包括3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25个或更多个EHC堆叠。每个EHC堆叠(如121和122)能够包括一个或多个电化学电池。每个EHC堆叠能够包括仅仅单个电化学电池或多个电化学电池，所述多个电化学电池的范围从(例如)2到500个或更多个。在EHC系统100内形成每个EHC堆叠的电化学电池的数目对于所有EHC堆叠能够是相同的，或者能够在堆叠之间有所不同。例如，EHC堆叠121能够具有250个电化学电池，而EHC堆叠122能够具有300个电化学电池。
每个EHC堆叠(如121和122)能够与电源电性连通。例如，如图1所示，EHC堆叠121能够与电源151电性连通，而EHC堆叠122能够与电源152电性连通。每个电源151/152可被构造成将功率(P)供应至其关联的EHC堆叠121/122。每个电源151/152可被构造以控制功率，该功率通过调节电流(I)或电势(即电压(V))而被供应。在某些实施例中，单个的电源可被构造成将功率供应至多个EHC堆叠(如121和122)，以及可被构造成独立控制被供应至每个EHC堆叠的功率。
由每个电源151/152供应的电流(I)可(例如)以堆叠的有效面积、电池的数目及过程条件为基础而变化。根据某些实施例，电流可在约0至400安培、0至600安培、0至800安培、0至1000安培或0至多于1000安培之间变化。由每个电源151/152供应的电压(V)也可(例如)以堆叠的有效面积、电池的数目及过程条件为基础而变化。根据某些实施例，电压可在约15至75伏特、15至100伏特、15至200伏特、15至300伏特、15至500伏特、15至1000伏特或15至多于1000伏特之间变化。
如本领域普通技术人员所知，功率、电压和电流之间的关系可如以下所示的式子来表示。
P＝IV 式(4)
因此，变化的电流和/电压也可导致功率(P)变化。由每个电源151/152供应的及每个EHC堆叠消耗的功率(P)也可(例如)以堆叠的有效面积、电池的数目及过程条件为基础而变化。根据某些实施例，功率可在约3500至6000瓦特、0至7500瓦特、0至10000瓦特、0至25000瓦特、0至50000瓦特或0至多于50000瓦特之间变化。
如本领域普通技术人员所知，功率(P)和电流(I)之间的关系在电阻(R)方面可如以下所示的式子表示。
P＝I2R 式(5)
每个EHC堆叠121/122的电阻可(例如)以堆叠中的有效面积和电池的数目为基础而变化。堆叠中各个电池的电阻率也可变化。根据某些实施例，单个的电池可具有约10至200mΩ·cm2的电阻率。
EHC系统100也可包括控制器110。控制器110可被构造成与每个电源151/152连通。控制器110可被构造成通过改变如上所述的电流(I)和/或电压(V)来控制由每个电源151/152输出的功率(P)。控制器110可被构造，使得由控制器110控制、由每个电源151/152输出的功率大体上相同或对于每个EHC堆叠121/122而言是唯一的。
EHC系统100也可包括氢分布回路170，该氢分布回路被构造以将包含氢气的气体引导至每个EHC堆叠，然后从每个EHC堆叠收集加压的氢气并引导它离开EHC系统100。氢分布回路170可包括多个通路或导管，该多个通路或导管被构造以输送包含氢气的气体和加压的氢气。EHC系统100还可包括流量计171，该流量计配置在氢分布回路的通路中、位于EHC系统100的入口。流量计171可被构造以产生表明被引导至EHC系统100、包含氢气的气体的总流速的信号。流量计171可被构造以将信号传输至控制器110。
EHC系统100还可包括水分布回路130和冷却剂分布回路140。水分布回路130能够包括多个通路或导管，该多个通路或导管可被构造以将水流(如液体和/或蒸汽)分布至每个EHC堆叠，然后收集从每个EHC堆叠排放的水流并引导水流离开EHC系统100，或者被收集的水流能够被循环。水流可在每个堆叠内用于(例如)控制每个电化学电池内的湿度并维持电解质的导电性。
冷却剂分布回路140能够包括多个通路或导管，该多个通路或导管被构造以使冷却剂循环通过每个EHC堆叠。循环通过每个EHC堆叠的冷却剂能够被构造，以通过从堆叠中输送热量来调节每个堆叠的温度。
EHC系统100还可包括第一传感器161、第二传感器162和第三传感器163。第一传感器161可被构造以产生表明离开EHC堆叠121的冷却剂的温度的信号。第二传感器162可被构造以产生表明离开EHC堆叠122的冷却剂的温度的信号。第三传感器163可被构造以产生表明进入EHC堆叠121和EHC堆叠122的冷却剂的温度的信号。控制器110可与第一传感器161、第二传感器162和第三传感器163连通。控制器110可被构造以接收每个信号，并以信号为基础计算EHC堆叠121和EHC堆叠122内的冷却剂的温度变化。以每个堆叠内的冷却剂的温度变化为基础，控制器110可利用每个堆叠的温度变化和功率来计算每个堆叠内的冷却剂流分布。例如，给定EHC堆叠的物理性质，由于压差导致的电化学电势能够运用以下所示的能斯特方程计算。
位于阳极和阴极的氢气压力是浓度差的来源。此能斯特电势是可逆的且不会有助于堆叠中的热生成。通过从来自电源的总施加电势减去可逆的电化学电势，能够估算需要从堆叠去除的总热量(Q)。在知道冷却剂的热容以及从163穿过堆叠到161或162的温升时，冷却剂的流速能够利用以下所示的式(7)来计算。
以温度变化为基础计算冷却剂流分布能够通过允许移除与每个堆叠关联的单个流量计来简化EHC系统100。
图2示出多堆叠EHC系统200的示意图，该多堆叠EHC系统200与EHC系统100相似，然而EHC系统200包括5个EHC堆叠。如图2所示，EHC系统200包括EHC堆叠221、222、223、224和225。每个EHC堆叠可与电源(即251、252、253、254和255)电性连通。在某些实施例中，每个EHC堆叠可与被构造成独立控制被供应至每个EHC堆叠的功率的单个电源电性连通。也就是说，在本文描述独立电源的情况下，在某些实施例中，它们能够被单个电源模块代替，该单个电源模块能够将独立控制的功率供应至多个负载。
EHC系统200还可包括控制器210，该控制器与每个电源连通。EHC系统还可包括氢分布回路270。为了保持图2的特征容易识别，没有显示水分布回路和冷却剂分布回路。然而，EHC200可包括与EHC100相同的水分布回路和冷却剂分布回路，但该水分布回路和冷却剂分布回路被扩展以并入额外的EHC堆叠(即253、254和255)。
如图2所示的EHC系统200被用于三个单独的数值分析试验(即试验1、试验2和试验3)。EHC系统200内用于三个试验的每个EHC堆叠由256个电化学电池组成，并且每个电池具有约250cm2的面积。对于每个试验，假定对所有堆叠施加相等的操作压力(即相等的能斯特电势)。
试验1
根据传统的功率方案，试验1由操作EHC系统200组成，在此方案中供应1250安培的总电流以及将相同的电流供应至每个EHC堆叠。这种方案阐明了，如果整个系统只有单个电源用于供应每个堆叠，那么性能将会是原因。对于试验1，供应至每个堆叠(即221、222、223、224和225)的电流为来自每个相应的电源(即251、252、253、254和255)的250安培。以下的表1显示试验1的每个堆叠的参数和结果。
表1
如表1所示，堆叠251具有0.092160欧姆的最高电阻，而堆叠255具有0.061440欧姆的最低电阻。作为更高电阻的结果，被供应250安培电流的堆叠251导致功率消耗为5760瓦特，而被供应250安培电流的堆叠255导致功率消耗为3840瓦特。对应于最高功率消耗，堆叠251还接收23.04伏特的最高电势。
由于高电阻和高能耗，EHC堆叠251可被表征为性能最差的堆叠。高电阻和高能耗可由各种问题导致，例如连同堆叠的一个或多个故障电池、一个或多个电池内的高电解质电导率、低湿度、电解质的离子污染、催化剂中毒、内部堆叠部件之间不良的电接触、不当的气体分布、热量不平衡等。由于低电阻和低能耗，EHC堆叠255可被表征为性能最佳的堆叠。EHC堆叠251显示出比EHC堆叠255大50％的电阻率，其相当于功率消耗多1920瓦特。每个堆叠消耗的至少一部分功率转化成热量。因此，EHC堆叠251消耗的额外的功率导致EHC堆叠151在比所有堆叠更高的温度下操作。
试验2
如本文描述，试验1论证每个EHC堆叠被供应相同电流量(如250安培)的传统功率方案。在试验2中，由每个相应的电源给每个堆叠供应相同的电势或电压(即18.72伏特)，而不是给每个堆叠供应相同的电流量。以下的表2显示试验2的每个堆叠的参数和结果。
表2
堆叠 功率(P) 电阻 面积 电池 电阻(R) 电流(I) 电压(V)
(W) (mΩ·cm<sup>2</sup>) (cm<sup>2</sup>) # (欧姆) (安培) (伏特)
251 3803 90 250 256 0.092160 203.12 18.72
252 4753 72 250 256 0.073728 253.91 18.72
253 4753 72 250 256 0.073728 253.91 18.72
254 4387 78 250 256 0.079872 234.37 18.72
255 5704 60 250 256 0.061440 304.69 18.72
P<sub>总</sub> 23400 I<sub>总</sub> 1250
ΔP(W) 408 1.71％ 节省
kWh/日 9.792
kWh/kg 0.039168
如表2所示，每个堆叠的电阻与试验1没有变化。在试验2中，供应至每个堆叠的电势(即电压)横跨每个EHC堆叠相配，而每个堆叠的单个电流在每个EHC堆叠之间有所不同。尽管每个堆叠的单个电流对于试验2而言有所不同，但是控制总电流以维持与试验1相同(即1250安培)。
当与试验1消耗的总功率相比时，使每个堆叠的电压相配而不是使电流相配能够允许降低消耗的总功率。总功率的降低可归因于性能最佳的堆叠(如255)的加大利用以及性能最差的堆叠(如251)的减少利用。由于与每个EHC堆叠关联的单个电源，能够实现此分配。
EHC堆叠255的加大利用以及EHC堆叠251的减少利用是施加至EHC堆叠的电流差的结果。如表2所示，203.12安培施加至EHC堆叠251，而304.69安培施加至EHC堆叠255。结果，对于试验2，EHC堆叠251消耗最少的功率(即3803瓦特)，而目前EHC堆叠255消耗最多的功率(即5704瓦特)。因此，性能最佳的堆叠(如255)是目前在最高温度下运行的堆叠，与试验1形成对比，其中性能最差的堆叠(如251)在最高温度下运行。
对于试验2，消耗的总功率为23400瓦特，比试验1消耗的功率少408瓦特。因此，使EHC堆叠的电势(如18.72伏特)相配同时保持总电流相同(如1250安培)，消耗的功率减少约1.71％。此功率方案的关系可由以下所示的式8和式9表示。
min(Ptot)Itot～H2 式(8)
V1＝V2＝V3＝…Vn-Itot～H2 式(9)
试验3
在试验3中，将总电流保持在1250安培，同时改变电压使得每个EHC堆叠消耗的功率(P)相配，而不是使电势相配。此关系可由以下所示的式10来表示。
P1＝P2＝P3＝…Pn|Itot～H2 式(10)
以下的表2显示试验3期间每个堆叠的参数和结果。
表3
堆叠 功率(P) 电阻 面积 电池 电阻(R) 电流(I) 电压(V)
(W) (mΩ·cm<sup>2</sup>) (cm<sup>2</sup>) # (欧姆) (安培) (伏特)
251 4700.34 90 250 256 0.092160 225.84 20.81
252 4700.34 72 250 256 0.073728 252.49 18.62
253 4700.34 72 250 256 0.073728 252.49 18.62
254 4700.34 78 250 256 0.079872 242.59 19.38
255 4700.34 60 250 256 0.061440 276.59 16.99
P<sub>总</sub> 23501.72 I<sub>总</sub> 1250
ΔP(W) 306.28 1.29％ 节省
kWh/日 7.3508
kWh/kg 0.029403
如表3所示，每个堆叠的电阻与试验1和试验2没有变化。每个EHC堆叠产生的消耗功率值为约4700.34瓦特，使得总功率为23501.72瓦特，这相比于试验1节省了1.29％。尽管试验3的节省少于试验2，但是使每个EHC堆叠的消耗功率相配维持了相等的热负荷，因此可归因于改进的总系统耐久性和寿命。
图3示出由多堆叠EHC系统执行的示例性过程。本文描述的过程可与EHC系统100和/或EHC系统200以及其他实施例相对应。如本文描述的EHC系统100/200可被构造，使得包含氢气的气体流可在步骤302被引导至两个或多个EHC堆叠。控制器110/210可被构造，使得功率可被施加至每个EHC堆叠，使得EHC系统100/200内每个EHC堆叠的电阻能够在步骤304确定。
在步骤306，控制器110/210以期望的氢气生产量为基础可确定供应至EHC系统100的总电流(I)。控制器110/210可(例如)从流量传感器171/271接收期望的氢气生产量，或者可以是使用者的程序化输入。总电流以供应至EHC系统100、包含氢气的气体流的压力和流速为基础可有所不同。在步骤308，通过使施加至每个EHC的电势相配，以及在获取总电流值时优化EHC堆叠当中的电流分布，控制器110/210可如在试验2中描述的那样操作。
图4示出由多堆叠EHC系统100执行的示例性过程，该过程与在图3中所示的过程相似。图4所示的步骤402、404和406能够与图3所示的步骤302、304和306相同。图4所示的步骤408能够与步骤308不同。在步骤408，通过使每个EHC堆叠的功率相配，同时在获取总电流值时优化EHC堆叠当中的电流分布，控制器110/210可如在试验3中描述的那样操作。
图5示出由多堆叠EHC系统100执行的示例性过程，该过程与在图4中所示的过程相似。图5所示的步骤502和506能够与图4所示的步骤402和406相同。图5所示的步骤504和508能够与步骤404和408不同。控制器110/210可被构造，使得功率可被施加至每个EHC堆叠，使得EHC系统100/200内横跨每个EHC堆叠的温升(如差异)能够在步骤504确定。例如，以穿过EHC的水温的上升或冷却剂温度的上升为基础，或者只以在EHC堆叠的物理结构中的上升为基础，可计算温升。在步骤508，通过使每个EHC堆叠的电势或功率相配，同时在获取总电流值时优化EHC堆叠当中的电流分布，控制器110/210可如在试验2或试验3描述的那样操作。每个电池的温升可被控制器110/210用于设置功率分布至每个电池。
对于本领域技术人员而言显而易见的是，能够对所公开的系统和方法作出各种修改和变化。出于对所公开的系统和方法的说明和实践的考虑，其它实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。这意味着，说明书和示例被视为仅是示例性的，真实的范围由以下权利要求及其等效物表明。

Claims (15)

1.一种多堆叠电化学氢气压缩机（EHC）系统，包括：
两个或更多个EHC堆叠，其中每个EHC堆叠包括：
至少一个电化学电池；以及
电源；
控制器，该控制器与每个EHC堆叠的电源连通；
其中控制器被构造成通过独立控制每个EHC堆叠的电源来减少EHC系统的总能耗；
水分布回路，该水分布回路被构造成使水循环通过每个EHC堆叠；
冷却剂分布回路，该冷却剂分布回路被构造成使冷却剂循环通过每个EHC堆叠；以及
至少一个传感器配置在冷却剂分布回路中、位于每个堆叠的出口，并被构造以产生表明位于堆叠的出口的冷却剂温度的信号；
至少一个传感器配置在冷却剂分布回路中，被构造以产生表明位于每个堆叠的入口的冷却剂温度的信号；
其中EHC系统被构造，使得以流过每个堆叠的冷却剂的温差为基础确定流过每个堆叠的冷却剂流分布。
2.如权利要求1的EHC系统，其中控制每个EHC堆叠的电源包括使每个堆叠的功率相配，同时以期望的氢气生产量为基础维持流至系统的总电流。
3.如权利要求2的EHC系统，其中控制每个EHC堆叠的电源包括使每个堆叠生成的热量相配。
4.如权利要求1的EHC系统，其中控制每个EHC堆叠的电源包括，通过使施加至每个EHC堆叠的电势相配，同时优化施加至每个EHC堆叠的电流分布，来减少系统消耗的总功率。
5.如权利要求4的EHC系统，其中性能最佳的EHC堆叠被构造成最高温度堆叠，性能最差的EHC堆叠被构造成最低温度堆叠。
6.如权利要求1的EHC系统，其中控制器进一步被构造成通过控制功率使得每个堆叠的热负荷相等，来提高堆叠的耐久性。
7.如权利要求1的EHC系统，进一步包括至少两个传感器，该至少两个传感器被构造以产生表明横跨每个EHC堆叠的温差的信号；
其中控制器被构造，使得每个堆叠的温差被用于确定电源的功率分布。
8.一种控制多堆叠电化学氢气压缩机（EHC）系统的方法，该多堆叠电化学氢气压缩机（EHC）系统具有两个或更多个EHC堆叠，该方法包括：
将包含氢气的气体流引导至所述两个或更多个EHC堆叠；
将功率从独立电源供应至所述两个或更多个EHC堆叠；以及
独立控制被供应至每个EHC堆叠的功率；
使水循环通过每个EHC堆叠；
使冷却剂循环通过每个EHC堆叠；
检测离开每个堆叠的冷却剂的温度；
检测进入每个堆叠的冷却剂的温度；
计算通过每个堆叠的冷却剂的温差；
以及以通过每个堆叠的冷却剂的温差为基础，确定通过每个堆叠的冷却剂流分布。
9.如权利要求8的方法，其中控制功率减少EHC系统的总能耗。
10.如权利要求9的方法，其中控制功率包括使每个EHC堆叠的功率相配，同时维持至系统的总电流足以满足氢气的期望生产量。
11.如权利要求10的方法，其中控制功率进一步包括使来自每个EHC堆叠的热负荷相配。
12.如权利要求8的方法，其中控制功率包括，通过使施加至每个EHC堆叠的电势相配，同时优化施加至每个EHC堆叠的电流分布，来减少系统消耗的总功率。
13.如权利要求8的方法，其中控制功率包括将最大电流供应至系统的性能最佳的EHC堆叠，使得它是最高温度堆叠，同时将最小电流供应至系统的性能最差的EHC堆叠，使得它是最低温度堆叠。
14.如权利要求8的方法，其中控制功率包括使所有堆叠的热负荷平衡，以便提高堆叠耐久性。
15.如权利要求8的方法，进一步包括：
检测横跨每个EHC堆叠的温差；
其中独立控制功率包括将每个堆叠的温差用于确定来自独立电源的功率分布。
CN201580045041.5A 2014-07-02 2015-07-02 多堆叠电化学压缩机系统及操作方法 Active CN106795638B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201462020030P 2014-07-02 2014-07-02
US62/020,030 2014-07-02
PCT/US2015/038956 WO2016004288A1 (en) 2014-07-02 2015-07-02 Multi-stack electrochemical compressor system and method for operating

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106795638A CN106795638A (zh) 2017-05-31
CN106795638B true CN106795638B (zh) 2019-03-15

Family

ID=53783909

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201580045041.5A Active CN106795638B (zh) 2014-07-02 2015-07-02 多堆叠电化学压缩机系统及操作方法

Country Status (9)

Country Link
US (1) US10000855B2 (zh)
EP (1) EP3164528B1 (zh)
JP (1) JP6574248B2 (zh)
KR (1) KR20170026564A (zh)
CN (1) CN106795638B (zh)
AU (1) AU2015284015B2 (zh)
CA (1) CA2953829A1 (zh)
ES (1) ES2670023T3 (zh)
WO (1) WO2016004288A1 (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019014644A (ja) * 2017-07-05 2019-01-31 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素供給システム
WO2019187211A1 (ja) * 2018-03-26 2019-10-03 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素生成システムとその運転方法
JP7122541B2 (ja) 2018-04-16 2022-08-22 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素ポンプおよび電気化学式水素ポンプの運転方法
NL2022066B1 (en) * 2018-11-23 2020-06-05 Hyet Holding B V Solid-state electro-chemical compressor
CN113366152A (zh) * 2019-12-24 2021-09-07 松下知识产权经营株式会社 电化学式氢泵及其控制方法
GB2604896A (en) * 2021-03-17 2022-09-21 Enapter S R L Modular electrochemical system
WO2023143731A1 (en) * 2022-01-28 2023-08-03 Hitachi Energy Switzerland Ag Method and control module for operating electrolysis plant

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2674515A1 (de) * 2012-06-11 2013-12-18 Siemens Aktiengesellschaft Temperaturregelung eines Hochtemperatur-Elektrolyseurs

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3102942B2 (ja) * 1992-02-26 2000-10-23 三菱電機株式会社 電気化学的ガス圧縮機
US6167721B1 (en) * 1998-07-14 2001-01-02 Borst, Inc. Electrochemical hydrogen pump and uses thereof for heat exchange applications
US20050121315A1 (en) * 2003-12-05 2005-06-09 Baltrucki Justin D. System for generating hydrogen and method thereof
US8282811B2 (en) * 2001-08-29 2012-10-09 Giner Electrochemical Systems, Llc Method and system for producing high-pressure hydrogen
US8148023B2 (en) * 2007-11-13 2012-04-03 Honda Motor Co., Ltd. Regulating an oxidizer in an electrochemical cell pumping system
JP2010262776A (ja) * 2009-04-30 2010-11-18 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2010262906A (ja) * 2009-05-11 2010-11-18 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2010282783A (ja) * 2009-06-03 2010-12-16 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
CA2767213C (en) * 2009-08-19 2014-04-15 Next Hydrogen Corporation Pem water electrolyser module
IN2014DN06093A (zh) * 2011-12-21 2015-08-14 Xergy Inc
CN104704147B (zh) * 2012-05-28 2017-06-30 水吉能公司 电解器与能量系统

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2674515A1 (de) * 2012-06-11 2013-12-18 Siemens Aktiengesellschaft Temperaturregelung eines Hochtemperatur-Elektrolyseurs

Also Published As

Publication number Publication date
EP3164528A1 (en) 2017-05-10
EP3164528B1 (en) 2018-04-25
US20160002795A1 (en) 2016-01-07
JP2017529460A (ja) 2017-10-05
ES2670023T3 (es) 2018-05-29
JP6574248B2 (ja) 2019-09-11
AU2015284015A1 (en) 2017-02-02
US10000855B2 (en) 2018-06-19
KR20170026564A (ko) 2017-03-08
CA2953829A1 (en) 2016-01-07
CN106795638A (zh) 2017-05-31
WO2016004288A1 (en) 2016-01-07
AU2015284015B2 (en) 2020-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106795638B (zh) 多堆叠电化学压缩机系统及操作方法
Reed et al. Performance of a low cost interdigitated flow design on a 1 kW class all vanadium mixed acid redox flow battery
US9070914B2 (en) Method of controlling water content of fuel cell and fuel cell system
JP2007188667A (ja) 燃料電池システム
CA2952368C (en) Back-up fuel cell electric generator comprising a compact manifold body, methods of managing the operation thereof
US9099703B2 (en) Fast MEA break-in and voltage recovery
US9385380B2 (en) Fuel cell humidification management method and system
EP2806489B1 (en) Fuel cell system
WO2010049788A1 (en) Fuel cell system and fuel cell state detection method
CA2508517C (en) Method and apparatus for monitoring fuel cell voltages
Migliardini et al. Optimization of hydrogen feeding procedure in PEM fuel cell systems for transportation
JP2017084453A (ja) 燃料電池診断装置
US20070141411A1 (en) Maximizing energy storage life in a fuel cell system using active temperature compensation
KR102482214B1 (ko) 다중스택 연료 전지 시스템에서 열 제어를 제공하기 위한 시스템들 및 방법들
Saygılı et al. Development and modeling for process control purposes in PEMs
US20070141429A1 (en) Storing energy in a fuel cell system
JP2013134866A (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
TWI726516B (zh) 液流電池系統及其控制方法
CN104051756B (zh) 在功率暂时下降期间通过使用所存储的阴极氧气来提高燃料电池系统的总体效率
Niroumand et al. Challenges and Opportunities in PEM Fuel Cell Systems
JP2019040819A (ja) 燃料電池システム
CN104051756A (zh) 在功率暂时下降期间通过使用所存储的阴极氧气来提高燃料电池系统的总体效率

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant