CN112647088A - 一种离网式电解控制结构和方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离网型、能够独立利用功率波动幅度非常大的清洁能源，独立作为电解电源的一种电解室和电解槽结构以及控制方法，该电解槽可用于水制氢、制氧等。通过风能或太阳能等波动电源的最低切入电压值设置基本电解室数，电压升高将通过串联一定数量的电解室，以保持每个电解室始终维持在2伏左右的基准电压，根据波动电源最高电压设置总电解室数；依据风能或太阳能等波动电源的最低切入电压值所对应的最小切入电流和基准电流的比值设置电解槽(电极)的有效尺寸，当波动电源的电压、电流在一定范围内增加，将在基本电解槽中接入若干串联电解室，当波动电源电压、电流持续升高并超过基本电解槽可承载范围时，则自动并联接入一个和基本电解槽具有相同电解室串联数的电解槽；反之，当波动电源的电压、电流持续下降，则自动切出一定数量的串联电解室、甚至切出并联电解槽，达到使用不仅功率波动非常大、而且电流波动非常大的电源进行电解的目的。

Description

一种离网式电解控制结构和方式

技术领域

本发明涉及电化学方法的电解技术。

背景技术

氢气、氧气都是一种重要的工业原料，同时氢气也具有高燃值的特性，是一种完全清洁的能源，氢能的用途也越来越广泛而受到人类的喜爱。

现有制氢方法除了化石燃料重整、分解、光解等方法以外，还有水电解制氢，迄今为止，水电解制氢只占全世界4％～5％氢气的生产量，95％以上的氢气是通过化石燃料重整来获得，生产过程必然排出CO2，而独立利用清洁能源的水电解技术，可实现CO2的零排放。水电解制氢是在稳定直流电的作用下，通过电化学过程将水分子解离为氢气与氧气，分别在阴、阳两极析出。根据隔膜不同，可分为碱水电解、质子交换膜水电解、固体氧化物水电解。但由于水电解制氢需要消耗大量且功率(电压、电流)稳定的电能，因此一直以来都使用电网电源作为制氢的能量来源。采用固定电源水制氢技术，电解槽中平行、直立地设置若干组电解室板，将电解槽分割为若干个电解室串联相接，根据电源的直流电压值设置串联电解室数，再根据电源的功率设置电解槽尺寸，电解槽总电压为各电解室电压之和，总电流和各电解室相同。虽然近年来也先后有采用可再生能源(比如风能、太阳能)用于制氢、制氧，但由于水电解制氢、制氧对电源的稳定性要求非常高，而风能、太阳能的能量却都具有大幅波动的特性，而且不仅功率波动，电压波动范围也非常大，可利用电能(切入功率)的最低、最高电压有数倍甚至于数十倍的变化量，因此现有采用风能、太阳能电解水制氢的方法、技术，任然需要依赖电网为主电源，而风能或太阳能发电仅作为辅助电源，即使在风资源较好的地区，比如年发电达到1500小时数的地区，风能的可利用率只有17.1％，而太阳的年可利用小时数也大约只有1500小时左右，和风能基本相当，因此绝大部分名义上采用新能源制氢、制氧方案依然依赖电网为主电源，限制了采用清洁能源制氢的途径。

而专申请利号为201720255416.7电解装置的实用新型专利，采用单电解槽、多电解室并联的方式，通过触点开关控制并联电解室的接入数量来解决电解槽的电源波动。但该设计未理解风能、太阳能等新能源的功率特性。风能和太阳能功率发生变化的首要原因首先是电压发生变化，当风速或阳光变化时首先伴随着电压的快速变化，电压(或功率)变化的同时电流根据电压(或功率)的变化呈现有规律的大幅度变化，功率的变化量有数十倍之大，在风能和太阳能行业的功率跟踪特性就是以电压变化为基础的电流变化，不同电压对应不同的电流变化。而该专利采用并联所有电解室的方法，并通过电源功率的变化控制电解室数并联接入或切出的设计，只有当电压波动范围很小时才可采用，而且当电解槽尺寸固定，电解槽适应电流变化的范围也非常小，如每平方厘米从0.25-0.35安培，并不适用于风能、太阳能等电源功率波动非常大的新能源，对于尺寸固定的并联电解室电解槽，变化巨大的电压、电流将迅速击穿电解槽。

而2018201202269的实用新型专利在说明书中，在具体实施方法第一段描述，“所述9为电解槽”用于......，电解槽9内发生电化学反应，最后一段，“所述电解槽9由多个极板串联构成，相邻极板构成电解小室，.......所述第一端极板1，设置于电解槽9的一端，且连接电源负极；第二端极板4，与所述第一端极板1对应的设置于所述电解槽9的另一端，.....即在本具体实施方式的电解槽9中共有N+2个极板”，结合说明书摘要图中可以理解，电解槽9 由多个电解室组成，而且从图中可以看出，开关8是选择开关，因此只能通过控制器从电解槽9中选择不同电解室组合，最大接入是将全部电解室全部接入，实际上电压变化范围是连续的，而不是阶梯状的，控制精度不高，因此只部分解决了电源波动中电压波动对电解槽的影响，而没有解决电压变化时所引起电流的巨大变化，依然不能有效解决风能太阳能功率变化量有数倍、数十倍的问题，且该专利中采用电源正极作为控制端，电源正极作为控制端将使得相邻极板带正电荷，在控制不同电解室的过程中，使不能带电荷的相邻阴极板带正电荷，影响控制精度和安全性。

而专利CN2017202554190在电解控制方面和专利2018201202269相同，在此不做累述。

发明内容

鉴于上述各项问题，本发明的目的是一种真正意义上可以不依赖电网，采用风能、太阳能或其它能量波动幅度非常大的清洁能源作为电源，用于电化学方法进行电解的电解室和电解槽控制方法和结构，其中电解槽的工艺和传统电解槽相似。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

已知技术条件，一般现有电解槽的常规设计是电解槽尺寸按每平方厘米需要0.25安培到 0.35安培的电流为依据，在该电流范围内，经济性等各项性能最佳，该电流在本专利中称为基准电流，即较佳的基准电流(Ib)在0.25-0.35安培/平方厘米之间，每平方厘米0.35安培在本专利中称为最大基准电流，每个电级为2伏的直流电压(允许变化范围为2伏的0.6-1.1倍) 为依据，在本专利中，该电压称为电解室的基准电压。

在风能、太阳能等可再生能源领域，电功率是随外界的因素变化忽大忽小，通常称最小可利用功率时的电压称为切入电压，对应的电流则称为切入电流(Ii)。本专利的核心是先通过风能或太阳能最低的切入电压值设置一定数量的基本串联电解室，再依据风能或太阳能最低切入电压值所对应的最小切入电流值和基准电流值的比值设置电解槽的尺寸。当风能或太阳能的功率增加时，首先电源的电压V升高，电源的电流I也按规律的增大。电压升高将通过再串联接入一定数量的电解室，以始终保持每个电解室在2伏左右的基准电压范围内，反之，电压降低时切出一定数量的串联电解室；而当电流增加，达到并超过电解槽最大基准电流时，将通过并联一个具有相同串联电解室数的电解槽(称为并联电解槽)，达到采用不仅功率波动非常大，而且电压、电流波动都非常大的新能源水电解(制氢、制氧)的目的。

图一是由基本电解室和不同串联电解室组成电解槽的结构示意图，电解槽中的电解室由基本电解室和串联电解室组成，根据波动电源的最大波动电压值设置电解室数，串联电解室布置在基本电解室的一侧或二侧。每个电解室的基本构成和常规电解室相同，分别有正、负极的电极组成，电极中间可采用不同类型的隔膜，风能或太阳能的直流输出功率作为电解槽的总电源，但也可同时连接电网。电源的正极接第一个基本电解室的阳极，电源的负极作为可控触点接最后一个基本电解室的阴极。

在图一中，开关(或触点开关)受PLC或其它控制芯片组成的控制器控制，控制器根据电源电压的变化规律，分别接入或切出一定数量的串联电解室。当电源刚接入时，电解室电压还未升高到足够高，阴极触点接通若干基本电解室，电源接在基本电解室上，此时基本电解室处于工作状态，串联电解室未被接入，当电压持续升高，每个基本电解室的基准电压超过设定值后(比如直流2.2伏)时，触点通过控制器被自动接入第一个移动电解室阴极位置，则串联电解室开始被接入，每个已经被接入电解室的基准电压会随之降低；同样，当控制器检测出基准电压低于设定值后(比如设定为1.6伏)，已被接入的串联电解室将被切出若干组，以维持每个电解室基准电压保持在一个较优的电压状态，比如1.6-2.2伏之间。新接入或切出的串联电解室可以根据电压波动状态几个一组串联接入或切出，也可一组一组地分别串联接入或切出。当功率持续增大，电解槽中串联接入的电解室已经不能消耗持续增大的输入功率时，电解室的电流将达到或超过最大基准电流Imax(比如0.3安培或0.35安培)，则并联接入一个或若干个具有和基本电解槽相同串联电解室数的电解槽，在本专利中称为并联电解槽，并联电解槽中电极尺寸的设置方式和基本电解槽相同。同样在功率持续降低，电解槽中的电流减少到小于所设定的基准电流(比如0.2安培/cm²或0.1安培/cm²)时，并联的电解槽将被逐一自动切出。即电压升高或降低，先在基本电解槽中串联接入或切出一定数量的电解室，电流增大或减小将到一定值后，通过接入或切出并联一定数量的电解槽。以下将通过不同的实施例进行具体说明串联电解室和并联电解槽是如何被接入或切出的，以及电解槽中电极尺寸的设置方式。

具体实施方式

由于新能源的不稳定性特点，而且发电规模可根据需求组合，下面将结合具体实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，具体说明基本电解室数量的设置，串联电解室的切入、切出方法，电解槽尺寸的设置，以及电解槽如何被接入和切出。但不应以此限制本发明的保护范围，应当理解，本领域技术人员可以在不背离权利要求书限定范围的前提下，根据本专利的方法对这些实施例中的电解室数和电解槽数重新进行合理的细分变化和组合，尤其是重新设定新的基准电流、基准电压值，或重新设定最低切入电压、切入电流，或重新设定最小切入电流和基准电流的比值，从而获得新的具体实施方法，这些通过改变基准电流、基准电压、最低切入电压和最低切入电流、最低切入电流和基准电流比值设置，电解室数或电解槽数的变化、组合所获得的新的具体实施方式，也都包括在本发明的保护范围之内。

实施例1

选取一台额定功率100千瓦的风力发电机，发电机为三相永磁同步发电机，发电机额定电压 110伏，额定风速12米/秒，发电机输出通过整流后并联到直流母排上作为电解槽的电源。下表为某款风力发电机在不同风速下的功率输出特性：

实施例一设定电解槽电解室的基准电流为0.25安培/平方厘米，最大基准电流为0.3安培/平方厘米。

接上表

电解室接入、切出的具体步骤如下：根据上表，当风速4米/秒时，100千瓦永磁发电机功率 3706瓦，整流后的直流电压48.8伏，直流电流75.9安培，当每个电解室基准电压设定在2 伏左右时，48.8伏可设置25-26个串联基本电解室，为了能够跟随电解室电压的变化速率，在本实施例中48.8伏设置26串，再根据电解槽基准电流每平方厘米0.25安培，75.9安培需要304平方厘米的电解槽(75.9/0.25)，所以304平方厘米为基本电解槽电级的有效尺寸。当风速提高到4.5米/秒时，直流电压升高到54.9伏，伴随着直流电流增加到96.1安培，直流功率也增加到5277瓦，54.9伏需要29个串联电解室，当直流电压为54.9伏时，串联电解室可承载的最大功率为54.9伏*304(电级尺寸)*0.3安培(最大基准电流)＝5007瓦，但电源具有5277瓦的输出功率，理论上高出电解槽在29个串联电解室时的最大承载功率270瓦，因此需要并联一个电解槽(称为并联电解槽)，以承载额外的电能(当最大基准电流设置为0.35 安培或更大时，则无需在此功率下接入并联电解室)。并联的电解槽必须和基本电解槽具有相同的基本电解室数，以保持每个电解室的电压一致，但电解槽中电极的有效尺寸可以和基本电解槽相同，也可以按新的电流重新设定，本实施例按新的电流设置并联电解槽的有效尺寸。在电压54.9伏时，直流电流96.1安培，并联电解槽的有效尺寸为96.1/0.25＝384平方厘米 (即相对于基本电解槽，并联电解槽的最低切入电流从75.9安培提高到96.1安培)，384平方厘米的电解槽在29级串联电解室条件下最大可承载功率为6332瓦，而波动电源可供并联电解槽的理论功率只有270瓦(因为基本电解槽和并联电解槽相互并联，电解槽电压相等，电流按电解槽面积分配，因此实际电解槽电流按电解槽尺寸比例分配)，因此并联电解槽还有富余的可承载量6062瓦(在以下实施例中，电解槽有富余的可承载功率都标定为负值，负值时无需并联接入新的电解槽)；当风速增加到6.5米/秒时，并联电解槽依然有463瓦的富余承载量而无需并联新的电解槽；当风速增加到7米/秒时，电压增加到85.3伏、电流增加到 232.6安培，此时风机的输出功率(波动电源的功率)大于基本电解槽和并联电解槽1的可承载功率2234瓦，需要再并联一个电解槽2，并联电解槽2的有效尺寸按232.6安培设置，尺寸为232.6/0.25＝930.4平方厘米，三个相互并联的电解槽(基本电解槽、并联电解槽1和并联电解槽2)实际被消耗的功率只有19840瓦(电源功率)，三个电解槽有21574瓦的富余承载量，当风机(波动电源)输出功率大于电解槽可承载功率时才需要并联接入一个新的电解槽，但电解槽尺寸可以采用和基本电解槽相同的尺寸，也可以按并联电解槽时的电流重新设置尺寸。

实施例2

实施例2是采用实施例1相同的风力发电机，但基准电流减小到每平方厘米0.07安培，最大基准电流依然为每平方厘米0.3安培。

按实施例1相同的方法，当风机有效功率开始切入时，直流电压48.8伏，基本电解槽设置26 级串联电解室，直流电流75.9安培时将基准电流减小到0.07安培，则基本电解槽尺寸为 75.9/0.07＝1085平方厘米，在9米/秒风速以下都无需并联新的电解槽，只有当风速大于9 米秒以后，风机(电源)输出功率大于电解槽可承载功率而需要并联一个电解槽，设置新的电解槽尺寸和基本电解槽尺寸相同条件下，在额定风况下都能满足风机输出功率的需要而无需再增加新的电解槽。

实施例3

实施例3是采用实施例1相同的风力发电机，但基准电流减小到每平方厘米0.037安培，最大基准电流设置为每平方厘米0.333安培。

当风机有效功率开始切入时，直流电压48.8伏，基本电解槽设置26级串联电解室，直流电流75.9安培，基准电流减小到0.037安培，最大基准电流每平方厘米0.333安培，电解槽有效尺寸为75.95/0.037＝2053平方厘米，2053平方厘米的电解槽，在最大功率时的146.3伏电压和683.5安培电流，在最大允许基准电流增加到每平方厘米0.333安培的条件下，可承载的功率为100018瓦，大于波动电源的最大功率，基本电解槽依然可满足需求而无需并联电解槽。但在低风速下由于功率相对很低，制氢、制氧的出气量很少，设备长期处于低载荷条件下工作，设备有效利用率较低。

实施例4

实施例4是用2台和实施例1相同的风力发电机整流后并联输出作为电解槽的电源，基准电流设定为每平方厘米0.1安培和最大基准电流没平方厘米0.333安培。

当风机有效功率开始切入时，直流电压48.8伏，基本电解槽设置26级串联电解室，切入电流151.85安培，基准电流设置为每平方厘米0.1安培，最大基准电流按每平方厘米0.333安培设置，电解槽有效尺寸为151.85/0.1＝1519平方厘米，1519平方厘米的电解槽，在不超过 7米/秒风速时都无需并联电解槽，只有当风速大于7米/秒后需要并联一个电解槽。本实施例中，并联电解槽尺寸采用和基本电解槽相同的设置，在风速低于10.5米/秒以下并联一个电解槽即可，当风速达到或高于10.5米/秒时需要并联第二个电解槽。但如并联电解槽按7.5 米/秒风速时的电流534安培设置，则并联电解槽的尺寸为534/0.1＝5340平方厘米，并联一个电解槽就可满足波动电源的需求。

实施例5

实施例5是采用现有一款1500千瓦双馈型风力发电机作为电解槽电源，该型风机风/功率特性如下表，由于双馈型风力发电机在大部分风速范围下电压和频率相同，功率的不同仅表现在电流上，

实施例5基准电流设定为每平方厘米0.055安培，最大基准电流设定为每平方厘米0.3安培，基本电解槽的尺寸为376/0.55＝6835平方厘米。在风速达到7.5米/秒时需要并联接入一个电解槽，并联电解槽尺寸为2502/0.55＝45486平方厘米，在12米/秒额定功率下一个基本电解槽和一个并联电解槽就可满足需求，而且任有近80千瓦的富余量，因此也可适当减小并联电解槽的尺寸以降低设备成本。

实施例6

实施例6是由2000组250伏24伏的太阳能电池板，通过4串500并后组成一个144伏(145 伏)/500千瓦的太阳能阵列。基准电流设定为每平方厘米0.2安培，最大基准电流设置为0.3 安培。

当不强的阳光照射在太阳能电池板上，起始电压40伏。电流1000安培，串联电解槽有效尺寸为1000*10000/2000＝5000平方厘米，当电压上升到65伏时，需要并联接入一个电解槽，电解槽有效尺寸为1625*10000/2000＝8125平方厘米，在并联一个电解槽后，即使在阳光最强烈时，电解槽依然有富余容量70千瓦，因此实际并联电解槽可适当减小面积，以降低成本。

实施例7

实施例7是和实施例6相同组成的太阳能阵列，在实施例7中基准电流设置为每平方厘米 0.095安培，最大基准电流设置为0.3安培。在实施例7中，由于将基准电流由实施例6的 0.2减小到实施例7的每平方厘米0.095安培，因此即使阳光最强烈时也无需并联一个电解槽，但基本电解槽尺寸却由实施例6的5000平方厘米增加到实施例7的10526平方厘米，在阳光不够强烈时，电解装置的设备利用率较低。

通过上述7个实施例说明，可以通过更改基准电流值、最大基准电流值、可切入电压、最低切入电流和基准电流的比值等参数产生无数组合，形成新的不同类型的电解槽组合，但无论如何组合，基本电解槽还是并联电解槽，各电解槽中电解室的数量都相同，且电解室都相互串联连接。同时通过上述7个典型的实施例可以清楚的了解，本专利是在充分理解能量波动非常大的风能、太阳能功率特性和电解特性条件下的融合创新发明，应当被授予专利。

附图和实施例说明

图1是摘要示意图，也是基本电解槽中电解室串联接入、切出的示意图。

图2是并联电解槽中电解室串联接入、切出的示意图

图3是基本电解槽和并联电解槽的控制方式示意图

实施例1，是单发电机采用0.25安培作为基准电流方案

实施例2，是单发电机采用0.07安培作为基准电流方案

实施例3，是单发电机采用0.037安培作为基准电流方案

实施例4，是二个相同发电机并联作为电源，采用0.1安培作为基准电流方案

实施例5，是双馈型1.5兆瓦风机作为电源，采用0.055安培作为基准电流方案

实施例6，是500千瓦144伏太阳能阵列作为电源，采用0.2安培作为基准电流方案

实施例7，是500千瓦144伏太阳能阵列作为电源，采用0.095安培作为基准电流方案

以上所述仅为本发明具有代表性的部分实施例，凡依本发明申请专利方法所做的电解室和电解槽变化与组合，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种电解室和电解槽的控制方式和结构，其特征在于，电解所需的电源为功率波动的电源，且电源的最小切入电流到最大电流的波动范围大于3，或电源的最小功率到最大功率的波动范围大于4。

2.根据权利要求1所述的内容，其特征在于，一个电解系统由一个基本电解槽和若干组可控的并联电解槽组成。基本电解槽由若干组相互串联的基本电解室和可控的串联电解室组成，基本电解槽可以只设置一个或多个相互串联的电解槽组成，如基本电解槽由1个以上的相互串联的电解槽组成，则第二个串联的电解槽中，电解室全部串联连接；并联电解槽和基本电解槽中电解室的总数量相同且都为串联电解室，根据波动电源功率的波动范围，可并联接入或切出一个或数个并联电解槽，并联电解槽的个数是从0-20的自然数。

3.根据权利要求2所述的内容，其特征在于，基本电解槽中基本电解室总数按波动电源的最低切入电压值设置基本电解室数，按波动电源电压的最大值设置电解室总数。

4.根据权利要求2所述的内容，其特征在于，基本电解槽中各电解室中的电级尺寸相同；并联电解槽中各电极的尺寸也相互一致。

5.根据权利要求2所述的内容，其特征在于，在基本电解槽中，直流电源的正极接第一个基本电解室的阳极，而在并联电解槽中，直流电源的正极接第一个电解室中的阳极；电源的负极做为移动触点在基本电解槽中接最后一个基本电解室中的阴极，而在并联电解槽中接串联电解室的阴极。

6.根据权利要求2所述的内容，其特征在于，在各电解槽中，按照波动电源的最低切入电压所对应的切入电流(最低切入电流Ii)和设定的基准电流Ib的比值(Ii/Ib)设置电级尺寸。

7.根据权利要求2所述的内容，其特征在于，Ii/Ib的比值范围从0.005到10之间；基准电流Ib的范围从每平方厘米(0.01-1)安培之间。

8.根据权利要求2所述的内容，其特征在于，电解室串联接入或切出的依据是上一组或下一组电解室电压变化范围的正、负20％。

9.根据权利要求3所述的内容，其特征在于，控制电解室串联接入、切出和电解槽并联接入或切出的控制器用于检测波动电源的电压、电流和功率，并控制串联电解室的接入和切出、并联电解槽的接入和切出。

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