CN114026271A - 用于运行电解设备的方法和用于电解的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行电解设备(100)以获得至少一种气态电解产物的方法，其中至少一个电解装置(150,160)经由直流电路(140)与整流器(130)电连接，其中将所述整流器(130)与交流电路(120)连接，以便为所述至少一个电解装置(150,160)供应电能以确保其运行，其中借助振荡包控制来运行所述整流器(130)，以及一种这样的设备(100)。

Description

用于运行电解设备的方法和用于电解的设备
说明书
本发明涉及一种用于运行电解设备以获得氢或其他气态电解产物的方法，其中经由整流器为至少一个电解装置提供电能，以及一种这样的设备。
背景技术
为获得氢，可使用所谓的电解，其中例如通过电能将水分解成氧和氢，即气态电解产物或基础氧化还原反应的产物。在这种情况下，也称之为水电解。在这里然后进而也考虑所谓的碱性水电解(或“Alkaline Electrolysis”，AEL)或所谓的质子交换膜电解(或“Proton Exchange Membrane”电解，PEM电解)。在这方面的依据是已知的，例如从“Bessarabov等人：PEM electrolysis for Hydrogen production.CRC Press”一书中。此外，也有所谓的SOEC(“Solid Oxide Electrolysis Cell”，固态氧化物电解池)和AEM(“Anion Exchange Membrane”，阴离子交换膜)电解，以及在例如约400℃至700℃温度下的质子传导高温电解，所谓的PCE(Proton Ceramic Electrolyser)，参见例如
Figure BDA0003403954540000011
等人于2019年发表于Nature Materials的“Mixed proton and electron conductingdouble perovskite anodes for stable and efficient tubular proton ceramicelectrolysers”。
特别是那些在低温下进行的电解技术，即例如PEM、AEL和AEM电解，由于灵活操作的可能性而适合用于支持从能源生产向可再生能源的过渡。为此适宜的是，运行对应的电解设备，其中所需的电能例如从诸如公共电源的供电网中获得。但是，同样也考虑所谓的独立供电网络，如果例如(直接)在风力发电设备或具有几个风力发电设备的风电场处运行这样的设备。
然而，在这种情况下可由于对供电网的反作用而导致问题，其中供电网越小，这些反作用一般来说越强。
因此本发明的目的在于，提出用于运行电解设备的经过改善的方法。
发明内容
该目的通过具有独立权利要求的特征的一种用于运行电解设备的方法和一种这样的设备来实现。实施方案是从属权利要求以及以下说明的主题。
本发明的优点
根据本发明的方法用于运行电解设备以获得至少一种气态电解产物，其中至少一个电解装置经由直流电路(也被称为直流中间电路)与整流器电连接。而整流器又与交流电路连接，或者说将整流器与交流电路连接，以便为至少一个电解装置供电确保其运行。交流电路可(直接)为供电网，然而典型且适宜的是，将交流电路借助变压器与供电网电连接。因此，可将供电网中典型地非常高的交流电压(至少在工业规模中使用时，高压是典型的)向下转换为较低的所需的交流电压值。
其中，考虑公共电源或公共供电网作为供电网。但是同样优选的是，使用独立供电网络作为供电网，即(自己)闭合的供电网，例如风力发电设备或具有几个风力发电设备的风电场。
整流器是必要的，以便将对于供电网而言典型的交流电压转化为电解装置运行所需的直流电压。在这种意义上，可使用所谓的逆变器或直流-交流变换器作为整流器。然而在此应指出的是，使用这种整流器将直流电压转换为交流电压原则上也是可行的。这样的整流器典型地具有诸如IGBT或晶闸管或MOSFET等半导体开关，这些半导体开关对应地互联，大多在所谓的桥式电路中，并且然后受到控制以将交流电压转换为直流电压。
尽管在本申请书的上下文中主要参考(仅)一个电解装置来描述该设备，但这样的设备也可具有几个这样的电解装置，这些电解装置经由该直流电路或一条直流电路与整流器电连接。还可设想的是，此外或替代性地还有进一步的电解装置经由另一条直流电路和另一个(同类型的)整流器与变压器电连接，或者说将进一步的电解装置经由此与变压器电连接。
进一步地，可优选地将该设备用于水电解，即用于获得氢作为气态电解产物。在这里，特别地考虑开头已提及的类型的水电解。但是，附加地或替代性地，同样可将该设备用于二氧化碳电解(CO2电解)(这种电解特别地用于获得一氧化碳作为气态电解产物)和/或一氧化碳电解(这种电解特别地用于获得合成气体作为气态电解产物)，其中将二氧化碳或二氧化碳和水转化为不同的产物(特别是气态电解产物)，例如一氧化碳、合成气体或还有乙烯、乙醇、甲酸。同样考虑氯碱电解。此外，可将该设备特别优选地用于低温电解和/或中等温度电解和/或高温电解，正如开头已部分描述的那样。例如更典型地在低于100℃的温度下作为低温电解运行EPM、AEL和AEM，尽管温度高达130℃也是可行的，有时甚至非常高效。在中等温度电解时，一般来说使用蒸汽(而非液态水)，其中例如考虑介于150℃与400℃之间的温度。高温电解一般来说是在超过600℃的温度范围内陶瓷膜，例如SOEC或所述的HT-PEM的电解。为此，各个电解装置之后对应地设计而成。然而，使用该设备执行的电解的具体类型对于本发明而言不太重要，如从下面的阐述中仍得出的那样，特别地，可利用任何基于水和/或二氧化碳作为进料介质的电解类型来使用本发明，并且也可将本发明用于氯碱电解(这种电解特别地用于获得氯作为气态电解产物)。
然而，在经由整流器为电解装置供应电能时，如所显示的那样，由于整流器运行或其中存在的半导体开关受到控制，会出现对交流电路或供电网的反馈或反作用。这些反馈或反作用主要基于交流电压中的谐波振荡(即基波和特别地谐波)，这些谐波振荡由于交流电压的整流而产生或者说在交流电压整流时产生。典型地，然后会通过相位控制进行电压调节，然而这又放大了(不期望的)谐波振荡。
在所提出的方法中，现在借助振荡包控制来运行整流器。与相位控制相反，在振荡包控制，也被称为波包控制中，一个脉冲只在处于或至少接近过零时发生切换。由于这个原因，这种类型的控制也被称为“Zero Crossing Control”(过零控制)。当施加的交流电压振荡为零时，半导体开关的开关过程便会发生，或者延迟已经提前触发的开关过程直到这种过零发生。由此，至少在很大程度上避免电流瞬变和电压瞬变和由此带来的谐波。因此特别地，降低电压也是可行的(在均值或有效均值方面)。
在这种振荡包控制时，特别地可使用全波控制(“Full Wave”)或但是也可使用半波控制(“Half Wave”)。在全波控制时，始终打开或关闭交流电压频率的整个周期。由此，在电流消耗中不会出现直流分量。为提高有效电压的连续性，也可切换半波。如果要避免直流分量，应确保负半波和正半波出现的频率一致。
通过使用这种振荡包控制和随之而来的避免或至少减少对供电网的反馈或反作用，可避免迄今为止必需的滤波器(例如滤除这种谐波震荡的频率的低通滤波器)。由此提高设备运行的效率。此外，由于现在对供电网的反作用减少，经由一个供电网也可运行更多和/或更大的电解设备，因为不会出现或几乎不会出现在其他地方可能会造成干扰的反作用。因此，可更好地支持开头所述的从能源生产到可再生能源的过渡。
如前所述，大多使用变压器来将供电网的交流电压向下变换为适合于整流器的值。在这种情况下，那么优选的是，使用分接开关来运行变压器。
变压器，特别是电源变压器的分接开关(英语：Tap Changer)用于设置变换比(输入电压与输出电压之间的交流电压的振幅)。为此，变压器高压侧或低压侧的绕组大多包括一个主绕组和一个控制或分接绕组，该控制或分接绕组具有几个被引向分接开关处的抽头。并联电路的功率控制也可经由分接开关来实现。
分接开关分为有载分接开关(OLTC，英语：On Load Tap Changer)和转换开关(NLTC，英语：No Load Tap Changer，无载分接开关，或还有DETC，英语：De-Energized TapChanger，无励磁分接开关，或OCTC，英语：Off Circuit Tap Changer，断路分接开关，其中这些术语是同义词)。
有载分接开关用于在负载下不间断地发生切换，可分为负载选择器和负载开关。视待处理的工作电流和变压器电路中的安装位置而定，可以单相或三相形式安装分接开关。这意味着，分接开关柱进行单相或三相切换。单相分接开关比三相分接开关需要更多空间。三相分接开关的使用大多要求安装位置在星形电路的星形接点中。为了更大的电流、更高的开关能力或为了在三角电路中使用，大多需要单相开关。
转换开关原则上履行与有载分接开关相同的任务，然而只在没有负载或电压的情况下进行转换。转换开关通常实施为少数几级并且往往仅用手操作，尽管自动化操作自然同样也是可行的。然而转换开关基本上无需维护。
由于通过所使用的振荡包控制避免了反馈，变压器中也不会出现这种反作用，并且借助分接开关使得特别高效且无故障的切换过程成为可能。可提高可用的可调电压范围而不会对直流纹波产生(负面)影响。
前述借助整流器提供直流电压时的全波控制原则上允许输入电压的0％至100％的电压范围作为输出电压，然而如果不允许对直流纹波产生负面影响，则70％至100％，优选80％至100％的电压范围是适宜的(由此因而特别地可将电解时的直流纹波保持在低水平)。分接开关原则上允许无下限或无上限的电压范围，然而在经济上优选90％至110％的电压范围。这些电压范围或运行范围足以补偿电解时或电解装置的老化效应并且使例如氢的获得率或生产率在电解装置的使用寿命内(和由此还在其迄今为止的运行持续时间内)保持恒定。但是，特别地也可始终灵活地运行电解装置。在这方面，因而特别适宜的是，即使在使用寿命期间退化的情况下，也实现用于气态电解产物的电解装置的标称容量(最终对应于获得率)。
这里的背景是，以特定的生产率运行电解装置所需的电压会随着时间的推移而提高，从而使得所提供的电压必须随着时间的推移而提高，以保持生产率(尽可能)恒定。此外，由此使得一定的运行灵活性成为可能，即可提高或降低生产率。此外，替代性地或附加地优选的是，视需要而定完全断开或接通一个电解装置和/或单个电解装置(特别是在几个电解装置的情况下)的单个堆栈。单个堆栈的接通或断开进一步扩大了工作范围或使得调整负载范围成为可能。
此外，本发明的主题还有一种用于获得至少一种气态电解产物的电解设备，具有至少一个电解装置和整流器，其中至少一个电解装置经由直流电路与整流器电连接，其中整流器可与交流电路电连接或整流器与交流电路电连接，以便为至少一个电解装置供应电能确保其运行，其中设备被适配成借助振荡包控制来运行整流器。为了避免重复，关于该设备的优点和进一步优选的实施方案参考针对该方法的实施，这些实施在此对应地适用。
下面参考附图更详细地阐述本发明，这些附图示出了根据本发明的优选实施方式的设备。
附图说明
图1示意性地示出了采用一种优选的实施方式的根据本发明的设备。
图2示意性地示出了在本发明的上下文中所使用的振荡包控制的工作原理。
图3示意性地示出了电解装置运行的电压变化，该电解装置可为根据本发明的设备的部分。
具体实施方式
在图1中示意性地示出采用一种优选的实施方式的根据本发明的设备100。设备100用于电解并且具有变压器110、变压电路120、整流器或逆变器130、直流电路140以及示例性的两个电解装置150和160。应理解的是，也可仅设置有一个电解装置，或者但是也可设置有更多电解装置。
变压器110具有分接开关110，例如有载分接开关，并且在输入侧(或对应的接口)与供电网200电连接并且在输出侧(或对应的其他接口)与交流电路120电连接。因此，借助变压器110可向下转换由供电网200提供的交流电压，其中由于使用了分接开关111，可更改转换比。
交流电路120然后与整流器130或整流器130的对应的接口或输入接口电连接。而整流器130又经由对应的接口或输出接口与直流电路140电连接。此外，整流器130具有控制单元131，借助该控制单元，可对应地控制，即打开或关闭整流器中设置的半导体开关，以便为交流电压整流。
在直流电路140处，又电连接有电解装置150和160。
以此方式，可借助供电网200提供电能，以便运行设备100或包括在其中的电解装置150、160。示例性地，电解装置150被设计成用于水电解，其中送入水a，在几个堆栈中裂解(仅简略示出)，并且作为气态电解产物获得，排出并且在适当时储存氢和氧c。同样地可设想的是，(进一步)纯化气态电解产物，例如通过干燥处理和/或去除其他气体。电解装置160可以同样的方式构造而成或者也可不同地构造而成。如开头所述，电解装置的具体类型对于本发明而言不太重要，相反，重要的是整流器130的运行和在适当时变压器110的运行。
如前所述，为运行设备100，特别地借助控制单元131如此控制整流器130或包含在其中的半导体开关，使得半导体开关始终在相关的施加的交流电压振荡的过零处或过零附近发生切换。因而借助振荡包控制来运行整流器130。在这种情况下，确切的开关时间点无需精确地位于过零处，而是可处于在那之前或在那之后例如最多5％或最多10％处(基于振荡的周期持续时间)。
以此方式，防止出现对交流电路120以及由此对变压器110和供电网200的反馈。因此，不再需要滤波器，用于减少这样的不期望的谐波振荡或反馈，该滤波器迄今为止是必需的并且在图1中用虚线示出，参见附图标号115。
在图2中示意性地示出使用振荡包控制控制整流器以及由此示出该控制的工作原理，如在本发明的上下文中使用的那样。为此，绘制有随时间t变化的电压V，并示出交流电压的振荡或波，如它们在整流器的输入端处施加的那样。
为此，用t0示出在这里示例性的三个完整的或完全的振荡的振荡包持续时间，用tE示出在这里示例性的两个完整的或完全的振荡的接通持续时间。因此始终仅在过零时，即例如t＝0、t＝tE或t＝t0时发生切换，使得不会出现不期望的谐波。此外，在这里仅在完全的振荡时切换。
在图3中示意性地并且纯示例性地或普遍性地示出电解装置的运行的电压变化，该电解装置可为根据本发明的设备的部分并且如其在图1中示例性地示出的那样。为此，绘制有随电流密度I(取而代之也可为氢的密度)变化的电压V。
曲线V1在此表示在电解装置使用寿命开始时所需电压V与由此达到的电流密度I之间的关系，而曲线V2表示电解装置使用寿命结束时的对应的关系。其中可看出，在这里，随着使用寿命的增加，需要越来越高的电压才能达到相同的电流密度，使用寿命开始和结束之间的差异在这里用ΔV表征。
在实践中，电压的绝对值大多视电解技术和电解装置堆栈中的电解池数目而定有所不同。在这方面，如前所述，在这里仅示出示例性的或普遍性的曲线。斜率同样视电解技术而定有所不同，在这方面，在这里同样仅示例性地或普遍性地示出。
然而，通过上述设备和所提出的这样的设备的运行，可行的是，改变在电解装置处施加的电压并且因此例如在使用寿命开始时选择较低的电压，该电压随着时间的推移不断提高，以便使电流密度和由此还使生产率(尽可能)保持恒定。

Claims (16)

1.一种用于运行电解设备(100)以获得至少一种气态电解产物的方法，其中至少一个电解装置(150,160)经由直流电路(140)与整流器(130)电连接，其中将所述整流器(130)与交流电路(120)连接，以便为所述至少一个电解装置(150,160)供应电能以确保其运行，
其中借助振荡包控制来运行所述整流器(130)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述振荡包控制时使用全波控制或半波控制。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述振荡包控制时使用全波控制，并且其中使用输入电压的70％至100％的电压范围作为输出电压。
4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中借助变压器(110)将所述交流电路(120)与供电网(200)电连接。
5.根据权利要求3所述的方法，其中使用分接开关(111)来运行所述变压器(110)。
6.根据权利要求4所述的方法，其中使用有载分接开关或转换开关作为分接开关(111)来运行所述变压器(110)。
7.根据权利要求4或6所述的方法，其中若是具有所述分接开关的所述变压器则使用90％至110％的电压范围。
8.根据权利要求4至7中的一项所述的方法，其中使用公共供电网或独立供电网络作为供电网(200)。
9.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中根据迄今为止的运行持续时间调整，特别是提高为所述至少一个电解装置提供的电压。
10.根据权利要求9所述的方法，其中根据迄今为止的运行持续时间调整为所述至少一个电解装置提供的电压，以便即使在使用寿命退化的情况下也实现用于气态电解产物的电解装置的标称容量(最终对应于获得率)。
11.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中排出并且特别地储存和/或纯化一种或几种气态电解产物。
12.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中根据需要接通和/或断开所述至少一个电解装置的一个或几个堆栈。
13.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述设备(100)用于水电解以获得氢，和/或用于二氧化碳电解以获得一氧化碳，和/或用于一氧化碳电解以获得合成气体，和/或用于氯碱电解以获得氯。
14.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述设备(100)用于低温电解和/或中等温度电解和/或高温电解。
15.一种用于获得至少一种气态电解产物的电解设备(100)，所述电解设备具有至少一个电解装置(150,160)和一个整流器(130)，其中所述至少一个电解装置(150,160)经由直流电路(140)与所述整流器(130)电连接，其中所述整流器(130)可与交流电路(120)电连接或所述整流器与交流电路电连接，以便为所述至少一个电解装置(150,160)供应电能以确保其运行，
其中所述设备(100)被适配成借助振荡包控制来运行所述整流器(130)。
16.根据前述权利要求中的一项所述的设备(100)，所述设备被适配成执行权利要求1至14中的一项所述的方法。
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