CN114424421A - 用于电化学工艺的系统和方法 - Google Patents

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安蒂·科索宁
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杰罗·阿霍拉
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Abstract

一种用于电化学工艺的系统，其包括：电化学反应器(101)，用于向电化学反应器的电极(102，103)提供直流电流的换流器桥(104)，以及连接到换流器桥的交流电压端子的串行电感器(107)。换流器桥包括在换流器桥的直流电压端子和交流电压端子之间的双向可控开关(111，112)。双向可控开关的强制换向使得能够减少提供给电化学反应器的直流电流中的电流纹波。强制换向还使得能够控制系统的交流电源的功率因子。

Description

用于电化学工艺的系统和方法
技术领域
本公开涉及一种用于电化学工艺(诸如，例如电解或电渗析)的系统。此外，本公开涉及一种用于向电化学工艺提供电力的方法。
背景技术
向工艺液体提供电力的电化学工艺可以是例如电解工艺或电渗析工艺。电解可以是例如用于将水分解成氢气H2和氧气O2的水电解。广泛使用的水电解类型是碱性水电解，其中，电极在碱性液体电解质中操作，该碱性液体电解质可以包括例如水性氢氧化钾“KOH”或水性氢氧化钠“NaOH”。电极由对电子不导电的多孔隔膜隔开，从而避免电极之间的电短路。多孔隔膜进一步避免了所产生的氢气H2和氧气O2的混合。电解所需的离子电导率由能够穿透多孔隔膜的氢氧根离子OH-引起。电渗析通常用于使盐水溶液脱盐，但其他应用(诸如工业废水的处理、乳清的脱矿物质和果汁的脱酸)变得越来越重要。电渗析在电渗析堆中进行，该电渗析堆位于电极之间并且包括交替的阴离子选择性膜和阳离子选择性膜的系列。连续的阴离子和阳离子选择性膜之间的区域构成稀释隔室和浓缩隔室。电场使阳离子移动通过阳离子选择性膜，并且使阴离子移动通过阴离子选择性膜。最终结果是稀释隔室中的离子浓度降低，而相邻的浓缩隔室富含离子。
上述类型的电化学工艺需要直流“DC”电源。因此，在连接到交流电压网络的系统中需要从交流“AC”到直流“DC”的转换，即整流。电力电子在实现可控直流电源中起着关键作用。在工业电解和电渗析系统中，基于晶闸管的整流器是常见的选择。例如在以下出版物中呈现更详细的信息：J.R.Rodriguez,J.Pontt,C.Silva,E.P.Wiechmann,P.W.Hammond,F.W.Santucci,R.Alvarez,R.Musalem,S.Kouro,P.Lezana:Large current rectifiers,State of the art and future trends，IEEE Transactions，Industrial Electronics52，2005，第738-746页。晶闸管整流器在工业系统中的广泛使用是通过晶闸管的高效率、高可靠性和高电流处理能力来实现的。工业使用的典型晶闸管桥式整流器是6脉冲整流器和12脉冲整流器。由于晶闸管的自然换向，晶闸管桥式整流器的直流电压和直流电流具有交变分量，其频率是交变电源电压的频率的倍数。结合50Hz电源电压，6脉冲晶闸管整流器的主要交变分量为300Hz、600Hz和900Hz，而对应于双倍数量的开关的12脉冲晶闸管整流器的主要交流分量为600Hz、1200Hz和1800Hz，但幅度较低。
电导体中的电阻功率损耗与电流的平方成正比。因此，由于电流和电阻功率损耗之间的二次关系，电流的瞬时增加对电阻功率损耗有很大贡献。直流电流中的电流纹波越大，均方根“RMS”值与直流电流的平均值之间的差越大。因此，应当使电流纹波最小化，以减少执行上述类型的电化学工艺的系统中的损耗。此外，电流纹波在毫秒时间尺度上对电化学工艺施加动态操作，这可能加速电解单元或电渗析单元的劣化。例如，当单元电压下降到低于某个保护值时，碱性水电解中会发生阴极劣化。例如在以下出版物中呈现更详细的信息A.Ursúa,E.L.Barrios,J.Pascual,I.S.Martín,P.Sanchis:Integration ofcommercial alkaline water electrolysers with renewable energies,Limitationsand improvements,International Journal of Hydrogen Energy,41,30,2016,pp.12852-12861。在电流纹波导致瞬时电流密度接近零或甚至达到零的情况下，水电解系统的安全操作范围由于所提供的直流电流的非最佳质量而受到限制，因为在较小的电流密度下法拉第效率降低并且氧气侧的氢气量增加。因此，所提供的直流电流的更好质量扩大了安全操作范围以及节能操作范围。
发明内容
下文呈现了简化的概述，以便提供对各种实施例的一些方面的基本理解。该概述不是本发明的广泛概述。其既不旨在标识本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。以下概述仅以简化形式呈现一些概念，作为示例性和非限制性实施例的更详细描述的序言。
根据本发明，提供了一种用于电化学工艺的新系统，该电化学工艺可以是例如电解工艺或电渗析工艺。根据本发明的系统包括：
电化学反应器，该电化学反应器用于容纳液体并且包括用于将电流引导至液体的电极，
换流器桥，该换流器桥具有用于接收一个或多个交流电压的交流电压端子和用于向电化学反应器的电极提供直流电流的直流电压端子，以及
串行电感器，该串行电感器被连接到换流器桥的交流电压端子。
上述换流器桥包括换流器支路，每个换流器支路包括交流电压端子中的一个并且连接在直流电压端子之间。换流器支路中的每个换流器支路包括在所考虑的换流器支路的交流电压端子与直流电压端子中的一个正直流电压端子之间的双向上分支可控开关，以及在所考虑的换流器支路的交流电压端子与直流电压端子中的一个负直流电压端子之间的双向下分支可控开关。
换流器桥的双向可控开关的强制换向使得能够减少提供给电化学反应器的电极的直流电流中的电流纹波。此外，双向可控开关的强制换向使得能够控制系统的交流电源的功率因子。
根据本发明，还提供了一种用于向电化学工艺提供电力的新方法。根据本发明的方法包括：
经由串行电感器向上述类型的换流器桥的交流电压端子提供一个或多个交流电压，以及
从换流器桥的直流电压端子向电化学反应器的电极提供直流电流，以执行电化学工艺。
在所附从属权利要求中描述了示例性和非限制性实施例。
当结合附图阅读时，从以下对具体示例性和非限制性实施例的描述中将最好地理解关于构造和操作方法的各种示例性和非限制性实施例及其附加目的和优点。
动词“包括”和“包含”在本文中用作开放式限制，其既不排除也不要求存在未列举的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。此外，应当理解到，在整个本文档中使用“一(a/an)”(即单数形式)不排除多个
附图说明
在下文中，在示例的意义上并参考附图更详细地解释示例性和非限制性实施例及其优点，其中：
图1图示了根据示例性和非限制性实施例的用于电化学工艺的系统，
图2图示了根据另一示例性和非限制性实施例的用于电化学工艺的系统，以及
图3示出了根据示例性和非限制性实施例的用于向电化学工艺提供电力的方法的流程图。
具体实施方式
在下文给出的描述中提供的具体示例不应当被解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则下面给出的描述中提供的示例的列表和组不是穷举的。
图1图示了根据示例性和非限制性实施例的用于电化学工艺的系统。系统包括电化学反应器101，该电化学反应器101用于容纳液体并且包括用于将电流引导至液体的电极。在图1中，两个电极用附图标记102和103表示。在图1所示的示例性系统中，电化学反应器101包括电解单元的堆叠。电解单元可以包含例如用于碱性水电解的碱性液体电解质。在该示例性情况下，液体电解质可以包括例如水性氢氧化钾“KOH”或水性氢氧化钠“NaOH”。然而，电解单元也可以包含一些其他电解质。在图1中，四个电解单元用附图标记116、117、118和119表示。每个电解单元包括阳极、阴极和将电解单元分成含有阴极的阴极室和含有阳极的阳极室的多孔隔膜。系统可以包括例如数十个或甚至数百个电解单元。然而，根据示例性和非限制性实施例的系统也可以包括一至十个电解单元。在图1所示的示例性系统中，电解单元电串联连接。然而，根据示例性和非限制性实施例的系统的电解单元也可以电并联连接，或者电解单元被布置成构成并联连接的电解单元的串联连接组，或者串联连接的电解单元的并联连接组，或者电解单元以某种其他方式彼此电连接。
系统包括氢分离罐126和从电解单元的阴极室到氢分离罐126的上部的第一管道125。系统包括氧气分离罐127和从电解单元的阳极室到氧气分离罐127的上部的第二管道136。系统包括第三管道128，该第三管道128用于使液体电解质从氢分离罐126的下部和从氧分离罐127的下部循环回到电解单元。在氢和氧分离器罐126和127中，氢气和氧气H2和O2随着气体继续向上上升而分离，并且液体电解质返回到电解质循环。在图1所示的示例性系统中，第三管道128包括用于将液体电解质泵送到电解单元的可控泵130。泵控电解质循环是有利的，特别是当需要温度控制时。然而，根据示例性和非限制性实施例的系统也可以包括重力电解质循环。在图1所示的示例性系统中，第三管道128进一步包括用于过滤液体电解质的过滤器130。过滤器130可以是例如用于从液体电解质中去除杂质的膜过滤器。
系统包括换流器桥104，该换流器桥104具有用于接收交流电压的交流电压端子105和用于向电化学反应器101的电极提供直流电流的直流电压端子106。系统包括连接到换流器桥104的交流电压端子的串行电感器107。换流器桥104包括换流器支路108，109和110，换流器支路108，109和110中的每个包括交流电压端子105中的一个并且连接在直流电压端子106之间。换流器支路中的每一个包括在所考虑的换流器支路的交流电压端子与直流电压端子106中的正直流电压端子之间的双向上分支可控开关以及在所考虑的换流器支路的交流电压端子与直流电压端子106中的负直流电压端子之间的双向下分支可控开关。在图1中，换流器支路109的双向上分支可控开关用附图标记111表示，而换流器支路109的双向下分支可控开关用附图标记112表示。在该示例性情况下，每个双向可控开关包括绝缘栅双极晶体管“IGBT”和反并联二极管。然而，每个双向可控开关也可以包括例如栅极可关断晶闸管“GTO”，或金属氧化物场效应晶体管“MOSFET”，或代替IGBT的一些其他合适的半导体开关。换流器桥104的双向开关的强制换向使得能够减少提供给电化学反应器101的电极的直流电流中的电流纹波。此外，双向开关的强制换向使得能够控制系统的交流电源的功率因子。系统包括用于控制可控开关的操作的门驱动器部137，使得期望的直流电流被提供到电化学反应器101的电极，并且期望的交流电压出现在交流电压端子105处。
图1所示的示例性系统包括变压器113，该变压器113用于将电力从交流电压网络135经由串行电感器107传输到换流器桥的交流电压端子105。在该示例性情况下，系统进一步包括电感器-电容器“LC”过滤器115，使得电感器-电容器过滤器115和串行电感器107构成电感器-电容器-电感器“LCL”过滤器。变压器的次级绕组134经由LCL过滤器连接到换流器桥104的交流电压端子105。变压器113的次级电压有利地被选择为低，使得当直流电压端子106的直流电压在适合于电化学反应器101的范围内时，换流器桥104可以以可控开关的合适占空比操作。从交流电压到直流电压的转换在单步中完成，这通常导致换流器桥104的电压提升特性。电压提升特性使得直流电压端子106处的直流电压可以高于提供给系统的交变线间电压的最大值。在根据示例性且非限制性实施例的系统中，变压器113包括用于改变变压器的变压比的分接头变换器(tap-changer)114。分接头变换器114可以是例如允许在加载期间改变变压比的有载的分接头变换器。包括串行电感器107、换流器桥104以及可能的LC过滤器115的布置也可以被用作DC-DC转换器。
系统可以进一步包括用于测量提供给电化学反应器101的直流电流的电流传感器和/或用于测量直流电压端子106的直流电压的电压传感器。图1中未示出上述电流传感器和电压传感器。电流传感器和/或电压传感器可以是例如包括换流器桥104的转换器设备的部分。又例如，电流传感器和/或电压传感器可以是电化学反应器101的一部分。电流传感器的输出信号和/或电压传感器的输出信号可以被递送到控制栅极驱动器部137的控制器。在图1中未示出控制器。
图2图示了根据示例性和非限制性实施例的用于电化学工艺的系统。系统包括用于容纳液体的电化学反应器201，并且包括用于将电流引导到液体的电极202和203。在图2所示的示例性系统中，电化学反应器201包括电渗析堆，该电渗析堆位于电极202和203之间并且包括交替的阴离子选择性膜和阳离子选择性膜的系列。在图2中，阴离子选择性膜中的一个用附图标记220表示，而阳离子选择性膜中的一个用附图标记221表示。连续的阴离子和阳离子选择性膜之间的区域构成稀释隔室224和浓缩隔室223。电场使阳离子移动通过阳离子选择性膜，并且使阴离子移动通过阴离子选择性膜。最终结果是稀释隔室224中的离子浓度降低，而相邻的浓缩隔室223富含离子。在图2所示的示例性系统中，待处理的进料(例如盐水进料)经由入口231接收，并且稀释的液体(诸如淡水)经由第一出口232移除，并且浓缩物(诸如浓缩盐水)经由第二出口233移除。
系统包括换流器桥204，该换流器桥204具有用于接收交流电压的交流电压端子205和用于向电化学反应器201的电极202和203提供直流电流的直流电压端子206。系统包括连接到换流器桥204的交流电压端子205的串行电感器207。换流器桥204包括换流器支路208，209和210，换流器支路208，209和210中的每一个包括交流电压端子205中的一个并且连接在直流电压端子206之间。每个换流器支路包括在所考虑的换流器支路的交流电压端子与直流电压端子中的正直流电压端子之间的双向上分支可控开关，以及在所考虑的换流器支路的交流电压端子与直流电压端子中的负直流电压端子之间的双向下分支可控开关。在图2中，换流器支路209的双向上支路可控开关用附图标记211表示，并且换流器支路209的双向下支路可控开关用附图标记212表示。系统包括用于控制可控开关的操作的栅极驱动器部237，使得期望的直流电流被提供到电化学反应器201的电极，并且期望的交流电压出现在交流电压端子205处。
图2所示的示例性系统包括变压器213，变压器213用于将电力从交流电压网络235经由串行电感器207传送到换流器桥204的交流电压端子205。在根据示例性和非限制性实施例的系统中，变压器213包括用于改变变压器的变压比的分接头变换器214，例如有载的分接头变换器。
图1所示的栅极驱动器部137以及图2所示的栅极驱动器部237包括用于控制可控开关的驱动器电路。此外，栅极驱动器部137以及栅极驱动器部237可以包括用于运行驱动器电路的处理系统。处理系统可以包括一个或多个模拟电路、一个或多个数字处理电路或其组合。每个数字处理电路可以是设置有适当软件的可编程处理器电路、专用硬件处理器(诸如，例如专用集成电路“ASIC”)或可配置硬件处理器(诸如，例如现场可编程门阵列“FPGA”)。此外，处理系统可以包括一个或多个存储器电路，每个存储器电路可以是例如随机存取存储器“RAM”电路。
应注意到，本发明不限于任何特定的电解工艺和/或任何特定的电渗析工艺。例如，根据示例性和非限制性实施例的系统可以包括用于质子交换膜“PEM”水电解的电化学反应器、用于固体氧化物电解质电池“SOEC”工艺的电化学反应器或用于一些其他电解工艺的电化学反应器。
图3示出了根据示例性和非限制性实施例的用于向电化学工艺(诸如，例如水电解或电渗析)提供电力的方法的流程图。该方法包括以下动作：
-动作301：经由串行电感器向换流器桥的交流电压端子提供一个或多个交流电压，以及
-动作302：从换流器桥的直流电压端子向电化学反应器的电极提供直流电流，以执行电化学工艺，
其中，换流器桥包括换流器支路，每个换流器支路包括交流电压端子中的一个并且连接在直流电压端子之间。换流器支路中的每个换流器支路包括在所考虑的换流器支路的交流电压端子与直流电压端子中的一个正直流电压端子之间的双向上分支可控开关，以及在所考虑的换流器支路的交流电压端子与直流电压端子中的一个负直流电压端子之间的双向下分支可控开关。
根据示例性和非限制性实施例的方法包括利用变压器，将电力从交流电压网络传输到换流器桥，使得变压器的次级绕组经由串行电感器连接到换流器桥的交流电压端子。
根据示例性且非限制性实施例的方法包括利用分接头变换器改变变压器的变压比。
在根据示例性和非限制性实施例的方法中，一个或多个交流电压经由电感器-电容器过滤器被提供给换流器桥的交流电压端子，该电感器-电容器过滤器与上述串行电感器一起构成电感器-电容器-电感器过滤器。
在根据示例性和非限制性实施例的方法中，电化学工艺是电解工艺，其可以是例如碱性水电解工艺、质子交换膜“PEM”水电解工艺或固体氧化物电解质电池“SOEC”工艺。
在根据示例性和非限制性实施方式的方法中，电化学工艺是电渗析工艺，诸如，例如水的脱盐。
在上面给出的描述中提供的具体示例不应当被解释为限制所附权利要求的适用性和/或解释。除非另有明确说明，否则在上面给出的描述中提供的示例的列表和组不是穷举的。

Claims (13)

1.一种用于电化学工艺的系统，所述系统包括：
电化学反应器(101，201)，所述电化学反应器(101，201)用于容纳液体并且包括用于将电流引导至所述液体的电极(102，103，202，203)，
换流器桥(104，204)，所述换流器桥(104，204)具有用于接收一个或多个交流电压的交流电压端子(105，205)和用于向所述电化学反应器的所述电极提供直流电流的直流电压端子(106，206)，以及
串行电感器(107，207)，所述串行电感器(107，207)被连接到所述换流器桥的所述交流电压端子，
所述系统的特征在于：
所述换流器桥包括换流器支路(108～110，208，210)，每个换流器支路包括所述交流电压端子中的一个交流电压端子并且被连接在所述直流电压端子之间，
所述换流器支路中的每个换流器支路包括：
在所考虑的所述换流器支路的所述交流电压端子与所述直流电压端子中的一个正直流电压端子之间的双向上分支可控开关(111，211)，以及
在所考虑的所述换流器支路的所述交流电压端子与所述直流电压端子中的一个负直流电压端子之间的双向下分支可控开关(112，212)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统包括：
变压器(113，213)，所述变压器(113，213)用于将电力从交流电压网络传输到所述换流器桥，所述变压器的次级绕组(134，234)经由所述串行电感器被连接到所述换流器桥的所述交流电压端子。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，
所述变压器包括用于改变所述变压器的变压比的分接头变换器(114，214)。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其中，
所述系统包括电感器-电容器过滤器(115)，使得所述电感器-电容器过滤器和所述串行电感器(107)构成电感器-电容器-电感器过滤器。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的系统，其中，
所述电化学反应器(101)包括一个或多个电解单元(116～119)，每个电解单元包括阳极、阴极和多孔隔膜，所述多孔隔膜将所述电解单元分成包含所述阴极的阴极室和包含所述阳极的阳极室。
6.根据权利要求1-4中的任一项所述的系统，其中，
所述电化学反应器(201)包括电渗析堆，所述电渗析堆位于所述电极(202,203)之间并且包括交替的阴离子选择性膜(220)和阳离子选择性膜(221)的系列。
7.一种用于向电化学工艺提供电力的方法，所述方法包括：
经由串行电感器(107)向换流器桥(104)的交流电压端子(105)提供(301)一个或多个交流电压，以及
从所述换流器桥的直流电压端子(106)向电化学反应器的电极(102，103)提供(302)直流电流，以执行所述电化学工艺，
所述方法的特征在于：
所述换流器桥包括换流器支路(108～110)，每个换流器支路包括所述交流电压端子中的一个交流电压端子并且被连接在所述直流电压端子之间，
所述换流器支路中的每个换流器支路包括：
在所考虑的所述换流器支路的所述交流电压端子与所述直流电压端子中的一个正直流电压端子之间的双向上分支可控开关(111)，以及
在所考虑的所述换流器支路的所述交流电压端子与所述直流电压端子中的一个负直流电压端子之间的双向下分支可控开关(112)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述方法包括：
利用变压器(113)，将电力从交流电压网络传输到所述换流器桥，所述变压器的次级绕组(134)经由所述串行电感器(107)被连接到所述换流器桥的所述交流电压端子。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法包括：
利用分接头变换器改变所述变压器的变压比。
10.根据权利要求7-9中的任一项所述的方法，其中，
经由电感器-电容器过滤器(115)将所述一个或多个交流电压提供给所述换流器桥的所述交流电压端子，所述电感器-电容器过滤器(115)与所述串行电感器一起构成电感器-电容器-电感器过滤器。
11.根据权利要求7-10中的任一项所述的方法，其中，
所述电化学工艺是电解工艺。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，
所述电解工艺是碱性水电解工艺、质子交换膜水电解工艺或者固体氧化物电解质电池工艺。
13.根据权利要求7-10中的任一项所述的方法，其中，
所述电化学工艺是电渗析工艺。
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