DE102020214877A1

DE102020214877A1 - Wasserelektrolysesystem

Info

Publication number: DE102020214877A1
Application number: DE102020214877.5A
Authority: DE
Inventors: Jung Han Yu; Ju Han Kim; Bo Ki Hong; Keun Bong Ham
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2021-12-23
Also published as: KR20210157558A; US11661663B2; CN113897618B; CN113897618A; US20210395116A1

Abstract

Ein Wasserelektrolysesystem beinhaltet einen Wasser-Elektrolysestapel, ein mit dem Wasser-Elektrolysestapel verbundenes Wasser-Reservoir zum Zuführen von Wasser zum Wasser-Elektrolysestapel, eine Wasserzirkulationspumpe, die das Wasser im Wasser-Reservoir dem Elektrolysestapel zuführt; und eine Steuereinheit, welche konfiguriert ist, während eines Betriebsstopps des Elektrolysesystems, das Antreiben der Wasserzirkulationspumpe zu steuern, um das Wasser im Elektrolysestapel von einer sauren Bedingung zu einer neutralen Bedingung umzuwandeln und eine Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf eine Spannung so zu regulieren, dass keine Elektrolyse-Reaktion auftritt und ein chemischer Zustand eines Anoden-Katalysators stabil aufrechterhalten wird.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Wasserelektrolysesystem, genauer gesagt auf ein Wasserelektrolysesystem, in dem bei dessen Stoppen der Zustand eines Anoden-Katalysators stabil gehalten wird, wodurch die kontinuierliche Leistungsfähigkeit und eine lange Lebensspanne des Wasserelektrolysesystems sichergestellt wird, während die Haltbarkeit des Wasserelektrolysesystems verbessert wird.
(b) Beschreibung verwandten Stands der Technik
Ein Wasserelektrolysesystem, das eine Polymer-Elektrolytmembran (PEM) verwendet, ist eine Vorrichtung, die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels einer elektrochemischen Reaktion zerlegt. Aufgrund seiner Vorteile, wie etwa eine hohe Wasserstoff-Produktionsrate, hohe Reinheit des erzeugten Wasserstoffs und flexiblen Betrieb aufweisend, ist das Wasserelektrolysesystem als eine Technologie der nächsten Generation zum Sicherstellen sauberen Wasserstoffs identifiziert worden.
Darüber hinaus, wenn dem Wasserelektrolysesystem für die elektrochemische Reaktion zugeführter Strom durch ökologisch freundliche, erneuerbare Energie (zum Beispiel Solarenergie, Windenergie etc.) ersetzt wird, kann Wasserstoff unter Einsatz von Überschussstrom erzeugt werden, ohne Umweltverschmutzung zu generieren, so dass das Wasserelektrolysesystem den Einsatz von neuer und erneuerbarer Energie maximieren kann.
Im Allgemeinen verwendet das Wasserelektrolysesystem, das die Polymer-Elektrolytmembran einsetzt, einen Stapel für die Wasserelektrolyse, in der eine Vielzahl von Einheitszellen gestapelt und assembliert ist, um die erforderliche Wasserstoffproduktion zu erfüllen.
Eine Einheitszelle des Elektrolysestapels (electrolytic stack) beinhaltet eine Membran-Elektrodenbaugruppe (MEA, Membrane-Electrode Assembly), die aus perfluorierter Schwefelsäure-Ionomer-basierter Membran, die in der Lage ist, Wasserstoffionen (Protonen) zu übertragen, und Anoden- und Kathoden-Elektroden, die jeweils auf entgegengesetzten Seiten der Elektrolytmembran gestapelt sind, aufgebaut ist.
Die elektrochemische Reaktion des Wasserelektrolysesystems tritt in einer aus der perflourinierten Schwefelsäure-Ionomer-basierten Elektrolytmembran und Anoden/Kathoden-Elektroden aufgebauten Membranelektroden-Baugruppe auf, wobei der Anode zugeführtes Wasser in Sauerstoffionen, Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen zerlegt wird, die Wasserstoffionen sich dann durch die Elektrolytmembran zur Kathode bewegen, welches eine Reduktionselektrode ist, und die Elektronen sich durch eine externe Schaltung und hinzugefügtem Strom zur Kathode bewegen, wodurch Wasserstoffionen und Elektronen miteinander an der Kathode reagieren, um Wasserstoff zu produzieren.
Zu dieser Zeit nutzt die Anode für die elektrochemische Reaktion für die Wasserstoffproduktion hauptsächlich einen Ir-basierten Katalysator, wie etwa IrO₂ und nutzt die Kathode hauptsächlich einen Pt-Katalysator.
In der elektrochemischen Reaktion eines solchen Wasserelektrolysesystems beträgt die Offenschaltungsspannung (OCV) 1,23 V, beträgt die Betriebsspannung der Einheitszelle in der elektrochemischen Reaktion 1,23 V oder mehr, wenn das Elektrolysesystem gestoppt wird, sinkt die Spannung der Einheitszelle auf 1,23 V oder weniger, und aufgrund der Erzeugung und Bewegung von Wasserstoffionen wird die Umgebung der Anoden- und der Kathodenelektroden sauer.
Wenn andererseits der Betrieb des Wasserelektrolysesystems gestoppt wird, wird die Korrelation von Spannung und Charakteristika von Ir, welches die Hauptkomponente des Anoden-Katalysators ist, in der sauren Bedingung unter Bezugnahme auf das Pourbaix-Diagramm von 1 (Stand der Technik) wie folgt beschrieben.
Wie in 1 illustriert, wenn der Betrieb des Wasserelektrolysesystems gestoppt wird, sinkt unter der Bedingung, dass der pH des Elektrolysestapels bewahrt bleibt, die Betriebsspannung auf den Offenschaltung-(OCV)-Zustand längs einem Pfad A, und sinkt dann weiter vom Offenschaltungsspannungs-(OCV)-Zustand längs einem Pfad B auf 0 V ab.
Zu dieser Zeit, wenn die Anoden- und Kathoden-Elektroden in einer sauren Bedingung in einem Zustand sind, in welchem die Spannung abfällt, wie im Pfad B, tendiert IrO₂, welches eine Hauptkomponente des Anoden-Katalysators ist, dazu, ein Ir-Ion oder im Metallzustand zu sein. Dies kann den Anoden-Katalysator dazu veranlassen, sich aufzulösen, oder die Aktivität der Sauerstoffentwicklungs-Reaktion (OER, Oxygen Evolution Reaction) des Elektrolysestapels reduziert wird, was zu einer Reduktion bei der Leistungsfähigkeit oder der Lebensdauer des Elektrolysesystems führt.
Zusätzlich, wenn das Hochfahren und das Stoppen des Elektrolysesystems wiederholt werden, wird der Anoden-Katalysator IrO₂ oft einer Umgebung ausgesetzt, in der er sich zu einem ionischen oder Metallzustand verändert, was ein rasches Abfallen bei der Leistungsfähigkeit und der Lebensdauer des Elektrolysestapels verursacht.
Entsprechend ist der beste Weg, den Status von IrO₂ beizubehalten, so wie er war, wenn das Wasserelektrolysesystem gestoppt ist, um kontinuierlich etwa 1,23 V pro Einheitszelle anzulegen, bis der nächste Betrieb durchgeführt wird. Jedoch kann für den Elektrolysestapel, der aus hunderten oder mehr Einheitszellen aufgebaut ist, eine Spannung von mehreren hundert V gebildet werden, was Probleme im Hinblick auf elektrische Energieeffizienz und elektrische Sicherheit verursachen kann.
Entsprechend gibt es einen Bedarf nach einer Wasserelektrolysesystem-Technik, die in der Lage ist, beim Stoppen des Betriebs die Spannung des Elektrolysestapels auf 0 V abzusenken, während der IrO₂-Katalysator soweit als möglich in einem chemisch stabilen Zustand bewahrt wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Hochhaltbarkeits-Wasserelektrolysesystem bereitzustellen, in dem beim Stoppen des Betriebs um Elektroden, wie etwa eine Anode, herum zugeführtes Wasser durch Wasserzirkulation innerhalb eines Wasser-Elektrolysestapels von saurem pH zu neutralem pH umgewandelt wird, und gleichzeitig die Spannung in dem Offenschaltungsspannungs-(OCV)-Zustand des Wasser-Elektrolysestapels unverändert bleibt, oder die Spannung des Wasser-Elektrolysestapels um die Offenschaltungsspannung (OCV) herum bewahrt wird, wenn der Zustand von IrO₂ aufrechterhalten wird, wird der Spannungsabfall zu 0 V von dem Punkt ausgeführt, wenn das Wasser innerhalb des Wasser-Elektrolysestapels zum neutralen pH wird, so dass der Zustand des Anoden-Katalysators stabil bewahrt wird, wenn das Elektrolysesystem, welches die Polymer-Elektrolytmembran verwendet, gestoppt ist, wodurch die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Haltbarkeit des Wasserelektrolysesystems verbessert wird.
Um die obige Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ein Wasserelektrolysesystem bereitgestellt, welches beinhaltet: einen Wasser-Elektrolysestapel; ein Wasserreservoir, das mit dem Wasser-Elektrolysestapel verbunden ist, um Wasser dem Wasser-Elektrolysestapel zuzuführen; eine Wasserzirkulationspumpe, die das Wasser im Wasserreservoir dem Elektrolysestapel zuführt; und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, während eines Betriebsstopps des Elektrolysesystems, den Antrieb der Wasserzirkulationspumpe zu steuern, um das Wasser in dem Elektrolysestapel von einer sauren Bedingung zu einer neutralen Bedingung umzuwandeln und eine Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf eine Spannung zu regulieren, derart, dass eine Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und ein chemischer Zustand eines Anoden-Katalysators stabil bewahrt wird.
Das Wasserreservoir kann aus einem ersten Wasserreservoir, das ein neutrales Wasser lagert, aus welchem Kontaminanten entfernt worden sind, oder dem ersten Wasserreservoir, das das Neutralwasser lagert, aus welchem Kontaminanten entfernt worden sind, und einem zweiten Wasserreservoir, das aus einem Gas-Flüssigkeitsabscheider abgetrenntes Wasser lagert, aufgebaut sein, wobei ein Öffnen/Schließen-Ventil an einer Umrisslinie des zweiten Reservoirs montiert ist.
Das Wasserelektrolysesystem kann weiter eine Hilfswasser-Zirkulationspumpe enthalten, die konfiguriert ist, rasch eine saure Bedingung eines Inneren des Elektrolysestapels zu einer neutralen Bedingung umzuwandeln, während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems.
Die Steuereinheit kann konfiguriert sein, während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems, die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf einen Spannungsbereich, zwischen einer Obergrenze (Ausgangsspannung V₁) und einer ersten Untergrenze (V₂) so zu justieren, dass keine Elektrolyse-Reaktion auftritt und ein chemischer Zustand des Anoden-Katalysators stabil in einem sauren Zustand bewahrt wird, in welchem die Einheitszellspannung ein Potential von Wasserstoff (pH) von K₁ ist; wenn der pH des Wassers im Elektrolysestapel bestimmt wird, größer als oder gleich einem Referenz-pH-Wert (K₂) für den Betriebsstopp des Elektrolysesystems zu sein, um die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf eine zweite Untergrenze (V₃) abfallen zu lassen, so dass eine Elektrolysereaktion nicht auftritt und ein chemischer Zustand eines Anoden-Katalysators stabil in einem Zustand bewahrt wird, in welchem die Einheitszellspannung der pH von K₂ ist; und die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf 0 V zu justieren, um den Betrieb der Wasserzirkulationspumpe zu stoppen, um das Stoppen des Elektrolysesystems abzuschließen.
Die Steuereinheit kann derart konfiguriert sein, dass die Zeit (ta), die es benötigt, um die Einheitszellspannung als V₁ auf V₂ → V₃ fallen zu lassen, so dass der Anoden-Katalysator chemisch stabil bleibt, ohne beim plötzlichen Neustart während des Betriebsstopps des Wasserelektrolysesystems beschädigt zu werden, gesteuert wird, länger als die Zeit (tb) zu sein, dies braucht, um die Einheitszellspannung von V₃ auf 0 V abfallen zu lassen.
Wenn ein IrO₂-Katalysator in einer Anode des Elektrolysestapels verwendet wird, kann der pH von K₁ auf 3, kann die Obergrenze (V₁) der Einheitszellspannung auf 1,23 V, und kann die erste Untergrenze (V₂) der Einheitszellspannung auf 1,1 V eingestellt werden, und der Wert von K₂ ist ein Referenz-pH-Wert, der angibt, dass das in dem Elektrolysestapel gelagerte Wasser einen neutralen pH-Zustand zeigt, um den Betrieb des Elektrolysesystems zu stoppen, wobei, wenn der IrO₂-Katalysator in der Anode verwendet wird, der Wert von K₂ auf 6 bis 7 und die zweite Untergrenze (V₃) der Einheitszellspannung auf 0,9 V eingestellt werden kann.
Die Steuereinheit kann beinhalten: eine mit dem Elektrolysestapel verbundene Steuerung, so dass eine Einheitszellspannung des Elektrolysestapels gemessen werden kann; einen pH-Sensor, der ein Potential von Wasserstoff (pH) von Wasser im Elektrolysestapel misst und den gemessenen pH an die Steuerung sendet; einen zweiten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn der Strom aus der Stromquelle zum Elektrolysestapel in dem Prozess des Stoppens des Betriebs des Elektrolysesystems zugeführt werden muss; einen dritten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus der Stromquelle zur Wasserzirkulationspumpe zuzuführen ist; und einen Transistor, der zwischen dem zweiten Schalter und dem Elektrolysestapel angeordnet ist.
Die Steuereinheit kann beinhalten: eine mit dem Elektrolysestapel verbundene Steuerung, so dass eine Einheitszellspannung des Elektrolysestapels gemessen werden kann; einen pH-Sensor, der ein Potential von Wasserstoff (pH) von Wasser in dem Elektrolysestapel misst und den gemessenen pH an die Steuerung sendet; einen ersten Schalter, der konfiguriert ist, eingeschaltet zu werden und einen zweiten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung auf aus gehalten zu werden, um so einen Strom aus einer ersten Stromquelle an den Elektrolysestapel während des Betriebs des elektrolytischen Systems zu liefern; einen dritten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, um so einen Strom aus der zweiten Stromquelle an die Wasserzirkulationspumpe zu liefern; einen vierten Schalter, der zwischen dem Elektrolysestapel und der Wasserzirkulationspumpe angeordnet ist, um so während des Betriebs des Elektrolysesystems auf Aus gehalten zu werden; und einen Transistor, der zwischen dem zweiten Schalter und der Stromquelle angeordnet ist, wobei während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems der zweite Schalter gesteuert wird, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus der Stromquelle dem Elektrolysestapel zuzuführen ist, und der vierten Schalter gesteuert wird, durch die Steuerung eingeschaltet zu sein, wenn eine Restspannung des Elektrolysestapels als eine Hilfsstromquelle zum Antreiben der Wasserzirkulationspumpe zugeführt werden muss.
Die Steuereinheit kann beinhalten: eine Steuerung, die mit dem Elektrolysestapel verbunden ist, so dass eine Einheitszellspannung des Elektrolysestapels gemessen werden kann; einen pH-Sensor, der ein Potential von Wasserstoff (pH) von Wasser im Elektrolysestapel misst und den gemessenen pH an die Steuerung sendet; einen ersten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus einer ersten Stromquelle zum Elektrolysestapel während des Betriebs des Elektrolysesystems zuzuführen ist; einen zweiten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung zuerst eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus der ersten Stromquelle zum Elektrolysestapel während des Betriebs des Elektrolysesystems zuzuführen ist und dann durch die Steuerung im Prozess des Stoppens des Betriebs des Elektrolysesystems ausgeschaltet zu werden; einen dritten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus einer zweiten Stromquelle der Wasserzirkulationspumpe zugeführt werden muss; einen vierten Schalter, der konfiguriert ist, zuerst während des Betriebs des Elektrolysesystems ausgeschaltet zu werden und dann durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn intendiert ist, dass die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf 0 V fällt, für das stabile Stoppen des Elektrolysesystems; und einen variablen Widerstand, der auf einer Leitung angeordnet ist, über die ein Strom aus der ersten Stromquelle dem Elektrolysestapel geführt wird.
Die Steuereinheit kann beinhalten: eine Steuerung, die mit dem Elektrolysestapel so verbunden ist, dass eine Einheitszellspannung des Elektrolysestapels gemessen werden kann; einen pH-Sensor, der ein Potential von Wasserstoff (pH) von Wasser in dem Elektrolysestapel misst und den gemessenen pH an die Steuerung sendet; einen ersten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus der ersten Stromquelle zum Elektrolysestapel während des Betriebs des Elektrolysesystems zuzuführen ist; einen zweiten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus der ersten Stromquelle zum Elektrolysestapel während des Betriebs des Elektrolysesystems zuzuführen ist, und dann durch die Steuerung im Prozess des Stoppens des Betriebs des Elektrolysesystems ausgeschaltet wird; einen dritten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus der zweiten Stromquelle zur Wasserzirkulationspumpe geführt werden muss; einen vierten Schalter, der konfiguriert ist, zuerst während des Betriebs des Elektrolysesystems ausgeschaltet zu sein und dann durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn die Einheitszellspannung in dem Elektrolysestapel auf 0 V für stabiles Speichern des Elektrolysesystems abzufallen hat; einen ersten Widerstand und einen zweiten Widerstand, die auf einer Leitung angeordnet sind, über welche ein Strom aus der ersten Stromquelle dem Elektrolysestapel zugeführt wird; einen ersten Widerstandsverbindungsschalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung so eingeschaltet zu werden, dass der erste Widerstand verwendet wird; und einen zweiten Widerstandsverbindungsschalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung so eingeschaltet zu werden, dass der zweite Widerstand verwendet wird.
Die vorliegende Offenbarung weist durch die oben beschriebene Konfiguration die nachfolgenden Effekte auf.
In dem Wasserelektrolysesystem wird beim Stoppen des Betriebs um die Elektroden wie etwa eine Anode herum zugeführtes Wasser von saurem pH zu neutralem pH umgewandelt, durch Wasserzirkulation innerhalb des wasser-Elektrolysestapels, und gleichzeitig verbleibt die Spannung in dem Offenschaltungsspannungs-(OCV)-Zustand des Elektrolysestapels unverändert, oder wird die Spannung des wasser-Elektrolysestapels um die Offenschaltungsspannung (OCV) herum aufrecht erhalten ist, wenn der Zustand von IrO₂ gemessen wird, wird der Spannungsabfall zu 0 V von dem Punkt aus durchgeführt, wenn das Wasser innerhalb des wasser-Elektrolysestapels zum neutralen pH wird, so dass der Status des Anoden-Katalysators stabil bewahrt wird, wenn das Elektrolysesystem, welches die Polymer-Elektrolysemembran verwendet, angehalten wird, wodurch Leistung, Lebensdauer und Haltbarkeit des Wasserelektrolysesystems verbessert werden.
Figurenliste
Die obigen und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden klarer aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bei Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werde, in welchen:

1 (Stand der Technik) ein Pourbaix-Diagramm ist, welches die Charakteristika von Ir, der Hauptkomponente eines Anoden-Kondensators, in Bezug auf eine Spannung und saure Bedingung illustriert, wenn ein Wasserelektrolysesystem gestoppt ist;
2 ein Diagramm ist, welches die Konfiguration eines Wasserelektrolysesystems gemäß der vorliegenden Offenbarung illustriert;
3 ein Flussdiagramm ist, welches die Betriebsstopp-Prozedur des Elektrolysesystems gemäß der vorliegenden Offenbarung illustriert;
4 ein Konfigurationsdiagramm ist, welches die Spannungssteuerung während der Betriebsstopp-Prozedur des Wasserelektrolysesystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung illustriert;
5 ein Konfigurationsdiagramm ist, welches die Spannungssteuerung während der Betriebsstopp-Prozedur des Wasserelektrolysesystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung illustriert;
6 ein Konfigurationsdiagramm ist, welches die Spannungssteuerung während der Betriebsstopp-Prozedur des Wasserelektrolysesystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung illustriert;
7 ein Konfigurationsdiagramm ist, welches die Spannungssteuerung während der Betriebsstopp-Prozedur des Wasserelektrolysesystems gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung illustriert; und
8 ein Konfigurationsdiagramm ist, welches die Spannungssteuerung während der Betriebsstopp-Prozedur des Wasserelektrolysesystems gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung illustriert.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und es ist nicht beabsichtigt, dass sie die Offenbarung beschränkt. Wie hierin verwendet, beinhalten die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen, wenn der Kontext nicht klar Anderes aussagt. Es versteht sich weiter, dass die Ausdrücke „umfasst“ und/oder „umfassend“ bei Verwendung in dieser Spezifikation die Anwesenheit genannter Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht die Anwesenheit oder Hinzufügung eines oder mehrerer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen derselben ausschließt. Wie hierin verwendet, beinhaltet der Ausdruck „und/oder“ jegliche und alle Kombinationen einer oder mehrerer der assoziierten, aufgelisteten Elemente. In der Beschreibung, wenn nicht explizit Gegenteiliges ausgesagt wird, verstehen sich das Wort „umfassen“ und Variationen wie etwa „umfasst“ oder „umfassend“ als den Einschluss von genannten Elementen zu implizieren, aber nicht den Ausschluss jeglicher anderer Elemente. Zusätzlich bedeuten die Ausdrücke „Einheit“, „-er“, „-or“ und „Modul“ Einheiten zum Verarbeiten zumindest einer Funktion und Operation und können durch Hardware-Komponenten oder Software-Komponenten und Kombinationen davon implementiert werden.
Weiter kann die Steuerlogik der vorliegenden Offenbarung als nicht-transitorische computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ausführbare Programmanweisungen, die durch einen Prozessor ausgeführt werden, eine Steuerung oder dergleichen, enthält. Beispiele von computerlesbaren Medien beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf ROM, RAM, Compact Disc (CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppy-Disks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Medium kann auch in Netzwerk-gekoppelten Computersystemen distributiert werden, so dass die computerlesbaren Medien in der distributierten Weise gespeichert und ausgeführt werden, zum Beispiel durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Wasserelektrolysesystem bereit, um kontinuierlich die Leistungsfähigkeit des Elektrolysesystems aufrecht zu erhalten, während die Haltbarkeit sichergestellt ist, in welchem beim Stoppen des Betriebs des Elektrolysesystems um Elektroden, wie etwa eine Anode, herum zugeführtes Wasser durch Wasserzirkulation innerhalb eines wasser-Elektrolysestapels von saurem pH zu neutralem pH umgewandelt wird und gleichzeitig die Spannung in dem Offenschaltungsspannungs-(OCV)-Zustand des Wasserelektrolytik-Stapels unverändert bleibt, oder die Spannung des Wasserelektrolytik-Stapels um die Offenschaltungsspannung (OCV) herum gehalten wird, wo der Zustand von IrO₂ bewahrt wird, der Spannungsabfall zu 0 V ab dem Punkt ausgeführt wird, wenn das Wasser innerhalb des Wasserelektrolytik-Stapels pH neutral wird.
2 ist ein Diagramm, welches die Konfiguration eines Hochhaltbarkeits-Wasserelektrolysesystems gemäß der vorliegenden Offenbarung illustriert, wobei das Bezugszeichen 50 einen Wasserelektrolytik-Stapel einer Vielzahl von Einheitszellen angibt, die gestapelt und assembliert sind, um die erforderliche Wasserstoffproduktion zu erfüllen.
Wie oben beschrieben, beinhaltet eine Einheitszelle (der Vielzahl von Einheitszellen) des Elektrolyt-Stapels 50 eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA), die aus einer perfluorinierten Schwefelsäure Ionomer-basierten Membran aufgebaut ist, die in der Lage ist, Wasserstoff-Ionen (Protonen) zu übertragen, und Anoden- und Kathoden-Elektroden, die jeweils an entgegengesetzten Seiten der Elektrolytmembran gestapelt sind.
Entsprechend wird der Anode zugeführtes Wasser in SauerstoffIonen, Wasserstoff-Ionen (Protonen) und Elektronen zerlegt, werden die Wasserstoff-Ionen dann zur Kathode, einer Reduktionselektrode, durch die Elektrolytmembran bewegt, und bewegen sich die Elektronen über eine externe Schaltung und zugeführtem Strom zur Kathode, wodurch Wasserstoff-Ionen und Elektronen miteinander an der Kathode reagieren, um Wasserstoff zu erzeugen.
Ein erstes Wasser-Reservoir 10 zum Zuführen von Wasser ist mit dem Elektrolysestapel 50 über eine Wasserzirkulationspumpe 30 verbunden. Das erste Wasser-Reservoir 10 kann Wasser in einem neutralen Zustand, aus welchem Kontaminanten entfernt worden sind, speichern.
In dem Elektrolyt-Stapels 50 produzierter Wasserstoff fließt über einen ersten Gas/Flüssigkeits-Separator 60 zu einem Wasserstoffsammelort, und in dem Elektrolyt-Stapels 50 erzeugter Sauerstoff fließt über einen zweiten Gas/Flüssigkeits-Separator 70 zu einem Sauerstoffsammelort.
Zu dieser Zeit wird das mit Wasserstoff gemischte Wasser aus dem ersten Gas/Flüssigkeits-Separator 60 abgetrennt und wird das mit Sauerstoff gemischte Wasser aus dem zweiten Gas/Flüssigkeits-Separator 70 abgetrennt und wird das aus den jeweiligen Gas/Flüssigkeits-Separatoren 60 und 70 getrennte Wasser in einem zweiten Wasser-Reservoir 20 gesammelt.
Entsprechend, zusätzlich zum ersten Wasser-Reservoir 10, kann auch das zweite Wasser-Reservoir 20 zum Lagern von aus dem jeweiligen Gas/Flüssigkeits-Separatoren 60 und 70 abgetrenntem Wasser als eine Quelle zum Zuführen von Wasser an den Elektrolyt-Stapel 50 verwendet werden.
Ein Ventil 22 kann vorzugsweise auf einer Auslassleitung des zweiten Wasser-Reservoirs 20 montiert sein, das heißt einer Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Wasser-Reservoir 20 und der Wasserzirkulationspumpe 30, wobei das Ventil 22 so konfiguriert ist, dass, wenn das Ventil geschlossen ist, das erste Wasser-Reservoir 10 allein als eine Quelle zum Zuführen von Wasser zum Stapel 50 verwendet werden kann, und wenn das Ventil geöffnet ist, das erste Wasser-Reservoir 10 und das zweite Wasser-Reservoir 20 gemeinsam als eine Quelle zum Zuführen von Wasser an den Stapel 50 verwendet werden können.
Insbesondere ist während des Normalbetriebs des Wasserelektrolysesystems das Ventil 22 geöffnet, so dass das erste Wasser-Reservoir 10 und das zweite Wasser-Reservoir gemeinsam als eine Quelle zum Zuführen von Wasser zum Stapel 50 verwendet werden. Wenn andererseits der Betrieb des Wasserelektrolysesystems gestoppt ist, wird das Ventil 22 geschlossen, so dass das erste Wasser-Reservoir 10, in welchem neutrales Wasser, aus dem Kontaminanten entfernt sind, gelagert ist, alleine als eine Quelle zum Zuführen von Wasser an den Stapel 50 verwendet wird.
Derweil kann weiter eine Hilfswasser-Zirkulationspumpe 40 vorgesehen sein, um den chemischen Zustand in den Zellen des Elektrolysestapels, der einen sauren Zustand zeigt, schnell zu einem neutralen Zustand umzuwandeln, wenn der Betrieb gestoppt wird.
Die Betriebsstopp-Prozedur des Wasserelektrolysesystems gemäß der vorliegenden Offenbarung wird nunmehr unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 3 beschrieben.
Zuerst, wenn der Betrieb des Elektrolysesystems gestoppt ist, wird die Einheitszellspannung V_a des Elektrolysestapels so gesteuert, dass sie einen oberen Grenzwert V₁ der Einheitszellspannung aufweist, an welcher eine Wasseranalyse-Reaktion nicht auftritt, unter der Spannungssteuerung durch eine Steuerung, um einen raschen Abfall der Einheitszellspannung V_a des Elektrolysestapels zu verhindern (S101) .
Die Einheitszellspannung V_a des Elektrolysestapels ist eine Spannung, die in der Einheitszelle erzeugt wird. Die Einheitszellspannung kann ein Wert sein, der durch Dividieren der Spannung des Elektrolysestapels durch die Anzahl von Einheitszellen oder Mitteln der gemessenen Spannungen der entsprechenden Einheitszellen ermittelt wird.
Der obere Grenzwert V₁ der Einheitszellenspannung wird auf eine Spannung so eingestellt, dass die Elektrolyse-Reaktion nicht in der sauren Bedingung (pH K₁) auftritt und der Zustand eines Anoden-Katalysators stabil bewahrt wird.
Als Nächstes steuert die Steuerung die Wasserzirkulationspumpe 30, kontinuierlich zu arbeiten, um den Wasser-Elektrolysestapel 50 von einer sauren Bedingung zu einer neutralen Bedingung umzuwandeln (S102).
Entsprechend wird das Neutralzustandswasser mit entfernten Kontaminanten, das in dem ersten Wasser-Reservoir 10 gelagert war, dem Elektrolysestapel 50 zugeführt, das dazu dient, den Elektrolysestapel 50 von der sauren Bedingung zur neutralen Bedingung umzuwandeln.
Nachfolgend wird die Einheitszellspannung Va des Elektrolysestapels gesteuert, ein Spannungsbereich zwischen der Obergrenze V₁ und der ersten Untergrenze V₂ der Einheitszellspannung unter der Spannungssteuerung durch die Steuerung aufzuweisen, so dass die Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und der chemische Zustand des Anoden-Katalysators stabil in einem sauren Zustand, der pH K₁ ist, gehalten wird.
Zu dieser Zeit überprüft die Steuerung, ob die Einheitszellspannung Va des Elektrolysestapels auf einen Spannungsbereich (V₂ ≤ V_a ≤ V₁) zwischen der Obergrenze V₁ und der ersten Untergrenze V₂ der Einheitszellspannung justiert wird, auf Basis des Mess-Signals eines Spannungsmesssensors, der auf dem Elektrolysestapel montiert ist (S103).
Die erste Untergrenze V₂ der Einheitszellspannung ist eine Spannung, die so eingestellt ist, dass die elektrolytische Reaktion nicht auftritt und der chemische Zustand des Anodenkatalysators stabil in der sauren Bedingung (pH K₁) gehalten wird.
Wenn beispielsweise ein IrO₂-Katalysator in der Anode des Elektrolysestapels verwendet wird, kann der pH K₁ auf 3, die Obergrenze V₁ der Einheitszellspannung auf 1,23 V und die erste Untergrenze V₂ der Einheitszellspannung auf 1,1 V eingestellt werden.
Als Nächstes, wenn die Einheitszellspannung Va des Elektrolysestapels überprüft wird, um im Bereich (V₂ ≤ V_a ≤ V₁) zwischen der Obergrenze V₁ und der ersten Untergrenze V₂ der Einheitszellspannung zu sein, bestimmt die Steuerung, ob ein Potential an Wasserstoff (pH) des im Elektrolysestapel vorhandenen Wassers größer als oder gleich einem Referenz-pH-Wert K₂ zum Stoppen des Betriebs der Wasserelektrolysesystems ist oder nicht (S104).
Wenn beispielsweise ein auf dem Wasser-Elektrolysestapel montierter pH-Sensor den pH des im Elektrolysestapel vorhandenen Wassers misst und die Messungen an die Steuerung sendet, vergleicht die Steuerung der gemessenen pH mit dem Referenz-pH-Wert zum Stoppen des Betriebs des Wasserelektrolysesystems und bestimmt, ob der gemessene pH größer als oder gleich dem Referenz-pH-Wert K₂ ist.
Nachfolgend, wenn der Wasser-pH, der ein wichtiger Faktor zum Stoppen des Betriebs des Wasserelektrolysesystems ist, als größer als oder gleich dem Referenz-pH-Wert K₂ zum Stoppen des Betriebs des Wasserelektrolysesystems bestimmt wird, wird die Einheitszellspannung V_a des Stapels justiert, um auf eine zweite Untergrenze V₃ der Einheitszellspannung unter der durch die Steuerung gesteuerten Spannung abzufallen, so dass die Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und der Anoden-Katalysator chemisch stabil bei pH K₂ gehalten wird (S105).
Zu dieser Zeit ist K₂ ein Referenz-pH-Wert, der angibt, dass das in dem Elektrolysestapel vorhandene Wasser einen neutralen pH-Zustand zeigt, um den Betrieb des Elektrolysesystems zu stoppen. Wenn der IrO₂-Katalysator in der Anode verwendet wird, kann K₂ auf 6 bis 7 und die zweite Untergrenze V₃ der Einheitszellspannung auf 0,9 V eingestellt werden.
Nachfolgend wird überprüft, ob die Einheitszellspannung V_a des Elektrolysestapels justiert wird oder nicht, um auf die zweite Untergrenze V₃ der Einheitszellspannung im Schritt S105 abzufallen, so dass die Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und der Anoden-Katalysator chemisch stabil bei pH K₂ gehalten wird (S106).
Wenn beispielsweise die Einheitszellspannung Va des Elektrolysestapels überprüft wird, einen Bereich (V₃ ≤ V_a ≤ V₂) zwischen der ersten Untergrenze V₂ und der zweiten Untergrenze V₃ der Einheitszellspannung zu haben, kann bestimmt werden, dass die Einheitszellspannung V_a des Elektrolysestapels justiert wird, um zur zweiten Untergrenze V₃ der Einheitszellspannung abzufallen, so dass die Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt, und der Anoden-Katalysator chemisch stabil bei pH K₂ gehalten wird.
Wie oben beschrieben, ist der Grund, warum die Einheitszellspannung des Wasser-Elektrolysestapels nicht einfach als V₁ zu V₂ → 0 V gesenkt wird, sondern sequentiell in der Reihenfolge von V₁ zu V₂ → V₃ → 0 V gesenkt wird, dass die Einheitszellspannung in einer Spannungsregion gehalten wird, die dem Anoden-Katalysator ermöglicht, während des Stopps des Betriebs chemisch stabil gehalten zu werden, so dass der Anoden-Katalysator in einem chemisch stabilen Zustand gehalten werden kann, ohne beim plötzlichen Neustart in der Betriebsstoppstufe des Elektrolysesystems beschädigt zu werden.
Schließlich wird durch die Prozesse zum Steuern der Einheitszellspannung V_a auf 0 V (S107) und des Stoppens der Wasserzirkulationspumpe (S108) das Wasserelektrolysesystem zum Aufrechterhalten des Anoden-Katalysators in einem chemisch stabilen Zustand komplett gestoppt.
Andererseits wird die Zeit ta, die es braucht, um als V₁ zu V₂ → V₃ abzufallen, so dass der Anoden-Katalysator chemisch stabil bleibt, ohne beim plötzlichen Neustart während des Stopps des Betriebs des Wasserelektrolysesystems beschädigt zu werden, vorzugsweise gesteuert, länger als die Zeit tb zu sein, die es erfordert, von V₃ auf 0 V zu fallen.
Hier werden die verschiedenen Ausführungsformen, welche mit dem Verfahren des Steuerns des Antriebs der Wasserzirkulationspumpe und dem Verfahren des Steuerns der Einheitszellspannung des Wasser-Elektrolysestapels während des Betriebsstopps des Wasserelektrolysesystems gemäß der vorliegenden Offenbarung assoziiert sind, wie folgt beschrieben.
Erste Ausführungsform
4 ist ein Schaltungsdiagramm zum Steuern der Einheitszellspannung des Elektrolysestapels und des Antriebs der Wasserzirkulationspumpe gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, woraufhin beim Stopp des Betriebs des Wasserelektrolysesystems um Elektroden herum zugeführtes Wasser, wie etwa eine Anode, von saurem pH zu neutralem pH durch Wasserzirkulation innerhalb des Wasser-Elektrolysestapels umgewandelt wird, und gleichzeitig die Einheitszellspannung des Wasser-Elektrolysestapels auf einen Bereich so justiert wird, dass der Anoden-Katalysator chemisch stabil gehalten werden kann, und dann der Spannungsabfall zu 0 V ausgeführt wird ab dem Punkt, wenn das Wasser im Wasser-Elektrolysestapel zum neutralen pH wird.
Wie in 4 illustriert, ist eine Steuerung 100 mit dem Elektrolysestapel 50 zur Spannungsmessung verbunden.
Zusätzlich ist ein Wasserstoffpotential (pH) -Sensor 120 mit der Steuerung 100 verbunden, um einen pH von Wasser im Elektrolysestapel 50 zu messen.
Zusätzlich, da ein Schalter, der durch die Steuerung 100 Ein/Aus-gesteuert wird, enthält das Elektrolysesystem einen ersten Schalter 101, der eingeschaltet wird, wenn ein Strom aus einer ersten Stromquelle 110-1 zum Elektrolysestapel 50 während des Betriebs des Elektrolysesystems zuzuführen ist, einen zweiten Schalter 102, der eingeschaltet wird, wenn ein Strom aus der ersten Stromquelle 110-1 zum Elektrolysestapel 50 im Prozess des Betriebsstopps des Elektrolysesystems zugeführt werden muss, und einen dritten Schalter 103, der eingeschaltet wird, wenn ein Strom aus einer zweiten Stromquelle 110-2 der Wasserzirkulationspumpe 30 zugeführt werden muss.
Zusätzlich, als ein Mittel zum Justieren der aus der ersten Stromquelle 110-1 zum Elektrolysestapel zugeführten Spannung während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems beinhaltet das Elektrolysesystem einen zwischen dem zweiten Schalter 102 und dem Elektrolysestapel 50 angeordneten Transistor 112.
Gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, um die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems zu justieren, da V₁ ~ V₂ → V₃ → 0 V, kann eine stufenweise Impulsweitenmodulation (PWM)-Spannungssteuerung an dem Elektrolysestapel durchgeführt werden.
Hierzu wird der erste Schalter 101 ausgeschaltet, wird der zweite Schalter 102 eingeschaltet, und wird der dritte Schalter 103 auch durch das Signal der Steuerung während der Betriebsstopp-Stufe des Elektrolysesystems Ein gehalten.
Daher wird die Wasserzirkulationspumpe 30 kontinuierlich betrieben, um den Elektrolysestapel 50 von einer sauren Bedingung zu einer neutralen Bedingung umzuwandeln.
Das heißt, dass das Wasser von neutralen pH-Zustand, in welchem die Kontaminanten, die in dem ersten Wasser-Reservoir 10 gespeichert sind, entfernt wird, dem Elektrolysestapel 50 durch den Betrieb der Wasserzirkulationspumpe 30 zugeführt wird, so dass der Wasser-Elektrolysestapel 50 von saurer Bedingung zu neutraler Bedingung umgewandelt wird.
Nachfolgend wird die Einheitszellspannung V_a des Elektrolysestapels justiert, so dass sie einen Bereich zwischen der Obergrenze V₁ und der ersten Untergrenze V₂ der Einheitszellspannung aufweist, so dass die Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und der chemische Zustand des Anoden-Katalysators stabil in einem sauren Zustand gehalten wird, in welchem die Einheitszellspannung auf pH K₁ ist.
Das heißt, dass die Spannung aus der Stromquelle 110 im Transistor 112 über den zweiten Schalter 102 reguliert wird, so dass die Einheitszellspannung V_a des Elektrolysestapels justiert werden kann, um einen Bereich zwischen der Obergrenze V₁ und der ersten Untergrenze V₂ der Einheitszellspannung aufzuweisen, so dass die Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und der chemische Zustand des Anoden-Katalysators stabil in einem sauren Zustand gehalten wird, in welchem die Einheitszellspannung beim pH K₁ ist.
Wenn z.B. ein IrO₂-Katalysator in der Anode des Elektrolysestapels verwendet wird, kann der pH K1 auf 3, die Obergrenze V₁ der Einheitszellspannung auf 1,23 V und die erste Untergrenze V₂ der Einheitszellspannung auf 1,1 V justiert werden.
Zu dieser Zeit wird ein Signal, das einen pH von Wasser, das im Wasser-Elektrolysestapel vorgesehen ist, angibt, welcher durch den pH-Sensor 120 gemessen wird, an die Steuerung 100 gesendet.
Nachfolgend, wenn die Steuerung 100 bestimmt, dass der pH von Wasser, der ein wichtiger Faktor zu Stoppen des Betriebs des Wasser-Elektrolysesystems ist, gleich oder größer als ein Referenzwert K₂ zum Stoppen des Betriebs des Wasser-Elektrolysesystems ist, steuert die Steuerung 100 die Einheitszellspannung V_a des Elektrolysestapels, um auf die zweite Untergrenze V₃ abzufallen, so dass die Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und der chemische Zustand des Anoden-Katalysators stabil in einem Zustand gehalten wird, in welchem die Einheitszellspannung pH K₂ ist, durch Durchführen einer Art von PWM-Spannungssteuerung (siehe 6) um den zweiten Schalter 102 bei einem vorbestimmten Zyklus Ein/Aus zu schalten.
K₂ ist ein Referenz-pH-Wert, der angibt, dass das im Elektrolysestapel vorhandene Wasser einen neutralen pH-Zustand zeigt, um den Betrieb des Elektrolysesystems zu stoppen. Wenn der IrO₂-Katalysator in der Anode verwendet wird, kann K₂ auf 6 bis 7 und die zweite Untergrenze V₃ der Einheitszellspannung auf 0,9 V eingestellt werden.
Wie zuvor beschrieben, ist der Grund, warum die Einheitszellspannung des Wasser-Elektrolysestapels nicht einfach als V₁ bis V₂ → 0 V gesenkt wird, sondern nachfolgend in der Reihenfolge von V₁ bis V₂ → V₃ → 0 V gesenkt wird, dass der Einheitszellspannung gestattet ist, in einer Spannungsregion aufrechterhalten zu werden, die dem Anoden-Katalysator ermöglicht, chemisch stabil während des Stopps des Betriebs gehalten zu werden, so dass der Anoden-Katalysator in einem chemisch stabilen Zustand gehalten wird, ohne bei plötzlichem Neustart in der Betriebsstoppstufe des Elektrolysesystems beschädigt zu werden.
Schließlich wird durch die Prozesse des Steuerns der Einheitszellspannung V_a auf 0 V und des Stoppens der Wasserzirkulationspumpe das Wasserelektrolysesystem zum Aufrechterhalten des Anoden-Katalysators in einem chemisch stabilen Zustand komplett gestoppt.
Andererseits wird die Zeit ta, die es braucht, um als V₁ auf V₂ → V₃ abzufallen, so dass der Anoden-Katalysator chemisch stabil bleibt, ohne bei einem plötzlichem Neustart während des Betriebsstopps des Wasserelektrolysesystems beschädigt zu werden, vorzugsweise gesteuert, größer als die Zeit tb zu sein, die es erfordert, von V₃ auf 0 V abzufallen.
Gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, um die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels in der Reihenfolge von V₁ ~ V₂ → V₃ → 0 V anzulegen, wie in 5 illustriert, kann die Einheitszellspannung gesteuert werden, auf einen gewünschten Spannungspegel abzufallen, durch Regulieren des Tastverhältnisses der Dauer Zeit t1, in welcher die Spannung V_p angelegt wird, und der Dauerzeit, in welcher die Spannung V_p nicht angelegt wird.
Beispielsweise ist die an den Elektrolysestapel angelegte Spannung V_p × (t1/(t1+t2)), also wenn t2 = 0, die angelegte Spannung V_p ist und dann wenn t1:t2=1:1, die angelegte Spannung V_p/2 ist.
Wie zuvor beschrieben, gemäß der Schaltungskonfiguration der ersten Ausführungsform, wird beim Betriebsstopp des Elektrolysesystems um die Elektroden, wie etwa eine Anode, herum zugeführtes Wasser von saurem pH zu neutralem pH durch Wasserzirkulation innerhalb des Wasser-Elektrolysestapels umgewandelt und wird gleichzeitig die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels in der Reihenfolge von V₁ ~ V₂ → -V₃ → 0 V so reguliert, dass der chemische Zustand des Anoden-Katalysators stabil aufrechterhalten wird, wodurch die Leistungsfähigkeit, die Lebensdauer und die Haltbarkeit des Wasserelektrolysesystems verbessert werden.
Zweite Ausführungsform
6 ist ein Schaltungsdiagramm zum Steuern der Einheitszellspannung des Elektrolysestapels und des Antriebs der Wasserzirkulationspumpe gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wobei bei Betriebsstopp des Wasserelektrolysesystems um Elektroden, wie etwa eine Anode, herum zugeführtes Wasser durch Wasserzirkulation innerhalb des Wasser-Elektrolysestapels unter Verwendung der Restspannung im Elektrolysestapel als einer Hilfsstromquelle von saurem pH zu neutralem pH umgewandelt wird und gleichzeitig die Einheitszellspannung des Wasser-Elektrolysestapels auf einem Bereich justiert wird, so dass der Anoden-Katalysator chemisch stabil gehalten werden kann, und dann der Spannungsabfall zu 0 V ab dem Punkt ausgeführt wird, wenn das Wasser im Wasser-Elektrolysestapel auf neutralen pH geht.
Wie in 6 illustriert, ist die Steuerung 100 mit dem Elektrolysestapel 50 zur Spannungsmessung verbunden.
Zusätzlich ist ein Wasserstoffpotential (pH) -Sensor 120 mit der Steuerung 100 verbunden, um einen pH von Wasser im Elektrolysestapel 50 zu messen.
Zusätzlich beinhaltet als einen Schalter, der durch die Steuerung 100 ein/aus-gesteuert wird, das Elektrolysesystem einen ersten Schalter 101, der so eingeschaltet wird, dass ein Strom aus einer ersten Stromquelle 111-1 zum Elektrolysestapel 50 während des Betriebs des Elektrolysesystems zugeführt wird, einen zweitem Schalter 102, der in einem Aus-Zustand gehalten wird, einen dritten Schalter 103, der so eingeschaltet wird, dass ein Strom aus einer zweiten Stromquelle 110-2 der Wasserzirkulationspumpe 30 zugeführt wird, und einen vierten Schalter 104, der zwischen dem zweiten Schalter 102 und dem dritten Schalter 103 in der Leitung zwischen dem Elektrolysestapel 50 und der Wasserzirkulationspumpe 30 angeordnet ist, so dass er während des Betriebs des Elektrolysesystems in einem Aus-Zustand gehalten wird.
Andererseits, wenn der Betrieb des Elektrolysesystems gestoppt ist, wird der erste Schalter 101 gesteuert, ausgeschaltet zu sein, und der zweite Schalter 102, eingeschaltet zu sein, und wird der dritte Schalter 103 gesteuert, ausgeschaltet zu sein, und wird der vierte Schalter 104 simultan ausgeschaltet.
Wenn jedoch die Wasserzirkulationspumpe 30 mit der Restspannung des Elektrolysestapels 50 angetrieben wird, wird, falls die Restspannung des Elektrolysestapels 50 unzureichend ist, die Wasserzirkulationspumpe 30 anzutreiben, oder falls die Spannung des Elektrolysestapels 50 von der eingestellten Spannung abweicht, der dritte Schalter 103 gesteuert, von Ein zu Aus geschaltet zu werden, um einen Strom aus der zweiten Stromquelle 110-2 der Wasserzirkulationspumpe 30 zuzuführen, wodurch der Wasserzirkulationspumpe 30 gestattet wird, kontinuierlich zu arbeiten.
Zu dieser Zeit wird die erste Stromquelle 110-1 für den Betrieb des Elektrolysestapels 50 verwendet und wird die zweite Stromquelle 110-2 zum Antrieb der Wasserzirkulationspumpe 30 verwendet, und werden der zweite Schalter 102, der vierte Schalter 104 und der zwischen dem zweiten Schalter 102 und dem vierten Schalter 104 angeordnete Transistor 112 verwendet, die Wasserzirkulationspumpe 30 mit der Restspannung des Elektrolysestapels 50 anzutreiben.
Gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, um die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems als V₁ ~ V₂ → V₃ → 0 V zu justieren, kann das Elektrolysesystem so betrieben werden, dass der erste Schalter 101 ausgeschaltet ist, der zweite Schalter 102 eingeschaltet ist, der vierte Schalter 104 eingeschaltet ist und der dritte Schalter 103 ausgeschaltet ist, oder durch das Signal der Steuerung während der Betriebsstoppstufe des Elektrolysesystems auf Ein gehalten wird.
Daher wird die Wasserzirkulationspumpe 30 kontinuierlich betrieben, um den Elektrolysestapel 50 von einer sauren Bedingung zu einer neutralen Bedingung umzuwandeln. Hier, da der vierte Schalter 104 im EIN-Zustand ist, kann die Wasserzirkulationspumpe 30 unter Verwendung der Restspannung im Elektrolysestapel 50 als einer Hilfsstromquelle betrieben werden.
Dann wird das in dem ersten Wasser-Speicher 10 gelagerte Wasser, dessen Kontaminanten entfernt sind, dem Elektrolysestapel 50 durch den Betrieb der Wasserzirkulationspumpe 30 zugeführt, so dass der Elektrolysestapel 50 von der sauren Bedingung zur neutralen Bedingung umgewandelt wird.
Wie oben beschrieben, gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wird die Restspannung im Elektrolysestapel 50 als eine Hilfsstromquelle zum Antreiben der Wasserzirkulationspumpe 30 verwendet, so dass die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels graduell verbraucht wird und sequentiell als V₁ zu V₂ → V₃ → 0 V reduziert wird.
Eine unbeabsichtigte Spannung kann im Elektrolysestapel in einer frühen Stufe des Betriebsstopps des Wasserelektrolysesystems aufgrund der Effekte von Wasserstoff und Sauerstoff, die im Elektrolysestapel verbleiben, gebildet werden. Entsprechend, mit der Spannungssteuerung des Transistors 112, kann die Einheitszellspannung Va des Elektrolysestapels justiert werden, einen Bereich aufzuweisen zwischen der Obergrenze V₁ und der ersten Untergrenze V₂ der Einheitszellspannung, so dass die Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und der chemische Zustand des Anoden-Katalysators stabil in einem sauren Zustand gehalten wird, in welchem die Einheitszellspannung pH K₁ ist.
Wenn beispielsweise ein IrO₂-Katalysator in der Anode des Elektrolysestapels verwendet wird, kann der pH K₁ auf 3, die Obergrenze V₁ der Einheitszellspannung auf 1,23 V und die erste Untergrenze V₂ der Einheitszellspannung auf 1,1 V justiert werden.
Danach, wenn der pH-Wert im Elektrolysestapel gleich oder größer als der Referenzwert K₂ zum Stoppen des Betriebs des Elektrolysesystems ist, wird die Wasserzirkulationspumpe 30 weiter angetrieben unter Verwendung der Restspannung im Elektrolysestapel als einem Hilfsstrom, so dass die Einheitszellspannung V_a des Elektrolysestapels justiert werden kann, die zweite Untergrenze V₃ so aufzuweisen, dass die Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und der chemische Zustand des Anoden-Katalysators stabil in einem Zustand gehalten wird, in welchem die Einheitszellspannung pH K₂ ist.
Wenn beispielsweise ein IrO₂-Katalysator als die Anode verwendet wird, wird K₂ auf 6 bis 7 eingestellt und wird die zweite Untergrenze V₃ der Einheitszellspannung gebildet, 0,9 V zu sein.
Nachfolgend, wenn die Einheitszellspannung justiert wird, um auf die zweite Untergrenze V₃ abzufallen, wird die Hilfsstromquellenfunktion der Wasserzirkulationspumpe durchgeführt, bis die Restspannung des Elektrolysestapels 0 V wird, und wird der Stopp des Wasserelektrolysesystems abgeschlossen.
Das heißt, nachdem die Einheitszellspannung V_a des Elektrolysestapels zur zweiten Untergrenze V₃ wird, wird die Hilfsstromquellenfunktion der Wasserzirkulationspumpe durchgeführt, bis die Restspannung des Elektrolysestapels 0 V für stabiles Stoppen des Elektrolysesystems wird, so dass die Wasserzirkulationspumpe 30 gestoppt wird und schließlich der chemische Zustand des Anoden-Katalysators in einem stabilen Zustand gehalten wird und der Betrieb des Wasserelektrolysesystems gestoppt wird.
Andererseits wird die Zeit ta, die es braucht, um als V₁ zu V₂ → V₃ abzufallen, so dass der Anoden-Katalysator chemisch stabil bleibt, ohne bei plötzlichem Neustart während des Betriebsstopps des Wasserelektrolysesystems beschädigt zu werden, vorzugsweise so gesteuert, dass sie länger ist als die Zeit tb, die es braucht, um von V₃ auf 0 V abzufallen.
Wie oben beschrieben, basierend auf der Schaltungskonfiguration gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wenn der Betrieb des Wasserelektrolysesystems gestoppt ist, wird die Wasserzirkulationspumpe 30 unter Verwendung der Restspannung im Wasser-Elektrolysestapel 50 als einer Hilfsstromquelle angetrieben, so dass um die Elektroden, wie etwa eine Anode, herum zugeführtes Wasser durch die Wasserzirkulation innerhalb des Wasser-Elektrolysestapels von der sauren Bedingung zur neutralen Bedingung umgewandelt werden kann, und gleichzeitig die Restspannung im Elektrolysestapel 50 kontinuierlich als die Hilfsstromquelle zum Antreiben der Wasserzirkulationspumpe 30 verwendet wird, so dass die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels graduell aufgebraucht wird und als V₁ ~ V₂ → V₃ → 0 V reduziert wird, um den Anoden-Katalysator in einem chemisch stabilen Zustand zu halten, wodurch die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Haltbarkeit des Wasserelektrolysesystems verbessert wird.
Dritte Ausführungsform
7 ist ein Schaltungsdiagramm zum Steuern der Einheitszellspannung des Elektrolysestapels und Antreiben der Wasserzirkulationspumpe gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wobei beim Betriebsstopp des Wasserelektrolysesystems um Elektroden, wie etwa eine Anode, herum zugeführtes Wasser durch Wasserzirkulation innerhalb des Wasser-Elektrolysestapels von saurem pH zu neutralem pH umgewandelt wird, und gleichzeitig die Einheitszellspannung des Wasser-Elektrolysestapels auf einen Bereich derart justiert wird, dass der Anoden-Katalysator chemisch stabil gehalten werden kann, unter Verwendung eines variablen Widerstands, und dann der Spannungsabfall zu 0 V ab dem Punkt ausgeführt wird, wenn das Wasser im Wasser-Elektrolysestapel zum neutralen pH wird.
Hierzu muss der Wasser-Elektrolysestapel eine neutrale Bedingung durch die Wasserzirkulationspumpe haben und muss die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels als V₁ bis V₂ → V₃ → 0 V reguliert werden und entsprechend ist die dritte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung charakteristischerweise so implementiert, dass der variable Widerstand in Reihe im Elektrolysestapel konfiguriert ist, um eine stufenweise Spannungssteuerung zu erzielen, um die Einheitszellspannung des Elektrolysestapel als V₁ bis V₂ → V₃ → 0 V während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems zu regulieren.
Wie in 7 illustriert, ist eine Steuerung 100 mit dem Elektrolysestapel 50 zur Spannungsmessung verbunden.
Zusätzlich ist ein Wasserstoffpotential-(pH)-Sensor 120 mit der Steuerung 100 verbunden, um einen pH von Wasser in dem Elektrolysestapel 50 zu messen.
Zusätzlich, als ein Schalter, der durch die Steuerung 100 Ein/Aus gesteuert wird, beinhaltet das Elektrolysesystem einen ersten Schalter 101, der eingeschaltet wird, wenn ein Strom aus einer ersten Stromquelle 110-1 zum Elektrolysestapel während des Betriebs des Elektrolysesystems zuzuführen ist, einen zweiten Schalter 102, der eingeschaltet wird, wenn ein Strom aus der ersten Stromquelle 110-1 dem Elektrolysestapel 50 zugeführt werden muss und ausgeschaltet wird im Prozess des Betriebsstopps des Elektrolysesystems, einen dritten Schalter 103, der eingeschaltet wird, wenn ein Strom aus einer zweiten Stromquelle 110-2 der Wasserzirkulationspumpe 30 zugeführt werden muss und einen vierten Schalter 104, der während des Betriebs des Elektrolysesystems ausgeschaltet wird, und eingeschaltet, wenn intendiert ist, die Einheitszellspannung des Wasser-Elektrolysestapels auf 0 V zu justieren, für stabiles Stoppen des Wasserelektrolysesystems.
Insbesondere ist ein variabler Widerstand 130 zur Spannungsregulierung in Reihe auf einer Leitung, über welche ein Strom aus der Stromquelle 110 dem Elektrolysestapel während des Betriebs des Elektrolysesystems zugeführt wird, angeordnet.
Gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, um die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems als V₁ ~ V₂ → V₃ → 0 V zu justieren, wird der erste Schalter 101 Ein gehalten, wird der zweite Schalter 102 ausgeschaltet, und wird der dritte Schalter 103 eingeschaltet und wird der vierte Schalter 104 durch das Signal der Steuerung 100 während der Betriebsstoppstufe des Elektrolysesystems auf Aus gehalten.
Daher wird die Wasserzirkulationspumpe 30 kontinuierlich betrieben, um den Elektrolysestapel von einer sauren Bedngung zu einer neutralen Bedingung umzuwandeln.
Das heißt, dass das Wasser von neutralem pH-Zustand, in welchem die in dem ersten Wasser-Reservoir 10 gespeicherten Kontaminanten entfernt sind, den Elektrolysestapel 50 durch den Betrieb der Wasserzirkulationspumpe 30 zugeführt wird, so dass der Wasser-Elektrolysestapel 50 von saurer Bedingung zu neutraler Bedingung umgewandelt wird.
In der frühen Stufe des Betriebsstopps des Wasserelektrolysesystems, aufgrund der Effekte von im Wasser-Elektrolysestapel verbleibendem Wasserstoff und Sauerstoff, kann die Einheitszellspannung V_a des Elektrolysestapels justiert werden, ein Bereich zwischen der Obergrenze V₁ und der ersten Untergrenze V₂ der Einheitszellspannung aufzuweisen, so dass die Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und der chemische Zustand des Anoden-Katalysators stabil in einem sauren Zustand gehalten wird, in welchem die Einheitszellspannung pH K₁ ist.
Wenn beispielsweise ein IrO₂-Katalysator in der Anode des Elektrolysestapels verwendet wird, kann der pH K₁ auf 3, die Obergrenze V₁ der Einheitszellspannung auf 1,23 V und die erste Untergrenze V₂ der Einheitszellspannung auf 1,1 V justiert werden.
Zu dieser Zeit ist der variable Widerstand 130 in Reihe auf der Leitung angeordnet, über welche ein Strom aus der Stromquelle 110 dem Elektrolysestapel zugeführt wird, so dass die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels in der Reihenfolge von V₁ ~ V₂ → V₃ → 0 V durch den Betrieb des variablen Widerstands während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems gesteuert werden kann.
Danach, wenn der pH-Wert im Elektrolysestapel gleich oder größer als der Referenzwert K₂ zum Stoppen des Betriebs des Elektrolysesystems ist, mit dem Betrieb des variablen Widerstands 130 kann die Einheitszellspannung V_a des Elektrolysestapels justiert werden, eine zweite Untergrenze V₃ aufzuweisen, so dass die Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und der chemische Zustand des Anoden-Katalysators stabil in einem Zustand gehalten wird, in welchem die Einheitszellspannung pH K₂ ist.
Wenn beispielsweise ein IrO₂-Katalysator als die Anode verwendet wird, wird K₂ auf 6 bis 7 eingestellt und die zweite Untergrenze V₃ der Einheitszellspannung wird gebildet, 0,9 V zu sein.
Nachfolgend, wenn die Einheitszellspannung justiert wird, um auf die zweite Untergrenze V₃ abzufallen, fällt die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf 0 V ab, zum stabilen Stoppen des Elektrolysesystems mit dem Betrieb des variablen Widerstands 130, und wird die Wasserzirkulationspumpe durch die Steuerung gestoppt, so dass der Betrieb des Wasserelektrolysesystems zum Erhalten des Anoden-Katalysators in einem chemisch stabilen Zustand gestoppt wird.
Vorzugsweise steuert die Steuerung weiter den ersten Schalter 101 und den zweiten Schalter 102, ausgeschaltet zu sein, und den vierten Schalter 104, auch eingeschaltet zu sein, so dass die Restspannung der Einheitszellspannung des Elektrolysestapels durch den variablen Widerstand 130 entfernt wird, was es gestattet, dass die Einheitszellspannung V_a des Elektrolysestapels 50 auf 0 V einfacher justiert wird.
Andererseits wird die Zeit ta, die es braucht, um als V₁ bis V₂ → V₃ abzufallen, so dass der Anoden-Katalysator chemisch stabil bleibt, ohne beim plötzlichen Neustart während des Betriebsstopps des Wasserelektrolysesystems beschädigt zu werden, vorzugsweise gesteuert, länger als die Zeit tb zu sein, die es braucht, um von V3 auf 0 V zu fallen.
Hierzu wird der Widerstandswert Ri des variablen Widerstands, wenn die Einheitszellspannung als V₁ bis V₂ → V₃ abfällt, verwendet, größer zu sein als der Widerstandswert des variablen Widerstands, wenn die Einheitszellspannung als V₃ → 0 V abfällt.
Wie oben beschrieben, basierend auf der Schaltungskonfiguration gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wenn der Betrieb des Wasserelektrolysesystems gestoppt wird, wird die Wasserzirkulationspumpe 30 so angetrieben, dass das um die Elektroden, wie etwa eine Anode, herum zugeführte Wasser von der sauren Bedingung zur neutralen Bedingung umgewandelt werden kann, durch die Wasserzirkulation innerhalb des Wasser-Elektrolysestapels und gleichzeitig mit dem Betrieb des variablen Widerstands 130 die Einheitszellspannung im Elektrolysestapel sequentiell als V₁ ~ V₂ → V₃ → 0 V sequentiell reguliert wird, um den Anoden-Katalysator in einem chemisch stabilen Zustand zu halten, wodurch die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Haltbarkeit des Wasserelektrolysesystems verbessert wird.
Vierte Ausführungsform
8 ist ein Schaltungsdiagramm zum Steuern der Einheitszellspannung des Elektrolysestapels und dem Antrieb der Wasserzirkulationspumpe gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wobei beim Betriebsstopp des Wasserelektrolysesystems um Elektroden, wie etwa ein Anode, herum zugeführtes Wasser durch Wasserzirkulation innerhalb des Wasser-Elektrolysestapels von saurem pH zu neutralem pH umgewandelt wird und gleichzeitig die Einheitszellspannung des Wasser-Elektrolysestapels auf einen Bereich justiert wird, so dass der Anoden-Katalysator chemisch stabil gehalten werden kann, unter Verwendung eines Paars von Widerständen und dann der Spannungsabfall zu 0 V hin ab dem Punkt ausgeführt wird, wenn das Wasser im Wasser-Elektrolysestapel zu neutralem pH wird.
Wie in 8 illustriert, ist eine Steuerung 100 mit dem Elektrolysestapel 50 zur Spannungsmessung verbunden.
Zusätzlich ist ein Wasserstoffpotential-(pH)-Sensor 120 mit der Steuerung 100 verbunden, um einen pH von Wasser im Elektrolysestapel 50 zu messen.
Zusätzlich, als ein Schalter, der durch die Steuerung 100 Ein/Aus-gesteuert wird, beinhaltet das Elektrolysesystem einen ersten Schalter 101, der eingeschaltet wird, wenn ein Strom aus einer ersten Stromquelle 110-1 während des Betriebs des Elektrolysesystems dem Elektrolysestapel zugeführt werden muss, einen zweiten Schalter 102, der eingeschaltet wird, wenn ein Strom aus der ersten Stromquelle 110-1 dem Elektrolysestapel 50 zugeführt werden muss und ausgeschaltet werden muss im Prozess des Betriebsstopps des Elektrolysesystems, einen dritten Schalter 103, der eingeschaltet wird, wenn ein Strom aus einer zweiten Stromquelle 110-2 der Wasserzirkulationspumpe 30 zugeführt werden muss, und einen vierten Schalter 104, der während des Betriebs des Elektrolysesystems ausgeschaltet wird, und eingeschaltet wird, wenn beabsichtigt ist, die Einheitszellspannung des Wasser-Elektrolysestapels auf 0 V für stabilen Stopp des Wasserelektrolysesystems zu justieren.
Insbesondere sind erste und zweite variable Widerstände 141 und 142 zur Spannungsregulierung in Reihe auf einer Leitung angeordnet, über welche ein Strom aus der Stromquelle 110 dem Elektrolysestapel während des Betriebs des Elektrolysesystems zugeführt wird.
Gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, um die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems als V₁ ~ V₂ → V₃ → 0 V zu justieren, wird der erste Schalter 101 Ein gehalten, wird der zweite Schalter 102 ausgeschaltet und wird der dritte Schalter 103 eingeschaltet und wird der vierte Schalter 104 durch das Signal der Steuerung 100 während der Betriebsstoppstufe des Elektrolysesystems zuerst Aus gehalten.
Zu dieser Zeit wird entweder ein erster Widerstands-Verbindungsschalter 143 für den ersten Widerstand 141 oder ein zweiter Widerstands-Verbindungsschalter 144 für den zweiten Widerstand 142, wie später beschrieben, gesteuert, eingeschaltet zu sein, um so angemessenen Spannungsabfall unter Verwendung der Widerstände zu induzieren.
Daher wird die Wasserzirkulationspumpe 30 kontinuierlich betrieben, um den Elektrolysestapel 50 von einer sauren Bedingung zu einer neutralen Bedingung umzuwandeln.
Das heißt, dass das Wasser des neutralen pH-Zustands, in welchem die Kontaminanten, die im ersten Wasser-Speicher 10 gespeichert sind, entfernt sind, dem Elektrolysestapel 50 durch den Betrieb der Wasserzirkulationspumpe 30 zugeführt wird, so dass der Elektrolysestapel 50 von der sauren Bedingung zur neutralen Bedingung umgewandelt wird.
In der frühen Stufe des Betriebsstopps des Wasserelektrolysesystems, aufgrund der Effekte von in dem Wasser-Elektrolysestapel verbleibendem Wasserstoff und Sauerstoff, kann die Einheitszellspannung V_a des Elektrolysestapels justiert werden, einen Bereich zwischen der Obergrenze V₁ und der ersten Untergrenze V₂ der Einheitszellspannung so aufzuweisen, dass die Analysereaktion nicht auftritt und der chemische Zustand des Anoden-Katalysators stabil in einem sauren Zustand gehalten wird, in welchem der Einheitszellspannung des pH K₁ ist.
Wenn beispielsweise ein IrO₂-Katalysator in der Anode des Elektrolysestapels verwendet wird, kann der pH K₁ auf 3, die Obergrenze V₁ der Einheitszellspannung auf 1,23 V und die erste Untergrenze V₂ der Einheitszellspannung auf 1,1 V justiert werden.
Zu dieser Zeit sind die ersten und zweiten Widerstände 141 und 142 in Reihe auf der Leitung angeordnet, über welche ein Strom aus der Stromquelle 110 dem Elektrolysestapel zugeführt wird, so dass die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels in der Reihenfolge von V₁ ~ V₂ → V₃ → 0 V durch den Betrieb der Widerstände während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems gesteuert werden kann.
Hierzu wird der erste Verbindungsschalter 143 für den ersten Widerstand 141 zuerst gesteuert, so dass er durch die Steuerung 100 eingeschaltet wird.
Dann, wenn der pH-Wert im Elektrolysestapel gleich oder größer als der Referenzwert K₂ zum Stoppen des Betriebs des Elektrolysesystems ist, kann mit dem Betrieb des ersten Widerstands 141 die Einheitszellspannung V_a des Elektrolysestapels justiert werden, die zweite Untergrenze V₃ aufzuweisen, so dass die Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und der chemische Zustand des Anoden-Katalysators stabil in einem Zustand gehalten wird, in welchem die Einheitszellspannung pH K₂ aufweist.
Wenn beispielsweise ein IrO₂-Katalysator als Anode verwendet wird, wird K₂ auf 6 bis 7 eingestellt und wird die zweite Untergrenze V₃ der Einheitszellspannung gebildet, 0,9 V zu sein.
Nachfolgend, wenn die Einheitszellspannung justiert wird, auf die zweite Untergrenze V₃ abzufallen, wird der zweite Widerstands-Verbindungsschalter 144 für den zweiten Widerstand 142 auch gesteuert, durch die Steuerung 100 eingeschaltet zu sein, so dass die Einheitszellspannung des Wasser-Elektrolysestapels auf 0 V für stabiles Stoppen des Wasserelektrolysesystems abfällt.
Somit fällt die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf 0 V für stabilen Stopp des Elektrolysesystems mit dem Betrieb des zweiten Widerstands 142 und wird die Wasserzirkulationspumpe durch die Steuerung gestoppt, so dass der Betrieb des Wasserelektrolysesystems zum Aufrechterhalten des Anoden-Katalysators in einem chemisch stabilen Zustand gestoppt wird.
Vorzugsweise steuert die Steuerung weiter den ersten Schalter 101 und den zweiten Schalter 102, ausgeschaltet zu sein, und den vierten Schalter 104, ebenfalls eingeschaltet zu sein, so dass die Restspannung der Einheitszellspannung des Elektrolysestapels durch den ersten Widerstand 141 und/oder den zweiten Widerstand 142 entfernt wird, was es gestattet, dass die Einheitszellspannung Va des Elektrolysestapels 50 auf 0 V einfacher justiert wird.
Andererseits wird die Zeit ta, die es braucht, um als V₁ bis V₂ → V₃ abzufallen, so dass der Anoden-Katalysator chemisch stabil bleibt, ohne beim plötzlichen Neustart während des Betriebsstopps des Wasserelektrolysesystems beschädigt zu werden, vorzugsweise gesteuert, länger zu sein als die Zeit tb, die es braucht, um von V₃ auf 0 V abzufallen.
Hierzu wird der erste Widerstand 141, der verwendet wird, wenn die Einheitszellspannung als vt1 bis V₂ → V₃ abfällt, verwendet wird, größer zu sein als der zweite Widerstand 142, der verwendet wird, wenn die Einheitszellspannung als V₃ → 0 V abfällt.
Wie oben beschrieben, basierend auf der Schaltungskonfiguration gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wenn der Betrieb des Wasserelektrolysesystems gestoppt ist, wird die Wasserzirkulationspumpe 30 so angetrieben, dass um die Elektroden, wie etwa eine Anode, herum zugeführtes Wasser von der sauren Bedingung zur neutralen Bedingung durch die Wasserzirkulation innerhalb des Wasser-Elektrolysestapels umgewandelt werden kann und gleichzeitig mit dem Betrieb des ersten Widerstands 141 und des zweiten Widerstands 142 die Einheitszellspannung im Elektrolysestapel sequentiell als V₁ ~ V₂ → V₃ → 0 V reguliert wird, um den Anoden-Katalysator in einem chemisch stabilen Zustand zu halten, wodurch die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Haltbarkeit des Wasserelektrolysesystems verbessert wird.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Detail beschrieben worden sind, ist der Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht durch die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und verschiedene Modifikationen und Änderungen, die durch Fachleute auf dem Gebiet unter Verwendung der Basiskonzepte der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden, die in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist, sind auch im Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung enthalten.

Claims

Wasserelektrolysesystem, umfassend: einen Wasser-Elektrolysestapel; ein Wasserreservoir, das mit dem Wasser-Elektrolysestapel verbunden ist, um Wasser dem Wasser-Elektrolysestapel zuzuführen; eine Wasserzirkulationspumpe, die das Wasser im Wasserreservoir dem Elektrolysestapel zuführt; und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, während eines Betriebsstopps des Elektrolysesystems, den Antrieb der Wasserzirkulationspumpe zu steuern, um das Wasser in dem Elektrolysestapel von einer sauren Bedingung zu einer neutralen Bedingung umzuwandeln und eine Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf eine Spannung zu regulieren, derart, dass eine Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und ein chemischer Zustand eines Anoden-Katalysators stabil bewahrt wird.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 1, wobei das Wasser-Reservoir aus einem ersten Wasser-Reservoir, welches neutrales Wasser speichert, aus dem Kontaminanten entfernt worden sind, oder dem ersten Wasser-Reservoir, welches das neutrale Wasser speichert, aus welchem Kontaminanten entfernt worden sind, und einem zweiten Wasser-Reservoir, das aus einem Gas-Flüssigkeits-Separator abgetrenntes Wasser speichert, aufgebaut ist.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 2, wobei ein Öffnen/Schließen-Ventil an einer Auslassleitung des zweiten Wasser-Reservoirs montiert ist.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 1, weiter umfassend: eine Hilfswasser-Zirkulationspumpe, die konfiguriert ist, rasch eine saure Bedingung eines Inneren des Elektrolysestapels zu einer neutralen Bedingung umzuwandeln, während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems, die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf einen Spannungsbereich zwischen einer Obergrenze (Ausgangsspannung V₁) und einer ersten Untergrenze (V₂) so zu justieren, dass keine Elektrolyse-Reaktion auftritt und ein chemischer Zustand des Anoden-Katalysators stabil in einem sauren Zustand bewahrt wird, in welchem die Einheitszellspannung ein Wasserstoffpotential (pH) von K₁ ist; und wenn der pH von Wasser im Elektrolysestapel bestimmt wird, größer als oder gleich einem Referenz-pH-Wert (K₂) für den Betriebsstopp des Elektrolysesystems zu sein, um die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf eine zweite Untergrenze (V₃) abfallen zu lassen, so dass keine Elektrolysereaktion auftritt und ein chemischer Zustand eines Anoden-Katalysators stabil in einem Zustand bewahrt wird, in welchem die Einheitszellspannung der pH von K₂ ist.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 5, wobei, wenn ein IrO₂-Katalysator in eine Anode des Elektrolysestapels verwendet wird, der pH von K₁ auf 3, die Obergrenze (V₁) der Einheitszellspannung auf 1,23 V, und die erste Untergrenze (V₂) der Einheitszellspannung auf 1,1 V eingestellt wird.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 5, wobei der Wert von K₂ ein Referenz-pH-Wert ist, der angibt, dass das im Elektrolysestapel gespeicherte Wasser einen neutralen pH-Zustand für den Betriebsstopp des Elektrolysesystems zeigt, wobei, wenn der IrO₂-Katalysator in der Anode verwendet wird, der Wert von K₂ auf 6 bis 7 und die zweite Untergrenze (V₃) der Einheitszellspannung auf 0,9 V eingestellt wird.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 5, wobei die Steuereinheit derart konfiguriert ist, dass die Zeit (ta), die es benötigt, um die Einheitszellspannung als V₁ auf V₂ → V₃ fallen zu lassen, so dass der Anoden-Katalysator chemisch stabil bleibt, ohne beim plötzlichen Neustart während des Betriebsstopps des Wasserelektrolysesystems beschädigt zu werden, gesteuert wird, länger als die Zeit (tb) zu sein, dies braucht, um die Einheitszellspannung von V₃ auf 0 V abfallen zu lassen.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit umfasst: eine mit dem Elektrolysestapel verbundene Steuerung, so dass eine Einheitszellspannung des Elektrolysestapels gemessen werden kann; einen pH-Sensor, der ein Wasserstoffpotential (pH) von Wasser im Elektrolysestapel misst und den gemessenen pH an die Steuerung sendet; einen ersten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus der Stromquelle zum Elektrolysestapel während des Betriebs des Elektrolysesystems zugeführt werden muss; einen zweiten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn der Strom aus der Stromquelle zum Elektrolysestapel in dem Prozess des Stoppens des Betriebs des Elektrolysesystems zugeführt werden muss; einen dritten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus der Stromquelle zur Wasserzirkulationspumpe zugeführt werden muss; und einen Transistor, der zwischen dem zweiten Schalter und dem Elektrolysestapel angeordnet ist.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 9, wobei in einem Zustand, in welchem der dritte Schalter durch das Steuersignal der Steuerung eingeschaltet wird, die Wasserzirkulationspumpe angetrieben wird, den Elektrolysestapel von der sauren Bedingung zur neutralen Bedingung umzuwandeln, und in einem Zustand, in welchem der zweite Schalter durch das Steuersignal der Steuerung eingeschaltet wird, die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf einen Spannungsbereich zwischen der Obergrenze (V₁) und der ersten Untergrenze (V₂) justiert wird, so dass eine Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und ein chemischer Zustand eines Anoden-Katalysators stabil in einem sauren Zustand gehalten wird, in welchem die Einheitszellspannung der pH von K₁ ist.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 9, wobei, wenn die Steuerung bestimmt, dass der pH von Wasser im Elektrolysestapel größer als oder gleich einem Referenz-pH-Wert (K₂) für den Betriebsstopp des Elektrolysesystems ist, auf Basis eine Messsignals des pH-Sensors, die Steuerung eine PWM-Spannungssteuerung durchführt, um den zweiten Schalter in einem spezifizierten Zyklus ein-/auszuschalten, um so die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf eine zweite Untergrenze (V₃) abfallen zu lassen, so dass eine Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und ein chemischer Zustand eines Anoden-Katalysators stabil in einem Zustand gehalten wird, in welchem die Einheitszellspannung der pH von K₂ ist.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 11, wobei nach Abfall der Einheitszellspannung auf die zweite Untergrenze (V₃) die Steuerung die Einheitszellspannung auf 0 V justiert, um das Stoppen des Elektrolysesystems abzuschließen, und den Betrieb der Wasserzirkulationspumpe stoppt.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit umfasst: eine mit dem Elektrolysestapel verbundene Steuerung, so dass eine Einheitszellspannung des Elektrolysestapels gemessen werden kann; einen pH-Sensor, der ein Wasserstoffpotential (pH) von Wasser in dem Elektrolysestapel misst und den gemessenen pH an die Steuerung sendet; einen ersten Schalter, der konfiguriert ist, eingeschaltet zu werden und einen zweiten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung auf aus gehalten zu werden, um so einen Strom aus einer ersten Stromquelle an den Elektrolysestapel während des Betriebs des Elektrolyesystems zu liefern; einen dritten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, um so einen Strom aus der zweiten Stromquelle an die Wasserzirkulationspumpe zu liefern; einen vierten Schalter, der zwischen dem Elektrolysestapel und der Wasserzirkulationspumpe angeordnet ist, um so während des Betriebs des Elektrolysesystems auf Aus gehalten zu werden; und einen Transistor, der zwischen dem zweiten Schalter und der Stromquelle angeordnet ist, wobei während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems der zweite Schalter gesteuert wird, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus der Stromquelle dem Elektrolysestapel zuzuführen ist, und der vierte Schalter gesteuert wird, durch die Steuerung eingeschaltet zu sein, wenn eine Restspannung des Elektrolysestapels als eine Hilfsstromquelle zum Antreiben der Wasserzirkulationspumpe zugeführt werden muss.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 13, wobei in einem Zustand, in welchem der vierte Schalter durch ein Steuersignal der Steuerung eingeschaltet wird und der dritte Schalten Aus gehalten wird, die Wasserzirkulationspumpe unter Verwendung der Restspannung des Elektrolysestapels als einer Hilfsstromquelle angetrieben wird, um so den Elektrolysestapel von der sauren Bedingung zur neutralen Bedingung umzuwandeln, und in einem Zustand, in welchem der zweite Schalter durch ein Steuersignal der Steuerung eingeschaltet wird, in einer frühen Stufe des Betriebsstopps des Elektrolysesystems die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf einen Spannungsbereich zwischen der Obergrenze (V₁) und der ersten Untergrenze (V₂) justiert wird, so dass eine Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und ein chemischer Zustand eines Anoden-Katalysators stabil mit der Spannungssteuerung des Transistors aufrechterhalten wird.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 13, wobei, wenn die Steuerung bestimmt, dass der pH von Wasser im Elektrolysestapel größer als oder gleich einem Referenz-pH-Wert (K₂) für einen Betriebsstopp des Elektrolysesystems ist, auf Basis des Messsignals des pH-Sensors, die Steuerung die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf eine zweite Untergrenze V₃ so justiert, dass keine Elektrolyse-Reaktion auftritt und ein chemischer Zustand eines Anoden-Katalysators stabil in einem Zustand gehalten wird, in welchem die Einheitszellspannung der pH von K₂ ist, um so der Wasserzirkulationspumpe zu gestatten, kontinuierlich unter Verwendung der Restspannung des Elektrolysestapels als einer Hilfsstromquelle angetrieben zu werden.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 15, wobei, nachdem die Einheitszellspannung justiert ist, auf die zweite Untergrenze (V₃) abzufallen, die Hilfsstromquellenfunktion der Wasserzirkulationspumpe durchgeführt wird, bis die Restspannung des Elektrolysestapels 0 V wird, um das Stoppen des Elektrolysesystems abzuschließen.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit umfasst: eine Steuerung, die mit dem Elektrolysestapel verbunden ist, so dass eine Einheitszellspannung des Elektrolysestapels gemessen werden kann; einen pH-Sensor, der ein Wasserstoffpotential (pH) von Wasser im Elektrolysestapel misst und den gemessenen pH an die Steuerung sendet; einen ersten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus einer ersten Stromquelle zum Elektrolysestapel während des Betriebs des Elektrolysesystems zuzuführen ist; einen zweiten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung zuerst eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus der ersten Stromquelle zum Elektrolysestapel während des Betriebs des Elektrolysesystems zugeführt werden muss, und dann durch die Steuerung im Prozess des Stoppens des Betriebs des Elektrolysesystems ausgeschaltet zu werden; einen dritten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus einer zweiten Stromquelle der Wasserzirkulationspumpe zugeführt werden muss; einen vierten Schalter, der konfiguriert ist, zuerst während des Betriebs des Elektrolysesystems ausgeschaltet zu werden und dann durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn intendiert ist, dass die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf 0 V fällt, für das stabile Stoppen des Elektrolysesystems; und einen variablen Widerstand, der auf einer Leitung angeordnet ist, über die ein Strom aus der ersten Stromquelle dem Elektrolysestapel geführt wird.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 17, wobei der erste Schalter Ein gehalten wird und der zweite Schalter und der vierte Schalter ausgeschaltet werden, durch ein Steuersignal der Steuerung während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems, und der dritte Schalter eingeschaltet wird, um die Wasserzirkulationspumpe anzutreiben, um den Elektrolysestapel von der sauren Bedingung zur neutralen Bedingung umzuwandeln, wodurch die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf einen Spannungsbereich zwischen der Obergrenze (V₁) und der ersten Untergrenze (V₂) so justiert wird, dass keine Elektrolyse-Reaktion auftritt und ein chemischer Zustand eines Anoden-Katalysators stabil in einem sauren Zustand gehalten wird, in welchem die Einheitszellspannung der pH von K₁ ist.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 17, wobei, wenn die Steuerung bestimmt, dass der pH von Wasser im Elektrolysestapel größer oder gleich einem Referenz-pH-Wert (K₂) für den Betriebsstopp des Elektrolysesystems ist, auf Basis eines Messsignals des pH-Sensors, die Steuerung die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf eine zweite Untergrenze (V₃) justiert, so dass eine Elektrolyse-Reaktion nicht auftritt und ein chemischer Zustand eines Anoden-Katalysators stabil in einem Zustand gehalten wird, in welchem die Einheitszellspannung der pH von K₂ ist, mit dem Betrieb der variablen Widerstands.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 19, wobei, wenn die Einheitszellspannung (V_a) des Elektrolysestapels auf die zweite Untergrenze (V₃) justiert wird, die Einheitszellspannung auf 0 V fällt und die Wasserzirkulationspumpe gesteuert durch die Steuerung gestoppt wird, um das Stoppen des Elektrolysesystems abzuschließen.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 20, wobei ein Widerstandswert des variablen Widerstands, wenn die Einheitszellspannung als V₁ bis V₂ → V₃ abfällt, gesteuert wird, größer zu sein als ein Widerstandswert des variablen Widerstands, wenn die Einheitszellspannung von V₃ auf 0 V fällt.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit umfasst: eine Steuerung, die mit dem Elektrolysestapel so verbunden ist, dass eine Einheitszellspannung des Elektrolysestapels gemessen werden kann; einen pH-Sensor, der ein Wasserstoffpotential (pH) von Wasser in dem Elektrolysestapel misst und den gemessenen pH an die Steuerung sendet; einen ersten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus der ersten Stromquelle zum Elektrolysestapel während des Betriebs des Elektrolysesystems zuzuführen ist; einen zweiten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus der ersten Stromquelle zum Elektrolysestapel während des Betriebs des Elektrolysesystems zuzuführen ist, und dann durch die Steuerung im Prozess des Stoppens des Betriebs des Elektrolysesystems ausgeschaltet zu werden; einen dritten Schalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn ein Strom aus der zweiten Stromquelle zur Wasserzirkulationspumpe geführt werden muss; einen vierten Schalter, der konfiguriert ist, zuerst während des Betriebs des Elektrolysesystems ausgeschaltet zu sein, und dann durch die Steuerung eingeschaltet zu werden, wenn die Einheitszellspannung in dem Elektrolysestapel auf 0 V für stabiles Speichern des Elektrolysesystems abzufallen hat; einen ersten Widerstand und einen zweiten Widerstand, die auf einer Leitung angeordnet sind, über welche ein Strom aus der ersten Stromquelle dem Elektrolysestapel zugeführt wird; einen ersten Widerstandsverbindungsschalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung so eingeschaltet zu werden, dass der erste Widerstand verwendet wird; und einen zweiten Widerstandsverbindungsschalter, der konfiguriert ist, durch die Steuerung so eingeschaltet zu werden, dass der zweite Widerstand verwendet wird.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 22, wobei der erste Schalter Ein gehalten wird und der zweite Schalter und der vierte Schalter ausgeschaltet werden durch ein Steuersignal der Steuerung während des Betriebsstopps des Elektrolysesystems, und der dritte Schalter eingeschaltet wird, um die Wasserzirkulationspumpe anzutreiben, um den Elektrolysestapel von der sauren Bedingung zur neutralen Bedingung umzuwandeln, wobei die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf einem Spannungsbereich zwischen der Obergrenze (V₁) und der ersten Untergrenze (V₂) so justiert wird, dass keine Elektrolyse-Reaktion auftritt und ein chemischer Zustand eines Anoden-Katalysators stabil in einem sauren Zustand gehalten wird, in welchem die Einheitszellspannung der pH von K₁ ist.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 22, wobei, wenn der pH von Wasser im Elektrolysestapel größer als oder gleich einem Referenz-pH-Wert (K₂) für den Betriebsstopp des Elektrolysesystems ist, der erste Widerstandsverbindungsschalter für den ersten Widerstand eingeschaltet wird, so dass die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf eine zweite Untergrenze (V₃) so justiert wird, dass keine Elektrolyse-Reaktion auftritt und ein chemischer Zustand eines Anoden-Katalysators stabil in einem Zustand gehalten wird, in welchem die Einheitszellspannung der pH von K₂ ist, mit dem Betrieb des ersten Widerstands.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 24, wobei, wenn die Einheitszellspannung des Elektrolysestapels auf die zweite Untergrenze (V₃) justiert wird, der zweite Widerstandsverbindungsschalter für den zweiten Widerstand eingeschaltet wird, so dass die Einheitszellspannung auf 0 V fällt, mit dem Betrieb des zweiten Widerstands für stabiles Stoppen des Elektrolysesystems, und die Wasserzirkulationspumpe unter der Steuerung der Steuerung gestoppt wird, um das Stoppen des Elektrolysesystems abzuschließen.
Wasserelektrolysesystem gemäß Anspruch 25, wobei der erste Widerstand, wenn die Einheitszellspannung als V₁ bis V₂ → V₃ abfällt, gesteuert wird, größer zu sein als der zweite Widerstand, wenn die Einheitszellspannung von V₃ auf 0 V abfällt.