多堆叠电化学压缩机系统及操作方法技术方案

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

Multi stack electrochemical compressor system and method of operation

A multi stack electrochemical hydrogen compressor (EHC) system is provided. The EHC system may have two or more EHC stacks, wherein each EHC stack includes at least one electrochemical cell and a power supply. The EHC system may also have a controller in communication with each EHC stack, wherein the controller is configured to reduce the total energy consumption of the EHC system by independently controlling the power of each EHC stack.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多堆叠电化学压缩机系统及操作方法本申请要求于2014年7月2日提交、申请号为62/020,030的美国临时申请的权益，该美国临时申请的全部内容通过引用并入。
本专利技术针对多堆叠电化学压缩机（EHC）系统及操作方法，更具体地，针对用于优化电功率消耗的多堆叠EHC系统及方法。
技术介绍
氢已作为传统能源的可行替代品出现。氢作为能量载体的成功商品化以及“氢经济”的长期可持续性很大程度依赖于氢燃料电池、氢电解池、氢生产、氢处理/管理系统（如压缩机）以及氢分布系统的效率和成本效益。气态氢是一种方便且有效的能量储存方法，通常是通过加压容积。有利地，在高压下储存氢产生高能量密度。电化学氢气压缩机（EHC）是用于加压氢气的安静、可扩展、模块化且有效的机构。EHC能够由膜电极组件（MEA）形成。MEA能够包括带负电的阳极、带正电的阴极以及分隔阳极和阴极的质子交换膜。当包含氢气的气体能够接触带负电的阳极时，电流能够穿过MEA，氢分子能够在阳极被氧化，且该反应能够生成两个电子和两个质子。这两个质子能够被电化学地驱动穿过膜、到达带正电的阴极，在此它们能够通过两个改道的电子再结合并被还原成氢分子。以这种方式操作的EHC有时指的是氢泵。当在带正电的阴极累积的氢被局限于密闭空间时，EHC对氢进行加压。EHC也可指的是EHC堆叠。EHC堆叠能够串联设置，以形成能够将氢压缩至更高压力的多级EHC堆叠。EHC堆叠也能够并联设置，以形成能够增大体积容量的多堆叠EHC系统。传统上，多堆叠EHC系统可包括两个或更多个EHC堆叠。对于多堆叠EHC系统，电源将功率传递至所有EHC堆叠，并且到系统的总电流是受控制的，以维持氢气生产量。此关系由以下所示的式1表示。式（1）因此，多堆叠EHC系统在单荷载上充当单个大堆叠，其对于所有的堆叠而言需要相同的电流。此关系能够由以下所示的关于电流的式2和关于功率的式3表示。式（2）式（3）此操作方法的其中一个缺点是，不良的堆叠（如出故障或劣化）然后被迫超过其安全范围操作，迅速加快退化，同时能量效率也变差。减少退化的可能性以及允许在不良的堆叠的安全界限内操作的一种方法是总系统降额。例如，如果性能不良的电池或堆叠发生，可减少总系统电流和功率，以防止不良的电池或堆叠故障。尽管此方法可减少不良的电池或堆叠故障的可能性，但这并不是最佳的，因为能量效率仍旧变差，并且减少总系统电流和功率会减少系统生产量。
技术实现思路
考虑到前面提及的情况，本专利技术提供用于操作多堆叠EHC系统的改进的系统以及方法。一方面，本专利技术针对多堆叠电化学氢气压缩机（EHC）系统。EHC系统可包括两个或更多个EHC堆叠，其中每个EHC堆叠包括至少一个电化学电池和电源。EHC系统也可包括控制器，该控制器与每个EHC堆叠的电源连通，其中控制器被构造成通过独立控制每个EHC堆叠的电源来减少EHC系统的总能耗。另一方面，本专利技术针对控制多堆叠电化学氢气压缩机（EHC）系统的方法，所述多堆叠电化学氢气压缩机（EHC）系统具有两个或更多个EHC堆叠。该方法可包括将包含氢气的气体流引导至两个或更多个EHC堆叠。该方法也可包括将功率从独立电源供应至两个或更多个EHC堆叠，以及独立控制被供应至每个EHC堆叠的功率。本专利技术额外的目的和优点将在以下说明中部分阐述，且将从说明中部分显而易见，或可从本专利技术的实践中被得知。本专利技术的目的和优点将通过在附加的权利要求中具体指出的要素和组合来实现和获得。应当理解，前述的一般说明和以下的详细说明都只是示例性和解释性的，并不是对请求保护的本专利技术的限制。附图说明附图并入说明书并且构成本说明书的一部分，示出了本专利技术的多个实施例，并连同说明书用于解释本专利技术的原理。图1示出根据示例性实施例的多堆叠电化学氢气压缩机（EHC）系统。图2示出根据示例性实施例的多堆叠EHC系统。图3是示出操作多堆叠EHC系统的示例性公开方法的流程图。图4是示出操作多堆叠EHC系统的示例性公开方法的流程图。图5是示出操作多堆叠EHC系统的示例性公开方法的流程图。具体实施方式现在将详细参考本专利技术的示例性实施例，且本专利技术的示例在附图中示出。在任何可能的情况下，相同的附图标记将在全部附图使用，以参照相同或相似的部分。本文参照用于具体应用（如加压氢气）的说明性实施例来描述本专利技术。应该理解到，本文描述的实施例并不仅限于此。那些具有本领域普通技术并获取在本文提供的教导的人员将认识到，额外的修改、应用、实施例以及等同替代全部落入本专利技术的范围。因此，本专利技术不受前述或以下说明所限制。图1是根据示例性实施例的多堆叠电化学氢气压缩机（EHC）系统100的示意图。EHC系统100能够包括一个或多个EHC堆叠120。例如，如图所示的EHC系统100包括两个EHC堆叠（即EHC堆叠121和EHC堆叠122）。在其他实施例中，EHC系统100可包括多于两个EHC堆叠。例如，EHC系统100可包括3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25个或更多个EHC堆叠。每个EHC堆叠（如121和122）能够包括一个或多个电化学电池。每个EHC堆叠能够包括仅仅单个电化学电池或多个电化学电池，所述多个电化学电池的范围从（例如）2到500个或更多个。在EHC系统100内形成每个EHC堆叠的电化学电池的数目对于所有EHC堆叠能够是相同的，或者能够在堆叠之间有所不同。例如，EHC堆叠121能够具有250个电化学电池，而EHC堆叠122能够具有300个电化学电池。每个EHC堆叠（如121和122）能够与电源电性连通。例如，如图1所示，EHC堆叠121能够与电源151电性连通，而EHC堆叠122能够与电源152电性连通。每个电源151/152可被构造成将功率（P）供应至其关联的EHC堆叠121/122。每个电源151/152可被构造以控制功率，该功率通过调节电流（I）或电势（即电压（V））而被供应。在某些实施例中，单个的电源可被构造成将功率供应至多个EHC堆叠（如121和122），以及可被构造成独立控制被供应至每个EHC堆叠的功率。由每个电源151/152供应的电流（I）可（例如）以堆叠的有效面积、电池的数目及过程条件为基础而变化。根据某些实施例，电流可在约0至400安培、0至600安培、0至800安培、0至1000安培或0至多于1000安培之间变化。由每个电源151/152供应的电压（V）也可（例如）以堆叠的有效面积、电池的数目及过程条件为基础而变化。根据某些实施例，电压可在约15至75伏特、15至100伏特、15至200伏特、15至300伏特、15至500伏特、15至1000伏特或15至多于1000伏特之间变化。如本领域普通技术人员所知，功率、电压和电流之间的关系可如以下所示的式子来表示。P=IV式（4）因此，变化的电流和/电压也可导致功率（P）变化。由每个电源151/152供应的及每个EHC堆叠消耗的功率（P）也可（例如）以堆叠的有效面积、电池的数目及过程条件为基础而变化。根据某些实施例，功率可在约3500至6000瓦特、0至7500瓦特、0至10000瓦特、0至25000瓦特、0至50000瓦特或0至多于50000瓦特之间变化。如本领域普通技术人员所知，功率（P）和电流（I）之间的关系在电阻（R）方面可如以下所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多堆叠电化学氢气压缩机（EHC）系统，包括：两个或更多个EHC堆叠，其中每个EHC堆叠包括：至少一个电化学电池；以及电源；控制器，该控制器与每个EHC堆叠的电源连通；其中控制器被构造成通过独立控制每个EHC堆叠的电源来减少EHC系统的总能耗。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.02 US 62/020,0301.一种多堆叠电化学氢气压缩机（EHC）系统，包括：两个或更多个EHC堆叠，其中每个EHC堆叠包括：至少一个电化学电池；以及电源；控制器，该控制器与每个EHC堆叠的电源连通；其中控制器被构造成通过独立控制每个EHC堆叠的电源来减少EHC系统的总能耗。2.如权利要求1的EHC系统，其中控制每个EHC堆叠的电源包括使每个堆叠的功率相配，同时以期望的氢气生产量为基础维持流至系统的总电流。3.如权利要求2的EHC系统，其中控制每个EHC堆叠的电源包括使每个堆叠生成的热量大体上相配。4.如权利要求1的EHC系统，其中控制每个EHC堆叠的电源包括，通过使施加至每个EHC堆叠的电势大体上相配，同时优化施加至每个EHC堆叠的电流分布，来减少系统消耗的总功率。5.如权利要求4的EHC系统，其中性能最佳的EHC堆叠被构造成最高温度堆叠，性能最差的EHC堆叠被构造成最低温度堆叠。6.如权利要求1的EHC系统，其中控制器进一步被构造成通过控制功率使得每个堆叠的热负荷大体上相等，来提高堆叠的耐久性。7.如权利要求1的EHC系统，进一步包括：水分布回路，该水分布回路被构造成使水循环通过每个EHC堆叠；冷却剂分布回路，该冷却剂分布回路被构造成使冷却剂循环通过每个EHC堆叠；以及两个或更多个传感器，其中至少一个传感器配置在冷却剂分布回路中、位于每个堆叠的出口，并被构造以产生表明位于堆叠的出口的冷却剂温度的信号；至少一个传感器配置在冷却剂分布回路中，被构造以产生表明位于每个堆叠的入口的冷却剂温度的信号；其中EHC系统被构造，使得以流过每个堆叠的冷却剂的温差为基础确定流过每个堆叠的水流分布。8.如权利要求1的EHC系统，进一步...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯文·贝弗里奇，斯科特·布兰切特，
申请(专利权)人：努威拉燃料电池有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US