一种离网式电解槽结构和电极控制方法技术

本发明专利技术涉及一种离网式电解槽结构和电极控制方法，分别在阳极区设置若干阳极电极、在阴极区设置若干阴极电极，并用隔膜隔离，阳极和阴极分别按规律相互串联组成主电极组，根据波动电源最高电压设置总电极对数，以最低切入电压设置若干组已相互串联的电极作为基本电极组，电源正极接第一个阳极，电源负极作为控制端接阴极。当电源功率波动时，通过电压变化控制电极对数的接入/切出，通过电流变化控制并联电极组的切入/切出，达到使用低成本的电解装置用于功率波动非常大的可再生能源直接进行电解的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种离网式电解槽结构和电极控制方法
本专利技术涉及电化学方法的电解技术。
技术介绍
氢气、氧气都是一种重要的工业原料，同时氢气也具有高燃值的特性，是一种完全清洁的能源，氢能的用途也越来越广泛而受到人类的喜爱。现有电解制氢工业中，电解槽中平行、直立地设置若干组电极，每组电极分别设置为阳极和阴极，阳极接电源正极，阴极接电源负极，阴阳极板中间用隔膜隔离，从而组成一个电解室，各电解室相互串联组成一个电解槽，电解槽根据电源的直流电压值设置串联电解室数，根据电源的总功率(电流值)设置电解槽(电极板)尺寸。在上述电解槽中，每个电解室的基准电源电压为2伏的直流电压(允许变化范围为2伏的0.6-1.1倍)，电极的尺寸按每平方厘米需要0.25安培到0.35安培的电流为依据，电解槽总电压为各电解室电压之和，总电流和各电解室相同，因此电解槽需较为稳定的电源为基础，在电解制氢过程中，阳极产生氧气，阴极产生氢气。在上述电解槽结构中，每个电解室都需要一个隔膜，不同类型的电解方式需要不同类型的隔膜，无论采用哪种隔膜都增加了电解槽的成本，尤其采用质子膜的PEM电解槽。虽然本人也申请了不依赖电网的离网式电解控制结构和方式的电解制氢专利技术专利，可以使用离网风能/太阳能等可再生能源作为制氢的电源，降低了制氢的电力成本，但在电解槽结构上和传统电解方式的电解槽结构相同，每个电解室也都需要一个隔膜，因此电解槽的成本无法降低，而制氢成本除了电力成本外，还涉及到制氢设备成本。本专利技术的目的就是，既要能使用本人专利技术的离网制氢方式使用风能/太阳能等清洁能源制绿氢、降低制氢过程中的电力成本外，还要在此基础上降低制氢设备成本，进一步降低制绿氢的成本，便于绿氢的普及。
技术实现思路
鉴于上述电解槽成本和制氢需要稳定电源的问题，本专利技术是一种对电解槽中阴级和阳极分别集中管理的一种电解槽结构和电极控制方法，并利用电控制设备对其中的电极进行控制。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：在一个密闭的电解槽1中设置为二个区域，二个区域之间用隔膜2分割，分别产生阳极区和阴极区，根据电解槽的特性可以采用不同类型的隔膜。在电解槽的二个区域中分别设置若干组阳极极板3和阴极极板3’，每个阳极极板分别对应一个阴极极板，阳极极板和阴极极板按规律以串联方式相连，相互串联的极板尺寸完全相同，并组成主电极组33；每个极板通过接线排在电解槽的底部或侧面独立引出接线排，各接线排之间相互绝缘，第一个阳极接电源正极，阴极作为可控触点通过控制器11接通不同阴极的极板，由控制器控制阴极电极的切入或切出，从而根据电源的波动情况产生不同的制氢量。控制器的目的是根据电源的状态或用户需求控制电极极板对电源的切入或切出。在电解槽二个区域的顶部分别设置相互独立的气槽4和出气口5，产生的不同气体分别通过出气口输出到气罐。如图1是该电解槽和电极排列、控制的结构示意图，也作为摘要附图。为了说明阴极和阳极极板在二个区域是如何连接的，下面用图2来说明阳极区的阳极极板和阴极区的阴极极板的连接方式，为了便于说明方便，阳极区和阴极区各用7个极板组成一个电解槽。在图2中，阳极区的第一个阳极极板接电源的正极；阴极区的最后一个极板接电源的负极，从而组成一个类似7个“小电解室”组成的电解槽，当触点接到7-时，相当于所有电极全部接入，当触点接到6-时，相当于第7组电极对(小电解室7)被切出，只有(1-6)接通，而电解室7的阳极不带电，这是为什么要用负极作为可控触点的原因。在风能、太阳能等可再生能源领域，电功率是随外界的因素变化忽大忽小，通常称最小可利用功率时的电压称为切入电压，切入电压对应的电流则称为切入电流(Ii)。为了应对外界因素的变化造成的电源波动影响，根据波动电源的最高电压值设置主电极数，在阳极区和阴极区根据风能或太阳能最低的切入电压值设置一定数量的已串联的电极组成基本电极组，依据最高电压值设置的主电极组(33)由基本电极组和可控的串联电极组组成；依据风能或太阳能最低切入电压值所对应的最小切入电流值和基准电流值的比值设置电极的尺寸。当风能或太阳能的功率增加时，电源的电压升高，电源的电流也按规律的增大，电压升高将通过在串联电极组中接入一定数量的电极数，以保持每对阴极板和阳极板间的电压维持在较佳的范围内；反之，电压降低时在主电极组中切出一定数量的电极数；而当电流增加，达到并超过已接入的主电极的最大基准电流时，将在电解槽中以并联方式切入一个和主电极组具有相同电极数的并联电极组66、或77、或88等，最多可并联4组并联电极组，并联电极组中的电极由串联电极组成。由于在并联电极组时的电流比波动电源刚切入时的电流要大，并联电极极板的面积可以比主电极极板的尺寸大(以适当降低成本)，从而在一个电解槽中形成二个或二个以上相互并联电极组组成的电解槽，达到不仅采用功率波动非常大，而且电压、电流波动都非常大的新能源电解(制氢、制氧)目的，而且大幅降低制氢设备成本。附图说明图1是电解槽和电极排列、控制的结构示意图，也是摘要示意图。图2是电极相互连接组成串联电极的示意图图3是主电极组和并联电极组位置关系示意图（主电极组和并联电极组在电解槽中的相互关系）图4是主电极组中串联电极的切入、切出，和并联电极组切入、切出控制方式示意图（主电极组和并联电极组(66、77、..)接线和控制示意图）具体实施方式由于新能源的不稳定性特点，而且发电规模可根据需求组合，下面将结合具体实施例，对本专利技术的具体实施方式做进一步详细的说明，具体说明基本电极组中电极数量的设置，电极尺寸的设置，以及阴极的切入、切出方法。但不应以此限制本专利技术的保护范围，应当理解，本领域技术人员可以在不背离权利要求书限定范围的前提下，根据本专利的方法对这些实施例中主电极组的电极数、电极组数重新进行合理的细分变化和组合，尤其是重新设定新的基准电流、基准电压值，或重新设定最低切入电压、切入电流，或重新设定最小切入电流和基准电流的比值，从而获得新的具体实施方法，这些通过改变基准电流、基准电压、最低切入电压和最低切入电流、最低切入电流和基准电流比值设置，电极数或电极组数的变化、组合所获得的新的具体实施方式，也都包括在本专利技术的保护范围之内。实施例1，是单发电机采用0.25安培作为基准电流方案选取一台额定功率100千瓦的风力发电机，发电机为三相永磁同步发电机，发电机额定电压110伏，额定风速12米/秒，发电机输出通过整流后并联到直流母排上作为电解的电源。下表一为某款风力发电机在不同风速下的功率输出特性：实施例一设定电极的基准电流为0.25安培/平方厘米，最大基准电流为0.3安培/平方厘米。接上表电极切入、切出的具体步骤如下：根据表一，风机最大输出直流电压146伏，设置主电极74对；当风速4米/秒时，100千瓦永磁发电机功率3706瓦，整流后的直流电压48.8伏，直流电流75.9安培，当每对电极的基准电压设定在2伏左右时，48.8伏可设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电解槽结构和电极的控制方式，其特征在于，电解所需的电源为功率波动的电源，且电源波动的可用最小功率到最大功率的波动范围大于2。/n

【技术特征摘要】
1.一种电解槽结构和电极的控制方式，其特征在于，电解所需的电源为功率波动的电源，且电源波动的可用最小功率到最大功率的波动范围大于2。


2.一种电解槽结构和电极的控制方式，其特征在于，在密闭的电解槽内部用隔膜分割为阳极区域和阴极区域，若干数量相同的阳极电极和阴极电极被分别设置在阳极和阴极区域内，并在电解槽顶部分别设置各自的导引槽和出气孔；每对电极极板在电解槽的底部或一侧引出接线桩。在电解槽的阳极区域和阴极区域中分别设置若干组已相互串联连接的基本电极组，和若干组可控的串联电极组，基本电极组和可控的串联电极组相互串联组成主电极组，并通过控制器在串联电极组中切入或切出不同数量的电极。


3.根据权利要求2所述的内容，其特征在于，电解槽中已相互串联连接的基本电极对数按波动电源的最低切入电压值设置，按波动电源电压的最大值设置电极总对数。


4.根据权利要求2所述的内容，其特征在于，电解槽各电极组中，相互串联连接的电级尺寸相同，并按照波动电源的最低切入电压所对应的切入电流(最低切入电流Ii)和设定的基准电流Ib...

【专利技术属性】
技术研发人员：严强，
申请(专利权)人：严强，
类型：发明
国别省市：上海;31