一种离网式电解控制结构和方式制造技术

本发明专利技术公开了一种离网型、能够独立利用功率波动幅度非常大的清洁能源，独立作为电解电源的一种电解室和电解槽结构以及控制方法，该电解槽可用于水制氢、制氧等。通过风能或太阳能等波动电源的最低切入电压值设置基本电解室数，电压升高将通过串联一定数量的电解室，以保持每个电解室始终维持在2伏左右的基准电压，根据波动电源最高电压设置总电解室数；依据风能或太阳能等波动电源的最低切入电压值所对应的最小切入电流和基准电流的比值设置电解槽(电极)的有效尺寸，当波动电源的电压、电流在一定范围内增加，将在基本电解槽中接入若干串联电解室，当波动电源电压、电流持续升高并超过基本电解槽可承载范围时，则自动并联接入一个和基本电解槽具有相同电解室串联数的电解槽；反之，当波动电源的电压、电流持续下降，则自动切出一定数量的串联电解室、甚至切出并联电解槽，达到使用不仅功率波动非常大、而且电流波动非常大的电源进行电解的目的。而且电流波动非常大的电源进行电解的目的。而且电流波动非常大的电源进行电解的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种离网式电解控制结构和方式


[0001]本专利技术涉及电化学方法的电解技术。

技术介绍

[0002]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。
[0003]现有制氢方法除了化石燃料重整、分解、光解等方法以外，还有水电解制氢，迄今为止，水电解制氢只占全世界4％～5％氢气的生产量，95％以上的氢气是通过化石燃料重整来获得，生产过程必然排出CO2，而独立利用清洁能源的水电解技术，可实现CO2的零排放。水电解制氢是在稳定直流电的作用下，通过电化学过程将水分子解离为氢气与氧气，分别在阴、阳两极析出。根据隔膜不同，可分为碱水电解、质子交换膜水电解、固体氧化物水电解。但由于水电解制氢需要消耗大量且功率(电压、电流)稳定的电能，因此一直以来都使用电网电源作为制氢的能量来源。采用固定电源水制氢技术，电解槽中平行、直立地设置若干组电解室板，将电解槽分割为若干个电解室串联相接，根据电源的直流电压值设置串联电解室数，再根据电源的功率设置电解槽尺寸，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。虽然近年来也先后有采用可再生能源(比如风能、太阳能)用于制氢、制氧，但由于水电解制氢、制氧对电源的稳定性要求非常高，而风能、太阳能的能量却都具有大幅波动的特性，而且不仅功率波动，电压波动范围也非常大，可利用电能(切入功率)的最低、最高电压有数倍甚至于数十倍的变化量，因此现有采用风能、太阳能电解水制氢的方法、技术，任然需要依赖电网为主电源，而风能或太阳能发电仅作为辅助电源，即使在风资源较好的地区，比如年发电达到1500小时数的地区，风能的可利用率只有17.1％，而太阳的年可利用小时数也大约只有1500小时左右，和风能基本相当，因此绝大部分名义上采用新能源制氢、制氧方案依然依赖电网为主电源，限制了采用清洁能源制氢的途径。
[0004]而专申请利号为201720255416.7电解装置的技术专利，采用单电解槽、多电解室并联的方式，通过触点开关控制并联电解室的接入数量来解决电解槽的电源波动。但该设计未理解风能、太阳能等新能源的功率特性。风能和太阳能功率发生变化的首要原因首先是电压发生变化，当风速或阳光变化时首先伴随着电压的快速变化，电压(或功率)变化的同时电流根据电压(或功率)的变化呈现有规律的大幅度变化，功率的变化量有数十倍之大，在风能和太阳能行业的功率跟踪特性就是以电压变化为基础的电流变化，不同电压对应不同的电流变化。而该专利采用并联所有电解室的方法，并通过电源功率的变化控制电解室数并联接入或切出的设计，只有当电压波动范围很小时才可采用，而且当电解槽尺寸固定，电解槽适应电流变化的范围也非常小，如每平方厘米从0.25
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0.35安培，并不适用于风能、太阳能等电源功率波动非常大的新能源，对于尺寸固定的并联电解室电解槽，变化巨大的电压、电流将迅速击穿电解槽。
[0005]而2018201202269的技术专利在说明书中，在具体实施方法第一段描述，“所述9为电解槽”用于......，电解槽9内发生电化学反应，最后一段，“所述电解槽9由多个极
板串联构成，相邻极板构成电解小室，.......所述第一端极板1，设置于电解槽9的一端，且连接电源负极；第二端极板4，与所述第一端极板1对应的设置于所述电解槽9的另一端，.....即在本具体实施方式的电解槽9中共有N+2个极板”，结合说明书摘要图中可以理解，电解槽9 由多个电解室组成，而且从图中可以看出，开关8是选择开关，因此只能通过控制器从电解槽9中选择不同电解室组合，最大接入是将全部电解室全部接入，实际上电压变化范围是连续的，而不是阶梯状的，控制精度不高，因此只部分解决了电源波动中电压波动对电解槽的影响，而没有解决电压变化时所引起电流的巨大变化，依然不能有效解决风能太阳能功率变化量有数倍、数十倍的问题，且该专利中采用电源正极作为控制端，电源正极作为控制端将使得相邻极板带正电荷，在控制不同电解室的过程中，使不能带电荷的相邻阴极板带正电荷，影响控制精度和安全性。
[0006]而专利CN2017202554190在电解控制方面和专利2018201202269相同，在此不做累述。

技术实现思路

[0007]鉴于上述各项问题，本专利技术的目的是一种真正意义上可以不依赖电网，采用风能、太阳能或其它能量波动幅度非常大的清洁能源作为电源，用于电化学方法进行电解的电解室和电解槽控制方法和结构，其中电解槽的工艺和传统电解槽相似。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]已知技术条件，一般现有电解槽的常规设计是电解槽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，在该电流范围内，经济性等各项性能最佳，该电流在本专利中称为基准电流，即较佳的基准电流(Ib)在0.25
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0.35安培/平方厘米之间，每平方厘米0.35安培在本专利中称为最大基准电流，每个电级为2伏的直流电压(允许变化范围为2伏的0.6
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1.1倍) 为依据，在本专利中，该电压称为电解室的基准电压。
[0010]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，对应的电流则称为切入电流(Ii)。本专利的核心是先通过风能或太阳能最低的切入电压值设置一定数量的基本串联电解室，再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解槽的尺寸。当风能或太阳能的功率增加时，首先电源的电压V升高，电源的电流I也按规律的增大。电压升高将通过再串联接入一定数量的电解室，以始终保持每个电解室在2伏左右的基准电压范围内，反之，电压降低时切出一定数量的串联电解室；而当电流增加，达到并超过电解槽最大基准电流时，将通过并联一个具有相同串联电解室数的电解槽(称为并联电解槽)，达到采用不仅功率波动非常大，而且电压、电流波动都非常大的新能源水电解(制氢、制氧)的目的。
[0011]图一是由基本电解室和不同串联电解室组成电解槽的结构示意图，电解槽中的电解室由基本电解室和串联电解室组成，根据波动电源的最大波动电压值设置电解室数，串联电解室布置在基本电解室的一侧或二侧。每个电解室的基本构成和常规电解室相同，分别有正、负极的电极组成，电极中间可采用不同类型的隔膜，风能或太阳能的直流输出功率作为电解槽的总电源，但也可同时连接电网。电源的正极接第一个基本电解室的阳极，电源的负极作为可控触点接最后一个基本电解室的阴极。
[0012]在图一中，开关(或触点开关)受PLC或其它控制芯片组成的控制器控制，控制器根据电源电压的变化规律，分别接入或切出一定数量的串联电解室。当电源刚接入时，电解室电压还未升高到足够高，阴极触点接通若干基本电解室，电源接在基本电解室上，此时基本电解室处于工作状态，串联电解室未被接入，当电压持续升高，每个基本电解室的基准电压超过设定值后(比如直流2.2伏)时，触点通过控制器被自动接入第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电解室和电解槽的控制方式和结构，其特征在于，电解所需的电源为功率波动的电源，且电源的最小切入电流到最大电流的波动范围大于3，或电源的最小功率到最大功率的波动范围大于4。2.根据权利要求1所述的内容，其特征在于，一个电解系统由一个基本电解槽和若干组可控的并联电解槽组成。基本电解槽由若干组相互串联的基本电解室和可控的串联电解室组成，基本电解槽可以只设置一个或多个相互串联的电解槽组成，如基本电解槽由1个以上的相互串联的电解槽组成，则第二个串联的电解槽中，电解室全部串联连接；并联电解槽和基本电解槽中电解室的总数量相同且都为串联电解室，根据波动电源功率的波动范围，可并联接入或切出一个或数个并联电解槽，并联电解槽的个数是从0
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20的自然数。3.根据权利要求2所述的内容，其特征在于，基本电解槽中基本电解室总数按波动电源的最低切入电压值设置基本电解室数，按波动电源电压的最大值设置电解室总数。4.根据权利要求2所述的内容，其特征在于，基本电解槽中各电解室中的电级尺寸相同；并联电解槽中各电极的尺寸...

【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：