本发明专利技术公开了一种不依赖电网、能够独立利用清洁能源，如风能、太阳能等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极和电解槽结构和控制方法，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极数，电压升高将通过串联一定数量的电极，以保持每个电极始终维持在2伏左右的基准电压；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极，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相同电极串联数的电解槽；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极、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。的。的。
【技术实现步骤摘要】
一种不依赖电网的离网式电解控制方法和结构
[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极板，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极数，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、多电极并联的方式，通过触点开关控制并联电极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，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(功率)变化，不同电压对应不同的功率输出(电流变化)。而该专利采用并联所有电极(电解小室)的方法，并通过电源功率的变化控制电极数并联接入或切出的设计，因各电极并联，每个电极只能承载2伏左右的电源，意味着电解槽也只能承载2 伏左右的直流电源，只有当电压波动范围很小(电极电压的允许范围内)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0.25-0.3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，而风能、太阳能的电压、电流波动范围都非常大，对于尺寸固定的并联电极电解槽，变化巨大的电压、电流将迅速击穿电解槽。而无论风能还是太阳能的电功率特性都是随着外界因素的变化，其电
压高、低之间的变化有数倍甚至于十倍数的变化，远远大于电极基准电压2伏的(0.6-1.1)倍的变化量，而电流大、小的变化有数十倍的变化量，更远大于基准电流所适应的波动范围。
技术实现思路
[0005]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极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。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]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 0.3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0.25-0.3安培/平方厘米之间，每平方厘米0.3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0.6-1.1倍)为依据，在本专利中，该电压称为电极的基准电压。
[0008]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极，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极数，以始终保持每个电极2伏左右的基准电压，反之，电压降低时切出一定数量的串联电极；而当电流增加，达到并超过电解槽最大基准电流时，将通过并联一个相同串联电极数的电解槽(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。
[0009]图1是由基本电极和不同串联电极组成的电解槽电极的布置结构示意图，电解槽中的电极由基本电极和串联电极组成，串联电极布置在基本电极的一侧或二侧。电解槽由若干电解室组成，每个电解室的基本构成和常规电解槽的电解室相同，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。
[0010]在图1中，双联开关(或单触点开关)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极。当电源刚接入时，电极电压还未升高到足够高，开关处在a1/b1位置，电源接在基本电极上，此时串联电极未被接入，当电压持续升高，每个电极的基准电压达到设定值后(比如直流2.2伏时)，开关通过控制器被自动接入a2/b2位置，新的串联电极被接入，每个电极的基准电压降会随之降低；同样，当控制器检测出基准电压低于一定值后(比如设定为1.6伏)，已被接入的串联电极将被切出若干组，以维持每个电极基准电压保持在一个较优的电压状态，比如1.6-2.2伏之间。新接入或切出的串联电极可以是几个一组串联接入或切出，也可一组一组地分别串联接入或切出。当功率持续增大，串联接入的电极已经不能消耗掉持续增大的输入功率时，电极的电流将达到或超过最大基准电流Imax(比如0.3安培或0.35安培)，则并联接入一个或若干个具有和基本电解槽相同串联电极数的电解槽，在本专利中称为并联电解槽；同样在
功率持续降低，电解槽中的电流减少到小于所设定的基准电流(比如0.2安培/cm2或0.1安培/cm2)时，并联的电解槽将被逐一自动切出。即电压升高或降低，先串联接入或切出电极数，电流增大或减小将通过接入或切出并联电解槽。当电极的负极为公共端时，负极可不设置开关始终为导通状态。以下将通过不同的实施例进行具体说明串联电极和并联电解槽是如何被接入或切出的。
具体实施方式
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种电极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，且电源的最小功率到最大功率的波动范围大于2。2.根据权利要求1所述的内容，其特征在于，电解所需的电源为波动的电源，且电源的最小切入电流到最大电流的波动范围大于3。3.根据权利要求1所述的内容，其特征在于，一个电解槽系统由一个基本电解槽和若干组可控的并联电解槽组成。4.根据权利要求3所述的内容，其特征在于，基本电解槽中设置若干组相互串联的基本电极和若干组可控的串联电极。5.根据权利要求3所述的内容，其特征在于，基本电解槽中基本电极数按波动电源的最低切入电压值设置基本电极数。6.根据权利要求3所述的内容，其特征在于，每个电极的基准电压设置为直流1-2伏之间。7.根据权利要求3所述的内容，其特征在于，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的比值...
【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：
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