用于估计电解器的电特性的系统和方法技术方案

一种用于估计电解器(103)的电特性的装置，包括数据处理系统(102)，该数据处理系统(102)用于基于电解器的关机期间的电解器的差电压、电流(I)和双层电容电压的初始值和衰减时间常数，估计电解器的例如膜电阻的电值。差电压是电解器的电压(U)与电解器的总可逆电压之间的差。双层电容电压的初始值和衰减时间常数是基于电流为零而且因此差电压等于双层电容电压时的差电压的值来估计的。即使电解器的电流的逐步中断是不可能的，电值也能够被估计。计。计。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于估计电解器的电特性的系统和方法


[0001]本公开涉及用于估计电解器的电特性的装置和方法。此外，本公开涉及用于估计电解器的电特性的计算机程序。此外，本公开涉及电解系统。

技术介绍

[0002]材料与电极相互作用的电化学过程能够例如是电解过程，诸如，例如水电解，其中电能转化为由氢气携带的化学能，并且产生氧气作为副产物。直流电流在两个电极之间通过，在阴极(即负电极)产生氢气，并且在阳极(即正电极)产生氧气。法拉第电解定律表明，氢气的产生与电极上转移的电荷直接成正比。因此，直流电流的平均值决定了氢气的产生率。
[0003]在许多情况下，需要估计电解器的电特性。电特性可以包括例如欧姆电阻，即电解器的电解电池的膜电阻、电荷转移电阻和双层电容。例如，电解电池中的可逆降解与上述膜电阻的增加有关，这使得在线估计膜电阻特别有吸引力。更多信息能够在例如I.Dedigama,P.Angeli,K.Ayers,J.Robinson,P.Shearing,D.Tsaoulidis and D.Brett:In situ diagnostic techniques for characterisation of polymer electrolyte membrane water electrolysers flow visualisation and electrochemical impedance spectroscopy,Int.J.Hydrogen Energy 39,9,2014,pp.4468
‑
4482的出版物中找到。估计的电解器的电特性能够被用于控制电解器的操作以提高效率和/或延长电解器的使用寿命。
[0004]有许多已知的用于估计电解器电特性的方法，例如：极化曲线识别、电化学阻抗谱“EIS”、电流映射“CM”和电流中断“CI”。极化曲线识别给出了电解电池或电池堆的电流
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电压的行为，并且它能够被用于评估电解器的整体性能。极化曲线数据的收集需要在整个操作条件范围(即在不同的电流密度下)测试稳态操作，并且因此与工业电解器结合地执行可能是费时且麻烦的。
[0005]在电化学阻抗谱“EIS”中，向电解电池供应叠加了交流电流分量的直流电流。该方法可以给出关于电解电池性能的详细的小信号水平信息，但是要求能够向直流电流加入合适的交流分量，并且要求能够在高采样频率的高精度下测量电流和电压。因此，与利用电化学阻抗谱的单电池识别相比，电化学阻抗谱在工业、兆瓦级电解器中的应用面临显著挑战。
[0006]在电流映射“CM”方法中，分析了局部电流密度分布。一些电流映射方法需要对电解电池结构进行物理修改，以能够测量电解电池区域之中的电流分布。K.
‑
H.Hauer,R.Potthast,T.W
ü
ster:Magnetotomography
‑
a new method for analysis formance and quality,J.Power Sources 143,1,2005,pp.67
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74已经提出了一种已知的非侵入性电流映射方法。该非侵入性电流映射方法基于由电解电池中的电流引起的磁通量的三维测量。该非侵入性电流映射方法需要额外的设备，并且它的精度可能不足以用于工业电解器。
[0007]电流中断“CI”方法包括两部分：1)自然电压响应，其中电解器的稳态操作被突然停止并且电压响应被记录，以及2)电流切换技术。在第一部分中，膜电阻被估计，并且然后
在第二部分中，电荷转移电阻和双层电容被识别。在一些情况下，还识别了在高电流密度下起作用的瓦尔堡阻抗(Warburg impedance)。更多信息能够在例如J.van der Merwe,K.Uren,G.van Schoor,D.Bessarabov:Characterisation tools development for PEM electrolysers,Int.J.Hydrogen Energy 39,26,2014pp.14212
‑
14221的出版物中找到。特别地在工业、兆瓦级电解器中，电流下降率受到整流器安全转换率的限制以及受到由整流器输出滤波器的电感引起的di/dt限制的限制。由于逐步的电流中断是不可能与工业电解器结合的，电特性无法利用传统的电流中断“Cl”方法估计。

技术实现思路

[0008]下面提出了简化的总结以便于提供对各种实施例的一些方面的基本理解。该总结不是本专利技术的广泛概述。它既不旨在识别本专利技术的主要或关键元素，也不旨在划定本专利技术的范围。以下总结仅以简化形式呈现一些概念，作为对示例性和非限制性实施例的更详细描述的序言。
[0009]根据本专利技术，提供了用于估计电解器的电特性的新装置。根据本专利技术的装置包括电流和电压传感器，其用于测量施加在电解器上的电压和电解器的电流。此外，该装置包括数据处理系统，该数据处理系统用于：
[0010]‑
存储数据，该数据指示在电解器的关机的开始时占主导地位的差电压的值u0以及在关机的开始时占主导地位的电解器的电流值I0，该差电压是施加在电解器上的电压与电解器的总可逆电压之间的差，
[0011]‑
响应于电流已达到零的情况，基于在电流为零并且因此差电压等于电解器的双层电容电压时的差电压的两个或更多个值，计算双层电容电压的指数衰减的时间常数的估计τ和在关机开始时占主导地位的双层电容电压的估计u
0C
，以及
[0012]‑
计算以下至少一个：i)电解器的膜电阻R
m
的估计R
m
＝(u0–
u
0C
)/I0，ii)电解器的电荷转移电阻R
ct
的估计R
ct
＝u
0C
/I0，和iii)电解器的双层电容C
dl
的估计C
dl
＝τI0/u
0C
。
[0013]即使电解器的电流的逐步中断是不可能，也能够估计膜电阻R
m
和/或电荷转移电阻R
ct
和/或双层电容C
dl
。逐步电流中断是困难的或者甚至是不可能的，尤其是与工业电解器结合时，其中电流的下降率受到整流器的安全转换率的限制以及受到整流器输出滤波器电感的di/dt限制的限制。
[0014]根据本专利技术，还提供了新的电解系统，该电解系统包括：
[0015]‑
电解器，
[0016]‑
整流器电路，该整流器电路用于接收一个或多个交流电压并用于向电解器的电极供应直流电流，
[0017]‑
控制器，该控制器用于控制供应给电解器的电极的直流电流，以及
[0018]‑
根据本专利技术的用于估计电解器的电特性的装置。
[0019]电解器能够例如是但不必须是碱性水电解器，其中电极在碱性液体电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于估计电解器的电特性的装置，所述装置包括电流和电压传感器(101)，所述电流和电压传感器(101)用于测量被施加在所述电解器上的电压(U)以及所述电解器的电流(I)，所述装置的特征在于，所述装置包括数据处理系统(102)，所述数据处理系统(102)用于：
‑
存储数据，所述数据指示在所述电解器的关机的开始时占主导地位的差电压的值u0以及在所述关机的所述开始时占主导地位的所述电解器的所述电流的值I0，所述差电压是在被施加在所述电解器上的所述电压与所述电解器的总可逆电压之间的差，
‑
响应于所述电流已达到零的情况，基于在电流为零并且所述差电压等于所述电解器的双层电容电压时的所述差电压的两个或更多个值，计算所述双层电容电压的指数衰减的时间常数的估计τ和在所述关机的所述开始时占主导地位的所述双层电容电压的估计u
0C
，以及
‑
计算以下各项中的至少一个：i)所述电解器的膜电阻R
m
的估计，作为R
m
＝(u0–
u
0C
)/I0，ii)所述电解器的电荷转移电阻R
ct
的估计，作为R
ct
＝u
0C
/I0，以及iii)所述电解器的双层电容C
dl
的估计，作为C
dl
＝τI0/u
0C
。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述数据处理系统被配置为：计算在所述电解器的连续关机时所述电解器的所述膜电阻R
m
的所述估计，并且检测所计算的所述估计的增加。3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述数据处理系统被配置为：响应于所述膜电阻的所计算的所述估计的被检测到的增加，而激活从所述电解器的电解电池的可逆退化中恢复的过程。4.根据权利要求3所述的装置，其中，过程包括所述电解器的连续关机和启动。5.一种电解系统，包括：
‑
电解器(103)，
‑
整流器电路(104)，所述整流器电路(104)用于接收一个或多个交流电压并且用于向所述电解器的电极供应直流电流，
‑
控制器(105)，所述控制器(105)用于控制被供应给所述电解器的所述电极的所述直流电流，以及
‑
根据权利要求1至4中的任一项所述的用于估计所述电解器的电特性的装置。6.根据权利要求5所述的电解系统，其中，所述整流器电路包括强制换向转换器桥(106)和在所述强制换向转换器桥的交流电压侧的供应电感器(107)。7.根据权利要求6所述的电解系统，其中，所述整流器电路包括至少一个另外的强制换向转换器桥(108、109)，使得被供应给所述电解器的所述电极的所述直流电流是所述整流器电路的所述强制换向转换器桥(106、108、109)的直流电流的总和。8.根据权利要求5至7中的任一项所述的电解系统，其中，电解器(103)被配置为将水分解成氢气和氧气。
9.一种用于估计电解器的电特性的方法，其特征在于所述方法包括：
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存储(201)数据，所述数据指示在所述电解器的关机的开始时占主...

【专利技术属性】
技术研发人员：约纳斯，
申请(专利权)人：拉普兰塔拉登理工大学，
类型：发明
国别省市：