Bahnbrechendes Elektrolyseur-Design für variable erneuerbare Energien

Als Pionier auf dem Gebiet der Wasserstoffenergie arbeitet VERDE HYDROGEN seit Jahrzehnten an Wasserstoff-Elektrolyseuren und hat Elektrolyseure unterschiedlicher Größe entwickelt, darunter 1200 Nm3/H-Einzelstapel-Elektrolyseure. Das Patent des Unternehmens (US-Patent Nr. 8.936.704) könnte ein bahnbrechendes Design eines Elektrolyseurs für erneuerbare Energien ohne Transformator und Gleichrichter ermöglichen.

Abstrakt

Systeme und Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser aus einer flüchtigen Stromquelle können die Anpassung der Betriebskapazität eines Elektrolysestapels basierend auf Messungen der Stromabgabe der Stromquelle erleichtern. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Kapazitätsanpassung dadurch erreicht, dass weniger oder mehr Zellen des Elektrolysestapels in einen geschlossenen Stromkreis integriert werden, der die eingebauten Zellen in Reihe mit der Stromquelle umfasst.

Wasserstoff gilt seit langem als saubere alternative Kraftstoffquelle zu fossilen Energiequellen. Wasserstoff ist umweltfreundlich, transportierbar, speicherbar, effizienter als Benzin und kann sowohl für stationäre als auch mobile Anwendungen direkt in Wärme und Strom umgewandelt werden.

Bitte aktivieren Sie JavaScript

Es wurden viele Versuche unternommen, die Effizienz zu verbessern und die Kosten der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse zu senken. Bisherige Ansätze, die sich mit der Volatilität von Eingangsstromquellen befassen, lassen sich im Allgemeinen in zwei Kategorien einteilen:

Beide Ansätze führen langfristig häufig zu erhöhten Kosten und einer höheren Komplexität des Wasserstofferzeugungssystems, Effizienzverlusten und/oder Wartungsproblemen.

Die vorliegende Anmeldung offenbart einen neuen Ansatz zur Steuerung eines Wasserstofferzeugungssystems, das durch den instabilen Stromstrom angetrieben wird, der aus Wind, Sonne oder anderen flüchtigen Quellen für die Wasserstoffproduktion erzeugt wird. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Wasserstofferzeugungssystem einen automatisch gesteuerten Elektrolysestapel mit einer Steuerfunktion, die bestimmt, wie hoch die Betriebskapazität des Elektrolysestapels zu einem bestimmten Zeitpunkt sein sollte, um die momentane Eingangsleistung effizient zu nutzen. Das Wasserstofferzeugungssystem kann zusätzlich zum Elektrolysestapel eine Leiterbahn, eine bewegliche elektrische Kontaktbrücke und einen zugehörigen Treiber, ein Messgerät und eine Steuerung umfassen. Der Elektrolysestapel kann mehrere Elektrolysezellen umfassen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, um einen elektrisch leitenden Pfad durch sie zu bilden. Die Betriebskapazität des Stapels kann durch Anpassen der Anzahl der Elektrolysezellen innerhalb des Pfades, die an die Stromquelle angeschlossen sind, geändert werden. Genauer gesagt kann die Steuerung auf der Grundlage der Eingabe der Messung der aktuellen Elektrizität und/oder anderer Betriebsparameter des Systems (z. B. in Verbindung mit dem voreingestellten Betriebsstrombedarf eines Elektrolysestapels) die gewünschte Kapazität der Betriebselektrolyse bestimmen Stapel (also die gewünschte Anzahl an Elektrolysezellen) und senden ein entsprechendes Steuersignal an den Treiber. Der Fahrer kann dann basierend auf dem Signal von der Steuerung die Position der beweglichen Kontaktbrücke auf der Leiterbahn steuern. Durch Anhalten an verschiedenen Positionen gemäß den von der Steuerung empfangenen Befehlen kann die Kontaktbrücke die Stromschleife des Elektrolysestapels auf die gewünschte Betriebskapazität begrenzen.

Somit stellen verschiedene hier offenbarte Ausführungsformen ein effizientes Verfahren zum Erhöhen und Verringern der Kapazität eines Elektrolysestapels bereit, wodurch ein Wasserstofferzeugungssystem mit der gewünschten Effizienz mit schwankendem Strom in unterschiedlichen Formaten betrieben werden kann.

Darüber hinaus reduziert der hierin offenbarte Ansatz im Vergleich zu Systemen des Standes der Technik die Anzahl der Sensoren, Steuerungen und/oder Schalter, die zur Steuerung mehrerer Elektrolyseeinheiten verwendet werden, und verringert dadurch die technische Komplexität des Wasserstofferzeugungssystems. Vorteilhafterweise kann dies wiederum die Kosten der Wasserstoffproduktion senken und die Beliebtheit von Wasserstoff als Ersatz für fossile Brennstoffe als Kraftstoff-Energiequelle steigern.

FEIGE. 1 veranschaulicht konzeptionell eine beispielhafte Ausführungsform eines Wasserstofferzeugungssystems gemäß diesem Dokument. Das System umfasst eine Stromquelle 100, eine Steuerung 101 (die z. B. eine Eingabeschnittstelle 102, eine CPU 103, ein Datenspeichergerät 104 und eine Ausgabeschnittstelle 105 umfassen kann), einen Elektrolysestapel 106 (der im Allgemeinen mehrere umfasst). von Elektrolysezellen 107), einer beweglichen Kontaktbrücke 108, einer Leiterbahn 110 und einer Messvorrichtung 112. Die Zellen 107 des Stapels 106 sind elektrisch in Reihe geschaltet, um einen elektrisch leitenden Pfad 114 durch den Stapel zu bilden. Ein Ende 115 dieses Pfads ist elektrisch mit einem Anschluss der Stromquelle 100 (z. B. wie gezeigt dem negativen Anschluss) verbunden (oder über einen Schalter 109 elektrisch verbindbar). Das andere Ende 113 des elektrisch leitenden Pfads 114 kann ein offenes Ende sein. Somit bildet der Stapel 106 allein im Allgemeinen keinen geschlossenen Stromkreis mit der Stromquelle 100. Vielmehr dienen die Leiterbahn 110 und die Kontaktbrücke 108 dazu, den Stromkreis zu schließen. Insbesondere ist die Leiterbahn 110, wie dargestellt, elektrisch mit dem zweiten Anschluss der Stromquelle (z. B. dem Pluspol) verbunden, und die bewegliche Kontaktbrücke 108 stellt eine elektrische Verbindung zwischen einem Punkt auf der Leiterbahn 114 und dem Leiter her Spur 110. Auf diese Weise gelangt Elektrizität in ein Ende (115) des Stapels und kommt von der Kontaktbrücke 108 wieder heraus, nicht vom anderen Ende (113) des Stapels 106 (es sei denn natürlich, die Kontaktbrücke 108). (es passiert, dass es am Ende 113 mit dem leitenden Pfad 114 verbunden ist). Das Ergebnis ist ein Schaltkreis, der die Stromquelle 100, eine Reihe von Elektrolysezellen 107, die Kontaktbrücke 108 und die Leiterbahn 110 in einer seriellen Konfiguration umfasst (Beachten Sie, dass die Bezeichnung der positiven und negativen Anschlüsse der Stromquelle 100 für ist). (nur zur Veranschaulichung. Die positiven und negativen Anschlüsse der Stromquelle können in der Praxis vertauscht werden, ohne dass die hier offenbarten Funktionsprinzipien beeinträchtigt werden.)

Der Punkt 111 entlang der Leiterbahn 114, an dem die Kontaktbrücke 108 die Leiterbahn 114 berührt, ist variabel. In einigen Ausführungsformen kann der Kontaktpunkt 111 zwischen der Kontaktbrücke 108 und der Leiterbahn 114 an einer beliebigen Position zwischen den beiden Enden 115, 113 der Leiterbahn 114 festgelegt werden und somit eine beliebige Anzahl von Elektrolysezellen 107 des Stapels 106 umfassen (z. B. null Zellen, eine Zelle oder mehrere Zellen bis zu einer maximalen Anzahl von Zellen, die der Anzahl der Zellen im Stapel entspricht) innerhalb der Schaltung. Beispielsweise kann die Kontaktbrücke, wie gezeigt, drei Zellen 107 vom offenen Ende 113 des Leiterpfads 114 entfernt mit dem Leiterpfad 114 verbunden werden, wodurch diese drei Zellen vom Stromkreis ausgeschlossen werden, während alle anderen Zellen einbezogen werden. In einigen Ausführungsformen ist die Bewegung der Kontaktbrücke 108 begrenzt, um bestimmte Einschränkungen hinsichtlich der Anzahl der im Schaltkreis enthaltenen Zellen 107 durchzusetzen, z. B. um sicherzustellen, dass mindestens eine Zelle 107 Teil des Schaltkreises ist. Im Allgemeinen ist jeweils nur der Teil des Stapels 106 zwischen dem negativen Ende 115 und der Kontaktbrücke 108 im Stromkreis enthalten, während durch den verbleibenden Teil des Stapels 106 kein Strom fließt. Durch die Positionierung der Kontaktbrücke kann das System somit ausgewählte Abschnitte des Stapels 106 ein- oder ausschalten

Die Position der Kontaktbrücke 108 und damit die Betriebskapazität des Wasserstofferzeugungssystems wird von der Steuerung 101 gesteuert. Beispielsweise kann die Ausgangsschnittstelle 105 in einigen Ausführungsformen Signale senden, um die bewegliche Kontaktbrücke 108 zu steuern Erhöhen oder verringern Sie die Betriebskapazität des Systems. Die Ausgangsschnittstelle 105 kann bei Bedarf auch ein Signal an den Schalter 109 senden, um den Stapel 106 vollständig auszuschalten.

Im Betrieb misst das Messgerät 112 die elektrische Leistung (und optional einen oder mehrere andere Betriebsparameter) der externen Stromquelle 100 und/oder einen oder mehrere Betriebsparameter des Elektrolysestapels 106. Die elektrische Leistung der Stromquelle 100 kann B. in Form einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stroms gemessen werden. Zu den gemessenen Betriebsparametern des Stapels 106 können beispielsweise der Druck, die Temperatur und/oder der Flüssigkeitsstand im Inneren des Stapels 106, die Ausgangsströmungsrate des Wasserstoffgases usw. gehören. Die Messvorrichtung 112 kann (muss aber nicht) verschiedene umfassen Sensoren zum Messen von zwei oder mehr verschiedenen Parametern des Systems (einschließlich eines Parameters, der die elektrische Leistung der Stromquelle angibt). Darüber hinaus kann das Messgerät 112 Verarbeitungsfunktionen umfassen, um das/die von dem/den Sensor(en) empfangene(n) Signal(e) zu verarbeiten. Obwohl als einzelne Box dargestellt, können verschiedene physische Komponenten, die gemeinsam das Messgerät 112 bilden, physisch verteilt sein und müssen nicht in einem einzigen Gehäuse oder einer anderen physischen Umhüllung enthalten sein, wie ein Durchschnittsfachmann erkennen wird. In verschiedenen Ausführungsformen misst das Messgerät 112 kontinuierlich die elektrische Leistung und/oder andere Parameter während des gesamten Betriebs des Elektrolysestapels, z. B. durch Erfassen von Sensorsignalen in regelmäßigen Zeitintervallen (z. B. einmal pro Sekunde, einmal pro Minute oder zu einem anderen Zeitpunkt). (geeignetes Intervall) oder in unregelmäßigen Abständen, abhängig von den Anforderungen des jeweiligen Anwendungskontexts.

In einigen Ausführungsformen sendet das Messgerät 112 elektrische Signale mit den gemessenen Informationen (z. B. Rohsignale oder vorverarbeitete Signale, die die Leistung der Stromquelle 100 und/oder andere Betriebsparameter angeben) an die Eingabeschnittstelle 102 der Steuerung 101 Nach dem Empfang kann die Eingabeschnittstelle 102 das/die elektronische(n) Signal(e) in ein logisches Signal umwandeln, das dann an die CPU 103 übertragen wird. Die CPU 103 verarbeitet dann das Signal, indem sie beispielsweise eine Berechnung auf der Grundlage eines oder mehrerer Programme durchführt in der Speichervorrichtung 104 gespeichert, um die gewünschte Betriebskapazität der Elektrolysestapel 106 zu bestimmen (d. h. um zu bestimmen, wie viele der Zellen 107 in Betrieb sein sollten) unter den gemessenen Bedingungen (insbesondere angesichts der derzeit verfügbaren Leistung, die von der Stromquelle 100 bereitgestellt wird). ). Basierend auf der berechneten gewünschten Betriebskapazität kann die CPU 103 außerdem die Position berechnen, zu der sich die bewegliche Kontaktbrücke 108 bewegen sollte, und einen oder mehrere Befehle erzeugen und an die Ausgabeschnittstelle 105 senden, die diese Position angeben. Die Ausgabeschnittstelle 105 kann konvertieren Diese Befehle werden in elektrische Signale umgewandelt, um das Öffnen/Schließen des Schalters 109 und/oder die Bewegung der beweglichen Kontaktbrücke 108 zu steuern. Wie leicht verständlich ist, sind verschiedene Modifikationen der oben beschriebenen Steuerung 101 möglich. Beispielsweise kann die Rechenfunktionalität zum Bestimmen der gewünschten Betriebskapazität und der entsprechenden Position der Kontaktbrücke 108 alternativ vollständig in Hardware bereitgestellt werden (z. B. als festverdrahtete Schaltung statt mit einem Prozessor und einem Speicher, die Softwareanweisungen enthalten). Anstatt eine Gruppe von Schaltern/Sensoren zu verwenden, um jede einzelne Gruppe von Elektrolysezellen/-stapeln einzeln zu steuern, um die Betriebskapazität anzupassen, wie es in der US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2011/0155583 der Fall ist, verwenden verschiedene Ausführungsformen hiervon nur einen einzigen Elektrolysestapel 106 und einen Satz aus Schalter 109, Steuerung 101 und Messgerät 112, um die Wasserstofferzeugungskapazität von 0 % bis 100 % einstellen zu können.

FIG. 3A und 3B zeigen schematisch eine Draufsicht bzw. eine Vorderansicht einer Leiterbahn, einer beweglichen Kontaktbrücke und eines Elektrolysestapels gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

FEIGE. 2 bietet eine Seitenansicht des Elektrolysestapels 106, der Kontaktbrücke 108 und der Leiterbahn 110 und veranschaulicht (unter anderem) deren relative geometrische Anordnung. Wie gezeigt, können die Leiterbahn 110 und die Kontaktbrücke 108 auf der Oberseite des Elektrolysestapels 106 installiert werden, wobei die Leiterbahn 110 im Wesentlichen parallel zum Stapel 106 angeordnet ist. Diese Anordnung wird noch deutlicher, wenn man Fig. 3 betrachtet. 2 wird in Verbindung mit 1 und 2 betrachtet. Siehe 3A und 3B, die eine Draufsicht bzw. eine Vorderansicht des Elektrolysestapels 106 und der darauf montierten Leiterbahn 110 und Kontaktbrücke 108 bieten. Die Leiterbahn 110 kann zwei Aufgaben haben: Zusätzlich zur elektrischen Kopplung der Elektrolysezellen 107 mit dem zweiten (positiven) Anschluss der Stromquelle 100 kann sie dazu dienen, die Kontaktbrücke 108 mechanisch zu stützen und ihre Bewegung zu führen. Beispielsweise kann die Leiterbahn aus Metall bestehen und die Form einer Schiene haben, in der das obere Ende der Kontaktbrücke sitzt; Geeignete Formen und Konfigurationen werden für den Durchschnittsfachmann leicht ersichtlich sein. Das Design kann kompakt und einfach herzustellen sein.

Wie in FIG. Wie in 2 gezeigt, kann der Elektrolysestapel 106 M Elektrolyseschlitze/-zellen (einschließlich z. B. der dargestellten Zellen 202, 203, 204, 205, 206, ... 210) enthalten, die in Reihe geschaltet sind. In einigen Ausführungsformen liegen die Zellen direkt nebeneinander, sodass keine Rohrleitungen oder Kabel zwischen ihnen erforderlich sind. Diese Anordnung bietet eine wirtschaftliche und praktische Möglichkeit, einen einzelnen Elektrolysestapel herzustellen. Jeder Elektrolyseschlitz/jede Elektrolysezelle kann mit 1,6–2,3 Volt Gleichstrom betrieben werden; dementsprechend arbeitet der Elektrolysestapel 106 als Gesamteinheit vorzugsweise mit etwa 2·M Volt Gleichstrom, wenn alle Elektrolysezellen in Betrieb sind. Abhängig von der Position der Kontaktbrücke 108 können sich die Betriebszellen von 1 auf M und die Betriebsspannung für den Elektrolysestapel 106 von 2 Volt auf 2*M Volt ändern, ohne dass ein Transformator oder ähnliche elektrische Geräte verwendet werden müssen. Auf diese Weise ändert die vorliegende Anmeldung die Betriebsspannung des Elektrolysestapels 106, um sie an die Eingangsspannung der Stromquelle 100 anzupassen, während viele andere Erfindungen, wie beispielsweise die im US-Pat. Nr. 7,906,007, machen das Gegenteil, das heißt, sie ändern die von der Stromquelle bereitgestellte Eingangsspannung, um sie an die Betriebsspannung des Elektrolysestapels anzupassen. (Das Vorstehende ist nicht so zu verstehen, dass es Systeme und Methoden ausschließt, die zusätzlich zur Anpassung der Betriebskapazität des Elektrolysestapels 106 auch die Anpassung der Spannung der Stromquelle beinhalten.) Wie Laboruntersuchungen gezeigt haben, ist die elektrochemische Effizienz einer bestimmten Elektrolysezelle oder der Stapel tendiert dazu, bei niedrigeren elektrischen Strömen höher zu werden (alles andere bleibt gleich). Verschiedene Ausführungsformen machen sich diese Erkenntnis zunutze, indem sie die gewünschte Betriebsspannung für jede Elektrolysezelle zwischen 1,6 V und 2,3 V anpassen, um jederzeit eine niedrige Betriebsstromstärke sicherzustellen. Die 1,6V. Der Bereich von ca. 2,3 V kann je nach Elektrodenmaterial und Elektrolyt variieren.

In verschiedenen Ausführungsformen wird die Kontaktbrücke 108 von einer Treibervorrichtung 220 angetrieben, die ihre Bewegung entlang der Leiterbahn 110 bewirkt und an einer bestimmten, von der Steuerung 101 festgelegten Position stoppt. Die Treibervorrichtung 220 kann beispielsweise eine Stufe sein oder eine solche umfassen B. ein Motor, eine elektrische Riemenscheibe, ein Schienenschlupfrad oder ein anderes Gerät, das sich nach einem Befehlssignal in eine bestimmte Position bewegen kann. Die Treibervorrichtung 220 wird mit Signalen gesteuert, die von der Steuerung 101 empfangen werden. Wenn in einigen Ausführungsformen die CPU 103 bestimmt, dass die Kapazität des Elektrolysestapels 106 erhöht werden sollte, stellt ein Signal von der Ausgangsschnittstelle 105 sicher, dass der Schalter 109 geschlossen ist, d. h , verbindet den Stapel 106 mit der Stromquelle 100 und außerdem befiehlt ein Signal von der Ausgangsschnittstelle 105 der Treibervorrichtung 220, die Kontaktbrücke 108 in eine Position zu bewegen, in der mehr Zellen 107 des Elektrolysestapels 106 in den Stromkreis einbezogen sind. Wenn die CPU 103 feststellt, dass der verfügbare Echtzeitstrom nicht ausreicht, damit der Elektrolysestapel 106 mit seiner aktuell eingestellten Kapazität funktioniert, steuert ein Signal von der Ausgangsschnittstelle 105 die Treibervorrichtung 220 in umgekehrter Richtung, um einige Zellen 107 von der Elektrolyse auszuschließen Stapel 106 vom Stromkreis trennen.

Die Eingabeschnittstelle 102 kann auch voreingestellte Einstellungen über das System empfangen, beispielsweise die maximale Spannung oder Ströme für das System, die Gesamtzahl der Elektrolysezellen innerhalb des Stapels 106 (d. h. die maximale Anzahl der für diesen Stapel verfügbaren Zellen 107). ), Berechnungsmethoden für den gewünschten Betriebsparameter für den Elektrolysestapel, die Reihenfolge der Erhöhung oder Verringerung der Arbeitskapazität des Elektrolysestapels usw.

Vorteilhafterweise erleichtern verschiedene hierin beschriebene Ausführungsformen die Kapazitätssteuerung eines Elektrolysesystems mithilfe einer einzigen Steuerung, die die Betriebskapazität eines einzelnen Elektrolysestapels und innerhalb desselben anpasst. Dies reduziert die Komplexität (z. B. im Hinblick auf die Anzahl der Systemkomponenten) und die Herstellungskosten des Gesamtsystems im Vergleich zu verschiedenen herkömmlichen Systemen, die mehrere Steuerungen verwenden, um jede von mehreren Elektrolyseeinheiten (z. B. mehrere Stapel, Unterstapel usw.) zu steuern Zellen) separat, um eine einstellbare Kapazität zu erreichen. Um das separate Ein- und Ausschalten jeder Einheit zu ermöglichen, erfordern die herkömmlichen Systeme im Allgemeinen auch separate elektrische Kabelverbindungen und Gas-/Flüssigkeitsleitungen für jede Einheit. Im Gegensatz dazu reicht es für verschiedene Ausführungsformen hiervon aus, einen Satz Kabel und Rohrleitungen mit dem Stapel zu verbinden, was zu niedrigeren Herstellungskosten beiträgt. In verschiedenen Ausführungsformen führt das kompakte Design entsprechend auch zu einer kleineren Außenfläche, wodurch Wärmeverluste reduziert werden und es somit energieeffizienter wird, um den hohen Temperaturbereich (normalerweise etwa 70 °C bis etwa 90 °C) aufrechtzuerhalten .) werden im Allgemeinen zur Aufrechterhaltung einer effizienten Elektrolyse verwendet.

FEIGE. 4 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren zur Verwendung des oben beschriebenen Elektrolysesystems. Das Verfahren beinhaltet die Erzeugung von Strom (401), typischerweise mit einer volatilen Stromquelle (z. B. unter Nutzung von Solar- oder Windenergie), um die Elektrolyse anzutreiben. Darüber hinaus werden ein oder mehrere elektrische Parameter (z. B. Spannung, Strom und/oder Leistung) der Stromquelle und optional andere Parameter des Systems gemessen und die Ergebnisse der Messungen werden an die Steuerung 101 (402) gesendet. . Die Steuerung 101 nimmt den/die Parameter der Stromquelle 100 und/oder des Elektrolysestapels 106 und berechnet die gewünschte Betriebskapazität des Elektrolysestapels 106 entweder entsprechend den Voreinstellungen oder den sofortigen Messungen (403). Die gewünschte Position der Kontaktbrücke 108 wird basierend auf der gewünschten Betriebskapazität berechnet (404); Der Controller 101 sendet ein Signal, das diese Position angibt, an ein Treibergerät 220 (405). Die Kapazität der Elektrolyse wird dann erhöht oder verringert, indem die Kontaktbrücke 108 mithilfe der Treibervorrichtung 220 in die gewünschte Position bewegt wird (406). Anschließend läuft die Elektrolyse mit der eingestellten Kapazität zur Erzeugung von Wasserstoff und/oder anderen Elektrolyseprodukten ab, und das erzeugte Wasserstoffgas und andere Produkte werden gesammelt und zur späteren Verwendung gespeichert (407).

Kontaktinformationen: Dan Crockerwww.verdellc.com

Deine Email-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind markiert *

Kommentar *

Name *

Email *

Webseite

Registriere dich für unseren Newsletter!

D

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahren Sie, wie Ihre Kommentardaten verarbeitet werden.