一种离网式独立电解槽结构和电极控制方法与流程

本发明涉及电化学方法的电解技术。

背景技术：

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、以及离网式电解槽结构和电极控制方法的发明专利用，可以使用离网的风能/太阳能等可再生能源作为制氢的电源，降低了电解制氢的电力成本，但要么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，要么电解槽内还需要一个隔膜，而本专利是用二个独立而相互连通的电解槽而不需要隔膜，可简化制造工艺和流程，进一步降低电解设备成本并可利用波动的电源进行电解。

技术实现要素：

鉴于上述电解槽需要隔膜和制氢需要稳定电源的问题，本发明是将一个电解槽分解为相互连通的阳极电解槽和阴极电解槽，并对二个电解槽中的电极分别集中管理的一种电解槽结构和电极控制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

设置二个独立的阳极电解槽1和阴极电解槽1’，二个电解槽在电解槽底部用管道6互通(或开口)组成主电解槽组，以便电解液在二个电解槽中流动，也可以用泵使电解液在二个电解槽中流动，在阳极电解槽和阴极电解槽中分别设置气槽4和气孔5，并分别在阳极和阴极电解槽中设置进水口7，和出水口8，在二个电解槽中分别设置若干组阳极电极3和阴极电极3’，每个阳极电极分别对应一个阴极电极，阳极电极和阴极电极按规律以串联方式相连，相互串联的电极尺寸完全相同，电极底部的位置高于电解槽连接的管道6(或开口)，以保证在阴极和阳极产生的气体不会混合，也可以在该管道的二端各设置一个阀门9，便于快速更换带隔膜的管道；在阳极电解槽和阴极电解槽中，每个电极独立引出接线排，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10接通(切入)或断开(切出)不同阴极电极，从而根据电源功率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的切入或切出，该阳极电解槽和阴极电解槽组成的电解槽称为主电解槽组11。如图1是该主电解槽组和电极排列、控制的结构示意图，也作为摘要附图。

为了说明阳极电极和阴极电极在二个电解槽中是如何连接的，下面用图2来说明阳极电解槽中的阳极电极和阴极电解槽中的阴极电极的连接方式，为了便于说明方便，阴、阳电解槽中各用7个电极组成一个电解槽。在图2中，阳极电解槽的第一个阳极电极接电源的正极；阴极电解槽的最后一个电极接电源的负极，从而组成一个类似7个“小电解室”组成的电解槽组，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，在阳极电解槽和阴极电解槽中，根据波动电源的最高电压值设置主电解槽组中总的电极数，根据风能或太阳能最低的切入电压值设置一定数量的已固定串联的电极组成基本电极组，根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，基本电极组和可控的串联电极组之间相互串联组成。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，电压升高将在电解槽组中通过同时再接入一定数量的电极数，以保持电极之间的电压维持在较佳的范围内；反之，电源电压降低时在主电解槽组中切出一定数量的电极数；而当电流持续增加，达到并超过已接入的主电解槽组中电极的最大基准电流时，将在主电解槽组中以并联方式切入一个和主电解槽组11具有相同电极数的并联电解槽组22、或33、或44等，并联电解槽也分别由阳极电解槽和阴极电解槽组成，且电解槽结构和主电解槽组相同，并联电解槽中的电极由全部由串联电极组成。由于在并联电解槽并联切入时的电流比波动电源刚切入时的电流要大，并联电解槽中电极的面积可以比主电解槽中电极的尺寸大、也可以采用相同尺寸，从而在一个电解槽系统中形成二个或二个以上相互并联的电解槽组所组成一个组合型电解系统，达到不仅可采用功率波动非常大，而且采用独立电解槽组成的电解系统进行制氢、制氧目的，以达到大幅降低制氢成本的目的。

图2是电解槽组中电极相互连接组成串联电极的示意图，图3是表示主电解槽组11和各并联电解槽组22、33在电解槽系统中的相互关系，图4是主电解槽组11和并联电解槽组(22、33、..)的接线和控制示意图。

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，对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，具体说明主电解槽组中基本电极组电极数量的设置、电极尺寸的设置，以及电极的切入、切出方法。但不应以此限制本发明的保护范围，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解槽组中的电极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，也都包括在本发明的保护范围之内。

实施例1

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伏可设置25-26个串联电极，为了能够跟随电源电压的变化速率，在本实施例中48.8伏设置26对基本电极，再根据电极的基准电流每平方厘米0.25安培，75.9安培需要304平方厘米的(75.9/0.25)，所以304平方厘米为主电级组电极的有效尺寸。

当风速提高到4.5米/秒时，直流电压升高到54.9伏，伴随着直流电流增加到96.1安培，直流功率也增加到5277瓦，54.9伏需要29组串联电极，当直流电压为54.9伏时，29组串联的电极可承载的最大功率为54.9伏*304(电级尺寸)*0.3安培(最大基准电流)＝5007瓦，但电源具有5277瓦的输出功率，理论上高出电解槽在29对串联电极时的最大可承载功率270瓦，因此需要并联一个电极组(称为并联电极组)，以承载额外的电能(而当最大基准电流设置为0.35安培或更大时，则无需在此功率下接入并联电极组)。并联的电极组必须和主电极组具有相同的相互串联的电极数，以保持主电极组和并联电极组的电压一致，但电极的有效尺寸可以和主电极组相同，也可以按新的电流重新设定，本实施例中按新的电流重新设置并联电极组电极的有效尺寸。

在电压54.9伏时，直流电流96.1安培，并联电极组的有效尺寸为96.1/0.25＝384平方厘米(即相对于主电极组，并联电极组的最低切入电流从主电极组的75.9安培提高到并联电极组的96.1安培)，384平方厘米的电极在29对串联电极条件下最大可承载功率为6332瓦，而波动电源可供并联电解槽的理论功率只有270瓦(因为主电极组和并联电极组相互并联，电极组的电压相等，电流按电极尺寸的比例分配，因此并联后的电极组还有富余的可承载量6062瓦(在以下实施例中，并联电极组还有富余的可承载功率都标定为负值，负值时无需并联接入新的并联电极组；当风速增加到6.5米/秒时，并联电极组仍然有463瓦的富余承载量而无需并联新的电极组；当风速增加到7米/秒时，电压增加到85.3伏、电流增加到232.6安培，此时风机的输出功率(波动电源的功率)大于主电极组和并联电极组66的可承载功率2234瓦，需要再并联一个新的并联电极组77，并联电极组77中电极的有效尺寸按232.6安培设置，尺寸为232.6/0.25＝930.4平方厘米，三个相互并联的电极组(主电极组、并联电极组66和并联电极组77)实际被消耗的功率只有19840瓦(电源功率)，而三个电极组有21574瓦的富余承载量，只有当风机(波动电源)的输出功率大于已接入的电极组可承载功率时，才需要并联接入一个新的电极组(发电机输出功率不能大于电解槽最大消耗的功率)。

实施例2

实施例2是采用实施例1相同的风力发电机，但设置的基准电流减小到每平方厘米0.07安培，最大基准电流依然为每平方厘米0.3安培。

按实施例1相同的方法，根据表一，风机最大输出直流电压146伏，设置主电极组74对；当风机有效功率开始切入时，直流电压48.8伏，基本电极设置26级的串联电极，直流电流75.9安培时将基准电流减小到0.07安培，则主电极尺寸为75.9/0.07＝1085平方厘米，在9米/秒风速以下都无需接入并联电极组，只有当风速大于9米秒以后，风机(电源)输出功率大于电极组可承载功率而需要并联一个电极组，设置的并联电极组的电极尺寸和主电极尺寸相同条件下，在额定风况下都能满足风机输出功率的需要而无需再增加新的电极组。

实施例3

实施例3是采用实施例1相同的风力发电机，但设置的基准电流减小到每平方厘米0.037安培，最大基准电流设置为每平方厘米0.333安培。

根据表一，风机最大输出直流电压146伏，设置主电极74对，当风机有效功率开始切入时，直流电压48.8伏，基本电极组设置为26对，直流电流75.9安培，因基准电流减小到0.037安培，最大基准电流每平方厘米0.333安培，电极有效尺寸为75.95/0.037＝2053平方厘米，2053平方厘米的电极组，在最大功率时的电压为146.3伏和683.5安培电流，在最大允许基准电流增加到每平方厘米0.333安培的条件下，可承载的功率为100，018瓦，大于波动电源的最大功率，主电极组依然可满足需求而无需并联电极组。但在低风速下由于功率相对很低，制氢、制氧的出气量很少，设备长期处于低载荷条件下工作，设备有效利用率较低。

实施例4

实施例4是用2台和实施例1相同的风力发电机整流后并联输出作为电解的电源，基准电流设定为每平方厘米0.1安培和最大基准电流没平方厘米0.333安培。

根据最高电压146伏，设置主电极组总电极数74对，当风机有效功率开始切入时，直流电压48.8伏，基本电极设置26对，切入电流151.85安培，基准电流设置为每平方厘米0.1安培，最大基准电流按每平方厘米0.333安培设置，主电极组的电极有效尺寸为151.85/0.1＝1519平方厘米，1519平方厘米的电极，在不超过7米/秒风速时都无需并联电极组，只有当风速大于7米/秒后需要并联一个电极组。本实施例中，并联电极组的电极尺寸采用和主电极组中电极相同的尺寸，在风速低于10.5米/秒以下并联一个电极组即可，当风速达到或高于10.5米/秒时需要并联第二个电极组。但如并联电极组中的电极尺寸按7.5米/秒风速时的电流534安培设置，则并联电极组中电极的尺寸为534/0.1＝5340平方厘米，并联一个电极组就可满足波动电源的需求。

实施例5

实施例5是采用现有一款1500千瓦双馈型风力发电机作为电解电源，该型风机的(风/功率)特性如下表二，由于双馈型风力发电机在大部分风速范围下电压和频率相同，功率的不同仅表现在电流上，

实施例5基准电流设定为每平方厘米0.055安培，最大基准电流设定为每平方厘米0.3安培，由于电压恒定，主电极组设74对，电极的尺寸为376/0.055＝6836平方厘米。在风速达到7.5米/秒时需要并联接入一个电极组，并联电极组的电极尺寸为2502/0.055＝45486平方厘米，在12米/秒额定功率下一个基本电解槽和一个并联电解槽就可满足需求，而且仍有近80千瓦的富余量，因此也可适当减小并联电解槽的尺寸以降低设备成本。

实施例6

实施例6是由2000组250瓦24伏的太阳能电池板，通过4串500并后组成一个直流144伏(145伏)500千瓦的太阳能阵列。基准电流设定为每平方厘米0.2安培，最大基准电流设置为0.3安培。

当不强的阳光照射在太阳能电池板上，起始电压40伏。电流1000安培，串联电解槽有效尺寸为1000*10000/2000＝5000平方厘米，当电压上升到65伏时，需要并联接入一个电解槽，电解槽有效尺寸为1625*10000/2000＝8125平方厘米，在并联一个电解槽后，即使在阳光最强烈时，电解槽依然有富余容量70千瓦，因此实际并联电解槽可适当减小面积，以降低成本。

实施例7

实施例7是和实施例6相同组成的太阳能阵列，但在实施例7中，基准电流设置为每平方厘米0.095安培，最大基准电流设置为0.3安培。在实施例7中，由于将基准电流由实施例6的0.2减小到实施例7的每平方厘米0.095安培，因此即使阳光最强烈时也无需并联一个电解槽，但基本电解槽尺寸却由实施例6的5000平方厘米增加到实施例7的10526平方厘米，在阳光不够强烈时，电解装置的设备利用率较低。

通过上述7个实施例的组合说明，可以通过更改基准电流值、最大基准电流值、可切入电压、最低切入电流和基准电流的比值等参数产生无数组合，形成新的不同类型的主电极组和并联电极组的组合，但无论如何组合，主电极组还是并联电极组，各电极组中的电极数量都相同，且电极都相互串联连接。同时通过上述7个典型的实施例可以清楚的了解，本专利是在充分理解能量波动非常大的风能、太阳能功率特性和电解特性条件下的融合创新发明，应当被授予专利。

附图和实施例说明

图1阳极电解槽和阴极电解槽组结果和电极的排列、控制示意图，也是摘要示意图。

图2阳极电解槽和阴极电解槽中电极相互串联电极的连接示意图

图3是主电解槽组和并联电解槽组关系示意图

图4是主电解槽组中串联电极的切入、切出，和并联电解槽组切入、切出控制方式示意图

实施例1，是单发电机采用0.25安培作为基准电流方案

实施例2，是单发电机采用0.07安培作为基准电流方案

实施例3，是单发电机采用0.037安培作为基准电流方案

实施例4，是二个相同发电机并联作为电源，采用0.1安培作为基准电流方案

实施例5，是双馈型1.5兆瓦风机作为电源，采用0.055安培作为基准电流方案

实施例6，是500千瓦144伏太阳能阵列作为电源，采用0.2安培作为基准电流方案

实施例7，是500千瓦144伏太阳能阵列作为电源，采用0.095安培作为基准电流方案

以上所述仅为本发明具有代表性的部分实施例，凡依本发明申请专利方法对阳极电解槽和阴极电解槽中电极数的变化与组合、并联电解槽组数的变化与组合，皆应属本发明的涵盖范围。