能量分布网络的制作方法

专利名称：能量分布网络的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于提供在一生产地点，具体地通过一或多个水电解器生成的氢，具体地用作为车辆的燃料或能量存储的能量网络。本发明还涉及使用氢作为燃料电池的燃料，在该燃料电池中氢被转换成电能，用于燃烧作为一辅助能量源并用于生成电力，具体地作为一电分布系统的一部分。
当前，没有存在用于氢燃料车辆的供氢系统网络的广泛部署。现在，根据已知技术、社会标准和消费者的接受度的限制，有一完成的具有一优化的燃料供应下部结构(infrastructure)网络的碳氢化合物燃料车辆的广布的网络。许多人相信构成具有拥有生产、存储、输送和交付的供氢网络的氢燃料车辆的一广布的、地区性的网络涉及巨大的投资且很有挑战性，使得该任务被认为采用任何经济方法都是几乎不可能的。尽管，有许多从电力生产氢的例子，其可被用于向车辆提供燃料，这些单独的地点未被互连以使效能及资产部署最优化。
当前的碳氢化合物燃料车辆分布网络有若干的缺点，包括碳氢化合物燃料自身的资源有限和世界资源的分布不均匀。实际上，世界上大多数的碳氢化合物资源仅被集中在几处地区区域，使得许多国家基本上没有本土燃料的供应。这导致全球性及地区性的冲突。而且，对于温室气体排放对健康和气候改变的影响尚不确定。还有，碳氢化合物燃料的大量使用，或对碳氢化合物燃料的使用的处理，导致地平面的烟雾和臭氧的污染以及区域性环境问题，例如酸雨。由于碳氢化合物燃料的燃烧和处理导致直接或间接形成的空中污染导致了农作物的产量降低，所有生物的寿命的潜在减短和其他健康问题。
可提供良好(即使不是更好)客户服务并减少或消除燃料资源不均衡，碳氢化合物燃料及其燃烧或处理的负面环境影响的，可以减轻投资风险的方式引入，最优化了该系统中所有设备的容量因素并鼓励使用非碳能量源的一种燃料供应系统网络是非常期望的。自比通常的煤和油有更低碳含量的的能量源产生的氢燃料，或其中碳被隔离(sequester)在地表面以下的自煤和油产生的氢燃料是用于该网络的一种理想燃料。
从生产地点传送产品到一使用地点的方面涉及存储的使用。产品，有时是一商品的存储可有效地允许以优化产品的利用的方式满足供需。两个这样的例子是(a)提供从在车上的甲醇产生的氢并在汽车中使用，其中在车上它被重新形成为含氢的气体；及(b)提供通过车外(off-board)的电力产生的氢并被使用以填充或者在车上或者在地上的压缩气体存储箱用于随后的输送给车辆。
在后者的情况(b)中，氢在车外产生并被存储在一压缩气体箱中，或者类似的容器中。氢的存储使得用于氢产生的电力的产生与对氢的实时需求断开。这种通过氢的存储所实现的对电力产生的负载移位效应实现了电力的更佳及更可预测的利用一具体当氢需求是一些重要的百分比，例如相对于产生的电力为1％至100％。这实现了在实时的基础上对将电力引导到何处，例如将由电解或其他方法产生的氢产生作出判定。这仅是当实现了电力供应的测量时，即在电力的增量产生是可获得或便利时的均衡(equation)的一部分，且包括除满足立即的实时的电需求之外，操作产生对于氢生成的提高的资产利用的一电发生、传输、及分布系统的许多方面。该均衡的第二半部分是基本上实时地测量氢需求。这包含计划氢的生成。当氢是自电解源生成且氢被从一存储箱或直接地从电解器基地传送给车上的存储箱以满足市场对氢的需求时，在即时基础上的对氢需求的测量是可能的。该需求可通过例如温度/压力测量以及电能耗用量的技术来实现，这是本领域的熟练技术人员所理解的。另外，车上的氢能量的量的测量可使得信息被提供给用于自电产生供应氢的控制器且可使相等于存储的能量/电源。这些测量完成了具有详细的测量的供需平衡。这实现以下方面(a)实时预测在以下时间周期中所需的电量瞬时的、及当与先前数据相组合时，用于氢生成的电的需求的增长率；(b)用于氢生成的电力的延迟使用及对于一较高优先权(经济上或技术上)的需求的供电；(c)当在存储箱的“系统网络”中存储足够的存储量时，在氢生成中使用的电力供应的安全缩减(curtailment)；(d)开发“虚拟”存储库的能力，从而电力供应的优先权/成本/方式可根据该存储库的状态而被确定。
将对于(或者在车上或者在地上)存储的氢作出的电力产生判定连接至氢市场的一系统实现了相对于何时、何地提供电力及提供多少电力可作出更好的判定。该通过测量基本上瞬时可获得的信息对于资产部署和提供资产利用且降低风险是关键的。它还可被使用以更好地调度电发生器。通过用作为一“可断开负载”，它可提供用于电力利用的操作储备以满足可靠性要求。通过适当的手段收集该信息，一种新颖且创造性的测量系统被创建，其结合了以上a、b、c和d中的一个或多个特征。
因此，可见涉及比方生产甲醇(然后被用于包括车上或车下甲醇的重整的许多应用)的一化工厂的决定不能提供即时的及每日的信息来影响生产决定。
因此，本发明的目的在于提供一种结合氢的能量分布网络，其可提供电产生、传输和分布容量的有效的部署和利用以及这些资产的加强的经济效能。
所述的控制器包括中央处理装置和用于接收、处理、传送及任选地存储数据的计算装置。
本发明的实践包括使用在该(些)控制器内使用算法处理以利用和确定涉及inter alia、用户需要自电解器产生的氢量、电能量到电解器的传送时间、电能量将被传送给电解器的周期持续时间、待被发送给电解器的能级、用户存储器的氢压、电力的实时价格和价格预测、能级的速率或能量源对电解器的调制类型和从生成的矿物燃料、流体、原子核、太阳和风选择的电能的类型的信息数据。
在该(些)控制器内的算法处理在本发明的实践中还确定控制级操作，例如inter alia、能量源、电解电池、压缩机阀、用户致动单元及类似元件的操作，如下所述。
通过将上述元件组合在一起，因此实现了测量对氢燃料的实时和计算的期望的需求并提供产品氢的一网络。该网络可与标准的投影模型相连接以通过地区位置预测将来的需求。该氢网络的一较佳的特征是它不依靠于任何种类的大尺寸氢生产设施的构成。替而代之，这里提供的较佳的氢生产设施小到技术上/商业上可行的且包括尺寸减小的设备以满足来自单个商业、零售或工业地点的单个客户或多个客户的需要。
因此，在最广的方面，本发明提供了一种能量分布网络，用于将氢燃料提供给一用户，其包括氢燃料生成装置；给所述生成装置的原料提供装置；氢燃料用户装置；和连接至所述生成装置、所述原料提供装置和用户装置的信息及提供控制装置。
本说明书中的术语“氢燃料用户装置”是指对于由氢燃料生成装置生成的氢的接受器。它包括例如但不限于此的氢存储设备(可以是在地上或地下，在一车辆中及其他传送单元中)；直接或间接氢消耗转换设备，例如燃料电池、电或热生成设备；及管道、压缩器等类似的传输设备。该需求也可通过能量供应而被启动，其可能需要“撤去(dump)”功率且因此提供一个生成更便宜的氢的机会。
原料可包括例如天然气、液态碳氢化合物或在电解器的情况下是电流和水。
参照本发明涉及天然气的实践，自远程输送来的天然气被置入一管线且被传送到氢燃料的一零售出口或一燃料供应站。在或邻近该零售出口或燃料供应站，天然气是通过净化而重整的蒸汽/甲烷以产生氢气。该碳二氧化物副产品被排出或以另一方式进行处理导致其被没收。该生成的氢例如可通过压缩被馈送进一车辆的压缩氢气存储箱。可替代地，该压缩器可将该流转移至一名义上在蒸汽甲烷重整器/压缩器系统附近的地上的一存储箱。在一给定日内产生的的氢量可用类似于现有技术中的许多方法被确定，包括天然气消耗、氢生成、存储器压力、变化率等类似指标。该信息被电子地或一其他方式被传送给根据本发明的网络的操作者。该信息在时间上构成了对氢的需求信息，自此需求信息可以预见供应要求以及对将来需求进行预测。随着对氢需求的增长，网络操作员可安装更大的天然气重整器或增加更多的存储箱一当需求较低时更好地使用现有的发生器。该测量及存储氢的能力实现了比当前液态碳氢化合物(汽油)下部结构作出更佳的判定。该测量能力实现了对待被确定的原料(在该情况下为天然气)的预测。如果天然气来自一管线，供/需特性提供了有关如何更好地管理该天然气管线的以及购买扩张、干线扩张、维护、固定资产的分期偿还。甚至天然气的发现的计划的有用信息。该系统的测量能力还提供了有关当车辆使用的氢需求的增长率可能是一显著的引导指针时，对车辆需求的预测的关键信息。
参见根据自一油井和炼油厂的网络生产的当前流行的燃料、汽油和柴油(diesel)的，根据本发明的一网络，该燃料被运送到一零售出口或燃料供应站。当需要时，汽油/柴油被重整或部分地氧化，或采用其他化学步骤以生成氢。在足够的净化后，该氢或者被直接存储到车辆上或者存储在车下的存储地点用于以后进行车辆运输。在一给定日内生产的氢量可根据汽油/柴油消耗、氢生成、气体存储器的存储水平或压力、变化率等类似指标，通过现有技术中可获得的知识而被确定。该信息被电子地或以其他方式被传送给根据本发明的网络的操作者。该信息在时间上构成了对氢的需求信息，自此需求信息可以预见供应要求以及对将来需求进行预测。随着对氢需求的增长，网络操作员可安装更大的汽油/柴油重整器或增加更多的存储箱以当需求较低时更好地使用现有的发生器。该测量及存储氢的能力实现了相对于资产，例如存储箱和更多的氢生产设备的部署，比当前液态碳氢化合物(汽油/柴油)下部结构作出更佳的判定。该测量能力实现了对待被确定的原料的预测。如果相对于辛烷、添加剂、洗涤剂、硫黄含量及类似物，汽油/柴油被特定地生产用于低污染或零排放车辆，这是特别重要的，且对于被使用来生产、传输和分布该特定品质的汽油/柴油的资产，有唯一的主要结构。根据本发明的该系统的测量能力还提供了有关当车辆使用的氢需求的增长率可能是一显著的引导指针时，对车辆需求的预测的关键信息。
参照根据液态碳氢化合物，例如甲醇的根据本发明的一网络，自本地或全球分布的生产厂的一网络生产的甲醇被运送到零售出口或燃料供应站位置。当需要时，甲醇被重整或部分地氧化，或采用其他化学步骤以生成氢。在足够的净化后，该氢或者被直接存储到车辆上或者存储在非车辆存储器用于以后进行车辆运输。在一给定日内生产的氢量可如上所述地相对于天然气和汽油而被确定。
然而，一个最优选的网络是根据使用用于水电解的电力。自局部或全球分布的生产厂的一网络产生的，在一导体中传送的电力被馈送至一住宅、家庭等类似处、一商业或工业零售出口或其他燃料供应位置。当需要时，该电力在一产生有价值的氢和氧的电解处理中被使用。在足够的纯净和压缩后，如果需要的话，氢可被直接存储到一车辆上或馈送至非车辆存储处。。
电力可从许多不同类型的初始能量得来，各种初始能量具有它们自己的特性和最佳方法及产生手段。一旦电力被产生，它难以被有效地存储且必须通过一些形式的分布/传输系统被传送。这些系统必须响应于许多不同的用户环境、比来自一天然气管线多的多个用户、使用变化的时间、负载密度、初始电输入源、初始电输入源的状态、天气条件、相对于一气体或一液体的处理电力特性的独特状况。
一电解单元，具体地是一适当设计的水电解系统，具有独特的优越性，它可被连接至电源且不必连续工作。与通常的方法相比，一电解器可更容易地被使启动、停止或在部分负载步骤中进行调整以自碳氢化合物产生氢。该因素是一关键元素，其中电力可根据优先权时间表“动态地”从氢生产转换到其他的电负载。该特征使得一电解器可获得比较高优先权电负载更低成本的电力。而且，由于电解是可从1＜KW到超过100,000KW的大小可变化的技术，仅尺寸改变的同一系统，具有当需要时将被分布的潜力。因此，它可提供控制致动用于满足在电需求中的动态的变化。
在一较佳实施例中的本发明的实践中，将电能传输到电解器的线路被使用以传送有关电解处理的状态的有用信息给有关的装置。这消除了需要一附加连接或一“遥测装置”来以电子方式收集需要的信息。
这样，结合有电力和电解的一氢燃料网络给间断的可更新的能量源，例如光电设备及风轮机提供了有用的机会，即使这些可能被定位在距离基于电解的氢发生器的网络数百英里的地方。这些氢发生器可被序列化以与可更新能量源的可用性成比例的一速率产生氢。另外，通过测量价格信号，如果来自一具体发生源的电力的市场价格超出了用于燃料供应的容限水平，电解器可被减少或关闭。在电解系统中出现紧急情况时，该电解系统也可容易地被关闭。鉴于数据传送的速度，可在一秒之内作出的控制动作可被使用以动态地控制该网(grid)以及替换动用备用容量来满足可靠性要求。
在能量源的连续点滴(trickle)供应给氢发生器的概念下，仅一天然气分布系统接近于一电力系统。当汽油或甲醇到达一氢生产及燃料供应地点时，通常通过大的装运且汽油或甲醇将被存储在50,000加仑大小的箱中。点滴充电是该氢燃料网络的关键特征且显然是优选的。或者在其自身可被点滴充电的车辆上或者用于可被连续补充充电的地上存储箱的氢的分布式存储，累积足够的氢且然后以用GW测量的一电力费率将该氢传送给一卡车。该采取一KW点滴充电和通过有效的存储而将其转换成一GW快速燃料功率传输系统的能力在构建一有效的燃料供应业务作为该网络的产品中是一关键元素。
该测量氢供需以及估算网络中存储的总共的氢，包括地面存储或车上存储的氢的能力，提供了本发明的网络的一最有用的益处。该网络的集成的总体是对一巨大的燃料量计的模拟，且因此可作出向该系统提供燃料所需的电力量以及所需的燃料传送速率的预测。这提供了电力功率发生器/市场销售器(marketer)信息，自该信息可更好地帮助实时预测供需。唯一地，最需要燃料的位置也可在接近连续的基础上被确定。
另外，根据本发明的一后果的分布的氢存储类似于分布的电力存储，或如果集成在一起，一较大的水电储能储存器(reservoir)。使用例如燃料电池的一适当的转换装置，该氢储存器可任选地被转换回成用于该网的电力。采用水电水库获得的能量管理的大多数目的可用氢储存器被实践。假定氢储存器的分布式网络，可执行实践一具体能量管理技术的优先权。该优先权(prioritization)能力对于本发明的网络是唯一的。
当将分布式的基于电解的氢供应系统与分布的储存器结合的一网络被开发时，可根据来自该网络的信息，作出增加新的电力生成系统的计划。该网络的获知供、需和能量存储状况的独特性提供有关新的电发生系统的最佳规格的信息。大规模能量存储能力的建立鼓励了通过缺乏能量存储所先前需要的电发生器的选择。这样的发生器包括风轮机且光电面板可被鼓励。这应优选实现这些类型的发生器的能力，这些发生器的类型在需要时可以通过政府授权以与感知的环境挑战进行斗争。
在另一优选的实施例中的氢网络实现了关于根据环境的影响的能量源的形式，对于实时提供的服务进行付款。
这样，在本发明的实践中使用的能量源的网络通过各种不同的技术，例如蒸汽甲烷重整、部分氧化或水电解，在或非常接近用户地点产生氢以使没有进一步的处理超出用于特定的存储箱/能量应用的适当的净化及增压。在氢能量直接直接或间接来自被社会视为在碳含量上太高的一碳源(CO2生产)或可能存在其他污染物的情况下，这些污染在源处被捕获且被没收到社会视为需要的程度。另外，一种测量，或适当地估算氢(压缩气体、液态H2、氢化物等)流入地下或地上的存储器中或车辆上的一适当的存储系统的方法是有助于获得可导致对于何时、何地及如何生产燃料还有何时在生产燃料或进行车辆上测量的过程中部署更多的资产进行判定的信息。
这样，本发明在一优选实施例中提供基于氢燃料电解器的连接的网络的一种氢燃料车辆提供下部结构。该网络上的这些电解器和控制关联装置传送当前的电需求并自电系统操作程序/调度程序(operator/scheduler)接收需要生产的的氢燃料量以及有关数据例如加燃料的时间周期。例如根据存储容量的压力以及压力上升的速率，需要填充的存储容量可被计算。加燃料的时间周期也可被传送给燃料调度程序，例如通过设定电解器设备上的一定时器和/或操作模式例如到快速或慢速燃料填充。通过使用“调度的”氢生产作为虚拟存储的一种形式来控制燃料设备的单独操作，该电系统操作程序/燃料输送调度程序可较佳地集合该网络上的电负载并优化该电系统的操作，以管理甚至控制该电系统；并采用功率负载校平以改善传输和生成利用，及用于控制线频的动态控制。
因此，本发明的一个最主要的目的在于提供一种根据若干可能实时连接或可能未实时连接的初始能量源的，多个氢燃料传送点的实时的基于氢的网络。
较佳地在根据本发明的能量网络上有多个这样的电解器和/或该系统上多个每(per)电解器的用户。
在一较佳的方面，本发明的网络包括一或多个用于提供氢给一用户的氢补充系统，所述系统包括(i)一电解电池，用于提供源氢；(ii)一压缩装置，用于以一输出压力提供输出氢；(iii)用于将所述源氢馈送给所述压缩装置的装置；(iv)用于将所述输出氢馈送给所述用户的装置；(v)控制装置，用于当所述输出压力降至一选择的最小值时，激活所述电池以提供所述源氢；及(vi)用户激活装置，用于可操作地激活所述控制装置。
上述补充系统可包括其中所述电解电池包括所述压缩装置从而所述输出氢包括源氢且所述步骤(iii)由所述电池构成，且任选地，其中一氢燃料适用设备包括如上所述的系统，其中所述装置(iv)包括可附连至一车辆的车辆连接装置以提供所述输出氢作为燃料给所述车辆。
在进一广义方面，本发明提供一种如以上所定义的网络，还包括有连接至用户装置的能量生成装置以将来自存储的氢的能量提供给用户。
该能量生成装置最好是一用于自存储的氢生成电力用于相对小的局域电力分布网络，例如住宅、复合公寓、商业和工业建筑或场所中的网络，或用于当在峰值时间提供常规的电力供应时，根据需求而将辅助的生成的电功率馈送回入一广域电力分布网络，象国家、州或省网。该使用氢作为燃料源的能量生成装置可利用例如燃料电池的直接能量转换装置以直接将氢转换成电力；且可利用例如发电机/汽轮机的间接能量转换装置以产生电力，且可直接利用氢作为一在住宅供暖/制冷等中所用的易燃燃料。
因此，在另一方面，本发明提供一种用于提供氢燃料给一用户的能量分布网络，包括(a)能量源装置；(b)氢产生装置，接收来自所述能量源装置的所述能量；(c)氢燃料用户装置，接收来自所述氢产生装置的氢；及(d)数据收集、存储、控制和供应装置，连接至所述能量源装置、所述氢产生装置和所述氢燃料用户装置，以确定、控制和供应来自所述氢产生装置的氢；其中所述氢燃料用户装置包括位于从由一办公室、车间、工厂、仓库、商厦、公寓及连接、半连接或分开的住处组成的群中选择的至少一建筑结构内或与之关联的多个地区区域，其中所述地区区域中的至少一个具有连接至如上所定义的所述数据收集、存储、控制和供应装置的区域数据控制和供应装置。数据收集、存储、控制和供应装置供应来自所述氢产生装置的氢给所述地区区域。
本发明还提供一种如上所定义的网络，其中至少两所述地区区域中的每一个具有区域数据控制和供应装置，和一构建数据控制及供应装置，它们被连接至(i)所述数据收集、存储、控制和供应装置，和(ii)在一互连网络中的至少两所述地区区域数据控制和供应装置中的每一个，以确定、控制和供应来自所述氢生成装置的氢给所述地区区域。
图6是图5的控制程序的一电池块控制环路的逻辑方框图；图7是代表

图1的实施例和另一定义的用户网络之间的相互关系的本发明的一实施例的概略性方框图；且其中相同的数字表示相同的部分。
根据本发明的优选实施例的详细描述图1表示提供本发明的一广义方面的实施例，具有一氢产生源10，由能量源12供能，该能量源12可以是一发电厂、或一天然气、汽油或甲醇重整厂或其组合。一控制单元14和若干用户16分别通过硬件输入和输出分布导线18、20和电数据传输线22被适当地连接。
用户16确定通过例如(i)使用信用卡、(ii)使用智能卡、(iii)使用声音激活系统、(iv)经前面板控制手动激活、(v)使用电子、电、或无线红外数据传输系统来在网上登记氢需求所发送的对氢的需求。一旦接收到该需求，控制器14确定相对于被请求的氢的数量的该请求的性质、传送氢的时间、相对于温度、压力、纯度等类似指标的传送氢的条件以及被请求的氢的传送速率。该氢需求的初始定义可通过一单个的控制器14，如在该实施例中所说明的，或通过在一网络中互连的多个控制器14而被执行，该网络具有例如一主干(bavkbone)(图1A)、毂/星(hub/star)(图1B)或环(图1C)的形式的构造以允许在所有的用户之间进行相互通信。
一旦接收到一需求，控制器14确定相对于可用的能量的数量、可用的功率的性质、能量的时间可用性、可用的能量源的类型、能量的每增量的单位价格的，所互连的能量源12的可用性，并将其与所要求的能量进行比较以生成用户16的氢需求。
一旦接收到该需求，控制器14还确定网络上所有氢产生源10的状态。该些初始核查包括作为额定容量的％使用的氢源的当前状态、产生已知数量的氢的额定容量和能耗的数量。该些初始核查还包括监视用于开始该氢产生源的处理参数和处理阀以及电开关状态。
在控制器14确定网络上的氢产生源10的初始状态、用户16的氢需求和能量源12的性质及可用性后，控制器14然后启动氢产生源10的开始序列以满足用户16的以最低可能的成本的能量源12的可用性为条件的需求。控制器14保证对于用户16以较佳的成本的来自能量源12的能量以允许氢流过管道20。在沿管道20被提供给用户16的氢的生成中，单元10消耗能量。
在上述说明的任何操作参数中或在产品气体的质量/纯度中的任何不正确指示的状态将导致在控制器14中改变或中断氢源10的工作直至达到一正确的状态。控制器14还可间断地(on or off)调整在网络上的多个氢产生源以满足用户16的需求以使成功地完成用户16的氢需求以对于用户以最小的成本、最低的纯度所规定的最小的时间量上，以最小的传输速率提供最少量的氢。
一旦接收到来自用户16的关于他们的要求已被成功地满足的通知时，控制器14指令氢产生源10取消操作并将对电需求的修改的变化通知给能量源12。
还参照图1A，图1A说明了在控制器14的引导下沿将氢产生源10、用户16连接至能量源12的导管22的多个用户16之间的数据流动关系。图1A确定了一“主干”用于从控制器14到各所述用户16的数据的通信。
在图1B中，在用户16和控制器14之间的相互关系的替换性实施例被视作为一星/毂，在图1C中视作为一环，且主干、星/毂和环的组合也是可能完成用于如图1中所示的数据的流动和交换的网络化环境的。
现参照图2，以如相对于图1的实施例所述的模拟的方式进行描述，用户16确定对氢的一需求，该氢自电能量源22，在控制器14的控制下由多个单独的电解器10提供图2示出了总地示为200的根据本发明的一能量网络，该能量网络200具有连接至对应的用户设备，在地上或地下或车辆存储器16的多个氢燃料生成电解器10。在控制器14的控制下，电能根据要求从功率网源(power grid source)22被单独地或集合地通过导线18提供给电池10，并通过管道20将氢提供给用户16。控制及供应控制器14接收来自电池10和用户设备16的信息作为燃料要求和装载情形要求。控制器14还激活将要求的电馈送给电池10用于所要求的氢生成。对电池的开始时间、持续时间和电功率电平也由中央控制器14控制。关于氢燃料容器的体积、其中的氢压力和补充中压力改变的速率的信息被实时地测量。控制器14还包括数据存储装置，可自其取出、读取或加入信息。可进行实时和存储的数据的迭代及算术处理及通过实时处理这些数据而实现适当的过程控制。
更详细地参照图2，用户16确定一对氢的需求且可通过(i)使用信用卡、(ii)使用智能卡、(iii)使用声音激活系统、(iv)经前面板控制的手动激活、(v)使用电子、电、或无线红外数据传输系统来在网上登记氢需求来发送对氢的需求。
一旦接收到该需求，网络控制器14确定相对于被请求的氢的数量、传送氢的时间、相对于温度、压力、纯度等类似指标的传送氢的条件以及被请求的氢的传送速率的该请求的性质。该氢需求的初始定义可通过一单个的控制器14，如在该实施例中所说明的，或通过在一网络中互连的多个控制器14而被执行，该网络具有例如一“毂/星”、“主干”、或“环”的构造以允许在所有的控制器14之间进行相互通信。
一旦接收到该需求，控制器14确定相对于可用的能量的数量、关于电流和电压的可用的功率的性质、能量的时间可用性、可用的电能量源的类型、电能的每增量的单位价格的，所互连的电能量源22的可用性，并将其与生成用户16的氢需求所要求的功率进行比较。
控制器14还确定网络上所有氢产生电解器源10的状态。该些初始核查包括氢源的当前状态、额定容量的％使用、对于已知的能耗的数量的产生已知数量的氢的额定容量。该些初始核查还包括监视用于开始电解器10的过程参数，具体是温度、压力、阳极和阴极电解液水平、电总线连续性、KOH浓度和处理阀以及电开关状态。
在控制器14确定网络上的电解器10的初始状态、用户16的氢需求和电源的性质及可用性后，控制器14然后启动电解器10的开始序列以满足用户16的以最低可能的成本使得电能量源22可用为条件的需求。
控制器14保证对于用户16以最佳的成本获得来自电源22的电能量以允许氢流过管道20。然后将功率提供给氢产生电解器设备10且所监视的上述过程参数以这样的方式被控制使得允许用于沿管道20被提供给用户16的氢的生成的氢产生电解器设备10进行安全操作。氧可任选地被提供给用户20或通过管道(未示出)提供给其他用户(未示出)。
在上述说明的任何操作参数中或在产品气体的质量/纯度中的任何被指示不正确的状态将导致控制器14改变或中断电解器10的工作直至达到一正确的状态。控制器14还可调整网络上的一或多个电解器以满足用户16的需求以使通过以对于用户以最小的成本、最低的纯度所规定的最小的时间量上，以最小的传输速率提供最少量的氢而成功地完成用户氢需求。
一旦接收到来自用户16的关于他们的要求已被成功地满足的通知时，控制器14指令电解器10取消操作并将电需求的修改的变化通知给电能量源22。
参见图3，示出了根据本发明的总地表示为300的一系统，该系统300具有一电解器电池10，该电解器电池10产生期望的压力P1下的源氢通过管道24馈送给压缩器26。压缩器24通过管道28将压缩的输出氢在压力P2下馈送给用户16，例示为通过一配件30连接的一车辆。电池10、压缩器26和用户16被连接至控制器14。
现参照图4，具有或不具有存储器的一对燃料器(fueller)和发生器从动控制器(HFGS)40接收用户16输入的数据。该输入可包括用户燃料需求、可用的用户燃料、可用的用户存储设备、任何存储设备中可用的燃料的水平、可用的输入功率、输入功率的类型、输入功率源的状态和百分比利用中的至少一个。该HFGS控制器40检验该数据的完整性并沿管线42经调制解调器44，及如果需要的话在转发器46的帮助下将该数据传送给一主网络控制器48。在其他实施例中，例如数据也可经无线发送、经无线电、红外、卫星或光学装置从HFGS从动控制器40发送给主网络控制器48并发送到控制网络集线器(hub)50上。
实时地，或在用户16期望稍后一些时间，可沿数据导线54以与上述类似的方式将关于可用功率类型、可用功率数量、功率使用的瞬时及趋向、瞬时需求和预测需求、峰值负载需求和储备容量的性质和类型以及能量源资产的百分比利用的能量源52的状态发送给控制网络集线器50。
实时地，或在用户16期望稍后一些时间，控制网络集线器50经主网络控制器48分析用户的状态和需要和能量源52的状态并提供一优化的算法以满足用户的需要，同时将所有在以证明的最小可接受成本上的工厂装货转移、工厂运作调度、工厂储运消耗/维护提供给用户。能量源55可访问网络的状态并通过如上所述的方法沿数据导线56将数据传送给一管理中心58，在管理中心58可执行资产利用、成本等类似数据的数据分析并动态连接回控制网络集线器50，控制网络集线器50以一优选的方式管理用户16的需求和源52的供应两者。安全屏障60可以出现在网络中的不同位置以确保机密性和特许的数据交换流给各自用户16、源52和管理中心58以保持网络的安全。
参见图5，总地示出了在该系统的运作中被实施的逻辑控制步骤，且在图6中示出了关于具体电池控制环路的根据本发明的系统的一实施例的控制程序的逻辑方框图；其中PMS-压缩机开始压力；PL-压缩机停止压力；PLL-进口低压PMO-箱全压ΔP-压力开关死区PMN-最大可允许的电池压力；及LL-最小可允许电池液体水平。
更详细地，图5示出了操作的控制程序的逻辑流程图。一旦工厂开始生产，电池10在输出压力PHO下生成氢气。该压力PHO幅值被使用以调整开始压缩机的操作。如果PHO小于10中的关于液体水平的最小压力，PLL，发生一低压警报且后随一工厂停工序列。如果输出压力PHO大于PLL，则作进一步的比较。如果输出压力PHO大于PMS，开始压缩机的最小输入压力，后者开始一启动序列。如果输出压力小于最小值PL，则开始压缩机保持在空闲(被停止)直至PHO的幅值超过PMS，以开始压缩机工作。
一旦开始启动压缩机，氢气在一或多级被压缩以达到压缩机的出口的输出压力PC。如果输出压力PC超过一安全阈值PMO，则压缩机的操作被结束。如果输出PC小于期望的最小值PMO-ΔP，压缩机运行以提供和交换氢。
图6包括总地示作为600的氢燃料补充设备的方框图，该氢燃料补充设备被使用以最小期望的压力提供氢和/或氧气。设备600包括一整流器210以将一交流信号输入转换成期望的直流信号输出，一母线212、电解电池10、分别测量管道218和220中的氧214和氢216压力的装置、用于分别控制氧222和氢224的流动的阀门装置、及一过程/仪器控制器226以用适当的工厂停工警报228确保电解电池10的期望的工作。
图6还包括一用于图5的电池块的过程流程图。一旦工厂开工，整流器210通过检查相对于压力和水平控制的工厂警报228的状态来建立安全的条件。如果该警报指示一安全的状态，电流和电压(功率)沿电池母线212被从整流器210发送到电解电池10。应用一适当的电流/电压源，在电解电池10内发生电解，将水分解成氢气和氧气。沿管道218传送氧气，其中氧气压力装置214随时监视氧气压力PO，并经回压阀222的调节来控制氧气压力。类似地，沿管道220传送氢气，其中装置216随时监视氢气压力PH，并经控制阀224来控制氧气压力。在电解电池10的工作中，在氧气侧的电池的阳极电平LO和在氢气侧的阴极电平LH经P/I控制器226被检测以提供一控制信号给阀门224以实现以期望的压力供应氢气和/或氧气。
现参照图7，用户716被确定在可能是一住宅，如在一公寓、半联体、分离住房等中，或是工业/商业建筑，如在办公室、车间、商厦、工厂、仓库等中的建筑物内的至少一地区区域718，且该用户确定需要氢。该用户716可通过(i)使用信用卡、(ii)使用智能卡、(iii)使用电子、电、或无线红外数据传输来将一氢需求登记至例示为区域数据控制和提供装置的一区域控制器720。
一旦接收到该需求，区域控制器720确定相对于被请求的氢的数量、传送氢的时间、相对于温度、压力、纯度等类似指标的传送氢的条件、氢的最后利用目的以及被请求的氢的传送速率的该请求的性质。该氢需求的初始定义可通过一单个的控制器720，或通过在一网络中互连的多个控制器720而被执行，如图1A-1C所示，该网络具有例如一“毂”、“星”、“主干”、或“环”的构造以允许经总线722在所有的控制器720到一例示为构筑数据及控制供应装置的单元控制器721之间的相互通信。
一旦单元控制器721接收到来自区域控制器720的网络的该需求，单元控制器721通过查询与之互连的一网络控制器14的状态，确定相对于可用的能量的数量、可用的功率的性质、能量的时间可用性、可用的能量源的类型、能量的每增量的单位价格的，对单元716可用的所有能量源12的可用性，并将其与生成氢所要求的能量、可用的能量源类型、能量的每增量的单位价格进行比较并将其与由所有单元716和后继区域718要求的氢生成所需的能量进行比较。
一旦接收到该需求，网络控制器14还确定网络上所有氢产生源10的状态。该些初始核查包括氢源的当前状态、额定容量的％使用、对于已知的能耗的数量的产生已知数量的氢的额定容量并监视用于起始氢产生源的过程参数、处理阀以及电开关状态。网络控制器14然后启动氢产生源10的开始序列以满足用户716及后继区域718的以最低可能的成本使得电能量源12可用为条件的需求。
网络控制器14保证对于用户718以最佳的成本的大量来自能量源12的能量并更新单元控制器721和区域控制器720以允许氢流过管道724。然后消耗来自能量源12的能量以经用于产生氢和氧气的氢产生源10产生氢，通过单元716和718区域提供给用户。
从管道724流至单元716的氢由单元控制器721监视，该单元控制器721还控制单元716内的氢的分布。氢可流动以使进入存储单元726用于以后由一区域718使用，且可沿管道728流动到一直接转换装置730用于经一燃料电池及类似元件(未示出)将氢转换成电力用于在单元716内作进一步的中央分布。通过一间接转换装置732，例如锅炉、炉子、蒸汽发生器、汽轮机等类似装置可将其进一步转换成热量和/或电力用于在单元716内作进一步的中央分布且可沿管道728直接输送到一区域718。
沿管道728流到区域718的氢还通过单元控制器721、区域控制器720和区域控制器734沿数据总线736被监视，区域控制器734还控制区域718内的氢的分布。该区域内的氢可流动以使进入区域718内的一直接738或间接740转换装置用于经一炉子、加热器及类似装置(未示出)转换成电力或热量。
在另一实施例中，网络控制器722选定一特定类型的能量源12以购买可通过管道742、724、726传送的电力以使直接到达区域718，在区域718中通过一电解器744转换成氢，用于在区域控制器720的引导下，在区域718的地区范围内生成氢供如上所述的直接738或间接740转换装置使用。
在任何如上所述的操作参数中或产品气体的质量/纯度中的任何表示为不正确的状态将导致网络控制器14、单元控制器721、和区域控制器720改变或中断氢源10和744，以及氢转换装置730、732、738、740的工作直至达到一个正确的状态。控制器14、721、和734还可调整网络上的一或多个氢产生源以满足用户716、718的需求以使成功地完成用户716、718的需求以对于用户716、718以最小的成本、最低的纯度所规定的最小的时间量上，以最小的传输速率提供最少量的氢，且任选地对氢需求进行时间调度。
一旦接收到来自用户716、718的关于他们的要求已被成功地满足的通知时，控制器14、721和720指令氢产生源10、744取消操作并将电需求的修改的变化通知给能量源22，且任选地对氢需求进行时间调度。
线746表示用于整装单独区域电解器的直接能量源。
尽管对本发明的某些优选实施例进行了描述和图示，可理解本发明并不局限于这些具体实施例。本发明应包括作为已被描述和图示的特定实施例及特征的功能上或机械上等效的所有实施例。
权利要求
1.一种用于提供氢燃料给一用户的能量分布网络，包括(a)能量源装置；(b)氢产生装置，接收来自所述能量源装置的所述能量；(c)氢燃料用户装置，接收来自所述氢产生装置的氢；及(d)数据收集、存储、控制和供应装置，连接至所述能量源装置、所述氢产生装置和所述氢燃料用户装置，以确定、控制和供应来自所述氢产生装置的氢。
2.根据权利要求1所述的网络，其中所述能量源装置包括电力供应装置。
3.根据权利要求1或2所述的网络，其中所述氢产生装置包括一或多个水电解器。
4.根据权利要求1至3中任一所述的网络，其中所述水电解器装置包括多个水电解器。
5.根据权利要求4所述的网络，其中所述氢燃料用户装置被连接至各所述水电解器中的至少之一。
6.根据权利要求1至5中任一所述的网络，其中所述数据控制及供应装置被连接至所述水电解器装置。
7.根据权利要求1至6中任一所述的网络，其中所述数据装置被连接至所述氢燃料用户装置。
8.根据权利要求1至7中任一所述的网络，其中所述数据及信息控制被连接至该能量源装置。
9.根据权利要求1至8中任一所述的网络，包括数据存储装置。
10.根据权利要求1至9中任一所述的网络，其中所述数据装置包括用于提供自一群中选择的信息数据的装置，该群包括所述能量源的传输量、传输时间及持续时间；对所述氢产生装置的氢产生的预测及其氢产生；所述用户存储装置内的氢压力及其变化率；及用户存储装置的容量。
11.根据权利要求3所述的网络，其中所述数据装置包括用于提供自一群选择的信息的装置，该群包括(a)所述用户从所述电解器要求的氢量；(b)电能传输到所述电解器装置的时间；(c)所述能量将被传输到所述电解器装置的周期的持续时间；(d)待被发送到所述电解器装置的能级；(e)所述用户存储装置的氢压；(f)所述用户存储装置内的氢压的变化率；(g)用户存储装置的容量；及(h)电力的“实时”价格及价格预测。
12.根据权利要求11所述的网络，其中所述信息包括(i)所述能量源装置对所述电解器装置的调整类型或能级率；及(ii)从生成的矿物燃料、水电、原子、太阳及风中选择的电能的类型。
13.根据权利要求1至12中任一所述的网络，包括(i)电解电池，用于提供源氢；(ii)压缩装置，用于提供在输出压力下的输出氢；(iii)用于将所述源氢馈送给所述压缩器装置的装置；(iv)用于将所述输出氢馈送给所述用户的装置；(v)控制装置，用于当所述输出压力降至一选择的最小值时，激活所述电池以提供所述源氢；及(vi)用户激活装置，用于可操作地激活所述控制装置。
14.根据权利要求13所述的网络，其中所述电解电池包括所述压缩装置，从而所述输出氢包括源氢且所述装置(iii)由所述电池构成。
15.根据权利要求13所述的网络，其中所述电解电池包括一氢燃料适用设备，其中所述装置(iv)包括可连接至一车辆的车辆连接装置以将所述输出氢作为燃料提供给所述车辆。
16.根据权利要求1至15中任一所述的网络，还包括连接至所述用户存储装置的能量生成装置以将来自所述存储的氢的能量提供给所述用户。
17.根据权利要求16所述的网络，其中所述能量生成装置包括电力生成装置以生成电力。
18.根据权利要求17所述的网络，其中所述网络包括一局域、广域或国家区域电力分布网络的电导线。
19.根据权利要求16所述的网络，其中所述能量生成装置包括用于提供热能的氢燃烧装置。
20.根据权利要求16所述的网络，其中所述用户是一用于车辆的内燃机。
21.根据权利要求16所述的网络，其中所述用户是一电力生成燃料电池。
22.根据权利要求1至21中任一所述的网络，其中所述氢燃料用户装置包括位于从由一办公室、车间、工厂、仓库、商厦、公寓及连接、半连接或分开的住处组成的群中选择的至少一建筑结构内的或与之关联的多个地区区域，其中所述地区区域中的至少一个具有连接至如权利要求1(d)中所定义的所述数据收集、存储、控制和供应装置的区域数据控制和供应装置。
23.根据权利要求22所述的网络，其中至少两所述地区区域中的每一个具有区域数据控制和供应装置，和一建筑数据控制及供应装置，它们被连接至(i)所述数据收集、存储、控制和供应装置，和(ii)在一互连网络中的至少两所述地区区域数据控制和供应装置中的每一个，以确定、控制和供应来自所述氢生成装置的氢给所述地区区域。
24.根据权利要求22所述的网络，其中所述地区区域还包括从一群中选择的氢转换或生成设备，及存储设备，该群由燃料电池、锅炉、炉子、蒸汽发生器、涡轮/电机发生器、催化转换器和氢产生燃料电池组成。
全文摘要
一种用于提供氢燃料给一用户的能量分布网络,包括能量源装置;氢产生装置,接收来自所述能量源装置的所述能量;氢燃料用户装置,接收来自所述氢产生装置的氢;及数据收集、存储、控制和供应装置,连接至所述能量源装置、所述氢产生装置和所述氢燃料用户装置,以确定、控制和供应来自所述氢产生装置的氢。最好,该网络包括一或多个水电解器并提供用作为车辆、燃料电池、电和热发生器等的燃料的氢的分布。
文档编号C25B15/02GK1350506SQ00807471
公开日2002年5月22日 申请日期2000年4月28日 优先权日1999年5月12日
发明者马修·J·费尔利, 威廉·J·斯图尔特, 安德鲁·T·B·斯图尔特, 史蒂文·J·索普, 查利·东 申请人:斯图尔特能源系统公司