СПОСОБ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ МОДУЛЬНОЙ КОМПОНОВКИ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ ЯЧЕЕК Российский патент 2025 года по МПК H01M16/00 C25B1/02 C25B15/02 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к области управления технологическими процессами, разработанными для сложных систем, имеющих как электрические, так и механические компоненты. В частности, настоящее изобретение относится к системам управления электролизным оборудованием, которое связано с переменным источником мощности, таким как возобновляемый источник энергии.

Уровень техники

[0002] Современная генерация электроэнергии представляет собой сложное сочетание различных технологий. Диспетчеризируемая генерация, такая как теплоэнергетика на угле и газе или гидроэнергетика, может быть дополнена недиспетчеризируемыми источниками, такими как солнечная энергия (фотоэлектрическая и/или солнечно-тепловая) или энергия ветра. Эти недиспетчеризируемые источники энергии по определению являются нестабильными, демонстрируя различную выходную мощность в зависимости от сиюминутных местных погодных условий, времени суток и времени года.

[0003] Для продолжения снижения возможного воздействия на окружающую среду производители электроэнергии переходят к более высоким уровням возобновляемой генерации и сокращают или постепенно отказываются от использования традиционных источников энергии в виде ископаемого топлива. По сравнению с диспетчеризируемой генерацией, недиспетчеризируемые источники генерации, такие как солнечная энергия, демонстрируют большую нестабильность доступности электроэнергии из-за характера их способа получения энергии из окружающей среды. По этим причинам нецелесообразно полагаться на возобновляемые источники электроэнергии для базовой нагрузки без аккумулирующей системы «подкрепления нагрузки», которая обеспечивает буферизацию между генератором и потребителем для регулирования поставок и гарантирует постоянную доступность электроэнергии.

[0004] Кроме того, усилия по обеспечению «автономных» безуглеродных электроэнергетических систем все больше зависят от локализованных систем солнечной генерации для обеспечения возобновляемых источников энергии.

[0005] Для обеспечения подкрепления нагрузки переменных источников энергии традиционно используются электрохимические аккумуляторы. К недостаткам электрохимических аккумуляторов относятся высокие капитальные затраты, воздействие на окружающую среду при добыче сырья для новых аккумуляторов, низкая плотность энергии по сравнению со сжиганием или катализом горючих материалов, а также существенные проблемы безопасности, связанные с эксплуатацией больших аккумуляторных батарей. По этим причинам все более широко используются альтернативные технологии накопления энергии, такие как накопление газообразного водорода. Технология накопления водорода представляет собой экологически чистую альтернативу традиционным электрохимическим аккумуляторам.

[0006] Существует множество способов получения газообразного водорода из различного сырья. Способом, относящимся к настоящему изобретению, является электролиз воды. Способы производства газообразного водорода электролизом воды хорошо зарекомендовали себя. Оборудование для электролиза воды в промышленных масштабах широко доступно, и технология является освоенной.

[0007] Одним из решений для стабилизации переменного характера недиспетчиризируемых генераторов энергии является их связь с системами производства/хранения газообразного водорода, таким как вышеописанное электролизное оборудование, простым, надежным и эффективным образом. Система производства газообразного водорода действует как буфер для недиспетчеризируемого источника энергии, поглощая избыточную энергию, когда предложение превышает спрос, и преобразуя избыточную энергию в газообразный водород. И наоборот, когда спрос на электроэнергию превышает предложение, газообразный водород можно переработать для выработки электроэнергии (например, с помощью топливного элемента) и, таким образом, перекрыть нагрузку. Такие буферные системы на основе водорода могут обеспечить стабильное и надежное электроснабжение конечных потребителей экологически безопасным образом.

[0008] Электролизные системы, используемые для получения газообразного водорода (как говорилось выше), чувствительны к входному напряжению каждой электролизной ячейки, что влияет как на чистоту получаемого газа, так и на эффективность производства. Работа в условиях пониженного напряжения (когда к электролизной ячейке приложено в самой малой степени недостаточное напряжение) приводит к «отравлению» производства водорода, в результате чего может образовываться нежелательный газообразный кислород, влияющий на чистоту потока газообразного водорода. Условия избыточного напряжения (когда напряжение, прилагаемое к электролизной ячейке, значительно превышает требуемое напряжение активации) приводят к снижению эффективности ячейки из-за внутреннего нагрева ячейки.

[0009] Недиспетчеризируемые источники энергии, такие как солнечная энергия, имеют постоянно изменяющиеся выходные параметры и не обеспечивают стабильного напряжения, необходимого для эффективной работы электролизной системы без вмешательства. Таким образом, сохраняется потребность в использовании буферов в связи с недиспетчеризируемыми источниками электроэнергии.

Сущность изобретения

[0010] В настоящем изобретении раскрывается система управления ступенчатым функционированием модульной системы электролизеров, обеспечивающая надежную и эффективную эксплуатацию, за счет гарантии того, что оптимальное суммарное напряжение, необходимое ячейкам в этой системе, постоянно согласуется с переменным входным напряжением, например, обеспечиваемым недиспетчеризируемыми электрогенерирующими системами, такими как солнечные и ветряные генерирующие системы.

[0011] Одним из аспектов настоящего изобретения является способ функционирования электролизерной системы, содержащей множество электролизных ячеек. Способ согласно этому аспекту изобретения включает в себя способ, содержащий измерение напряжения, генерируемого источником электроэнергии, и сравнение измеренного напряжения с оптимальным напряжением электролизера. Оптимальное напряжение электролизера содержит произведение рабочего напряжения для одной из множества электролизных ячеек и числа электролизных ячеек из множества электролизных ячеек, электрически подключенных к источнику электроэнергии. Когда измеренное напряжение превышает оптимальное напряжение электролизера, к источнику электроэнергии подключают по меньшей мере одну дополнительную электролизную ячейку. Когда измеренное напряжение падает ниже оптимального напряжения электролизера, отключают по меньшей мере одну электролизную ячейку от источника электроэнергии.

[0012] Некоторые варианты осуществления дополнительно включают в себя, когда измеренное напряжение превышает оптимальное напряжение электролизера, гидравлическое подключение по меньшей мере одной дополнительной электролизной ячейки к источнику раствора электролита и к коллектору произведенного газа. Когда измеренное напряжение падает ниже оптимального напряжения электролизера, по меньшей мере одну электролизную ячейку изолируют от источника раствора электролита и от коллектора произведенного газа.

[0013] Некоторые варианты осуществления дополнительно содержат, когда измеренное напряжение превышает оптимальное напряжение электролизера, гидравлическое подключение по меньшей мере одна дополнительной электролизной ячейки либо к линии отходов, либо к линии добавочного газообразного продукта в течение заданного периода времени до подключения по меньшей мере одной дополнительной электролизной ячейки к коллектору произведенного газа.

[0014] Некоторые варианты осуществления дополнительно содержат зарядку устройства накопления электрической энергии, когда измеренное напряжение превышает оптимальное напряжение электролизера менее чем на величину, при которой подключают по меньшей мере одну дополнительную электролизную ячейку, и разрядку устройства накопления электрической энергии, когда измеренное напряжение падает ниже оптимального напряжения электролизера менее чем на величину, при которой по меньшей мере одну электролизную ячейку отключают.

[0015] В некоторых вариантах осуществления источником электрической энергии является источник электроэнергии с переменной выходной мощностью.

[0016] В некоторых вариантах осуществления источник электроэнергии содержит по меньшей мере одно из фотоэлектрического генератора, солнечного теплового генератора и ветрогенератора.

[0017] Система накопления энергии, предназначенная для использования с источником электроэнергии с переменной выходной мощностью в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, включает в себя множество электролизных ячеек, каждая из которых содержит вход для раствора электролита, клапаны, выполненные с возможностью подключения выхода для газообразного водорода каждой электролизной ячейки к линии газообразного продукта, и выключатели, выполненные с возможностью электрического подключения ячейки к источнику электроэнергии с переменной выходной мощностью. К источнику электроэнергии с переменной выходной мощностью подключена цепь измерения напряжения. Предусмотрен контроллер, соединенный с возможностью передачи сигналов с цепью измерения напряжения, клапанами и выключателями. Контроллер выполнен с возможностью вычисления числа электролизных ячеек из множества электролизных ячеек, подлежащих активации или деактивации в зависимости от разницы между измеренным напряжением и оптимальным напряжением. Контроллер выполнен с возможностью управления выключателями и клапанами для числа электролизных ячеек из множества электролизных ячеек, подлежащих активации или деактивации в зависимости от измеренного напряжения.

[0018] В некоторых вариантах осуществления контроллер выполнен с возможностью управлять клапанами для подключения выхода для газообразного водорода каждой из числа активированных электролизных ячеек к линии газообразных отходов или к линии добавочного газообразного продукта в течение заданного периода времени до срабатывания клапанов для подключения выхода для водорода каждой из числа электролизных ячеек к линии газообразного продукта.

[0019] Некоторые варианты осуществления дополнительно содержат устройство накопления электроэнергии, электрически подключенное к источнику электроэнергии с переменной выходной мощностью и электрической нагрузке. Устройство накопления электроэнергии электрически подключено к множеству электролизных ячеек, при этом устройство накопления электроэнергии заряжается, когда измеренное напряжение превышает оптимальное напряжение электролизера менее чем на заданную разницу, при которой контроллер действует для подключения по меньшей мере одной дополнительной электролизной ячейки. Устройство накопления электроэнергии разряжается, когда измеренное напряжение падает ниже оптимального напряжения электролизера, менее чем на величину, при которой контроллер действует для отключения по меньшей мере одной электролизной ячейки.

[0020] В некоторых вариантах осуществления устройство накопления электроэнергии содержит аккумулятор или конденсатор.

[0021] В некоторых вариантах осуществления аккумулятор содержит электрохимический аккумулятор.

[0022] Другие аспекты и возможные преимущества станут очевидны из нижеследующих описания и формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

[0023] На фиг. 1 показан график зависимости эффективности электролизной ячейки от напряжения, приложенного к ячейке.

[0024] На фиг. 2 показана блок-схема способа управления числом ячеек электролизера в зависимости от выходной мощности переменного источника электроэнергии.

[0025] На фиг. 3 показана блок-схема работы системы управления в соответствии с настоящим изобретением.

[0026] На фиг. 4 показан примерный вариант осуществления клапанов, используемых для гидравлического подключения и отключения электролизных ячеек для осуществления продувки ячеек при запуске.

Осуществление изобретения

[0027] Настоящее изобретение обеспечивает способ и систему управления множеством электролизных ячеек, производящих водород, для обеспечения оптимальной работы при наличии источника электроэнергии с изменяющимися выходными параметрами.

[0028] Применяемые критерии включают в себя управление системой производства водорода и ее взаимодействие с переменным источником электроэнергии для обеспечения того, чтобы напряжение, подаваемое на каждую электролизную ячейку в системе, оставалось в идеальном диапазоне для поддержания оптимальной работы электролизных ячеек. «Переменный» в том смысле, в каком этот термин применяется к источнику электроэнергии в настоящем изобретении, означает, что выходные параметры источника электроэнергии являются результатом подвода энергии, который не является управляемым со стороны человека, например, генераторы электроэнергии, работающие на ветровой и/или солнечной энергии (фотоэлектрические или тепловые).

[0029] На фиг. 1 показана «кривая эффективности» примерной электролизной ячейки в зависимости от напряжения, приложенного к электролизной ячейке. Эффективность измеряется как количество газообразного водорода, вырабатываемого на единицу электроэнергии, подводимой к электролизной ячейке. Более низкое, чем оптимальное, приложенное напряжение приводит к неэффективности электролизной ячейки из-за образования нежелательных газов, таких как кислород, загрязняющих поток газообразного продукта (водорода). Более высокое, чем оптимальное, приложенное напряжение снижает эффективность производства из-за чрезмерного внутреннего нагрева ячейки, что приводит к потерям энергии.

[0030] В настоящем изобретении обеспечена система управления, которая может быть реализована в виде компьютерной программы, размещенной на подходящем микрокомпьютере, процессоре, программируемой вентильной матрице, программируемом логическом контроллере или любом другом подходящем цифровом процессоре. Компьютерная программа может быть разработана для получения критериев, изложенных выше. Система управления, например, компьютерный алгоритм, реализованный на любом из вышеупомянутых процессоров или контроллеров (далее, для удобства, «контроллер»), может быть разработана для управления электролизной системой, состоящей из по меньшей мере одной электролизной ячейки, однако принципы, представленные здесь, могут быть применены к любому числу ячеек в любом конкретном варианте осуществления электролизной системы.

[0031] Указанная по меньшей мере одна электролизная ячейка может быть регулируемым образом электрически подключена к источнику электроэнергии с помощью соответствующих выключателей, управляемых контроллером. По меньшей мере одна электролизная ячейка может быть гидравлически связана с линией или потоком газообразного продукта с помощью соответствующего клапана (клапанов), таких как электрические соленоидные (электромагнитные) клапаны, которыми также может управлять контроллер. При надлежащей работе выключателей и клапанов для подключения и отключения по меньшей мере одной электролизной ячейки при достижении определенных критериев, эффективную мощность подключенной электролизной ячейки электролизной системы можно динамически регулировать в зависимости от изменяющегося входного напряжения от переменного источника электроэнергии, оптимизируя работу электролизной системы.

[0032] Электролизная система, раскрытая в настоящем документе, разработана с учетом различных эксплуатационных соображений, влияющих на производительность отдельных электролизных ячеек в электролизной системе, включая время отклика при остановке и запуске электролизных ячеек, а также соображений чистоты газообразного водорода.

[0033] Функциональность контроллера и его взаимодействия с электролизной ячейкой (ячейками) и переменным источником электроэнергии можно описать следующим образом. Основным входным параметром для контроллера является измеренное доступное напряжение электропитания от переменного источника электроэнергии. Контроллер оценивает измеренное напряжение, число работающих и бездействующих электролизных ячеек и выполняет инструкции по подключению или отключению одной или более электролизных ячеек, как гидравлически, так и электрически, от активной части электролизной системы на основании измеренного доступного напряжения электропитания.

[0034] Электролизные ячейки в многоячеечной электролизной системе могут быть расположены в электрических группах таким образом, чтобы напряжение питания, подаваемое на каждую группу, равномерно распределялось между ячейками. Каждая электролизная ячейка имеет известный предпочтительный диапазон рабочего напряжения, как поясняется, в частности, при рассмотрении фиг. 1. Такой диапазон рабочего напряжения запрограммирован в контроллере. Каждая ячейка связана с контроллером с помощью одного или более электрических выключателей и соответствующих клапанов. Контроллер, по мере необходимости, может воздействовать на эти выключатели и клапаны для подключения/отключения каждой отдельной ячейки электролизера от электролизной системы.

[0035] В одном из примерных вариантов осуществления, как показано на фиг. 2, напряжение электропитания от переменного источника электроэнергии подается на по меньшей мере одну электролизную ячейку. Если к электролизной системе подключено более одной электролизной ячейки, каждая из которых в настоящем примерном варианте осуществления может быть выполнена так, чтобы иметь одинаковое сопротивление ячейки и скорость выхода газа, чтобы быть активной, то напряжение электропитания может быть равномерно распределено между подключенными ячейками (поскольку все они имеют одинаковое электрическое сопротивление). Подключенные ячейки могут быть объединены в одну или более рабочих групп. Контроллер выполнен с возможностью управления числом подключенных и работающих ячеек таким образом, чтобы напряжение отдельных ячеек оставалось в заданном диапазоне, способствуя оптимальной производительности подключенных ячеек.

[0036] Напряжение электропитания измеряют, согласно поз. 20, и сравнивают, согласно поз. 22, с требуемым напряжением для каждой ячейки во всех рабочих ячейках рабочей группы. По мере повышения напряжения питания, напряжение отдельных ячеек также будет расти. Как только измеренное напряжение и, следовательно, напряжение отдельных ячеек превысит допустимый диапазон, согласно поз. 26, контроллер воздействует на вышеописанные клапаны и выключатели, чтобы подключить по меньшей мере одну бездействующую ячейку, согласно поз.28, чтобы ввести такую ячейку в работу. Если по меньшей мере одна ячейка уже работает, то активированная бездействовавшая ячейка станет частью рабочей группы ячеек и будет соответственно потреблять ток от переменного источника электроэнергии. Добавление еще одной ячейки или ячеек к рабочей группе эффективно снижает напряжение каждой отдельной ячейки, распределяя доступное напряжение между большей группой ячеек. Аналогично, когда измеряемое напряжение падает, контроллер будет действовать противоположным образом, то есть отключит одну или более ячеек от набора или рабочей группы активно работающих ячеек. Когда измеренное напряжение падает ниже допустимого диапазона по отношению к числу активно работающих ячеек, согласно поз. 24, контроллер воздействует на клапаны и выключатели, чтобы отключить по меньшей мере одну рабочую ячейку от рабочей группы, согласно поз.32. Исключение по меньшей мере одной ячейки из рабочей группы эффективно увеличивает напряжение каждой отдельной ячейки, распределяя доступное напряжение между меньшей группой активно работающих ячеек. Если измеренное напряжение соответствует числу работающих ячеек, как показано согласно поз. 30, контроллер ничего не делает в отношении данного числа рабочих ячеек в рабочей группе.

[0037] Основная работа системы управления показана в виде блок-схемы на фиг.3. Измеряют напряжение в системе электролизной ячейки от переменного источника электроэнергии, согласно поз. 40. Примерный вариант осуществления измерения напряжения от переменного источника электроэнергии и передачи измерений на контроллер показан на фиг. 4. Продолжим рассматривать фиг. 3, где измеренное напряжение может называться напряжением устройства V_D. Согласно поз. 42, если измеренное напряжение ниже значения или диапазона допустимых напряжений системы (V_AL), то вычисляют число ячеек для отключения от системы, согласно поз. 44. Согласно поз. 46, размыкают электрический выключатель, подключающий электроэнергию к каждой из одной или более ячеек, выбранных для отключения, останавливая протекание тока через такую ячейку (ячейки). Таким выключателем (выключателями) могут быть реле, электромеханические выключатели, такие как электромагнитные выключатели, твердотельные выключатели или любые другие подходящие управляемые устройства прерывания тока. Примерный вариант осуществления таких выключателей и управления ими посредством контроллера можно видеть на фиг. 4. Продолжим рассматривать фиг. 4, согласно поз. 48, один или более соответствующих клапанов, управляющих подачей водного раствора электролита в каждую соответствующую ячейку, можно закрыть, чтобы остановить поток раствора электролита к электрически отключенной ячейке (ячейкам). Также согласно поз. 48, можно закрыть один или более соответствующих клапанов, управляющих перемещением газообразных продуктов из одной или более отключенных ячеек.

[0038] Напряжение можно измерять, также согласно поз. 40, в любой подходящий заданный интервал времени или непрерывно.

[0039] Согласно поз. 50, если измеренное напряжение больше, чем значение или диапазон допустимых напряжений системы (V_A,U), то вычисляют число ячеек для активации в системе, согласно поз. 52. Согласно поз. 54, один или более клапанов для каждой активируемой ячейки можно использовать для направления произведенного газа из активируемой ячейки (ячеек) в линию отходов. Согласно поз. 56, можно использовать клапан (клапаны) для подключения одной или более ячеек к потоку раствора электролита, чтобы обеспечить такой поток к одной или более ячейкам. Согласно поз. 58, можно замкнуть соответствующие выключатели для одной или более ячеек, чтобы начать выработку газа из такой одной или более ячеек. Согласно поз. 60, одна или более ячеек могут работать в режиме «продувки» в течение заданного интервала времени, чтобы обеспечить очистку загрязненного газа из потока производимого газа от одной или более ячеек. Согласно поз. 62, когда временной интервал режима продувки закончится, один или более клапанов могут быть задействованы, согласно поз. 62, для направления произведенных газов в поток произведенного газа или продукта.

[0040] Любой конкретный вариант осуществления системы и способа в соответствии с настоящим изобретением может включать в себя подключение и отключение многоячеечных групп электролизерных ячеек в зависимости от измеренного напряжения питания системы, в отличие от или в сочетании с переключением отдельных ячеек в рабочей группе. Процессы электрической и механической изоляции в настоящем примерном варианте осуществления следуют тем же принципам, что и вариант осуществления, поясняемый со ссылкой на фиг. 3, хотя детали того, как получены функции переключения и управления клапанами, могут отличаться для различных конкретных вариантов осуществления. Эти детали не являются критически важными для концептуальной работы системы управления.

[0041] При запуске по меньшей мере одной электролизной ячейки, как поясняется на фиг. 3, можно учитывать чистоту газообразных продуктов, в частности газообразного водорода. Очень высокий уровень чистоты (>99%) необходим для того, чтобы газообразный продукт был пригоден для последующих процессов, таких как сжигание или каталитическое производство электроэнергии (топливные элементы). Чистота газа, скорее всего, будет нестабильной во время запуска ячейки из-за образования загрязняющих газ веществ во время запуска.

[0042] Для решения проблемы загрязнения газа, образующегося при запуске ячейки, система управления может включать в себя ряд действий и временных задержек, которые срабатывают при запуске по меньшей мере одной ячейки, то есть режим продувки, поясняемый при рассмотрении фиг. 3. Действия и временные задержки служат для очистки системы от загрязнений. Как показано на фиг. 4, режим продувки может функционировать следующим образом.

[0043] Каждая электролизная ячейка 1 имеет по меньшей мере один поток 2 газообразного продукта (Н₂) и поток 3 отходов или добавочного газообразного продукта (O₂). Поток 3 газообразных отходов может быть подключен через клапан 4, например, двухходовой клапан, к коллектору 5 потока отходов. Клапан 4 может быть клапаном с электроприводом, электромагнитным клапаном или использовать любой другой подходящий тип исполнительного механизма М с силовым приводом, так что система управления, например, реализованная в контроллере 30, может генерировать соответствующие управляющие сигналы для управления клапаном 4 и другими клапанами для каждой ячейки или группы ячеек. Поток 2 газообразного продукта может выборочно подключаться с помощью клапана 6, например, трехходового клапана, либо к коллектору 5 потока отходов, либо к коллектору 7 потока продукта. Трехходовой клапан также может иметь исполнительный механизм М с силовым приводом, например, исполнительный механизм с электродвигателем или с электромагнитным приводом. Несмотря на то, что показан трехходовой клапан, следует отметить, что та же функция может быть обеспечена двумя двухходовыми клапанами, устанавливающими соответствующие соединения, как показанный трехходовой клапан. Впускной клапан 9 электролита может быть открыт для обеспечения перемещения раствора электролита в ячейку 1 из коллектора 8 обратного потока электролита при активации ячейки. В ином случае впускной клапан 9 может быть закрыт.

[0044] Контроллер 30 может быть реализован с использованием любого подходящего электронного управляющего устройства, например, микрокомпьютера, микропроцессора, программируемой вентильной матрицы, специализированной интегральной схемы или любой комбинации аналоговых средств управления, которые могут выполнять функции и операции, раскрытые в настоящем документе.

[0045] При добавлении ячейки 1 или группы ячеек в рабочую группу, трехходовой клапан 6 может быть закрыт для коллектора 7 потока продукта и открыт для коллектора 5 потока отходов. Таким образом, любой «газообразный продукт», производимый ячейкой 1 и выпускаемый в поток 2 газообразного продукта, который может содержать или не содержать загрязняющие вещества, будет направляться в коллектор 5 потока отходов. Это гарантирует, что газ более низкого качества, произведенный при запуске, не будет направлен в коллектор 7 потока продукта.

[0046] По истечении заданного периода времени, который может быть определен в программном обеспечении системы управления для компьютерно-реализованных версий системы управления, цикл продувки завершается. Затем трехходовой клапан 6 можно закрыть для коллектора 5 потока отходов и открыть для коллектора 7 потока продукта, направляя поток 2 газообразного продукта в коллектор 7 потока продукта.

[0047] При эксплуатации электролизерной системы электролит может возвращаться в ячейку (ячейки) через обратный коллектор 8 потока электролита. Одна или более дополнительных ячеек 11 и т.д., каждая, может иметь аналогичные функции управления для обеспечения соответствующей эксплуатации.

[0048] На фиг. 4 также показана схематическая иллюстрация возможной реализации переключения электролизных ячеек в соответствии с настоящим изобретением. Переменный источник 70 электрической энергии, как объяснялось выше, может быть электрически подключен к одной или более электролизным ячейкам (например, к 11) либо напрямую, как показано на чертеже, либо с помощью одного или более выключателей 74. Одним или более выключателями 74 может управлять контроллер 30 или другой контроллер (не показан, но раскрывается для обеспечения понимания того, что клапаны 4, 6, 9 не обязательно должны управляться тем же физическим устройством, что управляющий орган для электрических выключателей), реализованным, как раскрыто в другом месте настоящего документа. Цепь 72 измерения напряжения может иметь электрическую связь с выходом переменного источника 70 электроэнергии и передавать измерения напряжения на контроллер 30. Контроллер 30 может реализовать вышеописанную процедуру для управления выключателями 74 таким образом, чтобы электрически подключать и отключать по меньшей мере одну электролизную ячейку 1, как поясняется при рассмотрении фиг. 2 и фиг. 3.

[0049] Система управления в соответствии с настоящим изобретением может быть реализована на отдельных ячейках электролизера или на целых группах ячеек и позволяет эффективно и автоматически запускать и выключать ячейки по мере необходимости.

[0050] Система управления, если она реализована на компьютере или подобном программируемом устройстве, содержит логику, предназначенную для оценки числа ячеек, подлежащих включению в какую-либо рабочую группу, на основании входного напряжения в систему. Контроллер может измерять входное напряжение и вычислять разницу между измеренным напряжением и оптимальным напряжением рабочей группы ячеек (произведение числа активных ячеек на заданное оптимальное напряжение ячейки). Эта разница делится на стандартное напряжение ячейки, чтобы оценить число ячеек, которые следует добавить или удалить из рабочей группы, чтобы вернуть среднее напряжение ячейки к оптимальному значению:

Пример:

Входное напряжение=24 В

Стандартное напряжение ячейки=2 В

Число ячеек в рабочей группе=10

Оптимальное напряжение = Стандартное напряжение ячейки × Число активных ячеек=2×10=20 В

Разность напряжений = входное напряжение - оптимальное напряжение=24-20=4 В

Число ячеек для активации = (разность напряжений)/(стандартное напряжение ячейки)=4/2=2 ячейки.

[0051] Отметим, что положительная разность напряжений (измеренное напряжение выше оптимального) приводит к подключению одной или более ячеек к системе (включение), отрицательная разность напряжений приводит к отключению одной или более ячеек от системы (выключение).

[0052] Оптимальная производительность всей системы электролизера может быть достигнута, когда рабочая группа электролизной системы динамически подбирается таким образом, чтобы хорошо согласовываться в режиме реального времени с входным напряжением от источника электроэнергии. Таким образом, оптимальный режим эксплуатации - это когда подаваемое напряжение и число рабочих ячеек в электролизной системе сбалансированы относительно доступного и необходимого приложенного рабочего напряжения. Это приводит к тому, что система управления не задействована, когда система функционирует при оптимальном режиме эксплуатации, и вмешивается только при обнаружении недостаточно оптимальных рабочих условий (т.е. пониженного или повышенного входного напряжения).

[0053] Как также показано на фиг. 4, другой вариант осуществления системы электролизера в соответствии с настоящим изобретением включает в себя динамическую систему накопления энергии (DESS), содержащую устройство 76 накопления электрической энергии (ESD), такое как аккумулятор (например, электрохимический аккумулятор, такой как свинцово-кислотный или другого перезаряжаемого типа) или конденсатор, для обеспечения бесперебойной работы системы управления (например, контроллер 30 на фиг. 4), обеспечивающее время переключения, необходимое для подключения по меньшей мере одной электролизной ячейки к системе, подлежащей буферизации, и отключения от нее. DESS можно подобрать в соответствии с временем цикла, необходимым для добавления в рабочую группу по меньшей мере одной ячейки, или группы ячеек, для ячеек, включаемых группами, что обеспечивает больший оптимальный диапазон работы системы. Система DESS может быть подключена к комбинированной выходной мощности электролизных ячеек. Зарядка DESS будет происходить в тех случаях, когда доступное напряжение питания превышает оптимальное напряжение, требуемое для рабочей группы ячеек (работающих на тот момент электролизных ячеек в сочетании), но меньше, чем требуется для добавления по меньшей мере одной ячейки в рабочую группу ячеек. Разрядка DESS будет происходить, когда оптимальное требуемое напряжение группы рабочих ячеек превышает напряжение питания до отключения по меньшей мере одной ячейки от рабочей группы. Система по фиг. 4 может быть подключена к любой подходящей электрической нагрузке 78, при этом электролизные ячейки и система управления в соответствии с настоящим изобретением, включая DESS, могут обеспечивать подходящий буфер между переменным источником электроэнергии и нагрузкой 78.

[0054] Система и способ управления электролизной ячейкой в соответствии с настоящим изобретением могут повысить эффективность работы электролизной ячейки и чистоту производимых газов, когда электролизные ячейки подключены к источнику электроэнергии с переменной выходной мощностью, такому как ветряные генераторы или генераторы солнечной энергии.

[0055] В свете принципов и примерных вариантов осуществления, раскрытых и проиллюстрированных в настоящем документе будет общепризнанным, что примерные варианты осуществления могут быть изменены по компоновке и детализации без отступления от этих принципов. Вышеприведенное обсуждение было сосредоточено на конкретных вариантах осуществления, но также предусматриваются и другие конфигурации. В частности, несмотря на то, что здесь используются такие выражения, как «вариант осуществления» или т.п., эти выражения предназначены для общей ссылки на возможности вариантов осуществления и не предназначены для ограничения изобретения конкретными конфигурациями вариантов осуществления. При использовании в настоящем документе, эти термины могут относиться к одинаковым или различным вариантам осуществления, которые можно комбинировать с другими вариантами осуществления. Как правило, любой вариант осуществления, рассмотренный в настоящем документе, свободно комбинируется с любым одним или более другими вариантами осуществления, рассмотренными в настоящем документе, при этом любое количество признаков различных вариантов осуществления можно комбинировать друг с другом, если не указано иное. Хотя выше были подробно раскрыты только несколько примеров, специалисты в данной области техники с легкостью поймут, что в рамках раскрытых примеров возможно множество модификаций. Соответственно, предполагается, что все такие модификации входят в объем настоящего изобретения, определенного в нижеследующей формуле изобретения.

Изобретение относится к области управления технологическими процессами, разработанными для сложных систем, имеющих как электрические, так и механические компоненты. В частности, изобретение относится к системам управления электролизным оборудованием, которое связано с переменным источником мощности, таким как возобновляемый источник энергии. Система управления для функционирования модульной компоновки электролизных ячеек в условиях переменного входного напряжения от возобновляемых источников энергии предназначена для оптимизации работы за счет уменьшения недостатка и избытка потенциала ячеек. Подача энергии и поток электролита к ячейкам или группам ячеек прерывается или возобновляется в зависимости от имеющегося электрического потенциала и оптимального электрического потенциала, требующегося активным ячейкам. Техническим результатом является повышение эффективности работы электролизной ячейки и чистоты производимых газов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ функционирования электролизерной системы, содержащей множество электролизных ячеек, работающих от возобновляемых источников энергии, включающий этапы, на которых:

измеряют напряжение, генерируемое источником электроэнергии переменной мощности;

сравнивают измеренное напряжение с оптимальным напряжением электролизера, причем оптимальное напряжение электролизера содержит произведение рабочего напряжения для одной из множества электролизных ячеек и числа электролизных ячеек из указанного множества электролизных ячеек, электрически подключенных к источнику электроэнергии;

когда измеренное напряжение превышает оптимальное напряжение электролизера, электрически подключают к источнику электроэнергии по меньшей мере одну дополнительную электролизную ячейку; и

когда измеренное напряжение падает ниже оптимального напряжения электролизера, электрически отключают по меньшей мере одну электролизную ячейку от источника электроэнергии, при этом

когда измеренное напряжение превышает оптимальное напряжение электролизера, гидравлически подключают по меньшей мере одну дополнительную электролизную ячейку к источнику раствора электролита и к коллектору произведенного газа; и

когда измеряемое напряжение падает ниже оптимального напряжения электролизера, гидравлически изолируют по меньшей мере одну электролизную ячейку от источника раствора электролита и от коллектора произведенного газа.

2. Способ по п. 1, дополнительно включающий, когда измеренное напряжение превышает оптимальное напряжение электролизера, гидравлическое подключение по меньшей мере одной дополнительной электролизной ячейки либо к линии отходов, либо к линии добавочного газообразного продукта в течение заданного периода времени до подключения по меньшей мере одной дополнительной электролизной ячейки к коллектору произведенного газа.

3. Способ по п. 1, дополнительно включающий зарядку устройства накопления электроэнергии, когда измеренное напряжение превышает оптимальное напряжение электролизера менее чем на величину, при которой по меньшей мере одну дополнительную электролизную ячейку подключают к источнику электроэнергии, и разрядку устройства накопления электроэнергии, когда измеренное напряжение падает ниже оптимального напряжения электролизера менее чем на величину, при которой по меньшей мере одну электролизную ячейку отключают от источника электроэнергии.

4. Способ по п. 1, в котором источником электроэнергии является источник электроэнергии с переменной выходной мощностью.

5. Способ по п. 4, в котором источник электроэнергии содержит по меньшей мере одно из фотоэлектрического генератора, солнечного теплового генератора и ветрогенератора.

6. Система накопления энергии, предназначенная для совместного использования с возобновляемым источником электроэнергии с переменной выходной мощностью, содержащая:

множество электролизных ячеек, каждая из которых содержит вход для раствора электролита, клапаны, выполненные с возможностью подключения выхода для газообразного водорода каждой электролизной ячейки к линии газообразного продукта, и выключатели, выполненные с возможностью электрического подключения ячейки к источнику электроэнергии с переменной выходной мощностью;

цепь измерения напряжения, подключенную к источнику электроэнергии с переменной выходной мощностью; и

контроллер, соединенный с возможностью передачи сигналов с цепью измерения напряжения, клапанами и выключателями, причем контроллер выполнен с возможностью вычисления числа электролизных ячеек из множества электролизных ячеек, подлежащих активации или деактивации в зависимости от разницы между измеренным напряжением и оптимальным напряжением, при этом контроллер выполнен с возможностью управления выключателями и клапанами для указанного числа электролизных ячеек из множества электролизных ячеек в зависимости от измеренного напряжения.

7. Система по п. 6, в которой контроллер выполнен с возможностью управления клапанами для подключения выхода для газообразного водорода каждой из числа активированных электролизных ячеек к линии газообразных отходов или к линии добавочного газообразного продукта в течение заданного периода времени до срабатывания клапанов для подключения выхода каждой из числа электролизных ячеек к линии газообразного продукта.

8. Система по п. 7, дополнительно содержащая устройство накопления электроэнергии, электрически подключенное к источнику электроэнергии с переменной выходной мощностью и электрической нагрузке, причем устройство накопления электроэнергии электрически подключено к множеству электролизных ячеек, при этом предусмотрена возможность зарядки устройства накопления электроэнергии, когда измеренное напряжение превышает оптимальное напряжение электролизера менее чем на заданную разницу, при которой контроллер действует для подключения по меньшей мере одной дополнительной электролизной ячейки, и предусмотрена возможность разрядки устройства накопления электроэнергии, когда измеренное напряжение падает ниже оптимального напряжения электролизера менее чем на величину, при которой контроллер действует для отключения по меньшей мере одной электролизной ячейки.

9. Система по п. 8, в которой устройство накопления электроэнергии содержит аккумулятор или конденсатор.

10. Система по п. 9, в которой аккумулятор содержит электрохимический аккумулятор.