[发明专利]用于从风力电解产生氢气的电力分派系统

说明书

技术领域

本发明涉及将风产生的电分配到电解槽模块以用于产生氢气。

背景技术

氢气是重要的工业气体，其广泛用于石油炼制以及合成燃料、氨水和甲醇的制造。氢气还经考虑在未来用于由氢燃料电池引擎或氢内燃机提供动力的氢交通工具(或还部分由电池提供动力的混合氢交通工具)中。大多数当前的氢气供应是通过使用天然气原料的蒸汽甲烷重整而产生。随着例如天然气等基于化石的能源的有限供应和这些能源的价格增长，以及强加碳排放税的可能性，将不利地影响氢气的成本且最终影响氢气的可用性，除非可实施一种替代的清洁且可持续的“原料”。

风力资源代表大量可持续且清洁能量的潜在来源。随着近来天然气成本的增加，在“风力农场”中使用风力涡轮发电机来将可持续、清洁且相对低成本的电力供应到电解槽以用于“绿色”氢气的大规模生产的概念正变为经济上可行的方法。

电解槽使用DC电来通过电化学反应(即，在与电解液接触的电极处发生的反应)将反应物化学品变换为所需的产品化学品。可产生氢气的电解槽包含：水电解槽，其从水和电产生氢气和氧气；氨水电解槽，其从氨水和电产生氢气和氮气；以及氯碱电解槽，其从盐水和电产生氢气、氯气和苛性碱溶液。

水电解槽是用于产生气态氢气的最常见类型的电解槽。氧气也是重要的工业气体，且产生的氧气可为可销售的产品。当前最常见类型的市售水电解槽是碱性水电解槽。其它类型的水电解槽包含当前限于相对小的生产能力的PEM水电解槽，以及尚未商业化的固体氧化物水电解槽。碱性水电解槽利用与经适当催化的电极接触的碱性电解液。当电流在电极之间经过时，氢气在阴极(负电极)的表面处产生，且氧气在阳极(正电极)的表面处产生。在不存在寄生反应和杂散电流的情况下且对于电解槽的给定物理大小，氢气和氧气产生的速率与DC电流成比例。

风力农场由大体上散布在广大地理区域上的若干风力涡轮发电机组成。风力农场通常产生AC电以递送到AC公用事业电力网，但DC电力的产生也是可能的。AC电可容易地变换为较高电压以在长距离上有效地传输高电力。风力农场总输出的范围可在数十MW到数百MW。电解槽模块大小的范围可从1MW以下直到5MW。使用电解槽模块作为连接到大型风力农场的负载的专用氢气产生因此将采用大量的电解槽模块。

“风力氢气”(使用风力通过水电解产生的氢气)的大规模低成本生产需要俘获高百分比的所产生风力，其输出是随着时间可变的。此要求首先必须使用多个大规模低成本水电解槽模块，所述模块可充当极其可变的负载以涵盖从低到极高功率密度的广范围的操作功率。在全文以引用的方式并入本文中的共同待决申请案中揭示适当的水电解槽模块设计。其它必要的元素是用以将风力分配到多个水电解槽模块的有效、低成本且灵活的电力分派系统和操作方法，以及用以确保与风力农场输出的负载匹配的对电解槽模块的有效控制。本文描述适当的电力分派系统以及操作和控制方法。虽然本文的本发明的描述涉及“风力氢气”，但应了解本发明也适用于其它化学品的电解生产，例如使用US 2008/0193360中描述的电解槽直接生产“风力氨水”。

现有技术

用于工业应用的市售电解槽系统当前通常利用电源，例如SCR整流器，其将AC电转换为具有所需功率电水平和电流-电压的经调节DC电。然而，SCR整流器的最佳效率和功率因数处于标称功率额定值；效率和功率因数均随着功率电水平减弱而显著下降，风力供电的电解槽系统的情况常常如此。由于馈送到电解槽模块的全部功率都必须经过电力分派系统，因此SCR整流器低效率的潜在影响是重大的。此外，谐波水平通常可能不满足IEEE 519方针，尽管其通过使用12脉冲配置而改进；这对于大型系统来说是有意义的。SCR整流器的使用还必须用两个变压器级来使来自高电压AC传输线的电压逐步降低。

Pritchard(US 5,592,028)描述了用于风力氢气系统的替代电力调节设备，其目标是通过使用开关来改变电解槽模块中的每一者中涉及的单元数目来在约1.6V的单元电压下操作水电解槽模块。此设备强调实现高电解槽模块操作电压效率。对应的操作电流密度对于任何给定单元配置和组件集合将有必要较低。因此，为了俘获由风力农场产生的高百分比的风力，电解槽模块的数目和/或物理大小将非常大，且相关联的资本成本将相对高。显然，风力氢气的低成本生产的关键因素是低成本风力的可用性(即，高风力能力因数)；这与水电解的显著热力学(即，最小)电压要求组合限制了与高电解槽模块操作效率的目标相关联的潜在成本益处。除了在开关设备的上游使用AC-DC转换器/滤波器之外，Pritchard未提供对应的电力分派系统的其余部分或其控制的任何细节。