[发明专利]一种不依赖电网的离网式电解控制方法和结构

说明书

本发明公开了一种不依赖电网、能够独立利用清洁能源，如风能、太阳能等功率波动幅度非常大的清洁能源，独立作为电解电源的一种电极和电解槽结构和控制方法，该电解槽可用于水制氢、制氧等。通过风能或太阳能等波动电源的最低切入电压值设置基本电极数，电压升高将通过串联一定数量的电极，以保持每个电极始终维持在2伏左右的基准电压；依据风能或太阳能等波动电源的最低切入电压值所对应的最小切入电流和基准电流的比值设置电解槽的有效尺寸，当波动电源的电压、电流在一定范围内增加，将在基本电解槽中接入若干串联电极，当波动电源电压、电流持续升高并超过基本电解槽可承载范围时，则自动并联接入一个和基本电解槽相同电极串联数的电解槽；反之，当波动电源的电压、电流持续下降，则自动切出一定数量的串联电极、甚至切出并联电解槽，达到使用不仅功率波动非常大、而且电流波动非常大的电源进行电解的目的。

技术领域

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。

现有制氢方法除了化石燃料重整、分解、光解等方法以外，还有水电解制氢，迄今为止，水电解制氢只占全世界4％～5％氢气的生产量，95％以上的氢气是通过化石燃料重整来获得，生产过程必然排出CO2，而独立利用清洁能源的水电解技术，可实现CO2的零排放。水电解制氢是在稳定直流电的作用下，通过电化学过程将水分子解离为氢气与氧气，分别在阴、阳两极析出。根据隔膜不同，可分为碱水电解、质子交换膜水电解、固体氧化物水电解。但由于水电解制氢需要消耗大量且功率(电压、电流)稳定的电能，因此一直以来都使用电网电源作为制氢的能量来源。采用固定电源水制氢技术，电解槽中平行、直立地设置若干组电极板，将电解槽分割为若干个电解室串联相接，根据电源的直流电压值设置串联电极数，再根据电源的功率设置电解槽尺寸，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。虽然近年来也先后有采用可再生能源(比如风能、太阳能)用于制氢、制氧，但由于水电解制氢、制氧对电源的稳定性要求非常高，而风能、太阳能的能量却都具有大幅波动的特性，而且不仅功率波动，电压波动范围也非常大，可利用电能(切入功率)的最低、最高电压有数倍甚至于十倍的变化量，因此现有采用风能、太阳能电解水制氢的方法、技术，任然需要依赖电网为主电源，而风能或太阳能发电仅作为辅助电源，即使在风资源较好的地区，比如年发电达到1500小时数的地区，风能的可利用率只有17.1％，而太阳的年可利用小时数也大约只有1500小时左右，和风能基本相当，因此绝大部分名义上采用新能源制氢、制氧方案依然依赖电网为主电源，限制了采用清洁能源制氢的途径。

而专申请利号为201720255416.7电解装置的实用新型专利，采用单电解槽、多电极并联的方式，通过触点开关控制并联电极的接入数量来解决电解槽的电源波动。但该设计未理解风能、太阳能等新能源的功率特性。风能和太阳能功率发生变化的首要原因首先是电压发生变化，当风速或阳光变化时首先伴随着电压的快速变化，电压(或功率)变化的同时电流根据电压(或功率)的变化呈现有规律的大幅度变化，在风能和太阳能行业的功率跟踪特性就是以电压变化为基础的电流(功率)变化，不同电压对应不同的功率输出(电流变化)。而该专利采用并联所有电极(电解小室)的方法，并通过电源功率的变化控制电极数并联接入或切出的设计，因各电极并联，每个电极只能承载2伏左右的电源，意味着电解槽也只能承载2 伏左右的直流电源，只有当电压波动范围很小(电极电压的允许范围内)时才可采用，而且当电解槽尺寸固定，电解槽适应电流变化的范围也非常小，如每平方厘米从0.25-0.3安培，并不适用于风能、太阳能等电源功率波动非常大的新能源，而风能、太阳能的电压、电流波动范围都非常大，对于尺寸固定的并联电极电解槽，变化巨大的电压、电流将迅速击穿电解槽。而无论风能还是太阳能的电功率特性都是随着外界因素的变化，其电压高、低之间的变化有数倍甚至于十倍数的变化，远远大于电极基准电压2伏的(0.6-1.1)倍的变化量，而电流大、小的变化有数十倍的变化量，更远大于基准电流所适应的波动范围。

发明内容