用于从氢气产生电功率以及从电功率产生氢气的系统的运行的管理

摘要

一种用于从氢气产生电功率以及从电功率产生氢气的系统(1)，包括：可逆电功率-氢气转换级(2)，包括用来从存储的氢气产生电功率的燃料电池堆(7)以及用来从电功率产生氢气的电解池堆(9)；氢气压力改变级(3)，用来改变供应到可逆电功率-氢气转换级(2)或从可逆电功率-氢气转换级(2)产生的氢气的压力；电功率管理和调节级(4)，用来调节来自可逆电功率-氢气转换级(2)/供应到可逆电功率-氢气转换级(2)的电功率；以及管理级(5)，根据系统(1)是从氢气产生电功率还是从电功率产生氢气并根据用户设定的运行管理策略来区别地管理可逆电功率-氢气转换级(2)、氢气压力改变级(3)以及电功率管理和调节级(4)的运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于凭借燃料电池(发电机)从氢气产生电功率以及凭 借电解池(电解槽)从电功率产生氢气的系统的运行的管理。

背景技术

从使用氢气作为能量载体的技术角度看，众所周知，燃料电池是最有希 望的解决方案之一。燃料电池是可以利用电化学反应将化学能转换成电功率 的装置。在单一燃料电池中分别在阳极和阴极同时出现两个半反应(half  reaction)。燃料电池的阳极和阴极被典型地由质子传导磺酸盐聚合物 (proton-conducting sulphonate polymer)构成的电解液分开，其相对侧涂布有由 催化混合物(例如，Pt-基的)构成的适当层。该电解液通常是饱和的离子载 液(例如水)，使得氢离子可以穿过电解液从阳极到达阴极。

燃料电池中出现的总反应是：

2H₂+O₂→2H₂O      (1)

该反应伴随热量和电功率的产生，并且源于分别在阳极和阴极处发生的 两个半反应的总和：

2H₂→4H⁺+4e^-    (2)

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O  (3)

氢气然后被馈送到阳极，然后扩散到催化涂布中，并分离成氢离子和电 子，由于膜是非渗透性的，该氢离子和电子经外部电路向阴极行进，这样生 成电流和相应的电位差。含氧气体混合物被馈送到阴极，该含氧气体混合物 与穿过电解液的氢离子以及来自外部电路的电子反应。

特别地，因为质子穿过高分子膜要借助水分子来发生，所以反应物气体 需要进行增湿。湿度太低会使质子从阳极组件达到阴极组件变得更加困难， 结果是燃料电池性能的降低，而湿度太高会浓缩成液态，结果是催化位置的 阻塞(occlusion)，以及燃料性能的降低。

由于反应(1)与明确限定的最大电压的生成相关，因而多个燃料单元通 常串联连接以形成堆叠而达到更高的电压。

在凭借燃料电池从氢气产生电功率的系统的类型中，运行该系统所需的 氢气被存储在钢瓶(cylinder)中，应当定期对其进行更换以重新补充使用的 氢气。

为了消除该缺陷，用于从氢气产生电功率的不同类型的系统使用可再生 或可逆燃料电池，该燃料电池可逆向运行以从产生的电功率产生氢气。

此外，为了消除该缺陷，已经建议了一种凭借燃料电池从氢气产生电功 率以及凭借电解池从电功率产生氢气的系统，其中基于电解池的电解槽被设 置在基于燃料电池的发电机旁边，以重新补充后者所消耗的氢气。然而，在 这些生产系统中，没有用于对产生氢气并生成电功率的系统的运行进行管理 的整合策略，其中用户也可与瞬时本地条件(instantaneous local condition)相关 地对该系统的运行加以干预。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于凭借燃料电池从氢气产生电功率以 及凭借电解池从电功率产生氢气的系统，该系统克服了所描述的缺陷。

根据本发明，提供了一种如所附权利要求限定的系统，该系统用于凭借 燃料电池从氢气产生电功率以及凭借电解池从电功率产生氢气。

附图说明

图1示出了一种用于凭借燃料电池从氢气产生电功率以及凭借电解池从 电功率产生氢气的系统的方框图；

图2示出了单一燃料电池中随电流密度变化的电压图；

图3示出了根据施加到电解槽自身的电压所产生的氢气流量图和电解槽 的氢气产生的效率图；以及

图4示出了根据施加到电解槽自身的电压而变化的电解槽上的电功率 图。

具体实施方式

现在将参考附图详细描述本发明，以允许本领域技术人员对本发明进行 实施并使用。所描述的实施例的各种变化对本领域技术人员来说将是明显的， 因此在不脱离如所附权利要求限定的本发明的保护范围的情况下，所描述的 一般原理可以应用于其它实施例和应用。因此，不应当认为本发明局限于所 描述且所示出的实施例，相反，而是根据本文描述且要求保护的原理和特征 赋予其最广泛的保护范围。

在图1中，数字1总的来说表示一个用于凭借燃料电池从氢气产生电功 率(electric power)以及凭借电解池(electrolytic cell)从电功率产生氢气的系统， 该系统可以选择性地运行，以从氢气产生电功率并将电功率供应到电功率用 户或本地供电网，以及从本地供电网获得电功率并从该电功率产生氢气。在 图1中，分别由实线和虚线来示出当从氢气产生电功率时生产系统1中的氢 气流以及当从电功率产生氢气时生产系统1中的电功率流。

只示出了生产系统1的用于理解本发明所需的部件，该生产系统1基本 上包括：

-可逆电功率-氢气转换级2；

-氢气压力改变级3；

-电功率管理和调节级4；以及

-管理级5，配置成根据下文描述的模式来管理可逆电功率-氢气转换级 2、氢气压力改变级3以及电功率管理和调节级4的运行。

可逆电功率-氢气转换级2可以以从氢气产生电功率的模式以及以从电功 率产生氢气的模式选择性地运行，并且基本上包括：

-发电机6，其可以运行以从氢气产生电功率且包括燃料电池堆7，该燃 料电池堆7用于生成电功率且由串联电连接的多个堆叠的质子交换膜(Proton  Exchange Membrane，PEM)燃料电池形成；以及

-电解槽8，耦合至发电机6且可运行以从电功率产生氢气，并且包括用 来从由发电机6生成的电功率产生氢气的一堆叠的电解池9。

每一个燃料电池基本上包括凭借二次组件(secondary component)(如密封 件、集管(header)、弹簧或关闭拉杆等)组装的膜电极组(membrane-electrode  assembly，MEA)和两个双极板。膜电极组致力于将氢原子分裂成质子和电 子，并且具有大约70℃的运行温度和70.5％70℃的相对增湿。两个双极板 在单基液体(mono-base fluid)存在的情况下得以最佳运行，而且具有将反应物 (空气或氧气、氢气)运送到膜电极组的功能，并用作电流采集器。

单一燃料电池的电压取决于从燃料电池自身处所需求的电功率，并遵循 图2所示的图形，其中纵轴示出在60℃测量的燃料电池的平均电压V_CELL， 而横轴示出燃料电池自身所需的电流密度J。

依靠燃料电池的串联电连接，由燃料电池堆7供应的电功率是由多个单 一燃料电池供应的电压的简单总和，并且具有与图2所示相似的图形。分配 由单一燃料电池供应的电压的均匀性是膜电极组的性能和耐用性的关键参 量。

而在电解池堆9中，所产生的氢气流量Q_EL和氢气产生效率η_EL取决于 施加到电解池堆9的电压V_EL，并遵循图3中分别由实线和点划线示出的图 形，而施加到电解池堆9的电功率P_EL与施加到电解池堆9自身的电压V成 正比，并遵循图4所示的图形。

所产生的氢气流量Q_EL、氢气产生效率η_EL以及电功率P_EL的图形取决于 电解池堆9运行所处的温度，并且图3和图4所示的图形对应于60℃。工作 电压值极限与电解池堆9中电解池的数量、反应激活能(最小值)以及电解 池堆9所耐受的极限电压(最大值)有关。而由单一电解池产生的氢气流量 Q_EL取决于电解池自身的有效面积。

可逆电功率-氢气转换级2还包括：

-热管理单元10，为发电机6和电解槽8所共用；

-测量单元11，用于测量发电机6和电解槽8的电参数(electric quantity)， 例如温度、单一燃料电池的电压、由燃料电池堆7传送的电流、燃料电池堆 7的等效阻抗等；以及

-流管理单元12，用于管理电功率流和氢气流的分配以及燃料电池的膜 的增湿条件，

因为这些单元本身是已知的，而且本发明并未涉及，所以并未对其进行 更为详细的描述。

根据可逆电功率-氢气转换级2是以从氢气产生电功率的模式还是以从电 功率产生氢气的模式运行，氢气压力改变级3执行改变的功能，尤其是升高 或降低供应到可逆电功率-氢气转换级2的氢气或由可逆电功率-氢气转换级2 产生的氢气的压力，并且氢气压力改变级3基本上由彼此连接的无源组件(如 膨胀管(expansion vessel)、膜减少级(membrane reduction stage)、集气室 (plenum))和有源组件(如升压器)组成。

换句话说，在本发明的上下文中，氢气压力改变级3基本上由这样的多 个组件构成，这些组件用来确定凭借基本机械性质(essentially mechanical  nature)的相互作用输入的氢气的压力的期望增加或期望减少。

电功率管理和调节级4执行调节供应到可逆电功率-氢气转换级2和来自 可逆电功率-氢气转换级2的电功率的功能，尤其是在可逆电功率-氢气转换级 2以从氢气产生电功率的模式运行时调节从可逆电功率-氢气转换级2到电功 率用户或本地供电网的电功率以及在可逆电功率-氢气转换级2以从电功率产 生氢气的模式运行时调节从本地供电网到可逆电功率-氢气转换级2的电功 率。

尤其，电功率管理和调节级4基本上包括：

-可选的DC/DC转换单元13；以及

-AC/DC转换单元14，适合于作为理想的电流发生器或电压发生器运行， 以便无论输入值如何而使输出电压或输出电流处于设计值极限内。

尤其，AC/DC转换单元14由根据升压式拓扑或降压式拓扑连接的静态 电功率转换元件(诸如二极管、MOSFET等半导体器件)以及感抗和容抗组 成，也即，AC/DC转换单元14能够通过改变其电压和电流(独立地改变其 中一个，并根据所需的电功率改变另一个)来转换电功率。也可以通过管理 桥接单元(电池或超级电容器)来执行该任务。

管理级5，基本上包括：

-数字和模拟输入/输出单元15，用于获取由测量单元11供应的电测量 (electric measurement)并且由用户输入数据、命令以及选择；

-通信单元16，用于与遥控台通信；以及

-微控制器(DSP)17，连接至数字和模拟输入/输出单元15和通信单元 16，并且被编程用于获取由测量单元11供应的电测量、由用户给予的数据、 命令和选择以及由遥控台提供的可能请求，用于存储包含电解池堆9对于各 种温度值的产生的氢气数据Q_EL和氢气产生效率η_EL数据的映射图，以及根 据下文详细描述的运行管理策略并根据系统1是从氢气产生电功率还是从电 功率产生氢气来管理可逆电功率-氢气转换级2、氢气压力改变级3以及电功 率管理和调节级4的运行。

1、从氢气产生电功率

在从氢气产生电功率期间，微控制器17被编程为：

-使氢气压力改变级3将氢气压力从大体等于100-300巴(bar)的存储压力 减小到大体等于2-8巴的使用压力，以确保其稳定性；

-使可逆电功率-氢气转换级2将氢气转换成电功率；

-使电功率管理和调节级4通过根据预设逻辑(该预设逻辑依据了可逆 电功率-氢气转换级2可接受的电压瞬变和电流瞬变)强加(impose)可逆电 功率-氢气转换级2的电压值和电流值来管理可逆电功率-氢气转换级2，使得 可逆电功率-氢气转换级2以供应有所产生电功率的电功率用户或本地供电网 (恒定电压、理想的电压发生器、理想的电流发生器、电池充电器等)所要 求的形式来供应电功率；以及

-使通信单元19将系统1的激活及残余自治(residual autonomy)传递到 遥控台。

2、从电功率产生氢气

在从电功率产生氢气期间，微控制器17被编程为：

-基于下列信息确定所述系统(1)何时将被激活：

-原位置中(本地供电网、可再生本地资源(renewable local source)、 电动发电机等)电功率的存在和可用量；

-存储的氢气量；以及

-遥控台的请求；以及

-根据运行管理策略，管理可逆电功率-氢气转换级2、氢气压力改变级3 以及电功率管理和调节级4的运行，该运行管理策略：

-可由系统1的用户设定；

-取决于由系统1中的测量单元11测量的下列电参数；

-存储的氢气量；

-电功率的可用量；以及

-本地环境温度和压力；

-并根据应用通过管理氢气压力改变级3旨在达到一个或多个下列目 标：

-在尽可能短的时间填充储氢(hydrogen storage)；

-以尽可能高的效率填充储氢；

-使用所有的可用电功率(与供电者协商的剩余电功率或由可再生 资源及随时间的可能变化图形而推导得出电功率)填充储氢；以及

-根据本地供电网中程控电力切断(programmed electric power cut-off) 确保储氢的填充。

尤其，根据运行管理策略并由此根据用户想要达到的目标，电功率管理 和调节单元4通过设定电流和电压对可逆电功率-氢气转换级2施加不同的作 用，其中该电流和电压被用来供应到电解池堆9，并且该电流和电压由微控 制器17根据设定的运行管理策略、上述由系统1中的测量单元11测量的电 参数的值、以及图3所示的曲线而进行动态计算得到。

更详细地：

-为了在尽可能短的时间填充储氢，电功率管理和调节级4迫使可逆电 功率-氢气转换级2以电解池堆9在参考温度下可支撑的最大可能电压运行， 以产生最高的氢气流量Q_EL(图3中等于48.5V60℃)；

-为了以尽可能高的效率填充储氢，电功率管理和调节级4迫使可逆电 功率-氢气转换级2以最小允许电压(即，气体在该电压下不会分离)运行， 因而确保所需的纯度(图3中等于46.5V)；

-为了使用所有的可用电功率填充储氢，微控制器17首先计算出利用可 用电功率能够产生的最大氢气流量，并且将该数据供应到电功率管理和调节 单元4，电功率管理和调节单元4由此会使可逆电功率-氢气转换级2产生所 计算出的最大氢气流量。可用电功率越高，强加到电解池堆9的电压越高；

-为了根据本地供电网中程控电力切断确保储氢的填充，微控制器17首 先计算出可用电功率。该计算是根据可用电功率并根据程控切断之前的剩余 时间来进行(整个可用时间上的所有电功率)。之后，微控制器17计算出平 均工作点(可逆电功率-氢气转换级2的电压和电流)。然后将平均工作点供 应到电功率管理和调节级4进而使可逆电功率-氢气转换级2在该点工作。

通过对根据本发明的系统的特征的审查，本系统与当前存在的可用解决 方案相比所达到的优点是明显的。

尤其，与具有基于更换氢气钢瓶的存储的解决方案相比，根据本发明的 系统可更可靠且更经济地实施。

与基于将燃料电池发电机和电解槽耦合的解决方案相比，根据本发明的 系统具有：

-更低的成本，得益于使用的是常用部件；

-更高的效率，得益于实施改进的整合策略的可能性；以及

-更高的效率，得益于与周围条件相关地对氢气产生参量的管理。

最后，与基于可逆燃料电池的解决方案相比，根据本发明的系统：

-更可靠，得益于技术更成熟以及以单独和独立的方式对燃料电池堆和 电解池堆进行干预(普通和辅助维护)的可能性；以及

-更有效，得益于独立设计氢气产生和使用级的可能性。