多堆疊電化學壓縮機系統及操作方法與流程

技術領域

本發明針對多堆疊電化學壓縮機（EHC）系統及操作方法，更具體地，針對用于優化電功率消耗的多堆疊EHC系統及方法。

背景技術：

氫已作為傳統能源的可行替代品出現。氫作為能量載體的成功商品化以及“氫經濟”的長期可持續性很大程度依賴于氫燃料電池、氫電解池、氫生產、氫處理/管理系統（如壓縮機）以及氫分布系統的效率和成本效益。氣態氫是一種方便且有效的能量儲存方法，通常是通過加壓容積。有利地，在高壓下儲存氫產生高能量密度。

電化學氫氣壓縮機（EHC）是用于加壓氫氣的安靜、可擴展、模塊化且有效的機構。EHC能夠由膜電極組件（MEA）形成。MEA能夠包括帶負電的陽極、帶正電的陰極以及分隔陽極和陰極的質子交換膜。當包含氫氣的氣體能夠接觸帶負電的陽極時，電流能夠穿過MEA，氫分子能夠在陽極被氧化，且該反應能夠生成兩個電子和兩個質子。這兩個質子能夠被電化學地驅動穿過膜、到達帶正電的陰極，在此它們能夠通過兩個改道的電子再結合并被還原成氫分子。以這種方式操作的EHC有時指的是氫泵。當在帶正電的陰極累積的氫被局限于密閉空間時，EHC對氫進行加壓。EHC也可指的是EHC堆疊。

EHC堆疊能夠串聯設置，以形成能夠將氫壓縮至更高壓力的多級EHC堆疊。EHC堆疊也能夠并聯設置，以形成能夠增大體積容量的多堆疊EHC系統。傳統上，多堆疊EHC系統可包括兩個或更多個EHC堆疊。對于多堆疊EHC系統，電源將功率傳遞至所有EHC堆疊，并且到系統的總電流是受控制的，以維持氫氣生產量。此關系由以下所示的式1表示。

式（1）

因此，多堆疊EHC系統在單荷載上充當單個大堆疊，其對于所有的堆疊而言需要相同的電流。此關系能夠由以下所示的關于電流的式2和關于功率的式3表示。

式（2）

式（3）

此操作方法的其中一個缺點是，不良的堆疊（如出故障或劣化）然后被迫超過其安全范圍操作，迅速加快退化，同時能量效率也變差。減少退化的可能性以及允許在不良的堆疊的安全界限內操作的一種方法是總系統降額。例如，如果性能不良的電池或堆疊發生，可減少總系統電流和功率，以防止不良的電池或堆疊故障。盡管此方法可減少不良的電池或堆疊故障的可能性，但這并不是最佳的，因為能量效率仍舊變差，并且減少總系統電流和功率會減少系統生產量。

技術實現要素：

考慮到前面提及的情況，本發明提供用于操作多堆疊EHC系統的改進的系統以及方法。

一方面，本發明針對多堆疊電化學氫氣壓縮機（EHC）系統。EHC系統可包括兩個或更多個EHC堆疊，其中每個EHC堆疊包括至少一個電化學電池和電源。EHC系統也可包括控制器，該控制器與每個EHC堆疊的電源連通，其中控制器被構造成通過獨立控制每個EHC堆疊的電源來減少EHC系統的總能耗。

另一方面，本發明針對控制多堆疊電化學氫氣壓縮機（EHC）系統的方法，所述多堆疊電化學氫氣壓縮機（EHC）系統具有兩個或更多個EHC堆疊。該方法可包括將包含氫氣的氣體流引導至兩個或更多個EHC堆疊。該方法也可包括將功率從獨立電源供應至兩個或更多個EHC堆疊，以及獨立控制被供應至每個EHC堆疊的功率。

本發明額外的目的和優點將在以下說明中部分闡述，且將從說明中部分顯而易見，或可從本發明的實踐中被得知。本發明的目的和優點將通過在附加的權利要求中具體指出的要素和組合來實現和獲得。

應當理解，前述的一般說明和以下的詳細說明都只是示例性和解釋性的，并不是對請求保護的本發明的限制。

附圖說明

附圖并入說明書并且構成本說明書的一部分，示出了本發明的多個實施例，并連同說明書用于解釋本發明的原理。

圖1示出根據示例性實施例的多堆疊電化學氫氣壓縮機（EHC）系統。

圖2示出根據示例性實施例的多堆疊EHC系統。

圖3是示出操作多堆疊EHC系統的示例性公開方法的流程圖。

圖4是示出操作多堆疊EHC系統的示例性公開方法的流程圖。

圖5是示出操作多堆疊EHC系統的示例性公開方法的流程圖。

具體實施方式

現在將詳細參考本發明的示例性實施例，且本發明的示例在附圖中示出。在任何可能的情況下，相同的附圖標記將在全部附圖使用，以參照相同或相似的部分。

本文參照用于具體應用（如加壓氫氣）的說明性實施例來描述本發明。應該理解到，本文描述的實施例并不僅限于此。那些具有本領域普通技術并獲取在本文提供的教導的人員將認識到，額外的修改、應用、實施例以及等同替代全部落入本發明的范圍。因此，本發明不受前述或以下說明所限制。

圖1是根據示例性實施例的多堆疊電化學氫氣壓縮機（EHC）系統100的示意圖。EHC系統100能夠包括一個或多個EHC堆疊120。例如，如圖所示的EHC系統100包括兩個EHC堆疊（即EHC堆疊121和EHC堆疊122）。在其他實施例中，EHC系統100可包括多于兩個EHC堆疊。例如，EHC系統100可包括3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25個或更多個EHC堆疊。每個EHC堆疊（如121和122）能夠包括一個或多個電化學電池。每個EHC堆疊能夠包括僅僅單個電化學電池或多個電化學電池，所述多個電化學電池的范圍從（例如）2到500個或更多個。在EHC系統100內形成每個EHC堆疊的電化學電池的數目對于所有EHC堆疊能夠是相同的，或者能夠在堆疊之間有所不同。例如，EHC堆疊121能夠具有250個電化學電池，而EHC堆疊122能夠具有300個電化學電池。

每個EHC堆疊（如121和122）能夠與電源電性連通。例如，如圖1所示，EHC堆疊121能夠與電源151電性連通，而EHC堆疊122能夠與電源152電性連通。每個電源151/152可被構造成將功率（P）供應至其關聯的EHC堆疊121/122。每個電源151/152可被構造以控制功率，該功率通過調節電流（I）或電勢（即電壓（V））而被供應。在某些實施例中，單個的電源可被構造成將功率供應至多個EHC堆疊（如121和122），以及可被構造成獨立控制被供應至每個EHC堆疊的功率。

由每個電源151/152供應的電流（I）可（例如）以堆疊的有效面積、電池的數目及過程條件為基礎而變化。根據某些實施例，電流可在約0至400安培、0至600安培、0至800安培、0至1000安培或0至多于1000安培之間變化。由每個電源151/152供應的電壓（V）也可（例如）以堆疊的有效面積、電池的數目及過程條件為基礎而變化。根據某些實施例，電壓可在約15至75伏特、15至100伏特、15至200伏特、15至300伏特、15至500伏特、15至1000伏特或15至多于1000伏特之間變化。

如本領域普通技術人員所知，功率、電壓和電流之間的關系可如以下所示的式子來表示。

P = IV 式（4）

因此，變化的電流和/電壓也可導致功率（P）變化。由每個電源151/152供應的及每個EHC堆疊消耗的功率（P）也可（例如）以堆疊的有效面積、電池的數目及過程條件為基礎而變化。根據某些實施例，功率可在約3500至6000瓦特、0至7500瓦特、0至10000瓦特、0至25000瓦特、0至50000瓦特或0至多于50000瓦特之間變化。

如本領域普通技術人員所知，功率（P）和電流（I）之間的關系在電阻（R）方面可如以下所示的式子表示。

P = I²R 式（5）

每個EHC堆疊121/122的電阻可（例如）以堆疊中的有效面積和電池的數目為基礎而變化。堆疊中各個電池的電阻率也可變化。根據某些實施例，單個的電池可具有約10至200 mΩ?cm²的電阻率。

EHC系統100也可包括控制器110。控制器110可被構造成與每個電源151/152連通。控制器110可被構造成通過改變如上所述的電流（I）和/或電壓（V）來控制由每個電源151/152輸出的功率（P）。控制器110可被構造，使得由控制器110控制、由每個電源151/152輸出的功率大體上相同或對于每個EHC堆疊121/122而言是唯一的。

EHC系統100也可包括氫分布回路170，該氫分布回路被構造以將包含氫氣的氣體引導至每個EHC堆疊，然后從每個EHC堆疊收集加壓的氫氣并引導它離開EHC系統100。氫分布回路170可包括多個通路或導管，該多個通路或導管被構造以輸送包含氫氣的氣體和加壓的氫氣。EHC系統100還可包括流量計171，該流量計配置在氫分布回路的通路中、位于EHC系統100的入口。流量計171可被構造以產生表明被引導至EHC系統100、包含氫氣的氣體的總流速的信號。流量計171可被構造以將信號傳輸至控制器110。

EHC系統100還可包括水分布回路130和冷卻劑分布回路140。水分布回路130能夠包括多個通路或導管，該多個通路或導管可被構造以將水流131（如液體和/或蒸汽）分布至每個EHC堆疊，然后收集從每個EHC堆疊排放的水流并引導水流離開EHC系統100，或者被收集的水流能夠被循環。水流131可在每個堆疊內用于（例如）控制每個電化學電池內的濕度并維持電解質的導電性。

冷卻劑分布回路140能夠包括多個通路或導管，該多個通路或導管被構造以使冷卻劑循環通過每個EHC堆疊。循環通過每個EHC堆疊的冷卻劑能夠被構造，以通過從堆疊中輸送熱量來調節每個堆疊的溫度。

EHC系統100還可包括第一傳感器161、第二傳感器162和第三傳感器163。第一傳感器161可被構造以產生表明離開EHC堆疊121的冷卻劑的溫度的信號。第二傳感器162可被構造以產生表明離開EHC堆疊122的冷卻劑的溫度的信號。第三傳感器163可被構造以產生表明進入EHC堆疊121和EHC堆疊122的冷卻劑的溫度的信號。控制器110可與第一傳感器161、第二傳感器162和第三傳感器163連通。控制器110可被構造以接收每個信號，并以信號為基礎計算EHC堆疊121和EHC堆疊122內的冷卻劑的溫度變化。以每個堆疊內的冷卻劑的溫度變化為基礎，控制器110可利用每個堆疊的溫度變化和功率來計算每個堆疊內的水流分布。例如，給定EHC堆疊的物理性質，由于壓差導致的電化學電勢能夠運用以下所示的能斯特方程計算。

式（6）

位于陽極和陰極的氫氣壓力是濃度差的來源。此能斯特電勢是可逆的且不會有助于堆疊中的熱生成。通過從來自電源的總施加電勢減去可逆的電化學電勢，能夠估算需要從堆疊去除的總熱量（Q）。在知道冷卻劑的熱容以及從163穿過堆疊到161或162的溫升時，冷卻劑的流速能夠利用以下所示的式（7）來計算。

式（7）

以溫度變化為基礎計算水流分布能夠通過允許移除與每個堆疊關聯的單個流量計來簡化EHC系統100。

圖2示出多堆疊EHC系統200的示意圖，該多堆疊EHC系統200與EHC系統100相似，然而EHC系統200包括5個EHC堆疊。如圖2所示，EHC系統200包括EHC堆疊221、222、223、224和225。每個EHC堆疊可與電源（即251、252、253、254和255）電性連通。在某些實施例中，每個EHC堆疊可與被構造成獨立控制被供應至每個EHC堆疊的功率的單個電源電性連通。也就是說，在本文描述獨立電源的情況下，在某些實施例中，它們能夠被單個電源模塊代替，該單個電源模塊能夠將獨立控制的功率供應至多個負載。

EHC系統200還可包括控制器210，該控制器與每個電源連通。EHC系統還可包括氫分布回路270。為了保持圖2的特征容易識別，沒有顯示水分布回路和冷卻劑分布回路。然而，EHC200可包括與EHC100相同的水分布回路和冷卻劑分布回路，但該水分布回路和冷卻劑分布回路被擴展以并入額外的EHC堆疊（即253、254和255）。

如圖2所示的EHC系統200被用于三個單獨的數值分析試驗（即試驗1、試驗2和試驗3）。EHC系統200內用于三個試驗的每個EHC堆疊由256個電化學電池組成，并且每個電池具有約250cm²的面積。對于每個試驗，假定對所有堆疊施加相等的操作壓力（即相等的能斯特電勢）。

試驗1

根據傳統的功率方案，試驗1由操作EHC系統200組成，在此方案中供應1250安培的總電流以及將相同的電流供應至每個EHC堆疊。這種方案闡明了，如果整個系統只有單個電源用于供應每個堆疊，那么性能將會是原因。對于試驗1，供應至每個堆疊（即221、222、223、224和225）的電流為來自每個相應的電源（即251、252、253、254和255）的250安培。以下的表1顯示試驗1的每個堆疊的參數和結果。

表1

如表1所示，堆疊251具有0.092160歐姆的最高電阻，而堆疊255具有0.061440歐姆的最低電阻。作為更高電阻的結果，被供應250安培電流的堆疊251導致功率消耗為5760瓦特，而被供應250安培電流的堆疊255導致功率消耗為3840瓦特。對應于最高功率消耗，堆疊251還接收23.04伏特的最高電勢。

由于高電阻和高能耗，EHC堆疊251可被表征為性能最差的堆疊。高電阻和高能耗可由各種問題導致，例如連同堆疊的一個或多個故障電池、一個或多個電池內的高電解質電導率、低濕度、電解質的離子污染、催化劑中毒、內部堆疊部件之間不良的電接觸、不當的氣體分布、熱量不平衡等。由于低電阻和低能耗，EHC堆疊255可被表征為性能最佳的堆疊。EHC堆疊251顯示出比EHC堆疊255大50%的電阻率，其相當于功率消耗多1920瓦特。每個堆疊消耗的至少一部分功率轉化成熱量。因此，EHC堆疊251消耗的額外的功率導致EHC堆疊151在比所有堆疊更高的溫度下操作。

試驗2

如本文描述，試驗1論證每個EHC堆疊被供應相同電流量（如250安培）的傳統功率方案。在試驗2中，由每個相應的電源給每個堆疊供應相同的電勢或電壓（即18.72伏特），而不是給每個堆疊供應相同的電流量。以下的表2顯示試驗2的每個堆疊的參數和結果。

表2

如表2所示，每個堆疊的電阻與試驗1沒有變化。在試驗2中，供應至每個堆疊的電勢（即電壓）橫跨每個EHC堆疊相配，而每個堆疊的單個電流在每個EHC堆疊之間有所不同。盡管每個堆疊的單個電流對于試驗2而言有所不同，但是控制總電流以維持與試驗1相同（即1250安培）。

當與試驗1消耗的總功率相比時，使每個堆疊的電壓相配而不是使電流相配能夠允許降低消耗的總功率。總功率的降低可歸因于性能最佳的堆疊（如255）的加大利用以及性能最差的堆疊（如251）的減少利用。由于與每個EHC堆疊關聯的單個電源，能夠實現此分配。

EHC堆疊255的加大利用以及EHC堆疊251的減少利用是施加至EHC堆疊的電流差的結果。如表2所示，203.12安培施加至EHC堆疊251，而304.69安培施加至EHC堆疊255。結果，對于試驗2，EHC堆疊251消耗最少的功率（即3803瓦特），而目前EHC堆疊255消耗最多的功率（即5704瓦特）。因此，性能最佳的堆疊（如255）是目前在最高溫度下運行的堆疊，與試驗1形成對比，其中性能最差的堆疊（如251）在最高溫度下運行。

對于試驗2，消耗的總功率為23400瓦特，比試驗1消耗的功率少408瓦特。因此，使EHC堆疊的電勢（如18.72伏特）相配同時保持總電流相同（如1250安培），消耗的功率減少約1.71%。此功率方案的關系可由以下所示的式8和式9表示。

式（8）

式（9）

試驗3

在試驗3中，將總電流保持在1250安培，同時改變電壓使得每個EHC堆疊消耗的功率（P）相配，而不是使電勢相配。此關系可由以下所示的式10來表示。

式（10）

以下的表2顯示試驗3期間每個堆疊的參數和結果。

表3

如表3所示，每個堆疊的電阻與試驗1和試驗2沒有變化。每個EHC堆疊產生的消耗功率值為約4700.34瓦特，使得總功率為23501.72瓦特，這相比于試驗1節省了1.29%。盡管試驗3的節省少于試驗2，但是使每個EHC堆疊的消耗功率相配維持了相等的熱負荷，因此可歸因于改進的總系統耐久性和壽命。

圖3示出由多堆疊EHC系統執行的示例性過程。本文描述的過程可與EHC系統100和/或EHC系統200以及其他實施例相對應。如本文描述的EHC系統100/200可被構造，使得包含氫氣的氣體流可在步驟302被引導至兩個或多個EHC堆疊。控制器110/210可被構造，使得功率可被施加至每個EHC堆疊，使得EHC系統100/200內每個EHC堆疊的電阻能夠在步驟304確定。

在步驟306，控制器110/210以期望的氫氣生產量為基礎可確定供應至EHC系統100的總電流（I）。控制器110/210可（例如）從流量傳感器171/271接收期望的氫氣生產量，或者可以是使用者的程序化輸入。總電流以供應至EHC系統100、包含氫氣的氣體流的壓力和流速為基礎可有所不同。在步驟308，通過使施加至每個EHC的電勢相配，以及在獲取總電流值時優化EHC堆疊當中的電流分布，控制器110/210可如在試驗2中描述的那樣操作。

圖4示出由多堆疊EHC系統100執行的示例性過程，該過程與在圖3中所示的過程相似。圖4所示的步驟402、404和406能夠與圖3所示的步驟302、304和306相同。圖4所示的步驟408能夠與步驟308不同。在步驟408，通過使每個EHC堆疊的功率相配，同時在獲取總電流值時優化EHC堆疊當中的電流分布，控制器110/210可如在試驗3中描述的那樣操作。

圖5示出由多堆疊EHC系統100執行的示例性過程，該過程與在圖4中所示的過程相似。圖5所示的步驟502和506能夠與圖4所示的步驟402和406相同。圖5所示的步驟504和508能夠與步驟404和408不同。控制器110/210可被構造，使得功率可被施加至每個EHC堆疊，使得EHC系統100/200內橫跨每個EHC堆疊的溫升（如差異）能夠在步驟504確定。例如，以穿過EHC的水溫的上升或冷卻劑溫度的上升為基礎，或者只以在EHC堆疊的物理結構中的上升為基礎，可計算溫升。在步驟508，通過使每個EHC堆疊的電勢或功率相配，同時在獲取總電流值時優化EHC堆疊當中的電流分布，控制器110/210可如在試驗2或試驗3描述的那樣操作。每個電池的溫升可被控制器110/210用于設置功率分布至每個電池。

對于本領域技術人員而言顯而易見的是，能夠對所公開的系統和方法作出各種修改和變化。出于對所公開的系統和方法的說明和實踐的考慮，其它實施例對于本領域技術人員而言將是顯而易見的。這意味著，說明書和示例被視為僅是示例性的，真實的范圍由以下權利要求及其等效物表明。