Diseño innovador de electrolizadores para renovables variables

Como pionero en el campo de la energía del hidrógeno, VERDE HYDROGEN ha estado trabajando en electrolizadores de hidrógeno durante décadas y ha desarrollado diferentes tamaños de electrolizadores, incluido el electrolizador de una sola pila de 1200 Nm3/H. La patente de la compañía (Patente de EE. UU. No. 8,936,704) podría llevar un diseño histórico de electrolizador a la energía renovable sin transformador ni rectificador.

Abstracto

Los sistemas y métodos para generar hidrógeno por electrólisis del agua de una fuente de energía volátil pueden facilitar el ajuste de la capacidad operativa de una pila de electrólisis en función de las mediciones de la producción de electricidad de la fuente de energía. En varias realizaciones, el ajuste de la capacidad se logra incorporando menos o más celdas de la pila de electrólisis en un circuito eléctrico cerrado que incluye las celdas incorporadas en serie con la fuente de energía.

El hidrógeno se ha considerado durante mucho tiempo como una fuente de combustible alternativa limpia a las fuentes de energía de combustibles fósiles. El hidrógeno no es contaminante, es transportable, almacenable, más eficiente que la gasolina y se puede convertir directamente en calor y electricidad para aplicaciones estacionarias y móviles.

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Se han hecho muchos intentos para mejorar la eficiencia y reducir el coste de la producción de hidrógeno por electrólisis. Los enfoques anteriores que abordan la volatilidad de las fuentes de alimentación de entrada generalmente se dividen en dos categorías:

Ambos enfoques a menudo conducen a un mayor costo y complejidad del sistema de generación de hidrógeno, pérdidas de eficiencia y/o problemas de mantenimiento a largo plazo.

La presente solicitud da a conocer un nuevo enfoque para controlar un sistema de generación de hidrógeno alimentado por la corriente no estable de electricidad producida a partir de fuentes eólicas, solares u otras fuentes volátiles para la producción de hidrógeno. En varias realizaciones, el sistema de generación de hidrógeno incluye una pila de electrólisis controlada automáticamente con una función de control que determina cuál debe ser la capacidad operativa de la pila de electrólisis en un momento dado para usar eficientemente la potencia de entrada momentánea. El sistema de generación de hidrógeno puede incluir, además de la pila de electrólisis, una pista conductora, un puente de contacto eléctrico móvil y un controlador asociado, un dispositivo de medición y un controlador. La pila de electrólisis puede incluir una pluralidad de celdas de electrólisis conectadas eléctricamente en serie para formar un camino eléctricamente conductor. La capacidad operativa de la pila se puede cambiar ajustando la cantidad de celdas de electrólisis dentro de la ruta que están conectadas a la fuente de energía. Más específicamente, el controlador puede, en función de la entrada de la medición de la electricidad actual y/u otros parámetros operativos del sistema (p. ej., junto con el requisito de electricidad operativa preestablecido de una pila de electrólisis), determinar la capacidad deseada de la electrólisis operativa apilar (es decir, el número deseado de celdas de electrólisis) y enviar una señal de control correspondiente al controlador. El controlador puede entonces, basándose en la señal del controlador, controlar la posición del puente de contacto móvil en la pista conductora. El puente de contacto, al detenerse en diferentes posiciones de acuerdo con los comandos recibidos del controlador, puede limitar el bucle eléctrico de la pila de electrólisis a la capacidad operativa deseada.

Por lo tanto, varias realizaciones descritas en este documento proporcionan un método eficiente para aumentar y disminuir la capacidad de una pila de electrólisis, lo que permite operar un sistema de generación de hidrógeno con la eficiencia deseada con electricidad fluctuante en diferentes formatos.

Además, en comparación con los sistemas de la técnica anterior, el enfoque aquí descrito reduce el número de sensores, controladores y/o interruptores utilizados para controlar una pluralidad de unidades de electrólisis y, por lo tanto, reduce la complejidad técnica del sistema de generación de hidrógeno. Ventajosamente, esto puede, a su vez, reducir el coste de producción de hidrógeno y mejorar la popularidad del hidrógeno en sustitución de los combustibles fósiles como fuente de energía de combustible.

HIGO. 1 ilustra conceptualmente una realización de ejemplo de un sistema de generación de hidrógeno de acuerdo con el presente. El sistema incluye una fuente de alimentación 100, un controlador 101 (que puede incluir, por ejemplo, una interfaz de entrada 102, una CPU 103, un dispositivo de almacenamiento de datos 104 y una interfaz de salida 105), una pila de electrólisis 106 (que generalmente incluye una pluralidad de celdas de electrólisis 107), un puente de contacto móvil 108, una pista conductora 110 y un dispositivo de medición 112. Las celdas 107 de la pila 106 están conectadas eléctricamente en serie para formar un camino eléctricamente conductor 114 a través de la pila. Un extremo 115 de este camino está conectado eléctricamente (o puede conectarse eléctricamente a través de un interruptor 109) a un terminal de la fuente de alimentación 100 (por ejemplo, como se muestra, el terminal negativo). El otro extremo 113 del camino eléctricamente conductor 114 puede ser un extremo abierto. Por lo tanto, la pila 106 por sí sola generalmente no forma un circuito cerrado con la fuente de alimentación 100. Más bien, la pista conductora 110 y el puente de contacto 108 sirven para cerrar el circuito. En particular, como se ilustra, la pista conductora 110 está eléctricamente conectada al segundo terminal de la fuente de energía (por ejemplo, la terminal positiva), y el puente de contacto móvil 108 establece una conexión eléctrica entre un punto en la ruta conductora 114 y el conductor pista 110. De esta manera, la electricidad entrará en un extremo (115) de la pila y saldrá del puente de contacto 108, no del otro extremo (113) de la pila 106 (a menos, por supuesto, que el puente de contacto 108 pasa a conectarse al camino conductor 114 en el extremo 113). El resultado es un circuito que incluye la fuente de alimentación 100, varias celdas de electrólisis 107, el puente de contacto 108 y la pista conductora 110 en una configuración en serie (tenga en cuenta que la designación de terminales positivo y negativo de la fuente de alimentación 100 es para solo con fines ilustrativos. Los terminales positivo y negativo de la fuente de alimentación pueden, en la práctica, cambiarse sin afectar los principios de funcionamiento descritos en este documento).

El punto 111 a lo largo del camino conductor 114 en el que el puente de contacto 108 entra en contacto con el camino conductor 114 es variable. En algunas realizaciones, el punto de contacto 111 entre el puente de contacto 108 y la ruta conductora 114 se puede establecer en cualquier posición entre los dos extremos 115, 113 de la ruta conductora 114 y, por lo tanto, incluir cualquier número de celdas de electrólisis 107 de la pila 106. (por ejemplo, cero celdas, una celda o múltiples celdas hasta un número máximo de celdas correspondiente al número de celdas en la pila) dentro del circuito. Por ejemplo, como se muestra, el puente de contacto puede estar conectado a la ruta conductora 114 a tres celdas 107 del extremo abierto 113 de la ruta conductora 114, excluyendo así estas tres celdas del circuito e incluyendo todas las demás celdas. En algunas realizaciones, el movimiento del puente de contacto 108 está limitado para imponer ciertas restricciones sobre el número de celdas 107 incluidas en el circuito, por ejemplo, para garantizar que al menos una celda 107 sea parte del circuito. En general, solo la parte de la pila 106 entre el extremo negativo 115 y el puente de contacto 108 se incluye en el circuito eléctrico en un momento dado, mientras que la parte restante de la pila 106 no tiene electricidad. Por lo tanto, al colocar el puente de contacto, el sistema puede encender o apagar partes seleccionadas de la pila 106.

El controlador 101 controla la posición del puente de contacto 108 y, por lo tanto, la capacidad operativa del sistema de generación de hidrógeno. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la interfaz de salida 105 puede enviar señales para controlar el puente de contacto móvil 108 para aumentar o disminuir la capacidad operativa del sistema. La interfaz de salida 105 también puede enviar una señal al conmutador 109 para apagar completamente la pila 106 cuando sea necesario.

En funcionamiento, el dispositivo de medición 112 mide la salida eléctrica (y opcionalmente uno o más parámetros operativos) de la fuente de alimentación externa 100 y/o uno o más parámetros operativos de la pila de electrólisis 106. La salida eléctrica de la fuente de alimentación 100 puede medirse, por ejemplo, en términos de voltaje o corriente eléctrica. Los parámetros operativos medidos de la pila 106 pueden incluir, por ejemplo, la presión, la temperatura y/o el nivel de líquido dentro de la pila 106, el caudal de salida de gas hidrógeno, etc. El dispositivo de medición 112 puede (pero no necesariamente) incluir diferentes sensores para medir dos o más parámetros diferentes del sistema (incluido un parámetro indicativo de la salida eléctrica de la fuente de alimentación). Además, el dispositivo de medición 112 puede incluir una funcionalidad de procesamiento para procesar la(s) señal(es) recibida(s) desde el(los) sensor(es). Aunque se ilustra como una única caja, los diferentes componentes físicos que constituyen conjuntamente el dispositivo de medición 112 pueden distribuirse físicamente y no es necesario que estén contenidos en una sola carcasa u otro recinto físico, como reconocerá un experto en la materia. En varias realizaciones, el dispositivo de medición 112 sigue midiendo la salida eléctrica y/u otros parámetros a lo largo de la operación de la pila de electrólisis, por ejemplo, mediante la adquisición de señales de sensor a intervalos de tiempo regulares (por ejemplo, una vez por segundo, una vez por minuto o en otro momento). intervalo adecuado) o a intervalos irregulares, dependiendo de las necesidades del contexto de aplicación particular.

En algunas realizaciones, el dispositivo de medición 112 envía señales eléctricas con la información medida (p. ej., señales sin procesar o señales preprocesadas indicativas de la salida de la fuente de alimentación 100 y/u otros parámetros operativos) a la interfaz de entrada 102 del controlador 101 Una vez recibida, la interfaz de entrada 102 puede traducir la(s) señal(es) electrónica(s) a una señal lógica, que luego se transfiere a la CPU 103. La CPU 103 luego procesa la señal, por ejemplo, realizando un cálculo basado en uno o más programas almacenados en el dispositivo de almacenamiento 104, para determinar la capacidad operativa deseable de las pilas de electrólisis 106 (es decir, para determinar cuántas de las celdas 107 deberían estar funcionando) en las condiciones medidas (en particular, dada la energía actualmente disponible proporcionada por la fuente de energía 100 ). Basándose en la capacidad operativa deseable calculada, la CPU 103 puede calcular además la posición a la que debe moverse el puente de contacto móvil 108, y generar y enviar uno o más comandos indicativos de esa posición a la interfaz de salida 105. La interfaz de salida 105 puede convertir estos comandos a señales eléctricas para controlar la apertura/cierre del interruptor 109 y/o el movimiento del puente de contacto móvil 108. Como se comprenderá fácilmente, son posibles varias modificaciones del controlador 101 descrito anteriormente. Por ejemplo, la funcionalidad computacional para determinar la capacidad operativa deseable y la posición correspondiente del puente de contacto 108 puede proporcionarse alternativamente completamente en hardware (por ejemplo, como circuitos cableados en lugar de un procesador y una memoria que contengan instrucciones de software). En lugar de usar un grupo de interruptores/sensores para controlar cada uno de un grupo de celdas/pilas de electrólisis individualmente para ajustar la capacidad de operación, como lo hace la publicación de solicitud de patente de EE. y un juego de interruptor 109, controlador 101 y dispositivo de medición 112 para poder ajustar la capacidad de generación de hidrógeno de 0% a 100%.

FIGURAS. 3A y 3B muestran esquemáticamente vistas superior y frontal, respectivamente, de una pista conductora, un puente de contacto móvil y una pila de electrólisis de acuerdo con varias realizaciones.

HIGO. 2 proporciona una vista lateral de la pila de electrólisis 106, el puente de contacto 108 y la pista conductora 110, que ilustra su disposición geométrica relativa (entre otras cosas). Como se muestra, la pista conductora 110 y el puente de contacto 108 pueden instalarse encima de la pila de electrólisis 106, estando dispuesta la pista conductora 110 sustancialmente paralela a la pila 106. Esta disposición se vuelve aún más clara cuando la FIG. 2 se ve junto con las FIGS. 3A y 3B, que proporcionan vistas superior y frontal, respectivamente, de la pila de electrólisis 106 y la pista conductora 110 y el puente de contacto 108 montados sobre ella. La pista conductora 110 puede tener dos funciones: además de acoplar eléctricamente las celdas de electrólisis 107 al segundo terminal (positivo) de la fuente de alimentación 100, puede servir para soportar mecánicamente el puente de contacto 108 y guiar su movimiento. Por ejemplo, la pista conductora puede ser de metal y tener la forma de un carril en el que se asienta el extremo superior del puente de contacto; las formas y configuraciones adecuadas serán fácilmente evidentes para los expertos en la materia. El diseño puede ser compacto y fácil de fabricar.

Como se muestra en la fig. 2, la pila de electrólisis 106 puede contener M ranuras/celdas de electrólisis (incluyendo, por ejemplo, las celdas representadas 202, 203, 204, 205, 206,... 210), conectadas en serie. En algunas realizaciones, las celdas están directamente adyacentes entre sí, evitando la necesidad de tuberías o cables entre ellas; esta disposición proporciona una forma económica y práctica de fabricar una sola pila de electrólisis. Cada ranura/celda de electrólisis puede funcionar con electricidad de 1,6 a 2,3 voltios de CC; en consecuencia, la pila de electrólisis 106 como una unidad completa funciona preferiblemente con aproximadamente 2 x M voltios de electricidad de CC, si todas las celdas de electrólisis están funcionando. Dependiendo de la posición del puente de contacto 108, las celdas operativas pueden cambiar de 1 a M, y el voltaje operativo para la pila de electrólisis 106 puede cambiar de 2 voltios a 2*M voltios, sin usar ningún transformador o dispositivos eléctricos similares. De esta manera, la presente solicitud cambia el voltaje operativo de la pila de electrólisis 106 para que coincida con el voltaje de entrada de la fuente de alimentación 100, mientras que muchas otras invenciones, como la descrita en las patentes de EE.UU. n.º 7.906.007, haga lo contrario, es decir, cambie el voltaje de entrada proporcionado por la fuente de alimentación para que coincida con el voltaje operativo de la pila de electrólisis. (Lo anterior no debe entenderse como excluyente de los sistemas y métodos que involucran el ajuste del voltaje de la fuente de energía además del ajuste de la capacidad operativa de la pila de electrólisis 106). Como ha demostrado la investigación de laboratorio, la eficiencia electroquímica de una celda de electrólisis dada o la pila tiende a ser más alta para corrientes eléctricas más bajas (todo lo demás permanece igual). Varias realizaciones aprovechan esta idea ajustando el voltaje operativo deseado para cada celda de electrólisis entre 1,6 V y 2,3 V para garantizar un amperaje operativo bajo en cualquier momento dado. El 1.6V. El rango de aproximadamente 2,3 V puede variar según los materiales del electrodo y el electrolito.

En varias realizaciones, el puente de contacto 108 es accionado por un dispositivo controlador 220 que provoca su movimiento a lo largo de la pista conductora 110 y se detiene en una determinada posición designada por el controlador 101. El dispositivo controlador 220 puede ser o incluir, por ejemplo, un escalón motor, una polea eléctrica, una rueda deslizante de riel o cualquier otro dispositivo que pueda moverse a una posición designada siguiendo una señal de comando. El dispositivo controlador 220 se controla con señales recibidas del controlador 101. En algunas realizaciones, si la CPU 103 determina que se debe aumentar la capacidad de la pila de electrólisis 106, una señal de la interfaz de salida 105 asegura que el interruptor 109 esté cerrado, es decir, , conecta la pila 106 a la fuente de alimentación 100 y, además, una señal de la interfaz de salida 105 ordena al dispositivo controlador 220 que mueva el puente de contacto 108 a una posición en la que se incluyen más celdas 107 de la pila de electrólisis 106 en el circuito eléctrico. Si la CPU 103 determina que la electricidad disponible en tiempo real no es suficiente para que la pila de electrólisis 106 funcione a su capacidad establecida actualmente, una señal de la interfaz de salida 105 impulsará el dispositivo controlador 220 de manera inversa para excluir algunas celdas 107 de la electrólisis. pila 106 del circuito eléctrico.

La interfaz de entrada 102 también puede recibir configuraciones preestablecidas sobre el sistema, por ejemplo, el voltaje o las corrientes máximas para el sistema, el número total de celdas de electrólisis dentro de la pila 106 (es decir, el número máximo de celdas 107 disponibles para esta pila ), métodos de cálculo para el parámetro operativo deseado para la pila de electrólisis, el orden secuencial para aumentar o disminuir la capacidad de trabajo de la pila de electrólisis, etc.

Ventajosamente, diversas realizaciones descritas en el presente documento facilitan el control de la capacidad de un sistema de electrólisis usando un solo controlador que ajusta la capacidad operativa de y dentro de una sola pila de electrólisis. Esto reduce la complejidad (p. ej., en términos de la cantidad de componentes del sistema) y el costo de fabricación del sistema general, en comparación con varios sistemas convencionales que usan múltiples controladores para controlar cada una de las múltiples unidades de electrólisis (como múltiples pilas, sub-pilas o celdas) por separado para lograr una capacidad ajustable. Los sistemas convencionales, para permitir que cada unidad se encienda o apague por separado, generalmente también requieren conexiones de cables eléctricos y tuberías de gas/líquido separadas para cada unidad. Por el contrario, para varias realizaciones del mismo, es suficiente conectar un conjunto de cables y tuberías a la pila, lo que contribuye a reducir el costo de fabricación. En varias realizaciones, el diseño compacto de acuerdo con el presente también da como resultado una superficie exterior más pequeña, lo que reduce las pérdidas de calor y, por lo tanto, lo hace más eficiente desde el punto de vista energético para mantener el rango de alta temperatura (normalmente alrededor de 70 grados C… alrededor de 90 grados C). .) generalmente utilizado para mantener una electrólisis eficiente.

HIGO. 4 ilustra un ejemplo de método para emplear el sistema de electrólisis descrito anteriormente. El método implica generar energía (401), normalmente con una fuente de energía volátil (p. ej., utilizando energía solar o eólica), para impulsar la electrólisis. Además, se miden uno o más parámetros eléctricos (por ejemplo, voltaje, corriente y/o potencia) de la fuente de alimentación y, opcionalmente, otros parámetros del sistema, y ​​los resultados de las mediciones se envían al controlador 101 (402). . El controlador 101 toma los parámetros de la fuente de energía 100 y/o de la pila de electrólisis 106 y calcula la capacidad operativa deseada de la pila de electrólisis 106 de acuerdo con los ajustes predeterminados o las mediciones instantáneas (403). La posición deseada del puente de contacto 108 se calcula en base a la capacidad operativa deseada (404); el controlador 101 envía una señal que indica esta posición a un dispositivo controlador 220 (405). A continuación, la capacidad de la electrólisis se aumenta o se reduce utilizando el dispositivo impulsor 220 para mover el puente de contacto 108 a la posición deseada (406). A continuación, la electrólisis procede a la capacidad ajustada para generar hidrógeno y/u otros productos de electrólisis, y el hidrógeno gaseoso generado y otros productos se recogen y almacenan para su uso posterior (407).

Información de contacto: Dan Crocker www.verdellc.com

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