Conception d'électrolyseur révolutionnaire pour les énergies renouvelables variables

En tant que pionnier dans le domaine de l'énergie hydrogène, VERDE HYDROGEN travaille sur l'électrolyseur d'hydrogène depuis des décennies et a développé différentes tailles d'électrolyseur, y compris l'électrolyseur à pile unique de 1200 Nm3/H. Le brevet de la société (brevet américain n° 8 936 704) pourrait apporter une conception décisive d'électrolyseur aux énergies renouvelables sans transformateur ni redresseur.

Abstrait

Des systèmes et des procédés de génération d'hydrogène par électrolyse d'eau à partir d'une source d'énergie volatile peuvent faciliter l'ajustement de la capacité de fonctionnement d'un empilement d'électrolyse sur la base de mesures de la production d'électricité de la source d'énergie. Dans divers modes de réalisation, l'ajustement de capacité est obtenu en incorporant moins ou plus de cellules de l'empilement d'électrolyse dans un circuit électrique fermé comprenant les cellules incorporées en série avec la source d'alimentation.

L'hydrogène a longtemps été considéré comme une source de carburant alternative propre aux sources d'énergie fossiles. L'hydrogène est non polluant, transportable, stockable, plus efficace que l'essence et peut être converti directement en chaleur et en électricité pour des applications fixes et mobiles.

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De nombreuses tentatives ont été faites pour améliorer le rendement et réduire le coût de la production d'hydrogène par électrolyse. Les approches précédentes qui traitent de la volatilité des sources d'alimentation d'entrée se répartissent généralement en deux catégories :

Les deux approches entraînent souvent une augmentation des coûts et de la complexité du système de génération d'hydrogène, des pertes d'efficacité et/ou des problèmes de maintenance à long terme.

La présente demande décrit une nouvelle approche pour contrôler un système de génération d'hydrogène alimenté par le flux non stable d'électricité produit à partir de sources éoliennes, solaires ou d'autres sources volatiles pour la production d'hydrogène. Dans divers modes de réalisation, le système de génération d'hydrogène comprend un empilement d'électrolyse commandé automatiquement avec une fonction de commande qui détermine quelle doit être la capacité de fonctionnement de l'empilement d'électrolyse à un instant donné afin d'utiliser efficacement la puissance d'entrée momentanée. Le système de génération d'hydrogène peut comprendre, en plus de l'empilement d'électrolyse, une piste conductrice, un pont de contact électrique mobile et un pilote associé, un dispositif de mesure et un contrôleur. L'empilement d'électrolyse peut comprendre une pluralité de cellules d'électrolyse connectées électriquement en série pour former un chemin électriquement conducteur à travers. La capacité de fonctionnement de la pile peut être modifiée en ajustant le nombre de cellules d'électrolyse dans le chemin qui sont connectées à la source d'alimentation. Plus spécifiquement, le contrôleur peut, sur la base de l'entrée de la mesure de l'électricité actuelle et/ou d'autres paramètres de fonctionnement du système (par exemple, en conjonction avec les besoins en électricité de fonctionnement prédéfinis d'une pile d'électrolyse), déterminer la capacité souhaitée de la pile d'électrolyse en fonctionnement (c'est-à-dire le nombre souhaité de cellules d'électrolyse), et envoyer un signal de commande correspondant au pilote. Le conducteur peut alors, sur la base du signal du contrôleur, contrôler la position du pont de contact mobile sur la piste conductrice. Le pont de contact, en s'arrêtant à différentes positions en fonction des commandes reçues du contrôleur, peut limiter la boucle électrique de la pile d'électrolyse à la capacité de fonctionnement souhaitée.

Ainsi, divers modes de réalisation décrits ici fournissent un procédé efficace pour augmenter et diminuer la capacité d'un empilement d'électrolyse, permettant à un système de génération d'hydrogène d'être exploité à l'efficacité souhaitée avec une électricité fluctuante dans un format différent.

De plus, par rapport aux systèmes de l'art antérieur, l'approche décrite ici réduit le nombre de capteurs, de contrôleurs et/ou de commutateurs utilisés pour contrôler une pluralité d'unités d'électrolyse, et réduit ainsi la complexité technique du système de génération d'hydrogène. Avantageusement, cela peut, à son tour, réduire le coût de la production d'hydrogène et améliorer la popularité de l'hydrogène pour remplacer les combustibles fossiles en tant que source d'énergie combustible.

FIGUE. 1 illustre conceptuellement un exemple de mode de réalisation d'un système de génération d'hydrogène selon celui-ci. Le système comprend une source d'alimentation 100, un contrôleur 101 (qui peut comprendre, par exemple, une interface d'entrée 102, une CPU 103, un dispositif de stockage de données 104 et une interface de sortie 105), une pile d'électrolyse 106 (qui comprend généralement une pluralité de cellules d'électrolyse 107), un pont de contact mobile 108, une piste conductrice 110 et un dispositif de mesure 112. Les cellules 107 de la pile 106 sont connectés électriquement en série de manière à former un chemin électriquement conducteur 114 à travers l'empilement. Une extrémité 115 de ce trajet est connectée électriquement (ou peut être connectée électriquement via un interrupteur 109) à une borne de la source d'alimentation 100 (par exemple, comme représenté, la borne négative). L'autre extrémité 113 du chemin électriquement conducteur 114 peut être une extrémité ouverte. Ainsi, l'empilement 106 à lui seul ne forme généralement pas un circuit fermé avec la source d'alimentation 100. Au contraire, la piste conductrice 110 et le pont de contact 108 servent à fermer le circuit. En particulier, comme illustré, la piste conductrice 110 est connectée électriquement à la deuxième borne de la source d'alimentation (par exemple, la borne positive), et le pont de contact mobile 108 établit une connexion électrique entre un point sur la piste conductrice 114 et la piste conductrice 110. De cette manière, l'électricité ira dans une extrémité (115) de la pile et sortira du pont de contact 108, pas de l'autre extrémité (113) de la pile 106 (à moins, bien entendu , le pont de contact 108 arrive à se connecter au chemin conducteur 114 à l'extrémité 113). Le résultat est un circuit comprenant la source d'alimentation 100, un certain nombre de cellules d'électrolyse 107, le pont de contact 108 et la piste conductrice 110 dans une configuration en série (notez que la désignation des bornes positive et négative de la source d'alimentation 100 est uniquement à des fins d'illustration. Les bornes positive et négative de la source d'alimentation peuvent, en pratique, être commutées sans affecter les principes de fonctionnement décrits ici.)

Le point 111 le long du chemin conducteur 114 auquel le pont de contact 108 entre en contact avec le chemin conducteur 114 est variable. Dans certains modes de réalisation, le point de contact 111 entre le pont de contact 108 et le chemin conducteur 114 peut être défini à n'importe quelle position entre les deux extrémités 115, 113 du chemin conducteur 114, et ainsi inclure n'importe quel nombre de cellules d'électrolyse 107 de la pile 106 (par exemple, zéro cellule, une cellule ou plusieurs cellules jusqu'à un nombre maximum de cellules correspondant au nombre de cellules dans la pile) dans le circuit. Par exemple, comme illustré, le pont de contact peut être connecté au chemin conducteur 114 à trois cellules 107 de l'extrémité ouverte 113 du chemin conducteur 114, excluant ainsi ces trois cellules du circuit tout en incluant toutes les autres cellules. Dans certains modes de réalisation, le mouvement du pont de contact 108 est limité pour appliquer certaines contraintes sur le nombre de cellules 107 incluses dans le circuit, par exemple, pour garantir qu'au moins une cellule 107 fait partie du circuit. En général, seule la partie de la pile 106 entre l'extrémité négative 115 et le pont de contact 108 est incluse dans le circuit électrique à un instant donné, tandis que la partie restante de la pile 106 n'est pas parcourue par de l'électricité. Ainsi, en positionnant le pont de contact, le système peut activer ou désactiver des portions sélectionnées de l'empilement 106.

La position du pont de contact 108, et donc la capacité de fonctionnement du système de génération d'hydrogène, est contrôlée par le contrôleur 101. Par exemple, dans certains modes de réalisation, l'interface de sortie 105 peut envoyer des signaux pour contrôler le pont de contact mobile 108 afin d'augmenter ou de diminuer la capacité de fonctionnement du système. L'interface de sortie 105 peut également envoyer un signal au commutateur 109 pour mettre complètement hors tension la pile 106 lorsque cela est nécessaire.

En fonctionnement, le dispositif de mesure 112 mesure la sortie électrique (et éventuellement un ou plusieurs autres paramètres de fonctionnement) de la source d'alimentation externe 100 et/ou un ou plusieurs paramètres de fonctionnement de la pile d'électrolyse 106. La sortie électrique de la source d'alimentation 100 peut être mesurée, par exemple, en termes de tension ou de courant électrique. Les paramètres de fonctionnement mesurés de la pile 106 peuvent comprendre, par exemple, la pression, la température et/ou le niveau de liquide à l'intérieur de la pile 106, le débit de sortie d'hydrogène gazeux, etc. Le dispositif de mesure 112 peut (mais pas nécessairement) comprendre différents capteurs pour mesurer deux ou plusieurs paramètres différents du système (y compris un paramètre indicatif de la sortie électrique de la source d'alimentation). En outre, le dispositif de mesure 112 peut comprendre une fonctionnalité de traitement pour traiter le ou les signaux reçus du ou des capteurs. Bien qu'illustrés sous la forme d'un boîtier unique, différents composants physiques constituant conjointement le dispositif de mesure 112 peuvent être physiquement distribués et ne doivent pas nécessairement être contenus dans un boîtier unique ou une autre enceinte physique, comme le reconnaîtra l'homme du métier. Dans divers modes de réalisation, le dispositif de mesure 112 continue à mesurer la sortie électrique et/ou d'autres paramètres tout au long du fonctionnement de la pile d'électrolyse, par exemple, en acquérant des signaux de capteur à des intervalles de temps réguliers (par exemple, une fois par seconde, une fois par minute, ou à un autre intervalle approprié) ou à intervalles irréguliers, selon les besoins du contexte d'application particulier.

Dans certains modes de réalisation, le dispositif de mesure 112 envoie des signaux électriques avec les informations mesurées (par exemple, des signaux bruts ou des signaux prétraités indiquant la sortie de la source d'alimentation 100 et/ou d'autres paramètres de fonctionnement) à l'interface d'entrée 102 du contrôleur 101. Lors de la réception, l'interface d'entrée 102 peut traduire le ou les signaux électroniques en un signal logique, qui est ensuite transféré à la CPU 103. La CPU 103 traite ensuite le signal, par exemple, en effectuant un calcul basé sur un ou plusieurs programmes stockés dans le dispositif de stockage 104, pour déterminer la capacité de fonctionnement souhaitable des piles d'électrolyse 106 (c'est-à-dire, pour déterminer combien de cellules 107 doivent fonctionner) dans les conditions mesurées (en particulier, compte tenu de la puissance actuellement disponible fournie par la source d'alimentation 100). Sur la base de la capacité de fonctionnement souhaitable calculée, la CPU 103 peut en outre calculer la position vers laquelle le pont de contact mobile 108 doit se déplacer, et générer et envoyer une ou plusieurs commandes indicatives de cette position à l'interface de sortie 105. L'interface de sortie 105 peut convertir ces commandes en signaux électriques pour contrôler l'ouverture/fermeture du commutateur 109 et/ou le mouvement du pont de contact mobile 108. Comme on le comprendra facilement, diverses modifications du contrôleur 101 décrit ci-dessus sont possibles. Par exemple, la fonctionnalité de calcul pour déterminer la capacité de fonctionnement souhaitable et la position correspondante du pont de contact 108 peut alternativement être fournie entièrement en matériel (par exemple, sous forme de circuits câblés plutôt qu'avec un processeur et une mémoire contenant des instructions logicielles). Au lieu d'utiliser un groupe de commutateurs/capteurs pour contrôler chacun d'un groupe de cellules/piles d'électrolyse individuellement pour ajuster la capacité de fonctionnement, comme le fait la publication de la demande de brevet US n° 2011/0155583, divers modes de réalisation n'utilisent qu'une seule pile d'électrolyse 106 et un ensemble de commutateur 109, contrôleur 101 et dispositif de mesure 112 pour pouvoir ajuster la capacité de génération d'hydrogène de 0 % à 100 %.

FIGUES. Les figures 3A et 3B montrent schématiquement des vues de dessus et de face, respectivement, d'une piste conductrice, d'un pont de contact mobile et d'un empilement d'électrolyse selon divers modes de réalisation.

FIGUE. La figure 2 donne une vue de côté de l'empilement d'électrolyse 106, du pont de contact 108 et de la piste conductrice 110, illustrant leur disposition géométrique relative (entre autres). Comme représenté, la piste conductrice 110 et le pont de contact 108 peuvent être installés au-dessus de l'empilement d'électrolyse 106, la piste conductrice 110 étant disposée sensiblement parallèlement à l'empilement 106. Cette disposition devient encore plus claire lorsque la Fig. 2 est vue conjointement avec les Fig. 3A et 3B, qui fournissent des vues de dessus et de face, respectivement, de l'empilement d'électrolyse 106 et de la piste conductrice 110 et du pont de contact 108 montés dessus. La piste conductrice 110 peut avoir deux rôles : en plus de coupler électriquement les cellules d'électrolyse 107 à la deuxième borne (positive) de la source d'alimentation 100, elle peut servir à supporter mécaniquement le pont de contact 108 et guider son mouvement. Par exemple, la piste conductrice peut être métallique et en forme de rail dans lequel prend appui l'extrémité supérieure du pont de contact ; des formes et configurations appropriées apparaîtront facilement à l'homme de l'art. La conception peut être compacte et facile à fabriquer.

Comme le montre la Fig. 2, l'empilement d'électrolyse 106 peut contenir M fentes/cellules d'électrolyse (y compris, par exemple, les cellules représentées 202, 203, 204, 205, 206, ... 210), connectées en série. Dans certains modes de réalisation, les cellules sont directement adjacentes les unes aux autres, évitant le besoin de canalisations ou de câbles entre elles ; cet agencement fournit un moyen économique et pratique de fabriquer un seul empilement d'électrolyse. Chaque fente/cellule d'électrolyse peut fonctionner sous 1,6-2,3 volts d'électricité CC ; en conséquence, la pile d'électrolyse 106 en tant qu'unité complète fonctionne de préférence sous environ 2*M Volts d'électricité CC, si toutes les cellules d'électrolyse fonctionnent. En fonction de la position du pont de contact 108, les cellules de fonctionnement peuvent changer de 1 à M, et la tension de fonctionnement pour la pile d'électrolyse 106 peut changer de 2 Volt à 2*M Volts, sans utiliser de transformateur ou d'appareils électriques similaires. De cette manière, la présente demande modifie la tension de fonctionnement de l'empilement d'électrolyse 106 pour correspondre à la tension d'entrée de la source d'alimentation 100, tandis que de nombreuses autres inventions, telles que celle décrite dans le brevet US n°. US 7 906 007, font le contraire, c'est-à-dire changent la tension d'entrée fournie par la source d'alimentation pour correspondre à la tension de fonctionnement de la pile d'électrolyse. (Ce qui précède ne doit pas être compris comme excluant les systèmes et les procédés qui impliquent l'ajustement de la tension de la source d'alimentation en plus d'ajuster la capacité de fonctionnement de la pile d'électrolyse 106.) Comme la recherche en laboratoire l'a montré, l'efficacité électrochimique d'une cellule ou pile d'électrolyse donnée tend à devenir plus élevée pour des courants électriques plus faibles (tout le reste restant le même). Divers modes de réalisation tirent parti de cette idée en ajustant la tension de fonctionnement souhaitée pour chaque cellule d'électrolyse entre 1,6 V et 2,3 V pour garantir un faible ampérage de fonctionnement à tout moment. Le 1.6V. La plage d'environ 2,3 V peut varier en fonction des matériaux d'électrode et de l'électrolyte.

Dans divers modes de réalisation, le pont de contact 108 est entraîné par un dispositif d'entraînement 220 qui provoque son déplacement le long de la piste conductrice 110 et s'arrête à une certaine position désignée par le contrôleur 101. Le dispositif d'entraînement 220 peut être ou comprendre, par exemple, un moteur pas à pas, une poulie électrique, une roue de glissement de rail ou tout autre dispositif pouvant se déplacer vers une position désignée suite à un signal de commande. Le dispositif pilote 220 est commandé avec des signaux reçus du contrôleur 101. Dans certains modes de réalisation, si la CPU 103 détermine que la capacité de la pile d'électrolyse 106 doit être augmentée, un signal provenant de l'interface de sortie 105 s'assure que l'interrupteur 109 est fermé, c'est-à-dire connecte la pile 106 à la source d'alimentation 100, et en outre, un signal provenant de l'interface de sortie 105 commande le dispositif pilote 220 pour déplacer le pont de contact 108 vers une position où plusieurs cellules 107 de la pile d'électrolyse 106 sont incluses dans le circuit électrique. Si la CPU 103 détermine que l'électricité disponible en temps réel n'est pas suffisante pour que la pile d'électrolyse 106 fonctionne à sa capacité actuellement définie, un signal provenant de l'interface de sortie 105 entraînera le dispositif pilote 220 en sens inverse pour exclure certaines cellules 107 de la pile d'électrolyse 106 du circuit électrique.

L'interface d'entrée 102 peut également recevoir des paramètres prédéfinis concernant le système, par exemple, la tension ou les courants maximaux pour le système, le nombre total de cellules d'électrolyse à l'intérieur de la pile 106 (c'est-à-dire le nombre maximal de cellules 107 disponibles pour cette pile), les méthodes de calcul du paramètre de fonctionnement souhaité pour la pile d'électrolyse, l'ordre séquentiel pour augmenter ou diminuer la capacité de travail de la pile d'électrolyse, etc.

Avantageusement, divers modes de réalisation décrits ici facilitent le contrôle de la capacité d'un système d'électrolyse à l'aide d'un seul contrôleur qui ajuste la capacité de fonctionnement de et dans une seule pile d'électrolyse. Cela réduit la complexité (par exemple, en termes de nombre de composants du système) et le coût de fabrication du système global, par rapport à divers systèmes conventionnels qui utilisent plusieurs contrôleurs pour contrôler chacune des multiples unités d'électrolyse (telles que plusieurs piles, sous-piles ou cellules) séparément pour atteindre une capacité réglable. Les systèmes conventionnels, afin de permettre à chaque unité d'être allumée ou éteinte séparément, nécessitent également généralement des connexions de câbles électriques et des conduites de gaz/liquide séparées pour chaque unité. En revanche, pour divers modes de réalisation de celle-ci, il suffit de connecter un ensemble de câbles et de canalisations dans l'empilement, contribuant à réduire le coût de fabrication. Dans divers modes de réalisation, la conception compacte selon les présentes aboutit également à une surface extérieure plus petite, réduisant les pertes de chaleur et la rendant ainsi plus économe en énergie pour maintenir la plage de température élevée (normalement environ 70°C… environ 90°C) généralement utilisée pour maintenir une électrolyse efficace.

FIGUE. La figure 4 illustre un exemple de procédé de mise en oeuvre du système d'électrolyse décrit ci-dessus. Le procédé consiste à générer de l'énergie (401), généralement avec une source d'énergie volatile (par exemple, utilisant l'énergie solaire ou éolienne), pour entraîner l'électrolyse. En outre, un ou plusieurs paramètres électriques (par exemple, tension, courant et/ou puissance) de la source d'alimentation, et éventuellement d'autres paramètres du système, sont mesurés, et les résultats des mesures sont envoyés au contrôleur 101 (402). Le contrôleur 101 prend le(s) paramètre(s) de la source d'alimentation 100 et/ou de la pile d'électrolyse 106, et calcule la capacité de fonctionnement souhaitée de la pile d'électrolyse 106 en fonction soit des préréglages, soit des mesures instantanées (403). La position souhaitée du pont de contact 108 est calculée sur la base de la capacité de fonctionnement souhaitée (404); le contrôleur 101 envoie un signal indiquant cette position à un dispositif pilote 220 (405). La capacité de l'électrolyse est alors augmentée ou diminuée en utilisant le dispositif pilote 220 pour déplacer le pont de contact 108 vers la position souhaitée (406). L'électrolyse se déroule ensuite à la capacité ajustée pour générer de l'hydrogène et/ou d'autres produits d'électrolyse, et l'hydrogène gazeux généré et d'autres produits sont collectés et stockés pour une utilisation ultérieure (407).

Coordonnées : Dan Crockerwww.verdellc.com

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