用于产生氢气的系统和方法与流程

背景技术：

1、随着电力生产转向更低二氧化碳(co2)足迹的技术，将电力转化为低碳或零碳运输燃料的能力正在成为减轻全球co2排放的越来越重要的挑战。在这样的燃料的选择中，氢气(h2)因其氧化产物为水而具有独特优势。因此，如果氢气可以以低碳足迹制造，则氢气代表低碳运输燃料。

技术实现思路

1、本公开内容描述了与经由水的电解产生氢气(h2)有关的系统和方法。特别地，本公开内容描述了允许较低的整体工厂资本支出并且可以提供用于通过水电解产生h2气体的减少的操作支出例如基于每千瓦成本或每h2产生能力成本的系统和方法。

2、在一个方面中，本公开内容描述了一种电解器系统，包括：一个或更多个电解器单元，每个电解器单元包括具有第一电极的第一半单元和具有第二电极的第二半单元；以及控制器，该控制器控制通过一个或更多个电解器单元施加的电流；其中，控制器被配置成在从约150ma/cm2至约3000ma/cm2的电流密度范围内动态设置电流密度，并且其中，控制器被配置成在第一条件被满足时将电流密度设置为第一值，并且在第二条件被满足时将电流密度设置为第二值。

3、在前述方面的一些示例中，第一值处于电解器单元的最大容量电流密度的第一百分比或低于第一百分比，并且第二值处于电解器单元的最大容量电流密度的第二百分比或高于第二百分比。

4、在前述方面的一些示例中，第一百分比是最大容量电流密度的20％或更小。

5、在前述方面的一些示例中，第二百分比是最大容量电流密度的80％或更大。

6、在前述方面的一些示例中，第一半单元包括：盘、盘内部的一个或更多个肋部、以及耦接至一个或更多个肋部的挡板，其中，挡板分隔盘中的体积，以便在盘的靠近第一电极的第一侧上提供上升区域，并且在挡板的与第一侧相对的第二侧上提供下降区域。

7、在前述方面的一些示例中，其中，上升区域便利于在第一电极处形成的气体上升并且避免气袋(gas pocket)的形成，并且其中，下降区域便利于电解质溶液的向下流动，其中，气体的上升和电解质溶液的向下流动引起盘中的循环，所述循环便利于电解质中的热平衡和减少的温度变化。

8、在前述方面的一些示例中，第一半单元包括：盘、定位在盘内部的歧管、以及离开歧管以供电解质离开盘的出口管，其中，歧管的截面面积被配置成使得通过歧管的电解质流量和气体流量足够低以避免段塞流(或弹状流)或柱塞流(或塞状流)。

9、在前述方面的一些示例中，第一半单元包括：盘、垂直定位在盘内部的一个或更多个肋部、以及将第一电极焊接至一个或更多个肋部的多个焊接部，其中，多个焊接部形成用于在电化学单元的操作期间将电流分布于电极上的、跨电极的焊接部分布式阵列。

10、在前述方面的一些示例中，每个电解器单元还包括第一半单元与第二半单元之间的分隔件，其中，多个焊接部的数目、尺寸和位置使得功率耗散对分隔件的温度的影响降低，以减少由于高局部温度而引起的损坏。

11、在另一方面中，电解器系统包括多个电解器单元，其中，每个电解器单元包括：具有第一电极的第一半单元、具有第二电极的第二半单元；以及将第一半单元与第二半单元分隔的分隔件。电解器系统还包括：电源，该电源被配置成施加通过多个电解器单元中的每个电解器单元的电流，使得通过多个电解器单元中的每个电解器单元的电流密度在从约150ma/cm2至约3000ma/cm2的电流密度范围内；以及控制器，该控制器将多个电解器单元中的每个电解器单元的电流密度动态控制在750ma/cm2或更小的第一电流密度范围与1ma/cm2或更大的第二电流密度范围之间。

12、在前述方面的一些示例中，第一半单元包括：盘、盘内部的一个或更多个肋部、以及耦接至一个或更多个肋部的挡板，其中，挡板分隔盘中的体积，以便在盘的靠近第一电极的第一侧上提供上升区域，并且在挡板的与第一侧相对的第二侧上提供下降区域。

13、在前述方面的一些示例中，第一半单元包括：盘、定位在盘内部的歧管、以及离开歧管以供电解质离开盘的出口管，其中，歧管的截面面积被配置成使得通过歧管的电解质流量和气体流量足够低以避免段塞流或柱塞流。

14、在前述方面的一些示例中，第一半单元包括：盘、垂直定位在盘内部的一个或更多个肋部、以及将第一电极焊接至一个或更多个肋部的多个焊接部，其中，多个焊接部形成用于在电化学单元操作期间将电流分布于电极上的、跨电极的焊接部分布式阵列。

15、在前述方面的一些示例中，每个电解器单元还包括第一半单元与第二半单元之间的分隔件，其中，多个焊接部的数目、尺寸和位置使得功率耗散对分隔件的温度的影响降低，以减少由于高局部温度而引起的损坏。

16、在另一方面中，一种用于执行电解的方法包括：在约0.15a/cm2与3.0a/cm2的值的范围内动态改变与电解器的操作相关联的电流密度；其中，与电解器的操作相关联的电流密度的改变是响应于电解器所位于的区域内的电力需求的改变的；并且其中，电流密度的改变包括：当电解器所位于的区域内的电力需求增加时，在约0.15a/cm2与3.0a/cm2的值的范围内降低电流密度；并且当电解器所位于的区域内的电力需求减少时，在约0.15a/cm2与3.0a/cm2的值的范围内升高电流密度。

17、在前述方面的一些示例中，需求的改变发生在需求正波动的时间段内。

18、在前述方面的一些示例中，需求波动包括时间段内需求的增加和减少。

19、在前述方面的一些示例中，时间段内的平均需求与另一时间段相比是升高的。

20、在前述方面的一些示例中，时间段内的平均需求与另一时间段相比是减少的。

21、在前述方面的一些示例中，时间段是需求通常增加或减少的时间段。

22、在前述方面的一些示例中，时间段在一天中的特定小时之间。

23、在前述方面的一些示例中，电解器包括至少两个单独的电解器单元。

24、在前述方面的一些示例中，电解器具有至少约2.5m3的总尺寸。

25、在前述方面的一些示例中，当电解器所位于的区域内电力需求增加时，除非电流密度被降低，否则电解器的操作支出增加。

26、在另一方面中，一种用于执行电解的方法，包括：(a)当电解器所位于的区域中电力需求增加时，将与电解器的操作相关联的电流密度减少至电解器的电流密度的最大容量的20％或更小；以及(b)当电解器所位于的区域的电力需求减少时，将与电解器的操作相关联的电流密度增加至电解器的电流密度的最大容量的80％或更大。

27、在前述方面的一些示例中，在需求正波动的时间段期间，电力需求增加或者电力需求减少。

28、在前述方面的一些示例中，需求波动包括时间段内需求的增加和减少。

29、在前述方面的一些示例中，时间段内的平均需求与另一时间段相比是升高的。

30、在前述方面的一些示例中，时间段内的平均需求与另一时间段相比是减少的。

31、在前述方面的一些示例中，时间段是需求通常增加或减少的时间段。

32、在前述方面的一些示例中，时间段在一天中的特定小时之间。

33、在前述方面的一些示例中，电解器包括至少两个单独的单元。

34、在前述方面的一些示例中，电解器具有至少2.5m3的总尺寸。

35、在前述方面的一些示例中，当电解器所位于区域内电力需求增加时，除非电流密度被降低，否则电解器的操作支出增加。