包括两种类型电解系统的制氢工厂的制作方法

发明领域本发明涉及制氢工厂领域，具体涉及用于通过使用两种不同类型的电解系统在制氢工厂中生产氢气的方法。本发明还涉及制氢工厂、程序元件和计算机可读存储介质。

背景技术：

1、制氢工厂被配置为生产氢气。至少在某些情况下，制氢工厂(hpp)包括多个所谓的“堆栈”，例如nel氢。在生产期间，“堆栈”以及相应的为“堆栈”供电的整流器模块需要根据生产要求和/或工厂当前可用的能量进行升压和/或降压。因此，在这种应用中使用完全可控的整流器模块(“有源”整流器)是有意义的，但有源整流器模块可能相当昂贵。另一方面，“无源”整流器模块的使用将更经济有效，但其功率输出是不受控制的，这可能导致生产工厂的不良行为。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供用于在制氢工厂中生产氢气的方法。这一目的是通过独立权利要求的主题事项实现的。从从属权利要求和下面的描述可以明显地看出进一步的实施例。

2、一方面涉及用于在制氢工厂中生产氢气的方法。该工厂包括第一电解系统，该第一电解系统包括有源dc模块和至少一个第一类型电解槽，该第一电解系统被配置为通过使用来自有源dc模块的第一功率生产第一氢气输出，以及第二电解系统，该第二电解系统包括无源dc模块和至少一个第二类型电解槽，该第二电解系统被配置为通过使用来自无源dc模块的第二功率生产第二氢气输出。该方法包括以下步骤：在斜坡上升阶段，增加第一电解系统的第一氢气输出；以及当第一电解系统的第一氢气输出超过第一预定义氢气输出阈值时，开启第二电解系统，以及将第一电解系统的第一氢气输出减少到第一预定义氢气输出阈值减去第二氢气输出，使得制氢工厂的总氢气输出是第一氢气输出和第二氢气输出的总和。

3、如下所述，第一电解系统和第二电解系统在几个方面和/或特征上有所不同。第一电解系统和第二电解系统可以使用同一类型的电解槽；然而，至少在一些实施例中，第一类型电解槽可以与第二类型电解槽具有不同的类型。电解系统中的每一个可包括一个或多个电解槽。第一类型电解槽可以从所谓的有源dc模块中获得有源dc模块的功率，第二种电解槽可以从所谓的无源dc模块获得无源dc模块的功率。无源dc模块可以使用二极管，例如高性能二极管，而有源dc模块可以使用可控整流器。虽然制氢工厂的一个实施例可以只有一个第一电解系统和几个第二电解系统，但是备选实施例可以有不同数量的第一和第二电解系统，例如只有一个第一电解系统和只有一个第二电解系统，或者几个第一电解系统和几个第二电解系统。

4、所谓的无源dc模块可以包括使用二极管的整流器，例如高性能二极管，用于整流ac输入。有源dc模块可以使用scrs(可控硅整流器或晶闸管)、igbts(绝缘栅双极晶体管)和/或其他类型的可控整流器来整流ac输入。因此，有源dc模块的成本可能更高，例如，由于更昂贵的组件(例如用于整流器)和用于控制scrs的额外支出。因此，上面和/或下面描述的方法，其中使用两种类型的电解系统，使制氢工厂的总氢气输出得到很好的控制，但可能显著降低其组件的成本。

5、工厂的供电系统包括几个dc模块，每个模块被连接到一个或多个电解槽堆栈(例如，图3中的e11a和e11b)。使用至少一个有源dc模块(ma)和至少一个无源dc模块(mp)来形成供电系统。工厂的总氢气输出和/或总电力消耗是被连接到dc模块的电解槽的单个氢气输出的总和和/或所有dc模块消耗的所有功率的总和。有源dc模块可以被控制并且因此也可以经由可控的整流器来开启/关停，尽管在有源dc模块前面使用了用于保护的开关设备(图3中的sg1)。只有通过接通/关断开关设备(图3中的sg2和sg3)才能开启/关停无源dc模块。在某些情况下，可能使用额外的分接开关来修改无源整流器的电网输入电压，从而允许对无源dc模块的输入功率进行有限的控制。

6、电解系统可以从所谓的“中压电网”(mv电网)中获得电力，这取决于其指定的功率输出，通常电压从大约1千伏到大约50千伏。或者，可以使用“高压电网”(hv电网)，例如用于非常大的制氢工厂。注意，上面和/或下面描述的方法也适用于低于1kv的电压。因此，以上和/或下面描述的方法中的至少一些可以应用于广泛的ac源，例如具有单相、三相或任何其他ac源。

7、在运行制氢工厂时，可能需要增加氢气输出，例如，由于对总氢气输出的更高需求和/或由于工厂当前可用能源更多而导致的氢气输出增加。对于所谓的“绿色制氢工厂”来说尤其如此，它可以从太阳能电池板和/或风力发电机中获得能量。因此，“堆栈”和相应的整流模块，为“堆栈”提供电力，需要增加。可能还需要降低氢气输出，和/或以斜坡上升和斜坡下降模式运行制氢工厂。因此，在生产过程中，制氢工厂可能处于恒定阶段、斜坡上升阶段或斜坡下降阶段。在恒定阶段，可能不需要控制干预。此外，在恒定阶段期间，控制系统仍可能对电网电压波动反应，这可能影响供电，例如由无源dc模块产生的电压波动，和/或氢气输出变化，例如由堆栈中的温度或其他变化引起的电压波动。

8、在斜坡上升阶段，总氢气输出需要增加。为此，增加第一电解系统的第一氢气输出，直至第一预定义氢气输出阈值。当第一氢气输出超过第一预定义氢气输出阈值时，可以开启第二电解系统。为了使该过渡阶段的总氢气输出保持在同一水平，将第一电解系统的第一氢输出降低为第一预定义氢气输出阈值减去第二氢气输出。这可以包括第一电解系统的零氢气输出(至少在此水平上)，取决于“第一预定义氢气输出阈值”和“第二氢气输出”的定义。至少在某些情况下，第二电解系统可以仅在两个电平上运行，即在零功率或在最大功率下运行，例如，因为二极管是不可控制的。在至少一些情况下，第二电解系统可以包括设备-例如分接开关-第二电解系统被配置为改变无源dc模块的第二功率，即第二类型电解槽的电力输入，从而改变第二氢气输出。可以注意到的是，(第一和第二一样)预定义氢气输出阈值可能不一定是固定的阈值，但可以根据几个影响因素而变化，例如工厂输入功率的功率水平、模块的退化和/或其他因素。

9、对于现实世界的电解系统，第二电解系统的开启和/或第一电解系统的第一氢气输出的减少可能需要一段时间，例如超过1分钟，超过5分钟，超过10分钟，这是由电解系统的内部时间常数(或“惯性”)引起的。在制氢工厂的控制模块中考虑这些时间常数可能是有意义的。

10、上面和/或下面描述的方法可以结合有源和无源dc模块的优点，这可能是有利的。一般来说，采用无源整流器配置的一个好处，即如前所述的整流器的二极管配置，是二极管整流器在dc侧和ac侧产生的谐波都大大减少，因此，需要更少的谐波滤波器和/或控制工作来达到一定的电压和/或电流质量。此外，无源整流器不需要控制单元，因为它只是对输入电压进行整流，因此不需要半导体驱动器；这可能导致更高的平均故障间隔时间(mtbf)以及更少的组件故障。此外，还可以实现进一步的成本节约，因为一些组件-即控制系统，谐波滤波器，半导体驱动器等-成本较低，或者根本不需要无源dc模块。此外，在大多数情况下，无源元件更便宜。另一方面，有源dc模块是完全可控的，但可能需要进一步的组件，并且可能相当昂贵。因此，上面和/或下面描述的方法可以结合有源dc模块和无源dc模块的至少一些好处，导致可控和成本效益高的制氢工厂。

11、在各种实施例中，方法进一步包括以下步骤：在斜坡下降阶段，减少第一电解系统的第一氢气输出；以及当第一电解系统的第一氢气输出超过第二预定义氢气输出阈值时，关停第二电解系统，以及将第一电解系统的第一氢气输出增加到第二预定义氢气输出阈值加上第二氢气输出。

12、斜坡下降阶段的控制方式可能与斜坡上升阶段非常相似，从而导致对氢气输出的一致总体控制，对可控性和/或维护具有积极影响。此外，控制斜坡下降的类似方法可能开辟进一步的可能性，例如，包括滞后的控制机制。

13、在各种实施例中，第一和/或第二预定义氢气输出阈值大于或等于第二氢气输出。这可能有助于提高整个系统的可控性。

14、在各种实施例中，第一预定义氢气输出阈值比第二氢气输出高出10％、高出20％、高出30％、高出50％、高出70％、高出100％、高出150％、高出200％，和/或第二预定义氢气输出阈值高于零和/或低于第二氢气输出。

15、在各种实施例中，第一预定义氢气输出阈值减去第二电解槽输出大于或等于第二预定义氢气输出阈值。此特性启用包含迟滞的控件。这可能有利于减少或甚至防止第二电解系统在某些点周围的快速开启和关停(“振荡”)的影响，例如在第一和/或第二预定义氢气输出阈值周围。由于至少在某些情况下，开启和关停第二电解系统可能会导致电解系统的某些组件受到压力，因此减少开启和关停的次数可能会导致系统的更高可靠性和/或更长的维护间隔。

16、在各种实施例中，制氢工厂包括多个，n2，第二电解系统，使得制氢工厂的总氢气输出是第一氢气输出的总和加上n2第二最大氢气输出。这样的系统甚至可能非常具有成本效益，因为需要的第一电解系统少得多(例如，只需要一个)，而可以使用多个更便宜的第二电解系统。

17、第二电解系统可能具有不同的性能、操作范围、效率、成本、寿命和/或不同的制造商。然而，在至少一些实施例中，n2第二电解系统和/或第二类型电解槽的每一个可以具有本质上相同的最大第二氢气输出。

18、在一些实施例中，制氢工厂包括多个，n1，第一电解系统。例如，这可能有助于提高第一电解系统的功率。另外或作为替代方案，这可用于实现第一电解系统的冗余概念，例如热冗余概念。

19、在各种实施例中，第一类型电解槽被设计为聚合物电解质膜、pem、电解系统，和/或第二类型电解槽被设计为碱性水电解系统。这种选择可以分别支持第一电解系统或第二电解系统的特性。

20、在一些实施例中，无源dc模块可在零功率或最大功率下工作。这可能是一个极具成本效益的dc模块，因为它只使用二极管进行整流，不需要进一步的组件来控制无源dc模块的输入功率。

21、在一些实施例中，无源dc模块可以在零功率、最大功率或低功率下工作，并且/或者无源dc模块可以在三个或更多功率水平下工作，特别是通过分接开关。

22、这为无源dc模块提供了更高程度的灵活性，其中用于整流的二极管仍然可以使用。在所有这些实施例中-它可能具有两个、三个或甚至更多的功率水平-第二氢气输出可以通过使用来自无源dc模块的第二功率在零以外的任何上述功率水平下产生。

23、在各种实施例中，第一氢气输出是来自有源dc模块的第一功率和至少一个第一类型电解槽的温度和压力的函数，和/或第二氢气输出是来自无源dc模块的第二功率和至少一个第二类型电解槽的温度和压力的函数。考虑到这些依赖性可能会导致对工厂，特别是对电解槽的改进控制。此外，作为替代方案，控制可以考虑热循环和/或冷却设定点等影响因素，这可能导致电解槽和/或电解系统的退化较少

24、在各种实施例中，第一氢气输出是第一电解系统退化的函数，和/或第二氢气输出是第二电解系统退化的函数。考虑到这些依赖性可能会导致对工厂，特别是对电解槽的改进控制。

25、一方面涉及制氢工厂，包括：第一电解系统，包括有源dc模块和至少一个第一类型电解槽，第一电解系统被配置为通过使用来自有源dc模块的第一功率生产第一氢气输出，第二电解系统，包括无源dc模块和至少一个第二类型电解槽，第二电解系统被配置为通过使用来自无源dc模块的第二功率生产第二氢气输出，其中第二氢气输出的最大值小于或等于第一氢气输出的最大值，以及控制模块，被配置为根据前述权利要求中任一项所述的方法来控制无源dc模块和有源dc模块。

26、在各种实施例中，对无源dc模块和有源dc模块的控制依赖于制氢工厂的已请求的总氢气输出，和/或对无源dc模块和有源dc模块的控制依赖于来自电源的可用功率，来自电源的可用功率传递用于有源dc模块的第一功率和用于无源dc模块的第二功率的总和。简而言之，控制可能由输出需求和/或输入因素驱动。例如，投入因素可考虑到投入可能在长期或中期范围内波动，例如由能源(太阳能或风能)引起，和/或主要在短期范围内波动，例如电力波动。

27、在各种实施例中，无源dc模块包括非受控整流器，和/或有源dc模块包括受控整流器。非控制整流器可以使用整流二极管，例如高性能二极管，用于整流ac输入。有源dc模块可以使用scrs(可控硅整流器或晶闸管)、igbts(绝缘栅双极晶体管)和/或其他类型的可控整流器来整流ac输入。

28、一个方面涉及包括指令的计算机程序产品，当程序由制氢工厂的控制模块和/或在另一个处理单元上执行时，该指令使控制模块和/或处理单元执行如上面和/或下面所述的方法。

29、一个方面涉及如上所述的计算机程序或计算机程序产品存储在其上的计算机可读存储介质。

30、为了进一步解释，本发明通过附图中所示的实施例来描述。这些实施例仅被视为示例，而不是限制性的。