本發(fā)明涉及一種包括電解器和電路裝置的電解設(shè)備。本發(fā)明還涉及一種設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，該設(shè)備網(wǎng)絡(luò)包括電解設(shè)備和與該電解設(shè)備聯(lián)接的可再生能量設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、電解設(shè)備是利用電流使物質(zhì)轉(zhuǎn)換(電解)的裝置。根據(jù)電化學(xué)電解工藝的不同，也存在多種電解設(shè)備，例如用于電解水的電解設(shè)備。

2、現(xiàn)如今，氫氣是例如借助質(zhì)子交換膜(pem)電解或堿性電解由水產(chǎn)生的。電解設(shè)備利用電能由供應(yīng)的水生產(chǎn)氫氣和氧氣。該過(guò)程發(fā)生在由多個(gè)電解池組成的電解堆中。將水作為反應(yīng)物引入到處于直流電壓(dc電壓)作用下的電解堆中，在流經(jīng)電解池之后，出現(xiàn)兩股由水和氣泡(o2或h2)組成的流體流。

3、當(dāng)前考慮的是利用在陽(yáng)光充足和風(fēng)力充足的時(shí)期由可再生能源產(chǎn)生的過(guò)剩能量，即利用高于平均水平的太陽(yáng)能發(fā)電或風(fēng)力發(fā)電，來(lái)產(chǎn)生有價(jià)值的物質(zhì)。一種有價(jià)值的物質(zhì)尤其可為通過(guò)電解水的設(shè)備產(chǎn)生的氫氣。基于氫氣例如可生產(chǎn)所謂的可再生能量氣體(erneuerbare?energien-gas)，也叫做ee氣體。ee氣體是借助由可再生能源產(chǎn)生的電能而獲取的可燃?xì)怏w。

4、氫是一種特別環(huán)境友好且可持續(xù)的能量載體。氫具有獨(dú)特的潛力，可以在不排放co2的情況下實(shí)現(xiàn)能量系統(tǒng)、運(yùn)輸和大部分化學(xué)領(lǐng)域。為了對(duì)此取得成功，氫不能來(lái)自化石能源，而必須借助可再生能量生產(chǎn)?，F(xiàn)在至少有越來(lái)越多的由可再生能源產(chǎn)生的電被輸送到公共電網(wǎng)。因此，如果電解設(shè)備利用公共電網(wǎng)的電力運(yùn)行，則可根據(jù)電力組合產(chǎn)生相應(yīng)比例的綠色氫。

5、在以工業(yè)規(guī)模設(shè)計(jì)的電解中，直流電主要通過(guò)線路換向(電網(wǎng)引導(dǎo))整流器提供。在這種對(duì)電網(wǎng)中的交流電壓進(jìn)行整流的過(guò)程中，可能由于整流器的工作方式而產(chǎn)生諧振，這會(huì)對(duì)交流電網(wǎng)和/或直流電網(wǎng)帶來(lái)壓力。

6、專利文獻(xiàn)ep?3?723?254?a1公開(kāi)了這樣的電解設(shè)備，其與公共電網(wǎng)聯(lián)接并相應(yīng)地被供應(yīng)電網(wǎng)電流。為此，該電解設(shè)備具有包括四個(gè)線圈裝置和四個(gè)整流器的電路裝置。線圈裝置的第一線圈在此分別與其中一個(gè)整流器的直流電壓側(cè)連接。該電路裝置還包括兩個(gè)變壓器，該變壓器分別具有初級(jí)繞組和兩個(gè)次級(jí)繞組。變壓器的初級(jí)繞組與電網(wǎng)、例如中壓電網(wǎng)或高壓電網(wǎng)連接。通過(guò)這種方式，盡管第一線圈內(nèi)的鐵份額降低，但仍可實(shí)現(xiàn)所需的使直流電平滑或使諧振衰減。

7、可再生能量的一個(gè)來(lái)源是不斷增加的風(fēng)力利用。尤其是利用靠近海岸的所謂離岸風(fēng)能設(shè)備可實(shí)現(xiàn)大的電功率。然而，具有挑戰(zhàn)性的是，必須克服與消耗端之間較大的距離。因此，能量應(yīng)該盡可能無(wú)損失地傳輸給消耗端。氫非常適合作為傳輸介質(zhì)和能量載體。例如，氫可以通過(guò)管道以氣態(tài)形式傳輸。這里的一個(gè)積極的次要方面是，引導(dǎo)氫的管道可以同時(shí)滿足能量存儲(chǔ)器的功能，因?yàn)閮?nèi)部的壓力可以在一定范圍內(nèi)變化。

8、基于該考慮，在能量獲取地直接地、即自給自足且不依賴于公共電網(wǎng)地生產(chǎn)氫具有特別的經(jīng)濟(jì)利益。為此，建議將電解設(shè)備安裝在緊鄰離岸風(fēng)能設(shè)備的海洋區(qū)域中的離岸平臺(tái)上或者安裝在離岸風(fēng)能設(shè)備附近，并用產(chǎn)生的電力向電解設(shè)備供電。

9、對(duì)于大陸還提出了如下概念，即通過(guò)與電解設(shè)備直接連接以及饋入電解設(shè)備將由在岸風(fēng)力設(shè)備或光伏設(shè)備產(chǎn)生的電力至少部分地直接用于產(chǎn)生氫。在所有這些應(yīng)用中，電解設(shè)備是獨(dú)立電網(wǎng)的一部分。電解電力不是從公共電網(wǎng)獲得，而是直接由風(fēng)能設(shè)備或光伏設(shè)備提供并饋入電解設(shè)備的電解器中。在此，由風(fēng)能設(shè)備或光伏設(shè)備產(chǎn)生的電能例如還可暫存在電池中。與上文描述的線路換向(電網(wǎng)引導(dǎo))的運(yùn)行相比，該方案帶來(lái)了電解設(shè)備與相應(yīng)的可再生發(fā)電設(shè)備(無(wú)論是風(fēng)能設(shè)備還是光伏設(shè)備)的電連接和互連方面的特殊挑戰(zhàn)和問(wèn)題，特別是當(dāng)涉及到確保與可再生發(fā)電設(shè)備直接形成設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的電解設(shè)備的安全且首要是無(wú)故障運(yùn)行時(shí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明的目的是提供一種電解設(shè)備，借助電解設(shè)備可將由可再生能源產(chǎn)生的電流直接且無(wú)干擾地饋入電解設(shè)備。

2、根據(jù)本發(fā)明，該目的通過(guò)一種電解設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，該電解設(shè)備包括電解器和電路裝置，該電路裝置具有與外部直流電源聯(lián)接的輸入端以及與電解器聯(lián)接的輸出端，其中，電路裝置具有變壓器，在初級(jí)側(cè)變壓器與逆變器聯(lián)接并且在次級(jí)側(cè)變壓器與整流器聯(lián)接，從而可對(duì)電解器供應(yīng)直流電。

3、本發(fā)明已經(jīng)基于如下認(rèn)知，即電解設(shè)備、特別是電解器的pem水電解池對(duì)高頻的雜散電流非常敏感。這些雜散電流可經(jīng)由接地連接部或接地聯(lián)接部耦入電解設(shè)備。由于電解設(shè)備的必要設(shè)備部件如工藝技術(shù)、氣體分離器、輔助系統(tǒng)、引導(dǎo)水的供應(yīng)管路等，對(duì)于電解來(lái)說(shuō)與地面的連接不充分(接地故障或接地回路)。因此，一方面重要的是避免電流路徑能夠經(jīng)由地面閉合，也就是說(shuō)防止形成接地故障或接地回路。另一方面，盡可能地避免電磁干擾場(chǎng)本身耦入或至少減少干擾。當(dāng)電解設(shè)備與例如由光伏設(shè)備或風(fēng)能設(shè)備提供的直流電源直接聯(lián)接時(shí)，這個(gè)問(wèn)題尤其明顯。

4、因此，在這個(gè)由可再生發(fā)電設(shè)備和電解設(shè)備(其被直接饋入電解電流的可再生能量以便進(jìn)行電解)組成的復(fù)雜設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中，接地回路和交變電磁場(chǎng)進(jìn)入所用功率電子器件的耦入的不利影響相應(yīng)地變大。作為示例，具有絕緣柵電極的雙極晶體管(英語(yǔ)：insulated-gate?bipolar?transistor，簡(jiǎn)稱igbt)的廣泛且優(yōu)選的應(yīng)用是在向電解提供高電流的整流器中。igbt是在功率電子器件中使用的半導(dǎo)體器件，因?yàn)樗Y(jié)合了雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)(例如良好的導(dǎo)通特性、較高的阻斷電壓、魯棒性)和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)點(diǎn)，幾乎不需要功率來(lái)進(jìn)行控制。例如在具有基于igbt的整流器的所謂三相b6橋電路中，由此實(shí)現(xiàn)了在良好整流的情況下非常精確地控制電解電流。igbt的顯著優(yōu)勢(shì)是較高的電壓極限和電流極限，電壓可達(dá)到6500v，電流可達(dá)到3600a，功率可達(dá)到100mw，這注定了igbt用于電解設(shè)備的應(yīng)用。

5、利用本發(fā)明，通過(guò)電路裝置在電解設(shè)備中提供交流中間電路，其使得外部直流電源和電解器之間電解耦。在交流中間電路中，逆變器確保將來(lái)自外部直流電源的直流電壓轉(zhuǎn)換為在初級(jí)側(cè)與變壓器耦合的交流電壓。在變壓器的次級(jí)側(cè)連接有整流器，其確保轉(zhuǎn)換回直流電壓，特別是轉(zhuǎn)換到電解所需的且預(yù)定的電壓水平或電流水平。因此，該電路裝置特別有利地設(shè)計(jì)為交流中間電路，并且設(shè)計(jì)用于通過(guò)外部直流電源提供直流電，以便為電解器供應(yīng)電解電流。這是通過(guò)將輸入端與外部直流電源直接耦合或直接聯(lián)接實(shí)現(xiàn)的。風(fēng)能設(shè)備或光伏設(shè)備作為外部直流電源可有利地與電解設(shè)備聯(lián)接，風(fēng)能設(shè)備或光伏設(shè)備可分別有利地以不依賴于電網(wǎng)的方式在所謂的獨(dú)立運(yùn)行中配置用于離岸應(yīng)用和在岸應(yīng)用。

6、外部直流電源可經(jīng)由電路裝置的輸入端直接聯(lián)接，從而實(shí)現(xiàn)為電解器供應(yīng)直流電。通過(guò)經(jīng)由交流中間電路的電隔離和解耦，利用該電路裝置可靠地避免了高頻雜散電流的損害性干擾，并因而避免了電解器中的接地故障電流和不希望的電壓損耗。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)將電解設(shè)備與可再生發(fā)電設(shè)備方便且可靠地直接連接以及可實(shí)現(xiàn)不依賴于電網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)行。通過(guò)交流中間電路，可有利地實(shí)現(xiàn)特別良好且靈活地適配電力產(chǎn)生側(cè)上變化的電壓水平或電流水平。

7、特別是在基于堿性電解運(yùn)行的堿性電解應(yīng)用中，由于進(jìn)一步的原因，本發(fā)明提出的電隔離也應(yīng)該是優(yōu)選的。電隔離在此有利地減小了由電解引起的接地電流和雜散電流。其原因是接地回路不能閉合。通過(guò)電隔離，經(jīng)過(guò)地面的電流回路也有利地被中斷。

8、在這種情況下，交流中間電路中的變壓器的次級(jí)側(cè)優(yōu)選地設(shè)計(jì)成不接地。這不僅提供了有效保護(hù)免受來(lái)自電源的聯(lián)接線路上的高頻信號(hào)分量的影響，而且還顯著降低和抑制了直流雜散電流，因?yàn)榇藭r(shí)再次存在閉合的接地回路。

9、在這種情況下，交流中間電路的輸入側(cè)上的電壓優(yōu)選地高于電解運(yùn)行所需的電壓。這減少了損耗或減少了銅線或鋁線所需的橫截面積，因而節(jié)省了成本并且還可克服更大的線路距離，例如從具有約100m的高度的風(fēng)力渦輪機(jī)的塔架向下到電解設(shè)備的線路距離。

10、在優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案中，整流器可被調(diào)節(jié)和/或構(gòu)造成三相整流器、特別是b6橋式整流器。

11、有利地構(gòu)造為三相整流器或b6橋式整流器的一個(gè)或多個(gè)整流器的可調(diào)節(jié)性實(shí)現(xiàn)調(diào)整經(jīng)由所述一個(gè)或多個(gè)整流器產(chǎn)生的總電流并且因此例如控制與電路裝置連接的電解器的運(yùn)行。

12、優(yōu)選地規(guī)定，在所述電路裝置中可將交流電頻率設(shè)置為預(yù)定值。通過(guò)將所述電路裝置設(shè)計(jì)為交流中間電路，其不需要與公共電網(wǎng)聯(lián)接，因而可在很大程度上自由地選擇變壓器中交流電頻率。有利的是在此設(shè)置高頻變壓器，使得能夠與公共電網(wǎng)中的常規(guī)頻率不同。

13、在電解設(shè)備的優(yōu)選設(shè)計(jì)方案中，所述電路裝置被設(shè)計(jì)用于比公共電網(wǎng)的50hz至60hz的通常電網(wǎng)頻率更高的交流電頻率。這里使用較高的頻率是合適的，因?yàn)橛纱四軌驕p小變壓器的結(jié)構(gòu)尺寸和重量以及材料的使用量。這尤其在電解設(shè)備與風(fēng)能設(shè)備直接聯(lián)接時(shí)是非常有利的。由于更緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和在高運(yùn)行頻率下更低的重量，變壓器例如可安置在風(fēng)能設(shè)備的機(jī)艙中或風(fēng)能設(shè)備的塔架的底部中。電路裝置整體同樣可布置在那里。因此，電解設(shè)備例如可緊鄰風(fēng)能設(shè)備，從而用于聯(lián)接的線路長(zhǎng)度可以很短。

14、在特別優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案中，所述電路裝置被設(shè)計(jì)用于500hz到50khz、特別是10khz到30khz的交流電頻率。該頻率與和變壓器聯(lián)接的逆變器和整流器的頻率有關(guān)。為了利用結(jié)構(gòu)空間優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)，提供高頻中間電路變壓器作為所述變壓器。

15、此外優(yōu)選的是，對(duì)于所述變壓器設(shè)置小于10、特別是在1.5和7.5之間的變壓比或電壓擺幅。這可靈活地適應(yīng)電解器的要求或電解工藝所需的電壓電平的要求。

16、匝數(shù)之比或初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)的電壓之比也稱為變壓比。通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇變壓比、即匝數(shù)，可利用變壓器對(duì)交流電壓進(jìn)行升壓變換以及降壓變換。由此能夠適應(yīng)電解。

17、不過(guò)，根據(jù)電解設(shè)備的應(yīng)用和設(shè)計(jì)，特別是根據(jù)所使用的變壓器，大于10的電壓擺幅也是可能的。已知的電解設(shè)備通常以最大1500v的直流電壓工作，但這仍然對(duì)應(yīng)于低電壓范圍。不過(guò)，對(duì)于與發(fā)電設(shè)備聯(lián)接的情況，當(dāng)然可以設(shè)置和提供大于15kv的直流電壓。因此，電壓擺幅的上限優(yōu)選地可選擇為達(dá)到70。作為示例，如果電解設(shè)備在僅1000v的直流電壓下運(yùn)行，則可用的聯(lián)接電壓可達(dá)到約70kv。對(duì)于當(dāng)前可用的風(fēng)能設(shè)備，例如可輸送66kv交流電壓的輸出電壓。

18、發(fā)電設(shè)備一側(cè)的電壓優(yōu)選地大于電解設(shè)備一側(cè)的電壓。

19、本發(fā)明的另一方面是針對(duì)電解設(shè)備與外部直流電源的優(yōu)選的電聯(lián)接而對(duì)電解設(shè)備進(jìn)行的設(shè)計(jì)，其中，可再生能量設(shè)備與電解設(shè)備直接電連接。由此提供了集成的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

20、在特別優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案中，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)包括電解設(shè)備和具有用于提供直流電的輸出端的可再生能量設(shè)備，從而由可再生能量設(shè)備形成直流電源，其中，所述輸出端與電解設(shè)備的輸入端電連接。

21、由此，在設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中能夠進(jìn)行不依賴于公共電網(wǎng)的獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行，并且能夠?qū)H由可再生能源產(chǎn)生的電力直接用于電解，從而形成綠色氫氣。

22、在所述設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中，可再生能量設(shè)備優(yōu)選為風(fēng)能設(shè)備。在這種情況下，該風(fēng)能設(shè)備進(jìn)一步優(yōu)選地具有整流器，該整流器在輸出側(cè)與電路裝置的輸入端聯(lián)接、即與該輸入端電連接。在這種情況下，整流器將來(lái)自風(fēng)能設(shè)備的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并且同時(shí)有利地提供用于與電解設(shè)備進(jìn)行聯(lián)接的希望的輸入直流電壓電平。此外，該整流器還優(yōu)選地設(shè)計(jì)成用于與所聯(lián)接的發(fā)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行或用于對(duì)所聯(lián)接的發(fā)電機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?/p>

23、在替代的設(shè)計(jì)方案中，在設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中可再生能量設(shè)備還可優(yōu)選為光伏設(shè)備。該光伏設(shè)備在運(yùn)行期間已經(jīng)提供直流電。不過(guò)優(yōu)選地規(guī)定，在該設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中光伏設(shè)備具有直流調(diào)節(jié)器或直流變壓器，其在輸出側(cè)與所述輸入端聯(lián)接。在這種情況下，甚至也可在光伏設(shè)備的這種直流調(diào)節(jié)器(直流-直流轉(zhuǎn)換器)中提供并集成電隔離。然后優(yōu)選僅需要另一個(gè)下游的直流調(diào)節(jié)器(直流-直流轉(zhuǎn)換器)來(lái)設(shè)定電解設(shè)備的電壓并使其達(dá)到電解所需的直流電水平。

24、直流變壓器，亦稱直流-直流轉(zhuǎn)換器，英語(yǔ)為dc-dc?converter，表示將在輸入端處提供的直流電壓轉(zhuǎn)換成具有更高、更低或相反的電壓水平的電路。該轉(zhuǎn)換借助周期性工作的電子開(kāi)關(guān)器和一個(gè)或多個(gè)能量存儲(chǔ)器來(lái)執(zhí)行。直流變壓器屬于自換向的電流轉(zhuǎn)換器。其在電能技術(shù)的領(lǐng)域中亦稱直流調(diào)節(jié)器。用于暫時(shí)存儲(chǔ)能量的電感器(感應(yīng)式轉(zhuǎn)換器)由線圈或轉(zhuǎn)換器變壓器構(gòu)成。已知的轉(zhuǎn)換器變壓器已經(jīng)有利地提供了電隔離，因而其應(yīng)用在某些聯(lián)接條件和技術(shù)條件下可能是優(yōu)選的。

25、本發(fā)明的電解設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)和有利的設(shè)計(jì)方案被認(rèn)為是所述設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)和有利的設(shè)計(jì)方案，反之亦然。