一种一体式电磁联合制氢装置

1.本发明涉及一种一体式电磁联合制氢装置，属于电力电子变换器及电解制氢技术领域。

背景技术：

2.氢能是一种公认的清洁能源。近年来，电解水制氢技术备受关注。通过将新能源发电与电解水制氢相结合，可以有效消纳弃风、弃光，有利于克服风电、光伏等新能源的间歇性，促进新能源的高效利用，提升新能源发电的经济性。
3.电解水制氢系统一般包括电解电源和电解槽。其中电解电源为电解槽提供直流电源，在电解槽阳极和阴极之间施加一定电压，从而使电解槽中的水发生电解反应，析出氢气和氧气。在现有电解水制氢系统中，电解电源和电解槽为彼此独立的设备，它们之间除了电气连接并无其他联系。电解制氢电源多采用晶闸管整流变换器，将交流电网的交流电转换为直流电。文献ac-dc converters for electrolyzer applications:state of the art and future challenges 列举了三类大功率ac-dc电解制氢变换器：
4.第一类是基于不控整流桥的ac-dc变换器，主要靠二极管构成桥式结构，包括六脉波二极管整流桥、12脉波二极管整流桥等，该类变换器结构简单，成本较低，但是输出电压不能控制，无法调节电解槽电流，一般很少采用。
5.第二种是基于晶闸管整流桥的变换器，有晶闸管构成整流电路，包括六脉波晶闸管整流桥、12脉波晶闸管整流桥等，相比不控整流桥，晶闸管整流桥能够控制直流电压大小，因而可以控制电解槽电流大小。该类变换器直流侧电压波动较大，会导致流入电解槽的电流有较大纹波，这会影响电解槽制氢的效率，甚至导致产生的氢气纯度不够，氢气氧气掺杂在一起，有安全隐患。为了减少纹波，通常需要在变换器和电解槽之间增加滤波器，滤波器通常由电感、电容等无源器件构成。滤波器的加入虽然减小了电流纹波，但也增加整个装置的体积。
6.第三类是不控整流桥+dc-dc变换器两级变换结构。后级dc-dc变换器采用较高开关频率，从而可以实现较小纹波电流，但是由于存在两级结构，变换器效率较低。由于不控整流桥输出直流电压较高，后级dc-dc电压应力较高，需采用较高耐压的器件，增加了系统的成本。
7.众多研究表明，为电解槽施加定向磁场，有利于提升电解槽的效率。如文献experimental and numerical investigation of gas
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liquid flow in waterelectrolysis under magnetic field指出，当洛仑磁力与重力相反时，电极间电压会比没有磁场时更低，这意味着可以降低电解过程的损耗。但是，在这些针对磁场对电解过程影响的研究中采用的是永磁体提供外加磁场。
8.综上所述，目前已有的电解电源是独立与电解槽的设备，仅能为电解槽提供电解所需电场，且或者需要较大的滤波装置，或者需要额外增加价格高昂的额外dc-dc变换器，增加了设备成本和体积，降低了效率。

技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种一体式电磁联合制氢装置，利用ac-dc变换器直流侧滤波电感为电解槽提供磁场，以提升电解槽的制氢效率，同时将电解槽嵌入电解电源变换器内，使装置结构更为紧凑。
10.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
11.一种一体式电磁联合制氢装置，包括一个ac-dc变换器、至少一个直流电感线圈和至少一个电解槽；
12.所述ac-dc变换器的交流端口连接交流电网，所述电解槽的阴极和阳极构成的电气端口与ac-dc变换器的直流端口、直流电感线圈依次串联构成直流环路；
13.所述直流电感线圈中的至少一个电感线圈直接围绕电解槽至少1圈，或者围绕至少1个铁芯至少1圈，使铁芯形成极性相反的磁极，并将电解槽置于两个相反磁极之间的空气间隙中；所述电解槽设有进水入口、氢气出口和氧气出口，在直流环路提供的电流和直流电感线圈提供的磁场下通过电解水制备氢气和氧气。
14.本发明技术方案的进一步改进在于：所述ac-dc变换器包括交流滤波器和 ac-dc功率变换电路，所述交流滤波器包括交流滤波电感和交流滤波电容，所述 ac-dc功率变换电路采用三相或单相电流源桥式变换电路，其各桥臂为逆阻型全控开关器件或其串联支路，或逆导型全控开关器件与二极管串联构成的具有逆阻特性的支路，或逆导型全控开关器件反向串联支路，或半控型开关器件或其串联支路。
15.本发明技术方案的进一步改进在于：所述直流电感线圈在电解槽内产生的磁场方向与电解槽内的电场方向垂直。
16.本发明技术方案的进一步改进在于：所述直流电感线圈包括两组直流电感线圈，每组直流电感线圈由一个直流电感线圈或多个直流电感线圈串联而成；所述第一组直流电感线圈的两端分别连接ac-dc变换器直流侧正端子和电解槽的阳极；所述第二组直流电感线圈的两端分别接ac-dc变换器直流侧负端子和电解槽的阴极；两组直流电感线圈均围绕电解槽；或均围绕同一铁芯；或分别围绕不同铁芯。
17.由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：
18.本发明在为电解槽提供电解所需电场的同时，还能为电解槽提供合适的磁场，进一步提升电解槽的效率。本法明利用变换器本来就需要的滤波电感线圈提供磁场，因而无需使用额外的磁场发生装置。
19.本发明将电解槽嵌入直流电感线圈或布置在直流电感的铁芯间隙，减少了空间浪费，从而使整个系统更加紧凑。
附图说明
20.图1a为本发明实施例1的三相形式；
21.图1b为本发明实施例1的单相形式；
22.图2a为本发明实施例2的三相形式；
23.图2b为本发明实施例2的单相形式；
24.图3a为本发明实施例3的三相形式；
25.图3b为本发明实施例3的单相形式；
26.图4a为本发明实施例4的三相形式；
27.图4b为本发明实施例4的单相形式；
28.图5a为本发明实施例5的三相形式；
29.图5b为本发明实施例5的单相形式；
30.图6为本发明三相ac-dc变换器的第一结构；
31.图7为本发明三相ac-dc变换器的第二结构；
32.图8为本发明三相ac-dc变换器的第三结构；
33.图9为本发明三相ac-dc变换器的第四结构；
34.图10为本发明单相ac-dc变换器的第一结构；
35.图11为本发明单相ac-dc变换器的第二结构；
36.图12为本发明单相ac-dc变换器的第三结构；
37.图13为本发明单相ac-dc变换器的第四结构；
38.图14为现有技术1在具体应用场景的实施方式示意图；
39.图15为现有技术2在具体应用场景的实施方式示意图；
40.图16为本发明方案在具体应用场景的实施方式示意图；
41.其中，1、三相ac-dc变换器，2、第一组直流电感线圈，3、电解槽，4、单相ac-dc变换器，5、第二组直流电感线圈，6、第一铁芯，7、第二铁芯，8、第三铁芯，9、交流滤波电感，10、逆阻型全控开关器件，11、交流滤波电容， 12、逆导型全控开关器件，13、二极管，14、半控型开关器件。
具体实施方式
42.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：
43.实施例1
44.一种一体式电磁联合制氢装置，分为三相形式和单相形式两种。所述三相形式，如图1a所示，包括一个三相ac-dc变换器1、第一组直流电感线圈2和电解槽3。所述第一组直流电感线圈2由一个直流电感线圈或多个直流电感线圈串联而成。所述三相ac-dc变换器1的交流侧接三相交流电网，电解槽的阳极和阴极构成的电气端口与三相ac-dc变换器1的直流端口、第一组直流电感线圈2串联，构成直流环路。所述第一组直流电感线圈2直接围绕电解槽至少1 圈。通电时，所述第一组直流电感线圈2既作为ac-dc变换器的直流侧滤波电感，同时在电解槽3产生定向磁场。所述电解槽3设有进水入口、氢气出口和氧气出口，在直流环路电流和直流电感线圈提供的磁场下通过电解水制备氢气和氧气。
45.三相ac-dc变换器1包括交流滤波器和电流源ac-dc功率变换电路，交流滤波器包括交流滤波电感9和交流滤波电容11，电流源ac-dc功率变换电路采用三相电流源全控桥式变换电路，各桥臂如图6所示，为逆阻型全控开关器件 10或其串联支路，或如图7所示，为逆导型全控开关器件12与二极管13串联构成的具有逆阻特性的支路，或如图8所示，为逆导型全控开关器件12反向串联支路，或如图9所示，为半控型开关器件14或其串联支路。
46.作为一种优选方案，本实施例的一体式电磁联合制氢装置还有一种单相形式，如图1b所示，包括一个单相ac-dc变换器4、第一组直流电感线圈2和电解槽3。除将三相ac-dc变换器1换为单相ac-dc变换器4外，其余部分与本实施例的三相形式相同。
47.单相ac-dc变换器4包括交流滤波器和电流源ac-dc功率变换电路，交流滤波器包括交流滤波电感9和交流滤波电容11，电流源ac-dc功率变换电路采用单相电流源全控桥式变换电路，各桥臂如图10所示，为逆阻型全控开关器件 10或其串联支路，或如图11所示，为逆导型全控开关器件12与二极管13串联构成的具有逆阻特性的支路，或如图12所示，为逆导型全控开关器件12反向串联支路，或如图13所示，为半控型器件14或其串联支路。
48.实施例2
49.一种一体式电磁联合制氢装置，分为三相形式和单相形式两种形式。其三相形式，如图2a所示，包括一个三相ac-dc变换器1、第一组直流电感线圈2、电解槽3和第二组直流电感线圈5。电解槽3的阴极和阳极构成的电气端口与三相ac-dc变换器1的直流端口、第一组直流电感线圈2及第二组直流电感线圈5 串联，构成直流环路。所述两组直流电感线圈均直接围绕电解槽至少1圈。通电时，两组直流电感线圈既作为ac-dc变换器的直流侧滤波电感，同时在电解槽3产生定向磁场。第一组直流电感线圈2的两端分别接ac-dc变换器1直流侧正端子和电解槽3的阳极；第二组直流电感线圈5的两端分别接ac-dc变换器1直流侧负端子和电解槽3的阴极。其余部分与实施例1的三相形式相同。
50.作为一种优选方案，本实施例的一体式电磁联合制氢装置还有一种单相形式，如图2b所示，包括一个单相ac-dc变换器4、第一组直流电感线圈2、电解槽3和第二组直流电感线圈5。除将三相ac-dc变换器1换为单相ac-dc变换器4外，其余部分与本实施例的三相形式相同。
51.实施例3
52.一种一体式电磁联合制氢装置，分为三相形式和单相形式两种形式。其三相形式，如图3a所示，包括一个三相ac-dc变换器1、第一组直流电感线圈2、电解槽3和第一铁芯6。第一组直流电感线圈2围绕第一铁芯6至少1圈，使铁芯形成极性相反的磁极，并将电解槽3置于两个相反磁极之间的空气间隙中。其余部分与实施例1的三相形式相同。
53.作为一种优选方案，本实施例的一体式电磁联合制氢装置还有一种单相形式，如图3b所示，包括一个单相ac-dc变换器4、第一组直流电感线圈2、电解槽3和第一铁芯6。除将三相ac-dc变换器1换为单相ac-dc变换器4外，其余部分与本实施例的三相形式相同。
54.实施例4
55.一种一体式电磁联合制氢装置，分为三相形式和单相形式两种形式。其三相形式，如图4a所示，包括一个三相ac-dc变换器1、第一组直流电感线圈2、电解槽3、第二组直流电感线圈5和第一铁芯6。两组直流电感线圈均围绕第一铁芯6至少1圈，使第一铁芯6形成极性相反的磁极，并将电解槽3置于两个相反磁极之间的空气间隙中。其余部分与实施例2的三相形式相同。
56.作为一种优选方案，本实施例的一体式电磁联合制氢装置还有一种单相形式，如图4b所示，包括一个单相ac-dc变换器4、第一组直流电感线圈2、电解槽3、第二组直流电感线圈5和第一铁芯6。除将三相ac-dc变换器1换为单相ac-dc变换器4外，其余部分与本实施例的三相形式相同。
57.实施例5
58.一种一体式电磁联合制氢装置，分为三相形式和单相形式两种形式。其三相形式，如图5a所示，包括一个三相ac-dc变换器1、第一组直流电感线圈2、电解槽3、第二组直流电
感线圈5、第二铁芯7、第三铁芯8。所述第一直流电感线圈2围绕第一铁芯7至少1圈，第二直流电感线圈5围绕第三铁芯8至少一圈，使第二铁芯7和第二铁芯8形成极性相反的磁极，并将电解槽置于第一铁芯7和第二铁芯8的两个相反磁极之间的空气间隙中。其余部分与实施例4 的三相形式相同。
59.作为一种优选方案，本实施例的一体式电磁联合制氢装置还有一种单相形式，如图5b所示，一个单相ac-dc变换器4、第一组直流电感线圈2、电解槽3、第二组直流电感线圈5、第二铁芯7、第三铁芯8。除将三相ac-dc变换器1换为单相ac-dc变换器4外，其余部分与本实施例的三相形式相同。
60.本发明可应用于从交流电网取电的电解制氢。以下以380v三相交流电网供电的电解制氢为例说明本发明的具体实施方案及其优势：
61.采用现有技术1，即基于晶闸管整流桥的电解电源与电解槽独立布置的方案，如图13所示，则电解电源虽能提供电解水所需的电场，但并不能同时提供定向磁场。而且，为了减少输出电流纹波，直流滤波电感仍需较大感值，占据较大体积。由于电解电源和电解槽是分别独立布置的，无法实现空间复用，因而总体积较大。
62.采用现有技术2，即基于二极管整流桥+dc-dc变换器的电解电源与电解槽独立布置，如图14所示，则电解电源包含两级变换，效率有所降低。且dc-dc 变换器的开关管需要承受较高的电压。若交流相电压有效值为u，则直流电压 u
dc
至少为2.34u2。同时为了在较小的滤波电感下使dc-dc输出纹波相比现有技术方案一有所减小，就需要dc-dc变换器的开关频率远高于工频50hz。这会进一步增加损耗，并对开关管的性能提出更高要求。
63.以本发明实现上述电解制氢，以图1a所述实施例1为例，并且三相ac-dc 变换器采用图8所示三相晶闸管整流电路，具体实施方式如图14所示。
64.对比现有技术1，本发明方案除了能够提供电解水所需电场，还能额外向电解槽提供定向磁场，在一定情况下，该定向磁场能够进一步增加制氢的能量转换效率。此外，由于电解槽置入直流电感线圈之中，有效利用了直流滤波电感的空余空间，因而能够使整个系统更为紧凑。
65.对比现有技术2，本发明方案少一级功率变换，在成本和效率上更占优势，同时还可以向电解槽施加定向磁场，因此能够进一步增加电解制氢效率，电解槽置入直流电感线圈之中，有效利用了直流滤波电感的空余空间，可以使整个系统更为紧凑。
66.出于同样的原因，本发明的其他实施例同样能够实现提高系统制氢效率、节约空间的优势，在此不一一赘述。
67.以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：

1.一种一体式电磁联合制氢装置，其特征在于：包括一个ac-dc变换器、至少一个直流电感线圈和至少一个电解槽；所述ac-dc变换器的交流端口连接交流电网，所述电解槽的阴极和阳极构成的电气端口与ac-dc变换器的直流端口、直流电感线圈依次串联构成直流环路；所述直流电感线圈中的至少一个电感线圈直接围绕电解槽至少1圈，或者围绕至少1个铁芯至少1圈，使铁芯形成极性相反的磁极，并将电解槽置于两个相反磁极之间的空气间隙中；所述电解槽设有进水入口、氢气出口和氧气出口，在直流环路提供的电流和直流电感线圈提供的磁场下通过电解水制备氢气和氧气。2.根据权利要求1所述的一种一体式电磁联合制氢装置，其特征在于：所述ac-dc变换器包括交流滤波器和ac-dc功率变换电路，所述交流滤波器包括交流滤波电感和交流滤波电容，所述ac-dc功率变换电路采用三相或单相电流源桥式变换电路，其各桥臂为逆阻型全控开关器件或其串联支路，或逆导型全控开关器件与二极管串联构成的具有逆阻特性的支路，或逆导型全控开关器件反向串联支路，或半控型开关器件或其串联支路。3.根据权利要求1所述的一种一体式电磁联合制氢装置，其特征在于：所述直流电感线圈在电解槽内产生的磁场方向与电解槽内的电场方向垂直。4.根据权利要求1所述的一种一体式电磁联合制氢装置，其特征在于：所述直流电感线圈包括两组直流电感线圈，每组直流电感线圈由一个直流电感线圈或多个直流电感线圈串联而成；所述第一组直流电感线圈的两端分别连接ac-dc变换器直流侧正端子和电解槽的阳极；所述第二组直流电感线圈的两端分别接ac-dc变换器直流侧负端子和电解槽的阴极；两组直流电感线圈均围绕电解槽；或均围绕同一铁芯；或分别围绕不同铁芯。

技术总结

本发明涉及一种一体式电磁联合制氢装置，属于电力电子变换器及电解制氢领域，包括一个AC-DC变换器、至少一个直流电感线圈和至少一个电解槽；AC-DC变换器的交流端口连接交流电网，电解槽阴极和阳极构成的电气端口与AC-DC变换器直流端口、直流电感线圈依次串联成直流环路；直流电感线圈直接围绕电解槽至少1圈，或围绕至少1个铁芯至少1圈，使铁芯形成极性相反的磁极，将电解槽置于两个相反磁极之间的空气间隙中；电解槽设有进水入口、氢气出口和氧气出口，在直流环路提供的电流和直流电感线圈提供的磁场下通过电解水制备氢气和氧气。本发明在为电解槽提供电解所需电场的同时还能为电解槽提供合适的磁场，提升了电解槽的效率。提升了电解槽的效率。提升了电解槽的效率。