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

背景技術：

1、電解設備是利用電流使物質轉換(電解)的裝置。根據(jù)電化學電解工藝的不同，也存在多種電解設備，例如用于電解水的電解設備。

2、現(xiàn)如今，氫氣是例如借助質子交換膜(pem)電解或堿性電解由水產(chǎn)生的。電解設備利用電能由供應的水生產(chǎn)氫氣和氧氣。該過程發(fā)生在由多個電解池組成的電解堆中。將水作為反應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、當前考慮的是利用在陽光充足和風力充足的時期由可再生能源產(chǎn)生的過剩能量，即利用高于平均水平的太陽能發(fā)電或風力發(fā)電，來產(chǎn)生有價值的物質。一種有價值的物質尤其可為通過電解水的設備產(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氣體。

4、氫是一種特別環(huán)境友好且可持續(xù)的能量載體。氫具有獨特的潛力，可以在不排放co2的情況下實現(xiàn)能量系統(tǒng)、運輸和大部分化學領域。為了對此取得成功，氫不能來自化石能源，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，如果電解設備利用公共電網(wǎng)的電力運行，則可根據(jù)電力組合產(chǎn)生相應比例的綠色氫。

5、在以工業(yè)規(guī)模設計的電解中，直流電主要通過線路換向(電網(wǎng)引導)整流器提供。在這種對電網(wǎng)中的交流電壓進行整流的過程中，可能由于整流器的工作方式而產(chǎn)生諧振，這會對交流電網(wǎng)和/或直流電網(wǎng)帶來壓力。

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

7、可再生能量的一個來源是不斷增加的風力利用。尤其是利用靠近海岸的所謂離岸風能設備可實現(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，能量應該盡可能無損失地傳輸給消耗端。氫非常適合作為傳輸介質和能量載體。例如，氫可以通過管道以氣態(tài)形式傳輸。這里的一個積極的次要方面是，引導氫的管道可以同時滿足能量存儲器的功能，因為內部的壓力可以在一定范圍內變化。

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)濟利益。為此，建議將電解設備安裝在緊鄰離岸風能設備的海洋區(qū)域中的離岸平臺上或者安裝在離岸風能設備附近，并用產(chǎn)生的電力向電解設備供電。

9、對于大陸還提出了如下概念，即通過與電解設備直接連接以及饋入電解設備將由在岸風力設備或光伏設備產(chǎn)生的電力至少部分地直接用于產(chǎn)生氫。在所有這些應用中，電解設備是獨立電網(wǎng)的一部分。電解電力不是從公共電網(wǎng)獲得，而是直接由風能設備或光伏設備提供并饋入電解設備的電解器中。在此，由風能設備或光伏設備產(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)的運行相比，該方案帶來了電解設備與相應的可再生發(fā)電設備(無論是風能設備還是光伏設備)的電連接和互連方面的特殊挑戰(zhàn)和問題，特別是當涉及到確保與可再生發(fā)電設備直接形成設備網(wǎng)絡的電解設備的安全且首要是無故障運行時。

技術實現(xiàn)思路

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

2、根據(jù)本發(fā)明，該目的通過一種電解設備來實現(xiàn)，該電解設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，在初級側變壓器與逆變器聯(lián)接并且在次級側變壓器與整流器聯(lián)接，從而可對電解器供應直流電。

3、本發(fā)明已經(jīng)基于如下認知，即電解設備、特別是電解器的pem水電解池對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)接部耦入電解設備。由于電解設備的必要設備部件如工藝技術、氣體分離器、輔助系統(tǒng)、引導水的供應管路等，對于電解來說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本身耦入或至少減少干擾。當電解設備與例如由光伏設備或風能設備提供的直流電源直接聯(lián)接時，這個問題尤其明顯。

4、因此，在這個由可再生發(fā)電設備和電解設備(其被直接饋入電解電流的可再生能量以便進行電解)組成的復雜設備網(wǎng)絡中，接地回路和交變電磁場進入所用功率電子器件的耦入的不利影響相應地變大。作為示例，具有絕緣柵電極的雙極晶體管(英語：insulated-gate?bipolar?transistor，簡稱igbt)的廣泛且優(yōu)選的應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體器件，因為它結合了雙極晶體管的優(yōu)點(例如良好的導通特性、較高的阻斷電壓、魯棒性)和場效應晶體管的優(yōu)點，幾乎不需要功率來進行控制。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)勢是較高的電壓極限和電流極限，電壓可達到6500v，電流可達到3600a，功率可達到100mw，這注定了igbt用于電解設備的應用。

5、利用本發(fā)明，通過電路裝置在電解設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，逆變器確保將來自外部直流電源的直流電壓轉換為在初級側與變壓器耦合的交流電壓。在變壓器的次級側連接有整流器，其確保轉換回直流電壓，特別是轉換到電解所需的且預定的電壓水平或電流水平。因此，該電路裝置特別有利地設計為交流中間電路，并且設計用于通過外部直流電源提供直流電，以便為電解器供應電解電流。這是通過將輸入端與外部直流電源直接耦合或直接聯(lián)接實現(xiàn)的。風能設備或光伏設備作為外部直流電源可有利地與電解設備聯(lián)接，風能設備或光伏設備可分別有利地以不依賴于電網(wǎng)的方式在所謂的獨立運行中配置用于離岸應用和在岸應用。

6、外部直流電源可經(jīng)由電路裝置的輸入端直接聯(lián)接，從而實現(xiàn)為電解器供應直流電。通過經(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，可實現(xiàn)將電解設備與可再生發(fā)電設備方便且可靠地直接連接以及可實現(xiàn)不依賴于電網(wǎng)進行運行。通過交流中間電路，可有利地實現(xiàn)特別良好且靈活地適配電力產(chǎn)生側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行的堿性電解應用中，由于進一步的原因，本發(fā)明提出的電隔離也應該是優(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。通過電隔離，經(jīng)過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側優(yōu)選地設計成不接地。這不僅提供了有效保護免受來自電源的聯(lián)接線路上的高頻信號分量的影響，而且還顯著降低和抑制了直流雜散電流，因為此時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上的電壓優(yōu)選地高于電解運行所需的電壓。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的高度的風力渦輪機的塔架向下到電解設備的線路距離。

10、在優(yōu)選的設計方案中，整流器可被調節(jié)和/或構造成三相整流器、特別是b6橋式整流器。

11、有利地構造為三相整流器或b6橋式整流器的一個或多個整流器的可調節(jié)性實現(xiàn)調整經(jīng)由所述一個或多個整流器產(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置為預定值。通過將所述電路裝置設計為交流中間電路，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、在電解設備的優(yōu)選設計方案中，所述電路裝置被設計用于比公共電網(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，因為由此能夠減小變壓器的結構尺寸和重量以及材料的使用量。這尤其在電解設備與風能設備直接聯(lián)接時是非常有利的。由于更緊湊的結構設計和在高運行頻率下更低的重量，變壓器例如可安置在風能設備的機艙中或風能設備的塔架的底部中。電路裝置整體同樣可布置在那里。因此，電解設備例如可緊鄰風能設備，從而用于聯(lián)接的線路長度可以很短。

14、在特別優(yōu)選的設計方案中，所述電路裝置被設計用于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。為了利用結構空間優(yōu)勢和成本優(yōu)勢，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，對于所述變壓器設置小于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)之比或初級側與次級側的電壓之比也稱為變壓比。通過適當?shù)剡x擇變壓比、即匝數(shù)，可利用變壓器對交流電壓進行升壓變換以及降壓變換。由此能夠適應電解。

17、不過，根據(jù)電解設備的應用和設計，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。已知的電解設備通常以最大1500v的直流電壓工作，但這仍然對應于低電壓范圍。不過，對于與發(fā)電設備聯(lián)接的情況，當然可以設置和提供大于15kv的直流電壓。因此，電壓擺幅的上限優(yōu)選地可選擇為達到70。作為示例，如果電解設備在僅1000v的直流電壓下運行，則可用的聯(lián)接電壓可達到約70kv。對于當前可用的風能設備，例如可輸送66kv交流電壓的輸出電壓。

18、發(fā)電設備一側的電壓優(yōu)選地大于電解設備一側的電壓。

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

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

21、由此，在設備網(wǎng)絡中能夠進行不依賴于公共電網(wǎng)的獨立電網(wǎng)運行，并且能夠將僅由可再生能源產(chǎn)生的電力直接用于電解，從而形成綠色氫氣。

22、在所述設備網(wǎng)絡中，可再生能量設備優(yōu)選為風能設備。在這種情況下，該風能設備進一步優(yōu)選地具有整流器，該整流器在輸出側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，整流器將來自風能設備的交流電轉換為直流電，并且同時有利地提供用于與電解設備進行聯(lián)接的希望的輸入直流電壓電平。此外，該整流器還優(yōu)選地設計成用于與所聯(lián)接的發(fā)電機協(xié)調運行或用于對所聯(lián)接的發(fā)電機進行適當?shù)目刂啤?/p>

23、在替代的設計方案中，在設備網(wǎng)絡中可再生能量設備還可優(yōu)選為光伏設備。該光伏設備在運行期間已經(jīng)提供直流電。不過優(yōu)選地規(guī)定，在該設備網(wǎng)絡中光伏設備具有直流調節(jié)器或直流變壓器，其在輸出側與所述輸入端聯(lián)接。在這種情況下，甚至也可在光伏設備的這種直流調節(jié)器(直流-直流轉換器)中提供并集成電隔離。然后優(yōu)選僅需要另一個下游的直流調節(jié)器(直流-直流轉換器)來設定電解設備的電壓并使其達到電解所需的直流電水平。

24、直流變壓器，亦稱直流-直流轉換器，英語為dc-dc?converter，表示將在輸入端處提供的直流電壓轉換成具有更高、更低或相反的電壓水平的電路。該轉換借助周期性工作的電子開關器和一個或多個能量存儲器來執(zhí)行。直流變壓器屬于自換向的電流轉換器。其在電能技術的領域中亦稱直流調節(jié)器。用于暫時存儲能量的電感器(感應式轉換器)由線圈或轉換器變壓器構成。已知的轉換器變壓器已經(jīng)有利地提供了電隔離，因而其應用在某些聯(lián)接條件和技術條件下可能是優(yōu)選的。

25、本發(fā)明的電解設備的優(yōu)點和有利的設計方案被認為是所述設備網(wǎng)絡的優(yōu)點和有利的設計方案，反之亦然。