技术漫谈

可扩展的大功率可编程直流电源助力电解制氢

2023年6月02日 | 主题：燃料电池

由于氢可用作零碳排放的能源，电解制氢行业迎来了高速增长。国际能源署 (IEA) 预测，到 2040 年，全球电解制氢能力将从 2019 年的约 0.2 GW 增长到 160 GW。对太阳能和风能等可再生能源需求的不断增加和成本的不断下降，以及电解技术的快速进步，促使人们更普遍地使用氢为燃料电池提供动力，并广泛应用于储能、交通运输和工业生产过程等领域。其中一个例子就是氢动力燃料电池，这种电池可以储存能量，在发电厂需要额外能量时发电。氢的其他应用场景包括用于为电动汽车和航空提供动力的氢动力燃料电池，以及充当工业制氨等生产过程中的反应物。

当然，电解过程需要电能来产生氢气。理想情况下，电解过程采用经济高效的可靠（清洁）能源作为电力来源，电解设备无需占用过多厂地空间。

但是，制氢过程耗能较高，这是评估各种可编程直流电源时的重要考虑因素。本文将讨论电解制氢的基础知识，展示 EA 如何为可靠、安全和紧凑的电解制氢提供卓越的电力解决方案。

电解制氢过程

电解制氢是一种制取氢气的方法，需要消耗水和电能。在电解制氢过程中，电流通过水 H2O，将水分子分解成氢离子 H+ 和氧离子 O-。电解制氢在含有可渗透氢离子的膜的电解槽中进行。氢离子向带负电的电极（阴极）移动并穿过膜到达阴极。而氧离子向带正电的电极（阳极）移动。

在阴极，氢离子从电源系统得到电子形成氢气 H2。在阳极，氧离子因电流失去电子，形成氧气 O2。这两种气体将分开收集。图 1 说明了电解过程。

图 1. 电解制氢的过程。该过程产生氢气和氧气。

电解过程需要消耗大量能源，因为它需要大量的电能才能将水分子分解成氢气和氧气。每制取 1 kg 氢气，太阳能供电系统就需要发电至少 50 kWh。每天制取 100 kg H2 的设施需要至少 230 kW 的电力系统。

可扩展且可靠的电源助力实现可靠的电解

让我们看看有哪些解决方案能够满足制氢的密集能源需求。EA Elektro-Automatik 模块化大功率电源系统可为任何规模的电解制氢装置提供所需的电力。图 2 所示的机架最多可以配备五个 EA-PU 10000 6U 系列 60 kW 电源，提供高达 300 kW 的功率。高功率密度的 6U 60 kW 电源可减少生产占地，因为只需一个机架即可提供高达 300 kW 的功率。

13 个这样的机架组合，便可以产生高达 3.84 MW 的总输出功率。采用主-从配置，即，一个电源可充当多达 63 台电源的控制器，实现 64 台电源并机运行的大功率系统。为确保系统安全运行，所有电源之间的共享总线可确保每个电源均分一部分负载。共享总线可在所有电源之间平衡传输到负载的能量。

除了保护并机运行电源的系统外，共享总线还可以切断故障电源的输出。一旦将故障电源从系统中移除，就可以重新初始化该电源系统，并在系统短暂停机后继续为水解过程供电。因此，EA 的大功率电源系统提供了广泛的可扩展性，可产生高达 3.84 MW 的失效安全电源。

图 2. 一个配备 8 个电源的 EA 电源系统，可提供高达 240 kW 的功率，同时显著减少生产占地。

宽范围输出实现最大直流电源性能

EA 可编程直流电源具有真正的宽范围输出特性（见图 3），与具有传统矩形输出特性的同容量电源相比，它提供了更广泛的电压和电流输出范围。与只能在一个点（最大电压和最大电流点）提供全功率输出的矩形输出特性电源不同，EA 真正的宽范围输出特性电源从最大额定电压一直到 1/3 的最大额定电压，始终提供全功率输出，无需停机和切换。EA 宽范围电源的宽电压和电流输出有可能精简系统所需电源的尺寸和数量，从而大幅节省成本。

图 3. 最大额定电压为 500 V 时，30 kW 真正宽范围 EA 电源的输出特性。请注意电源在电压从 500 V 降至 166.6 V 的过程中如何提供全功率。

通过电脑或可编程逻辑控制器 (PLC) 轻松控制

现在，让我们看看监控选项以及为自动控制系统而选择的接口。EA 电源可以接入电脑上的 USB 接口或 Ethernet 接口。可选接口还包括 CAN 总线接口、用于从 PLC 进行控制的 Profibus 接口，等等。此外，EA 直流电源具有 SCPI 命令操作模式（允许通过电脑程序进行控制），以及 Modbus 命令操作模式（允许从 PLC 进行控制）。

工程师可以通过 Ethernet 接口提供远程诊断和维护支持，从而最大限度地减少系统停机时间。由此，可以确保电解制氢设施具有经济高效的生命周期。