CN113470759A - 一种碱液电解制氢动态模型及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种碱液电解制氢动态模型，该模型在双电层电容模型的基础上，在电路中增加串联一个电感，该电感是由溶液中OH‑离子运动的惯性所导致的，电感大小与溶液浓度成函数关系。具体包括：电解槽两极板之间存在电容效应导致的双电荷层电容，电容与溶液交界面存在的跨界面电阻，电解质溶液中存在的溶液电阻和电感。其中，每个电解槽中的双电荷层电容与跨界面电阻分别并联后与溶液电阻和电感依次串联。溶液温度越高，溶液中OH‑离子运动速率越快，溶液电阻越小，电解质溶液电阻的大小与溶液温度成函数关系。采用本发明公开的模型，能够减小传统机理模型的复杂程度，提高了计算效率，具有较高的实际应用价值。

Description

一种碱液电解制氢动态模型及应用
技术领域
本发明涉及一种基于碱液电解制氢动态模型，应用于新能源领域中的氢电耦合单元建模的研究和应用。
背景技术
中国未来能源供需的缺口将会越来越显著，在世界性的石油价格上涨趋势面前，我国能源供应的可靠性和安全性必将受到威胁。同时，新的经济浪潮对能源需求的日益增加，全球一体化进程的加速，都对新能源的开发产生了支持、推动和刺激的作用。要解决中国能源供应不足的问题，中国需要大规模的引入和发展可再生能源和地球上蕴藏的新能源，从而减少对化石能源和国际能源市场的依赖。
氢能和可再生能源耦合利用是实现规模化替代化石燃料的重要途径，氢能微网可有效平抑可再生能源波动、提高消纳水平，推进能源清洁化替代，是国内外实现能源转型的重要方向。氢能利用效率和动态特性瓶颈仍未突破，氢热电多能流协同调度尚未完善，严重制约了系统的安全、稳定、经济运行，迫切需要突破建设国产化氢能关键设备和系统集成的工程验证平台的一系列关键问题。
发明内容
本发明旨在针对现有技术的不足，提出一种碱液电解制氢动态模型，所述的碱液电解制氢是指当电流通过电解槽时，在阳极与溶液界面处发生氧化反应，制取出氧气。在阴极与溶液界面处发生还原反应，制取出氢气。所述碱液电解制氢动态模型用于描述碱液电解制氢动态特性，具体包括：电解室两极板之间存在电容效应导致的双电荷层电容Cd，电容与溶液交界面存在的跨界面电阻Rs，电解质溶液中存在的溶液电阻Rp，电解质溶液中OH-离子运动的惯性效应导致的电感Lp。其中，每个电解室中的双电荷层电容Cd与跨界面电阻Rs分别并联后与溶液电阻Rp和电感Lp依次串联。所述电感Lp大小与碱液中碱的质量分数w有关，表示为：
Lp＝-1.371×10-6×w2+2.3×10-4×w-1.6×10-3,0＜w＜90％。
进一步地，所述双电荷层电容Cd大小与极板间距和极板相对面积有关，表示为：
Figure BDA0003182778570000021
其中，S为两极板的相对面积，d为两极板的间距。
进一步地，溶液温度越高，溶液中OH-离子运动速率越快，溶液电阻越小，所以该模型中的溶液电阻与溶液温度有关，表示为：
Rp＝-1.75×10-6×T3+2.93×10-4×T2-1.66×10-2×T+0.4174,10≤T≤70℃。
其中，T是碱液的温度。
进一步地，跨界面电阻Rs表示为：
Rs＝-6.93×10-6×T2+2.378×10-3×T+0.128,10≤T≤70℃
其中，T是碱液的温度。
进一步地，当每个电解室具有相同两极板的相对面积，d为两极板的间距时，多个电解室中的双电荷层电容与跨界面电阻通过如下公式等效为一个双电荷层电容Cd(eq)与跨界面电阻Rs(eq)：
Figure BDA0003182778570000022
其中n为电解室个数，Cd1＝Cd2＝…Cdn,Rs1＝Rs2＝…Rsn分别为每个电解室的双电荷层电容与跨界面电阻。
本发明还提供了一种上述的一种碱液电解制氢动态模型在模拟计算碱液电解制氢体积中的应用。
具体为：
在所述碱液电解制氢动态模型两端施加脉冲电压，模拟计算获得所述模型流经每个电解室的总电流I，根据电流大小计算氢气体积，表示为：
Figure BDA0003182778570000031
其中V是在t时间内产生氢气的体积，F为法拉第恒量，数值为F＝9.65×10000C/mol，Vm是气体摩尔体积，数值为Vm＝22.4L/mol。
本发明的优点有：
(1)本发明能够避免传统的碱液电解制氢机理建模的复杂计算过程。
(2)本发明能够反映氢电耦合单元能量转换的动态过程，可以模拟计算碱液电解制氢体积，应用于各种场合。
附图说明
图1为本发明碱液电解制氢动态模型结构示意图；
图2是simulink中搭建的碱液电解制氢等效模型结构示意图；
图3是simulink中碱液电解制氢等效模型的电压(a)和电流波形图(b)；
图4为碱液电解制氢设备电解槽的运行条件示意图；
图5是碱液电解制氢设备电解槽两端的电压和电流波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提出的碱液电解制氢的动态模型中，包括电解槽两极板之间存在电容效应导致的双电荷层电容Cd，电容与溶液的交界面存在跨界面电阻Rs，电解质溶液中存在的溶液电阻Rp，电解质溶液中OH-离子运动的惯性效应导致的电感Lp。该模型中，每个电解槽中的双电荷层电容Cd与跨界面电阻Rs分别并联后与溶液电阻Rp和电感Lp依次串联。
本发明模型在原有的双电荷层电容等效电路模型中，增加串联一个由OH-离子运动惯性所导致的电感，用以表示碱液电解制氢过程中，当电解槽两端电压突变时，驱使离子在溶液中运动的电场力此时发生突变时运动的OH-离子的惯性，该电感阻碍了电流变化，可以描述碱液电解制氢的动态特性，如图1所示。该电感大小跟碱液中碱的质量分数有关，两者之间的关系如表达式：
Lp＝-1.371×10-6×w2+2.3×10-4×w-1.6×10-3,0＜w＜90％
其中，w为碱液中碱的质量分数百分比。
优选地，双电荷层电容大小与极板间距和极板相对面积有关，三者之间的关系如表达式：
Figure BDA0003182778570000041
其中，Cd为等效电容大小，S为两极板的相对面积，d为两极板的间距。
优选地，溶液温度越高，溶液中OH-离子运动速率越快，溶液电阻越小，电阻的大小与碱液的温度成三次函数关系，函数关系式为
Rp＝-1.75×10-6×T3+2.93×10-4×T2-1.66×10-2×T+0.4174,10≤T≤70℃
其中，Rp是碱液电阻的大小，T是碱液的温度。
下面结合具体实施例和附图对本发明的效果作进一步说明。
在纯水中加入氢氧化钾，将其配置成质量分数为30％的氢氧化钾溶液，作为电解液。采用的电解小槽由20个电解小室所组成。电解小室由电极板，阳电极，隔膜，阴电极，电极板组成。电解小室内部充满电解液。电解小室运行温度控制在65℃。电解小室运行压强控制在2MPa。碱液电解制氢设备的运行条件如图4所示。当电流通过电解槽时，发生如下化学反应方程式的化学反应：
2H2+O2＝2H2O+H2
其中，在阳极与溶液界面处发生氧化反应，制取出氧气。在阴极与溶液界面处发生还原反应，制取出氢气。
对碱液电解制氢生产设备，在电解槽两端施加一个脉冲电压。
脉冲电压的幅值是60V，频率是20kHz。通过示波器显示电流传感器和电压传感器的波形，以获得电解槽两端的电压和流经电解槽的电流波形。在电解槽两端施加脉冲方波电压时，电解槽的电流波形是三角波，其中方波是电压波形，三角波形是电流波形，如图5所示。
在simulink仿真中依据本发明搭建如上述结构的碱液电解制氢动态模型，如图2所示。因为20个小室完全相同，故Cd1＝Cd2＝…Cdn,Rs1＝Rs2＝…Rsn,所以经等效化简后可以得到图2中的等效电容Cd(eq)和等效电阻Rs(eq)分别为
Figure BDA0003182778570000051
n为电解室个数，本实施为20。
在碱液电解制氢等效电路两端施加20kHz，占空比为35％的脉冲电压，通过示波器得到碱液电解制氢等效模型两端的电压和流经电解槽的电流波形，如图3所示。
根据图3和图5结果可以看出，本发明的碱液电解制氢动态模型模拟得到的电压和流经电解槽的电流波形与实际测得的电压、电流波形和数值接近，验证本发明的碱液电解制氢动态模型的等效性，可以模拟计算碱液电解制氢体积，应用于各种场合而不需要实际实验，具体如下：
在所述碱液电解制氢动态模型两端施加脉冲电压，模拟计算获得所述模型两端的电压和流经电解槽的电流，根据电流大小计算氢气体积，表示为：
Figure BDA0003182778570000052
其中V是在t时间内产生氢气的体积，I是流经电解槽即流经每个电解室的总电流，F为法拉第恒量，数值为F＝9.65×10000C/mol，Vm是气体摩尔体积，数值为Vm＝22.4L/mol。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (7)

1.一种碱液电解制氢动态模型，其特征在于，所述碱液电解制氢动态模型用于描述碱液电解制氢动态特性，具体包括：电解室两极板之间存在电容效应导致的双电荷层电容Cd，电容与溶液交界面存在的跨界面电阻Rs，电解质溶液中存在的溶液电阻Rp，电解质溶液中OH-离子运动的惯性效应导致的电感Lp。其中，每个电解室中的双电荷层电容Cd与跨界面电阻Rs分别并联后与溶液电阻Rp和电感Lp依次串联。所述电感Lp大小与碱液中碱的质量分数w有关，表示为：
Lp＝-1.371×10-6×w2+2.3×10-4×w-1.6×10-3,0＜w＜90％。
2.根据权利要求1所述的一种碱液电解制氢动态模型，其特征在于：所述双电荷层电容Cd大小与极板间距和极板相对面积有关，表示为：
Figure FDA0003182778560000011
其中，S为两极板的相对面积，d为两极板的间距。
3.根据权利要求1所述的一种碱液电解制氢动态模型，其特征在于，所述溶液电阻Rp大小与溶液温度有关，表示为：
Rp＝-1.75×10-6×T3+2.93×10-4×T2-1.66×10-2×T+0.4174,10≤T≤70℃。
其中，T是碱液的温度。
4.根据权利要求1所述的一种碱液电解制氢动态模型，其特征在于，跨界面电阻Rs表示为：
Rs＝-6.93×10-6×T2+2.378×10-3×T+0.128,10≤T≤70℃
其中，T是碱液的温度。
5.根据权利要求1所述的一种碱液电解制氢动态模型，其特征在于，当每个电解室具有相同两极板的相对面积，d为两极板的间距时，多个电解室中的双电荷层电容与跨界面电阻通过如下公式等效为一个双电荷层电容Cd(eq)与跨界面电阻Rs(eq)：
Figure FDA0003182778560000021
Rs(eq)＝n·Rs1
其中n为电解室个数，Cd1＝Cd2＝…Cdn,Rs1＝Rs2＝…Rsn分别为每个电解室的双电荷层电容与跨界面电阻。
6.一种权利要求1所述的一种碱液电解制氢动态模型在模拟计算碱液电解制氢体积中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，具体为：
在所述碱液电解制氢动态模型两端施加脉冲电压，模拟计算获得所述模型流经每个电解室的总电流，根据电流大小计算氢气体积，表示为：
Figure FDA0003182778560000022
其中V是在t时间内产生氢气的体积，I是流经每个电解室的总电流，F为法拉第恒量，数值为F＝9.65×10000C/mol，Vm是气体摩尔体积，数值为Vm＝22.4L/mol。
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