CN113774415B - 一种制氢电解池模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种制氢电解池模拟装置及方法，涉及制氢电解池技术领域，该装置包括：第一容器，用于进行电解制氢；第二容器，用于盛放用于进行电解制氢的第一液体；第三容器，用于通过水浴加热的方式对第二容器进行加热；温度控制器，其用于控制设置在第三容器内的电加热器按照第一加热周期对第三容器内的水进行加热；功率电源模块，其与第一容器的阳极和阴极连接；监测反馈装置，其用于监测第一容器的出气管道内的氢气流量变化。本申请在模拟制氢电解池工作设备基础的前提下，通过对纯水温度、第一容器的电极温度和电极工作功率进行调整，模拟不同工作参数下的电解制氢环境，从而为工作参数的调整提供模拟依据，以便后期提高电解制氢效率。
Description
技术领域
本申请涉及制氢电解池技术领域，具体涉及一种制氢电解池模拟装置及方法。
背景技术
随着氢能源的蓬勃发展，市场对高纯度氢气的需求越来越大。而目前暂主导地位的传统制氢方案受到氢气纯度和造价、环保要求的限制，迫使不断寻求新的制氢方案。作为未来电解制氢的主导趋势，利用固体聚合物电解质进行电解水制氢以电流密度高、体积小、无腐蚀、氢气纯度高等显著性优点，在电解制氢的各大方案中越来越受欢迎。
固体聚合物电解质电解水制氢技术的核心是固体聚合物电解池，其主要由膜电极组件、集电器、框架和密封垫组成。其中质子交换膜、阴阳极催化剂、阴阳极气体扩散层组成膜电极，为整个水电解池物料传输以及电化学反应的场所，膜电极的性能与结构，直接影响PEM(Proton Exchange Membrane，质子交换膜)水电解池的性能和使用寿命。
目前，如何对固体聚合物电解质电解水制氢技术的工作参数进行控制，从而获得最佳工作参数尤其关键，故而急需一种固体聚合物电解质电解水制氢的模拟技术，从而满足工作人员对工作参数的调整需求。
发明内容
本申请提供一种制氢电解池模拟装置及方法，在模拟制氢电解池工作设备基础的前提下，通过对纯水温度、第一容器的电极温度和电极工作功率进行调整，模拟不同工作参数下的电解制氢环境，从而为工作参数的调整提供模拟依据，以便后期提高电解制氢效率。
第一方面，本申请提供了一种制氢电解池模拟装置，所述装置包括：
第一容器，其用于进行电解制氢；
设置在所述第一容器的阴极上的第一容器阴极加热片；
设置在所述第一容器的阳极上的第一容器阳极加热片；
第二容器，其内部用于盛放用于进行电解制氢的第一液体，所述第二容器与所述第一容器连通；
第三容器，其用于通过水浴加热的方式对所述第二容器进行加热；
温度控制器，其用于根据所述第三容器内的水温以及第一目标温度，控制设置在所述第三容器内的电加热器按照第一加热周期对所述第三容器内的水进行加热；
所述温度控制器还用于根据所述第一容器的阴极以及阳极的温度，利用设置在所述第一容器阴极加热片以及所述第一容器阳极加热片分别对所述阴极和阳极进行温度调节；
功率电源模块，其与所述第一容器的阳极和阴极连接；
监测反馈装置，其用于监测所述第一容器的出气管道内的氢气流量变化；其中，
所述第二容器设置在所述第三容器内。
进一步的，所述装置还包括：
设置在所述第二容器内的第二容器温感部件；
设置在所述第三容器内的第三容器温感部件；
所述第二容器温感部件以及所述第三容器温感部件与所述温度控制器信号连接。
进一步的，所述装置还包括：
设置在所述第一容器的阴极上的第一容器阴极温感部件；
设置在所述第一容器的阳极上的第一容器阳极温感部件；
所述第一容器阴极温感部件以及所述第一容器阳极温感部件与所述温度控制器信号连接。
具体的，第二容器通过第一连通管与所述第一容器的进水口连通；
所述第二容器通过第二连通管与所述第一容器的出水口连通；
所述第一连通管上设置有蠕动泵以及第一离子交换树脂过滤器；
所述第二连通管上设置有第二离子交换树脂过滤器。
进一步的，所述装置还包括：
所述出气管道依次设置有冷淋器、水气分离器以及氢气流量计；
所述监测反馈装置与所述氢气流量计信号连接。
第二方面，本申请提供了一种制氢电解池模拟方法，所述方法包括以下步骤：
利用第三容器通过水浴加热的方式对第二容器进行加热；
将第二容器内部存储的用于进行电解制氢的第一液体传输至第一容器；
控制所述第一容器中的阴极和阳极进行电解制氢工作；
监测电解制氢的氢气流量；
将所述第一容器中的阴极和阳极的功率、所述第一容器的阴极和阳极的温度、所述第一容器内部温度以及所述第二容器内部温度中的任意一个作为单一变量，控制所述第一容器中的阴极和阳极进行电解制氢模拟，并监测电解制氢的氢气流量变化；其中，
所述第二容器设置在所述第三容器内。
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
根据所述第三容器内部温度以及第一目标温度，控制所述电加热器按照第一加热周期对所述第三容器内部进行加热；
根据所述第一容器内部温度以及第二目标温度，控制辅助加热器按照第二加热周期对所述第一容器内部进行加热；其中，
所述辅助加热器位于所述第一容器内部。
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
根据所述第一容器的阴极以及阳极的温度，控制第一容器阴极加热片以及第一容器阳极加热片分别对所述阴极和所述阳极进行温度调节。
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
利用预设的功率电源模块控制所述阳极和所述阴极的工作电压或工作电流；其中，
所述功率电源模块与所述第一容器的阳极和阴极电连接。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
本申请在模拟制氢电解池工作设备基础的前提下，通过对纯水温度、第一容器的电极温度和电极工作功率进行调整，模拟不同工作参数下的电解制氢环境，从而为工作参数的调整提供模拟依据，以便后期提高电解制氢效率。
附图说明
术语解释：
PLC：Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器。
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中提供的制氢电解池模拟装置的原理示意图；
图2为本申请实施例中提供的制氢电解池模拟装置的内部结构示意图；
图3为本申请实施例中提供的制氢电解池模拟装置的内部侧视图；
图中：
1、第一容器；10、第一容器阴极加热片；11、第一容器阳极加热片；12、第一容器阴极温感部件；13、第一容器阳极温感部件；2、第二容器；20、第二容器温感部件；21、第一连通管；22、第二连通管；23、蠕动泵；24、第一离子交换树脂过滤器；25、第二离子交换树脂过滤器；3、第三容器；30、电加热器；31、第三容器温感部件；32、液位显示器；4、温度控制器；5、功率电源模块；6、监测反馈装置；7、出气管道；70、冷淋器；71、水气分离器；72、氢气流量计；A、第一容器阴极；B、第一容器阳极；C、质子交换膜。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图对本申请的实施例作进一步详细说明。
本申请实施例提供一种制氢电解池模拟装置及方法，在模拟制氢电解池工作设备基础的前提下，通过对纯水温度、第一容器的电极温度和电极工作功率进行调整，模拟不同工作参数下的电解制氢环境，从而为工作参数的调整提供模拟依据，以便后期提高电解制氢效率。
为达到上述技术效果，本申请的总体思路如下：
一种制氢电解池模拟装置，该装置包括：
第一容器1，第一容器1用于进行电解制氢；
第二容器2，其内部用于盛放用于进行电解制氢的第一液体，第二容器2与第一容器1连通；
第三容器3，其用于通过水浴加热的方式对第二容器2进行加热；
温度控制器4，其用于根据第三容器3内的水温以及第一目标温度，控制设置在第三容器3内的电加热器30按照第一加热周期对第三容器3内的水进行加热；
功率电源模块5，其与第一容器1的阳极和阴极连接；
监测反馈装置6，其用于监测第一容器1的出气管道7内的氢气流量变化；其中，
第二容器2设置在第三容器3内。
以下结合附图对本申请的实施例作进一步详细说明。
第一方面，参见图1～3所示，本申请实施例提供一种制氢电解池模拟装置，该装置包括：
第一容器1，第一容器1用于进行电解制氢；
第二容器2，其内部用于盛放用于进行电解制氢的第一液体，第二容器2与第一容器1连通；
第三容器3，其用于通过水浴加热的方式对第二容器2进行加热；
温度控制器4，其用于根据第三容器3内的水温以及第一目标温度，控制设置在第三容器3内的电加热器30按照第一加热周期对第三容器3内的水进行加热；
功率电源模块5，其与第一容器1的阳极和阴极连接；
监测反馈装置6，其用于监测第一容器1的出气管道7内的氢气流量变化；其中，
第二容器2设置在第三容器3内。
需要说明的是，本申请实施例中，第一液体具体可以采用纯水，即去离子水，本申请实施例的纯水的纯度可参照在电力系统所用的纯水，要求各杂质含量低达到“微克/升”级，具体可按照工业纯水一级，即电导率小于等于0.1μS/cm。
其中，第一容器1为主要的功能部件，具体是制氢电解池，其包括第一容器阴极A、第一容器阳极B以及质子交换膜C，还包括与第二容器2连通的水路管道，主要用于进行电解制氢的工作情况，从而能够在模拟过程中了解电解制氢过程中的伏安特性以及制氢效率；
温度控制器4用于控制电加热器30对第三容器3内的水进行加热，从而通过水浴加热的方式调节第二容器2中的纯水温度，进而调节第一容器1进行电解制氢时的纯水水温，从而对其电解制氢的温度环境进行调节，水浴加热的方式由于水浴加热的热源与第二容器2内的纯水不直接接触，保证了第二容器2内的纯水的离子含量，排出金属离子的干扰；
功率电源模块5可以是直流电源，可根据模拟需要切换成恒压模式和恒流模式。
需要说明的是，水浴加热是指电加热器30对第三容器3中的水进行直接加热，提高第三容器3中的水的温度，随着第三容器3中的水的温度的升高，第三容器3的水能够将热量通过第二容器2的侧壁传导至纯水，从而提升第二容器2内的纯水的温度，即对第二容器2内的纯水进行加热；其中，
根据实际电解工作的加热需求，选定合适的导热性能的材料制作第二容器2和第三容器3。
另外，该制氢电解池模拟装置还配置有水循环系统和气循环系统；
水循环系统主要包括纯水循环系统，用于通过预设的泵将加热后的纯水输送至第一容器1，还用于在必要时排出第二容器2中的水；
同样，必要时，还可包括加热水循环系统，用于通过预设的泵向第三容器3注入水浴加热时需要的水，还用于在必要时排除水浴加热时用到的水；
气循环系统主要包括氢氧循环系统，用于在第一容器反应过程中产生氢气和氧气，通过管路输送至预设的收集口。
本申请实施例中，在模拟制氢电解池工作设备基础的前提下，通过对纯水温度、第一容器的电极温度和电极工作功率进行调整，模拟不同工作参数下的电解制氢环境，从而为工作参数的调整提供模拟依据，以便后期提高电解制氢效率。
进一步的，该制氢电解池模拟装置还包括：
设置在第一容器1的阴极上的第一容器阴极加热片10；
设置在第一容器1的阳极上的第一容器阳极加热片11；
温度控制器4还用于根据第一容器1的阴极以及阳极的温度，利用设置在第一容器阴极加热片10以及第一容器阳极加热片11分别对阴极和阳极进行温度调节。
进一步的，该制氢电解池模拟装置还包括：
设置在第二容器2内的第二容器温感部件20；
设置在第三容器3内的第三容器温感部件31；
第二容器温感部件20以及第三容器温感部件31与温度控制器4信号连接。
进一步的，该制氢电解池模拟装置还包括：
设置在第一容器1的阴极上的第一容器阴极温感部件12；
设置在第一容器1的阳极上的第一容器阳极温感部件13；
第一容器阴极温感部件12以及第一容器阳极温感部件13与温度控制器4信号连接。
需要说明的是，第二容器温感部件20、第三容器温感部件31、第一容器阴极温感部件12以及第一容器阳极温感部件13可以选用热电偶元件。
具体实施时，第一容器阴极加热片10与第一容器阴极温感部件12相互配合，当第一容器阴极温感部件12检测到第一容器阴极温度过低时，反馈至温度控制器4，温度控制器4控制第一容器阴极加热片10对第一容器阴极A进行加热；
同样，第一容器阳极加热片11与第一容器阳极温感部件13相互配合，当第一容器阳极温感部件13检测到第一容器阴极温度过低时，反馈至温度控制器4，温度控制器4控制第一容器阳极加热片11对第一容器阳极B进行加热；
从而调整第一容器阴极A和第一容器阳极B的工作温度，模拟不同温度下的电解制氢工作。
具体的，第二容器2通过第一连通管21与第一容器1的进水口连通；
第二容器2通过第二连通管22与第一容器1的出水口连通；
第一连通管21上设置有蠕动泵23以及第一离子交换树脂过滤器24；
第二连通管22上设置有第二离子交换树脂过滤器25。
其中，第一连通管21、第二连通管22以及蠕动泵23用于构建纯水流通的通道；
蠕动泵23用于将第二容器2中的水输送至第一容器1中，而第一离子交换树脂过滤器24以及第二离子交换树脂过滤器25相互配合，去除纯水中的离子。
需要说明的是，本申请实施例中的制氢电解池模拟装置还包括外接电源以及PLC控制模块；
外接电源为蠕动泵23以及制氢电解池模拟装置的管路中的电磁阀提供动力；
PLC控制模块根据上位机发出的指令，控制蠕动泵23的启停和转速、转向，还用于在第二容器2的液位下降时，控制电磁阀开启，通过与第二容器2连通的补水管道，向第二容器2进行自动补水。
进一步的，第三容器3的侧壁设置有液位显示器32，用于监测第三容器3内用于进行水浴加热的水的水量，
同样，第二容器2也设置有配套的液位显示部件，用于显示纯水的水量。
进一步的，电加热器30设置在第三容器3的底部内壁。
进一步的，第二容器温感部件20设置在第二容器2内且靠近第二容器2的底部；
第三容器温感部件31设置在第三容器3内且靠近第三容器3的底部；
设置在底部能够更准确的监测水温。
进一步的，出气管道7依次设置有冷淋器70、水气分离器71以及氢气流量计72；
监测反馈装置6与氢气流量计72信号连接；
水气分离器71具体可以是氢气除水用气水分离器。
如图1所示，在实际实施时，将该制氢电解池模拟装置组装完成，并按照真实的电解制氢工作环境，配置配套的水路、气路以及电路设备，并检查结构、密封、电气线路无误后，接通外部电源；
向第二容器2注入适量纯水，向第三容器3注入适量的水；
控制电加热器30对第三容器3中的水进行加热，并利用第三容器温感部件31监测第三容器3中的水的温度，利用第二容器温感部件20监测第二容器2内的纯水温度，当纯水温度达到模拟电解制氢时需要的温度时，开启蠕动泵23，蠕动泵23驱动纯水通过第一连通管21进入第一容器1的进水口；
待进入第一容器1的纯水量达到模拟电解制氢时需要的量时，进行电解制氢工作，
考虑纯水在管路输送中存在热量散失，温度会下降，为了对进入第一容器1的纯水温进行补偿，需要第一容器阳极加热片11与第一容器阳极温感部件13相互配合，当第一容器阳极温感部件13检测到第一容器阴极温度过低时，反馈至温度控制器4，温度控制器4控制第一容器阳极加热片11对第一容器阳极B进行加热；
从而调整第一容器阴极A和第一容器阳极B的工作温度，温度达到设定值后，可接通功率电源模块5，对第一容器阴极A和第一容器阳极B输入直流电源，第一容器1内发生水电解反应，氧气在第一容器阳极产生，随纯水循环的第二连通管22回到第二容器2，可通过第二容器2顶部预设的配套管路排出，氧气在第一容器阴极A产生，氢气在第一容器阳极B产生，氢气与高温水蒸气混合，经过冷淋器70和水气分离器71后排出，并通过氢气流量计72记录；
其中，通过调整输入功率电源模块5的电压或者电流的参数，得到相应的伏安曲线，通过单位时间内氢气流量计72的流量变化，可以换算出该第一容器1在相应电流或电压下的反应效率。
基于本申请实施例中的制氢电解池模拟装置，配置有电解制氢所需的功能性组件以及配套组件；
在此基础上，借助本申请实施例中的第三容器3、电加热器30以及温度控制器4能够通过水浴加热的方式对纯水进行加热，调整纯水温度；
借助本申请实施例中的功率电源模块5，能够对电解制氢的电流或电压进行调整；
借助本申请实施例中的温度控制器4、第一容器阴极加热片10以及第一容器阳极加热片11，对第一容器阴极A和第一容器阳极B进行加热，从而一方面补偿纯水在传输过程中的温度损失，一方面能够调控第一容器环境温度；
借助本申请实施例中的与氢气流量计72信号连接的监测反馈装置6，监测第一容器1的出气管道7内的氢气流量变化，从而监控电解制氢的具体情况。
综上，借助本申请实施例，能够对纯水温度、第一容器环境温度、电解制氢电流或电压进行调控，具体可以采用单一变量调控的方式进行调控；
必要时，还可对第一容器阴极A、第一容器阳极B以及质子交换膜C的材质进行更换，从而模拟不同情况下的电解制氢，通过氢气流量变化来选择最佳的电解制氢条件，从而模拟不同工作参数下的电解制氢环境，从而为工作参数的调整提供模拟依据，以便后期提高电解制氢效率，为后期电解制氢投入实际生产提供帮助。
第二方面，本申请实施例提供一种制氢电解池模拟方法，其基于第一方面提及的制氢电解池模拟装置，该方法包括以下步骤：
S1、利用第三容器3通过水浴加热的方式对第二容器2进行加热；
S2、将第二容器2内部存储的用于进行电解制氢的第一液体传输至第一容器1；
S3、控制第一容器1中的阴极和阳极进行电解制氢工作；
S4、监测电解制氢的氢气流量；
S5、将第一容器1中的阴极和阳极的功率、第一容器1的阴极和阳极的温度、第一容器1内部温度以及第二容器2内部温度中的任意一个作为单一变量，控制第一容器1中的阴极和阳极进行电解制氢模拟，并监测电解制氢的氢气流量变化；其中，
第二容器2设置在第三容器3内。
本申请实施例中，在模拟制氢电解池工作设备基础的前提下，通过对纯水温度、第一容器的内部温度、第一容器的电极温度和电极工作功率进行调整，具体可以采用单一变量调控法进行调控，模拟不同工作参数下的电解制氢环境，从而为工作参数的调整提供模拟依据，以便后期提高电解制氢效率。
需要说明的是，采用单一变量调控法进行调控时，具体操作包括但不限于如下情况：
情况一：
保持纯水温度、第一容器的内部温度以及第一容器的电极温度不变，按照预设的电流增减值或电压增减值调整第一容器的阴极和阳极的工作电流或工作电压，并监测电解制氢的氢气流量变化，以便对不同的电解制氢工作环境进行模拟；
情况二：
保持第一容器的阴极和阳极的工作电流或工作电压、第一容器的内部温度以及第一容器的电极温度不变，按照预设的温度增减值，调整第二容器内的第一液体，即纯水温度，并监测电解制氢的氢气流量变化，以便对不同的电解制氢工作环境进行模拟；
针对第一容器的内部温度以及第一容器的电极温度的调控方式与情况一和二类似。
另外，还可根据实际需求，采用其他的调控方式对纯水温度、第一容器的内部温度、第一容器的电极温度和电极工作功率进行调整，在调控的同时监测电解制氢的氢气流量变化，以便对不同的电解制氢工作环境进行模拟。
进一步的，该方法包括以下步骤：
根据第三容器3内部温度以及第一目标温度，控制电加热器30按照第一加热周期对第三容器3内部进行加热；
根据第一容器1内部温度以及第二目标温度，控制辅助加热器14按照第二加热周期对第一容器1内部进行加热；其中，
辅助加热器14位于第一容器1内部。
进一步的，该方法包括以下步骤：
根据第一容器1的阴极以及阳极的温度，控制第一容器阴极加热片10以及第一容器阳极加热片11分别对阴极和阳极进行温度调节。
进一步的，该方法包括以下步骤：
利用预设的功率电源模块5控制阳极和阴极的工作电压或工作电流；其中，
功率电源模块5与第一容器1的阳极和阴极电连接。
基于本申请实施例的技术方案，该制氢电解池模拟方法具体包括以下操作部分：
第一部分，流量控制：
根据制氢电解池的模拟测试需求，在上位机中输入相应流量值，电气控制系统会根据输入值改变输入微型泵的控制电流信号大小，从而改变转速，达到所需的流量输出，从而控制第二容器2中的第一液体进入第一容器1。
第二部分，温度控制：
根据电解池测试条件，在上位机中输入相应目标温度值，电气控制系统根据输入的目标温度值改变第三容器3内的电加热器30的控制电流大小，从而改变电加热器30的加热功率，进而改变第三容器3内的水的温度，进而通过水浴加热的方式，改变第二容器2内的第一液体的温度；
同时相应的热电偶将实时监测的温度反馈给温控系统，根据设定目标温度值，来控制电加热器30的启动和停止，从而使得第三容器3内的水温在设定值上下偏差，不至于由于电加热器30的持续加热而使水温过高。
必要时，由于管路存在热量散失，会使热量达到第一容器1，即制氢电解池后，实际温度低于测试所需温度，需要辅助加热系统；
辅助加热棒插在第一容器1，即电解池的端板内，与热电偶、温控系统联合控温，原理同上，电加热器30作为主控温，主辅控温一起工作，达到精准控温；
其中，电加热器30可以是电加热棒。
第三部分，功率控制：
根据制氢电解池的电解功率需求，在上位机中输入相应电流电压值，直流电源模块会根据输入值给第一容器1，即制氢电解池进行供电，具体是控制第一容器1中的阴极和阳极，即电解池阴极和电解池阳极，同时将电解池实时电压电流反馈给上位机，形成电流电压实时曲线。
第四部分，产氢流量监测：
进行电解制氢后，排氢管路中会有氢气产生，根据单位电流时间内产氢的流量大小，可判断电解池工作效率高低，并对第一容器1中的阴极和阳极的工作功率进行调整；
必要时，为保障监测精度，可将流量监测使用的氢气流量计换成氢气流量传感器。
本申请实施例的制氢电解池模拟方法所基于的制氢电解池模拟装置包括：
第一容器1，第一容器1用于进行电解制氢；
第二容器2，其内部用于盛放用于进行电解制氢的第一液体，第二容器2与第一容器1连通；
第三容器3，其用于通过水浴加热的方式对第二容器2进行加热；
温度控制器4，其用于根据第三容器3内的水温以及第一目标温度，控制设置在第三容器3内的电加热器30按照第一加热周期对第三容器3内的水进行加热；
功率电源模块5，其与第一容器1的阳极和阴极连接；
监测反馈装置6，其用于监测第一容器1的出气管道7内的氢气流量变化；其中，
第二容器2设置在第三容器3内。
需要说明的是，本申请实施例中，第一液体具体可以采用纯水，即去离子水，本申请实施例的纯水的纯度可参照在电力系统所用的纯水，要求各杂质含量低达到“微克/升”级，具体可按照工业纯水一级，即电导率小于等于0.1μS/cm。
其中，第一容器1为主要的功能部件，具体是制氢电解池，其包括第一容器阴极A、第一容器阳极B以及质子交换膜C，还包括与第二容器2连通的水路管道，主要用于进行电解制氢的工作情况，从而能够在模拟过程中了解电解制氢过程中的伏安特性以及制氢效率；
温度控制器4用于控制电加热器30对第三容器3内的水进行加热，从而通过水浴加热的方式调节第二容器2中的纯水温度，进而调节第一容器1进行电解制氢时的纯水水温，从而对其电解制氢的温度环境进行调节，水浴加热的方式由于水浴加热的热源与第二容器2内的纯水不直接接触，保证了第二容器2内的纯水的离子含量，排出金属离子的干扰；
功率电源模块5可以是直流电源，可根据模拟需要切换成恒压模式和恒流模式。
需要说明的是，水浴加热是指电加热器30对第三容器3中的水进行直接加热，提高第三容器3中的水的温度，随着第三容器3中的水的温度的升高，第三容器3的水能够将热量通过第二容器2的侧壁传导至纯水，从而提升第二容器2内的纯水的温度，即对第二容器2内的纯水进行加热；其中，
根据实际电解工作的加热需求，选定合适的导热性能的材料制作第二容器2和第三容器3。
另外，该制氢电解池模拟装置还配置有水循环系统和气循环系统；
水循环系统主要包括纯水循环系统，用于通过预设的泵将加热后的纯水输送至第一容器1，还用于在必要时排出第二容器2中的水；
同样，必要时，还可包括加热水循环系统，用于通过预设的泵向第三容器3注入水浴加热时需要的水，还用于在必要时排除水浴加热时用到的水；
气循环系统主要包括氢氧循环系统，用于在第一容器反应过程中产生氢气和氧气，通过管路输送至预设的收集口。
本申请实施例中，在模拟制氢电解池工作设备基础的前提下，通过对纯水温度、第一容器的电极温度和电极工作功率进行调整，模拟不同工作参数下的电解制氢环境，从而为工作参数的调整提供模拟依据，以便后期提高电解制氢效率。
进一步的，该制氢电解池模拟装置还包括：
设置在第一容器1的阴极上的第一容器阴极加热片10；
设置在第一容器1的阳极上的第一容器阳极加热片11；
温度控制器4还用于根据第一容器1的阴极以及阳极的温度，利用设置在第一容器阴极加热片10以及第一容器阳极加热片11分别对阴极和阳极进行温度调节。
进一步的，该制氢电解池模拟装置还包括：
设置在第二容器2内的第二容器温感部件20；
设置在第三容器3内的第三容器温感部件31；
第二容器温感部件20以及第三容器温感部件31与温度控制器4信号连接。
进一步的，该制氢电解池模拟装置还包括：
设置在第一容器1的阴极上的第一容器阴极温感部件12；
设置在第一容器1的阳极上的第一容器阳极温感部件13；
第一容器阴极温感部件12以及第一容器阳极温感部件13与温度控制器4信号连接。
需要说明的是，第二容器温感部件20、第三容器温感部件31、第一容器阴极温感部件12以及第一容器阳极温感部件13可以选用热电偶元件。
具体实施时，第一容器阴极加热片10与第一容器阴极温感部件12相互配合，当第一容器阴极温感部件12检测到第一容器阴极温度过低时，反馈至温度控制器4，温度控制器4控制第一容器阴极加热片10对第一容器阴极A进行加热；
同样，第一容器阳极加热片11与第一容器阳极温感部件13相互配合，当第一容器阳极温感部件13检测到第一容器阴极温度过低时，反馈至温度控制器4，温度控制器4控制第一容器阳极加热片11对第一容器阳极B进行加热；
从而调整第一容器阴极A和第一容器阳极B的工作温度，模拟不同温度下的电解制氢工作。
具体的，第二容器2通过第一连通管21与第一容器1的进水口连通；
第二容器2通过第二连通管22与第一容器1的出水口连通；
第一连通管21上设置有蠕动泵23以及第一离子交换树脂过滤器24；
第二连通管22上设置有第二离子交换树脂过滤器25。
其中，第一连通管21、第二连通管22以及蠕动泵23用于构建纯水流通的通道；
蠕动泵23用于将第二容器2中的水输送至第一容器1中，而第一离子交换树脂过滤器24以及第二离子交换树脂过滤器25相互配合，去除纯水中的离子。
需要说明的是，本申请实施例中的制氢电解池模拟装置还包括外接电源以及PLC控制模块；
外接电源为蠕动泵23以及制氢电解池模拟装置的管路中的电磁阀提供动力；
PLC控制模块根据上位机发出的指令，控制蠕动泵23的启停和转速、转向，还用于在第二容器2的液位下降时，控制电磁阀开启，通过与第二容器2连通的补水管道，向第二容器2进行自动补水。
进一步的，第三容器3的侧壁设置有液位显示器32，用于监测第三容器3内用于进行水浴加热的水的水量，
同样，第二容器2也设置有配套的液位显示部件，用于显示纯水的水量。
进一步的，电加热器30设置在第三容器3的底部内壁。
进一步的，第二容器温感部件20设置在第二容器2内且靠近第二容器2的底部；
第三容器温感部件31设置在第三容器3内且靠近第三容器3的底部；
设置在底部能够更准确的监测水温。
进一步的，出气管道7依次设置有冷淋器70、水气分离器71以及氢气流量计72；
监测反馈装置6与氢气流量计72信号连接；
水气分离器71具体可以是氢气除水用气水分离器。
在实际实施时，将该制氢电解池模拟装置组装完成，并按照真实的电解制氢工作环境，配置配套的水路、气路以及电路设备，并检查结构、密封、电气线路无误后，接通外部电源；
向第二容器2注入适量纯水，向第三容器3注入适量的水；
控制电加热器30对第三容器3中的水进行加热，并利用第三容器温感部件31监测第三容器3中的水的温度，利用第二容器温感部件20监测第二容器2内的纯水温度，当纯水温度达到模拟电解制氢时需要的温度时，开启蠕动泵23，蠕动泵23驱动纯水通过第一连通管21进入第一容器1的进水口；
待进入第一容器1的纯水量达到模拟电解制氢时需要的量时，进行电解制氢工作，
考虑纯水在管路输送中存在热量散失，温度会下降，为了对进入第一容器1的纯水温进行补偿，需要第一容器阳极加热片11与第一容器阳极温感部件13相互配合，当第一容器阳极温感部件13检测到第一容器阴极温度过低时，反馈至温度控制器4，温度控制器4控制第一容器阳极加热片11对第一容器阳极B进行加热；
从而调整第一容器阴极A和第一容器阳极B的工作温度，温度达到设定值后，可接通功率电源模块5，对第一容器阴极A和第一容器阳极B输入直流电源，第一容器1内发生水电解反应，氧气在第一容器阳极产生，随纯水循环的第二连通管22回到第二容器2，可通过第二容器2顶部预设的配套管路排出，氧气在第一容器阴极A产生，氢气在第一容器阳极B产生，氢气与高温水蒸气混合，经过冷淋器70和水气分离器71后排出，并通过氢气流量计72记录；
其中，通过调整输入功率电源模块5的电压或者电流的参数，得到相应的伏安曲线，通过单位时间内氢气流量计72的流量变化，可以换算出该第一容器1在相应电流或电压下的反应效率。
基于本申请实施例中的制氢电解池模拟装置，配置有电解制氢所需的功能性组件以及配套组件；
在此基础上，借助本申请实施例中的第三容器3、电加热器30以及温度控制器4能够通过水浴加热的方式对纯水进行加热，调整纯水温度；
借助本申请实施例中的功率电源模块5，能够对电解制氢的电流或电压进行调整；
借助本申请实施例中的温度控制器4、第一容器阴极加热片10以及第一容器阳极加热片11，对第一容器阴极A和第一容器阳极B进行加热，从而一方面补偿纯水在传输过程中的温度损失，一方面能够调控第一容器环境温度；
借助本申请实施例中的与氢气流量计72信号连接的监测反馈装置6，监测第一容器1的出气管道7内的氢气流量变化，从而监控电解制氢的具体情况。
综上，借助本申请实施例，能够对纯水温度、第一容器环境温度、电解制氢电流或电压进行调控，具体可以采用单一变量调控的方式进行调控；
必要时，还可对第一容器阴极A、第一容器阳极B以及质子交换膜C的材质进行更换，从而模拟不同情况下的电解制氢，通过氢气流量变化来选择最佳的电解制氢条件，从而模拟不同工作参数下的电解制氢环境，从而为工作参数的调整提供模拟依据，以便后期提高电解制氢效率，为后期电解制氢投入实际生产提供帮助。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种制氢电解池模拟装置，其特征在于，所述装置包括：
第一容器(1)，其用于进行固体聚合物电解质电解水制氢；
设置在所述第一容器(1)的阴极上的第一容器阴极加热片(10)以及第一容器阴极温感部件(12)；
设置在所述第一容器(1)的阳极上的第一容器阳极加热片(11)以及第一容器阳极温感部件(13)；
第二容器(2)，其内部用于盛放用于进行固体聚合物电解质电解水制氢的第一液体，所述第二容器(2)与所述第一容器(1)连通；
第三容器(3)，其用于通过水浴加热的方式对所述第二容器(2)进行加热；
温度控制器(4)，其用于根据所述第三容器(3)内的水温以及第一目标温度，控制设置在所述第三容器(3)内的电加热器(30)按照第一加热周期对所述第三容器(3)内的水进行加热；
所述温度控制器(4)还用于根据所述第一容器(1)的阴极以及阳极的温度，利用设置在所述第一容器阴极加热片(10)以及所述第一容器阳极加热片(11)分别对所述阴极和阳极进行温度调节；
功率电源模块(5)，其与所述第一容器(1)的阳极和阴极连接；
监测反馈装置(6)，其用于监测所述第一容器(1)的出气管道(7)内的氢气流量变化；其中，
所述第二容器(2)设置在所述第三容器(3)内；
所述第一容器阴极温感部件(12)以及所述第一容器阳极温感部件(13)与所述温度控制器(4)信号连接。
2.如权利要求1所述的制氢电解池模拟装置，其特征在于，所述装置还包括：
设置在所述第二容器(2)内的第二容器温感部件(20)；
设置在所述第三容器(3)内的第三容器温感部件(31)；
所述第二容器温感部件(20)以及所述第三容器温感部件(31)与所述温度控制器(4)信号连接。
3.如权利要求1所述的制氢电解池模拟装置，其特征在于：
第二容器(2)通过第一连通管(21)与所述第一容器(1)的进水口连通；
所述第二容器(2)通过第二连通管(22)与所述第一容器(1)的出水口连通；
所述第一连通管(21)上设置有蠕动泵(23)以及第一离子交换树脂过滤器(24)；
所述第二连通管(22)上设置有第二离子交换树脂过滤器(25)。
4.如权利要求1所述的制氢电解池模拟装置，其特征在于，所述装置还包括：
所述出气管道(7)依次设置有冷淋器(70)、水气分离器(71)以及氢气流量计(72)；
所述监测反馈装置(6)与所述氢气流量计(72)信号连接。
5.一种基于如权利要求1～4任意一项所述的制氢电解池模拟装置的制氢电解池模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
利用第三容器(3)通过水浴加热的方式对第二容器(2)进行加热；
将第二容器(2)内部存储的用于进行固体聚合物电解质电解水制氢的第一液体传输至第一容器(1)；
控制所述第一容器(1)中的阴极和阳极进行固体聚合物电解质电解水制氢工作；
监测电解制氢的氢气流量；
将所述第一容器(1)中的阴极和阳极的功率、所述第一容器(1)的阴极和阳极的温度、所述第一容器(1)内部温度以及所述第二容器(2)内部温度中的任意一个作为单一变量，控制所述第一容器(1)中的阴极和阳极进行固体聚合物电解质电解水制氢模拟，并监测电解制氢的氢气流量变化；其中，
所述第二容器(2)设置在所述第三容器(3)内。
6.如权利要求5所述的制氢电解池模拟方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
根据所述第三容器(3)内部温度以及第一目标温度，控制所述电加热器(30)按照第一加热周期对所述第三容器(3)内部进行加热；
根据所述第一容器(1)内部温度以及第二目标温度，控制辅助加热器(14)按照第二加热周期对所述第一容器(1)内部进行加热；其中，
所述辅助加热器(14)位于所述第一容器(1)内部。
7.如权利要求5所述的制氢电解池模拟方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
根据所述第一容器(1)的阴极以及阳极的温度，控制第一容器阴极加热片(10)以及第一容器阳极加热片(11)分别对所述阴极和所述阳极进行温度调节。
8.如权利要求5所述的制氢电解池模拟方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
利用预设的功率电源模块(5)控制所述阳极和所述阴极的工作电压或工作电流；其中，
所述功率电源模块(5)与所述第一容器(1)的阳极和阴极电连接。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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