CN113862713A - Pem纯水电解制氢测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种PEM纯水电解制氢测试系统，包括蓄水单元、电解单元、氢分离单元、氢气输出检测单元和控制单元；蓄水单元用于存储纯水以及采集纯水的水质指标；电解单元用于接入纯水并对纯水进行电解；氢分离单元用于从电解单元输入的电解混合物分离出氢气；各氢气输出检测单元分别与氢水分离单元的输出端连接，一氢气输出检测单元用于采集一种与其他氢气输出检测单元互不相同的氢气的气体性质参数；控制单元分别与蓄水单元、电解单元、氢水分离单元和氢气输出检测单元通信。本发明通过对多通道电解水系统的各个环节的参数进行检测和调控，对整个多通道测试系统各部分的准确监控，提高测试系统的平衡协调能力。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其是一种多通道PEM纯水电解制氢测试方法及系统。
背景技术
氢气作为一种良好的还原剂和清洁燃料，广泛应用于石油、化工、冶金、医药等行业。由于自然界的氢含量很低，对生产和工业很难从自然界获得大量氢气。PEM水电解制氢具有良好化学稳定性、质子传导性、气体分离性的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代石棉膜，能有效阻止电子传递，提高电解槽安全性，目前已经成为电解水制氢领域的一大趋势。
为了保证PEM纯水电解制氢系统中的电化学反应持续进行，同时能够实现测试系统中各测试参数，如电流、水流量、温度、产氢压力、产氢效率、含水量等的实时监控，需要建立一套稳定有效的控制系统对各环节进行准确监控。
然而目前对PEM纯水电解制氢测试系统控制方法的研究不多，更多的是集中在燃料电池领域。例如，中国专利(专利号为CN113235121A)公开的一种混合式多槽制氢系统及其控制方法，该方法包括：将光伏电站的直流电接入多通路供电控制模块，或将电网或其他来源的交流电接入多通路供电控制模块，对制氢装置生成的粗制氢气进行提纯控制，得到纯化的氢气；对纯化的氢气进行合格率判断，若不合格，则将纯化模块中的氢气通过循环气路返回给氢气纯化单元进行再纯化；若合格，则按预设的出氢规则，开启第一出氢管路和/或第二出氢管路和/或第三出氢管路，将氢气输入至储氢器；以及中国专利(专利号为CN208365198U)公开的一种高压高纯氢气制氢加氢一体机，包括纯化装置、电解装置、气液分离装置、缓冲装置、增压装置以及智能控制装置，纯化装置与电解装置连接，随后连接气液分离装置，气液分离装置连接缓冲装置，缓冲装置连接增压装置，智能控制装置通过电源线或者信号线连接电解装置和增压装置，纯化装置接水源，增压装置后面接氢气充装装置。
上述现有技术公开的有关控制方法均存在不系统不全面等问题，测试系统的效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种PEM纯水电解制氢测试系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
本发明公开一种PEM纯水电解制氢测试系统，包括：
蓄水单元，蓄水单元用于存储纯水以及采集纯水的水质指标；
电解单元，与蓄水单元连接，电解单元用于接入纯水并对纯水进行电解；
氢分离单元，与电解单元连接，氢分离单元用于从电解单元输入的电解混合物分离出氢气；
多组氢气输出检测单元，各氢气输出检测单元分别与氢水分离单元的输出端连接，一氢气输出检测单元用于采集一种与其他氢气输出检测单元互不相同的氢气的气体性质参数；
控制单元，控制单元分别与蓄水单元、电解单元、氢水分离单元和氢气输出检测单元通信，控制单元执行以下方法：
监控蓄水单元内纯水的水质参数，在纯水的水质参数符合预设标准时导通蓄水单元和电解单元，以使纯水输入至电解单元；
根据电解速率需求控制电解单元采用与电解速率需求对应的直流电压对纯水进行电解，在电解结束后导通电解单元和氢分离单元，以使电解混合物输入至氢分离单元；
监控氢分离单元内的气体压力，在气体压力符合预设标准时导通氢分离单元和氢气输出检测单元，以使氢气输入至氢气输出检测单元；
获取各氢气输出检测单元采集得到的气体性质参数。
进一步地，蓄水单元包括纯水机和用于存储纯水的水箱；
水箱分别与纯水机和电解单元连接，纯水机与水箱的通路配置有补水阀，纯水机与电解单元的通路配置有放水阀，纯水机还配置有检测纯水液位的液位传感器、用于检测纯水温度的温度传感器、用于检测纯水水质的水质检测仪和用于调节纯水温度的热交换器和加热器；
控制单元分别与补水阀、放水阀、液位传感器、温度传感器、水质检测仪、热交换器和加热器通信，控制单元用于通过补水阀和放水阀调节纯水的液位以及通过热交换器和加热器调节纯水的水温。
进一步地，电解单元包括PEM电解槽和可输出多种直流电压的电源；
PEM电解槽分别与蓄水单元和氢分离单元连接，电源与PEM电解槽电连接，电源与控制单元通信，控制单元用户控制电源进行电压输出。
进一步地，氢分离单元包括至少两个氢分离器；
各氢分离器分别两两连接，第一个氢分离器的输入端与电解单元连接，最后一个氢分离器的输出端与各氢气输出检测单元连接，最后一个氢分离器的输出端与各氢气输出检测单元之间配置有气压传感器、超压开关、压力跟踪器和背压阀。
进一步地，氢分离单元与蓄水单元连接，氢分离单元与蓄水单元之间配置有回流阀，回流阀与控制单元连接，控制单元用于控制回流阀的通断，以使氢分离单元的冷却水回流至蓄水单元。
进一步地，氢气输出检测单元包括氢气输出管路和气体采样器；
各氢气输出管路与氢分离单元之间连接有干燥管，一气体采样器用于采集一种与其他气体采样器互不相同的氢气的气体性质参数。
进一步地，气体采样器包括露点检测器或质量流量计。
进一步地，控制单元选用PLC控制器。
本发明的有益效果：通过对多通道电解水系统的各个环节的参数进行检测和调控，对整个多通道测试系统各部分的准确监控，提高测试系统的平衡协调能力，保证进入电解过程中水体和气体质量安全可靠，提高单个测试系统所能达到的多功能化。
附图说明
图1是一实施例提供的PEM纯水电解制氢测试系统的结构框图。
图2是图1实施例提供的PEM纯水电解制氢测试系统的具体结示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合实施例和附图，对本发明作进一步的描述。
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
参阅图1和图2，该系统包括蓄水单元100、电解单元200、氢分离单元300、氢气输出检测单元400以及控制单元500。其中，氢气输出检测单元400的数量为多组，蓄水单元100、电解单元200、氢分离单元300、氢气输出检测单元400依次连接，控制单元500分别与蓄水单元100、电解单元200、氢分离单元300和氢气输出检测单元400通信。
蓄水单元100用于存储纯水以及获取纯水的水质指标。其中，蓄水单元100包括纯水机120和用于存储纯水的水箱110；水箱110分别与纯水机120和电解单元200连接，纯水机120与水箱110的通路配置有补水阀130，纯水机120与电解单元200的通路配置有放水阀140，纯水机120还配置有检测纯水液位的液位传感器150、用于检测纯水温度的温度传感器160、用于检测纯水水质的水质检测仪170和用于调节纯水温度的热交换器180和加热器190。
控制单元500分别与补水阀130、放水阀140、液位传感器150、温度传感器160、水质检测仪170、热交换器180和加热器190通信，控制单元500用于通过补水阀130和放水阀140调节纯水的液位以及通过热交换器180调节纯水的水温。具体地，控制单元500实时获取温度传感器160采集的纯水温度，当纯水温度过高或过低时，控制单元500触发加热器190加热纯水或触发热交换器180进行换热，以使纯水机120内纯水液位处于一定的温度范围内，示例性地，当纯水温度高于80℃则触发热交换器180进行换热，当纯水温度低于75℃则触发加热器190加热纯水；同理，控制单元500实时获取液位传感器150采集的纯水液位，当纯水液位过高或过低时，控制单元500触发补水阀130或放水阀140开启，以使纯水机120内纯水液位处于一定的液位范围内。
电解单元200用于接入纯水并对纯水进行电解。具体地，电解单元200包括PEM电解槽210和可输出多种直流电压的电源220；PEM电解槽210分别与蓄水单元100和氢分离单元300连接，电源220与PEM电解槽210电连接，电源220与控制单元500通信，控制单元500用户控制电源220进行电压输出。当水质检测仪170检测纯水的水质参数为合格后，控制单元500打开放水阀140，以使纯水进入到PEM电解槽210，控制单元500根据测试人员的电解效率设定，控制电源220输出不同的直流电压，对纯水进行电解。
氢分离单元300用于从电解单元200输入的电解混合物分离出氢气。具体地，氢分离单元300包括两个氢分离器310；两氢分离器310分别连接，第一个氢分离器310的输入端与电解单元200连接，第二个氢分离器310的输出端与各氢气输出检测单元400连接，第二个氢分离器310的输出端与各氢气输出检测单元400之间配置有气压传感器320、超压开关330、压力跟踪器340和背压阀350。氢分离单元300将从电解单元200输入的电解混合物中的氢气、氧气和液态水进行分离，并将分离出的氢气分别输出至各组氢气输出检测单元400。
气压传感器320、超压开关330、压力跟踪器340和背压阀350分别与控制单元500通信，气压传感器320将压力数据传递给控制单元500，经过判断后决定超压开关330通断。在本实施例中，当压力超过3.1MPa或低于2.0MPa时，控制单元500触发超压开关330断开，即压力介于两者之间气体才可通过超压开关330，确保输出的氢气压力在允许范围之内；当压力超过3.1MPa，气体通过氢气排空口排出，保证系统安全。
更为具体地，氢分离单元300与蓄水单元100连接，氢分离单元300与蓄水单元100之间配置有回流阀360，回流阀360与控制单元500连接，控制单元500用于控制回流阀360的通断，以使氢分离单元300的冷却水回流至蓄水单元100。随着电解纯水的进行，氢分离单元300内的液态水逐渐增多，当产生的冷却水达到一定量时，控制单元500控制回流阀360打开，产生的冷却水沿第二个氢分离器310的出口循环回流至蓄水单元100的水箱110。
各氢气输出检测单元400分别与氢分离单元300的输出端连接，一氢气输出检测单元400用于采集一种与其他氢气输出检测单元400互不相同的氢气的气体性质参数。具体地，氢气输出检测单元400包括氢气输出管路410和气体采样器420；各氢气输出管路410与氢分离单元300之间连接有干燥管430，一气体采样器420用于采集一种与其他气体采样器420互不相同的氢气的气体性质参数。
在本实施例中，其一气体采样器420为露点检测器，用于采集氢气的含水量，另一气体采样器420为质量流量计，用于测试氢气产生速率。
在本实施例中，控制单元500选用PLC控制器，在控制单元500在进行控制时执行以下步骤：
监控蓄水单元100内纯水的水质参数，在纯水的水质参数符合预设标准时导通蓄水单元100和电解单元200，以使纯水输入至电解单元200；
根据电解速率需求控制电解单元200采用与电解速率需求对应的直流电压对纯水进行电解，在电解结束后导通电解单元200和氢分离单元300，以使电解混合物输入至氢分离单元300；
监控氢分离单元300内的气体压力，在气体压力符合预设标准时导通氢分离单元300和氢气输出检测单元400，以使氢气输入至氢气输出检测单元400；
获取各氢气输出检测单元400采集得到的气体性质参数。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
在本文中，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，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种PEM纯水电解制氢测试系统，其特征在于，包括：
蓄水单元，所述蓄水单元用于存储纯水以及采集纯水的水质指标；
电解单元，与蓄水单元连接，所述电解单元用于接入纯水并对纯水进行电解；
氢分离单元，与电解单元连接，所述氢分离单元用于从电解单元输入的电解混合物分离出氢气；
多组氢气输出检测单元，各所述氢气输出检测单元分别与氢水分离单元的输出端连接，一所述氢气输出检测单元用于采集一种与其他氢气输出检测单元互不相同的氢气的气体性质参数；
控制单元，所述控制单元分别与蓄水单元、电解单元、氢水分离单元和氢气输出检测单元通信，所述控制单元执行以下方法：
监控蓄水单元内纯水的水质参数，在纯水的水质参数符合预设标准时导通蓄水单元和电解单元，以使纯水输入至电解单元；
根据电解速率需求控制电解单元采用与电解速率需求对应的直流电压对纯水进行电解，在电解结束后导通电解单元和氢分离单元，以使电解混合物输入至氢分离单元；
监控氢分离单元内的气体压力，在气体压力符合预设标准时导通氢分离单元和氢气输出检测单元，以使氢气输入至氢气输出检测单元；
获取各氢气输出检测单元采集得到的气体性质参数。
2.根据权利要求1所述的PEM纯水电解制氢测试系统，其特征在于，所述蓄水单元包括纯水机和用于存储纯水的水箱；
所述水箱分别与纯水机和电解单元连接，所述纯水机与水箱的通路配置有补水阀，所述纯水机与电解单元的通路配置有放水阀，所述纯水机还配置有检测纯水液位的液位传感器、用于检测纯水温度的温度传感器、用于检测纯水水质的水质检测仪和用于调节纯水温度的热交换器和加热器；
所述控制单元分别与补水阀、放水阀、液位传感器、温度传感器、水质检测仪、热交换器和加热器通信，所述控制单元用于通过补水阀和放水阀调节纯水的液位以及通过热交换器和加热器调节纯水的水温。
3.根据权利要求1所述的PEM纯水电解制氢测试系统，其特征在于，所述电解单元包括PEM电解槽和可输出多种直流电压的电源；
所述PEM电解槽分别与蓄水单元和氢分离单元连接，所述电源与PEM电解槽电连接，所述电源与控制单元通信，所述控制单元用户控制电源进行电压输出。
4.根据权利要求1所述的PEM纯水电解制氢测试系统，其特征在于，所述氢分离单元包括至少两个氢分离器；
各所述氢分离器分别两两连接，第一个所述氢分离器的输入端与电解单元连接，最后一个所述氢分离器的输出端与各氢气输出检测单元连接，最后一个所述氢分离器的输出端与各氢气输出检测单元之间配置有气压传感器、超压开关、压力跟踪器和背压阀。
5.根据权利要求4所述的PEM纯水电解制氢测试系统，其特征在于，所述氢分离单元与蓄水单元连接，所述氢分离单元与蓄水单元之间配置有回流阀，所述回流阀与控制单元连接，所述控制单元用于控制回流阀的通断，以使氢分离单元的冷却水回流至蓄水单元。
6.根据权利要求1所述的PEM纯水电解制氢测试系统，其特征在于，所述氢气输出检测单元包括氢气输出管路和气体采样器；
各所述氢气输出管路与氢分离单元之间连接有干燥管，一所述气体采样器用于采集一种与其他气体采样器互不相同的氢气的气体性质参数。
7.根据权利要求6所述的PEM纯水电解制氢测试系统，其特征在于，所述气体采样器包括露点检测器或质量流量计。
8.根据权利要求1所述的PEM纯水电解制氢测试系统，其特征在于，所述控制单元选用PLC控制器。
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