CN113930784A - 一种用于pem电解水的制氢系统及调控优化方法 - Google Patents

一种用于pem电解水的制氢系统及调控优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113930784A
CN113930784A CN202111204957.4A CN202111204957A CN113930784A CN 113930784 A CN113930784 A CN 113930784A CN 202111204957 A CN202111204957 A CN 202111204957A CN 113930784 A CN113930784 A CN 113930784A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydrogen production
analyzing
key
regulation
water
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111204957.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113930784B (zh
Inventor
高博
赵彦旻
张冲标
陈金威
何勇
张卫康
胡晟
毕江林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiashan County Power Supply Co Of State Grid Zhejiang Electric Power Co ltd
Original Assignee
Jiashan County Power Supply Co Of State Grid Zhejiang Electric Power Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiashan County Power Supply Co Of State Grid Zhejiang Electric Power Co ltd filed Critical Jiashan County Power Supply Co Of State Grid Zhejiang Electric Power Co ltd
Priority to CN202111204957.4A priority Critical patent/CN113930784B/zh
Publication of CN113930784A publication Critical patent/CN113930784A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113930784B publication Critical patent/CN113930784B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/052—Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/052—Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate
    • C25B11/053—Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate characterised by multilayer electrocatalytic coatings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds
    • C25B11/093—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds at least one noble metal or noble metal oxide and at least one non-noble metal oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C25B15/023—Measuring, analysing or testing during electrolytic production
    • C25B15/025—Measuring, analysing or testing during electrolytic production of electrolyte parameters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C25B15/023—Measuring, analysing or testing during electrolytic production
    • C25B15/025—Measuring, analysing or testing during electrolytic production of electrolyte parameters
    • C25B15/027—Temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于PEM电解水的制氢系统及调控优化方法，为了解决无法实现对PEM电解水制氢系统的调控的问题，包括以下步骤：S1：分析系统宽范围运行能力；S2：分析关键设备响应特性，确定系统关键参数可运行区域；S3：分析系统输入变量和输出变量影响规律，确定关键参数的特征极限值；S4：确定系统动态快速调节控制策略；S5：根据多能转换和能量传输机理，建立关键设备模型；S6：分析关键参数对系统的输出特性；S7：基于系统的宽功率调节范围和输出特性优化系统流程；S8：对关键设备的关键参数进行优化匹配。本发明的有益效果是：通过质子交换膜电解水制氢系统灵活调控技术研究，为缓解电力波动提供新思路，有效支撑电网稳定运行。

Description

一种用于PEM电解水的制氢系统及调控优化方法
技术领域
本发明涉及氢气制备技术领域，尤其涉及一种用于PEM电解水的制氢系统及调控优化方法。
背景技术
随着清洁能源高比例接入电网，其随机性、间歇性对电网稳定提出更高要求，发展电制氢技术可推进可再生消纳、拓展电能利用途径，还可有效提升电网调节能力。质子交换膜电解(PEM)制氢占地面积小、清洁无污染、可调范围宽、响应速度快，可灵活控制，方便负载调节，是未来电解制氢技术的发展趋势与研究热点。但目前国内PEM制氢技术起步较晚，与国外在效率、调节性能等方面存在差距，且PEM制氢系统在电网结合应用在国内较为缺乏，质子交换膜电解制氢系统与电网结合应用尚未开展，能效还有待提升，亟需开展适于波动性输入的PEM电解水制氢关键技术研究。
一种在中国专利文献上公开的“基于*的光伏电解水制氢系统的异质能流同质表征方法”，其公布号CN111501057A，包括以下步骤：步骤一，定性描述光伏电解水制氢系统能量形式及其传递关系，得到系统能流图；步骤二，定量描述光伏电解水制氢系统各设备之间的能量物质转换关系；步骤三，根据热力学原理，引入热力学中的概念，结合物质能量流向与转换关系，建立系统同质表征模型，具体为：(1)建立光伏电解水制氢系统平衡方程；(2)建立光伏电解水制氢系统各设备输入与输出关系表达式，光伏电解水制氢系统包括光伏电池板、PEM电解槽和DC-DC直流变换器。其不足之处是：无法实现对PEM电解水制氢系统的调控。
发明内容
本发明主要是为了解决无法实现对PEM电解水制氢系统的调控的问题，提供一种用于PEM电解水的制氢系统及调控优化方法，可以实现对PEM电解水制氢系统的调控，并实现对适于波动性输入的电解水制氢系统的性能优化。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于PEM电解水制氢系统的调控优化方法，包括以下步骤：
S1：根据不同工况下系统变化特性，分析系统宽范围运行能力；
S2：分析关键设备响应特性，确定系统关键参数可运行区域；
S3：分析系统输入变量和输出变量影响规律，确定关键参数的特征极限值；
S4：基于关键参数的特征极限值和系统变化特性，确定系统动态快速调节控制策略；
S5：根据多能转换和能量传输机理，建立关键设备模型；
S6：根据关键设备模型分析关键参数对系统的输出特性；
S7：基于系统的宽功率调节范围和输出特性优化系统流程；
S8：对关键设备的关键参数进行优化匹配。
本方法通过质子交换膜电解水制氢系统灵活调控技术研究，为缓解电力波动提供新思路，有效支撑电网稳定运行。
步骤S2分析质子交换膜电解水制氢系统关键设备的响应及工作特性，为步骤S4提出质子交换膜电解水制氢系统灵活控制及运行控制策略提供基础，避免波动性电力给电网带来的冲击，提高系统运行稳定性。
步骤S5通过分析系统物质流、能量流变换及耦合规律，基于质量平衡方程、能量平衡方程及电化学反应方程，建立质子交换膜电解水制氢系统仿真模型。
本方法可以结合电解制氢动态运行数据，构建具有时间迟滞的质子交换膜电解水制氢系统模型，分析质子交换膜电解水制氢系统宽工况下动态行为，明确温度、压力、浓度等主要参数特征极限值，确定系统运行范围；结合电解槽的安全运行约束、各关键设备之间的参数耦合关系，研究在制氢环节采用温度/压力/电流密度多约束下自适应控制技术，以提升PEM电解制氢变工况运行能力。
本方法通过分析关键参数的影响规律，结合设备寿命、热电效率以及安全约束，进行全工况系统及部件分层参数优化；通过分析制氢的氢气速率、散热工质流速与电功率、热功率间的耦合关系，提出制氢系统能效提升方法，从而实现对适于波动性输入的电解水制氢系统的性能优化。
步骤S1中所述不同工况包括不同功率变化工况；步骤S1中所述变化特性包括温度、压力、产气量和氢气纯度。
步骤S1根据功率变化工况下电解水制氢系统电解槽氢气纯度、产气量等变化特性，便于分析其宽范围运行能力，从而确定系统宽工况下动态行为。
步骤S2中所述关键设备包括换热器、水泵、电解槽、纯化装置和分水器，步骤S2中所述响应特性包括启动时间、停止时间和控制变量响应时间。
所述换热器用于热量交换，便于控制制氢系统的温度。
所述电解槽由槽体、阳极和阴极组成，用PEM(质子交换膜)将阳极室和阴极室隔开。当直流电通过电解槽时，在阳极与溶液界面处发生氧化反应，在阴极与溶液界面处发生还原反应，以制取氢气。
所述纯化装置用于去除制取后的氢气中的杂质。
所述分水器用于连接各路加热管供、回水的配、集水装置。
通过分析上述关键设备的响应特性，可以避免波动性电力给电网带来的冲击，提高系统运行稳定性。
所述关键参数包括制氢电位、电路、拉载/降载速度、温度、压力和产氢速率。
作为优选，步骤S2包括以下步骤：
S21：分析关键设备响应特性，建立关键设备优化模型；
S22：根据关键设备优化模型，分析设备运行特性；
S23：分析关键设备约束条件，确定系统关键参数可运行区域。
步骤S2通过实验分析关键设备的响应特性，通过优化模型分析设备的运行特性，根据响应特性和运行特性结合后分析制氢系统的约束条件，便于在制氢环节采用温度/压力/电流密度多约束下自适应控制技术，从而获得系统关键参数的可运行区域范围，以提升PEM电解制氢变工况运行能力。
作为优选，步骤S3包括以下步骤：
S31：通过控制变量分析系统输入变量和输出变量对电解槽的影响规律；
S32：确定关键参数的最大特征极限值和最小特征极限值，确定关键参数的特征极限范围。
步骤S31中通过控制变量法，对输入变量或者输出变量中某一个变量进行控制，并进行多次实验，便于分析系统输入变量和输出变量对电解槽的影响规律，保证数据的准确性。
步骤S32通过步骤S31中控制变量法得到的实验数据，从而确定关键参数的最大特征极限值和最小特征极限值，便于提升PEM电解制氢变工况运行能力。
作为优选，步骤S4包括以下步骤：
S41：基于关键参数的特征极限值和系统变化特性，分析关键参数对系统的影响等级；
S42：根据影响等级，划分系统顺序控制等级；
S43：根据系统顺序控制等级，确定最优的系统动态快速调节控制策略。
步骤S41根据步骤S32确定的关键参数的最大特征极限值和最小特征极限值，以及输入变量和输出变量对电解槽的影响规律，实现对系统的影响等级和系统顺序控制等级的划分，其中系统顺序控制包括电位、阀门、流量控制器等设备的顺序控制。
通过步骤S41实现了对关键设备的关键参数的顺序控制，便于调控PEM电解水制氢系统。
作为优选，步骤S43包括以下步骤：
S421：根据系统顺序控制等级选择影响最大的关键参数X；
S422：将X的输出与设定值间的误差e、误差变化ec以及控制过程中的比例、积分、微分各项系数模糊化；
S423：将误差e、误差变化ec作为模糊PID控制器的两个输入变量，输出调节参数的修正量；S424：根据修正量修正后通过增量式PID控制算法将X变差转化为模拟量电压信号输出给系统；
S425：系统控制关键设备调节关键参数X的值，从而确定最优的系统动态快速调节控制策略。
所述模糊PID控制器在传统的PID控制器上采用模糊推理的思想，将步骤S422中的值都适用模糊的方法将其模糊化，利用模糊控制规则对PID参数进行自整定。模糊PID将模糊逻辑与PID控制相结合，算法复杂度相对较低，易实现，不需要知道系统数学模型.鲁棒性好且有良好的控制效果。
步骤S421中所述关键参数X通过系统顺序控制等级选择，便于实现关键设备的关键参数的顺序控制。
所述关键参数X可以通过采集装置进行数据采集，所述采集装置可以是传感器等现有的数据采集装置。
步骤S423中所述输出调节参数的修正量具体为：输出为常规的PID控制器调节参数的修正量△Kp、△Ki和△Kd。△Kp、△Ki和△Kd的基本论域分别为[-6，6]、[-0.06，0.06]、[-6，6]，量化论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，求其相应比例因子为：Kkp＝1、Kki＝0.01、Kkd＝1。对输入和输出变量的量化论域均选取七个模糊子集，表示为{负大NB，负中NM，负小NS，零ZO，正小PS，正中PM，正大PB}。步骤S423中误差e的基本论域为[-0.01，0.01]，误差变化率ec的基本论域为[-0.005，0.005]，其等量级论域分别为：E＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，EC＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，求量化因子为：
Figure BDA0003306528670000041
Figure BDA0003306528670000042
步骤S424中所述根据修正量修正后具体指初始PID参数相加修正后。
步骤S425中确定最优的系统动态快速调节控制策略后，根据系统顺序控制等级选择下一个影响最大关键参数Y，重复步骤S42，从而实现PEM电解水制氢系统的调控。
作为优选，步骤S5中所述根据多能转换和能量传输机理包括以下步骤：
S51：分析系统中电荷迁移及物质扩散过程；
S52：确立电解槽中多能转换和能量传输机理；
S53：分析关键设备的质量和能量传递过程。
步骤S5通过调研、分析和总结质子交换膜电解水制氢系统电解槽中阳极、电解质、阴极中的电荷迁移及物质扩散过程，从而确立电解槽中多能转换和能量传输机理。
步骤S53中分析电解槽等关键设备的质量和能量传递过程，便于建立关键设备模型。
作为优选，步骤S5中所述建立关键设备模型包括以下步骤：
S54：分析欧姆、浓差、活化损失和扩散传质，建立电解槽中的水、气扩散模型，建立电解槽模型；
S55：基于质量守恒方程、能量平衡方程和电化学反应方程，分别建立换热器模型、水泵模型、纯化装置模型和分水器模型；
S56：对关键设备的建模方法进行对比分析；
S57：建立质量及能量传递模型。
步骤S5分析多类型损失及传质扩散，建立质子交换膜电解槽数学模型；并基于质量平衡方程、能量平衡方程，建立关键设备的质子交换膜电解水制氢系统仿真模型，并对电解槽等关键设备的建模方法进行对比分析，提出高精确度的质量及能量传递模型的建模方法，便于通过关键设备模型分析制氢系统关键参数对系统输出性能的影响规律。
作为优选，步骤S6包括以下步骤：
S61：分析关键设备模型和质量及能量传递模型；
S62：分析关键参数对系统的输出特性。
步骤S6分析温度、压力等参数变化对质子交换膜电解制氢系统产氢量、能效特性影响规律，并通过随机波动性输入对PEM电解水制氢系统特性影响分析，便于实现对适于波动性输入的电解水制氢系统的性能优化。
作为优选，步骤S7包括以下步骤：
S71：根据不同功率工况下系统变化特性，分析系统宽功率调节范围；
S72：结合关键参数对系统的输出特性，优化系统流程。
步骤S71中所述变化特性包括温度、压力、产气量和氢气纯度。
步骤S71根据功率变化工况下电解水制氢系统电解槽氢气纯度、产气量等变化特性，便于分析其宽范围运行能力，从而确定系统宽工况下动态行为。
步骤S72通过分析PEM电解水制氢系统的宽功率调节范围，对质子交换膜电解水制氢系统流程进行优化设计。
步骤S72中所述优化系统流程包括关键参数设计、设备选型和电解槽成组设计。
步骤S72将所述优化系统流程分为三个部分，其中设备选型包括换热器、水泵、电解槽、纯化装置和分水器的选型，便于通过关键设备模型选择适用于波动性输入的电解水制氢系统的关键设备，从而实现对波动性输入的电解水制氢系统的性能优化。
作为优选，步骤S54中所述建立电解槽模型包括以下步骤：
S541：进行电解槽热力学和电化学分析；
S542：计算初始可逆电压和最小电压；
S543：通过巴特勒-福尔默方程估计活化过电位；
S544：计算欧姆损耗和质量传输过电位，得到电解槽总电位；
S545：建立电解槽有限元模型，进行电解槽成组设计。
步骤S542中所述初始可逆电压
Figure BDA0003306528670000061
的计算公式可以通过吉布斯自由能计算公式、法拉第常数(F)和转移的电子物质的量(n)得到：
Figure BDA0003306528670000062
式中，
Figure BDA0003306528670000063
为标准状态下吉布斯自由能的值，n为转移的电子物质的量，F为法拉第常数，
Figure BDA0003306528670000064
为初始可逆电压。
水电解时胡我产生一些熵，因此在可逆条件下，焓(ΔH)可以用吉布斯自由能(ΔG)和热能(ΔS)之和表示，即：
ΔH＝ΔG+TΔS
式中，ΔS为熵的变化值，T为热力学温度。
由上述公式可得最小电压的计算公式为：
Figure BDA0003306528670000065
式中，VTN为热中性电压，即最小电压。
步骤S543中活化过电位计算公式为：
Figure BDA0003306528670000066
Figure BDA0003306528670000067
式中，ia为阳极电流密度，ic为阴极电流密度，i0,a为阳极交换电流密度，i0,c为阴极交换电流密度。
步骤S145中所述建立电解槽有限元模型可以利用有限元软件ANSYS建立电解槽的仿真模型，并对电解反应过程进行模拟。
通过建立的电解槽有限元模型进行加载载荷并求解，得到期望的仿真结果并进行分析，从而实现对电解槽成组的优化设计。
作为优选，步骤S544中所述得到电解槽总电位的公式为：
Figure BDA0003306528670000071
式中，V为电解槽总电位，
Figure BDA0003306528670000072
为可逆电压，ηact为活化过电位，ηohm为欧姆过电位，ηdiff为质量传输过电位。
步骤S544中欧姆损耗使用欧姆过电位进行描述，其公式为：
Figure BDA0003306528670000073
式中，δ为材料厚度，单位为mm；σ为材料电导率。
质量传输过电位可以使用能斯特方程表示：
Figure BDA0003306528670000074
式中，C为膜电极表面氧气或氢气的浓度，单位为mol/L；C0为氧气或氢气的参考工作浓度，单位为mol/L。
电解槽总电位为可逆电压、活化过电位、欧姆过电位和质量传输过电位的总和，即：
Figure BDA0003306528670000075
一种用于PEM电解水制氢系统，包括：
电解槽，包括槽体和质子交换膜电极，用于电解水制氢；
换热器，用于进行制氢系统的热管理；
水泵，用于进行循环进出水；
纯化装置，用于对电解后的氢气进行纯化；
分水器，用于连接各路加热管供、回水的配、集水装置；
所述电解槽分别连接所述换热器、所述纯化装置和所述分水器；
所述分水器连接所述水泵。
作为优选，所述质子交换膜电极包括依次叠加的阳极催化层、基体层、阴极催化层和阴极过渡层；
所述阳极催化层为由析氧催化剂、分散溶剂和全氟磺酸溶液混合得到的膜；
所述基体层包括PDMS和分散在PDMS中的改性Y型分子筛；
所述阴极催化层包括载体和包覆在载体表面的Pt催化剂；所述载体包括氧化钨纳米球和负载在氧化钨纳米球表面的纳米氧化石墨烯；
所述阴极过渡层为全氟磺酸膜。
将改性Y型分子筛掺杂进PDMS基体内形成基体层，改性Y型分子筛和PDMS具有良好的疏水性，可以阻碍水分子由阳极进入到阴极的析氢区，从而提高产氢效率。Y型分子筛为结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，是由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成较大的空腔以及三维的十二元环孔道体系，为发生催化反应提供较大的容置空间，因此也能够一定程度地减小质子交换膜电极的厚度。另外，Y型分子筛的硅/铝含量较大，表现出较强的酸性，以及分子筛表面大量的羟基，都对质子传导有利。Y型分子筛表面的羟基还能够和PDMS的高分子链形成氢键作用，与PDMS有良好的相容性，大分子链还能够进入空腔或孔道内，形成三维网络结构，提高基体层的稳定性和结合牢固度。
在基体层和阴极催化层进行层间结合时，Y型分子筛含有酸活性位点，可以较好地负载Pt催化剂，提高与阴极催化层间的结合稳定性。阴极催化层中的氧化钨纳米球载体的体积小、比表面积大，能够提高贵金属催化剂的利用率，优化催化层的气液传输通道的均匀分布。氧化钨本身具备一定的导电性，且为非贵金属，可以提高催化层的电导性的同时降低贵金属的含量，有效降低膜电极中贵金属的使用量。在氧化钨纳米球载体表面负载的氧化石墨烯有较高的比表面积且表面含有大量的含氧基团，可以提高Pt催化剂在载体表面的负载率和负载均匀性，氧化钨纳米球和Pt催化剂的相容性较差，加入氧化石墨烯可以提高界面相容性。
另外，全氟磺酸作为一类离子导电聚合物，具有优异的离子导电性和化学机械稳定性，是质子交换膜常用材料。阳极催化层中将其与析氧催化剂、分散溶剂混合，可以起到基体层和阳极催化层之间的过渡和粘结作用。
作为优选，所述析氧催化剂为铂、铱、钯、金、钌、铑、锇和钽的纳米氧化物中的一种；所述分散溶剂为异丙醇。
第二方面，本发明还提供所述质子交换膜电极的制备方法，包括如下步骤：
(1)将ZSM-5微孔分子筛、氢氧化钠于水中混合，接着加入硅源、铝源、氨丙基三甲氧基硅烷和烷基苯磺酸钠后搅拌，再进行水热晶化反应，之后煅烧，得到改性Y型分子筛；
(2)将步骤(1)中的改性Y型分子筛分散在二甲基硅氧烷中，搅拌后涂覆于模板上，得到未固化的基体层；
(3)将WCl3、聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物、乙醇于水中混合搅拌，水热反应后离心，经洗涤、干燥后，得到由氧化钨纳米片自组装形成的氧化钨纳米球；
(4)将步骤(3)中的氧化钨纳米球在纳米氧化石墨烯分散液中超声振动分散，依次经沉淀、过滤、干燥后，记为GO/WO3载体；于GO/WO3载体表面通过电沉积法负载Pt催化剂，得到Pt/GO/WO3复合催化剂；
(5)将步骤(4)中的Pt/GO/WO3复合催化剂分散到有机溶剂中，再喷涂到步骤(2)中的基体层上一起固化，得到基体层和叠加于上层的阴极催化层；
(6)将步骤(5)中的阴极催化层一侧浸渍于全氟磺酸溶液中，流延成膜后，得到阴极过渡层；将步骤(5)中的基体层一侧浸渍于析氧催化剂、分散溶剂和全氟磺酸溶液的混合溶液中，流延成膜后，得到阳极催化层。
Y型分子筛主要为介孔孔径，不易阻挡除质子外的其它大分子的通过，且易使其空穴受到一定的阻塞，从而降低电解效率和催化效率。在ZSM-5微孔分子筛的基底上原位生成Y型分子筛得到的改性Y型分子筛，能够兼具介孔、微孔两种孔径，得到微孔与介孔孔道均一、有序的贯通结构。一方面介孔能够与PDMS大分子链联接，提高基体层稳定性，另一方面微孔能够阻挡除质子外的其它大分子的通过，提高催化效率。另外，ZSM-5微孔分子筛为一种良好的双功能催化剂，具备较强的酸活性中心，可以提高与阴极催化层间的相容性。
未固化的基体层有一定的粘附性，能够负载更多的析氢催化剂，提高析氢效率。氧化钨纳米球为由氧化钨纳米片自组装得到的纳米球，利用水热方法，聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物作为表面活性剂可以对氧化钨纳米片的粒径、形貌进行调控，再通过控制反应时间、反应温度、反应物浓度，得到超薄的二维氧化钨纳米片，纳米片进一步通过自组装形成尺寸可控和形貌均一的三维结构氧化钨纳米球。因而所形成的比表面积要远大于普通氧化钨微球，可以更多地负载纳米氧化石墨烯，并且纳米球中的纳米片会形成间隙，可以提高纳米氧化石墨烯的负载稳定性。电沉积法制备得到的Pt催化剂负载结构均匀，能够实现对GO/WO3载体的完整包覆，得到Pt/GO/WO3复合催化剂。接着将Pt/GO/WO3复合催化剂喷涂于基体层上，再同时固化，是为了提高基体层和阴极催化层的层间结合稳定性。另外，阴极过渡层和阳极催化层的流延成膜可以保证成膜的均一性和平整性。
步骤(1)中，所述ZSM-5微孔分子筛的粒径为2～4μm、硅铝比为6～40；所述硅源为硅溶胶；所述铝源为水合氧化铝；所述ZSM-5微孔分子筛、氢氧化钠、硅源、铝源、水氨丙基三甲氧基硅烷和烷基苯磺酸钠的摩尔比为1：2～5：1～2：6～40；400～800：0.01～0.05：0.01～0.05；所述搅拌时间为5～10h；所述水热晶化反应的温度为90～120℃，晶化7～12h；所述煅烧为在550～750℃下煅烧5～10h。
ZSM-5微孔分子筛具备较高的硅铝比，对质子的传导有利。
步骤(2)中，所述Y型分子筛和二甲基硅氧烷的质量比为0.4～0.6：1。
改性Y型分子筛的含量过少会缺少质子通道而降低催化效率，而改性Y型分子筛的含量过大则不利于与催化层的层间结合，降低膜的结构稳定性。
步骤(3)中，所述WCl3、聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物和乙醇的质量比为1：0.4～0.6：20～40；所述水热反应为在90～120℃下反应1.5～3h；所述洗涤为用无水乙醇洗涤；所述干燥为在60～70℃下干燥3～5h。
步骤(4)中，所述超声振动分散的频率为40～60KHz，时间为30～50min；所述干燥为在60～70℃下干燥6～8h。
步骤(4)中，所述电沉积法包括如下步骤：将摩尔比为0.3～0.6：5～8的H2PtCl6溶液和抗坏血酸溶解于水中，得到电沉积液；以GO/WO3载体为工作电极，对电极为石墨电极，参比电极为饱和甘汞电极，于电沉积液中进行恒电流电沉积反应；所述电沉积反应的电流密度为200～350mA·cm-2，沉积时间为50～80min。
步骤(5)中，有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺；所述固化为在90～120℃下固化20～45min。
固化需要在较高温度下的快速固化，可以在不影响质子交换膜电极的层间结构的前提下，避免因未固化的PDMS的流动性而导致的催化剂的团聚、粘结现象，以此提高膜的稳定性。
步骤(6)中，所述析氧催化剂、分散溶剂和全氟磺酸溶液的质量比为3～5：20～50：0.5～0.8。
本发明还提供了一种质子交换膜电解槽电解水制氢的方法，包括如下步骤：
(a)电解槽内设有质子交换膜电极，质子交换膜电极将电解槽分隔成为阳极区和阴极区；电解槽阳极区外连接有水泵以持续供给水；
(b)在外电路作用下，水通过阳极区在质子交换膜电极界面发生电化学反应被分解成氧气、氢离子和电子；在阳极区产生的氧气通过阳极集流体上的气体流场逸出并收集；
(c)阳极区所产生的氢离子通过质子交换膜电极，分别在质子交换膜内部或者阴极扩散层处与外电路提供的电子发生电化学反应生成氢气；在质子交换膜电极内部产生的氢气会与氧气催化反应生成水，降低气体交叉；在阴极区产生的氢气通过阴极集流体上的气体流场逸出并收集。
本发明中采用质子交换膜电解槽制氢，水既作为反应物，又作为冷却介质，减少使用冷却装置及所产生的工作能耗。质子交换膜电极起到阳极、阴极的双催化作用，在外电路作用下，水在质子交换膜与阳极区界面处催化生成氧气，直接于阳极集流体进行扩散，再通过阳极集流体上的气体流场逸出并收集，减少阳极扩散层的应用，可以使得电解槽结构更加紧凑，能够降低工作电压和能耗。
阳极区所产生的氢离子则在通过质子交换膜电极时催化生成氢气，提高产氢效率。电解槽经过长时间电解后，质子交换膜电极会存在一定程度的氧气透过，在质子交换膜内部的氢气还会与阳极区部分透过质子交换膜的氧气催化反应生成水，降低气体交叉，减少氢气逸出。质子交换膜电极的阴极催化剂即可以作为产氢的催化剂，又可以作为反应生成水的催化剂，以此提高质子交换膜电极中贵金属催化剂的利用率。另外，氢气和未反应的氢离子会由质子交换膜电极逸出到阴极扩散层，氢离子于阴极扩散层处与外电路提供的电子发生电化学反应生成氢气，此时，在阴极区产生的所有氢气将一并通过阴极集流体上的气体流场逸出并收集，以此达到高效、低能耗地利用水制氢的目的。
所述阳极集流体为一层或多层钛网；所述阴极扩散层为负载Pt/C催化剂的多孔钛板；所述阴极集流体为一层或多层柔性石墨板。
由于质子交换膜电极中会采用全氟磺酸进行质子交换，使得水电解池处于强酸性环境，阳极集流体和阴极扩散层的直接接触会因为腐蚀而失效，不能长久使用，使用钛网或者钛板可以避免腐蚀，提高电解槽的使用率。另外，Pt/C催化剂的负载是为了催化未反应的氢离子生成氢气。阴极集流体选用的石墨具备电导率高、耐腐蚀、接触电阻低等优点，可以进一步提高电导效率。
所述阳极集流体和阴极集流体上的气体流场为回形盘绕。
回形盘绕的气体流场有利于气体的逸出和收集，且能一定程度地避免带出水分子，提高氢气纯度。
所述阳极区包括进水口和氧气出气口；所述进水口与水泵相连接；所述氧气出气口与阳极集流体上的气体流场相连通。
所述阴极区包括氢气出气口；所述氢气出气口与阴极集流体上的气体流场相连接；所述氢气出气口另一端依次与电解槽外部的分水器和纯化装置相连接。
阴极区的氢气出气口会带出极少量水蒸气，先经过分水器除去水蒸气，在通过纯化装置除去其它气体杂质，提高氢气纯度。
本发明的有益效果是：
(1)本方法通过质子交换膜电解水制氢系统灵活调控技术研究，为缓解电力波动提供新思路，有效支撑电网稳定运行。
(2)步骤S2分析质子交换膜电解水制氢系统关键设备的响应及工作特性，为步骤S4提出质子交换膜电解水制氢系统灵活控制及运行控制策略提供基础，避免波动性电力给电网带来的冲击，提高系统运行稳定性。
(3)本方法可以结合电解制氢动态运行数据，构建具有时间迟滞的质子交换膜电解水制氢系统模型，分析质子交换膜电解水制氢系统宽工况下动态行为，明确温度、压力、浓度等主要参数特征极限值，确定系统运行范围。
(4)本发明可以结合电解槽的安全运行约束、各关键设备之间的参数耦合关系，研究在制氢环节采用温度/压力/电流密度多约束下自适应控制技术，以提升PEM电解制氢变工况运行能力。
(5)本方法通过分析关键参数的影响规律，结合设备寿命、热电效率以及安全约束，可以进行全工况系统及部件分层参数优化。
(6)本方法通过分析制氢的氢气速率、散热工质流速与电功率、热功率间的耦合关系，提出制氢系统能效提升方法，从而实现对适于波动性输入的电解水制氢系统的性能优化。
(7)本方法可以通过建立的电解槽有限元模型进行加载载荷并求解，得到期望的仿真结果并进行分析，从而实现对电解槽成组的优化设计。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
一种用于PEM电解水制氢系统的调控优化方法，包括以下步骤：
S1：根据不同工况下系统变化特性，分析系统宽范围运行能力；
S2：分析关键设备响应特性，确定系统关键参数可运行区域；
S3：分析系统输入变量和输出变量影响规律，确定关键参数的特征极限值；
S4：基于关键参数的特征极限值和系统变化特性，确定系统动态快速调节控制策略；
S5：根据多能转换和能量传输机理，建立关键设备模型；
S6：根据关键设备模型分析关键参数对系统的输出特性；
S7：基于系统的宽功率调节范围和输出特性优化系统流程；
S8：对关键设备的关键参数进行优化匹配。
本方法通过质子交换膜电解水制氢系统灵活调控技术研究，为缓解电力波动提供新思路，有效支撑电网稳定运行。
步骤S2分析质子交换膜电解水制氢系统关键设备的响应及工作特性，为步骤S4提出质子交换膜电解水制氢系统灵活控制及运行控制策略提供基础，避免波动性电力给电网带来的冲击，提高系统运行稳定性。
步骤S5通过分析系统物质流、能量流变换及耦合规律，基于质量平衡方程、能量平衡方程及电化学反应方程，建立质子交换膜电解水制氢系统仿真模型。
本方法可以结合电解制氢动态运行数据，构建具有时间迟滞的质子交换膜电解水制氢系统模型，分析质子交换膜电解水制氢系统宽工况下动态行为，明确温度、压力、浓度等主要参数特征极限值，确定系统运行范围；结合电解槽的安全运行约束、各关键设备之间的参数耦合关系，研究在制氢环节采用温度/压力/电流密度多约束下自适应控制技术，以提升PEM电解制氢变工况运行能力。
本方法通过分析关键参数的影响规律，结合设备寿命、热电效率以及安全约束，进行全工况系统及部件分层参数优化；通过分析制氢的氢气速率、散热工质流速与电功率、热功率间的耦合关系，提出制氢系统能效提升方法，从而实现对适于波动性输入的电解水制氢系统的性能优化。
步骤S1中不同工况包括不同功率变化工况；步骤S1中变化特性包括温度、压力、产气量和氢气纯度。
步骤S1根据功率变化工况下电解水制氢系统电解槽氢气纯度、产气量等变化特性，便于分析其宽范围运行能力，从而确定系统宽工况下动态行为。
步骤S2中关键设备包括换热器、水泵、电解槽、纯化装置和分水器，步骤S2中响应特性包括启动时间、停止时间和控制变量响应时间。
换热器用于热量交换，便于控制制氢系统的温度。
电解槽由槽体、阳极和阴极组成，用PEM(质子交换膜)将阳极室和阴极室隔开。当直流电通过电解槽时，在阳极与溶液界面处发生氧化反应，在阴极与溶液界面处发生还原反应，以制取氢气。
纯化装置用于去除制取后的氢气中的杂质。
分水器用于连接各路加热管供、回水的配、集水装置。
通过分析上述关键设备的响应特性，可以避免波动性电力给电网带来的冲击，提高系统运行稳定性。
关键参数包括制氢电位、电路、拉载/降载速度、温度、压力和产氢速率。
步骤S2包括以下步骤：
S21：分析关键设备响应特性，建立关键设备优化模型；
S22：根据关键设备优化模型，分析设备运行特性；
S23：分析关键设备约束条件，确定系统关键参数可运行区域。
步骤S2通过实验分析关键设备的响应特性，通过优化模型分析设备的运行特性，根据响应特性和运行特性结合后分析制氢系统的约束条件，便于在制氢环节采用温度/压力/电流密度多约束下自适应控制技术，从而获得系统关键参数的可运行区域范围，以提升PEM电解制氢变工况运行能力。
步骤S3包括以下步骤：
S31：通过控制变量分析系统输入变量和输出变量对电解槽的影响规律；
S32：确定关键参数的最大特征极限值和最小特征极限值，确定关键参数的特征极限范围。
步骤S31中通过控制变量法，对输入变量或者输出变量中某一个变量进行控制，并进行多次实验，便于分析系统输入变量和输出变量对电解槽的影响规律，保证数据的准确性。
步骤S32通过步骤S31中控制变量法得到的实验数据，从而确定关键参数的最大特征极限值和最小特征极限值，便于提升PEM电解制氢变工况运行能力。
步骤S4包括以下步骤：
S41：基于关键参数的特征极限值和系统变化特性，分析关键参数对系统的影响等级；
S42：根据影响等级，划分系统顺序控制等级；
S43：根据系统顺序控制等级，确定最优的系统动态快速调节控制策略。
步骤S41根据步骤S32确定的关键参数的最大特征极限值和最小特征极限值，以及输入变量和输出变量对电解槽的影响规律，实现对系统的影响等级和系统顺序控制等级的划分，其中系统顺序控制包括电位、阀门、流量控制器等设备的顺序控制。
通过步骤S41实现了对关键设备的关键参数的顺序控制，便于调控PEM电解水制氢系统。
步骤S43包括以下步骤：
S421：根据系统顺序控制等级选择影响最大的关键参数X；
S422：将X的输出与设定值间的误差e、误差变化ec以及控制过程中的比例、积分、微分各项系数模糊化；
S423：将误差e、误差变化ec作为模糊PID控制器的两个输入变量，输出调节参数的修正量；
S424：根据修正量修正后通过增量式PID控制算法将X变差转化为模拟量电压信号输出给系统；
S425：系统控制关键设备调节关键参数X的值，从而确定最优的系统动态快速调节控制策略。
模糊PID控制器在传统的PID控制器上采用模糊推理的思想，将步骤S422中的值都适用模糊的方法将其模糊化，利用模糊控制规则对PID参数进行自整定。模糊PID将模糊逻辑与PID控制相结合，算法复杂度相对较低，易实现，不需要知道系统数学模型.鲁棒性好且有良好的控制效果。
步骤S421中关键参数X通过系统顺序控制等级选择，便于实现关键设备的关键参数的顺序控制。
关键参数X可以通过采集装置进行数据采集，采集装置可以是传感器等现有的数据采集装置。
步骤S423中输出调节参数的修正量具体为：输出为常规的PID控制器调节参数的修正量△Kp、△Ki和△Kd。△Kp、△Ki和△Kd的基本论域分别为[-6，6]、[-0.06，0.06]、[-6，6]，量化论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，求其相应比例因子为：Kkp＝1、Kki＝0.01、Kkd＝1。对输入和输出变量的量化论域均选取七个模糊子集，表示为{负大NB，负中NM，负小NS，零ZO，正小PS，正中PM，正大PB}。步骤S423中误差e的基本论域为[-0.01，0.01]，误差变化率ec的基本论域为[-0.005，0.005]，其等量级论域分别为：E＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，EC＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，求量化因子为：
Figure BDA0003306528670000151
Figure BDA0003306528670000152
步骤S424中根据修正量修正后具体指初始PID参数相加修正后。
步骤S425中确定最优的系统动态快速调节控制策略后，根据系统顺序控制等级选择下一个影响最大关键参数Y，重复步骤S42，从而实现PEM电解水制氢系统的调控。
步骤S5中根据多能转换和能量传输机理包括以下步骤：
S51：分析系统中电荷迁移及物质扩散过程；
S52：确立电解槽中多能转换和能量传输机理；
S53：分析关键设备的质量和能量传递过程。
步骤S5通过调研、分析和总结质子交换膜电解水制氢系统电解槽中阳极、电解质、阴极中的电荷迁移及物质扩散过程，从而确立电解槽中多能转换和能量传输机理。
步骤S53中分析电解槽等关键设备的质量和能量传递过程，便于建立关键设备模型。
步骤S5中建立关键设备模型包括以下步骤：
S54：分析欧姆、浓差、活化损失和扩散传质，建立电解槽中的水、气扩散模型，建立电解槽模型；
S55：基于质量守恒方程、能量平衡方程和电化学反应方程，分别建立换热器模型、水泵模型、纯化装置模型和分水器模型；
S56：对关键设备的建模方法进行对比分析；
S57：建立质量及能量传递模型。
步骤S5分析多类型损失及传质扩散，建立质子交换膜电解槽数学模型；并基于质量平衡方程、能量平衡方程，建立关键设备的质子交换膜电解水制氢系统仿真模型，并对电解槽等关键设备的建模方法进行对比分析，提出高精确度的质量及能量传递模型的建模方法，便于通过关键设备模型分析制氢系统关键参数对系统输出性能的影响规律。
步骤S6包括以下步骤：
S61：分析关键设备模型和质量及能量传递模型；
S62：分析关键参数对系统的输出特性。
步骤S6分析温度、压力等参数变化对质子交换膜电解制氢系统产氢量、能效特性影响规律，并通过随机波动性输入对PEM电解水制氢系统特性影响分析，便于实现对适于波动性输入的电解水制氢系统的性能优化。
步骤S7包括以下步骤：
S71：根据不同功率工况下系统变化特性，分析系统宽功率调节范围；
S72：结合关键参数对系统的输出特性，优化系统流程。
步骤S71中变化特性包括温度、压力、产气量和氢气纯度。
步骤S71根据功率变化工况下电解水制氢系统电解槽氢气纯度、产气量等变化特性，便于分析其宽范围运行能力，从而确定系统宽工况下动态行为。
步骤S72通过分析PEM电解水制氢系统的宽功率调节范围，对质子交换膜电解水制氢系统流程进行优化设计。
步骤S72中优化系统流程包括关键参数设计、设备选型和电解槽成组设计。
步骤S72将优化系统流程分为三个部分，其中设备选型包括换热器、水泵、电解槽、纯化装置和分水器的选型，便于通过关键设备模型选择适用于波动性输入的电解水制氢系统的关键设备，从而实现对波动性输入的电解水制氢系统的性能优化。
步骤S54中建立电解槽模型包括以下步骤：
S541：进行电解槽热力学和电化学分析；
S542：计算初始可逆电压和最小电压；
S543：通过巴特勒-福尔默方程估计活化过电位；
S544：计算欧姆损耗和质量传输过电位，得到电解槽总电位；
S545：建立电解槽有限元模型，进行电解槽成组设计。
步骤S542中初始可逆电压
Figure BDA0003306528670000171
的计算公式可以通过吉布斯自由能计算公式、法拉第常数(F)和转移的电子物质的量(n)得到：
Figure BDA0003306528670000172
式中，
Figure BDA0003306528670000173
为标准状态下吉布斯自由能的值，n为转移的电子物质的量，F为法拉第常数，
Figure BDA0003306528670000174
为初始可逆电压。
水电解时胡我产生一些熵，因此在可逆条件下，焓(ΔH)可以用吉布斯自由能(ΔG)和热能(ΔS)之和表示，即：
ΔH＝ΔG+TΔS
式中，ΔS为熵的变化值，T为热力学温度。
由上述公式可得最小电压的计算公式为：
Figure BDA0003306528670000175
式中，VTN为热中性电压，即最小电压。
步骤S543中活化过电位计算公式为：
Figure BDA0003306528670000176
Figure BDA0003306528670000177
式中，ia为阳极电流密度，ic为阴极电流密度，i0,a为阳极交换电流密度，i0,c为阴极交换电流密度。
步骤S145中建立电解槽有限元模型可以利用有限元软件ANSYS建立电解槽的仿真模型，并对电解反应过程进行模拟。
通过建立的电解槽有限元模型进行加载载荷并求解，得到期望的仿真结果并进行分析，从而实现对电解槽成组的优化设计。
步骤S544中得到电解槽总电位的公式为：
Figure BDA0003306528670000178
式中，V为电解槽总电位，
Figure BDA0003306528670000179
为可逆电压，ηact为活化过电位，ηohm为欧姆过电位，ηdiff为质量传输过电位。
步骤S544中欧姆损耗使用欧姆过电位进行描述，其公式为：
Figure BDA00033065286700001710
式中，δ为材料厚度，单位为mm；σ为材料电导率。
质量传输过电位可以使用能斯特方程表示：
Figure BDA0003306528670000181
式中，C为膜电极表面氧气或氢气的浓度，单位为mol/L；C0为氧气或氢气的参考工作浓度，单位为mol/L。
电解槽总电位为可逆电压、活化过电位、欧姆过电位和质量传输过电位的总和，即：
Figure BDA0003306528670000182
一种用于PEM电解水制氢系统，包括：
电解槽，包括槽体和质子交换膜电极，用于电解水制氢；
换热器，用于进行制氢系统的热管理；
水泵，用于进行循环进出水；
纯化装置，用于对电解后的氢气进行纯化；
分水器，用于连接各路加热管供、回水的配、集水装置；
电解槽分别连接换热器、纯化装置和分水器；
分水器连接水泵。
质子交换膜电极包括依次叠加的阳极催化层、基体层、阴极催化层和阴极过渡层；
阳极催化层为由析氧催化剂、分散溶剂和全氟磺酸溶液混合得到的膜；
基体层包括PDMS和分散在PDMS中的改性Y型分子筛；
阴极催化层包括载体和包覆在载体表面的Pt催化剂；载体包括氧化钨纳米球和负载在氧化钨纳米球表面的纳米氧化石墨烯；
阴极过渡层为全氟磺酸膜。
将改性Y型分子筛掺杂进PDMS基体内形成基体层，改性Y型分子筛和PDMS具有良好的疏水性，可以阻碍水分子由阳极进入到阴极的析氢区，从而提高产氢效率。Y型分子筛为结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，是由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成较大的空腔以及三维的十二元环孔道体系，为发生催化反应提供较大的容置空间，因此也能够一定程度地减小质子交换膜电极的厚度。另外，Y型分子筛的硅/铝含量较大，表现出较强的酸性，以及分子筛表面大量的羟基，都对质子传导有利。Y型分子筛表面的羟基还能够和PDMS的高分子链形成氢键作用，与PDMS有良好的相容性，大分子链还能够进入空腔或孔道内，形成三维网络结构，提高基体层的稳定性和结合牢固度。
在基体层和阴极催化层进行层间结合时，Y型分子筛含有酸活性位点，可以较好地负载Pt催化剂，提高与阴极催化层间的结合稳定性。阴极催化层中的氧化钨纳米球载体的体积小、比表面积大，能够提高贵金属催化剂的利用率，优化催化层的气液传输通道的均匀分布。氧化钨本身具备一定的导电性，且为非贵金属，可以提高催化层的电导性的同时降低贵金属的含量，有效降低膜电极中贵金属的使用量。在氧化钨纳米球载体表面负载的氧化石墨烯有较高的比表面积且表面含有大量的含氧基团，可以提高Pt催化剂在载体表面的负载率和负载均匀性，氧化钨纳米球和Pt催化剂的相容性较差，加入氧化石墨烯可以提高界面相容性。
另外，全氟磺酸作为一类离子导电聚合物，具有优异的离子导电性和化学机械稳定性，是质子交换膜常用材料。阳极催化层中将其与析氧催化剂、分散溶剂混合，可以起到基体层和阳极催化层之间的过渡和粘结作用。
析氧催化剂为铂、铱、钯、金、钌、铑、锇和钽的纳米氧化物中的一种；分散溶剂为异丙醇。
其制备方法包括如下步骤：
(1)将粒径为2～4μm、硅铝比为6～40的ZSM-5微孔分子筛、氢氧化钠于水中混合，接着加入硅溶胶、水合氧化铝、氨丙基三甲氧基硅烷和烷基苯磺酸钠后搅拌，ZSM-5微孔分子筛、氢氧化钠、硅溶胶、水合氧化铝、水氨丙基三甲氧基硅烷和烷基苯磺酸钠的摩尔比为1：2～5：1～2：6～40；400～800：0.01～0.05：0.01～0.05；再在90～120℃下水热晶化反应7～12h，之后在550～750℃下煅烧5～10h，得到改性Y型分子筛；
(2)将步骤(1)中的改性Y型分子筛分散在二甲基硅氧烷中，Y型分子筛和二甲基硅氧烷的质量比为0.4～0.6：1；将混合物搅拌均匀后涂覆于模板上，得到未固化的基体层；
(3)将质量比为1：0.4～0.6：20～40的WCl3、聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物、乙醇于水中混合搅拌，在90～120℃下水热反应1.5～3h后离心，接着用无水乙醇洗涤后，在60～70℃下干燥3～5h，得到氧化钨纳米片自组装形成的氧化钨纳米球；
(4)将步骤(3)中的氧化钨纳米球在纳米氧化石墨烯分散液中超声振动分散，具体为在40～60KHz频率下超声振荡30～50min；之后依次经沉淀、过滤后，在60～70℃下干燥6～8h，得到GO/WO3载体；
将摩尔比为0.3～0.6：5～8的H2PtCl6溶液和抗坏血酸溶解于水中，得到电沉积液；以GO/WO3载体为工作电极，对电极为石墨电极，参比电极为饱和甘汞电极，于电沉积液中进行恒电流电沉积反应，控制电流密度为200～350mA·cm-2，沉积时间为50～80min，得到Pt/GO/WO3复合催化剂；
(5)将步骤(4)中的Pt/GO/WO3复合催化剂分散到N,N-二甲基甲酰胺中，再喷涂到基体层上一起于90～120℃下固化20～45min，得到基体层和叠加于上层的阴极催化层；
(6)将步骤(5)中的阴极催化层一侧浸渍于全氟磺酸溶液中，流延成膜后，得到阴极过渡层；将步骤(5)中的基体层一侧浸渍于质量比为3～5：20～50：0.5～0.8的析氧催化剂、异丙醇和全氟磺酸溶液的混合溶液中，流延成膜后，得到阳极催化层；最终制得电解水制氢质子交换膜电极。
Y型分子筛主要为介孔孔径，不易阻挡除质子外的其它大分子的通过，且易使其空穴受到一定的阻塞，从而降低电解效率和催化效率。在ZSM-5微孔分子筛的基底上原位生成Y型分子筛得到的改性Y型分子筛，能够兼具介孔、微孔两种孔径，得到微孔与介孔孔道均一、有序的贯通结构。一方面介孔能够与PDMS大分子链联接，提高基体层稳定性，另一方面微孔能够阻挡除质子外的其它大分子的通过，提高催化效率。另外，ZSM-5微孔分子筛为一种良好的双功能催化剂，具备较强的酸活性中心，可以提高与阴极催化层间的相容性。
未固化的基体层有一定的粘附性，能够负载更多的析氢催化剂，提高析氢效率。氧化钨纳米球为由氧化钨纳米片自组装得到的纳米球，利用水热方法，聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物作为表面活性剂可以对氧化钨纳米片的粒径、形貌进行调控，再通过控制反应时间、反应温度、反应物浓度，得到超薄的二维氧化钨纳米片，纳米片进一步通过自组装形成尺寸可控和形貌均一的三维结构氧化钨纳米球。因而所形成的比表面积要远大于普通氧化钨微球，可以更多地负载纳米氧化石墨烯，并且纳米球中的纳米片会形成间隙，可以提高纳米氧化石墨烯的负载稳定性。电沉积法制备得到的Pt催化剂负载结构均匀，能够实现对GO/WO3载体的完整包覆，得到Pt/GO/WO3复合催化剂。接着将Pt/GO/WO3复合催化剂喷涂于基体层上，再同时固化，是为了提高基体层和阴极催化层的层间结合稳定性。另外，阴极过渡层和阳极催化层的流延成膜可以保证成膜的均一性和平整性。
步骤(1)中，ZSM-5微孔分子筛的粒径为2～4μm、硅铝比为6～40；硅源为硅溶胶；铝源为水合氧化铝；ZSM-5微孔分子筛、氢氧化钠、硅源、铝源、水氨丙基三甲氧基硅烷和烷基苯磺酸钠的摩尔比为1：2～5：1～2：6～40；400～800：0.01～0.05：0.01～0.05；搅拌时间为5～10h；水热晶化反应的温度为90～120℃，晶化7～12h；煅烧为在550～750℃下煅烧5～10h。
ZSM-5微孔分子筛具备较高的硅铝比，对质子的传导有利。
步骤(2)中，Y型分子筛和二甲基硅氧烷的质量比为0.4～0.6：1。
改性Y型分子筛的含量过少会缺少质子通道而降低催化效率，而改性Y型分子筛的含量过大则不利于与催化层的层间结合，降低膜的结构稳定性。
步骤(3)中，WCl3、聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物和乙醇的质量比为1：0.4～0.6：20～40；水热反应为在90～120℃下反应1.5～3h；洗涤为用无水乙醇洗涤；干燥为在60～70℃下干燥3～5h。
步骤(4)中，超声振动分散的频率为40～60KHz，时间为30～50min；干燥为在60～70℃下干燥6～8h。
步骤(4)中，电沉积法包括如下步骤：将摩尔比为0.3～0.6：5～8的H2PtCl6溶液和抗坏血酸溶解于水中，得到电沉积液；以GO/WO3载体为工作电极，对电极为石墨电极，参比电极为饱和甘汞电极，于电沉积液中进行恒电流电沉积反应；电沉积反应的电流密度为200～350mA·cm-2，沉积时间为50～80min。
步骤(5)中，有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺；固化为在90～120℃下固化20～45min。
固化需要在较高温度下的快速固化，可以在不影响质子交换膜电极的层间结构的前提下，避免因未固化的PDMS的流动性而导致的催化剂的团聚、粘结现象，以此提高膜的稳定性。
步骤(6)中，析氧催化剂、分散溶剂和全氟磺酸溶液的质量比为3～5：20～50：0.5～0.8。
本发明还提供了一种质子交换膜电解槽电解水制氢的方法，包括如下步骤：
(a)电解槽内设有质子交换膜电极，质子交换膜电极将电解槽分隔成为阳极区和阴极区；电解槽阳极区外连接有水泵以持续供给水；
(b)在外电路作用下，水通过阳极区在质子交换膜电极界面发生电化学反应被分解成氧气、氢离子和电子；在阳极区产生的氧气通过阳极集流体上的气体流场逸出并收集；
(c)阳极区所产生的氢离子通过质子交换膜电极，分别在质子交换膜内部或者阴极扩散层处与外电路提供的电子发生电化学反应生成氢气；在质子交换膜电极内部产生的氢气会与氧气催化反应生成水，降低气体交叉；在阴极区产生的氢气通过阴极集流体上的气体流场逸出并收集。
本发明中采用质子交换膜电解槽制氢，水既作为反应物，又作为冷却介质，减少使用冷却装置及所产生的工作能耗。质子交换膜电极起到阳极、阴极的双催化作用，在外电路作用下，水在质子交换膜与阳极区界面处催化生成氧气，直接于阳极集流体进行扩散，再通过阳极集流体上的气体流场逸出并收集，减少阳极扩散层的应用，可以使得电解槽结构更加紧凑，能够降低工作电压和能耗。
阳极区所产生的氢离子则在通过质子交换膜电极时催化生成氢气，提高产氢效率。电解槽经过长时间电解后，质子交换膜电极会存在一定程度的氧气透过，在质子交换膜内部的氢气还会与阳极区部分透过质子交换膜的氧气催化反应生成水，降低气体交叉，减少氢气逸出。质子交换膜电极的阴极催化剂即可以作为产氢的催化剂，又可以作为反应生成水的催化剂，以此提高质子交换膜电极中贵金属催化剂的利用率。另外，氢气和未反应的氢离子会由质子交换膜电极逸出到阴极扩散层，氢离子于阴极扩散层处与外电路提供的电子发生电化学反应生成氢气，此时，在阴极区产生的所有氢气将一并通过阴极集流体上的气体流场逸出并收集，以此达到高效、低能耗地利用水制氢的目的。
阳极集流体为一层或多层钛网；阴极扩散层为负载Pt/C催化剂的多孔钛板；阴极集流体为一层或多层柔性石墨板。
由于质子交换膜电极中会采用全氟磺酸进行质子交换，使得水电解池处于强酸性环境，阳极集流体和阴极扩散层的直接接触会因为腐蚀而失效，不能长久使用，使用钛网或者钛板可以避免腐蚀，提高电解槽的使用率。另外，Pt/C催化剂的负载是为了催化未反应的氢离子生成氢气。阴极集流体选用的石墨具备电导率高、耐腐蚀、接触电阻低等优点，可以进一步提高电导效率。
阳极集流体和阴极集流体上的气体流场为回形盘绕。
回形盘绕的气体流场有利于气体的逸出和收集，且能一定程度地避免带出水分子，提高氢气纯度。
阳极区包括进水口和氧气出气口；进水口与水泵相连接；氧气出气口与阳极集流体上的气体流场相连通。
阴极区包括氢气出气口；氢气出气口与阴极集流体上的气体流场相连接；氢气出气口另一端依次与电解槽外部的分水器和纯化装置相连接。
阴极区的氢气出气口会带出极少量水蒸气，先经过分水器除去水蒸气，在通过纯化装置除去其它气体杂质，提高氢气纯度。
应理解，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (14)

1.一种用于PEM电解水制氢系统的调控优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据不同工况下系统变化特性，分析系统宽范围运行能力；
S2：分析关键设备响应特性，确定系统关键参数可运行区域；
S3：分析系统输入变量和输出变量影响规律，确定关键参数的特征极限值；
S4：基于关键参数的特征极限值和系统变化特性，确定系统动态快速调节控制策略；
S5：根据多能转换和能量传输机理，建立关键设备模型；
S6：根据关键设备模型分析关键参数对系统的输出特性；
S7：基于系统的宽功率调节范围和输出特性优化系统流程；
S8：对关键设备的关键参数进行优化匹配。
2.根据权利要求1所述的一种用于PEM电解水制氢系统的调控优化方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：
S21：分析关键设备响应特性，建立关键设备优化模型；
S22：根据关键设备优化模型，分析设备运行特性；
S23：分析关键设备约束条件，确定系统关键参数可运行区域。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于PEM电解水制氢系统的调控优化方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：
S31：通过控制变量分析系统输入变量和输出变量对电解槽的影响规律；
S32：确定关键参数的最大特征极限值和最小特征极限值，确定关键参数的特征极限范围。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于PEM电解水制氢系统的调控优化方法，其特征在于，步骤S4包括以下步骤：
S41：基于关键参数的特征极限值和系统变化特性，分析关键参数对系统的影响等级；
S42：根据影响等级，划分系统顺序控制等级；
S43：根据系统顺序控制等级，确定最优的系统动态快速调节控制策略。
5.根据权利要求4所述的一种用于PEM电解水制氢系统的调控优化方法，其特征在于，步骤S43包括以下步骤：
S431：根据系统顺序控制等级选择影响最大的关键参数X；
S432：将X的输出与设定值间的误差e、误差变化ec以及控制过程中的比例、积分、微分各项系数模糊化；
S433：将误差e、误差变化ec作为模糊PID控制器的两个输入变量，输出调节参数的修正量；
S434：根据修正量修正后通过增量式PID控制算法将X变差转化为模拟量电压信号输出给系统；
S435：系统控制关键设备调节关键参数X的值，从而确定最优的系统动态快速调节控制策略。
6.根据权利要求1所述的一种用于PEM电解水制氢系统的调控优化方法，其特征在于，步骤S5中所述根据多能转换和能量传输机理包括以下步骤：
S51：分析系统中电荷迁移及物质扩散过程；
S52：确立电解槽中多能转换和能量传输机理；
S53：分析关键设备的质量和能量传递过程。
7.根据权利要求1或6所述的一种用于PEM电解水制氢系统的调控优化方法，其特征在于，步骤S5中所述建立关键设备模型包括以下步骤：
S54：分析欧姆、浓差、活化损失和扩散传质，建立电解槽中的水、气扩散模型，建立电解槽模型；
S55：基于质量守恒方程、能量平衡方程和电化学反应方程，分别建立换热器模型、水泵模型、纯化装置模型和分水器模型；
S56：对关键设备的建模方法进行对比分析；
S57：建立质量及能量传递模型。
8.根据权利要求1所述的一种用于PEM电解水制氢系统的调控优化方法，其特征在于，步骤S6包括以下步骤：
S61：分析关键设备模型和质量及能量传递模型；
S62：分析关键参数对系统的输出特性。
9.根据权利要求1所述的一种用于PEM电解水制氢系统的调控优化方法，其特征在于，步骤S7包括以下步骤：
S71：根据不同功率工况下系统变化特性，分析系统宽功率调节范围；
S72：结合关键参数对系统的输出特性，优化系统流程。
10.根据权利要求7所述的一种用于PEM电解水制氢系统的调控优化方法，其特征在于，步骤S54中所述建立电解槽模型包括以下步骤：
S541：进行电解槽热力学和电化学分析；
S542：计算初始可逆电压和最小电压；
S543：通过巴特勒-福尔默方程估计活化过电位；
S544：计算欧姆损耗和质量传输过电位，得到电解槽总电位；
S545：建立电解槽有限元模型，进行电解槽成组设计。
11.根据权利要求10所述的一种用于PEM电解水制氢系统的调控优化方法，其特征在于，步骤S544中所述得到电解槽总电位的公式为：
Figure FDA0003306528660000031
式中，V为电解槽总电位，
Figure FDA0003306528660000032
为可逆电压，ηact为活化过电位，ηohm为欧姆过电位，ηdiff为质量传输过电位。
12.一种用于PEM电解水制氢系统，适用于权利要求1-10所述的任意一种用于PEM电解水制氢系统的调控优化方法，其特征在于，包括：
电解槽，包括槽体和质子交换膜电极，用于电解水制氢；
换热器，用于进行制氢系统的热管理；
水泵，用于进行循环进出水；
纯化装置，用于对电解后的氢气进行纯化；
分水器，用于连接各路加热管供、回水的配、集水装置；
所述电解槽分别连接所述换热器、所述纯化装置和所述分水器；
所述分水器连接所述水泵。
13.根据权利要求12所述的一种用于PEM电解水制氢系统，其特征在于，所述质子交换膜电极包括依次叠加的阳极催化层、基体层、阴极催化层和阴极过渡层；
所述阳极催化层为由析氧催化剂、分散溶剂和全氟磺酸溶液混合得到的膜；
所述基体层包括PDMS和分散在PDMS中的改性Y型分子筛；
所述阴极催化层包括载体和包覆在载体表面的Pt催化剂；所述载体包括氧化钨纳米球和负载在氧化钨纳米球表面的纳米氧化石墨烯；
所述阴极过渡层为全氟磺酸膜。
14.根据权利要求13所述的一种用于PEM电解水制氢系统，其特征在于，所述析氧催化剂为铂、铱、钯、金、钌、铑、锇和钽的纳米氧化物中的一种；所述分散溶剂为异丙醇。
CN202111204957.4A 2021-10-15 2021-10-15 一种用于pem电解水的制氢系统及调控优化方法 Active CN113930784B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111204957.4A CN113930784B (zh) 2021-10-15 2021-10-15 一种用于pem电解水的制氢系统及调控优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111204957.4A CN113930784B (zh) 2021-10-15 2021-10-15 一种用于pem电解水的制氢系统及调控优化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113930784A true CN113930784A (zh) 2022-01-14
CN113930784B CN113930784B (zh) 2023-09-05

Family

ID=79279787

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111204957.4A Active CN113930784B (zh) 2021-10-15 2021-10-15 一种用于pem电解水的制氢系统及调控优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113930784B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115074776A (zh) * 2022-06-23 2022-09-20 河北工业大学 适应宽功率波动的电解水制氢智能自适应控制系统与方法
CN115928103A (zh) * 2023-01-06 2023-04-07 长春吉电氢能有限公司 一种pem制氢加氢一体化系统和制氢控制方法
CN117075498A (zh) * 2023-10-16 2023-11-17 三峡科技有限责任公司 一种电解水制氢能耗监测和仿生优化系统
WO2023226360A1 (zh) * 2022-05-24 2023-11-30 阳光电源（上海）有限公司 电解水制氢仿真系统和方法
CN117286539A (zh) * 2023-07-31 2023-12-26 绿氢动力科技(深圳)有限公司 质子膜电解水制氢电源控制方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100276299A1 (en) * 2009-04-30 2010-11-04 Gm Global Technology Operations, Inc. High pressure electrolysis cell for hydrogen production from water
US20110042228A1 (en) * 2009-08-19 2011-02-24 Next Hydrogen Corporation Pem water electrolyser module
US20150185716A1 (en) * 2013-12-31 2015-07-02 General Electric Company Methods and systems for enhancing control of power plant generating units
CN111501057A (zh) * 2020-05-28 2020-08-07 国网甘肃省电力公司经济技术研究院 基于*的光伏电解水制氢系统的异质能流同质表征方法
CN112481637A (zh) * 2020-11-10 2021-03-12 安徽伯华氢能源科技有限公司 一种用于波动性电源的电解水制氢系统及其控制策略
CN113373477A (zh) * 2021-06-17 2021-09-10 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 动态制氢电解槽的电解液流量、压力控制方法及系统
CN113373457A (zh) * 2021-06-11 2021-09-10 河北建投新能源有限公司 电解水制氢的控制方法、装置和计算机可读存储介质
CN113373458A (zh) * 2021-06-17 2021-09-10 全球能源互联网研究院有限公司 一种波动功率输入下的质子交换膜电解水制氢系统及方法
CN113659632A (zh) * 2021-08-10 2021-11-16 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统及运行方法
CN115547433A (zh) * 2022-09-21 2022-12-30 北方工业大学 一种质子交换膜电解槽建模优化的方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100276299A1 (en) * 2009-04-30 2010-11-04 Gm Global Technology Operations, Inc. High pressure electrolysis cell for hydrogen production from water
US20110042228A1 (en) * 2009-08-19 2011-02-24 Next Hydrogen Corporation Pem water electrolyser module
US20150185716A1 (en) * 2013-12-31 2015-07-02 General Electric Company Methods and systems for enhancing control of power plant generating units
CN111501057A (zh) * 2020-05-28 2020-08-07 国网甘肃省电力公司经济技术研究院 基于*的光伏电解水制氢系统的异质能流同质表征方法
CN112481637A (zh) * 2020-11-10 2021-03-12 安徽伯华氢能源科技有限公司 一种用于波动性电源的电解水制氢系统及其控制策略
CN113373457A (zh) * 2021-06-11 2021-09-10 河北建投新能源有限公司 电解水制氢的控制方法、装置和计算机可读存储介质
CN113373477A (zh) * 2021-06-17 2021-09-10 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 动态制氢电解槽的电解液流量、压力控制方法及系统
CN113373458A (zh) * 2021-06-17 2021-09-10 全球能源互联网研究院有限公司 一种波动功率输入下的质子交换膜电解水制氢系统及方法
CN113659632A (zh) * 2021-08-10 2021-11-16 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统及运行方法
CN115547433A (zh) * 2022-09-21 2022-12-30 北方工业大学 一种质子交换膜电解槽建模优化的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
邓仕钧等: "锌电解全流程酸锌离子浓度在线预测模型" *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023226360A1 (zh) * 2022-05-24 2023-11-30 阳光电源（上海）有限公司 电解水制氢仿真系统和方法
CN115074776A (zh) * 2022-06-23 2022-09-20 河北工业大学 适应宽功率波动的电解水制氢智能自适应控制系统与方法
CN115928103A (zh) * 2023-01-06 2023-04-07 长春吉电氢能有限公司 一种pem制氢加氢一体化系统和制氢控制方法
CN117286539A (zh) * 2023-07-31 2023-12-26 绿氢动力科技(深圳)有限公司 质子膜电解水制氢电源控制方法
CN117075498A (zh) * 2023-10-16 2023-11-17 三峡科技有限责任公司 一种电解水制氢能耗监测和仿生优化系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN113930784B (zh) 2023-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113930784B (zh) 一种用于pem电解水的制氢系统及调控优化方法
Lobyntseva et al. Electrochemical synthesis of hydrogen peroxide: Rotating disk electrode and fuel cell studies
EP3017089B1 (en) Hydrogen system and method of operation
CN105749914B (zh) 一种对称双功能光催化剂、双室光反应器及光催化还原二氧化碳的方法
WO2021197308A1 (zh) 一种基于电吸附脱盐技术的海上风电制氢系统及方法
CN101748423A (zh) 一种高效电催化原位生成过氧化氢的电化学反应器
CN110117797B (zh) 一种电解池及其在电解水制氢中的应用
CN105304910A (zh) 二氧化碳电化学还原制碳氢化合物电极及其制备和应用
CN114908356A (zh) 一种可再生能源电解水制氢控制系统
Chen et al. Synthesis and application of lead dioxide nanowires for a PEM ozone generator
CN113549942A (zh) 一种提高电解水制氢效率的方法及装置
CN113957472B (zh) 一种电解水制氢质子交换膜电极及制备方法
CN116917547A (zh) 质子交换膜水电解器膜电极组件
Qiu et al. Recent developments in ion conductive membranes for CO2 electrochemical reduction
CN113913843B (zh) 一种质子交换膜电解槽电解水制氢的方法
CN113789538B (zh) 一种带悬浮催化层的气体扩散阴极及电化学反应器
KR101263177B1 (ko) 광전―전해 일체형 수소생산 시스템용 전해전지
CN211578890U (zh) 一种用于在膜电极表面制备催化剂层的反应装置
Li et al. Electricity from microbial fuel cells
CN209612655U (zh) 一种生产次磷酸的双极膜装置
CN112941539B (zh) 一种钒电解液生产方法及生产系统
JP3921300B2 (ja) 水素発生装置
CN216237301U (zh) 一种高效的质子交换膜电解槽
CN219547111U (zh) 一种带有改性阳离子交换膜的过氧化氢发生装置
CN117904675B (zh) 基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置及控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant