CN114481215B - 一种电解制氢装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电解制氢装置及其控制方法，装置包括：在电解槽的阳极及阴极之间设置限流模块，控制模块根据所述电解槽的运行状态参数，利用电压控制方法或电流控制方法控制所述电解槽运行状态，利用电压控制方法时，控制模块控制所述限流模块串联接入所述电解槽的阳极与阴极之间，利用电流控制方法时，控制模块控制所述限流模块切出，从而通过在电压控制方法下，加入限流模块，以避免电流过冲现象且不影响响应时间，提高了制氢装置的瞬态响应，并保证电压控制下的安全性。

Description

一种电解制氢装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及电解制氢技术领域，具体涉及一种电解制氢装置及其控制方法。
背景技术
氢气是一种同时具备物质属性和能量属性的能源载体，并在工业生产、电的能量载体、电合成燃料、供热以及交通领域发挥着重要的作用，涉及能源的各个领域，在全球脱碳中具有较高的潜在市场价值。在成熟的电解水制氢技术中，碱性电解水制氢技术相对比较成熟，工艺比较简单，成本比较低廉，对新能源场景的响应度差、风光新能源设备与制氢系统不协调等问题。主要表现在三方面：(1)制氢系统瞬态响应跟随不上风机瞬态响应，两者存在匹配问题；(2)风机功率和制氢系统功率存在匹配问题，制氢系统存在最低运行下限，风机频繁启停会造成制氢系统频繁启停，不利于制氢系统吸收最大能量和存在安全风险；(3)制氢系统启动时间慢。在可再生能源动态场景下，先进制氢系统的开发是十分有必要的。
在与风/光等可再生能源耦合时，碱性电解水制氢系统跟随不上风机的响应时，将会出现以下几种问题：(1)对于碱性电解水制氢系统而言，风光等可再生能源的功率无法完全吸收，造成系统能量综合利用率低，经济性差；(2)无法跟随输入功率时，若输入功率是碱性电解水制氢系统功率的1.25倍，对于制氢系统而言，这是超负荷运行，如果时间过长，将会严重对电解槽的寿命、控制精度均造成不利影响；(3)当制氢系统的控制存在频繁动荡现象，特别是压力控制，这将会造成电解槽内隔膜穿孔甚至失效，这将会出现氧中氢浓度大于4％，造成氢氧混合爆炸现象产生。
综上，瞬态响应度差而带来的问题是十分严重的，因此，提高制氢系统的瞬态响应是十分有必要的，而现有技术中通常对电解槽采用电流控制结合电压控制的方法提高制氢系统的瞬态响应，但该方法，在电压控制过程中会导致电解槽出现电流过冲现象。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的对制氢系统进行电压控制时会出现电流过冲的现象，从而提供一种电解制氢装置及其控制方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种电解制氢装置，包括：电解槽、控制模块、限流模块，其中，电解槽的阳极及阴极置于电解液中；控制模块与电解槽、电解液及限流模块连接；控制模块根据电解槽的运行状态参数，利用电压控制方法或电流控制方法控制电解槽运行状态；利用电压控制方法时，控制模块控制限流模块串联接入电解槽的阳极与阴极之间；利用电流控制方法时，控制模块控制限流模块切出。
在一实施例中，电解槽的运行状态参数包括：温度、电流变化率、电压变化率、电解液流量。
在一实施例中，限流模块包括：限流电阻或限流电感。
在一实施例中，限流模块参数的优化方法包括：在预设产氢量下，对电解制氢装置进行全Map稳态测试及瞬态测试；基于瞬态测试结果，在 simulink下搭建与之对应的系统动态模型，并对模型进行标定；在系统动态模型的基础上，对需要串联接入的限流模块进行全Map下的模拟，最终确定限流模块参数最优值。
在一实施例中，电解制氢装置还包括：与电解槽的阳极及阴极连接的供电电源，供电电源为电解槽供电。
第二方面，本发明实施例提供一种电解制氢装置的控制方法，基于第一方面的电解制氢装置，控制方法包括：采集电解槽的运行状态参数；判断运行状态参数是否满足第一预设条件；当满足第一预设条件时，判断运行状态参数是否满足第二预设条件；当不满足第一预设条件时，开启电流控制模块，控制限流模块切出；当满足第二预设条件时，开启电压控制模块，并控制限流模块串联接入电解槽的阳极与阴极之间；当不满足第二预设条件时，开启电流控制模块，控制限流模块切出。
在一实施例中，第一预设条件为：电解槽温度高于预设温度阈值或电解液流量低于预设流量阈值。
在一实施例中，第二预设条件为：电流变化率高于预设电流变化率阈值或电压变化率高于预设电流变化率阈值。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的电解制氢装置及其控制方法，在电解槽的阳极及阴极之间设置限流模块，控制模块根据所述电解槽的运行状态参数，利用电压控制方法或电流控制方法控制所述电解槽运行状态，利用电压控制方法时，控制模块控制所述限流模块串联接入所述电解槽的阳极与阴极之间，利用电流控制方法时，控制模块控制所述限流模块切出，从而通过在电压控制方法下，加入限流模块，以避免电流过冲现象且不影响响应时间，提高了制氢装置的瞬态响应，并保证电压控制下的安全性。
2.本发明提供的电解制氢装置，在预设产氢量下，对所述电解制氢装置进行全Map稳态测试及瞬态测试；基于瞬态测试结果，在simulink下搭建与之对应的系统动态模型，并对模型进行标定；在系统动态模型的基础上，对需要串联接入的限流模块进行全Map下的模拟，最终确定限流模块参数最优值，从而通过仅2)基于模型可标定出最佳的限流电感和限流电阻的值，避免人工无经验的试凑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的电解槽制氢装置的一个具体示例的组成图；
图2(a)、图2(b)分别为本发明实施例提供的电压控制方法及电流控制方法的仿真图；
图3为本发明实施例提供的未加入限流模块的电压控制方法及电流控制方法的电流波形图；
图4为本发明实施例提供的电解槽制氢装置的另一个具体示例的组成图；
图5(a)、图5(b)分别为本发明实施例提供的限流模块的一个具体示例的示意图；
图6(a)、图6(b)分别为本发明实施例提供的加入限流模块后的系统等效电路图；
图7为本发明实施例提供的未加入限流模块、加入限流电感、加入限流电阻后的电压控制方法下的电流波形；
图8为本发明实施例提供的二阶RC模型；
图9为本发明实施例提供的模型标定示意图；
图10为本发明实施例提供的电解槽制氢装置的另一个具体示例的组成图；
图11为本发明实施例提供的电解槽制氢装置的控制方法的一个具体示例的流程图；
图12为本发明实施例提供的电解槽制氢装置的控制方法的另一个具体示例的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种电解制氢装置，如图1所示，包括：电解槽1、控制模块2、限流模块3。
本发明实施例的电解槽的阳极及阴极置于电解液中；控制模块与电解槽、电解液及限流模块连接。具体地，该控制模块与电解槽的阳极与阴极连接，进而使得电解液能够被电解。其中，控制模块与电解槽、电解液连接的原因是要采集电解槽的电流、电压、温度，以及采集电解液的流量，从而根据采集到的运行状态参数，判断电解槽是否应处于电压控制方法下还是电流控制方法下，运行状态参数不仅限于电流、电压、温度、电解液流量，还可以为由电流、电压得到的电流变化率、电压变化率，在此不作限制。
现有技术多使用电流控制方法、电压控制方法以控制电解槽的运行状态，搭建电解槽等效仿真模型如图2(a)及图2(b)所示，图2(a)为电压控制方法，其电源部分为可控电压源，图2(b)为电压控制方法，R1、R2分别为阳极电阻及阴极电阻，C1、C2分别为阳极电容、阴极电容，其电源部分为可控电流源，可控电压源及可控电流源的输出电流波形如图3所示，由图3 可知对电解槽进行电压控制时会出现电流过冲现象。
故由于对电解槽进行电压控制时会出现电流过冲现象，本发明实施例在进行电压控制时，如图4所示，控制模块控制限流模块串联接入至电解槽的阴极与阳极之间，而在进行电流控制时，控制模块控制限流模块切出，不再串联接入电解槽的阴极与阳极之间。
在一具体实施例中，如图5(a)及图5(b)所示，限流模块包括：限流电阻 R限流电感L，此外，本发明实施例的限流模块不限于限流电阻R及电流电感L，还可以为其他具有抑制电流过冲的电路，在此不作限制。
在如图2(a)所示的仿真电路中加入限流电阻或限流电感后电路图，分别如图6(a)及图6(b)所示，可控电压源输出的电流波形如图7所示，图7中 Original plan为未加入限流模块时电压控制下的电流波形，Original plan A 表示加入限流电感的电压控制下的电流波形，Original plan B表示加入限流电阻的电压控制下的电流波形。
由图7可以看出，加入电感和电阻均会降低电流过冲现象。在降低电压时，未加入限流模块时的电压控制反馈出来的电流会降到0以下，但加入限流电感或限流电阻时，电流过冲现象明显被去除了，并且不影响响应时间。值得说明的是，增加限流电阻之后，电流会下降，这是因为增加了整个制氢系统的阻抗，但在电压控制中需要提高整个系统的响应，牺牲一小部分的能耗也是可以满足要求的。
在一具体实施例中，基于上述改善电流过冲现象的方法，再实际过程中，限流电感和限流电阻的值是需要进行优化的，不宜过大和过小，限流模块参数的优化方法包括：
(1)在预设产氢量下，对电解制氢装置进行全Map稳态测试及瞬态测试；(2)基于瞬态测试结果，在simulink下搭建与之对应的系统动态模型，并对模型进行标定，系统动态模型可以为如图8所示的二阶RC模型，模型标定如图9所示；(3)在系统动态模型的基础上，对需要串联接入的限流模块进行全Map下的模拟，最终确定限流模块参数最优值。
在一具体实施例中，如图10所示，电解制氢装置还包括：与电解槽的阳极及阴极连接的供电电源4，供电电源4为电解槽供电。
需要说明的是，本发明实施例的电解制氢装置的控制方法不仅适用于碱液电解水制氢设备，还用质子交换膜电解水制氢设备中、阴离子交换膜电解水制氢设备、氯碱制氢设备及其他类型的电解水制氢设备，在此不作限制。
实施例2
本发明实施例提供一种电解制氢装置的控制方法，如图11所示，基于实施例1的电解制氢装置，控制方法包括：
步骤S11：采集电解槽的运行状态参数。
步骤S12：判断运行状态参数是否满足第一预设条件。
具体地，运行状态参数包括当前电流、电压、时间、温度、压力及流量等，在此不做限制，第一预设条件为：电解槽温度高于预设温度阈值或电解液流量低于预设流量阈值。
步骤S13：当满足第一预设条件时，判断运行状态参数是否满足第二预设条件；当不满足第一预设条件时，开启电流控制模块，控制限流模块切出。
步骤S14：当满足第二预设条件时，开启电压控制模块，并控制限流模块串联接入电解槽的阳极与阴极之间；当不满足第二预设条件时，开启电流控制模块，控制限流模块切出。
具体地，第二预设条件为：电流变化率高于预设电流变化率阈值或电压变化率高于预设电流变化率阈值。
基于步骤S11～步骤S14的控制方法，对两个预设条件进行细化，可以得到如图12所示的控制方法流程图，其中，温度≥85℃或温度≥4bar或电解液流量≤40L/min为第一预设条件，电流变化率≥20A/s或电压≥0.2V/s为第二预设条件，但仅以此举例，不以此为限制。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种电解制氢装置，其特征在于，包括：电解槽、控制模块、限流模块，其中，
所述电解槽的阳极及阴极置于电解液中；
所述控制模块与所述电解槽、电解液及限流模块连接；
所述控制模块根据所述电解槽的运行状态参数，利用电压控制方法或电流控制方法控制所述电解槽运行状态；
利用电压控制方法时，控制模块控制所述限流模块串联接入所述电解槽的阳极与阴极之间；
利用电流控制方法时，控制模块控制所述限流模块切出。
2.根据权利要求1所述的电解制氢装置，其特征在于，所述电解槽的运行状态参数包括：温度、电流变化率、电压变化率、电解液流量。
3.根据权利要求1所述的电解制氢装置，其特征在于，所述限流模块包括：限流电阻或限流电感。
4.根据权利要求3所述的电解制氢装置，其特征在于，所述限流模块参数的优化方法包括：
在预设产氢量下，对所述电解制氢装置进行全Map稳态测试及瞬态测试；基于瞬态测试结果，在simulink下搭建与之对应的系统动态模型，并对模型进行标定；在系统动态模型的基础上，对需要串联接入的限流模块进行全Map下的模拟，最终确定限流模块参数最优值。
5.根据权利要求1所述的电解制氢装置，其特征在于，还包括：
与所述电解槽的阳极及阴极连接的供电电源，所述供电电源为所述电解槽供电。
6.一种电解制氢装置的控制方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的电解制氢装置，所述控制方法包括：
采集所述电解槽的运行状态参数；
判断所述运行状态参数是否满足第一预设条件；
当满足第一预设条件时，判断所述运行状态参数是否满足第二预设条件；当不满足第一预设条件时，开启电流控制模块，控制所述限流模块切出；
当满足第二预设条件时，开启电压控制模块，并控制所述限流模块串联接入所述电解槽的阳极与阴极之间；当不满足第二预设条件时，开启电流控制模块，控制所述限流模块切出。
7.根据权利要求6所述的电解制氢装置的控制方法，其特征在于，所述第一预设条件为：电解槽温度高于预设温度阈值或电解液流量低于预设流量阈值。
8.根据权利要求6所述的电解制氢装置的控制方法，其特征在于，所述第二预设条件为：电流变化率高于预设电流变化率阈值或电压变化率高于预设电流变化率阈值。
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