CN114686905B - 一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警方法及系统 - Google Patents

一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于电解槽技术领域,特别涉及一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警方法及系统。其技术方案为:一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警方法,包括以下步骤:当阳极单独供水时,检测阴极产气管的回水流量值作为漏水率△A;当阴阳极同时供水时,检测阳极漏水率△A=|A3‑A4|或阴极漏水率△A=|A1‑A2|;其中,A1为阴极供水流量,A2为阴极回水流量,A3为阳极供水流量,A4为阳极回水流量;若△A≤A0,则判定系统工作正常;若△A>A0,则判定电解槽内发生了阴阳极互窜,并发出报警信号;其中,A0为设定的极限阈值。本发明提供了一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警方法及系统。

Description

一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警方法及系统
技术领域
本发明属于电解槽技术领域,特别涉及一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警方法及系统。
背景技术
水电解制氢是利用太阳能、风能等可再生能源制备绿氢的最佳方案之一。在水电解制氢中,质子交换膜电解水相比传统碱液电解水对可再生能源发电的波动性具有更佳的适应能力。
由于氢气是一种扩散性很强的可燃气体,空气中氢气浓度在4.7%~75%范围内时氢气均能被点燃,空气中氢气浓度在18.3%~59%范围内时氢气易被引爆。因此,利用水电解制氢,系统的安全防爆能力至关重要。
利用质子交换膜电解槽进行水电解制氢,具有单位极板面积产氢量大、产氢压力高的特点。一旦电解槽内产生氧气的阳极区和产生氢气的阴极区发生互窜,造成电解制成的纯氢与纯氧混合,就有发生爆炸的危险。目前,一些相关专利利用各种传感器信号为水电解系统提供了一些安全防爆功能。例如专利201521035814.5提供了一种基于水位传感器触发水罐低液位报警,并联动继电器为电解槽断电,从而为操作人员补水提供时间、保证水电解槽正常运转的防护装置及包含上述防护装置的电解水制氢设备。专利202110507864.2提供了利用电解槽运行中各探测器检测到的液位、电流、温度、压力、气体流量、气体含量等多种参数实现氢气制氢过程中的实时安全监控功能的高安全性水电解制氢系统。专利201811100217.4提供了一种基于气压、温度、水位、散热风扇反馈信号等参数的制氢装置的安全监测系统及其监测方法。
然而,现有质子交换膜电解系统只能通过监测电解槽阳极输出的氧中氢浓度和阴极输出的氢中氧浓度的异常升高来获知电解槽发生了阴阳极区互窜,并报警和停止电解槽供电,但此时电解槽内氢气与氧气已经混合,爆炸风险很高。如何在电解槽启动电解制气之前即可提前检测氢氧互混可能性并报警,对提高电解水设备的安全性、提高电解水寿命将有重要意义。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题,本发明的目的在于提供一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警方法及系统,解决监测电解槽阳极输出的氧中氢浓度和阴极输出的氢中氧浓度的异常升高来获知电解槽发生了阴阳极区互窜而具有滞后性的问题。
本发明所采用的技术方案为:
一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警方法,包括以下步骤:
当阳极单独供水时,检测阴极产气管的回水流量值作为漏水率△A;当阴阳极同时供水时,检测阳极漏水率△A=|A3-A4|或阴极漏水率△A=|A1-A2|;其中,A1为阴极供水流量,A2为阴极回水流量,A3为阳极供水流量,A4为阳极回水流量;
若△A≤A0,则判定系统工作正常;若△A>A0,则判定电解槽内发生了阴阳极互窜,并发出报警信号;其中,A0为设定的极限阈值。
本发明通过监测系统的漏水率,分析电解槽内发生了超出正常质子膜透水率的阴阳极液体互窜,并可立即发出报警信号。从而,在发生电解槽内氢气与氧气已经混合之前,发出报警信号,以及时关闭电解电源,避免氢气和氧气混合带来的爆炸风险。
作为本发明的优选方案,判定发生阴阳极互窜时,还向电解电源发出禁止通电信号或断电信号。在判定发生阴阳极发生互窜同时,若电解电源尚未接通则向电解电源发出禁止通电信号,若电解电源已经通过则向电解电源发出断电信号,以避免氢气和氧气混合。
作为本发明的优选方案,对于不具备接受控制系统禁止启动命令能力的电源,在电解槽电源输入或输出线上设置继电器;当判定发生阴阳极互窜时,直接控制继电器断开。
作为本发明的优选方案,设定的极限阈值A0为△A常的0.1~10倍;其中,△A为测量的系统工作稳定后的漏水率。通过测定不同工况下稳定后的△A可以根据情况需要设定出一个极限阈值A0
作为本发明的优选方案,启动电解槽供水系统到设置时间t后,再检测漏水率△A。本发明的质子交换膜电解系统通电工作流程为:首先总电源通电,之后外围系统(包括但不限于安全系统、非电解槽电源系统、冷却系统、通排风系统等)启动、完成自检,然后电解槽恒温系统启动,之后电解槽供水系统启动。电解槽供水系统启动一定的时间t之后,再检测漏水率△A,避免误判。
作为本发明的优选方案,设定的时间t为t的0.1~100倍;其中,t为测量的电解系统从冷启动到电解槽各管路内液体流量稳定的时间。时间t可以根据实际情况决定,通过测量电解系统从冷启动到电解槽各管路内液体流量稳定时间t,根据t设定t。
作为本发明的优选方案,当阴阳极同时供水时,且阳极供水压力大于阴极供水压力,则通过△A=A3-A4或△A=A2-A1计算漏水率。
当阴阳极同时供水时,且阴极供水压力大于阳极供水压力,则通过△A=A1-A2或△A=A4-A3计算漏水率。此时,阴极供水流量小于阴极回水流量,且阳极供水流量小于阳极回水流量,A1-A2、A4-A3为正值。
一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警系统,包括控制系统,控制系统电连接有液体流量检测器;当阳极单独供水时,液体流量检测器安装于阴极产气管上;当阴阳极同时供水时,阴极供水管和阴极回水管,和/或,阳极供水管和阳极回水管分别安装液体流量检测器。
作为本发明的优选方案,所述控制系统与电解电源电连接。
作为本发明的优选方案,所述控制系统与电解电源上连接的继电器电连接。
本发明的有益效果为:
本发明通过监测系统的漏水率,分析电解槽内发生了超出正常质子膜透水率的阴阳极液体互窜,并可立即发出报警信号。从而,在发生电解槽内氢气与氧气已经混合之前,发出报警信号,以及时关闭电解电源,避免氢气和氧气混合带来的爆炸风险。
附图说明
图1是本发明的方法路程图;
图2是本发明的系统的结构示意图;
图3是实施例1中本发明的系统的结构示意图;
图4是实施例2中本发明的结构示意图。
图中:1-液体流量检测器;2-电解槽;3-电解电源;4-控制系统。
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楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明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发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1:
如图1~图3所示,本实施例的水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警系统,包括控制系统4,控制系统4为电脑或工控机,控制系统4电连接有液体流量检测器1。阳极单独供水,液体流量检测器1安装于阴极产气管上。所述控制系统4与电解电源3电连接。对于不具备接受控制系统4禁止启动命令能力的电源,可以在电解电源3的输入或输出线上设置可由电脑或工控机控制的继电器。
本实施例的水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警方法,包括以下步骤:
首先接通总电源,之后外围系统(包括但不限于安全系统、非电解槽2电源系统、冷却系统、通排风系统等)启动、完成自检,然后电解槽2恒温系统启动,之后电解槽2供水系统启动。
阳极单独供水时,检测阴极产气管的回水流量值作为漏水率△A。若△A≤A0,则判定系统工作正常。若△A>A0,则判定电解槽2内发生了阴阳极互窜,并发出报警信号,且向电解电源3发出禁止通电信号或断电信号。其中,A0为设定的极限阈值。
本发明通过监测系统的漏水率,分析电解槽2内发生了超出正常质子膜透水率的阴阳极液体互窜,并可立即发出报警信号。从而,在发生电解槽2内氢气与氧气已经混合之前,发出报警信号,以及时关闭电解电源3,避免氢气和氧气混合带来的爆炸风险。
需要注意的是,在判定发生阴阳极发生互窜同时,若电解电源3尚未接通则向电解电源3发出禁止通电信号,若电解电源3已经通过则向电解电源3发出断电信号,以避免氢气和氧气混合。
其中,设定的极限阈值A0为△A常的0.1~10倍;其中,△A常为测量的系统工作稳定后的漏水率。通过测定不同工况下工作稳定后的△A常可以根据情况需要设定出一个极限阈值A0
启动电解槽2供水系统到设置时间t后,再检测漏水率△A。本发明的质子交换膜电解系统通电工作流程为:首先总电源通电,之后外围系统(包括但不限于安全系统、非电解槽2电源系统、冷却系统、通排风系统等)启动、完成自检,然后电解槽2恒温系统启动,之后电解槽2供水系统启动。电解槽2供水系统启动一定的时间t之后,再检测漏水率△A,避免误判。
设定的时间t为t的0.1~100倍;其中,t为测量的电解系统从冷启动到电解槽2各管路内液体流量稳定的时间。时间t可以根据实际情况决定,通过测量电解系统从冷启动到电解槽2各管路内液体流量稳定时间t,根据t设定t。例如,在一个产氢能力1Nm3/h的单槽电解制氢系统中,采用阳极供水、阴极不供水的管路设计。实际测得在1Nm3/h产氢速率、环境温度25℃条件下工作1小时,△A=50mL/min,波动在±10mL/min。据此,将极限阈值A0设定为70mL/min,可以取得良好的安全和低误报率效果。由于实验发现该电解系统冷启动时,从打开原料水供水泵直至原料水进出流量稳定大致需要3min,因此,将t设定为5min。
实施例2:
如图1、图2和图4所示,本实施例的水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警系统,包括控制系统4,控制系统4为电脑或工控机,控制系统4电连接有液体流量检测器1。阴阳极同时供水时,阴极供水管和阴极回水管、阳极供水管和阳极回水管分别安装液体流量检测器1。所述控制系统4与电解电源3电连接。对于不具备接受控制系统4禁止启动命令能力的电源,可以在电解电源3的输入或输出线上设置可由电脑或工控机控制的继电器。
本实施例的水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警方法,包括以下步骤:
首先接通总电源,之后外围系统(包括但不限于安全系统、非电解槽2电源系统、冷却系统、通排风系统等)启动、完成自检,然后电解槽2恒温系统启动,之后电解槽2供水系统启动。
阴阳极同时供水时,且阳极供水压力大于阴极供水压力,通过△A=A3-A4计算漏水率;其中,A3为阳极供水流量,A4为阳极回水流量。
阴阳极同时供水时,且阴极供水压力大于阳极供水压力,通过△A=A1-A2计算漏水率;其中,A1为阴极供水流量,A2为阴极回水流量。
若△A≤A0,则判定系统工作正常;若△A>A0,则判定电解槽2内发生了阴阳极互窜,并发出报警信号;其中,A0为设定的极限阈值。
本发明通过监测系统的漏水率,分析电解槽2内发生了超出正常质子膜透水率的阴阳极液体互窜,并可立即发出报警信号。从而,在发生电解槽2内氢气与氧气已经混合之前,发出报警信号,以及时关闭电解电源3,避免氢气和氧气混合带来的爆炸风险。
需要注意的是,在判定发生阴阳极发生互窜同时,若电解电源3尚未接通则向电解电源3发出禁止通电信号,若电解电源3已经通过则向电解电源3发出断电信号,以避免氢气和氧气混合。
其中,设定的极限阈值A0为△A常的0.1~10倍;其中,△A常为测量的系统工作稳定后的漏水率。通过测定不同工况下工作稳定后的△A常可以根据情况需要设定出一个极限阈值A0
启动电解槽2供水系统到设置时间t后,再检测漏水率△A。本发明的质子交换膜电解系统通电工作流程为:首先总电源通电,之后外围系统(包括但不限于安全系统、非电解槽2电源系统、冷却系统、通排风系统等)启动、完成自检,然后电解槽2恒温系统启动,之后电解槽2供水系统启动。电解槽2供水系统启动一定的时间t之后,再检测漏水率△A,避免误判。
设定的时间t为t的0.1~100倍;其中,t为测量的电解系统从冷启动到电解槽2各管路内液体流量稳定的时间。时间t可以根据实际情况决定,通过测量电解系统从冷启动到电解槽2各管路内液体流量稳定时间t,根据t设定t。
本发明不仅适用于上述两实施例的单电解槽2系统,还适用于多电解槽2系统。其只需要在每个电解槽2上均根据电解槽2供水形式不同选择以实施例1或实施例2的方式添加管路流量检测器,并使用和实施例1或实施例2完全相同的方案对每一台电解槽2进行阴阳极互窜监测与判定、报警与电源操控,即可实现对拥有多台电解槽2的质子交换膜水电解系统所有电解槽2的阴阳极互窜故障的通电前识别、报警和动作。
本发明不局限于上述可选实施方式,任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品,但不论在其形状或结构上作任何变化,凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案,均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警方法,其特征在于:包括以下步骤:
当阳极单独供水时,检测阴极产气管的回水流量值作为漏水率△A;当阴阳极同时供水时,检测阳极漏水率△A=|A3-A4|或阴极漏水率△A=|A1-A2|;其中,A1为阴极供水流量,A2为阴极回水流量,A3为阳极供水流量,A4为阳极回水流量;
若△A≤A0,则判定系统工作正常;若△A>A0,则判定电解槽(2)内发生了阴阳极互窜,并发出报警信号;其中,A0为设定的极限阈值;
设定的极限阈值A0为△A的0.1~10倍;其中,△A为测量的系统工作稳定后的漏水率;
启动电解槽(2)供水系统到设置时间t后,再检测漏水率△A;
设定的时间t为t的0.1~100倍;其中,t为测量的电解系统从冷启动到电解槽(2)各管路内液体流量稳定的时间。
2.根据权利要求1所述的一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警方法,其特征在于:判定发生阴阳极互窜时,还向电解电源(3)发出禁止通电信号或断电信号。
3.根据权利要求2所述的一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警方法,其特征在于:对于不具备接受控制系统(4)禁止启动命令能力的电源,在电解槽(2)电源输入或输出线上设置继电器;当判定发生阴阳极互窜时,直接控制继电器断开。
4.根据权利要求1所述的一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警方法,其特征在于:
当阴阳极同时供水时,且阳极供水压力大于阴极供水压力,则通过△A=A3-A4或△A=A2-A1计算漏水率;
当阴阳极同时供水时,且阴极供水压力大于阳极供水压力,则通过△A=A1-A2或△A=A4-A3计算漏水率。
5.用于权利要求1所述的方法的一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警系统,其特征在于:包括控制系统(4),控制系统(4)电连接有液体流量检测器(1);当阳极单独供水时,液体流量检测器(1)安装于阴极产气管上;当阴阳极同时供水时,阴极供水管和阴极回水管,和/或,阳极供水管和阳极回水管分别安装液体流量检测器(1)。
6.根据权利要求5所述的一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警系统,其特征在于:所述控制系统(4)与电解电源(3)电连接。
7.根据权利要求5所述的一种水电解槽阴阳极互窜监测与提前预警系统,其特征在于:所述控制系统(4)与电解电源(3)上连接的继电器电连接。
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