CN114941143A - 一种大型碱水电解槽电流供给系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型碱水电解槽电流供给系统及控制方法，系统包括上位机、整流电路模块、接线柱模块、监测模块和电解槽，整流电路模块包括整流电路和整流电路控制单元，接线柱模块包括多个接线柱和多个接线柱控制单元；整流电路用于输入电流至各个接线柱，整流电路控制单元用于控制整流电路的输出电流大小；接线柱用于输入电流值电解槽，接线柱控制单元用于控制接线柱的输出电流大小；监测模块用于监测电解槽的工作参数。与现有技术相比，本发明提供了整流电路控制单元对整流电路的输出电流进行控制，提供了接线柱控制单元对接线柱的输出电流进行控制，从而可以控制输入电解槽的总电流大小和各个接线柱输入电解槽的电流大小。

Description

一种大型碱水电解槽电流供给系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其是涉及一种大型碱水电解槽电流供给系统及控制方法。

背景技术

电解水制氢是制备高纯度氢气最重要的手段之一，而碱性电解水制氢又是其中发展最悠久、应用最广泛的技术。随着对可再生能源需求的加大，对于大规模的高纯度氢气制备的需要也越来越强，为了解决这一问题，需要生产大型碱水电解槽。一般而言，通过整流电路连接供电端和电解槽正负极来电解制氢，但是，大型碱水电解槽应用传统的接线供电方式时，在大功率条件和变功率条件下工作不够稳定，电流控制精确性得不到保证，因此针对大功率碱水电解槽的控制研究十分重要。

经过对现有技术的文献检索发现，目前工业上的研究多集中在单独依靠控制整流电路电流大小对电解槽的电流进行控制。如中国专利CN202110089016.4公开了“一种电流源型PWM整流器电解水制氢系统及控制方法”，该专利提出一种以三相电流源型PWM整流器加上控制单元实现均流控制，其优点在于电流源型整流器容量较大、可靠性高，可以用于大规模生产。但是，针对大型碱水电解槽，目前的研究中尚未关注在大功率条件下工作时碱水电解槽内部电极反应剧烈程度各区域不均的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大型碱水电解槽电流供给系统及控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种大型碱水电解槽电流供给系统，包括上位机、整流电路模块、接线柱模块、监测模块和电解槽，所述整流电路模块包括整流电路和整流电路控制单元，所述接线柱模块包括多个接线柱和多个接线柱控制单元；

所述上位机与整流电路控制单元、接线柱控制单元和监测模块相连接；

所述整流电路与接线柱相连接，用于输入电流至各个接线柱，所述整流电路控制单元与整流电路相连接，用于控制整流电路的输出电流大小；

所述接线柱安装在电解槽上，用于输入电流至电解槽，所述接线柱控制单元的数量与接线柱的数量相对应，与接线柱相连接，用于控制接线柱的输出电流大小；

所述监测模块安装在电解槽上，用于监测电解槽的工作参数。

优选的，还包括触发电路，所述触发电路与上位机和整流电路相连接，用于触发整流电路。

优选的，所述监测模块包括多个温度传感器和多个压力传感器，所述温度传感器和压力传感器安装在电解槽内，用于获取电解槽内的温度值、氢气压力值和氧气压力值。

优选的，所述监测模块包括电流传感器和功率获取单元，所述电流传感器安装在电解槽内，用于获取整流电路以及各个接线柱的输出电流值，所述功率获取单元用于获取电解槽的输入功率。

优选的，还包括故障保护模块，所述故障保护模块与整流电路相连接，用于切断整流电路的输出电流。

优选的，所述故障保护模块与上位机相连接，故障保护模块接收上位机的控制信号并工作。

优选的，所述故障保护模块与监测模块相连接，故障保护模块内置处理器芯片，处理器芯片接收监测模块给出的电解槽工作参数并工作。

优选的，还包括报警模块，所述报警模块与故障保护模块相连接，用于输出报警信号。

一种大型碱水电解槽电流控制方法，包括以下步骤：

S1、获取电解槽的工作参数，包括输入功率、电解槽内的温度、电解槽内的电流、氢气压力和氧气压力，执行步骤S2；

S2、基于工作参数判断电解槽的当前状态，若处在稳定工况条件下，则执行步骤S3，若处在变工况条件下，则执行步骤S4；

S3、若电解槽在低功率区间工作，则根据输入功率确定电解槽内电流的设定值，将整流电路的输出电流调整至设定值，返回步骤S1，若电解槽在高功率区间工作，则根据输入功率确定电解槽内电流的设定值，将整流电路的输出电流调整至设定值，再对各个接线柱的输出电流进行调整，直至电解槽内各区域稳定工作，返回步骤S1；

S4、若输入功率需要增加，则根据功率变化计算电流变化量，确定电解槽内电流的设定值，将整流电路的输出电流调整至低于设定值，再增大各个接线柱的输出电流，直至电解槽内电流增加至设定值，返回步骤S1，若输入功率需要减小，则根据功率变化计算电流变化量，确定电解槽内电流的设定值，将整流电路的输出电流调整至高于设定值，再减小各个接线柱的输出电流，直至电解槽内电流减小至设定值，返回步骤S1。

优选的，步骤S2中，若电解槽处在故障状态条件下，则执行步骤S5，如下：

步骤S5、电解槽停机，将整流电路的输出电流调整为零，故障清除后重新启动，返回步骤S1。

优选的，步骤S3中，电解槽的额定输入功率为X0，工作范围为0.3X0～1.2X0，获取输入功率X1，若0.3X0≤X1≤0.8X0，则电解槽在低功率区间工作，若0.8X0<X1≤1.2X0，则电解槽在高功率区间工作。

优选的，步骤S4中，根据功率变化计算电流变化量，确定电解槽内电流的设定值I，输入功率需要增加时，将整流电路的输出电流调整0.9I，再增大各个接线柱的输出电流至I，输入功率需要减小时，将整流电路的输出电流调整1.1I，再减小各个接线柱的输出电流至I。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)一方面，提供了整流电路控制单元对整流电路的输出电流进行控制，从而可以控制输入电解槽的总电流大小，另一方面，提供了接线柱控制单元对接线柱的输出电流进行控制，从而可以控制各个接线柱输入电解槽的电流大小，故本申请可以精确对电解槽内的电流进行控制，且控制更加灵活，可控范围更广。

(2)在稳定工况条件下，根据输入功率的大小，若电解槽在低功率区间工作，仅使用整流电路控制单元控制总的电流即可，接线柱控制单元不开启，可以提高系统运行效率，减少模块运行，降低成本，若电解槽在高功率区间工作，则整流电路控制单元控制总的电流稳定，保证整体功率和制氢效率，而接线柱控制单元进行辅助控制，改善电解槽内的电流分布，避免部分区域反应过于剧烈，增加了电解槽工作的稳定性并提高了电解槽的使用寿命，极大地提高了经济效益。

(3)考虑到输入功率变化时电流会出现波动，因此，现将整流电路的输出电流调整至略大于或小于设定值，再通过接线柱控制单元进行缓慢调整，保证电流的稳定控制，从而避免功率变化时电流波动导致的电流不稳定问题。

附图说明

图1为大型碱水电解槽电流供给系统的结构示意图；

图2为大型碱水电解槽电流控制方法的流程图；

附图标记：1、上位机，2、触发电路，3、整流电路，4、整流电路控制单元，5、接线柱，6、接线柱控制单元，7、电解槽，8、监测模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。

实施例1：

经过发明人的研究，对于大型电解槽，在大功率和变功率条件下，其内部各区域的电极反应剧烈程度不一致，现有的供电系统一般只能调节电解槽的总输入电流，从而无法保证电解槽在大功率和变功率条件下的电流稳定性。由此，本申请提供了一种大型碱水电解槽电流供给系统。

一种大型碱水电解槽电流供给系统，如图1所示，包括：上位机1、触发电路2、整流电路模块、接线柱模块、监测模块8和电解槽7，整流电路模块包括整流电路3和整流电路控制单元4，接线柱模块包括多个接线柱5和多个接线柱控制单元6；

其中，上位机1与触发电路2、整流电路控制单元4、接线柱控制单元6和监测模块8相连接，上位机1可以为电脑、微处理器、控制柜等，亦可以理解为控制单元、总控单元等；触发电路2用于触发整流电路3；整流电路3与接线柱5相连接，用于输入电流至各个接线柱5，整流电路控制单元4与整流电路3相连接，用于控制整流电路3的输出电流大小；接线柱5安装在电解槽7上，用于输入电流至电解槽7，接线柱控制单元6的数量与接线柱5的数量相对应，与接线柱5相连接，用于控制接线柱5的输出电流大小；监测模块8安装在电解槽7上，用于监测电解槽7的工作参数。

监测模块8包括多个温度传感器，温度传感器安装在电解槽7内，用于获取电解槽7内的温度值；监测模块8包括多个压力传感器，压力传感器安装在电解槽7内，用于获取电解槽7的氢气压力值和氧气压力值；监测模块8包括电流传感器，电流传感器安装在电解槽7内，用于获取整流电路3以及各个接线柱5的输出电流值；监测模块8包括功率获取单元，功率获取单元用于获取电解槽7的输入功率。监测模块8可以实时获取电解槽7的工作参数，如槽内温度、流过电解槽的电流、氢气压力、氧气压力、输入功率、氢气氧气之间的压差等。

此外，电流供给系统还包括故障保护模块，故障状态包括输入过压、输入欠压、输入过流、输出过流、电解槽7过温以及氢气氧气压力差过大等等，故障保护模块与整流电路3相连接，用于切断整流电路3的输出电流。故障保护模块可以是手动开关的，由工作人员判断电解槽7是否处于故障状态，进而实现故障保护；也可以令故障保护模块与上位机1相连接，故障保护模块接收上位机1的控制信号并工作。还可以令故障保护模块与监测模块8相连接，故障保护模块内置处理器芯片或者判断电路等，处理器芯片接收监测模块8给出的电解槽7工作参数，并判断故障状态和工作。进一步地，还可以包括报警模块，报警模块与故障保护模块相连接，用于输出报警信号，如使用蜂鸣器和LED灯实现声光报警。应当理解的是，上述故障状态及其判定条件是本领域的公知常识，此处不再赘述。

本发明的技术方案中，一方面，提供了整流电路控制单元4对整流电路3的输出电流进行控制，从而使得操作人员可以方便地控制输入电解槽7的总电流大小，另一方面，提供了接线柱控制单元6对接线柱5的输出电流进行控制，从而使得操作人员可以控制各个接线柱5输入电解槽7的电流大小，即可以控制电解槽7内各处的电流。综上，现有的技术方案中基本只能控制输入电解槽7的总电流大小，对于多接线柱5的电解槽7，无法提供对各处的电流控制，本申请的结构设计使得能够从全局和局部对电解槽7进行电流控制，可以对输入电解槽7的整体电流以及不同接线柱5的输入电流进行控制，使得电解槽7的电流控制精度大幅提升，电解槽7各处能够稳定反应，从而延长了电解槽7寿命，提高了电解槽7的工作稳定性。

应当理解的是，本发明未对触发电路2、整流控制电路、接线柱5控制电路、故障保护模块、报警模块等进行限定，本领域技术人员可以按照常规理解实现，如使用脉冲电路作为触发电路2、通过电阻调节实现输出电流的大小调节、通过判断电路实现故障判断、通过通断开关实现电流切断、通过投切开关实现报警电路触发等等，在此不再赘述。

一种大型碱水电解槽电流控制方法，适用于多电流输入接线柱设计的碱水电解槽，包括以下步骤：

S1、获取电解槽的工作参数，包括输入功率、电解槽内的温度、电解槽内的电流、氢气压力和氧气压力，执行步骤S2；

S2、基于工作参数判断电解槽的当前状态，若处在稳定工况条件下，则执行步骤S3，若处在变工况条件下，则执行步骤S4，若电解槽处在故障状态条件下，则执行步骤S5；

S3、若电解槽在低功率区间工作，则根据输入功率确定电解槽内电流的设定值，将整流电路的输出电流调整至设定值，返回步骤S1，若电解槽在高功率区间工作，则根据输入功率确定电解槽内电流的设定值，将整流电路的输出电流调整至设定值，再对各个接线柱的输出电流进行调整，直至电解槽内各区域稳定工作，返回步骤S1；

S4、若输入功率需要增加，则根据功率变化计算电流变化量，确定电解槽内电流的设定值，将整流电路的输出电流调整至低于设定值，再增大各个接线柱的输出电流，直至电解槽内电流缓慢增加至设定值，返回步骤S1，若输入功率需要减小，则根据功率变化计算电流变化量，确定电解槽内电流的设定值，将整流电路的输出电流调整至高于设定值，再减小各个接线柱的输出电流，直至电解槽内电流缓慢减小至设定值，返回步骤S1；

步骤S5、故障状态下，执行故障保护停机，电解槽停机，将整流电路的输出电流调整为零，直至故障清除后重新启动，返回步骤S1。

如图2所示，图2给出了本实施例实现上述电流控制方法的流程图，先判断是否出现故障，再区分稳定工况条件和变工况条件进行控制，稳定工况条件下根据低功率区间和高功率区间进行控制，变工况条件下根据输入功率增加和输入功率减小进行控制。

对于多接线柱设计的电解槽，接线柱的输出电流即接线柱所对应的电解槽区域的电解槽内电流。为避免部分区域的反应过于剧烈，在高功率区间和变功率条件下对整流电路和接线柱的电流进行两级调控，由接线柱控制单元对电解槽内电流进行辅助控制，可以充分改善电解槽内的电流分布，本申请使电解槽在不同工况下工作保持稳定，在电解槽电流稳定的同时提高电流的控制精度，保证电解槽各区域反应趋于稳定，进而提升制氢的安全性和效率。

具体的，步骤S2中，依据上位机要求的输入功率大小，可以确定电解槽内电流的设定值，再通过触发电路触发整流电路，输入电流到电解槽中进行电解，电解槽再通过监测模块反馈温度、压差、电流大小等数据到上位机，通过温度、压差、电流等多项数据判断电解槽是否出现故障，通过电流数据判断电流稳定情况，再实时获取输入功率，结合输入功率的变化选择不同的电流控制方法。

具体的，步骤S3中，电解槽的额定输入功率为X0，工作范围为0.3X0～1.2X0，获取输入功率X1，若0.3X0≤X1≤0.8X0，则电解槽在低功率区间工作，需要较小的电解槽内电流，此时电流较低，整体工作比较稳定，因此上位机给定输入信号，根据输入功率将整流电路的输出电流调整至设定值，通过整流电路控制单元将电解槽内电流稳定在设定值附近；若0.8X0<X1≤1.2X0，则电解槽在高功率区间工作，需要较大的电解槽内电流，此时电流较大，电解槽工作可能出现不稳定的情况，因此，在整流电路的输出电流调整至设定值后，利用接线柱电流控制单元控制电解槽内电流的大小，保证各区域稳定工作。应当理解的是，对于本领域技术人员而言，根据其实际工况、电解槽的工作参数和工作经验，可以自行设定低功率区间和高功率区间的功率范围，本实施例仅给出较优的建议，在此不做限制。

具体的，步骤S4中，根据功率变化计算电流变化量，确定电解槽内电流的设定值I，输入功率需要增加时，将整流电路的输出电流调整0.9I，再增大各个接线柱的输出电流至I，当然，若电流密度已超过0.9I，则整流电路控制单元不需要再调整，直接通过接线柱电流控制单元缓慢增加电流至I。输入功率需要减小时，将整流电路的输出电流调整1.1I，再减小各个接线柱的输出电流至I，当然，若电流密度已低于1.1I，则整流电路控制单元不需要再调整，直接通过接线柱电流控制单元缓慢降低电流至I。应当理解的是，对于本领域技术人员而言，可以自行设定整流电路的输出电流与设定值I的差值，如输入功率增大时将整流电路的输出电流调整为0.95I、0.89I等等，输入功率减小时将整流电路的输出电流调整为1.08I、1.12I等等，本实施例仅给出较优的建议，在此不做限制。

具体的，步骤S5中，故障状态包括输入过压、输入欠压、输入过流、输出过流、电解槽过温以及氢气氧气压力差过大等故障情况，可以切断触发电路，使得整流电路的输出电流为零，等待故障清除后再返回步骤S1处理。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大型碱水电解槽电流供给系统，其特征在于，包括上位机、整流电路模块、接线柱模块、监测模块和电解槽，所述整流电路模块包括整流电路和整流电路控制单元，所述接线柱模块包括多个接线柱和多个接线柱控制单元；

所述上位机与整流电路控制单元、接线柱控制单元和监测模块相连接；

所述整流电路与接线柱相连接，用于输入电流至各个接线柱，所述整流电路控制单元与整流电路相连接，用于控制整流电路的输出电流大小；

所述接线柱安装在电解槽上，用于输入电流至电解槽，所述接线柱控制单元的数量与接线柱的数量相对应，与接线柱相连接，用于控制接线柱的输出电流大小；

所述监测模块安装在电解槽上，用于监测电解槽的工作参数。

2.根据权利要求1所述的一种大型碱水电解槽电流供给系统，其特征在于，还包括触发电路，所述触发电路与上位机和整流电路相连接，用于触发整流电路。

3.根据权利要求1所述的一种大型碱水电解槽电流供给系统，其特征在于，所述监测模块包括多个温度传感器和多个压力传感器，所述温度传感器和压力传感器安装在电解槽内，用于获取电解槽内的温度值、氢气压力值和氧气压力值。

4.根据权利要求1所述的一种大型碱水电解槽电流供给系统，其特征在于，所述监测模块包括电流传感器和功率获取单元，所述电流传感器安装在电解槽内，用于获取整流电路以及各个接线柱的输出电流值，所述功率获取单元用于获取电解槽的输入功率。

5.根据权利要求1所述的一种大型碱水电解槽电流供给系统，其特征在于，还包括故障保护模块，所述故障保护模块与整流电路相连接，用于切断整流电路的输出电流。

6.根据权利要求5所述的一种大型碱水电解槽电流供给系统，其特征在于，还包括报警模块，所述报警模块与故障保护模块相连接，用于输出报警信号。

7.一种大型碱水电解槽电流控制方法，其特征在于，基于如权利要求1-6中任一所述的大型碱水电解槽电流供给系统实现，包括以下步骤：

S1、获取电解槽的工作参数，包括输入功率、电解槽内的温度、电解槽内的电流、氢气压力和氧气压力，执行步骤S2；

S2、基于工作参数判断电解槽的当前状态，若处在稳定工况条件下，则执行步骤S3，若处在变工况条件下，则执行步骤S4；

S3、若电解槽在低功率区间工作，则根据输入功率确定电解槽内电流的设定值，将整流电路的输出电流调整至设定值，返回步骤S1，若电解槽在高功率区间工作，则根据输入功率确定电解槽内电流的设定值，将整流电路的输出电流调整至设定值，再对各个接线柱的输出电流进行调整，直至电解槽内各区域稳定工作，返回步骤S1；

S4、若输入功率需要增加，则根据功率变化计算电流变化量，确定电解槽内电流的设定值，将整流电路的输出电流调整至低于设定值，再增大各个接线柱的输出电流，直至电解槽内电流增加至设定值，返回步骤S1，若输入功率需要减小，则根据功率变化计算电流变化量，确定电解槽内电流的设定值，将整流电路的输出电流调整至高于设定值，再减小各个接线柱的输出电流，直至电解槽内电流减小至设定值，返回步骤S1。

8.根据权利要求7所述的一种大型碱水电解槽电流控制方法，其特征在于，步骤S2中，若电解槽处在故障状态条件下，则执行步骤S5，如下：

步骤S5、电解槽停机，将整流电路的输出电流调整为零，故障清除后重新启动，返回步骤S1。

9.根据权利要求7所述的一种大型碱水电解槽电流控制方法，其特征在于，步骤S3中，电解槽的额定输入功率为X0，工作范围为0.3X0～1.2X0，获取输入功率X1，若0.3X0≤X1≤0.8X0，则电解槽在低功率区间工作，若0.8X0<X1≤1.2X0，则电解槽在高功率区间工作。

10.根据权利要求7所述的一种大型碱水电解槽电流控制方法，其特征在于，步骤S4中，根据功率变化计算电流变化量，确定电解槽内电流的设定值I，输入功率需要增加时，将整流电路的输出电流调整0.9I，再增大各个接线柱的输出电流至I，输入功率需要减小时，将整流电路的输出电流调整1.1I，再减小各个接线柱的输出电流至I。

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