CN116288518B - 电解水制氢的电极激活方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请是关于一种电解水制氢的电极激活方法、装置、设备及存储介质，具体涉及电解水制氢技术领域。所述方法包括：对所述电极执行电位上升过程，所述电位上升过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐增加；对所述电极执行电位下降过程，所述电位下降过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐减少；循环执行所述电位上升过程、所述电位下降过程，直至所述电极激活完成。基于上述技术方案，可以有效激活高电位区域，从而使循环次数大幅减少，进而减少电极激活的激活时间，提升激活效率。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种电解水制氢的电极激活方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
电解水制氢技术是一种高效率、零污染且可以与可再生能源耦合的绿氢制备技术。电解反应中的电极在制备完成之后会装入电解槽中进行使用，在正式使用之前需要通过电极激活来将内部的离子通道完全打开，以实现完全的性能发挥。
相关技术中，主要采用包括循环电压(1.4V～2.3V，共23个循环)、循环电流(0.15A～30A，共68个循环)、恒电压(2.3V)三种方式来进行电极激活。然而这些方式共同的缺点就是耗时长，平均激活时间＞35小时。
因此，亟需一种更加高效的电极激活方法。
发明内容
本申请提供了电解水制氢的电极激活方法、装置、设备及存储介质。该技术方案如下。
一方面，提供了一种电解水制氢的电极激活方法，所述方法包括：
对所述电极执行电位上升过程，所述电位上升过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐增加；
对所述电极执行电位下降过程，所述电位下降过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐减少；
循环执行所述电位上升过程、所述电位下降过程，直至所述电极激活完成。
在一种可能的实现方式中，所述对所述电极执行电位上升过程，包括：
采用电压激活方式，对所述电极执行电位上升过程。
在一种可能的实现方式中，在所述电压激活方式中，
且ΔUi和Δti需满足：
ΔUi>ΔUi+1，Δti＜Δti+1，i＝1,2,3……n；
其中，ΔUi为第i个阶跃电压步长，ΔUi+1为第i+1个阶跃电压步长，Δti为第i个阶跃时间步长，Δti+1为第i+1个阶跃时间步长，n为阶跃的数量，U0为初始电压，U1为结束电压，T1为电位上升过程的总时长。
在一种可能的实现方式中，所述U0是1.3～1.5V范围的一个电压值；所述U1是2.2～2.3V范围的一个电压值。
在一种可能的实现方式中，所述对所述电极执行电位下降过程，包括：
采用电流激活方式，对所述电极执行电位下降过程。
在一种可能的实现方式中，在所述电流激活方式中，
且ΔIj和Δtj需满足：
ΔIj＜ΔIj+1，Δtj>Δtj+1，j＝1,2,3……m；
其中，ΔIj为第j个阶跃电流步长，ΔIj+1为第j+1个阶跃电流步长，Δtj为第j个阶跃时间步长，Δtj+1为第j+1个阶跃时间步长，m为阶跃的数量，I0为结束电流，I1为初始电流，T2为电位下降过程的总时长。
在一种可能的实现方式中，所述I0是0.01～0.1A/cm2范围的一个电流值。
再一方面，提供了一种电解水制氢的电极激活装置，所述装置包括：
上升过程执行模块，用于对所述电极执行电位上升过程，所述电位上升过程中不同电位对应的时间步长逐渐增加；
下降过程执行模块，用于对所述电极执行电位下降过程，所述电位下降过程中不同电位对应的时间步长逐渐减少；
循环模块，用于循环执行所述电位上升过程、所述电位下降过程，直至所述电极激活完成。
再一方面，提供了一种计算机设备，所述计算机设备中包含处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现上述电解水制氢的电极激活方法。
再一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现上述的电解水制氢的电极激活方法。
再一方面，还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述的电解水制氢的电极激活方法。
本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：
在电极激活的单个循环中，电位上升过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐增加，电位下降过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐减少，通过合理调整时间步长，使得高电位下激活所维持的时间更长，有效激活高电位区域，从而使循环次数大幅减少，进而减少电极激活的激活时间，提升激活效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施方式，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是根据一示例性实施例示出的电解水制氢的电极激活方法的方法流程图。
图2是根据一示例性实施例示出的不同电位下的性能变化的示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的电解水制氢的电极激活过程的示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的不同电解水制氢的电极激活方法的性能的示意图。
图5是根据一示例性实施例示出的一种电解水制氢的电极激活装置的结构方框图。
图6是根据一示例性实施例提供的一种计算机设备的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
应理解，在本申请的实施例中提到的“指示”可以是直接指示，也可以是间接指示，还可以是表示具有关联关系。举例说明，A指示B，可以表示A直接指示B，例如B可以通过A获取；也可以表示A间接指示B，例如A指示C，B可以通过C获取；还可以表示A和B之间具有关联关系。
在本申请实施例的描述中，术语“对应”可表示两者之间具有直接对应或间接对应的关系，也可以表示两者之间具有关联关系，也可以是指示与被指示、配置与被配置等关系。
本申请实施例中，“预定义”可以通过在设备(例如，包括终端设备和网络设备)中预先保存相应的代码、表格或其他可用于指示相关信息的方式来实现，本申请对于其具体的实现方式不做限定。
电解水制氢技术是一种高效率、零污染且可以与可再生能源耦合的绿氢制备技术。其反应原理如下：水被通入电极的一侧，在外置电源的电压下被分解为氧气(或氢气)和氢离子(或氢氧根离子)，质子(或氢氧根离子)在电场的作用下穿过膜向另一侧移动，并在膜的另一侧形成氢气(或氧气)。
电解反应中的电极在制备完成之后会装入电解槽中进行使用，但崭新的电极的性能并不能完全发挥，原因在于电极内部的氢离子或氢氧根离子通道并未完全形成，需要通过激活来将内部的离子通道完全打开，以实现完全的性能发挥。
目前，针对质子交换膜燃料电池电极已有较多方法进行激活，方法多为装配前的水化处理以及装配后的恒电压、恒电流、短接、氢泵以及阴极饥饿等方式进行组合。但是，针对电解水制氢(包括碱性水电解、质子交换膜水电解以及阴离子交换膜水电解)的电极的激活方式，并未形成广泛的研究和讨论。电解制氢与燃料电池中电极的运行工况有着根本性的区别：一是含水量，电解水所用的电极需要严格保证浸没在水或者电解液中以保证其产氢效率，而燃料电池所用的电极则需要严格保证其含水量处于非干非湿的状态下；二是反应温度，电解水的工作温度一般在80℃甚至更高，而燃料电池一般不超过60℃。
目前仅有少量的文献针对电解水中的电极给出了示例的激活方法：主要包括循环电压(1.4V～2.3V，共23个循环)、循环电流(0.15A～30A，共68个循环)、恒电压(2.3V)三种方式。然而这些方式有共同的缺点就是耗时巨长，平均激活时间＞35小时，表明这些激活方式不仅效率低下，且存在使电极发生衰减的风险。
针对上述已有方式的缺点，本申请实施例提出了对应的解决方法，可在短时间内使电极完全激活。
下面，结合如下实施例，对本申请提供的技术方案进行进一步说明。
图1是根据一示例性实施例示出的电解水制氢的电极激活方法的方法流程图。如图1所示，该电解水制氢的电极激活方法可以包括如下步骤：
步骤110，对电极执行电位上升过程，电位上升过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐增加。
步骤120，对电极执行电位下降过程，电位下降过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐减少。
在本申请实施例中，对电极进行激活的一个循环包括一个电位上升过程和一个电位下降过程。其中，电位上升过程指的是激活电极时对应的电位是逐渐增加的，电位下降过程指的是激活电极时对应的电位是逐渐减少的。也即，在激活电极的单个循环中，电位是变化的，且变化规律是：在电位上升过程中电位逐渐增加，在电位下降过程中电位逐渐减小。
在本申请实施例中，在激活电极的单个循环中，每个电位对应的时间步长是变化的，且变化规律是：在电位上升过程中，不同电位对应的阶跃时间步长逐渐增加，在电位下降过程中，不同电位对应的阶跃时间步长逐渐减小。
可以理解的是，膜或电极的激活过程中，性能的变化在不同的电位下是不同的。示例性的，结合参考图2，线条1至线条N用于指示不同循环下的性能曲线，曲线上升越缓慢表示性能越好。在低电位下，整个激活过程中的性能的变化幅度比较小，在高电位下，整个激活过程中的性能的变化幅度比较大，因此，在高电位下的激活是更加有效。
基于如上原因，在本申请实施例中，采用变阶跃时间步长的设计，电位上升过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐增加，电位下降过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐减少，使得高电位下激活所维持的时间更长。
步骤130，循环执行电位上升过程、电位下降过程，直至电极激活完成。
在本申请实施例中，步骤110和步骤120构成激活过程中的单个循环，重复执行步骤110和步骤120，通过多个循环完成对电极的激活。
综上所述，本申请实施例提供的电解水制氢的电极激活方法，在电极激活的单个循环中，电位上升过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐增加，电位下降过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐减少，通过合理调整阶跃时间步长，使得高电位下激活所维持的时间更长，有效激活高电位区域，从而使循环次数大幅减少，进而减少电极激活的激活时间，提升激活效率。
在示意性实施例中，采用电压激活方式，对电极执行电位上升过程。
其中，电压激活方式指的是通过电压控制的一种激活方式。在本申请实施例中，电位上升过程采用电压阶跃的方式。
可以理解的是，电压激活方式和电流激活方式对应的响应特性是不同的，相较于电流激活方式而言，电压激活方式可以更快地达到目标值。
在一种可能的实现方式中，在电压激活方式中，
且ΔUi和Δti需满足：
ΔUi>ΔUi+1，Δti＜Δti+1，i＝1,2,3……n；
其中，ΔUi为第i个阶跃电压步长，ΔUi+1为第i+1个阶跃电压步长，Δti为第i个阶跃时间步长，Δti+1为第i+1个阶跃时间步长，n为阶跃的数量，U0为初始电压，U1为结束电压，T1为电位上升过程的总时长。
在本申请实施例中，电压激活方式所执行的电位上升过程，阶跃电压步长非等比例减少，并且阶跃时间步长非等比例增加。示例性的，如图3所示，电压阶跃即为电压激活方式所执行的电位上升过程，随着时间的增加，阶跃电压步长ΔU逐渐减少，阶跃时间步长Δt逐渐增加。
在一种可能的实现方式中，U0是1.3～1.5V范围的一个电压值；U1是2.2～2.3V范围的一个电压值。
在一种可能的实现方式中，n一般取6～10。
综上所述，本申请实施例提供的电解水制氢的电极激活方法，采用电压激活方式，对电极执行电位上升过程，可以较快地达到结束电压，提升激活效率。
在示意性实施例中，采用电流激活方式，对电极执行电位下降过程。
其中，电流激活方式指的是通过电流控制的一种激活方式。在本申请实施例中，电位下降过程采用电流阶跃的方式。
可以理解的是，在电位下降过程中，若采用电压激活方式会导致电解槽的电流出现过冲现象(即电流瞬间急剧增加)，这并不利于电解槽的耐久性。
在一种可能的实现方式中，在电流激活方式中，
且ΔIj和Δtj需满足：
ΔIj＜ΔIj+1，Δtj>Δtj+1，j＝1,2,3……m；
其中，ΔIj为第j个阶跃电流步长，ΔIj+1为第j+1个阶跃电流步长，Δtj为第j个阶跃时间步长，Δtj+1为第j+1个阶跃时间步长，m为阶跃的数量，I0为结束电流，I1为初始电流，T2为电位下降过程的总时长。
在本申请实施例中，电流激活方式所执行的电位下降过程，阶跃电流步长非等比例增加，并且阶跃时间步长非等比例减少。示例性的，如图3所示，电流阶跃即为电流激活方式所执行的电位下降过程，随着时间的增加，阶跃电流步长ΔI逐渐增加，阶跃时间步长Δt逐渐减少。
在一种可能的实现方式中，I0是0.01～0.1A/cm2范围的一个电流值。
在一种可能的实现方式中，m一般取6～10。
综上所述，本申请实施例提供的电解水制氢的电极激活方法，采用电流激活方式，对电极执行电位下降过程，可以避免出现电流过冲现象，减轻使电极发生衰减的风险。
基于如上实施例，阶跃电压步长、阶跃电流步长以及阶跃时间步长的变化其实都是为了在高电压(电流)区域，即图3中半圆形的顶点区域，能够维持更长的时间。因为该区域的激活速度慢，需要更长时间来激活。
基于如上实施例，通过该方法能够大幅下降激活的耗时，平均用时不超过8h。示例性的，结合参考图4，对于传统电压循环的激活方式，以及本申请实施例提供的新激活方式，基于本申请提供的技术方案，不同循环的性能曲线更加接近，且最大电压值对应的最大电流值大幅增加，因此，激活效果更好。
需要说明的是，上述方法实施例可以单独实施例，也可以组合实施，本申请对此不加以限制。
图5是根据一示例性实施例示出的一种电解水制氢的电极激活装置的结构方框图。所述装置包括：
上升过程执行模块501，用于对所述电极执行电位上升过程，所述电位上升过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐增加；
下降过程执行模块502，用于对所述电极执行电位下降过程，所述电位下降过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐减少；
循环模块503，用于循环执行所述电位上升过程、所述电位下降过程，直至所述电极激活完成。
在一种可能的实现方式中，所述上升过程执行模块501，用于采用电压激活方式，对所述电极执行电位上升过程。
在一种可能的实现方式中，在所述电压激活方式中，
且ΔUi和Δti需满足：
ΔUi>ΔUi+1，Δti＜Δti+1，i＝1,2,3……n；
其中，ΔUi为第i个阶跃电压步长，ΔUi+1为第i+1个阶跃电压步长，Δti为第i个阶跃时间步长，Δti+1为第i+1个阶跃时间步长，n为阶跃的数量，U0为初始电压，U1为结束电压，T1为电位上升过程的总时长。
在一种可能的实现方式中，所述U0是1.3～1.5V范围的一个电压值；所述U1是2.2～2.3V范围的一个电压值。
在一种可能的实现方式中，所述下降过程执行模块502，用于采用电流激活方式，对所述电极执行电位下降过程。
在一种可能的实现方式中，在所述电流激活方式中，
且ΔIj和Δtj需满足：
ΔIj＜ΔIj+1，Δtj>Δtj+1，j＝1,2,3……m；
其中，ΔIj为第j个阶跃电流步长，ΔIj+1为第j+1个阶跃电流步长，Δtj为第j个阶跃时间步长，Δtj+1为第j+1个阶跃时间步长，m为阶跃的数量，I0为结束电流，I1为初始电流，T2为电位下降过程的总时长。
在一种可能的实现方式中，所述I0是0.01～0.1A/cm2范围的一个电流值。
需要说明的是：上述实施例提供的电解水制氢的电极激活装置，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的装置与方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
请参阅图6，其是根据本申请一示例性实施例提供的一种计算机设备的示意图，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上述的电解水制氢的电极激活方法。
其中，处理器可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本申请实施方式中的方法对应的程序指令/模块。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施方式中的方法。
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
在一示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储有至少一条计算机程序，所述至少一条计算机程序由处理器加载并执行以实现上述方法中的全部或部分步骤。例如，该计算机可读存储介质可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、只读光盘(Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM)、磁带、软盘和光数据存储设备等。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (6)
1.一种电解水制氢的电极激活方法，其特征在于，所述方法包括：
对所述电极执行电位上升过程，所述电位上升过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐增加；采用电压激活方式，对所述电极执行电位上升过程；
对所述电极执行电位下降过程，所述电位下降过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐减少；采用电流激活方式，对所述电极执行电位下降过程；
循环执行所述电位上升过程、所述电位下降过程，直至所述电极激活完成；
在所述电压激活方式中，
且ΔUi和Δti需满足：
ΔUi＞ΔUi+1，Δti<Δti+1，i＝1，2，3……n；
其中，ΔUi为第i个阶跃电压步长，ΔUi+1为第i+1个阶跃电压步长，Δti为第i个阶跃时间步长，Δti+1为第i+1个阶跃时间步长，n为阶跃的数量，U0为初始电压，U1为结束电压，T1为电位上升过程的总时长；
在所述电流激活方式中，
且ΔIj和Δtj需满足：
ΔIj＜ΔIj+1，Δtj＞Δtj+1，j＝1，2，3……m；
其中，ΔIj为第j个阶跃电流步长，ΔIj+1为第j+1个阶跃电流步长，Δtj为第j个阶跃时间步长，Δtj+1为第j+1个阶跃时间步长，m为阶跃的数量，I0为结束电流，I1为初始电流，T2为电位下降过程的总时长。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述U0是1.3～1.5V范围的一个电压值；
所述U1是2.2～2.3V范围的一个电压值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述I0是0.01～0.1A/cm2范围的一个电流值。
4.一种电解水制氢的电极激活装置，其特征在于，所述装置包括：
上升过程执行模块，用于对所述电极执行电位上升过程，所述电位上升过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐增加；采用电压激活方式，对所述电极执行电位上升过程；
下降过程执行模块，用于对所述电极执行电位下降过程，所述电位下降过程中不同电位对应的阶跃时间步长逐渐减少；采用电流激活方式，对所述电极执行电位下降过程；
循环模块，用于循环执行所述电位上升过程、所述电位下降过程，直至所述电极激活完成；
在所述电压激活方式中，
且ΔUi和Δti需满足：
ΔUi＞ΔUi+1，Δti<Δti+1，i＝1，2，3……n；
其中，ΔUi为第i个阶跃电压步长，ΔUi+1为第i+1个阶跃电压步长，Δti为第i个阶跃时间步长，Δti+1为第i+1个阶跃时间步长，n为阶跃的数量，U0为初始电压，U1为结束电压，T1为电位上升过程的总时长；
在所述电流激活方式中，
且ΔIj和Δtj需满足：
ΔIj＜ΔIj+1，Δtj＞Δtj+1，j＝1，2，3……m；
其中，ΔIj为第j个阶跃电流步长，ΔIj+1为第j+1个阶跃电流步长，Δtj为第j个阶跃时间步长，Δtj+1为第j+1个阶跃时间步长，m为阶跃的数量，I0为结束电流，I1为初始电流，T2为电位下降过程的总时长。
5.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备中包含处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至3任一所述的电解水制氢的电极激活方法。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现如权利要求1至3任一所述的电解水制氢的电极激活方法。
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