CN116426974A - 电解制氢装置的气体渗透系统和测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了提供一种电解制氢装置的气体渗透测试系统和测试方法。气体渗透测试系统包括：待测电解池，待测电解池包括由隔膜间隔开的阳极流道和阴极流道；电解质循环组件，电解质循环组件连通阳极流道或阴极流道其中之一，使电解液在电解质循环组件和阴极流道或阳极流道之间循环；测压组件，测压组件包括缓冲罐，缓冲罐连通阴极流道和阳极流道中未连接电解质循环组件的一侧；缓冲罐设置有测压装置，用于监控缓冲罐内气压。本发明可以解决电解制氢系统的气体渗透量测量器价格昂贵且测试条件苛刻的问题。
Description
技术领域
本发明涉及氢气制备技术领域，具体涉及一种电解制氢装置的气体渗透系统和测试方法。
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。可再生能源如风电具有间歇性、周期性和地域性，存在跨季节大规模储能的挑战。利用可再生能源电解水制氢是一种理想的大规模、长周期的储能方式，同时氢气还是交通、工业、电力、建筑等领域中重要的燃料和化学原料。
电解池的阴极和阳极之间通常采用隔膜来隔绝两侧气体以提高气体纯度，包括无机隔膜、有机聚合物隔膜以及有机-无机聚合物隔膜。此类隔膜虽然能将绝大部分的气体进行隔绝，但仍然无法实现100％的气体隔绝，尤其是在波动性电力下。对气体渗透量的测量是至关重要的，以便于对产品气纯度质量以及安全风险进行准确评估。通常的气体渗透测量是在气体出口使用传感器测量，测试条件苛刻，且传感器价格昂贵。因此需要一种方案，以解决电解制氢系统的气体渗透量测量器价格昂贵且测试条件苛刻的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种电解制氢装置的气体渗透系统和测试方法，以解决电解制氢系统的气体渗透量测量器价格昂贵且测试条件苛刻的问题。
本发明提供一种电解制氢装置的气体渗透测试系统，包括：待测电解池，待测电解池包括由隔膜间隔开的阳极流道和阴极流道；电解质循环组件，电解质循环组件连通阳极流道或阴极流道其中之一，使电解液在电解质循环组件和阴极流道或阳极流道之间循环；测压组件，测压组件包括缓冲罐，缓冲罐连通阴极流道和阳极流道中未连接电解质循环组件的一侧；缓冲罐设置有测压装置，用于监控缓冲罐内气压。
可选的，阳极流道作为电解液消耗侧，连通电解质循环组件，阴极流道作为气体产生侧，连通缓冲罐；或者，阴极流道作为电解液消耗侧，连通电解质循环组件，阳极流道作为气体产生侧，连通缓冲罐。
可选的，电解制氢装置的气体渗透测试系统还包括：电流源，电流源电连接待测电解池的阴极和阳极，提供输出电流。
可选的，电流源的电流调整精度高于0.1％，电流源的电流电压数据的采集频率高于1ms。
可选的，电解质循环组件包括：电解质储存罐，电解质储存罐通过电解质管路连通待测电解池的电解质消耗侧；电解质管路上设置有电解质循环泵，为电解液的循环提供动力。
可选的，缓冲罐通过输气管路连通待测电解池的气体产生侧；缓冲罐还分别连通液体泄压管路和气体泄压管路；液体泄压管路上设置有电解质泄压阀；气体泄压管路上设置有截止阀。
本发明还提供一种电解制氢装置的气体渗透测试方法，使用本发明提供的电解制氢装置的气体渗透测试系统；包括以下步骤：启动电解液循环，使电解液在待测电解池的电解液消耗侧和电解质循环组件之间循环；向待测电解池供电，气体产生侧开始产生气体，产生的气体流入缓冲罐；调整供电电流，使缓冲罐内的压力逐渐上升，直至缓冲罐内压力稳定保持不变；记录此时温度T0和供电电流值I0；根据以下公式计算对应的渗透通量
式中，R为理想气体常数；F为法拉第常数；Tref为预先标定的参考温度；A为渗透能；将预先标定的Tref对应的渗透能A代入，计算得到渗透通量
根据渗透通量/>
评估计算待测电解池的气体渗透状况。
可选的，调整供电电流步骤中，自初始电流值开始逐渐增大，初始电流值为待测电解池的额定电流的0.01％。
可选的，调整供电电流步骤中，电流逐渐增大过程中，每次调整幅度为初始电流值的50％-100％。
可选的，测试过程中，缓冲罐仅连通待测电解池的气体产生侧，封闭其他全部对外出口。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的电解制氢装置的气体渗透测试系统，通过电解质循环组件和待测电解池的单侧流道连通，使得电解液仅在单侧流道中循环，从而产生的气体如果发生渗透，则会从隔膜渗透至未通入电解液一侧；通过缓冲罐的设置，这部分渗透出的气体会进入缓冲罐，从而可以根据缓冲罐内气体的气压情况，测算待测电解池连通电解质循环组件一侧流道的气体渗透情况。相应的，如果需要测试另一侧的渗透情况，只需将电解质循环组件和测压组件与待测电解池的连通情况互换一下即可。这样的电解制氢装置的气体渗透测试系统组件结构简单，测试条件较易达成，成本较低，可以解决电解制氢系统的气体渗透量测量器价格昂贵且测试条件苛刻的问题。
本发明提供的电解制氢装置的气体渗透测试方法，使用本发明提供的电解制氢装置的气体渗透测试系统。使用本实施例提供的测试方法，在本发明提供的电解制氢装置的气体渗透测试系统中，调节电流逐渐增加，至缓冲罐内气体压力不再变化趋于稳定时，认为此时产生的气体量即通过隔膜渗透出来的气体量。因此时压力不再变化，因而测得的数值为稳态数值，便于计算。如此使得测试电解池中的气体渗透情况，转换为测量缓冲罐内的气体压力，进而转换测算气体渗透通量，从而可以评估该待测电解池的气体渗透情况。这样的电解制氢装置的气体渗透测试方法测试条件较易达成，成本较低，可以解决电解制氢系统的气体渗透量测量器价格昂贵且测试条件苛刻的问题。
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为本发明一实施例的电解制氢装置的气体渗透测试系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例的电解制氢装置的气体渗透测试方法的流程示意图。
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，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
参考图1，本发明提供一种电解制氢装置的气体渗透测试系统，包括：
待测电解池2，包括由隔膜22间隔开的阳极流道21和阴极流道23。
电解质循环组件1，连通阳极流道21或阴极流道23其中之一，使电解液在电解质循环组件1和阳极流道21或阴极流道23之间循环。
测压组件，测压组件包括缓冲罐4，连通阴极流道23和阳极流道21中未连接电解质循环组件1的一侧。缓冲罐4设置有测压装置5，用于监控缓冲罐4内气压。
本实施例提供的电解制氢装置的气体渗透测试系统，通过电解质循环组件1和待测电解池2的单侧流道连通，使得电解液仅在单侧流道中循环，从而产生的气体如果发生渗透，则会从隔膜渗透至未通入电解液一侧；通过缓冲罐4的设置，这部分渗透出的气体会进入缓冲罐4，从而可以根据缓冲罐4内气体的气压情况，测算待测电解池2连通电解质循环组件1一侧流道的气体渗透情况。相应的，如果需要测试另一侧的渗透情况，只需将电解质循环组件1和测压组件与待测电解池2的连通情况互换一下即可。即阳极流道21侧或阴极流道23侧的气体渗透均可以测试，可以测试氢气的渗透，也可以测试氧气的渗透。这样的电解制氢装置的气体渗透测试系统组件结构简单，测试条件较易达成，成本较低，可以解决电解制氢系统的气体渗透量测量器价格昂贵且测试条件苛刻的问题。
具体的，阳极流道21作为电解液消耗侧，连通电解质循环组件1，阴极流道23作为气体产生侧，连通缓冲罐4；或者，阴极流道23作为电解液消耗侧，连通电解质循环组件1，阳极流道21作为气体产生侧，连通缓冲罐4。本实施例中为连通阳极流道21连通电解质循环组件1，阴极流道23连通缓冲罐4。
进一步的，电解制氢装置的气体渗透测试系统还包括：电流源3，电流源3电连接待测电解池2的阴极(阴极流道23中的电极)和阳极(阳极流道21中的)，提供输出电流。
具体的，电流源的电流调整精度高于0.1％，电流源的电流电压数据的采集频率高于1ms。
进一步的，电解质循环组件1包括：电解质储存罐11，电解质储存罐11通过电解质管路连通待测电解池的电解质消耗侧；电解质管路上设置有电解质循环泵13，为电解液的循环提供动力。电解质储存罐还通过供给管路连通电解质源，供给管路设置有补充阀12，由补充阀12控制电解质储存罐11内电解液的储量。
进一步的，缓冲罐4通过输气管路8连通待测电解池2的气体产生侧；缓冲罐4还分别连通液体泄压管路和气体泄压管路；液体泄压管路上设置有电解质泄压阀6；气体泄压管路上设置有截止阀7。在测试过程中，电解质泄压阀6和截止阀7均关闭，使缓冲罐4仅连通待测电解池2的气体产生侧，维持密闭状态，从而便于准确监控缓冲罐4内的气压。在测试完成后，需要将缓冲罐4内的气体和液体排出时，分别打开电解质泄压阀6和截止阀7，将缓冲罐4内的气体和液体排出，避免残留的气体和液体干扰后续的测试结果。
实施例2
本实施例提供一种电解制氢装置的气体渗透测试方法，使用上述实施例1提供的电解制氢装置的气体渗透测试系统；包括以下步骤：
启动电解液循环，使电解液在待测电解池的电解液消耗侧和电解质循环组件之间循环；
向待测电解池供电，气体产生侧开始产生气体，产生的气体流入缓冲罐；
调整供电电流，使缓冲罐内的压力逐渐上升，直至缓冲罐内压力稳定保持不变；
记录此时温度T0和供电电流值I0；根据以下公式计算对应的渗透通量
(单位ml/min/cm2或mol/min/cm2，即渗透量/时间/面积)：
式中，R为理想气体常数；F为法拉第常数；Tref为预先标定的参考温度；A为渗透能；将预先标定的Tref对应的渗透能A代入，计算得到渗透通量
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评估计算待测电解池的气体渗透状况。例如，通过使用上述公式，计算其他温度下的渗透能A，根据渗透能A评估该待测电解池2的气体渗透情况。
本实施例提供的电解制氢装置的气体渗透测试方法，使用上述实施例1提供的电解制氢装置的气体渗透测试系统。使用本实施例提供的测试方法，在上述实施例1提供的电解制氢装置的气体渗透测试系统中，调节电流逐渐增加，至缓冲罐内气体压力不再变化趋于稳定时，认为此时产生的气体量即通过隔膜渗透出来的气体量。因此时压力不再变化，因而测得的数值为稳态数值，便于计算。如此使得测试电解池中的气体渗透情况，转换为测量缓冲罐内的气体压力，进而转换测算气体渗透通量，从而可以评估该待测电解池的气体渗透情况。这样的电解制氢装置的气体渗透测试方法测试条件较易达成，成本较低，可以解决电解制氢系统的气体渗透量测量器价格昂贵且测试条件苛刻的问题。
进一步的，调整供电电流步骤中，自初始电流值开始逐渐增大，初始电流值为待测电解池的额定电流的0.01％。由于气体渗透的量通常很小，因此从极低电流开始通电，至达到渗透稳定的电流。
进一步的，调整供电电流步骤中，电流逐渐增大过程中，每次调整幅度为初始电流值的50％-100％。同样的，由于气体渗透的量通常很小，因此调整幅度也以初始电流值，即待测电解池的额定电流的0.01％为调整的基础，在此基础上以其50％-100％的幅度进行调整，避免过小变化不明显，或过大而一次超出渗透电流过多，使测试结果失真。
进一步的，测试过程中，缓冲罐仅连通待测电解池的气体产生侧，封闭其他全部对外出口。即在测试过程中，电解质泄压阀和截止阀均关闭，使缓冲罐仅连通待测电解池的气体产生侧，维持密闭状态，从而便于准确监控缓冲罐内的气压。在测试完成后，需要将缓冲罐内的气体和液体排出时，分别打开电解质泄压阀和截止阀，将缓冲罐内的气体和液体排出，避免残留的气体和液体干扰后续的测试结果。
本发明所公开的技术方案已通过实施例说明如上。相信本领域技术人员可通过上述实施例的说明了解本发明。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。而由此所引伸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 (10)
1.一种电解制氢装置的气体渗透测试系统，其特征在于，包括：
待测电解池，所述待测电解池包括由隔膜间隔开的阳极流道和阴极流道；
电解质循环组件，所述电解质循环组件连通所述阳极流道或所述阴极流道其中之一，使电解液在所述电解质循环组件和所述阳极流道或所述阴极流道之间循环；
测压组件，所述测压组件包括缓冲罐，所述缓冲罐连通所述阴极流道和所述阳极流道中未连接所述电解质循环组件的一侧；所述缓冲罐设置有测压装置，用于监控缓冲罐内气压。
2.根据权利要求1所述的电解制氢装置的气体渗透测试系统，其特征在于，
所述阳极流道作为电解液消耗侧，连通所述电解质循环组件，所述阴极流道作为气体产生侧，连通所述缓冲罐；或者，所述阴极流道作为电解液消耗侧，连通所述电解质循环组件，所述阳极流道作为气体产生侧，连通所述缓冲罐。
3.根据权利要求2所述的电解制氢装置的气体渗透测试系统，其特征在于，还包括：
电流源，所述电流源电连接所述待测电解池的阴极和阳极，提供输出电流。
4.根据权利要求3所述的电解制氢装置的气体渗透测试系统，其特征在于，
所述电流源的电流调整精度高于0.1％，所述电流源的电流电压数据的采集频率高于1ms。
5.根据权利要求2所述的电解制氢装置的气体渗透测试系统，其特征在于，
所述电解质循环组件包括：电解质储存罐，所述电解质储存罐通过电解质管路连通所述待测电解池；所述电解质管路上设置有电解质循环泵，为所述电解液的循环提供动力。
6.根据权利要求2所述的电解制氢装置的气体渗透测试系统，其特征在于，
所述缓冲罐通过输气管路连通所述待测电解池的气体产生侧；所述缓冲罐还分别连通液体泄压管路和气体泄压管路；所述液体泄压管路上设置有电解质泄压阀；所述气体泄压管路上设置有截止阀。
7.一种电解制氢装置的气体渗透测试方法，其特征在于，使用如权利要求2-6中任一项所述的电解制氢装置的气体渗透测试系统；包括以下步骤：
启动电解液循环，使电解液在所述待测电解池的电解液消耗侧和所述电解质循环组件之间循环；
向所述待测电解池供电，所述气体产生侧开始产生气体，产生的所述气体流入所述缓冲罐；
调整供电电流，使所述缓冲罐内的压力逐渐上升，直至所述缓冲罐内压力稳定保持不变；
记录此时温度T0和供电电流值I0；根据以下公式计算对应的渗透通量
式中，R为理想气体常数；F为法拉第常数；Tref为预先标定的参考温度；A为渗透能；将预先标定的Tref对应的渗透能A代入，计算得到渗透通量
根据渗透通量/>
评估计算所述待测电解池的气体渗透状况。
8.根据权利要求7所述的电解制氢装置的气体渗透测试方法，其特征在于，
所述调整供电电流步骤中，自初始电流值开始逐渐增大，所述初始电流值为所述待测电解池的额定电流的0.01％。
9.根据权利要求8所述的电解制氢装置的气体渗透测试方法，其特征在于，
所述调整供电电流步骤中，电流逐渐增大过程中，每次调整幅度为初始电流值的50％-100％。
10.根据权利要求7所述的电解制氢装置的气体渗透测试方法，其特征在于，
测试过程中，所述缓冲罐仅连通所述待测电解池的气体产生侧，封闭其他全部对外出口。
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