CN117904675A - 基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置及控制方法。本发明通过在碱液制氢电解槽和海水之间增加一级中间装置‑微环境装置，通过控制中间装置内的海水纯水浓度，调节纯水自发迁移进入电解槽内部的速度，从而控制电解制氢的纯水消耗速度和补充速度动态平衡，实现电解槽内碱液浓度恒定。该装置及控制方法保证了宽范围输入功率波动条件下，电解槽内碱液浓度能够维持在电导率最优的浓度附近，减小了海水直接制氢的能耗。

Description

基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置及控制方法，属于新能源领域中的海水直接电解制氢技术。

背景技术

氢作为一种高效低碳的能源载体，在交通、工业、电力等多领域拥有丰富的应用场景，因此成为了21世纪人类可持续发展最具潜力的二次清洁能源。电解海水制备绿氢是一种绿色高效获取氢气的方法，但是目前几乎所有的体系都使用淡水资源作为电解液，而全球淡水资源极其有限，仅占总水量的3.5%左右，这无疑加剧了淡水资源短缺问题。与此同时，全球海水资源丰富，直接电解海水产生氢气，其作为燃料又可产生高纯度淡水，从而同时实现海水净化和产氢的双重目的。基于相变迁移驱动的海水直接电解制氢技术，可以实现海水直接电解制氢。该技术在彻底隔绝海水离子的同时，能够实现无淡化过程、无副反应、无额外能耗的高效海水直接电解制氢。

然而，基于相变迁移驱动的海水直接电解制氢面临着诸多问题。由于可再生能源具有间歇性、波动性和随机性的特点，输入功率的波动会导致电解槽消耗水的速度随时间不断变化。由于海水容量远大于电解槽内电解质溶液容量，因此海水中纯水浓度无法受人为控制，当电解槽内的纯水消耗速率波动时，海水自发迁移速度同样会波动，无法实现内部碱液浓度稳定。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置及控制方法，本发明解决了海水直接制氢动态性能差、运行范围窄的问题，使得海水直接制氢在宽范围功率波动条件下实现稳定高效运行。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置，包括疏水性多孔聚四氟乙烯基膜、微环境装置和控制模块；其中，在所述微环境装置内装载用于海水直接制氢的碱液制氢电解槽，所述疏水性多孔聚四氟乙烯基膜设置于碱液制氢电解槽，使微环境装置中的海水中的纯水通过正渗透压差经该膜进入电解槽内部，补充电解槽工作过程中消耗的纯水；所述微环境装置设有进海水阀门和排海水阀门；控制模块用于依据碱液浓度参考值控制进海水阀门开度，使碱液制氢电解槽内碱液浓度恒定和依据微环境内部液位参考值控制排海水阀门开度，使微环境装置内的液位恒定。

进一步地，所述疏水性多孔聚四氟乙烯基膜设置于碱液制氢电解槽的位置包括包裹于碱液制氢电解槽槽体本身、极板。

进一步地，所述控制模块为PI控制器，其中依据碱液浓度参考值控制进海水阀门开度，使碱液制氢电解槽内碱液浓度恒定的控制率表示如下：

；

其中，为进海水阀门的开度，/>为PI控制器，s为拉普拉斯算子，/>为比例系数，/>为积分系数；/>为碱液制氢电解槽内的碱液浓度参考值，/>为碱液制氢电解槽内的实时碱液浓度。

进一步地，所述控制模块为PI控制器，其中依据微环境内部液位参考值控制排海水阀门开度，使微环境装置内的液位恒定的控制率表示如下：

；

其中，为排海水阀门的开度，/>为PI控制器，s为拉普拉斯算子，/>为比例系数，/>为积分系数；/>为微环境装置中的微环境内部液位参考值，/>为微环境装置中的微环境内部实时液位。

一种所述基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置的控制方法，具体为：

在碱液制氢电解槽制氢过程中，实时获取碱液制氢电解槽内的实时碱液浓度和微环境装置中的微环境内部实时液位；控制模块再依据碱液浓度参考值控制进海水阀门开度，使碱液制氢电解槽内碱液浓度恒定和依据微环境内部液位参考值控制排海水阀门开度，使微环境装置内的液位恒定，从而实现电解槽内纯水补充速度与消耗速度动态平衡，保持碱液浓度恒定。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置及控制方法，通过设置微环境装置，结合控制模块控制微环境装置的进海水阀门和出海水阀门开度，能够调节不同工况下海水自发相变迁移进入电解槽的速度，保证电解槽内碱液浓度稳定，减小了海水直接制氢的能耗，实现海水直接电解制氢系统稳定高效运行。

附图说明

图1为本发明提供的基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置示意图；

图2是本发明提供的基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的一种基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置，如图1所示，包括疏水性多孔聚四氟乙烯基膜、微环境装置和控制模块。其中，碱液制氢电解槽置于微环境装置中，所述疏水性多孔聚四氟乙烯基膜设置于碱液制氢电解槽，通过疏水性多孔聚四氟乙烯基膜，使微环境装置中的纯水经该膜进入电解槽。该膜贴附包裹的位置包括但不限于包裹于槽体本身、贴附于极板等。由于膜一侧的微环境装置中的海水，与膜另一侧电解槽内的氢氧化钾溶液之间存在正渗透压差，从而使得海水中的纯水自发迁移进入电解槽内部，补充电解槽工作过程中消耗的纯水。所述的疏水性多孔聚四氟乙烯基膜，只允许水分子蒸汽通过，不允许其他杂质离子通过。

所述的微环境装置，位于碱液制氢电解槽和外界海水之间。微环境装置设有进海水阀门和排海水阀门，一般情况下，进海水阀门设置于微环境装置一侧壁上部，排海水阀门设置于微环境装置一侧壁下部；微环境装置内部为海水，与外界海水通过进海水阀门和排海水阀门相连通，与碱液制氢电解槽通过疏水性多孔聚四氟乙烯基膜相连通。微环境装置通过进海水和排海水操作，从而改变该微环境装置内海水中的纯水浓度，从而可以改变膜两侧的渗透压差，调节海水中的纯水自发迁移进入电解槽内部的速度。即通过控制模块改变阀门开度，实现控制海水进出微环境装置的速度。从而控制电解制氢的纯水消耗速度和补充速度动态平衡，实现电解槽内碱液浓度恒定。具体的，进海水阀门和排海水阀门可采用电磁阀，便于电控，同时控制模块可采用若干PI控制器，分别控制海水阀门和出海水阀门开度，其中依据碱液浓度参考值控制进海水阀门开度，使碱液制氢电解槽内碱液浓度恒定的控制率表示如下：

其中，为进海水阀门的开度，/>为PI控制器，s为拉普拉斯算子，/>为比例系数，/>为积分系数；/>为碱液制氢电解槽内的碱液浓度参考值，/>为碱液制氢电解槽内的实时碱液浓度。

依据微环境内部液位参考值控制排海水阀门开度，使微环境装置内的液位恒定的控制率表示如下：

其中，为排海水阀门的开度，/>为PI控制器，s为拉普拉斯算子，/>为比例系数，/>为积分系数；/>为微环境装置中的微环境内部液位参考值，/>为微环境装置中的微环境内部实时液位。

与前述一种基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置的实施例相对应，本发明还提供了一种基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置的控制方法，该方法通过调节进海水阀门和排海水阀门，动态控制微环境内纯水的浓度和液位，使装置在宽范围功率波动条件下，实现纯水补充速度与消耗速度动态平衡，保持碱液浓度恒定。如图2所示，具体包括以下步骤：

（1）在所述基于渗透环境调控的海水直接制氢装置的碱液制氢电解槽制氢过程中，利用碱液浓度检测装置实时获取碱液制氢电解槽内的实时碱液浓度和利用液位传感器实时获取微环境装置中的微环境内部实时液位；

（2）控制模块依据碱液浓度参考值控制进海水阀门开度，使碱液制氢电解槽内碱液浓度恒定和依据微环境内部液位参考值控制排海水阀门开度，使微环境装置内的液位恒定，从而实现电解槽内纯水补充速度与消耗速度动态平衡，保持碱液浓度恒定。其中，进海水阀门是控制改变其开度，改变微环境装置内纯水浓度，调节膜两侧的渗透压差，控制微环境装置内海水中的纯水进入电解槽的速度，以控制槽内碱液浓度恒定，其控制律表示为：

其中，为进海水阀门的开度，范围为[0,100%],/>为PI控制器，s为拉普拉斯算子，/>为比例系数，/>为积分系数；/>为碱液制氢电解槽内的碱液浓度参考值，可依据实际需求设置，例如设置为30wt%，/>为碱液制氢电解槽内的实时碱液浓度。

排海水阀门是控制改变其开度，调节海水排出微环境装置的速度，以控制微环境装置内的液位恒定，其控制律表示为：

其中，为排海水阀门的开度，范围为[0,100%],/>为PI控制器，s为拉普拉斯算子，/>为比例系数，/>为积分系数；/>为微环境装置中的微环境内部液位参考值，该值一般高于疏水性多孔聚四氟乙烯基膜，使微环境装置内部海水完全覆盖疏水性多孔聚四氟乙烯基膜，实现膜的最大程度利用，/>为微环境装置中的微环境内部实时液位。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置，其特征在于，包括疏水性多孔聚四氟乙烯基膜、微环境装置和控制模块；其中，在所述微环境装置内装载用于海水直接制氢的碱液制氢电解槽，所述疏水性多孔聚四氟乙烯基膜设置于碱液制氢电解槽，使微环境装置内的海水中的纯水通过正渗透压差经该膜进入碱液制氢电解槽内部，补充碱液制氢电解槽工作过程中消耗的纯水；所述微环境装置设有进海水阀门和排海水阀门；控制模块用于依据碱液浓度参考值控制进海水阀门开度，使碱液制氢电解槽内碱液浓度恒定和依据微环境内部液位参考值控制排海水阀门开度，使微环境装置内的液位恒定。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述疏水性多孔聚四氟乙烯基膜设置于碱液制氢电解槽的位置包括包裹于碱液制氢电解槽槽体本身、极板。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制模块为PI控制器，其中依据碱液浓度参考值控制进海水阀门开度，使碱液制氢电解槽内碱液浓度恒定的控制率表示如下：

；

其中，为进海水阀门的开度，/>为PI控制器，s为拉普拉斯算子，/>为比例系数，/>为积分系数；/>为碱液制氢电解槽内的碱液浓度参考值，/>为碱液制氢电解槽内的实时碱液浓度。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制模块为PI控制器，其中依据微环境内部液位参考值控制排海水阀门开度，使微环境装置内的液位恒定的控制率表示如下：

；

其中，为排海水阀门的开度，/>为PI控制器，s为拉普拉斯算子，/>为比例系数，/>为积分系数；/>为微环境装置中的微环境内部液位参考值，/>为微环境装置中的微环境内部实时液位。

5.一种权利要求1-4任一项所述基于渗透环境调控的海水直接制氢控制装置的控制方法，其特征在于，具体为：

在碱液制氢电解槽制氢过程中，实时获取碱液制氢电解槽内的实时碱液浓度和微环境装置中的微环境内部实时液位；控制模块再依据碱液浓度参考值控制进海水阀门开度，使碱液制氢电解槽内碱液浓度恒定和依据微环境内部液位参考值控制排海水阀门开度，使微环境装置内的液位恒定，从而实现电解槽内纯水补充速度与消耗速度动态平衡，保持碱液浓度恒定。