一种用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略的制作方法

1.本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其涉及到一种用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略。


背景技术：

2.电转气，通常是指将电能转化为氢气或其他可燃性气体的技术，以便在需要能量的时候再将气体燃烧或用于其他用途。在现有的电转气技术中，考虑到系统规模、耐用性、技术成熟和成本，碱水电解槽制氢技术是大规模应用的最佳选择。
3.碱水电解槽制氢技术通过输入稳定功率以进行电化学生产氢气。然而，碱水电解槽耦合波动性电力制氢时，碱水电解槽内电位、电流等参数会发生瞬态变化，碱液等传导介质响应滞后，导致局部高电势。另外，由于阴极和阳极侧之间的气体交叉，最小负荷被限制在正常氢气产量的30-40％，从而影响制氢安全性，阻碍了电转气系统的效率和设备使用寿命。
4.因此，如何在输入功率波动性的条件下保持高效水电解制氢效率是碱水电解槽制氢技术的关键挑战。
5.为了解决上述问题，公开号为cn114086203a的专利文件公开了一种间歇、波动电解制氢控制方法，其将所述发电输出功率与电解槽的预设启动功率进行比对，当发电输出功率小于所述预设启动功率(0-30％)时，关闭电解槽，以保证制氢过程安全性的条件下。
6.公开号为cn114004089a专利文件公开了一种电解槽运行范围动态调节的方法，通过获取电解槽当前功率负荷，动态调节电解槽正负极板间距，以提高电解槽运行效率。
7.论文(pressure control strategy to extend the loading range of an alkaline electrolysis system)通过在低负载期间降低系统压力来扩展碱水电解槽制氢系统的负载范围(10％
–
100％)，最大限度地提高系统效率，减少了电力浪费，并显着提高了系统经济性。
8.上述方案能在一定程度缓解碱水电解槽在输入功率波动条件下的应用问题，然而，影响碱水电解槽制氢性能的因素是多维度的，系统控制必须要更加精细化。因此，电解制氢系统如何最大化消纳间歇、波动性的可再生能量发电，并同时保证高效水电解制氢效率和安全性，仍然是一个需要探究最优解的问题。
9.因此，有必要对上述技术进行改善，以克服现有的缺陷。


技术实现要素：

10.本发明的目的是提供一种用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略，针对不同输入功率，通过运行压力、温度、流量的多维协同调控，既能保证高效的水解制氢性能和低的氢氧交叉的安全性，同时也能实现最大化消纳可再生能源电力的目的。
11.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案实现的：
12.一种用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略，包括如下步骤：
13.1)根据碱水电解槽的额定功率，划定若干区间，并为每一个区间设置相应的控制策略；
14.2)碱水电解槽工作时，将其实时的输入功率与额定功率进行比对，并根据比对结果执行所述区间的控制策略。
15.进一步的，当碱水电解槽的输入功率小于额定功率的5％时，执行的控制策略为：关闭电解槽，或切换电源，使得碱水电解槽的输入功率大于额定功率的5％。
16.进一步的，当碱水电解槽的输入功率位于额定功率的5％～30％之间时，执行的控制策略为：通过判断氧中氢的含量，降低碱水电解槽的运行压力，使运行压力处于0.1mpa到额定运行压力之间的范围内，并减小碱液额定循环量，使碱液循环量在额定循环量的20％～50％，关闭碱液冷却水循环。
17.进一步的，当碱水电解槽的输入功率位于额定功率的30％～70％之间时，执行的控制策略为：减小碱液额定循环量，使碱液循环量在额定循环量的50％～80％之间，关闭碱液冷却水循环。
18.进一步的，当碱水电解槽的输入功率位于额定功率的70％～120％之间时，执行的控制策略为：调整碱液冷却水循环，以提升碱水电解槽运行温度。
19.进一步的，当碱水电解槽的输入功率大于额定功率的120％时，执行的控制策略为：调节碱水电解槽的输入功率，使得碱水电解槽工作时的输入功率小于额定功率的120％。
20.进一步的，所述运行压力为水电解过程中氢气侧的压力，所述氧中氢的含量上限为2vol％，当氧中氢的含量超过2vol％时，停止碱水电解槽的运行。
21.进一步的，所述碱水电解槽的输入功率为额定功率的30％～70％和70％～120％时，若运行压力小于2.6mpa，且氧中氢的含量低于2vol％，则增加运行压力至2.6mpa～2.7mpa；若额定运行压力大于2.6mpa，则保持额定运行压力；
22.所述的压力调整相较输入功率的时间延时时长为10-20秒，以便维持氢氧两侧的压差平衡。
23.进一步的，所述的碱水电解槽输入功率为制氢额定功率的70％～120％时，调整碱液冷却水循环以提升电解槽运行温度，电解槽运行温度提升至90℃～100℃范围内。
24.进一步的，所述高精度控制策略适用于波动的输入电源，碱水电解槽的功率负荷范围为5％～120％。
25.综上所述，本发明具有以下有益效果：
26.碱水电解槽制氢技术在波动性电源输入条件下，会面临低负载的功率输入，引起氢氧交叉率增加，导致电解槽运行安全性问题，本发明提供了一种碱水电解槽制氢系统控制策略，在低负载功率(即电解槽额定功率5％～30％范围)输入时，一方面通过降低运行压力，减小氢气渗透率，使得碱水电解槽运行负载范围变宽(5％～120％)，另一方面，减小碱液循环量和关闭碱液冷却水循环，很大程度上延缓碱槽温度降低，保证碱水电解槽响应速度和水解热力学效率。
27.本发明提供的一种碱水电解槽制氢系统控制策略，通过调整压力、温度、碱液循环量，进行精准化控制设计，控制策略智能、高效、快捷，能够保证电解槽安全运行的同时增加电解槽水解制氢效率。采用本发明提供的碱水电解槽制氢系统控制策略能够促进可再生能
源发电在离网/并网模式下的消纳利用。
附图说明
28.图1为本发明提供的碱水电解槽制氢的高精度控制策略流程图。
29.图2为采用本发明提供的系统控制策略的效率和氧中氢浓度图。
具体实施方式
30.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
31.如图1所示，本发明提出的一种用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略，包括如下步骤：
32.1)根据碱水电解槽的额定功率，划定若干区间，并为每一个区间设置相应的控制策略；
33.2)碱水电解槽工作时，将其实时的输入功率与额定功率进行比对，并根据比对结果执行所述区间的控制策略。
34.当碱水电解槽的输入功率小于额定功率的5％时，执行的控制策略为：关闭电解槽，或切换电源，使得碱水电解槽的输入功率大于额定功率的5％。
35.当碱水电解槽的输入功率位于额定功率的5％～30％之间时，执行的控制策略为：通过判断氧中氢的含量，降低碱水电解槽的运行压力，使运行压力处于0.1mpa到额定运行压力之间的范围内，并减小碱液额定循环量，使碱液循环量在额定循环量的20％～50％，关闭碱液冷却水循环。
36.当碱水电解槽的输入功率位于额定功率的30％～70％之间时，执行的控制策略为：减小碱液额定循环量，使碱液循环量在额定循环量的50％～80％之间，关闭碱液冷却水循环。
37.当碱水电解槽的输入功率位于额定功率的70％～120％之间时，执行的控制策略为：调整碱液冷却水循环，以提升碱水电解槽运行温度。
38.当碱水电解槽的输入功率大于额定功率的120％时，执行的控制策略为：调节碱水电解槽的输入功率，使得碱水电解槽工作时的输入功率小于额定功率的120％。
39.所述运行压力为水电解过程中氢气侧的压力，所述氧中氢的含量上限为2vol％，当氧中氢的含量超过2vol％时，停止碱水电解槽的运行。
40.所述碱水电解槽的输入功率为额定功率的30％～70％和70％～120％时，若运行压力小于2.6mpa，且氧中氢的含量低于2vol％，则增加运行压力至2.6mpa～2.7mpa；若额定运行压力大于2.6mpa，则保持额定运行压力；
41.所述的压力调整相较输入功率的时间延时时长为10-20秒，以便维持氢氧两侧的压差平衡。
42.所述的碱水电解槽输入功率为制氢额定功率的70％～120％时，调整碱液冷却水循环以提升电解槽运行温度，电解槽运行温度提升至90℃～100℃范围内。
43.所述高精度控制策略适用于波动的输入电源，碱水电解槽的功率负荷范围为5％～120％。
44.图2为采用本发明提供的系统控制策略的水解效率和氧中氢浓度图，以产氢量500标方/小时的碱水电解槽系统为例，可见在碱水电解槽的功率负荷范围为5％～120％，氧中氢的含量可以保持在2vol％内，通过调整运行压力、温度和碱液循环量，在功率负荷范围为5％～120％内水解效率大于60％，保证了电解槽安全运行的同时保证高的电解槽水解制氢效率。
45.在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”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，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本发明的限制。
46.在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
47.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界。

技术特征：
1.一种用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略，其特征在于，包括如下步骤：1)根据碱水电解槽的额定功率，划定若干区间，并为每一个区间设置相应的控制策略；2)碱水电解槽工作时，将其实时的输入功率与额定功率进行比对，并根据比对结果执行所述区间的控制策略。2.根据权利要求1所述的用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略，其特征在于，当碱水电解槽的输入功率小于额定功率的5％时，执行的控制策略为：关闭电解槽，或切换电源，使得碱水电解槽的输入功率大于额定功率的5％。3.根据权利要求1所述的用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略，其特征在于，当碱水电解槽的输入功率位于额定功率的5％～30％之间时，执行的控制策略为：通过判断氧中氢的含量，降低碱水电解槽的运行压力，使运行压力处于0.1mpa到额定运行压力之间的范围内，并减小碱液额定循环量，使碱液循环量在额定循环量的20％～50％，关闭碱液冷却水循环。4.根据权利要求1所述的用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略，其特征在于，当碱水电解槽的输入功率位于额定功率的30％～70％之间时，执行的控制策略为：减小碱液额定循环量，使碱液循环量在额定循环量的50％～80％之间，关闭碱液冷却水循环。5.根据权利要求1所述的用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略，其特征在于，当碱水电解槽的输入功率位于额定功率的70％～120％之间时，执行的控制策略为：调整碱液冷却水循环，以提升碱水电解槽运行温度。6.根据权利要求1所述的用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略，其特征在于，当碱水电解槽的输入功率大于额定功率的120％时，执行的控制策略为：调节碱水电解槽的输入功率，使得碱水电解槽工作时的输入功率小于额定功率的120％。7.根据权利要求3所述的用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略，其特征在于，所述运行压力为水电解过程中氢气侧的压力，所述氧中氢的含量上限为2vol％，当氧中氢的含量超过2vol％时，停止碱水电解槽的运行。8.根据权利要求7所述的用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略，其特征在于，所述碱水电解槽的输入功率为额定功率的30％～70％和70％～120％时，若运行压力小于2.6mpa，且氧中氢的含量低于2vol％，则增加运行压力至2.6mpa～2.7mpa；若额定运行压力大于2.6mpa，则保持额定运行压力；所述的压力调整相较输入功率的时间延时时长为10-20秒，以便维持氢氧两侧的压差平衡。9.根据权利要求1所述的用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略，其特征在于，所述的碱水电解槽输入功率为制氢额定功率的70％～120％时，调整碱液冷却水循环以提升电解槽运行温度，电解槽运行温度提升至90℃～100℃范围内。10.根据权利要求1所述的用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略，其特征在于，所述高精度控制策略适用于波动的输入电源，碱水电解槽的功率负荷范围为5％～120％。

技术总结
本发明公开了一种用于碱水电解槽制氢的高精度控制策略，其特征在于，包括如下步骤：1)根据碱水电解槽的额定功率，划定若干区间，并为每一个区间设置相应的控制策略；2)碱水电解槽工作时，将其实时的输入功率与额定功率进行比对，并根据比对结果执行所述区间的控制策略。本发明在低负载功率输入时，通过降低运行压力，减小氢气渗透率，使得碱水电解槽运行负载范围变宽，同时还通过减小碱液循环量和关闭碱液冷却水循环，延缓碱槽温度降低，保证碱水电解槽响应速度和水解热力学效率。本发明针对不同输入功率，通过运行压力、温度、流量的多维协同调控，既能保证高效的水解制氢性能和低的氢氧交叉的安全性，也能实现最大化消纳可再生能源电力的目的。能源电力的目的。能源电力的目的。


技术研发人员：王森 唐超杰
受保护的技术使用者：上海舜华新能源系统有限公司
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/8/14