一种分段式碱性电解槽及其自适应功率控制方法

1.本发明属于电解水技术领域，更具体地，涉及一种分段式碱性电解槽及其自适应功率控制方法。


背景技术：

2.氢能是可再生能源规模化高效利用的重要载体，具有大规模、长周期储能优势。将氢能系统同新能源电网耦合是一项非常具有挑战的任务，需要确保系统的稳定性。由可再生能源供电的碱水电解槽的主要问题是由于低载荷负下引起的气体杂质(氢氧混合)，当外来气体污染达到2vol.％时，可能会导致安全停机。因此，系统只能在可再生能源充足的时间段运行，碱性电解水制氢系统的年运行时间受到限制。综上所述，现有的可再生能源驱动的碱性电解槽存在功率运行范围限制和气体杂质积累稳态。
3.现有技术中，专利文献cn202120934959.8和cn202220519118.5均公开了一种碱性水电解槽装置，但该装置均只有一个阳极和一个阴极，并不是每个电池都有独立的阳极和阴极电源，且并没有解决可再生能源供电的碱水电解槽中由于低载荷下造成的气体杂质问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种分段式碱性电解槽及其自适应功率控制方法，其目的在于解决碱性电解槽存在功率运行范围限制和气体杂质积累稳态的技术问题。
5.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种分段式碱性电解槽，所述电解槽包括分别位于电解槽两端的阳极板和阴极板以及位于电解槽中的多个极板，多个极板将电解槽分割为多个小室，每个小室中间都有隔膜；所述极板的正反两面具有相反的极性，若小室的一个共用极板正面是阳性，则相邻小室的所述共用极板反面是阴性，若小室的一个共用极板正面是阴性，则相邻小室的所述共用极板反面是阳性；多个相邻的小室组合为一个小室集合，在所述位于电解槽两端的阳极板和阴极板之间的总电势作用下，各个所述极板均匀的分配电势，使每个小室集合形成具有独立供电阳极板与独立供电阴极板的电解池。
6.优选的，所述电解槽的缸框下部分开有多个液体通道孔，被隔膜隔开的小室两侧分别通过一个所述液体通道孔补充电解液。
7.优选的，所述电解槽中的极板外接有开关，用来控制极板的通断。
8.第二方面，本发明提供了一种分段式碱性电解槽自适应功率控制方法，所述方法包括以下步骤：
9.(1)将电解槽中所有小室均匀分为预设数量的小室集合；
10.(2)开启一半数量的小室集合；
11.(3)调整所述电解槽电流，使电解槽功率等于输入功率；
12.(4)此时若所述电解槽电流密度小于电解槽停机电流密度，则关闭一个小室集合，
并返回步骤(3)；若所述电解槽电流密度大于最大工作电流密度，则新开启一个小室集合，并返回步骤(3)；否则直接进入步骤(5)；
13.(5)将所述电解槽的平均温度控制在电解槽正常工作温度范围内；
14.(6)此时判断是否到达运行结束时间，若未达到运行结束时间，则返回步骤(3)；否则电解槽结束运行；
15.所述电解槽为第一方面中任意一种所述的电解槽。
16.优选的，所述步骤(5)中，通过调节进入电解槽的电解液温度来控制电解槽的平均温度。
17.第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括：
18.存储器，用于存储程序；
19.处理器，用于执行所述存储器存储的程序，当所述存储器存储的程序被执行时，所述处理器用于执行第二方面中任意一种所述的方法。
20.第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序在处理器上运行时，使得所述处理器执行第二方面中任意一种所述的方法。
21.第五方面，本发明提供了一种计算机产品，当所述计算机产品在计算机上运行时，使得所述计算机执行第二方面中任意一种所述的方法。
22.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
23.本发明电解槽采用一种分段式结构，其中通过极板分割出多个电解小室，若干电解小室组合一个小室集合，在所述电解槽左端的阳极板和右端的阴极板之间的总电势作用下，各个所述极板均匀的分配电势，使每个小室集合形成具有独立供电阳极板与独立供电阴极板的电解池；本发明基于所述电解槽提出了一种自适应功率控制方法，在不同的输入功率下，采用不同数量的小室集合来适应不同的功率；当工作电流超出推荐范围时，通过改变工作电解槽的数量来调节电流密度；采用本技术方案可以大大缩短电解槽在低电流密度下的运行时间，扩大电解槽的功率适应范围，同时可以有效防止气体杂质的积累，保证氧中氢(hto)浓度低于安全阈值。
附图说明
24.图1是本发明实施例提供的一种分段式碱性电解槽的结构示意图；
25.图2是本发明实施例提供的一种分段式碱性电解槽的自适应功率控制方法流程图。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
27.如图1所示，本发明实施例提供了一种新型分段设计的碱性电解槽结构，其中：电
解槽由左端阳极板、右端阴极板以及中间的多个极板组成，左端阳极板、右端阴极板以及中间的多个极板将电解槽分成多个小室，小室之中有隔膜。在阳极板和阴极板之间的总电位影响下，电解槽中间的多个极板将电位均匀分布，使每个小室形成一个有独立供电阳极板和独立供电阴极板的电解池。多个相邻的小室组合为一个小室集合，在所述电解槽左端的阳极板和右端的阴极板之间的总电势作用下，各个所述极板均匀的分配电势，使每个小室集合形成具有独立供电阳极板与独立供电阴极板的电解池。通过打开不同数量的小室集合来适应不同的功率水平。
28.图1中电解槽被左端阳极板、右端阴极板以及中间的多个极板划分为16个小室，每个小室都有独立供电阳极板和独立供电阴极板。被隔膜隔开的小室两侧分别通过一个所述液体通道孔补充电解液。通过极板上的开关来控制小室或小室集合是否开启。
29.在自适应功率控制方法的实施例中，首先定义分段式碱性电解槽，将分段式碱性电解槽分为16个小室集合，每个小室集合由4个小室组成。完成定义的分段式碱性电解槽结构后，采用自适应功率控制方法来扩大其运行范围，如图2所示：首先假设开启一半电解小室，并控制碱性电解槽电流，使其功率等于输入电功率。然后确定电流密度是否在2000-4000a
·
m-2(实施例中电解槽停机电流密度和最大工作电流密度)的范围内。如果没有，继续判断电流是否低于或超过这个范围，并相应地打开或关闭部分小室集合。最后，通过调节电解液的入口温度，将电解槽的平均温度控制在353.15k(实施例中电解槽正常工作温度，预设值)，接着判断是否达到运行时间，若没有，则返回通过调整电解槽电流使电解槽功率等于输入电功率的步骤；否则，电解槽停止运行。
30.假设某一商用碱性电解槽的额定功率为160kw,且功率调节范围为20％-100％。采用本发明电解槽结构与控制方法，每个小室集合的额定功率为10kw，且功率调节范围为2kw-10kw。因此，整个分段式电解槽的功率调节范围为2kw-160kw，将调节范围从20％-100％扩大到1.25％-100％。
31.以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种分段式碱性电解槽，其特征在于，所述电解槽包括分别位于电解槽两端的阳极板和阴极板以及位于电解槽中的多个极板，多个极板将电解槽分割为多个小室，每个小室中间都有隔膜；所述极板的正反两面具有相反的极性，若小室的一个共用极板正面是阳性，则相邻小室的所述共用极板反面是阴性，若小室的一个共用极板正面是阴性，则相邻小室的所述共用极板反面是阳性；多个相邻的小室组合为一个小室集合，在所述位于电解槽两端的阳极板和阴极板之间的总电势作用下，各个所述极板均匀的分配电势，使每个小室集合形成具有独立供电阳极板与独立供电阴极板的电解池。2.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，所述电解槽的缸框下部分开有多个液体通道孔，被隔膜隔开的小室两侧分别通过一个所述液体通道孔补充电解液。3.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，所述电解槽中的极板外接有开关，用来控制极板的通断。4.一种分段式碱性电解槽自适应功率控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将电解槽中所有小室均匀分为预设数量的小室集合；(2)开启一半数量的小室集合；(3)调整所述电解槽电流，使电解槽功率等于输入功率；(4)此时若所述电解槽电流密度小于电解槽停机电流密度，则关闭一个小室集合，并返回步骤(3)；若所述电解槽电流密度大于最大工作电流密度，则新开启一个小室集合，并返回步骤(3)；否则直接进入步骤(5)；(5)将所述电解槽的平均温度控制在电解槽正常工作温度范围内；(6)此时判断是否到达运行结束时间，若未达到运行结束时间，则返回步骤(3)；否则电解槽结束运行；所述电解槽为权利要求1-3中任意一项权利要求所述的电解槽。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，通过调节进入电解槽的电解液温度来控制电解槽的平均温度。6.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，用于存储程序；处理器，用于执行所述存储器存储的程序，当所述存储器存储的程序被执行时，所述处理器用于执行权利要求4-5中任意一项权利要求所述的方法。7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，当所述计算机程序在处理器上运行时，使得所述处理器执行权利要求4-5中任意一项权利要求所述的方法。8.一种计算机产品，其特征在于，当所述计算机产品在计算机上运行时，使得所述计算机执行权利要求4-5中任意一项权利要求所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种分段式碱性电解槽及其自适应功率控制方法，属于电解水技术领域。本发明电解槽包括左端的阳极板、右端的阴极板以及中间的多个极板，多个所述极板将电解槽分割为多个小室，每个小室中间都有隔膜；若干电解小室组合一个小室集合，在所述电解槽左端的阳极板和右端的阴极板之间的总电势作用下，各个所述极板均匀的分配电势，使每个小室集合形成具有独立供电阳极板与独立供电阴极板的电解池。本发明还提出了所述电解槽自适应功率控制方法，通过采用不同数量的小室集合来适应不同的功率。本发明可降低电解槽在低电流密度下的运行时间，扩大电解槽的功率适应范围，同时可以有效防止气体杂质的积累，保证氧中氢浓度低于安全阈值。于安全阈值。于安全阈值。


技术研发人员：涂正凯 赵俊杰
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/6