一种应用于水电解的自适应电力输入管理控制方法

1.本发明属于水电解制氢电力输入管理控制领域，具体涉及一种应用于水电解的自适应电力输入管理控制方法。


背景技术：

2.水电解制氢是一种较为方便的制取氢气的方法。在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。
3.其中电解槽由单个或者多个膜电极(膜电极)串联组成，电解时，每一片串联的膜电极通过的电流是相同的，电解槽所能承受的适当的电解电压由电解槽所串联的膜电极数量决定，电解槽所能承受的电解电流由单片膜电极的有效电解面积决定。通过改变电解槽内膜电极的串联数量可以改变电解槽的额定电解电压，通过改变电解槽内膜电极的有效电解面积可以改变电解槽的额定电解电流。
4.在实际应用中，人们需要根据电解槽的不同电压电流需求提供准确的电解电力供应，如果提供电压或电流不足会导致电解槽电解能力受限，无法产生所需的氢气产量，如果所提供的电压或电流超出电解槽承受范围，则会导致膜电极击穿、损坏无法使用。
5.为了实现能源利用的最优方案，使制氢成本最低，制氢的电力来源往往希望取自一些无法并网价格低廉的发电渠道，例如风电和太阳能，而这此类发电装置由于电能来源不稳定，导致其所提供的电压和电流有一定的波动性，需要通过电压转换装置dc-dc将电能转换为适合用电器使用的稳定的电压电流状态。而电压转换装置的转换效率受到电压跨度的影响，即输入电压与输出电压越接近转换效率越高，目前常规的dc-dc模块在输入输出电压一致的前提下通常也只有90％左右的转换效率，对于某些应用场景转换效率最低会达到70％以下，对于大规模工业应用来说这样的电能损耗是十分可观的。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种应用于水电解的自适应电力输入管理控制方法。
7.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
8.一种应用于水电解的自适应电力输入管理控制方法，该方法适用的水电解装置包括：电压检测单元，电流检测单元，电力开关组件，多个电解槽，核心控制器；所述电压检测单元用来检测外部接入的供电电压值；所述电流检测单元用来采集所述电解槽的电解电流值；所述电力开关组件用来控制电解槽的工作状态；所述核心控制器用来控制电力开关组件工作；
9.包括以下步骤：
10.步骤1：由电压检测单元读取外部接入的供电电压值；
11.步骤2：核心控制器根据供电电压值，利用电力开关组件将尽可能多的电解槽切换至电解状态；
12.步骤3：在电解开始后，由电流检测单元采集电解电流值；
13.如果所有电解槽均工作在合理的电流范围以内，则返回步骤1；
14.如果有电解槽工作在合理的电流范围以外，则核心控制器减少接入的电解槽的数量，直到电解槽都工作在合理的电流范围内。
15.在上述技术方案中，所述核心控制器为：嵌入式mcu或单片机。
16.在上述技术方案中，所述电力开关组件包括：cmos开关，断路器，固态继电器等常用电力电器开关。
17.在上述技术方案中，所述电压检测单元包括：电压变送器。
18.在上述技术方案中，所述电流检测单元包括：霍尔电流传感器，电流变送器。
19.在上述技术方案中，所述电解槽的合理的电流范围为：1-2a/cm2。
20.本发明的具有以下有益效果：
21.本发明提供了一种能够自动适应外部电压电流变化的电力输入管理控制方法，它利用电解槽的额定电压电流的有效范围，通过对电解槽电解时不同的排列方式，在一定的电压电流变化范围内不需要dc-dc介入，使外部电能直接参与到水电解反应中的自适应电力输入管理控制方法，从而节约电能转化装置损失的大量电能。
22.通过本发明的应用于水电解的自适应电力输入管理控制方法，水电解装置可以在一定范围内自动适应外部提供的直流电解电流电压变化，使很多具有波动性的电能资源不经过电压转换即可为电解水装置所使用，从而节约电力转换过程中所损失的电能。
23.在没有电压转换装置参与的前提下，本发明的应用于水电解的自适应电力输入管理控制方法至少可以节约10％以上的电能，在大规模的电解水制氢生产活动中是非常有意义的。
附图说明
24.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
25.图1为本发明的方法适用的水电解装置的结构示意图。
26.图2为本发明的应用于水电解的自适应电力输入管理控制方法的流程图。
27.图中的附图标记表示为：
28.1-电力输入正极；2-电力输入负极；3-膜电极；4-电解槽。
具体实施方式
29.电解槽中的膜电极，其单片的工作电压范围为1.7-2.5v。如果电压在低于此范围，则无法电解，如果电压高于此范围，会造成膜电极损坏。根据膜电极的特性，为了达到电解效率最优，实际应用中膜电极的工作电压通常控制在1.9-2.2v。通过改变膜电极或者电解槽串联的数量可以改变电解系统的额定工作电压，从而适应外部供电输入的电压变化。
30.电解槽中的单片膜电极所通过的额定工作电流取决于膜电极的面积，通常膜电极的额定工作电流控制在1-2a/cm2，在这个电流范围内电解效率最高且膜电极工作寿命最长，膜电极的面积越大则电解时可以通过的电流越大，受限于制作工艺，膜电极不能无限放大，实际应用中人们通过并联膜电极或电解槽来提高整体的额定工作电流。通过改变膜电极或者电解槽的并联数量可以改变电解系统的额定工作电流，从而适应外部供电输入的电
流变化。
31.基于上述原理，本发明提供了一种应用于水电解的自适应电力输入管理控制方法。该控制管理方法适用于外部输入电能有电压电流波动的水电解应用场景。其适用的水电解装置具体包括：多个用于水电解的电解槽，每个电解槽含有多个串联的膜电极，用于控制方法实施的核心控制器，用于检测输入电能的电压检测单元和电流检测单元，用于转换电解槽电气连接方式的电力开关组件。
32.本发明的应用于水电解的自适应电力输入管理控制方法，包括以下步骤：
33.程序开始，由电压检测单元读取外部接入的供电电压值；
34.核心控制器通过判断电压值制定电解槽排列方案，利用电力开关组件实现对电解系统内部电解槽的排列组合以适应外部的供电电压，核心控制器会尽量将系统内所有的电解槽切换至电解状态；
35.在电解开始后由电流检测单元采集电解的电流信息，核心控制器根据电解电流值判断电解槽的工作状态，如果外部的电力驱动电流不足，不能使每一组串联电解槽都工作合理范围内(1-2a/cm2)，核心控制器则根据电流值减少接入的电解槽，直到每一组接入到电解状态的电解槽都工作在合理的电流范围内。在后续的电解过程中，电压检测单元和电流检测单元会持续实时检测系统的电解状态，反馈给核心控制器，并通过电力开关组件实时做出相应的调整。
36.本发明的应用于水电解的自适应电力输入管理控制方法适用于pem电解水制氢应用中的电力输入控制管理，适用于风力发电、太阳能发电等多种电压电流波动较大的发电系统。本发明水电解的自适应电力输入控制管理方法通过自动调控改变电解槽的并联串联排列方式以适应不同电压电流的外部电力输入。
37.所述的多个并联或串联的膜电极或者电解槽包括电解槽设计结构上并联、串联，也包括是电路结构上的并联、串联。所述核心控制器可以是嵌入式mcu，单片机等多种控制芯片组成的小型嵌入式系统，根据使用中的控制需求选择。所述电力开关组件由cmos开关、断路器、固态继电器等多种常用高频电力开关根据使用需求组成。所述电压检测单元包括电压变送器等多种电压感应元件。所述电流检测单元包括霍尔电流传感器，电流变送器等电流感应元件。
38.下面结合附图对本发明做以详细说明。
39.如图1所示，电力输入正极1，电力输入负极2与电解槽4通过并联与串联组合的方式联入电路中，其中膜电极3通过串联叠加的方式装配在电解槽4中。图中，水电解系统中与本案无关的其他器件已适当省略。
40.具体控制过程如图2所示，当电力输入正极1和电力输入负极2的电力输入接入电解设备时，核心控制器通过电压检测单元读取电力输入正极1和电力输入负极2电力输入的电压值，根据电压调整串联接入的电解槽4的数量，程序会尽量将所有可能接入的电解槽4接入并进行电解，当电压提高时，相应的增加串联电解槽4数量，当电压降低时，相应的减少串联电解槽4数量。电流检测单元检测外部电力输入的电解电流，如果电流过低，则减少一组并联接入的电解槽4，如果电流仍然过低，则继续减少并联接入的电解槽4，如果电流过高则增加并联接入的电解槽4，直到电解电流符合电解槽4中膜电极3的电解需求为止。在电解过程中，电压检测单元和电流检测单元仍会继续监测电解电流电压，根据电压电流的变化
调整电解槽4的接入方式。电解槽4的总数量会根据外部电力输入的最大功率值进行设计匹配，以满足外部输入电力的个性化电解需求。
41.实施例1
42.如图1所示，对于一个4平方米最大功率为600w的太阳能电池板，在没有dc-dc介入的前提下，根据日照强度变化，其电压变化范围是14.4～25.2v，电流变化范围：0～24a。针对这样的电力变化范围，为其匹配24个电解槽4，每个电解槽4含有3片膜电极3，每片膜电极3的面积为2cm2，额定工作电流为3～4a，额定工作电压为5.8～6.6v。
43.当太阳能电池板提供给电解设备电解用的输入电力时，假定此时太阳能电池板只能提供300w、20v、15a的电力供应，核心控制器通过电压检测单元读取电力输入正极1和电力输入负极2的电压值，通过开关电力开关组件将电解槽4的连接切换为3个电解槽4串联为一组，八组电解槽4并联，切换完成后开始进行电解，此时电解总电流为15a，平均每组电解槽4电流为1.875a，不足以达到额定电解电流，核心控制器则会根据电流情况减少接入的电解槽4的组数，变为5组接入，共15个电解槽4参与电解，这样每个电解槽4上的工作电压为6.6v，每组电解槽4通过的电解电流为3a，符合电解槽4的额定工作条件。
44.当太阳能电池板的输出功率发生变化时，假定此时太阳能电池提供满功率600w、25v、24a的电力，根据电压电流及功率情况，核心控制器将电解槽4切换为4个电解槽4串联为一组，6组并联，每个电解槽4上的工作电压约为6.25v，每组电解槽4通过的电解电流为4a，符合电解槽4的额定工作条件。
45.当太阳能电池板只能提供极少的电能时，假定此时太阳能电池提供满功率100w、20v、4a的电力，根据电压电流及功率情况，核心控制器将电解槽4切换为3个电解槽4串联为一组，且只有一组进行电解，每个电解槽4上的工作电压约为6.6v，每个电解槽4通过的电解电流为4a，符合电解槽4的额定工作条件。
46.在没有电压转换装置参与的前提下，本发明的应用于水电解的自适应电力输入管理控制方法至少可以节约10％以上的电能，在大规模的电解水制氢生产活动中是非常有意义的。
47.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。

技术特征：
1.一种应用于水电解的自适应电力输入管理控制方法，该方法适用的水电解装置包括：电压检测单元，电流检测单元，电力开关组件，多个电解槽，核心控制器；所述电压检测单元用来检测外部接入的供电电压值；所述电流检测单元用来采集所述电解槽的电解电流值；所述电力开关组件用来控制电解槽的工作状态；所述核心控制器用来控制电力开关组件工作；其特征在于，包括以下步骤：步骤1：由电压检测单元读取外部接入的供电电压值；步骤2：核心控制器根据供电电压值，利用电力开关组件将尽可能多的电解槽切换至电解状态；步骤3：在电解开始后，由电流检测单元采集电解电流值；如果所有电解槽均工作在合理的电流范围以内，则返回步骤1；如果有电解槽工作在合理的电流范围以外，则核心控制器减少接入的电解槽的数量，直到电解槽都工作在合理的电流范围内。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述核心控制器为：嵌入式mcu或单片机。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电力开关组件包括：cmos开关，断路器，固态继电器。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压检测单元包括：电压变送器。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流检测单元包括：霍尔电流传感器，电流变送器。6.根据权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，所述电解槽的合理的电流范围为：1-2a/cm2。

技术总结
本发明涉及一种应用于水电解的自适应电力输入管理控制方法，包括以下步骤：步骤1：由电压检测单元读取外部接入的供电电压值；步骤2：核心控制器根据供电电压值，利用电力开关组件将尽可能多的电解槽切换至电解状态；步骤3：在电解开始后，由电流检测单元采集电解电流值；如果所有电解槽均工作在合理的电流范围以内，则返回步骤1；如果有电解槽工作在合理的电流范围以外，则核心控制器减少接入的电解槽的数量，直到电解槽都工作在合理的电流范围内。本发明能够自动适应外部电压电流变化，利用电解槽的额定电压电流的有效范围，通过对电解槽电解时不同的排列方式，在一定的电压电流变化范围内不需要DC-DC介入，使外部电能直接参与到水电解反应中。到水电解反应中。到水电解反应中。


技术研发人员：邢巍 李晨阳 刘长鹏 梁亮 葛君杰 金钊 廖建辉
受保护的技术使用者：中国科学院长春应用化学研究所
技术研发日：2022.03.24
技术公布日：2023/10/7