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0512-58588966在堿性電解中,如下圖1所示,兩個(gè)電極浸泡在電解液中,電解液通常是KOH或NaOH溶液。通過這種方式,實(shí)現(xiàn)了堿性環(huán)境,其中水的電阻率將降低,使過程更容易。施加的直流電壓必須大于水分解所需的電壓,從而產(chǎn)生法拉第電流。電極之間由隔膜隔開,隔膜可將氣體隔開,同時(shí)可滲透水和氫氧根離子。
圖1:堿性電解水原理圖
另,在PEM電解中(下圖2),兩個(gè)電極與電解質(zhì)接觸,電解質(zhì)是一種固體聚合物(SPE),通常是Nafion,現(xiàn)狀也有各種增強(qiáng)型。電極通常由陰極鉑和陽極銥制成。
圖2:PEM電解水原理圖
備注說明:
Anode:(在電解池中)陽極;(在原電池中)負(fù)極。
Cathode:(在電解池中,發(fā)生還原反應(yīng)的電極)陰極;(在原電池中,發(fā)生還原反應(yīng)的電極)正極。
與傳統(tǒng)堿性相比,PEM電解槽的電流密度可以達(dá)到2A/cm2以上,PEM可以保證較低的氣體交叉滲透,這也使得PEM電解槽在較低的負(fù)載范圍(0-10%)下工作,而且設(shè)計(jì)緊湊。另PEM可以獲得足夠高的操作壓力(30-40 bar)以便后面直接來填充氫氣罐。但是,PEM容易由外來的離子而引起中毒,因此必須予以重視。另水很容易被其中的雜質(zhì)污染,也很容易被系統(tǒng)中的金屬部件(如水管甚至電解槽部件本身)產(chǎn)生的腐蝕所污染。
這種中毒會(huì)導(dǎo)致電池陰極過電壓升高和運(yùn)行性能下降,此外還會(huì)影響膜的質(zhì)子傳導(dǎo)性降低。因此,要使 PEM 電解技術(shù)成為一種有競爭力的制氫方式選擇,對(duì) BOP 進(jìn)行詳盡的設(shè)計(jì)和控制(包括水管理、電導(dǎo)率和純度)非常重要。
圖3:PEM電解槽的BOP:水子系統(tǒng)
在經(jīng)過過濾階段之后,水被引入一個(gè)具有雙重功能的水箱:
水從水位控制箱繼續(xù)流向水控制和再循環(huán)階段。再循環(huán)泵用于調(diào)節(jié)水位控制箱之后的水流,而傳感器模塊則用于控制器在將水注入 PEM電解槽之前獲得所有關(guān)鍵水參數(shù)的信息,如溫度、壓力、流量、電導(dǎo)率和純度。如果水的電導(dǎo)率不在允許的范圍內(nèi),建議使用再循環(huán)管路來校正水的電導(dǎo)率。
氫氣子系統(tǒng)(下圖 4)由 PEM 電解槽和高壓分離器組成。分離器利用以濕氣形式存在的水的壓力差來干燥氫氣(必要條件是必須使被干燥物料表面所產(chǎn)生的水汽壓強(qiáng)大于干燥介質(zhì)中的水蒸氣分壓。)。一旦高壓分離器達(dá)到較高的濕度梯度,就會(huì)允許濕氫流(臟氫)進(jìn)入低壓分離器。在這里,可排入大氣中的氫氣被釋放出來(也可以考慮再次回收純化),而水則被送入液位水箱(水路子系統(tǒng),上圖 3)。相比之下,來自高壓分離器的干氫氣(清潔氫氣)則繼續(xù)進(jìn)入干燥器階段。在這里,建議采用變壓吸附或變溫吸附干燥階段(PSA或TSA),在三個(gè)干燥循環(huán)中儲(chǔ)存和排出水分。釋放出的水按照之前描述的相同流程被送入低壓分離器。干燥階段結(jié)束后,產(chǎn)生的氫將儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫罐等儲(chǔ)氫介質(zhì)中。在整個(gè)氫氣生產(chǎn)過程和階段中,都有一個(gè)傳感器模塊,用于控制氫氣在不同生產(chǎn)和干燥階段的壓力和溫度參數(shù),然后再進(jìn)行最終儲(chǔ)存。
圖4:PEM電解堆的裝置平衡(BOP):氫氣子系統(tǒng)。
PEM 電解槽的控制系統(tǒng)應(yīng)能夠掌握 BOP 兩個(gè)主要部分(水管理子系統(tǒng)和制氫子系統(tǒng))的信息并采取相應(yīng)行動(dòng)。此外,控制邏輯必須包括運(yùn)行狀態(tài)順序、冷卻階段、氮?dú)舛杌ù祾撸╇A段、電源控制以及對(duì)電解槽運(yùn)行期間產(chǎn)生的警告和警報(bào)的管理。
2.1、水管理系統(tǒng)
圖5:PEM堆疊控制流程圖;水管理子系統(tǒng)控制圖。
關(guān)于電導(dǎo)率控制塊,水的電導(dǎo)率是通過作用于一個(gè)電動(dòng)閥使再循環(huán)管路工作來調(diào)節(jié)的。
這樣,當(dāng)電導(dǎo)率較低時(shí),就可以直接向電解槽供水,而無需對(duì)水進(jìn)行更多的凈化處理。如果電導(dǎo)率處于中等水平(I 型 < 電導(dǎo)率 < II 型),則在生產(chǎn)前,循環(huán)回路將打開,將水循環(huán)回凈化過濾器。如果在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)這種情況,則會(huì)發(fā)出警告。最后,如果電導(dǎo)率上升到 II 型以上,電解槽將一直處于停止?fàn)顟B(tài),并觸發(fā)警報(bào)。
對(duì)溫度、壓力和水流量等物理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,以確保系統(tǒng)性能符合其運(yùn)行規(guī)范、使用壽命和安全條件,否則系統(tǒng)停止運(yùn)行。
對(duì)于氫氣子系統(tǒng)的控制,如下圖6所示,需要同時(shí)檢測高壓分離器(HPS)和低壓分離器(LPS)中的水位。
圖6:PEM堆疊控制流程圖;氫控制圖。
當(dāng)檢測到HPS(高壓分離器)中水位達(dá)到中位時(shí),閥門將打開,使積聚的水流向LPS(低壓分離器)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí),水位下降,閥門再次關(guān)閉。如果檢測到水位過高,電解槽會(huì)停止運(yùn)行。LPS中的液位控制以類似的方式工作,當(dāng)LPS中集聚了足夠的水時(shí),只要關(guān)閉從HPS流向LPS的閥門,就可以讓水流向水位箱。在電解過程中,避免水管和氫氣管直接接觸至關(guān)重要。如果 LPS 中的水位較低,閥門就會(huì)關(guān)閉,因?yàn)闆]有足夠的水進(jìn)行輸送。
在HPS 和 LPS 后,PSA 階段的干燥器在生產(chǎn)過程中遵循三階段循環(huán)流程。這主要是通過電閥的開啟和關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)的,電閥的開啟和關(guān)閉可使氫氣流向最終儲(chǔ)存器、水的積聚以及通過 LPS 對(duì)積聚的水進(jìn)行吹掃。在所有過程中,溫度和壓力都受到控制,如果超出既定范圍,系統(tǒng)將停止運(yùn)行。
3、控制邏輯和仿真結(jié)果
在本節(jié)中,將介紹按照所開發(fā)的控制邏輯建立的順序正確運(yùn)行系統(tǒng)的結(jié)果。用于實(shí)現(xiàn)控制邏輯的軟硬件工具基于 Siemens® SIMATIC STEP 7 Basic V15 平臺(tái),除了用于模擬的 PLCSIM 和 WinCC RT 外,還有用于建模的 TIA Portal 工具。
然后,通過主屏幕(PEM電解槽管理監(jiān)控器)將電解涉及的所有過程可視化,如下圖7a所示。該監(jiān)視器顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),允許啟動(dòng),停止或暫停生產(chǎn)以及啟動(dòng)氮?dú)庾⑷脒^程。此外,該監(jiān)視器還顯示水和氫子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,并允許冷卻子系統(tǒng)運(yùn)行和報(bào)警管理。
圖7a:屏幕1:PEM電解槽管理監(jiān)視器。
控制系統(tǒng)還有一個(gè)電解槽參數(shù)界面(下圖 7b),通過該界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電流和電壓的模擬值以及功率圖。
圖7b:堆疊接口
氫氣干燥過程仿真如下圖7c所示,實(shí)時(shí)顯示了各烘干機(jī)的狀態(tài)、過程工藝狀態(tài)和剩余時(shí)間。
圖7c:烘干機(jī)階段界面
在這種情況下,對(duì)于上圖3所示的BOP方案和上圖5所示的控制圖,將使用該試驗(yàn)來檢查水管理子系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。然后,系統(tǒng)從低水位開始,如下圖8a所示。這就需要啟動(dòng)注水泵,直到水位上升到允許的較高水位,圖8b -圖8c。之后,水泵將斷開,水位下降;當(dāng)電解槽消耗水用于制氫時(shí),不會(huì)向管路注入水,如圖8d。
圖8:水子系統(tǒng).液位(a~d)
當(dāng)注入泵停止工作時(shí),水位開始下降,直到恢復(fù)到低水位時(shí)才會(huì)重新啟動(dòng)。紅色指示燈顯示水位已下降,如圖8e所示。此外,如果由于傳感器故障而導(dǎo)致測量誤差,則會(huì)出現(xiàn)黃色警告燈,如圖8f所示。
圖8:水系統(tǒng)控制圖.液位(e~f),看指示燈
另一方面,從主監(jiān)控界面可以顯示水流是否滿足水的電導(dǎo)率和溫度要求,如圖9a。然后,在類型I <電導(dǎo)率<類型II的情況下,暖燈將被激活,(圖9b),當(dāng)水的電導(dǎo)率上升類型II,圖9c時(shí),暖燈將變成警報(bào)器,系統(tǒng)將停止運(yùn)行(惰化階段)。
圖9:水子系統(tǒng).電導(dǎo)率(a~c)
同樣,控制邏輯負(fù)責(zé)控制水溫,如圖10a所示。然后,當(dāng)水溫升高到較高允許值(68℃)以上時(shí),報(bào)警指示燈被激活,冷卻器開始工作,如圖10b所示。
圖10:水子系統(tǒng).溫度(a~b)
圖11:氫氣子系統(tǒng).高壓分離器HPS(a~b)
然后,冷凝水開始向LPS(低壓分離器)(圖11c),直到到達(dá)LPS的高水位(圖11d)。
圖11:氫氣子系統(tǒng).低壓分離器LPS(c~d)
此時(shí),需要等待HPS的水位下降,并隨之關(guān)閉流向LPS的閥門,一并打開LPS的閥門,如圖11e所示。如果HPS達(dá)到高水平,則會(huì)觸發(fā)警報(bào)并停止生產(chǎn),如圖11f所示。
圖11:氫氣子系統(tǒng)(e~f)
類似于水管理測試,可以檢查氫氣流的溫度。如果氫氣溫度高于最高允許值(72oC),則會(huì)發(fā)出警告,如圖12a所示,如果繼續(xù)增加(~75oC),則會(huì)發(fā)出警報(bào)并停止運(yùn)行;從生產(chǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)入到惰化狀態(tài),如圖12b所示。
圖12:氫子系統(tǒng).溫度(a~b)
4、結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了中型 PEM 電解槽的BOP,并在考慮運(yùn)行變量、自動(dòng)化參數(shù)以及能源和電力效率的情況下,始終在安全條件下實(shí)施了控制系統(tǒng)。
為了驗(yàn)證所開發(fā)的控制邏輯,對(duì)水和氫兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明,水和氫氣子系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行條件下工作,如果出現(xiàn)警告或傳感器故障,電解槽會(huì)通過惰化階段停止工作。
來源:氫眼所見
注:已獲得轉(zhuǎn)載權(quán)