一种提升制氢系统效率的碱液电解槽变温运行控制方法

本发明涉及电解制氢控制技术，特别涉及一种提升制氢系统效率的碱液电解槽变温运行控制方法。

背景技术：

1、电解水制氢作为最环保的制氢手段之一，成为缓解资源和环境危机的重要方式。电解水制氢技术可分为碱液电解制氢、质子交换膜电解制氢以及高温固体氧化物电解制氢。其中，碱液电解制氢商业化程度最高、应用最广泛。

2、目前对碱液电解槽电解水机理层面研究集中于应用电化学、热学等理论进行静态建模，从热能、电能、物质化学能的角度分析碱液电解槽特性。碱液电解槽的运行功率、效率、温度、电压和电流等变量之间具有复杂的非线性关系。例如，输入碱液电解槽的功率一部分用于电解，另一部分由于碱液电解槽过电压的存在等因素，转化为热能，当碱液电解槽的自身产热大于向环境散发的热量时，碱液电解槽温度升高。反之，碱液电解槽温度下降。因此，碱液电解槽特性势必会对其运行控制效果产生实质影响。

3、但是，目前针对碱液电解槽特性进行运行过程的优化工作研究成果并不多见，有必要提出相应解决方案。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种提升制氢系统效率的碱液电解槽变温运行控制方法。

2、为解决技术问题，本发明的解决方案是：

3、提供一种提升制氢系统效率的碱液电解槽变温运行控制方法，包括以下步骤：

4、(1)通过采样方式，获取碱液电解槽的运行数据；

5、(2)在考虑电热特性基础上对碱液电解槽的制氢速率进行优化，获取电解槽制氢量最大化的运行温度：

6、首先对碱液电解槽的电热特性进行分析与建模，包括建模制氢速率与电解槽的电解功率、温度的关系，以及电解槽的温度变化动态方程；其次，以最大化制氢速率为目标，建立考虑碱液电解槽电热特性的制氢速率优化模型；然后，采用最小二乘法拟合制氢速率与功率、温度关系的复杂非线性约束，并转化为多项式约束；最后，求解所述制氢速率优化模型，获得在辅助温度调节装置和碱液电解槽的总功率满足设定条件时使电解槽制氢量最大化的运行温度；

7、(3)根据设定条件调节辅助温度调节装置和碱液电解槽的功率，基于制氢速率优化模型的计算结果控制电解槽的运行温度，通过实现电解槽制氢量最大化提升制氢统的效率。

8、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

9、1、由于碱液电解槽的自身产热一般与向环境散发的热量不相等，因此需要辅助温度调节装置的协助调控电解槽温度。显然，在优化电解槽运行时，对辅助温度调节装置的消耗的能量进行考虑能使得优化方法更精准，贴合实际。

10、本发明创新地提出，将碱液电解槽复杂的电热特性考虑进运行优化中，所用模型贴近电解槽的实际工作过程，提高了模型优化结果的实用性。由于充分考虑了碱液电解槽的辅助温度调节装置的功率消耗，因此在包含辅助温度调节装置功率和电解槽电解功率的总功率一定的情况下，能够最大化电解槽氢能输出，提高了资源利用率。

11、2、本发明对模型中复杂的非线性约束进行拟合，使该约束转化成能更易求解的多项式约束，提高了模型求解速度，减少了模型求解所需算力。

12、3、本发明求解出包含辅助温度调节装置功率和电解槽电解功率的总功率输入一定的情况下，使得产氢速率最大化的碱液电解槽运行的最优运行温度，即降低了相同氢能产出的功率消耗，具有低碳环保的意义。

13、4、通过对变量关系即电解槽的电热特性进行分析建模，能对碱液电解槽优化运行进行指导，以此实现更高的能量转化效率或经济收益。

技术特征：

1.一种提升制氢系统效率的碱液电解槽变温运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述碱液电解槽的运行数据至少包括：辅助温度调节装置的加热功率、碱液电解槽的电解功率、碱液电解槽的产氢量，以及碱液电解槽运行时的温度、电流、电压和采样时间节点。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据下述步骤建模制氢速率与电解槽的电解功率、温度的关系：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据下述步骤对电解槽的温度变化动态方程进行抽象化建模，具体如下述公式所示：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，以最大化制氢速率为目标，建立考虑碱液电解槽电热特性的制氢速率优化模型，具体包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用最小二乘法拟合制氢速率与功率、温度关系的复杂非线性约束，并转化为多项式约束，具体包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，利用商业化求解器对制氢速率优化模型进行求解，获得在辅助温度调节装置和碱液电解槽的总功率满足设定条件时使电解槽制氢量最大化的运行温度。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辅助温度调节装置是指：内置于电解槽中用于电解液加热的电加热器、用于循环加热电解液的外置加热装置，或者是用于维持电解槽温度的加热夹套。

技术总结本发明涉及电解制氢控制技术，旨在提供一种提升制氢系统效率的碱液电解槽变温运行控制方法。包括：获取碱液电解槽的运行数据；在考虑电热特性基础上对碱液电解槽的制氢速率进行优化，获取电解槽制氢量最大化的运行温度；根据设定条件调节辅助温度调节装置和碱液电解槽的功率，基于制氢速率优化模型的计算结果控制电解槽的运行温度，通过实现电解槽制氢量最大化提升制氢统的效率。本发明创新地提出，将碱液电解槽复杂的电热特性考虑进运行优化中，所用模型贴近电解槽的实际工作过程，提高了模型优化结果的实用性；在设备总功率一定的情况下，能够最大化电解槽氢能输出，提高了资源利用率，具有低碳环保的意义。技术研发人员：彭勇刚,孙静受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17