应用于电解水电解槽实现电化学阻抗谱测量及分析的系统、方法、装置、处理器及存储介质与流程

本发明涉及大规模可再生能源制氢领域，尤其涉及电解槽领域，具体是指一种应用于电解水电解槽实现电化学阻抗谱测量及分析的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。

背景技术：

1、电解槽是一种将电能转化为化学能的装置，在电解过程中将水分解成氢气和氧气。在“双碳”背景下，大规模可再生能源制氢需求迫切，对电解槽也提出了大功率、高响应、低电耗、低成本等新要求。这里的电解槽包含了目前常见的质子交换膜(pem)、碱性(alk)、阴离子交换膜(aem)电解槽、固体氧化物(soec)电解槽。

2、电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy，eis)技术是一种电化学分析方法，该方法通过在电解槽上施加小振幅交流电信号，然后对测量的交流电流及其响应的电压信号(时域信号)进行变换(如傅里叶变换)得到不同频率下的阻抗值，即nyquist图；通过eis的分析方法，得到电解槽电化学过程的详细信息，包括质子传输、电子传输、电解质扩散等，从而用来评估和改进电解槽的性能和效率，为电解槽的设计起到了很好的指导作用。

3、目前，现有的eis测量及分析方法在电解水电解槽中的应用，存在一些问题：

4、缺少针对大功率应用的测量装置：现有的eis测量装置及分析方法主要针对小功率应用的情况，如小活性面积的单电池的电解槽等。对于大活性面积的膜电极、多片的电解槽等工作电流较大、工作电压较大的场合，目前缺乏可靠的测量装置。

5、缺少成熟可靠的eis分析方法：电解槽中的电化学过程非常复杂，涉及到多个反应和传输机制，可以看作是具有不同尺度的多物理场耦合的复杂非线性系统。eis由于具有精度高、频带宽(理论上可以覆盖所有物理及电化学过程)、可车载应用以及无损伤等优点，近年来在pemfc及电解槽的表征和诊断中得到了广泛应用。目前，常用的方法为等效电路模型(equivalent circuit models，ecms)方法，对于ecms的电路元件组合模型及其参数辨识目前主要有两种方法：测量建模方法和机理建模方法。测量建模方法，首先根据先验知识及经验选择一种ecm模型，然后根据最小二乘拟合提取参数，但结果存在二义性的可能，而且，大多数测量建模方法获得的参数只是代表数据，而不是用于辨识和解释电化学系统涉及到的物理化学参数和过程；同时，在多物理场耦合的情况下，不同的等效电路模型可能导致不同的解释和结果，进一步增加了解释的复杂性。机理建模方法也有其固有的问题，对于电解槽这种多物理化学过程的电化学系统，其控制方程非常复杂，因此机理建模也更为困难。即使系统的电化学阻抗是解析确定的，也并不总是可以给出一个ecms，以图形方式表示计算的阻抗。因此，系统的物理描述将受到限制。此外，由于在控制方程中作了相当大的简化，通常预测阻抗与测量阻抗不太一致。

6、测量时间过长：一次完整的eis测量覆盖从高频到低频的若干个测量频率点，测量时间非常长，尤其是低频点，往往一个电流密度点的测量时间就需要若干分钟，如进行0.1hz-10khz完整的扫频，每个频率点采集4-5个周期，那么需要约7-8分钟。eis测量的是电解槽的稳态性能，而测量的时间较长，电解槽的运行状态在测量过程中可能发生变化，导致低频点的测量数据精度较差，影响eis的分析精度；另外，较长的时间也会造成人力和物力的大量投入。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足准确简单、低成本、适用范围较为广泛的应用于电解水电解槽实现电化学阻抗谱测量及分析的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。

2、为了实现上述目的，本发明的应用于电解水电解槽实现电化学阻抗谱测量及分析的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质如下：

3、该应用于电解水电解槽实现电化学阻抗谱测量及分析的系统，其主要特点是，所述的系统包括：

4、信号发生器，用于产生小幅度的交流电压信号至电子负载；

5、电子负载，与被测电解槽的正极输入端和负极输入端相连接，还与电解电源相连接，实现电子负载和电解槽并联到电解电源上，所述的电子负载还与所述的信号发生器相连接，用于将信号发生器的小幅度交流电压信号转化为交流电流扰动，注入到被测电解槽中；

6、数据测量采集模块，与被测电解槽的正极输入端和负极输入端相连接，用于同步采集及测量电解槽正负极两端的电压和电流；

7、电流传感器，通过导线与数据测量采集模块中的电流采集单元连接，还与电解槽的正极输入端相连接，用于采集电解槽的运行电流。

8、较佳地，所述的系统还包括：

9、阻抗数据处理模块，与所述的信号发生器相连接，用于利用算法计算得到电解槽的频域数值，对采集到的电流及电压数据进行阻抗数据处理并提取参数；

10、上位机，用于显示测试时电解槽的电流、电压数值、计算后的频域信息及各极化电阻特征信息，并可进行相关测试参数设置；

11、通讯模块，与所述的数据测量采集模块、阻抗数据处理模块、上位机相连接，均通过以太网进行通讯，用于实现信息交互。

12、较佳地，所述的数据测量采集模块包括多通道的电压采集单元和电流采集单元，所述的电压采集单元通过导线连接到被测电解槽的正负极的两端，所述的电流采集单元与电流传感器相连接。

13、较佳地，所述的阻抗数据处理模块还进行阻抗计算、数据有效性分析、通过改进的drt方法进计算、各极化过程的特征提取以及建立等效电路模型。

14、较佳地，所述的系统还包括配电模块和控制模块，所述的控制模块配置有双通道的安全继电器，监控急停及复位和门禁开关的状态，所述的配电模块包括不间断电源，所述的不间断电源在总输入电源断电时，为阻抗数据处理模块和数据测量采集模块继续供电，保证测试数据的保存及程序的正常关闭。

15、较佳地，所述的电子负载的交流幅值为电解槽拉载电流的3％～10％。

16、该实现应用于电解水电解槽的电化学阻抗谱测量及分析处理方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

17、(1)设置电子负载测量参数，产生交流电流；

18、(2)负载使能，电解槽运行；

19、(3)采集电解槽的电流及电压；

20、(4)利用傅里叶变换，计算得到电解槽阻抗的频域数据；

21、(5)计算得到电解槽的交流阻抗的幅值、相位、实部和虚部；

22、(6)进行实部及虚部数据的有效性分析，并利用改进后的drt方法，计算径向基函数的分布函数；

23、(7)计算得到各极化过程的极化电阻与特征频率，识别所有的极化过程；

24、(8)选择eis快速测量的频率范围及测量点数，在相同条件下重复步骤(2)；

25、(9)对比宽频与快速eis测量得到的极化电阻及特征频率精度。

26、较佳地，所述的步骤(5)具体包括以下步骤：

27、(5.1)测量电解槽电流及电压的数据；

28、(5.2)提取电解槽电流和电压的交流分量；

29、(5.3)进行加窗及补零进行fft运算得到电流及电压的频率及幅值；

30、(5.4)寻找fft频谱中频率与信号原始设定频率的差值的最小值，分别得到电压的幅值及相位、电流的幅值及相位；

31、(5.5)经过运算得到电解槽阻抗的幅值及相位，并求出电解槽阻抗的实部及虚部。

32、该用于实现应用于电解水电解槽的电化学阻抗谱测量及分析处理的装置，其主要特点是，所述的装置包括：

33、处理器，被配置成执行计算机可执行指令；

34、存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的实现应用于电解水电解槽的电化学阻抗谱测量及分析处理方法的各个步骤。

35、该用于实现应用于电解水电解槽的电化学阻抗谱测量及分析处理的处理器，其主要特点是，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的实现应用于电解水电解槽的电化学阻抗谱测量及分析处理方法的各个步骤。

36、该计算机可读存储介质，其主要特点是，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述的实现应用于电解水电解槽的电化学阻抗谱测量及分析处理方法的各个步骤。

37、采用了本发明的应用于电解水电解槽实现电化学阻抗谱测量及分析的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，针对电解水制氢场景，专门针对电解水制氢电解槽进行优化设计，采用电子负载作为扰动信号源，取消了对电解电源的要求，适应性更强。本发明测试精度高，采用了电流及电压信号同步采集技术，针对电解槽的电压特性优化了输入范围、抗共模干扰能力和隔离安全等级等方面，提高了交流阻抗的测量精度。本发明的定量分析功能简便强大，采用改进的drt方法对交流阻抗方法进行定量分析和计算，自动化解耦全部的极化过程并获得定量的极化电阻和特征时间。本发明采用自动生成等效电路模型(ecm)，与传统方法依靠经验来选择等效电路模型不同，利用解耦后的极化过程及其定量特征数据，可以得到合适的等效电路模型，确保了分析结果的唯一性。本发明的操作简便，集成了信号发生器、电子负载、数据测量采集模块、阻抗数据处理模块、上位机、配电模块及控制模块，降低了操作难度。