一种PEM电解制氢系统、装置及敏感度分析方法

本发明涉及电力系统制氢，具体涉及一种pem电解制氢系统、装置及敏感度分析方法。

背景技术：

1、长时间依赖碳基矿物作为主要能源来源的现状导致化石燃料储量急剧下降。过去十年，可再生能源(如风能、太阳能和水能)不断被用来生产绿色能源和燃料，以弥补化石燃料的过度使用。电转氢被认为是未来可再生能源系统中至关重要的组成部分，既能发挥储能作用，有助于可再生能源的整合，同时也有潜力作为耦合电力和天然气系统的关键元素。此外，氢能作为一种高效清洁能源备受全球认可，其能量密度高、应用场景广泛等特点使其备受瞩目。

2、氢气的生产可以通过在电解槽中使用电，如基于光伏的电解槽，或在热化学循环中利用热能来实现。这些系统有助于实现更好的可持续性。目前，碱性和聚合物交换膜(pem)电解槽在各种类型的电解槽系统中最为广泛使用。相比其他电解技术，pem电解槽在能源效率、产氢率、功耗、高压和波动性电源输入条件下表现出更卓越的性能。

3、尽管现有技术在pem电解制氢的材料、制备、设计和组装等方面进行了大量研究，但对于动态运行条件下的制氢系统建模、参数敏感度分析以及运行可行域的研究相对匮乏，因此，亟需一种对制氢系统动态建模与参数敏感度分析的方法。

技术实现思路

1、本发明提出了一种pem电解制氢系统、装置及敏感度分析方法，解决了现有技术缺少对动态运行条件下的制氢系统进行建模以及参数敏感度分析的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种pem电解制氢系统，包括pem电解槽、分离器、泵、供水冷却器和压力吸附器；

3、所述泵将通入的水流的压力增加到设定目标压力后通入pem电解槽进行电解制氢；

4、所述pem电解槽用于电解水制氢，并将生成的水气混合物通入分离器；

5、所述分离器将通入的水气混合物分离，并将气体从顶部移除后通入压力吸附器；

6、所述压力吸附器用于吸附氢气中的水蒸气，对制得的氢气进一步提纯；

7、所述供水冷却器通过从pem电解槽的输入中减去热量，避免其在温度设置点上方过热。

8、优选地，所述泵的模型表达式为：

9、

10、

11、式中，为进入泵的水流量；v为工作电压；pout和pin分别是泵的出口和入口处的压力；ρ表示水的密度；hout和hin分别为出入口液焓值。

12、优选地，所述分离器的模型表达式为：

13、

14、

15、式中，为进入分离器中物质的流量；为离开分离器的水的流量；为离开分离器的气体的流量；macc为分离器中的物质质量；为分离器中各物质的能量；为离开分离器的水的能量；为离开分离器的气体的能量；是与外部环境交换的热；hacc为分离器的焓值；t为时间。

16、优选地，所述pem电解槽的工作电压包括开路电压voc、活化过电位vact、浓差过电位vcon和欧姆过电位vohm，其电压模型的表达式为：

17、v＝voc+vact+vcon+vohm；

18、

19、

20、

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22、式中，e0为电解槽的标准电动势；r为气体摩尔常数；f为法拉第常数；t为电解槽温度；和分别表示氢气和氧气的分压；表示电极与膜之间的水活度；αan和αcat分别为阳极和阴极电荷转移系数；i是电解槽电流密度；i0,an与i0,cat为电流交换密度；c1、c0分别表示膜与电极接触面的氢气浓度和参考工作条件下的氢气浓度；rel、rpl、rmem分别表示电极、双极板和质子交换膜的等效电阻；分别表示电极、双极板和质子交换膜的欧姆过电位；i为电流；n为化合价绝对值之和。

23、优选地，所述供水冷却器的模型表达式为：

24、

25、

26、式中，和分别为热通道和冷通道的热量；为冷却器中液体的质量流量；ccooler为冷却器液体比热容；tcooler为冷却器平均温度；δp为冷却器两侧压力差；δpnom为标准状况下的冷却器两侧压力差；为液体质量流量。

27、优选地，所述压力吸附器的模型表达式为：

28、

29、

30、

31、

32、式中，为离开氢气冷却器的蒸汽中的氢气流量；为离开电解槽的蒸汽中的氢气流量；为离开氢气冷却器的蒸汽流量；和分别为离开氢气冷却器的氢气质量分数与蒸汽中的水质量分数；为纯加氢出口换热器夹带的水质量流量吸附；为整个出水量氢气冷却器的水质量流量吸附；p为氢-水分离器罐中蒸汽的压力；mvap为氢-水分离器中积累的气体的总质量；mmvap为氢和水摩尔质量的加权平均值；tvap为氢-水分离器内蒸汽的温度，vtotal为蒸汽占据的总体积。

33、本发明还提供了一种pem电解制氢装置，适用于上述的一种pem电解制氢系统，所述pem电解制氢装置包括电解槽电堆；

34、所述电解槽电堆与氢水分离罐、压力吸附器和储氢罐依次连接；

35、所述电解槽电堆的上方设置有供水冷却器；

36、所述供水冷却器与两个泵和氧水分离罐依次连接；

37、所述电解槽电堆的输出端分别与氢水分离罐和氧水分离罐相连接。

38、本发明还提供了一种敏感度分析方法，适用于上述的一种pem电解制氢系统，包括以下步骤：

39、步骤s1：设计正交阵列获得系统的参数信息，采用田口法对系统的各项参数进行分析，获得最大系统效率，最大系统功率和最小单位制氢耗电量；

40、步骤s2：根据正交阵列中的参数信息，计算每个参数对系统优化响应的贡献率，获得各参数与系统优化响应之间的关系。

41、本发明还提供一种电子设备，包括：存储器、处理器和计算机程序，其特征在于：所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现上述的一种敏感度分析方法。

42、本发明另外提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现上述的一种敏感度分析方法。

43、本发明的有益之处至少包括：

44、1、本发明的pem电解制氢系统，通过将分离器，泵，供水冷却器和压力吸附器等辅机器件建模进制氢系统，将系统中的温度与能量平衡进行数学建模，通过辅机与电解槽的协同运行，更加真实有效的建立了制氢系统；

45、2、本发明的pem电解制氢系统，利用田口分析法，通过设计正交序列对系统模型中各种参数进行分析，指导优化系统的控制，以获得最大系统效率，最大系统功率和最小单位制氢耗电量；

46、3、本发明的pem电解制氢系统，使用方差分析法，利用平方和、均方和自由度计算每个参数对优化响应的贡献率，通过针对不同的系统目标对相应参数制定不同的优化方案。

技术特征：

1.一种pem电解制氢系统，其特征在于：所述pem电解制氢系统包括pem电解槽、分离器、泵、供水冷却器和压力吸附器；

2.根据权利要求1所述的一种pem电解制氢系统，其特征在于：所述泵的模型表达式为：

3.根据权利要求1所述的一种pem电解制氢系统，其特征在于：所述分离器的模型表达式为：

4.根据权利要求1所述的一种pem电解制氢系统，其特征在于：所述pem电解槽的工作电压包括开路电压voc、活化过电位vact、浓差过电位vcon和欧姆过电位vohm，其电压模型的表达式为：

5.根据权利要求1所述的一种pem电解制氢系统，其特征在于：所述供水冷却器的模型表达式为：

6.根据权利要求1所述的一种pem电解制氢系统，其特征在于：所述压力吸附器的模型表达式为：

7.一种pem电解制氢装置，适用于如权利要求1至6任一项所述的一种pem电解制氢系统，其特征在于：所述pem电解制氢装置包括电解槽电堆(1)；

8.一种敏感度分析方法，适用于如权利要求1至6任一项所述的一种pem电解制氢系统，其特征在于，包括以下步骤：

9.一种电子设备，包括：存储器、处理器和计算机程序，其特征在于：所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现权利要求8所述的一种敏感度分析方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现权利要求8所述的一种敏感度分析方法。

技术总结本发明公开了一种PEM电解制氢系统，包括PEM电解槽、分离器、泵、供水冷却器和压力吸附器，所述泵将通入的水流的压力增加到设定目标压力后通入PEM电解槽进行电解制氢；所述PEM电解槽用于电解水制氢，并将生成的水气混合物通入分离器；所述分离器将通入的水气混合物分离，并将气体从顶部移除后通入压力吸附器；所述压力吸附器用于吸附氢气中的水蒸气，对制得的氢气进一步提纯；所述供水冷却器通过从PEM电解槽的输入中减去热量，避免其在温度设置点上方过热。技术研发人员：谢长君,李永康,胡红明,杜帮华,杨扬,朱文超,王瀚,王喆伟,杨文龙,曹俊辉,李熙志,李梓豪受保护的技术使用者：武汉理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/20