一种PEM电解水系统及压力升降控制方法与流程

本发明属于新能源汽车中燃料电池控制技术，具体是一种pem电解水系统及压力升降控制方法。

背景技术：

1、质子交换膜水电解装置由于其高能效、高产气纯度以及小型、轻量在电网储能、燃料电池、加氢站、航天、化工等方面具有广阔的应用前景。利用pem水电解制氢技术，实现电力资源在时间、空间维度重新分布和电解产物多元化利用，可大大提高能源综合利用效率，减少碳排放。但目前pem水电解槽受密封形式制约不能产生高压氢气，本发明是基于将电解槽放入高压容器中，控制电解槽内压力与高压容器内压力保持基本一致，从而能够利用现有电解槽实现高压产氢。

2、整个控制过程中，需要保持氢氧两侧液位平衡，同时高压容器测压力跟谁氧气测压力变化。由于电解水在电解时，产生氢气量和氧气体积不同，导致氢气侧的压力大于氧气侧压力，需要实时调控氢氧两侧液位，保持两侧液位平衡，两侧压力不平衡会导致压力高的一侧液位被压入压力低的一侧，从而导致窜液。现有压力控制方式通过压力传感器来检测压力变化，通过反馈来进行pid调节，而传统pid反馈算法，带有延迟，延迟和执行器件的动作频率有关。而一般电池阀等通过线圈吸合的开关器件开关时间在几百毫秒，这种反馈造成的延迟导致调控频率降低，从导致压力无法跟随，导致系统压力和高压容器压力超过电解槽的耐受压力，损坏电解槽。或者导致氢氧压力不平衡导致窜液。本发明提供一种解决高压压力跟随控制的方案。

技术实现思路

1、发明目的：针对上述现有技术存在的不足，本发明第一目的是提供一种pem电解水系统，基于该系统，本发明第二目的是提供一种pem电解水的压力升降控制方法，由此实现系统压力和氢氧气压力的同步跟随，避免氢氧压力不平衡导致的窜液问题。

2、技术方案：一种pem电解水系统，包括电解槽和压力容器，所述的电解槽置于压力容器中，且控制电解槽内的压力与压力容器内的压力保持在电解槽耐受压力的1/3(1mpa)；

3、所述的压力容器通过增压泵实现氮气的填充，包括设有调节控制阀和压力监测仪表用于压力容器中的压力调节和监测；

4、所述的电解槽内电解产生的气体分道进去氧分离器和氢分离器；

5、该系统采用pid控制器实现电解槽和压力容器内的压力调节，所述的pid控制器执行如下的控制函数：

6、

7、式中，u(t)(给定量)表示氧气的给定量，kf为前馈调节系数，系统目标压-氧气侧压作实时误差e，kp为比例系数，ki为积分系数，e(t)＝x(t)-x(t-1)，x(t)表示本次氧气侧压力，x(t-1)为上次氧气侧的压力。

8、进一步地，氧气分离器和氢分离器侧均设有调节控制阀和压力监测仪表，其中所述的调节控制阀为气动控制阀。

9、基于上述的系统，本发明还提供一种pem电解水的压力升降控制方法，该方法采用上述的pem电解水系统，将电解槽置于压力容器内，通过pid控制器及其算法实现压力容器的压力和电解水系统的压力同步跟随，包括如下步骤：

10、s1、在压力容器的升压阶段，氧气侧的调节控制阀无动作，实时读取氧气侧压力传感器的值作为系统压力；

11、s2、实时读取高压容器侧压力传感器的值，作为反馈量；

12、s3、用当前时刻的氧气侧系统压力减去上一时刻的氧气侧系统压力作为系统扰动变化e(t)，将本次氧气侧系统压力赋值给上次氧气侧系统压力变量；

13、s4、用将扰动的变化e(t)*前馈调节系数kf作为前馈；

14、s5、反馈控制采用比列积分控制，以系统氧气侧压力作为目标值，高压容器侧压力作为反馈值，目标值减去反馈值作为系统误差进行比列积分调节，输出作为反馈量；

15、s6、将前馈量加反馈量作为输出作用执行器件，所述执行器件为调节控制阀。

16、进一步地，该方法引入开环前馈控制和经典pid闭环反馈控制，所述的前馈控用于系统延迟的补偿，使得系统控制不受动作执行器的频率影响，由此增加系统的响应速度。

17、更进一步地，所述方法可实现15-45兆帕的pem高压电解水。具体应用来说，高压是指pem电解水系统的表压15-80兆帕(mpa)的设计压力，更优的是在表压20-45兆帕的设计压力。

18、有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种在高压pem电解压力控制领域的解决方案，通过增加前馈控制，解决了高压系统要求的高响应和控制执行单元的低控制频率之间的矛盾，从而实现压力的跟随控制。

技术特征：

1.一种pem电解水系统，包括电解槽和压力容器，其特征在于，所述的电解槽置于压力容器中，且控制电解槽内的压力与压力容器内的压力差保持在电解槽耐受压力的1/3；

2.根据权利要求1所述的pem电解水系统，其特征在于，所述的氧气分离器和氢分离器侧均设有调节控制阀和压力监测仪表。

3.根据权利要求1或2所述的pem电解水系统，其特征在于，所述的调节控制阀为气动阀。

4.一种pem电解水的压力升降控制方法，其特征在于，该方法适用如权利要求1-3任一项所述的pem电解水系统，将电解槽置于压力容器内，通过pid控制器及其算法实现压力容器的压力和电解水系统的压力同步跟随，步骤如下：

5.根据权利要求4所述的pem电解水的压力升降控制方法，其特征在于，步骤s6所述的执行器件为调节控制阀。

6.根据权利要求4所述的pem电解水的压力升降控制方法，其特征在于，该方法引入开环前馈控制和经典pid闭环反馈控制，所述的前馈控制用于系统延迟的补偿，使得系统控制不受动作执行器的频率影响，由此增加系统的响应速度。

7.根据权利要求4所述的pem电解水的压力升降控制方法，其特征在于，所述方法可实现15-45兆帕的pem高压电解水。

技术总结本发明公开了一种PEM电解水系统及压力升降控制方法，该系统包括电解槽和压力容器，且将电解槽置于压力容器中，且控制电解槽内的压力与压力容器内的压力保持基本相同。本发明还引入开环前馈控制+经典PID闭环反馈控制，相对于单独的传统PID和单独的模糊PID控制，引入的前馈控相当于对系统延迟的补偿，不受动作执行器的频率影响，增加系统的响应速度。而反馈控制更精准，两者结合可以让系统控制不但精准还能减少系统延迟。基于本发明，且设计高压电解槽和高压容器的结构，使得氢燃料电池在电解水制氢的电解水反应中不受电解槽本身耐压限值。技术研发人员：刘俊受保护的技术使用者：江苏耀扬新能源科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/4