一种电解水制氢测试系统、性能曲线拟合及损伤预警方法技术方案

本发明专利技术属于电解水制氢测试技术领域，尤其涉及一种电解水制氢测试系统、性能曲线拟合及损伤预警方法。测试系统中，数据采集与控制模块用于发出控制信号和接收数据信号；环境工况加载模块接收数据采集与控制模块所发出的控制信号，并根据控制信号在PEM电解水测试模块上加载环境工况，环境工况加载模块向数据采集与控制模块返回各部件用于加载环境工况的实时数据信号，PEM电解水测试模块根据数据采集与控制模块发出的控制信号，使PEM电解池在环境工况下电解水制氢，并将电解水过程中的各种数据采集装置所采集到的数据信号传送回数据采集与控制模块。本发明专利技术可以模拟波动性供电、高温、强风等环境，便于对PEM电解水制氢的过程进行监测。进行监测。进行监测。

【技术实现步骤摘要】
一种电解水制氢测试系统、性能曲线拟合及损伤预警方法


[0001]本专利技术属于电解水制氢测试
，尤其涉及一种电解水制氢测试系统、性能曲线拟合及损伤预警方法。

技术介绍

[0002]氢气具有高热值、绿色清洁、来源广泛等特点，被誉为是未来能源结构的重要组成部分，广泛应用在石油化工、食品工业、燃料电池等众多领域中。
[0003]PEM电解水制氢是获取氢气的重要来源之一，并且PEM电解水制氢可以与太阳能发电、风力发电等可再生清洁能源的发电方式相结合，一方面解决了太阳能发电、风力发电因发电量不稳定，与电网并网难度大而容易被“弃光”“限电”的问题；另一方面充分利用可再生清洁能源所产生的电能来制取氢气并存储起来，在用电高峰时期，通过氢燃料电池将氢气的能量转化为稳定的电能，反哺电网。
[0004]现阶段PEM电解水制氢主要是在实验室中进行，电解水所用的电源多为恒定电源，电解水制氢的环境也较为单一，而太阳能发电、风力发电等可再生清洁能源发电的实际环境是十分复杂的。例如太阳能发电的主要地区是沙漠和戈壁地区，不仅昼夜温差大，而且正午环境温度高，可能会使PEM电解池的质子交换膜脱水或热降解，同时，在PEM电解池周围可能因炎热干燥而发生火灾事故，或PEM电解池在制氢过程中可能会发生热失控，这些情况都会影响电解水制氢的速率和安全性。再例如风能发电主要在高纬度地区，风速短时间内快速变化会使电解水制氢的电源功率波动，而强风同时也会导致PEM电解池的工作温度下降，这又会影响电解水制氢的速率。为进一步提高可再生清洁能源的利用效率，推进PEM电解水制氢与太阳能发电、风力发电等可再生清洁能源发电方式相结合，就需要模拟波动性供电、热环境、风环境等，对PEM电解水制氢的过程进行监测和量化分析。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种电解水制氢测试系统，可以模拟波动性供电、高温、强风等环境，便于对PEM电解水制氢的过程进行监测。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种电解水制氢测试系统，包括数据采集与控制模块、环境工况加载模块、PEM电解水测试模块，PEM电解水测试模块包括PEM电解池；数据采集与控制模块用于发出控制信号和接收数据信号，并根据接收到的数据信号，对发出的控制信号进行负反馈调节；环境工况加载模块接收数据采集与控制模块所发出的控制信号，并根据控制信号在PEM电解水测试模块上加载环境工况，环境工况加载模块向数据采集与控制模块返回各部件用于加载环境工况的实时数据信号，PEM电解水测试模块根据数据采集与控制模块发出的控制信号，使PEM电解池在环境工况下将水电解成氢气和氧气，并将电解水过程中的各种数据采集装置所采集到的数据信号传送回数据采集与控制模块；所述环境工况加载模块所加载的环境工况为波动电源环境、热环境、风环境中的任意一种，或风热耦合环境。
[0007]优选的，所述环境工况加载模块包括电源控制器；所述PEM电解水测试模块还包括第一补水阀、纯化水箱、第二补水阀、预热水箱、水泵、第一流量计、储氢部、储氧部、可编程直流电源以及管路；所述纯化水箱的进水管路上设置有所述第一补水阀，所述纯化水箱的出水管路与所述第二补水阀进水口相连通，所述第一补水阀与第二补水阀的开启时间相异；所述第二补水阀出水口与所述预热水箱的进水管路相连通，所述水泵、第一流量计沿水流方向依次设置在串联的预热水箱出水管路和PEM电解池进水管路上；所述可编程直流电源与PEM电解池电连接，给所述PEM电解池提供电解水所需的直流电，所述可编程直流电源的开关受到数据采集与控制模块的控制，所述可编程直流电源向PEM电解池输出的直流电波形受到环境工况加载模块中的电源控制器控制；所述可编程直流电源与所述PEM电解池的连接导线上串联电流变送器，电压变送器连接在所述可编程直流电源与PEM电解池相连接的正负极导线上；所述电流变送器、电压变送器分别测量所述可编程直流电源加载在所述PEM电解池上的电流和电压；所述PEM电解池内电解水产生的氢气通过氢气管路进入所述储氢部内存储备用，氧气通过氧气管路进入所述储氧部内存储备用。
[0008]优选的，所述纯化水箱内还设置有用于测量所述纯化水箱液位高度的第一液位传感器；所述预热水箱内还设置有第二液位传感器、第二温度传感器、加热器，所述第二液位传感器用于测量所述预热水箱内的液位高度；所述第二温度传感器用于测量预热水箱中心部位的纯化水温度，即所述PEM电解池的供水水温；所述加热器用于加热所述预热水箱内的纯化水；所述储氢部包括依次串联设置在所述PEM电解池氢气管路上的第一气水分离器、氢气流量计、氢气压力传感器、储氢罐；所述储氢部还包括设置在所述第一气水分离器和纯化水箱之间纯水回收管路上的第一截止阀；所述储氧部包括依次串联设置在所述PEM电解池氧气管路上的第二气水分离器、氧气流量计、氧气压力传感器以及储氧罐；所述储氧部还包括设置在所述第二气水分离器和纯化水箱之间纯水回收管路上的第二截止阀；所述PEM电解池包括一片以上串联在一起的电解单元，两个端板分别固定设置在两端的电解单元上，一个端板上设置有进水管路，另一个端板上设置有氢气管路和氧气管路；所述PEM电解池分别从两端的电解单元上引出正极接口和负极接口，正极接口和负极接口分别与所述可编程直流电源的正极导线、负极导线相连接；每片电解单元的侧边均设置有用于采集每片电解单元温度的热电偶温度传感器，每片电解单元上均并联有用于测量每片电解单元上所加载电压的电压采集器。
[0009]优选的，所述环境工况加载模块还包括红外加热器、风机、隔热板、升降架、测试箱、空气温度传感器以及热流密度传感器；所述测试箱为内部中空的箱体；所述测试箱的底部固定设置有所述升降架，所述PEM电解池被设置在所述升降架上；若干个红外加热器和若干个风机环绕所述PEM电解池且固定设置在所述测试箱的内壁上，且各红外加热器与所述PEM电解池之间还活动设置有所述隔热板；所述红外加热器用于制造热环境，所述风机用于制造风环境；所述测试箱内的顶部还设置有所述空气温度传感器，所述空气温度传感器用于测量所述测试箱内的空气温度；各红外加热器的热流出口处设置有所述热流密度传感器，所述热流密度传感器用于测量各红外加热器热流出口处的热流密度。
[0010]一种PEM电解池性能曲线拟合方法，采用上述的一种电解水制氢测试系统，包括以下步骤：S1，在数据采集与控制模块中预先设定好当前测试的环境工况静态参数和动态参
数；S2，数据采集与控制模块向环境工况加载模块发出控制信号，环境工况加载模块根据当前测试的环境工况静态参数进行工况模拟，加载在PEM电解池上，数据采集与控制模块Ⅰ向PEM电解水测试模块发出控制信号，启动PEM电解水测试模块，直至PEM电解池到达稳定状态；S3，PEM电解池到达稳定状态后，数据采集与控制模块向环境工况加载模块发出控制信号，环境工况加载模块根据当前测试的环境工况动态参数进行工况模拟，PEM电解池内正式进行当前环境工况下的电解水制氢测试，PEM电解水测试模块将采集的数据信号传送回数据采集与控制模块本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电解水制氢测试系统，其特征在于：包括数据采集与控制模块（Ⅰ）、环境工况加载模块（Ⅱ）、PEM电解水测试模块（Ⅲ），PEM电解水测试模块（Ⅲ）包括PEM电解池（1）；数据采集与控制模块（Ⅰ）用于发出控制信号和接收数据信号，并根据接收到的数据信号，对发出的控制信号进行负反馈调节；环境工况加载模块（Ⅱ）接收数据采集与控制模块（Ⅰ）所发出的控制信号，并根据控制信号在PEM电解水测试模块（Ⅲ）上加载环境工况，环境工况加载模块（Ⅱ）向数据采集与控制模块（Ⅰ）返回各部件用于加载环境工况的实时数据信号，PEM电解水测试模块（Ⅲ）根据数据采集与控制模块（Ⅰ）发出的控制信号，使PEM电解池（1）在环境工况下将水电解成氢气和氧气，并将电解水过程中的各种数据采集装置所采集到的数据信号传送回数据采集与控制模块（Ⅰ）；所述环境工况加载模块（Ⅱ）所加载的环境工况为波动电源环境、热环境、风环境中的任意一种，或风热耦合环境。2.根据权利要求1所述的一种电解水制氢测试系统，其特征在于：所述环境工况加载模块（Ⅱ）包括电源控制器；所述PEM电解水测试模块（Ⅲ）还包括第一补水阀（2）、纯化水箱（3）、第二补水阀（4）、预热水箱（5）、水泵（6）、第一流量计（7）、储氢部（8）、储氧部（9）、可编程直流电源（10）以及管路；所述纯化水箱（3）的进水管路上设置有所述第一补水阀（2），所述纯化水箱（3）的出水管路与所述第二补水阀（4）进水口相连通，所述第一补水阀（2）与第二补水阀（4）的开启时间相异；所述第二补水阀（4）出水口与所述预热水箱（5）的进水管路相连通，所述水泵（6）、第一流量计（7）沿水流方向依次设置在串联的预热水箱（5）出水管路和PEM电解池（1）进水管路上；所述可编程直流电源（10）与PEM电解池（1）电连接，给所述PEM电解池（1）提供电解水所需的直流电，所述可编程直流电源（10）的开关受到数据采集与控制模块（Ⅰ）的控制，所述可编程直流电源（10）向PEM电解池（1）输出的直流电波形受到环境工况加载模块（Ⅱ）中的电源控制器控制；所述可编程直流电源（10）与所述PEM电解池（1）的连接导线上串联电流变送器（10a），电压变送器（10b）连接在所述可编程直流电源（10）与PEM电解池（1）相连接的正负极导线上；所述电流变送器（10a）、电压变送器（10b）分别测量所述可编程直流电源（10）加载在所述PEM电解池（1）上的电流和电压；所述PEM电解池（1）内电解水产生的氢气通过氢气管路进入所述储氢部（8）内存储备用，氧气通过氧气管路进入所述储氧部（9）内存储备用。3.根据权利要求2所述的一种电解水制氢测试系统，其特征在于：所述纯化水箱（3）内还设置有用于测量所述纯化水箱（3）液位高度的第一液位传感器（3a）；所述预热水箱（5）内还设置有第二液位传感器（5a）、第二温度传感器（5b）、加热器（5c），所述第二液位传感器（5a）用于测量所述预热水箱（5）内的液位高度；所述第二温度传感器（5b）用于测量预热水箱（5）中心部位的纯化水温度，即所述PEM电解池（1）的供水水温；所述加热器（5c）用于加热所述预热水箱（5）内的纯化水；所述储氢部（8）包括依次串联设置在所述PEM电解池（1）氢气管路上的第一气水分离器
（8a）、氢气流量计（8b）、氢气压力传感器（8c）、储氢罐（8d）；所述储氢部（8）还包括设置在所述第一气水分离器（8a）和纯化水箱（3）之间纯水回收管路上的第一截止阀（8e）；所述储氧部（9）包括依次串联设置在所述PEM电解池（1）氧气管路上的第二气水分离器（9a）、氧气流量计（9b）、氧气压力传感器（9c）以及储氧罐（9d）；所述储氧部（9）还包括设置在所述第二气水分离器（9a）和纯化水箱（3）之间纯水回收管路上的第二截止阀（9e）；所述PEM电解池（1）包括一片以上串联在一起的电解单元（1a），两个端板（1b）分别固定设置在两端的电解单元（1a）上，一个端板（1b）上设置有进水管路，另一个端板（1b）上设置有氢气管路和氧气管路；所述PEM电解池（1）分别从两端的电解单元（1a）上引出正极接口和负极接口，正极接口和负极接口分别与所述可编程直流电源（10）的正极导线、负极导线相连接；每片电解单元（1a）的侧边均设置有用于采集每片电解单元（1a）温度的热电偶温度传感器，每片电解单元（1a）上均并联有用于测量每片电解单元（1a）上所加载电压的电压采集器。4.根据权利要求3所述的一种电解水制氢测试系统，其特征在于：所述环境工况加载模块（Ⅱ）还包括红外加热器（13）、风机（12）、隔热板（14）、升降架（15）、测试箱（16）、空气温度传感器（18）以及热流密度传感器（19）；所述测试箱（16）为内部中空的箱体；所述测试箱（16）的底部固定设置有所述升降架（15），所述PEM电解池（1）被设置在所述升降架（15）上；若干个红外加热器（13）和若干个风机（12）环绕所述PEM电解池（1）且固定设置在所述测试箱（16）的内壁上，且各红外加热器（13）与所述PEM电解池（1）之间还活动设置有所述隔热板（14）；所述红外加热器（13）用于制造热环境，所述风机（12）用于制造风环境；所述测试箱（16）内的顶部还设置有所述空气温度传感器（18），所述空气温度传感器（18）用于测量所述测试箱（16）内的空气温度；各红外加热器（13）的热流出口处设置有所述热流密度传感器（19），所述热流密度传感器（19）用于测量各红外加热器（13）热流出口处的热流密度。5.一种PEM电解池性能曲线拟合方法，采用权利要求4所述的一种电解水制氢测试系统，其特征在于，包括以下步骤：S1，在数据采集与控制模块（Ⅰ）中预先设定好当前测试的环境工况静态参数和动态参数；S2，数据采集与控制模块（Ⅰ）向环境工况加载模块（Ⅱ）发出控制信号，环境工况加载模块（Ⅱ）根据当前测试的环境工况静态参数进行工况模拟，加载在PEM电解池（1）上，数据采集与控制模块（Ⅰ）向PEM电解水测试模块（Ⅲ）发出控制信号，启动PEM电解水测试模块（Ⅲ），直至PEM电解池（1）到达稳定状态；S3，PEM电解池（1）到达稳定状态后，数据采集与控制模块（Ⅰ）向环境工况加载模块（Ⅱ）发出控制信号，环境工况加载模块（Ⅱ）根据当前测试的环境工况动态参数进行工况模拟，PEM电解池（1）内正式进行当前环境工况下的电解水制氢测试，PEM电解水测试模块（Ⅲ）将采集的数据信号传送回数据采集与控制模块（Ⅰ）后，环境工况加载模块（Ⅱ）和PEM电解水测试模块（Ⅲ）关闭，当前环境工况的测试结束；S4，数据采集与控制模块（Ⅰ）对PEM电解水测试模块（Ⅲ）所采集的数据进行拟合，得到
PEM电解池（1）的性能曲线。6.根据权利要求5所述的一种PEM电解池性能曲线拟合方法，其特征在于，当环境工况为波动电源环境时：S1中还包括以下内容：当前测试的环境工况静态参数：空气温度为25℃，PEM电解池（1）的供水水温为80℃，PEM电解池（1）内电流密度为1A/cm2，质子交换膜面积为PEM电解池（1）的已知参数，通过PEM电解池输入电流=PEM电解池内电流密度
×
单片质子交换膜面积，计算出可编程直流电源（10）向PEM电解池（1）输入的直流电，记为E，单位：安培，当前测试的环境工况动态参数：可编程直流电源（10）向PEM电解池（1）输入波动的直流电；在S2中还包括以下子步骤：S21a，环境工况加载模块（Ⅱ）控制隔热板（14）隔挡在红外加热器（13）与PEM电解池（1）之间，环境工况加载模块（Ⅱ）控制红外加热器（13）的启停，使空气温度传感器（18）测得的空气温度为25℃，可编程直流电源（10）向PEM电解池（1）输入恒定直流电E；S22a，数据采集与控制模块（Ⅰ）启动PEM电解水测试模块（Ⅲ）后，控制加热器（5c）的启停，使预热水箱（5）内第二温度传感器（5b）所测得的纯化水温度维持在80℃，即PEM电解池（1）的供水水温为80℃，数据采集与控制模块（Ⅰ）控制环境工况加载模块（Ⅱ），环境工况加载模块（Ⅱ）中的电源控制器控制可编程直流电源（10）向PEM电解池（1）输入持续10分钟的直流电E，此时电流变送器（10a）所采集的电流值也为直流电E；S23a，数据采集与控制模块（Ⅰ）在第8～10分钟时，每间隔1分钟采集一次电压变送器（10b）的数值，共计三次，若三次电压变送器（10b）的数值相等，则判定PEM电解水测试模块（Ⅲ）运行已到达稳定状态；若三次电压变送器（10b）的数值不相等，则再重复执行S22a～S23a，若三次电压变送器（10b）的数值仍不相等，则数据采集与控制模块Ⅰ向技术人员发送“PEM电解池异常”的提醒；在S3中还包括以下内容：在数据采集与控制模块（Ⅰ）判定PEM电解水测试模块（Ⅲ）运行已到达稳定状态后，数据采集与控制模块（Ⅰ）控制环境工况加载模块（Ⅱ）中的电源控制器在设定的第一时间阈值内向可编程直流电源（10）输出直流电波形，可编程直流电源（10）向PEM电解池（1）输入对应波动的直流电，PEM电解水测试模块（Ⅲ）中的各传感器、流量计实时向数据采集与控制模块（Ⅰ）上传采集到的数据，数据采集与控制模块（Ⅰ）控制环境工况加载模块（Ⅱ）和PEM电解水测试模块（Ⅲ）关闭，当前环境工况测试结束。7.根据权利要求5所述的一种PEM电解池性能曲线拟合方法，其特征在于，当环境工况为风环境时：在S1中还包括以下内容：当前测试的环境工况静态参数：空气温度为25℃，PEM电解池（1）的供水水温为80℃，PEM电解池（1）内电流密度为1A/cm2，质子交换膜面积为PEM电解池（1）的已知参数，通过PEM电解池输入电流=PEM电解池内电流密度
×
单片质子交换膜面积，计算出可编程直流电源（10）向PEM电解池（1）输入的直流
电，记为E，单位：安培，当前测试的环境工况动态参数：风机（12）产生的风速V，风速V的取值范围为[0,12]，单位：m/s；在S2中还包括以子步骤：S21b，环境工况加载模块（Ⅱ）控制隔热板（14）隔挡在红外加热器（13）与PEM电解池（1）之间，环境工况加载模块（Ⅱ）控制红外加热器（13）的启停，使空气温度传感器（18）测得的空气温度为25℃；S22b，数据采集与控制模块（Ⅰ）启动PEM电解水测试模块（Ⅲ）后，控制加热器（5c）的启停，使预热水箱（5）内第二温度传感器（5...

【专利技术属性】
技术研发人员：王昌建，杜涛，许运博，马鸿盛，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：