[go: up one dir, main page]

CN118786246A - 用于对电解设备进行操作的方法及控制模块 - Google Patents

用于对电解设备进行操作的方法及控制模块 Download PDF

Info

Publication number
CN118786246A
CN118786246A CN202280090283.6A CN202280090283A CN118786246A CN 118786246 A CN118786246 A CN 118786246A CN 202280090283 A CN202280090283 A CN 202280090283A CN 118786246 A CN118786246 A CN 118786246A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrolysis
model
operating
parameter
stack
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202280090283.6A
Other languages
English (en)
Inventor
方家琨
胡可崴
钟治垚
黄丹极
应雨恒
王创
杨晓波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Energy Ltd
Original Assignee
Hitachi Energy Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Energy Ltd filed Critical Hitachi Energy Ltd
Publication of CN118786246A publication Critical patent/CN118786246A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C25B15/023—Measuring, analysing or testing during electrolytic production
    • C25B15/025—Measuring, analysing or testing during electrolytic production of electrolyte parameters
    • C25B15/027—Temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C25B15/021—Process control or regulation of heating or cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

本公开涉及一种用于对电解设备(EP)进行操作的方法、用于对电解设备(EP)进行操作的控制模块、电解设备以及用于对电力系统中的至少一个电解设备进行调度的方法。电解设备(EP)包括由多个电解池组装的电解堆。用于对电解设备进行操作的方法包括由控制模块执行的以下步骤：使多物理场模型适于电解设备的多个操作参数，其中，多物理场模型包括一维液气两相流模型和与两相流模型耦合的电化学模型，并且多个操作参数包括至少一个预设参数和至少一个待计算参数；借助于多物理场模型，根据至少一个预设参数的预设值，对至少一个待计算参数的值进行计算；以及根据所计算出的至少一个待计算参数的值，对电解设备执行控制。

Description

用于对电解设备进行操作的方法及控制模块
技术领域
本公开涉及电解槽控制的技术领域。更具体地，本公开涉及用于对电解设备进行操作的方法、用于对电解设备进行操作的控制模块、电解设备以及用于对电力系统中的至少一个电解设备进行调度的方法。
背景技术
氢被认为是21世纪最有前景的二次能源之一。与此同时，新兴的集成能源系统概念正在加强电力系统和天然气系统的关联。作为能源转换领域，电转氢(“PtH”)，特别是水电解，已被公认为未来集成能源系统中对于电网平衡和电力系统与天然气系统耦合而言的重要元素。
低温水电解槽的特点在于液气两相流。对于在两个电极之间不存在流道的零间隙电池，附着到电极的气泡往往会减小电化学反应的有效面积。对于水在两个电极之间流动的间隙电池，气泡不仅会减小电极的有效面积，而且还会降低水的导电率。综上所述，气泡效应对电化学反应有显著影响，为此应考虑令人信服(compelling)的电解槽的数学模型。因此，两相流模型在低温水电解模拟中得到了广泛的应用。
目前，水电解研究中存在三种两相流模型：欧拉-欧拉模型(the Euler-Eulermodel)、欧拉-拉格朗日模型(the Euler-Lagrange model)和混合模型。这些模型通常适于对单独的电解池的研究中，并且使用数值方法进行求解。然而，实际中应用的电解槽通常紧凑地组装成堆栈(stack)，并且配备有如泵和热交换器等的辅助部件。因此，现有的两相流模型不适合于堆栈级或设备级电解槽，原因有几个：
-液体和气体的运动由高度非线性的偏微分方程建模。现有的模型只能通过CFD(计算流体动力学)方法来求解，其中，应建立电解槽的精确几何形状。因此，现有的模型只能应用于单独的电解池的建模。显然，它不适合于对带有电力系统的电解槽进行系统仿真。
-液体和气体的参数强耦合，从而使两相流模型的收敛性劣化。
-虽然只有电极附近的气泡会影响电解过程，但现有的模型对整个流道中的变量进行求解，从而扩大了计算规模。
发明内容
鉴于上述，本公开旨在提出一种多物理场模型，该多物理场模型包括用于对大型电解设备进行操作的新的两相模型，该两相模型是线性的，以确保简化计算。
为此，本公开的第一方面提供了一种用于对电解设备进行操作的方法。该电解设备包括：由多个电解池组装的电解堆；以及布置在电解堆上游或下游的至少一个电解辅助部件。该方法包括由控制模块执行的以下步骤：a)使多物理场模型适于电解设备的多个操作参数，其中，多物理场模型包括一维液气两相流模型和与两相流模型耦合的电化学模型，并且多个操作参数包括至少一个预设参数和至少一个待计算参数；b)借助于多物理场模型，根据至少一个预设参数的预设值，对至少一个待计算参数的值进行计算；以及c)根据所计算出的至少一个待计算参数的值，对电解设备执行控制。
因此，包括一维两相流模型的多物理场模型允许通过简化计算对电解设备(堆栈级或设备级电解槽)进行简单且快速的控制。
根据本公开的优选实施方式，至少一个电解辅助部件包括加热器、热交换器和泵中的至少一者，其中，加热器或热交换器被配置成根据提供至加热器或热交换器的控制信号对在电解设备中循环的电解质的温度进行控制，并且泵被配置成根据提供至泵的控制信号对电解质的流速进行控制。
根据本公开的优选实施方式，步骤b)包括：借助于基于质量守恒、动量守恒、均匀流和稳定平行流的假设、以及法拉第定律而对于单独的电解池建立的两相流模型，根据电流密度以及阳极空隙率和阴极空隙率的预设值，对电解质的流速的值进行计算，并且步骤c)包括：根据所计算出的流速的值对提供至泵的控制信号进行确定，并且根据提供至泵的控制信号对泵执行控制。
根据本公开的优选实施方式，为了简化计算，基于动量守恒以及均匀流和稳定平行流的假设，电解质的流速由以下方程表示：
其中，v表示气体的流速，vl表示电解质的流速，vin表示电解质在沿电解池的流道的宽度方向的中央位置处的流速，x表示流道中的宽度位置，并且X表示流道的总宽度。
根据本公开的优选实施方式，步骤b)包括：借助于基于基尔霍夫电压定律和巴特勒-福尔默(Bulter-Volmer)方程而对于单独的电解池建立的电化学模型，根据电流密度以及阳极空隙率和阴极空隙率的预设值，对电解质的温度和提供至电解堆的供电电压的值进行计算，并且步骤c)包括：根据所计算出的温度的值对提供至加热器或热交换器的控制信号进行确定，并且根据提供至加热器或热交换器的控制信号以及提供至电解堆的供电电压分别对加热器和电解堆执行控制。
根据本公开的优选实施方式，在步骤c)之后，该方法还包括以下步骤：对电解设备的至少一个操作参数的值进行测量，并且观察所测量的值是否在一段时间内突然变化，以对在电解设备中是否发生故障进行识别。
根据本公开的优选实施方式，所测量的至少一个操作参数包括提供至电解堆的供电电压和流过电解堆的电流。
本公开的第二方面提供了一种用于对电解设备进行操作的控制模块。该电解设备包括：由多个电解池组装的电解堆；以及布置在电解堆上游或下游的至少一个电解辅助部件。控制模块被配置成：使多物理场模型适于电解设备的多个操作参数，其中，多物理场模型包括一维液气两相流模型和与两相流模型耦合的电化学模型，并且多个操作参数包括至少一个预设参数和至少一个待计算参数；借助于多物理场模型，根据至少一个预设参数的预设值，对至少一个待计算参数的值进行计算；以及根据所计算出的至少一个待计算参数的值，对电解设备执行控制。
本公开的第三方面提供了一种电解设备，该电解设备包括根据本公开的第二方面的控制模块。
本公开的第四方面提供了一种用于对电力系统中的至少一个电解设备进行调度的方法。该电力系统包括至少一个电气装置，至少一个电气装置电连接到至少一个电解设备，至少一个电解设备包括由多个电解池组装的电解堆。该方法包括以下步骤：使多物理场模型适于至少一个电解设备的多个操作参数，其中，多物理场模型包括一维液气两相流模型和与两相流模型耦合的电化学模型；基于与电力系统相关联的多个操作参数中的至少一个操作参数，使多物理场模型与电力系统的模型一起运行；以及基于运行结果对至少一个电解设备的操作状态进行确定，以对电力系统的性能进行优化。
根据本公开的优选实施方式，与电力系统相关联的至少一个操作参数包括提供至电解堆的供电电压和流过电解堆的电流。
一般来说，除非本文另有明确限定，否则权利要求中使用的所有术语都应根据其在技术领域中的通常含义进行解释。除非另有明确说明，否则所有对“一/一种/该元件、部件、装置、设备、系统、步骤等”的引用都应开放地解释为涉及元件、部件、装置、设备、系统、步骤等的至少一个实例。
附图说明
通过参考所附附图详细描述的以下优选实施方式，将更好地理解本公开的其他特征和优点，其中相同的附图标记表示相同或相似的部件。
图1示出了根据本公开的电解设备的一种实施方式的示意图。
图2示出了图1中所示的电解设备中的电解堆的示意性截面图。
图3示出了包括图1中所示的电解设备的电力系统的示意图。
图4示出了图3中所示的电力系统的整体模型与图1中所示的电解设备的模型之间的关联的示意图。
图5示出了用于图1中所示的电解设备的多物理场模型，其包括与电化学模型双向耦合的两相流模型。
图6示出了图2中所示的电解堆中的电解池的示意图。
图7示出了图6中所示的电解池的二维示意图。
图8示出了流道的薄区域，该区域被人为划分以对图6中所示的电解池中的气泡层进行建模。
图9示出了对于获得气泡层的宽度的最佳值的灵敏度分析，以对图8中所示的薄区域进行限定。
图10示出了图8中所示的气泡层的微元素，引入该微元素以得出气体的质量守恒。
图11示出了图10中所示的微元素中气体的质量守恒。
图12示出了通过引入新变量而得到的图10中所示的微元素中气体的质量守恒。
图13示出了图8中所示的流道的两个平行壁之间的稳定平行流。
图14示出了图6中所示的电解池使用图5中所示的多物理场模型的示意图。
图15示出了图5中所示的模型与CFD模型在电流-电压特性方面的比较。
图16示出了图5中所示的模型与CFD模型在阳极空隙率方面的比较。
图17示出了图5中所示的模型与CFD模型在阴极空隙率方面的比较。
应当指出的是，附图不仅用于解释和描述本公开，而且在必要时也有助于对本公开的定义。
具体实施方式
下面对本实施方式的实现和使用进行详细讨论。然而，应当理解的是，所讨论的具体实施方式仅旨在图示实现和使用本公开的具体方式，并不旨在限制本公开的保护范围。
电解设备
如图1所示，根据本公开的电解设备EP主要包括：如图2所示的由多个电解池组装的电解堆ES；至少一个电解辅助部件，至少一个电解辅助部件包括加热器HT、泵PP、第一分离器SP1和第二分离器SP2，其中，加热器HT被布置在电解堆ES的上游并用于根据控制信号(通常为供电电压)对在电解设备EP中循环的水(电解质)的温度进行控制，并且泵PP被布置在电解堆ES的上游并用于根据控制信号(通常为供电电压)对水的流速进行控制；第一分离器SP1和第二分离器SP2被布置在电解堆ES的下游并分别用于将所产生的氢气和氧气与水分离；以及电力供应模块(未示出)，该电力供应模块被配置成向加热器HT、泵PP、电解堆ES以及第一分离器SP1和第二分离器SP2供应电力(电压)。可以理解的是，加热器HT可以由热交换器代替，或者如果进水温度由外部设备控制，则可能不需要加热器HT。
图1中所示的箭头线表示流体的流动方向。更具体地，水被加热器HT加热并且然后被泵PP驱动，然后流动到电解堆ES中。在电解堆ES中进行电解过程后，包括水和所产生的气体(所产生的氧气和所产生的氢气)的两相流从电解堆ES流动到第一分离器SP1和第二分离器SP2中，以将所产生的气体与水分离。然后，水被再循环到加热器HT中以开始新的流动循环。
控制模块CT被配置成基于如图5中所示的多物理场模型对电解设备EP进行操作，该多物理场模型包括一维液气两相流模型和与两相流模型耦合的电化学模型，下文将进行详细描述。控制模块CT可以是电解设备EP的一部分，或者控制模块CT可以是远程服务器的一部分并且通信地连接到电解堆EP和上述辅助部件。控制模块CT的处理器单元被配置成对多物理场模型进行访问并且对电解设备EP执行控制。
如图2中所示，电解堆ES由多个电解池组装。更具体地，电解质(水)E从电解堆ES的两侧流动到公共输入流道中，然后流动到电解池中的每个电解池的电解流道中。在电解过程后，从公共输出流道流出包括电解质E和所产生的气体(阳极所产生的氧气和阴极所产生的氢气)的两相流，并且从电解堆ES的下部部分排出废物WT。
电力系统
图3中所示的电力系统是示例性系统，用于图示分布式电解设备的电力供应布置。此处，电力系统PS包括多个电气装置以及六个上述电解设备EP1至EP6(由附图标记1至14指示的粗线表示电力系统的节点)，多个电气装置包括两个风力涡轮机W1至W2和五个发电机G1至G5，六个电解设备中的每个电解设备都经由整流器电连接到电气装置，并且用于储存来自电气装置的能量(即电转氢技术)。
如图4中所示，包括一维两相模型的多物理场模型(如图5中所示的EP模型)能够与基于恒定电压控制和电流反馈的电力系统整体模型(PS模型)一起运行，电解设备EP1至EP6中的每个电解设备都适于该一维两相模型。也就是说，多物理场模型适合于与电力系统PS的整体模型进行集成仿真，从而允许对电解设备EP1至EP6进行简单且快速的调度。
多物理场模型
在图5中所示的多物理场模型中，基于分别表示催化剂附近的阳极空隙率和阴极空隙率的变量Φa和Φc以及表示电流密度的i，两相流模型与电化学模型双向耦合。这些变量是流道中高度位置的函数，示出了沿流道的气体和电场分布。
明显的是，所提出的两相流模型是由一维线性偏微分方程描述的。此外，通过应用均匀流假设，模型中不存在耦合项，这将在下文中明确描述。因此，多物理场模型能够通过Matlab/Simulink应用于堆栈级或设备级电解槽的仿真。
下文将参照图6至图17对多物理场模型的得出过程和验证过程进行详细描述。
在图6中示出了工业水电解池。该工业水电解池包括位于中央以将阴极CD和阳极AD隔离开的膜MB，膜MB被两个多孔电极PE(催化剂)和两个刻蚀在端板EPL上的流道FC夹置。在大多数目前这种电解池的结构模型中，忽略了厚度方向上的场分布。同样，在该结构模型中，通过忽略z方向上场分布的差异，将电解池的二维几何形状绘制为围封在图6所示的矩形中。
如图7中所示，在电解池运行时，电流流入阳极AD的多孔电极PE，并且从阴极CD的多孔电极PE流出。然后，分别在阴极电极和阳极电极PE处产生氢气气泡和氧气气泡BB，并且被流道中的循环水带走。基于电解池中的物理过程，跨电极PE和膜MB建立电场，同时在流道中模拟两相流。
对于电解池的多物理场模型，电极PE附近的气泡分布是该模型中的关键部分。在电极PE上的气泡覆盖减少了催化剂的有效面积，导致电流下降。另一方面，电流决定了气泡BB的产生率。因此，气泡效应是电解池中的关键过程，令人信服的多物理场模型应该包括该过程。
○两相流模型
在传统的两相流模型中，对整个通道中的气泡分布进行计算。然而，从上述介绍中可以得出结论，应仅获得电极附近的气泡分布。此外，由于气泡在电极处产生，因此大部分气泡聚集在电极附近。事实上，由于扩散阻力和液体的较高流速，气泡的比例在远离电极处急剧下降。
因此，可以人为地划分宽度为Δx的流道的薄区域，以模拟电解池中的气泡效应，如图8所示。通过假设没有气泡从气泡层逸出，可以在薄气泡层中模拟气泡流。
显然，气泡层的宽度对模拟结果有显著影响。可以对气泡层宽度进行灵敏度分析，以得到宽度的最佳值，如图9中所示。从模拟结果来看，流道宽度的30％(30％X)是较好值，这与CFD方法的仿真结果基本一致。如果层太薄(20％X)，则气泡将被限制在层内，导致气泡覆盖率过高；然而，一些气泡实际上在气泡层之外。如果层太厚，则气泡覆盖效果将减弱，因为实际上几乎没有气泡存在的较大区域被划分为气泡层。
随着气泡层的划分，还做出了几个假设：
-气泡层足够薄，以忽略气泡流在x方向上的速度(流速)差异。
-气泡在薄气泡层中生成，并且因此被模拟为体积质量源，这意味着x方向上的气泡密度是均匀的。
-流道中不存在湍流。
在该模型中，气泡行为由质量守恒和动量守恒进行模拟，这将在下面进行描述。
·质量守恒
在该模型中，变量Φa和Φc分别表示催化剂附近的阳极空隙率和阴极空隙率，并且变量Φa和Φc是电流密度i的函数，电流密度i的计算将在下一部分中描述。
与传统的CFD方法类似，引入流道中气泡层的微元素来得出气体的质量守恒，即Δx×Δy的微小区域，如图10所示。
对于边界层处的每个流体元素，根据图11建立了气体含量的质量守恒的方程：
Nincrement＝Ninflow-Noutflow+Nproduced (1)
该方程表示质量增量Nincrement等于流入质量Ninflow和流出质量Noutflow的差值加上元素中所产生的质量Nproduced。
为了评估气体含量，定义了新的变量ρ，表示气泡层微元素中的气体质量(kg/m3)。显然，该变量取决于流道中的高度位置y。如图12所示，如果微元素的中心位于y处，则可以分别得出入口处和出口处的气泡质量为：
和
因此，流入质量和流出质量可以分别表示为：
其中，v表示气体的流速。
此外，通过以下方程来计算质量增量和所产生的质量：
Nproduced＝QΔxΔy (5)
其中，Q表示电化学反应所引起的气体产生速率(kg/(m3·s))，并且t表示电解池的运行时间。
结果，方程(1)被修改为：
其中，该方程中有四个项，分别描述质量增量、流入质量、流出质量和所产生的质量。
通过对质量守恒方程(6)进行简化，得出边界层中气泡流的连续性方程：
气体产生速率Q取决于局部电流密度。电流密度越高，气体产生速率越快。假设对于阳极和阴极都建立了连续性方程(7)：
Φa和Φc分别表示阳极空隙率和阴极空隙率，在0至1范围内。气泡的质量密度与空隙率之间的关系可以得出为：
其中，ρO2和ρH2是常数，分别表示氧气和氢气的密度。当微元素中没有气泡(Φ＝0)时，元素中的气泡质量为零。类似地，当元素充满气泡(Φ＝1)时，元素中的气泡质量等于气体的密度。
通过将方程(10)和(11)代入(8)和(9)中，气体产生速率Qa(在阳极处)和Qc(在阴极处)满足以下方程：
此外，气体产生速率可以通过法拉第定律进行量化：
其中，i表示电化学模型中要获得的电流密度，F表示法拉第常数，并且MO2和MH2分别表示氧气和氢气的摩尔质量。
·动量守恒
在本部分中，基于动量守恒对气体的流速v的计算进行描述。
在传统的两相流模型中，采用非线性和高维的纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程来描述流体的动量守恒：
该方程描述了流体的动量增量取决于外力f、压差和粘度力
显然，由于动量增量和粘度的表达式，方程(16)是高度非线性的。因此，在该模型中，提出了两种策略来避免非线性。
-均匀流假设：
然而，在该模型中，采用两相流的均匀流假设来避免非线性，即气体和液体的流速(速度)是相等的：
v＝vl (17)
其中，vl表示液体的流速。
因此，可以用液体的动量守恒来代替气体的动量守恒。
-稳态平行流的解析解：
在电解单元中，液体流可以被认为是两个平行壁之间的稳态平行流，如图13所示。因此，可以对纳维-斯托克斯方程(16)进行多种简化，并获得解析解。
首先，由于忽略了液体的瞬态过程，因此可以消除第一项
其次，对流项可以简化为一维形式此外，由于流速在y方向上是恒定的，因此可以推断出：
因此，也可以消除第二项。
第三，不对液体施加外力，因此：
f＝0 (19)
第四，可以通过降维将压力项简化为
最后，还可以将粘度项简化为
因此，可以将液体的纳维-斯托克斯方程(16)简化为：
其中，μ表示液体的粘度，p表示液体的压力。
此外，纳维-斯托克斯方程的确定条件表示为：
其中，vin表示液体在沿流道的宽度方向的中央位置处的流速，x表示流道中的宽度位置，并且X表示流道的总宽度。
通过将条件(21)代入方程(20)，液体的流速满足以下方程：
因此，基于质量守恒(7)和动量守恒(17)(22)，可以根据以下方程求解气体的质量密度：
从方程(23)可以看出，所提出的两相流模型是一维的，体现了在y方向上的气泡分布。
微分方程(23)的边界条件和初始条件如下。
在入口处，应该没有气泡，受到如下限制：
ρ(y＝0)＝0 (24)
此外，在电解池启动前不会产生气泡：
ρ(t＝0)＝0 (25)
○电化学模型
本部分对电流密度i的计算进行描述。
建立电化学模型，以获得沿通道的电流密度分布i(y)。当电解池操作时，跨膜建立电场，电流从阳极电极流向阴极电极。同时，电极将被激活，从而降低阴极的电势并且提高阳极的电势。基尔霍夫电压定律被建立为：
Ucell＝Urev+Uact,a+Uact,c+iRohm (26)
其中，Ucell表示电解池的供电电压，Urev表示可逆电压，在接近环境温度下，Urev等于1.23V，Uact,a和Uact,c分别表示阳极和阴极的激活过电压，并且iRohm表示由于电阻效应引起的欧姆过电压。
采用巴特勒-褔尔默(Butler-Volmer)方程来描述电极激活，即电流密度与电势之间的关系：
其中，R表示气体常数，T表示水的温度，F表示法拉第常数，i表示电流密度，i0,a和i0,c分别表示阳极和阴极的交换电流密度。
从巴特勒-福尔默方程可以推断出，电流密度越高，激活过电压越高。
然而，在该模型中，考虑了气泡对电化学反应的影响。如上所述，电极上的气泡覆盖减少了电化学反应的有效面积。因此，考虑到气泡效应，对巴特勒-福尔默方程(23)(24)进行了修改：
通过将(29)和(30)代入方程(26)中的Uact,a和Uact,c，获取i、Φa和Φc的隐函数：
通过结合方程(12)至(15)、(17)、(22)和(31)，可以对i、Φa和Φc进行求解。
○多物理场模型的概述
在完整的多物理场模型中，两相流模型和电化学模型应在阳极和阴极处都进行建立，并且通过电解池中的电流密度相关联，如图14所示。
因此，电解池的完整模型如图5所示。首先，建立对于阳极和阴极的两相流模型，以获得沿通道的空隙率分布Φa(y)和Φc(y)。应用法拉第定律来量化气体产生速率，其中，建立从电化学模型到两相流模型的单向耦合。此外，通过考虑气泡对电化学反应的影响，建立了阳极和阴极的修改的巴特勒-福尔默方程。因此，两相流模型和电化学模型是双向耦合的。最后，通过电解池的基尔霍夫电压定律，将阳极和阴极的巴特勒-福尔默方程相关联。
○多物理场模型的验证
电解池的完整模型可以被建立并且在Simulink/Matlab中被仿真。应通过将仿真结果与Comsol Multiphysics中的混合模型(CFD模型)的结果进行比较来验证该模型。
首先，如图16至图17所示，对所提出的模型和CFD模型的气泡分布进行比较。通过适当选择气泡层的宽度(30％X)，使用两种模型在电极附近的空隙率在阳极和阴极处几乎相同。
此外，图15中示出了使用两种模型的电解池的电流-电压(I-V)特性。根据仿真结果，两种模型之间的I-V特性的相对误差小于3％。因此，可以证明所提出的模型的有效性。
总之，所提出的流模型旨在获得电极催化剂附近的不同高度处的气体分布，并且是液气解耦的、一维的和线性的。此外，所提出的两相流模型与电化学模型双向耦合，以得到电解池的精确电流密度，其中，考虑了气泡对电解过程的影响。
更具体地，所提出的两相流模型：
-由线性偏微分方程建立，线性偏微分方程可以通过Simulink/Matlab来求解；
-将液体和气体的变量解耦，从而提高收敛性；
-只求解电极附近气泡的量，从而降低了计算规模。
多物理场模型的应用
如上所述，电解池通常紧凑地组装在堆栈中，但由于使用传统CFD方法的计算规模极高，堆栈级的两相流研究仍然受限。所提出的模型解决了对于快速计算和良好收敛性的问题。因此，使用所提出的模型可以优化电解堆中的气泡分布，以提高整体效率。
关于图1中所示的包括电解堆ES的电解设备EP，根据本公开所提出的模型允许对电解设备EP进行简单且快速的控制。更具体地，用于对电解设备EP进行操作的方法可以包括由控制模块CT执行的以下步骤：
-a)使如图5中所示的多物理场模型适于电解设备EP的多个操作参数，多个操作参数包括至少一个预设参数和至少一个待计算参数；
-b)借助于多物理场模型，根据至少一个预设参数的预设值，对至少一个待计算参数的值进行计算；以及
-c)根据所计算出的至少一个待计算参数的值，对电解设备EP执行控制。
例如，当借助于所提出的模型对电解设备EP进行操作时，至少一个预设参数可以包括电流密度i以及阳极空隙率Φa和阴极空隙率Φc，并且至少一个待计算参数可以包括水的流速vl、水的温度T和提供至电解堆ES的供电电压。此外，在操作过程中对电解设备EP进行监测时，可以对操作参数中的一些操作参数进行测量，比如提供至电解堆ES的供电电压和流过电解堆ES的电流。
根据一种实施方式，该方法包括：借助于上述两相流模型，根据电流密度i以及阳极空隙率Φa和阴极空隙率Φc的预设值(预期值)，对水的流速vl的值进行计算，并且然后根据所计算出的流速vl的值对提供至泵PP的诸如供电电压之类的控制信号进行确定，并且根据提供至泵PP的控制信号对泵PP执行控制，例如通过向电力供应模块提供供电电压设定点对泵PP执行控制。
根据另一实施方式，该方法包括：借助于上述电化学模型，根据电流密度i以及阳极空隙率Φa和阴极空隙率Φc的预设值(预期值)，对水的温度T和提供至电解堆ES的供电电压的值进行计算，并且然后根据所计算出的温度T的值对提供至加热器HT的诸如供电电压之类的控制信号进行确定，并且根据提供至加热器HT的控制信号以及提供至电解堆ES的供电电压分别对加热器HT和电解堆ES执行控制，例如通过向电力供应模块提供供电电压设定点对加热器HT和电解堆ES执行控制。
所提出的模型还可以应用于对电解设备EP进行监测(例如，数字孪生)。更具体地，可以将数字空间中(例如，远程服务器中)建立的多物理场模型初始化成与实际的电解设备EP同步。因此，可以根据两个空间的状态偏差对电解设备EP的状况进行监测，比如老化故障检测和异常操作状况检测。
根据一种实施方式，在上述步骤c)之后，该方法还可以包括：对电解设备EP的至少一个操作参数的值进行测量，例如，对提供至电解堆ES的供电电压和流过电解堆ES的电流的值进行测量，并且观察所测量的值是否在一段时间内突然变化，以对在电解设备EP中是否发生诸如膜破裂、催化剂脱落等的故障进行识别。
此外，传统的两相流模型依赖于CFD求解器(例如Comsol Multiphysics、AnsysFluent)，这些求解器不适合与电力系统进行集成仿真。所提出的模型解决了这个问题，因为该模型可以通过Matlab/Simulink进行建立和求解。
关于图3中所示的包括图1中所示的电解设备EP的电力系统PS，基于与电力系统PS的整体模型的集成仿真，根据本公开所提出的模型允许对电解设备EP1至EP6进行简单且快速的调度。更具体地，用于对电力系统PS中的电解设备EP1至EP6进行调度的方法可以包括以下步骤：
-使如图5中所示的多物理场模型适于电解设备EP1至EP6的多个操作参数；
-基于与电力系统PS相关联的多个操作参数中的至少一个操作参数，例如提供至电解堆ES的供电电压和流过电解堆ES的电流，使多物理场模型与电力系统PS的模型一起运行；
-基于运行结果对电解设备EP1至EP6的例如启动和停止的操作状态进行确定(即在电力系统PS操作之前对电解设备EP1至EP6进行调度)，以对电力系统PS的性能进行优化。
例如，在电力系统PS中的具有高电流的节点位置处，可以激活连接到该节点的电解设备以储存能量(即PtH技术)；而在电力系统PS中的具有低电流的节点位置处，可以停止连接到该节点的电解设备。事实上，可以根据电气装置的功率和合理的能量储存策略对电解设备EP1-EP6进行联合调度，从而对电力系统PS的性能进行优化。
本公开的技术内容和特征已经在上面公开。然而，可以想象，在本公开的创造性思想下，本领域技术人员可以对上述公开的构思进行各种改变和改进，但这些改变和改进都属于本公开的保护范围。上述实施方式的描述是示例性的，而不是限制性的，并且本公开的保护范围由所附的权利要求书限定。

Claims (12)

1.一种用于对电解设备(EP)进行操作的方法，
所述电解设备(EP)包括：
由多个电解池组装的电解堆(ES)；以及
布置在所述电解堆(ES)上游或下游的至少一个电解辅助部件；
其中，所述方法包括由控制模块(CT)执行的以下步骤：
a)使多物理场模型适于所述电解设备(EP)的多个操作参数，所述多物理场模型包括一维液气两相流模型和与所述两相流模型耦合的电化学模型，并且所述多个操作参数包括至少一个预设参数和至少一个待计算参数；
b)借助于所述多物理场模型，根据所述至少一个预设参数的预设值，对所述至少一个待计算参数的值进行计算；以及
c)根据所计算出的所述至少一个待计算参数的值，对所述电解设备(EP)执行控制。
2.根据权利要求1所述的用于对电解设备(EP)进行操作的方法，其中，所述至少一个电解辅助部件包括加热器(HT)、热交换器和泵(PP)中的至少一者，其中，所述加热器(HT)或所述热交换器被配置成根据提供至所述加热器(HT)或所述热交换器的控制信号对在所述电解设备(EP)中循环的电解质的温度进行控制，并且其中，所述泵(PP)被配置成根据提供至所述泵(PP)的控制信号对所述电解质的流速进行控制。
3.根据权利要求2所述的用于对电解设备(EP)进行操作的方法，其中，所述步骤b)包括：借助于基于质量守恒、动量守恒、均匀流和稳定平行流的假设、以及法拉第定律而对于单独的电解池建立的两相流模型，根据电流密度以及阳极空隙率和阴极空隙率的预设值，对所述电解质的流速的值进行计算，并且其中，所述步骤c)包括：根据所计算出的流速的值对提供至所述泵(PP)的所述控制信号进行确定，并且根据提供至所述泵(PP)的所述控制信号对所述泵(PP)执行控制。
4.根据权利要求3所述的用于对电解设备(EP)进行操作的方法，其中，为了简化计算，基于动量守恒以及均匀流和稳定平行流的假设，所述电解质的流速由以下方程表示：
其中，v表示气体的流速，vl表示所述电解质的流速，vin表示所述电解质在沿所述电解池的流道的宽度方向的中央位置处的流速，x表示所述流道中的宽度位置，并且X表示所述流道的总宽度。
5.根据权利要求2所述的用于对电解设备(EP)进行操作的方法，其中，所述步骤b)包括：借助于基于基尔霍夫电压定律和巴特勒-福尔默方程而对于单独的电解池建立的电化学模型，根据电流密度以及阳极空隙率和阴极空隙率的预设值，对所述电解质的温度和提供至所述电解堆(ES)的供电电压的值进行计算，并且其中，所述步骤c)包括：根据所计算出的温度的值对提供至所述加热器(HT)或所述热交换器的所述控制信号进行确定，并且根据提供至所述加热器(HT)或所述热交换器的所述控制信号以及提供至所述电解堆(ES)的所述供电电压分别对所述加热器(HT)和所述电解堆(ES)执行控制。
6.根据权利要求1所述的用于对电解设备(EP)进行操作的方法，其中，在所述步骤c)之后，所述方法还包括以下步骤：
d)对所述电解设备(EP)的至少一个操作参数的值进行测量，并且观察所测量的值是否在一段时间内突然变化，以对在所述电解设备(EP)中是否发生故障进行识别。
7.根据权利要求6所述的用于对电解设备(EP)进行操作的方法，其中，所测量的所述至少一个操作参数包括提供至所述电解堆(ES)的供电电压和流过所述电解堆(ES)的电流。
8.一种用于对电解设备(EP)进行操作的控制模块，
所述电解设备(EP)包括：
由多个电解池组装的电解堆(ES)；以及
布置在所述电解堆(ES)上游或下游的至少一个电解辅助部件；
其中，所述控制模块(CT)被配置成：
使多物理场模型适于所述电解设备(EP)的多个操作参数，所述多物理场模型包括一维液气两相流模型和与所述两相流模型耦合的电化学模型，并且所述多个操作参数包括至少一个预设参数和至少一个待计算参数；
借助于所述多物理场模型，根据所述至少一个预设参数的预设值，对所述至少一个待计算参数的值进行计算；以及
根据所计算出的所述至少一个待计算参数的值，对所述电解设备(EP)执行控制。
9.一种电解设备，所述电解设备包括根据权利要求8所述的控制模块(CT)。
10.根据权利要求9所述的电解设备，其中，所述至少一个电解辅助部件包括加热器(HT)、热交换器和泵(PP)中的至少一者，其中，所述加热器(HT)或所述热交换器被配置成根据提供至所述加热器(HT)或所述热交换器的控制信号对在所述电解设备(EP)中循环的电解质的温度进行控制，并且其中，所述泵(PP)被配置成根据提供至所述泵(PP)的控制信号对所述电解质的流速进行控制。
11.一种用于对电力系统中的至少一个电解设备(EP)进行调度的方法，
所述电力系统包括至少一个电气装置，所述至少一个电气装置电连接到所述至少一个电解设备(EP)，所述至少一个电解设备(EP)包括由多个电解池组装的电解堆(ES)，
其中，所述方法包括以下步骤：
使多物理场模型适于所述至少一个电解设备(EP)的多个操作参数，所述多物理场模型包括一维液气两相流模型和与所述两相流模型耦合的电化学模型；
基于与所述电力系统相关联的所述多个操作参数中的至少一个操作参数，使所述多物理场模型与所述电力系统的模型一起运行；以及
基于运行结果对所述至少一个电解设备(EP)的操作状态进行确定，以对所述电力系统的性能进行优化。
12.根据权利要求11所述的用于对电力系统中的至少一个电解设备(EP)进行调度的方法，其中，与所述电力系统相关联的所述至少一个操作参数包括提供至所述电解堆(ES)的供电电压和流过所述电解堆(ES)的电流。
CN202280090283.6A 2022-01-28 2022-01-28 用于对电解设备进行操作的方法及控制模块 Pending CN118786246A (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2022/052038 WO2023143731A1 (en) 2022-01-28 2022-01-28 Method and control module for operating electrolysis plant

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN118786246A true CN118786246A (zh) 2024-10-15

Family

ID=80953401

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202280090283.6A Pending CN118786246A (zh) 2022-01-28 2022-01-28 用于对电解设备进行操作的方法及控制模块

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20240426010A1 (zh)
EP (1) EP4469621A1 (zh)
CN (1) CN118786246A (zh)
WO (1) WO2023143731A1 (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA3101570C (en) * 2012-05-28 2023-06-20 Hydrogenics Corporation Electrolyser and energy system
EP2948576B1 (en) * 2013-01-25 2017-10-18 Haldor Topsøe A/S A process for monitoring, protection and safety shut-down of an electrolyser system
US10000855B2 (en) * 2014-07-02 2018-06-19 Nuvera Fuel Cells, LLC Multi-stack electrochemical compressor system and method for operating
JP6605884B2 (ja) * 2014-09-02 2019-11-13 株式会社東芝 水素製造システム及び水素製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023143731A1 (en) 2023-08-03
EP4469621A1 (en) 2024-12-04
US20240426010A1 (en) 2024-12-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liao et al. Analysis of the impact of flow field arrangement on the performance of PEMFC with zigzag-shaped channels
Chen et al. Mechanism analysis of starvation in PEMFC based on external characteristics
CN109902435B (zh) 质子交换膜燃料电池建模方法、存储介质及计算机设备
CN112582635A (zh) Pemfc双极板流道截面的优化方法及三维质子交换膜燃料电池
Song et al. Effect of adding vortex promoter on the performance improvement of active air-cooled proton exchange membrane fuel cells
Zhi et al. Numerical study on the performance of the H-shaped air-breathing microfluidic fuel cell stack
Huang et al. Size design strategy for scaling up alkaline water electrolysis stack integrated with renewable energy source: A multiphysics modeling approach
CN110165253B (zh) 一种pem电堆运行状态监测方法及系统
Yan et al. A model of PEMFC-battery system to evaluate inner operating status and energy consumption under different energy management strategies
Su et al. A novel combined flow field design and performance analysis of proton exchange membrane electrolysis cell
Liu et al. Modeling and design of air-side manifolds and measurement on an industrial 5-kW hydrogen fuel cell stack
CN114300713A (zh) 一种交叉流soec电堆二维动态模型构建方法及其应用
Sun et al. Novel design and numerical investigation of a windward bend flow field for proton exchange membrane fuel cell
Zhang et al. Study on heat transfer enhancement performance of cooling channel with elliptical dimples in a proton exchange membrane fuel cell
Xu et al. Computational assessment of response to fluctuating load of renewable energy in proton exchange membrane water electrolyzer
Lin et al. Numerical and experimental study on designs and performances of multi-serpentine flow field with bend-area block for proton exchange membrane fuel cell
Chen et al. Numerical investigation of PEMFC performance enhancement through combined design of anodic fishbone ridge groove channel and optimal gas diffusion layer porosity gradient
Huang et al. Performance improvement in a proton exchange membrane fuel cell with an innovative flow field design
CN115857351A (zh) 固体氧化物燃料电池系统模型及测试方法
Liu et al. Study on the influence of the hydrogen–oxygen stoichiometric ratio on the power performance improvement in a large-scale PEMFC stack
CN118786246A (zh) 用于对电解设备进行操作的方法及控制模块
CN117973048A (zh) Pem电解槽组合式流场结构设计方法
McGarry et al. Effects of inlet mass flow distribution and magnitude on reactant distribution for PEM fuel cells
CN116845286A (zh) 基于重卡的三维非等温质子交换膜燃料电池优化冷却方法
Bozbiyik et al. An improved tank in series model for PEMFC

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination