中型PEM制氫系統(tǒng)BOP設(shè)計(jì)、優(yōu)化、仿真

在堿性電解中，如下圖1所示，兩個(gè)電極浸泡在電解液中，電解液通常是KOH或NaOH溶液。通過這種方式，實(shí)現(xiàn)了堿性環(huán)境，其中水的電阻率將降低，使過程更容易。施加的直流電壓必須大于水分解所需的電壓，從而產(chǎn)生法拉第電流。電極之間由隔膜隔開，隔膜可將氣體隔開，同時(shí)可滲透水和氫氧根離子。

圖1：堿性電解水原理圖

另，在PEM電解中(下圖2)，兩個(gè)電極與電解質(zhì)接觸，電解質(zhì)是一種固體聚合物（SPE），通常是Nafion，現(xiàn)狀也有各種增強(qiáng)型。電極通常由陰極鉑和陽極銥制成。

圖2：PEM電解水原理圖

備注說明：

Anode：（在電解池中）陽極；（在原電池中）負(fù)極。

Cathode：（在電解池中，發(fā)生還原反應(yīng)的電極）陰極；（在原電池中，發(fā)生還原反應(yīng)的電極）正極。

與傳統(tǒng)堿性相比，PEM電解槽的電流密度可以達(dá)到2A/cm²以上，PEM可以保證較低的氣體交叉滲透，這也使得PEM電解槽在較低的負(fù)載范圍(0-10%)下工作，而且設(shè)計(jì)緊湊。另PEM可以獲得足夠高的操作壓力(30-40 bar)以便后面直接來填充氫氣罐。但是，PEM容易由外來的離子而引起中毒，因此必須予以重視。另水很容易被其中的雜質(zhì)污染，也很容易被系統(tǒng)中的金屬部件（如水管甚至電解槽部件本身）產(chǎn)生的腐蝕所污染。

這種中毒會(huì)導(dǎo)致電池陰極過電壓升高和運(yùn)行性能下降，此外還會(huì)影響膜的質(zhì)子傳導(dǎo)性降低。因此，要使 PEM 電解技術(shù)成為一種有競爭力的制氫方式選擇，對(duì) BOP 進(jìn)行詳盡的設(shè)計(jì)和控制（包括水管理、電導(dǎo)率和純度）非常重要。

圖3：PEM電解槽的BOP：水子系統(tǒng)

在經(jīng)過過濾階段之后，水被引入一個(gè)具有雙重功能的水箱：

水從水位控制箱繼續(xù)流向水控制和再循環(huán)階段。再循環(huán)泵用于調(diào)節(jié)水位控制箱之后的水流，而傳感器模塊則用于控制器在將水注入 PEM電解槽之前獲得所有關(guān)鍵水參數(shù)的信息，如溫度、壓力、流量、電導(dǎo)率和純度。如果水的電導(dǎo)率不在允許的范圍內(nèi)，建議使用再循環(huán)管路來校正水的電導(dǎo)率。

氫氣子系統(tǒng)（下圖 4）由 PEM 電解槽和高壓分離器組成。分離器利用以濕氣形式存在的水的壓力差來干燥氫氣（必要條件是必須使被干燥物料表面所產(chǎn)生的水汽壓強(qiáng)大于干燥介質(zhì)中的水蒸氣分壓。）。一旦高壓分離器達(dá)到較高的濕度梯度，就會(huì)允許濕氫流（臟氫）進(jìn)入低壓分離器。在這里，可排入大氣中的氫氣被釋放出來（也可以考慮再次回收純化），而水則被送入液位水箱（水路子系統(tǒng)，上圖 3）。相比之下，來自高壓分離器的干氫氣（清潔氫氣）則繼續(xù)進(jìn)入干燥器階段。在這里，建議采用變壓吸附或變溫吸附干燥階段（PSA或TSA），在三個(gè)干燥循環(huán)中儲(chǔ)存和排出水分。釋放出的水按照之前描述的相同流程被送入低壓分離器。干燥階段結(jié)束后，產(chǎn)生的氫將儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫罐等儲(chǔ)氫介質(zhì)中。在整個(gè)氫氣生產(chǎn)過程和階段中，都有一個(gè)傳感器模塊，用于控制氫氣在不同生產(chǎn)和干燥階段的壓力和溫度參數(shù)，然后再進(jìn)行最終儲(chǔ)存。

圖4：PEM電解堆的裝置平衡(BOP)：氫氣子系統(tǒng)。

PEM 電解槽的控制系統(tǒng)應(yīng)能夠掌握 BOP 兩個(gè)主要部分（水管理子系統(tǒng)和制氫子系統(tǒng)）的信息并采取相應(yīng)行動(dòng)。此外，控制邏輯必須包括運(yùn)行狀態(tài)順序、冷卻階段、氮?dú)舛杌ù祾撸╇A段、電源控制以及對(duì)電解槽運(yùn)行期間產(chǎn)生的警告和警報(bào)的管理。

2.1、水管理系統(tǒng)

圖5：PEM堆疊控制流程圖;水管理子系統(tǒng)控制圖。

關(guān)于電導(dǎo)率控制塊，水的電導(dǎo)率是通過作用于一個(gè)電動(dòng)閥使再循環(huán)管路工作來調(diào)節(jié)的。

這樣，當(dāng)電導(dǎo)率較低時(shí)，就可以直接向電解槽供水，而無需對(duì)水進(jìn)行更多的凈化處理。如果電導(dǎo)率處于中等水平（I 型 < 電導(dǎo)率 < II 型），則在生產(chǎn)前，循環(huán)回路將打開，將水循環(huán)回凈化過濾器。如果在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)這種情況，則會(huì)發(fā)出警告。最后，如果電導(dǎo)率上升到 II 型以上，電解槽將一直處于停止?fàn)顟B(tài)，并觸發(fā)警報(bào)。

對(duì)溫度、壓力和水流量等物理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，以確保系統(tǒng)性能符合其運(yùn)行規(guī)范、使用壽命和安全條件，否則系統(tǒng)停止運(yùn)行。

對(duì)于氫氣子系統(tǒng)的控制，如下圖6所示，需要同時(shí)檢測高壓分離器(HPS)和低壓分離器(LPS)中的水位。

圖6：PEM堆疊控制流程圖;氫控制圖。

當(dāng)檢測到HPS（高壓分離器）中水位達(dá)到中位時(shí)，閥門將打開，使積聚的水流向LPS（低壓分離器）。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，水位下降，閥門再次關(guān)閉。如果檢測到水位過高，電解槽會(huì)停止運(yùn)行。LPS中的液位控制以類似的方式工作，當(dāng)LPS中集聚了足夠的水時(shí)，只要關(guān)閉從HPS流向LPS的閥門，就可以讓水流向水位箱。在電解過程中，避免水管和氫氣管直接接觸至關(guān)重要。如果 LPS 中的水位較低，閥門就會(huì)關(guān)閉，因?yàn)闆]有足夠的水進(jìn)行輸送。

在HPS 和 LPS 后，PSA 階段的干燥器在生產(chǎn)過程中遵循三階段循環(huán)流程。這主要是通過電閥的開啟和關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)的，電閥的開啟和關(guān)閉可使氫氣流向最終儲(chǔ)存器、水的積聚以及通過 LPS 對(duì)積聚的水進(jìn)行吹掃。在所有過程中，溫度和壓力都受到控制，如果超出既定范圍，系統(tǒng)將停止運(yùn)行。

3、控制邏輯和仿真結(jié)果

在本節(jié)中，將介紹按照所開發(fā)的控制邏輯建立的順序正確運(yùn)行系統(tǒng)的結(jié)果。用于實(shí)現(xiàn)控制邏輯的軟硬件工具基于 Siemens® SIMATIC STEP 7 Basic V15 平臺(tái)，除了用于模擬的 PLCSIM 和 WinCC RT 外，還有用于建模的 TIA Portal 工具。

然后，通過主屏幕(PEM電解槽管理監(jiān)控器)將電解涉及的所有過程可視化，如下圖7a所示。該監(jiān)視器顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，允許啟動(dòng)，停止或暫停生產(chǎn)以及啟動(dòng)氮?dú)庾⑷脒^程。此外，該監(jiān)視器還顯示水和氫子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并允許冷卻子系統(tǒng)運(yùn)行和報(bào)警管理。

圖7a：屏幕1：PEM電解槽管理監(jiān)視器。

控制系統(tǒng)還有一個(gè)電解槽參數(shù)界面（下圖 7b），通過該界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電流和電壓的模擬值以及功率圖。

圖7b:堆疊接口

氫氣干燥過程仿真如下圖7c所示，實(shí)時(shí)顯示了各烘干機(jī)的狀態(tài)、過程工藝狀態(tài)和剩余時(shí)間。

圖7c:烘干機(jī)階段界面

在這種情況下，對(duì)于上圖3所示的BOP方案和上圖5所示的控制圖，將使用該試驗(yàn)來檢查水管理子系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。然后，系統(tǒng)從低水位開始，如下圖8a所示。這就需要啟動(dòng)注水泵，直到水位上升到允許的較高水位，圖8b -圖8c。之后，水泵將斷開，水位下降；當(dāng)電解槽消耗水用于制氫時(shí)，不會(huì)向管路注入水，如圖8d。

圖8：水子系統(tǒng).液位（a~d）

當(dāng)注入泵停止工作時(shí)，水位開始下降，直到恢復(fù)到低水位時(shí)才會(huì)重新啟動(dòng)。紅色指示燈顯示水位已下降，如圖8e所示。此外，如果由于傳感器故障而導(dǎo)致測量誤差，則會(huì)出現(xiàn)黃色警告燈，如圖8f所示。

圖8：水系統(tǒng)控制圖.液位（e~f），看指示燈

另一方面，從主監(jiān)控界面可以顯示水流是否滿足水的電導(dǎo)率和溫度要求，如圖9a。然后，在類型I <電導(dǎo)率<類型II的情況下，暖燈將被激活，(圖9b)，當(dāng)水的電導(dǎo)率上升類型II，圖9c時(shí)，暖燈將變成警報(bào)器，系統(tǒng)將停止運(yùn)行（惰化階段）。

圖9：水子系統(tǒng).電導(dǎo)率（a~c）

同樣，控制邏輯負(fù)責(zé)控制水溫，如圖10a所示。然后，當(dāng)水溫升高到較高允許值(68℃)以上時(shí)，報(bào)警指示燈被激活，冷卻器開始工作，如圖10b所示。

圖10：水子系統(tǒng).溫度（a~b）

圖11：氫氣子系統(tǒng).高壓分離器HPS（a~b）

然后，冷凝水開始向LPS（低壓分離器）(圖11c)，直到到達(dá)LPS的高水位(圖11d)。

圖11：氫氣子系統(tǒng).低壓分離器LPS（c~d）

此時(shí)，需要等待HPS的水位下降，并隨之關(guān)閉流向LPS的閥門，一并打開LPS的閥門，如圖11e所示。如果HPS達(dá)到高水平，則會(huì)觸發(fā)警報(bào)并停止生產(chǎn)，如圖11f所示。

圖11：氫氣子系統(tǒng)（e~f）

類似于水管理測試，可以檢查氫氣流的溫度。如果氫氣溫度高于最高允許值(72oC)，則會(huì)發(fā)出警告，如圖12a所示，如果繼續(xù)增加(~75oC)，則會(huì)發(fā)出警報(bào)并停止運(yùn)行；從生產(chǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)入到惰化狀態(tài)，如圖12b所示。

圖12：氫子系統(tǒng).溫度（a~b）

4、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了中型 PEM 電解槽的BOP，并在考慮運(yùn)行變量、自動(dòng)化參數(shù)以及能源和電力效率的情況下，始終在安全條件下實(shí)施了控制系統(tǒng)。

為了驗(yàn)證所開發(fā)的控制邏輯，對(duì)水和氫兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，水和氫氣子系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行條件下工作，如果出現(xiàn)警告或傳感器故障，電解槽會(huì)通過惰化階段停止工作。

來源：氫眼所見

注：已獲得轉(zhuǎn)載權(quán)