基于外置偏置電場的堿液電解槽高效制氫裝置及控制方法

本發明屬于新能源領域中的氫電耦合系統運行進行制氫，尤其涉及一種基于外置偏置電場的堿液電解槽高效制氫裝置及控制方法。

背景技術：

1、近年來，隨著可再生能源滲透率的不斷提高以及靈活性資源的緊缺，電力系統消納壓力越來越大，同時高比例可再生能源機組也給電力系統帶來了諸如寬頻帶諧振、頻率穩定性等較大影響。如何進一步高效利用可再生能源也成為了熱點話題。由于氫能具有清潔、零碳以及可持續等特點，已被認為成一種具有廣泛應用潛力的新能源形式。因此發展可再生能源電解制氫技術成為解決方案之一，可有效緩解上述大規模可再生能源并網引發的相關問題。變流器給電解槽提供電能，對于電解制氫系統而言也至關重要。傳統對于高頻脈沖電解方法對制氫系統影響的研究，由于效率（如電壓效率、能量效率等）定義不一致且缺乏有效的機理解釋,這些研究結果并不可信。事實上，從能量角度來看，高頻脈沖將會引入較大的諧波，這反而會降低系統效率。電解制氫系統具有低壓大電流特征，針對此挑戰，研究人員研究了基于交錯并聯結構設計了新穎的電解制氫變流器，考慮了大容量電解制氫系統接入交流電網時的交流（ac）/直流（dc）變流器設計及其控制技術，利用可控硅的耐流能力和絕緣柵雙極晶體管（insulated?gate?bipolar?transistor，igbt）的靈活性，進行了有效組合，在保證經濟性的同時還能實現大電流調節和諧波抑制。上述電解制氫變流器的相關研究主要著重于變流器自身效率的提升，而較少關注如何提升電解槽本體效率。相對而言，電解槽本體損耗是遠遠多于變流器損耗的，其提升效果會更顯著。另外，變流器技術相對較為成熟，商業化產品自身效率可以達到98%以上，其提升空間也較為有限。

2、在電解水過程中，電場強化也是一種析氫反應（hydrogen?evolution?reaction，her）促進手段，電場的利用會使催化劑具有更好的析氫反應活性。電場強化策略，即在原本的實驗裝置基礎上添加一個垂直于催化劑的電場，通過垂直電場有效調節schottky（肖特基）勢壘類型和勢壘高度，有助于催化劑的載流子輸送,促進電子到達活化中心。同時，作為一種極具前景的策略，電場效應還可以降低接觸電阻和催化劑的薄層電阻,提高催化劑的溝道電導，得到更快的電子傳輸速率，即在較低的溝道電阻和較快的電荷轉移情況下提高催化劑的催化性能。但是，一方面，目前對于外加電場在電解水制氫方面的研究僅僅停留在實驗室研究方面，具體的工程實施沒有明確的解決方案；另一方面，電場嵌入工業堿液電解槽的研究沒有考慮反向電流以及絕緣方面的問題。目前學術界對于電場導致的電解效率提高方面的研究在工業制氫方面可能會有絕緣隱患，一旦絕緣結構損壞，會損壞電解槽，進一步可能發生爆炸等危險。這對電場在工業應用上帶來了不利的影響。

技術實現思路

1、本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于外置偏置電場的堿液電解槽高效制氫裝置及控制方法。本發明解決了傳統交變磁場參與電解制氫在工業電解槽上應用難度大的問題，使得電磁場在工業電解槽上的低成本和高效應用成為了可能。

2、本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：本發明實施例第一方面提供了一種基于外置偏置電場的堿液電解槽高效制氫裝置，包括：

3、堿液電解槽，其內部填充有堿液；

4、多個電解極板，設置在堿液電解槽的內部；

5、兩個外置絕緣極板，設置在堿液電解槽的內部，且位于多個電解極板的最外側，所述外置絕緣極板包括絕緣溝槽和設置于絕緣溝槽內部的絕緣極板；和

6、外部電源，分別與所述絕緣極板和所述電解極板相連接，所述外部電源與所述絕緣極板相連接以構成電場供電系統，所述外部電源與所述電解極板相連接以構成電解供電系統；

7、其中，所述電場供電系統用于為兩個外置絕緣極板供電，以生成外置電場；所述電解供電系統用于為多個電解極板構成的電解槽電堆供電，以實現電解制氫。

8、進一步地，所述絕緣溝槽、所述絕緣極板和所述電解極板相互平行。

9、進一步地，所述電場供電系統包括兩個運行模態，分別為啟動模態和斷開模態；在啟動模態下，通過絕緣極板上的外加電場改變雙電層電場分布，以改變離子聚集，促進電解制氫；在斷開模態下，通過絕緣極板上的外加電場改變雙電層電場分布，阻止離子的定向移動，抑制反向電流。

10、進一步地，所述絕緣極板上的外加電場方向和堿液電解槽的電解電壓方向一致。

11、進一步地，所述電場供電系統是一個boost電路，通過使用boost電路作為升壓轉換器以進行電壓控制，該boost電路包括電感極性電容、快恢復二極管和場效應管，該boost電路的控制律為：

12、

13、其中，表示電場供電系統的占空比；表示boost電路的pi控制器，s為拉普拉斯算子，表示boost電路的pi控制器的比例系數，表示boost電路的pi控制器的積分系數；為輸出電壓參考值，為絕緣極板的電壓值；

14、所述電解供電系統是一個buck電路，該buck電路包括電感極性電容、快恢復二極管和場效應管，該buck電路的控制律為：

15、

16、其中，表示電解供電系統的占空比；表示buck電路的pi控制器，表示buck電路的pi控制器的比例系數，表示buck電路的pi控制器的積分系數；為電解電流參考值，為電解電流值。

17、進一步地，所述電場供電系統還設置有硬件保護裝置，該硬件保護裝置用于在電場供電系統上的電流突增至大于預設的安全電流閾值時，自動斷開硬件保護裝置，以切斷電場供電系統的供電。

18、進一步地，所述電場供電系統還設置有軟件保護系統，該軟件保護系統通過程序監測電場供電系統的激勵電流和激勵電流變化率，當監測到電流大于預設的安全電流閾值時，啟動程序關機，自動切斷電場供電系統的供電。

19、進一步地，所述絕緣極板包括導電層、中間層和絕緣層，其中，所述中間層包裹所述導電層，所述絕緣層再包裹所述中間層，所述導電層與所述外部電源相連接；

20、所述導電層的材料為具有導電性的材料，所述中間層的材料為高介電常數材料，所述絕緣層的材料為絕緣材料。

21、進一步地，所述導電層的材料為鐵，所述中間層的材料為鈦酸鍶，所述絕緣層的材料為鈦酸鋇或氧化鋁陶瓷。

22、本發明實施例第二方面提供了一種上述的基于外置偏置電場的堿液電解槽高效制氫裝置的控制方法，包括：

23、在堿液制氫電解槽的電解制氫過程中，實時獲取電場供電系統中絕緣極板的電壓值和電解供電系統中的電解電流值；再依據輸出電壓參考值控制電場供電系統的占空比，依據電解電流參考值控制電解供電系統的占空比，以實現電場供電系統和電解供電系統的控制；通過控制電場供電系統的運行模態，以促進電解制氫，抑制反向電流。

24、本發明的有益效果為，本發明通過恒定電場對雙電層中離子聚集的重構，促進了電解；本發明能夠保證對電解槽啟動和關閉期間都能改善電解槽的性能，提高了啟動期間電解槽的制氫效率，降低了關閉期間電解槽的反向電流，提高了電解槽的壽命；使用本發明所述的裝置，可以提高堿液電解槽的壽命，并且提高了堿液電解槽的制氫效率，并且不需要消耗額外的能量，初始建設成本也很低。