中型PEM制氫系統BOP設計、優化、仿真

在堿性電解中，如下圖1所示，兩個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，實現了堿性環境，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)，兩個電極與電解質接觸，電解質是一種固體聚合物（SPE），通常是Nafion，現狀也有各種增強型。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）負極。

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

與傳統堿性相比，PEM電解槽的電流密度可以達到2A/cm²以上，PEM可以保證較低的氣體交叉滲透，這也使得PEM電解槽在較低的負載范圍(0-10%)下工作，而且設計緊湊。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污染，也很容易被系統中的金屬部件（如水管甚至電解槽部件本身）產生的腐蝕所污染。

這種中毒會導致電池陰極過電壓升高和運行性能下降，此外還會影響膜的質子傳導性降低。因此，要使 PEM 電解技術成為一種有競爭力的制氫方式選擇，對 BOP 進行詳盡的設計和控制（包括水管理、電導率和純度）非常重要。

圖3：PEM電解槽的BOP：水子系統

在經過過濾階段之后，水被引入一個具有雙重功能的水箱：

水從水位控制箱繼續流向水控制和再循環階段。再循環泵用于調節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鍵水參數的信息，如溫度、壓力、流量、電導率和純度。如果水的電導率不在允許的范圍內，建議使用再循環管路來校正水的電導率。

氫氣子系統（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生的水汽壓*于干燥介質中的水蒸氣分壓。）。一旦高壓分離器達到較高的濕度梯度，就會允許濕氫流（臟氫）進入低壓分離器。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，上圖 3）。相比之下，來自高壓分離器的干氫氣（清潔氫氣）則繼續進入干燥器階段。在這里，建議采用變壓吸附或變溫吸附干燥階段（PSA或TSA），在三個干燥循環中儲存和排出水分。釋放出的水按照之前描述的相同流程被送入低壓分離器。干燥階段結束后，產生的氫將儲存在儲氫罐等儲氫介質中。在整個氫氣生產過程和階段中，都有一個傳感器模塊，用于控制氫氣在不同生產和干燥階段的壓力和溫度參數，然后再進行最終儲存。

圖4：PEM電解堆的裝置平衡(BOP)：氫氣子系統。

PEM 電解槽的控制系統應能夠掌握 BOP 兩個主要部分（水管理子系統和制氫子系統）的信息并采取相應行動。此外，控制邏輯必須包括運行狀態順序、冷卻階段、氮氣惰化（吹掃）階段、電源控制以及對電解槽運行期間產生的警告和警報的管理。

2.1、水管理系統

圖5：PEM堆疊控制流程圖;水管理子系統控制圖。

關于電導率控制塊，水的電導率是通過作用于一個電動閥使再循環管路工作來調節的。

這樣，當電導率較低時，就可以直接向電解槽供水，而無需對水進行更多的凈化處理。如果電導率處于中等水平（I 型 < 電導率 < II 型），則在生產前，循環回路將打開，將水循環回凈化過濾器。如果在生產過程中出現這種情況，則會發出警告。最后，如果電導率上升到 II 型以上，電解槽將一直處于停止狀態，并觸發警報。

對溫度、壓力和水流量等物理參數進行監控，以確保系統性能符合其運行規范、使用壽命和安全條件，否則系統停止運行。

對于氫氣子系統的控制，如下圖6所示，需要同時檢測高壓分離器(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。

當檢測到HPS（高壓分離器）中水位達到中位時，閥門將打開，使積聚的水流向LPS（低壓分離器）。當這種情況發生時，水位下降，閥門再次關閉。如果檢測到水位過高，電解槽會停止運行。LPS中的液位控制以類似的方式工作，當LPS中集聚了足夠的水時，只要關閉從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重要。如果 LPS 中的水位較低，閥門就會關閉，因為沒有足夠的水進行輸送。

在HPS 和 LPS 后，PSA 階段的干燥器在生產過程中遵循三階段循環流程。這主要是通過電閥的開啟和關閉來實現的，電閥的開啟和關閉可使氫氣流向最終儲存器、水的積聚以及通過 LPS 對積聚的水進行吹掃。在所有過程中，溫度和壓力都受到控制，如果超出既定范圍，系統將停止運行。

3、控制邏輯和仿真結果

在本節中，將介紹按照所開發的控制邏輯建立的順序正確運行系統的結果。用于實現控制邏輯的軟硬件工具基于 Siemens® SIMATIC STEP 7 Basic V15 平臺，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電解槽管理監控器)將電解涉及的所有過程可視化，如下圖7a所示。該監視器顯示系統的運行狀態，允許啟動，停止或暫停生產以及啟動氮氣注入過程。此外，該監視器還顯示水和氫子系統的運行狀況，并允許冷卻子系統運行和報警管理。

圖7a：屏幕1：PEM電解槽管理監視器。

控制系統還有一個電解槽參數界面（下圖 7b），通過該界面可以實時監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，實時顯示了各烘干機的狀態、過程工藝狀態和剩余時間。

圖7c:烘干機階段界面

在這種情況下，對于上圖3所示的BOP方案和上圖5所示的控制圖，將使用該試驗來檢查水管理子系統是否正常運行。然后，系統從低水位開始，如下圖8a所示。這就需要啟動注水泵，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；當電解槽消耗水用于制氫時，不會向管路注入水，如圖8d。

圖8：水子系統.液位（a~d）

當注入泵停止工作時，水位開始下降，直到恢復到低水位時才會重新啟動。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致測量誤差，則會出現黃色警告燈，如圖8f所示。

圖8：水系統控制圖.液位（e~f），看指示燈

另一方面，從主監控界面可以顯示水流是否滿足水的電導率和溫度要求，如圖9a。然后，在類型I <電導率<類型II的情況下，暖燈將被激活，(圖9b)，當水的電導率上升類型II，圖9c時，暖燈將變成警報器，系統將停止運行（惰化階段）。

圖9：水子系統.電導率（a~c）

同樣，控制邏輯負責控制水溫，如圖10a所示。然后，當水溫升高到較高允許值(68℃)以上時，報警指示燈被激活，冷卻器開始工作，如圖10b所示。

圖10：水子系統.溫度（a~b）

圖11：氫氣子系統.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LPS的高水位(圖11d)。

圖11：氫氣子系統.低壓分離器LPS（c~d）

此時，需要等待HPS的水位下降，并隨之關閉流向LPS的閥門，一并打開LPS的閥門，如圖11e所示。如果HPS達到高水平，則會觸發警報并停止生產，如圖11f所示。

圖11：氫氣子系統（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)，則會發出警告，如圖12a所示，如果繼續增加(~75oC)，則會發出警報并停止運行；從生產狀態轉入到惰化狀態，如圖12b所示。

圖12：氫子系統.溫度（a~b）

4、結論

本文設計了中型 PEM 電解槽的BOP，并在考慮運行變量、自動化參數以及能源和電力效率的情況下，始終在安全條件下實施了控制系統。

為了驗證所開發的控制邏輯，對水和氫兩個子系統進行了仿真。結果表明，水和氫氣子系統在適當的運行條件下工作，如果出現警告或傳感器故障，電解槽會通過惰化階段停止工作。

來源：氫眼所見

注：已獲得轉載權