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強大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