本發(fā)明屬于新能源領域中的海水直接電解制氫，尤其涉及一種基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置及控制方法。

背景技術：

1、長期以來，電解水制氫在經(jīng)濟層面上被認為是不可行的，無論是從電力消耗還是從水資源消耗角度出發(fā)，其都無法與現(xiàn)有化石燃料制氫方法相比。但與蒸汽甲烷重整或煤炭氣化等其他制氫氣的方式相比，可再生能源水電解是獲得氫氣最有效的方式。它消耗水只產(chǎn)生氧氣和氫氣，因此不會產(chǎn)生溫室氣體和其他有害污染物。此外，由于近年來光伏和風機的快速發(fā)展，水電解制氫由于具有和可再生能源整合的潛力而越來越有前景。電解水制氫可以彌補可再生能源的間歇性和波動性，釋放可再生能源對電力系統(tǒng)的壓力，并作為一種靈活的資源與電網(wǎng)很好的耦合。

2、海水直接制氫不僅將大大節(jié)省淡水資源，還有望降低制氫的成本，對發(fā)展氫能至關重要。海水直接制氫技術作為一種具有潛在能源轉(zhuǎn)化效率和環(huán)境友好性的新型制氫方法，受到了廣泛關注。然而，在海水電解過程中，電解槽內(nèi)部堿液濃度的穩(wěn)定性一直是一個挑戰(zhàn)。本發(fā)明是基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置及控制方法，旨在通過動態(tài)調(diào)節(jié)海水中純水向電解槽中堿液遷移的遷移速率，以維持電解槽內(nèi)堿液濃度的恒定（維持在最高效率濃度），從而降低制氫過程的能耗。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置及控制方法。本發(fā)明解決了海水直接制氫動態(tài)性能差、運行范圍窄、運行不穩(wěn)定的問題，使得海水直接制氫在寬范圍功率波動條件下實現(xiàn)穩(wěn)定高效運行。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：本發(fā)明實施例第一方面提供了一種基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置，包括堿液制氫電解槽、蠕動泵、變遷移面積堿液再生泵、海水微環(huán)境槽和濃度檢測儀表；其中，所述堿液制氫電解槽和變遷移面積堿液再生泵通過蠕動泵相連，所述變遷移面積堿液再生泵設置于海水微環(huán)境槽內(nèi)；通過控制變遷移面積堿液再生泵與海水微環(huán)境槽內(nèi)海水的有效交換遷移面積，調(diào)節(jié)氣態(tài)水遷移進入變遷移面積堿液再生泵的速度，控制堿液制氫電解槽的電解制氫工作過程中的水消耗與變遷移面積堿液再生泵中的水遷移實現(xiàn)動態(tài)平衡，以實現(xiàn)變遷移面積堿液再生泵內(nèi)的濃度恒定；通過蠕動泵的循環(huán)運行保持堿液制氫電解槽和變遷移面積堿液再生泵內(nèi)的堿液濃度動態(tài)一致；所述濃度檢測儀表用于測量變遷移面積堿液再生泵中的氫氧化鉀濃度。

3、進一步地，所述堿液制氫電解槽依靠與變遷移面積堿液再生泵的液體交換進行循環(huán)散熱，所述堿液制氫電解槽的制氫過程中消耗的純水依靠變遷移面積堿液再生泵進行補充。

4、進一步地，所述蠕動泵包括抽液泵和補液泵，其中，所述抽液泵用于從所述堿液制氫電解槽中抽取堿液，所述補液泵用于向所述堿液制氫電解槽中補入堿液；補入堿液的速度大于抽取堿液的速度，以使堿液制氫電解槽內(nèi)的液位保持動態(tài)平衡。

5、進一步地，所述變遷移面積堿液再生泵上設置有扇葉以及用于控制扇葉開度的變接觸面積控制模塊，所述變遷移面積堿液再生泵的內(nèi)表面貼附有疏水性多孔聚四氟乙烯基膜，所述變遷移面積堿液再生泵內(nèi)的堿液為濃度為30%的濃氫氧化鉀溶液。

6、進一步地，所述疏水性多孔聚四氟乙烯基膜被用作氣態(tài)水交換通道，海水和堿液之間隔有疏水性多孔聚四氟乙烯基膜，海水和濃氫氧化鉀溶液之間的跨膜水蒸氣壓差驅(qū)動水分子轉(zhuǎn)移，海水側(cè)的壓力差導致海水自發(fā)氣化，并通過疏水性多孔聚四氟乙烯基膜內(nèi)短途徑的擴散將水蒸氣輸送到堿液側(cè)，在堿液中水蒸氣被吸收并重新液化，此相變遷移過程實現(xiàn)了在海水中原位生成電解用純水；所述疏水性多孔聚四氟乙烯基膜的離子阻擋效率達到100%。

7、進一步地，所述變接觸面積控制模塊通過改變扇葉開度來調(diào)節(jié)疏水性多孔聚四氟乙烯基膜兩側(cè)的有效交換遷移面積，以控制變遷移面積堿液再生泵的補水速率，接收到濃度信號之后，通過變接觸面積控制模塊控制扇葉開度，其控制律表示為：

8、

9、其中，為扇葉開度；為pi控制器，s為拉普拉斯算子，為比例系數(shù)，為積分系數(shù)；為堿液濃度參考值，為實時堿液濃度。

10、進一步地，所述海水微環(huán)境槽設置有閥門，所述海水微環(huán)境槽與大海之間通過所述閥門進行流通，以保證海水微環(huán)境槽內(nèi)的海水濃度與海水濃度參考值一致；所述閥門包括進水閥門和排水閥門，通過改變進水閥門開度和排水閥門開度控制海水進出海水微環(huán)境槽的速度。

11、進一步地，所述通過改變進水閥門開度和排水閥門開度控制海水進出海水微環(huán)境槽的速度，具體包括：

12、通過改變進水閥門開度改變海水微環(huán)境槽內(nèi)的純水濃度，調(diào)節(jié)疏水性多孔聚四氟乙烯基膜兩側(cè)的滲透壓差，以控制海水中的純水進入堿液制氫電解槽的速度，以實現(xiàn)海水微環(huán)境槽內(nèi)的海水濃度恒定，其控制律表示為：

13、

14、其中，為進水閥門開度；為pi控制器，s為拉普拉斯算子，為比例系數(shù)，為積分系數(shù)；為海水濃度參考值，為實時海水濃度；

15、通過改變排水閥門開度調(diào)節(jié)海水排出海水微環(huán)境槽的速度，以控制海水微環(huán)境槽內(nèi)的液位恒定，其控制律表示為：

16、

17、其中，為排水閥門開度；為pi控制器，s為拉普拉斯算子，為比例系數(shù)，為積分系數(shù)；為海水微環(huán)境槽內(nèi)部液位參考值，為海水微環(huán)境槽內(nèi)部實時液位。

18、進一步地，所述濃度檢測儀表通過采用折光原理實現(xiàn)氫氧化鉀濃度的測量，測量氫氧化鉀濃度的范圍為20%-40%。

19、本發(fā)明實施例第二方面提供了一種上述的基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置的控制方法，具體包括：

20、在堿液制氫電解槽的電解制氫過程中，實時獲取堿液制氫電解槽內(nèi)的實時堿液濃度、海水微環(huán)境槽內(nèi)的實時海水濃度和海水微環(huán)境槽內(nèi)部實時液位；pi控制器再依據(jù)海水濃度參考值控制進水閥門開度，以使海水微環(huán)境槽內(nèi)的海水濃度恒定；pi控制器再依據(jù)海水微環(huán)境槽內(nèi)部液位參考值控制排水閥門開度，以使海水微環(huán)境槽內(nèi)的液位恒定；變接觸面積控制模塊再依據(jù)堿液濃度參考值控制扇葉開度，以調(diào)節(jié)疏水性多孔聚四氟乙烯基膜兩側(cè)的有效交換遷移面積，控制氣態(tài)水遷移進入變遷移面積堿液再生泵的速度，從而實現(xiàn)堿液制氫電解槽中的水消耗與變遷移面積堿液再生泵中的水遷移動態(tài)平衡，保持變遷移面積堿液再生泵內(nèi)的堿液濃度恒定；最終使得堿液制氫電解槽內(nèi)的堿液濃度維持最優(yōu)電導率，實現(xiàn)海水制氫。

21、本發(fā)明的有益效果為，本發(fā)明通過在堿液制氫電解槽和海水之間增加一個變遷移面積堿液再生泵，通過控制變遷移面積堿液再生泵與海水的有效交換面積，調(diào)節(jié)氣態(tài)水遷移進入變遷移面積堿液再生泵的速率，控制電解制氫的水消耗與變遷移面積堿液再生泵中的水遷移實現(xiàn)動態(tài)平衡，從而實現(xiàn)變遷移面積堿液再生泵內(nèi)濃度恒定，最終使得堿液制氫電解槽內(nèi)堿液濃度能夠維持在電導率最優(yōu)的濃度附近，實現(xiàn)高效率的海水制氫；通過本發(fā)明所述裝置進行海水制氫，有利于提高海水制氫的動態(tài)性能，擴寬海水制氫的運行范圍，增強海水制氫裝置的運行穩(wěn)定性，使得海水直接制氫在寬范圍功率波動條件下實現(xiàn)穩(wěn)定高效運行。

技術特征：

1.一種基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置，其特征在于，包括堿液制氫電解槽、蠕動泵、變遷移面積堿液再生泵、海水微環(huán)境槽和濃度檢測儀表；其中，所述堿液制氫電解槽和變遷移面積堿液再生泵通過蠕動泵相連，所述變遷移面積堿液再生泵設置于海水微環(huán)境槽內(nèi)；通過控制變遷移面積堿液再生泵與海水微環(huán)境槽內(nèi)海水的有效交換遷移面積，調(diào)節(jié)氣態(tài)水遷移進入變遷移面積堿液再生泵的速度，控制堿液制氫電解槽的電解制氫工作過程中的水消耗與變遷移面積堿液再生泵中的水遷移實現(xiàn)動態(tài)平衡，以實現(xiàn)變遷移面積堿液再生泵內(nèi)的濃度恒定；通過蠕動泵的循環(huán)運行保持堿液制氫電解槽和變遷移面積堿液再生泵內(nèi)的堿液濃度動態(tài)一致；所述濃度檢測儀表用于測量變遷移面積堿液再生泵中的氫氧化鉀濃度。

2.根據(jù)權利要求1所述的基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置，其特征在于，所述堿液制氫電解槽依靠與變遷移面積堿液再生泵的液體交換進行循環(huán)散熱，所述堿液制氫電解槽的制氫過程中消耗的純水依靠變遷移面積堿液再生泵進行補充。

3.根據(jù)權利要求1所述的基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置，其特征在于，所述蠕動泵包括抽液泵和補液泵，其中，所述抽液泵用于從所述堿液制氫電解槽中抽取堿液，所述補液泵用于向所述堿液制氫電解槽中補入堿液；補入堿液的速度大于抽取堿液的速度，以使堿液制氫電解槽內(nèi)的液位保持動態(tài)平衡。

4.根據(jù)權利要求1所述的基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置，其特征在于，所述變遷移面積堿液再生泵上設置有扇葉以及用于控制扇葉開度的變接觸面積控制模塊，所述變遷移面積堿液再生泵的內(nèi)表面貼附有疏水性多孔聚四氟乙烯基膜，所述變遷移面積堿液再生泵內(nèi)的堿液為濃度為30%的濃氫氧化鉀溶液。

5.根據(jù)權利要求4所述的基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置，其特征在于，所述疏水性多孔聚四氟乙烯基膜被用作氣態(tài)水交換通道，海水和堿液之間隔有疏水性多孔聚四氟乙烯基膜，海水和濃氫氧化鉀溶液之間的跨膜水蒸氣壓差驅(qū)動水分子轉(zhuǎn)移，海水側(cè)的壓力差導致海水自發(fā)氣化，并通過疏水性多孔聚四氟乙烯基膜內(nèi)短途徑的擴散將水蒸氣輸送到堿液側(cè)，在堿液中水蒸氣被吸收并重新液化，此相變遷移過程實現(xiàn)了在海水中原位生成電解用純水；所述疏水性多孔聚四氟乙烯基膜的離子阻擋效率達到100%。

6.根據(jù)權利要求4所述的基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置，其特征在于，所述變接觸面積控制模塊通過改變扇葉開度來調(diào)節(jié)疏水性多孔聚四氟乙烯基膜兩側(cè)的有效交換遷移面積，以控制變遷移面積堿液再生泵的補水速率，接收到濃度信號之后，通過變接觸面積控制模塊控制扇葉開度，其控制律表示為：

7.根據(jù)權利要求1所述的基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置，其特征在于，所述海水微環(huán)境槽設置有閥門，所述海水微環(huán)境槽與大海之間通過所述閥門進行流通，以保證海水微環(huán)境槽內(nèi)的海水濃度與海水濃度參考值一致；所述閥門包括進水閥門和排水閥門，通過改變進水閥門開度和排水閥門開度控制海水進出海水微環(huán)境槽的速度。

8.根據(jù)權利要求7所述的基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置，其特征在于，所述通過改變進水閥門開度和排水閥門開度控制海水進出海水微環(huán)境槽的速度，具體包括：

9.根據(jù)權利要求1所述的基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置，其特征在于，所述濃度檢測儀表通過采用折光原理實現(xiàn)氫氧化鉀濃度的測量，測量氫氧化鉀濃度的范圍為20%-40%。

10.一種權利要求1-9中任一項所述的基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置的控制方法，其特征在于，具體包括：

技術總結
本發(fā)明公開了一種基于變遷移面積堿液再生泵的海水制氫裝置及控制方法，該裝置包括堿液制氫電解槽、蠕動泵、變遷移面積堿液再生泵、海水微環(huán)境槽和濃度檢測儀表，堿液制氫電解槽和變遷移面積堿液再生泵通過蠕動泵相連，變遷移面積堿液再生泵設置于海水微環(huán)境槽內(nèi)，通過控制變遷移面積堿液再生泵與海水的有效交換面積，調(diào)節(jié)氣態(tài)水遷移進入變遷移面積堿液再生泵的速率，控制電解制氫的水消耗與變遷移面積堿液再生泵中的水遷移實現(xiàn)動態(tài)平衡，從而實現(xiàn)變遷移面積堿液再生泵內(nèi)濃度恒定，最終使得堿液制氫電解槽內(nèi)堿液濃度能夠維持在電導率最優(yōu)的濃度附近，實現(xiàn)高效率的海水制氫。本發(fā)明能夠提高海水制氫的動態(tài)性能，擴寬運行范圍，增強運行穩(wěn)定性。

技術研發(fā)人員：夏楊紅,馬東辰,韋巍
受保護的技術使用者：浙江大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/21