温度自动控制系统在水电解制氢中的应用

摘要：随着新能源不断地被开发和应用，作为清洁能源在工业中的广泛需要，氢气成为工业领域重点关注项目。水电解质制氢过程中具有环保和简便的工艺特点，成为工业领域制备氢最常用制备手段。在氢制备过程中，其易燃易爆的特点对制备环境的要求较高。在现阶段高科技发展下，温度自动控制装置带着稳定可靠的安全性融入到工业水电解制氢技术中。本文针对温度自动控制系统在水电解制氢中的应用做详细分析，希望对相关工作人员起到参考作用。

关键词：温度自动控制；水电解；制氢；应用

随着工业领域不断开发，能源的过度消耗成为造成生态平衡破坏的主要原因，对开发可持续能源成为现阶段工业领域中技术人员的重点和挑战。在可再生能源当中，所提供的能力在应用过程上会产生不确定因素，导致能源无辜损耗时有发生，这就需要找到另一种能源改变这种损耗发生率。而氢能可以有效将这些损耗的能源集聚起来，氢气由于其具有较高的单位热值，在燃烧后的产物转化成水，作为了工业生产中清洁能源。而制作氢能最常用的方式就是水电解，在水电解制氢过程中最主要的影响参数为温度的控制，本文通过研究温度自动控制系统，实现槽体温度测量和控制，达到最大限度在水电解制氢中的应用。

1  水电解制氢装置介绍

1. 1. 水电解制氢工艺流程

水电解制氢主要是在电解槽中生成，制氢过程中是通过氧侧温度变送器将温度产生的信号传送到PLC自动控制系统中。在温度数据经过分析后，就可以控制气动薄膜调节阀，通常温度通过碱液温度实现控制，在监控上保持80-90℃，而电解液中的水沸点是在100℃。如果温度过高会对水电解槽内隔膜材料会产生腐蚀，减少隔膜使用寿命，而温度过低则会在阻碍电解液功效加大，电压也会随之增高，消耗大量能量^[1]。电解槽在运行过程中，隔板间做伸缩运动，当停止运行时，碱液的温度要求在50℃以下，碱泵再停止循环运行。避免影响电解槽寿命，温度要慢升慢降。电解槽在安装时是一侧固定，另一侧是可以移动如图1所示：

图1：电解槽运行固定情况

在水电解过程中产生的氢气和氧气会带着氢氧化钾溶液进入分离器，在分离器中让氢气、氧气与碱液分离，在通过调节控制阀门，冷却分离，最后进入制氢工序，碱液在与气体分离后，会进入碱液循环泵后，再进入冷却器换冷却，这个过程后进入电解槽可以继续电解。整个工艺流程如下图2所示：

图2：制氢工艺流程

1. 2. 温度对水电解制氢的影响

在水电解制氢的电解槽中会形成化学反应，主要反应方程式如下：

阴极：4e^-+4H²O=2H²↑+4OH^-

阳极：4OH^-=O²↑+2H²O+4e^-

总反应方程式：2H²O=2H²↑+O²↑+热量Q

通过反应方程式就可以知道，电解反应在不断持续作用下，电解槽会通过反应产生大量热能量，这些热能量就可以达到温度升高的作用。在电解反应中就会随着温度产生以下影响：

1.2.1电解液随着电解槽内温度的升高，电导率就会随着上升，电极反应也会增加。而气体在这个过程中会生成超电压，当电解槽内温度每升高1℃，超电压会降低0.25%，从而有效提高电解速率。

1.2.2当温度过高情况下，电解液就会对电解槽产生腐蚀作用，这时候对设备的运行会有损伤，导致出现安全隐患，同时也会减少设备使用年限。因此，在电解槽的温度要保持在80-90℃，确保在电解槽内的水电解制氢运行安全稳定^[2]。

2  水电解制氢装置温度控制

2.1 温度定标

在水电解制氢装置运行时，电解槽内各小室的两极生成外加电压，这种电压是从0开始，慢慢上升，电压在比较小时基本是不会有电流产生，电解现象就不会发生。而当电压达到一定高度值时，两极产生的反电动势会遭到影响，产生明显电流，从库仑定律就可以得出氢气量与电流成正比。在电解槽中氢氧化钾的作用主要是提高水电解的电导，电解反应上没有氢氧化钾的关系，因此在制氢过程中是不会产生损耗。而电解槽小室的电压还会影响单位气体产量的电耗，在电压处于恒定状态下，电解槽的温度越高，氢气产量就会随着增加，但一定要控制温度，温度过高会对电解槽产生腐蚀，主要会腐蚀槽内隔膜材料。隔膜材料无法在高温的碱液中长时间使用，为确保隔膜材料使用正常，电解槽内水电解制氢运行正常，温度一定要掌控好^[3]。

2.2 温度控制

在氢氧分离器流出的碱液由于是高温液体，要在冷却器和低温冷却水中做热交换，让其温度控制在60-70℃左右。冷却后在将碱液流入电解槽，与槽内依然存在的高温碱液做热交换，如此重复循环，不断做电解热量和碱液的低温冷却热交换工作。再利用调节碱液冷却水流量，达到控制流出冷却器碱液的温度，让电解槽始终保持在80-90℃范围。具体热交换原理操作如下图3所示：

图3：水电解制氢热交换示意图

3  自动控制系统器材选择

现阶段水电解制氢通常是利用合理设置PID控制器作为参数调整工作，在控制器作用下温度控制系统持续处于稳定，当设置的参数发生不合理情况下，调节系统会发生波动，让控制系统发生紊乱的问题。通常对于水电解制氢参数的PLC或DCS控制系统，PLC包括，美国Rockwell Allen-Bradley(AB)冗余，德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器公司的PLC产品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400、S7-1500等供客户选用。

温度调节用程序中PID模块控制通过4~20ma电流信号来驱动电气转换器调节薄膜冷却水调节阀的开度，控制来制氢系统的碱液温度保持在60~70℃左右，槽温稳定在80℃。在水电解制氢中应用广泛的大连帝国屏蔽泵，需要选择密封性好，运行稳定的，才能最大化提高屏蔽循环泵工作效率^[4]。现阶段常用的PLC控制系统依靠其强大功能可以实现独立运行的控制功能，同样也可以实现相连成网络的复杂性控制功能，与传统系统相比有着极高的性能比对。在应用过程上主要高性能体现在强大的可靠性、丰富指令集、操作方便、具有内置集成功能、强力的通讯能力和丰富的扩展模块。利用丰富的性能实现水电解制氢的温度自动控制。

4  温度自动控制系统设定方法

控制要求：通常在控制上会通过上位机组态软件，做温度控制的设定，在系统中还可以实现实时生产情况的监控与实时数据收集。系统控制界面通常有SB0代表启动，是运行指示灯；SB1代表停止，是停止指示灯；SB2代表复位，是声光报警器。当实时监测的温度达到上限，就会触发声光报警器，这时按SB2可以实现复位功能消除警报系统。

硬件选择：通常会采用上文所说的西门子系列的PLC系统，可提供4个不同基本型号的8中CPU供客户使用。MPD461C气动调节阀如图4所示，由调节型座阀、单作用气动薄膜执行器、智能电气阀门定位器、过滤减压阀构成，具备保位功能的型号带有气动保位阀。

图4：MPD461C气动调节阀

注意：
以西门子调节阀为例

1. 气动调节阀的定位器使用 4…20 mA 电流源供电。如果连接电压源，定位器会被损坏。
2. 电源和控制信号线是同一条电线。
3. 依照海拔高度选择适当的电源。大于 2000 米海平面处，请选用高原专用电源。详情应询问高 原专用电源的提供商。

上位机的监控组态画面可以对水电解制氢整体工艺流程做出显示。在监控界面就可以自动控制和安排水电解制氢的布局情况，并且可以对现场设备的运行状态做实时监测，方便技术人员操作。

5  结语

综上所述，通过利用PLC程序控制温度自动系统在水电解制氢中的应用，提高制氢设备运行效率，对水电解制氢得到高效控制和操作，提高产氢量的同时对能源的损耗最也大幅度降低。在温度自动控制系统下，制氢过程中设备内碱液和水可以长期循环利用，降低水资源浪费，并且满足工业生产对氢清洁的需求。

参考文献：

[1]徐瑶,谭粤,夏莉,李蔚,鲁雪生.水电解制氢技术的现状与展望[J].应用化工,2022,51(01):185-189+193.

[2]刘晓天,尹永利,郑尧,任会平.水电解制氢在电力储能系统中的应用模式[J].电力电子技术,2020,54(12):37-40+51.

[3]高鹏飞,张国奇,蒲晓龙,高海阳.水电解制氢装置运行过程中存在问题及改进措施[J].中国氯碱,2020(09):43-45.

[4]刘军,梁艳,凌云志.水电解制氢改造技术工艺研究[J].中国石油和化工标准与质量,2019,39(23):194-195.