中型PEM制氢系统BOP设计、优化、仿真

在碱性电解中，如下图1所示，两个电极浸泡在电解液中，电解液通常是KOH或NaOH溶液。通过这种方式，实现了碱性环境，其中水的电阻率将降低，使过程更容易。施加的直流电压必须大于水分解所需的电压，从而产生法拉第电流。电极之间由隔膜隔开，隔膜可将气体隔开，同时可渗透水和氢氧根离子。

图1：碱性电解水原理图

另，在PEM电解中(下图2)，两个电极与电解质接触，电解质是一种固体聚合物（SPE），通常是Nafion，现状也有各种增强型。电极通常由阴极铂和阳极铱制成。

图2：PEM电解水原理图

备注说明：

Anode：（在电解池中）阳极；（在原电池中）负极。

Cathode：（在电解池中，发生还原反应的电极）阴极；（在原电池中，发生还原反应的电极）正极。

与传统碱性相比，PEM电解槽的电流密度可以达到2A/cm²以上，PEM可以保证较低的气体交叉渗透，这也使得PEM电解槽在较低的负载范围(0-10%)下工作，而且设计紧凑。另PEM可以获得足够高的操作压力(30-40 bar)以便后面直接来填充氢气罐。但是，PEM容易由外来的离子而引起中毒，因此必须予以重视。另水很容易被其中的杂质污染，也很容易被系统中的金属部件（如水管甚至电解槽部件本身）产生的腐蚀所污染。

这种中毒会导致电池阴极过电压升高和运行性能下降，此外还会影响膜的质子传导性降低。因此，要使 PEM 电解技术成为一种有竞争力的制氢方式选择，对 BOP 进行详尽的设计和控制（包括水管理、电导率和纯度）非常重要。

图3：PEM电解槽的BOP：水子系统

在经过过滤阶段之后，水被引入一个具有双重功能的水箱：

水从水位控制箱继续流向水控制和再循环阶段。再循环泵用于调节水位控制箱之后的水流，而传感器模块则用于控制器在将水注入 PEM电解槽之前获得所有关键水参数的信息，如温度、压力、流量、电导率和纯度。如果水的电导率不在允许的范围内，建议使用再循环管路来校正水的电导率。

氢气子系统（下图 4）由 PEM 电解槽和高压分离器组成。分离器利用以湿气形式存在的水的压力差来干燥氢气（必要条件是必须使被干燥物料表面所产生的水汽压强大于干燥介质中的水蒸气分压。）。一旦高压分离器达到较高的湿度梯度，就会允许湿氢流（脏氢）进入低压分离器。在这里，可排入大气中的氢气被释放出来（也可以考虑再次回收纯化），而水则被送入液位水箱（水路子系统，上图 3）。相比之下，来自高压分离器的干氢气（清洁氢气）则继续进入干燥器阶段。在这里，建议采用变压吸附或变温吸附干燥阶段（PSA或TSA），在三个干燥循环中储存和排出水分。释放出的水按照之前描述的相同流程被送入低压分离器。干燥阶段结束后，产生的氢将储存在储氢罐等储氢介质中。在整个氢气生产过程和阶段中，都有一个传感器模块，用于控制氢气在不同生产和干燥阶段的压力和温度参数，然后再进行最终储存。

图4：PEM电解堆的装置平衡(BOP)：氢气子系统。

PEM 电解槽的控制系统应能够掌握 BOP 两个主要部分（水管理子系统和制氢子系统）的信息并采取相应行动。此外，控制逻辑必须包括运行状态顺序、冷却阶段、氮气惰化（吹扫）阶段、电源控制以及对电解槽运行期间产生的警告和警报的管理。

2.1、水管理系统

图5：PEM堆叠控制流程图;水管理子系统控制图。

关于电导率控制块，水的电导率是通过作用于一个电动阀使再循环管路工作来调节的。

这样，当电导率较低时，就可以直接向电解槽供水，而无需对水进行更多的净化处理。如果电导率处于中等水平（I 型 < 电导率 < II 型），则在生产前，循环回路将打开，将水循环回净化过滤器。如果在生产过程中出现这种情况，则会发出警告。最后，如果电导率上升到 II 型以上，电解槽将一直处于停止状态，并触发警报。

对温度、压力和水流量等物理参数进行监控，以确保系统性能符合其运行规范、使用寿命和安全条件，否则系统停止运行。

对于氢气子系统的控制，如下图6所示，需要同时检测高压分离器(HPS)和低压分离器(LPS)中的水位。

图6：PEM堆叠控制流程图;氢控制图。

当检测到HPS（高压分离器）中水位达到中位时，阀门将打开，使积聚的水流向LPS（低压分离器）。当这种情况发生时，水位下降，阀门再次关闭。如果检测到水位过高，电解槽会停止运行。LPS中的液位控制以类似的方式工作，当LPS中集聚了足够的水时，只要关闭从HPS流向LPS的阀门，就可以让水流向水位箱。在电解过程中，避免水管和氢气管直接接触至关重要。如果 LPS 中的水位较低，阀门就会关闭，因为没有足够的水进行输送。

在HPS 和 LPS 后，PSA 阶段的干燥器在生产过程中遵循三阶段循环流程。这主要是通过电阀的开启和关闭来实现的，电阀的开启和关闭可使氢气流向最终储存器、水的积聚以及通过 LPS 对积聚的水进行吹扫。在所有过程中，温度和压力都受到控制，如果超出既定范围，系统将停止运行。

3、控制逻辑和仿真结果

在本节中，将介绍按照所开发的控制逻辑建立的顺序正确运行系统的结果。用于实现控制逻辑的软硬件工具基于 Siemens® SIMATIC STEP 7 Basic V15 平台，除了用于模拟的 PLCSIM 和 WinCC RT 外，还有用于建模的 TIA Portal 工具。

然后，通过主屏幕(PEM电解槽管理监控器)将电解涉及的所有过程可视化，如下图7a所示。该监视器显示系统的运行状态，允许启动，停止或暂停生产以及启动氮气注入过程。此外，该监视器还显示水和氢子系统的运行状况，并允许冷却子系统运行和报警管理。

图7a：屏幕1：PEM电解槽管理监视器。

控制系统还有一个电解槽参数界面（下图 7b），通过该界面可以实时监控电流和电压的模拟值以及功率图。

图7b:堆叠接口

氢气干燥过程仿真如下图7c所示，实时显示了各烘干机的状态、过程工艺状态和剩余时间。

图7c:烘干机阶段界面

在这种情况下，对于上图3所示的BOP方案和上图5所示的控制图，将使用该试验来检查水管理子系统是否正常运行。然后，系统从低水位开始，如下图8a所示。这就需要启动注水泵，直到水位上升到允许的较高水位，图8b -图8c。之后，水泵将断开，水位下降；当电解槽消耗水用于制氢时，不会向管路注入水，如图8d。

图8：水子系统.液位（a~d）

当注入泵停止工作时，水位开始下降，直到恢复到低水位时才会重新启动。红色指示灯显示水位已下降，如图8e所示。此外，如果由于传感器故障而导致测量误差，则会出现黄色警告灯，如图8f所示。

图8：水系统控制图.液位（e~f），看指示灯

另一方面，从主监控界面可以显示水流是否满足水的电导率和温度要求，如图9a。然后，在类型I <电导率<类型II的情况下，暖灯将被激活，(图9b)，当水的电导率上升类型II，图9c时，暖灯将变成警报器，系统将停止运行（惰化阶段）。

图9：水子系统.电导率（a~c）

同样，控制逻辑负责控制水温，如图10a所示。然后，当水温升高到较高允许值(68℃)以上时，报警指示灯被激活，冷却器开始工作，如图10b所示。

图10：水子系统.温度（a~b）

图11：氢气子系统.高压分离器HPS（a~b）

然后，冷凝水开始向LPS（低压分离器）(图11c)，直到到达LPS的高水位(图11d)。

图11：氢气子系统.低压分离器LPS（c~d）

此时，需要等待HPS的水位下降，并随之关闭流向LPS的阀门，一并打开LPS的阀门，如图11e所示。如果HPS达到高水平，则会触发警报并停止生产，如图11f所示。

图11：氢气子系统（e~f）

类似于水管理测试，可以检查氢气流的温度。如果氢气温度高于最高允许值(72ºC)，则会发出警告，如图12a所示，如果继续增加(~75ºC)，则会发出警报并停止运行；从生产状态转入到惰化状态，如图12b所示。

图12：氢子系统.温度（a~b）

4、结论

本文设计了中型 PEM 电解槽的BOP，并在考虑运行变量、自动化参数以及能源和电力效率的情况下，始终在安全条件下实施了控制系统。

为了验证所开发的控制逻辑，对水和氢两个子系统进行了仿真。结果表明，水和氢气子系统在适当的运行条件下工作，如果出现警告或传感器故障，电解槽会通过惰化阶段停止工作。

来源：氢眼所见

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