本發(fā)明屬于新能源領(lǐng)域中的氫電耦合系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行制氫，尤其涉及一種基于外置偏置電場(chǎng)的堿液電解槽高效制氫裝置及控制方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，隨著可再生能源滲透率的不斷提高以及靈活性資源的緊缺，電力系統(tǒng)消納壓力越來(lái)越大，同時(shí)高比例可再生能源機(jī)組也給電力系統(tǒng)帶來(lái)了諸如寬頻帶諧振、頻率穩(wěn)定性等較大影響。如何進(jìn)一步高效利用可再生能源也成為了熱點(diǎn)話題。由于氫能具有清潔、零碳以及可持續(xù)等特點(diǎn)，已被認(rèn)為成一種具有廣泛應(yīng)用潛力的新能源形式。因此發(fā)展可再生能源電解制氫技術(shù)成為解決方案之一，可有效緩解上述大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)引發(fā)的相關(guān)問題。變流器給電解槽提供電能，對(duì)于電解制氫系統(tǒng)而言也至關(guān)重要。傳統(tǒng)對(duì)于高頻脈沖電解方法對(duì)制氫系統(tǒng)影響的研究，由于效率（如電壓效率、能量效率等）定義不一致且缺乏有效的機(jī)理解釋,這些研究結(jié)果并不可信。事實(shí)上，從能量角度來(lái)看，高頻脈沖將會(huì)引入較大的諧波，這反而會(huì)降低系統(tǒng)效率。電解制氫系統(tǒng)具有低壓大電流特征，針對(duì)此挑戰(zhàn)，研究人員研究了基于交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了新穎的電解制氫變流器，考慮了大容量電解制氫系統(tǒng)接入交流電網(wǎng)時(shí)的交流（ac）/直流（dc）變流器設(shè)計(jì)及其控制技術(shù)，利用可控硅的耐流能力和絕緣柵雙極晶體管（insulated?gate?bipolar?transistor，igbt）的靈活性，進(jìn)行了有效組合，在保證經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)大電流調(diào)節(jié)和諧波抑制。上述電解制氫變流器的相關(guān)研究主要著重于變流器自身效率的提升，而較少關(guān)注如何提升電解槽本體效率。相對(duì)而言，電解槽本體損耗是遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于變流器損耗的，其提升效果會(huì)更顯著。另外，變流器技術(shù)相對(duì)較為成熟，商業(yè)化產(chǎn)品自身效率可以達(dá)到98%以上，其提升空間也較為有限。

2、在電解水過程中，電場(chǎng)強(qiáng)化也是一種析氫反應(yīng)（hydrogen?evolution?reaction，her）促進(jìn)手段，電場(chǎng)的利用會(huì)使催化劑具有更好的析氫反應(yīng)活性。電場(chǎng)強(qiáng)化策略，即在原本的實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上添加一個(gè)垂直于催化劑的電場(chǎng)，通過垂直電場(chǎng)有效調(diào)節(jié)schottky（肖特基）勢(shì)壘類型和勢(shì)壘高度，有助于催化劑的載流子輸送,促進(jìn)電子到達(dá)活化中心。同時(shí)，作為一種極具前景的策略，電場(chǎng)效應(yīng)還可以降低接觸電阻和催化劑的薄層電阻,提高催化劑的溝道電導(dǎo)，得到更快的電子傳輸速率，即在較低的溝道電阻和較快的電荷轉(zhuǎn)移情況下提高催化劑的催化性能。但是，一方面，目前對(duì)于外加電場(chǎng)在電解水制氫方面的研究?jī)H僅停留在實(shí)驗(yàn)室研究方面，具體的工程實(shí)施沒有明確的解決方案；另一方面，電場(chǎng)嵌入工業(yè)堿液電解槽的研究沒有考慮反向電流以及絕緣方面的問題。目前學(xué)術(shù)界對(duì)于電場(chǎng)導(dǎo)致的電解效率提高方面的研究在工業(yè)制氫方面可能會(huì)有絕緣隱患，一旦絕緣結(jié)構(gòu)損壞，會(huì)損壞電解槽，進(jìn)一步可能發(fā)生爆炸等危險(xiǎn)。這對(duì)電場(chǎng)在工業(yè)應(yīng)用上帶來(lái)了不利的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于外置偏置電場(chǎng)的堿液電解槽高效制氫裝置及控制方法。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)交變磁場(chǎng)參與電解制氫在工業(yè)電解槽上應(yīng)用難度大的問題，使得電磁場(chǎng)在工業(yè)電解槽上的低成本和高效應(yīng)用成為了可能。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明實(shí)施例第一方面提供了一種基于外置偏置電場(chǎng)的堿液電解槽高效制氫裝置，包括：

3、堿液電解槽，其內(nèi)部填充有堿液；

4、多個(gè)電解極板，設(shè)置在堿液電解槽的內(nèi)部；

5、兩個(gè)外置絕緣極板，設(shè)置在堿液電解槽的內(nèi)部，且位于多個(gè)電解極板的最外側(cè)，所述外置絕緣極板包括絕緣溝槽和設(shè)置于絕緣溝槽內(nèi)部的絕緣極板；和

6、外部電源，分別與所述絕緣極板和所述電解極板相連接，所述外部電源與所述絕緣極板相連接以構(gòu)成電場(chǎng)供電系統(tǒng)，所述外部電源與所述電解極板相連接以構(gòu)成電解供電系統(tǒng)；

7、其中，所述電場(chǎng)供電系統(tǒng)用于為兩個(gè)外置絕緣極板供電，以生成外置電場(chǎng)；所述電解供電系統(tǒng)用于為多個(gè)電解極板構(gòu)成的電解槽電堆供電，以實(shí)現(xiàn)電解制氫。

8、進(jìn)一步地，所述絕緣溝槽、所述絕緣極板和所述電解極板相互平行。

9、進(jìn)一步地，所述電場(chǎng)供電系統(tǒng)包括兩個(gè)運(yùn)行模態(tài)，分別為啟動(dòng)模態(tài)和斷開模態(tài)；在啟動(dòng)模態(tài)下，通過絕緣極板上的外加電場(chǎng)改變雙電層電場(chǎng)分布，以改變離子聚集，促進(jìn)電解制氫；在斷開模態(tài)下，通過絕緣極板上的外加電場(chǎng)改變雙電層電場(chǎng)分布，阻止離子的定向移動(dòng)，抑制反向電流。

10、進(jìn)一步地，所述絕緣極板上的外加電場(chǎng)方向和堿液電解槽的電解電壓方向一致。

11、進(jìn)一步地，所述電場(chǎng)供電系統(tǒng)是一個(gè)boost電路，通過使用boost電路作為升壓轉(zhuǎn)換器以進(jìn)行電壓控制，該boost電路包括電感極性電容、快恢復(fù)二極管和場(chǎng)效應(yīng)管，該boost電路的控制律為：

12、

13、其中，表示電場(chǎng)供電系統(tǒng)的占空比；表示boost電路的pi控制器，s為拉普拉斯算子，表示boost電路的pi控制器的比例系數(shù)，表示boost電路的pi控制器的積分系數(shù)；為輸出電壓參考值，為絕緣極板的電壓值；

14、所述電解供電系統(tǒng)是一個(gè)buck電路，該buck電路包括電感極性電容、快恢復(fù)二極管和場(chǎng)效應(yīng)管，該buck電路的控制律為：

15、

16、其中，表示電解供電系統(tǒng)的占空比；表示buck電路的pi控制器，表示buck電路的pi控制器的比例系數(shù)，表示buck電路的pi控制器的積分系數(shù)；為電解電流參考值，為電解電流值。

17、進(jìn)一步地，所述電場(chǎng)供電系統(tǒng)還設(shè)置有硬件保護(hù)裝置，該硬件保護(hù)裝置用于在電場(chǎng)供電系統(tǒng)上的電流突增至大于預(yù)設(shè)的安全電流閾值時(shí)，自動(dòng)斷開硬件保護(hù)裝置，以切斷電場(chǎng)供電系統(tǒng)的供電。

18、進(jìn)一步地，所述電場(chǎng)供電系統(tǒng)還設(shè)置有軟件保護(hù)系統(tǒng)，該軟件保護(hù)系統(tǒng)通過程序監(jiān)測(cè)電場(chǎng)供電系統(tǒng)的激勵(lì)電流和激勵(lì)電流變化率，當(dāng)監(jiān)測(cè)到電流大于預(yù)設(shè)的安全電流閾值時(shí)，啟動(dòng)程序關(guān)機(jī)，自動(dòng)切斷電場(chǎng)供電系統(tǒng)的供電。

19、進(jìn)一步地，所述絕緣極板包括導(dǎo)電層、中間層和絕緣層，其中，所述中間層包裹所述導(dǎo)電層，所述絕緣層再包裹所述中間層，所述導(dǎo)電層與所述外部電源相連接；

20、所述導(dǎo)電層的材料為具有導(dǎo)電性的材料，所述中間層的材料為高介電常數(shù)材料，所述絕緣層的材料為絕緣材料。

21、進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電層的材料為鐵，所述中間層的材料為鈦酸鍶，所述絕緣層的材料為鈦酸鋇或氧化鋁陶瓷。

22、本發(fā)明實(shí)施例第二方面提供了一種上述的基于外置偏置電場(chǎng)的堿液電解槽高效制氫裝置的控制方法，包括：

23、在堿液制氫電解槽的電解制氫過程中，實(shí)時(shí)獲取電場(chǎng)供電系統(tǒng)中絕緣極板的電壓值和電解供電系統(tǒng)中的電解電流值；再依據(jù)輸出電壓參考值控制電場(chǎng)供電系統(tǒng)的占空比，依據(jù)電解電流參考值控制電解供電系統(tǒng)的占空比，以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)供電系統(tǒng)和電解供電系統(tǒng)的控制；通過控制電場(chǎng)供電系統(tǒng)的運(yùn)行模態(tài)，以促進(jìn)電解制氫，抑制反向電流。

24、本發(fā)明的有益效果為，本發(fā)明通過恒定電場(chǎng)對(duì)雙電層中離子聚集的重構(gòu)，促進(jìn)了電解；本發(fā)明能夠保證對(duì)電解槽啟動(dòng)和關(guān)閉期間都能改善電解槽的性能，提高了啟動(dòng)期間電解槽的制氫效率，降低了關(guān)閉期間電解槽的反向電流，提高了電解槽的壽命；使用本發(fā)明所述的裝置，可以提高堿液電解槽的壽命，并且提高了堿液電解槽的制氫效率，并且不需要消耗額外的能量，初始建設(shè)成本也很低。