本發(fā)明涉及電解水制氫，具體涉及一種質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型的構(gòu)建方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、質(zhì)子交換膜((proton?exchange?membrane，簡(jiǎn)稱pem)電解槽因其制氫效率高、氫氣純度高和響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，在可再生能源制氫領(lǐng)域扮演著重要角色，并在產(chǎn)業(yè)鏈中受到廣泛關(guān)注。

2、在電力系統(tǒng)中，電解槽模型的構(gòu)建對(duì)于模擬和優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要，然而，電解槽模型主要關(guān)注其電壓特性，而對(duì)熱力學(xué)特性的考慮不足，可能導(dǎo)致電解槽模型對(duì)溫度的描述不夠精確，進(jìn)而影響模型的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型的構(gòu)建方法及裝置，以解決電解槽模型缺乏對(duì)熱力學(xué)特性的考慮，影響電解槽模型的準(zhǔn)確性的問(wèn)題。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型的構(gòu)建方法，該方法包括：

3、獲取質(zhì)子交換膜電解槽對(duì)應(yīng)的電解可逆電壓、電極過(guò)電壓、擴(kuò)散過(guò)電壓和歐姆過(guò)電壓，基于電解可逆電壓、電極過(guò)電壓、擴(kuò)散過(guò)電壓和歐姆過(guò)電壓構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽電壓模型；

4、獲取質(zhì)子交換膜電解槽單位時(shí)間內(nèi)的電解槽電流和法拉第效率，基于電解槽電流和法拉第效率構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽物質(zhì)平衡模型；

5、基于質(zhì)子交換膜電解槽電壓模型和質(zhì)子交換膜電解槽物質(zhì)平衡模型構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型。

6、本實(shí)施例提供的一種質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型的構(gòu)建方法，基于電解可逆電壓、電極過(guò)電位和歐姆過(guò)電壓構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽電壓模型，基于電解槽電流和法拉第效率構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽物質(zhì)平衡模型，基于質(zhì)子交換膜電解槽電壓模型和質(zhì)子交換膜電解槽物質(zhì)平衡模型構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型；通過(guò)構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型，考慮了電解槽電化學(xué)和熱力學(xué)特性，不僅能夠提高電解槽模型的精確程度，還能夠反映電解槽溫度的變化過(guò)程，為后續(xù)電解槽溫度控制和運(yùn)行模擬的仿真研究奠定了基礎(chǔ)，以便質(zhì)子交換膜電解槽能夠更好地適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性，提高制氫效率。

7、在一種可選的實(shí)施方式中，獲取質(zhì)子交換膜電解槽對(duì)應(yīng)的電解可逆電壓、電極過(guò)電壓、擴(kuò)散過(guò)電壓和歐姆過(guò)電壓，基于電解可逆電壓、電極過(guò)電壓、擴(kuò)散過(guò)電壓和歐姆過(guò)電壓構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽電壓模型，包括：

8、獲取電解槽溫度、氫氣側(cè)壓強(qiáng)、氧氣側(cè)壓強(qiáng)和水的活度，基于電解槽溫度、氫氣側(cè)壓強(qiáng)、氧氣側(cè)壓強(qiáng)和水的活度計(jì)算電解可逆電壓；

9、獲取質(zhì)子交換膜電解槽的電流密度，基于電流密度計(jì)算電極過(guò)電位；

10、獲取擴(kuò)散極限電流，基于電流密度和擴(kuò)散極限電流計(jì)算擴(kuò)散過(guò)電壓；

11、獲取集流體、雙極板和質(zhì)子交換膜的電阻，基于集流體、雙極板和質(zhì)子交換膜的電阻與電解槽電流計(jì)算歐姆過(guò)電壓；

12、基于電解可逆電壓、電極過(guò)電壓、擴(kuò)散過(guò)電壓和歐姆過(guò)電壓確定單電解槽的小室電壓；

13、獲取質(zhì)子交換膜電解槽中的小室數(shù)量，基于單電解槽的小室電壓和小室數(shù)量構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽電壓模型。

14、本實(shí)施例提供的一種質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型的構(gòu)建方法，質(zhì)子交換膜電解槽電壓模型中考慮了氫氣、氧氣側(cè)的壓強(qiáng)，可以模擬壓差型電解槽，并且通過(guò)計(jì)算電解可逆電壓、電極過(guò)電位和歐姆過(guò)電壓確定單電解槽的小室電壓，進(jìn)而基于單電解槽的小室電壓和小室數(shù)量構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽電壓模型，質(zhì)子交換膜電解槽電壓模型考慮了電解槽的溫度特性，提高了質(zhì)子交換膜電解槽電壓模型的準(zhǔn)確度。

15、在一種可選的實(shí)施方式中，基于電解槽電流和法拉第效率構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽物質(zhì)平衡模型，包括：

16、獲取質(zhì)子交換膜電解槽單位時(shí)間內(nèi)的水分子的摩爾質(zhì)量、氫氣的摩爾質(zhì)量和氧氣的摩爾質(zhì)量，基于電解槽電流、法拉第效率、水分子的摩爾質(zhì)量、氫氣的摩爾質(zhì)量和氧氣的摩爾質(zhì)量分別計(jì)算反應(yīng)水流量、氫氣流量和氧氣流量；

17、基于反應(yīng)水流量、氫氣流量和氧氣流量構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽物質(zhì)平衡模型。

18、本實(shí)施例提供的一種質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型的構(gòu)建方法，通過(guò)計(jì)算質(zhì)子交換膜電解槽單位時(shí)間內(nèi)消耗的反應(yīng)水、氫氣產(chǎn)量和氧氣產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)質(zhì)子交換膜電解槽電解時(shí)反應(yīng)水、氫氣和氧氣之間的關(guān)系的準(zhǔn)確描述，為后續(xù)質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

19、在一種可選的實(shí)施方式中，基于質(zhì)子交換膜電解槽電壓模型和質(zhì)子交換膜電解槽物質(zhì)平衡模型構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型，包括：

20、獲取熱中性電壓，基于單電解槽的小室電壓、小室數(shù)量和熱中性電壓計(jì)算電解槽的電功率；

21、獲取室溫、電解槽表面積和對(duì)流參數(shù)，基于室溫、電解槽表面積、對(duì)流參數(shù)和電解槽溫度計(jì)算電解槽的熱損失功率；

22、獲取增益系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和電解槽溫度控制變量，基于增益系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和電解槽溫度控制變量計(jì)算電解槽的冷卻功率；

23、獲取電解槽熱容，基于電解槽熱容、電解槽的電功率、電解槽的熱損失功率、電解槽的冷卻功率、反應(yīng)水流量、氫氣流量和氧氣流量構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型。

24、本實(shí)施例提供的一種質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型的構(gòu)建方法，通過(guò)質(zhì)子交換膜電解槽物質(zhì)平衡模型，將質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型與質(zhì)子交換膜電解槽電壓模型聯(lián)系起來(lái)，提高了質(zhì)子交換膜電解槽電壓模型的準(zhǔn)確性，并且，由于電解制氫系統(tǒng)的熱量傳輸對(duì)電解槽內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)影響較大，因此通過(guò)構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型，考慮了熱模型中的延時(shí)特性，能夠模擬電解槽溫度的變化過(guò)程。

25、在一種可選的實(shí)施方式中，基于電解槽熱容、電解槽的電功率、電解槽的熱損失功率、電解槽的冷卻功率、反應(yīng)水流量、氫氣流量和氧氣流量構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型；其中，質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型的表達(dá)式為：

26、

27、其中，cp表示電解槽熱容，表示電解槽的電功率，表示電解槽的熱損失功率，表示電解槽的冷卻功率，表示反應(yīng)水流量，表示水的比熱容，t表示電解槽溫度，tatm表示室溫，表示氫氣流量，表示氫氣的比熱容，表示氧氣流量，表示氧氣的比熱容。

28、在一種可選的實(shí)施方式中，還包括：

29、利用質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型對(duì)質(zhì)子交換膜電解槽進(jìn)行溫度控制。

30、本實(shí)施例提供的一種質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型的構(gòu)建方法，利用質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型對(duì)質(zhì)子交換膜電解槽進(jìn)行溫度控制，在輸入電流波動(dòng)的情況下，能夠平抑電解槽溫度的波動(dòng)。

31、第二方面，本發(fā)明提供了一種質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型的構(gòu)建裝置，該裝置包括：

32、第一構(gòu)建模塊，用于獲取質(zhì)子交換膜電解槽對(duì)應(yīng)的電解可逆電壓、電極過(guò)電壓、擴(kuò)散過(guò)電壓和歐姆過(guò)電壓，基于電解可逆電壓、電極過(guò)電壓、擴(kuò)散過(guò)電壓和歐姆過(guò)電壓構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽電壓模型；

33、第二構(gòu)建模塊，用于獲取質(zhì)子交換膜電解槽單位時(shí)間內(nèi)的電解槽電流和法拉第效率，基于電解槽電流和法拉第效率構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽物質(zhì)平衡模型；

34、第三構(gòu)建模塊，用于基于質(zhì)子交換膜電解槽電壓模型和質(zhì)子交換膜電解槽物質(zhì)平衡模型構(gòu)建質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型。

35、第三方面，本發(fā)明提供了一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括：存儲(chǔ)器和處理器，存儲(chǔ)器和處理器之間互相通信連接，存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)指令，處理器通過(guò)執(zhí)行計(jì)算機(jī)指令，從而執(zhí)行上述第一方面或其對(duì)應(yīng)的任一實(shí)施方式的質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型的構(gòu)建方法。

36、第四方面，本發(fā)明提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)指令，計(jì)算機(jī)指令用于使計(jì)算機(jī)執(zhí)行上述第一方面或其對(duì)應(yīng)的任一實(shí)施方式的質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型的構(gòu)建方法。

37、第五方面，本發(fā)明提供了一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)指令，計(jì)算機(jī)指令用于使計(jì)算機(jī)執(zhí)行上述第一方面或其對(duì)應(yīng)的任一實(shí)施方式的質(zhì)子交換膜電解槽電熱模型的構(gòu)建方法。