[发明专利]一种与可再生能源自洽的高效、低成本质子交换膜电解水制氢控制系统及控制方法

说明书

本发明提供一种与可再生能源自洽的高效、低成本质子交换膜电解水制氢控制方法及控制系统，针对低铱或不含铱元素析氧催化剂的特点，在低铱或不含铱元素析氧催化剂的PEM电解单元的实际运行过程中控制输入电压，设定电压上限使输入电压低于阳极低铱或不含铱元素析氧催化剂的氧化溶解电位，即可以保证低铱或不含铱元素析氧催化剂的稳定的电压，以保障低铱或不含铱元素析氧催化剂不会过度氧化和溶解会使得催化剂快速失活，所以使用低铱或不含铱元素析氧催化剂应对低波动平稳运行的电源响应，使用高铱含量的析氧催化剂能够有效降低电解系统成本，提升电解单元综合能量转化效率。

技术领域

本发明涉及质子交换膜(PEM)电解水制氢技术领域，具体涉及一种与可再生能源自洽的高效、低成本质子交换膜电解水制氢控制系统及控制方法。

背景技术

氢经济是20世纪70年代提出的以氢为媒介(储存、运输和转化)的一种未来能源经济结构。目前中国能源结构正逐渐从传统化石能源为主转向以可再生能源为主的多元格局。氢是一种清洁能源，在应用的过程中不产生污染物。将太阳能、风能、水的位能等可再生能源转化成电能，利用电解池电解水制氢，是可持续能源利用的一种有效方式。国家发展和改革委员会与国家能源局联合发文，支持探索可再生能源富余电力转化为热能、冷能、氢能，实现可再生能源多途径就近高效利用。

PEM电解水制氢技术是新一代高效电解技术，该技术依靠阴阳二电极和聚合物电解质膜组成膜电极复合体，结合电解池壳体组成电化学电解系统，水分子在阳极被分解为氧和H⁺，在电场作用下，H⁺传递到达阴极，在阴极生成氢。固体聚合物电解质(SPE)技术利于多池串联大规模电解制氢，其电解槽无液体电解液，比碱性电解槽安全，可靠，具有化学稳定性、质子传导性、气体分离性好等优点。因此，SPE电解技术具有电解效率高、零间距、内阻小、气体分离工艺简便、氢气品质优异、安全性高等诸多优点。

电解水的设备由于其模块化特性，非常适合氢气的集中式、分布式、现场生产。同时PEM电解水制氢具有效率高、氢气品质优异、安全可靠、适应宽功率范围波动性等优点，尤其适合与光伏、风能等可再生能源联合使用。根据中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟预测，到2050年，70％氢气将来源于可再生能源，可以看出可再生能源电解水制氢未来将成为主流。因此，PEM电解水制氢技术是实现“2060碳中和”的关键助力技术之一。

然而可再生能源存在着间歇性和不稳定的问题，因此对电解水制氢技术的关键材料阳极析氧催化剂提出了更高的要求，即需要阳极析氧催化剂能够在较宽的电流密度区间内(0.1～2A/cm²)具有高效且稳定的性能。目前能够同时满足这两个条件的仅有高铱含量(30％)的铱基催化剂，尤其是高电流密度条件下(≥1A/cm²)更是如此。然而，金属铱元素是地球地壳中最稀有的元素之一，随着工业生产对Ir元素的需求量不断增加，Ir基氧化物和Ir基催化剂的价格也在不断上升，也导致了电解水制氢电解电堆的成本大幅度上升，成为限制这项技术推广应用的一个瓶颈。而采用低成本的低铱、非铱催化剂电堆降低成本、并来消纳可再生能源峰值电能，是一种可行的方案。

发明内容

本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种与可再生能源自洽的高效、低成本质子交换膜电解水制氢控制系统及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

本发明提供一种与可再生能源自洽的高效、低成本质子交换膜电解水制氢控制方法，所述控制方法适用由两组PEM电解单元组成的电解电堆；其中：

一组PEM电解单元的阳极析氧催化剂为高铱含量析氧催化剂，高铱含量析氧催化剂即铱含量≥30％；

另一组PEM电解单元的阳极析氧催化剂为采用低铱或不含铱元素析氧催化剂，低铱或不含铱元素析氧催化剂即0≤铱含量＜30％；

所述控制方法包括以下步骤：