[发明专利]一种碱液电解制氢动态模型及应用

说明书

本发明提出了一种碱液电解制氢动态模型，该模型在双电层电容模型的基础上，在电路中增加串联一个电感，该电感是由溶液中OH^‑离子运动的惯性所导致的，电感大小与溶液浓度成函数关系。具体包括：电解槽两极板之间存在电容效应导致的双电荷层电容，电容与溶液交界面存在的跨界面电阻，电解质溶液中存在的溶液电阻和电感。其中，每个电解槽中的双电荷层电容与跨界面电阻分别并联后与溶液电阻和电感依次串联。溶液温度越高，溶液中OH^‑离子运动速率越快，溶液电阻越小，电解质溶液电阻的大小与溶液温度成函数关系。采用本发明公开的模型，能够减小传统机理模型的复杂程度，提高了计算效率，具有较高的实际应用价值。

技术领域

本发明涉及一种基于碱液电解制氢动态模型，应用于新能源领域中的氢电耦合单元建模的研究和应用。

背景技术

中国未来能源供需的缺口将会越来越显著，在世界性的石油价格上涨趋势面前，我国能源供应的可靠性和安全性必将受到威胁。同时，新的经济浪潮对能源需求的日益增加，全球一体化进程的加速，都对新能源的开发产生了支持、推动和刺激的作用。要解决中国能源供应不足的问题，中国需要大规模的引入和发展可再生能源和地球上蕴藏的新能源，从而减少对化石能源和国际能源市场的依赖。

氢能和可再生能源耦合利用是实现规模化替代化石燃料的重要途径，氢能微网可有效平抑可再生能源波动、提高消纳水平，推进能源清洁化替代，是国内外实现能源转型的重要方向。氢能利用效率和动态特性瓶颈仍未突破，氢热电多能流协同调度尚未完善，严重制约了系统的安全、稳定、经济运行，迫切需要突破建设国产化氢能关键设备和系统集成的工程验证平台的一系列关键问题。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的不足，提出一种碱液电解制氢动态模型，所述的碱液电解制氢是指当电流通过电解槽时，在阳极与溶液界面处发生氧化反应，制取出氧气。在阴极与溶液界面处发生还原反应，制取出氢气。所述碱液电解制氢动态模型用于描述碱液电解制氢动态特性，具体包括：电解室两极板之间存在电容效应导致的双电荷层电容C_d，电容与溶液交界面存在的跨界面电阻R_s，电解质溶液中存在的溶液电阻R_p，电解质溶液中OH^-离子运动的惯性效应导致的电感L_p。其中，每个电解室中的双电荷层电容C_d与跨界面电阻R_s分别并联后与溶液电阻R_p和电感L_p依次串联。所述电感L_p大小与碱液中碱的质量分数w有关，表示为：

Lp＝-1.371×10^-6×w²+2.3×10^-4×w-1.6×10^-3,0＜w＜90％。

进一步地，所述双电荷层电容C_d大小与极板间距和极板相对面积有关，表示为：

其中，S为两极板的相对面积，d为两极板的间距。

进一步地，溶液温度越高，溶液中OH-离子运动速率越快，溶液电阻越小，所以该模型中的溶液电阻与溶液温度有关，表示为：

R_p＝-1.75×10^-6×T³+2.93×10^-4×T²-1.66×10^-2×T+0.4174,10≤T≤70℃。

其中，T是碱液的温度。

进一步地，跨界面电阻R_s表示为：

R_s＝-6.93×10^-6×T²+2.378×10^-3×T+0.128,10≤T≤70℃