一种用于pem膜电解水制氢的协调控制系统和控制方法
技术领域
1.本发明涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种用于pem膜电解水制氢的协调控制系统和控制方法。
背景技术：2.氢气以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视为最理想的能源载体。电解水制氢是目前获得纯氢最简单的方法，如果将其与可再生资源发电技术，如光伏发电、水力发电和风力发电相结合，电解水可作为大规模制氢技术，对环境的污染小，温室气体排放少、经济性较好﹐具有良好的应用前景。
3.电解槽作为电解水系统的核心部件，其投资和生产成本决定了该系统的经济性和技术先进性。质子交换膜(pem)电解水制氢技术采用了高分子聚合物质子交换膜，起到隔离气体和质子传导的作用。相比其他电解水技术，pem能在高电流密度下工作，体积小、效率高，生成的氢气纯度高，被认为是目前最有发展前景的水电解技术。
4.然而，目前商用的pem膜电解水制氢系统，无法将pem膜电解水制氢系统中的电源系统与电解槽实际工况联系起来，电源系统无法根据电解槽实际工况自动进行灵活调控，会发生进水量过多过少或者产生气体浓度不足等问题。
技术实现要素：5.本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种用于pem膜电解水制氢的协调控制系统，包括气体浓度传感器、水温传感器、流量传感器、plc控制器和可编程直流电源，气体浓度传感器、水温传感器、流量传感器和plc控制器电连接；plc控制器和可编程直流电源电连接；可编程直流电源用于电连接pem膜电解水制氢系统，用于调整pem膜电解水制氢系统的工况参数。
6.可选的，plc控制器的型号为西门子s7-300。
7.可选的，可编程直流电源的型号为tdc2000。
8.本发明还提供一种用于pem膜电解水制氢的协调控制方法，通过上述的用于pem膜电解水制氢的协调控制系统进行，包括以下步骤：
9.步骤一、plc控制器获取预设的pem膜电解水制氢系统的工况参数范围；
10.步骤二、气体浓度传感器、水温传感器、流量传感器测定pem膜电解水制氢系统的工况信息，将工况信息发送至plc控制器；
11.步骤三、plc控制器接收工况信息，将工况信息整合后发送至可编程直流电源；
12.步骤四、可编程直流电源将工况信息与工况参数范围比对，根据比对结果控制pem膜电解水制氢系统，使工况信息调节至工况参数范围内。
13.可选的，预设的pem膜电解水制氢系统的工况参数范围为水温参数范围，工况信息为水温参数信息；
14.步骤四具体为：可编程直流电源将水温参数信息与水温参数范围比对，若水温参
数信息大于水温参数范围，则增大pem膜电解水制氢系统的冷却水流速，若水温参数信息小于水温参数范围，则减小pem膜电解水制氢系统的冷却水流速。
15.可选的，预设的pem膜电解水制氢系统的工况参数范围为气体浓度参数范围，工况信息为气体浓度参数信息。
16.步骤四具体为：可编程直流电源将气体浓度参数信息与气体浓度参数范围比对，若气体浓度参数信息大于气体浓度参数范围，则减小pem膜电解水制氢系统的输入电流，若气体浓度参数信息小于气体浓度参数范围，则增大pem膜电解水制氢系统的输入电流。
17.可选的，预设的pem膜电解水制氢系统的工况参数范围为进水流量参数范围，工况信息为进水流量参数信息；
18.步骤四具体为：可编程直流电源将进水流量参数信息与进水流量参数范围比对，若进水流量参数信息大于进水流量参数范围，则通过plc控制器减小pem膜电解水制氢系统的进水流量，若进水流量参数信息小于进水流量参数范围，则通过plc控制器增大pem膜电解水制氢系统的进水流量。
19.可选的，预设的pem膜电解水制氢系统的工况参数范围包括水温参数范围、气体浓度参数范围和进水流量参数范围，工况信息包括水温参数信息、气体浓度参数信息和进水流量参数信息；
20.步骤四具体包括：可编程直流电源将水温参数信息与水温参数范围比对，若水温参数信息大于水温参数范围，则增大pem膜电解水制氢系统的冷却水流速，若水温参数信息小于水温参数范围，则减小pem膜电解水制氢系统的冷却水流速；
21.可编程直流电源将气体浓度参数信息与气体浓度参数范围比对，若气体浓度参数信息大于气体浓度参数范围，则减小pem膜电解水制氢系统的输入电流，若气体浓度参数信息小于气体浓度参数范围，则增大pem膜电解水制氢系统的输入电流；
22.可编程直流电源将进水流量参数信息与进水流量参数范围比对，若进水流量参数信息大于进水流量参数范围，则通过plc控制器减小pem膜电解水制氢系统的进水流量，若进水流量参数信息小于进水流量参数范围，则通过plc控制器增大pem膜电解水制氢系统的进水流量。
23.可选的，在步骤二中，气体浓度传感器放置于pem膜电解水制氢系统的阴极区氢气收集口；水温传感器放置于pem膜电解水制氢系统的pem电解槽；流量传感器放置于pem膜电解水制氢系统的阳极区进水口。.
24.可选的，在步骤三中，将工况信息整合具体包括：
25.plc控制器将工况信息进行滤波；
26.plc控制器将工况信息进行信号转换。
27.本发明的有益效果为：本发明的用于pem膜电解水制氢的协调控制系统，由于气体浓度传感器、水温传感器、流量传感器、plc控制器和可编程直流电源，气体浓度传感器、水温传感器、流量传感器和plc控制器电连接；plc控制器和可编程直流电源电连接；气体浓度传感器、水温传感器、流量传感器检测相关的参数信息并发送给plc控制器，plc控制器将信息整合并发送给可编程直流电源，可编程直流电源根据检测的参数信息与预设的参数范围的差别来调整pem膜电解水制氢系统的工况参数，从而将实际工况参数稳定在设定的正常工况参数范围内，保证了pem电解水制氢系统长时间稳定运行工作，具备很好的实用性。
附图说明
28.图1为本发明提供的实施例中的用于pem膜电解水制氢的协调控制系统的结构示意图；
29.图2为本发明提供的实施例中的用于pem膜电解水制氢的协调控制方法的流程图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
33.实施例一
34.结合图1所示，本发明的实施例公开的一种用于pem膜电解水制氢的协调控制系统，包括气体浓度传感器1、水温传感器2、流量传感器3、plc控制器4和可编程直流电源5，气体浓度传感器1、水温传感器2、流量传感器3和plc控制器4电连接；plc控制器4和可编程直流电源5电连接；可编程直流电源5用于电连接pem膜电解水制氢系统，用于调整pem膜电解水制氢系统的工况参数。值得注意的是，本实施例的plc控制器4的型号为西门子s7-300，可编程直流电源5的型号为tdc2000。容易理解的是，根据实际需要，可以选用其他型号的plc控制器4和可编程直流电源5。
35.结合图2所示，本发明的实施例还公开的一种用于pem膜电解水制氢的协调控制方法，通过上述的用于pem膜电解水制氢的协调控制系统进行，包括以下步骤：
36.步骤一、plc控制器4获取预设的pem膜电解水制氢系统的工况参数范围；在本实施例的步骤一中，预设的pem膜电解水制氢系统的工况参数范围包括水温参数范围、气体浓度参数范围和进水流量参数范围。即针对不同的pem膜电解水制氢系统，其所要求的工况参数都是不同的，因此，先要利用plc控制器4获取与pem膜电解水制氢系统相对应的工况参数范围。并且，针对pem膜电解水制氢系统，还可以在调控开始之前分析可编程直流电源5的输入电流变量对水温、气体浓度、进水流量的影响规律，通过plc控制器4建立基于水温传感器2、气体浓度传感器1和流量传感器3的反馈模块与可编程直流电源5之间的相互联系的多元耦合协同调制系统优化模型。在水温传感器2、气体浓度传感器1和流量传感器3的检测数据发生变化时，可以根据多元耦合协同调制系统优化模型，分析出可编程直流电源5的可调控运行范围。
37.步骤二、气体浓度传感器1、水温传感器2、流量传感器3测定pem膜电解水制氢系统的工况信息，将工况信息发送至plc控制器4；在本实施例的步骤二中，工况信息包括水温参数信息、气体浓度参数信息和进水流量参数信息。那么，在使用本实施例的用于pem膜电解水制氢的协调控制系统时，需要将气体浓度传感器1放置于pem膜电解水制氢系统的阴极区氢气收集口；将水温传感器2放置于pem膜电解水制氢系统的pem电解槽；将流量传感器3放置于pem膜电解水制氢系统的阳极区进水口。
38.步骤三、plc控制器4接收工况信息，将工况信息整合后发送至可编程直流电源5；在本实施例的步骤三中，将工况信息整合具体包括plc控制器4将工况信息进行滤波和plc控制器4将工况信息进行信号转换。plc控制器4将整合后的信息以信号形式传递给可编程直流电源5。
39.步骤四、可编程直流电源5将工况信息与工况参数范围比对，根据比对结果控制pem膜电解水制氢系统，使工况信息调节至工况参数范围内。
40.具体来说，预设的pem膜电解水制氢系统的水温参数范围为tn，气体浓度参数范围为pn，进水流量参数范围为rn，其中tn、pn、rn均为范围值。而水温传感器2、气体浓度传感器1和流量传感器3所检测出来的实际水温参数信息为t1，气体浓度参数信息与为p1，进水流量参数信息为r1。
41.那么，可编程直流电源5就将水温参数信息t1与水温参数范围比对tn，可编程直流电源5将气体浓度参数信息p1与气体浓度参数范围pn比对，可编程直流电源5将进水流量参数信息r1与进水流量参数范围rn比对。
42.如果t1＝tn、p1＝pn、r1＝rn，即水温参数信息在水温参数范围内，气体浓度参数信息在气体浓度参数范围内，进水流量参数信息在进水流量参数范围内，则可编程直流电源5无动作，保持各种数值不变化，维持pem膜电解水制氢系统正常运行。
43.如果t1＞tn，即水温参数信息超过水温参数范围，可编程直流电源5则控制pem膜电解水制氢系统的冷却水循环系统，增大冷却水流速，使换热加快将电解槽内的水温降低，调整水温参数信息回归水温参数范围内。
44.如果t1＜tn，即水温参数信息低于水温参数范围，可编程直流电源5则控制pem膜电解水制氢系统的冷却水循环系统，减缓冷却水流速，使换热减慢将电解槽内的水温升高，调整水温参数信息回归水温参数范围内。
45.如果p1＞pn，即气体浓度参数信息超过气体浓度参数范围，可编程直流电源5则通过控制减小占空比来减小pem膜电解水制氢系统的输入电流，从而降低产生气体的浓度，调整气体浓度参数信息回归气体浓度参数范围。
46.如果p1＜pn，即气体浓度参数信息低于气体浓度参数范围，可编程直流电源5则通过控制增大占空比来增大pem膜电解水制氢系统的输入电流，从而增大产生气体的浓度，调整气体浓度参数信息回归气体浓度参数范围。
47.如果r1＞rn，即进水流量参数信息超过进水流量参数范围，可编程直流电源5则通过plc控制器4减小pem膜电解水制氢系统的进水流量，使进水流量参数信息回归进水流量参数范围内。
48.如果r1＜rn，即进水流量参数信息小于进水流量参数范围，可编程直流电源5则通过plc控制器4增大pem膜电解水制氢系统的进水流量，使进水流量参数信息回归进水流量参数范围内。
49.容易理解的是，水温参数信息、气体浓度参数信息和进水流量参数信息存在同时不在相应的水温参数范围、气体浓度参数范围和进水流量参数范围内的情况，此时可编程直流电源5则同时控制pem膜电解水制氢系统的冷却水循环系统调整冷却水流速、改变占空比来改变pem膜电解水制氢系统的输入电流以及通过plc控制器4调控pem膜电解水制氢系统的进水流量，从而实现各项工况协同调控处于正常工况参数范围之内。
50.实施例二
51.作为本发明的又一实施例，与实施例一不同的是，在本实施例的步骤一中，plc控制器4获取预设的pem膜电解水制氢系统的工况参数范围分别为：水温参数范围：85℃≤tn≤88℃；气体浓度参数范围：99.3％≤pn≤99.7％；进水流量参数范围：5m3/h≤rn≤7m3/h。从而可以确定可编程直流电源5的电压大小恒定为12v，正常工作电流值为7a，电流值变化范围为5a～10a。
52.在本实施例的步骤四中，实际水温参数信息为86℃，气体浓度信息为99.5％，进水流量信息为6m3/h；满足85℃≤86℃≤88℃、99.3％≤99.5％≤99.7％、5m3/h≤6m3/h≤7m3/h，此时可编程直流电源5无动作，保持各种数值不变化，维持pem膜电解水制氢系统正常运行。
53.当水温参数信息上升至88.1℃时，即88.1℃＞88℃，可编程直流电源5则控制pem膜电解水制氢系统的冷却水循环系统，增大冷却水流速，使换热加快将电解槽内的水温降低，使水温参数信息重新降低至85℃～88℃范围内。
54.当水温参数信息下降至84.9℃时，即84.9℃＜88℃，编程直流电源则控制pem膜电解水制氢系统的冷却水循环系统，减缓冷却水流速，使换热减慢将电解槽内的水温升高，使水温参数信息重新上升至85℃～88℃范围内。
55.当气体浓度信息上升至99.8％，即99.8％＞99.7％，可编程直流电源5则通过控制减小占空比来减小pem膜电解水制氢系统的输入电流，从而降低产生气体的浓度，使气体浓度信息重新降低至99.3％～99.7％范围内。
56.当气体浓度信息下降至99.2％，即99.2％＜99.3％，可编程直流电源5则通过控制增大占空比来增大pem膜电解水制氢系统的输入电流，从而增大产生气体的浓度，使气体浓度信息重新降低至99.3％～99.7％范围内。
57.当进水流量信息上升至7.1m3/h，即7.1m3/h＞7m3/h，可编程直流电源5则通过plc控制器4减小pem膜电解水制氢系统的进水流量，使进水流量信息重新降低至5m3/h～7m3/h范围内。
58.当进水流量信息下降至4.9m3/h，即4.9m3/h＜5m3/h，可编程直流电源5则通过plc控制器4增大pem膜电解水制氢系统的进水流量，使进水流量信息重新上升至5m3/h～7m3/h范围内。
59.以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
技术特征：1.一种用于pem膜电解水制氢的协调控制系统，其特征在于，包括气体浓度传感器、水温传感器、流量传感器、plc控制器和可编程直流电源，所述气体浓度传感器、所述水温传感器、所述流量传感器和所述plc控制器电连接；所述plc控制器和所述可编程直流电源电连接；所述可编程直流电源用于电连接pem膜电解水制氢系统，用于调整所述pem膜电解水制氢系统的工况参数。2.如权利要求1所述用于pem膜电解水制氢的协调控制系统，其特征在于，所述plc控制器的型号为西门子s7-300。3.如权利要求1所述用于pem膜电解水制氢的协调控制系统，其特征在于，所述可编程直流电源的型号为tdc2000。4.一种用于pem膜电解水制氢的协调控制方法，其特征在于，通过如权利要求1～3任一项所述的用于pem膜电解水制氢的协调控制系统进行，包括以下步骤：步骤一、所述plc控制器获取预设的pem膜电解水制氢系统的工况参数范围；步骤二、所述气体浓度传感器、所述水温传感器、所述流量传感器测定所述pem膜电解水制氢系统的工况信息，将所述工况信息发送至所述plc控制器；步骤三、所述plc控制器接收所述工况信息，将所述工况信息整合后发送至所述可编程直流电源；步骤四、所述可编程直流电源将所述工况信息与所述工况参数范围比对，根据所述比对结果控制所述pem膜电解水制氢系统，使工况信息调节至工况参数范围内。5.如权利要求4所述的用于pem膜电解水制氢的协调控制方法，其特征在于，所述预设的pem膜电解水制氢系统的工况参数范围为水温参数范围，所述工况信息为水温参数信息；所述步骤四具体为：所述可编程直流电源将所述水温参数信息与所述水温参数范围比对，若所述水温参数信息大于所述水温参数范围，则增大所述pem膜电解水制氢系统的冷却水流速，若所述水温参数信息小于所述水温参数范围，则减小所述pem膜电解水制氢系统的冷却水流速。6.如权利要求4所述的用于pem膜电解水制氢的协调控制方法，其特征在于，所述预设的pem膜电解水制氢系统的工况参数范围为气体浓度参数范围，所述工况信息为气体浓度参数信息；所述步骤四具体为：所述可编程直流电源将所述气体浓度参数信息与所述气体浓度参数范围比对，若所述气体浓度参数信息大于所述气体浓度参数范围，则减小所述pem膜电解水制氢系统的输入电流，若所述气体浓度参数信息小于所述气体浓度参数范围，则增大所述pem膜电解水制氢系统的输入电流。7.如权利要求4所述的用于pem膜电解水制氢的协调控制方法，其特征在于，所述预设的pem膜电解水制氢系统的工况参数范围为进水流量参数范围，所述工况信息为进水流量参数信息；步骤四具体为：所述可编程直流电源将所述进水流量参数信息与所述进水流量参数范围比对，若所述进水流量参数信息大于所述进水流量参数范围，则通过所述plc控制器减小所述pem膜电解水制氢系统的进水流量，若所述进水流量参数信息小于所述进水流量参数范围，则通过所述plc控制器增大所述pem膜电解水制氢系统的进水流量。
8.如权利要求4所述的用于pem膜电解水制氢的协调控制方法，其特征在于，所述预设的pem膜电解水制氢系统的工况参数范围包括水温参数范围、气体浓度参数范围和进水流量参数范围，所述工况信息包括水温参数信息、气体浓度参数信息和进水流量参数信息；所述步骤四具体包括：所述可编程直流电源将所述水温参数信息与所述水温参数范围比对，若所述水温参数信息大于所述水温参数范围，则增大所述pem膜电解水制氢系统的冷却水流速，若所述水温参数信息小于所述水温参数范围，则减小所述pem膜电解水制氢系统的冷却水流速；所述可编程直流电源将所述气体浓度参数信息与所述气体浓度参数范围比对，若所述气体浓度参数信息大于所述气体浓度参数范围，则减小所述pem膜电解水制氢系统的输入电流，若所述气体浓度参数信息小于所述气体浓度参数范围，则增大所述pem膜电解水制氢系统的输入电流；所述可编程直流电源将所述进水流量参数信息与所述进水流量参数范围比对，若所述进水流量参数信息大于所述进水流量参数范围，则通过所述plc控制器减小所述pem膜电解水制氢系统的进水流量，若所述进水流量参数信息小于所述进水流量参数范围，则通过所述plc控制器增大所述pem膜电解水制氢系统的进水流量。9.如权利要求4所述的用于pem膜电解水制氢的协调控制方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述气体浓度传感器放置于所述pem膜电解水制氢系统的阴极区氢气收集口；所述水温传感器放置于所述pem膜电解水制氢系统的pem电解槽；所述流量传感器放置于所述pem膜电解水制氢系统的阳极区进水口。10.如权利要求4所述的用于pem膜电解水制氢的协调控制方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述将所述工况信息整合具体包括：所述plc控制器将所述工况信息进行滤波；所述plc控制器将所述工况信息进行信号转换。
技术总结本发明提供一种用于PEM膜电解水制氢的协调控制系统和控制方法，控制系统包括气体浓度传感器、水温传感器、流量传感器、PLC控制器和可编程直流电源，气体浓度传感器、水温传感器、流量传感器和PLC控制器电连接；PLC控制器和可编程直流电源电连接，气体浓度传感器、水温传感器、流量传感器检测相关的参数信息并发送给PLC控制器，PLC控制器将信息整合并发送给可编程直流电源，可编程直流电源根据检测的参数信息与预设的参数范围的差别来调整PEM膜电解水制氢系统的工况参数，从而将实际工况参数稳定在设定的正常工况参数范围内，保证了PEM电解水制氢系统长时间稳定运行工作，具备很好的实用性。用性。用性。
技术研发人员：王鹿军 彭宇航 姜久春 吴铁洲 廖力 田爱娜 常春
受保护的技术使用者：湖北工业大学
技术研发日：2022.04.08
技术公布日：2022/7/5
