电解水制氢系统中电堆正负极压力差最小化自动控制系统的制作方法

1.本发明涉及电解水制氢控制系统领域，具体是一种电解水制氢系统中电堆正负极压力差最小化自动控制系统。


背景技术：

2.氢能是一种理想的二次能源，在绿色能源体系中占据着极为重要的地位。并且氢气作为一种重要的工业气体，已被广泛地应用于各个工业生产领域中。因此氢气已经成为现代社会工业中必不可少的工业气体之一。目前，电解水制氢，尤其是利用风能或太阳能等绿色再生能源发电来电解水制氢，可实现整个过程中的二氧化碳零排放，没有任何污染。鉴于电解水制氢的优点，现在很多国家已经开始积极发展和大力推广电解水制氢技术的应用。
3.电解水制氢的基本原理是在直流电的作用下，将水分解为氢气和氧气。目前用于电解水制氢的主要技术有三种，即碱性液体电解水制氢(alkaline electrolysis)、质子交换膜电解水制氢(proton exchange member electrolysis简称pem electrolysis)、以及固态氧化物电解水制氢(solid oxide electrolysis)。其中碱性电解水技术具有技术相对成熟、设备成本相对低等优点，但是该技术也存在着电流密度相对低、变载范围也相对小等一些不利因素。固态氧化物电解水技术目前仍处于实验室研发的初级阶段。而质子交换膜电解水技术目前正处于技术趋于成熟，虽然其制造成本相对高，但是由于其电流密度高、运行灵活、利于快速变载，非常适合风电或光伏等发电的波动性和随机性较大的应用场所。因此,质子交换膜电解水技术具有十分广泛的应用前景。
4.质子交换膜电解水制氢系统的基本功能结构主要由电解槽电堆、直流电源供给部分、去离子化纯净水供给部分、氢气和水分离部分、氧气和水分离部分、冷却循环部分、加压部分、氢气和氧气除雾和干燥部分、以及系统的安全控制和操作部分等各个子系统组成。其中电解槽电堆是整个电解水制氢系统的核心部分。将整个质子交换膜电解水制氢系统(pem electrolyzer system)进行适当简化，其简化后的系统结构如图1所示。
5.首先，质子交换膜电解水制氢系统所需要的直流电一般由交流电网中的交流电经过整流转换成直流电源之后，供给电解槽的电堆。经过去离子等净化处理后的净化水(di water)一般先进入氧气和水分离容器里，然后再由高压水泵加压并泵入电解槽的正极(anode)。进入电解槽正极后的电解水在催化剂的作用下，被分解为氧气分子和氢离子。氧气和剩余的电解水一起流回到氧气和水分离器里，然后氧气再通过除雾器或干燥器除去其中的水分之后，输出到氧气储存设备，或者直接排放到空气中。另一方面，在正极上从电解水中分离出来的氢离子(h

)直接通过电堆的质子交换膜达到负极(cathode)，并和通过外部直流电路里的电子相结合，变成氢气。氢离子在通过质子交换膜的过程中，往往伴随着一定数量的水分子一起从正极到达负极。因此在电堆的负极腔里往往是生成的氢气和水的混合物，并一起流入到氢气和水分离器进行气和水分离。然后氢气再通过除雾器或干燥器进行干燥之后，其纯度一般能到99.9％以上，或者通过氢气提纯设备进一步提纯到99.999％
以上，最后输送到氢气储存设备。氢气和水分离器里分离出来的纯净水一般再流回到纯净水输入端重新利用。电堆在电解水的过程中同时产生一定的热量，需要适当的散热降温。目前通常是用进入电堆正极的电解水的不断循环来控制电堆的温度。因此进入电堆的电解水的量要大于在电解水过程中所需要的电解水的实际用量。这也是为什么氧气和水分离器的容量一般要大于氢气和水分离器的容量。
6.电解水制氢系统中所产生的氢气和氧气的压力一般都比较高。例如质子交换膜电解水制氢系统所产生的氢气的压力高达30个大气压以上。而质子交换膜电堆的正负极之间相隔着很薄的电解质(质子交换膜)。如果质子交换膜两边(即电堆的正负极之间)的压力差过大，将会直接导致质子交换膜破损。目前现有的质子交换膜电解水制氢系统中虽然对电堆正负极两边的压力有所监测，但是通常仅仅监测系统在正常的运行时所产生的氢气和氧气的压力。而电解水系统在运行过程中的正负极两侧的压力都是随着电源波动或电解水供给的不稳定等各种因素的影响而不断变化。尤其是大型电解水制氢系统，在启动或关闭过程中，由于压力的上升或下降受系统的正负极两边的结构设计、以及控制方式等各种因素的影响，电堆的正负极两侧所产生的氧气和氢气的量及其压力的变化都不一致。因此，如果电堆正负极之间的压力差过大，很容易导致其质子交换膜受损甚至破裂。电堆中的质子交换膜一旦受损，即使电堆里只有其中某一个单体内部的质子交换膜出现破损现象，整个电堆都需要修理或更换。更为严重的是，正极产生的氧气或者负极产生的氢气就有可能通过破损的质子交换膜渗透到电极的另一侧，很容易引起爆炸等极为危险情况。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种电解水制氢系统中电堆正负极压力差最小化自动控制系统，以解决质子交换膜电解水制氢系统中正负极之间的压差难以控制的现有技术问题。
8.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
9.电解水制氢系统中电堆正负极压力差最小化自动控制系统，包括氧气侧背向控制阀及其气压控制支路、氢气侧背向控制阀及其气压控制支路，其中：
10.所述氧气侧背向控制阀、氢气侧背向控制阀均为外压式背向阀；氧气侧背向控制阀通过自身气体流入、流出端连通接入电解水制氢系统中的氧气输出主管路，氢气侧背向控制阀通过自身气体流入、流出端连通接入电解水制氢系统中的氢气输出主管路；
11.所述氧气侧背向控制阀对应的气压控制支路包括开关用控制阀，氧气侧背向控制阀的压力控制端通过对应的气压控制支路中的开关用控制阀，旁路连通至所述氢气侧背向控制阀气体流出侧的氢气输出主管路；
12.所述氢气侧背向控制阀对应的气压控制支路包括开关用控制阀，氢气侧背向控制阀的压力控制端通过对应的气压控制支路中的开关用控制阀，旁路连通至所述氧气侧背向控制阀气体流入侧的氧气输出主管路。
13.进一步的，所述氧气侧背向控制阀对应的气压控制支路还包括释放用控制阀，释放用控制阀的气体流入端旁路连通至所述氧气侧背向控制阀压力控制端和开关用控制阀之间，释放用控制阀的气体流出端与外部环境连通。
14.进一步的，所述氧气侧背向控制阀对应的气压控制支路中，释放用控制阀的气体流出端通过止回阀与外部环境连通。
15.进一步的，所述氢气侧背向控制阀对应的气压控制支路还包括释放用控制阀，释放用控制阀的气体流入端旁路连通至所述氢气侧背向控制阀压力控制端和开关用控制阀之间，释放用控制阀的气体流出端与外部环境连通。
16.进一步的，所述氢气侧背向控制阀对应的气压控制支路中，释放用控制阀的气体流出端通过止回阀与外部环境连通。
17.进一步的，还包括氧气排放支路，氧气排放支路包括氧气排放支路控制阀、氧气排放支路孔板阀，其中氧气排放支路控制阀的气体流入端旁路连通至所述氧气侧背向控制阀气体流出侧的氧气输出主管路，氧气排放支路控制阀的气体流出端与氧气排放支路孔板阀的气体流入端连接，氧气排放支路孔板阀的气体流出端与外部环境连通。
18.进一步的，还包括氢气排放支路，氢气排放支路包括氢气排放支路控制阀、氢气排放支路孔板阀，其中氢气排放支路控制阀的气体流入端旁路连通至所述氢气侧背向控制阀气体流出侧的氢气输出主管路，氢气排放支路控制阀的气体流出端与氢气排放支路孔板阀的气体流入端连接，氢气排放支路孔板阀的气体流出端与外部环境连通。
19.本发明是在氢气和氧气两侧的输出主管路中各安装一个相同类型的背向控制阀门，利用氢气和氧气各自压力的动态变化相互控制这两个背向控制阀门的关闭和导通，使得整个电解水制氢系统在启动、关闭、或正常运行等所有的过程中对氧气和氢气两侧(即电解槽电堆的正负极两边)的压力变化进行实时、动态地相互制约和控制，以实现电堆中的质子交换膜的两侧的压力差最小化，从而有效地保证质子交换膜在任何情况下都不会因其两侧的压力差过大而导致受损或破裂。
20.与现有技术相比，本发明的优点为：
21.1)本发明结构简单、高效、安全可靠。
22.本发明只需要在通常的电解水制氢系统中的氢气和氧气的输出管路上各安装一个类型和结构相同的背向控制阀门和相应的气压控制支路，利用主管路中氢气和氧气的各自的压力动态变化相互自动控制这两个背向控制阀门的关闭和导通，使得整个电解水制氢系统在启动、关闭、或正常运行的过程中对氧气和氢气两侧的压力进行实时、动态地相互自动制约，平衡其压力的变化快慢，以达到电堆中的质子交换膜两边的压力差最小化。这样确保了电堆的正负极之间的最大压力差及其变化范围始终大约在1-2个大气压范围之内，小于质子交换膜两侧所能承受的最大压力差。因此，本发明有效地保证质子交换膜在任何时候都不会因其两边的压力差过大而导致受损或破裂。另外，本发明不需要外加太多的电子传感器和监测控制电路。因此本发明具有结构简单、高效、安全可靠等特点。
23.2)本发明操作简单、实用性强。
24.本发明中的相关气体容器和管路、以及控制阀门的尺寸在设计时根据本发明所阐述的相关理论进行计算确定之后，只需在控制系统中加上相应阀门的控制输出信号，控制这些阀门的导通和关闭即可，不需要繁琐的操作程序。另外本发明既适用于新的电解水制氢系统设计，也适用于对已有的制氢系统改造和升级，以增加系统的安全操作。因此本发明操作简单，实用性强。
25.3)本发明适用性广泛。
26.本发明虽然是以质子交换膜电解槽电堆为例进行电堆内部正负极之间的压力差最小化控制原理和功能说明，但是本发明的工作原理和系统基本结构同样适用于所有其他
类型的电解水电堆的正负极之间的压力差最小化自动控制，包括碱性电解水电堆(alkaline electrolyser)和固态氧化物电堆(solid oxide electrolyser)等。因此，本发明适用性十分广泛。
27.4)本发明灵活性高
28.本发明适用于不同的电解水制氢设备的制造商所生产的不同品牌以及不同规格的电解水制氢系统。电解水设备制造商只需要根据所生产的电解水制氢设备的规格和容量等具体情况，按照本发明的理论计算中所阐述的有关公式，调整和选择各个相应设计参数，便可以确保整个系统在启动、运行，以及关闭等各个过程中电堆正负极之间的压力差始终保持在其允许值范围内，确保和延长电解槽电堆的使用寿命。因此具有很高的灵活性。
29.另外，本发明系统还可以通过正负极之间的压力差监测信号来控制有关阀门的打开和关闭，进而控制因直流电源波动或变载的要求等因素导致氢气和氧气的生成量的变化所引起正负极之间的压力差的波动，以增加系统安全控制的冗余度。
30.5)本发明系统集成度高
31.整个电解水制氢系统的运作包括正常的启动和关闭，正常运行、以及其它所有的紧急情况下关闭等所有过程，都可由其安全控制和操作系统来完成。本发明既可以设计成一个单独的电堆正负极之间的最小压力差自动监控的功能子系统，也可以在已有的控制系统中，增加相应的阀门、阀门控制输出信号、以及相应的控制逻辑，并把相应的控制功能集成到整个电解水制氢设备的主控制器的控制系统之中，实现其控制功能。因此本发明系统具有较高的整体控制系统的集成度。
附图说明
32.图1是现有技术质子交换膜电解水制氢系统的基本结构原理示意图。
33.图2是本发明控制系统的气体管路基本结构原理示意图。
34.图3是本发明采用的现有技术外压式背向阀的基本结构原理示意图。
35.图4是现有技术质子交换膜电堆单体的基本结构原理示意图。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
37.一、本发明结构说明如下
38.传统的电解水制氢系统除了氢气和氧气正常的输出主管路之外，一般都有氢气和氧气的排放管路，主要用于系统在正常的启动和关闭等过程中、或者其它紧急情况下，制氢系统的腔体内残存的少量的氢气和氧气可以通过相应的排放管路，直接被排放到室外的空气中。另外，氢气侧或者氧气侧由于某种原因导致其气体压力过高，也需要通过这些气体排放管路向室外进行紧急气体减压释放。而氢气和氧气的排放口一般都安装在室外，而且二者之间的距离应该满足相关危险气体安全使用和操作标准的要求。
39.本发明的基本管路结构如图2中的上半部分的虚线框内所示，即在电解水制氢系统中的氢气和氧气的输出主管路上各安装一个相同类型的背向阀门、相应的气体排放支路、以及有关控制阀门和控制逻辑。具体说面如下。
40.1.1、本发明正极侧(氧气输出侧)的气体压力控制管路
41.在图2所示的基本结构图中，上半部分的虚线框内为本发明的系统管路基本结构示意图。其中左边的为氧气侧的压力控制部分。即在从氧气除雾器的出口端附近安装一个氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
；一个由开关用控制阀cv
o2_3
、释放用控制阀cv
o2_5
、和止回阀cv
o2_6
组成的用于控制安装在氢气主管路上的氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的气压控制支路，该支路的管径比较细；以及一个由氧气排放支路控制阀cv
o2_4
和氧气排放支路孔板阀cv
o2_7
组成的氧气排放支路。氧气输出主管路中的压力控制阀pcv
o2_2
是一个氧气主管路中的氧气压力控制阀，并由该控制阀上的机械装置来设置氧气侧的输出气体压力的设计值，再由氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
自动控制氢气侧的输出气体的压力。目前，大型质子交换膜电解水制氢系统中的氧气侧压力的设计值一般为30个大气压，有的甚至更高。另外，当压力控制阀pcv
o2_2
的气体流入端的压力大于或等于该阀门压力的设定值的时候，该阀门将自动打开。当其输入端的压力小于其压力设定值的时候，该阀门自动关闭并保持关闭状态。因此控制阀pcv
o2_2
只是导通或关闭，而不控制氧气的流量。氧气侧的止回阀cv
o2_6
和氢气侧的止回阀cv
h2_6
都是用于确保气体单向流动。
42.氧气侧主管路上安装的氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
和氢气侧主管路上安装的氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
一样，都是一种背向阀。背向阀(back pressure valve,或者back pressure regulator)有各种不同的种类和型号。在本发明中所使用的氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
和氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
都是一种外压式背向阀(pressure loaded regulator)，即在其压力控制端c端，施加一种动态变化的压力，来控制该阀门的导通或关断。外压式背向阀的基本结构如图3所示，a端为气体的流入端，b端为气体的流出端，c端为控制该阀门导通或关闭的控制端。
43.在上述图3中，pa表示背向阀气体入口端的压力，pb表示气体出口端的压力，pc表示施加于控制端的外加的压力。理论上，当压力pa≥pc的时候，该阀导通，气体由阀门的a端进入，通过该阀门，从b端的出口流出。当pa《pc的时候，该阀门被自动关闭，没有任何气体流过该阀门。但是实际上,由于背压阀内部结构和机械摩擦阻力等因素的影响，只有当pa》pc的时候，该阀门才能导通，气体由a端流向b端。当该阀门被打开导通的时候，pb≈pc,但是实际上，pc要稍微高于pb。无论该背向阀门处于关闭或打开状态，其压力控制c端和阀门气体入口a端之间没有任何气体相互流通。同样，其压力控制c端和阀门气体出口b端之间在任何情况下也不会有任何气体相互流通。
44.氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
的a端接氧气流入端，b端接氧气流出端，c端通过开关用控制阀cv
h2_3
接到安装在氢气侧的主管路上的氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的出口端b端附近。开关用控制阀cv
h2_3
是一种打开或关闭阀门，不控制或调节气体的流量。当开关用控制阀cv
h2_3
打开、释放用控制阀cv
h2_5
关闭的时候，氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
根据氢气和氧气输出主管路上的压力对比来控制该阀门打开或关闭。释放用控制阀cv
h2_5
是一个很小阀门，只打开或关闭，不用来控制气体流量，并且通过一个较小的止回阀cv
h2_6
以及很细的管路接入氢气排放回路。根据压力控制的逻辑需要，一般情况下释放用控制阀cv
h2_5
处于关闭状态。当开关用控制阀cv
h2_3
关闭的时候，根据控制需要，临时打开释放用控制阀cv
h2_5
，释放氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
的压力控制端c端管路内可能残留的少量的氢气，并将其c端内的压力降低到接近室外大气压，以便使氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
自动打开。然后可根据控制逻辑的需要，关闭释放用控制阀cv
h2_5
。
45.氧气排放支路控制阀cv
o2_4
和氧气排放支路孔板阀cv
o2_7
组成了一个氧气排放支路，并连接到电解水制氢系统中专门用于氧气排放的管路中。在系统启动、关闭、或其它紧急情况下，打开氧气排放支路控制阀cv
o2_4
排放氧气端腔体内的氧气。氧气排放支路控制阀cv
o2_4
只是打开或关闭，不用于调节或控制气体的流量。
46.孔板阀(orifice plate)一般用于限制气体的流量，而且当孔板阀型号和内孔孔径的尺寸根据系统设计需要，选定并安装在系统的管路中之后，就不再变动了。因此本发明中所使用的氧气排放支路孔板阀cv
o2_7
和氢气排放支路孔板阀cv
h2_7
都应该根据本发明的理论计算所确定的氧气和氢气排放速度的要求，严格选择其型号和尺寸。
47.1.2、负极侧(氢气输出侧)的气体压力控制管路
48.图2上半部分的虚线框内的右边为氢气输出部分。和正极侧的氧气压力控制管路相似，即在氢气除雾器出口端附近的氢气输出主管路上安装一个氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
，该阀门和安装在氧气侧的氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
的型号相同，都是外压式背向阀，如图3所示。但是其尺寸大小根据氢气和氧气的主管路的尺寸，可能稍有差异；一个由开关用控制阀cv
h2_3
、释放用控制阀cv
h2_5
、和止回阀cv
h2_6
组成的用于控制安装在氧气主管路上的氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
的气压控制支路，该支路的管径比较细；以及一个由氢气排放支路控制阀cv
h2_4
和氢气排放支路孔板阀cv
h2_7
组成的氢气排放支路。安装在氢气输出主管路中的控制阀cv
h2_2
是一个控制氢气主管路开通或关断的阀门，不控制氢气的流量。
49.氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的a端接氢气流入端，b端接氢气流出端，c端通过开关用控制阀cv
o2_3
接到安装在氧气主管路上的氧气除雾器的气体入口端附近，主要是利用该除雾器本身的气体入口和出口之间较小的压力差，以避免氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
和氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
因各自的a端和其c端的压力同时过于相近而有可能造成这两个控制阀门同时处于关闭、或者介于打开和关闭的不确定状态，进而导致这两个控制阀无法控制的状态。开关用控制阀cv
o2_3
和cv
h2_3
一样，也是一种打开或关闭阀门，不控制或调节气体的流量。当开关用控制阀cv
o2_3
打开、释放用控制阀cv
o2_5
关闭的时候，氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
根据氢气和氧气输出主管路的压力对比来控制该阀门打开或关闭。释放用控制阀cv
o2_5
是一个很小阀门，也是只打开或关闭，不用来控制气体流量，并且通过一个较小的止回阀cv
o2_6
以及很细的管路接入氧气排放回路。根据压力控制的逻辑需要，一般情况下释放用控制阀cv
o2_5
处于关闭状态。当开关用控制阀cv
o2_3
关闭的时候，根据控制需要，临时打开释放用控制阀cv
o2_5
，释放氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的压力控制端c端管路内可能残留的少量的氧气，并将其c端内的压力降低到接近室外大气压，以便使氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
自动打开。然后可根据控制逻辑的需要，关闭释放用控制阀cv
o2_5
。
50.氢气排放支路控制阀cv
h2_4
和氢气排放支路孔板阀cv
h2_7
组成了一个氢气排放支路，并连接到电解水制氢系统中专门用于氢气排放的管路中。在系统启动、关闭、或其它紧急情况下，打开氢气排放支路控制阀cv
h2_4
排放氢气侧腔体内的氢气。氢气排放支路控制阀cv
h2_4
也只是打开或关闭，不用于调节或控制气体的流量。
51.氢气排放支路孔板阀cv
h2_7
和氧气排放支路孔板阀cv
o2_7
一样，是永久性地安装在气体排放支管路上，因此应该根据本发明的理论计算所确定的氧气和氢气排放速度的要求，严格选择其型号和尺寸。
52.二、本发明设计原理及理论计算如下
53.电解槽电堆和燃料电池电堆结构相似，整个电堆是由很多单体(cell)串联在一起组成。每个单体都是由正极、负极、以及正负极之间的电解质所组成。质子交换膜电堆的单体的基本结构示意图如图4所示。其中电解质(即质子交换膜)将正负极隔开，因此也把正极腔体内所产生的氧气和负极腔体内所产生的氢气隔开。一般来说，电堆正负极之间的质子交换膜都非常薄，因此所能承受的左右两边的压力差是有限的。
54.在质子交换膜电解水制氢系统中，电解水一般是从电堆的正极(anode)输入。当直流电通入电堆的时候，电解水在电极表面上的催化剂作用下，分解成氧气和氢离子，其化学反应方程式如公式(1)所示。正极腔体内所产生的氧气和剩余的电解水由正极腔的出口处输出。而在正极上分离出来的氢离子，则穿过正负极之间的质子交换膜，直接到达负极(cathode)，并和直流电中的电子在负极表面的催化剂作用下，结合成氢分子，并由负极腔的出口处输出。负极端上的化学反应方程式如公式(2)所示。整个电解水过程的化学反应方程式如公式(3)所示。
[0055][0056][0057][0058]
从电解槽电堆里输出的氢气和氧气都含有一定量的水分，因此需要经过除雾或干燥等过程，除去其中的水分。
[0059]
在上述化学反应的基础上，根据法拉第定律，在负极端单位时间(秒)所产生的氢气流量由公式(4)算出：
[0060][0061]
而在正极端单位时间(秒)产生的氧气流量由公式(5)算出：
[0062][0063]
在电解水过程中，单位时间(秒)参加化学反应所需要的电解水的量由公式(6)算出：
[0064][0065]
上述公式(4)、(5)、和(6)中：
[0066]sh2
是单位时间所产生的氢气量，单位为摩尔(mol)；
[0067]so2
是单位时间所产生的氧气量，单位为摩尔(mol)；
[0068]sh2o
是单位时间所需要的电解水的量，单位为摩尔(mol)；
[0069]
n是电堆中所串联的单体(cell)总数；
[0070]ics
是每个单体(cell)所通的直流电流，单位为安培(a)；
[0071]
f是法拉第常数(faraday constant)，等于9.6485x104，单位为库伦/摩尔(c/mol)；
[0072]
ηf是法拉第效率，主要由电堆内部从正极渗透到负极的氧气或者从负极渗透到正极的氢气所引起的内部等效电流损耗所决定，一般在99％以上。
[0073]
对比公式(4)和(5)发现，电堆在电解水制氢过程中，单位时间内所产生的氢气的
量理论上是所产生的氧气量的2倍。因此在系统设计的时候，必须考虑这一因素，以均衡电堆正负极之间的气体产生的量的不同而引起腔体内的压力差的变化。
[0074]
随着电堆的正负电极腔体内由电解水过程中的化学反应所产生的氢气和氧气的量的不断增加，其腔体内的压力也在不断增加。由于氢气和氧气接近理想气体，因此由理想气体定律得到：
[0075]
pv＝sgrt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0076]
公式(7)中：
[0077]
p是气体压力，单位为千帕(kpa)；
[0078]
v是气体的体积，单位为升(l)；
[0079]
sg所产生气体的量，单位为摩尔(mol)；
[0080]
r是理想气体常数,8.314单位为千帕
·
升
·
每摩尔
·
每开尔文(kpa.l.mol-1
.k-1
)；
[0081]
t是气体温度，单位为开尔文(k)；
[0082]
将公式(7)稍微整理，即可算出腔体内的气体压力：
[0083][0084]
上述各个公式中使用的是标准计量单位，也可以根据需要转换成其它相应的计量单位。
[0085]
下面根据有关理论，推导出适用于本发明所需要的相应的各个理论计算公式，并展开设计理论的具体说明和解释。
[0086]
2.1、电堆正极侧的氧气压力计算
[0087]
本发明的管路系统的基本结构如图2所示。对于任何一台电解水制氢系统的设备来说，其电解槽电堆以及相应的容器和管路等部件一旦选定，其系统的氢气侧和氧气侧的容器和管路等内部腔体的总容积也都被确定下来。图2上方左半部分所示的制氢系统中所有的充满氧气的容器和管路内腔的总体积，用v
o2
来表示，即从电堆正极出口开始、氧气和水分离器的上方充满气体部分、氧气除雾器、以及到氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
输入端为止的氧气主管路等所组成的充满氧气的所有腔体内部的总体积。v
o2
一般来说不包括电堆正极内部的腔体，因为电堆一旦开始运行之后，整个正负极内部的腔体都会始终充满着电解水，而不是气体。
[0088]
当制氢系统启动时，正极端所产生的氧气的量由公式(5)算出，并将公式(5)带入公式(8)并整理后得到：
[0089][0090]
公式(9)中的p
o2
是制氢系统内充满氧气腔体内的压力，实际上也是电堆正极腔体内的压力。电解水制氢系统启动过程中，在氧气侧压力没有升上到系统的压力设定值之前，通常p
o2
不是常量，而是随着正极端所产生的氧气的量的变化而变化的腔体内压力的一个变化量。也就是说，在电堆的正极腔内，只要有外加直流电流，电解水的化学反应就会持续发生，那么氧气的量就不断地增加。因此，正极腔体内的压力也就随着增加。相反，当系统关闭、正极腔体内的氧气向外排放而减少的时候，其压力也会随之降低。当系统在正常运行时，电堆正极侧所产生的氧气量和向外输出的氧气量相等，因此p
o2
值一般来说保持相对稳
定。
[0091]
公式(9)同时也展示出温度t对气体压力的影响。但是由于电堆在正常运行时的温度相对稳定，电堆的正负极之间的温度差也比较小，可以近似为相同的温度，而且电堆内部温度以同样的方式同时影响着电堆的正负极腔体内的压力。因此在考虑正负极之间的压力差变化的时候，可以暂时忽略温度变化对压力差所造成的影响。
[0092]
为了简化公式(9)，令：
[0093][0094]
公式(10)中除了温度(t)之外，其它所有的量对于已经设计好的电解水系统来说都可以被当作常量。因此可以把公式(10)近似成一个系数。将公式(10)带入公式(9)，得到：
[0095]
p
o2
＝λ
o2ics
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0096]
上述公式(11)更加清楚地展示了正极端腔体内的氧气的压力的变化速度和通入的直流电流成正比例关系。
[0097]
2.2、电堆负极侧的氢气压力计算
[0098]
同样如图2所示，上方的右半部分所示的制氢系统中所有充满氢气的容器和管路内腔的总体积，用v
h2
来表示，即从电堆负极出口开始、氢气和水分离器的上方充满气体部分、热交换器、氢气除雾器、以及到氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
输入端为止的氢气主管路等所组成的充满氢气的所有的腔体内的总体积。v
h2
一般来说也不包括电堆负极内的腔体，因为制氢系统一旦开始运行之后，整个电堆的正负极内部的腔体都会始终充满着电解水，而不是气体。
[0099]
当制氢系统开启动时，电堆的负极所产生的氢气的量由公式(4)算出，并将公式(4)带入公式(8)并整理后得到：
[0100][0101]
公式(12)中的p
h2
是制氢系统中充满氢气的腔体内的压力，实际上也是电堆负极腔体内的压力。电解水制氢系统启动过程中，在氢气侧压力没有升上到系统的压力设定值之前，p
h2
和p
o2
一样，通常也不是一个常量，而是随着负极端所产生的氢气的量的变化而变化的腔体内压力的一个变化量。也就说，在电堆的负极腔内，只要有外加直流电流，电解水的化学反应就会持续发生，那么氢气的量就不断地增加。因此，负极腔体内的压力也就随着增加。相反，当系统关闭、负极腔体内的氢气向外排放而减少的时候，其压力也会随之降低。当系统在正常运行时，电堆负极侧所产生的氢气量和向外输出的氢气量相等，因此p
h2
值一般来说保持相对稳定。
[0102]
为了简化公式(12)，令：
[0103][0104]
公式(13)中除了温度(t)之外，其它所有的量对于已经设计好的电解水系统来说都可以被当作常量。因此可以把公式(13)近似成一个系数。将公式(13)带入公式(12)，得到：
[0105]
p
h2
＝λ
h2ics
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0106]
上述公式(14)更加清楚地展示负极端腔体内的氢气的压力的变化和通入的直流
电流成正比例关系。
[0107]
2.3、电堆正极侧氧气排放时的压力变化计算
[0108]
一般来说，当制氢系统关闭的时候，首选根据安全操作步骤关闭直流电源的供给，并关闭氢气侧的控制阀cv
h2_2
，以防止高压氢气回流。与此同时，打开气体排放管路中的氧气排放支路控制阀cv
o2_4
和氢气排放支路控制阀cv
h2_4
，排放系统的腔体内剩余的氢气和氧气。这样，氢气和氧气两侧的压力也随之下降。当氧气侧的压力下降至控制阀pcv
o2_2
所设定的氧气压力的设定值以下的时候，控制阀pcv
o2_2
将自动关闭。另一方面，当制氢系统在启动刚开始的时候，气体腔体的压力随着氢气和氧气的量的增加而增加，但是氧气腔体内的气体压力在没有达到控制阀pcv
o2_2
所设定的氧气压力的设定值之前，控制阀pcv
o2_2
也会始终处于关闭状态。这样，制氢系统无论是启动或关闭的时候，如果打开释放用控制阀cv
h2_5
和氧气排放支路控制阀cv
o2_4
，同时关闭开关用控制阀cv
h2_3
，使得氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
处于开通状态，那么氧气将通过氧气排放支路控制阀cv
o2_4
和氧气排放支路孔板阀cv
o2_7
向外排放。氧气排放支路孔板阀cv
o2_7
将限制氧气的最大排放流量，并用s
o2_rel
来表示氧气的最大排放流量。可以通过选择适当的孔板阀的尺寸，使得s
o2_rel
和在电堆单体的额定电流i
cs_r
时的氧气产生量s
o2_gen_r
成一定比例，即：
[0109]so2_rel
＝β
o2so2_gen_r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0110]
公式(15)中的β
o2
是一个系数，表示通过氧气排放管路(cv
o2_4
和cv
02_7
)排放到空气中的氧气的量和在额定直流电流下正极所产生的氧气的量的比例关系。β
o2
的取值范围应该为0《β
o2
《1，但是一般都比较小，也就是说通过氧气排放管路向空气中排放氧气的排放速度要小于在正极端氧气的产生速度。这样可以保证在电解水系统启动过程中，即便氧气排放支路排放阀cv
o2_4
打开，向空气中排放氧气，那么氧气侧的腔体内的压力仍然不断上升。只不过此时的氧气压力的上升速度因氧气排放支路控制阀cv
o2_4
的打开排放氧气而有所下降。另外，氧气单位时间的排放量s
o2_rel
主要由氧气排放支路孔板阀cv
o2_7
的大小来决定。公式(15)中的电堆正极端的额定的氧气产生量s
o2_gen_r
是在电堆单体的额定直流电流i
cs_r
的情况下，由公式(5)算出。
[0111]
为了计算方便，对于任意的直流电流的情况下，导入一个变量α系数：
[0112]ics
＝αi
cs_r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0113]
公式(16)中，i
cs
是任意时刻的电堆单体的直流电流，i
cs_r
是电堆单体的额定直流电流，其值可以根据电解水制氢系统设计容量等因素确定。α值的选定主要是考虑制氢系统在启动时，选择适当的直流电流，以便控制正负极两侧的气体的产生量和气体压力的相对变化速度，使得氢气和氧气的腔体内的压力相对平衡地上升至压力设定值。
[0114]
当氧气排放支路控制阀cv
o2_4
打开向空气中排放氧气的时候,氧气侧腔体内的氧气量的变化：
[0115]
δs
o2
＝s
o2_gen-s
o2_rel
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0116]
公式(17)中，s
o2_gen
是单位时间内电堆正极侧氧气产生的量，可由公式(5)算出。s
o2_rel
是单位时间内通过氧气排放支路控制阀cv
o2_4
和氧气排放支路板孔阀cv
o2_7
向空气中释放的氧气的量，主要由气排放支路板孔阀cv
o2_7
的排放孔径的大小决定。δs
o2
是当向外排放氧气的时候，单位时间内氧气侧腔体内氧气量的变化。
[0117]
将公式(5)、(15)、和(16)代入公式(17)后，整理得到：
[0118][0119]
将公式(18)代入公式(8)，整理后便得到当氧气排放支路控制阀cv
o2_4
打开并且向空气中排放氧气的时候，正极腔体内的氧气压力的变化δp
o2
：
[0120][0121]
公式(19)中的系数μ为：
[0122][0123]
2.4、电堆负极侧氢气排放时的压力变化计算
[0124]
同理，当制氢系统在启动或关闭的时候,如果氢气侧的气体压力在达到制氢系统所设定的压力之前，控制阀cv
h2_2
将处于关闭状态。如果打开释放用控制阀cv
o2_5
和氢气排放支路控制阀cv
h2_4
，同时关闭开关用控制阀cv
o2_3
，使得氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
处于开通状态，氢气将通过氢气排放支路控制阀cv
h2_4
和氢气排放支路孔板阀cv
h2_7
向外排放。氢气排放支路孔板阀cv
h2_7
将限制氢气的最大排放流量，并用s
h2_rel
来表示氢气的最大排放流量。可以通过选择适当的孔板阀的尺寸，使得s
h2_rel
和在电堆单体的额定电流i
cs_r
时的氢气产生量s
h2_gen_r
成一定比例，即：
[0125]sh2_rel
＝β
h2sh2_gen_r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0126]
公式(21)中的β
h2
是一个系数，表示通过氢气排放管路(cv
h2_4
和cv
h2_7
)排放到空气中的氢气量和在额定直流电流下负极所产生的氢气量的比例关系。β
h2
的取值范围是0《β
h2
《1，但是一般都比较小。为了减少控制变量，简化控制过程，可以选择：
[0127]
β
h2
＝β
o2
＝βrꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0128]
公式(22)中的βr的取值一般比较小，和正极端氧气的量的变化相似。也就是说通过氢气排放管路向空气中排放氢气的排放速度要小于在负极氢气的产生速度，这样可以保证在电解水系统启动过程中，即便氢气端的氢气排放支路控制阀cv
h2_4
打开，向空气中排放氢气，那么氢气侧的腔体内的压力仍然不断上升，只不过此时的氢气压力的上升速度因氢气排放支路控制阀cv
h2_4
的打开排放氢气而有所下降。另外，氢气单位时间的排放量s
h2_rel
主要由氢气排放支路孔板阀cv
h2_7
的大小来决定。公式(21)中的电堆负极端在电堆单体的额定直流电流i
cs_r
的情况下所产生的氢气量s
h2_gen_r
，可由公式(4)算出。
[0129]
当氢气排放支路控制阀cv
h2_4
打开向空气中排放氢气的时候,氢气侧腔体内的氢气量的变化：
[0130]
δs
h2
＝s
h2_gen-s
h2_rel
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0131]
公式(23)中，s
h2_gen
是单位时间内电堆负极侧氢气产生的量，可由公式(4)算出。s
h2_rel
是单位时间内通过氢气排放支路控制阀cv
h2_4
和氢气排放支路板孔阀cv
h2_7
向空气中释放的氢气量，主要由气排放支路板孔阀cv
h2_7
的排放孔径的大小决定。δs
h2
是当向外排放氢气的时候，单位时间内氢气侧腔体内氢气量的变化。
[0132]
将公式(4)、(16)、和(21)代入公式(23)，得到：
[0133][0134]
再将公式(24)代入公式(8)，并结合公式(20)和(22)整理得到当氢气排放支路控制阀cv
h2_4
打开并且向空气中排放氢气的时候，负极腔体内的氢气压力的变化δp
h2
：
[0135][0136]
将公式(22)带入公式(19)，便得到：
[0137][0138]
再将公式(16)和(20)分别带入公式(9)和(12)并整理后，得到：
[0139][0140][0141]
上述推导所得到的公式(27)和(28)是氧气和氢气腔体内的气体压力的瞬时值，实际上也是电堆的正负极腔体内的压力的瞬时值，并且随着腔体内的气体的量的变化而变化。因此，公式(25)、(26)、(27)和(28)其实都是表示整个电解水制氢的各个不同的过程中的氢气和氧气腔体内部的氢气和氧气的压力以及压力变化的快慢。
[0142]
通过比较由上述公式(25)、(26)、(27)、以及(28)所表示的氢气和氧气的压力以及压力变化的快慢，来设计和控制电堆正负极之间的压力差最小化自动控制系统。因此，在设计电解水制氢系统的时候，需要优化上述各个公式中的设计参数μ、α、βr、i
cs_r
，以满足以下三个公式所表示的本发明所建议的制氢系统的设计条件，进而可以控制电堆正负极之间的压力以及压力变化的相对快慢。
[0143]
δp
h2
＜p
o2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)
[0144]
δp
o2
＜p
h2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(30)
[0145]
|p
h2-p
o2
|＜δp
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(31)
[0146]
上述公式(29)表示在制氢系统的启动过程中，当氢气侧的氢气排放支路控制阀cv
h2_4
打开向空中排放氢气的时候，氢气侧内的氢气压力上升的速度要比氧气侧在氧气排放支路控制阀cv
o2_4
关闭时的氧气压力上升的速度慢。同理，公式(30)表示在制氢系统的启动过程中，当氧气侧的氧气排放支路控制阀cv
o2_4
打开向空中排放氧气的时候，氧气侧内的氧气压力上升的速度要比氢气侧在氢气排放支路控制阀cv
h2_4
关闭时的氢气压力上升的速度慢。公式(29)和(30)中的值的差不宜过大，以确保氢气和氧气两侧的压力在升压或降压的过程中都相对平稳和均衡，因而使得电堆正负极之间的压力差的变化也始终相对较小。
[0147]
上述公式(31)中的δp
max
是电堆正负极之间的压力差的最大允许设计值，也就是氢气和氧气两侧的压力差的最大允许设计值。另外，电堆正负极之间的质子交换膜两侧的最大压力差的实际允许值主要是由其材料特性和结构设计所决定的，一般来说应该稍大于其最大允许设计值(δp
max
)。因此，在电解水制氢系统的启动、运行、以及关闭的整个过程，都必须确保氧气和氢气两侧的压力差始终在最大允许设计值(δp
max
)之内。
[0148]
将公式(25)和(27)代入公式(29)之后并整理得：
[0149][0150]
将公式(26)和(28)代入公式(30)，整理后得：
[0151][0152]
在上述公式(33)中，已经考虑到氧气端的腔体总体积一般来说要比氢气端的腔体
总体积大，即：
[0153]vh2-2v
o2
＜0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(34)
[0154]
α是一个由公式(16)所表示的瞬时电流值和额定电流值的比例系数，总是正数。因此公式(33)总是成立的。上述各相关公式中的v
o2
为氧气侧气体腔体内总体积，v
h2
为氢气侧气体腔体内的总体积，它们的值可根据电解水系统的容量设计来决定。但是v
o2
和v
h2
的值也应该选择适当的相对比例关系，使得公式(29)、(30)、以及(32)能够成立。当相关设计参数的选择能满足公式(29)、(30)、以及(32)的时候，便可达到电堆正负极之间的压力差的最小化自动控制。
[0155]
需要注意的是，上述公式中所表述的各个压力都是制氢系统中氢气和氧气侧腔体内的压力的瞬时值。由于系统在启动或关闭的过程中，氢气和氧气的量一般来说都是在不断地变化，因此这些压力值实际上也反映了氢气和氧气侧腔体内压力变化的快慢。另外，电堆的温度在系统启动或关闭的过程中也是变化的，但是温度的变化对电堆的正负极两边的气体的压力变化有着同样的影响。因此，在考虑电堆正负极之间压力差的变化时，可以忽略或暂不考虑其温度变化所造成的影响。
[0156]
三、本发明控制系统的控制逻辑说明
[0157]
整个电解水制氢系统的运作包括启动、关停、以及其它所有的紧急措施等，都是通过系统中的安全控制子系统来实施。而本发明的逻辑控制部分，只需要在通常的电解水制氢的控制系统中，加入相应的阀门控制输出信号和相应的控制逻辑，并由相应的控制逻辑实施控制。具体说明如下。
[0158]
3.1、氮吹过程中的控制逻辑
[0159]
一般来说，电解水制氢系统在开始启动之前，或者关闭系统并且使得系统内的气体压力下降到接近室外大气压之后，为了安全起见，需要用惰性气体氮气来清理系统里残留的氢气。即从电堆的氢气出口附近的液面之上的氮气输入支路开始输入氮气，清理包括电堆负极气体出口管路、气体分离器、热交换器、除雾器、以及到控制阀cv
h2_2
的输入端为止的整个氢气侧腔体内所残留的氢气，并将其残留的氢气和输入的氮气通过氢气排放支路一起排放到室外空气中。这个过程有时被简称为“氮吹”。
[0160]
如图2所示，在对氢气侧的腔体内进行氮吹的时候，由于制氢系统已经停止了运行，此时的氢气侧的控制阀门cv
h2_2
应该处于关闭状态，以阻止氢气从高压储气罐中回流。打开氢气排放支路控制阀cv
h2_4
，这时开关用控制阀cv
h2_3
和cv
o2_3
都处于关闭状态，而释放用控制阀cv
o2_5
和cv
h2_5
则都处于打开状态，使得氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的压力控制端c端的压力和氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
的压力控制端c端的压力都接近于室外的大气压，而用于氮吹的氮气压力一般大约在2个大气压左右。也就是说氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的气体流入端a端的氮气压力要高于氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的控制端c端的压力。因此，氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
将处于导通状态，从而使得从电堆氢气输出口附近输入的氮气，通过氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
、氢气排放支路控制阀cv
h2_4
、以及氢气排放支路孔板阀cv
h2_7
，把残留在氢气腔体内部的氢气通过氢气排放管路，不断地吹到室外的空气中，直到氮吹过程结束。
[0161]
氮吹过程的时间长短，一般由系统设计要求决定。当氮吹过程结束后，关断氮气供应阀门，并根据系统安全启动步骤的要求，开始启动制氢系统。或者根据相关安全步骤，关
闭整个电解水制氢系统。
[0162]
3.2、电解水制氢系统启动时正负极之间压力差最小化自动控制逻辑
[0163]
当电解水制氢系统刚启动的时候，由于电堆正负极两侧的压力相对较低，控制阀pcv
o2_2
和cv
h2_2
都处于关闭状态。按照正常启动步骤接通直流电源后，电堆的负极和正极分别开始产生氢气和氧气。刚开始的时候，关闭氧气侧开关用控制阀cv
o2_3
和氢气侧的开关用控制阀cv
h2_3
，同时打开氧气侧的氧气排放支路控制阀cv
o2_4
和释放用控制阀cv
o2_5
、以及氢气侧的氢气排放支路控制阀cv
h2_4
和释放用控制阀cv
h2_5
，以确保氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
和氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
的压力控制端c端的压力都因两侧相应的释放用控制阀cv
o2_5
和cv
h2_5
的打开而接近室外的大气压。这样，当正极侧的氧气压力和负极侧的氢气压力随着氧气和氢气的产生的量在各自的气体腔体内的不断增加而增加到大于室外大气压之后，氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
和氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
都将被自动打开。因此，负极侧所产生的氢气将通过氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
、氢气排放支路控制阀cv
h2_4
，以及氢气排放支路孔板阀cv
h2_7
，释放到室外的空气中。同样，正极侧所产生的氧气也将通过氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
、氧气排放支路控制阀cv
o2_4
、以及氧气排放支路孔板阀cv
o2_7
，释放到室外的空气中，以保持电堆正负极之间的压力差相对平衡。氢气侧主要是利用产生的氢气把由于氮吹过程残留在氢气腔体内的氮气和其它杂质气体通过氢气排放支路控制阀cv
h2_4
和氢气排放支路孔板阀cv
h2_7
排放到空气中，以确保氢气的纯度。此时正极侧所产生的氧气的排放仅仅是为了避免负极和正极两侧所产生的氢气和氧气的量的不同而造成的压力差过大，同时也简化控制程序。上述氢气和氧气的排放过程时间比较短，主要由制氢系统的容量以及相关的设计要求决定，并在控制系统中预置上述的气体排放时间，一般为数十秒到几分钟左右。不过，有的时候，上述这种系统腔体内气体杂质清理的初始排放过程可以省略。
[0164]
当电解水制氢系统在刚开始启动的时候、电堆正负极两侧的气体腔体内需要一个相对平稳的升压过程。即由控制系统发出控制指令，关闭氧气侧的释放用控制阀cv
o2_5
和氢气侧的释放用控制阀cv
h2_5
，同时打开开关用控制阀cv
o2_3
和cv
h2_3
，此时氧气侧的气体通过开关用控制阀cv
o2_3
到达氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的控制端c端。同样，氢气腔体的气体通过开关用控制阀cv
h2_3
到达氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
的控制端c端。而此时的氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
和氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
刚开始的时候由于各自的控制端c端和气体入口端a端的压力比较接近，都有可能处于临时的介于打开或关闭这种不确定状态。然而，此时的氧气排放支路控制阀cv
o2_4
和氢气排放支路控制阀cv
h2_4
虽然处于打开状态，但是在制氢系统启动的时候，根据上述的有关理论计算公式，选择适当的启动直流电路以及适当的氢气排放支路孔板阀cv
h2_7
和氧气排放支路孔板阀cv
o2_7
的尺寸，使得即使氢气排放支路控制阀cv
h2_4
和氧气排放支路控制阀cv
o2_4
在启动开始的时候处于打开状态，电堆正负极所产生的氧气和氢气的量都要大于通过这两个相应的控制阀门所释放的氢气和氧气的量。因此，氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
和氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
无论此时处于关闭或打开的状态，整个氢气侧的腔体内由于氢气量的不断增加，其压力也在不断增加。同样，氧气侧的腔体内的压力也由于氧气量的不断增加而增加。另一方面，由于氢气侧和氧气侧的各自腔体内部总体不相同，氢气和氧气产生的量也不相同，这将导致氢气侧和氧气侧的压力增长速度不可能完全一样。因此将会很快在氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
和氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
各自的气体入口端a端与其压力控制端c端之间形成了压力差，从而打破了氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
和氧
气侧背向控制阀pcv
o2_1
刚开始的时候由于各自的控制端c端和气体入口端a端的压力比较接近而可能处于临时的不确定状态。
[0165]
对比公式(4)和(5)得知，当电堆通以相同的直流电流时，单位时间内所产生的氢气的量是氧气的生成量的2倍。另外，氢气侧的气体腔体的总容积一般来说要比氧气侧的气体腔体的总容积要相对小些。因此，通过对比公式(27)和(28)可以得出结论，负极侧的氢气压力的上升速度要快于正极侧的氧气压力的上升速度。当负极侧的气体压力持续上升并首先超过正极侧的气体压力时，氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
因其气体入口端a端的压力高于其压力控制端c端的压力而自动打开，氢气将通过处于打开状态的氢气排放支路控制阀cv
h2_4
和氢气排放支路板空阀cv
h2_7
向空中释放。此时，由于负极侧的压力大于正极侧的压力，导致氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
自动关闭。根据公式(29)，当氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
和氢气排放支路控制阀cv
h2_4
都打开并向外释放氢气、而氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
处于关闭状态的时候，负极侧的压力增长速度就要小于正极侧的压力增长速度。因此，正极侧的压力以相对较快的速度逐渐增长，并将超过负极侧的压力。当正极侧的氧气压力超过负极侧的氢气压力之后，氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
将自动关闭，停止氢气排放。而氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
将自动打开，并通过氧气排放支路控制阀cv
o2_4
向外排放压力稍高的氧气侧内的氧气。但是根据公式(30)，当氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
关闭、而氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
打开并向外排放氧气的时候，负极侧的氢气压力增长速度要大于正极侧的氧气压力增长速度。因此，负极侧的压力以较快的速度增长，并将再次超过正极侧的氧气压力。当负极侧的压力超过正极侧的压力之后，氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
将再次自动关闭，停止氧气排放。而氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
又被再次自动打开，并通过氢气排放支路控制阀cv
h2_4
和氢气排放支路板空阀cv
h2_7
向外排放此时压力稍高的负极侧的氢气。在氢气释放过程中，正极侧的氧气压力增长速度又变得快于负极侧的氢气压力增长速度。当正极侧的压力超过负极侧的压力的时候，氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
又被再次自动打开，并向外排放此时压力变得稍高的正极侧内的氧气。此时，氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
又被再次自动关闭，停止氢气排放。这样，通过氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
和氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
反复轮流自动打开和关闭，一方面及时向外排放气体压力增长较快一侧的气体，适当降低该侧的气体压力的上升速度，另一方面暂时停止气体压力相对较低一侧的气体排放，以达到电堆正负极之间的气体压力变化均衡。因此，氢气和氧气的压力随着氢气和氧气产生的量的增加而不断地增长，但是负极侧和正极侧的压力及其变化范围始终相互接近。上述过程反复自动进行，直到正极侧的氧气压力达到预先由控制阀pcv
o2_2
设置的设定值之后，控制阀pcv
o2_2
被自动打开。这时候，氢气侧的压力也很快达到并稍微超过氧气侧的这个压力设定值。这样，整个启动升压过程结束，并由控制系统发出控制指令，打开氢气侧控制阀cv
h2_2
，同时关闭氢气排放支路控制阀cv
h2_4
和氧气排放支路控制阀cv
o2_4
，整个电解水制氢系统将被自动切换为正常的运行状态。
[0166]
实际上在整个电解水制氢系统的启动过程中，电堆正负极之间的动态压差主要是由氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
和氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
各自的气体输入端a端和其控制端c端之间的压差所控制。因此，电堆正负极之间的最大压差接近于该背向控制阀的a端和c端之间的实际压差，一般大约在1至2个大气压之内。
[0167]
3.3、电解水制氢系统关闭时正负极之间压力差最小化自动控制逻辑
[0168]
当电解水制氢系统正常或紧急关闭的时候，根据相关安全关闭程序所规定的各个
步骤，一般由其控制系统发出关闭指令，关闭整个系统。下面具体说明制氢系统正常或紧急关闭时与本发明有关的电堆正负极之间的压力差最小化自动控制逻辑。
[0169]
一般来说，首先关闭电解水用的直流电源，同时关闭氢气输出的控制阀门cv
h2_2
，并打开氢气排放管路的氢气排放支路控制阀cv
h2_4
，开始向室外排放氢气管路腔体内残存的氢气。与此同时，打开氧气排放支路控制阀cv
o2_4
，开始向室外排放氧气管路腔体内残存的氧气。这时候需要打开开关用控制阀cv
h2_3
，并同时关闭释放用控制阀cv
h2_5
，使得氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
的控制端c端受到氢气侧管路内的残存的氢气的压力控制。
[0170]
当直流电源刚被关断的时候，电堆的正负极可能还有一定的残余电压，电解水过程可能还会持续很短时间的。但是，一般来说直流电源的输出端都有放电回路，并在很短的时候内将与之相连接的电堆正负极上的残存电压完全放电。因此可以忽略关闭直流电源之后，电堆正负极之间的残存电压所引起的电堆内部电解水所产生的氢气和氧气的量对气体排放的影响。
[0171]
当氢气排放支路控制阀cv
h2_4
和氧气排放支路控制阀cv
o2_4
刚被打开，分别开始向外排放残留的氢气和氧气的时候，由于此时的负极侧的氢气压力p
h2
稍微高于正极侧的氧气压力p
o2
，氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
依然处于打开状态。因此，负极侧的残留氢气通过氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
、氢气排放支路控制阀cv
h2_4
和氢气排放支路板孔阀cv
h2_7
首先向外排放。此时，由于开关用控制阀cv
h2_3
被打开，氧气侧背向控制阀pcv
o_1
的压力控制端c端的压力变得高于其气体入口端a端的压力而处于关闭状态。这样，负极侧残留的氢气压力随着氢气排放而逐渐降低。由于此时的开关用控制阀cv
o2_3
也处于打开状态，当负极侧的气体压力降到和正极侧的气体压力非常接近的时候，即氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的气体入口端a端的压力下降到非常接近该阀门的压力控制端c端的压力的时候，氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
将自动关闭，停止向外排放负极侧的残留的氢气。由于氢气排放支路控制阀cv
h2_4
在整个系统关闭过程中一直处于打开的状态，当氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
自动关闭的时候，该阀门的气体出口端b端所连接的管道内的气体压力也很快下降到接近室外大气压。而此时的开关用控制阀cv
h2_3
处于打开状态，但是释放用控制阀cv
h2_5
处于关闭状态。因此，氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
的控制端c端的压力也将通过打开的开关用控制阀cv
h2_3
，降低到和氢气排放管路内的压力相等，即接近室外的一个大气压。这样，氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
的a端的压力将由于氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的自动关闭，立即变得高于氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
自身的压力控制端c端。因此，氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
就会自动打开，使得正极侧的残存的氧气通过氧气排放支路控制阀cv
o2_4
和氧气排放支路孔板阀pcv
o2_7
向室外排放。
[0172]
随着正极侧残存的氧气因氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
的自动打开而向室外排放，其压力也在逐渐下降。当正极侧的气体压力下降到低于负极侧残留的氢气压力的时候，氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的压力控制端c端的压力也随之变得低于该阀门的气体输入端a的压力。因此，氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
将会自动打开。这样，负极侧将再次通过氢气排放支路控制阀cv
h2_4
继续向室外排放残存的氢气。
[0173]
当氢气侧背向控制阀pcv
h2-1
再次自动打开的时候，由于氢气排放支路孔板阀cv
h2_7
的气孔的设计尺寸的限制，氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的气体流出端b端所连接的管路内的气体压力迅速上升至接近该阀门自身的气体入口端a端的压力，进而造成氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
的压力控制端c端的压力变得高于该阀门自身的气体入口端a端的压力，使得氧气
侧背向控制阀pcv
o2_1
又自动关闭，停止正极侧的氧气向外排放。即暂时停止此时压力相对较低的正极侧的气体释放，避免该侧压力进一步下降。而此时压力相对较高的负极侧继续通过氢气排放支路控制阀cv
h2_4
和氢气排放支路板孔阀cv
h2_7
向外排放氢气。
[0174]
由于氧气侧的除雾器的气体流入端和气体流出端存在着较小的压力差，从而避免了氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
和氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
因各自的气体入口端a端和其自身的压力控制端c端的压力过于相近而同时造成介于打开或关闭这种不确定状态，进而避免了这两个背向控制阀无法自动打开或关闭等失控状态。
[0175]
上述的过程反复自动进行，即氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
和氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
反复轮流自动关闭和导通，使得气体压力相对低的一侧的气体排放暂时停止，而让气体压力稍高的一侧的气体继续向外排放。这样，在制氢系统关闭时需要排放系统内部残存气体的过程中，正极侧和负极侧的气体压力的降低速度相互自动制约，以达到电堆正负极之间的气体压力变化的均衡。当电堆正负极两侧的压力都下降到接近室外大气压时，系统内部残存的氢气和氧气的排放过程将自然结束。因此，本发明保证了在整个电解水制氢系统关闭过程中，电堆正负极之间的压力差的变化总是在允许范围内。
[0176]
实际上在整个电解水制氢系统的关闭过程中，类似于系统的启动过程，电堆正负极之间的动态压差主要是由氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
和氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
的各自的气体输入端a端和其控制端c端之间的压差所控制。因此，电堆正负极之间的最大压差接近于背向控制阀的a端和c端之间的实际压差，一般大约在1至2个大气压之内。
[0177]
3.4、电解水制氢系统正常运行时正负极之间压力差最小化自动控制逻辑
[0178]
当电解水系统进入正常运行的时候，氧气侧的控制阀pcv
o2_2
处于打开状态。氧气排放支路控制阀cv
o2_4
和释放用控制阀cv
o2_5
都处于关闭状态，而开关用控制阀cv
o2_3
则处于打开状态。因此，氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的控制端c端通过开关用控制阀cv
o2_3
和氧气侧管路连通，并受氧气侧的氧气的压力控制。
[0179]
在制氢系统正常运行的时候，氢气侧的控制阀cv
h2_2
处于打开状态，而氢气侧的开关用控制阀cv
h2_3
和氢气排放支路控制阀cv
h2_4
始终都处于关闭状态。释放用控制阀cv
h2_5
在系统正常运行的整个过程中始终保持打开状态，使其两端的气体压力都接近室外大气压。这样，氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
的压力控制端c端压力也始终保持接近室外大气压。而氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
的气体输入端a端的压力，即系统正常运行时氧气侧的压力，将始终远远高于该阀门自身的压力控制端c端的压力。因此，氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
一直保持开通状态。也就是说，在系统正常运行的时候，氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
不受任何压力控制，始终保持打开状态。这样使得电堆产生的氧气经除雾器、氧气侧背向控制阀pcv
o2_1
和氧气侧的控制阀pcv
o2_2
之后，不断地输送到制氢系统之外的氧气存储设备，或者直接释放到空中。
[0180]
在氧气侧，氧气排放支路控制阀cv
o2_4
和释放用控制阀cv
o2_5
始终保持关闭状态，而开关用控制阀cv
o2_3
则始终保持打开状态。这样，正极侧的气体压力通过开关用控制阀cv
o2_3
到达氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的压力控制端c端。因此，在制氢系统正常运行的时候，负极侧的气体压力将一直由氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
控制。
[0181]
实际上，在整个电解水制氢系统的正常运行过程中，电堆正负极之间的压力差主要有氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的气体输入端a端和其控制端c端之间的较小的压差所造成的。因此电堆正负极之间的最大压差接近于氢气侧背向控制阀pcv
h2_1
的a端和c端之间的实
际压差，一般大约在1至2个大气压之内。这样，本发明确保了电堆的正负极之间的最大压力差范围也始终在1至2个大气压之内。也正因为如此，将本发明运用于质子交换膜电解水制氢系统之后，系统在正常运行的时候，负极侧的氢气压力要比正极侧的氧气压力的设置值大约高1至2个大气压左右。
[0182]
质子交换膜电解水电堆中所用的质子交换膜两侧的最大压力差主要是由其材料特性和结构设计所决定的，一般都会在数个大气压以上。因此，本发明有效地保证了整个电解水制氢系统在启动、关闭、以及正常运行等各个过程中，电堆中的质子交换膜都不会因为其两侧的压力差过大而受到损伤。
[0183]
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的进一步描述，并非对本发明构思和范围进行限定。因此，在不脱离本发明设计思想的前提下，任何人对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。