固体氧化物电解池测试系统及其控制方法与流程

本发明涉及新能源，具体而言，涉及一种固体氧化物电解池测试系统及其控制方法。

背景技术：

1、固体氧化物电解池(soec)是一种能量转化效率高、反应速率快、应用场景广的新型高效电化学能量转化装置。现已有百kw级soec的示范运行，并正在加紧推动mw级soec的示范运行。因此，业界需要开发针对大型固体氧化物电解池的测试系统。

2、通入不同的原料，固体氧化物电解池可以进行不同的电化学反应：当向固体氧化物电解池通入高温水蒸气时，水蒸气可以被电解为h2和o2。当向固体氧化物电解池通入高温水蒸气和co2时，还可以共电解制备合成气(h2+co)，并进一步通过费托合成反应制备液态烃、醇、醛、酸等化工原料。因此，soec测试系统还需要满足共电解模式的测试需求。

3、固体氧化物电解池有管式、平板式等结构型式。平板式soec具有功率密度高、制备工艺简单、制备成本低等优点。但密封问题是制约平板式soec发展的主要技术难点。因此，氢气与氧气内漏互串和外漏是开展soec性能测试，尤其是长期和动态性能测试时的主要风险点。

4、研究发现，蒸气流量波动会极大地影响soec系统的温度和电解池的电压，进而影响soec的性能测试结果，甚至还可能导致测试系统超过安全运行范围。因此，如何提供一种稳定和安全的固体氧化物电解池测试系统成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的包括，例如，提供了一种固体氧化物电解池测试系统和控制方法，其能够实现固体氧化物电解池的稳定测试和安全运行。

2、本发明的实施例可以这样实现：

3、第一方面，本发明提供一种固体氧化物电解池测试系统，包括整流单元、蒸气供应单元、保护气及共电解气供应单元、阴极气混合供应单元、阳极气供应单元、阴极气排空单元、阳极气排空单元、第一电炉、氮气供应单元、氮气排空单元、第一压差传感器和第二压差传感器；

4、所述第一电炉用于容置待测固体氧化物电解池；所述待测固体氧化物电解池具有阳极进气口、阳极出气口、阴极进气口和阴极出气口；

5、所述整流单元用于与待测固体氧化物电解池电连接，以向所述待测固体氧化物电解池提供外部电源；

6、所述阴极气混合供应单元，所述阴极气混合供应单元的出口端延伸至所述第一电炉的内部，且用于与所述电解池阴极进气口连接；

7、所述蒸气供应单元的出口端与所述阴极气混合供应单元的进口端连接，以向所述待测固体氧化物电解池提供水蒸气；

8、所述保护气及共电解气供应单元与所述阴极气混合供应单元进口端连接，所述保护气及共电解气供应单元可根据需求供应二氧化碳和/或氢气和/或氮气至所述阴极气混合供应单元，所述阴极气混合供应单元可将气体混合均匀后提供给所述待测固体氧化物电解池；

9、所述阳极气供应单元的进口端延伸至所述第一电炉的内部，且用于与所述阳极进气口连接，可根据需求向所述待测固体氧化物电解池内部供应空气；

10、所述阴极气排空单元的进口端延伸至所述第一电炉的内部，且用于与所述阴极出气口连接，且流路设置有氢中氧分析仪；

11、所述阳极气排空单元的进口端延伸至所述第一电炉的内部，且用于与所述阳极出气口连接，且流路设置有氧中氢分析仪；

12、所述氮气供应单元包括第二氮气调节阀和第二氮气流量计；

13、所述第二氮气调节阀、所述第二氮气流量计和所述第一电炉的氮气进气口通过管道连接，所述第二氮气调节阀进气口用于连接氮气源；

14、所述氮气排空单元包括第六换热器、第七换热器、氮中氢分析仪和氮气尾气调节阀；

15、所述第一电炉的氮气出气口、所述第七换热器、所述第六换热器和所述氮气尾气调节阀通过管道依次连接；

16、所述氮中氢分析仪连接于所述第七换热器和所述氮气尾气调节阀之间；

17、所述第六换热器和所述第七换热器还连接于冷却水，冷却水以对高温尾气进行降温；

18、所述第一压差传感器设置于所述电解池阳极出口和所述电解池阴极出口之间；

19、所述第二压差传感器设置于所述电解池阳极出口与所述第一电炉的氮气出气口之间。

20、在可选的实施方式中，所述阴极气混合供应单元包括气体混合器、第二电炉、阴极气压力传感器、阴极气温度传感器；

21、所述气体混合器具有第一进口和第二进口；

22、所述蒸气供应单元与所述第一进口连接；

23、所述保护气及共电解气供应单元与所述第二进口连接；

24、所述气体混合器侧的出口端、所述第二电炉和所述阴极进气口通过管道连接，所述阴极气压力传感器和所述阴极气温度传感器设置于所述第二电炉与所述阴极进气口之间的管路。

25、在可选的实施方式中，所述蒸气供应单元包括脱盐水预热器、水箱、水泵、脱盐水调节阀、脱盐水流量计、电锅炉、蒸气压力传感器、蒸气温度传感器、蒸气调节阀和蒸气流量计；

26、所述脱盐水预热器、所述水箱、所述水泵、所述脱盐水调节阀、所述脱盐水流量计、所述电锅炉、所述蒸气调节阀、所述蒸气流量计和所述第一进口通过管道连接；

27、所述蒸气压力传感器和所述蒸气温度传感器均设置于所述电锅炉。

28、在可选的实施方式中，所述保护气及共电解气供应单元包括二氧化碳调节阀、二氧化碳流量计、氢气调节阀、第一氢气流量计、第一氮气调节阀、第一氮气流量计、第二氮气调节阀、第二氮气流量计、第一换热器、第二换热器第三换热器；

29、所述二氧化碳调节阀、所述二氧化碳流量计和所述第一换热器的进口通过管道依次连接，且所述二氧化碳调节阀进气端用于连接二氧化碳气源；

30、所述氢气调节阀、所述第一氢气流量计、所述第一换热器的进口通过管道依次连接，且所述氢气调节阀的进气端用于连接氢气源；

31、所述第一氮气调节阀、所述第一氮气流量计和所述第一换热器的进口通过管道依次连接，且所述第一氮气调节阀的进气端用于连接氮气源；

32、所述第一换热器的出口端、所述第二换热器、第三换热器以及所述第二进口通过管道依次连通；

33、所述蒸气供应单元还包括蒸气回流调节阀和疏水阀，所述蒸气回流调节阀一端与所述电锅炉连接，且所述蒸气回流调节阀、所述第二换热器、所述第一换热器、所述疏水阀和所述水箱通过管道连接；

34、所述阴极气排空单元包括阴极尾气温度传感器、气液分离器、第二氢气流量计、阴极尾气调节阀；

35、所述阴极出口、所述第三换热器、所述脱盐水预热器、气液分离器、所述第二氢气流量计和阴极尾气调节阀通过管道依次连接；

36、所述阴极尾气温度传感器设置于所述阴极出口与所述第三换热器之间的管路；

37、所述氢中氧分析仪设置于所述阴极尾气调节阀与所述第二氢气流量计之间的管路。

38、在可选的实施方式中，所述阳极气供应单元包括由空气调节阀、空气流量计、第四换热器、第五换热器、第三电炉、阳极气压力传感器、阳极气温度传感器；

39、所述空气调节阀、所述空气流量计、所述第四换热器、所述第五换热器、所述第三电炉和所述阳极进气口通过管道依次连通；

40、所述阳极气压力传感器和所述阳极气温度传感器设置于所述第三电炉和所述阳极进气口之间的管道；

41、所述阳极气排空单元包括阳极尾气温度传感器；

42、所述阳极出口、所述第五换热器和所述第四换热器依次连通，所述阳极尾气温度传感器设置于所述电解池阳极出口与所述第五换热器之间的管路；

43、所述氧中氢分析仪连接于所述第四换热器的高温出口侧。

44、第二方面，本发明提供一种固体氧化物电解池测试系统控制方法，应用于前述实施方式中任一项所述的固体氧化物电解池测试系统，所述方法包括：

45、s004：判断蒸气流量是否达到设定值；

46、若蒸气流量达到设定值，则执行s100：进行蒸气调节，并在结束后执行s004；

47、若蒸气流量未达到设定值，则执行s005；

48、s005：判断氧侧压力是否大于系统压力阈值；

49、若氧侧压力大于系统压力阈值，则执行s006：降低空气流量，然后继续执行s005；若氧侧压力小于或等于系统压力阈值，则执行s007；

50、s007：判断氢侧与氧侧、氧侧与工作环境的压力差是否超过第一阈值；若氢侧与氧侧、氧侧与工作环境的压力差超过第一阈值，则执行s008：停止输入电流；

51、若氢侧与氧侧、氧侧与工作环境的压力差小于或等于第一阈值，则执行s010；

52、s009：判断氢侧与氧侧、氧侧与工作环境的压力差是否超过第二阈值；

53、若氢侧与氧侧、氧侧与工作环境的压力差超过第二阈值，则执行s300：进入差压超标处理，结束后执行s005；

54、若氢侧与氧侧、氧侧与工作环境的压力差小于或等于第二阈值，则直接执行s005；

55、s010：判断氢中氧、氧中氢、氮中氢含量是否超过第一阈值；

56、若氢中氧、氧中氢、氮中氢含量均超过第一阈值，则执行s011：停止输入电流；若氢中氧、氧中氢、氮中氢含量均未超过第一阈值，则执行s013：按预定值输入电流；

57、s012：判断氢中氧、氧中氢、氮中氢含量是否超过第二阈值；

58、若氢中氧、氧中氢、氮中氢含量超过第二阈值，则执行s200：进行杂质超标处理，结束后执行s005；

59、若氢中氧、氧中氢、氮中氢含量均未超过第二阈值，则直接执行s005。在可选的实施方式中，步骤s100中，所述进行蒸气调节的步骤包括：

60、s101：判断蒸气流量是否大于设定值。若是，则执行s102：减小蒸气调节阀开度，并减小脱盐水调节阀开度；若否，则执行s105：增大蒸气调节阀开度，并减小蒸气回流调节阀开度；

61、s103：判断蒸气压力是否大于设定值。若是，则执行s104：增大蒸气回流调节阀开度，然后执行s101；若否，则执行s101；

62、s106：判断蒸气流量是否达到设定值。若是，则结束蒸气调节；若否，则执行s107：增大脱盐水调节阀开度，然后执行s101。

63、在可选的实施方式中，s200中所述进行杂质超标处理的步骤包括：

64、s201：判断氢中氧含量是否超标。若是，则执行s202：向阴极管路通入氮气，然后执行s203；若否，则直接执行s203；

65、s203：判断氧中氢含量是否超标。若是，则执行s204：向阳极管路加大空气流量，然后执行s205；若否，则直接执行s205；

66、s205：判断氮中氢含量是否超标。若是，则执行s206：向第一电炉通入氮气，然后执行s207和s208；若否，则直接执行s207和s208；

67、s207：判断氢侧与氧侧的压力差是否在允许范围内。若是，则结束杂质超标处理；若否，则执行s300：进入压差超标处理；

68、s208：判断氧侧与工作环境的压力差是否在允许范围内。若是，则结束杂质超标处理；若否，则执行s300：进入压差超标处理。

69、在可选的实施方式中，s300中所述进入压差超标处理的步骤包括：

70、s301：判断氧侧压力是否大于氢侧压力。

71、若氧侧压力大于氢侧压力，则执行s302：减小阴极尾气调节阀的开度，然后结束压差超标处理；

72、若氧侧压力小于或者等于氢侧压力，则执行s303：增大阴极尾气调节阀的开度，然后结束压差超标处理。

73、在可选的实施方式中，s300中所述进入压差超标处理的步骤还包括：

74、s311：判断氧侧压力是否大于工作环境压力；

75、若氧侧压力大于工作环境压力，则执行s312：减小氮气尾气调节阀的开度，然后结束压差超标处理；

76、若氧侧压力小于或等于工作环境压力，则执行s313：增大氮气尾气调节阀的开度，然后结束压差超标处理和/或，

77、所述方法在步骤s004之前还包括以下步骤：

78、s001：按照预设流量通入氢气、氮气和空气，并准备系统升温；

79、s002：将所述电锅炉、所述第一电炉、所述第二电炉、所述第三电炉和所述气体混合器升温至预设温度；

80、s003：按照预设流量通入氢气、水和空气，在共电解模式下还通入二氧化碳，准备开始测试。

81、本发明实施例提供的一种固体氧化物电解池测试系统和控制方法的有益效果包括，例如：

82、本技术提供的固体氧化物电解池测试系统及其控制方法，可以用于测试固体氧化物电解池的电解池功率、单位直流能耗、氢气产量、粗氢纯度、电解效率、系统能效等稳态性能，还可以测试启动性能、关机性能、热待机性能、变负载特性、暂态响应性能等动态性能。其次，通过对水和蒸气两级流量控制，为电解池的性能测试提供稳定的测试原料。而通过监测氢气产品气、氧气产品气和第一电炉环境气中的杂质含量，并在保证压力平衡的控制策略下采取通入保护气的方式，降低动态测试过程中电解池的燃烧或爆炸风险。通过监测并调节电解池氢侧与氧侧的压力差，以及氧侧与第一电炉腔体的压力差，降低测试过程中电解池出现内漏串气和外漏的风险，避免动态测试过程中电解池燃烧或爆炸。