一种制氢速率可编程控制的制氢反应设备

技术领域

本发明属于制氢设备技术领域，具体地讲，是涉及一种制氢速率可编程控制的制氢反应设备。

背景技术

氢能产业是构建低碳清洁能源体系、应对环境挑战、保证能源安全的战略产业体系，氢具有能量和物质相联通的双重属性，是电能向各行业领域延伸深度替代化石能源利用的重要纽带。作为清洁低碳的能源利用介质，可以实现波动性可再生能源的大规模消纳，氢具有能量和物质相联通的双重属性，是电能向各行业领域延伸替代化石燃料的重要纽带，使用过程中不排放大气污染物和温室气体。因此发展氢能产业具有重大的战略意义。

在氢能产业中，采用电解水法制氢是一种常用的方法，在电解水析出氢气后，再通过氢气出气管输入到储氢罐内储存，在实际制氢过程中，如果制氢速率过慢，生产效率就很低，不能满足使用需求，但如果制氢速率过快，会导致气体流量及压力上升，甚至超过配套输送管路及储存罐的承载能力，从而造成安全隐患，为了控制产氢的速率，通常会在氢气出气管上安装压力仪表，根据仪表读数再调节电解液的投入量及投入速度，但是，这种控制方式，不仅需人工操作效率低下，而且控制误差大，不能满足实际制氢的生产要求。

发明内容

为了克服现有技术中的上述不足，本发明提供一种通过采用可编程PLC自动控制制氢电极的电流从而调节制氢速率，且控制精度高的制氢反应设备。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种制氢速率可编程控制的制氢反应设备，包括电解槽,设置于所述电解槽上的第一电极和第二电极,设置于所述电解槽上部的氢气出气管和氧气出气管,设置于所述氢气出气管上的气体流量监测仪,设置于所述电解槽侧部的进液管和出液管,与所述第一电极和所述第二电极均相连接的电流调节电路,与所述电流调节电路连接的DC-DC直流转换装置,与所述DC-DC直流转换装置连接的整流电路,所述第一电极与所述电流调节电路的连接线路上设置的电流表，以及与所述电流表和所述气体流量监测仪均相连接的PLC控制器,其中,所述进液管位于所述出液管的上方,所述PLC控制器与所述电流调节电路相连接。

进一步地，所述电流调节电路包括型号为MAX5435的数字电位器芯片U1,与所述数字电位器芯片U1的W引脚连接的型号为LM1875的功放芯片U2，一端与所述功放芯片U2的VIN-引脚连接且另一端接地的电阻R1，以及一端与所述功放芯片U2的VOUT引脚连接且另一端与所述功放芯片U2的VIN-引脚连接的电阻R2，其中，所述数字电位器芯片U1的H引脚与所述DC-DC直流转换装置连接，所述数字电位器芯片U1的SDA引脚、SCL引脚、A0引脚均与所述PLC控制器连接，所述数字电位器芯片U1的GND引脚、L引脚均接地，所述数字电位器芯片U1的VDD引脚接电源VCC，所述功放芯片U2的VIN+引脚与所述数字电位器芯片U1的W引脚连接，所述数字电位器芯片U1的V+引脚接电源Vs，所述数字电位器芯片U1的V-引脚接地，所述功放芯片U2的VOUT引脚与所述第一电极连接，所述第二电极接地。

进一步地，所述整流电路包括一端与外部220V交流电源连接的变压器T1，以及与所述变压器T1的另一端连接的桥堆QL1，其中，所述桥堆QL1的AC+引脚、AC-引脚均与所述变压器T1连接，所述桥堆QL1的DC+引脚、DC-引脚均与所述DC-DC直流转换装置连接。

进一步地，所述DC-DC直流转换装置包括第一DC-DC转换电路和第二DC-DC转换电路，其中，所述第一DC-DC转换电路分别与所述电流调节电路和所述PLC控制器连接，所述第二DC-DC转换电路分别与所述电流调节电路和所述PLC控制器连接。

进一步地，所述第一DC-DC转换电路包括型号为LM7805的电源转换芯片U3，一端与所述电源转换芯片U3的VIN引脚相连且另一端接地的电容C1、电容C2,以及一端与所述电源转换芯片U3的VOUT引脚相连且另一端接地的电容C3、电容C4。

进一步地，所述第二DC-DC转换电路包括型号为LM7824的电源转换芯片U4，一端与所述电源转换芯片U4的VIN引脚相连且另一端接地的电容C5、电容C6,以及一端与所述电源转换芯片U4的VOUT引脚相连且另一端接地的电容C7、电容C8。

进一步地，所述氢气出气管上设置有与所述PLC控制器连接的气压计。

进一步地，所述进液管上设置有第一阀门，所述出液管上设置有第二阀门。

进一步地，所述第一阀门和所述第二阀门均与所述PLC控制器连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明电流调节电路与第一电极、第二电极连接形成电路回路，然后通过PLC控制器采集气体流量监测仪和电流表上的数据并计算出当前的制氢速率，通过PLC控制器对电流调节电路的电流进行调节控制，从而改变第一电极和第二电极的制氢速率，在电流调节电路中，通过采用数字电位器芯片实现了对电流的高精度调节，同时，通过设置整流电路将220V外部交流电源转换为直流电源，再通过DC-DC直流转换装置输出稳定的并适合电流调节电路和PLC控制器所需的电压，本发明制氢反应设备通过采用可编程PLC自动控制制氢电极的电流实现了对制氢速率的高精度调节。

(2)本发明电流调节电路通过采用型号为MAX5435的数字电位器芯片，实现了对电流的高精度控制，本发明整流电路通过采用桥堆QL1将交流电转换为直流电源，本发明第一DC-DC转换电路通过采用型号为LM7805的电源转换芯片输出稳定的5V电压，第二DC-DC转换电路通过采用型号为LM7824的电源转换芯片输出稳定的24V电压，从而向电流调节电路和PLC控制器提供稳定的电源输入。

(3)本发明PLC控制器通过对设置在氢气出气管上的气压计进行数据采集及分析，提高了对当前制氢速率的测量精度，另外，通过第一阀门和第二阀门的设置以及采用PLC控制器进行控制，实现了对电解液的自动输入以及对废液的自动排出，增强了自动化控制程度。

附图说明

图1为本发明制氢反应设备的整体控制示意图。

图2为本发明的电流调节电路原理图。

图3为本发明的整流电路原理图。

图4为本发明的DC-DC直流转换装置组成示意图。

图5为本发明的第一DC-DC转换电路原理图。

图6为本发明的第二DC-DC转换电路原理图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1-电解槽，2-第一电极，3-第二电极，4-电流表，5-氢气出气管，6-氧气出气管，7-进液管，8-出液管，9-气压计，10-气体流量监测仪，11-第一阀门，12-第二阀门，13-电解液箱，14-废液箱，15-PLC控制器，16-电流调节电路，17-DC-DC直流转换装置，18-整流电路，19-储氢罐，1701-第一DC-DC转换电路，1702-第二DC-DC转换电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1和图6所示，本实施例提供了一种制氢速率可编程控制的制氢反应设备，包括电解槽1、第一电极2、第二电极3、氢气出气管5、氧气出气管6、气体流量监测仪10、进液管7、出液管8、电流调节电路16、DC-DC直流转换装置17、整流电路18、电流表4、PLC控制器15，其中，电解槽1是制氢的基础设备，为电解液以及第一电极2、第二电极3提供了制氢反应空间，第一电极2用作制氢正极，第二电极3用作制氢负极，氢气出气管5用于输出制出的氢气，在氢气出气管5上设置储氢罐19用于对氢气的储存，氧气出气管6用于输出制出的氧气，根据实际生产情况，将氧气排放到空气中或者进行收集储存，气体流量监测仪10用于对氢气的流量进行监测，通过流量数据计算得出氢气产生的速率，进液管7是电解液的输入管，在进液管7上接有电解液箱13，出液管8是电解反应产生的废液排出管，在出液管8上设置有废液箱14，电流调节电路16用于对电极电流的调节，DC-DC直流转换装置17用于对直流电压的转换以得到电流调节电路16和PLC控制器15所需的电压，整流电路18用于将220V交流电转换为直流电源，电流表4用于测量电极与电流调节电路16所构成回路的电流。

在本实施例中，PLC控制器15用作整个制氢反应设备的控制核心，PLC是英文Programmable logic controller的首字母缩写，中文名称为可编程逻辑控制器，本实施例PLC控制器15通过预先编程，并结合从电流表4和气体流量监测仪10采集的数据，进行相应的调节控制。

在本实施例中，电流调节电路16包括型号为MAX5435的数字电位器芯片U1,与数字电位器芯片U1的W引脚连接的型号为LM1875的功放芯片U2，一端与功放芯片U2的VIN-引脚连接且另一端接地的电阻R1，以及一端与功放芯片U2的VOUT引脚连接且另一端与功放芯片U2的VIN-引脚连接的电阻R2，其中，数字电位器芯片U1的H引脚与DC-DC直流转换装置17连接，数字电位器芯片U1的SDA引脚、SCL引脚、A0引脚均与PLC控制器15连接，数字电位器芯片U1的GND引脚、L引脚均接地，数字电位器芯片U1的VDD引脚接电源VCC，功放芯片U2的VIN+引脚与数字电位器芯片U1的W引脚连接，数字电位器芯片U1的V+引脚接电源Vs，数字电位器芯片U1的V-引脚接地，功放芯片U2的VOUT引脚与第一电极2连接，第二电极3接地。本实施例中，电源VCC和电源Vs均与DC-DC直流转换装置17连接，其中，电源VCC为+5V电源输入，电源Vs为+24V电源输入。

本实施例中电流调节电路16通过采用型号为MAX5435的数字电位器芯片，实现了对电流的高精度控制，MAX5435是一款高灵敏度的数字电阻调节芯片，相比于传统的可调式电阻，数字电位器芯片不仅可实现自动控制，而且调节精度更高，同时，通过设置型号为LM1875的功放芯片对数字电位器芯片输出的电源信号进行运算放大，增强了电流调节能力。

在本实施例中，整流电路18通过采用变压器T1和桥堆QL1将交流电转换为直流电源，其中，变压器T1采用工业中常用的220V交流变压器，桥堆QL1是一种功率元器件，其内部主要是由四个二极管组成的桥路来实现把输入的交流电压转化为输出的直流电压。

在本实施例中，DC-DC直流转换装置17包括第一DC-DC转换电路1701和第二DC-DC转换电路1702，其中，第一DC-DC转换电路1701通过采用型号为LM7805的电源转换芯片输出稳定的5V电压，第二DC-DC转换电路1702通过采用型号为LM7824的电源转换芯片输出稳定的24V电压，从而向电流调节电路16和PLC控制器15提供稳定的电源输入。

在本实施例中，在氢气出气管5上设置有气压计9，PLC控制器15对气压计9所测量的气压进行采集和分析，在气体流量监测仪10的基础上，增加了参考的数据，通过PLC控制器15的运算分析，从而提高了对当前制氢速率的计量精度。

在本实施例中，进液管7上设置有第一阀门11，出液管8上设置有第二阀门12，第一阀门11和第二阀门12的开闭及调节，可通过手动调节实现，也可以将第一阀门11和第二阀门12与PLC控制器15连接，通过实际需要对第一阀门11和第二阀门12进行调节控制，从而实现了对电解液的自动输入以及对废液的自动排出，增强了自动化控制程度。

本发明使用时，电流调节电路16与第一电极2、第二电极3连接形成电路回路，然后通过PLC控制器15采集气体流量监测仪10和电流表4上的数据并计算出当前的制氢速率，通过PLC控制器15对电流调节电路16的电流进行调节控制，从而改变第一电极2和第二电极3的制氢速率，在电流调节电路16中，通过采用数字电位器芯片实现了对电流的高精度调节，同时，通过设置整流电路18将220V外部交流电源转换为直流电源，再通过DC-DC直流转换装置17输出稳定的并适合电流调节电路16和PLC控制器15所需的电压，本发明制氢反应设备通过采用可编程PLC自动控制制氢电极的电流实现了对制氢速率的高精度调节。在本实施例中，PLC控制器15与电流调节电路16、DC-DC直流转换装置17、气体流量监测仪10、电流表4、气压计9、第一阀门11、第二阀门12的连接属于现有技术，可以通过常规硬件设计实现，其具体电路构造在本实施例中不再赘述。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。