基于电-热特性的质子交换膜电解槽模型研究进展

“电-氢”转换为能源领域低碳转型提供了一种新型、绿色、高效的解决方案,质子交换膜电解槽因具备产氢纯度高、制氢效率优、高度集成化以及与波动性电源耦合程度好等优点而备受关注,模型构建是对其机理研究、特性分析、系统运行控制模拟的重要手段。基于质子交换膜电解槽电化学特性和热传输特性,对国内外已有的质子交换膜电解槽电化学模型和热传输模型建模方法进行综述,并简要分析多物理场耦合模型研究进展,对未来质子交换膜电解槽建模研究发展方向进行展望。

基于功率-温度自适应控制的多堆质子交换膜电解制氢系统效率优化

随着可再生能源发电及电解制氢技术的发展,基于质子交换膜(PEM)技术的可再生能源制氢将成为氢能供应的主要手段之一。新能源发电具有随机性和波动性,现有多堆PEM电解制氢系统功率分配策略难以在功率波动场景下保证系统高效运行。对此,该文首先建立了包含主要能耗环节的制氢系统整体效率模型,探究了制氢效率与电流密度、温度的特性关系。然后,根据该效率特性提出了基于功率-温度自适应控制的多堆PEM电解制氢系统效率优化策略,包含离线优化与在线控制两部分:离线优化部分根据制氢系统效率模型预先制定不同电解总功率下的电解槽功率及温度设定方案;在线控制部分根据离线优化方案、制氢功率进行电解槽功率和温度调节。最后,采用实际风电功率进行算例分析,结果表明,相比于传统的功率平均分配策略和链式分配策略,该文提出的效率优化策略将产氢量分别提高了6.4%和5.7%。

膜内掺Pt含量对质子交换膜电解水性能与氢渗透的影响

针对质子交换膜电解水制氢中存在的氢渗透安全隐患,该文通过超声喷涂将纳米Pt颗粒负载到膜上,并经过热压制备掺Pt复合膜,以缓解运行中的氢渗透。在保持膜电极总Pt含量不变的条件下,研究膜内不同掺Pt含量对性能与氢渗透的影响。结果表明,通过超声喷涂和热压成功将纳米Pt颗粒负载到膜中,并有效缓解了氢渗透。随着膜内掺Pt含量的增加,氢渗透通量降低,同时由于阴极Pt含量降低、欧姆损失增大,电解性能呈现逐渐降低的趋势。综合考虑氢渗透和电解性能,最佳的掺Pt含量为0.01 mg/cm^(2),在0.1 A/cm^(2)时,氧中氢含量仅为0.82%,与无Pt复合膜相比,氢渗透降低了50.32%,而电解电压仅增加约20 mV。长时间运行电解电压和氧中氢浓度相对较稳定,氧中氢浓度低于氢气爆炸下限。

质子交换膜电解池进水温度与流速参数分析及系统能效预测

操作参数的变化对质子交换膜(PEM)电解池的系统能效和耐用性产生重大影响。基于多物理场电热耦合模型,对进水温度和进水流速进行了参数分析,研究了它们对电解池性能的影响。研究表明,提高进水温度能够显著改善电解池的电流密度,进而提高电解制氢效率。然而,这也使得电解池内部的温度可能升至超过膜的热降解临界温度(80℃)。另一方面,提高进水流速加强了电解池内部的热交换,使温度分布更加均匀,避免了电解池尾部局部热点的形成。但提升温度和流速也增加了电解系统中泵和散热器的功耗,对系统能效产生了不利影响。采用机器学习的方法,将多物理场仿真与人工神经网络(ANN)相结合,利用仿真模型的电热特性数据并加入系统能效计算,建立代理模型对其质子膜上最高温度与电解系统能效进行快速预测,以便电解池系统实际运行中可以及时调整进口参数。其中,模型预测的均方根误差仅有0.106%,确保了预测精度,并大大提高了仿真效率。因此,对不同进口参数下电解池的系统能效预测提供了重要的参考依据。

质子交换膜电解池阳极钛基气体扩散层研究进展

气体扩散层在质子交换膜(PEM)水电解池中有着支撑膜组件、供给反应水、移除气体产物以及降低欧姆电阻的重要作用。PEM水电解池阳极区具有酸性、富氧且高电位的工作环境,对阳极区的气体扩散层具有严苛的要求。气体扩散层结构特性、导电性与耐腐蚀性是决定其电化学性能的关键。本文总结了可用于PEM电解池阳极气体扩散层的材料,简述了其结构特性对PEM电解池电化学性能的影响,分析了各种镀层材料在提高气体扩散层的导电性、耐腐蚀性以及电解池阳极氧析出反应(OER)性能方面的作用。最后,展望了气体扩散层在降低成本和提高电解池性能方面的研究趋势。

酸处理钛毡对质子交换膜电解槽性能的影响

多孔传输层是质子交换膜电解水制氢系统中关系到气水的高效输运和电子有效导通的重要部件。该文采用盐酸和草酸对商用钛毡进行蚀刻处理,获得具有优异电化学性能的酸处理钛毡。对酸处理后钛毡的表面形貌及元素成分表征说明:酸处理能有效去除钛毡表面的氧化层,并且不会对钛毡本身的化学性质和孔隙结构产生影响。接触电阻与电化学测试显示:酸处理后的钛毡接触电阻得到有效降低,相同电流密度下采用草酸处理钛毡的电解槽低至1.8V,较未处理钛毡电压下降10%。同时,得益于酸处理后钛毡微观结构和湿润性的变化,相较于普通钛毡,酸处理钛毡能显著优化电解槽运行中的传质过程。结果表明:采用质量分数为10%的草酸溶液80℃处理20min的钛毡具有最小的极化损失,能有效提高电解槽的运行效率。

质子交换膜电解槽控制策略研究

目前氢能已成为支撑新型电力系统发展的洁净能源载体,光伏电解水制氢技术是制氢的最佳方式之一。针对光伏电解水制氢系统中的关键设备质子交换膜电解槽(PEMEL),结合其非线性、时变性、强耦合、多输入多输出的设备特性和运行特性,以PEMEL动态模型为研究对象,对其控制策略进行研究,包括比例积分微分(PID)控制、鲁棒控制、模型预测控制(MPC)、容错控制(FTC)策略,分析这四种控制策略的结构和优缺点,并从平稳性、精度、计算复杂度和响应速度四个维度对每类控制策略进行单独评价,为PEMEL控制技术研究及氢能领域的发展提供新的借鉴思路。

整流器拓扑结构与电解特性对质子交换膜电解池比能耗影响

整流器拓扑结构与电解特性是影响质子交换膜电解池(proton exchange membrane electrolysis cell,PEMEC)比能耗的主要因素。对此,考虑了电解特性中的电化学反应和电堆温度对电压模型的影响,建立了PEMEC电压灰箱模型。该模型用于研究不同电堆温度、电网供电电压及电堆电流条件下,6脉波桥式、12脉波桥式与基于脉宽调制(pulse width modulation,PWM)电流型3种整流器拓扑结构及理想直流电源对PEMEC比能耗的影响。研究结果表明,相较于6脉波桥式和12脉波桥式整流器,PWM电流型整流器具有更低的电解池比能耗,并与理想直流电源条件下计算结果相近。电解池比能耗随着电堆温度的升高而减小,随着电网供电电压和电堆电流的升高而增大。研究为多种运行工况下不同整流器拓扑结构的电解池比能耗计算提供了有效途径。

基于碱性电解槽和质子交换膜电解槽协同制氢的风光互补制氢系统优化

工程应用中碱性电解槽(AEL)和质子交换膜电解槽(PEMEL)在制氢效率和经济性上各有优劣。对此,提出AEL和PEMEL协同的复合电解槽制氢方案。利用网络层次分析法确定2类电解槽的最优容量比,将复合电解槽应用在风光互补制氢系统中,对单一AEL制氢、单一PEMEL制氢、复合电解槽制氢3种方案的多项指标进行对比分析。结果表明:在相同容量下,复合电解槽制氢设备成本是单一PEMEL制氢设备成本的52.26%,制氢量可达单一PEMEL制氢量的97.69%,比单一AEL制氢量多46.13%,显著优化了系统的经济性和制氢效率,验证了所提复合电解槽协同制氢方案的有效性。

离子污染对质子交换膜电解制氢的影响研究进展

质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)电解制氢运行灵活,具有优异的可再生能源波动适应性,是极具发展前景的绿色制氢技术。然而,在实际PEM电解制氢运行过程中,可能存在离子污染,对PEM电解堆的性能以及运行寿命产生很大影响。为此,首先分析了离子污染的来源,一方面来自水中的残余金属阳离子,如Na^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)等,另一方面来自电解堆内部关键材料和系统水循环管路因化学或电化学腐蚀产生的痕量金属离子,如Fe^(3+)、Cu^(2+)、Ni^(2+)等;然后综述了不同离子污染对电解性能的影响,包括欧姆过电位、阴极反应过电位与阳极反应过电位;最后,综述了离子污染缓解策略,即如何避免规模化电解制氢过程中杂质离子污染带来的能效和成本问题。

质子交换膜电解水制氢技术的发展现状及展望

氢能是支撑起智能电网和可再生能源发电规模化的最佳能源载体,而电解水制氢是实现制氢规模化的重要途径。在多种电解水制氢技术中,质子交换膜电解水技术由于具备电流密度大、产氢纯度高、响应速度快等优势,吸引了科学界和工业界的广泛重视。本文首先介绍了质子交换膜电解池的结构组成以及各组成的主要作用,对比分析了碱性电解池、固体氧化物电解池与质子交换膜电解池的技术差异,并结合电解水析氢反应以及析氧反应的机理阐释,分别介绍了两步半反应的常用催化剂;然后,从最初的实验室研究阶段到目前兆瓦级别的质子交换膜电解水系统,回顾了该技术的发展历程以及应用现状;其次,从制氢成本、电堆性能及电堆寿命等多角度分析目前该技术面临的瓶颈问题;最后,根据质子交换膜电解池的技术优势,并针对上游间歇性可再生能源的需求以及和下游产业的联合应用,对其未来前景进行了展望。

质子交换膜电解池内氧气泡输运过程特性

研究了质子交换膜电解池(proton exchange membrane electrolysis cell,PEMEC)阳极流场内的氧气泡运动特性,采用VOF(volume of fluid)方法分析了多孔输运层(porous transport layer,PTL)表面接触角、液态水流速、氧气产生速率及PTL孔径对氧气泡在流道中运动特性的影响.结果表明:PTL处理为亲水性有利于气泡脱离,降低表面气体覆盖率,促进液态水到达催化层;高的液态水流速会减小气泡脱离时间及脱离体积,降低PTL表面气体覆盖率及容积含气率,促进气泡从流道中排出;气体生成速率增大会提高流道容积含气率和PTL表面气体覆盖率,不利于电解池的运行;随PTL孔径增大,气泡脱离体积增大,脱离时间先减小后增加.

储能用质子交换膜电解池的发展现状

简要介绍了电解技术的发展以及质子交换膜电解池的工作原理,总结了国内外质子交换膜电解池的研究现状及其在储能领域的应用,展望了其发展前景。

新能源-质子交换膜电解槽电制氢容量双层规划模型研究

新能源电制氢是实现"2060碳中和"的关键技术之一。然而,新能源出力具有随机性,且制氢关键设备——质子交换膜(PEM)电解槽投资成本与运行成本高,因此如何为出力功率随机的新能源电站配置兼顾新能源弃电率与制氢系统经济性的PEM制氢系统具有重要意义。以风电制氢为例,首先提出随机波动输入下PEM电制氢系统全寿命周期的成本与收入模型,并以总收入、投资回收期与内部收益率为评估指标支撑系统的经济分析;基于此,针对"风电+PEM电制氢"系统,提出3种双层规划模型,上层模型分别以PEM电制氢系统全寿命周期总成本最小、总收入最大与内部收益率最大作为上层优化模型的目标函数,下层的优化目标为风电场的弃电率最小,并采用MATLAB遗传算法工具箱求解优化模型;最后,以某实际风力发电场为例,验证所提双层规划模型与风电制氢的有效性与经济可行性。

差压式质子交换膜电解制氢技术研究进展

差压式质子交换膜(PEM)电解制氢技术是国际上电解制氢的研究热点,是适合可再生能源制氢的先进技术。综述了差压式制氢与常压制氢以及均压式制氢相比所具有的优势。以差压式制氢结合机械压缩的模式对外高压供氢,从综合效率最优角度,综述了差压式制氢最优压力的选择。针对差压式制氢存在氢气渗透影响运行安全与效率的问题,从质子交换膜抑制氢渗透改性、在氧侧增加催化手段两个方面综述了氢气渗透的缓解策略。

质子交换膜电解池两相传热传质瞬态响应二维数值模拟

本文建立了沿流道方向的二维、两相、瞬态、非等温质子交换膜电解池的模型。模型主要研究了电解池内液态水、气体组分、温度及电流密度的瞬态响应规律。模拟的结果表明:液态水饱和度、温度、电流密度及气体组分的质量分数随时间的瞬态响应规律是不同的。液态水饱和度从瞬态到达稳态的时间较温度、电流密度、气体质量分数到达稳态所需要的时间长。液态水在多孔介质内的变化梯度较流道内的变化梯度大。靠近流道入口处截面上,液态水饱和度的变化梯度小于出口处截面上的变化梯度。电解池模式下,电池的总体温度是降低的,最低温度始终出现在阳极侧的催化层内,且整个电池的最大温差小于3 K。

质子交换膜电解制氢氢气渗透研究进展

由于膜的吸水特性,高压质子交换膜(PEM)制氢(尤其是差压式,氢侧高压/氧侧常压)存在氢气渗透问题,影响电解堆的运行安全与效率.基于菲克定律描述的渗透通量与渗透率、分压差的关系,综述了温度/压力、膜水合程度、氢气分压差对氢气渗透的影响规律.在常规运行压力范围(3.5 MPa)内,扩散系数与溶解度主要受温度影响,温度升高则渗透率增大;氢气渗透率随膜水合程度的增加而增大;氢气分压差对渗透的影响表现出线性(渗透池环境)与非线性(电解制氢环境)两种关系,非线性可能源于膜透水性提升与水通道结构改变引起的对流渗透.考虑到电解制氢实际工况存在电流,综述了电流密度对氢渗透的影响,氢气渗透率随运行电流密度的升高而增大,氢过饱和是可能的影响机理,高电流密度下氢过饱和度升高,导致氢气通过膜的渗透增加.

质子交换膜电解制氢系统建模研究综述

质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)电解制氢技术因其快速响应、宽功率范围动态可调优势和良好的波动适应性,可作为灵活调节资源,支撑电网供需双侧动态匹配,提高新能源利用率。从单电解池/槽模型入手,涵盖配套辅机,基于水、热、电、气四个方面,总结分析了国内外电解制氢系统的建模方法及研究进展,阐述各模型的适用条件及参数的选取依据,并对PEM制氢系统的改进方向进行展望。通过建模仿真可以明晰电解制氢系统动静态性能规律与行为特性,有效地支撑系统的设计、运行及控制优化。所进行的研究综述对PEM电解制氢系统的模型建立、开发研究及仿真分析有一定的理论价值与指导意义。

质子交换膜电解水制氢阳极析氧反应催化剂的研究进展

氢气被认为是一种清洁的能源载体。作为应对全球能源挑战的潜在解决方案,各类可再生能源制氢工艺已受到广泛关注。质子交换膜(PEM)电解水技术具有启动和功率调节迅速的优点,是目前唯一可以耦合可再生能源发电制备高纯度氢气的技术。催化剂是PEM电解水反应的关键材料,尤其是阳极侧的析氧催化剂。本文首先回顾了4类主流的电解水制氢技术,随后概述了铱基和钌基电催化剂在酸性析氧反应中的最新研究进展,特别强调了对活性/稳定性增强策略的讨论。最后,总结了该领域存在的问题和所面临的挑战,并对未来的研究方向做出了展望。

镀铂钛毡对质子交换膜电解槽的性能优化

多孔传输层在质子交换膜电解槽中起到气水分配和电子导通的作用。本文采用快速脉冲电沉积的方法构建了具有均匀纳米花团簇结构的镀铂钛毡,该镀铂钛毡具有较低的阳极气泡黏附性,能有效排除钉扎在钛毡表面的气泡。相较于未处理的商用钛毡,脉冲镀铂钛毡能显著降低电解槽运行过程中的传质损失和欧姆损失,在1.5 A·cm^(-2)的中低电流密度下电解电压低至1.69 V。采用流体体积法对不同润湿特性下的多孔传输层气液流动过程进行了探究,发现超亲水的脉冲镀铂钛毡具有最低的氧气占比和最短的气泡突破时间,能有效排出催化层产生的气泡,减少了电解过程中的传质损失。