清华大学王保国教授团队ACSNano:3D互锁结构的膜电极(MEA)在1.55V下实现安培级电解水制氢

阴离子交换膜水电解器(AEMWE)作为一种高效制氢技术,近年来备受关注.然而,传统AEMWE的高工作电压极大地限制了其能源效率的提升.通过在阳极催化层进行界面和空位工程,能有效降低电解电压,从而提升电解效率.

光伏电解水制氢典型工况及质子交换膜电解堆性能衰减研究

电解水制氢可用于光伏出力消纳和绿氢制备,但目前尚缺乏模拟测试光伏电解水制氢电解堆典型应用场景下的工作模式,即电解堆典型工况,无法为电解堆性能衰减测试提供输入条件。该文提出了一种电解水制氢典型工况的提取方法,首先采用经验小波变换对光伏出力进行时频域分析,提取分时波动特征。然后用改进加权模糊聚类方法获得典型的光伏出力曲线。最后利用工况指标重构出简化工况曲线,并得到对电解堆运行场景模拟的循环工况谱。以我国“三北”地区某光伏电解水制氢系统作为算例,通过波动特征提取,获得了电解堆的典型工况。经初步仿真分析,提取的典型工况较好地刻画了电解堆的性能衰减过程。

光伏电解水制氢储氢技术标准体系框架研究

为保障光伏制氢产业高质量发展,发挥标准的引领、支撑作用,通过分析我国光伏发电、电解水制氢、储氢技术现状及趋势,汇总了氢能终端应用的类型,并梳理了光伏电解水制氢储氢系统的应用场景,结合现行光伏产业标准体系、氢能产业标准体系,提炼光伏电解水制氢储氢标准需求,进而构建光伏电解水制氢储氢技术标准体系框架。

阴离子交换膜电解水制氢技术的研究进展

氢能是我国2060年“碳中和”的关键支撑,氢气制备又是氢能产业链“制、储、输、用”四大环节中的首要环节,绿色高效地制取氢气是氢能发展的基础。阴离子交换膜电解水(AEMWE)作为新兴的“绿氢”技术,充分结合了碱性水电解技术与质子交换膜电解技术的优势,有望成为最具发展潜力的可再生能源制氢技术。对AEMWE的原理与研究现状做了简要分析,详细论述阴离子交换膜(AEM)水电解槽关键部件的研究进展与发展方向,包括阴离子交换膜、阳极、阴极催化剂、双功能催化剂、离聚物、膜电极、多孔传输层、双极板及电解液。最后结合研究现状,展望了AEMWE制氢技术的研究方向。

金属磷化物在电解水制氢中的应用研究进展

电解水被认为是目前最有前途的制氢方法之一。基于商用贵金属基催化剂成本高和储量有限的情况,开发低成本、高性能的电催化剂是实现电解水制氢产业化的关键。过渡金属磷化物因具有独特的物化性质和高催化活性而被广泛关注,但导电性和活性位点密度的不足限制了其在工业化制氢中的应用。首先阐述电解水析氢的机理及过渡金属磷化物的重要作用。然后从单金属磷化物、双金属磷化物、改性金属磷化物和结构调控过渡金属磷化物4个方面分析不同种类的过渡金属磷化物以及提升其催化性能的途径,并比较了当前过渡金属磷化物的常用制备方法。最后总结提升催化性能的主要策略,展望过渡金属磷化物未来的机遇和挑战。期望本综述有助于过渡金属磷化物电催化剂的设计开发与应用。

电解水制氢研究现状

介绍了电解槽类别,论述了电解水制氢成本,展望了绿电制氢和海水制氢的应用前景,并分析了国内外可再生能源电解水制氢项目。

电解水制氢耦合有机物氧化研究进展

利用可再生能源(太阳能、风能)驱动的电解水制氢技术是获取“绿氢”的必经之路,是实现碳中和的重要战略措施。然而,目前电解水制氢技术仍面临电解效率低和能耗高等问题。其原因之一在于阳极析氧反应(OER)动力学过程缓慢,制约了阴极产氢,并且阳极产物氧气的附加值较低。利用电解水过程中阳极产生的“活性氧”物种催化有机物选择性氧化(替代OER),被证明是能够降低电解水反应电压、提高产氢效率的有效策略,并且利用阳极得到高附加值化学品可以进一步分摊并降低制氢成本,最近受到科研界和产业界的广泛关注。基于此,总结了近年来电解水制氢耦合有机物氧化方面的研究进展,包括:阳极表面水活化产生活性氧的种类及其催化有机氧化反应机理、反应物吸附过程强化提升反应速率相关策略、电解水制氢耦合氧化反应器设计和产物分离等技术。最后,对该领域的未来发展前景和面临的挑战进行了总结和展望。

氟掺杂在碳辅助电解水制氢中强化碳氧化反应研究

面临着“双碳”目标的约束,氢能,尤其是电解水制氢技术受到了广泛的关注。然而,高能耗是制约该技术产业化的关键问题之一。基于此,提出“牺牲阳极碳辅助电解水制氢”的策略,利用碳氧化反应(COR)替代析氧反应(OER),实现能耗的大幅降低。具体是利用两步碳化法制备出F掺杂生物炭(记作F-BC-850),采用XRD、SEM-EDS、热重分析、XPS等表征手段解析F-BC-850的结构特征;通过电化学方法阐明F-BC-850与制氢性能间的构效关系。结果表明,在0.5 mol/L H_(2)SO_(4)溶液中,10 mA/cm^(2)下,其能耗是传统Pt片电极的57.9%;表征结果表明,氟化铵热解产生的HF刻蚀生物炭,能够形成活性较强的C-F键,进而提升了碳氧化性能。F物种的引入改变了碳结构,促进H_(2)O分子产生*OH,并强化了碳原子对*OH的吸附能力。本工作可为碳辅助电解水制氢高效产H_(2)和生物质高值化利用提供科学依据。

面向海上风电的碱性电解水制氢系统热力学分析与优化设计

[目的]为了最大化利用电能与海水资源,针对海上风电的碱性电解水(AWE)制氢系统进行热力学分析和优化设计,研究工作压力、工作温度、碱液流量等对系统运行特性的影响。[方法]基于热力学、电化学及质量平衡模型,通过Aspen Plus软件建立碱性电解水制氢的热力学平衡模型,并与实验结果进行对比验证。[结果]结果表明,此方案碱性电解水制氢系统最佳工作压力和工作温度分别为9 bar和70℃,最佳碱液流量为1600 t/h。系统能量损失和㶲损随输入电流密度的增加而增加。碱性电解输入电流密度为3000 A/m^(2)时,系统能量效率和㶲效率分别为63.58%和57.27%,系统能量损失占总能量投入的26%,其中电解槽㶲损最高,占系统总㶲损的93.39%。[结论]通过该参数优化方法,可以得到合适的工作参数范围,能够为海上风电制氢参数选择提供参考。

电解水制氢标准体系研究与需求分析

碳达峰、碳中和目标愿景下,发展氢能产业是能源绿色低碳转型发展的重要途径。电解水制氢是近、中期清洁氢的重要来源,同时,也是解决可再生能源消纳的重要方式。我国电解水制氢产业即将进入快速发展期,为规范产业发展,现阶段亟需建立电解水制氢标准体系。基于我国氢能产业标准体系,结合电解水制氢技术水平和发展趋势,从材料与零部件、设备、系统、综合评价4个方面构建电解水制氢标准体系,标准体系涵盖15个技术领域,39个标准系列以及若干具体标准,详细分析各技术领域标准需求,为开展电解水制氢标准规划和制修订工作提供指导。

电解水制氢技术的研究现状及未来发展趋势

氢能作为向绿色低碳能源转型的重要抓手,受到了世界各国的广泛关注和极大重视。电解水制氢作为重要的绿色制氢技术,尤其是利用可再生能源转化的电力制氢,未来具有广阔的市场前景。通过分析4种主要电解水制氢技术和电解槽技术的研究现状,总结了电解水制氢技术的未来发展趋势。以期本研究可为碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、固体氧化物电解水制氢和阴离子交换膜电解水制氢技术的研究方向提供参考思路,助力电解水制氢技术的研发和商业化进程。

自支撑Cu/α⁃FeOOH/泡沫镍复合催化剂氧化甲醇耦合电解水高效制氢

采用一步溶剂热法在泡沫镍(NF)基底上原位生长Cu/α⁃FeOOH纳米复合材料,制备了自支撑Cu/α⁃FeOOH/NF催化剂。相比于α⁃FeOOH/NF催化剂,Cu的引入为α⁃FeOOH的生长提供了更多的附着点,使得催化剂表面更加粗糙,并增大了催化剂与反应物的接触面积。Cu和无定形的α⁃FeOOH之间存在晶态和非晶态的异质界面,改变了催化剂的电子结构,促进电子从Ni、Fe向Cu转移,从而显著增强了催化剂对甲醇的吸附和氧化。电化学测试表明,Cu/α⁃FeOOH/NF催化剂具有优异的甲醇氧化反应(MOR)和析氢反应(HER)性能。在Cu/α⁃FeOOH/NF催化剂同时作为阴极、阳极的Cu/α⁃FeOOH/NF||Cu/α⁃FeOOH/NF HER⁃MOR耦合电解水系统中,达到10 mA·cm^(-2)电流密度所需的电压比直接全水解系统降低了125 mV,且在较大电压(2.4 V)下能够稳定反应96 h。此外,阳极MOR产生了价值更高的甲酸盐,1.80 V下生成甲酸盐的法拉第效率高达97%。

风光电解水制氢平准化成本优化空间分析

氢能是中国绿色低碳能源体系的组成部分和“双碳”目标实现的关键载体,其未来可持续发展是以电解水生产的“绿氢”为方向,但目前针对可再生能源制“绿氢”的最新平准化成本以及成本优化空间较少受关注。对此,基于我国制氢行业最新数据计算出“绿氢”最新平准化成本,并对系统发电侧和制氢侧成本优化空间进行分析,最后开展敏感性分析。结果表明:我国“绿氢”最新平准化价格为20元/kg,已接近目前传统化石原料生产的“灰氢”成本,综合发电侧和制氢侧成本优化空间,至2030年可使氢气平准化成本下降48%左右,达到10.4元/kg;电价敏感性方面,风光电价每降低0.02元/kWh,氢气平准化成本降低约1.2元/kg。

风光耦合电解水制氢方案研究

在碳达峰、碳中和目标下,需找到一种可广泛应用的零碳排放终端能源。氢能不仅是无碳能源,而且是最环保的能源,采用电解水制氢技术,尤其是通过风电、光伏发电技术制氢,可以实现零碳排放。对可再生能源电解水制氢现状进行了介绍,并针对多种风光耦合电解水制氢方案进行了研究,展望了可再生能源电解水制氢的发展前景。研究结果显示:采用大规模以风电、光伏发电为主的耦合电解水制氢可以有效减少油气进口、化石能源应用,极大保障中国的能源安全。以期研究结果为合理搭建氢能生产系统提供借鉴。

自支撑过渡金属基电极材料在电解水制氢领域研究进展

电催化裂解水制氢工艺具有绿色环保、简洁高效、氢气组分纯度高等优势,是最具应用价值的绿氢制造方式之一。但是,由于阴极和阳极电极反应动力学较为缓慢导致当前能源转换效率较低。利用高效、稳定的电催化裂解水制氢催化剂加速反应动力学过程,降低析氢反应电势,是大规模高效电催化裂解水制氢的关键所在。与传统的粉末状催化材料相比较,自支撑材料不仅不需要使用粘结剂,还具有极高的比表面积、较高的稳定性、高效的电荷传输速率及产物生成速率等优势,还可以按需构筑多种维度的新型电极结构,如一维、二维和三维等。基于此,主要介绍了自支撑过渡金属基电极材料的结构设计和可控合成方面的最新进展。

高效电解水制氢发展现状与技术优化策略

随着全球对可持续能源解决方案的需求日益增长,电解水制氢技术因其清洁和可再生的特性而备受关注。为进一步提高电解水制氢效率,明确产业化发展方向,首先,对电解水制氢技术原理进行介绍,然后,对高效电解水制氢发展现状进行分析,并对电解水制氢技术优化策略进行详细探究。

电解水制氢技术的研究与进展

此次深入探讨了电解水制氢技术的特点、面临的挑战以及优化策略,分析了电解水制氢技术的能效比、技术路线的多样性以及系统集成与模块化设计的优势,随后探讨了技术发展中存在电解槽材料腐蚀、能源消耗与成本效益平衡难题以及市场应用与推广挑战等主要问题。并且从研发耐用且高效的电解槽材料、优化能源管理与降低系统成本、推动技术创新与产业化进程三个方面提出了电解水制氢技术的优化对策,通过综合分析旨在为电解水制氢技术的发展提供参考和指导。

基于电解水制氢系统快速频率响应的电网频率稳定控制

针对调频资源不足导致的电网频率稳定性下降问题,以电解水制氢系统为研究对象,通过精细化建模并提出针对性控制策略,使电解水制氢系统提供快速频率响应,充分发挥电解水制氢系统内电、氢、热能的调频潜力,并对电解水制氢系统提供快速频率响应的机理及效果进行仿真验证。结果表明:所建立的模型可揭示电解水制氢系统的电-氢-热耦合机理,表征电解水制氢系统的频率响应特性;在多类扰动场景下,电解水制氢系统提供快速频率响应均可增强电网的频率稳定性。

电解水制氢参与调频辅助服务的经济效益分析

作为氢能、电力及可再生能源之间的纽带,电解水制氢技术具有较强的灵活性。电解槽在生产氢气的同时可为电力系统提供调频辅助服务。为了分析电解水制氢参与调频辅助服务对制氢成本的影响,构建电解水制氢参与电力现货市场及调频辅助服务市场的运行策略模型,并结合生命周期视角分析电解水制氢参与调频辅助服务的经济效益。以美国宾夕法尼亚新泽西马里兰(Pennsylvania-New Jersey-Maryland,PJM)电力市场的历史数据为例进行模拟。结果显示,参与调频辅助服务可以使电解水制氢的平准化成本下降27%。

PEM电解水制氢膜电极涂布工艺

质子交换膜(PEM)电解水制氢用膜电极卷对卷连续涂布工艺是目前研究的热点,同时也是限制膜电极量产化及国产化的制约因素之一。基于国产膜电极的批量化制备,分析了目前卷对卷连续涂布工艺的系统,介绍了涂布设备的构成及基本原理。在涂布过程中,催化剂浆料是影响产品性能及均匀性的重要因素;介绍了涂布工艺中的缺陷问题及优化方向。从设备装置,浆料配制工艺,工艺参数调试等方面综合解决目前涂布工艺中的产品缺陷问题,减少批量化生产工艺中的质量缺陷和性能缺陷,提高生产效率的同时降低电解水制氢的成本。