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%。

质子交换膜电解水制氢技术发展现状及展望

电解水制氢技术已成为绿氢制取的重要方法,其中最具发展潜力的是质子交换膜(PEM)电解水制氢技术。其结构紧凑,占地面积小,电解效率高,能在高压条件下获得高纯度氢气,更为重要的是,质子交换膜电解槽与间歇性的风光可再生波动电源具有良好的适配性,因而成为行业关注的焦点。目前PEM电解水制氢已进入发展的快车道,国外PEM制氢技术市场应用占比超过50%,国内多项PEM制氢项目已开工投产。近年来我国在材料、组件、系统集成方面均取得了实质性进展,但在关键性技术、效率寿命提升、经济性方面与国际先进水平仍存在一定差距。能耗较高、寿命不足、成本居高不下仍是大规模商业化应用的主要制约因素。大规模、大功率、高压差是PEM制氢系统未来发展的方向,需要结合实际工况,在衰减机制、基础技术、创新性材料开发和低成本组件方面取得突破。提升电流密度,提升不同输入特性下PEM电解槽的寿命,减少贵金属用量、加快非贵金属替代技术研究以进一步降低成本。

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。

基于模型层级分析的质子交换膜电解槽建模研究进展

质子交换膜电解槽(proton exchange membrane electrolyzer, PEMEC)具有电流密度大、能量转化率高、工作寿命长和绿色环保等优势,建模研究是对其组件材料特性分析、结构设计验证以及控制策略优化的重要手段。PEMEC模型特征繁多、建模方法多样,在分析PEMEC运行机制的基础上,采用“组件–单体–阵列–系统”的模型层级特征,并从建模方法、模型维度等方面对突出特性的PEMEC模型展开综述,分析了机理建模、半经验建模、经验建模、数据驱动建模4种方法的优缺点及模型的适用性。基于此,提出PEMEC模型构建重点研究方向并对其未来的发展趋势进行展望。研究内容可为PEMEC模型材料更迭、结构开发、特性分析等相关建模研究提供参考价值和指导借鉴。

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。

PEM电解槽制氢多相传输及转化模型综述

质子交换膜(PEM)电解槽通过水解反应将电能转化为氢能。实际电解槽的水解过程是包含了热量、质量传递和电化学转化的复杂过程,构建理论模型可揭示各过程对性能的影响规律,指导电解槽的设计和优化。综述PEM电解槽电化学、物质传输和气液两相等理论模型,讨论模型发展现状和当前存在气液流动和离子传递影响规律不清晰的问题,探讨后续模型构建中应着力解决计算复杂、精度不足等难点。

质子交换膜燃料电池/电解槽系统建模及负荷追踪策略

质子交换膜燃料电池与电解槽联合系统具备发电与储能功能,且在发电过程中不受卡诺循环限制,效率高、无污染,在供电/储能领域具有较为广泛的应用前景。该文研究一种由质子交换膜燃料电池/电解槽和辅助电源组成的混合供电系统及其能量管理策略,其中辅助电源包括光伏电池和蓄电池。该混合供电系统主要由质子交换膜燃料电池追踪负荷变化满足供电需求,辅助电源和电解槽用于高负荷条件的联合供电或低负荷条件的能量回收,以保证系统高效稳定运行。最后在Matlab/Simulink环境下建立质子交换膜燃料电池/电解槽系统数学模型,通过分析用户的负荷需求,提出供电系统的负荷追踪策略,并采用算例进行仿真分析来验证模型和策略的有效性。

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。

PEM燃料电池中质子交换膜内水和质子的迁移特性

质子交换膜的水含量及水和质子的迁移对PEM燃料电池的性能具有重要影响.提出了一个稳态两相流数学模型,用以研究质子交换膜中的水迁移和水含量及其与质子传递阻力的关系.模型耦合了连续方程、动量守恒方程、物料守恒方程和水在质子交换膜中的传递方程.通过与实验数据对比,验证了模型的有效性.分析模拟结果发现,当电流密度相同时,沿气体流动方向,质子交换膜中水的电渗拉力系数、反扩散系数和水力渗透系数逐步增大,而水的净迁移系数逐步减小;同时,质子交换膜的含水量增加,质子传递阻力逐步下降;增大电池的操作压力,电渗拉力系数、反扩散系数、水力渗透系数、水净迁移系数和质子膜的含水量增加,而质子传递阻力下降,使燃料电池的性能得到了提高.

流场结构对PEM电解槽性能影响模拟

为了提高质子交换膜(PEM)电解槽的性能,降低电压损耗,提升运行稳定性,在一定假设条件下,使用Comsol软件建立了全尺寸多通道的质子交换膜电解槽三维模型,并将仿真计算结果与文献中同尺寸PEM电解槽试验测试结果进行对比验证,仿真结果与文献试验测试结果基本吻合。基于此电解槽模型研究了流道高度、堵块、脊宽度等对PEM电解槽性能的影响,从而优化流场结构。仿真结果显示,在研究设定的PEM电解槽尺寸下,最佳流道高度为2 mm;在流道顶部设置堵块可使扩散层内氧气质量分数下降约2.6%,膜电极平均温度下降2.2 K左右,电解槽的电解电势减少0.0235 V左右;流场脊宽度由2 mm减小至1 mm时,平均氧气质量分数下降约8.7%,膜电极平均温度下降6.21 K,电解槽电解电势下降0.04 V左右。优化后的流场结构有利于循环水带走扩散层内氧气,降低氧气气泡堵塞扩散层孔隙的可能性,减小传质阻力,增强传热过程,及时排出电解槽中多余热量,降低电解槽电解电势,提高电解槽性能和运行稳定性。

混合电解槽制氢系统选型及评估方法

电解槽是光伏电解水制氢技术的关键设备,其性能的优劣是影响制氢技术发展的关键因素。目前已被投入工程应用的电解槽有碱性电解槽(alkaline electrolyzer,AEL)和质子交换膜电解槽(protonexchange membrane electrolyzer,PEMEL),两类电解槽在经济性和技术性方面各有优劣。因此,提出混合电解槽应用技术。首先,提出层次分析-熵权法综合评估方法,按照所提方法求得混合电解槽系统最优选型;其次,将混合电解槽系统应用在光储耦合制氢系统中,并搭建其仿真模型;在此基础之上,进行3类电解槽多个性能指标对比分析。结果表明,混合电解槽成本为同容量PEMEL设备成本的56%,且混合电解槽电解效率可达91.5%,验证了所提方案的适用性。

基于混合电解槽制氢系统的功率分配技术

光伏(PV)电解水制氢技术是实现PV消纳和绿电制氢的重要手段。在波动电源输入状态下,电解槽制氢系统运行稳定性及制氢经济性存在较多问题。针对这些问题,提出基于混合电解槽制氢系统的PV制氢方案,采用碱性电解槽(AEL)制氢系统与质子交换膜电解槽(PEMEL)系统相结合的方法,提出混合电解槽制氢系统功率优化控制技术和容量配置方法,在实现不同类型电解槽组合运行、合理配置的基础上,提升制氢性能。结果表明,混合电解制氢系统与单一AEL制氢技术相比,制氢量提升了5%,波动率大幅降低,制氢成本相较于PEMEL电解水制氢系统大幅降低。采用功率优化控制技术后,同等功率运行下,制氢量提升。单一电解槽处于波动工况下,采用阵列轮换方式保证了电解槽系统安全运行。研究结果可以为实现PV消纳以及多类型电解槽安全运行模式提供参考。

PEM电解槽流场的多物理场耦合建模与分析

基于传热、传质和电化学动力学等多物理场耦合理论,建立PEMWE单电池三维模型,研究流场结构对PEMWE性能的影响。对比分析了4种流场结构电解槽内流体流速、物质分布和极化曲线的情况。研究结果表明:在相同的操作条件下,叶栅形流场PEMWE的槽内物质流速和压力分布更加均匀,电化学反应更加充分,而传统的平行流场结构电化学性能较差;在80℃、0.1 MPa的工作条件下,叶栅形流场PEMWE的极化电压更低,当电流密度为2 A/cm^(2)时,单电池极化电压仅为1.686 V,表明采用叶栅形流场结构相较其余几种方式能更有效地提升PEMWE单电池的性能。

质子交换膜电解水技术关键材料的研究进展与展望

氢是碳中和能源系统的重要组成部分,为重工业和长途运输等难以脱碳的行业提供了一种可替代路径。可再生能源电解制氢是最可持续的制氢技术,为整合间歇性可再生能源提供了额外的灵活性,并可以作为季节性储能。质子交换膜(PEM)电解水技术具有电流密度高、运行压力高、电解槽体积小、整体性和灵活性好等优势,与波动性较大的风电和光伏有很好的适配性,但目前的主要挑战之一是其成本较高。本文对PEM电解水技术的成本组成及应用现状进行了总结,并详细分析了PEM电解槽中的关键材料、制备工艺及组件制造的研究进展。研究认为,通过新型的结构设计、制备策略和制造技术,可以提升贵金属催化剂的活性和利用率,减少膜厚度以降低欧姆极化,降低双极板的原料和加工成本,改善电解槽的结构设计和组装。最后提出了未来PEM电解水技术的研发方向和目标,通过材料性能的技术创新、组件制造工艺的优化、电解槽生产规模的扩大,能显著降低PEM电解水设备的成本,加速PEM制氢的规模化发展。

考虑电解槽动态制氢效率的氢网运行优化

随着对减碳需求的持续关注,氢经济迅速发展。氢气管网运输能够解决氢气规模化利用的难题,氢网运行的理论研究将为其应用奠定坚实基础。为此,该文对氢网及相关设备运行展开研究。首先,为弥补现有电解制氢效率理论研究的不足,对电解槽动态制氢效率进行精细化建模,该模型同时考虑制氢功率和老化对制氢效率的影响。在此基础上,以满足氢网负荷需求、氢网络及相关设备运行约束为前提,以实现氢网一天的购电成本最小为优化目标,构建考虑电解槽制氢效率特性的氢网运行优化模型,并进一步将其转化成线性化模型以便于求解。最后,基于某工业园区20节点氢气网络,详细分析氢网潮流分布、电解槽运行策略以及储氢罐容量对氢网运行成本的影响。结果表明:考虑电解槽动态制氢效率的氢网运行策略会降低氢网实际运行成本,合理配置储氢罐容量有利于氢网效益的最大化。

燃料电池用质子交换膜的研究进展

质子交换膜燃料电池 (PEMFC)以质子交换膜 (PEM )作为电解质和隔膜 ,其性能强烈地依靠PEM的性质 .本文分析了PEMFC对PEM的要求 ,对全氟化、部分氟化和非氟化的PEM进行了分类介绍 ,着重讨论了膜的结构、制备。

质子交换膜燃料电池电堆温度特性的模糊建模

根据PEMPC电堆温度控制的需要,建立了PEMFC电堆的工作温度与运行参量之间的定量关系模型,为建立面向控制的PEMFC温度非线性模型提供了一种新思路.在建模过程中,采用模糊辨识方法建立PEMFC控制系统的模糊模型,仿真和实验结果表明,该模糊辨识方法对质子交换膜燃料电池电堆的建模和控制提供了一条可供参考的途径.

新型质子交换膜材料及其改性方法研究进展

综述了燃料电池用各种质子交换膜(PEM)材料及其改性方法.PEM材料包括全氟磺酸型离子交换树脂、聚苯并咪唑(PBI)、聚醚醚酮(PEEK)以及各种新型聚合物、嵌段共聚物等,而将这些材料制成PEM所采用的改性方法可分为磺化、酸基络合、杂化、共混、共聚、以及辐射接枝、等离子体等改性处理.还介绍了各种PEM材料的物性特点和PEM材料改性方法及其最新PEM研究报道.

DMFC用阻醇质子交换膜的研究进展

介绍了甲醇分子的渗透机理及直接甲醇燃料电池(DMFC)对质子交换膜(PEM)的基本要求,如低的甲醇渗透率和高的质子电导率。介绍了针对提高Nafion膜阻醇性能进行的各种改性研究,如膜的表面物理改性、掺杂阻醇纳米材料的改性等。评述了其他PEM,如以聚苯并咪唑(PBI)、聚醚醚酮(PEEK)和聚醚砜(PSU)等基膜材料为代表的聚芳环系列PEM。