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。

高温质子交换膜水电解用Nafion/BN复合膜的制备与性能研究

在研究高温质子交换膜水电解系统时,膜脱水引致质子传导率降低的情况是造成电解性能较低的主要问题。针对该问题,引入了氮化硼(BN)作为一种无机吸湿改性剂。通过采用掺杂浇铸技术,成功制备了Nafion/BN复合膜。氮化硼的卓越吸湿能力,以及其表面碱性基团与Nafion分子链上磺酸基团之间的酸碱相互作用,共同形成了一个密集的氢键网络,从而推进质子的传递。扫描电子显微镜(SEM)和X射线能量散射光谱(EDS)的分析结果验证了氮化硼在复合膜中的均匀分布。吸水率的测试结果显示,BN的引入显著增强了复合膜的水吸附能力。通过质子电导率的测试,证实BN的掺杂显著提升了复合膜的质子电导率。在130℃的高温条件下,采用Nafion/BN复合膜构建的水电解装置表现出了卓越的电解效能,尤其是在2.0 V电压下,电流密度达到2.04 A/cm^(2),表明Nafion/BN复合膜在高温质子交换膜水电解领域内具有一定的发展潜力。

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。

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。

新材料可延长质子交换膜电解槽制氢寿命

据报道,海南大学海洋科学与工程学院教授康振烨、田新龙团队制备出超细铱钌纳米线材料。该成果为设计高效质子交换膜电解水(PEMWE)催化剂提供了一种新的可行方法。相关成果近日发表于国际期刊《先进功能材料》。质子交换膜电解水具有能量转换率高、产物氢气纯度高等优点,是一种前景广阔的制氢技术。但由于阳极析氧反应(OER)的高电位和强酸性环境使催化剂产生腐蚀性,致使电解槽长期运行面临被腐蚀风险。

高质子传导率的GSPEEK凝胶膜制备及其PEMWE性能

磺化聚醚醚酮(SPEEK)质子交换膜一般是将聚醚醚酮(PEEK)先磺化然后再进行溶解流延的方式来制备,存在制备过程复杂和电导率较低等问题.本研究创新性的将磺化与成膜过程集成,一步实现从PEEK到磺化度可控的凝胶质子膜(GSPEEK)的高效制备.GSPEEK膜具有的独特“鱼鳞”状微观形貌,极大提升其质子电导率,在GSPEEK固含量为10%(质量分数)、成膜温度40℃时电导率可达167.0 mS/cm,其质子传导率分别是普通SPEEK膜的3.05倍和商业Nafion 117膜的2.45倍.组装成质子交换膜电解水制氢膜电极(MEA)进行测试,结果表明,当电压为2.4 V时,GSPEKK-10膜的电流密度为1000 mA/cm^(2),相较于普通SPEEK膜和Nafion-117膜的600 mA/cm^(2)、400 mA/cm^(2),其电解水性能得到了大幅度的提升,具有潜在的产业化前景.

质子交换膜结构对氢气渗透的影响机制

质子交换膜(PEM)电解水过程中氢的跨膜渗透是制约电解水效率和安全性的重要因素。制备了5种不同厚度的PEM,阐明了PEM厚度对PEM电解水中氢气渗透性的影响规律,并通过对比进一步研究了PEM的主要结构特征物理量(吸水量(S)、结晶度(Xc)和亲水域平均间距(Dw))对氢气渗透性的影响机制。研究结果表明,上述3个特征物理量对氢气渗透性能均有较大影响,其中Dw是影响氢气渗透性能的主要因素。

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。

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。

SPEEK/PEI@ILs复合质子交换膜的制备及PEMWE性能

以磺化度为75%的磺化聚醚醚酮(SPEEK)为原料,加入聚醚酰亚胺(PEI)和离子液体(ILs)制备SPEEK/PEI@ILs酸碱复合膜用于质子交换膜电解水制氢(PEMWE)中.研究复合膜的吸水率、溶胀度、质子电导率、热稳定性和相应的PEMWE性能.结果表明,SPEEK/PEI@ILs复合膜与商业Nafion117膜相比,具有相近的质子电导率和溶胀度,说明PEI的加入,增强了复合膜的尺寸稳定性.将SPEEK/PEI@ILs复合膜制备成膜电极并测试PEMWE性能,1 A/cm2电流密度下槽电压为2.75 V,在0.5 A/cm^(2)@1.96(±0.03)V条件下能稳定运行10 h.

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。

质子交换膜电解池二维两相流综合模拟研究

建立一个二维、非等温质子交换膜电解池两相流稳态模型,研究不同电压下电解池膜电极组件(MEA)中温度、液态水饱和度、膜态水分布以及温度、液态水饱和度和膜厚对质子交换膜电解池性能的影响,并通过实验验证模型的可靠性。实验结果表明:即使忽略接触电阻,膜润湿性较好,高电压(2.0 V)下欧姆损失占比仍可达到34.7%;随着电压的增大,极化损失的主导部分由活化损失变为欧姆损失,且传质损失占总极化损失的比例最小;当电压较小时,膜水含量是质子交换膜(PEM)电导率的主要影响因素,当电压较大时,温度是PEM电导率的主要影响因素。升高温度、增加液态水饱和度及降低膜厚均能有效提高电解池的性能。

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。

质子交换膜在燃料电池和水电解池中的应用

介绍了近年来质子交换膜的研究现状,质子交换膜在LT-PEMFCs、HT-PEMFCs和水电解池中的应用。包括应用于LT-PEMFCs的离聚物的性质,应用于HT-PEMFCs磷酸掺杂的聚苯并咪唑(PA-PBI)的性质及改性方法,以及应用于PEMWEs的全氟磺酸型质子交换膜的种类及特点,最后总结了其发展趋势。

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。

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。

风光波动电源下质子交换膜电解水制氢技术发展与应用

发展具有波动性负荷跟随能力的质子交换膜(PEM)电解水技术,是实现可再生能源耦合电解水制氢、促进可再生能源消纳的有效途径。本文梳理了风电耦合制氢、光伏发电耦合制氢等可再生电力制氢场景,分析了可再生能源的波动特性;从风光波动电源对电解池影响显著、风光波动电源加速电解池部件衰减、风光波动电源模拟方式三方面,详细阐述了PEM电解水制氢的基本特性以及研究进展;进一步讨论了PEM电解槽技术研发、PEM电解槽制氢技术发展方向。在把握风光耦合制氢现状及经济性、明晰风光波动电源电解水制氢产业应用态势的基础上,提出了深化研究高效电解池的基础科学问题和核心部件、进一步降低制氢成本、开展风光耦合制氢优化布局和制度保障研究等发展建议,以期促进可再生能源制氢产业的高质量发展。