PEM电解制氢技术问题及现状分析

对国内外质子交换膜(Proton exchange membrane,简称PEM)电解制氢市场、技术进行了全面的分析,同时对PEM电解槽、制氢系统及可再生能源制氢存在的技术问题进行了探讨,提出了解决措施。分析表明,国外PEM制氢系统无论市场还是技术都处于领先地位,其中电解槽电流密度和寿命,以及制氢系统腐蚀防护技术、系统内部纯水净化控制技术、系统噪音控制技术和安全控制技术都优于国内产品。膜电极的氢气渗透率、催化剂的负载种类和形式,气体扩散层的材料替代、加工制造技术和耐久性的改性优化,以及双极板的厚度、板材替代、制造工艺和表面涂层沉积工艺等是PEM电解槽主要研究方向和突破点。如何解决可再生能源电源质量波动对电解制氢系统的不利影响是未来的发展方向。

面向PEM电解制氢的虚拟同步控制技术研究

配有储氢环节的电解水制氢系统能够对功率进行调整,促进可再生能源大规模消纳,是一种理想的调节资源。在电解电源的控制中,引入虚拟同步机控制技术,以暂时改变电解制氢功率为代价,为大量新能源与清洁能源接入电网带来的转动惯量不足、频率稳定性较差等问题提供一种新的解决思路。本文以质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)电解制氢系统为例,提出了一种虚拟同步电动机(virtual synchronous motor,VSM)的控制策略。首先,通过引入直流电流控制环节实现电解槽功率的自主调整,减小了负荷波动期间的电网频率变化量;其次,考虑到电解槽电流调节存在速率限制,分析了对频率调整过渡过程的影响。最后,基于MATLAB/Simulink搭建微电网仿真系统,实验结果表明,相较于传统的双闭环控制,基于VSM控制的PEM电解制氢系统在电网负荷变动期间能够自主调节制氢系统的功率,电网频率变化量减少了64.71%。

PEM电解水制氢装置宽功率波动适应性研究

新能源的迅猛发展对风资源的有效利用提出了更高需求。PEM(Proton Exchange Membrane)电解水制氢装置能够将未消纳的风电转化为氢气进行储存,供给有需求的下游,在一定程度上解决了风电的间歇性问题。文章对PEM电解水制氢装置的工艺参数进行调整,进而研究PEM电解水制氢装置在风电宽功率波动情况下的适应性。这些探究为PEM电解水制氢装置的工艺和自动控制提供了有力支持,同时也为风电耦合大规模制氢及能源的有效利用提供了必不可少的基础研究。

光伏-PEM储氢系统建模与仿真

光伏发电存在间歇性的缺点,需要一个可持续的储能系统来满足需求。介绍光伏-PEM(质子交换膜)储氢系统,将电能转化为氢气储存,后期再通过PEM燃料电池将氢气转化为电能。该系统包含光伏发电系统、PEM制氢电解槽以及燃料电池等,通过电解水产生氢气,氢气在高压下储存在压缩储罐中以备后用,后期系统有需要时,氢气将通过PEM燃料电池重新转化为电能。光伏发电系统的输出电流由PI控制器控制,以稳定电解槽的输入电流。对于光伏-PEM储氢系统,主要问题是对天气条件的依赖。通过系统建模来模拟光伏-PEM储氢系统的运行过程,评估与太阳能光伏输出电流相关的光照强度对氢气生产、氢气储存以及后期氢气再电气化的影响,为后续有助于缓解与太阳能、风力发电和其他间歇性发电相关的储能问题奠定基础。

解读PEM电解水制氢技术和成本降低空间

氢气在化工、能源以及材料等相关领域有着非常广的应用。基于全球对能源结构进行调整这一宏观背景,“氢经济”概念愈发得完善,与之相伴随,氢能产业链也实现了越来越清晰的发展。从目前的实际情况来看,市场中的氢气主要来源于化石燃料氢气重整,或者是通过副产氢的方式得到,前者有很大的二氧化碳排放量,会在较大程度上造成对环境的污染;后者容易受到储运因素的制约,仅能够做到在副产氢企业周边区域进行氢气的供应。基于无碳环保以及生产灵活等优势,PEM电解水制氢得到的关注不断提升,本文对其基本原理以及提效降本策略进行探究。

钛基材Pt涂层接触电阻及耐蚀性能研究

质子交换膜(PEM)电解制氢系统因具有宽范围、快速动态响应能力,在新能源消纳、电网调峰等领域具有广阔的应用前景。为了提升制氢电解堆电传输性能,降低接触电阻,本文利用磁控溅射技术制备了钛毡和钛板上的Pt涂层,并对这些涂层进行了研究,探究了制备工艺对薄膜的微观结构、传输性能和耐蚀性能的影响。研究发现,最佳磁控溅射工艺包括等离子清洗时间20 min,溅射时间10 min,以及溅射功率100 W。在接触电阻方面,镀有铂的钛毡表现出优异的接触电阻性能。通过SEM和EDS测试分析,发现随着功率和时间的增加,Pt颗粒的尺寸逐渐增大。然而,当颗粒尺寸过大时,Pt颗粒之间发生相互挤压,导致微小裂纹的产生,从而影响Pt涂层耐蚀性能。这些研究结果对于优化PEM制氢电解堆的性能,提高其稳定性具有重要意义。

有序化析氧电极的制备与性能

作为质子交换膜(PEM)电解水制氢技术的核心部件,析氧电极决定了水电解池的能耗、效率和使用寿命。采用阳极极化法制备TiO_(x)纳米管阵列(A-Ti),再通过热解法负载IrO_(2)获得有序化析氧电极(IrO_(2)/A-Ti)。在水电解池中测试评估时,IrO_(2)/A-Ti电极可实现更高的电流密度,约3.5 A/cm^(2);而未处理电极(IrO_(2)/N-Ti)在电流密度为0.8 A/cm^(2)时,即出现明显的浓差极化。IrO_(2)/A-Ti电极较好的电化学性能,可归因于电催化多活性界面的反应动力学更快,活性组分的分散性更好。

双碳背景下绿氢生产方式探讨

电解水是“绿氢”的主要生产方法,是发展氢能的必要技术,实现“双碳”的关键技术,其中电解槽是关键的制程装置。讨论了两种商业化的电解槽,并对其成本进行了量化研究。“双碳”的不断深化和强化,使得光伏、风电等可再生能源技术的成本大幅降低,氢燃料电池的普及以及氢能技术的不断成熟,对氢能的需求将出现爆炸式增长,而“绿氢”的生产成本也必然会因为氢能的发展而降至可承受的程度。