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。

基于双碳背景下光伏直流耦合PEM电解水制氢研究

氢能是最清洁的能源载体,是未来能源革命与产业发展的重要方向,是助力双碳目标实现的重要手段之一。本文通过对比碱性电解池制氢、质子交换膜电解水制氢、固体氧化物电解水制氢等主流电解水制氢方式,分析各制氢方式的特点,阐述了光伏直流耦合PEM电解水制氢的重要意义。分析了光伏直接耦合和间接耦合PEM电解水制氢的原理以及优缺点。针对目前光伏直流耦合PEM电解水制氢的研究现状,对光伏耦合PEM电解水制氢的未来发展方向进行了展望,期望为光伏PEM电解水制氢的发展提供借鉴和参考。

面向高比例新能源接入的电氢耦合系统设想及分析

高比例新能源接入电力系统,其高随机性与波动性将造成系统“源-荷”结构失衡,且高比例电力电子化将导致传统电力系统以同步发电机和机电动态特性为基础的技术特性发生深刻变化。为此,提出了一种采用“送端绿电离网外送-受端离网制氢-氢燃气并网发电”模式的电氢耦合系统,即在送端将新能源电力汇集接入至与交流电网无电气联系的直流输电网络中,在受端满足电解水制氢直流负荷并通过氢燃气发电方式支撑交流电网,从而将大量新能源消纳和新增“西电东送”需求与送端/受端交流电网解耦。所提电氢耦合系统不仅能改善系统电力电量平衡,促进高比例新能源消纳,还能够保障电力系统的安全可靠运行,可为我国高比例新能源电力系统的演进方向提供参考。

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。

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。

水电解制氢的危险性与气体探测器设置的探讨

氢气作为推动绿色能源转型的重要候选燃料,具有易燃性,小分子结构,可通过脆化作用破坏管道和容器材料,易发生泄漏,具有较大的潜在风险。详细介绍了水电解制备氢气的危险性,包括相关的安全隐患和潜在风险,重点关注电解装置厂房气体探测系统的设计。根据IEC61511的建议,设计与电解装置相关的自动停机系统和恢复安全状态的控制策略,结合ISATR84.00.07推荐的气体探测布点方法,确定探测器的布设数量及位置,从而确保系统的有效性和准确性。

基于STM32的电解槽测试系统设计与实现

氢气除了作为绿色能源以外,其生物学价值也非常广泛。有日本医学专家教授研究证实,氢气能帮助人体保持健康,因为氢气能通过选择性抗氧化作用清除体内有害的恶性自由基。近年来,出氢量小于600 mL/min的小型电解槽被广泛应用于吸氢机以及富氢水机。该文以小型PEM电解槽为对象,针对其性能测试设计开发了一套基于STM32的多通道电解槽测试系统,该测试系统具有水箱液位检测及自动补水、纯水TDS检测、电解槽直流电流给定、电解槽电压检测、电解槽出氢口堵塞检测、电解槽出水及出氧状态检测以及数据通讯等功能。本系统通过测试,运行稳定,操作方便,检测快速,提升了电解槽的测试效率。

碱性水电解制氢装置模型研究综述

在大规模绿色制氢方面,碱性水电解制氢是一种相对成熟的技术,对碱性水电解制氢装置进行建模是理解、分析和优化碱性水电解制氢过程及相关设备的有效途径。目前,虽然存在多种研究碱性水电解制氢装置的模型,但缺乏对模型发展现状及其存在问题的总结。针对碱性水电解制氢装置模型的研究进展进行了综述,首先对3种主要的水电解制氢技术进行了对比,并对碱性水电解制氢装置采用的电解槽的工作原理进行了介绍;然后从稳态模型和动态模型的角度总结了基于碱性水电解制氢装置建立的模型;最后针对碱性水电解制氢装置组成部分的研发现状进行了介绍。分析结果显示:1)3种主要的水电解制氢技术分别为碱性水电解制氢、质子交换膜水电解制氢和固体氧化物水电解制氢。2)目前商业上碱性水电解制氢装置采用的电解槽的制氢效率在59%~70%之间,许多研究都集中在通过改变电解槽运行条件和创新其相关部件来提高其制氢效率方面。3)碱性水电解制氢装置的稳态模型主要包括热力学模型和电化学模型,动态模型一般包括气体纯度模型和热模型。研究结果可为进一步改进碱性水电解制氢装置建模提供理论和技术支撑。

绿电制氢技术在胜利油田应用前景分析

利用可再生能源发电进行电解水制氢是目前众多氢气来源方案中唯一碳排放量为零的工艺,氢能作为能源的载体和储能的方式,可以与新能源发电很好的结合。胜利油田新能源发电装机约2900 MW,依托风光发电建设规模,并结合油田生产对电、热的用能需求,发挥氢能在电、气、热多种能源间的载体作用,探索石化炼厂场景下的绿电制氢应用,形成风、光、氢、储等多能耦合技术,打造胜利油田用能现场氢能热电联供的应用场景,推动油田能源消费结构由传统能源向绿色能源转变,实现油田能源转型。

海上风电制氢技术及氢能产业发展现状与建议

利用海上风电制氢是未来重要的制氢方式,也是实现“双碳”目标的重要途径。对不同水电解制氢技术的优缺点、海上风电制氢装置的运行方式进行了介绍,从氢气的存储与运输、加氢站、氢能应用领域这3个方面对氢能产业发展现状进行了分析,并对氢能产业发展提出了建议。研究结果显示:1)碱性水电解制氢装置的整体造价低,单台装置的产氢量大,但难以快速启动和调节负荷,适用于输出功率波动较小的集中式风力发电电源。2)PEM水电解制氢装置可以更好地耦合输出功率波动较大的电源,未来其将向大功率、低成本制氢的方向发展,以适应大规模海上风电制氢项目的需求。3)从短期来看,高压气态储氢技术是发展重点;而从长期来看,低温液态储氢技术是未来重要发展方向。氨储氢、甲醇储氢和有机液态储氢等新型化合物储氢技术的发展为氢能存储提供了更多选择。4)目前中国日加注能力在200 kg的加氢站属于示范运营站,未来加氢站有望从500 kg的日加注量起步,大日加注量的加氢站将会成为未来1~2年内建设的主流加氢站。5)目前氢能在化工、交通、天然气掺氢等领域均有应用,且未来发展潜力巨大。

基于固态储氢技术的分布式光伏发电并网系统研究

在新能源发电技术中,分布式光伏发电因选址灵活、噪声小、污染轻等优点而得到广泛应用,但光伏发电高峰多集中在白昼,而用电高峰多集中在夜晚,发电、用电高峰不匹配,造成大量“弃光”问题。以传统分布式光伏发电并网系统为基础,结合电解水制氢、固态储氢、燃料电池发电技术,提出一种基于固态储氢技术的分布式光伏发电并网系统,有效解决了“弃光”问题,可进一步提高电力系统光伏消纳水平。

碳达峰与碳中和目标下PEM电解水制氢研究进展

氢能作为重要的能源载体,燃烧过程绿色无污染,能够助力碳达峰和碳中和目标实现。本文通过对比化石能源制氢、工业副产气制氢、电解水制氢等方式,分析各制氢方式的优缺点,阐述了质子交换膜(PEM)电解水制氢与可再生能源结合的重要意义。之后从PEM电解槽内部结构和可再生能源电解水制氢两个方面展开综述,详细介绍了PEM电解槽双极板、催化剂、扩散层、质子交换膜研究进展、存在的主要问题和未来发展方向。文中通过分析我国太阳能、风能分布特征,总结可再生能源利用存在的问题,从研究现状和产业发展的角度介绍了太阳能制氢、风电制氢、可再生能源多能互补制氢的发展。最后对可再生能源PEM电解水制氢的未来发展方向进行了展望,期望为可再生能源PEM电解水制氢的发展提供借鉴和参考。

PEM water electrolysis for hydrogen production:fundamentals,advances,and prospects

Hydrogen,as a clean energy carrier,is of great potential to be an alternative fuel in the future.Proton exchange membrane(PEM)water electrolysis is hailed as the most desired technology for high purity hydrogen production and self-consistent with volatility of renewable energies,has ignited much attention in the past decades based on the high current density,greater energy efficiency,small mass-volume characteristic,easy handling and maintenance.To date,substantial efforts have been devoted to the development of advanced electrocatalysts to improve electrolytic efficiency and reduce the cost of PEM electrolyser.In this review,we firstly compare the alkaline water electrolysis(AWE),solid oxide electrolysis(SOE),and PEM water electrolysis and highlight the advantages of PEM water electrolysis.Furthermore,we summarize the recent progress in PEM water electrolysis including hydrogen evolution reaction(HER)and oxygen evolution reaction(OER)electrocatalysts in the acidic electrolyte.We also introduce other PEM cell components(including membrane electrode assembly,current collector,and bipolar plate).Finally,the current challenges and an outlook for the future development of PEM water electrolysis technology for application in future hydrogen production are provided.

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。

电解水制氢技术及隔膜材料研究进展

本文对目前国内外制氢技术的研究现状及其发展趋势进行论述,对电解水制氢技术进行了重点分析;还对碱性水电解制氢的关键材料——聚合物隔膜的制备进行了讨论,并从多孔隔膜、离子溶剂化隔膜、阴离子交换膜等方面展开了论述。

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。

钛涂层阳极的失活机制及改进方法的研究进展

钛阳极因具有尺寸稳定、耐腐蚀性强、电流效率高、无污染等优点,在杀菌消毒、电解水制氢、金属箔生产等多个领域具有极高的应用前景。因钛阳极涂层体系不同、应用领域不同,阳极在不同领域的失效形式不同。为使钛阳极更好地应用于各个领域,根据失效原因对钛阳极电催化活性和稳定性进行改进是最快速的方法。本文简述了钛涂层阳极的应用领域以及失活方式,重点分析了铱钽阳极和钌钛/钌铱钛阳极在硫酸溶液和实际工况中的失活情况,并根据其失效机制提出了优化钛阳极性能的研究方向,旨在增加本领域技术人员对钛阳极的深入了解,制备出性能更优异且能很好满足市场需求的钛阳极。

基于油气田勘探的电解水制氢及天然气掺氢研究

随着各国石油、天然气需求量的增加,其开发力度也不断提高,在油田、气田开展数量和产量提升为中国带来巨大的经济效益的同时,油气田开采所伴随的污水对于周边环境以及人类的生活造成了巨大的影响。通过在油气田开采区域附近建立分布式和集中式并存的新能源项目,可以解决油气田开采用电和用能情况,同时可以将剩余电力用于电解水制氢,一方面氢能可以用于氢燃料电池,解决采油、采气区域用能需求,另一方面可以用于天然气管道掺氢输送,解决氢能终端使用难题。通过在规模庞大的油气田勘探、运输业务上建立新能源发电和电解水制氢,可以有效推动“3060”碳达峰碳中和目标的实现,加快推动新能源发展和氢能发展,全面提升能源开发利用综合效率,努力构建清洁、高效、安全、经济、可持续的现代能源体系建设。

DC/DC隔离型制氢电源发展现状与趋势

随着国家“双碳”目标的推进,电解水制氢将迎来爆发式增长,其中电源的拓扑及控制对提升制氢系统效率具有重要意义。对DC/DC隔离型制氢电源的拓扑进行梳理及分析,针对不同的应用场景,分别从单级型、两级型、并联型和多端口型DC/DC隔离型制氢电源的结构及其优缺点进行分析,结果表明,全桥谐振变换器及考虑电解槽温度、压力及氢/氧交叉渗透反馈的控制方案,将成为适应宽范围、强波动的大功率规模化制氢电源发展趋势,且隔离型三端口DC/DC变换电源将成为分布式集成化电-氢耦合未来发展模式,为电解水制氢电源进一步研究提供参考。

与电解水制氢和固体氧化物燃料电池耦合集成的新型压缩空气储能系统性能分析

为提高压缩空气储能系统的效率,提出了一种新型耦合系统:将压缩空气储能系统与电解水制氢系统和氢能固体燃料电池系统进行系统集成。在充电过程中,电解水制氢系统和压缩空气储能系统分别将电能存储。在放电过程中,采用氢能固体燃料电池和压缩空气储能系统进行发电。采用压缩空气储能系统排出的空气余热以及剩余的压缩热加热氢能固体燃料电池系统的给水,从而增加系统电能输出。通过以上系统集成,实现了能量梯级利用,有效提高了压缩空气储能系统的效率;同时与氢能系统集成,实现了整个过程碳零排放。对耦合系统进行了热力学分析和经济性分析,结果表明,压缩空气储能系统的往返效率、储能密度和效率可达70.05%、12.01 MJ/m^(3)和66.39%;同时,耦合系统的整体效率可提高1.19%。压缩空气储能系统的动态投资回收期为3.36 a,净现值可以达到1458.01万元,具有较好的经济收益。