質子交換膜電解水
關注創建者：匿名 創建時間：2022-07-14
質子交換膜電解水的實例教程
表1 三種典型電解制氫技術對比
由表1可以看出:堿性電解槽技術相對比較成熟，可以應用于大規模制氫，且工藝簡單，成本低，但其難以快速啟動及適應變載，無法快速調節制氫速率，與可再生能源發電適配性較差。
質子交換膜電解槽負荷范圍寬，運行更加靈活，更適用于平抑可再生能源并網的波動性，且冷啟動時間相較于堿性電解水制氫技術快一倍以上，適用于交通、航空等需要快速啟動的領域，但當前技術還未實現大的突破，難以實現大規模商業化制氫。
固體氧化物電解制氫技術應用相較前者少的多，距離規模化制氫應用尚需相關材料和催化劑技術進一步攻關，但其能耗低、能量轉換效率高的優點將使其在未來成為主流可再生能源規模化制氫技術，因此我國應提前布局新興電解槽技術，攻關固體氧化物電解制氫技術難點。
在我國氫能市場中，堿性電解水制氫技術占據著主導地位，被更加廣泛地應用于各大型電解水制氫項目中。
近年來，因質子交換膜電解槽運行更加靈活且負載范圍寬的特性，國內新建項目逐步轉為采用質子交換膜技術耦合可再生能源發電進行規模化制氫，因此，開發新型電解槽技術，進一步提高電解水制氫效率和穩定性。
電解水制氫工藝近年來發展迅猛，不斷突破技術瓶頸，并有大批規模化電解制氫項目落地，為可再生能源電解制氫技術提供了實踐支撐。目前國內可再生能源電解制氫以堿性電解水制氫技術為主，國外質子交換膜電解制氫技術應用實例較多。
加拿大20MW項目作為全球最大的質子交換膜電解水制氫項目可實現日產氫8640kg，該項目所采用的即為5MW質子交換膜電解水制氫設備。
展開 車用質子交換膜燃料電池水熱管理
來源 | Renewable Energy
01
背景介紹
質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種將氫能轉化為電能的直接能源裝置，具有能源效率高、啟動快、無污染排放等優點，因而被廣泛應用于分布式發電、便攜式供電、交通運輸等領域。然而，PEMFC在輸出電能的同時釋放大量廢熱，影響其工作溫度。過高的溫度會導致膜電極組件降解并造成不可逆的損壞，而過低的溫度則不利于反應動力學，影響PEMFC的性能和耐久性。
02
成果掠影
近期，華南理工大學機械與汽車工程學院簡棄非教授團隊提出了一種新穎的被動冷卻方案，將均熱板集成到質子交換膜燃料電池堆中進行熱管理。研究團隊設計并制作了1.32 mm厚的均熱板，并通過使用加熱墊在不同功率下進行測試來驗證其傳熱性能。在確認均熱板能夠滿足散熱要求后，在快速啟動和穩態運行期間對與均熱板耦合的電池堆的輸出特性進行實驗評估。結果表明均熱板在熱通量密度僅為 0.052 W/cm2的情況下有效運行在蒸發部分，同時在 48 W 下保持最大面內溫差 2.6 °C。在電池堆從 0 A 到 40 A 的快速啟動加載過程中，均熱板表現出快速的熱響應和出色的溫度均勻性，防止由于工作溫度不當而導致堆棧性能下降。與一般的風冷電池堆相比，與均熱板結合的電池堆的電壓顯著提高了 21.7%。這些結果系統地證明了均熱板用于風冷質子交換膜燃料電池堆熱管理的可行性。
展開 CAE軟件在質子交換膜燃料電池及其系統開發中的應用
由可再生能源電解水制氫，能有效解決可再生能源消納問題，而如何提升電解水制氫的效率，降低技術成本，是突破該項技術發展的關鍵。目前電解水制氫主要分為堿性電解水制氫、質子交換膜（PEM）電解水制氫、固態氧化物電解水制氫和陰離子交換膜（AEM）電解水制氫四種技術路線，其情況對比如表1所示。其中堿性電解水制氫技術成熟度最高，成本最低，但存在腐蝕問題，且啟停響應時間較長，不適合波動性電源。質子交換膜電解水制氫目前已實現初步商業化，其響應速度快，能適應波動性電源，但成本較高，且中國在質子交換膜等核心技術上有待進一步突破。固態氧化物電解水制氫效率高，工作溫度高，目前處于小規模示范階段。陰離子交換膜電解水制氫結合了堿性電解水制氫和質子交換膜電解水制氫的優點，成本較低，且能很好地適應波動性電源。該技術目前尚處于研發階段，生產規模受到限制。
表1. 四種電解水制氫技術對比
目前，我國氫氣供給結構中約77.3%來自于化石能源制氫，21.2%來自于工業副產氫，僅1.5%由電解水制氫提供。根據中國氫能聯盟對未來中國氫氣供給結構的預測，中短期來看，中國氫氣來源仍以化石能源制氫為主，以工業副產氫作為補充，可再生能源制氫的占比將逐年升高。到2050年，約 70%左右的氫由可再生能源制取，20%由化石能源制取，10%由生物制氫等其他技術供給。
1.4 各類消納途徑
氫氣用途廣泛，是重要的能源介質和化工原料氣，可被廣泛應用于交通、工業等各行業。
在交通行業，以氫燃料電池為動力，可以實現車輛使用端的零碳排放。相比電動交通工具，氫動力優勢是可實現更長續航，在低溫環境下有較好適應性，同時氫氣加注速度遠高于充電速度。因此，氫動力在貨用卡車、長途汽車應用方面中有著較大先天優勢。
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來源 | Renewable Energy
01
背景介紹
質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種將氫能轉化為電能的直接能源裝置，具有能源效率高、啟動快、無污染排放等優點，因而被廣泛應用于分布式發電、便攜式供電、交通運輸等領域。然而，PEMFC在輸出電能的同時釋放大量廢熱，影響其工作溫度。過高的溫度會導致膜電極組件降解并造成不可逆的損壞
安徽六安示范站采用先進的質子交換膜水電解制氫技術，清潔零碳，年制氫可達70余萬標立方、氫發電73萬KWh
，是我國最大的氫儲能裝機項目，對于推動氫能研究應用、服務新型電力系統建設具有重要的示范引領作用。
電解水制氫技術主要有堿性水電解制氫技術、質子交換膜水電解制氫技術和固體氧化物水電解制氫技術。
目前主要是堿性水電解（AE）、質子交換膜水電解（PEM）、陰離子交換膜水電解（AEM）以及固體氧化物水電解（SOE）四種技術路線。堿性水電解與PEM的產業化程度相對較高，前者技術成熟、成本低，但快速啟動與變載能力相對較差；后者效率高，運行靈活，與風電、光伏的適配性更佳，但當前成本仍較高。
△水電解制氫儲能原理
圖源：葉明哲工作室
電解水制氫系統由電解槽、輔助系統組成。
目前電解水制氫主要分為堿性電解水制氫、質子交換膜（PEM）電解水制氫、固態氧化物電解水制氫和陰離子交換膜（AEM）電解水制氫四種技術路線，其情況對比如表1所示。其中堿性電解水制氫技術成熟度最高，成本最低，但存在腐蝕問題，且啟停響應時間較長，不適合波動性電源。質子交換膜電解水制氫目前已實現初步商業化，其響應速度快，能適應波動性電源，但成本較高，且中國在質子交換膜等核心技術上有待進一步突破。
但氫燃料電池汽車、質子交換膜（PEM）電解水制氫等領域尚屬新鮮事物，安全技術、標準體系尚不完善。《規劃》指出，要重點建立健全氫安全相關的基礎標準，推進零部件和材料技術創新，開發氫氣泄漏檢測報警先進技術，利用互聯網、大數據、人工智能等手段及時預警風險事故。
當前氫能汽車運營和購置成本雙高。
加拿大20MW項目作為全球最大的質子交換膜電解水制氫項目可實現日產氫8640kg，該項目所采用的即為5MW質子交換膜電解水制氫設備。
丹麥1.2MW項目采用就地制氫的方案，在風電場附近建立制氫、儲氫、氫氣管道輸出一體化電解水制氫站，用于制取綠氫及配合可再生能源風電消納，同樣采用的質子交換膜電解水制氫技術。
同時，在能源低碳化方面，我們持續探索，其質子交換膜與堿性電解水技術，可應用于工業制造、化工冶煉、可再生能源綜合解決方案等多種場景，助力行業實現綠色脫碳的遠景目標。
CAE軟件在質子交換膜燃料電池及其系統開發中的應用
