質子交換膜電解水的案例
可再生能源電解水制氫儲能應用前景廣闊
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
車用質子交換膜燃料電池水熱管理
新型被動冷卻方案：用于質子交換膜燃料電池堆的均熱板
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
CAE軟件在質子交換膜燃料電池及其系統開發中的應用
氫能產業發展如何破局？與新型電力系統建設融合發展路徑探討
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。
展開 鋁基體超疏水微柱陣列的掩膜電解加工研究
試驗結果
（1）通過掩膜電解加工過程對微柱陣列尺寸影響的有限元仿真，發現直流電源加工時存在側壁腐蝕，掩膜電解加工最終將得到具有一定錐度的微柱陣列，并據此確定了微柱陣列柱頂直徑d和柱高度h為衡量陣列結構尺寸的基本參數，結合對電解液電流效率特性的研究，擬合出了加工電流密度在3~7 A/cm2范圍內時，微柱陣列直徑d和高度h與電解加工電流密度I和加工時間t的代數關系，為微柱陣列尺寸的調控提供了依據。
（2）采用BP212-37S紫外正性光刻膠、菲林膠片掩膜板和質量分數為15%的NaNO3電解液進行掩膜電解加工試驗，證明了仿真結果與實際形貌只在場強分布較弱的柱結構側壁略有差異，仿真對關鍵尺寸參數d與h的預測結果較為準確。
（3）采用氟硅烷乙醇溶液對獲得的微柱陣列進行低表面能修飾，獲得了接觸角超過150°的超疏水表面。
（4）根據Cassie-Baxter理論模型，發現掩膜電解加工構建的超疏水微柱陣列的接觸角與Cassie-Baxter理論接觸角基本一致，并依靠這一關系，通過改變掩膜尺寸和電解加工參數可得到結構尺寸與接觸角皆可控的超疏水微柱陣列。
圖1 掩膜電解加工技術在鋁金屬基體上加工超疏水微柱陣列的有限元仿真過程
圖2 掩膜電解加工技術構建的鋁基體超疏水微柱陣列
結論
本文針對現有方法難以在金屬基體上構建超疏水微柱陣列，提出采用掩膜電解加工技術加工鋁基體超疏水微柱陣列，并通過仿真分析與實驗研究得出了電解加工參數對微柱陣列尺寸及潤濕性的影響規律，建立了微柱陣列尺寸及潤濕性的調控方法。
展開 Ansys CFD電解制氫及燃料電池解決方案【8月21日直播】
在面對能源供應和低碳排放目標的雙重壓力下，氫能作為綠色新能源產業愈發受到重視，采用可再生能源電解水制氫并作為燃料供給燃料電池，成為氫能綠色應用的典型方式。</p><p>Ansys CFD產品提供專門的電解制氫和燃料電池仿真模塊，可對質子交換膜電解水、堿性電解水、質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池等多種氫能生產及利用過程進行仿真模擬，可根據用戶指定的設計輸入參數快速獲取高精度的三維多物理場結果，指導用戶分析產品的電化學性能、組份分布狀況并進行產品的熱管理、水管理等；同時結合Ansys ROM降階技術還可實現三維仿真結果降階為高精度數學模型，供系統級仿真模型使用。</p><p><strong>8月21日</strong>，Ansys 將推出<strong>「Ansys CFD電解制氫及燃料電池解決方案」</strong>主題網絡研討會。歡迎氫能、電解制氫、燃料電池工程師，和其他對氫能領域感興趣的仿真工程師積極報名參會。 </p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/sJ5jnYn8Sice8bWRVajNb0MQXWvHxvRPRZ1CCpp6siaw456HckfuUbv0fibSQmm5Ub6MRCM81yroQLMrZIbrukXKA/640?
展開 《德國應化》理化所江雷院士、青島大學隨欣/范汶鑫/隋坤艷：抗膨脹梯度聚電解質水凝膠膜作為高性能滲透能發電機
【摘要】
新興的由兩種不同多孔膜組成的不對稱離子膜在收集清潔和可再生滲透能方面表現出極大的優勢。限制其應用的主要障礙是界面不兼容和界面離子傳輸效率低，不利于長期穩定性和功率密度的提高。
最近，中國科學院理化技術研究所江雷院士，青島大學隨欣教授/范汶鑫副教授/隋坤艷教授科研大團隊，共同通過超快反應擴散法制備的連續梯度全多糖聚電解質水凝膠膜已被證明能夠實現高性能的滲透能轉換。除了固有的高離子電導率和優異的離子選擇性外，抗溶脹梯度聚電解質膜保留了非對稱膜的離子二極管效應，以促進單向離子擴散，但避免了它們不利的界面效應。因此，基于梯度聚電解質膜的發電機可以通過混合海水和河水呈現 7.87 W/m2 的超高功率密度，遠遠優于最先進的膜。本研究中的設計策略可以為構建用于滲透能收集的高性能膜提供新的見解。相關論文以題為Anti-swelling gradient polyelectrolyte hydrogel membranes as high-performance osmotic energy generators發表在《Angewandte Chemie International Edition》上。第一作者是青島大學碩士研究生邊國帥同學。
【主圖導讀】
【梯度聚電解質水凝膠膜的制備與表征】
圖 1. 梯度全多糖聚電解質水凝膠膜滲透發電機示意圖。(a)多糖聚電解質的材料資源和分子結構、所得水凝膠膜的梯度結構和滲透能收集過程的示意圖。(b 和 c) 梯度 CS/SA 水凝膠膜的橫截面 SEM 圖像 (b) 和 CLSM 圖像 (c)。
【離子跨膜傳輸特性】
圖 2. 跨膜離子傳輸特性。(a) 梯度 CS/SA 膜的離子電導與鹽濃度的關系。
展開 干貨分享│煉化企業制氫方式都有哪些？哪種最劃算？
3
電解水制氫
電解水制氫方法根據電解質的種類不同，可分為堿性電解水制氫、質子交換膜電解水制氫和固體氧化物電解水制氫等。堿性電解水技術已經在國內商業化應用，為替代石棉隔膜，中船重工第七一八研究所等研究機構開展了堿性陰離子交換膜電解水制氫技術的研究，相較于傳統堿性電解水技術，采用非貴金屬催化劑，成本較低、可達到更高的電解電流密度，大幅縮小電解槽體積，是未來電解水技術的重要發展方向之一。與堿性電解水相比，質子交換膜技術顯著減小了電解槽尺寸和重量，電流密度更大，對電源的波動適應性更好，是比較理想的新能源制氫技術，缺點是催化劑為貴金屬和較高的投資成本。固體氧化物電解水技術是近年來研究較多的電解水技術，由于采用高溫電解，電解所需的焓變低于低溫電解技術，因此效率高于質子交換膜(PEM)純水電解，且具有可逆的潛力，但固體氧化物電解水技術尚處于實驗室研發階段。不同電解水制氫技術的比較見表1。
電解水制氫具有綠色環保、生產靈活、純度高等特點，但其單位能耗相對于其他制氫方式較高，氫氣制取成本受電價的影響較大。
幾種制氫工藝的經濟性比較
1
工業副產氫成本分析
由于氫氣在氯堿生產、PDH和乙烷裂解工藝中并非首要產物，僅考慮其原料消耗和少量制造費用，以及氫氣提純成本，測算的副產氣體用于燃料氫的綜合成本為5~6元/kg。工業副產氫可為氫能產業發展初期提供低成本、分布式氫源。
2
化石原料制氫成本分析
從成本方面對煤制氫和天然氣制氫進行分析，成本的比較如表2所示。
展開 氫儲能技術路線圖譜
新能源+氫儲能，可以利用可再生資源特別是“棄風棄光”進行電解水制氫，再用氫氣發電，包括燃料電池發電上網和氫燃料電池汽車等在交通領域的應用。
相比電化學儲能，氫儲能更加高效。氫儲能適用于長時間、跨區域、靈活應對可再生能源季節性波動的儲能場景，是少有的能夠儲存上百千瓦時以上的儲能形式。
氫儲能技術可以在多個儲能領域發揮重要作用，使得它具有更豐富的商業化路徑和應用場景。這也讓氫儲能產業更具想象空間。
01
氫儲能技術路線圖
氫儲能的發展，需要從制氫、儲氫、運氫、發電等方面整體規劃， 在關鍵技術上進一步突破。
電解水制氫是一種清潔的制氫方式。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。電解槽是電解反應發生的主要場所，輔助系統則包括電力轉換、水循環、氣體分離、氣體提純等模塊。從成本構成來看，電解槽在制氫系統總成本中的占比約為40%-50%，此外電力轉換系統、水循環系統以及氫氣收集系統也在總成本中占據較高的比例。
圖源：IRENNA、東北證券
氫儲能技術路線圖如下：
02
氫儲能產業圖譜
氫儲能技術可以在多個儲能領域發揮重要作用，使得它具有更豐富的商業化路徑和應用場景。
氫儲能產業鏈，可大致分為制氫、儲運以及應用三個環節。
展開 碳中和|電解海水制氫的機遇
光合細菌產氫是通過光裂解有機酸完成的，而不是簡單地光解水。光合產氫途徑是在固氮酶或氫酶催化下，將光合磷酸化與還原性物質代謝耦連，利用吸收的光能與代謝產生的還原力產生氫氣的一種過程。
二、直接電解海水的機遇與挑戰
電解水制氫技術比較傳統化石能源制氫技術仍然不夠成熟，現在電解水制氫技術整套機制最大的劣勢在于成本。但電解水制氫具有工藝簡單、無污染、產出氫氣純度高等優勢，能夠很好地與可再生能源結合，達到大幅度降低制氫成本的效果[9]。目前，電解淡水制氫已經被廣泛使用，但是淡水儲量在地球上所有水資源中只占2.53%，且淡水中有極大一部分儲存在冰山、冰川中，其難以被人類利用，據調查，能被人類利用的淡水只占淡水總儲量的0.3%。
大力發展電解海水制氫工業，再結合我國沿海相對成熟的海上風電系統，可以實現相對完善的氫能大規模、無污染的制取工業。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。目前美國、日韓和歐洲均將電解水制氫技術視為未來能源技術的主流發展方向，主要聚焦將堿性水電解制氫技術規模化和將質子交換膜水電解制氫技術產業化，重點圍繞該技術的“電解效率”“耐久性”和“設備成本”三個關鍵降本性能指標來推進整體技術研發。
① 電解水制氫原理
。電解水的基本原理是以電能作為能量來源，推動水分子在電極上發生電化學反應，生成氫氣和氧氣。圖1形象地解釋了電解水制氫的原理。
展開 
國內最大電化學儲能電站全容量并網！儲能未來復合增速為103%！
中國第一座「抽水蓄能電站」
5月9日，初夏時節，站在崗南水庫主壩上向西望去，群山吐翠，碧波蕩漾，遠來的滹沱河在這里被攔截，形成巨大的水面，讓人生出“高峽出平湖”的感嘆。
流出崗南水庫的滹沱河變得溫婉可人，穿過崗南鎮向下游黃壁莊水庫流去。水庫主壩下游河道中有一座并不起眼的建筑，河北華電混合蓄能水電有限公司崗南電站的3臺機組正在運行中。
崗南電站規模不大，有兩臺單機容量1.5萬KW的水輪發電機組，一臺1.1萬千瓦的抽水蓄能機組。
中國第一個
「MW級氫能電站」
去年7月，國內首座兆瓦級氫能綜合利用示范站在安徽六安投運，標志著我國首次實現兆瓦級制氫-儲氫-氫能發電的全鏈條技術貫通。
該示范站位于安徽省六安市金安區經濟開發區，額定裝機容量1MW，占地面積超7000㎡，主要配備兆瓦級質子交換膜制氫系統、燃料電池發電系統和熱電聯供系統、風光可再生能源發電系統、配電綜合樓等，是國內首次對具有全自主知識產權“制、儲、發”氫能技術的全面驗證和工程應用。
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。所制氫氣可在氫燃料電池車、氫能煉鋼、綠氫化工等領域廣泛應用，氫能發電可用于區域電網 調峰需求，將夜間‘低谷’電力轉化為氫能儲存起來，代替火力在用電高峰時發出，具有巨大的節能效益。
展開 我們為什么要大力發展氫能？
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。考慮到燃料熱值和發動機熱效率，終端車輛使用的氫氣價格降至35元每千克時可與柴油持平。
目前國內終端用氫成本高達50元每千克，其中制取、儲運、加注環節各占三分之一。同時，當前96%的氫氣由化石能源制取，成本較低，若改為電解制氫，以每千克氫氣耗電50度、度電價格0.5元計算，僅用發電成本就高達25元。
此外，目前國內氫燃料電池系統每千瓦售價約5,000元，約為豐田產品的2-3倍、國內柴油發動機的5倍、鋰動力電池的2倍。
成本下降依靠綠電推廣和國產技術成熟。據歐陽明高院士團隊測算，當可再生能源發電的度電價格低于0.15元時，電解制氫經濟性就可與傳統灰氫相當。
考慮到電網售電成本很難降到這一水平，需要進一步發展具有無功率狀態啟動能力的PEM制氫技術，與波動率較大的離網光伏、風電進行耦合。根據中國汽車工程學會預測，我國氫氣終端成本有望到2025年降至40元/kg、到2035年進一步下探至25元/kg，實現與傳統油氣平價的目標。
燃料電池系統方面，成本下降的最大驅動力是電堆、膜電極、質子交換膜等核心零部件的技術成熟和自主可控。燃料電池示范應用政策對國產零部件的裝機量提出了明確的量化考核要求，《規劃》也將推進燃料電池技術創新、開發關鍵材料、提高主要性能指標和批量化生產能力置于重要的位置。
展開 社招+校招丨“世界500強”康明斯新能源事業部熱招職位等你來！
新能源動力事業部
我們通過積極布局與開發氫能領域技術能力，為客戶提供“制儲運加用”全產業鏈系統解決方案，設計并生產質子交換膜與固態氧化物燃料電池系統和核心部件，以及高壓儲氫系統、電解水制氫設備、兆瓦級氫能與多元能源耦合解決方案。
