高溫電解制氫
關(guān)注創(chuàng)建者：仿真客 創(chuàng)建時(shí)間：2023-07-06
高溫電解制氫的實(shí)例教程
基于可逆電化學(xué)反應(yīng)的電解技術(shù)提供了一種“波動(dòng)電-燃料”的新路徑，這一路徑可以電解H2O產(chǎn)出H2等符合新型能源結(jié)構(gòu)的綠色燃料，通過與可逆固體氧化物電池技術(shù)的結(jié)合，電網(wǎng)的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)與電解的制氫產(chǎn)業(yè)極有可能互助互利，即采用可再生能源波動(dòng)性電能進(jìn)行電解水，使得儲(chǔ)能成本能夠進(jìn)一步降低，同時(shí)也將間接性問題產(chǎn)生的大量棄電轉(zhuǎn)化為氫能，實(shí)現(xiàn)高效的可再生能源消納。整個(gè)過程沒有碳排放，對環(huán)境友好，實(shí)現(xiàn)真正的綠氫生產(chǎn)，具有廣闊的市場和前景。
2.Comsol設(shè)置
啟動(dòng)Comsol軟件選擇二維軸對稱
選擇自由和多孔介質(zhì)流動(dòng)、濃物質(zhì)傳遞、二次電流分布和多孔介質(zhì)傳熱模塊
選擇穩(wěn)態(tài)求解器
2.1幾何與網(wǎng)格設(shè)置
進(jìn)入幾何面板，更改單位為um。
右鍵幾何，選擇矩形，設(shè)置幾何圖形的長度與寬度。
模型陰極支撐層、陰極活性層、電解液和陽極的厚度分別為760 mm、10 mm、10 mm和15 mm。本案例的計(jì)算模型如圖所示。
進(jìn)入網(wǎng)格設(shè)置界面，選擇用戶控制網(wǎng)格
右鍵網(wǎng)格，選擇映射，在映射面板選擇區(qū)域
右鍵映射，選擇分布，在分布面板選擇邊界，并設(shè)置邊界上的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。
電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，計(jì)算量大，需要采用更加密集的網(wǎng)格。最終網(wǎng)格如圖所示。
2.2自由和多孔介質(zhì)流動(dòng)
點(diǎn)擊自由和多空介質(zhì)流動(dòng)(fp1)，選擇燃料極所包括區(qū)域
點(diǎn)擊流體屬性，填寫對應(yīng)的密度與粘度。（這里設(shè)置的是流道的流動(dòng)）
右鍵自由和多空介質(zhì)流動(dòng)(fp1)，添加流體與基體屬性，選擇對應(yīng)的區(qū)域，設(shè)置相應(yīng)的密度，粘度，孔隙率，滲透率。
展開 據(jù)悉，國家級太陽能電解水制氫綜合示范項(xiàng)目包括20萬千瓦光伏發(fā)電裝置和產(chǎn)能為每小時(shí)2萬標(biāo)方的電解水制氫裝置，為已知全球單廠規(guī)模最大、單臺(tái)產(chǎn)能最大的電解水制氫項(xiàng)目。目前，制氫綜合成本控制在每標(biāo)方1.34元。
下一步，企業(yè)將拿出全部的折舊資金和部分利潤資金，通過科技創(chuàng)新提高轉(zhuǎn)化率，降低生產(chǎn)成本，使發(fā)電成本可控制在0.068元/度，綠氫成本可控制在0.7元/標(biāo)方，打造行業(yè)成本最優(yōu)曲線，開辟了一條技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行的科學(xué)實(shí)現(xiàn)碳中和路徑，示范引領(lǐng)行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型，為國家“碳中和”做貢獻(xiàn)。
據(jù)悉，寶豐能源計(jì)劃用10年完成50%碳減排，20年實(shí)現(xiàn)企業(yè) “碳中和”，力爭成為行業(yè)率先實(shí)現(xiàn)碳中和的企業(yè)， 著力打造世界一流的科技型綠色制造企業(yè)。
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展開 氫作為一種清潔、高效的二次能源，在現(xiàn)代能源體系中扮演著越來越重要的角色。電解水制氫作為一種低碳、零排放的制氫方法，利用可再生能源產(chǎn)生的“綠電”和純水作為原料，被寄予厚望成為未來綠氫的主要來源。然而，盡管其前景廣闊，目前綠氫在氫氣生產(chǎn)總量中的占比仍然較低，受限于高昂的生產(chǎn)成本，特別是電價(jià)和制氫裝備成本。
電解水制氫的基本原理是在直流電的作用下將水分子解離為氫氣和氧氣。根據(jù)電解槽隔膜材料的不同，電解水制氫技術(shù)可分為堿性電解（AWE）、質(zhì)子交換膜（PEM）電解和固體氧化物（SOEC）電解三種。每種技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢和局限性。例如，PEM電解水制氫技術(shù)具有較高的安全性和效率，但成本較高；堿性電解水制氫技術(shù)則因其結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、成本低廉而廣受歡迎，但效率和性能相對較低，且存在環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)；而固體氧化物電解水制氫技術(shù)則具有更高的電化學(xué)性能和效率，但其高溫工作條件和啟動(dòng)慢的劣勢限制了其應(yīng)用場景。
無論采用哪種制氫方法，生產(chǎn)出的氫氣都需要達(dá)到一定的純度標(biāo)準(zhǔn)才能投入使用。電解水制氫產(chǎn)生的氫氣純度通常較高，可達(dá)99.9%以上。然而，在電解過程中，由于各種因素的影響，如電解槽缺陷、電極質(zhì)量不均勻或操作條件不合適等，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的氧氣中混入微量氫氣。如果氫氣和氧氣的混合比率超過一定限度，就可能引發(fā)安全事故。
因此，在電解水制氫過程中，對氧氣中微量氫氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測至關(guān)重要。這就需要使用氫氣傳感器來檢測氫氣純度，確保氫氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)。氫氣傳感器是一種能夠檢測氣體中氫氣濃度的儀表，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。
在電解水制氫出口氧中氫含量的檢測中，常用的氫氣傳感器有熱導(dǎo)式氣體傳感器、半導(dǎo)體氫氣傳感器、電化學(xué)氫氣傳感器、催化燃?xì)鈿錃鈧鞲衅鞯取?熱導(dǎo)式氣體傳感器的工作原理是通過測量微型機(jī)械加熱元件的溫度提升來確定氣體組分。
展開 以下介紹幾種不同的制氫方法：
① 太陽能熱化學(xué)制氫
。太陽能熱化學(xué)反應(yīng)循環(huán)制氫，又稱間接熱解水制氫。與直接熱解法制氫相比，間接法克服了溫度過高這一難題（其反應(yīng)溫度僅為900～1200K），對設(shè)備材料的依賴性大幅度減小，安全性大幅提高。如果太陽能直接對水進(jìn)行熱分解，H2和O2兩種氣體分離較為困難，同時(shí)該反應(yīng)是可逆反應(yīng)，高溫下氫與氧可能會(huì)重新結(jié)合生成水，甚至可能發(fā)生爆炸。而間接熱解水制氫反應(yīng)過程中H2和O2可以自行分離，很好地解決了這一技術(shù)難題。
雖然該方法溫室氣體排放量較少，但目前建設(shè)成本較高，技術(shù)不夠成熟，需要進(jìn)一步完善，無法大規(guī)模滿足市場要求。
② 化石能源制氫
。當(dāng)下工業(yè)大規(guī)模制氫主要仍為化石燃料制氫，全球的氫氣中大概有92%采用煤和天然氣來制備，作為主要的氫氣生產(chǎn)方式，化石燃料制氫具有技術(shù)成熟、原料成本低、裝置規(guī)模大等優(yōu)勢。其中，煤制氫和天然氣制氫是最主要的制氫方式。
煤氣化制氫技術(shù)被工業(yè)大規(guī)模制氫流程采用，其具體工藝過程有將煤炭在高溫條件下氣化生成水煤氣、CO與水蒸氣經(jīng)變換轉(zhuǎn)變?yōu)镠2和CO2、脫除酸性氣體（如CO2和SO2）、氫氣提純等工藝環(huán)節(jié)，由此可以得到不同純度的氫氣。煤制氫技術(shù)現(xiàn)已大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，因其低成本和高技術(shù)成熟度而飽受青睞。
展開 1.2、PEM水電解制氫
區(qū)別于堿性水電解制氫，PEM水電解制氫選用具有良好化學(xué)穩(wěn)定性、質(zhì)子傳導(dǎo)性、氣體分離性的全氟磺酸質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)替代石棉膜，能有效阻止電子傳遞，提高電解槽安全性。
PEM水電解槽主要部件由內(nèi)到外依次是質(zhì)子交換膜、陰陽極催化層、陰陽極氣體擴(kuò)散層、陰陽極端板等。其中擴(kuò)散層、催化層與質(zhì)子交換膜組成膜電極，是整個(gè)水電解槽物料傳輸以及電化學(xué)反應(yīng)的主場所，膜電極特性與結(jié)構(gòu)直接影響PEM水電解槽的性能和壽命。
與堿性水電解制氫相比，PEM水電解制氫工作電流密度更高（?1 A/cm2），總體效率更高（74%~87%），氫氣體積分?jǐn)?shù)更高（>99.99%），產(chǎn)氣壓力更高（3~4 MPa），動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快，能適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性，被認(rèn)為是極具發(fā)展前景的水電解制氫技術(shù)。目前PEM水電解制氫技術(shù)已在加氫站現(xiàn)場制氫、風(fēng)電等可再生能源電解水制氫、儲(chǔ)能等領(lǐng)域得到示范應(yīng)用并逐步推廣。
過去5年電解槽成本已下降了40%，但是投資和運(yùn)行成本高仍然是PEM水電解制氫亟待解決的主要問題，這與目前析氧、析氫電催化劑只能選用貴金屬材料密切相關(guān)。為此降低催化劑與電解槽的材料成本，特別是陰、陽極電催化劑的貴金屬載量，提高電解槽的效率和壽命，是PEM水電解制氫技術(shù)發(fā)展的研究重點(diǎn)。
1.3、高溫固體氧化物水電解制氫
不同于堿性水電解和PEM水電解，高溫固體氧化物水電解制氫采用固體氧化物為電解質(zhì)材料，工作溫度800~1 000℃，制氫過程電化學(xué)性能顯著提升，效率更高。
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高溫電解制氫的最新內(nèi)容
氫作為一種清潔、高效的二次能源，在現(xiàn)代能源體系中扮演著越來越重要的角色。電解水制氫作為一種低碳、零排放的制氫方法，利用可再生能源產(chǎn)生的“綠電”和純水作為原料，被寄予厚望成為未來綠氫的主要來源。然而，盡管其前景廣闊，目前綠氫在氫氣生產(chǎn)總量中的占比仍然較低，受限于高昂的生產(chǎn)成本，特別是電價(jià)和制氫裝備成本。
電解水制氫的基本原理是在直流電的作用下將水分子解離為氫氣和氧氣
<p>氫能有望減少溫室氣體排放，并幫助在 2050 年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放目標(biāo)。在面對能源供應(yīng)和低碳排放目標(biāo)的雙重壓力下，氫能作為綠色新能源產(chǎn)業(yè)愈發(fā)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(yīng)用的典型方式。</p><p>Ansys CFD產(chǎn)品提供專門的電解制氫和燃料電池仿真模塊，可對質(zhì)子交換膜電解水、堿性電解水、質(zhì)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(chǎn)及利用過程進(jìn)行仿真模擬
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學(xué)員能力提升目標(biāo)
· 了解電解水制氫的基本原理
DT新能源
獲悉，8月25日，中國石油自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的千方級堿性電解水制氫智能系統(tǒng)在獨(dú)山子石化公司成功投入運(yùn)行。
據(jù)悉，該電解水制氫示范項(xiàng)目，用于煉油加氫，可減少化石能源的消耗，減少二氧化碳等溫室氣體的排放，有助于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和要求。項(xiàng)目建設(shè)單位為中國石油天然氣股份有限公司獨(dú)山子石化分公司，制氫系統(tǒng)由中國石油深圳新能源研究院、獨(dú)山子石化公司、中國寰球工程公司、昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司聯(lián)合研發(fā)
本案例利用comsol計(jì)算SOEC在波動(dòng)電能輸入情況下的動(dòng)態(tài)特性研究。
1.背景描述
為實(shí)現(xiàn)我國環(huán)境質(zhì)量將實(shí)現(xiàn)根本性好轉(zhuǎn)，在能源方面將全面推進(jìn)能源清潔化和高效化改革，進(jìn)一步降低化石能源消費(fèi)增長速度，全面推動(dòng)化石能源減量化消費(fèi)，“十四五”期間非化石能源占能源消費(fèi)比例達(dá)到18%左右。風(fēng)能、太陽能等可再生能源由于其環(huán)保特性，在電力生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。但是，可再生能源具有高度的間歇性、
氫能分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫三大類，灰氫是通過化石燃料燃燒所產(chǎn)生的氫氣，該種氫氣的生產(chǎn)技術(shù)較為簡單，但過程中會(huì)有較多的CO2排放，不符合雙碳目標(biāo)；藍(lán)氫是將天然氣通過一系列反應(yīng)制成的氫氣。雖然在生產(chǎn)藍(lán)氫時(shí)也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，但由于在生產(chǎn)過程中使用了諸多先進(jìn)技術(shù)，所產(chǎn)生的溫室氣體被捕獲，
目前已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上測試了幾種途徑，包括高溫固體氧化物電解制氫技術(shù)和低溫水系電解質(zhì)技術(shù)，這兩種方法都涉及使用電解法從礦石中提取鐵。
我國將氫能作為戰(zhàn)略能源技術(shù)，給予持續(xù)的政策支持，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。在政策、資金等多因素疊加催化下，近幾年國內(nèi)加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)與裝備得到發(fā)展，形成長三角、珠三角、京津冀等氫能產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)區(qū)域。
數(shù)據(jù)顯示，2016-2020年間，我國燃料電池汽車的銷量分別為629輛、1275輛、1527輛、2737輛、0.1萬輛，累計(jì)超7100輛，加氫站數(shù)量已位居全球第二
導(dǎo)讀
近日，青島科技大學(xué)化工學(xué)院劉希恩教授團(tuán)隊(duì)在電解水制氫領(lǐng)域取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Boosting Hydrogen Evolution Reaction byPhase Engineering andPhosphorus Doping on Ru/P-TiO2”為題，發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上
我國的核能制氫項(xiàng)目起步于“十一五”，研究了當(dāng)初的主流工藝熱化學(xué)循環(huán)和高溫蒸汽電解制氫，并進(jìn)行了初步運(yùn)行試驗(yàn)。在“十二五”期間，設(shè)立了國家科技重大專項(xiàng)“先進(jìn)壓水堆與高溫氣冷堆核電站”，目的是掌握碘硫循環(huán)和高溫蒸汽電解的工藝關(guān)鍵技術(shù)。
