PEM電解槽的案例
管狀固體氧化物電解技術(shù)取得突破，加速工業(yè)脫碳
使用高熱和低熱
管狀固體氧化物電解(SOE)技術(shù)利用工業(yè)過程中的蒸汽分解為氧氣和氫氣，利用工業(yè)過程中的熱量降低分解分子所需的能量水平，從而降低制造氫氣或通過分解二氧化碳分子合成氣體的成本。
管子內(nèi)外的電極提供分裂分子的能量。陶瓷材料允許氧離子逸出，同時保留氫離子。
圖源：CSIRO
他們說，在800°C的溫度下，該系統(tǒng)比質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽或堿性系統(tǒng)節(jié)省30%的電力，或每公斤氫氣消耗約40KWh電力，后者需要消耗約55KWh。
亞當(dāng)森說，在“較低”的溫度下，即大約200-300°C時，它的效率也能提高20%。
“在基礎(chǔ)研究方面，CSIRO開發(fā)的單元本身非常好，所以基礎(chǔ)科學(xué)是優(yōu)秀的，是行業(yè)領(lǐng)先的。Hadean正在做的是下一步的工程設(shè)計，使其成為工業(yè)上可用的商業(yè)產(chǎn)品，安全、耐用和規(guī)模化。”他說。
這個新系統(tǒng)對兩個級別的熱量都有用。
亞當(dāng)森說，這意味著擁有過熱蒸汽的公司可以跳過將蒸汽通過渦輪機為PEM電解槽提供動力的額外步驟。
由于蒸汽中含有熱量，這意味著較低的熱量——傳統(tǒng)上必須用冷卻器冷卻，使用這個系統(tǒng)仍然是有效的。
Giddey說，這項技術(shù)可以將工業(yè)廢熱重新整合到工業(yè)過程中，這也消除了儲存和運輸成本，從而減少了工業(yè)過程中化石燃料的使用。
與方塊對壘
該系統(tǒng)的對手是方形平面陶瓷電解槽，由美國Bloom Energy和Sunfire等公司生產(chǎn)。
Giddey說，為了擴大尺寸，Hadean的系統(tǒng)更簡單，更容易堆疊在一起，CSIRO設(shè)計的制造過程也比平面選擇更簡單，因為方形平面需要使用玻璃之類的材料在邊緣進行相對廣泛的密封。
展開 熱導(dǎo)式氫氣傳感器在氧中氫分析儀中的應(yīng)用
典型應(yīng)用場景
PEM電解槽：需要連續(xù)監(jiān)測氧側(cè)氫氣，以確保膜的完整性。
堿性電解槽：防止隔膜孔隙堵塞導(dǎo)致氫氧交叉污染。
可再生能源制氫：針對波動電源（如風(fēng)電、光伏）引起的電解槽不穩(wěn)定情況，加強氣體監(jiān)測尤為重要。
標(biāo)準(zhǔn)與合規(guī)性
氧中氫分析儀的設(shè)計和安裝需遵循國際標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 22734、IEC 60079），確保在爆炸性環(huán)境中使用的安全性。
電解水制氫、氫氣發(fā)電的能量轉(zhuǎn)移邏輯
1、水電解制氫
水電解制氫是指水分子在直流電作用下被解離生成氧氣和氫氣，分別從電解槽陽極和陰極析出。根據(jù)電解槽隔膜材料的不同，通常將水電解制氫分為堿性水電解（AE）、質(zhì)子交換膜（PEM）水電解以及高溫固體氧化物水電解（SOEC）。國內(nèi)目前有中科院大連化學(xué)物理研究所、中船重工集團718研究所等單位開展PEM水電解制氫技術(shù)研究，都尚處于研發(fā)階段。
1.1、堿性水電解制氫
堿性水電解制氫電解槽隔膜主要由石棉組成，起分離氣體的作用。陰極、陽極主要由金屬合金組成，如Ni-Mo合金等，分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣。工業(yè)上堿性水電解槽的電解液通常采用KOH溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%~30%，電解槽操作溫度70~80℃，工作電流密度約0.25 A/cm2，產(chǎn)生氣體壓力0.1~3.0 MPa，總體效率62%~82%。堿性水電解制氫技術(shù)成熟，投資、運行成本低，但存在堿液流失、腐蝕、能耗高等問題。水電解槽制氫設(shè)備開發(fā)是國內(nèi)外堿性水電解制氫研究熱點。
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、陰陽極氣體擴散層、陰陽極端板等。其中擴散層、催化層與質(zhì)子交換膜組成膜電極，是整個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。
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為優(yōu)化和改進質(zhì)子交換膜(PEM)單元，國家項目ENHIGMA使用Ansys Fluent作為基礎(chǔ)工具來仿真這些單元中的流場，仿真結(jié)果將有助于制造出更具成本優(yōu)勢且更高效耐用的未來PEM電解槽。
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展開 
光伏發(fā)電制氫技術(shù)的經(jīng)濟可行性
電解水制氫目前技術(shù)成熟、設(shè)備簡單，運行和管理較為方便，制取氫氣純度較高，無污染，主要有3種技術(shù)路線。
堿性電解槽制氫。該種電解槽的結(jié)構(gòu)簡單，適合大規(guī)模制氫，價格較便宜，效率偏低約70%~80%，主要設(shè)備包括電源、陰陽極、橫膈膜、電解液和電解槽箱體組成，電解液通常為氫氧化鈉溶液，電解槽主要包括單極式和雙極式。
質(zhì)子交換膜電解槽（PEM Electrolyzer）制氫。效率較堿性電解槽效率更高，主要使用了離子交換技術(shù)。電解槽主要由聚合物薄膜、陰陽兩電極組成，由于較高的質(zhì)子傳導(dǎo)性，電解槽工作電流可大大提高，從而提升電解效率。隨著質(zhì)子交換膜、電極貴金屬技術(shù)進步，PEM電解槽制氫成本將會大大降低。
固體氧化物電解槽（Solid Oxide Electrolyzer）制氫。可在高溫下工作，部分電能可由熱能替代，效率高、成本低，固體氧化物電解槽是三種電解槽中效率最高的設(shè)備，反應(yīng)后的廢熱可與汽輪機、制冷系統(tǒng)進行聯(lián)合循環(huán)利用，提升效率，可達到90%。
電解水制氫技術(shù)路線成熟，目前未大規(guī)模推廣關(guān)鍵因素為電價問題，以目前工業(yè)用電用來制氫成本過高，市場競爭力較差。
光伏發(fā)電制氫經(jīng)濟性分析
傳統(tǒng)方式制氫成本分析
目前市場成熟制氫方式主要包括煤氣化制氫、甲醇制氫、天然氣制氫以及工業(yè)副產(chǎn)品制氫。
展開 能源可持續(xù) | 氫與仿真的力量：降低排放并加速實現(xiàn)凈零排放
例如，ENHIGMA是一個涉及不同企業(yè)以及技術(shù)和研究中心的國家項目，該項目采用Ansys技術(shù)制造低成本、節(jié)能且耐用的質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽和燃料電池。如圖(右)所示，西班牙國家氫能中心(CNH2)研究人員利用Ansys Fluent中的流動仿真優(yōu)化了PEM電池組。
一種用于產(chǎn)氫的質(zhì)子交換膜(PEM) 水電解堆(左)，通過Ansys仿真優(yōu)化電池設(shè)計(右)
Ansys仿真技術(shù)被廣泛用于單個電池設(shè)計、低成本且輕量化材料的選擇、電池組的能效優(yōu)化，以及整個燃料電池與電解系統(tǒng)的熱管理。
低溫儲存和運輸是氫生態(tài)系統(tǒng)的核心。Ansys復(fù)合材料解決方案可用于設(shè)計低溫容器，同時高度模仿其制造流程。Ansys Mechanical中的復(fù)合材料失效工具，可幫助設(shè)計人員使用高級復(fù)合材料失效準(zhǔn)則（例如Tsai-Wu、Puck和LaRC）深入評估潛在的失效模式與失效位置。此工具可進一步用于了解脆化以及裂紋形成與擴展的影響。
典型的產(chǎn)氫系統(tǒng)或氫基燃料電池裝置包含許多組件。其中大部分可以通過簡化模型來表示，但多數(shù)關(guān)鍵部件（例如燃料電池或PEM電池組），則可以用Ansys 3D物理求解器導(dǎo)出的ROM來表示。Ansys optiSLang能夠為數(shù)字孿生創(chuàng)建ROM，該軟件可實現(xiàn)仿真工具鏈自動化，并連接到魯棒性設(shè)計優(yōu)化(RDO)算法。通過連接實時傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生可以監(jiān)控并優(yōu)化操作，同時實現(xiàn)預(yù)測性維護。
大渦流仿真捕獲的氫火焰 （混合分?jǐn)?shù)）細節(jié)
仿真通過讓工程師能夠更快、更低成本地探索更多氫設(shè)計選項，將有助于行業(yè)應(yīng)對與氫能不斷普及相關(guān)的重大挑戰(zhàn)。
展開 我國氫燃料電池要攻關(guān)哪些核心材料和技術(shù)？
建議切實推動與氫燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈配套的制氫、儲運氫、加氫站的發(fā)展，穩(wěn)步降低氫氣燃料使用成本；重點發(fā)展并應(yīng)用碳捕獲與封存技術(shù)，通過風(fēng)能、水能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源，傳統(tǒng)谷電能實施大規(guī)模綠色制氫；對標(biāo)當(dāng)前國際先進水平的 2~3 mg/
cm
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催化劑 Pt 載量、3.7美元 /kg 產(chǎn)氫成本的指標(biāo)，重點采用 PEM 電解槽制氫技術(shù)路線，積極發(fā)展高溫固體氧化物電解水制氫技術(shù)。
02 | 加快關(guān)鍵材料和核心組件的技術(shù)攻關(guān)與轉(zhuǎn)化應(yīng)用
為進一步降低氫能的生產(chǎn)和利用成本，無論是氫燃料電池還是電解水制氫，需要大力開展碳纖維/ 布、PEM、催化劑、GDL、BPs 等關(guān)鍵材料或核心組件的制備技術(shù)研究與轉(zhuǎn)化應(yīng)用。建議構(gòu)建 “研究機構(gòu) / 實驗室 – 企業(yè) – 產(chǎn)業(yè)園”的協(xié)同創(chuàng)新機制，鼓勵原創(chuàng)的突破性研究成果進入企業(yè)開展 “先行先試”，及早接受市場考驗；在有條件的地區(qū)建設(shè)氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)，注重產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)以形成規(guī)模化效應(yīng)，從而促進氫燃料電池系統(tǒng)及氫氣成本的技術(shù)性下降；支持自主研發(fā)企業(yè)的產(chǎn)品進駐氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)進行培育示范，國家級實驗平臺應(yīng)側(cè)重支持企業(yè)進行產(chǎn)品論證和工況測試。多渠道、全方位引入社會資本參與加氫站、儲運氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，通過項目試點和示范運營，助推氫燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的穩(wěn)健發(fā)展。
03 |
科學(xué)制定產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，構(gòu)建政策保障體系
建議研究制定有關(guān)氫能、氫燃料電池技術(shù)的中長期發(fā)展規(guī)劃，做好系統(tǒng)的頂層設(shè)計。
關(guān)鍵技術(shù)的突破與創(chuàng)新，穩(wěn)定的專業(yè)人才隊伍是關(guān)鍵，建議在 2021—2035 年周期內(nèi)持續(xù)設(shè)立氫燃料電池國家級專項課題，提供穩(wěn)定的經(jīng)費支持，鼓勵氫能及氫燃料電池研究隊伍傾力投入研究。
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