質(zhì)子交換膜
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2016-03-11
質(zhì)子交換膜的視頻教程
基于simulink和Python的PEMFC動(dòng)態(tài)時(shí)間序列建模
采用simulink和Python分別對質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)建模 Simulink與Python求解微分方程（組） PEMFC的動(dòng)態(tài)機(jī)理 基于機(jī)理模型的人工智能 簡要敘述通過Python開發(fā)人工智能模型 課程源代碼微信聯(lián)系我獲取，微信號(hào)在我的最后一節(jié)課里面
￥350 3小時(shí)19分鐘 205播放
查看
質(zhì)子交換膜的實(shí)例教程
來源 | Renewable Energy
01
背景介紹
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種將氫能轉(zhuǎn)化為電能的直接能源裝置，具有能源效率高、啟動(dòng)快、無污染排放等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電、便攜式供電、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。然而，PEMFC在輸出電能的同時(shí)釋放大量廢熱，影響其工作溫度。過高的溫度會(huì)導(dǎo)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(yīng)動(dòng)力學(xué)，影響PEMFC的性能和耐久性。
02
成果掠影
近期，華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院簡棄非教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新穎的被動(dòng)冷卻方案，將均熱板集成到質(zhì)子交換膜燃料電池堆中進(jìn)行熱管理。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(jìn)行測試來驗(yàn)證其傳熱性能。在確認(rèn)均熱板能夠滿足散熱要求后，在快速啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間對與均熱板耦合的電池堆的輸出特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估。結(jié)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(yùn)行在蒸發(fā)部分，同時(shí)在 48 W 下保持最大面內(nèi)溫差 2.6 °C。在電池堆從 0 A 到 40 A 的快速啟動(dòng)加載過程中，均熱板表現(xiàn)出快速的熱響應(yīng)和出色的溫度均勻性，防止由于工作溫度不當(dāng)而導(dǎo)致堆棧性能下降。與一般的風(fēng)冷電池堆相比，與均熱板結(jié)合的電池堆的電壓顯著提高了 21.7%。這些結(jié)果系統(tǒng)地證明了均熱板用于風(fēng)冷質(zhì)子交換膜燃料電池堆熱管理的可行性。
展開 直接甲醇燃料電池被認(rèn)為是最有前途的清潔高效能源電池之一，其中，質(zhì)子交換膜是影響直接甲醇燃料電池能量效率、功率密度等的核心部件。近日，香港科技大學(xué)教授趙天壽課題組發(fā)現(xiàn)新型二維碳納米材料石墨炔是較為理想的質(zhì)子交換膜材料，具備高選擇性和高導(dǎo)電性，能有效阻隔甲醇燃料的滲透。相關(guān)成果發(fā)表于《自然·通訊》上。
傳統(tǒng)燃料電池通常以氫氣為燃料，但氫氣難以儲(chǔ)存和運(yùn)輸。直接甲醇燃料電池以甲醇為燃料，無需重整或轉(zhuǎn)化，可直接在電極上反應(yīng)轉(zhuǎn)變成電能，能量密度高、安全高效且易儲(chǔ)存，已成為近年來國際上研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。
質(zhì)子交換膜是直接甲醇燃料電池的“心臟”，其作用是阻隔陰陽兩極，傳導(dǎo)質(zhì)子。
“質(zhì)子交換膜的性能是現(xiàn)在面臨的一個(gè)‘卡脖子’問題?！壁w天壽告訴《中國科學(xué)報(bào)》，目前燃料電池用的質(zhì)子交換膜主要是美國杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜。但其最大問題是甲醇滲透率高。位于陽極的甲醇會(huì)通過質(zhì)子交換膜向陰極滲透，這一方面造成了甲醇燃料的浪費(fèi)，降低了能源利用效率；另一方面甲醇滲透到陰極后發(fā)生負(fù)反應(yīng)，導(dǎo)致催化劑中毒，大大降低電池性能，縮短電池壽命。
趙天壽課題組長期致力于燃料電池的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，有著十五年的積累。此次，研究人員全面探究了二維碳納米材料石墨炔作為質(zhì)子交換膜材料的可行性，及其質(zhì)子傳導(dǎo)率和阻醇率。
據(jù)介紹，石墨炔具備均一的孔徑結(jié)構(gòu)、孔內(nèi)尺寸可調(diào)控等特點(diǎn)，是研究質(zhì)子選擇性傳導(dǎo)行為的理想二維材料。
研究人員通過原子尺度的模擬，對石墨炔界面處的質(zhì)子及甲醇分子的穿透行為進(jìn)行分析，得到質(zhì)子傳導(dǎo)率和甲醇滲透率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨炔孔徑大于1.2nm時(shí)，石墨炔和水形成的是一個(gè)水相-真空相交錯(cuò)的界面，其中水相可以使得質(zhì)子快速傳導(dǎo)，而真空相可以有效地阻擋甲醇分子的穿透。這一發(fā)現(xiàn)為零滲透質(zhì)子選擇膜的設(shè)計(jì)提供了新的可能性。
展開 2.2、PEM 材料
作為水電解槽膜電極的核心部件，質(zhì)子交換膜不僅傳導(dǎo)質(zhì)子，隔離氫氣和氧氣，而且還為催化劑提供支撐，其性能的好壞直接決定水電解槽的性能和使用壽命。目前水電解制氫所用質(zhì)子交換膜多為全氟磺酸膜，制備工藝復(fù)雜，長期被美國和日本企業(yè)壟斷，如科慕Nafion?系列膜、陶氏XUS-B204膜、旭硝子Flemion?膜、旭化成Aciplex?-S膜等。其中科慕Nafion?系列膜具有低電子阻抗、高質(zhì)子傳導(dǎo)性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性、防氣體滲透性等優(yōu)點(diǎn)，是目前電解制氫選用最多的質(zhì)子交換膜。
長期被國外少數(shù)廠家壟斷，質(zhì)子交換膜價(jià)格高達(dá)幾百~幾千美元/m2。為降低膜成本，提高膜性能，國內(nèi)外重點(diǎn)攻關(guān)改性全氟磺酸質(zhì)子交換膜、有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合質(zhì)子交換膜和無氟質(zhì)子交換膜。全氟磺酸膜改性研究聚焦聚合物改性、膜表面刻蝕改性以及膜表面貴金屬催化劑沉積3種途徑。
Ballard公司開發(fā)出部分氟化磺酸型質(zhì)子交換膜BAM3G，熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度等指標(biāo)性能與Nafion?系列膜接近，但價(jià)格明顯下降，有可能替代Nafion?膜。通過引入無機(jī)組分制備有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合質(zhì)子交換膜，使其兼具有機(jī)膜柔韌性和無機(jī)膜良好熱性能、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能，成為近幾年的研究熱點(diǎn)。另外選用聚芳醚酮和聚砜等廉價(jià)材料制備無氟質(zhì)子交換膜，也是質(zhì)子交換膜的發(fā)展趨勢。
2.3、電催化劑
膜電極中析氫、析氧電催化劑對整個(gè)水電解制氫反應(yīng)十分重要。理想電催化劑應(yīng)具有抗腐蝕性、良好的比表面積、氣孔率、催化活性、電子導(dǎo)電性、電化學(xué)穩(wěn)定性以及成本低廉、環(huán)境友好等特征。
展開 而電解水制氫目前主要有三種技術(shù)路線，即堿性電解（AWE），質(zhì)子交換膜（PEM）電解以及固體氧化物（SOEC）三種技術(shù)路線。電解水制氫三種技術(shù)路線對比在以上三種技術(shù)路線中，PEM電解水制氫的效率較高，并且適用于可再能能源發(fā)電時(shí)的波動(dòng)性，是當(dāng)下主流也是比較有前景的電解水制氫技術(shù)，下面我們就來看一下PEM電解水制氫的技術(shù)原理。PEM電解水制氫原理與堿性電解池相比，PEM電解池用質(zhì)子交換膜代替了石棉膜，傳導(dǎo)質(zhì)子，并隔絕電極兩側(cè)的氣體，避免了堿性電解液所帶來的缺點(diǎn)。同時(shí)，PEM電解池的體積更為緊湊，結(jié)構(gòu)方面零間隙，極大降低了電解池的歐姆內(nèi)阻，提升了整體性能。PEM電解池的結(jié)構(gòu)典型的PEM電解池主要由陽極端板、陰極端板、陰陽極擴(kuò)散層、陰陽極催化層以及質(zhì)子交換膜組成。其中，端板的作用是固定電解池組件，并引導(dǎo)電流傳遞，分配水、氣，擴(kuò)散層起集流，促進(jìn)氣液傳遞等作用，催化層的核心是由催化劑、電子傳導(dǎo)介質(zhì)、質(zhì)子傳導(dǎo)介質(zhì)組成的三相界面，是電化學(xué)反應(yīng)的核心場所。質(zhì)子交換膜一般使用全氟磺酸膜，傳遞質(zhì)子，隔絕開陰陽極生成的氣體，并阻止電子的傳遞。PEM電解水技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與堿性電解水相比，PEM電解水的優(yōu)勢主要在于：1.由于采用的是質(zhì)子交換膜固體電解質(zhì)，產(chǎn)生的氣體無需進(jìn)行脫堿處理；2.效率高于堿性電解池；3.啟?？?，響應(yīng)性好4.能適應(yīng)可再能能源發(fā)電時(shí)的波動(dòng)性。PEM電解水技術(shù)的缺點(diǎn)目前PEM電解水技術(shù)的缺點(diǎn)在于成本較高，主要是由于催化劑用到貴金屬鉑，成本一時(shí)難以降低，這一點(diǎn)與燃料電池面臨的問題是一樣的，如何降低催化劑的鉑載量或?qū)ふ倚碌牡统杀镜奶娲牧希彩钱?dāng)前要研究并攻克的關(guān)鍵技術(shù)問題。
展開 加拿大20MW項(xiàng)目作為全球最大的質(zhì)子交換膜電解水制氫項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)氫8640kg，該項(xiàng)目所采用的即為5MW質(zhì)子交換膜電解水制氫設(shè)備。
丹麥1.2MW項(xiàng)目采用就地制氫的方案，在風(fēng)電場附近建立制氫、儲(chǔ)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(fēng)電消納，同樣采用的質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)。
因此，本文建議：我國應(yīng)重視質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)突破質(zhì)子交換膜電解槽的催化劑技術(shù)、雙極板材料、膜電極等關(guān)鍵技術(shù)和部件的研發(fā)和制造技術(shù)，通關(guān)提高催化劑效率降低質(zhì)子交換膜電解水制氫成本，通過研發(fā)制造更高性能的雙極板材料提高質(zhì)子交換膜電解槽的使用壽命。
目前，我國電解水裝置的安裝總量在 1500-2000套左右，電解水制氫年產(chǎn)量約9億m3，堿性電解水技術(shù)占絕對主導(dǎo)地位。
目前，國內(nèi)堿性電解水設(shè)備的單臺(tái)產(chǎn)能最大可達(dá)1000m3/h，電解水設(shè)備制造廠家主要有中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所、天津市大陸制氫設(shè)備有限公司及蘇州競立制氫設(shè)備有限公司等。
可再生能源制氫技術(shù)分類
傳統(tǒng)的電解水制氫在發(fā)電環(huán)節(jié)多采用火電，伴隨著大量碳排放，而可再生能源制氫采用的是風(fēng)電、光電等能源，是真正意義上的綠氫制取技術(shù)。
下面分別以2類典型可再生能源制氫技術(shù)展開，介紹其基本原理與系統(tǒng)架構(gòu)，并總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者研究現(xiàn)狀，對我國可再生能源制氫技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提供借鑒和參考。
展開 
質(zhì)子交換膜的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
質(zhì)子交換膜的最新內(nèi)容
熱導(dǎo)式氫氣傳感器在氧中氫分析儀中的應(yīng)用4個(gè)月前
膜故障檢測：質(zhì)子交換膜（PEM）或隔膜破損會(huì)導(dǎo)致氫氣和氧氣互竄，增加安全隱患。通過使用氧中氫傳感器，可以快速識(shí)別此類故障，避免危險(xiǎn)氣體混合。
工藝優(yōu)化與效率提升
氧氣純度驗(yàn)證：高效的電解過程要求氧氣純度≥99.5%。氫氣雜質(zhì)過高可能指示電解效率下降，需調(diào)整操作參數(shù)以優(yōu)化系統(tǒng)性能。
能效分析：監(jiān)測氫氣泄漏有助于評(píng)估電解槽的電流效率，并據(jù)此優(yōu)化能耗。
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。
談周妥 | 中興通訊股份有限公司 可靠性工程部熱設(shè)計(jì)工程師
演講主題：兩相仿真技術(shù)在通訊設(shè)備設(shè)計(jì)上的應(yīng)用
陳桂杰 | Ansys 高級(jí)應(yīng)用工程師
演講主題：Ansys電池?zé)峁芾硗暾鉀Q方案
姚翔 | Ansys 高級(jí)應(yīng)用工程師
演講主題：Ansys CFD電解制氫及燃料電池解決方案
解汶汶 | 博世（中國）投資有限公司 研發(fā)科學(xué)家
演講主題：數(shù)值模擬應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池的研發(fā)
</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，可根據(jù)用戶指定的設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)快速獲取高精度的三維多物理場結(jié)果，指導(dǎo)用戶分析產(chǎn)品的電化學(xué)性能、組份分布狀況并進(jìn)行產(chǎn)品的熱管理、水管理等；同時(shí)結(jié)合Ansys ROM降階技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)三維仿真結(jié)果降階為高精度數(shù)學(xué)模型，供系統(tǒng)級(jí)仿真模型使用
根據(jù)電解質(zhì)的不同，分為堿性燃料電池AFC、磷酸燃料電池PAFC、熔融碳酸鹽燃料電池MCFC、固體氧化物燃料電池SOFC、質(zhì)子交換膜電池PEMFC。
同時(shí)，資本的涌入帶動(dòng)了全產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展及進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新和市場細(xì)分，也為包括鋰電隔膜、光伏膠膜、質(zhì)子交換膜等在內(nèi)的新能源用高機(jī)能薄膜產(chǎn)業(yè)帶來寶貴的發(fā)展機(jī)遇。
而從國際市場看，全球各國家地區(qū)也在積極探索能源轉(zhuǎn)型，在國內(nèi)企業(yè)積極拓展海外市場的同時(shí)，海外企業(yè)也在通過大力扶持本土新能源產(chǎn)業(yè)鏈、設(shè)定貿(mào)易壁壘等方式尋求能源獨(dú)立，這也將為國內(nèi)企業(yè)的全球化發(fā)展帶來一定挑戰(zhàn)。
圍繞新能源領(lǐng)域，布局氫能、風(fēng)能、太陽能及配套新材料項(xiàng)目，建設(shè)百萬噸世界級(jí)EVA光伏新材料生產(chǎn)基地、鋰電池隔膜材料、電解液和氫燃料電池質(zhì)子交換膜等新能源重大項(xiàng)目。
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(shí)，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。
這些結(jié)果系統(tǒng)地證明了均熱板用于風(fēng)冷質(zhì)子交換膜燃料電池堆熱管理的可行性。
安徽六安示范站采用先進(jìn)的質(zhì)子交換膜水電解制氫技術(shù)，清潔零碳，年制氫可達(dá)70余萬標(biāo)立方、氫發(fā)電73萬KWh
，是我國最大的氫儲(chǔ)能裝機(jī)項(xiàng)目，對于推動(dòng)氫能研究應(yīng)用、服務(wù)新型電力系統(tǒng)建設(shè)具有重要的示范引領(lǐng)作用。
