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高电压技术 2023年第10期49卷 4131-4141页

作者：董雁楠李相俊韩子娇高磊马少华姚鑫沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870 新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司) 北京100192 国网辽宁省电力有限公司沈阳110004

整流器拓扑结构与电解特性是影响质子交换膜电解池(proton exchange membrane electrolysis cell,PEMEC)比能耗的主要因素。对此,考虑了电解特性中的电化学反应和电堆温度对电压模型的影响,建立了PEMEC电压灰箱模型。该模型用于研究不... 详细信息

整流器拓扑结构与电解特性是影响质子交换膜电解池(proton exchange membrane electrolysis cell,PEMEC)比能耗的主要因素。对此,考虑了电解特性中的电化学反应和电堆温度对电压模型的影响,建立了PEMEC电压灰箱模型。该模型用于研究不同电堆温度、电网供电电压及电堆电流条件下,6脉波桥式、12脉波桥式与基于脉宽调制(pulse width modulation,PWM)电流型3种整流器拓扑结构及理想直流电源对PEMEC比能耗的影响。研究结果表明,相较于6脉波桥式和12脉波桥式整流器,PWM电流型整流器具有更低的电解池比能耗,并与理想直流电源条件下计算结果相近。电解池比能耗随着电堆温度的升高而减小,随着电网供电电压和电堆电流的升高而增大。研究为多种运行工况下不同整流器拓扑结构的电解池比能耗计算提供了有效途径。

关键词：整流器拓扑结构电解特性质子交换膜电解池比能耗电堆温度

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风电电解水制氢系统的电解特性的研究

风电电解水制氢系统的电解特性的研究

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作者：密路祥新疆农业大学

学位级别：硕士

风电电解水制氢系统不仅为弃风风电就地消纳提供了一种新思路,也是未来替代传统能源、开发清洁能源的重要热点之一。基于此背景,提出从宏观与微观两个角度分别对风电电解水制氢系统的电解特性进行研究。宏观层面上,开展了在不同风速工... 详细信息

风电电解水制氢系统不仅为弃风风电就地消纳提供了一种新思路,也是未来替代传统能源、开发清洁能源的重要热点之一。基于此背景,提出从宏观与微观两个角度分别对风电电解水制氢系统的电解特性进行研究。宏观层面上,开展了在不同风速工况的输出功率下对波动电压与波动电流分别进行控制输入的实验;微观层面上,对实验所用PEM电解槽进行了仿真模拟,探究了风电工况对电解水制氢系统电解槽内部的电场分布、组分分布以及制氢速率的影响。首先在宏观角度上,搭建了电解水制氢实验系统,依据不同时刻下采集的风速与输出功率关系,对电解水制氢系统的输入电压与输入电流分别进行控制,研究了风电对电解水制氢系统电解特性的影响。结果表明,电解水制氢系统在电压达到18 V时,才会正常进行电解反应。同时当输入电压突然变化,即风速瞬时改变,电解电流和功率出现瞬时激增,随后逐渐恢复到正常电解状态,此类现象会造成电流瞬时过大,影响电解过程,甚至导致安全问题。当输入电流范围为0～3 A时,电流每增长0.1 A,氢气流量增长幅度为8 m L/min。当电压范围为22V～30 V,电流范围在0.85 A～2.85 A时,电解水制氢系统的能效因数为70%～50%。氢气流量的大小会随着电压或电流的升高而增大,得出引起制氢流量变化幅度大小的因素主要与电流有关,电压则为次要因素。其次从微观角度探究了风电工况下电解水制氢系统电解槽内部电场分布、组分分布,并对制氢速率的影响进行了研究。通过三维建模软件Solid Works对实验所用的PEM电解槽的单层电解小室进行了几何建模,利用Fluent对模型进行了仿真计算,通过稳态仿真与瞬态仿真两种方式从微观层面对PEM电解槽内部的电压分布、电流密度分布以及各组分分布进行了研究。分析发现,氢气首先产生于阴极催化层,主要集中于扩散层,单层电解小室最佳电解电压应在2 V～2.4 V之间。风电工况下,单层电解小室的电压在1.6 V～1.8 V时,水的消耗速率与补充速率持平。同一流通平面上氢气质量分数与该处电流密度大小成正比。综合宏观与微观两方面,对风电电解水制氢系统的整体与内部的电解特性进行了研究,为提高电解效率,电解水制氢系统的稳定运行以及电解槽的结构设计提供了一定的参考依据。

关键词：风电水电解制氢数值模拟电解特性

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多模式离子液体推进剂的直流电点火特性研究

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中国空间科学技术 2023年第6期43卷 74-82页

作者：陈旭灿卓建坤王尊甘辛唐勇姚兆普李水清姚强清华大学能源与动力工程系北京100084 北京理工大学宇航学院北京100081 北京控制工程研究所北京100190

直流电点火具备快速点火能力,有望取代传统催化燃烧以实现高含能离子液体推进剂的无催化快速启动。针对新型多模式硝酸羟胺(HAN)基离子液体推进剂,开展了大气条件下直流电点火实验研究。首先,测试了不同输入电压下的牺牲电极(铜和铝)和... 详细信息

直流电点火具备快速点火能力,有望取代传统催化燃烧以实现高含能离子液体推进剂的无催化快速启动。针对新型多模式硝酸羟胺(HAN)基离子液体推进剂,开展了大气条件下直流电点火实验研究。首先,测试了不同输入电压下的牺牲电极(铜和铝)和惰性电极(不锈钢、铂、银、钨、钼和石墨)的电学响应特性,获得了不同电极材料对应的最低点火电压。结果表明,采用钼和铜电极均能在输入电压80 V下实现电解点火,且临界电解响应时间小于1 s。进而,通过测试不同材料的阴阳电极组合,揭示了铜作为牺牲电极促进电化学反应的规律。最后,使用高速摄影技术捕捉了电解点火过程中气泡的生成和演变,发现阳极表面产生气泡更为剧烈。基于测试的8种电极材料实验结果,发现阳极是咪唑基离子液体电解产生气态产物的主要区域,对于离子液体的点火设计提供了理论支撑。

关键词：离子液体推进剂直流电点火电极材料电压响应曲线电解特性

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煤浆与废液协同电解制氢的研究

煤浆与废液协同电解制氢的研究

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作者：白清城浙江大学

学位级别：硕士

氢能作为重要的二次能源,在我国能源安全,区域环境污染治理,全球气候变化应对等方面至关重要。电解水制氢技术是氢能制备的重要手段之一,具有不可替代的优势,但电解水制氢电耗高严重限制了电解水制氢技术的应用与发展。电解煤浆制氢技... 详细信息

氢能作为重要的二次能源,在我国能源安全,区域环境污染治理,全球气候变化应对等方面至关重要。电解水制氢技术是氢能制备的重要手段之一,具有不可替代的优势,但电解水制氢电耗高严重限制了电解水制氢技术的应用与发展。电解煤浆制氢技术阳极以煤浆的氧化代替了析氧反应,从而使电解制氢电耗大幅度下降,但其存在产氢速率低的问题。结合我国煤资源丰富与煤化工废液有待资源化利用的背景,本文首次提出煤浆与废液协同电解制氢,利用煤化工废液改善电解煤浆制氢。本文研究了多种废液煤浆电解制氢特性,探究了电解废液煤浆的影响因素与废液对煤浆电解的影响机理,主要研究内容与结论如下:实验采用硫磺水、洗气水、排渣水、外来废水、碳化水、焦化废水、义马废水制备废液煤浆,发现硫磺水、洗气水、排渣水有利于煤浆电解制氢。以洗气水作为废液代表,发现电解洗气水煤浆制氢相比电解水与电解煤浆制氢,具有显著的产氢速率优势与能耗优势。电解洗气水煤浆制氢从氢气电流效率与氢气纯度角度具有可行性,氢气电流效率为99%,氢气纯度为98%。其阳极气体主要为CO,含有少量CO,阳极电解液电解后表现为“减碳增氧”,COD降低。长时间电解,随着洗气水中高还原性有机物的消耗,电流密度逐渐下降但始终高于电解煤浆电流密度。改变电解洗气水煤浆制氢的实验参数,探究电解过程的影响因素。发现随着搅拌速率上升,电解电流密度曲线先急剧上升,再逐渐变缓。煤粉的浓度、种类,有无催化剂,催化剂浓度主要影响煤颗粒的氧化阶段,即0.7-1V电压范围,不影响1-1.3V电压范围。在0.7-1V电压范围内,采用变质程度较低、粒径较小的煤,加入溶液催化剂三价铁离子,电解速率均会提升;煤粉浓度升高,电流密度上升,但煤粉浓度过高,会导致煤颗粒的团聚与沉淀,从而导致煤粉浓度提升对电流密度促进作用减弱,甚至使电流密度降低;三价铁离子浓度升高,电流密度曲线表现出先急剧上升,再逐渐变缓的趋势。洗气水浓度与温度变化对电解洗气水煤浆各个电压区间均有影响,洗气水浓度的影响规律为随着洗气水浓度上升,电流密度表现为先急剧上升,再逐渐变缓甚至降低;温度的影响规律符合阿累尼乌斯方程,1.1V下,电解洗气水煤浆,反应的表观活化能为45.75k J/mol。通过仿真计算、单一物质模拟废液方法,深入探究洗气水煤浆对电解煤浆制氢的影响机理。发现洗气水加入使得电解液电导率提升,但对电解过程影响极小;洗气水中Cl影响煤颗粒的氧化阶段与析氯电位以上阶段,对电解煤浆制氢影响较大。综合全文提出了洗气水在不同电压区间内对电解煤浆制氢的影响机理:电解洗气水煤浆制氢,0.7-1V范围内,主要发生煤颗粒的氧化反应,煤颗粒的氧化分为直接氧化与Fe催化氧化,氧化生成中间态的氧化物与CO气体。洗气水中的氯离子吸附在煤颗粒表面,使煤颗粒更容易向电极迁移,加快了煤颗粒的氧化,提升了电解速率。在该电压范围内,次要反应为洗气水中部分有机物被Fe催化氧化的反应。1-1.3V范围内,主要发生洗气水中高还原性有机物的氧化反应,反应不被Fe催化,反应生成中间态的氧化物与CO气体。恒压电解初期,主要发生洗气水中高还原性有机物的氧化反应;反应后期,主要发生煤颗粒的氧化反应,与0.7-1V电压范围内类似。在1.3V以上,主要发生的是析氯反应。除此之外,还发生洗气水中Cl、Fe、煤颗粒的协同氧化反应,高价态的氯参与到煤颗粒的氧化过程。

关键词：氢气煤浆废液电化学电解特性

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