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PEM电解槽的阳极流道结构优化及钌/铱掺杂阳极催化剂研究

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PEM电解槽的阳极流道结构优化及钌/铱掺杂阳极催化剂研究

作者：马晓锋浙江大学

学位级别：硕士

氢被认为是当今能源系统深度脱碳的必要元素,而由可再生能源电力驱动的电解水制氢可以实现制氢全过程的“零碳”要求。随着可再生能源电力大规模的发展和成本的下降,绿电制氢的技术路线大有可为。在众多的电解水制氢技术中,质子交换膜(P... 详细信息

氢被认为是当今能源系统深度脱碳的必要元素,而由可再生能源电力驱动的电解水制氢可以实现制氢全过程的“零碳”要求。随着可再生能源电力大规模的发展和成本的下降,绿电制氢的技术路线大有可为。在众多的电解水制氢技术中,质子交换膜(pem)电解水制氢技术因其动态响应速度快、运行负荷范围宽、系统结构紧凑等优点,特别适合与间歇性的可再生能源发电相耦合,实现绿氢生产。针对pem电解水制氢系统耐久性不足和成本较高的现状,本文主要围绕PEM电解槽的阳极流道结构的优化设计和低铱阳极催化剂的开发开展研究。首先,PEM电解槽在高电流密度的运行状态下,阳极侧的水会快速发生分解产生大量氧气,同时电流做功会产生大量热,长时间运行将造成PEM电解槽的阳极气体扩散层内积聚大量氧气,氧气气泡堵塞扩散层的孔隙,进而阻碍阳极流道内的水穿过扩散层到达催化层发生反应。上述现象会显著增加电解槽内的传质阻力和传热阻力,从而降低电解效率。为此,本文尝试优化PEM电解槽的阳极流道结构,力求强化传质传热过程,促进电解产生的氧气和电流做功产生的热量快速排出电解槽。本文建立了多通道的PEM电解槽三维模型,研究了通道高度、堵块、脊宽度以及流场边界等流道结构对PEM电解槽性能的影响,通过比较达到相同工作电流密度所需的电解电压、阳极扩散层内的氧气质量分数分布、膜电极的平均温度等参数分析了流道结构对电解槽性能的影响。模拟结果显示,在研究设定的电解槽尺寸下最优的通道高度为2 mm,流道顶部设置堵块可使电解电压降低约0.02 V,而减小脊宽度及不设置流场边界可使工作电压降低约0.04 V,以上结构优化均可使电解槽阳极扩散层内的氧气含量降低约2.3～10.2%,膜电极平均温度降低约1.7～7.2 K,从而使PEM电解槽的效率和稳定性得以提升。在此基础上,本文基于模拟优化的流道结构加工制造了相应的阳极流道极板并组装PEM电解槽进行测试,对模拟结果进行实验验证,实验结果表明,优化后的阳极流道结构使电解槽的电解效率提升2.5%,单位产氢能耗下降了0.24 k Wh/Nm。其次,目前pem电解水制氢系统中采用的阳极催化剂仍然以二氧化铱为主,但是铱储量低,成本高,严重制约该技术的大规模应用。为此,本文尝试开发铱掺杂钌的无定形Ir O/Ru催化剂,以降低催化剂中贵金属铱的用量。本文主要研究了铱的前驱体盐和制备温度对制备的无定形Ir O/Ru催化剂性能的影响,通过三电极体系测试和PEM电解槽测试全面评价自制催化剂的电化学性能。研究发现,以三氯化铱为铱前驱体盐、制备温度为400℃的催化剂性能最佳,且催化剂中铱的含量降低了约50%;结合XPS等现代测试技术表征了催化剂的理化特性,并解释了催化剂高活性的原因,这主要是因为无定形Ir O/Ru催化剂具有无序结构、较低价氧化态的铱和较高比例的-OH基团。并据此探讨了自制催化剂与商业催化剂的析氧反应机理之间的差异,研究发现无定形Ir O/Ru催化剂的催化过程绕过了-OOH*基团的形成,降低了析氧反应的能垒,加快了反应速率。最后,本文结合优化的流道结构和开发的无定形Ir O/Ru催化剂进行了PEM电解槽制氢性能的实验测试。结果表明,电解槽的电解效率进一步提升至77.59%,单位产氢能耗达到4.57 k Wh/Nm。

关键词： PEM电解槽流道结构膜电极催化剂

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基于STM32的电解槽测试系统设计与实现

自动化与仪表 2024年第2期39卷 110-113,118页

作者：周杰俞文光中控技术股份有限公司杭州310051

氢气除了作为绿色能源以外,其生物学价值也非常广泛。有日本医学专家教授研究证实,氢气能帮助人体保持健康,因为氢气能通过选择性抗氧化作用清除体内有害的恶性自由基。近年来,出氢量小于600 mL/min的小型电解槽被广泛应用于吸氢机以及... 详细信息

氢气除了作为绿色能源以外,其生物学价值也非常广泛。有日本医学专家教授研究证实,氢气能帮助人体保持健康,因为氢气能通过选择性抗氧化作用清除体内有害的恶性自由基。近年来,出氢量小于600 mL/min的小型电解槽被广泛应用于吸氢机以及富氢水机。该文以小型PEM电解槽为对象,针对其性能测试设计开发了一套基于STM32的多通道电解槽测试系统,该测试系统具有水箱液位检测及自动补水、纯水TDS检测、电解槽直流电流给定、电解槽电压检测、电解槽出氢口堵塞检测、电解槽出水及出氧状态检测以及数据通讯等功能。本系统通过测试,运行稳定,操作方便,检测快速,提升了电解槽的测试效率。

关键词：电解水制氢 PEM电解槽测试系统 STM32

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新能源-pem电解制氢全寿命经济性评估

中国电力 2023年第3期56卷 30-35,46页

作者：袁铁江张红杨洋王正一大连理工大学电气工程学院辽宁大连116024

一次性投资成本、运行成本高且随机功率输入对其制氢效率与耐久性负面影响制约质子交换膜电解槽规模化应用。首先,考虑质子交换膜(proton exchange membrane,pem)电解制氢系统长时运行效率衰减及其输入功率波动对电解槽耐久性的影响,建... 详细信息

一次性投资成本、运行成本高且随机功率输入对其制氢效率与耐久性负面影响制约质子交换膜电解槽规模化应用。首先,考虑质子交换膜(proton exchange membrane,pem)电解制氢系统长时运行效率衰减及其输入功率波动对电解槽耐久性的影响,建立新能源-PEM电解槽全寿命周期成本模型;然后考虑售氢收入与等效环境收入等,建立其全寿命周期收入模型,进而建立全寿命周期经济评估模型;最后结合某区域实际数据,通过算例仿真,验证所提模型与方法的有效性及PEM电解槽制氢系统的经济可行性,为pem电解制氢技术的规模化应用提供理论依据。

关键词：新能源 PEM电解槽效率衰减模型寿命预测全寿命周期经济性

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光储一体化耦合制氢系统控制策略及仿真分析

热力发电 2022年第11期51卷 148-155页

作者：李建林赵文鼎梁忠豪闫涛储能技术工程研究中心(北方工业大学) 北京100144 中国电力科学研究院北京100192

针对光伏制氢系统受环境影响导致光伏出力波动性强、制氢效果不理想等问题,在光储耦合制氢系统模型基础之上,以提升光伏发电质量、平滑制氢以及增强系统稳定性为目的,采用了一种基于稳压控制的光储一体化耦合制氢系统控制策略。该控制... 详细信息

针对光伏制氢系统受环境影响导致光伏出力波动性强、制氢效果不理想等问题,在光储耦合制氢系统模型基础之上,以提升光伏发电质量、平滑制氢以及增强系统稳定性为目的,采用了一种基于稳压控制的光储一体化耦合制氢系统控制策略。该控制策略包括光伏系统的最大功率点跟踪(MPPT)控制,电化学储能系统自适应协调控制等,可在实现最大光资源利用的同时,保证母线电压稳定以及制氢平滑性,通过仿真验证了该控制策略的有效性。

关键词：光伏系统 MPPT 稳压控制 PEM电解槽制氢

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铁（钴）基复合材料用于析氢反应

铁（钴）基复合材料用于析氢反应

作者：倪昭童暨南大学

学位级别：硕士

电解水是可持续生产氢气的一种有前途的方法,可满足全球对氢日益增长的需求并缓冲大规模波动的可再生能源,是最有前景的解决方案之一。电解过程中所用的贵金属催化剂(铂、氧化铱)具有较低的过电势和较快的反应动力学,但是贵金属价格昂贵... 详细信息

电解水是可持续生产氢气的一种有前途的方法,可满足全球对氢日益增长的需求并缓冲大规模波动的可再生能源,是最有前景的解决方案之一。电解过程中所用的贵金属催化剂(铂、氧化铱)具有较低的过电势和较快的反应动力学,但是贵金属价格昂贵,考虑到成本问题,使用贵金属催化剂制氢这一方法不能达到电解水制氢发展的大规模应用。因此研发高活性低成本的非贵金属电催化剂是将来重要的研究方向。本文主要通过碱性电解槽制氢法(碱法)和质子交换膜法(pem)展开电解制氢的研究,并且将阳极贵金属催化剂与自制阴极非贵金属催化剂相结合,以实现更好的产氢效率。主要研究内容如下:(1)使用乙二胺四乙酸(EDTA)辅助浸渍法制备了片状Fe OOH负载在泡沫镍上作为析氢(HER)和析氧(OER)的电催化剂。实验结果表明,当Fe/Ni的比例为4:1时,催化剂具有优良的催化活性。其10 m A cm的电流密度对应析氢过电势为145 m V,塔菲尔斜率为88.6 m V dec;在100 m A cm的电流密度对析氧过电势为358m V,塔菲尔斜率为56m V dec。此外,在全解水测试中,该催化剂在1.64 V下可以有效分解水。(2)将钴源、锰源、葡萄糖和三聚氰胺混合后,经过两次高温煅烧成功制备Co/Mn O@NC析氢催化剂。当Co/Mn的比例为1:2时,催化剂具有优异的析氢性能(电流密度10 m A cm时的析氢过电势为79 m V,塔菲尔斜率为103 m V dec)。(3)为了研究大片面积电极的实际效果,将Co/Mn O@NC析氢催化剂涂敷在Ti片上作为阴极,商用贵金属催化剂作为阳极,结合117质子交换膜,研制一款紧凑而实用的pem电解水装置。研究结果表明,该pem电解装置经过6 h的通电活化可有效稳定产氢。在2.5 V以上的电压,电解产氢的效果较为明显。同时,产氢量随着温度和电压增加而快速增大,其中,电压对产氢量的影响远大于温度。此外,当电压增至8 V时,该装置每小时可以产生375 ml氢气。

关键词：氢能氢析出反应氧析出反应过渡金属氢氧化物 PEM电解槽

基于STM32的吸氢机控制系统的设计与实现

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自动化应用 2024年第9期65卷 52-54页

作者：周杰中控技术股份有限公司浙江杭州310051

氢气能帮助人体保持健康,其机理是氢具有理想的抗氧化能力,能中和带走人体内恶性自由基。以吸氢机为对象,针对其功能特点设计开发了基于STM32的吸氢机控制系统,该吸氢机控制系统具有水箱水位检测、纯水TDS检测、倾倒检测、水箱消毒、电... 详细信息

氢气能帮助人体保持健康,其机理是氢具有理想的抗氧化能力,能中和带走人体内恶性自由基。以吸氢机为对象,针对其功能特点设计开发了基于STM32的吸氢机控制系统,该吸氢机控制系统具有水箱水位检测、纯水TDS检测、倾倒检测、水箱消毒、电解槽电源控制、电解槽电压检测、电解槽散热以及显示等功能。经过测试验证,该控制系统能够在吸氢机上长期稳定运行,便于用户交互操作。

关键词：吸氢机 PEM电解槽 STM32

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光伏-pem制氢直接耦合系统建模与仿真

现代电子技术 2022年第19期45卷 178-181页

作者：周涣田易之新疆大学新疆乌鲁木齐830000

利用电解水制氢是当前解决可再生能源弃电的方案之一,为解决光伏发电系统中存在的弃光问题,针对光伏-pem(质子交换膜)制氢直接耦合系统,在Matlab/Simulink环境中建立耦合系统的模型,将PEM电解槽直接耦合到功率为10 kW的光伏阵列中以产... 详细信息

利用电解水制氢是当前解决可再生能源弃电的方案之一,为解决光伏发电系统中存在的弃光问题,针对光伏-pem(质子交换膜)制氢直接耦合系统,在Matlab/Simulink环境中建立耦合系统的模型,将PEM电解槽直接耦合到功率为10 kW的光伏阵列中以产生氢气,建立了预测电解槽制氢速率的方程,并模拟PEM电解槽的制氢过程,通过仿真得到了制氢电解槽制氢速率随光照强度变化的曲线,不同光照强度下的制氢速率不同,从而可以得到耦合系统在不同光照条件下的制氢速率,在此基础上制氢电解槽可以与光伏发电系统相匹配,理论上可以尽可能地消纳弃光,一定程度上提高能量的利用率。通过仿真实现直接耦合系统的工作运行过程,有助于缓解与太阳能、风力发电和其他间歇性发电机相关的储能问题,为后续研究提供实验基础。

关键词：可再生能源直接耦合系统光照强度 PEM电解槽制氢速率系统建模仿真模型

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太阳能电解水制氢系统的建模与仿真研究

太阳能电解水制氢系统的建模与仿真研究

作者：张财志西南交通大学

学位级别：硕士

随着全球能源短缺和环境污染问题的日益严重,开发利用新能源已经是世界各国不得不面临的现实。太阳能以光辐射的形式向地球辐射巨大的能量,它是最具开发潜力的清洁新能源。氢能以其清洁无污染,高效,可储存和运输等优点,被视为最理想的... 详细信息

随着全球能源短缺和环境污染问题的日益严重,开发利用新能源已经是世界各国不得不面临的现实。太阳能以光辐射的形式向地球辐射巨大的能量,它是最具开发潜力的清洁新能源。氢能以其清洁无污染,高效,可储存和运输等优点,被视为最理想的能源载体和储能方式。对清洁能源的开发利用与储存越来越受到世界各国的广泛重视。利用太阳能发电电解水而得到氢气的开发利用与储存新能源技术越来越受到各国科技工作者关注,而太阳能发电电解水而得到氢气系统的理论模型研究却相对较少。本论文结合新加坡淡马锡理工学院清洁能源中心的国家级项目“太阳能电解水制氢系统”,通过建立系统相关的数学模型和运用MATLAB软件对系统进行理论分析研究。在深入学习和研究了国内外相关项目的研究成果基础上,首先建立了系统的各个子系统(太阳能发电子系统、pem电解子系统)的数学模型,并应用MATLAB软件对各个子系统分仿真分析。针对太阳能发电子系统输出不稳定而电解子系统输入功率尽量稳定而提出设计缓冲储能单元子系统,建立了缓冲储能单元子系统的数学模型并进行了仿真分析。通过仿真从而得到了系统各个子系统的工作特点,然后研究和设计了整个系统能量管理策略。接下来进行了系统仿真并介绍了部分实验和实验样机。最后结合本论文的研究结果和部分实验,在文章结尾总结了取得的成果,提出了系统的不足,给出了作者的建议,同时对该项目进行了分析和展望。本论文立足太阳能发电电解水而得到氢气系统的理论模型,并充分考虑工程应用中的实际因素,为实际系统方案设计提供理论依据和对实际系统设计起到指导作用。

关键词：太阳能氢气 PEM电解槽缓冲储能能量管理

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pem电解制氢技术问题及现状分析

山东化工 2024年第4期53卷 105-109页

作者：张显峰唐乾刘伟徐凤麒王廷勇青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司山东青岛266101

对国内外质子交换膜(Proton exchange membrane,简称pem)电解制氢市场、技术进行了全面的分析,同时对PEM电解槽、制氢系统及可再生能源制氢存在的技术问题进行了探讨,提出了解决措施。分析表明,国外pem制氢系统无论市场还是技术都处于... 详细信息

对国内外质子交换膜(Proton exchange membrane,简称pem)电解制氢市场、技术进行了全面的分析,同时对PEM电解槽、制氢系统及可再生能源制氢存在的技术问题进行了探讨,提出了解决措施。分析表明,国外pem制氢系统无论市场还是技术都处于领先地位,其中电解槽电流密度和寿命,以及制氢系统腐蚀防护技术、系统内部纯水净化控制技术、系统噪音控制技术和安全控制技术都优于国内产品。膜电极的氢气渗透率、催化剂的负载种类和形式,气体扩散层的材料替代、加工制造技术和耐久性的改性优化,以及双极板的厚度、板材替代、制造工艺和表面涂层沉积工艺等是PEM电解槽主要研究方向和突破点。如何解决可再生能源电源质量波动对电解制氢系统的不利影响是未来的发展方向。

关键词： pem制氢市场 PEM电解槽膜电极 pem制氢系统可再生能源制氢