光伏耦合电解水制氢系统的建模与仿真

  目的  提出了一种光伏耦合电解水制氢系统建模的方式,特别是单独搭建了电解槽模块,目的是为了解决电解槽仿真模块与其他系统仿真模块模拟信号不统一和无法联动的问题。电解槽是光伏耦合电解水制氢系统中的关键设备,以往对于电解槽的模型仿真多是基于电化学理论基础,利用信号模型方式建立,这使电解槽与其他电力组件连接时产生了信号传递方式不统一、建模复杂等问题。  方法  为了解决这一问题,提出了利用等效电阻模拟电解槽电气外特性的方法。通过对已知电解槽的工作特性曲线拟合,得到了电解槽工作电流与阻抗的关系式。电解槽等效电阻的信息继承自拟合曲线,并作为负载接入到系统当中。当系统电源产生波动时,电解槽仿真模块可根据系统工况调节负载大小,做到与系统电源联动。  结果  仿真结果表明:所搭建的光伏耦合电解水制氢系统可以根据输入光照信息,准确预测产氢量,并可随光伏电源波动调整负载大小,拟合结果残差值≤±0.2。  结论  此方法简化了光伏耦合电解水制氢仿真系统,统一了仿真信号,并且形成了模块化的仿真组件,方便系统的扩展。仿真输出结果符合电解槽运行实际,达到了预期目标,证明了本仿真方法的可行性。     

预磁极化条件下PEM水电解制氢特性与效率研究

为提高质子交换膜（proton exchange membrane,PEM）水电解制氢速率、降低电解所需能耗,针对磁场预极化条件下蒸馏水的分子极性和应力特性进行研究,通过构建磁场环境下氢质子的能级跃迁微观物理模型与磁化矢量——极化氢质子浓度对应的宏观数学模型,对不同磁场强度下电解液的离子电导率、电流密度和制氢速率进行定性和定量分析,并利用自主搭建的可调节预磁极化PEM水电解制氢试验平台对所提出方法的有效性进行重复试验。试验结果表明,经过预磁极化处理的蒸馏水电导率提高了2~3倍,且随着磁场强度的增加,PEM电解电流密度不断增大,极间电圧不断减小,制氢速率明显提升。     

基于PEMWE的光伏氢能生产系统的性能分析

提出了利用光伏电能通过质子交换膜水电解池(PEMWE)电解水制氢气的光伏氢能生产系统,实现光伏电能的长期能源存储,其主要元件包括光伏组件、PEMWE、氢气罐和氢气压缩机等。建立了各元件数学模型和系统效率模型,使用MATLAB搭建了基于PEMWE的光伏氢能生产系统的仿真模型,并对其运行性能进行了分析。仿真结果表明,PEMWE可以在变功率模式下将光伏电能转换为氢能,系统效率达70%左右。     

风电光伏波动性电源对电解水制氢电解槽影响的研究进展北大核心CSCD

通过可再生能源电解水制氢,用于交通、工业等亟需脱碳的领域,是实现绿色可持续发展的重要技术路径。可再生能源具有波动性特征,风电表现为实时随机波动,而光伏发电表现为较为规律的昼夜周期特性。当电解槽输入波动性电源时,电解槽电压和电流发生变化,电流变化幅度明显高于电压。本文综述了碱性电解槽和质子交换膜电解槽在波动性电源输入下的性能衰退机制和材料劣化机理。对于碱性电解槽,波动性电源变化在分钟级以下时,电解槽无法快速跟随响应,导致反应平衡和热平衡无法建立,可能产生电极催化剂溶解、聚集,隔膜机械损伤,电解液析出堵塞反应通道等现象,使得电解槽性能发生衰减。对于质子交换膜电解槽,电源波动性导致阳极催化剂溶解、迁移、沉积和聚集,隔膜由于局部热点和羟基自由基攻击发生降解,双极板发生溶解和氧化腐蚀,导致电解槽性能下降。基于波动性对电解槽的工况-材料-结构-性能影响规律,进行正向设计开发,研究缓解策略,提升电解槽抵抗电源波动性能力,从而增加可再生能源利用率,对于降低电解水制氢成本、推动规模化应用具有重要意义。     

风光耦合制氢系统典型设计方案研究

 随着风光耦合制氢项目规模的增大和数量的增多,为了满足可再生能源制氢系统设计、主设备选型和经济方案比选需要,文章结合多个风光氢储一体化项目设计经验,提炼出风光耦合制氢系统典型设计方案,给出设计选型的依据。  文章从风光氢储装机容量配置方案、电解制氢设备性能、整流电源选型、氢氧分离和纯化设计,以及经济性和绿氢市场等方面介绍风光耦合制氢设计方案。  装机容量配置可通过约束条件采用开发的设计软件匹配优化;制氢设备选型现阶段仍以碱性电解装备为主,质子交换膜（Proton Exchange Membrane,PEM）电解装备可做小规模工程示范;晶闸管和绝缘栅双极型晶体管（IGBT,Insulated Gate Bipolar Transistor）整流电源各有优点,IGBT整流逐渐有工程应用;氢氧分离和纯化可根据项目规模特点作相应配置优化,节约投资;风光制绿氢市场规模巨大,随着化石能源价格高企和风光制氢系统造价降低,加之产品的绿色属性,绿氢已初具经济性。  风光耦合制氢项目仍处于起步示范阶段,需要装备技术进步、设计方案优化和一定的政府政策支持,共同促进绿氢产业发展。     

电流密度和运行温度对PEM水电解制氢能耗的影响

质子交换膜（PEM）水电解制氢技术是采用绿电制取绿氢的重要方法,对我国实现双碳目标具有重要意义。优化运行参数是降低PEM水电解制氢系统能耗的一种重要途径。建立一套工业级PEM水电解制氢实验装置,通过现场实验,考察电流密度和运行温度对PEM水电解制氢系统能耗的影响,探讨优化运行参数降低运行能耗的方法。结果表明,当电流密度为0.2 ~ 1.4 A/cm²、运行温度为20 ~ 60℃,PEM水电解制氢系统单位能耗分别与电流密度、运行温度负相关。提高运行温度会引起电解电压下降,系统单位直流能耗显著降低。提高电流密度会造成系统单位直流能耗升高,而单位交流能耗降低。     

基于甲醇重整制氢的动力系统技术

对甲醇重整制氢的动力系统技术进行探讨,分别从甲醇重整制氢内燃机、甲醇重整制氢高温质子交换膜燃料电池（high temperature proton exchange membrane fuel cell,HT-PEMFC）、甲醇重整制氢低温质子交换膜燃料电池（low temperature proton exchange membrane fuel cell,LT-PEMFC）等3个方面进行阐述。甲醇重整制氢内燃机动力系统对重整气的品质要求比较低,而且内燃机技术相对成熟,研发人员可以充分利用现有内燃机产业基础以及产业链,预期能够较快地进入市场应用。目前HT-PEMFC动力系统技术成熟,其对重整气体品质要求较高（CO体积分数<2%）,可以在便捷式电源、分布式发电以及电动汽车增程器上使用。甲醇重整制氢LT-PEMFC动力系统在应用时须要对重整气进行纯化才能满足LT-PEMFC的要求（H₂体积分数>99.999%）,目前该技术还处于前期研究阶段。     

太阳能光伏电解水制氢的实验研究

基于光生伏打效应和电解水制氢原理,设计出太阳能光伏电解水制氢装置并进行了实验研究。实验系统由太阳能光伏板、蓄电池、电解槽、氢气测量与收集装置和控制器等组成。该系统白天由太阳能光伏供电,蓄电池将多余电量保存;晚上由市电和蓄电联合供电。实验结果表明,电解液KOH浓度为30%时最为理想,此时单晶硅太阳能板的光电转换效率为17.5%,电解水制氢装置的电流效率为99.18%。     

PEM 燃料电池电系统"单耗分析"及其减排效应

在介绍了属于低温燃料电池系列的质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作原理、特性及PEMFC供电系统组成的基础上,运用"单耗分析"理论对系统进行了环节划分,分别建立了燃料单耗与成本单耗分析模型.以某实际PEMFC供电系统运行数据为依据,对系统进行了单耗分析,并与大电网供电比较分析了温室气体CO2与污染物NOχ的减排效应.结果指出了PEMFC供电系统中各环节(火用)效率对燃料单耗与成本的影响程度;系统发供电年CO2减排率25%左右,NOχ减排率达到了99.96%以上.具有较好的发展前景.     

离子污染对质子交换膜电解制氢的影响研究进展

质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)电解制氢运行灵活,具有优异的可再生能源波动适应性,是极具发展前景的绿色制氢技术。然而,在实际PEM电解制氢运行过程中,可能存在离子污染,对PEM电解堆的性能以及运行寿命产生很大影响。为此,首先分析了离子污染的来源,一方面来自水中的残余金属阳离子,如Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等,另一方面来自电解堆内部关键材料和系统水循环管路因化学或电化学腐蚀产生的痕量金属离子,如Fe³⁺、Cu²⁺、Ni²⁺等;然后综述了不同离子污染对电解性能的影响,包括欧姆过电位、阴极反应过电位与阳极反应过电位;最后,综述了离子污染缓解策略,即如何避免规模化电解制氢过程中杂质离子污染带来的能效和成本问题。     

基于电-热特性的质子交换膜电解槽模型研究进展

“电-氢”转换为能源领域低碳转型提供了一种新型、绿色、高效的解决方案,质子交换膜电解槽因具备产氢纯度高、制氢效率优、高度集成化以及与波动性电源耦合程度好等优点而备受关注,模型构建是对其机理研究、特性分析、系统运行控制模拟的重要手段。基于质子交换膜电解槽电化学特性和热传输特性,对国内外已有的质子交换膜电解槽电化学模型和热传输模型建模方法进行综述,并简要分析多物理场耦合模型研究进展,对未来质子交换膜电解槽建模研究发展方向进行展望。     

模拟PEM燃料电池环境下质子交换膜损伤研究

该文研究在模拟燃料电池环境下的质子交换膜（PEM）材料的损伤情况。选用2种溶液模拟质子交换膜燃料电池（PEMFC）环境,一种是接近燃料电池实际运行环境溶液,称为正规溶液（RS）,另一种则为加速试样老化的加速持久性（ADT）溶液。采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）技术对老化试样表面的化学成分变化进行研究;同时,采用机械拉伸性能试验对老化前后试样进行研究。试验结果表明,在模拟PEMFC环境下,随着老化时间的增加,试样表面分子结构和化学成分发生明显变化,抗拉强度和断裂伸长率降低,试样材料损伤加剧。     

太阳能驱动的固体氧化物电解池制氢系统性能研究

采用太阳能驱动电解水制氢是实现将太阳能转换为氢能来存储的最佳方式。该文提出一种采用光伏、光热协同驱动固体氧化物电解池（SOEC）进行高温蒸汽电解的制氢系统。建立各子系统数学模型,选取北京地区夏至日气象参数,分析太阳辐照度对制氢系统的性能影响,最后对整个系统进行能量及火用分析。结果表明,电流密度和温度是影响SOEC工作的重要因素。在电流密度较大的情况下升高温度,将有利于提高电解效率。耦合太阳能后系统最大能量及火用效率分别达到19.1%和20.3%。火用分析结果表明系统最大有用功损失发生在光电转换过程,火用损比例为87%。提升光电效率,将成为提高太阳能-氢能转换效率的关键。     

车用质子交换膜燃料电池发动机系统控制技术现状研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高能量密度、工作温度低、无污染排放、结构紧凑等优点被公认为发展前景最好的汽车动力源之一,对车用(PEMFC)发动机系统的氢气/空气供给系统、水/热管理系统、安全系统、压力,温湿度控制系统的技术现状进行了系统分析,对PEMFC发动机的控制理论,如模糊控制、预测控制与应用技术发展方向进行了研究。     

车用PEMFC氢气系统建模及其排放特性研究

建立基于尾氢再循环的车用PEMFC氢气系统的集总参数模型和质子交换膜燃料电池堆的二维CFD模型,瞬态模拟研究额定功率工况下尾氢排放对系统及电堆工作特性的影响。结果表明：排放过程中,阳极进气压力和进气流量等参数出现显著的波动现象,且波动幅度和波动时间与排放持续时间存在直接关系;电堆性能在排放过程中有所下降,排放结束后能迅速恢复到排放前的水平;阳极内部的水气分布在排放过程中得到明显改善。     

A degradation study of Nafion proton exchange membrane of PEM fuel cells

The durability and degradation behavior of the Nafion NR111 proton exchange membranes (PEMs) is investigated in detail under various mechanical, chemical and polarization conditions. It was found that the fatigue strength or the safety limit of the cyclic stress for Nafion NR111 membrane is ∼1.5 MPa that is 1/10 of the tensile strength of the membrane. The cyclic stress and dimensional change (or strain) induced by the water uptake can be substantial and are the main causes for the mechanical degradation and failure of the membrane. For example, in the case of RH cycling of water soaked state to 25% RH state, the cyclic stress of the Nafion membrane was as high as 2.23 MPa and the dimensional change was ∼11%. Both FTIR and NMR analysis indicate that the decomposition of the Nafion polymer in the H₂O₂ solution in the presence of trace Fe, Cr and Ni ions started from the ends of the main chain, resulting in the loss of the repeat units and the formation of voids and pinholes in the membrane. The high degradation rate of the membrane at the open circuit voltage most likely results from the attack of H₂O₂ formed between O₂ and H₂ crossovered through the membrane.     

氢能发电技术的研究（Ⅲ）—离子交换膜对离子膜颜料电池放电性能的影响

测试分析了3种不同离子交换膜材料的水存留量,溶涨率和离子导电率,结果表明水存留量的膜材料溶涨率和离子导电离也相应较大,对不同离子交换膜的耐热和耐压稳定性测试结果发现3种离子交换膜在200℃以下范围内都没有发生相变或其它结构性变化,失重率都低于5％,因此3种膜材料在200℃以下温度范围内使用是安全可靠的,不同膜材料的耐压机械强度均随着热压处理温度升高而逐渐下降,在相同热压温度条件下的耐压强度的,SH117B膜大于或等于Nafion117膜,Nafion117膜大于或等于SH117A膜,离子交换膜也是影响燃料电池放电性能的一个重要因素,Nafion117组装的燃料电池最大放电功率密度分别是SH117A膜和SH117B膜组装的燃料电池最大放电功率密度的1．28倍和2．4倍。