基于碱性电解槽和质子交换膜电解槽协同制氢的风光互补制氢系统优化

工程应用中碱性电解槽(AEL)和质子交换膜电解槽(PEMEL)在制氢效率和经济性上各有优劣。对此,提出AEL和PEMEL协同的复合电解槽制氢方案。利用网络层次分析法确定2类电解槽的最优容量比,将复合电解槽应用在风光互补制氢系统中,对单一AEL制氢、单一PEMEL制氢、复合电解槽制氢3种方案的多项指标进行对比分析。结果表明：在相同容量下,复合电解槽制氢设备成本是单一PEMEL制氢设备成本的52.26 %,制氢量可达单一PEMEL制氢量的97.69 %,比单一AEL制氢量多46.13 %,显著优化了系统的经济性和制氢效率,验证了所提复合电解槽协同制氢方案的有效性。     

质子交换膜电解制氢系统建模研究综述

质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)电解制氢技术因其快速响应、宽功率范围动态可调优势和良好的波动适应性,可作为灵活调节资源,支撑电网供需双侧动态匹配,提高新能源利用率。从单电解池/槽模型入手,涵盖配套辅机,基于水、热、电、气四个方面,总结分析了国内外电解制氢系统的建模方法及研究进展,阐述各模型的适用条件及参数的选取依据,并对PEM制氢系统的改进方向进行展望。通过建模仿真可以明晰电解制氢系统动静态性能规律与行为特性,有效地支撑系统的设计、运行及控制优化。所进行的研究综述对PEM电解制氢系统的模型建立、开发研究及仿真分析有一定的理论价值与指导意义。     

基于模型层级分析的质子交换膜电解槽建模研究进展

质子交换膜电解槽(proton exchange membrane electrolyzer, PEMEC)具有电流密度大、能量转化率高、工作寿命长和绿色环保等优势,建模研究是对其组件材料特性分析、结构设计验证以及控制策略优化的重要手段。PEMEC模型特征繁多、建模方法多样,在分析PEMEC运行机制的基础上,采用“组件–单体–阵列–系统”的模型层级特征,并从建模方法、模型维度等方面对突出特性的PEMEC模型展开综述,分析了机理建模、半经验建模、经验建模、数据驱动建模4种方法的优缺点及模型的适用性。基于此,提出PEMEC模型构建重点研究方向并对其未来的发展趋势进行展望。研究内容可为PEMEC模型材料更迭、结构开发、特性分析等相关建模研究提供参考价值和指导借鉴。     

质子交换膜燃料电池电催化剂研究及膜电极制备技术

阻碍质子交换膜燃料电池商业化的关键问题之一是其电催化剂昂贵。文中对质子交换膜燃料电池中铂系电催化剂、非铂系电催化剂研究情况进行评述。影响催化活性的基本因素是电催化剂的颗粒尺寸及其表面功能群。将不同组分混合形成的共生材料的催化活性要比单一材料的活性高。膜电极结构和性能与膜电极制备技术密切相关。分析结果表明,在质子交换膜燃料电池商业化进程中,不仅要开发纳米级、低成本的电催化剂,更应提高电催化剂利用率。电催化剂利用率与贵金属催化剂的颗粒尺寸和分散度及膜电极制备工艺技术有关     

差压式质子交换膜电解制氢技术研究进展

差压式质子交换膜(PEM)电解制氢技术是国际上电解制氢的研究热点,是适合可再生能源制氢的先进技术.综述了差压式制氢与常压制氢以及均压式制氢相比所具有的优势.以差压式制氢结合机械压缩的模式对外高压供氢,从综合效率最优角度,综述了差压式制氢最优压力的选择.针对差压式制氢存在氢气渗透影响运行安全与效率的问题,从质子交换膜抑制...     

新能源-PEM电解制氢全寿命经济性评估

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。     

质子交换膜燃料电池模型研究现状

对近十几年质子交换膜燃料电池在扩散层、催化层和膜的一维方向上、沿流道和MEA的厚度的二维方向上以及电池内整个三维方向的主要模型工作进行了简要介绍.指出模型工作可能的发展方向是:从微观角度更趋近真实地描述电池内部过程,以及发展用于复杂流场甚至电堆的全三维模型.     

燃料电池质子交换膜研究现状与展望

质子交换膜燃料电池是目前研究的热点之一,研究方向包括提高燃料电池效率、减少成本、提高耐久性等。作为质子交换膜燃料电池的核心部件,质子交换膜性能的好坏直接影响燃料电池的性能与寿命。文中首先概述了燃料电池质子交换膜的工作原理。随后,总结了燃料电池质子交换膜的分类,主要分为全氟磺酸质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜、复合质子交换膜以及非氟化聚合物质子交换膜四大类,同时还简述了质子交换膜的制备工艺。最后,介绍了燃料电池质子交换膜的优化方案,主要包括有机/无机纳米复合质子交换膜、改进质子交换膜的骨架材料、调整质子交换膜的内部结构、机械增强型质子交换膜以及自增湿型质子交换膜。     

质子交换膜燃料电池的发展及展望

近年来,随着汽车数量的不断增加,汽车排出的尾气对空气的污染程度越来越严重。石油作为不可再生能源,二十一世纪将会枯竭。质子交换膜燃料电池因其具有无污染、无噪音、能量转换效率高等特点,受到世界上越来越多国家的重视。美国、加拿大、日本、德国等国家纷纷斥巨资进行研究和开发。世界上许多大公司等都加入了对质子交换膜燃料电池开发的竞争,其中巴拉德公司的技术水平目前处于领先地位,近几年研制的质子交换膜燃料电池公交车样车,功率已达205kw。在国内,富原公司,中科院大连化物所,清华大学等也在加紧研制。中科院大连化物所已研制出1000W的质子交换膜燃料电池。富原公司则已开发出50～5000W各种型号的样机。并准备建立2000kw的中试厂。燃料电池的开发需要大量的资金,国家有关部门应在资金、总体协调方面起更大的作用,以促进我国质子交换膜燃料电池的发展。     

质子交换膜制用氢设备密封技术综述

氢储能系统具有灵活高效、清洁无污染、不依赖自然环境、可长期存储的优点,在电网侧与用户侧都有广阔的发展前景。电解槽电堆和燃料电池电堆是氢能系统的关键设备,密封性是电堆可靠运行的必要前提。为此梳理了多界面耦合密封机理、密封材料选型、密封结构设计的主要研究进展,对比强调了氟橡胶、聚烯烃类橡胶在耐蚀和耐久方面的优势,分析提出了框架包裹质子膜密封结构在大面积多层电堆上的应用前景,为我国大功率质子交换膜（PEM）电堆性能提升提供了参考与建议。     

质子交换膜燃料电池的初步研究

组装了质子交换膜燃料电池 (PEMFC)单体并研究了其性能。由于氧电极的性能好坏是质子交换膜燃料电池放电性能好坏的关键 ,因此在电池氢电极侧用部分氢电极作为内氢参比电极 ,可以方便地作出氧电极的极化曲线并对其性能进行评价。考察了催化剂载体、膜电极组件 (MEA)的结构和运行条件对氧电极性能的影响并使用非线性最小二乘法拟合了电池参数。实验表明 :电池的最佳运行温度为 80℃ ,压力为氧气压力 0 .3MPa ,氢电极为 0 .3MPa ,催化层的PTFE最佳含量为 35 % ,Nafion含量为 1mg/cm2 ,Pt含量可以降至为 0 .5mg/cm2 。     

PEMFC冷起动仿真模型发展现状及进展

数学模型是分析和优化燃料电池冷起动性能的有效工具,质子交换膜燃料电池(PEMFC)的模型研究是其技术发展中必不可少的环节。对质子交换膜燃料电池冷起动模型研究情况进行了详述,分别介绍和分析了六种典型的冷起动模型,并指出质子交换膜燃料电池冷起动模型今后的研究方向。     

质子交换膜燃料电池热管理研究

论述了质子交换膜燃料电池热管理的重要性以及对电池性能的影响,指出了质子交换膜燃料电池热管理的设计要求,分析比较了目前燃料电池几种常用的冷却方式,介绍了燃料电池涉及电池温度的CFD模型以及温度控制仿真模型。     

质子交换膜燃料电池阴极数学模型

Ｓｔｅｆａｎ－Ｍａｘｗｅｌｌ方程用于氧在扩散层内传递;稳态连续方程和Ｆｉｃｋ 第一定律分别用于氧在催化层内气体通道和电解质膜中传递,采用一维宏观均匀模型,建立了质子交换膜燃料电池氧电极的数学模型。给出了反应速度和氧气浓度在催化层内分布,并分析了各种参数对氧电极性能的影响。结果表明：（１）当催化层内气相孔隙率为０．０１以上,则氧在催化层内浓度分布就趋于均匀;（２）催化层厚度为２５ μｍ 左右最佳,过厚影响传质,过薄不能提供足够的反应界面;（３）提高催化层内质子电导和催化剂的有效表面积将极大地提高电极性能;（４）低电流密度时,反应在催化层内分布均匀;高电流密度时,反应集中在催化层靠近扩散层一则。     

质子交换膜燃料电池内水分布研究

提高不加湿质子交换膜燃料电池性能关键在于水的管理。研究质子交换膜燃料电池内水分布,是解决电池放电性能稳定,不加湿操作的基础,对加速燃料电池小型化具有重要意义。采用反应气循环使用实现生成水零损失,提出新型水管理系统对膜电极两侧水分布进行了研究。实验结果表明,阴极收集水量为正,阳极收集水量为负,且两极收集水量总和接近于电化学生成水量。恒电流放电实验表明,利用新型水管理系统的燃料电池可以稳定运行。     

质子交换膜燃料电池亲水电极研究

用质量百分比为40%Pt/C Nafion制备了亲水电极,并与Nafion112质子交换膜热压制备了质子交换膜燃料电池膜电极组件.用恒电流极化和电化学阻抗谱研究了电极组分对性能的影响,同时优化了各组分的含量.在碳纸基体和催化剂层之间引入了C/FEP催化剂支撑层,支撑层碳粉的优化载量为0.8 mg/cm2,FEP的优化质量百分含量为40%.电极催化剂层Pt的适宜载量为(0.40±0.05)mg/cm2,Nafion的优化质量百分含量为30%.     

压力作用下质子交换膜中水分布研究

质子交换膜中的水含量及水在质子交换膜中的分布直接影响着质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能.有不少学者按Springer模型,基于膜两侧压力差均匀分布在膜内的假设,采用计算机模拟,得出膜中水按指数规律的分布.通过巧妙的实验设计,直接测量出膜内的水含量,发现膜两侧在压力差作用下,膜中的水分布基本均匀,与文献报道不同.作者认为原因主要是:膜两侧受压时,压力不是均匀分布在膜内,而是作用在膜表面.     

质子交换膜燃料电池CCM膜电极

采用喷涂工艺制备了三合一(CCM,Catalyst Coated Membrane)型质子交换膜燃料电池膜电极,研究了分散剂、催化剂、质子交换膜对膜电极性能的影响.结果表明:CCM型膜电极的放电性能好于传统热压方法制备的膜电极;乙醇、异丙醇和乙二醇等水溶液分散剂对CCM膜电极中低电流密度区放电性能影响不大,而在高电流的浓差极化控制区乙二醇最佳,而乙醇最差;优化催化剂的Pt担量和阴极催化剂的用量能够显著提高膜电极的性能,而通过减小质子交换膜的厚度,降低膜的面电阻可以进一步提高膜电极的放电性能.