项目背景
高纯氢气制备与运输成本高，导致燃料电池用高纯氢气价格昂贵，是制约成都—自贡—内江—重庆的氢燃料电池物流“氢走廊”高速发展的关键瓶颈问题之一。解决上述瓶颈的合理方式之一是在加氢站就地利用廉价谷电进行水电解供应高纯氢气，可望在大幅降低制氢成本的同时省去氢气的运输成本。目前成熟的高纯氢气一般通过碱水电解技术制取。但该技术启停需耗时3—5小时，且容易发生氢渗透引发安全隐患，无法适应频繁启停的分布式制氢工况。质子交换膜电解水技术，具有结构紧凑、运维成本低、动态响应快及波动适应性强等优势，特别适合利用廉价的谷电进行分布式制氢，有望实现大幅降低绿氢成本的同时，实现就地高纯氢气供应。但在分布式制氢场景下，制氢系统长时间运行在频繁、快速启停和大幅变载的工况下，将造成制氢系统内部局部电流密度、温度、流量和压力等分布不均，并导致关键材料和部件工作条件恶化，性能衰减加剧，最终降低系统寿命和耐久性。
项目介绍
本项目基于李俊承担的国家重点研发计划“氢能专项”项目课题（2021YFB4000102，光伏/风电等波动性电源电解制氢材料和过程，700万）以及国家自然科学基金委中意国际合作项目（52261136528，复杂工况下质子交换膜电解水自适应热质传递与转化调控，195万）的前期基础研究成果，研究大面积高效有序图案化膜电极制备放大工艺，提出提升电解水堆内流动均一性的大面积流道结构，开发大面积电解堆封装与组装工艺流程，建立大功率制氢系统波动耐受性强化方法和系统全工况优化控制策略，通过避免电解池内部恶劣工作条件的发生、缩短关键材料与器件在恶劣工作条件中的暴露时间，大幅提升关键部件的耐久性和系统的使用寿命。在上述研究基础上，试制面向频繁启停、大幅变载和波动工况的高稳定、长寿命百千瓦级中压PEM水电解制氢中试装置，促进PEMWE水电解制氢技术在分布式加氢站的规模化应用，推动成渝氢走廊的高质量发展。 通过本项目的实施，将形成具有自主知识产权的质子交换膜电解系统，具体技术指标为： 单电解槽电解电压≤2.0V@1.5A/cm2@80℃、单电解槽活性面积≥200cm2，系统额定功率≥100kW、操作压力≥3.5MPa、产氢纯度≥99.99，氧气中氢气含量＜25爆炸极限； 0~150额定功率范围内连续调节，在日均2次启停条件下连续工作3000h，电解电压衰减率≤40uV h-1，系统波动响应时间≤30s。
技术优势
针对分布式电解水制氢系统存在的频繁启停、大幅变载和波动等复杂工况导致系统寿命和耐久性降低等问题，本项目拟开发面向频繁启停、大幅变载和波动工况的高稳定、长寿命百千瓦级PEM水电解制氢中试装置，推动以PEMWE技术为基础的分布式电解水制氢的规模化应用。主要创新体现在： （1）理论创新上，首次构建电解堆多场耦合多尺度全局模型，揭示频繁启停、大幅变载和波动工况下电解堆内两相热质输运特性对性能衰减的作用机制，提出制氢系统性能衰减预测与寿命提升方法； （2）技术创新上，提出高重现大面积膜电极制备新技术及显著改善流场均一性的双极板设计方法，建立具有自主知识产权的成套大功率PEM制氢系统和系统全工况优化控制策略； （3）应用创新上，实现分布式百千瓦级PEM电解水制氢系统的集成与控制，并首次完成百千瓦级中压PEM电解水制氢系统中试装置的集成与示范。
研究团队
李俊，博士、教授、博导，国家优青，入选教育部新世纪优秀人才支持计划、重庆市巴渝学者，英才计划·创新领军人才（教育领域），教育部首批“全国高校黄大年式教师团队”成员，现任“低品位能源利用技术及系统”教育部重点实验室副主任，重庆大学动力工程学院副院长、中国动力工程学会青年委员会、工程热物理学会多相流青年专业委员会委员，中国可再生能源协会青年委员会等组织和机构副主任委员和委员。主要从事电化学析氢、析氧、甲醇氧化、氧还原、燃料电池和电解池等电化学能源转化、微生物能源转化等可再生能源领域的研究工作。
