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PEM純水制氫在耦合光伏和風(fēng)力等可再生能源方面具有啟停響應(yīng)快、寬功率適應(yīng)性強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能有效適應(yīng)可再生能源制氫的周期性、波動(dòng)性特點(diǎn)，未來(lái)伴隨可再生能源耦合制氫場(chǎng)景的逐漸推廣，其應(yīng)用將愈加廣泛。12月17日上午，在2024高工氫電年會(huì)上，中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司（簡(jiǎn)稱“中車株洲所”）發(fā)布了500標(biāo)方PEM電解水制氫電解槽，電解槽采用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，具備高電密、低能耗、寬調(diào)節(jié)、高安全、超緊湊、高均一流場(chǎng)、長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，隨著電解槽商業(yè)市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，“大標(biāo)方”已成電解槽企業(yè)爭(zhēng)相搶占的“制高點(diǎn)”。同功率等級(jí)下，大型化單槽體制氫設(shè)備相較于多臺(tái)套中小型制氫設(shè)備具有顯著成本優(yōu)勢(shì)。另外，通過(guò)優(yōu)化材料或結(jié)構(gòu)達(dá)到大功率產(chǎn)氫，實(shí)現(xiàn)高效能源轉(zhuǎn)化。 據(jù)中車株洲所綜合能源事業(yè)部雙碳技術(shù)中心副主任夏文杰介紹，新品PEM電解槽為適配大規(guī)模新能源項(xiàng)目采用了大標(biāo)方單槽設(shè)計(jì)，額定產(chǎn)氫量可達(dá)500 Nm3/h，額定壓力3 MPa，額定電流密度30000 A/㎡，超高電流密度可降低投資成本，功率波動(dòng)范圍5%-130%，寬功率波動(dòng)范圍將更適配柔性制氫系統(tǒng)。 安全性、質(zhì)量可靠性及優(yōu)越的性能指標(biāo)是當(dāng)下PEM電解槽市場(chǎng)用戶的核心訴求。據(jù)夏文杰介紹，中車株洲所深入聚焦質(zhì)量與安全，對(duì)零部件及流程進(jìn)行了全面而細(xì)致的可靠性分析，嚴(yán)選密封材料，密封結(jié)構(gòu)超規(guī)格設(shè)計(jì)，4MPa極限工況下，泄露率低于0.15%/h。制氫能耗是反映制氫經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)。優(yōu)化PEM水電解制氫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，減小能耗對(duì)降低PEM水電解制氫成本有重要意義。中車株洲所500標(biāo)方PEM電解槽使用新一代膜電極技術(shù)，確保安全性的同時(shí)將電解槽額定運(yùn)行電流密度提升至30000 A/㎡。新型膜電極以高支撐性、高傳質(zhì)效率PTL搭配新型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全工況下的穩(wěn)定傳質(zhì)及零間隙配合，額定30000 A/㎡工況下，實(shí)現(xiàn)4.37 kWh/Nm3的能耗表現(xiàn)。新型膜電極采用了防內(nèi)竄設(shè)計(jì)，全功率區(qū)間內(nèi)氧中氫濃度低于0.6%，進(jìn)一步筑牢系統(tǒng)安全防線。PEM的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于其啟動(dòng)速度快、響應(yīng)靈敏、變載范圍大且迅速，可以根據(jù)實(shí)時(shí)電力靈活操作。在風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電量高度波動(dòng)的情況下，這一特性變得越來(lái)越重要。中車株洲所500標(biāo)方PEM電解槽具備寬頻波動(dòng)適應(yīng)性，結(jié)合風(fēng)光能源出力曲線，全天候模擬波動(dòng)輸入，在5-130%工況下實(shí)現(xiàn)寬范圍柔性制氫，負(fù)荷調(diào)節(jié)速率≥15%/s。優(yōu)化設(shè)計(jì)電解槽的幾何結(jié)構(gòu)，能夠更有效地利用催化材料。中車株洲所500標(biāo)方PEM電解槽使用先進(jìn)仿真技術(shù)優(yōu)化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，解決了大標(biāo)方PEM電解槽氣、液、熱、電四相不均問(wèn)題；行業(yè)首創(chuàng)無(wú)死區(qū)結(jié)構(gòu)，流阻降低50.6%，流量偏差降低69.8%，實(shí)現(xiàn)氣泡快速排除，優(yōu)化小室局部熱點(diǎn)。以安全為原則，巧妙利用空間，也是當(dāng)前電解槽發(fā)展的必然方向。中車株洲所500標(biāo)方PEM電解槽功率體積比高達(dá) 8.4 kW/L，膜電極利用率≥65%，減少零部件數(shù)量和組裝難度，可大幅降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)便于集成和部署，得益于更小的體積和重量，PEM電解槽在運(yùn)輸、安裝及設(shè)備更換維修時(shí)更為快捷及方便，使用叉車即可完成操作。PEM電解槽往往被認(rèn)為壽命較短，這也是阻礙其商業(yè)化的重要原因。中車株洲所500標(biāo)方PEM電解槽槽體采用耐腐蝕高強(qiáng)度不銹鋼，杜絕外部金屬離子污染，減少維護(hù)成本；槽芯使用貴金屬涂層技術(shù)，增強(qiáng)耐腐蝕能力，提高電解槽使用壽命。當(dāng)天，夏文杰還發(fā)布了，安全、高效的長(zhǎng)壽命的分離純化水凈化撬，工藝系統(tǒng)經(jīng)過(guò)權(quán)威第三方HAZOP分析，系統(tǒng)內(nèi)部配置完備的SIS、GDS系統(tǒng)。具備純水回收、變頻等功能，能夠達(dá)到節(jié)水節(jié)電效果。系統(tǒng)配置內(nèi)外雙循環(huán)水凈化裝置，能夠保障純水水質(zhì)，拒絕槽內(nèi)污染，延長(zhǎng)電解槽壽命。 依托深厚制造技術(shù)積淀，創(chuàng)新能力快速提升 中車株洲所始創(chuàng)于1959年，前身是鐵道部株洲電力機(jī)車研究所，現(xiàn)為中國(guó)中車核心全資子公司，中國(guó)高鐵“金名片”的核心動(dòng)力支撐、中國(guó)中車科技創(chuàng)新的重要策源地、中車戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)源地。具有11個(gè)國(guó)家級(jí)、18個(gè)省級(jí)科技創(chuàng)新平臺(tái)，已授權(quán)專利5100+，其中發(fā)明專利2900+、海外專利50+，獲國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，中國(guó)專利金獎(jiǎng)銀獎(jiǎng)各4項(xiàng)。目前，公司已形成“電氣傳動(dòng)及自動(dòng)化、新材料、新能源裝備、電力電子器件”四大板塊為主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)布局。中車株洲所是十四五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃氫能技術(shù)專項(xiàng)“十兆瓦級(jí)堿性-質(zhì)子交換膜混合制氫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與示范”主要承接單位之一。中車株洲所在氫能裝備領(lǐng)域已經(jīng)建立了完整的研發(fā)和測(cè)試能力，可提供制氫電源、電解槽、分離純化、工藝控制、能量管理等五大核心裝備，以及離網(wǎng)制氫、智能容配、無(wú)人制氫工廠等三大系統(tǒng)服務(wù)。面對(duì)當(dāng)前綠電制氫行業(yè)的兩大難題：一是電氫耦合難題，風(fēng)光發(fā)電的隨機(jī)性與制氫化工的安全性難以統(tǒng)一；二是大標(biāo)方堿性電解槽氫氧互串、難以低負(fù)荷運(yùn)行、能耗普遍偏高等系列問(wèn)題。針對(duì)這些難題，中車株洲所打造了新一代柔性綠電制氫系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托中車株洲所60余年的算法和技術(shù)積累，具有柔性、安全、高效、智慧的特點(diǎn)。圍繞該系統(tǒng)，中車株洲所推出五大核心裝備：場(chǎng)站能量調(diào)度中心EMS、制氫裝備監(jiān)控中樞DCS、全控型IGBT電源、寬功率調(diào)節(jié)型電解槽及分離純化裝置。同時(shí)，自主開發(fā)了柔性風(fēng)光制氫仿真系統(tǒng)，可開展“交/直流耦合離網(wǎng)制氫仿真設(shè)計(jì)”服務(wù)，為高效制氫提供最優(yōu)解；面向交直流、并離網(wǎng)等多種新能源制氫場(chǎng)景，為客戶提供“柔性制氫系統(tǒng)解決方案優(yōu)化”服務(wù)。中車株洲所依托深厚的技術(shù)積淀，充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了飛躍式進(jìn)步。2024年5月，中車株洲所新一代1000標(biāo)方堿性電解槽及分離純化裝置在綠電制氫裝備試驗(yàn)中心成功完成性能試驗(yàn)及第三方認(rèn)證；10月12日，中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司自主研發(fā)的2000標(biāo)方電解槽在株洲成功下線。在PEM電解槽方面，據(jù)夏文杰介紹，中車株洲所先后進(jìn)行了0.5標(biāo)方、5標(biāo)方、50標(biāo)方PEM電解槽的研發(fā)，并在增強(qiáng)型、高電密、低貴金屬載量膜電極等前沿性技術(shù)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，終于推出了500標(biāo)方PEM電解槽。目前中車株洲所的PEM電堆生產(chǎn)線已經(jīng)具備年產(chǎn)100MW的能力，匹配自研柔性綠電制氫智控系統(tǒng)，可適應(yīng)各類可再生能源波動(dòng)工況。2024年，中車株洲所已經(jīng)先后中標(biāo)大唐多倫15萬(wàn)千瓦風(fēng)光制氫一體化示范項(xiàng)目（ 制 氫 ） 水 電 解 制 氫 成 套 設(shè) 備 、國(guó)華（滄州）綜合能源有限公司10萬(wàn)噸合成氨及配套項(xiàng)目電解水制氫設(shè)備及附屬設(shè)備，排名國(guó)內(nèi)前列，這一些列訂單，有效證明了中車株洲所制氫設(shè)備產(chǎn)品得到了市場(chǎng)認(rèn)可。趁著時(shí)代東風(fēng)，中車株洲所將緊握時(shí)代機(jī)遇，不斷迭代更新，精準(zhǔn)匹配用戶需求，推出柔性綠電制氫智控系統(tǒng)以及堿性、PEM電解水制氫系列精品，為全球用戶帶來(lái)更理想的產(chǎn)品選型與產(chǎn)品體驗(yàn)。夏文杰表示，氫能這個(gè)行業(yè)星辰大海，中國(guó)中車非常開放，希望與產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)密切合作，為我國(guó)氫能事業(yè)的蓬勃發(fā)展作出貢獻(xiàn)。
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