PEM纯水制氢在耦合光伏和风力等可再生能源方面具有启停响应快、宽功率适应性强等技术优势，能有效适应可再生能源制氢的周期性、波动性特点，未来伴随可再生能源耦合制氢场景的逐渐推广，其应用将愈加广泛。12月17日上午，在2024高工氢电年会上，中车株洲电力机车研究所有限公司（简称“中车株洲所”）发布了500标方PEM电解水制氢电解槽，电解槽采用了多项先进技术，具备高电密、低能耗、宽调节、高安全、超紧凑、高均一流场、长寿命等优势。当前，随着电解槽商业市场的不断扩大，“大标方”已成电解槽企业争相抢占的“制高点”。同功率等级下，大型化单槽体制氢设备相较于多台套中小型制氢设备具有显著成本优势。另外，通过优化材料或结构达到大功率产氢，实现高效能源转化。据中车株洲所综合能源事业部双碳技术中心副主任夏文杰介绍，新品PEM电解槽为适配大规模新能源项目采用了大标方单槽设计，额定产氢量可达500 Nm³/h，额定压力3 MPa，额定电流密度30000 A/㎡，超高电流密度可降低投资成本，功率波动范围5%-130%，宽功率波动范围将更适配柔性制氢系统。
安全性、质量可靠性及优越的性能指标是当下PEM电解槽市场用户的核心诉求。据夏文杰介绍，中车株洲所深入聚焦质量与安全，对零部件及流程进行了全面而细致的可靠性分析，严选密封材料，密封结构超规格设计，4MPa极限工况下，泄露率低于0.15%/h。制氢能耗是反映制氢经济性的重要参数。优化PEM水电解制氢系统运行参数，减小能耗对降低PEM水电解制氢成本有重要意义。中车株洲所500标方PEM电解槽使用新一代膜电极技术，确保安全性的同时将电解槽额定运行电流密度提升至30000 A/㎡。新型膜电极以高支撑性、高传质效率PTL搭配新型流场结构，实现全工况下的稳定传质及零间隙配合，额定30000 A/㎡工况下，实现4.37 kWh/Nm³的能耗表现。新型膜电极采用了防内窜设计，全功率区间内氧中氢浓度低于0.6%，进一步筑牢系统安全防线。PEM的关键优势在于其启动速度快、响应灵敏、变载范围大且迅速，可以根据实时电力灵活操作。在风能和太阳能发电量高度波动的情况下，这一特性变得越来越重要。中车株洲所500标方PEM电解槽具备宽频波动适应性，结合风光能源出力曲线，全天候模拟波动输入，在5-130%工况下实现宽范围柔性制氢，负荷调节速率≥15%/s。优化设计电解槽的几何结构，能够更有效地利用催化材料。中车株洲所500标方PEM电解槽使用先进仿真技术优化流场结构，解决了大标方PEM电解槽气、液、热、电四相不均问题；行业首创无死区结构，流阻降低50.6%，流量偏差降低69.8%，实现气泡快速排除，优化小室局部热点。以安全为原则，巧妙利用空间，也是当前电解槽发展的必然方向。中车株洲所500标方PEM电解槽功率体积比高达 8.4 kW/L，膜电极利用率≥65%，减少零部件数量和组装难度，可大幅降低生产成本。同时，该结构便于集成和部署，得益于更小的体积和重量，PEM电解槽在运输、安装及设备更换维修时更为快捷及方便，使用叉车即可完成操作。PEM电解槽往往被认为寿命较短，这也是阻碍其商业化的重要原因。中车株洲所500标方PEM电解槽槽体采用耐腐蚀高强度不锈钢，杜绝外部金属离子污染，减少维护成本；槽芯使用贵金属涂层技术，增强耐腐蚀能力，提高电解槽使用寿命。当天，夏文杰还发布了，安全、高效的长寿命的分离纯化水净化撬，工艺系统经过权威第三方HAZOP分析，系统内部配置完备的SIS、GDS系统。具备纯水回收、变频等功能，能够达到节水节电效果。系统配置内外双循环水净化装置，能够保障纯水水质，拒绝槽内污染，延长电解槽寿命。
中车株洲所始创于1959年，前身是铁道部株洲电力机车研究所，现为中国中车核心全资子公司，中国高铁“金名片”的核心动力支撑、中国中车科技创新的重要策源地、中车战略新兴产业的主要发源地。具有11个国家级、18个省级科技创新平台，已授权专利5100+，其中发明专利2900+、海外专利50+，获国家科技进步特等奖1项、二等奖4项，国家技术发明二等奖4项，中国专利金奖银奖各4项。目前，公司已形成“电气传动及自动化、新材料、新能源装备、电力电子器件”四大板块为主导的产业布局。中车株洲所是十四五国家重点研发计划氢能技术专项“十兆瓦级碱性-质子交换膜混合制氢系统关键技术与示范”主要承接单位之一。中车株洲所在氢能装备领域已经建立了完整的研发和测试能力，可提供制氢电源、电解槽、分离纯化、工艺控制、能量管理等五大核心装备，以及离网制氢、智能容配、无人制氢工厂等三大系统服务。面对当前绿电制氢行业的两大难题：一是电氢耦合难题，风光发电的随机性与制氢化工的安全性难以统一；二是大标方碱性电解槽氢氧互串、难以低负荷运行、能耗普遍偏高等系列问题。针对这些难题，中车株洲所打造了新一代柔性绿电制氢系统。该系统依托中车株洲所60余年的算法和技术积累，具有柔性、安全、高效、智慧的特点。围绕该系统，中车株洲所推出五大核心装备：场站能量调度中心EMS、制氢装备监控中枢DCS、全控型IGBT电源、宽功率调节型电解槽及分离纯化装置。同时，自主开发了柔性风光制氢仿真系统，可开展“交/直流耦合离网制氢仿真设计”服务，为高效制氢提供最优解；面向交直流、并离网等多种新能源制氢场景，为客户提供“柔性制氢系统解决方案优化”服务。中车株洲所依托深厚的技术积淀，充分发挥后发优势，实现了飞跃式进步。2024年5月，中车株洲所新一代1000标方碱性电解槽及分离纯化装置在绿电制氢装备试验中心成功完成性能试验及第三方认证；10月12日，中车株洲电力机车研究所有限公司自主研发的2000标方电解槽在株洲成功下线。在PEM电解槽方面，据夏文杰介绍，中车株洲所先后进行了0.5标方、5标方、50标方PEM电解槽的研发，并在增强型、高电密、低贵金属载量膜电极等前沿性技术进行了大量实验测试。在此基础上，终于推出了500标方PEM电解槽。目前中车株洲所的PEM电堆生产线已经具备年产100MW的能力，匹配自研柔性绿电制氢智控系统，可适应各类可再生能源波动工况。2024年，中车株洲所已经先后中标大唐多伦15万千瓦风光制氢一体化示范项目（ 制 氢 ） 水 电 解 制 氢 成 套 设 备 、国华（沧州）综合能源有限公司10万吨合成氨及配套项目电解水制氢设备及附属设备，排名国内前列，这一些列订单，有效证明了中车株洲所制氢设备产品得到了市场认可。趁着时代东风，中车株洲所将紧握时代机遇，不断迭代更新，精准匹配用户需求，推出柔性绿电制氢智控系统以及碱性、PEM电解水制氢系列精品，为全球用户带来更理想的产品选型与产品体验。夏文杰表示，氢能这个行业星辰大海，中国中车非常开放，希望与产业链上下游企业密切合作，为我国氢能事业的蓬勃发展作出贡献。
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