SMM

Recientemente，el Laboratorio Conjunto de Tecnología Avanzada de Medición y Control de Nueva Energía，establecido conjuntamente por el Instituto de Energía del Centro Nacional de Ciencia Integral de Hefei（Laboratorio de Energía de Anhui）y Hefei Zhongneng Dayou Energy Technology Co.，Ltd.，ha lanzado un equipo de prueba de producción de hidrógeno por electrólisis de agua de membrana de intercambio protónico（PEM）de clase 100 kW tras 2 años de diseño sistemático e I+D. Este banco de pruebas se adhiere a la filosofía de diseño de "precisión，seguridad，trazabilidad e inteligencia"，con el objetivo de abordar los desafíos centrales en las pruebas de electrolizadores PEM comerciales de gran potencia，como el fuerte acoplamiento de densidad de corriente，temperatura y presión，los altos requisitos de respuesta dinámica y la dificultad para garantizar la seguridad.

Filosofía del Proyecto

Centrándose en los objetivos de "doble carbono"，el hidrógeno verde es un portador clave para la descarbonización profunda. La tecnología de electrólisis de agua PEM，debido a su alta eficiencia，rápida respuesta y amplio rango de carga，es adecuada para la producción de hidrógeno a partir de fuentes de energía renovable fluctuantes. Sin embargo，cuando esta tecnología pasa de la escala de laboratorio a la industrialización，la durabilidad y el costo del electrolizador se convierten en cuellos de botella，con la degradación del rendimiento estrechamente relacionada con los mecanismos de fallo de los materiales bajo condiciones operativas complejas. El valor central de este equipo reside en servir como un "analizador de comportamiento de condiciones de materiales". Sobre la base de cumplir con las especificaciones estándar，va más allá de las funciones tradicionales de prueba de rendimiento，controlando con precisión las condiciones límite experimentales，estableciendo una relación causal entre la salida de rendimiento macro y la evolución micro del material，y proporcionando datos de análisis de fallos de alta calidad. El equipo integra control de fluidos de alta precisión，estrategias de control coordinado de múltiples campos y un sistema de monitorización digital y de interbloqueo de seguridad multinivel，con una presión experimental máxima de 10 MPa. A través del control extremo de parámetros como el gradiente de temperatura de alta precisión，la monitorización en línea y la retroalimentación de la calidad del agua desionizada，la presión y los parámetros electroquímicos，así como la lógica de arranque y parada rápida a nivel de milisegundos，simula y regula con precisión el estado de la interfaz de reacción interna del electrolizador，proporcionando una plataforma fiable de I+D y validación para estudiar el mecanismo de degradación del rendimiento de materiales clave de electrolizadores PEM bajo condiciones operativas cuasiindustriales.

Antecedentes Técnicos

Diseño del Sistema e Implementación de Ingeniería del Banco de Pruebas

• Arquitectura General y Filosofía de Diseño：El equipo adopta un diseño modular，con componentes principales que incluyen una unidad de calefacción y suministro de circulación，una unidad de purga de nitrógeno，una unidad de gestión del lado de hidrógeno，una unidad de gestión del lado de oxígeno，una unidad de purificación externa y una unidad de adquisición de energía y datos．
• Diseño Innovador de Subsistemas Centrales y Significado en Ciencia de Materiales
  • Unidad de Gestión Térmica de Alta Precisión y Control de Calidad del Agua：El sistema emplea una estrategia de control de temperatura multinivel，con el tanque de circulación principal equipado con un calentador de alta potencia，logrando una precisión de control de ±１ °C en el rango de temperatura ambiente＋５ °C a ９０ °C mediante un algoritmo PID，y los puntos de medición críticos monitorizados por termopares de clase A；la gestión de la calidad del agua utiliza una combinación de "filtro＋desionizador"，garantizando que la resistividad del agua que ingresa al electrolizador sea ≥１０ MΩ・cm，monitorizada en tiempo real por un dispositivo de conductividad en línea．El control preciso de la temperatura suprime significativamente la falla por estrés termomecánico entre las capas del conjunto de electrodos de membrana，mientras que el agua ultrapura previene el envenenamiento iónico de la membrana y el catalizador，asegurando que la degradación del rendimiento se deba únicamente a la degradación intrínseca de los materiales．
  • Unidad de Separación Gas-Líquido y Control de Contrapresión en los Lados de Hidrógeno／Oxígeno：La unidad principal está equipada con tanques de separación gas-líquido de alta eficiencia，cada uno empleando válvulas de contrapresión neumáticas de alta precisión para un control de presión independiente．El rango de control de contrapresión es de ０，５ a １０ MPa，con una precisión de ＜±０，５ ％ E．S．El control de contrapresión independiente y preciso simula entornos operativos desde presión atmosférica hasta sistemas comerciales de alta presión，utilizado para estudiar los efectos de los diferenciales de alta presión en la estructura porosa，adhesión y comportamiento de cruce de gas de los componentes relacionados，que son factores centrales que conducen a daños mecánicos y degradación del rendimiento del electrodo de membrana．
  • Sistema Integral de Interbloqueo de Seguridad y Protección de Muestras：El sistema incorpora múltiples protecciones de seguridad，con más de ５０ sensores de alta precisión monitorizando el estado de toda la ruta de flujo．Cualquier parámetro que exceda los límites o fuga de hidrógeno puede activar un apagado de emergencia de nivel milisegundo（＜５０ ms），mientras corta automáticamente el suministro de energía，cierra las válvulas e inicia la purga con nitrógeno．Este sistema no solo protege la seguridad personal, sino que también salvaguarda valiosas muestras de prueba, evitando fallos catastróficos irreversibles y preservando muestras intactas para el análisis posterior.
  • Unidad de Monitoreo y Diagnóstico de Rendimiento Eléctrico de Alta Precisión: La fuente de alimentación de CC de 450 kW cuenta con modos CV/CC/CP, con una precisión de control de corriente/voltaje ≤0,5% E.S., e integra un instrumento de monitoreo de voltaje multicanal con una precisión de medición por canal ≤2 mV. Esta unidad permite diagnosticar la uniformidad del material central del electrolizador, monitorear en tiempo real el voltaje de cada celda individual y localizar con precisión los puntos débiles de rendimiento; las fluctuaciones y tendencias de voltaje proporcionan una dirección clara para el análisis de materiales fuera de línea.

Indicadores Clave de Rendimiento y Valor de Investigación de Materiales del Equipo de Prueba de Acoplamiento Multidominio para Producción de Hidrógeno con Electrolizador PEM de 100 kW

Paradigma de Aplicación de la Estación de Prueba en la Investigación de Materiales

Este Equipo Puede Ejecutar Diversos Protocolos de Prueba Avanzados, Superando Ampliamente la Verificación Simple de Rendimiento:

• Cribado y Optimización de Materiales: Bajo las Mismas Condiciones Controladas y Severas, Compara el Rendimiento Inicial y las Tasas de Degradación de Diferentes Ensamblajes de Electrodo de Membrana (MEAs), Proporcionando Soporte de Datos Directo y Confiable para la Selección de Materiales.
• Pruebas de Estrés Acelerado：Al diseñar condiciones dinámicas específicas, se apunta y acelera un mecanismo de fallo particular, obteniendo datos de predicción de vida útil del material en un tiempo relativamente corto.
• Estudio del Mecanismo de Falla：Se elimina la interferencia de variables externas, se asegura una alta repetibilidad y atribuibilidad de los datos de degradación del rendimiento, y después de la prueba, se desmonta la celda electrolítica protegida para realizar un análisis post-mortem utilizando técnicas de análisis de superficies.