Recentemente, o Laboratório Conjunto de Tecnologia Avançada de Medição e Controle de Nova Energia, estabelecido em conjunto pelo Instituto de Energia do Centro Nacional de Ciências de Hefei (Laboratório de Energia de Anhui) e pela Hefei Zhongneng Dayou Energy Technology Co., Ltd., lançou um equipamento de teste de produção de hidrogênio por eletrólise de água com membrana de troca protônica (PEM) de classe 100 kW após 2 anos de projeto sistemático e P&D. Este banco de testes segue a filosofia de projeto de “precisão, segurança, rastreabilidade e inteligência”, com o objetivo de resolver desafios centrais nos testes de eletrolisadores PEM comerciais de alta potência, como o forte acoplamento entre densidade de corrente, temperatura e pressão, altos requisitos de resposta dinâmica e dificuldade em garantir a segurança.
Filosofia do Projeto
Focando nas metas de “duplo carbono”, o hidrogênio verde é um vetor chave para a descarbonização profunda. A tecnologia de eletrólise de água PEM, devido à sua alta eficiência, resposta rápida e ampla faixa de carga, é adequada para a produção de hidrogênio a partir de fontes de energia renovável flutuantes. No entanto, quando esta tecnologia avança da escala laboratorial para a industrialização, a durabilidade e o custo do eletrolisador tornam-se gargalos, com a degradação do desempenho intimamente relacionada aos mecanismos de falha dos materiais sob condições operacionais complexas. O valor central deste equipamento reside em servir como um “analisador de comportamento de condições dos materiais”. Com base no atendimento às especificações padrão, vai além das funções tradicionais de teste de desempenho, controlando com precisão as condições de contorno experimentais, estabelecendo uma relação causal entre a saída de desempenho macro e a evolução micro dos materiais, e fornecendo dados de análise de falha de alta qualidade. O equipamento integra controle de fluidos de alta precisão, estratégias de controle coordenado de múltiplos campos e um sistema de monitoramento digital e intertravamento de segurança multinível, com uma pressão experimental máxima de 10 MPa. Por meio do controle extremo de parâmetros como gradiente de temperatura de alta precisão, monitoramento online e feedback da qualidade da água desionizada, pressão e parâmetros eletroquímicos, além de lógica de partida e parada rápida em milissegundos, simula e regula com precisão o estado da interface de reação interna do eletrolisador, fornecendo uma plataforma confiável de P&D e validação para estudar o mecanismo de degradação do desempenho de materiais chave de eletrolisadores PEM sob condições operacionais quasi‐industriais.
Antecedentes Técnicos
Concepção do Sistema e Implementação de Engenharia da Bancada de Testes
- Arquitetura Global e Filosofia de Design: O equipamento adota um design modular, com componentes centrais incluindo uma unidade de aquecimento e fornecimento de circulação, uma unidade de purga de azoto, uma unidade de gestão do lado do hidrogénio, uma unidade de gestão do lado do oxigénio, uma unidade de purificação externa e uma unidade de energia e aquisição de dados.
- Design Inovador dos Subsistemas Centrais e Significado em Ciência dos Materiais
- Unidade de Gestão Térmica de Alta Precisão e Controlo da Qualidade da Água: O sistema emprega uma estratégia de controlo de temperatura multi-nível, com o tanque de circulação principal equipado com um aquecedor de grande potência, alcançando uma precisão de controlo de ±1°C na gama de TA + 5°C - 90°C através de um algoritmo PID, e pontos de medição críticos monitorizados por termopares de classe A; a gestão da qualidade da água utiliza uma combinação "filtro + desionizador", garantindo que a resistividade da água que entra no eletrolisador é ≥10 MΩ・cm, monitorizada em tempo real por um dispositivo de condutividade online. O controlo preciso da temperatura suprime significativamente a falha por tensão termomecânica entre as camadas do conjunto do elétrodo de membrana, enquanto a água ultrapura previne o envenenamento iónico da membrana e do catalisador, assegurando que a degradação do desempenho resulta apenas da degradação intrínseca dos materiais.
- Unidade de Separação Gás-Líquido e Controlo de Contrapressão do Lado do Hidrogénio/Oxigénio: A unidade principal está equipada com tanques de separação gás-líquido de alta eficiência, cada um empregando válvulas de contrapressão pneumáticas de alta precisão para controlo de pressão independente. A gama de controlo de contrapressão é de 0,5-10 MPa, com uma precisão de <±0,5% F.S. O controlo de contrapressão independente e preciso simula ambientes operacionais desde a pressão atmosférica até sistemas comerciais de alta pressão, utilizado para estudar os efeitos de diferenciais de alta pressão na estrutura porosa, adesão e comportamento de permeação de gás dos componentes relacionados, que são fatores centrais que levam a danos mecânicos e degradação do desempenho do elétrodo de membrana.
- Sistema Abrangente de Intertravamento de Segurança e Proteção de Amostras: O sistema incorpora múltiplas proteções de segurança, com mais de 50 sensores de alta precisão a monitorizar o estado de todo o circuito. Qualquer parâmetro que exceda os limites ou fuga de hidrogénio pode desencadear uma paragem de emergência de nível de milissegundo (<50 ms), enquanto corta automaticamente o fornecimento de energia, fecha válvulas e inicia a purga com azoto. Este sistema não apenas protege a segurança pessoal, mas também salvaguarda amostras de teste valiosas, prevenindo falhas catastróficas irreversíveis e preservando amostras intactas para análise posterior．
- Unidade de Monitoramento e Diagnóstico de Desempenho Elétrico de Alta Precisão： A fonte de alimentação CC de 450 kW possui modos CV/CC/CP， com precisão de controle de corrente/tensão ≤0，5％ F．S．， e integra um instrumento de monitoramento de tensão multicanal com precisão de medição por canal ≤2 mV． Esta unidade permite diagnosticar a uniformidade do material central do eletrolisador， monitorar em tempo real a tensão de cada célula individual， localizar com precisão pontos fracos de desempenho； flutuações e tendências de tensão fornecem direção clara para análise de material offline．
Indicadores de Desempenho Central e Valor de Pesquisa de Material do Equipamento de Teste de Acoplamento Multi‐Campo para Produção de Hidrogênio por Eletrolisador PEM de 100 kW
| Indicadores de Desempenho | Valor de Projeto / Modelo | Valor Central para Pesquisa de Material |
|---|---|---|
| Precisão de Controle de Temperatura | ±0，5°C | Suprime tensão termomecânica， garante precisão dos dados de cinética de reação |
| Resistividade da Água | ≥10 MΩ·cm | Previne envenenamento de membrana/catalisador， garante pesquisa de estabilidade química |
| Precisão de Controle de Contrapressão de H₂ | <±0，5％ F．S． | Simula com precisão condições de alta pressão， estuda deterioração mecânica e permeação de gás |
| Monitoramento de Tensão por Célula | ±2 mV (CVM) | Diagnóstico online da uniformidade do material， localização de unidades de degradação de desempenho |
| Análise de Pureza do Gás | ±2％ F．S． | Monitoramento em Tempo Real de Crossover de Gás， Alerta Precoce de Degradação de Membrana e Riscos de Segurança |
| Tempo de Resposta de Desligamento de Emergência | <50 ms | Proteção de Amostras de Teste Valiosas， Preservação de Evidências Completas para Análise de Falha |
Paradigma de Aplicação da Estação de Teste em Pesquisa de Materiais
Este Equipamento Pode Executar Vários Protocolos de Teste Avançados， Superando em Muito a Verificação Simples de Desempenho：
- Triagem e Otimização de Materiais： Sob as Mesmas Condições Controladas Rigorosas， Compare o Desempenho Inicial e as Taxas de Deterioração de Diferentes Conjuntos de Eletrodos de Membrana (MEAs)， Fornecendo Suporte de Dados Direto e Confiável para a Seleção de Materiais．
- Teste de Estresse Acelerado: Ao projetar condições dinâmicas específicas, visa-se e acelera-se um mecanismo de falha particular, obtendo dados de previsão de vida útil do material em um tempo relativamente curto.
- Estudo do Mecanismo de Falha: Elimina a interferência de variáveis externas, garante alta repetibilidade e atributabilidade dos dados de degradação de desempenho e, após o teste, desmonta-se a célula de eletrólise protegida para análise post-mortem utilizando técnicas de análise de superfície.
