2026-09-27
各学院（部）：
为更好开展新工科毕设项目，提升项目质量和水平，“可再生能源驱动电解水制氢技术研究”新工科毕业设计项目现面向全校毕业班学生进行招募。现将有关事项通知如下。
一、项目背景、目的及意义
氢能具有清洁、高效、可储存和应用范围广等特点，是实现能源结构转型和“双碳”目标的重要二次能源。利用风能、太阳能等可再生能源电力开展电解水制氢，可以将波动性可再生能源转化为易于储存和运输的氢能，是实现大规模可再生能源消纳和绿色氢能制备的重要技术路径。
质子交换膜电解水制氢（PEMWE）具有电流密度高、系统体积小、启停速度快、动态响应性能好以及产氢纯度高等优点，尤其适合与具有间歇性和波动性的风电、光伏等可再生能源耦合。然而，可再生能源输出功率具有明显的随机性、间歇性和波动性，使电解槽长期处于变负荷、启停及高低负荷切换等动态运行状态，对膜电极性能、气液两相传输、电解效率及长期耐久性均提出了新的要求。
本项目围绕可再生能源驱动条件下质子交换膜电解水制氢中的关键问题，从膜电极设计与制备、电解槽动态性能、气液两相传输、性能衰减以及系统能量管理等方面开展研究，揭示可再生能源动态运行条件对PEM电解水制氢性能和耐久性的影响规律，为高效、稳定的可再生能源制氢系统设计与运行提供理论基础和技术支持。
二、项目已具备的条件
项目依托天津大学先进内燃动力全国重点实验室和国家储能技术产教融合创新平台，实验室具有一流的科研环境和实验设备。团队长期开展燃料电池、电解水制氢、两相流动与传热传质等方向的研究，具有较好的相关研究基础。团队拥有与本项目研究相关的实验测试及分析设备，可开展膜电极制备、电解槽性能测试、电化学分析以及两相流动特性研究。相关条件包括电化学工作站、电解水相关测试设备、扫描电子显微镜、高性能计算平台等，可开展膜电极制备与表征、极化曲线测试、电化学阻抗谱分析以及数值模拟等研究工作。上述实验和计算条件可以为可再生能源驱动质子交换膜电解水制氢技术研究提供良好的研究基础。
三、项目期限与目标
项目期限：2026年10月-2027年6月
项目目标：项目面向能源动力领域绿色低碳发展和大规模可再生能源利用需求，针对风能、太阳能等可再生能源输出功率具有随机性、间歇性和波动性的特点，研究质子交换膜电解水制氢在动态运行条件下的关键科学与工程问题。通过膜电极材料及结构设计、电解槽性能测试、电化学分析、气液两相传输研究以及系统建模与控制，建立可再生能源动态功率条件下PEM电解水制氢性能的表征与分析方法，认识膜电极结构、动态负载和两相传输对电解效率及稳定性的影响规律，揭示动态运行条件下电解槽性能衰减机理，并建立可再生能源—PEM电解水制氢系统模型及优化运行方法，为高效、稳定和长寿命的绿色制氢系统开发提供理论支撑和技术基础。
四、项目主要方向及任务
项目主要方向：可再生能源驱动电解水制氢技术
项目主要任务：针对可再生能源波动运行条件下质子交换膜电解水制氢过程中存在的电解效率、动态响应、气液传输及长期耐久性等问题，将研究工作分为膜电极设计制备与性能优化、电解槽动态性能、气液两相传输与水管理、动态工况性能衰减与电化学诊断、可再生能源耦合制氢系统建模与能量管理五个方面开展研究。
（1）PEM电解槽膜电极设计制备与性能优化
膜电极是决定质子交换膜电解槽性能和寿命的核心部件。本部分将开展质子交换膜、催化层及膜电极组件的设计与制备，研究催化剂负载量、离聚物含量、催化层结构以及膜电极制备工艺等因素对电解槽性能的影响。通过膜电极结构和制备参数优化，改善反应物传输、质子传导和气体排出过程，降低电解过程中的活化损失、欧姆损失和传质损失，提高膜电极的电解性能和运行稳定性，为后续动态工况及耐久性研究提供性能稳定的膜电极组件。
（2）可再生能源波动工况下PEM电解水动态性能研究
风能和太阳能输出功率随环境条件变化而不断波动，使PEM电解槽长期处于非稳态运行状态。本部分将构建典型可再生能源动态负载工况，包括恒定负载、阶跃负载、周期性波动负载以及典型风电、光伏功率变化工况等。测试不同动态负载条件下电解槽电压、电流、制氢速率、温度及运行效率等参数的变化，研究负载波动幅值、波动频率和功率变化速率对PEM电解槽动态响应和能量效率的影响规律，获得电解槽适应可再生能源波动运行的动态性能特征。
（3）PEM电解槽气液两相传输与水管理特性研究
PEM电解水过程中涉及液态水输运以及氢气、氧气的生成和排出，气液两相传输过程对电解槽性能具有重要影响。本部分重点研究电解槽流道和多孔传输层中的气泡生成、长大、聚并、脱离及输运过程。通过实验观测及数值模拟等方法，研究流量、电流密度、运行温度以及流道结构等因素对气液两相分布及传质特性的影响，分析气体滞留和局部缺水等现象对电化学反应和电解效率的影响，探索强化反应物供应和产物气体排出的有效方法。
（4）动态运行条件下PEM电解槽性能衰减与电化学诊断
针对可再生能源条件下PEM电解槽长期处于变负荷、启停和高低负荷切换状态的问题，开展动态工况下电解槽性能衰减实验，对比分析稳态运行与动态运行条件下电解槽性能随运行时间的变化规律。通过测试不同运行阶段的极化曲线、电化学阻抗谱及高频电阻等参数，分析活化损失、欧姆损失及传质损失的演化规律，研究动态运行条件对膜、电极催化层和界面结构的影响，揭示PEM电解槽动态运行过程中的主要性能衰减机制。
（5）可再生能源—PEM电解水制氢系统建模与能量管理
针对可再生能源输出功率与PEM电解槽运行特性之间的匹配问题，建立包含风能/太阳能发电、电力变换、PEM电解槽以及储氢单元的可再生能源制氢系统模型。结合PEM电解槽不同负荷下的效率、动态响应和耐久性特征，研究可再生能源波动条件下的功率分配和运行控制方法，对比功率跟随、效率优先以及耐久性优先等不同运行策略，优化电解槽运行区间和负荷变化方式，提高可再生能源利用率、系统制氢效率以及电解槽长期运行稳定性。
五、报名与联系方式
报名方式：访问如下网址或扫描下方二维码：https://v.wjx.cn/vm/toG3hhU.aspx#
相关课题细节以及其他未尽事宜请咨询该项目负责老师：
欢迎各位同学踊跃报名，期待你的加入！！！
