田博元

男， 怀柔国家实验室， 教授/研究员/教授级高工或同等级别

学习/工作经历

学习经历：
2008年9月——2012年7月 复旦大学 材料科学系 电子科学与技术 学士
2008年9月——2012年7月 复旦大学 管理学院 会计学（第二学位） 学士
2012年9月——2017年7月 北京大学 前沿交叉学科研究院 物理电子学 博士
工作经历：
2018年8月——2019年12月 中国电力科学研究院有限公司 工程师
2020年1月——2022年6月 中国电力科学研究院有限公司 高级工程师
2022年7月——2024年12月 怀柔国家实验室 高级工程师
2025年1月——至今 怀柔国家实验室 正高级工程师
海外经历：
2018年9月——2018年11月 瑞典梅拉达伦大学 应用能源研究所 访问学者
2019年12月——2021年2月 美国哥伦比亚大学 能源电化学研究中心 博士后、客座副研究员

研究领域和兴趣

清洁能源转化

主要业绩

1.开发出适于波动性输入的质子交换膜（PEM）制氢系统自主化原型机
主持完成国家电网公司第一代PEM制氢原型机研制。负责该原型机总体设计、部件选型、模拟仿真、电堆开发、性能测试及安全方案设计等关键工作：
原型机由电解系统、水循环系统、散热系统、气水分离系统、纯化系统、电控系统及气体管路阀门等装置组成。设计了完整制氢系统，由循环水泵、水箱、补水泵、离子交换柱、气液分离器、电磁阀、制冷机、换热器等核心部件组成。主持完成电解堆研制，共110节，膜电极活性面积160cm²，阴/阳极催化剂为Pt/C和IrO₂，载量0.7/1.6mg/cm²。
建立了风电耦合PEM制氢系统模型，开展波动工况仿真分析，形成并网优先与制氢优先两种控制策略。基于功率14~18 kW的风电模输入开展波动性制氢试验。完成1071 h耐久性测试，期间功率波动标准差/平均值为8.6%，系统平均产气量为4.1 Nm³/h，每标方氢气平均电耗3.9kWh，优于美国Proton公司H系列和加拿大Hdrogenis公司HySTAT型号产品能耗水平。同样产气量测试电解堆初始总电压为176.7 V，运行1071 h后升至179 V，电压上升仅1.3%。
建立了设备CFD安全分析模型，总网格数15444，仿真分析电解槽出氢管线破裂和小破口泄漏两种工况下的氢气泄漏风险，发现氢气浓度分别20s和6.5 s降至4%以下。提出强制排风安全措施，确定风量306 m³/h和布置位置，将两种模拟事故燃爆风险消除在6s以内。
原型机显著提升了国家电网公司在PEM制氢领域的研发和应用信心，开发的电堆结构及水路系统应用于浙江台州大陈岛氢能综合利用示范工程；原型机分析的小破口及断裂典型事故模型与应对策略，在安徽六安兆瓦级制氢综合利用关键技术研究与示范项目中工程放大。


图1a.PEM制氢系统原型机三维设计图。b. PEM制氢系统原型机实物图。 c.电解堆模拟风电波动输入1071h耐久性测试曲线

2.PEM制氢稳态和波动工况寿命提升技术开发
电解制氢相比于电化学电池，是没有封装的“开放式”结构，水和电解质可以流入，氢气和氧气可以排出。这种结构为电解制氢系统带来了远超电池的存储容量和存储时间，但带来了挑战：杂质和副反应对寿命存在影响。
通过设计平行实验、起始-末尾材料部件表征，以及在线阻抗解析，揭示出铁族杂质污染是影响稳态耐久性的重要影响因素。提出并实践一套水质污染防治技术，包括循环水接液部件处理工艺、循环水纯化树脂材质选型与开发、电解堆选材优化与表面处理等。通过以上水质污染控制技术，将循环水中铁族元素含量从15.5ppb降低到0.014ppb，降幅99%。技术应用后单节电解槽的衰减率从66uV/h下降到了2uV/h以下，提前达到了美国能源部发布的PEM制氢耐久性2026年目标和终极目标。
新能源出力具有间歇性，新能源制氢不可避免面临启停问题。通过在线DEMS表征、阴阳极电位解析、氧中氢分析，以及启停前后材料同步辐射表征，解析出启停过程化学副反应（氢气渗透还原催化剂）以及电化学副反应（生成过氧化氢）是导致启停工况衰减的主要原因。提出针对性的电源与系统调控策略，避免氢渗副反应的发生，并规避过氧化氢的主要生成电位区间。该策略应用后，启停衰减率从103uV/次下降到20uV/次，降幅80%以上。
以上稳态和启停工况耐久性的提升，使得制氢团队完成实验室重大专项的指标的同时，大幅提高了PEM制氢的使用寿命、摊薄了PEM制氢贵金属材料设备的全生命周期成本，提升了PEM制氢技术在波动性新能源场景中的工程应用优势，推动了国内PEM制氢行业进步。

代表成果

第一发明人专利：
一种锶掺杂贵金属氧化物的析氧电催化剂及其制备方法 2021年 ZL201811450919.5
一种钛酸盐担载贵金属基析氧电催化剂及其制备方法 2021年 ZL201811451186.7
一种膜电极的制备工艺和装置 2021年 ZL201911111366.5
一种固体氧化物燃料电池及其制备方法 2021年 ZL201811301979.0
一种去除平板式电池阳极积碳的方法 2024年 ZL201910873579.5
论文：1.The preparation of Iridium-Bases Catalyst with different Melting Point Metal Nitrate and its OER performance in acid media 2023年 Springer Proceedings in Physics
2.Oxygen Electrochemical Production from Air by High Performance Anion Exchange Membrane Electrode Assemble Devices 2022年 Key Engineer Materials
3.CO2 Electrochemical reduction to C2H4 by anion exchange membrane electrode assemble device with high selectivity and productivity IEEE 2021 InternationalConference on Power System Technology
4.A Highly Active, Longlived Oxygen Evolution Electrocatalyst Derived from Open Framework Irridates Advanced Materials
5.Protonated Irridate Nanosheets with a Highly Active and Stable Layered Perovskite Framework for Acid Oxygen Evolution ACS Catalysis

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