碱性水电解制氢装置模型研究综述

在大规模绿色制氢方面,碱性水电解制氢是一种相对成熟的技术,对碱性水电解制氢装置进行建模是理解、分析和优化碱性水电解制氢过程及相关设备的有效途径。目前,虽然存在多种研究碱性水电解制氢装置的模型,但缺乏对模型发展现状及其存在问题的总结。针对碱性水电解制氢装置模型的研究进展进行了综述,首先对3种主要的水电解制氢技术进行了对比,并对碱性水电解制氢装置采用的电解槽的工作原理进行了介绍;然后从稳态模型和动态模型的角度总结了基于碱性水电解制氢装置建立的模型;最后针对碱性水电解制氢装置组成部分的研发现状进行了介绍。分析结果显示:1)3种主要的水电解制氢技术分别为碱性水电解制氢、质子交换膜水电解制氢和固体氧化物水电解制氢。2)目前商业上碱性水电解制氢装置采用的电解槽的制氢效率在59%~70%之间,许多研究都集中在通过改变电解槽运行条件和创新其相关部件来提高其制氢效率方面。3)碱性水电解制氢装置的稳态模型主要包括热力学模型和电化学模型,动态模型一般包括气体纯度模型和热模型。研究结果可为进一步改进碱性水电解制氢装置建模提供理论和技术支撑。

中国科学院宁波材料所在海水电解制氢阳极稳定性研究方面获进展

电解水技术依赖稀缺的纯水资源,这限制了该技术的进一步发展。海水是储量丰富的水资源,因而将海水作为电解制氢的原料替代纯水,能够拓宽电解水的水质要求,从而解决电解水的水源问题。然而,海水体系中大量的氯离子会对阳极造成腐蚀,降低阳极及电解槽的使用寿命。以往研究表明,通过电极表面吸附氧阴离子如硫酸根、磷酸根、硝酸根等来排斥氯离子,可以提高阳极寿命,但无法满足工业化需求。中国科学院宁波材料技术与工程研究所氢能与储能材料技术实验室研究员陆之毅与陈亮,基于前期关于海水电解制氢阳极稳定性的研究成果,在海水电解制氢阳极稳定性研究方面取得了进展。该团队设计了新型化学固定硫酸根的电极,在反应过程中原位构筑硫酸根斥氯层,实现了10000 h稳定碱性海水电解制氢。催化剂在合成过程中掺杂原子级分散的钡离子,在其反应过程中生成硫酸钡从而将硫酸根均匀固定在电极表面,并配合电极表面电性吸附的硫酸根,共同构筑排氯层,从而提高了海水电解中阳极的稳定性。

壳聚糖改性聚苯硫醚碱性水电解隔膜的制备与性能研究

为研究织物组织和亲水改性对碱性水电解用聚苯硫醚(PPS)织物隔膜性能的影响,制备了平纹、斜纹、缎纹3种PPS织物,并利用壳聚糖对3种织物进行亲水改性。测试对比了3种织物隔膜改性前后的水接触角、面电阻、气密性以及水电解性能。结果表明:3种织物隔膜改性前水接触角均超过120°,改性后均降至90°以下,表明由疏水性变为亲水性;改性后,3种织物隔膜面电阻也都有明显降低;3种织物隔膜改性后气密性均有明显提高,平纹织物隔膜气密性达4018 Pa,斜纹织物隔膜气密性达3087 Pa,均可满足行业使用要求;在实际小型电解槽运行测试中,改性后PPS平纹织物隔膜在2.3 V电压下的电流密度接近400 mA/cm2,远高于未改性隔膜和某商业化PPS织物隔膜。认为:开发的PPS平纹织物隔膜综合性能最好。

基于水电解制氢的梯度多孔传输层中气液流动可视化实验研究

在电解水制氢的过程中,多孔电极内的孔隙会发生气泡阻塞现象,这会妨碍气体扩散以及电解液在多孔电极内的流动,从而导致电极传质电阻的增加,进而影响电解水制氢的速率和能耗。采用3D金属打印技术制备了LSL-PTL、MMM-PTL和SLS-PTL三种规则的镍铁合金电极扩散层,进行了可视化的水电解实验,定量地记录了不同电流密度下梯度多孔传输层中气液两相流动的变化,包括气泡形态、孔隙含气率和气泡脱离速率等参数,研究扩散层梯度对气液传质过程的影响,并分析了不同电极梯度结构对电解过程中阻抗和过电位的影响。实验结果显示,与SLS-PTL和MMM-PTL相比,LSL-PTL的梯度结构从催化层即逐渐增大孔隙尺寸,始终保持较低的容积含气率,可以加速气泡在扩散层中的迁移,使气液交换更加频繁,有效减小气液传质阻力,并获得更低的传质阻抗和电解过电位,三种梯度电极在相同电流密度下的电解电势关系为ELSL<E_(MMM)<E_(SLS)。因此,在水电解中采用LSL-PTL梯度的扩散层可以提高制氢效率,减少能耗损失。这项研究为水电解制氢中气液传质过程的主动控制和电解池多孔传输层的结构设计提供了直观依据,对电解水制氢技术的进一步发展具有积极推动作用。

电流密度和运行温度对PEM水电解制氢能耗的影响

质子交换膜(PEM)水电解制氢技术是采用绿电制取绿氢的重要方法,对我国实现双碳目标具有重要意义。优化运行参数是降低PEM水电解制氢系统能耗的一种重要途径。建立一套工业级PEM水电解制氢实验装置,通过现场实验,考察电流密度和运行温度对PEM水电解制氢系统能耗的影响,探讨优化运行参数降低运行能耗的方法。结果表明,当电流密度为0.2~1.4 A/cm^(2)、运行温度为20~60℃,PEM水电解制氢系统单位能耗分别与电流密度、运行温度负相关。提高运行温度会引起电解电压下降,系统单位直流能耗显著降低。提高电流密度会造成系统单位直流能耗升高,而单位交流能耗降低。

水电解制氢的危险性与气体探测器设置的探讨

氢气作为推动绿色能源转型的重要候选燃料,具有易燃性,小分子结构,可通过脆化作用破坏管道和容器材料,易发生泄漏,具有较大的潜在风险。详细介绍了水电解制备氢气的危险性,包括相关的安全隐患和潜在风险,重点关注电解装置厂房气体探测系统的设计。根据IEC61511的建议,设计与电解装置相关的自动停机系统和恢复安全状态的控制策略,结合ISATR84.00.07推荐的气体探测布点方法,确定探测器的布设数量及位置,从而确保系统的有效性和准确性。

基于多物理场耦合模型的碱性水电解槽工作特性

风电制氢系统将富余的风电用于电解水制取氢气,有效提高了风电的消纳能力。碱性水电解槽是电制氢的重要设备,通过数值方法研究其工作特性对于提高制氢效率具有重要意义。然而,现有电解槽模型通常只关注其电学性能,难以对各工况下设备运行状态进行准确预测。为此,提出了碱性水电解槽电场-流场-浓度场多物理场耦合模型。首先对碱性水电解槽进行了几何建模;接着建立电解槽电场、流场、浓度场数学模型,并基于COMSOL平台进行多物理场模型搭建;在验证模型有效性后,分析了电压、温度、压力、电解液浓度与流速对电解槽稳态、瞬态工作特性的影响。模拟结果表明:升高温度与降低压力减小了单位电流所需电压;降低电流、升高温度与压力增大了电解效率。单位电流所需电压随电解液浓度增加先减小后增大,而电解效率随浓度增加而先升后降,50℃时在质量分数为30%处达到最大电解效率。电压突变会产生电流过冲现象;流速突变不会发生电流过冲现象。研究成果可为碱性水电解槽设计与性能预测提供理论指导。

水电解制氢技术现状与展望

水电解制氢是制备绿色氢的一种方法,综述了碱性水电解、质子交换膜水电解和固体氧化物水电解3种主要的水电解制氢方法,评估了它们的特点及优缺点,并对水电解制氢技术的发展做出了展望。

颅咽管瘤伴视力障碍术后水电解质紊乱聋哑1例的风险评估与护理

颅咽管瘤是一种组织学分级较低的畸形肿瘤,但由于其侵袭性行为,导致周围脑结构(下丘脑、垂体和视神经)的浸润,有时会阻塞第三脑室,以及导致治疗相关的下丘脑垂体损伤,术后发病率和死亡率相当高[1]。颅咽管瘤常规手术方法有扩大的经蝶腔内窥镜鼻入路,而目前较理想的方法是保留下丘脑的手术和放射肿瘤学方法,但术后都可能会出现早期液体电解质紊乱、下丘脑功能障碍、视觉和神经功能缺损等并发症[2]。

木棉叶生物炭辅助水电解制氢研究

生物炭辅助水电解(BAWE)制氢是将生物炭的化学能和提供的电能集成为氢能的方法,即生物炭在阳极发生氧化反应(BOR)代替阳极析氧反应(OER),起始电位(Eonset)显著降低,电流密度增加,进而达到降低能耗的效果。通过对木棉叶生物炭阳极氧化(BOR)进行线性扫描伏安法(LSV)、电化学阻抗谱(EIS)和电流-时间曲线(i-t)等电化学性能的考察,发现适当增加炭浆浓度、提高电解温度、添加氯化钠均能提高体系的电流密度和降低起始电位。对热解制备的木棉叶生物炭样品进行表征,得知氢氧化钾活化热解制备的BC-K600具有较大的比表面积和孔隙度,使其在较高的电位下反应活性增强。当料浆浓度为20 g/L,电解温度为75℃时,BC-K600表现出最低电解液欧姆电阻和较低电荷转移阻力,具有最大的电流密度,在1 V偏压下1 h产氢量为1.2 mL。

侧链型聚(靛红-联苯)阴离子交换膜水电解性能

对阴离子交换膜(AEM)进行分子结构设计,制备出满足AEM水电解技术需求的高碱稳定性、高电导率的AEM。通过超强酸催化反应制备出具有高碱稳定性的聚(靛红-联苯)(PBPIN)主链;门秀金反应制备出含有高碱稳定性阳离子(哌啶阳离子)以及烷基间隔基的侧链(6C-Pip);门秀金反应将6C-Pip侧链接枝到PBPIN中制备出PBPIN-6CPip膜。为了验证PBPIN-6C-Pip膜的高碱稳定性以及高电导率,对其在高温KOH溶液中进行了碱稳定性测试,PBPIN-6C-Pip膜在80℃、1 M KOH溶液中浸泡900 h后离子交换容量保留率高达97.02%;对其进行了电导率测试以及透射电子显微镜表征,PBPIN-6C-Pip膜在80℃的纯水中电导率可达88.2 mS/cm,同时具有良好的微相分离结构。对AEM电解槽运行参数(KOH溶液浓度、温度、循环方式)进行了系统地研究后,在最优运行参数下(80℃、2 M KOH,2.0 V),对PBPIN-6C-Pip膜进行了水电解性能测试,电流密度可达1.20 A/cm^(2),在此电流密度下运行700 h后电解槽的电流衰减率仅为0.16 mA/(cm^(2)·h)。通过制备出含有高碱稳定性阳离子与无氧主链的侧链型AEM,验证了无氧主链与侧链结构在AEM碱稳定性与电导率提升方面的潜力,为后续研究提供了实验基础。

碱性水电解镍基析氧催化材料最新进展

通过碱性水电解制氢技术,将可再生能源转化为绿氢,是实现能源储存和分布再平衡的最具应用前景的方法。开发低过电位的碱性水电解电催化剂是降低绿氢电耗和成本的必要条件。镍基材料是目前商业化碱性水电解制氢应用最广泛的电催化剂,但不断追求高电流密度和快速动力学的高效电催化剂是提高碱性水电解制氢设备性能的主要研究方向之一。综述碱性水电解制氢镍基析氧催化材料的研究进展,包括反应机理、评价指标和制备-结构-性能关系。同时,对目前存在的问题进行剖析,并对未来发展方向进行展望。

可再生能源驱动的碱性水电解制氢技术研究与优化

近年来,可再生能源发展迅速,然而由于其间歇性、波动性和随机性的特点,并网过程中对电网冲击较大,导致弃电现象十分严重。利用可再生能源发电通过水电解的方式制取氢气可以有效解决可再生能源的弃电问题。碱性水电解制氢技术发展较为成熟,但在适配可再生能源时,仍存在电解效率低、灵活性不足等问题。本文研究碱性水电解制氢技术的组成与结构,分析其技术研究现状及发展趋势。结论表明,为适应可再生能源的间歇性、波动性和随机性,碱性水电解制氢技术应从槽体结构、关键材料和运行条件三方面进行优化以提高其电解效率和灵活性。

创新实验教具 巧攻重点实验——自制水电解—检验一体化装置的应用

本文在综合比较各种电解水装置的基础上,创新自制“水电解—检验一体化装置”,将化学延伸到生活,将传统中学化学教学中的演示实验转化为学生动手实验。这种创新化学实验教学的策略,培养了学生化学核心素养并多维度培养了学生设计、操作、观察、分析和综合解决问题的能力,提升了学生的创新能力。

大型水电解制氢系统配置及主厂房布置方案探讨

在全球低碳发展和国家“双碳”目标背景下,氢能作为大规模、长周期储能介质和重要能源载体,将在未来能源供应体系中发挥重要作用。利用可再生能源,特别是风、光发电水电解制氢将成为氢能生产的主要方式。探讨大型水电解制氢系统典型配置方案,对其优势和存在的问题进行分析,提出解决方案,并从安全标准、运行检修等方面针对大型水电解制氢主厂房布置方案进行研究,提出推荐的布置方案。

国内最大单体产氢量3000 Nm^(3)/h水电解制氢装备下线

2024年5月17日,国内最大单体产氢量3000 Nm^(3)/h水电解制氢装备下线仪式暨“氢动未来”氢能产业发展大会在河北省邯郸市中国船舶集团第七一八研究所(简称七一八所)举办。此次下线投用的制氢装备,突破了多项前沿科学难题和核心关键技术,实现了单体产氢量由2000 Nm^(3)/h到3000 Nm^(3)/h的跨越,对我国加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系具有重要意义。该装备由七一八所旗下中船(邯郸)派瑞氢能科技有限公司自主研发,围绕我国氢能高质量发展重大需求,突破了大功率、高电密、宽负载、低电耗等多项前沿技术,运行电流密度提升17%,槽体重量降低13%,制氢系统具备30%~110%的动态调节能力,能耗达到国标一级能效标准,可显著提高单机产能、降低生产投入和运行成本。在国家加快建设新型能源体系的战略引领下,七一八所依托在制氢技术研发和装备制造领域50余年的深厚积累,强化氢能技术创新、引领氢能行业发展,多项技术处于国际领先水平。

PEM水电解制氢研究现状与展望

在绿色可再生能源迅猛发展的背景下,质子交换膜(PEM)水电解制氢技术因其作为可再生能源与氢能转换的桥梁而备受瞩目。旨在全面阐述PEM水电解制氢技术的基本原理,探讨其关键技术的最新进展,并对该技术的未来应用进行前瞻性展望。通过对PEM水电解制氢技术的深入研究,我们期待为可再生能源的利用和氢能产业的持续发展提供理论支持和实践指导。

国内最大单体水电解制氢装备正式下线

近日,国内最大单体产氢量3000 m^(3)/h水电解制氢装备下线仪式暨“氢动未来”氢能产业发展大会在河北省邯郸市中国船舶集团第七一八研究所(简称七一八所)举办。此次下线投用的制氢装备,突破了多项前沿科学难题和核心关键技术,实现了单体产氢量由2000 m^(3)/h到3000 m^(3)/h的跨越,对中国加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系具有重要意义。

高压质子交换膜水电解技术研究

介绍了国内外质子交换膜水电解技术的研究进展,讨论了阳极催化剂材料、膜厚度、电流密度对膜电极电化学性能的影响,利用高压水电解制氧测试平台分析了高压大功率质子交换膜水电解器的工作性能和长期运行稳定性的影响。结果表明,以Ir O2复合金属氧化物催化剂的膜电极,在80℃和1.0 A/cm2的条件下,电解单槽电压不大于1.75 V,水电解器氧气输出压力达到5 MPa,最大产氧量为3.6 Nm3/h,氧气纯度不小于99.5%,研制的水电解器具备在高压、大电流密度下稳定工作的能力。

水电解技术发展及在绿氢生产中的应用

利用风电和光伏电等可再生电力生产的绿氢符合新时代能源发展的要求。可再生电力具有突出的间歇性、波动性、随机性特点,对水电解技术提出了更高的要求。电解水技术发展关键在于材料,本课题从析氧电催化剂、电解质、膜材料、扩散层材料等方面回顾了碱水电解和质子交换膜纯水电解制氢技术的发展;介绍了可再生电力制氢技术应用开发现状,分析了存在的技术难题,并对未来利用可再生电力的电解水生产绿氢技术的攻关发展提出一些建议。