质子交换膜电解水技术关键材料的研究进展与展望

氢是碳中和能源系统的重要组成部分,为重工业和长途运输等难以脱碳的行业提供了一种可替代路径。可再生能源电解制氢是最可持续的制氢技术,为整合间歇性可再生能源提供了额外的灵活性,并可以作为季节性储能。质子交换膜(PEM)电解水技术具有电流密度高、运行压力高、电解槽体积小、整体性和灵活性好等优势,与波动性较大的风电和光伏有很好的适配性,但目前的主要挑战之一是其成本较高。本文对PEM电解水技术的成本组成及应用现状进行了总结,并详细分析了PEM电解槽中的关键材料、制备工艺及组件制造的研究进展。研究认为,通过新型的结构设计、制备策略和制造技术,可以提升贵金属催化剂的活性和利用率,减少膜厚度以降低欧姆极化,降低双极板的原料和加工成本,改善电解槽的结构设计和组装。最后提出了未来PEM电解水技术的研发方向和目标,通过材料性能的技术创新、组件制造工艺的优化、电解槽生产规模的扩大,能显著降低PEM电解水设备的成本,加速PEM制氢的规模化发展。

风光波动电源下质子交换膜电解水制氢技术发展与应用

发展具有波动性负荷跟随能力的质子交换膜(PEM)电解水技术,是实现可再生能源耦合电解水制氢、促进可再生能源消纳的有效途径。本文梳理了风电耦合制氢、光伏发电耦合制氢等可再生电力制氢场景,分析了可再生能源的波动特性;从风光波动电源对电解池影响显著、风光波动电源加速电解池部件衰减、风光波动电源模拟方式三方面,详细阐述了PEM电解水制氢的基本特性以及研究进展;进一步讨论了PEM电解槽技术研发、PEM电解槽制氢技术发展方向。在把握风光耦合制氢现状及经济性、明晰风光波动电源电解水制氢产业应用态势的基础上,提出了深化研究高效电解池的基础科学问题和核心部件、进一步降低制氢成本、开展风光耦合制氢优化布局和制度保障研究等发展建议,以期促进可再生能源制氢产业的高质量发展。

高温质子交换膜水电解用Nafion/BN复合膜的制备与性能研究

在研究高温质子交换膜水电解系统时,膜脱水引致质子传导率降低的情况是造成电解性能较低的主要问题。针对该问题,引入了氮化硼(BN)作为一种无机吸湿改性剂。通过采用掺杂浇铸技术,成功制备了Nafion/BN复合膜。氮化硼的卓越吸湿能力,以及其表面碱性基团与Nafion分子链上磺酸基团之间的酸碱相互作用,共同形成了一个密集的氢键网络,从而推进质子的传递。扫描电子显微镜(SEM)和X射线能量散射光谱(EDS)的分析结果验证了氮化硼在复合膜中的均匀分布。吸水率的测试结果显示,BN的引入显著增强了复合膜的水吸附能力。通过质子电导率的测试,证实BN的掺杂显著提升了复合膜的质子电导率。在130℃的高温条件下,采用Nafion/BN复合膜构建的水电解装置表现出了卓越的电解效能,尤其是在2.0 V电压下,电流密度达到2.04 A/cm^(2),表明Nafion/BN复合膜在高温质子交换膜水电解领域内具有一定的发展潜力。

质子交换膜电解水二氧化铱催化剂材料的制备

研究了机械化学法在不同温度、NaOH用量、煅烧时间等条件下对质子交换膜电解水二氧化铱催化剂材料电催化性能的影响。结果表明,在H 2 IrCl 6∶NaOH=1∶6(摩尔比)、研磨30 min、80℃干燥2 h、500℃煅烧30 min条件下,IrO_(2)产率为84.21%。并对不同方法制备IrO_(2)进行了研究,发现机械化学法制备的IrO_(2)电催化性能优于化学沉淀法和Admas法,电流密度可达到138.45 mA/cm^(2)。此外,通过对不同厂家IrO_(2)商业化产品与机械化学法制备产品进行比较,机械化学法制备的IrO_(2)性能较优,产品性能稳定,对质子交换膜电解水制氢工业化应用具有重要的指导意义。

质子交换膜结构对氢气渗透的影响机制

质子交换膜(PEM)电解水过程中氢的跨膜渗透是制约电解水效率和安全性的重要因素。制备了5种不同厚度的PEM,阐明了PEM厚度对PEM电解水中氢气渗透性的影响规律,并通过对比进一步研究了PEM的主要结构特征物理量(吸水量(S)、结晶度(Xc)和亲水域平均间距(Dw))对氢气渗透性的影响机制。研究结果表明,上述3个特征物理量对氢气渗透性能均有较大影响,其中Dw是影响氢气渗透性能的主要因素。

酸处理钛毡对质子交换膜电解槽性能的影响

多孔传输层是质子交换膜电解水制氢系统中关系到气水的高效输运和电子有效导通的重要部件。该文采用盐酸和草酸对商用钛毡进行蚀刻处理,获得具有优异电化学性能的酸处理钛毡。对酸处理后钛毡的表面形貌及元素成分表征说明:酸处理能有效去除钛毡表面的氧化层,并且不会对钛毡本身的化学性质和孔隙结构产生影响。接触电阻与电化学测试显示:酸处理后的钛毡接触电阻得到有效降低,相同电流密度下采用草酸处理钛毡的电解槽低至1.8V,较未处理钛毡电压下降10%。同时,得益于酸处理后钛毡微观结构和湿润性的变化,相较于普通钛毡,酸处理钛毡能显著优化电解槽运行中的传质过程。结果表明:采用质量分数为10%的草酸溶液80℃处理20min的钛毡具有最小的极化损失,能有效提高电解槽的运行效率。

PEM电解水制氢膜电极涂布工艺

质子交换膜(PEM)电解水制氢用膜电极卷对卷连续涂布工艺是目前研究的热点,同时也是限制膜电极量产化及国产化的制约因素之一。基于国产膜电极的批量化制备,分析了目前卷对卷连续涂布工艺的系统,介绍了涂布设备的构成及基本原理。在涂布过程中,催化剂浆料是影响产品性能及均匀性的重要因素;介绍了涂布工艺中的缺陷问题及优化方向。从设备装置,浆料配制工艺,工艺参数调试等方面综合解决目前涂布工艺中的产品缺陷问题,减少批量化生产工艺中的质量缺陷和性能缺陷,提高生产效率的同时降低电解水制氢的成本。

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。

质子交换膜电解水制氢技术在电厂的应用探讨

质子交换膜(PEM)电解水制氢技术是一种清洁环保的制氢技术,具有制氢效率高、氢气纯度高、无污染、结构紧凑、运行维护简便的优点。应用该技术的小型电解水制氢设备在电厂氢冷发电机组领域具有广泛的应用前景。本文介绍了PEM电解水制氢技术的工作原理和技术优势。对比碱性电解水制氢技术方案的经济可行性,为电厂和其他民用领域的PEM电解水技术的应用前景提供了新的视角。

质子交换膜电解水制氢影响因素的过程模拟

氢能领域相关技术的快速发展有助于我国实现“双碳”目标。基于联立方程建模技术,对质子交换膜(PEM)制氢进行过程模拟,研究了在不同温度、操作压力、质子膜厚度等影响因素下,制氢系统电压、功率及效率随电流密度变化的规律。研究结果表明:在满足制氢安全约束下时,阴极操作压力为0.728 MPa并选择厚度为27.5μm的质子膜时,制氢系统具有最高的效率,达69.3%。

质子交换膜电解水氧化铱析氧催化剂的研究进展

高效、低成本的氧化铱析氧反应(OER)催化剂是质子交换膜(PEM)电解水技术大规模应用的关键。分析了氧化铱催化剂性能的影响因素,阐述了氧化铱催化剂的主要制备方法,包括Adams Fusion法、液相还原法、软/硬模板法和其他新兴制备方法,对比了氧化铱催化剂性能的两种评价方法[旋转圆盘电极(RDE)和膜电极(MEA)],以期为研发高活性、高稳定性铱催化剂提供一定参考。

燃料电池质子交换膜技术发展概述

针对燃料电池质子交换膜技术发展现状进行研究。首先,从物理特性、工作特性与耐久性三个方面入手,简要概述了燃料电池质子交换膜的技术发展现状;其次,介绍了燃料电池质子交换膜技术发展的影响因素;最后,展望了燃料电池质子交换膜技术的未来发展趋势。

电源波动条件下质子交换膜电解水制氢实验研究

在分析质子交换膜(PEM)电解水制氢原理的基础上,采用可编程直流电源、氢气发生器、上位机数据采集系统搭建了波动电源条件下的电解水制氢实验平台,研究了波动电压、电流条件下PEM电解水制氢氢气流量与电压、电流、功率之间的关系。结果表明,实验平台PEM电解水制氢系统,在满足最低输入电压条件(18 V)下,额定功率内,氢气流量与输入电流成正比,与输入电压和输入功率无关。该实验研究为开展可再生能源PEM电解水制氢技术提供参考。

车用质子交换膜燃料电池系统技术现状

详细介绍了车用质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统的组成,描述了目前国内外PEMFC系统的技术状态及技术指标。

车用质子交换膜燃料电池系统技术评估与分析

根据当前车用质子交换膜燃料电池系统技术现状与相关研究活动,对电堆功率密度、成本指标、系统寿命、冷起动、储氢技术和燃料电池模块化等相关技术方案进行评估与分析。

交流阻抗技术在质子交换膜燃料电池上的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有低温、高效、零排放等特点,是有效解决环境污染和能源危机的发电装置,然而其内在电化学、传输机理不明确限制了其发展。交流阻抗技术(EIS)作为研究电极过程动力学和表面现象的重要手段,应用在PEMFC上受到高度重视。本文概括介绍了EIS的应用原理以及对于PEMFC的测量方式,并重点结合电池电极中典型的阻抗谱解析,总结了近来EIS在电池和材料两个方面的研究进展,从原位极化分析、材料性能评估及反应机理剖析等几个方面予以深入,详细分析了各阻抗元件参数对电池和材料改进的指导作用,进而展望了EIS在燃料电池上的应用前景,指出除了采用等效电路加以分析以外,结合数学模型推导将更加完美呈现出阻抗谱数据的特点。

直接涂膜技术用于质子交换膜燃料电池膜电极制备 (Ⅱ)

研究了直接涂膜过程中 ,催化剂液组成对电池性能的影响 .异丙醇在催化剂墨水中起到溶剂和造孔剂的作用 ,当催化剂墨水中催化剂、异丙醇的质量比为 1∶10时电池性能最好 .Nafion是催化剂层中良好的黏结剂和质子传导载体 .由于直接涂膜 ,使Nafion液与Nafion膜直接接触 ,从而增加了质子传导性 .实验结果表明 ,最佳的Nafion含量 (干基 )为NFP =33% .通过对不同金属含量的Pt/C催化剂的研究发现 ,金属含量不同 ,异丙醇和Nafion的最优含量亦随之改变 .考察了催化剂层不同制备工艺对电池性能的影响 ,表明催化剂层数越多电池性能越好 。

微型质子交换膜燃料电池构造技术进展

从膜电极组件的构造技术、双极板加工技术和整体制作与组装技术3个主要方面较为详尽地介绍了微型燃料电池构造技术的最新进展状况,对其技术特点以及发展前景开展了分析与讨论。

中国石化首套质子交换膜电解水制氢示范站投用

近日中国石化首套质子交换膜(PEM)制氢示范站在所属燕山石化启动投用,标志着中国石化自主研发的国产PEM制氢设备打通了从关键材料、核心部件到系统集成的整套流程。

基于多孔硅及MEMS技术的微型质子交换膜燃料电池

分析了研究和发展微型质子交换膜燃料电池(μPEMFC)的重要意义和应用前景,介绍了基于多孔硅及MEMS技术的μPEMFC最新研究动态,讨论了μPEMFC的结构设计、加工过程及性能,提出了μPEMFC仍存在的问题及其技术发展对策。