质子交换膜水电解池分布特性研究

电解水制氢的分布特性对水电解池的性能和寿命有着重要影响。利用分区印刷线路板对电解水的稳态与动态过程进行电流密度分布和温度分布的原位表征,分析在水流量和表观电流密度影响下传质极化对多物理场的作用效果。结果表明,当水电解池处于电化学极化和欧姆极化区时,电流密度分布和温度分布较为均匀且稳定;而当水电解池处于传质极化控制区时,电流密度分布差异明显,而且传质极化程度越大局部电流密度分布差异越大,对应温度分布的高温区随流量增大从进水侧逐渐向出水侧偏移。此外,采用归一化电流密度分布分析了动态过程中电流密度的分布演化过程,结果表明,造成水电解池分布均一性变化的主要原因是传质极化,传质极化发生过程中靠近下游出口区域的低电流密区逐渐增大,最终形成稳定传质极化时的分布特征。

不同材料作为阳极扩散层对质子交换膜水电解池性能的影响

文章分别选用钛毡、烧结钛板与碳纸作为阳极气体扩散层,组装单节质子交换膜水电解池,并进行极化曲线和稳定性测试,以及交流阻抗测试和物理表征。研究结果表明:在常压,60℃的条件下,钛毡具有最好的电解性能;在电流密度为2.0A/cm^2的稳定性测试中,烧结钛板扩散层、钛毡扩散层和碳纸扩散层的衰减率分别为65,73,386mV/h;钛毡更适合作为质子交换膜水电解池的阳极扩散层。

煤炭制氢替代技术——质子交换膜水电解制氢技术及其衰减机理

氢能作为一种零污染、高热值的二次能源,其高效生产和有效利用一直以来都是一个十分重要的课题。目前主流的制氢方式主要是煤炭的焦化和气化,然而,在煤炭的焦化产氢过程中会产生甲烷、一氧化碳等有毒气体,气化过程则会产生大量的二氧化碳,2种煤制氢方式不仅产生的氢气纯度低而且对环境不友好。因此,寻求一种低碳环保、产氢效率/纯度高的制氢方式至关重要。质子交换膜(PEM)水电解制氢具备宽范围快速动态响应能力,在新能源消纳、高比例新能源电网功率动态平衡方面应用前景广阔。但波动电源制氢过程中启停、过载、快速大幅变载等工况会影响质子交换膜电解槽中的关键材料和传热传质过程,导致耐受性不足及性能衰减加剧,严重制约了PEM制氢的大规模推广。因此,亟需开展PEM电解槽衰减机理和失效机制分析,为研发适于波动工况输入的高性能、长寿命PEM制氢装置提供理论指导。主要从传统的煤炭制氢技术6及其弊端、(PEMWE)的基本原理和优缺点、PEM电解槽性能优化的发展现状、PEM电解槽中催化剂、质子交换膜、双极板的衰减机理及其缓解策略5个方面来进行阐述,指导未来PEMWE系统的性能和耐久性提升。

质子交换膜电解池阳极钛基气体扩散层研究进展

气体扩散层在质子交换膜(PEM)水电解池中有着支撑膜组件、供给反应水、移除气体产物以及降低欧姆电阻的重要作用。PEM水电解池阳极区具有酸性、富氧且高电位的工作环境,对阳极区的气体扩散层具有严苛的要求。气体扩散层结构特性、导电性与耐腐蚀性是决定其电化学性能的关键。本文总结了可用于PEM电解池阳极气体扩散层的材料,简述了其结构特性对PEM电解池电化学性能的影响,分析了各种镀层材料在提高气体扩散层的导电性、耐腐蚀性以及电解池阳极氧析出反应(OER)性能方面的作用。最后,展望了气体扩散层在降低成本和提高电解池性能方面的研究趋势。

质子交换膜水电解中气-液两相传输的模拟研究

两相传输是影响质子交换膜水电解系统性能的关键因素。为掌握质子交换膜水电解单元中多孔扩散层内气液两相传输规律,基于数值重构的三维多孔扩散层结构,采用格子Boltzmann两相流动模型模拟研究了扩散层内两相传输过程,详细分析了扩散层孔隙率和表面接触角对气泡传输与分布的影响。数值模拟结果表明:孔隙率减小会明显降低气体渗透率,从而导致气泡难以在扩散层内找到有效传输通道。接触角的增大不仅增加了气泡在界面堆积的风险,也减缓了气泡在孔隙内的传输速度。从孔隙尺度水平初步掌握了质子交换膜水电解单元多孔扩散层内两相传输规律,可为高性能水电解系统设计和优化提供理论支撑。

质子交换膜电解制氢氢气渗透研究进展

由于膜的吸水特性,高压质子交换膜(PEM)制氢(尤其是差压式,氢侧高压/氧侧常压)存在氢气渗透问题,影响电解堆的运行安全与效率.基于菲克定律描述的渗透通量与渗透率、分压差的关系,综述了温度/压力、膜水合程度、氢气分压差对氢气渗透的影响规律.在常规运行压力范围(3.5 MPa)内,扩散系数与溶解度主要受温度影响,温度升高则渗透率增大;氢气渗透率随膜水合程度的增加而增大;氢气分压差对渗透的影响表现出线性(渗透池环境)与非线性(电解制氢环境)两种关系,非线性可能源于膜透水性提升与水通道结构改变引起的对流渗透.考虑到电解制氢实际工况存在电流,综述了电流密度对氢渗透的影响,氢气渗透率随运行电流密度的升高而增大,氢过饱和是可能的影响机理,高电流密度下氢过饱和度升高,导致氢气通过膜的渗透增加.

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。

PEM水电解技术在航天上的应用现状与发展趋势

介绍了质子交换膜(PEM)水电解技术的特点及其在国内外航天领域的应用现状,在分析空间任务的发展趋势,以及能源、动力、环境控制与生命保障系统需求变化的基础上,认为在未来载人航天任务中,能源、动力、生保物质互用的解决方法是摆脱依赖地面支持、实现自主和可持续保障的最优途径,并指出了PEM水电解技术作为实现这一技术途径的关键环节所面临的挑战。

PEM水电解池低成本阳极钛纤维毡扩散层研究

采用浓盐酸刻蚀焙烧还原法将贵金属混合氧化物涂层制备在钛纤维毡表面,将此修饰后的钛纤维毡用做质子交换膜(PEM)水电解池的阳极扩散层。通过扫描电镜观察可知钛纤维毡纤维表面被微米级的沟槽与孔洞覆盖,且有贵金属氧化物晶粒生长。电化学表征表明该阳极扩散层具有良好的电解析氧反应(OER)催化活性,阳极贵金属用量仅2 mg/cm^2时,组装PEM电解池的性能达到1.841 V@2 000 mA/cm^2。对钛纤维毡的厚度及膜电极组件制备方法进行了优化。优化后的阳极扩散层具有良好的导电性、化学与机械稳定性及抗腐蚀性能,用于PEM电解池中可降低贵金属用量,实现低成本电解制氢。

PEM水电解用多层钛网析氧阳极制备及性能研究

以钛网为扩散层基体,氯铱酸为前驱体,采用浸渍-热解法制备了IrO_2/Ti析氧阳极,进一步采用热压法制备膜电极.综合扫描电镜、循环伏安、交流阻抗、单池性能曲线测试及阳极寿命强化测试,研究了不同层数钛网析氧阳极对性能及寿命的影响.结果表明:与单层钛网析氧阳极比较,采用双层钛网析氧阳极,积分电荷由84.27 m C/cm2增至153.12 m C/cm2,电极电化学反应阻抗由7.38Ω·cm2降低至3.03Ω·cm2,单池性能得到提升.寿命强化测试表明,采用双层钛网析氧阳极在稳定性及寿命方面有显著提升,稳定运行时间由30 h增加到了53 h.

一种用于PEM水电解制氢的高效负载型锰铱掺杂型催化剂

质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)水电解制氢是一种绿色、可持续的氢能制备方法,开发用于阳极析氧反应(oxygen evolution reaction,OER)的、高效经济的电催化剂是实现其大规模商业化应用的关键。通过两步合成法,合成了由不同锰基氧化物作载体的氧化铱催化剂IrO_(x)/Mn_(8)O_(10)C_(l3)、IrO_(x)/β-MnO_(2)和IrO_(x)/α-MnO_(2),铱的质量分数为55%左右。与现有商业IrO_(2)和其他含贵金属的电催化剂相比,合成的氧化铱/锰基氧化物催化剂具有更低的过电位和更高的电流密度。IrO_(x)/β-MnO_(2)在电流密度为10 mA/cm^(2)时过电位仅为228 mV,IrO_(x)/Mn_(8)O_(10)C_(l3)在1.53 V电压下比质量活度达到916.7 A/gIr,析氧反应活性的提升归功于催化剂表面丰富的羟基氧缺陷和IrⅢ物种,丰富的结晶-非晶界面为反应提供了大量活性位点。所提的氧化铱/锰基氧化物为高效经济的酸性OER催化剂的开发提供了新思路。

PEM水电解池装配接触压力试验

由于质子交换膜水电解池(proton exchange membrane water electrolyzer,PEMWE)核心组件膜电极(membrane electrode assembly,MEA)上的压力分布对电解池性能有较大的影响,因此,对水电解池不同装配方案对膜电极上压力分布的影响进行了研究.首先,采用压敏纸替换电解池核心组件膜电极;然后,采用不同装配方案组装质子交换膜水电解池,通过试验观察与图像处理技术分析压敏纸上压力分布情况,获得不同装配方案对膜电极上压力分布的影响.结果表明:随着电解池装夹压力的增加,膜电极上压力值逐渐变大,且分布更均匀,但压力过大会导致阴极扩散层碳纸损坏;方案5是最佳的装配方案,既保证了密封效果,又保证了膜电极压力分布.

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。

质子交换膜水电解析氧电催化复合材料合成、微结构调控及性能研究

质子交换膜水电解(PEMWE)制氢技术以其独特的优势被视为未来全球能源与环境协调发展的优先选择.析氧电催化剂是PEMWE制氢技术发展的关键瓶颈之一,主要原因在于其表面的析氧反应(OER)可逆性差、反应动力学过程缓慢.为了提高析氧过程反应动力学,需要研制高效的电催化剂.本文从材料组分与结构的角度出发,采用具有质子传导特性的复合载体,探索微结构可控复合载体材料的合成技术,开发出一系列的高效氧电极复合载体材料以及载体催化剂.实现载体材料高质子、电子导电性及微结构的可控优化,对于PEMWE的理论研究和应用都具有重要意义.

镀铂钛毡对质子交换膜电解槽的性能优化

多孔传输层在质子交换膜电解槽中起到气水分配和电子导通的作用。本文采用快速脉冲电沉积的方法构建了具有均匀纳米花团簇结构的镀铂钛毡,该镀铂钛毡具有较低的阳极气泡黏附性,能有效排除钉扎在钛毡表面的气泡。相较于未处理的商用钛毡,脉冲镀铂钛毡能显著降低电解槽运行过程中的传质损失和欧姆损失,在1.5 A·cm^(-2)的中低电流密度下电解电压低至1.69 V。采用流体体积法对不同润湿特性下的多孔传输层气液流动过程进行了探究,发现超亲水的脉冲镀铂钛毡具有最低的氧气占比和最短的气泡突破时间,能有效排出催化层产生的气泡,减少了电解过程中的传质损失。

PEM电解槽流场的多物理场耦合建模与分析

基于传热、传质和电化学动力学等多物理场耦合理论,建立PEMWE单电池三维模型,研究流场结构对PEMWE性能的影响。对比分析了4种流场结构电解槽内流体流速、物质分布和极化曲线的情况。研究结果表明:在相同的操作条件下,叶栅形流场PEMWE的槽内物质流速和压力分布更加均匀,电化学反应更加充分,而传统的平行流场结构电化学性能较差;在80℃、0.1 MPa的工作条件下,叶栅形流场PEMWE的极化电压更低,当电流密度为2 A/cm^(2)时,单电池极化电压仅为1.686 V,表明采用叶栅形流场结构相较其余几种方式能更有效地提升PEMWE单电池的性能。

基于钛毡的多孔传输层不同参数对PEMWE极化性能的影响

研究了不同参数的阳极多孔传输层在质子交换膜水电解中的极化特性。结果发现,铱钌镀层可降低电解池的欧姆极化和电荷转移极化。同时,钛毡厚度为0.2 mm,通孔面积集中在40μm^(2),孔隙率为60%时,其欧姆极化和传质极化有所降低。基于上述结论,设计了一款性能良好的定制钛毡。在3 A/cm^(2)的电流密度下,该阳极钛毡的水电解电压为2.11 V,而普通钛毡的水电解电压为2.40 V。

基于PEMWE的光伏氢能生产系统的性能分析

提出了利用光伏电能通过质子交换膜水电解池(PEMWE)电解水制氢气的光伏氢能生产系统,实现光伏电能的长期能源存储,其主要元件包括光伏组件、PEMWE、氢气罐和氢气压缩机等。建立了各元件数学模型和系统效率模型,使用MATLAB搭建了基于PEMWE的光伏氢能生产系统的仿真模型,并对其运行性能进行了分析。仿真结果表明,PEMWE可以在变功率模式下将光伏电能转换为氢能,系统效率达70%左右。

低铱酸性氧析出电催化剂的研究进展

开发高性能、低成本的氧析出反应(OER)电催化剂是促进质子交换膜水电解(PEMWE)制氢规模化应用的关键。迄今为止,OER催化剂的最佳选项仍为贵金属铱(Ir),但其仍存在活性不足和储量稀缺的问题,进而增加了材料成本和电力成本。因此,开发低Ir载量、高活性和稳定性间距,且能够满足PEMWE设备中大电流密度和长期运行要求的OER催化剂是十分必要的。这些目标的实现需要深入理解酸性OER机制、明晰材料设计方法,并建立可靠的性能评估指标(特别是对耐久性的评估)。综上,本文首先系统总结了目前被广泛接受的酸性OER活性表达机制(即吸附析出机制、晶格氧氧化机制和多活性中心机制)和失活机制(即活性物种溶解、晶相和形态演化、催化剂脱落和活性位点阻塞),为催化剂的微观结构设计提供指导。其次,我们讨论了最近报道的几类低铱OER催化剂,包括多金属合金氧化物、负载型催化剂、具有特殊空间结构的催化剂和单位点催化剂,并重点描述低Ir催化剂中的性能如何得以调控以及其中潜在的构效关系。随后,我们介绍了常用的催化剂稳定性评价指标、催化剂失活表征技术以及模拟PEMWE实际操作条件的催化剂寿命测试方法,希望为催化剂筛选提供依据。最后,针对未来可用于PEMWE体系的低铱OER催化剂的探索提出了一些可行建议。

多孔TiC/TiO_2壳-芯复合物制备、表征分析及应用研究

针对PEMWE阳极催化剂,对具有多孔结构和较高比表面积的纳米TiC采用控制氧化进程的方法,进行了表面物相和微孔结构改性,形成多孔结构的TiC-TiO2壳-芯复合物,并以处理后的TiO2-TiC原位复合物作为载体,制成了具有高活性的负载型催化剂。通过X射线衍射光谱法(XRD),布鲁瑙尔-埃利特-特勒法(BET)和透射电子显微镜法(TEM)等多种表征方法,证明了改性后的TiC-TiO2比表面积比TiC增加了2倍以上,具有多矿相复合结构。循环伏安测试表明,Ir/TiC催化剂的析氧峰值电流是Ir黑的5倍,而经过改性后的TiC-TiO2负载的Ir催化剂则是Ir/TiC催化剂的析氧峰值电流的6倍。很明显改性后的TiO2-TiC原位复合物具有更大的比表面积和孔体积,更好地分散了贵金属Ir,大大提高了析氧反应的催化活性。