PEM电解水制氢装置宽功率波动适应性研究

新能源的迅猛发展对风资源的有效利用提出了更高需求。PEM(Proton Exchange Membrane)电解水制氢装置能够将未消纳的风电转化为氢气进行储存,供给有需求的下游,在一定程度上解决了风电的间歇性问题。文章对PEM电解水制氢装置的工艺参数进行调整,进而研究PEM电解水制氢装置在风电宽功率波动情况下的适应性。这些探究为PEM电解水制氢装置的工艺和自动控制提供了有力支持,同时也为风电耦合大规模制氢及能源的有效利用提供了必不可少的基础研究。

核-壳型PEM电解水制氢阳极铱基催化剂的研究进展

基于可再生能源电力的质子交换膜(PEM)电解水制氢技术是现阶段大规模制取绿氢的有效方法之一,其具有工作效率高、制氢纯度高、电解槽及系统结构紧凑、本质安全性高、负荷波动可调节范围大、适合快速启停等优点。阳极反应是速率控制步骤,阳极催化剂的活性和稳定性以及成本是目前制约PEM电解水制氢大规模发展的重要因素之一,目前主要的阳极商业催化剂为IrO2或Ir黑催化剂,Ir储量少且价格昂贵,因此当务之急是寻求能够同时降低催化剂成本和提高催化剂性能的有效方法。具有核-壳结构的Ir-M催化剂利用核与壳之间的电子效应和应变效应的协同调节,不仅可以降低贵金属Ir的用量,而且能显著提高催化活性,笔者综述了核-壳结构型Ir基PEM电解水制氢阳极催化剂的主要制备方法,包括胶体法(晶种生长法)、一步合成法、选择性脱合金法等,分析了反应机理,阐述了核壳结构电催化剂特用的表征方法,最后对Ir基核-壳结构催化剂的研究发展趋势做出了展望。

低成本PEM电解水阳极催化剂研究进展

质子交换膜(PEM)电解水作为一项高效制氢技术在可再生能源储能方面有巨大的潜能,降低PEM电解水的成本是研究的重点。对阳极氧析出反应(OER)催化剂进行分类:非贵金属掺杂型催化剂,单原子催化剂以及非贵金属催化剂。非贵金属掺杂催化剂在掺杂成分的活性与稳定性兼顾方面仍然有一定的挑战。单原子催化剂在大幅降低贵金属含量(质量分数小于5%)、提升活性(过电势220~270 mV@10 mA/cm^(2))方面具有明显优势,但其发展往往需要借助特异性结构的载体材料,如氧缺陷型二氧化钛、金属有机框架材料(MOFs)、迈克烯等。非贵金属催化剂的研究目前较少,相比贵金属催化剂,其活性相差甚远。

PEM电解水析氧催化剂研究进展

氢能是一种理想的洁净能源载体。质子交换膜(PEM)电解水技术以其电解效率高、安全可靠、结构紧凑、对可再生能源具有快速响应性等特点,被公认为极具发展前景的制氢技术之一。目前,制约PEM电解水技术大规模商业化应用的因素之一在于较高的制造成本,尤其是成本占比较高的贵金属,针对于PEM电解的研究多集中在贵金属催化剂上。本文综述了析氧电催化剂研究进展,并对析氧催化剂的未来研究方向进行了展望。

解读PEM电解水制氢技术和成本降低空间

氢气在化工、能源以及材料等相关领域有着非常广的应用。基于全球对能源结构进行调整这一宏观背景,“氢经济”概念愈发得完善,与之相伴随,氢能产业链也实现了越来越清晰的发展。从目前的实际情况来看,市场中的氢气主要来源于化石燃料氢气重整,或者是通过副产氢的方式得到,前者有很大的二氧化碳排放量,会在较大程度上造成对环境的污染;后者容易受到储运因素的制约,仅能够做到在副产氢企业周边区域进行氢气的供应。基于无碳环保以及生产灵活等优势,PEM电解水制氢得到的关注不断提升,本文对其基本原理以及提效降本策略进行探究。

基于WO_(3)阵列的高效PEM电解水铱负载电极

PEM电解水阳极面临高电位强氧化的环境,同时受限于金属铱的高昂价格,开发低成本、高活性与稳定性的析氧电极面临巨大挑战。本文通过操作简单的浸渍法在WO_(3)阵列表面进行铱负载,得到的Ir@WO_(3)电极在PEM电解水析氧电极中具有较高的活性与应用化价值。通过优化铱前驱体的浸渍量,当载量为0.15 mg_(Ir)·cm^(-2)时,电极呈无序多孔结构,铱在电极表面均匀分布。单电解池测试膜电极2.0 V下性能达到2.3 A·cm^(-2),此时铱质量比活性提高至15.5 A·g_(Ir)^(-1),传质极化区域tafel斜率降低至360 mV·dec^(-1);相比商业化铱黑喷涂电极,WO_(3)阵列载体的电极在提高催化剂质量活性与降低电极的传质极化方面具有优势。本研究提供的电极制备方法与性能研究思路对于发展低成本高活性PEM电解水膜电极具有一定的价值。

质子交换膜电解水用非贵金属基析氧反应催化剂的研究进展

质子交换膜(PEM)电解水制氢技术是可再生能源存储与转化的重要技术手段。目前,国内外研究者在非贵金属析氧反应(OER)催化剂方面开展了大量的工作。但是,在PEM电解水阳极的强酸性条件下,催化剂仍难以兼顾催化活性和稳定性。为此,本文对PEM电解水用非贵金属酸性介质OER催化剂的研究进行了系统总结和分析。首先,基于PEM装置的工作特点提出了PEM电解水用OER催化剂的性能指标;第二,阐述了OER催化过程的基本原理;第三,系统介绍了碳基材料、过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属磷化物和多金属氧酸盐等非贵金属OER催化剂的研究进展,重点分析了其催化活性和稳定性的改进策略;最后,从PEM电解水需求和材料改性两方面对OER催化剂的设计进行了展望。

有序化析氧电极的制备与性能

作为质子交换膜(PEM)电解水制氢技术的核心部件,析氧电极决定了水电解池的能耗、效率和使用寿命。采用阳极极化法制备TiO_(x)纳米管阵列(A-Ti),再通过热解法负载IrO_(2)获得有序化析氧电极(IrO_(2)/A-Ti)。在水电解池中测试评估时,IrO_(2)/A-Ti电极可实现更高的电流密度,约3.5 A/cm^(2);而未处理电极(IrO_(2)/N-Ti)在电流密度为0.8 A/cm^(2)时,即出现明显的浓差极化。IrO_(2)/A-Ti电极较好的电化学性能,可归因于电催化多活性界面的反应动力学更快,活性组分的分散性更好。