一種堿水制氫電解槽結構設計及性能優(yōu)化
發(fā)布時間：2021-04-10 00:11
氫氣具有無污染、可再生、熱值高等特點,是一種理想的清潔能源。隨著以氫燃料電池為代表的氫能源設施增多,如何獲取大量純凈的氫氣是氫能源行業(yè)發(fā)展所面臨的問題之一�；现茪浜碗娊馑茪涫潜容^成熟的制氫技術,已實現工業(yè)化運行。雖然化石原料制氫產量大,但含有不少雜質,這些雜質會對用氫設備造成不可逆轉的損傷;而電解水制氫技術是通過電解水獲取氫氣,不會造成污染,且產出的氫氣純凈,是理想的制氫技術。電解水制氫技術可分為純水制氫和堿性水制氫,其核心設備分別為PEM制氫電解槽和堿水制氫電解槽,電流密度是評判制氫電解槽性能的主要參數�，F有的純水制氫技術雖然電流密度高、產氫效率好,但由于膜電極材料的制約,尚不能實現大規(guī)模制取氫氣。堿性水制氫技術十分成熟,可實現大規(guī)模制氫,產氫量可達1000Nm3/h,其不足之處在于電流密度低（約2000A/m2-2600A/m2）,產氫效率低。為了提高堿性水制氫的電流密度,本文設計了一臺新的堿水制氫電解槽,所作的研究內容如下:（1）在原有堿水制氫電解槽的基礎上對其內部進行改造,重新設計了雙極板尺寸,并改用新型多孔電極和無石棉隔膜。（2）對設計出得電解槽進行測試,通過改變電壓...
【文章來源】：北京化工大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：83 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖１－１氫燃料電池工作原理示意圖??Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｗｏｒｋｉｎｇ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌｓ??
?北京化工大學碩士論文???遠低于風電發(fā)達國家［９＿１Ｇ］。鑒于以上情況，部分學者提出將可再生能源及富裕電能通??過電解水的方式將這些能量轉化為氫氣儲存起來，并通過能源網絡實現能量的充分利??用［１１］�？稍偕茉吹闹茪淞鞒倘鐖D１－２所示。??光能、風?１電解制氫￣｜儲氫￣｜應用??能等可再ｊ＿＿ａ??／??——＾?—??生能源ｆ?——｜變壓、整流ｆ??圖１－２可再生能源的制氫流程示意圖??Ｆｉｇ．?１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｆｒｏｍ?ｒｅｎｅｗａｂｌｅ?ｅｎｅｒｇｙ??然而，隨著氫燃料電池汽車的推廣，氫儲能需求的急劇增大，以及其他各行業(yè)對??氫氣的大量需求，如何快速高效地制取純度高、產量大的氫氣己經成為目前面臨的主??要問題之一。??１．?１．?２氫氣的來源??伴隨的氫能行業(yè)的發(fā)展，氫的來源問題也成為熱點。氫氣根據其來源可分為綠氫、??藍氫和灰氫［１２１。通過由可再生能源轉化的電能直接電解水得來，中間無碳化物生成的??為綠氫，最為代表的是通過可在再生能源電解水制氫，該種氫的特點是雜質成分簡單，??氫氣純度極高；通過煤化工制取的氫氣為灰氫，灰氫的特點是在制造過程中往往伴有??大量碳化物生成，經過進一步脫碳處理可得到藍氫，藍氫的純度能到９５％以上［１３］�；�??氫和藍氫現多指石化行業(yè)制取的氫氣。??（１）灰氫和藍氫??化石能源制氫和工業(yè)副產氫的回收利用是工業(yè)生產中應用最多的制氫方式。??化石燃料制備氫氣，其目的不是生產氫氣，而是把氫氣作為提高產品質量的一種??中間原料。以煤、石油、天然氣為代表的化石燃料制備氫氣的過
?北京化工大學碩士論文???堿性電解水制氫是以３０％ｗｔＫＯＨ溶液或者２５％ｗｔＮａＯＨ溶液作為電解質，工業(yè)??上己經實現運行的直流電流密度通常在２０００Ａ／ｍ２－２６００Ａ／ｍ２，工作溫度一般維持在８０°Ｃ??－９０°Ｃ，工作壓力在３．２ＭＰａ以內。堿水制氫電解槽是堿性電解水制氫技術的核心設備，??電解槽由端壓板、密封墊、極板、電極、滲透隔膜等零部件組裝而成。??堿水制氫電解槽單個小室電解反應原理如圖１－３所示［２３Ｌ堿性電解液分別進入隔??膜兩側的陽極區(qū)和陰極區(qū)，水分子可以滲透過隔膜達到另一側。在電通后，電解液中??的水分子在陰極區(qū)與電子結合生成氫氣和氫氧根離子，在陽極區(qū)氫氧根離子失去電子??生成氧氣和水，由于隔膜的阻礙，電解產生的氣體不能大量通過隔膜達到另一側，產??生的氣體和電解液一起從小室流出進行后處理。??該技術的特點是技術成熟度高，設備制造成本低，單體設備產氫量大，所用隔膜??為滲透膜，需等壓運行。??１．２．２固體聚合物電解水制氫工作原理??固體聚合物電解水制氫技術現多用質子交換膜，因此又被稱為ＰＥＭ電解水制氫，??電解原料為去離子水，直流電流密度在１００００Ａ／ｍ２－２００００Ａ／ｍ２，是堿水制氫電解槽的??５倍左右，工作溫度在５０°Ｃ－８０°Ｃ，工作壓力在５ＭＰａ以內。ＰＥＭ電解槽為ＰＥＭ電解??水制氫技術的核心設備，其結構與堿水制氫電解槽類似，主要區(qū)別是采用了薄膜－電??極組件（又稱膜電極），形成了零極間距［２４］。隔膜為Ｎａｆｉｏｎ膜，經水浸泡后具有強酸??性，陽極催化劑和陰極催化劑通過化學鍍或者熱壓的方法附著在隔膜兩側。??電流集流器電＆?電流集流器??－去離子水叫酬、化：＼?
【參考文獻】：
期刊論文
[1]國外商用水電解制氫設備現狀及能效分析[J]. 張祥春. 氣體分離. 2013(02)
[2]電解水制氫的電極選擇問題研究進展[J]. 王璐,牟佳琪,侯建平,張偉華,沈穎瑩,姜穎,李永峰. 化工進展. 2009(S1)
[3]堿性電解槽隔膜的研究進展[J]. 沈英靜,周振芳,呂東方,張和平. 化學工程師. 2009(08)
[4]隔膜法堿水制氫電解槽用隔膜的發(fā)展概況[J]. 彭富兵,焦曉寧. 非織造布. 2008(06)
[5]電解制氫電極材料的研究進展[J]. 龐志成,羅震寧. 貴州化工. 2006(03)
博士論文
[1]離子交換膜電解制取過硫酸銨的研究[D]. 王超.北京化工大學 2019
碩士論文
[1]堿性水電解槽用聚砜隔膜的研制[D]. 宋子龍.湖南大學 2018
[2]氫氣濃度對泄爆特性影響的實驗研究[D]. 胡恒杰.安徽理工大學 2015
[3]壓濾式堿性電解槽槽壓影響因素研究[D]. 張延峰.湖南大學 2015
[4]30％KOH溶液中Cl-，NO3-的電解行為研究[D]. 謝香倫.湖南大學 2011
[5]添加劑法降低水電解中析氧過電位的研究[D]. 劉世永.天津大學 2006
本文編號：3128567
【文章來源】：北京化工大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：83 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖１－１氫燃料電池工作原理示意圖??Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｗｏｒｋｉｎｇ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌｓ??
?北京化工大學碩士論文???遠低于風電發(fā)達國家［９＿１Ｇ］。鑒于以上情況，部分學者提出將可再生能源及富裕電能通??過電解水的方式將這些能量轉化為氫氣儲存起來，并通過能源網絡實現能量的充分利??用［１１］�？稍偕茉吹闹茪淞鞒倘鐖D１－２所示。??光能、風?１電解制氫￣｜儲氫￣｜應用??能等可再ｊ＿＿ａ??／??——＾?—??生能源ｆ?——｜變壓、整流ｆ??圖１－２可再生能源的制氫流程示意圖??Ｆｉｇ．?１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｆｒｏｍ?ｒｅｎｅｗａｂｌｅ?ｅｎｅｒｇｙ??然而，隨著氫燃料電池汽車的推廣，氫儲能需求的急劇增大，以及其他各行業(yè)對??氫氣的大量需求，如何快速高效地制取純度高、產量大的氫氣己經成為目前面臨的主??要問題之一。??１．?１．?２氫氣的來源??伴隨的氫能行業(yè)的發(fā)展，氫的來源問題也成為熱點。氫氣根據其來源可分為綠氫、??藍氫和灰氫［１２１。通過由可再生能源轉化的電能直接電解水得來，中間無碳化物生成的??為綠氫，最為代表的是通過可在再生能源電解水制氫，該種氫的特點是雜質成分簡單，??氫氣純度極高；通過煤化工制取的氫氣為灰氫，灰氫的特點是在制造過程中往往伴有??大量碳化物生成，經過進一步脫碳處理可得到藍氫，藍氫的純度能到９５％以上［１３］�；�??氫和藍氫現多指石化行業(yè)制取的氫氣。??（１）灰氫和藍氫??化石能源制氫和工業(yè)副產氫的回收利用是工業(yè)生產中應用最多的制氫方式。??化石燃料制備氫氣，其目的不是生產氫氣，而是把氫氣作為提高產品質量的一種??中間原料。以煤、石油、天然氣為代表的化石燃料制備氫氣的過
?北京化工大學碩士論文???堿性電解水制氫是以３０％ｗｔＫＯＨ溶液或者２５％ｗｔＮａＯＨ溶液作為電解質，工業(yè)??上己經實現運行的直流電流密度通常在２０００Ａ／ｍ２－２６００Ａ／ｍ２，工作溫度一般維持在８０°Ｃ??－９０°Ｃ，工作壓力在３．２ＭＰａ以內。堿水制氫電解槽是堿性電解水制氫技術的核心設備，??電解槽由端壓板、密封墊、極板、電極、滲透隔膜等零部件組裝而成。??堿水制氫電解槽單個小室電解反應原理如圖１－３所示［２３Ｌ堿性電解液分別進入隔??膜兩側的陽極區(qū)和陰極區(qū)，水分子可以滲透過隔膜達到另一側。在電通后，電解液中??的水分子在陰極區(qū)與電子結合生成氫氣和氫氧根離子，在陽極區(qū)氫氧根離子失去電子??生成氧氣和水，由于隔膜的阻礙，電解產生的氣體不能大量通過隔膜達到另一側，產??生的氣體和電解液一起從小室流出進行后處理。??該技術的特點是技術成熟度高，設備制造成本低，單體設備產氫量大，所用隔膜??為滲透膜，需等壓運行。??１．２．２固體聚合物電解水制氫工作原理??固體聚合物電解水制氫技術現多用質子交換膜，因此又被稱為ＰＥＭ電解水制氫，??電解原料為去離子水，直流電流密度在１００００Ａ／ｍ２－２００００Ａ／ｍ２，是堿水制氫電解槽的??５倍左右，工作溫度在５０°Ｃ－８０°Ｃ，工作壓力在５ＭＰａ以內。ＰＥＭ電解槽為ＰＥＭ電解??水制氫技術的核心設備，其結構與堿水制氫電解槽類似，主要區(qū)別是采用了薄膜－電??極組件（又稱膜電極），形成了零極間距［２４］。隔膜為Ｎａｆｉｏｎ膜，經水浸泡后具有強酸??性，陽極催化劑和陰極催化劑通過化學鍍或者熱壓的方法附著在隔膜兩側。??電流集流器電＆?電流集流器??－去離子水叫酬、化：＼?
【參考文獻】：
期刊論文
[1]國外商用水電解制氫設備現狀及能效分析[J]. 張祥春. 氣體分離. 2013(02)
[2]電解水制氫的電極選擇問題研究進展[J]. 王璐,牟佳琪,侯建平,張偉華,沈穎瑩,姜穎,李永峰. 化工進展. 2009(S1)
[3]堿性電解槽隔膜的研究進展[J]. 沈英靜,周振芳,呂東方,張和平. 化學工程師. 2009(08)
[4]隔膜法堿水制氫電解槽用隔膜的發(fā)展概況[J]. 彭富兵,焦曉寧. 非織造布. 2008(06)
[5]電解制氫電極材料的研究進展[J]. 龐志成,羅震寧. 貴州化工. 2006(03)
博士論文
[1]離子交換膜電解制取過硫酸銨的研究[D]. 王超.北京化工大學 2019
碩士論文
[1]堿性水電解槽用聚砜隔膜的研制[D]. 宋子龍.湖南大學 2018
[2]氫氣濃度對泄爆特性影響的實驗研究[D]. 胡恒杰.安徽理工大學 2015
[3]壓濾式堿性電解槽槽壓影響因素研究[D]. 張延峰.湖南大學 2015
[4]30％KOH溶液中Cl-，NO3-的電解行為研究[D]. 謝香倫.湖南大學 2011
[5]添加劑法降低水電解中析氧過電位的研究[D]. 劉世永.天津大學 2006
本文編號：3128567
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