高效的電解水制氫技術實驗研究
發(fā)布時間：2021-08-27 16:23
氫氣作為一種非常有前景的清潔高效新能源,是解決能源危機的重大突破口,也是能源可持續(xù)發(fā)展的重要研究方向。在眾多電解水制氫技術中,固體聚合物（SPE）電解池因其具有能量效率高、裝置小巧輕便、電解質方便易得以及系統(tǒng)安全系數高等優(yōu)點作為本文重點研究的系統(tǒng)。以車載小型制氫設備為目標,對設計制作的池式和微流道膜式固體聚合物電解池開展了分析研究。對三種電解水制氫系統(tǒng)進行了分析,分析了電解水制氫理論。對固體聚合物（PEM）電解池的工作原理著重進行了分析,分析了電解水制氫的影響因素;對膜電極的制備方式進行了詳細描述。設計搭建了池式和微流道膜式固體聚合物電解池。實驗采用電解面積為7cm×7cm、使用nafion117質子交換膜作為催化劑載體、疏水型碳紙作為陰陽兩極的擴散層、0.3mg/cm2的貴金屬鉑黑作為陰極催化劑、2.5mg/cm2的氧化銥與鉑黑作為混合陽極催化劑制作膜電極,對質子交換膜的離子交換容量、吸水率和溶脹率進行了分析研究,對膜電極性能進行了分析,實驗研究了不同電解電壓、電解溫度以及電解質種類的各種工況對電解水制氫的影響。實驗表明,SPE電解水制氫系...
【文章來源】：北京建筑大學北京市
【文章頁數】：78 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
堿性電解池工作原理圖
固體氧化物電解池的工作實質就是把電能和熱能轉化為化學能。圖2-2 為固體氧化物電解池結構示意圖。圖 2-2 固體氧化物電解池工作原理Fig.2-2 Working Principle of solid oxide electrolyser cellSOEC 制備氫氣電解效率很高，但是高溫條件會造成熱能的損失以及水資源的過量使用，并大大增大了對電解池材料的要求，耐高溫材料大多昂貴、不易得[87]，在特定的高溫應用場合，SOEC 的高溫工作狀態(tài)才能維系，因此高溫固體氧化物電解池短期內無法大規(guī)模投入實際使用。2.2.3 固體聚合物電解池固體聚合物電解池是新型電解制氫技術，主要由電解液、膜電極、電解池（或流道）等組成[88]。膜-電極是核心組件，膜電極使得電極與膜成為一體，極大地縮短了極間距，有效降低了析氫和析氧過電位，催化劑降低了反應活化能，使其電解能耗更低、制氫效率更高[89]。固體聚合物電解池膜電極的工作原理圖
圖 2-3 固體聚合物電解池工作原理圖Fig.2-3 working principle diagram of solid polymer electrolytic cell體聚合物電解池工作原理可以簡化為三個步驟：①在直流電的作用在陽極發(fā)生電解反應，氫離子和氧離子生成；②氧離子在陽極失去氣，氫離子通過通過質子交換膜到達陰極；③電子通過外電路轉移并與氫離子結合生成氫氣[90]。般情況下，質子交換膜兩側需要催化劑以降低電解電壓，從而增加并在鍍有催化劑的質子交換膜兩側加裝擴散層，一般會使用疏水型作為擴散層，以達到導電以及提供汽水通道的作用，并且有助于電極之間形成一層均勻致密的電解質薄膜，實現電解質與膜電極的更從而增大電解面積[92]。電極必須具備以下三個特點[93]： 電極催化層與 質子交換膜結合緊密； 有足夠的三相反應界面空間； 催化層的結構利于水和氣體的導出。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]國內外車用燃料電池研究現狀及思考[J]. 劉賢濤. 現代商貿工業(yè). 2019(10)
[2]燃料電池汽車混合度與能量管理策略研究[J]. 宋昱,韓愷,李小龍,王東洋. 交通科技與經濟. 2019(02)
[3]中國省際交通運輸業(yè)能源效率測度及時空分異研究[J]. 程利莎,王士君,楊冉,王彬燕. 東北師大學報(自然科學版). 2019(01)
[4]氧分壓對固體氧化物電解池性能的影響（英文）[J]. 侯權,關成志,肖國萍,王建強,朱志遠. 物理化學學報. 2019(03)
[5]中科大研制新型催化劑,攻克氫能汽車應用關[J]. 化學工程師. 2019(02)
[6]氫氣在醫(yī)學和新能源領域中的應用[J]. 陳雅菁. 廣東化工. 2019(03)
[7]SGO/PVDF-g-PSSA復合質子交換膜的制備及抗污染性研究[J]. 李脆脆,王磊,李陳,王旭東,許岐斌. 中國環(huán)境科學. 2019(01)
[8]水電解析氫低貴/非貴金屬催化劑的研究進展[J]. 李陽,羅兆艷,葛君杰,劉長鵬,邢巍. 電化學. 2018(06)
[9]我國學者研制出高性能低成本的電解“水制氫”催化劑[J]. 王蕾. 新能源經貿觀察. 2018(12)
[10]能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃主要指標中期評估研究[J]. 肖宏偉. 中國物價. 2018(12)
博士論文
[1]基于貴金屬設計高效的電解水催化劑[D]. 江彬彬.蘇州大學 2018
[2]鈷,鎳基半導體納米催化劑的制備及其電催化性能研究[D]. 孫一強.中國科學技術大學 2018
[3]非貴金屬電催化劑的合成及其性能研究[D]. 張顯.中國科學技術大學 2018
[4]陽極析氧催化劑的調控制備和性能研究[D]. 郝根彥.太原理工大學 2017
[5]固體氧化物電解池的新型氧電極研究[D]. 譚媛.華中科技大學 2016
[6]碳約束下中國能源消費結構優(yōu)化研究[D]. 徐國政.中國礦業(yè)大學(北京) 2016
[7]城鎮(zhèn)化對中國碳排放效率的影響[D]. 張騰飛.重慶大學 2016
[8]城市低碳交通發(fā)展方式與調控政策研究[D]. 劉學.天津大學 2016
[9]固體氧化物電解池新型電極材料及其電化學性能研究[D]. 李世松.合肥工業(yè)大學 2015
[10]可逆燃料電池—電解池氧電極復合改性研究[D]. 范慧.中國礦業(yè)大學（北京） 2014
碩士論文
[1]基于過渡金屬化合物的制備及其催化析氫性能的研究[D]. 羅佳嫻.暨南大學 2018
[2]電解水陽極催化劑的制備及性能研究[D]. 楊淑莉.西安科技大學 2017
[3]低碳轉型趨勢下中國能源消費結構優(yōu)化研究[D]. 董煒.武漢大學 2017
[4]基于三氟苯乙烯類聚合物的合成、表征及性能測試[D]. 劉康章.東華大學 2017
[5]鐵摻雜硫化鉬與硫化鐵—硫化鉬復合物的制備及其電解水制氫催化性能研究[D]. 宋寶峰.吉林大學 2016
[6]新型催化劑的合成及其催化電解水性能的研究[D]. 李如春.暨南大學 2016
[7]固體聚合物電解質水電解池及其膜電極的研究[D]. 鄒浩斌.華南理工大學 2016
[8]基于過渡金屬電解水催化劑的制備及性能研究[D]. 施金樂.重慶師范大學 2016
[9]超細碳纖維/鉑基合金電解水催化材料的制備及其應用[D]. 楊婷婷.浙江理工大學 2016
[10]碳納米管負載鈷、鎳硫化物催化劑電解水析氧的研究[D]. 李鐘平.華南理工大學 2014
本文編號：3366689
【文章來源】：北京建筑大學北京市
【文章頁數】：78 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
堿性電解池工作原理圖
固體氧化物電解池的工作實質就是把電能和熱能轉化為化學能。圖2-2 為固體氧化物電解池結構示意圖。圖 2-2 固體氧化物電解池工作原理Fig.2-2 Working Principle of solid oxide electrolyser cellSOEC 制備氫氣電解效率很高，但是高溫條件會造成熱能的損失以及水資源的過量使用，并大大增大了對電解池材料的要求，耐高溫材料大多昂貴、不易得[87]，在特定的高溫應用場合，SOEC 的高溫工作狀態(tài)才能維系，因此高溫固體氧化物電解池短期內無法大規(guī)模投入實際使用。2.2.3 固體聚合物電解池固體聚合物電解池是新型電解制氫技術，主要由電解液、膜電極、電解池（或流道）等組成[88]。膜-電極是核心組件，膜電極使得電極與膜成為一體，極大地縮短了極間距，有效降低了析氫和析氧過電位，催化劑降低了反應活化能，使其電解能耗更低、制氫效率更高[89]。固體聚合物電解池膜電極的工作原理圖
圖 2-3 固體聚合物電解池工作原理圖Fig.2-3 working principle diagram of solid polymer electrolytic cell體聚合物電解池工作原理可以簡化為三個步驟：①在直流電的作用在陽極發(fā)生電解反應，氫離子和氧離子生成；②氧離子在陽極失去氣，氫離子通過通過質子交換膜到達陰極；③電子通過外電路轉移并與氫離子結合生成氫氣[90]。般情況下，質子交換膜兩側需要催化劑以降低電解電壓，從而增加并在鍍有催化劑的質子交換膜兩側加裝擴散層，一般會使用疏水型作為擴散層，以達到導電以及提供汽水通道的作用，并且有助于電極之間形成一層均勻致密的電解質薄膜，實現電解質與膜電極的更從而增大電解面積[92]。電極必須具備以下三個特點[93]： 電極催化層與 質子交換膜結合緊密； 有足夠的三相反應界面空間； 催化層的結構利于水和氣體的導出。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]國內外車用燃料電池研究現狀及思考[J]. 劉賢濤. 現代商貿工業(yè). 2019(10)
[2]燃料電池汽車混合度與能量管理策略研究[J]. 宋昱,韓愷,李小龍,王東洋. 交通科技與經濟. 2019(02)
[3]中國省際交通運輸業(yè)能源效率測度及時空分異研究[J]. 程利莎,王士君,楊冉,王彬燕. 東北師大學報(自然科學版). 2019(01)
[4]氧分壓對固體氧化物電解池性能的影響（英文）[J]. 侯權,關成志,肖國萍,王建強,朱志遠. 物理化學學報. 2019(03)
[5]中科大研制新型催化劑,攻克氫能汽車應用關[J]. 化學工程師. 2019(02)
[6]氫氣在醫(yī)學和新能源領域中的應用[J]. 陳雅菁. 廣東化工. 2019(03)
[7]SGO/PVDF-g-PSSA復合質子交換膜的制備及抗污染性研究[J]. 李脆脆,王磊,李陳,王旭東,許岐斌. 中國環(huán)境科學. 2019(01)
[8]水電解析氫低貴/非貴金屬催化劑的研究進展[J]. 李陽,羅兆艷,葛君杰,劉長鵬,邢巍. 電化學. 2018(06)
[9]我國學者研制出高性能低成本的電解“水制氫”催化劑[J]. 王蕾. 新能源經貿觀察. 2018(12)
[10]能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃主要指標中期評估研究[J]. 肖宏偉. 中國物價. 2018(12)
博士論文
[1]基于貴金屬設計高效的電解水催化劑[D]. 江彬彬.蘇州大學 2018
[2]鈷,鎳基半導體納米催化劑的制備及其電催化性能研究[D]. 孫一強.中國科學技術大學 2018
[3]非貴金屬電催化劑的合成及其性能研究[D]. 張顯.中國科學技術大學 2018
[4]陽極析氧催化劑的調控制備和性能研究[D]. 郝根彥.太原理工大學 2017
[5]固體氧化物電解池的新型氧電極研究[D]. 譚媛.華中科技大學 2016
[6]碳約束下中國能源消費結構優(yōu)化研究[D]. 徐國政.中國礦業(yè)大學(北京) 2016
[7]城鎮(zhèn)化對中國碳排放效率的影響[D]. 張騰飛.重慶大學 2016
[8]城市低碳交通發(fā)展方式與調控政策研究[D]. 劉學.天津大學 2016
[9]固體氧化物電解池新型電極材料及其電化學性能研究[D]. 李世松.合肥工業(yè)大學 2015
[10]可逆燃料電池—電解池氧電極復合改性研究[D]. 范慧.中國礦業(yè)大學（北京） 2014
碩士論文
[1]基于過渡金屬化合物的制備及其催化析氫性能的研究[D]. 羅佳嫻.暨南大學 2018
[2]電解水陽極催化劑的制備及性能研究[D]. 楊淑莉.西安科技大學 2017
[3]低碳轉型趨勢下中國能源消費結構優(yōu)化研究[D]. 董煒.武漢大學 2017
[4]基于三氟苯乙烯類聚合物的合成、表征及性能測試[D]. 劉康章.東華大學 2017
[5]鐵摻雜硫化鉬與硫化鐵—硫化鉬復合物的制備及其電解水制氫催化性能研究[D]. 宋寶峰.吉林大學 2016
[6]新型催化劑的合成及其催化電解水性能的研究[D]. 李如春.暨南大學 2016
[7]固體聚合物電解質水電解池及其膜電極的研究[D]. 鄒浩斌.華南理工大學 2016
[8]基于過渡金屬電解水催化劑的制備及性能研究[D]. 施金樂.重慶師范大學 2016
[9]超細碳纖維/鉑基合金電解水催化材料的制備及其應用[D]. 楊婷婷.浙江理工大學 2016
[10]碳納米管負載鈷、鎳硫化物催化劑電解水析氧的研究[D]. 李鐘平.華南理工大學 2014
本文編號：3366689
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