一种碱水制氢电解槽结构设计及性能优化
发布时间：2021-04-10 00:11
氢气具有无污染、可再生、热值高等特点,是一种理想的清洁能源。随着以氢燃料电池为代表的氢能源设施增多,如何获取大量纯净的氢气是氢能源行业发展所面临的问题之一。化石原料制氢和电解水制氢是比较成熟的制氢技术,已实现工业化运行。虽然化石原料制氢产量大,但含有不少杂质,这些杂质会对用氢设备造成不可逆转的损伤;而电解水制氢技术是通过电解水获取氢气,不会造成污染,且产出的氢气纯净,是理想的制氢技术。电解水制氢技术可分为纯水制氢和碱性水制氢,其核心设备分别为PEM制氢电解槽和碱水制氢电解槽,电流密度是评判制氢电解槽性能的主要参数。现有的纯水制氢技术虽然电流密度高、产氢效率好,但由于膜电极材料的制约,尚不能实现大规模制取氢气。碱性水制氢技术十分成熟,可实现大规模制氢,产氢量可达1000Nm3/h,其不足之处在于电流密度低（约2000A/m2-2600A/m2）,产氢效率低。为了提高碱性水制氢的电流密度,本文设计了一台新的碱水制氢电解槽,所作的研究内容如下:（1）在原有碱水制氢电解槽的基础上对其内部进行改造,重新设计了双极板尺寸,并改用新型多孔电极和无石棉隔膜。（2）对设计出得电解槽进行测试,通过改变电压...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１氢燃料电池工作原理示意图??Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｗｏｒｋｉｎｇ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌｓ??
?北京化工大学硕士论文???远低于风电发达国家［９＿１Ｇ］。鉴于以上情况，部分学者提出将可再生能源及富裕电能通??过电解水的方式将这些能量转化为氢气储存起来，并通过能源网络实现能量的充分利??用［１１］。可再生能源的制氢流程如图１－２所示。??光能、风?１电解制氢￣｜储氢￣｜应用??能等可再ｊ＿＿ａ??／??——＾?—??生能源ｆ?——｜变压、整流ｆ??图１－２可再生能源的制氢流程示意图??Ｆｉｇ．?１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｆｒｏｍ?ｒｅｎｅｗａｂｌｅ?ｅｎｅｒｇｙ??然而，随着氢燃料电池汽车的推广，氢储能需求的急剧增大，以及其他各行业对??氢气的大量需求，如何快速高效地制取纯度高、产量大的氢气己经成为目前面临的主??要问题之一。??１．?１．?２氢气的来源??伴随的氢能行业的发展，氢的来源问题也成为热点。氢气根据其来源可分为绿氢、??蓝氢和灰氢［１２１。通过由可再生能源转化的电能直接电解水得来，中间无碳化物生成的??为绿氢，最为代表的是通过可在再生能源电解水制氢，该种氢的特点是杂质成分简单，??氢气纯度极高；通过煤化工制取的氢气为灰氢，灰氢的特点是在制造过程中往往伴有??大量碳化物生成，经过进一步脱碳处理可得到蓝氢，蓝氢的纯度能到９５％以上［１３］。灰??氢和蓝氢现多指石化行业制取的氢气。??（１）灰氢和蓝氢??化石能源制氢和工业副产氢的回收利用是工业生产中应用最多的制氢方式。??化石燃料制备氢气，其目的不是生产氢气，而是把氢气作为提高产品质量的一种??中间原料。以煤、石油、天然气为代表的化石燃料制备氢气的过
?北京化工大学硕士论文???碱性电解水制氢是以３０％ｗｔＫＯＨ溶液或者２５％ｗｔＮａＯＨ溶液作为电解质，工业??上己经实现运行的直流电流密度通常在２０００Ａ／ｍ２－２６００Ａ／ｍ２，工作温度一般维持在８０°Ｃ??－９０°Ｃ，工作压力在３．２ＭＰａ以内。碱水制氢电解槽是碱性电解水制氢技术的核心设备，??电解槽由端压板、密封垫、极板、电极、渗透隔膜等零部件组装而成。??碱水制氢电解槽单个小室电解反应原理如图１－３所示［２３Ｌ碱性电解液分别进入隔??膜两侧的阳极区和阴极区，水分子可以渗透过隔膜达到另一侧。在电通后，电解液中??的水分子在阴极区与电子结合生成氢气和氢氧根离子，在阳极区氢氧根离子失去电子??生成氧气和水，由于隔膜的阻碍，电解产生的气体不能大量通过隔膜达到另一侧，产??生的气体和电解液一起从小室流出进行后处理。??该技术的特点是技术成熟度高，设备制造成本低，单体设备产氢量大，所用隔膜??为渗透膜，需等压运行。??１．２．２固体聚合物电解水制氢工作原理??固体聚合物电解水制氢技术现多用质子交换膜，因此又被称为ＰＥＭ电解水制氢，??电解原料为去离子水，直流电流密度在１００００Ａ／ｍ２－２００００Ａ／ｍ２，是碱水制氢电解槽的??５倍左右，工作温度在５０°Ｃ－８０°Ｃ，工作压力在５ＭＰａ以内。ＰＥＭ电解槽为ＰＥＭ电解??水制氢技术的核心设备，其结构与碱水制氢电解槽类似，主要区别是采用了薄膜－电??极组件（又称膜电极），形成了零极间距［２４］。隔膜为Ｎａｆｉｏｎ膜，经水浸泡后具有强酸??性，阳极催化剂和阴极催化剂通过化学镀或者热压的方法附着在隔膜两侧。??电流集流器电＆?电流集流器??－去离子水叫酬、化：＼?
【参考文献】：
期刊论文
[1]国外商用水电解制氢设备现状及能效分析[J]. 张祥春. 气体分离. 2013(02)
[2]电解水制氢的电极选择问题研究进展[J]. 王璐,牟佳琪,侯建平,张伟华,沈颖莹,姜颖,李永峰. 化工进展. 2009(S1)
[3]碱性电解槽隔膜的研究进展[J]. 沈英静,周振芳,吕东方,张和平. 化学工程师. 2009(08)
[4]隔膜法碱水制氢电解槽用隔膜的发展概况[J]. 彭富兵,焦晓宁. 非织造布. 2008(06)
[5]电解制氢电极材料的研究进展[J]. 庞志成,罗震宁. 贵州化工. 2006(03)
博士论文
[1]离子交换膜电解制取过硫酸铵的研究[D]. 王超.北京化工大学 2019
硕士论文
[1]碱性水电解槽用聚砜隔膜的研制[D]. 宋子龙.湖南大学 2018
[2]氢气浓度对泄爆特性影响的实验研究[D]. 胡恒杰.安徽理工大学 2015
[3]压滤式碱性电解槽槽压影响因素研究[D]. 张延峰.湖南大学 2015
[4]30％KOH溶液中Cl-，NO3-的电解行为研究[D]. 谢香伦.湖南大学 2011
[5]添加剂法降低水电解中析氧过电位的研究[D]. 刘世永.天津大学 2006
本文编号：3128567
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１氢燃料电池工作原理示意图??Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｗｏｒｋｉｎｇ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌｓ??
?北京化工大学硕士论文???远低于风电发达国家［９＿１Ｇ］。鉴于以上情况，部分学者提出将可再生能源及富裕电能通??过电解水的方式将这些能量转化为氢气储存起来，并通过能源网络实现能量的充分利??用［１１］。可再生能源的制氢流程如图１－２所示。??光能、风?１电解制氢￣｜储氢￣｜应用??能等可再ｊ＿＿ａ??／??——＾?—??生能源ｆ?——｜变压、整流ｆ??图１－２可再生能源的制氢流程示意图??Ｆｉｇ．?１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｆｒｏｍ?ｒｅｎｅｗａｂｌｅ?ｅｎｅｒｇｙ??然而，随着氢燃料电池汽车的推广，氢储能需求的急剧增大，以及其他各行业对??氢气的大量需求，如何快速高效地制取纯度高、产量大的氢气己经成为目前面临的主??要问题之一。??１．?１．?２氢气的来源??伴随的氢能行业的发展，氢的来源问题也成为热点。氢气根据其来源可分为绿氢、??蓝氢和灰氢［１２１。通过由可再生能源转化的电能直接电解水得来，中间无碳化物生成的??为绿氢，最为代表的是通过可在再生能源电解水制氢，该种氢的特点是杂质成分简单，??氢气纯度极高；通过煤化工制取的氢气为灰氢，灰氢的特点是在制造过程中往往伴有??大量碳化物生成，经过进一步脱碳处理可得到蓝氢，蓝氢的纯度能到９５％以上［１３］。灰??氢和蓝氢现多指石化行业制取的氢气。??（１）灰氢和蓝氢??化石能源制氢和工业副产氢的回收利用是工业生产中应用最多的制氢方式。??化石燃料制备氢气，其目的不是生产氢气，而是把氢气作为提高产品质量的一种??中间原料。以煤、石油、天然气为代表的化石燃料制备氢气的过
?北京化工大学硕士论文???碱性电解水制氢是以３０％ｗｔＫＯＨ溶液或者２５％ｗｔＮａＯＨ溶液作为电解质，工业??上己经实现运行的直流电流密度通常在２０００Ａ／ｍ２－２６００Ａ／ｍ２，工作温度一般维持在８０°Ｃ??－９０°Ｃ，工作压力在３．２ＭＰａ以内。碱水制氢电解槽是碱性电解水制氢技术的核心设备，??电解槽由端压板、密封垫、极板、电极、渗透隔膜等零部件组装而成。??碱水制氢电解槽单个小室电解反应原理如图１－３所示［２３Ｌ碱性电解液分别进入隔??膜两侧的阳极区和阴极区，水分子可以渗透过隔膜达到另一侧。在电通后，电解液中??的水分子在阴极区与电子结合生成氢气和氢氧根离子，在阳极区氢氧根离子失去电子??生成氧气和水，由于隔膜的阻碍，电解产生的气体不能大量通过隔膜达到另一侧，产??生的气体和电解液一起从小室流出进行后处理。??该技术的特点是技术成熟度高，设备制造成本低，单体设备产氢量大，所用隔膜??为渗透膜，需等压运行。??１．２．２固体聚合物电解水制氢工作原理??固体聚合物电解水制氢技术现多用质子交换膜，因此又被称为ＰＥＭ电解水制氢，??电解原料为去离子水，直流电流密度在１００００Ａ／ｍ２－２００００Ａ／ｍ２，是碱水制氢电解槽的??５倍左右，工作温度在５０°Ｃ－８０°Ｃ，工作压力在５ＭＰａ以内。ＰＥＭ电解槽为ＰＥＭ电解??水制氢技术的核心设备，其结构与碱水制氢电解槽类似，主要区别是采用了薄膜－电??极组件（又称膜电极），形成了零极间距［２４］。隔膜为Ｎａｆｉｏｎ膜，经水浸泡后具有强酸??性，阳极催化剂和阴极催化剂通过化学镀或者热压的方法附着在隔膜两侧。??电流集流器电＆?电流集流器??－去离子水叫酬、化：＼?
【参考文献】：
期刊论文
[1]国外商用水电解制氢设备现状及能效分析[J]. 张祥春. 气体分离. 2013(02)
[2]电解水制氢的电极选择问题研究进展[J]. 王璐,牟佳琪,侯建平,张伟华,沈颖莹,姜颖,李永峰. 化工进展. 2009(S1)
[3]碱性电解槽隔膜的研究进展[J]. 沈英静,周振芳,吕东方,张和平. 化学工程师. 2009(08)
[4]隔膜法碱水制氢电解槽用隔膜的发展概况[J]. 彭富兵,焦晓宁. 非织造布. 2008(06)
[5]电解制氢电极材料的研究进展[J]. 庞志成,罗震宁. 贵州化工. 2006(03)
博士论文
[1]离子交换膜电解制取过硫酸铵的研究[D]. 王超.北京化工大学 2019
硕士论文
[1]碱性水电解槽用聚砜隔膜的研制[D]. 宋子龙.湖南大学 2018
[2]氢气浓度对泄爆特性影响的实验研究[D]. 胡恒杰.安徽理工大学 2015
[3]压滤式碱性电解槽槽压影响因素研究[D]. 张延峰.湖南大学 2015
[4]30％KOH溶液中Cl-，NO3-的电解行为研究[D]. 谢香伦.湖南大学 2011
[5]添加剂法降低水电解中析氧过电位的研究[D]. 刘世永.天津大学 2006
本文编号：3128567
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