高效的电解水制氢技术实验研究
发布时间：2021-08-27 16:23
氢气作为一种非常有前景的清洁高效新能源,是解决能源危机的重大突破口,也是能源可持续发展的重要研究方向。在众多电解水制氢技术中,固体聚合物（SPE）电解池因其具有能量效率高、装置小巧轻便、电解质方便易得以及系统安全系数高等优点作为本文重点研究的系统。以车载小型制氢设备为目标,对设计制作的池式和微流道膜式固体聚合物电解池开展了分析研究。对三种电解水制氢系统进行了分析,分析了电解水制氢理论。对固体聚合物（PEM）电解池的工作原理着重进行了分析,分析了电解水制氢的影响因素;对膜电极的制备方式进行了详细描述。设计搭建了池式和微流道膜式固体聚合物电解池。实验采用电解面积为7cm×7cm、使用nafion117质子交换膜作为催化剂载体、疏水型碳纸作为阴阳两极的扩散层、0.3mg/cm2的贵金属铂黑作为阴极催化剂、2.5mg/cm2的氧化铱与铂黑作为混合阳极催化剂制作膜电极,对质子交换膜的离子交换容量、吸水率和溶胀率进行了分析研究,对膜电极性能进行了分析,实验研究了不同电解电压、电解温度以及电解质种类的各种工况对电解水制氢的影响。实验表明,SPE电解水制氢系...
【文章来源】：北京建筑大学北京市
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碱性电解池工作原理图
固体氧化物电解池的工作实质就是把电能和热能转化为化学能。图2-2 为固体氧化物电解池结构示意图。图 2-2 固体氧化物电解池工作原理Fig.2-2 Working Principle of solid oxide electrolyser cellSOEC 制备氢气电解效率很高，但是高温条件会造成热能的损失以及水资源的过量使用，并大大增大了对电解池材料的要求，耐高温材料大多昂贵、不易得[87]，在特定的高温应用场合，SOEC 的高温工作状态才能维系，因此高温固体氧化物电解池短期内无法大规模投入实际使用。2.2.3 固体聚合物电解池固体聚合物电解池是新型电解制氢技术，主要由电解液、膜电极、电解池（或流道）等组成[88]。膜-电极是核心组件，膜电极使得电极与膜成为一体，极大地缩短了极间距，有效降低了析氢和析氧过电位，催化剂降低了反应活化能，使其电解能耗更低、制氢效率更高[89]。固体聚合物电解池膜电极的工作原理图
图 2-3 固体聚合物电解池工作原理图Fig.2-3 working principle diagram of solid polymer electrolytic cell体聚合物电解池工作原理可以简化为三个步骤：①在直流电的作用在阳极发生电解反应，氢离子和氧离子生成；②氧离子在阳极失去气，氢离子通过通过质子交换膜到达阴极；③电子通过外电路转移并与氢离子结合生成氢气[90]。般情况下，质子交换膜两侧需要催化剂以降低电解电压，从而增加并在镀有催化剂的质子交换膜两侧加装扩散层，一般会使用疏水型作为扩散层，以达到导电以及提供汽水通道的作用，并且有助于电极之间形成一层均匀致密的电解质薄膜，实现电解质与膜电极的更从而增大电解面积[92]。电极必须具备以下三个特点[93]： 电极催化层与 质子交换膜结合紧密； 有足够的三相反应界面空间； 催化层的结构利于水和气体的导出。
【参考文献】：
期刊论文
[1]国内外车用燃料电池研究现状及思考[J]. 刘贤涛. 现代商贸工业. 2019(10)
[2]燃料电池汽车混合度与能量管理策略研究[J]. 宋昱,韩恺,李小龙,王东洋. 交通科技与经济. 2019(02)
[3]中国省际交通运输业能源效率测度及时空分异研究[J]. 程利莎,王士君,杨冉,王彬燕. 东北师大学报(自然科学版). 2019(01)
[4]氧分压对固体氧化物电解池性能的影响（英文）[J]. 侯权,关成志,肖国萍,王建强,朱志远. 物理化学学报. 2019(03)
[5]中科大研制新型催化剂,攻克氢能汽车应用关[J]. 化学工程师. 2019(02)
[6]氢气在医学和新能源领域中的应用[J]. 陈雅菁. 广东化工. 2019(03)
[7]SGO/PVDF-g-PSSA复合质子交换膜的制备及抗污染性研究[J]. 李脆脆,王磊,李陈,王旭东,许岐斌. 中国环境科学. 2019(01)
[8]水电解析氢低贵/非贵金属催化剂的研究进展[J]. 李阳,罗兆艳,葛君杰,刘长鹏,邢巍. 电化学. 2018(06)
[9]我国学者研制出高性能低成本的电解“水制氢”催化剂[J]. 王蕾. 新能源经贸观察. 2018(12)
[10]能源发展“十三五”规划主要指标中期评估研究[J]. 肖宏伟. 中国物价. 2018(12)
博士论文
[1]基于贵金属设计高效的电解水催化剂[D]. 江彬彬.苏州大学 2018
[2]钴,镍基半导体纳米催化剂的制备及其电催化性能研究[D]. 孙一强.中国科学技术大学 2018
[3]非贵金属电催化剂的合成及其性能研究[D]. 张显.中国科学技术大学 2018
[4]阳极析氧催化剂的调控制备和性能研究[D]. 郝根彦.太原理工大学 2017
[5]固体氧化物电解池的新型氧电极研究[D]. 谭媛.华中科技大学 2016
[6]碳约束下中国能源消费结构优化研究[D]. 徐国政.中国矿业大学(北京) 2016
[7]城镇化对中国碳排放效率的影响[D]. 张腾飞.重庆大学 2016
[8]城市低碳交通发展方式与调控政策研究[D]. 刘学.天津大学 2016
[9]固体氧化物电解池新型电极材料及其电化学性能研究[D]. 李世松.合肥工业大学 2015
[10]可逆燃料电池—电解池氧电极复合改性研究[D]. 范慧.中国矿业大学（北京） 2014
硕士论文
[1]基于过渡金属化合物的制备及其催化析氢性能的研究[D]. 罗佳娴.暨南大学 2018
[2]电解水阳极催化剂的制备及性能研究[D]. 杨淑莉.西安科技大学 2017
[3]低碳转型趋势下中国能源消费结构优化研究[D]. 董炜.武汉大学 2017
[4]基于三氟苯乙烯类聚合物的合成、表征及性能测试[D]. 刘康章.东华大学 2017
[5]铁掺杂硫化钼与硫化铁—硫化钼复合物的制备及其电解水制氢催化性能研究[D]. 宋宝峰.吉林大学 2016
[6]新型催化剂的合成及其催化电解水性能的研究[D]. 李如春.暨南大学 2016
[7]固体聚合物电解质水电解池及其膜电极的研究[D]. 邹浩斌.华南理工大学 2016
[8]基于过渡金属电解水催化剂的制备及性能研究[D]. 施金乐.重庆师范大学 2016
[9]超细碳纤维/铂基合金电解水催化材料的制备及其应用[D]. 杨婷婷.浙江理工大学 2016
[10]碳纳米管负载钴、镍硫化物催化剂电解水析氧的研究[D]. 李钟平.华南理工大学 2014
本文编号：3366689
【文章来源】：北京建筑大学北京市
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碱性电解池工作原理图
固体氧化物电解池的工作实质就是把电能和热能转化为化学能。图2-2 为固体氧化物电解池结构示意图。图 2-2 固体氧化物电解池工作原理Fig.2-2 Working Principle of solid oxide electrolyser cellSOEC 制备氢气电解效率很高，但是高温条件会造成热能的损失以及水资源的过量使用，并大大增大了对电解池材料的要求，耐高温材料大多昂贵、不易得[87]，在特定的高温应用场合，SOEC 的高温工作状态才能维系，因此高温固体氧化物电解池短期内无法大规模投入实际使用。2.2.3 固体聚合物电解池固体聚合物电解池是新型电解制氢技术，主要由电解液、膜电极、电解池（或流道）等组成[88]。膜-电极是核心组件，膜电极使得电极与膜成为一体，极大地缩短了极间距，有效降低了析氢和析氧过电位，催化剂降低了反应活化能，使其电解能耗更低、制氢效率更高[89]。固体聚合物电解池膜电极的工作原理图
图 2-3 固体聚合物电解池工作原理图Fig.2-3 working principle diagram of solid polymer electrolytic cell体聚合物电解池工作原理可以简化为三个步骤：①在直流电的作用在阳极发生电解反应，氢离子和氧离子生成；②氧离子在阳极失去气，氢离子通过通过质子交换膜到达阴极；③电子通过外电路转移并与氢离子结合生成氢气[90]。般情况下，质子交换膜两侧需要催化剂以降低电解电压，从而增加并在镀有催化剂的质子交换膜两侧加装扩散层，一般会使用疏水型作为扩散层，以达到导电以及提供汽水通道的作用，并且有助于电极之间形成一层均匀致密的电解质薄膜，实现电解质与膜电极的更从而增大电解面积[92]。电极必须具备以下三个特点[93]： 电极催化层与 质子交换膜结合紧密； 有足够的三相反应界面空间； 催化层的结构利于水和气体的导出。
【参考文献】：
期刊论文
[1]国内外车用燃料电池研究现状及思考[J]. 刘贤涛. 现代商贸工业. 2019(10)
[2]燃料电池汽车混合度与能量管理策略研究[J]. 宋昱,韩恺,李小龙,王东洋. 交通科技与经济. 2019(02)
[3]中国省际交通运输业能源效率测度及时空分异研究[J]. 程利莎,王士君,杨冉,王彬燕. 东北师大学报(自然科学版). 2019(01)
[4]氧分压对固体氧化物电解池性能的影响（英文）[J]. 侯权,关成志,肖国萍,王建强,朱志远. 物理化学学报. 2019(03)
[5]中科大研制新型催化剂,攻克氢能汽车应用关[J]. 化学工程师. 2019(02)
[6]氢气在医学和新能源领域中的应用[J]. 陈雅菁. 广东化工. 2019(03)
[7]SGO/PVDF-g-PSSA复合质子交换膜的制备及抗污染性研究[J]. 李脆脆,王磊,李陈,王旭东,许岐斌. 中国环境科学. 2019(01)
[8]水电解析氢低贵/非贵金属催化剂的研究进展[J]. 李阳,罗兆艳,葛君杰,刘长鹏,邢巍. 电化学. 2018(06)
[9]我国学者研制出高性能低成本的电解“水制氢”催化剂[J]. 王蕾. 新能源经贸观察. 2018(12)
[10]能源发展“十三五”规划主要指标中期评估研究[J]. 肖宏伟. 中国物价. 2018(12)
博士论文
[1]基于贵金属设计高效的电解水催化剂[D]. 江彬彬.苏州大学 2018
[2]钴,镍基半导体纳米催化剂的制备及其电催化性能研究[D]. 孙一强.中国科学技术大学 2018
[3]非贵金属电催化剂的合成及其性能研究[D]. 张显.中国科学技术大学 2018
[4]阳极析氧催化剂的调控制备和性能研究[D]. 郝根彦.太原理工大学 2017
[5]固体氧化物电解池的新型氧电极研究[D]. 谭媛.华中科技大学 2016
[6]碳约束下中国能源消费结构优化研究[D]. 徐国政.中国矿业大学(北京) 2016
[7]城镇化对中国碳排放效率的影响[D]. 张腾飞.重庆大学 2016
[8]城市低碳交通发展方式与调控政策研究[D]. 刘学.天津大学 2016
[9]固体氧化物电解池新型电极材料及其电化学性能研究[D]. 李世松.合肥工业大学 2015
[10]可逆燃料电池—电解池氧电极复合改性研究[D]. 范慧.中国矿业大学（北京） 2014
硕士论文
[1]基于过渡金属化合物的制备及其催化析氢性能的研究[D]. 罗佳娴.暨南大学 2018
[2]电解水阳极催化剂的制备及性能研究[D]. 杨淑莉.西安科技大学 2017
[3]低碳转型趋势下中国能源消费结构优化研究[D]. 董炜.武汉大学 2017
[4]基于三氟苯乙烯类聚合物的合成、表征及性能测试[D]. 刘康章.东华大学 2017
[5]铁掺杂硫化钼与硫化铁—硫化钼复合物的制备及其电解水制氢催化性能研究[D]. 宋宝峰.吉林大学 2016
[6]新型催化剂的合成及其催化电解水性能的研究[D]. 李如春.暨南大学 2016
[7]固体聚合物电解质水电解池及其膜电极的研究[D]. 邹浩斌.华南理工大学 2016
[8]基于过渡金属电解水催化剂的制备及性能研究[D]. 施金乐.重庆师范大学 2016
[9]超细碳纤维/铂基合金电解水催化材料的制备及其应用[D]. 杨婷婷.浙江理工大学 2016
[10]碳纳米管负载钴、镍硫化物催化剂电解水析氧的研究[D]. 李钟平.华南理工大学 2014
本文编号：3366689
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