固体聚合物电解质水电解池及其膜电极的研究

发布时间：2017-08-20 08:25

  本文关键词：固体聚合物电解质水电解池及其膜电极的研究

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【摘要】：氢气是重要的能量载体,也是重要的化工原料。氢气在燃料电池及储能、化学工业及石油化学工业、贵金属冶炼、造船工业等领域具有十分重要的用途。电解水制氢技术是获得高纯度氢气的最为重要的技术手段之一,目前应用最广泛的是碱性电解水技术,具有制氢规模大,投资成本低的优势,但是也存在使用具有腐蚀性电解液、产物纯度低、能量效率低等缺点。与其相比,近年来快速发展的固体电解质(SPE)电解水技术则具有电解池结构紧凑、电流密度高、能量效率高以及可输出超高纯度和高压强的产物气体等优点,被认为是最有发展潜力的一种电解水制氢技术,目前的SPE电极一般是将催化剂粘结(喷涂)在固体电解质的表面,存在由于催化剂结合不够牢固而引起的电极稳定性不高、使用寿命不够长、电解效率仍然偏低等缺点。针对目前SPE电解水技术存在的问题,本论文提出和采用了一种离子交换-还原沉积制备应用于SPE电解池中的新型膜电极(MEA)的方法,制得一种高性能的SPE电解水电极;考察了前驱体的种类、金属沉积量、催化层结构、还原剂等等因素对于电极电解水性能的影响;并采用XRD、ICP-AES、SEM等对电极进行了表征。实验结果表明:还原沉积制备的电极中,催化剂层与固体电解质膜结合十分紧密,催化剂层均匀地分布在固体聚合物膜(PEM)表面,催化层厚度为1-2μm。本文研究发现:在阳极催化层制备中引入铱,可使得形成的催化层具有棉花球状的三维结构;在优化制备条件下制备的电极的阳极层为双金属层结构,Pt载量为1.4 mg/cm2,Ir载量为0.4mg/cm2,阴极层催化剂载量为Pt含量1.0 mg/cm2。在常压和75℃下,双金属层阳极SPE电极的电解电压为1.76 V时,电流密度可达505 mA/cm2,电解效率可高达84%(vs.HHV)。相比之下,纯Pt金属层阳极SPE电极的电解电压高达2.47 V,电解效率仅为60%(vs.HHV)。另外,我们发现具有双金属层阳极的电极具有良好的稳定性,连续5小时电解水测试后,其电解电压基本稳定不变。本论文还研究了串联连接的8片MEA的SPE电解池(催化层面积为270 cm2)的电解水性能和电极稳定性,结果表明在常压、75℃和500 mA/cm2下,电解电压为13.71 V,平均槽电压仅为1.71 V,电解水性能为目前国际上最好的性能之列。8小时连续运行后,电压略有上升(14.16 V),其原因还待进一步的分析研究,最有可能的原因是来自电解池部件,而不是电极本身。总之,本论文采用离子交换-还原沉积法制备出了高性能的固体电解质电解水膜电极,该电极具有催化剂层与固体电解质结合牢固、电解效率高、稳定性好等重要优点,具备良好的实际应用前景。
【关键词】：离子交换-还原沉积 固体聚合物电解质 膜电极 双金属层阳极 结合力
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 氢气12-13
• 1.2 氢气的制备13-14
• 1.3 电解水制氢技术及发展现状14-22
• 1.3.1 电解水基本原理14-16
• 1.3.1.1 热力学原理14-15
• 1.3.1.2 电力学原理15-16
• 1.3.2 主要的电解池类型16-21
• 1.3.2.1 碱性电解池16-18
• 1.3.2.2 固体氧化物电解池18-19
• 1.3.2.3 SPE电解池19-21
• 1.3.3 SPE电解池的应用前景21-22
• 1.4 SPE电解池的催化剂和膜电极研究进展22-28
• 1.4.1 SPE电解池的催化剂研究进展22-24
• 1.4.1.1 SPE电解池的阴极催化剂研究进展22-23
• 1.4.1.2 SPE电解池的阳极催化剂研究进展23-24
• 1.4.2 SPE电解池的膜电极研究进展24-25
• 1.4.3 GDE法制备SPE电解池膜电极25-26
• 1.4.4 CCM法制备SPE电解池膜电极26-28
• 1.4.4.1 转印法26
• 1.4.4.2 刷涂法26-27
• 1.4.4.3 喷涂法27
• 1.4.4.4 化学还原法27-28
• 1.4.4.5 离子交换-还原沉积法28
• 1.5 本论文的研究意义及内容28-30
• 第二章 实验设计与表征方法30-36
• 2.1 主要仪器及试剂30-31
• 2.1.1 实验材料和化学试剂30
• 2.1.2 主要仪器30-31
• 2.2 实验方法31-36
• 2.2.1 Nafion膜的预处理31
• 2.2.2 膜电极制作和SPE电解池组装测试31-33
• 2.2.2.1 电解水膜电极的制作31-32
• 2.2.2.2 SPE电解池的组装与测试32-33
• 2.2.3 膜电极催化层的表征方法33-36
• 2.2.3.1 催化层的形貌表征33-34
• 2.2.3.2 电感耦合等离子体原子发射光谱法34-35
• 2.2.3.3 X射线衍射35-36
• 第三章 离子交换-还原沉积制备SPE膜电极的性能和形貌研究36-66
• 3.1 引言36-37
• 3.2 实验部分37
• 3.2.1 膜电极制备37
• 3.2.2 膜电极的表征方法37
• 3.3 结果与讨论37-66
• 3.3.1 XRD分析37-39
• 3.3.2 膜电极催化层SEM分析39-42
• 3.3.3 膜电极电解水性能考察42-55
• 3.3.3.1 不同Pt载量对电解性能的影响42-45
• 3.3.3.2 Pt/Ir双金属层阳极对电解性能的影响45-48
• 3.3.3.3 不同温度对电解性能的影响48-55
• 3.3.4 SPE电解池电解水测试55-63
• 3.3.4.1 SPE电解池的极化曲线测试55-58
• 3.3.4.2 SPE电解池的稳定性测试58-63
• 3.3.5 固体聚合物膜形变对催化层的影响63-66
• 第四章 结论与展望66-70
• 参考文献70-82
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果82-84
• 致谢84-85
• 附件85

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本文编号：705553