除了降低催化剂贵金属载量,提高催化剂活性和稳定性外,膜电极制备工艺对降低电解系统成本,提高电解槽性能和寿命至关重要。根据催化层支撑体的不同,膜电极制备方法分为CCS法和CCM法。CCS法将催化剂活性组分直接涂覆在气体扩散层,而CCM法则将催化剂活性组分直接涂覆在质子交换膜两侧,这是2种制作工艺较大的区别。与CCS法相比,CCM法催化剂利用率更高,大幅降低膜与催化层间的质子传递阻力,是膜电极制备的主流方法。在CCS法和CCM法基础上,近年来新发展起来的电化学沉积法、超声喷涂法以及转印法成为研究热点并具备应用潜力。新制备方法从多方向、多角度改进膜电极结构,克服传统方法制备膜电极存在的催化层催化剂颗粒随机堆放,气体扩散层孔隙分布杂乱等结构缺陷,改善膜电极三相界面的传质能力,提高贵金属利用率,提升膜电极的电化学性能。简单的PEM电解水系统是水杯,氢水杯当中使用PEM电解水可以在水中产生氢气泡。是否有报道大连化物所PEM电解水用的膜电极
氢能在能源供给侧和消费终端转型发展中可以发挥重要作用。在能源供给侧,氢能可以消纳可再生能源电力,实现能量在时间上的存储和空间上的转移。相对于其他储能方式,氢能具备规模优势;在能源消费终端,氢能可以实现零排放、零污染,减少碳排放。2020年9月,在第七十五届大会一般性辩论上,中国提出力争2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的目标。在实现目标的过程中,氢能的应用除了可以减少碳排放、助力碳达峰,还可以通过氢与二氧化碳反应制成有机化学品,实现碳中和。哪里可以查到康明斯怎样测试PEM电解水质子交换膜相比之下,传导阳离子要比传递阴离子容易,所以PEM电解水的反应速度会更快。
PEM水电解槽采用PEM传导质子,隔绝电极两侧的气体,避免AWE使用强碱性液体电解质所伴生的缺点。PEM水电解槽以PEM为电解质,以纯水为反应物,加之PEM的氢气渗透率较低,产生的氢气纯度高,但需脱除水蒸气;电解槽采用零间距结构,欧姆电阻较低,明显提高电解过程的整体效率,且体积更为紧凑;压力调控范围大,氢气输出压力可达数兆帕,适应快速变化的可再生能源电力输入。因此,PEM电解水制氢是极具发展前景的绿色制氢技术路径。由于PEM电解槽的阳极处于强酸性环境(pH≈2)、电解电压为1.4~2.0V,多数非贵金属会腐蚀并可能与PEM中的磺酸根离子结合,进而降低PEM传导质子的能力。PEM电解槽的电催化剂研究主要是Ir、Ru等贵金属/氧化物及其二元、三元合金/混合氧化物,以钛材料为载体的负载型催化剂。
不同于碱性水电解和PEM水电解,高温固体氧化物水电解制氢采用固体氧化物为电解质材料,工作温度800~1000℃,制氢过程电化学性能明显提升,效率更高。SOEC电解槽电极采用非贵金属催化剂,阴极材料选用多孔金属陶瓷Ni/YSZ,阳极材料选用钙钛矿氧化物,电解质采用YSZ氧离子导体,全陶瓷材料结构避免了材料腐蚀问题。高温高湿的工作环境使电解槽选择稳定性高、持久性好、耐衰减的材料受到限制,也制约SOEC制氢技术应用场景的选择与大规模推广。PEM水电解制氢技术具备快速启停优势,能匹配可再生能源发电的波动性,逐步成为P2G制氢主流技术。PEM电解水在很长一段时间内,以杜邦的膜为主,直到Fumatech出现。
PEM电解水的主要部件MEA 对反应过程和性能限制的理解和深入研究非常重要。基于以上考虑,电化学交流阻抗(EIS)被认为是一个非常优异的工具,可用于诊断电化学过程。交流阻抗分析被广泛应用于,区分不同反应机理对极化特性的影响,EIS可以根据单个过程的不同弛豫时间和等效电路的相关元件,在PEM电解水运行参数(如电势、电流密度、温度和MEA特性)调整时的变化来区分各种现象,催化剂的担载量。 在多数情况下,电化学交流阻抗可以被清晰的区分出欧姆极化阻抗,界面问题及扩散相关现象等。 但是,交流阻抗需要通过等效电路进行深入分析。 所以EIS结合等效电路,是一个非常强大的工具,可用于多个复杂电化学反应过程和机理的分析。实验室供氢,通常使用PEM电解水设备,因为氢气比较纯。是否有报道大连化物所PEM电解水用的膜电极
在潜艇等应用中,PEM电解水相对碱性电解水而言,有气体纯,不含碱液的优势。是否有报道大连化物所PEM电解水用的膜电极
PEM电解水电解槽结构 与燃料电池类似,由膜电极、双极板等部件组成。膜电极提供反应场所,由质子交换膜和阴阳极催化剂组成。PEM 电解槽具有反应无污染、氢气无需分离碱液、转化效率高、能耗低、槽体结构紧凑、运行更加灵活( 负荷范围 0~150%) 、更适合可再生能源的波动性等优点,很多新建电解制氢项目开始选择PEM电解槽技术。但由于 PEM电解技术商业化时间不长,质子交换膜和铂电极催化剂等关键组件成本较高,导致 PEM 电解槽制造成本较高,为相同规模碱性电解槽的 3~5 倍。按照相同的计算原则,PEM电解槽制氢成本高于碱性电解槽,主要是 PEM 电解槽 采购成本太高,每年的折旧成本太高。设备折旧成本占到总成本的 44%,电耗成本占到 50%,所以降低成本还是要从这两方面入手。随着电费的下降,电力成本在总成 本中的比重逐渐下降,氢气成本也逐渐降低。当电费分别为 0.13 元/ kWh 和 0.2元/ kWh 时,氢气成 本分别为2.4元/Nm3和2. 71元/Nm3,成本占比分别为 24%和 33% 。与碱性电解槽制氢成本相比,仍有一定差距,主要在于PEM电解槽价格太贵,折旧成本太高是否有报道大连化物所PEM电解水用的膜电极
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