質(zhì)子交換膜(PEM)在氫燃料電池、電解水制氫氣等領(lǐng)域中所交換的陽離子為質(zhì)子,又被稱為離子膜。質(zhì)子交換膜處于有機(jī)氟化工產(chǎn)業(yè)鏈末端,其上游是有機(jī)氟化工的單體材料,下游是基于質(zhì)子交換膜的氯堿工業(yè)、燃料電池、電解水、儲(chǔ)能電池等應(yīng)用領(lǐng)域。目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的均為全氟質(zhì)子交換膜,質(zhì)子交換膜使用的是全氟磺酸樹脂,離子膜使用全氟磺酸樹脂、全氟羧酸樹脂的復(fù)合膜。全氟磺酸樹脂具有強(qiáng)酸性,全氟羧酸樹脂具有弱酸性,更能夠適應(yīng)氯堿工業(yè)中的堿性環(huán)境。盡管目前全氟磺酸PEM應(yīng)用較普遍,但仍存在成本較高、尺寸穩(wěn)定性較差、溫度升高會(huì)降低質(zhì)子傳導(dǎo)性的缺點(diǎn)。PEM電解水大型電解槽,按照3A/cm2的電流運(yùn)行,單片的電流就超過15 000A??煞裰来救A氫能PEM電解水用的膜電極
為了加快PEMWE的發(fā)展,深入理解電極反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程,理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合,對(duì)具有實(shí)際應(yīng)用前景的催化劑的進(jìn)一步發(fā)展,催化劑性能的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,對(duì)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究中水系模型和實(shí)際操作差異的理解,集成膜電極組件的開發(fā)需要更多的研究。PEMWE的組裝方法,實(shí)際運(yùn)行條件,包括離聚物,膜,氣體擴(kuò)散層,極板,催化劑層在內(nèi)的各個(gè)組分都是影響PEMWE性能的關(guān)鍵參數(shù).對(duì)各個(gè)組分的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,同時(shí)對(duì)有實(shí)際應(yīng)用前景的催化劑進(jìn)行分析,包括負(fù)載型催化劑,銥/釕為主體的摻雜型催化劑。借助創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法和先進(jìn)表征技術(shù)發(fā)展在揭示酸介質(zhì)中動(dòng)態(tài)OER的復(fù)雜性和開發(fā)高效穩(wěn)定的電催化劑方面取得了重要成就。但所開發(fā)的催化劑及相關(guān)器件的性能與工業(yè)應(yīng)用之間仍存在一定的差距。誰能推薦西門子PEM電解水用的膜電極風(fēng)機(jī)等設(shè)備上使用PEM電解水設(shè)備,因?yàn)槠潴w積比較小。
水電解槽制氫設(shè)備開發(fā)是國內(nèi)外堿性水電解制氫研究熱點(diǎn)。可再生能源加速發(fā)展使得大規(guī)模消納可再生能源成為突出問題。堿性水電解制氫電解槽隔膜主要由石棉組成,起分離氣體的作用。陰極、陽極主要由金屬合金組成,如Ni-Mo合金等,分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣。工業(yè)上堿性水電解槽的電解液通常采用KOH溶液,質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%~30%,電解槽操作溫度70~80℃,工作電流密度約0.25A/cm2,產(chǎn)生氣體壓力0.1~3.0MPa,總體效率62%~82%。堿性水電解制氫技術(shù)成熟,投資、運(yùn)行成本低,但存在堿液流失、腐蝕、能耗高等問題。
在未來前20年中因Ir使用壽命及裝置未到報(bào)廢時(shí)限等因素,PEM水電解裝置中Ir資源回收利用還沒有得到有效實(shí)施,因此對(duì)新Ir資源需求總量增長較快,到2045年Ir的需求量達(dá)到約1.5t?a,小于Ir的產(chǎn)量,因而供給可以滿足需求。在2045—2070年,新增PEM水電解裝置裝機(jī)容量不斷加大,同時(shí)Ir資源的回收利用量也不斷加大。由于Ir資源的回收利用,Ir資源的累計(jì)需求增長率增長幅度不斷減小,到2070年Ir的需求量為2t左右,增幅不大。因此,按照目前Ir的年產(chǎn)量,未來50年Ir供給可以滿足使用需求。PEM電解水的發(fā)展方向是更低的貴金屬催化劑的使用。
PEM電解水的主要部件MEA 對(duì)反應(yīng)過程和性能限制的理解和深入研究非常重要?;谝陨峡紤],電化學(xué)交流阻抗(EIS)被認(rèn)為是一個(gè)非常優(yōu)異的工具,可用于診斷電化學(xué)過程。交流阻抗分析被廣泛應(yīng)用于,區(qū)分不同反應(yīng)機(jī)理對(duì)極化特性的影響,EIS可以根據(jù)單個(gè)過程的不同弛豫時(shí)間和等效電路的相關(guān)元件,在PEM電解水運(yùn)行參數(shù)(如電勢、電流密度、溫度和MEA特性)調(diào)整時(shí)的變化來區(qū)分各種現(xiàn)象,催化劑的擔(dān)載量。 在多數(shù)情況下,電化學(xué)交流阻抗可以被清晰的區(qū)分出歐姆極化阻抗,界面問題及擴(kuò)散相關(guān)現(xiàn)象等。 但是,交流阻抗需要通過等效電路進(jìn)行深入分析。 所以EIS結(jié)合等效電路,是一個(gè)非常強(qiáng)大的工具,可用于多個(gè)復(fù)雜電化學(xué)反應(yīng)過程和機(jī)理的分析。通過使用PEM電解水制氫,再輔以儲(chǔ)氫罐,可再生能源的儲(chǔ)能變得很有前景。哪里可知陜西華泰怎樣測試PEM電解水質(zhì)子交換膜
由于PEM電解水電堆中陰極流動(dòng)的是水,相對(duì)而言壓力和流量都比較好控制,系統(tǒng)很穩(wěn)定??煞裰来救A氫能PEM電解水用的膜電極
相比PEM水電解,AEM水電解選用固體聚合物陰離子交換膜作為隔膜材料,膜電極催化劑、雙極板材料可選性更寬廣,未來突破陰離子交換膜和高活性非貴金屬催化劑等關(guān)鍵材料有望明顯降低電解槽制造成本。應(yīng)用推廣方面,當(dāng)下電力系統(tǒng)中波動(dòng)性可再生能源份額不斷上升,未來幾十年這一趨勢仍將延續(xù)。可再生能源制氫是單獨(dú)綠色低碳制氫方式,不但能提高電網(wǎng)靈活性,而且可遠(yuǎn)距離運(yùn)輸和分配可再生能源,支持可再生能源更大規(guī)模的發(fā)展。作為媒介氫氣促進(jìn)可再生能源時(shí)空再分布,助力電力系統(tǒng)與難以深度脫碳的工業(yè)、建筑和交通運(yùn)輸部門建立起產(chǎn)業(yè)聯(lián)系,不斷豐富氫氣的應(yīng)用場景。這也為PEM水電解制氫技術(shù)帶來巨大的發(fā)展空間??煞裰来救A氫能PEM電解水用的膜電極
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