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水电解制氢
- 2021-06-07-

水电解制氢

水电解制氢是指水分子在直流电作用下被解离生成氧气和氢气,分别从电解槽阳极和阴极析出。根据电解槽隔膜材料的不同,通常将水电解制氢分为碱性水电解(AE)、质子交换膜(PEM)水电解以及高温固体氧化物水电解(SOEC)。

▊2.1碱性水电解制氢

碱性水电解制氢电解槽隔膜主要由石棉组成,起分离气体的作用。阴极、阳极主要由金属合金组成,如Ni-Mo合金等,分解水产生氢气和氧气。工业上碱性水电解槽的电解液通常采用KOH溶液,质量分数20%~30%,电解槽操作温度70~80℃,工作电流密度约0.25 A/cm2,产生气体压力0.1~3.0 MPa,总体效率62%~82%。碱性水电解制氢技术成熟,投资、运行成本低,但存在碱液流失、腐蚀、能耗高等问题。水电解槽制氢设备开发是国内外碱性水电解制氢研究热点。

▊2.2PEM 水电解制氢

区别于碱性水电解制氢,PEM水电解制氢选用具有良好化学稳定性、质子传导性、气体分离性的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代石棉膜,能有效阻止电子传递,提高电解槽安全性。PEM水电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等(图1)。其中扩散层、催化层与质子交换膜组成膜电极,是整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所,膜电极特性与结构直接影响PEM水电解槽的性能和寿命。

与AE制氢相比,PEM水电解制氢工作电流密度更高(˃1 A/cm2),总体效率更高(74%~87%),氢气体积分数更高(>99.99%),产气压力更高(3~4 MPa),动态响应速度更快[6](表2),能适应可再生能源发电的波动性,被认为是极具发展前景的水电解制氢技术。目前PEM水电解制氢技术已在加氢站现场制氢、风电等可再生能源电解水制氢、储能等领域得到示范应用并逐步推广。

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