水電解制氫的最新進(jìn)展與應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上水電解制氫的最新進(jìn)展與應(yīng)用一、 綠色能源氫能及其電解水制氫技術(shù)進(jìn)展摘要：隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重，越來(lái)越多的研究關(guān)注于綠色無(wú)污染能源，其中氫能清潔無(wú)污染、高效、可再生，是未來(lái)最有潛力的能源載體。利用電解水技術(shù)制氫是目前最有潛力的技術(shù)，也是一種經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)。紹了氫能的研究現(xiàn)狀和水電制氫技術(shù)，著重介紹了堿性電解槽、子交換膜電解技術(shù)以及固體氧化物水電解技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。1. 氫能的研究現(xiàn)狀美國(guó)：1990年，美國(guó)能源部（DOE）啟動(dòng)了一系列氫能研究項(xiàng)目。2001年以來(lái)，美國(guó)政府制訂了自有車協(xié)作計(jì)劃、美國(guó)氫能路線圖。2004年 2月，美國(guó)能源部出臺(tái)的“氫態(tài)勢(shì)計(jì)劃”，并提

2、出2040年美國(guó)將實(shí)現(xiàn)向氫經(jīng)濟(jì)的過(guò)渡。美國(guó)能源部、國(guó)防部、交通部、國(guó)家科學(xué)基金、美國(guó)宇航局和商務(wù)部以及8個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、2所大學(xué)和19 個(gè)公司簽署了研發(fā)合同。歐盟：2001 年11 月啟動(dòng)的“清潔能源伙伴計(jì)劃”，歐盟撥款1850萬(wàn)歐元支持漢堡、倫敦等 10個(gè)城市的燃料汽車示范項(xiàng)目。2008年11 月初歐盟、歐洲工業(yè)委員會(huì)和歐洲研究社團(tuán)聯(lián)合制訂了2020年氫能與燃料電池發(fā)展計(jì)劃。日本：1993年就制訂了“新陽(yáng)光計(jì)劃”，預(yù)計(jì)到2020年投資30億美元用于氫能關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。并計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車500 萬(wàn)輛，建成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)10000MW。我國(guó)：2003年11月我國(guó)加入了“氫能經(jīng)濟(jì)國(guó)

3、際合作伙伴（IPHE）”，成為IPH首批成員國(guó)之一。國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）和國(guó)家“十一五”科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中都列入了發(fā)展氫能和燃料電池的相關(guān)內(nèi)容。相對(duì)而言，我國(guó)在氫能和燃料電池汽車領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)工作開始得較晚，這方面的標(biāo)準(zhǔn)體系尚未形成，然而通過(guò)國(guó)內(nèi)研究單位的協(xié)作努力，在材料、基礎(chǔ)設(shè)施、燃料電池堆、整車集成等方面都已取得階段性進(jìn)展，目前已有多家企業(yè)與聯(lián)合國(guó)發(fā)展計(jì)劃署和全球環(huán)境基金合作，開展燃料電池客車的公交線路試運(yùn)行。2 水電解氫能的制備技術(shù)進(jìn)展發(fā)展到現(xiàn)在，已有三種不同種類的電解槽，分別為堿性電解槽#聚合物薄膜電解槽和固體氧化物電解槽。 堿性電解槽堿性電解槽是發(fā)

4、展時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最為成熟的電解槽，具有操作簡(jiǎn)單、#成本低的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是效率最低，槽體示意圖如圖1 所示。國(guó)外知名的堿性電解水制氫公司有挪威留坎公司、格洛菲奧德公司和冰島雷克雅維克公司等。電解槽一般采用壓濾式復(fù)極結(jié)構(gòu)或箱式單極結(jié)構(gòu)，每對(duì)電解槽壓在1.82.0V，循環(huán)方式一般采用混合堿液循環(huán)方式。 質(zhì)子交換膜水電解（PEM）美國(guó)漢密爾頓標(biāo)準(zhǔn)及聯(lián)合技術(shù)能源公司制造的PEM水電解池在壓力為2.8x106P 時(shí)，產(chǎn)氫速率可達(dá)到26m3/h。 PEM 水電解技術(shù)的特點(diǎn)在于它用一種可以使質(zhì)子透過(guò)而無(wú)法使氣體透過(guò)的有機(jī)物薄膜代替了傳統(tǒng)堿性電解槽中的隔膜和電解質(zhì)，從而使電解槽的體積大大縮小。PEM 水電解池的

5、結(jié)構(gòu)與 PEM 燃料電池基本相同，其核心部件亦為MEA，即由質(zhì)子交換膜以及分布兩側(cè)的由催化劑構(gòu)成的多孔電極組成，為了增加MEA 的縱向傳輸能力，擴(kuò)大反應(yīng)空間，有的科研單位制作的MEA還具備擴(kuò)散層，及附著于催化層兩側(cè)的導(dǎo)電多孔層。MEA 的兩端有水和氣體流通的通道，即流場(chǎng)，刻有流場(chǎng)的流場(chǎng)板還起到集電的作用，流場(chǎng)板的兩側(cè)為絕緣板和起支撐作用的端板，如圖3所示。 固體氧化物水電解（SOEC）相比較而言，堿性電解水和PEM電解池的工作溫度均在 80左右，而SOEC的工作溫度為800950由于在高溫下工作，部分電能由熱能代替，電解效率高；使用的材料為非貴金屬，成本較低。SOEC結(jié)構(gòu)多樣，最早用于高溫電解

6、制氫研究的SOEC電池是管式構(gòu)造的，這種電解槽連接簡(jiǎn)單，不需要密封，但能量密度低，加工成本高。SOEC的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 4 所示。水以蒸汽的形式進(jìn)入電解槽，在負(fù)極被分解為H+和O2-，H+得到電子生成 H2，而 O2-則通過(guò)電解質(zhì)ZrO2到達(dá)外部的陽(yáng)極，生成O2。電解質(zhì)的主要作用為選擇性地使氧離子或質(zhì)子透過(guò)但防止氧氣和氫氣的透過(guò)，因此，一般要求電解質(zhì)致密且具有高的離子電導(dǎo)率。根據(jù)具體需要，SOEC還可以作為燃料電池使用，亦可將電解池和燃料電池合二為一，形成可逆的SOEC ?？偨Y(jié)：氫能是可以同時(shí)解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的綠色能源，有著廣闊的應(yīng)用前景。水作為一種地球含量豐富的可再生能源，是制取氫

7、能的重要原料之一。堿性電解水是目前應(yīng)用最為普遍的電解水制氫方法，但存在污染、效率低等問(wèn)題，研究新的電極和隔膜材料，是提高效率的重要途徑。對(duì)于PEM水電解池而言，開發(fā)新的非貴金屬催化劑和新型質(zhì)子交換膜是降低成本的關(guān)鍵。固體氧化物電解槽目前處于早期發(fā)展階段，如果可以解決高溫運(yùn)行帶來(lái)的壽命問(wèn)題的話，則是未來(lái)很有潛力的電解水制取氫能的方法。二、 水制氫技術(shù)研究進(jìn)展摘要: 氫能是一種高效、清潔的能源，其熱值比石油還要高3倍。目前，大部分氫氣都來(lái)自于化石燃料，如天然氣、石油和煤等。這些方法不具有可再生性。以水為氫源的制氫技術(shù)因其可再生性而具有很好的應(yīng)用前景。以水為氫源的制氫技術(shù)主要包括電解水制氫、光催化分

8、解水制氫、直接熱分解水制氫和熱化學(xué)循環(huán)裂解水制氫技術(shù)。其中，電解水制氫技術(shù)最為成熟，其不足之處在于能耗過(guò)高; 對(duì)光催化分解水制氫技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，催化劑的性能是影響該方法的關(guān)鍵因素;對(duì)于直接熱分解的研究相對(duì)較少; 熱化學(xué)循環(huán)制氫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于反應(yīng)效率高、利于放大，如何保持反應(yīng)中間媒介物的高溫循環(huán)穩(wěn)定性則是該方法急需解決的技術(shù)難題。1.低過(guò)電位析氫、析氧電極材料傳統(tǒng)電解制氫技術(shù)制氫效率低、能耗大的主要原因是電極超電勢(shì)和電阻電壓降的存在。電極性能的好壞在很大程度上決定著水電解過(guò)程的能耗與成本。Pt、Pd雖具有很低的析氫過(guò)電位，但是價(jià)格昂貴，因此開發(fā)具有低析氫過(guò)電位的非貴金屬合金材料更有應(yīng)用前

9、景，如 Ni-Fe、Ni-Mo-Fe和NiS等。電解水的陽(yáng)極材料必須具有高的催化活性，低的析氧過(guò)電位和良好的耐酸堿性#魏子棟等發(fā)現(xiàn)在酸性介質(zhì)中，十六烷基三甲基溴化銨對(duì)碳布電極上氧的析出有明顯的促進(jìn)作用，不僅增大了氧析出的電流密度，而且氧析出的電位負(fù)移1.0V。2質(zhì)子交換膜水電解質(zhì)子交換膜水電解制氫技術(shù)具有效率高、氫氣純度高和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、質(zhì)子傳導(dǎo)性和氣體分離性等優(yōu)點(diǎn)，可以使電解槽在較高的電流下工作。目前阻礙其商業(yè)化的主要問(wèn)題是材料成本過(guò)高。Ishihara等采用n(Ni):n(Fe)=9：1的Ni-Fe合金為陰極，LaGaO3基的鈣鈦礦氧化物為電解質(zhì)進(jìn)

10、行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在2.0V內(nèi)的電壓下，H2的生成速率符合法拉第定律，說(shuō)明氧離子的傳導(dǎo)性很好。研究還發(fā)現(xiàn)降低LaGaO3基的鈣鈦礦氧化物電解質(zhì)厚度也可以提高產(chǎn)氫量，在873K下，電解質(zhì)厚度為0.2mm時(shí)，產(chǎn)氫量為 180µmol/cm2.3.高溫水蒸氣電解高溫電解水制氫可以獲得較高的產(chǎn)氫效率。它的能量來(lái)源由電能和高溫?zé)崮?部分構(gòu)成，溫度越高制氫效率越高。因此利用高溫氣冷堆產(chǎn)生的熱能和電能來(lái)高溫電解水是最有吸引力的制氫方法之一。寧波材料所SOFC團(tuán)隊(duì)采用自主設(shè)計(jì)與研制的平板式固體氧化物燃料電池30單元電堆標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行高溫電解水制氫，在 800下，水蒸氣電解轉(zhuǎn)化效率維持在73.5%，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)

11、下產(chǎn)氫速率為94.1L/h。太陽(yáng)能-蒸汽電解法制氫效率可以達(dá)到20%。高溫電解水的關(guān)鍵是解決電解池的材料問(wèn)題。梁明德等采用氨水沉淀原位合成法制備了NiO-YSZ（Y2O3穩(wěn)定的ZrO2復(fù)合粉），在 850、水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為 90%的氫電極氣氛下，以0.33A/cm2恒流電解1h前、后的電解電壓分別為1.09和1.16V，電解電壓較低且電解池具備較好的穩(wěn)定性。三、 水電解制氫技術(shù)的發(fā)展前景固體聚合物水電解 固體聚合物電解質(zhì)（Solid Polymer Electrolyte）水電解制氫技術(shù)具有效率高、能耗低、電解質(zhì)性能穩(wěn)定、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。SPE是美國(guó)通用電氣公司于20世紀(jì)50年代后期開始發(fā)展起

12、來(lái)的，70年代初，開始將SPE應(yīng)用于電解水制氫（氧）方面。90年代以后，隨著各國(guó)對(duì)氫能的重視，這項(xiàng)技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。SPE電解槽反應(yīng)見圖11，SPE電解槽結(jié)構(gòu)見圖12。SPE水電解技術(shù)與傳統(tǒng)堿性水電解技術(shù)的主要不同在于它用一種特殊的陽(yáng)離子交換膜替代了傳統(tǒng)堿性水電解中的隔膜和電解質(zhì)，起到隔離氣體及離子傳導(dǎo)的作用。去離子水被供到膜電上，在陽(yáng)極側(cè)反應(yīng)析出氧氣、氫離子和電子，電子通過(guò)外電路傳遞到陰極，氫離子以水合的形式通過(guò)SPE膜到陰極。在陰極，氫離子和電子重新結(jié)合成氫氣，同時(shí)部分水也被帶到陰極。 陽(yáng)極反應(yīng)：H2O 2H+ + 0.5O2 + 2e-陰極反應(yīng)：2H+ + 2e- H2總反應(yīng)：H2O

13、H2 +0.5O2SPE水電解制氫（氧）技術(shù)的核心是SPE電解槽，它由膜電極組件、雙極板、密封墊片等組成。 SPE水電解技術(shù)特點(diǎn)： （1）具有高的電流密度高、裝置安全可靠、維修量小、使用壽命長(zhǎng)。 （2）電解質(zhì)為非透氣性隔膜，能承受較大的壓差，從而簡(jiǎn)化了壓差控制，啟動(dòng)和停機(jī)迅速。眾所周知，由于石棉布為透氣性隔膜，堿性電解槽有非常嚴(yán)格的壓差控制系統(tǒng)，以保證操作安全。而SPE電解槽由于采用固體聚合物電解質(zhì)，只對(duì)氫離子有單向?qū)ㄗ饔茫蚨鴱母旧媳苊饬藲溲跬ㄟ^(guò)隔膜混合，安全性好、氣體純度高。電解質(zhì)膜薄，電極間隔小，不僅降低了電壓和減少了電阻，而且使裝置結(jié)構(gòu)緊湊。 （3）去離子水既是反應(yīng)劑又是冷卻劑，省去了冷卻系統(tǒng)，減少了裝置的體積和重量。由于采用了純水作為電解液，避免了堿性電解液對(duì)槽體的腐蝕，產(chǎn)氣純度高，