Студија за перформансите на мембрани и анодни материјали за производство на водород преку електролиза на алкална вода

Апстракт: Производство на водород одВода ЕлектролисиsМоже да ја претвори обновливата енергија од големи размери во зелен водород, кој е широко користено како најразлични извори на енергија со низок јаглерод, како што се гориво, хемиска енергија и транспорт и е од големо значење за намалувањето на емисијата на јаглерод. Како технологија со најмногу потенцијална и голема примена, електролизата на алкална вода за производство на водород зазема доминантна позиција во индустријата за електролиза на вода. Врз основа на целта на намалување на преголемата моќност на производството на водород со електролиза, се изучуваше перформансите на материјалите за дијафрагма и анода електрода. Резултатите покажуваат дека полимерниот композитен дијафрагма Зирфон е понизокмембрана Отпорност од полиетер сулфид неткаена ткаенина, која може да го намали пренапонцијата на електролизата на водата за повеќе од 0,3V. Ова е главно затоа што дијафрагмата на Зирфон има помала отпорност на мембрана и поголема хидрофилност, а хидрофилноста на дијафрагмата ќе влијае на стапката на употреба на активните места на електродата. Колку е поголема хидрофилноста, толку е помала импедансата на активирање на магацинот. Со споредување на перформансите на никел мрежа и никел пена, откриено е дека отпорноста на никел мрежа кога се користи како анодна електрода е помала од онаа на никелската пена, и има помал пренасочен дел одЕлектролиза на вода. Може да обезбеди одредена референца за оптимизација на дијафрагмата и електродата, клучните компоненти на електролизерот и е погодна за намалување на цената на електролизата.

0 Вовед

Водородната енергија има предности на нула загадување, висока калориска вредност, складирање и широка примена. Технологијата на електролиза на вода може да користи обновлива енергија и флуктуирачки вишок електрична енергија за производство на водород, за кој се смета дека е најидеален и еколошки начин за производство на водород. Затоа, развојот на производство на водород во водород во вода за обновлива енергија е од големо значење за енергетската безбедност и намалувањето на емисијата на јаглерод диоксид. Како и да е, во моментов само 4% од водородот во светот доаѓа од електролиза на вода, главно како резултат на високата цена на производство на водород во водород, меѓу кои потрошувачката на енергија и трошоците за електролицери се тесните грла кои ја ограничуваат нејзината голема апликација. Управувано од целта „двоен јаглерод“, развојот на технологијата за производство на електрична енергија во обновлива енергија неизбежно ќе доведе до понатамошно намалување на цените на електричната енергија и ќе стане моќен катализатор за развој на индустријата за производство на водородни водородни водородни водородни водородни. Технологијата на водородно производство на алкална вода технологија привлече големо внимание заради неговите предности, како што се ниската цена, долг живот и изобилство на извори на материјали и неговата соодветност за производство на водород во големи размери. Како и да е, во сценариото за примена на во големи размери водородно производство, сегашната густина и енергетската ефикасност на алкалната технологија за електролиза на вода сè уште треба да се подобри дополнително за да се подобри својата опрема и трошоците за потрошувачка на енергија, а дијафрагмата и материјалите за електрода, бидејќи клучните компоненти играат важна улога во ова.

Перформансите на дијафрагмата што се користи во алкалнаЕлектролиза на водаима големо влијание врз потрошувачката на енергија на електролизерот и чистотата на произведениот водород. Во раните денови, дијафрагмата што се користи во електролиза на алкална вода за производство на водород беше азбест. Поради здравствени и безбедносни проблеми, постепено се заменува со полифенилен сулфид (PPS) неткаени ткаенини, но ефектот на гасната бариера на PPS-не ткаени ткаенини сè уште треба дополнително да се подобри за да се подобри чистотата на водородот. Во последниве години, луѓето проучувале најразлични материјали со цел да добијат дијафрагми со мала отпорност и добра хидрофилност и способност за гасна бариера. Најмногу проучени се органски полимери и нивните композитни мембрани, како што се полисулфон дијафрагми, полиетерски дијафрагми, политетрафлуороетилен дијафрагми, PPS дијафрагми, итн.

Електродата е местото каде што се јавува електрокалитичката реакција и е основната компонента на електролизерот. Неговите перформанси директно влијаат на преголемата електролиза на водата и исто така е еден од клучните фактори што ја ограничува работата на алкалниотЕлектролиза на водаДа се ​​произведе водород со голема густина на струја. Анодата е чекор за утврдување на стапката на реакцијата на електролиза, а неговата активност на еволуција на кислород на електрода е особено важна за целата реакција на електролиза. Традиционалните алкални електролизери користат никел мрежа како анода електрода затоа што никел -мрежата има соодветна електролитичка активност, добра отпорност на корозија и ниска цена. Со цел понатамошно подобрување на перформансите на анодата, материјалите за електрода со висока активност и голема површина станаа една од важните насоки за истражување. На пример, широко се проучувале легури, оксиди, оксиди, оксиди, оксиди, спинели, оксиди од типот Перовскит, итн. Овој труд ги проучува ефектите на два клучни материјали, дијафрагмата и анодната електрода, врз перформансите на електролизата, ја открива важноста на дебелината на дијафрагмата и хидрофилноста, и добива ефект на отпорност врз перформансите на никел меш и никел пена како анодни материјали, со цел да се обезбеди референца за развој и оптимизација на клучните материјали за материјали на алкалинот за материјали на алкалинитеЕлектролиза на вода.

1. Експеримент

1.1 Експериментални материјали

Електролитот што се користи во експериментот е составен од аналитичка чиста KOH и ултрапура вода (18,2MΩ); Електродата на катодата е мрежна мрежа Рани (0,50мм); Електродата на анодата е мрежа од никел (0,50мм) и никел пена со различни дебелини; Материјалите на дијафрагмата се PPS неткаени ткаенини и полимерни композитни мембрани (AGFA, Zirfon мембрана).

1.2 Експериментален метод

1.2.1 Тест за отпорност на мембрана

Отпорноста на мембраната се добива со тестирање на наизменична струја на импеданса (EIS) преку електрохемиска работна станица (Принстон, Модел P4000A). Тестот EIS се врши во ќелија за спроводливост на плексиглас со графитна плоча како електрода и растојание од електрода од 1,90 см. Тестот се спроведува на собна температура со раствор KOH од 30% по маса како електролит. Сите дијафрагми беа натопени во 30% KOH за 1 час пред тестирањето. Напонот на нарушување беше поставен на 10MV, опсегот на фреквенција беше 0,1 ~ 20000.0Hz, а вредноста на отпорот што одговара на високата фреквенција беше земена како отпорност на мембрана. Секој примерок од дијафрагма беше тестиран паралелно 3 пати.

1.2.2 Електролиза на единечна ќелија

Тестот за перформанси на дијафрагмата и електродата беше спроведен во единечна електролитичка ќелија со ефикасна површина на реакција од 25 см2. Единствената електролитичка клетка главно се состои од политетрафлуороетилен крајна плоча, биполарна плоча од не'рѓосувачки челик, електроди на катода и катода, дијафрагма и политетрафлуороетилен гас. Електролитот од 30% KOH беше загреан во постојана температурна вода бања и потоа се пренесуваше во единечна електролитичка ќелија преку перисталтична пумпа. Снабдувањето со електрична енергија DC (IT6502D80V/60A/800W) обезбеди струја од 10А за електролиза на постојана струја. За време на процесот на електролиза, температурата во единечната електролитичка клетка се стабилизира на 80. Се користеше мерач на отпорност за да се следи отпорноста на единечната електролитичка клетка за време на електролизата на постојана струја.

1.2.3 Тест за импеданса на единечна електролитичка клетка

По напонот на единечниот електролитички клеточен тест за струја на струја беше стабилен, единечната електролитичка ќелија беше подложена на тест на ЕИС. Струјата на пертурбација беше поставена на 1,0А, а опсегот на фреквенција на тестот беше 0,1 ~ 10000.0Hz. Импедансата РС и импеданса на трансфер на полнење РКТ на батеријата под услови на работа се добиени со вклопување на спектарот на импеданса.

1.3 Структурна карактеризација

Сликите за електронски микроскоп за скенирање (СЕМ) на дијафрагмата и анодните материјали беа тестирани на електронски микроскоп за скенирање на емисија на поле (Зеис-ултра-Плус, Зеис, Германија).

2 Резултати и дискусија

2.1 Карактеризација и анализа на различни дијафрагми

Дијафрагмата во електролицерот ги раздвојува анодата и катодните плочи за да спречи кратки кола и да го изолира мешањето на водород и кислород. Неговата дебелина, хидрофилноста, порозноста и големината на порите се тесно поврзани со перформансите на електролизата и исто така имаат важно влијание врз чистотата на водородот.

Дебелината, порозноста, пропустливоста на воздухот и отпорноста на мембраната на различни дијафрагми се споредуваат во Табела 1. Како што е прикажано на Табела 1, дебелината на Zirfon500+, Zirfon500 и PPS не-ткаени ткаенини се приближно 500, 500 и 720 μm, соодветно, и порозноста на Zirfon500+ и Zirfon500 е 60% и 55%. Воздушната пропустливост на двата мембрани на Зирфон е споредлива.

Површинската морфологија на дијафрагмата дополнително се карактеризира, како што е прикажано на Слика 1. Зирфонската мембрана е составена од мрежна полифенилен сулфид ткаенина, чија површина е обложена со полисулфон и неоргански оксид ZRO2 што помага да се подобри хидрофилноста на мембраната. Резултатите од СЕМ покажуваат дека површината на Зирфон има неправилна пори структура на десетици до стотици нанометри. Неодвоената ткаенина на ППС е ткаена од влакна со големина на микрони и има празнини со големина на микрони, кои се значително поголеми од мембраната на Зирфон. Може да се види дека Zirfon500+ и Zirfon500 имаат предности на потенка дебелина, поголема хидрофилност и помала големина на порите.

Резултатите од тестот за отпорност на мембрана покажуваат дека ZIRFON500+ има најниска отпорност на мембрана (72MΩ), проследено со Zirfon500 (283MΩ), а отпорноста на мембраната на PPS-не ткаени ткаенини е најголема (571MΩ). Отпорноста на мембраната на Zirfon500+ и Zirfon500 е 12,6% и 49,6% од онаа на PPS не-ткаени ткаенини, соодветно. Ова е поврзано со потенката дебелина на дијафрагмите Zirfon500+ и Zirfon500 и подобрената хидрофилност на натоварениот неоргански оксид ZRO2.

2.2 Електролиза на водаИзведба на различни дијафрагми

2.2.1 Електролиза на постојана струја

Три дијафрагми беа користени за електролиза на алкална вода, а резултатите од тестот се прикажани на Слика 2. Под исти услови за тестирање, кога густината на тековната беше 0,4А/cm2, напонот на единечна електролитичка ќелија беше 2,32V за PPS не-ткаени ткаенини, 1,98V за ZIRFON500, и 1,94V за zirfon500+. Отпорноста на единечните електролитички клетки со различни дијафрагми под горенаведените услови на работа беше измерена да биде 15,92, 9.06 и 8,28MΩ, соодветно. Откриено е дека напонот и отпорот на електролиза имаат конзистентна шема.

Импедансата на наизменична струја на единечни клетки со различни дијафрагми беше дополнително истражена. Редоследот на големината беше PPS неткаена ткаенина> zirfon500> zirfon500+, што беше потврдено со резултатите од отпорот. Отпорноста или импедансата на единечни електролитички клетки со различни дијафрагми за време на електролизата е тесно поврзана со отпорноста на мембраната. Во исто време, редоследот на големината на импедансата на активирање беше PPS неткаена ткаенина> zirfon500 ≈zirfon500+. Импедансата на активирање е поврзана со преносот на полнење на реакцијата на редокс за време на електролизата, што укажува дека мембраната на Зирфон има поголема ефикасност на преносот на полнење од неткаената ткаенина PPS.

Електролитичките клетки со три вида дијафрагми користат ист материјал за електрода, но импедансата на активирање е различна. Ова може да биде затоа што хидрофилноста на PPS дијафрагмата е полоша од онаа на мембраната на Зирфон, што го отежнува меурчињата на дезорб, а со тоа да ги заземат местата на реакција на електродата, што резултира во намалување на реалната реакција на електродата.

Преголемиот дел од единечната електролитичка ќелија со Zirfon500 и Zirfon500+ како дијафрагми се намалуваат за 14,7% и 16,4%, соодветно во споредба со PPS нетканата дијафрагма. Во комбинација со претходната карактеризација и анализа на структурата и карактеристиките на дијафрагмата, може да се види дека намалувањето на пренапонцијата главно се должи на намалувањето на дебелината на дијафрагмата и подобрувањето на хидрофилноста.

In addition, during the test, it was found that the alkali solution between the cathode and cathode was significantly offset when the PPS non-woven fabric with a larger pore size was used as the diaphragm, while the alkali solution had no obvious offset when Zirfon was used as the diaphragm, indicating that Zirfon as a diaphragm can reduce the cross-gas between the cathode and cathode, which will help improve gas чистота и безбедност. Електролизата напон на електролитички клетки со различни дијафрагми (0,4a/cm2) е прикажан на Слика 2. Никистичката парцела на електролитички клетки со различни дијафрагми (0,4a/cm2) е прикажана на Слика 3.

2.2.2 Криви на поларизација на различни дијафрагми

Електролизата напон на електролитички клетки со различни дијафрагми со различна густина на струјата е прикажан на Слика 4.

Кога густината на струјата е 0,2a/cm2, напоните на електролиза на електролитичките клетки со PPS неткаена ткаенина, Zirfon500 и Zirfon500+ дијафрагмата се 2,09, 1,84 и 1,80V соодветно по достигнувањето на стабилноста. When the current density increases to 0.4A/cm2, the electrolysis voltages of the electrolytic cells with PPS nonwoven fabric, Zirfon500 and Zirfon500+ diaphragm increase by 140mV compared with the current density of 0.2A/cm2, while the voltage of the electrolytic cell with PPS nonwoven fabric as diaphragm increases by 230mV. Понатамошно зголемувајќи ја густината на струјата на 0,6a/cm2, откриено е дека напонот на електролитичката ќелија со Zirfon500 и Zirfon500+ како дијафрагма се зголемува за 120mV во споредба со тековната густина на 0,4a/cm2, што е помалку од 180MV PPS невоена ткаенина. Во принцип, со зголемувањето на густината на струјата, преголемата моќност на Zirfon500 и Zirfon500+ дијафрагмите во основа покажуваат линеарен тренд на зголемување, додека пренапонтноста на PPS не-ткаени ткаенини се зголемува во голема мерка со голема густина на струјата, што може да биде поврзано со неговата лоша површинска хидрофилкиност, што резултира во непочитување на меурчињата во времето. Затоа, хидрофилноста на дијафрагмите на алкална вода електролиза има важно влијание врз подобрувањето на енергетската ефикасност на струјата и електролизата.

2.3 Вода електролиза перформанси на различни анодни материјали

Се карактеризираше морфологијата на никел -пена и никел мрежа, а напонот на електролитичката ќелија со различна густина на струјата (0,4a/cm2) е прикажан на Слика 5. Никел пената има испреплетена и наредена поре структура со помали пори, додека никел Меш има наизменична ткаени структура со големина на меш.

Никелската пена со различна дебелина се користеше како анодна електрода, Zirfon500+ се користеше како дијафрагма, а производството на водород на алкална вода електролиза беше споредено со мрежната мрежа како анода, а неговите перформанси се прикажани на Слика 6. Напонот беше 1,94V, што беше пониско од 1,95V од никел пена; Кога мрежата на никел се користеше како анода, отпорот беше 8,28MΩ, што беше пониско од 11,63mΩ на никел пена. Се шпекулира дека тоа е затоа што малата пори структура на никел пена одредува дека меурчињата за гас произведени кога се користат како електрода се помали, а кога напонот на електролиза е повисок, критичкиот дијаметар на десорпција на меурчиња е поголем, така што меурот останува на електродалниот интерфејс подолго време, што резултира во зголемен отпор. Покрај тоа, колку е подебела пената за никел, толку е помал напонот на електролиза. Кога дебелината на никелската пена се намалува од 0,50 mm на 0,15 mm, напонот на електролиза се зголемува од 1,95 V на 1,97 V, а отпорот се зголемува од 11,63MΩ на 14,97MΩ. Во комбинација со нејзината морфолошка анализа на структурата, може да се види дека причината е дека колку е подебела пената за никел, колку е поголема порите и колку е поголема површината на електродата што ја обезбедува.

3. Заклучоци

Овој труд ги проучува ефектите на различните дијафрагми врз перформансите на електролизата на водата со комбинирање на нивните структури и карактеристики. Откриено е дека полимерните композитни дијафрагми можат да постигнат пониски пренапони за електролиза на вода отколку полимерни неткаени ткаенини заради нивната помала отпорност на мембрана и подобра хидрофилност.

Покрај тоа, со испитување на ефектите од различните материјали за електрода на анода врз перформансите на електролиза, се открива дека никел Меш може да постигне пониски пренапони за електролиза отколку никел пена, што е поврзано со понискиот отпор. Кај електролизата на алкална вода, дијафрагмите и електродите се клучни материјали кои влијаат на пренапони. Оптимизирањето на дијафрагмата и материјалите за електрода е од големо значење во намалувањето на прекумерните вредности за електролиза на вода.