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膜企业商机

为此降低贵金属Pt、Pd载量,开发适应酸性环境的非贵金属析氢催化剂成为研究热点。氢健康膜电极中析氢、析氧电催化剂对整个水电解制氢反应十分重要。理想电催化剂应具有抗腐蚀性、良好的比表面积、气孔率、催化活性、电子导电性、电化学稳定性以及成本低廉、环境友好等特征。阴极析氢电催化剂处于强酸性工作环境,易发生腐蚀、团聚、流失等问题,为保证电解槽性能和寿命,析氢催化剂材料选择耐腐蚀的Pt、Pd贵金属及其合金为主。现有商业化析氢催化剂Pt载量为0.4~0.6mg/cm2,贵金属材料成本高,阻碍PEM水电解制氢技术快速推广应用。PEM水电解制氢逐步取代了传统的碱水制氢和氢气瓶组等方式。上海阴离子交换膜工艺

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。可再生能源加速发展使得大规模消纳可再生能源成为突出问题。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。氢健康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0.25A/cm2,产生气体压力0.1~3.0MPa,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。上海阴离子交换膜工艺在CCS法和CCM法基础上,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。

吸附氧化机理(AEM)和晶格氧反应机理(LOM)是在酸性介质中被认为较合理的两种机理。催化剂通过哪一机理发生催化反应,选择单位点还是双位点途径和材料本身的电子结构有着密切关系,结晶度好的氧化物几乎没有缺陷,倾向于采用AEM,在单个活性金属位点上通过*OOH中间体,即所谓的酸碱途径,或者在两个相邻的金属位点上,氢健康通过*O中间体,即O-O直接耦合途径.而在具有丰富氧空位的无定形金属氧化物和一些具有高金属氧共价的钙钛矿中,晶格氧机理发生在遭受水亲核攻击的单个活性氧位点或通过两个相邻反应晶格氧原子的直接耦合,产生的氧空位将被水分子或大量氧原子补充,同时由此产生的不饱和金属位点更容易溶解,带来催化剂稳定性问题。

过去5年电解槽成本已下降了40%,但是投资和运行成本高仍然是PEM水电解制氢亟待解决的主要问题,这与目前析氧、析氢电催化剂只能选用贵金属材料密切相关。为此降低催化剂与电解槽的材料成本,特别是阴、阳极电催化剂的贵金属载量,提高电解槽的效率和寿命,是PEM水电解制氢技术发展的研究重点。与碱性水电解制氢相比,PEM水电解制氢工作电流密度更高(˃1A/cm2),总体效率更高(74%~87%),氢健康氢气体积分数更高(>99·99%),产气压力更高(3~4MPa),动态响应速度更快,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。在技术层面,电解水制氢技术可分为碱性电解水制氢(ALK)、质子交换膜电解水制氢(PEM)。

对于负载催化剂,金属-载体相互作用和基底的导电性至关重要。酸性OER材料发展,并强调从机理分析性能提高.对金属性质(合金,单原子等)催化剂,氧化物(钌/铱氧化物,非贵金属氧化物),金属氧酸盐类(钙钛矿,烧绿石,其它氧酸盐类),其它无机金属和非金属材料进行周到综述。在酸性介质中贵金属Ru和Ir基催化剂具有优异的活性和可应用性,优于其他铂族金属(如Rh、Pd和Pt).尽可能多地暴露活性位点,提高本征活性,氢健康以尽量减少贵金属消耗,同时兼顾长期运行的稳定性是催化剂设计必须面临的问题。析氢催化剂材料选择耐腐蚀的Pt、Pd贵金属及其合金为主。上海离子交换膜制氢方法

固体氧化物电解水制氢采用固体氧化物为电解质材料,适合在高温环境下运作,能效更高,但处于初期示范阶段。上海阴离子交换膜工艺

阴离子交换膜(AEM)水电解、碱性水电解(ALK)以及高温固体氧化物(SOEC)水电解等4种水电解制氢技术的性能对比。氢健康可知:在各种水电解制氢技术中,AEM技术成熟度低,目前还无法实现大规模应用,但是由于其不使用贵金属催化剂,同时兼具PEM和ALK制氢的优点,未来将会成为取代PEM制氢的替代技术;SOEC制氢技术由于固体氧化物的寿命和制氢规模的限制,暂时未达到工业应用程度,但其制氢效率高,未来具有稳定连续大规模制氢的潜力;ALK技术具备成本低、产氢规模大、技术成熟度高等优点,是目前应用较广的水电解制氢技术,但是存在负荷调节幅度小、启动响应慢、需要碱液处理过程等缺点,特别不适合可再生能源电力波动性的特点,只能从电网取电制氢。上海阴离子交换膜工艺

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