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          質子交換膜電解水制氫技術原理

          2022-10-27 17:43:36

          質子交換膜電解池主要由質子交換膜、催化劑和氣體擴散層組成的膜電極、雙極板和密封圈、防護片、端板等組成,PEM電解槽池在工作時需要外接直流電源,陽極代表電解池正極,發生氧化反應,陰極代表電解池負極,發生還原反應,由于制氫系統需要具備較大容量,電解池以多個單池組合而成,單池為雙極板、膜電極組成的堆疊式結構,構成了水電解制氫的單體,提升單槽功率可以獲得更緊湊的結構和更高的功率密度。

          電解池

          電解池堆棧有單極、雙極兩種形式,雙極結構使用串聯形式,一個電池的陽極背面與另一個電池的陰極背面通過雙極板連接,單極結構使用并聯形式,形成槽式布置,PEM制氫使用雙極設計,可以在跨膜的高壓差下操作,先通過水泵供水到陽極,水在陽極被分解成氧氣,質子和電子,質子通過質子交換膜進入陰極,電子從陽極流出,經過電源電路到陰極,同時電源提供驅動力,在陰極一側,兩個質子和電子重新結合產生氫氣。

          在整個流程中,陽極析氧反應產生大量的H+,導致陽極呈現強酸性狀態,對陽極環境使用材料的耐腐蝕性能要求高,還需要保證在一些過電壓下穩定反應,因此對陽極的研究尤為重要。

          電解池工作時,電解反應主要發生在固-液-氣三相界面,三相界面包括電催化劑,PEM電解池處于不同組裝壓力下的電解性能不同,同時電解池反應是處于水中進行的,其膜電極和雙極板都是在水中進行工作,水既是冷卻劑,也是反應物,水的分解是由熱能和電能驅動的,水分解所需的低理論電勢為1.23 V,如果不提供熱量只用電能進行分解,則所需要的熱中性電壓為1.48V,在實際反應過程中,由于過電位的存在,實際反應電壓大于理論電壓,其中過電位的產生主要有三種因素:電化學活化過程中產生的損失造成的活化過電位、材料本體電阻和不同層間的界面電阻造成的歐姆過電位以及反應物和生成物傳遞受阻造成的擴散過電位。

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