高效质子交换膜电解水制氢技术研究进展

从技术原理、研究进展、系统集成和经济性分析四个方面阐述了质子交换膜电解水制氢技术(PEMWE)的研究进展与发展前景．介绍了PEM电解水制氢技术中阴极和阳极的化学反应及影响条件．分别从质子交换膜的结构优化、PEM阳极催化剂的选型、膜电极的结构优化及制备、双极板的性能提升及表面改进、电解池传热传质及流场结构等方面进行了总结．系统集成主要着眼于电解池的动态响应特性和与可再生能源的结合,最后对PEM电解池进行了经济性分析．助力推进质子交换膜电解池研究和技术的进步．     

混合La-Zn氧化物膜在阴极表面电化学共沉积机理研究

采用三电极体系通过恒电位沉积法使La从Zn(OH)2和La(NO3)3水溶液中掺杂在锌氧化物薄膜中.系统研究了沉积电势和溶液浓度对混合氧化物膜组成的影响,两种金属离子及其氢氧化物的物质分布系数随pH函数的变化通过热力学常数计算和作图标出,并用于解释混合La-Zn氢氧化物在阴极表面的电化学沉积机理和预测混合La-Zn氧化物膜的组成.     

质子交换膜电解池内氧气泡输运过程特性

研究了质子交换膜电解池(proton exchange membrane electrolysis cell,PEMEC)阳极流场内的氧气泡运动特性,采用VOF(volume of fluid)方法分析了多孔输运层(porous transport layer,PTL)表面接触角、液态水流速、氧气产生速率及PTL孔径对氧气泡在流道中运动特性的影响.结果表明:PTL处理为亲水性有利于气泡脱离,降低表面气体覆盖率,促进液态水到达催化层;高的液态水流速会减小气泡脱离时间及脱离体积,降低PTL表面气体覆盖率及容积含气率,促进气泡从流道中排出;气体生成速率增大会提高流道容积含气率和PTL表面气体覆盖率,不利于电解池的运行;随PTL孔径增大,气泡脱离体积增大,脱离时间先减小后增加.     

迷宫式新型流道对质子交换膜燃料电池的性能优化

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)具有广泛的应用前景。为了提升流道构型对于质子交换膜燃料电池的综合性能,通过建立一种三维单相、等温的圆形交错迷宫式流道质子交换膜燃料电池模型,分析新型流道对质子交换膜燃料电池的输出性能、阴极氧和水浓度分布及阴极进气流速的影响。结果表明,圆形交错式流道相较于矩形交错式流道和蛇形流道电流密度提升25%和143%,也可以明显的改善流道内反应物和产物的分布和输运。阴极进气流速的增加可以提升电池的性能,但也会带来其他额外的损耗。可见,圆形交错式流道可以有效提升输出性能,改善氧和水的分布。     

固体氧化物电解池结构对其性能的影响研究

固体氧化物电解池(SOEC)能利用可再生能源发电电能高效地将水和二氧化碳转化为氢气和一氧化碳等燃料,同时具有高效、低成本、规模易控等优点,被认为是最有前景的储能方式.固体氧化物电解池结构变化会对电解池导电性能产生影响,同时,显著影响电解池内部的气体传输和传热过程,对电解池性能优化十分重要.为探究结构组成对固体氧化物电解池性能的影响,本文建立了一个固体氧化物电解池共电解水和二氧化碳的三维模型,分析加入阳极气体扩散层(AGDL)和金属泡沫流场对电解池极化曲线、过电势和气体分布等的影响.分析结果表明:相比于没有AGDL的电解池,加入AGDL可以改善脊下气体在催化层和流道之间的传输,同时增大电子传输横截面积,从而减小可逆电压和欧姆过电势.随着AGDL厚度增加,电解池性能改善幅度逐渐变小.将普通流场替换成金属泡沫流场可通过改善流场和多孔电极的气体传输,降低电解电压和提高电解效率.增加阳极泡沫厚度可以在一定程度上改善SOEC性能.而两极均采用金属泡沫流场,由于阳极金属泡沫避免了脊下多孔介质中的氧气积聚,可以进一步提高电解池性能,但性能提升相对较小.     

不同泥龄下溶解性微生物产物对膜污染的影响

采用4套平行运行的小试膜生物反应器(membrane bioreactors,MBR)对不同泥龄下膜生物反应器中溶解性微生物产物(soluble microbial products,SMP)的膜污染行为进行研究.结果显示,SMP的膜污染潜势和积累程度均随着泥龄的缩短而增大;MBR中与出水中SMP的相对分子质量分布相似;SMP的相对分子质量分布呈明显的双峰特征,泥龄长时高分子含量升高;SMP中的碳水化合物较蛋白质更容易在MBR中积累,泥龄短时尤为显著.因此,SMP组分按照不同形式划分,其膜污染潜势推测为碳水化合物>蛋白质,小分子组分>大分子组分.     

电压对生物阴极电活性的影响

为富集高活性的生物阴极和降低微生物电解池的运行成本,分别考察了单室无膜微生物电解池(SCMMEC)中电压与生物阴极活性和溶液COD的关系。结果显示,0.2 V、0.3 V和0.5 V生物阴极的活性水平相当,且相对活性最高的0.3 V生物阴极仍是阴阳极中的电流限制电极。这表明选用稳定性差的廉价电源既可降低SCMMEC的固定成本,又不影响生物阴极的表现。进水COD-外压-电流密度显示,外压的选择还应考虑进水COD,低COD选择较低的外压,反之则相反。     

PEMFC阴极催化层电化学性能的数学模拟

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的膜电极中包含多种传输过程,且传输过程与电化学反应过程在相互交错的区域内进行,本文建立了质子交换膜燃料电池的阴极数学模型,运用MATLAB和C语言编写了模拟程序,探讨了电极结构和电极制备工艺对电极电化学性能的影响.     

Monte Carlo模拟PEFC电极电催化剂的利用率

膜电极是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心部分，建立了膜电极的随机方格子模型，在电极模型各格点位置用Montecarlo方法生成随机分布的电极粒子、Nanon溶液粒子和聚四氟乙烯团粒，把电极的输出电流转化成一个概率事件，确定了有效输出电流迷宫通道模型，并建立了非即回无规行走扫描算法，运用MATLAB和C语言编写了模拟程序实现了对膜电极催化刑利用率的统计，并探讨了电极结构和电极制备工艺对催化利利用率的影响．     

PEDOT膜修饰电极对对苯二酚及邻苯二酚的电催化研究

研究了电化学聚合制备的聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)膜修饰电极对对苯二酚和邻苯二酚的电催化.结果表明PEDOT膜修饰电极对对苯二酚和邻苯二酚均有很强的电催化作用,它们可能来自PEDOT对二羟基酚类的吸附作用.研究和分析了影响膜催化性能的2个因素:聚合电位、掺杂离子.PEDOT膜中掺杂的阴离子对催化性能有重要的影响,而膜聚合电位对PEDOT膜修饰电极行为的影响则是由于膜电阻随膜聚合电位的变化所引起的.