高稳定碱性离子膜分子设计研究进展

以阴离子交换膜（碱性离子膜）为基础的能量转化与储能过程十分重要,包括碱性膜燃料电池、碱性膜电解水制氢等,该类电膜过程对未来能源结构会产生深远影响。现有阴离子交换膜存在耐碱性差、性能衰减显著的问题,严重制约高效能源储存及转化技术发展。为了获得高稳定的碱性离子膜,近年来,围绕耐碱高分子材料的分子设计开展大量工作。本综述从碱性膜材料的高分子骨架和阳离子基团两个角度出发,针对膜材料耐碱性,重点阐述聚烯烃和聚芳基的主链结构,以及非金属中心、金属中心,两类阳离子的分子结构设计策略,展望高稳定碱性膜的结构设计规律及主要挑战,为设计与合成高性能碱性离子膜,满足清洁能源转化与储能膜过程提供新思路。     

应用核电进行碱性电解水制氢经济性分析

利用核电厂在电力富裕时电解水获取氢气,在用电高峰时,由氢燃料电池发电,可以提高核电参与电网调峰的能力。对比现有氢气获取方法,碱性电解水制氢技术安全可靠、经济性能好,适应用于核电大规模氢能项目。本文详细介绍了现有碱性电解水制氢系统主要组成部分,核算了采用碱性电解水制氢系统进行核电制氢的成本预估,结果表明,一套1000m³/h的碱性电解水制氢设备需一次性投入877万元,投资回报年限为1.8年;若自行购置氢气压缩机则需投资1277万元,投资回报年限为2.58年;系统年运行费用为204.5万,回本后年利润为495.5万元。     

碱性电解水制氢关键材料研究进展

概述了碱性电解水制氢所需的隔膜、电极、催化剂等关键材料的研究进展,同时对目前存在的问题进行剖析并对未来发展方向进行了展望.     

永磁体强化电解水制氢的实现

本实验在磁场驱动强化电解水制氢的可行性的前提下,通过实验结合有效的气液两相流动分析。揭示磁场在电解槽内引发的多种形式的磁对流对电极间气液两相流动驱动机制和气相产物分布规律。最终通过优化外部磁场配置实现磁场强化电解水制氢的高效利用。     

电解水制氢的电极选择问题研究进展

氢气能否作为燃料广泛使用,制氢技术方法的选择显得至关重要.作为大规模生产氢气的途径,电解水制氢无疑是最可行且最成熟的技术.然而,由于理论分解电压是不考虑任何损耗的最低电压,因此影响电能损失的主要因素是阳极过电位、阴极过电位和电阻电压降.在设备基本不变的情况下,提高电解效率的主要途径就是降低阳极过电位和阴极过电位.研究新型的析氧电极,选择适合的电极,提高水电解工艺中的电解效率,对于水电解氢气工业而言,无论从节能增效,还是从长远的解决能源短缺问题,都具有至关重要的实际意义.     

电解水制氢系统安全设计

针对氢气制备及纯化,根据氢气的理化和火灾危险特性,分析电解水制氢系统中的潜在危险因素,提出安全设计思路.     

碱性电解水制氢催化剂的研究现状与进展

与可再生能源相结合的电解水制氢是绿氢生产的主要技术路线,在“双碳”目标的驱动下,这一绿色科技有望成为能源变革的核心,也是清洁能源版图中的重要一环。碱水电解制氢技术发展最为成熟、商业化程度最高,是电解水市场的重要组成部分。电解槽作为电解水技术的关键设备,其技术发展程度影响着绿氢规模化发展进程,而高效稳定的电催化剂是碱水电解槽性能提升的关键。文章综述了碱性电解水的反应原理以及近年来阴极和阳极电催化剂的研究进展,对碱性电解水技术发展面临的关键问题和解决思路进行了分析和展望。     

碱性膜电解水制氢技术现状与展望

开发清洁高效的可再生能源是未来能源转型的必然趋势。氢能作为一种绿色无污染的能源载体,可通过电解水技术实现氢能与电能的高效转化,有望作为风力、光伏发电的重要调节手段。碱性膜电解水制氢能够提高电流密度,增加能量转化效率,优于碱性水溶液电解水制氢;与此同时,可采用铁、镍等非贵金属制备催化剂,克服质子交换膜电解水制氢使用贵金属催化剂带来的设备昂贵、资源受限问题。本文综述了碱性膜电解制氢技术发展现状,重点围绕自支撑催化电极、耐碱腐蚀离子膜、有序结构膜电极开展讨论,包括催化剂制备策略,耐碱离子膜发展现状,以及有序化膜电极的应用优势,阐释电化学工程中的传质与反应耦合原理。本文为进一步研究开发高性能电化学关键材料提供了指导思路,推动电解水制氢技术的发展。     

PEM型电解水制氢设备在电厂的应用

与传统的碱性电解水制氢设备相比,质子交换膜(PEM)电解水制氢设备具有电解效率高,工作电流密度大(10000～30000A/m2),电解槽体积小,工作介质为纯水,无腐蚀性,对环境无污染,系统简单和易于操作维护等优点,使得PEM型制氢设备在发电厂氢气冷却机组方面有广泛的应用。本文介绍了PEM型电解水制氢技术的工作原理及技术优势,通过与碱性电解水制氢技术方案的定量结果进行对比,对PEM电解水制氢设备在电厂氢气冷却发电机组方面应用的技术方案、设备组成及经济可行性进行了分析,并对PEM型电解水技术在电厂领域的发展前景进行了展望。     

电解水制氢用一维铜基合金纳米催化剂研究进展

一维铜（Cu）基合金纳米催化剂具有高活性、高化学稳定性及良好的导电性等优点,在催化材料领域得到广泛研究。本文介绍了一维Cu基合金纳米催化剂的制备方法,重点综述了用于电解水制氢的一维合金Cu基纳米催化剂的研究进展与性能特点,从不同角度阐述了催化剂性能优化策略,包括催化剂形貌与结构、活性位电子与几何结构等,最后对一维Cu基合金纳米催化剂在电解水中的应用前景进行了展望。     

质子交换膜水电解制氢膜电极研究进展

质子交换膜水电解（PEMWE）制氢具有可适用于风能太阳能等可再生能源的间歇性和波动性、能量转换效率高、启动快速、占地小等优点,成为目前绿氢制取重点关注的技术。膜电极作为水电解制氢关键核心部件,对于水电解制氢的性能、效率和寿命至关重要,并随着量产规模的扩大在系统成本中的占比越来越高。发展高性能、低成本和高耐久性的膜电极对于绿氢的低成本大规模制取具有重要意义。本文综述了近年来质子交换膜电解水制氢膜电极中质子交换膜、催化层、多孔传输层等关键材料部件以及膜电极制备技术的研究进展和成果,并进行了简要评述。从膜电极设计和开发的角度系统地梳理了如何提高电解制氢性能、降低水电解制氢膜电极成本等方面的进展。最后,就未来膜电极研发的方向提出了建议。     

水电解制氢装置运行及维护

介绍水电解制氢装置的工艺流程,分析其工作原理。并且结合日常运行及维护经验,对水电解制氢装置的日常管理和故障处理进行说明。     

碳达峰与碳中和目标下PEM电解水制氢研究进展

氢能作为重要的能源载体,燃烧过程绿色无污染,能够助力碳达峰和碳中和目标实现。本文通过对比化石能源制氢、工业副产气制氢、电解水制氢等方式,分析各制氢方式的优缺点,阐述了质子交换膜（PEM）电解水制氢与可再生能源结合的重要意义。之后从PEM电解槽内部结构和可再生能源电解水制氢两个方面展开综述,详细介绍了PEM电解槽双极板、催化剂、扩散层、质子交换膜研究进展、存在的主要问题和未来发展方向。文中通过分析我国太阳能、风能分布特征,总结可再生能源利用存在的问题,从研究现状和产业发展的角度介绍了太阳能制氢、风电制氢、可再生能源多能互补制氢的发展。最后对可再生能源PEM电解水制氢的未来发展方向进行了展望,期望为可再生能源PEM电解水制氢的发展提供借鉴和参考。     

碱性电解水析氢电极的研究进展

电解水制氢将成为未来绿色制氢工业的核心技术。研究新型阴极材料以有效降低阴极过电位,对降低电解水能耗和设备成本、提高生产稳定性和安全性,具有十分重要的现实意义。本文主要对碱性水溶液电解制氢工业的析氢阴极材料进行综述。围绕电极结晶结构设计和尺寸结构设计两个主要的电极发展方向,重点介绍了3类基于电沉积制备技术的Ni基电极材料:合金析氢电极、复合析氢电极、多孔析氢电极。分析了当前析氢电极在实验研发与工业应用中存在的问题。指出采用电沉积法,制备催化活性更高且适用于工业电解环境的多元复合电极材料将是今后析氢电极发展的趋势。     

生物炭辅助水电解制氢的特性

利用H型电化学池,在低温下研究稻壳水热生物炭（HB）和热解生物炭（PB）辅助水电解制氢的特性,采用电化学工作站对炭浆液进行LSV、EIS以及产氢特性测试,并结合XPS、FTIR、BET、XRD和SEM表征,分析两种生物炭的电化学反应特性,并探讨了生物炭理化性能对其氧化过程的影响规律。结果表明：HB中丰富的—OH基团使得阳极起始电位非常低,而PB有良好的孔隙结构和高比表面积,因此在较高阳极电位（>1.2V vs. MSE）下的反应活性较强;生物炭浆液的溶液电阻和电荷传递电阻随着反应温度的升高而减小;生物炭氧化反应活化能随着阳极电位的增高呈下降趋势;硅酸盐成分对生物炭氧化有一定阻碍作用,PB酸洗后表面官能团暴露有利于其氧化且使电流密度增大,但酸洗会清除HB中易氧化基团,导致其电流密度下降;相同条件下PB较HB的产氢率更高。     

Preparation of anion exchange membranes based on pyridine functionalized poly(vinyl alcohol) crosslinked by 1,4-dichlorobutane

A series of anion exchange membranes [pyridine functionalized-poly(vinyl alcohol)-1,4-dichlorobutane (PVA-PY-DL_x)] were synthesized by using PVA-PY as polymer matrix and DL as crosslinker and iodomethane as quaternization reagent. During the experiment, pyridine groups grafted on PVA were transformed into quaternary ammonium group during the formation process of the crosslinked structure and the quaternization routine by iodomethane. The characterization results revealed that the PVA-PY-DL_x membranes have been successfully prepared and the crystallinity increases with increase of DL. PVA-PY-DL_x membranes have smooth and uniform morphology. The introduction of crosslinked structure improves the mechanical properties and dimensional stability of the PVA-PY-DL_x membrane, enhances the alkali resistance. When the mass content of DL was 4.0%, composite membrane had the maximum tensile strength (44.2 MPa), and the OH⁻ conductivity reaches 1.05 × 10⁻² S cm⁻¹ at 70 °C. The accelerated aging experiment was carried out in 3 mol L⁻¹ potassium hydroxide (KOH) solution for 120 h at 80 °C, which revealed that the anionic conductivity of PVA-PY-DL_4.0 membrane retains 79.6% of its initial conductivity, showing better stability of alkali stability. Methanol permeability of PVA-PY-DL_x membranes was only the 0.37–0.72% of the Nafion-117 membrane in 3 mol L⁻¹ methanol at 60 °C. © 2018 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2019 , 136, 47395.     

基于MOFs材料光催化分解水制氢的研究进展

“双碳”目标的提出让氢能热度持续攀升，制氢技术突破是氢能连接能源消费终端的关键桥梁，光催化分解水制氢技术是实现太阳能低碳转化的有效途径。其中，利用具有比表面积和孔隙率高、结构可调、活性位点丰富等优势的金属有机框架（MOFs）材料光催化分解水制氢是近年来的研究热点。该文综述了国内外基于MOFs材料光催化分解水制氢体系中半导体复合、金属离子掺杂、敏化剂修饰和贵金属负载等方法的改性原理、技术难点和制氢效果等，重点阐述比较了上述MOFs改性方法在抑制光生电子空穴对复合、优化MOFs禁带宽度和增加MOFs活性位点等方面的作用，提出了未来MOFs光催化分解水制氢可深入新型MOFs材料开发、敏化剂修饰工艺优化、拓展先进表征手段的研究方向。     

高温固体氧化物电解制氢模拟研究进展

固体氧化物电解池（solid oxide electrolysis cell, SOEC）是一种先进的电化学能量转化装置,具有高效、简单、灵活、环境友好等特点,是目前国际能源领域的研究热点。但SOEC在高温、密闭的复杂环境下运行,实验研究代价高昂,有些甚至无法完成。相对来说,数值模拟具有成本低、易操作的显著优势。近年来,有关SOEC电解制氢的模拟研究取得了较大进展。本文在简要介绍SOEC工作原理的基础上,从电化学、热力学和流体动力学等方面阐述了模拟基础理论,重点从稳态与瞬态及系统、宏观与微观的角度总结了高温电解制氢模拟技术的研究进展,进而指出当前研究存在的局限性。SOEC电解制氢模拟还需从数学模型验证、适用性分析、系统非设计工况和动态运行特性等方面加强研究工作。随着技术的不断发展与完善,数值模拟必将为SOEC技术商业化提供关键支撑。