固体聚合物电解质水电解池及其膜电极的研究

固体聚合物电解质水电解池及其膜电极的研究
固体聚合物电解质水电解池及其膜电极的研究氢气是重要的能量载体,也是重要的化工原料。

氢气在燃料电池及储能、化学工业及石油化学工业、贵金属冶炼、造船工业等领域具有十分重要的用途。

电解水制氢技术是获得高纯度氢气的最为重要的技术手段之一,目前应用最广泛的是碱性电解水技术,具有制氢规模大,投资成本低的优势,但是也存在使用具有腐蚀性电解液、产物纯度低、能量效率低等缺点。

与其相比,近年来快速发展的固体电解质(SPE)电解水技术则具有电解池结构紧凑、电流密度高、能量效率高以及可输出超高纯度和高压强的产物气体等优点,被认为是最有发展潜力的一种电解水制氢技术,目前的SPE电极一般是将催化剂粘结(喷涂)在固体电解质的表面,存在由于催化剂结合不够牢固而引起的电极稳定性不高、使用寿命不够长、电解效率仍然偏低等缺点。

针对目前SPE电解水技术存在的问题,本论文提出和采用了一种离子交换-还原沉积制备应用于SPE电解池中的新型膜电极(MEA)的方法,制得一种高性能的SPE电解水电极;考察了前驱体的种类、金属沉积量、催化层结构、还原剂等等因素对于电极电解水性能的影响;并采用XRD、ICP-AES、SEM等对电极进行了表征。

实验结果表明:还原沉积制备的电极中,催化剂层与固体电解质膜结合十分紧密,催化剂层均匀地分布在固体聚合物膜(PEM)表面,催化层厚度为1-2μm。

本文研究发现:在阳极催化层制备中引入铱,可使得形成的催化层具有棉花球状的三维结构;在优化制备条件下制备的电极的阳极层为双金属层结构,Pt载量为1.4 mg/cm2,Ir载量为0.4mg/cm2,阴极层催化剂载量为Pt含量1.0 mg/cm2。

在常压和75℃下,双金属层阳极SPE电极的电解电压为1.76 V时,电流密度可达505 mA/cm2,电解效率可高达84%(vs.HHV)。

相比之下,纯Pt金属层阳极SPE电极的电解电压高达2.47 V,电解效率仅为60%(vs.HHV)。

另外,我们发现具有双金属层阳极的电极具有良好的稳定性,连续5小时电解水测试后,其电解电压基本稳定不变。

本论文还研究了串联连接的8片MEA的SPE电解池(催化层面积为270 cm2)的电解水性能和电极稳定性,结果表明在常压、75℃和500 mA/cm2下,电解电压为13.71 V,平均槽电压仅为1.71 V,电解水性能为目前国际上最好的性能之列。

8小时连续运行后,电压略有上升(14.16 V),其原因还待进一步的分析研究,最有可能的原因是来自电解池部件,而不是电极本身。

总之,本论文采用离子交换-还原沉积法制备出了高性能的固体电解质电解水膜电极,该电极具有催化剂层与固体电解质结合牢固、电解效率高、稳定性好等重要优点,具备良好的实际应用前景。