|
近日，低碳院氢能（氨能）技术研究中心科研人员在电解水制氢技术领域取得重要进展，研究团队提出了膜电极结构新型调控技术，实现了电流密度和制氢效率的大幅提升。相关研究成果以“A catalyst-coated diaphragm assembly to improve the performance and energy efficiency of alkaline water electrolysers”为题，发表于Nature旗下期刊《Communications Engineering》。
▲低碳院在电解水制氢技术领域的研究成果发表在Nature旗下期刊《Communications Engineering》
研究背景
绿氢在工业和交通等领域的应用将大幅减少化石能源的使用，对于实现“双碳”目标具有重要的战略意义。碱性电解水制氢是大规模可再生能源制氢的主流技术路线，提升其电流密度和电解效率，有利于降低电解槽成本和电耗，加速实现绿氢与煤制氢平价，促进绿氢的大规模应用。100多年来，碱性电解槽一直采用金属网电极和多孔隔膜的机械组合结构，造成内阻大、催化剂利用率低的问题，因此电流密度和制氢效率提升存在着一定瓶颈。
电解槽设计思路
低碳院研究团队提出了一种新型的碱性电解水制氢技术路线，在多孔隔膜两侧直接构造微米级催化剂涂层。催化层呈三维多孔结构，在多孔隔膜表面进行无缝隙粘结，将离子传输距离大幅降低，有利于降低电解槽内阻。同时，三维多孔的催化层比表面积大，能够提升反应活性位点数量，提高催化剂利用率。
▲低碳院原创碱性电解水制氢技术（c、d）与常规碱性制氢技术（a、b）的对比示意
微观结构解析
以商业化雷尼镍催化剂和ZrO2复合隔膜制备的膜电极，催化层厚度约15微米，显著低于常规雷尼镍网电极催化层厚度（约100微米）。催化层与隔膜表面紧密结合，相比之下，常规碱性电解水制氢网电极与隔膜间存在10微米级以上缝隙。催化层内纳米颗粒堆积后，呈现多孔介质形态，隔膜孔隙率64%，在增加催化剂涂层后，孔隙率保持在60%，预期具有较好的离子传输能力。
▲低碳院碱性制氢膜电极（a、b、c、d、e、f）与常规碱性制氢电极（g、h）的形貌对比
电解槽性能
采用商业化催化剂和ZrO2复合多孔隔膜制备的膜电极一体化式新型碱性电解槽，在电流密度1安培/平方厘米下的电解电压达到1.8伏，在电流密度2安培/平方厘米下的电解电压达到2.0伏，比常规碱性电解水制氢技术的能耗降低16%，电流密度大幅提升。电解性能在公开报道的碱性电解水制氢技术中处于领先水平。
▲低碳院碱性制氢膜电极的电解性能
结语
本研究为大规模、低成本可再生能源制氢提供了一种有潜力的技术路线。目前，该技术依托集团公司种子基金孵化项目，正在进行新型高效碱性电解槽中试及产品化开发。研究团队围绕该技术已申请发明专利30余项，该工作得到国家重点研发计划项目和集团公司科技创新项目的资助。
低碳院氢能（氨能）技术研究中心聚焦原创技术，将进一步加快制氢技术装备的研发进程，为集团公司在氢能领域业务拓展提供强有力的科技支持，为集团公司高质量发展贡献力量。 |
