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固体聚合物水电解技术综述
摘要:介绍了固体聚合物水电解技术的优点和工作原理,描述了膜.电极
组件及其各种制法,包括膜的预处理和杂质毒化机理,概述了集电器基体的选择
和涂层涂敷方法、槽体结构设计申的几个关键问题,提出了固体聚合物水电解技
术的未来发展方向。
关键词:固体聚合物电解质;膜一电极组件;Nationo;集电器;铂电极
1概述
固体聚合物电解质(SolidPolymerElectrolyte,SPE)是由美国GeneralElectric
公司提出的,最早应用于“双子座”宇宙飞船的燃料龟池上。1,开创了固体聚
合物电解质技术领域。此后,SPE技术倍受各国关注,发展迅速。20世纪70年
代中期,在日本“阳光计划”(SunshineProgram)中,高效固体聚合物电解质电解
水的基础和应用研究比较活跃。20世纪80年代初,法国为了获得有效的固体聚
合物电催化复合材料,开始各种电镀法的基本研究,在Grenoble,三个实验室合
作,执行了一项称为“2000年电解规划”的发展计划。如今,SPE技术已广泛
应用于能量转换领域,如氢一氧燃料电池、甲醇燃料电池、水电解、有机电化学
合成|、电化学还原CO、臭氧生产|、电化学氢泵和氧泵等。
2
20世纪70年代初,固体聚合物电解质水电解技术开始应用于宇宙飞船生命
维持系统的氧气发生器。90年代初,以固体聚合物电解质为基础的供氧设备
已安装在核潜艇上,替代了传统的碱性电解槽。与传统的碱性电解水相比,SPE
水电解技术具有如下优点:
(1)效率高
在给定的电流密度下效率可接近100%。t4],并且具有较高的电流密度,可
达到几A·cm一。在电流密度为1A·cm~,电极面积为50CB2,操作温度80℃
时,小室电压可达到1.68V;电流密度为2A·cm。2时,小室电压为1.9V,
比国内碱性电解槽(一般电流密度为0.2A·cm~,小室电压为1.9—2.0V)
高5倍以上。SPE水电解性能与碱性水电解性能的比较如图1所示。
(2)安全性高
由于采用了纯水作为电解液,避免了碱性电解液对槽体的腐蚀。同时电解质
膜片有效阻隔了气体渗透,气体纯度可达99.99%。
(3)结构简单
电解质能够承受较大的压差,从而简化了压差控制,缩短了启动和停机时间。
水既是反应剂又是冷却剂,省去了冷却系统,减小了装置的体积和重量。
(4)性能稳定
寿命长截止到1990年,最长小室寿命已超过30年,平均无故障时间(MTTF)已
超过100000h。
2原理
图2中,去离子水被提供到阳极,在电流的作用下分解生成氧气、氢离子和
电子。氢离子以水合的形式(H+!XH:o)透过膜到阴极,电子经外电路到阴极,
并与氢离子结合生成氢气。同时部分水被带到阴极。
3膜—电极组件
膜—电极组件(membrane—electrodeassemblies,MEAs)是在固体聚合物电解
质两侧嵌入催化物质作为电极,使两者成为一个整体。它是固体聚合物电解水技
术的核心,决定着电解槽的使用性能与寿命。
3.1膜
用于SPE电解的离子交换膜主要有以下几种:美国Dupont公司的Nation系
列膜;美国Dow化学公司的XUS-13204膜;日本Asahi公司的Aciplex膜;日
本AsahiGlass公司的Flemion膜;日本氯公司的碳膜;加拿大Ballard公司的
Ballerd膜。由于Nation膜具有良好的化学稳定性、机械稳定性、低电子阻抗,
高离子传导性、良好的防气体渗透性等优点,它是目前最广泛应用的离子交换膜。
Dow膜的性能优于Nation膜,但Dow膜的价格要比Na.fion膜昂贵得多(Dow
膜约2000$/m2,而Nation117膜约500—600$/m2),Ballad膜价格低廉,而
且性能与Nation@膜相当,有可能成为替代Nation膜的离子交换膜。Nation膜是
由美国Dupont公司于1972年研制成功的全氟磺酸离子交换膜
(PerfluorosulfonatedIono—metMembranes,P
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