固体聚合物水电解技术综述.pdfVIP

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