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1、SPE 电解水制氢介绍SPE 电解纯水制氢介绍 1、简介SPE 电解水制氢技术 ，其全称为固体聚合物电解质电解水制氢技术 ， SPE 是美国联合技术公司汉米尔顿标准部的一个注册商标 ，全文为(Solid Polymer Electrolyte)，即固体聚合物电解质。SPE 膜电极的核心是电催化剂直接附于膜上形成“金属+SPE”复合膜电极构造，以离子膜固体电解质取代液体电解质，具有产物简洁分别，能抑制副反响，气相反响物直接与电极相接触而大大加速反响物的传质速度等优点，使 SPE 技术融反响与分别为一体，既有很高的能量效率又能简化电池的构造，故广泛应用于氢、甲醇燃料电池，水电解，电有机合成，二氧化
2、碳电复原，臭氧生产，电化学氢泵或氧泵以及传感器的制作。它是美国通用电气公司于 20 世纪 50 年月后期开头进展起来的，60 年月初首次成功的应用于双子星宇宙飞船的燃料电池上。70 年月初，开头将其应用于电解水制氢方面，目前为世界各国制氢行业所应用。2、原理及其主要部件固体聚合物电解质电解水制氢技术的核心是固体聚合物电解质电解槽，它是由膜电极组件、集电器、框架和密封垫等组成的。其中，膜电极组件和集电器是电解槽的核心部 件，打算着电解槽的使用性能。2.1 、膜电极组件膜电极组件就是在固体聚合物电解质膜两侧嵌入活性电极(催化物质)，使二者成为一个整体，水的电化学反响在膜电极中进展，膜电极起到隔膜和
3、电极的作用。图 1 显示了 SPE 电解水反应的状况。去离子水被供到膜电极组件上，在阳极侧反响析出氧气、氢离子和电子。电子通过外电路传递到阴极 ，氢离子以水合的形式(H+XH20)通过膜到阴极。在阴极 ，氢离子和电子重结合形成氢气，同时，局部水也带到了阴极。固体聚合物电解质膜是一种质子交换膜，其全称为全氟磺酸质子交换膜，是一种坚韧、松软的全氟化磺酸基聚合物薄片，对氢离子有高的导通性。氢离子的导通是由于磺酸基可传递水合氢离子(H+XH20)。这些水合氢离子从一个磺酸基传递到下一个磺酸基，从而通过聚合物薄片，磺酸基保持不变，聚合物薄片是唯一的电解质，没有游离的酸或碱性液体，用于电解槽中的唯一液体是
4、去离子水，所以称之为固体电解质。由于含有磺酸基，膜的接触面呈中强酸性，所以，膜两边的催化物质一般为铂系金属及其氧化物。阴极侧和阳极侧的可一样也可不同，它要求对氢气的析出过电位和对氧气的析出过电位尽可能低，与膜的结合尽可能结实。催化物质嵌入到膜中的方法很多，有热压法、刷涂法、化学复原法和电化学复原法等，是争论此项技术的关键。这些方法各有利弊，如化学复原法所需设备简洁，催化剂附着结实、均匀，但不易掌握沉积量;刷涂法所需设备较简洁，较易实现，且简洁掌握沉积量， 但催化剂附着不结实，制备不好易脱落;热压法所需设备简单，实际操作有难度， 但催化剂附着结实，不易脱落，且简洁掌握沉积量，可规模化生产。但是不
5、管承受何种方法，催化物质都不是简洁的与膜外表结合，而是有局部渗透到膜的内部，并与膜外部的催化物质形成连接，起着导通电流及催化活性的双重作用。2.2 、集电器集电器的主要作用是使去离子水与固体聚合物电解质膜(SPE 膜)充分接触，把电流均匀地引入到膜电极组件上。水的电化学反响在它们的接触面上进展。同时， 集电器还要具有良好的气液透过性和不损伤 SPE 膜外表外形 的特性，保证去离子水在整个活化电极区域内均匀分布。目前，对集电器的争论主要集中在基体材料和所加的催化组分上。集电器从构造和基体材料上主要分为网状、多孔或烧结体等碳、钛或不锈钢等材料;从催化组分上主要为铂系金属及其氧化物。目前，国外争论较
6、多的主要为在多孔和烧结体等金属基体材料上添加铂系金属或其氧化物。集电器在使用上分为阴极集电器和阳极集电器，由于阳极上产氧气，对金属有猛烈的氧化作用，所以要考虑所用阳极材料的抗氧化性;而阴极上产氢气，易造成金属的氢脆，所以要考虑所用阴极材料的性质。 3、SPE 电解水制氢技术的优缺点3.1 、SPE 电解水技术的主要优点SPE 电解水制氢与传统的碱性电解水制氢相比的主要优点是 : (1)在给定电流密度下效率高(可达 90,)，因而能耗小、本钱低。2(2)较高的电流密度。电流密度最高可达 3A/cm ，小室电压 2.0V。一2 般电流密度为 1A/cm，小室电压为 1.9-2.0V，比目前国内的碱
7、性电解槽2(一般电流密度为 0.2A/cm，小室电压为 1.92.0v)高 5 倍。因而在一样产气量下，体积小、重量轻。(3) 由于电解质是链式聚合物、性能稳定，无腐蚀性液体存在，因而安全牢靠、修理量小、使用寿命长。据报道，英皇家海军用的 SPE 电解槽已累计运行了15 万小时，也有报道称 SPE 电解槽的使用寿命在 20 年以上。(4) 电解质为非透气性隔膜 ，能承受较大的压差，从而简化了压差掌握，启动和停机快速。众所周知，由于石棉布为透气性隔膜，碱性电解槽有格外严格的压差掌握系统，以保证操作安全。而 SPE 电解槽由于承受固体聚合物电解质，只对氢离子有单向导通作用，从根本上避开了氢氧通过隔
8、膜混合，安全性好、气体纯度高(氢气纯度99.99,，氧气纯度99.99,)。电解质薄，缩小了电极间隔，不仅降低了电压和削减了电阻，而且使装置构造紧凑，通常用的膜厚度在 0.05-0.25mm 之间，即使添加了催化物，其厚度也小于1.0mm。(5) 去离子水既是反响剂又是冷却剂，省去了冷却系统，削减了装置的体积和重量。(6) 由于没有游离碱液体存在，削减了对设备的腐蚀，产气纯度高，不含碱雾，经过简洁分别后，可直接应用。总之，SPE 电解水制氢与传统的碱性电解水制氢相比具有效率高、能耗低、电解质稳定、安全牢靠以及装置体积小、重量轻、寿命长等优点。3.2 、SPE 电解水技术的主要缺点(1) 膜的价
9、格昂贵。目前，固体聚合物电解质膜只有少数几家国外公司能生产 (道氏公司、杜邦公司、旭硝子和旭化成公司)。在 20 世纪 80 年月末，我国上海有机所、海军工程大学等单位曾进展了开发争论，但至今未能到达有用阶段 。(2) 膜电极组件及集电器的制作本钱高。(3) 膜电极组件及集电器上的催化物质(铂系金属)的毒化敏感性高 ，易被其它一些金属离子(如从钢材中溶解下来的铜、铅、镍等离子)毒化，降低活性。考虑到这些离子对 SPE 槽性能的影响，可在装置中添加在线去离子器净水装置。总之，SPE 电解槽造价高是制约其在工业化大规模应用的关键因素。目前国外争论也正朝着承受低贵金属负载量或非贵金属作为催化剂的方向进展，以求降低本钱，到达工业上大规模应用的目的。4、总结SPE 电解水技术的进展不仅为宇航、军事等专用方面供给了一代的电，而且为使电解水制氢成为一种“干净”的有竞争力量的解水制氧系统能源展现出了宽阔的进展，SPE 制氢设备完全有可能用在目前正在高速进展的燃料电池汽车上。
