알칼리성 물 전기 분해를 통한 수소 생산을위한 막 및 양극 재료의 성능에 대한 연구

초록 : 수소 생산물 전기s대규모 재생 가능 에너지를 녹색 수소로 변환 할 수 있는데, 이는 연료, 화학 에너지 및 운송과 같은 다양한 저탄소 말기 에너지 원으로 널리 사용되며 탄소 방출 감소에 큰 중요합니다. 수소 생산을위한 알칼리성 물 전기 분해가 가장 잠재적이고 대규모 적용되는 기술로서 수질 전기 분해 산업에서 지배적 인 위치를 차지합니다. 전기 분해에 의한 수소 생산의 과도한 수소를 감소시키기위한 목적에 기초하여, 다이어프램 및 양극 전극 재료의 성능을 연구 하였다. 결과는 중합체 복합 횡격막 Zirfon이 더 낮음을 보여줍니다.막 폴리 에테르 설파이드 황화되지 않은 직물보다 저항성, 이는 물 전기 분해의 과도한 수분을 0.3V 이상 감소시킬 수 있습니다. 이는 주로 Zirfon 다이어프램이 막 저항성이 낮고 친수성이 높고, 다이어프램의 친수성이 전극 활성 부위의 이용률에 영향을 미치기 때문입니다. 친수성이 높을수록 스택의 활성화 임피던스가 낮아집니다. 니켈 메쉬와 니켈 폼의 성능을 비교함으로써, 애노드 전극으로 사용될 때 니켈 메쉬의 저항은 니켈 폼의 저항보다 낮으며, 과도한 수준이 낮다는 것이 밝혀졌습니다.물 전기 분해. 전해기의 주요 구성 요소 인 다이어프램 및 전극의 최적화에 대한 특정 기준을 제공 할 수 있으며 전기 분해 비용을 줄이는 데 도움이됩니다.

0 소개

수소 에너지는 오염 제로, 높은 칼로리 값, 저장 성 및 넓은 적용의 장점을 가지고 있습니다. 물 전기 분해 기술은 재생 에너지와 변동하는 잉여 전기를 사용하여 수소를 생산할 수 있으며, 이는 수소를 생산하는 가장 이상적이고 환경 친화적 인 방법으로 간주됩니다. 따라서, 재생 에너지 수수 전기 분해 수소 생산의 개발은 에너지 보안 및 이산화탄소 방출 감소에 큰 중요합니다. 그러나 현재 세계 수소의 4%만이 물 전기 분해에서 발생하며, 주로 수질 전기 분해 수소 생산 비용으로 인해 전력 소비 및 전해기 비용이 대규모 적용을 제한하는 병목 현상이 발생합니다. "이중 탄소"목표에 의해 재생 가능한 에너지 발전 기술의 개발은 필연적으로 전기 가격을 추가로 감소시킬 것이며 수질 전기 분해 수소 생산 산업의 개발을위한 강력한 촉매가 될 것입니다. 알칼리성 물 전기 분해 수소 생산 기술은 저렴한 비용, 장수 및 풍부한 재료 공급원과 같은 장점, 대규모 수소 생산에 대한 적합성으로 인해 많은 관심을 끌었습니다. 그러나 대규모 수소 생산 응용 시나리오에서 알칼리성 물 전기 분해 기술의 현재 밀도 및 에너지 효율은 장비 및 전력 소비 비용을 개선하기 위해 여전히 더욱 향상되어야하며, 주요 부품이 중요한 역할을 수행함에 따라 다이어프램 및 전극 재료가 더욱 향상되어야합니다.

알칼리성에 사용 된 다이어프램의 성능물 전기 분해전해기의 전력 소비와 생산 된 수소의 순도에 큰 영향을 미칩니다. 초기에, 수소를 생산하기 위해 알칼리성 물 전기 분해에 사용 된 다이어프램은 석면이었다. 건강 및 안전 문제로 인해, 이는 점차적으로 폴리 페닐 렌 황화물 (PPS) 비직 직물로 대체되었지만, 비직 비 택시 직물의 가스 장벽 효과는 여전히 수소의 순도를 향상시키기 위해 더욱 개선되어야합니다. 최근에 사람들은 저항력이 낮고 친수성 및 가스 장벽 능력이 우수한 다이어프램을 얻기 위해 다양한 재료를 연구했습니다. 가장 많이 연구 된 것은 유기 중합체 및 폴리 설포 다이어프램, 폴리 에테르 다이어프램, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 다이어프램, PPS 다이어프램 등과 같은 복합 막이 가장 많이 있습니다.

전극은 전기 촉매 반응이 발생하는 곳이며 전해기의 핵심 성분입니다. 그것의 성능은 물 전기 분해의 과도한 영향에 직접적인 영향을 미치며 알칼리성의 작동을 제한하는 주요 요인 중 하나입니다.물 전기 분해고전류 밀도에서 수소를 생산합니다. 양극은 전기 분해 반응의 속도 결정 단계이며, 전극 산소 진화 활성은 전체 전기 분해 반응에 특히 중요하다. 전통적인 알칼리 전해저는 니켈 메쉬가 적합한 전해 활성, 우수한 부식 저항 및 저렴한 비용을 갖기 때문에 니켈 메쉬를 양극 전극으로 사용합니다. 양극의 성능을 더욱 향상시키기 위해, 높은 활성 및 넓은 표면적을 갖는 전극 재료는 중요한 연구 방향 중 하나가되었습니다. 예를 들어, 니켈 폼, 니켈 기반 합금, 산화물, 스피넬, 페 로브 스카이 트 형 산화물 등이 널리 연구되었습니다. 이 논문은 전기 분해 성능에 대한 다이어프램과 양극 전극의 두 가지 주요 재료의 효과를 연구합니다. 전기 분해 성능은 다이어프램 두께와 친수성의 중요성을 보여주고 알칼리성의 주요 재료의 발달 및 최적화에 대한 참조를 제공하기 위해 니켈 메쉬 및 니켈 폼의 성능에 대한 저항의 영향을 얻는다.물 전기 분해.

1. 실험

1.1 실험 재료

실험에 사용 된 전해질은 분석적 순수 KOH 및 초소 수 (18.2MΩ)로 구성됩니다. 캐소드 전극은 Raney 니켈 메쉬 (0.50mm)이며; 양극 전극은 니켈 메쉬 (0.50mm) 및 상이한 두께의 니켈 폼이며; 다이어프램 재료는 PPS 비직 직물 및 중합체 복합 막 (AGFA, Zirfon Membrane)이다.

1.2 실험 방법

1.2.1 막 저항 테스트

막 저항은 전기 화학 워크 스테이션 (Princeton, Model P4000A)을 통해 교대 전류 임피던스 (EIS)를 테스트함으로써 얻어진다. EIS 시험은 전극으로서 흑연 플레이트 및 1.90cm의 전극 간격을 갖는 플렉시 글라스 전도도 셀에서 수행된다. 시험은 전해질로서 질량별로 30%의 KOH 용액으로 실온에서 수행된다. 모든 다이어프램은 테스트 전에 1 시간 동안 30% KOH에 담았습니다. 교란 전압은 10mV로 설정되었고 주파수 범위는 0.1 ~ 20000.0Hz이고, 고주파에 해당하는 저항 값은 막 저항으로 취해졌다. 각 다이어프램 샘플을 3 배 병렬로 테스트 하였다.

1.2.2 단일 세포 전기 분해

다이어프램 및 전극의 성능 시험은 25cm2의 효과적인 반응 영역을 갖는 단일 전해 세포에서 수행되었다. 단일 전해 세포는 주로 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 엔드 플레이트, 스테인레스 스틸 바이폴라 플레이트, 음극 및 음극 전극, 다이어프램 및 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 개스킷으로 구성됩니다. 30% KOH 전해질을 일정한 온도 수조에서 예열 한 다음 연동 펌프를 통해 단일 전해 세포로 전달 하였다. DC 전원 공급 장치 (IT6502D80V/60A/800W)는 일정한 전류 전기 분해에 대해 10A 전류를 제공했습니다. 전기 분해 공정 동안, 단일 전해 세포의 온도는 80 ℃로 안정화되었다. 일정한 전류 전기 분해 동안 단일 전해 세포의 저항을 모니터링하기 위해 저항계를 사용 하였다.

1.2.3 단일 전해 세포 임피던스 테스트

단일 전해 세포 상수 전류 전기 분해 시험의 전압이 안정된 후, 단일 전해 세포를 EIS 시험에 적용 하였다. 섭동 전류는 1.0A로 설정되었고 테스트 주파수 범위는 0.1 ~ 10000.0Hz였습니다. 작업 조건 하에서 배터리의 임피던스 Rs 및 전하 전송 임피던스 RCT는 임피던스 스펙트럼을 장착하여 얻어졌다.

1.3 구조적 특성

다이어프램 및 양극 재료의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지를 전계 방출 주사 전자 현미경 (Zeiss-Ultra-Plus, Zeiss, Germany)에서 시험 하였다.

2. 결과와 토론

2.1 다른 다이어프램의 특성화 및 분석

전해저의 다이어프램은 양극 및 음극 플레이트를 분리하여 단락을 방지하고 수소와 산소의 혼합을 분리합니다. 그것의 두께, 친수성, 다공성 및 기공 크기는 전기 분해 성능과 밀접한 관련이 있으며 수소의 순도에 중요한 영향을 미칩니다.

상이한 다이어프램의 두께, 다공성, 공기 투과성 및 막 저항은 표 1에서 비교된다. 표 1에 도시 된 바와 같이, Zirfon500+, Zirfon500 및 PPS 비직되지 않은 직물의 두께는 각각 대략 500, 500 및 720 μm이며, 각각 Zirfon500+ 및 Zirfon5의 다공도는 각각 60+ 및 55%입니다. 두 Zirfon 멤브레인의 공기 투과성은 비슷합니다.

다이어프램의 표면 형태는도 1에 도시 된 바와 같이 추가로 특성화된다. Zirfon 막은 메쉬 폴리 페닐 렌 설파이드 직물로 구성되며, 그 표면은 폴리 설 폰 및 무기 산화물 Zro2로 코팅되어 막의 친수성을 개선하는 데 도움이된다. SEM 결과는 Zirfon의 표면이 수십 ~ 수백 나노 미터의 불규칙한 기공 구조를 가지고 있음을 보여줍니다. PPS 비직 직물은 미크론 크기의 섬유로부터 직조되고 미크론 크기의 갭이 있으며, 이는 Zirfon 막보다 상당히 큽니다. Zirfon500+ 및 Zirfon500은 더 얇은 두께, 더 높은 친수성 및 더 작은 기공 크기의 장점을 가지고 있음을 알 수 있습니다.

막 저항성 테스트 결과는 ZIRFON500+가 가장 낮은 막 저항 (72mΩ), 그 뒤에 ZIRFON500 (283MΩ)을 가지며, PPS 비직 직물의 막 저항은 가장 큰 (571mΩ)임을 보여줍니다. ZIRFON500+ 및 ZIRFON500의 막 저항은 각각 PPS 비직 직물의 12.6% 및 49.6%입니다. 이것은 Zirfon500+ 및 Zirfon500 다이어프램의 더 얇은 두께 및 로딩 된 무기 산화물 ZRO2의 개선 된 친수성과 관련이있다.

2.2 물 전기 분해다른 다이어프램의 성능

2.2.1 일정한 전류 전기 분해

알칼리성 물 전기 분해에 3 개의 다이어프램이 사용되었고, 시험 결과는도 2에 도시되어있다. 동일한 시험 조건 하에서, 전류 밀도가 0.4A/cm2 인 경우, 단일 전해 세포의 전압은 PPS 비직 패브릭의 경우 2.32V, ZIRFON500의 경우 1.94V였다. 상기 작동 조건 하에서 상이한 다이어프램을 갖는 단일 전해 세포의 저항은 각각 15.92, 9.06 및 8.28mΩ로 측정되었다. 전기 분해 전압 및 저항은 일관된 패턴을 갖는 것으로 밝혀졌습니다.

상이한 다이어프램을 갖는 단일 세포의 AC 임피던스가 추가로 조사되었다. 크기의 순서는 PPS가 부직포되지 않은 직물> Zirfon500> Zirfon500+였으며, 이는 저항의 결과에 의해 검증되었습니다. 전기 분해 동안 상이한 다이어프램을 갖는 단일 전해 세포의 저항 또는 임피던스는 막 저항과 밀접한 관련이있다. 동시에, 활성화 임피던스의 크기 순서는 PPS 비 짠 직물> Zirfon500≈zirfon500+였다. 활성화 임피던스는 전기 분해 동안 산화 환원 반응의 전하 전달과 관련이 있으며, 이는 Zirfon 막이 PPS 비 짠 직물보다 전하 전달 효율이 높음을 나타낸다.

세 가지 유형의 다이어프램을 갖는 전해 세포는 동일한 전극 재료를 사용하지만 활성화 임피던스는 다릅니다. 이는 PPS 다이어프램의 친수성이 Zirfon 막의 친수성보다 나빠서 기포가 탈착하기가 어렵 기 때문에 전극의 반응 부위를 점유하여 전극의 실제 반응 영역이 감소하기 때문일 수있다.

다이어프램으로서 Zirfon500 및 Zirfon500+를 갖는 단일 전해 세포의 과도한 수치는 PPS 비직 흡수 다이어프램과 비교하여 각각 14.7% 및 16.4% 감소된다. 다이어프램 구조 및 특성의 이전 특성화 및 분석과 결합하여, 과도한 수소의 감소는 주로 다이어프램 두께의 감소 및 친수성의 개선에 기인한다는 것을 알 수있다.

또한, 시험하는 동안, 캐소드와 음극 사이의 알칼리 용액은 더 큰 기공 크기를 가진 PPS가 다이어프램으로 사용될 때 캐소드와 음극 사이의 알칼리 용액이 상당히 상쇄 된 반면, 알칼리 용액은 Zirfon이 다이어프램으로 사용되었을 때 명백한 상쇄를 가졌을 때 명백한 상쇄를 가졌다. 그리고 안전. 상이한 다이어프램 (0.4a/cm2)을 갖는 전해 세포의 전기 분해 전압이도 2에 도시되어있다. 다른 다이어프램 (0.4a/cm2)을 갖는 전해 세포의 Nyquist 플롯이도 3에 도시되어있다.

2.2.2 다른 다이어프램의 편광 곡선

상이한 전류 밀도에서 상이한 다이어프램을 갖는 전해 세포의 전기 분해 전압이도 4에 도시되어있다.

전류 밀도가 0.2A/CM2 인 경우, PPS 비 짠 직물을 갖는 전해 세포의 전기 분해 전압은 안정성에 도달 한 후 각각 2.09, 1.84 및 1.80V입니다. 전류 밀도가 0.4a/cm2로 증가 할 때, PPS 비 짠 직물, Zirfon500 및 Zirfon500+ 다이어프램을 갖는 전해 세포의 전기 분해 전압은 0.2A/cm2의 현재 밀도와 비교하여 140mV만큼 증가하는 반면, 전기 분해 세포의 전기 밀도는 230m의 전기 분비로 증가한다. 전류 밀도를 0.6A/CM2로 증가시켜, ZIRFON500 및 다이어프램으로 ZIRFON500+를 갖는 전해 세포의 전압은 현재 밀도가 0.4a/cm2의 현재 밀도에 비해 120mV만큼 증가하는 것으로 밝혀졌다. 일반적으로, 전류 밀도의 증가에 따라, Zirfon500 및 Zirfon500+ 다이어프램의 과도한 수소는 기본적으로 선형 증가 경향을 나타내며, PPS 비 징직 직물의 과잉은 높은 전류 밀도에서 크게 증가하며, 이는 열악한 표준 친수성과 관련하여 기포의 무능력을 초래할 수 있습니다. 따라서, 알칼리성 물 전기 분해 다이어프램의 친수성은 전류 밀도 및 전기 분해 에너지 효율을 향상시키는 데 중요한 영향을 미칩니다.

2.3 상이한 양극 재료의 물 전기 분해 성능

니켈 폼 및 니켈 메쉬의 형태가 특성화되었고, 상이한 전류 밀도 (0.4a/cm2)에서 전해 세포의 전압이도 5에 도시되어있다. 니켈 폼은 작은 기공을 갖는 인터레이스 및 스택 포어 구조를 갖는 반면, 니켈 메쉬는 약 250μm의 메쉬 크기의 교류 낼 수있는 구조를 갖는다.

상이한 두께의 니켈 폼은 양극 전극으로 사용되었고, Zirfon500+는 다이어프램으로 사용되었고, 알칼리성 물 전기 분해 수소 생산은 양극과 니켈 메쉬와 비교되었으며, 성능은 그림 6에 도시되어있다. 1.95V의 니켈 폼보다 낮습니다. 니켈 메쉬가 양극으로 사용되었을 때, 저항은 8.28mΩ였으며, 이는 11.63mΩ의 니켈 폼보다 낮았다. 이것은 니켈 폼의 작은 기공 구조가 전극으로 사용될 때 생성 된 가스 기포가 더 작을 때 생성 된 가스 기포가 더 작을 때, 전기 분해 전압이 더 높을 때, 기포 탈착의 임계 직경이 더 길어서 더 오랫동안 전극 인터페이스에서 기포를 기울여 저항을 증가시키는 것으로 추측된다. 또한, 니켈 폼이 두꺼울수록 전기 분해 전압이 낮아집니다. 니켈 폼의 두께가 0.50 mm에서 0.15 mm로 감소하면 전기 분해 전압은 1.95V에서 1.97V로 증가하고 저항은 11.63mΩ에서 14.97mΩ로 증가합니다. 형태 학적 구조 분석과 결합하여 그 이유는 니켈 폼이 더 두껍을수록 기공이 커지고 전극 표면적이 더 크다는 것을 알 수 있습니다.

3. 결론

이 논문은 구조와 특성을 결합하여 물 전기 분해의 성능에 대한 다양한 다이어프램의 영향을 연구합니다. 중합체 복합 다이어프램은 막 저항이 낮고 친수성이 우수하기 때문에 중합체 비직 직물보다 물 전기 분해에 대해 더 낮은 전기 수용을 달성 할 수있는 것으로 밝혀졌다.

또한, 전기 분해 성능에 대한 상이한 양극 전극 재료의 효과를 검사함으로써, 니켈 메쉬는 저항이 낮은 니켈 폼보다 전기 분해에 대한 과도한 수소를 낮출 수있는 것으로 밝혀졌다. 알칼리성 물 전기 분해에서, 다이어프램 및 전극은 과도한 수료에 영향을 미치는 주요 재료입니다. 다이어프램 및 전극 재료를 최적화하는 것은 물 전기 분해의 과도한 수료를 줄이는 데 큰 의미가 있습니다.