水 电解 系统 中 水 电解槽 系统 最为 核心 组件 电能 作用 下水 电解槽 水 分解 氢气 氧气 电极 原理 电极 电解质 材料 工作 条件 水 电解 技术 分为 碱性 电解 技术 质子 交换 膜 电解 技术 固体 氧化物 电解 技术 碱性 电解 现阶段 成熟 技术 过程 中 电解液 污染 电极 腐蚀电流 密度 低效率 低 负载 缺点 固体 氧化物 电解 技术 正 处于 发展 阶段 短时间 难以实现 成熟 稳定 电解 技术 效率高 工作 电流密度 气体 输出 压力 操作 系统 体积小 气体 纯度 高 负载 电解 技术 高 电流密度 负载 太阳能 载人 航天 能源 存储 燃料电池 领域 美国通用 公司 最先 提出 水 电解 技术 美国公司 开发 第一台 大型 水 电解 制氧 系统 潜艇 美国公司 联合开发 高压 常压 水 电解 制氧 系统 载人 航天 领域 通用公司 开发 活性 面积 供 工厂 大型 氢气 发生器 小规模 氢 市场 美国公司 开发 两种 小型 氢气 发生器 氢气 产量 家 国外 公司 相继 开发 额定功率 级 水 电解 制氢 系统 我国 对水 电解 技术 工程 起步 较晚 中国 航天员 科研 训练 中心 对水 电解 技术 工程 化 研究 年 首次 开发 输出 压力 产 氧量 大于 单体 电压 小于 水 电解槽 中国 机构 制造 中小型 电解槽 制氢 系统 能力 电解槽 氢气 产量 大于 国际 先进 水平 相比 电解槽 额定功率 很大 差距 电解槽 制造 成本 高 难 商业化 推广 电解槽 组件 电解槽 整体 结构 电解槽 工作 模式 优化 提升 性能 以往 研究 基础 本文 研制 新型 电解 单体 结构 水 电解槽 测试 电解槽 工作 条件 电解 性能 长期 稳定性 探讨 组装 压力 电解 性能 影响 方法 水 电解槽 工作 原理 水 电解槽 燃料电池 核心 膜 电极 组件 组件 质子 交换 膜 阴极 催化剂 阳极 催化剂 质子 交换 膜 材料 作用 离子 传输 气体 分离 阴极 阳极 催化剂 两极 催化剂 贵金属 材料 电解槽 工作 原理 如图所示 图 电解槽 工作 原理 碱性 水 电解槽 水 电解槽 反应物 去离子水 提高 使用寿命 去离子水 电阻率 大于 水 电解槽 工作 过程 中 施加 持续 电流 阳极 电子 生成 阳极 质子 交换 膜 到达 阴极 阴极 电子 生成 水 电解槽 结构 新型 电解槽 单体 结构 水 电解槽 电解 体系 核心 装置 完整 电解槽 多个 电解槽 单体 新型 电解槽 单体 包括 组件 多孔 集 流体 流场 双 极板 端板 绝缘 板 复合材料 框 密封材料 新型 电解槽 单体 材料 框架 外部 结构 流畅 双 极板 置于 框架 内部 相较 传统 金属 钛 双 极板 外部 结构 保证 电解槽 结构 强度 密封性 前提 材料 框架 成本 低 加工 难度 重量 轻 明显降低 电解槽 制造 成本 电解槽 阴极 室 阳极 室 采用 对称 设计 电解槽 压差 工作 能力 新型 电解槽 单体 结构 如图所示 采用 一体化 结构 催化剂 活性 面积 圆形 区域 质子 交换 膜 材料 阴极 催化剂 载量 大于 阳极 催化剂 载量 大于 阴极 阳极 集 流体 多孔 钛 材料 耐腐蚀性 电解 过程 中 有害 杂志 离子 阴极 阳极 两侧 流场 板 金属 钛 材料 加工 工艺 流场 采用 网格 形状 商用 组件 外集 流体 流场 板端 板 密封垫 元件 自行 设计 加工 图 电解 单槽 机械 结构 单体 水 电解槽 结构 单体 水 电解槽 气体 产量 有限 提高 电解槽 气体 产量 组装 单体 电解槽 组装 电解槽 时 比例 压缩 组件 间 接触 更好 单体 电解槽 结构设计 保证 单体 充足 水量 均匀 电流 分布 保证 电解槽 安全性 耐久性 组装 单体 电解槽 前 先 组装 单体 电解槽 保证 单体 电解槽 性能 单体 电解槽 组装 测试 图 位 单体 电解槽 实物图 水 电解槽 性能 测试 测试 系统 包括 恒 电流 源 多通道 数字 万用表 循环泵 温度计 水箱 热交换器 恒温 冷水机 水气 分离器 干燥器 气体 流量计 管路 接头 电解槽 采用 阳极 供水 方式 去离子水 循环泵 通入 电解槽 中 热交换器 利用 恒温 冷水机 控制 电解槽 工作温度 水箱 电解槽 出水口 监控 温度 保证 入 水口 出水口 温度差 大于 工作 条件 恒流源 电解槽 恒 电流 测试 数字 万用表 记录 电解 单槽 单体 电解槽 工作电压 讨论 温度 新型 电解 单槽 性能 影响 图为 电解 单槽 温度 条件 极化曲线 电流密度 内种 工作温度 条件 电流密度 增大 电解 单槽 电压 非线性 增大 现象 电流 区域 电极 活化 过程 电解 控制性 步骤 电极 活化 过程 电解 控制性 步骤 电极 活化 反应速度 电解 快慢 电解槽 工作 时 低 电流密度 电解槽 活化 提高 电解槽 高 电流密度 性能 稳定性 电流密度 电流密度 增大 电解 单槽 电压 线性 增大 曲线 符合 关系 电子 离子 传递 过程 称为 影响 控制 步骤 次 质子 交换 膜 厚度 流场 板和集 流体 材料 厚度 影响 电解槽 性能 因素 电流密度 条件 工作温度 增加 电解 单槽 工作电压 降低 电解 效率 增大 这是 温度 升高 降低 水 电解 理论 分解 电压 水 电解 速率 增大 降低 阴极 阳极 电势 电解槽 工作电压 下降 工作 电流密度 时 新 结构 电解 单槽 电解 电压 热 中性 电压 电解 效率 提高 电解槽 工作温度 降低 电解槽 工作电压 增大 电解 效率 图 温度 条件 电解 单槽 极化曲线 图为 单体 电解槽 控温 条件 极化曲线 电流密度 热交换器 电解槽 电解 电压 电流密度 增加 线性 增大 电解槽 热量 大于 电解槽 外界 换 热量 电流密度 大于 热交换器 控温 电解槽 工作温度 稳定 电解 电压 线性 增大 热交换器 控温 时 电流密度 增大 电解 电压 增加 幅度 降低 电流密度 增大 时 电压 增加 趋 近于零 电解 过程 中 电流 金属 导体 热量 电流密度 增大 放 热量 增大 电解槽 内部 温度 升高 电解 电压 增大 幅度 减小 电解槽 效率 增高 电解槽 高 电流密度 持续 工作 时 电解 热量 远大于 电解槽 外界 换热 热量 强制 热量 交换 电解槽 内部 温度 持续 升高 高 温度 降低 电解槽 使用寿命 还会 导致 复合材料 框架 变形 最终 导致 电解槽 失效 适合 温度 提升 电解 性能 保证 电解槽 使用寿命 安全性 图 热交换器 堆 单体 电解槽 性能 影响 组装 压力 堆 电解槽 性能 影响 测试 单体 电解槽 组装 压力 电解 性能 图 条件 平均 单体 电解 电压 压力 相比 组装 压力 电解槽 电解 电压 下降 电解 效率 明显提高 组装 压力 提高 时 电解 电压 发生 变化 原因 电解槽 组装 压力 低 时膜 电极 集 流体 流场 板 之间 接触不良 过程 欧姆 电势 较大 导致 电解槽 工作电压 高 组装 压力 增大 组件 接触 面积 未 发生 变化 电解 电压 发生 变化 新 结构 电解槽 最佳 组装 压力 增大 组装 压力 压缩 量过大 导致 催化 层集 流体 流场 板 变形 电解 电压 增大 导致 膜 电极 破裂 框架 损坏 电解槽 短路 结构 损坏 寻找 组装 压力 堆 电解槽 性能 安全性 至关重要 图 组装 压力 单体 电解槽 极化曲线 单体 水 电解槽 电解 性能 图为 工作 电流 单体 电解槽 极化曲线 效率 曲线 电流密度 增大 电解槽 工作 压力 升高 电解 效率 降低 电流密度 大于 时 电解 电压 升高 平缓 这是 电流密度 增大 电解槽 局部 温度 升高 单槽 电压 下降 电流密度 条件 单体 电解槽 电压 值为 电解槽 电压 效率 气体 流量计 测试 单体 电解槽 氢气 产量 图 电流密度 电解槽 性能 图 位 电流密度 条件 单体 电解槽 中 电解 单体 电压 值 柱状图 号 单体 接近 入 水口 出水口 号 单体 远离 入 水口 出水口 单体 两者之间 过渡 电流密度 时 两侧 电解 单槽 位于 电解槽 号 电解 单槽 电解 电压 值较 两侧 单槽 电压 值 相差不多 两侧 电解 单槽 位于 电解 单槽 压缩 量 接触 电阻 工作电压 低 电流密度 时 单体 电压 相对值 时 未 发生 变化 电流密度 时 电解 单槽 电压 分化 号 号 单槽 电压 值远 低于 电解 单槽 这是 高 电流密度 电解槽 中部 局部 温度 高 现象 局部 高温 压缩 量 作用 中部 单槽 工作电压 低 靠近 出口 电解 单槽 电压 值要 小于 远离 出口 电解 单槽 电压 值 电解槽 出口处 内部 传质 出色 图 电流密度 条件 单体 电解槽 极化 电阻 单体 水 电解槽 长期 稳定性 图为 条件 工作 单体 水 电解槽 工作电压 变化 实验 中 纯水 更换 由图 中 可知 工作 时间 电解槽 电解 电压 先 增大 减小 初始 阶段 膜 电极 中 建立 过程 气液 交换 过程 组件 中 杂质 离子 组装 压力 释放 电解 电压 增大 持续 水 电解 趋于稳定 电解 电压 下降 工作 内水 电解槽 工作 性能 稳定 工作 时间 电解槽 工作电压 增大 电解 电压 增长速度 测试 结果表明 新 单体 结构 单体 电解槽 长期 稳定性 结论 传统 金属 双 极板 电解槽 结构 复合材料 框架 成本 低 加工 难度 重量 轻 明显降低 电解槽 整体 制造 成本 工作温度 保证 电解槽 电解 性能 结构 稳定 提高 组装 压力 组件 接触 紧密 降低 组件 接触 电阻 提高 电解槽 电解 效率 单体 电解槽 电解 性能 长期 稳定性 水 电解槽 工程化 极具 参考价值 来源 航天 医学 医学工程 作者 刘晓天 尹 永利 李明宇 杨 才华 李婷