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家庭用氢气呼吸机两种制氢原理详细解读

来源:富氢水杯 编辑:James&Ani 时间:2018-09-22 18:39:27

之前看多一个台湾吸氢机的制氢原理,讲得相当的详细,并配有一张动图,现在该是时候全面了解当今世界上的制氢原理。

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■科技中国杂志提到的制氢概况

下面的这段来源于《氢能燃料电池技术发展现状与趋势》,《科技中国》2018年第五期p11-13 日期:2018-05-17。

“氢能技术已进入商业化前期阶段,但仍面临一系列技术经济瓶颈挑战。

1. 制氢技术

化石能源制氢技术比较成熟,可以满足规模用氢需求;制氢技术正向可再生能源制氢转变。

工业制氢技术主要有以煤、天然气、石油等为原料的催化重整制氢,氯碱、钢铁、焦化等工业副产物制氢,生物质气化或垃圾填埋气生物制氢,采用网电或未来直接利用可再生能源电力电解水制氢;处于实验室阶段但潜力大的有光催化分解水、高温热化学裂解水和微生物催化等先进制氢技术。

催化重整、工业副产物和生物质制氢是目前氢气的主要来源,但存在CO2排放问题,可再生能源电力电解水制氢则可获得零排放氢气。电解制氢可分为碱性电解制氢(AEC)、固体聚合物电解制氢(SPE)和固体氧化物电解制氢(SOEC)

SOEC电解效率最高,SPE次之,AEC最低,美国Versa Power System公司和美国可再生能源国家实验室(NREL)合作研制的可再生SOFC,实现了大电流高效率电解水(6A@1.65V@78%LHV);但AEC可大规模生产,SPE由于成本等问题处于小规格产品阶段,SOEC还在实验室阶段

2. 储运氢技术

储氢分为高压气态、液态和固态储氢,高压气态储氢和液氢储氢技术已规模应用,固态储氢和有机氢化物液态储氢等技术仍处研发阶段。

高压气态储氢是现阶段经济、实用的储氢方案,70MPa高压气态储氢VI型瓶已商业化应用。

液态储氢包括液氢和有机氢化物液体储氢。液氢储氢体积储氢密度高,但耗能高、安全隐患大;有机氢化物和液氨储运氢储氢量高,可利用现有油气设施储运,但需在复杂反应装置中,通过外供热催化反应,实现加氢、脱氢,产品气中可能伴有气体和蒸汽杂质。

固态储氢是以金属氢化物、化学氢化物等作为储氢载体,通过化学吸附方式储氢,其储氢密度高于高压氢和液氢,或最有可能满足车载储氢技术要求,但需解决重量储氢率低、放氢温度高和充氢速度慢等问题。值得关注的是新型高压/低温复合储氢技术。

氢气发生器电解槽的类型一般有:碱性电解槽、基于离子交换技术的聚合物薄膜电解槽和固体氧化物电解槽。实验室中使用的碱性电解槽制氢和聚合物薄膜电解槽制氢。”

家庭用氢气呼吸机两种制氢原理详细解读

■碱性电解槽和聚合物薄膜电解槽制氢

1、 使用碱性电解槽制氢

碱性电解槽是最常用、技术最成熟、也最经济的电解槽,并且易于操作,在目前广泛使用,但缺点是其效率最低。

碱性电解槽主要由电源、电解槽箱体、电解液、阴极、阳极和横隔膜组成。电解液都是氢氧化钾溶液(KOH),浓度为20%~30%;横隔膜主要由石棉组成,主要起分离气体的作用,而两个电极则主要由金属合金组成。

其工作的主要原理是:在阴极,水分子被分解为氢离子(H+)和氢氧根离子(OH-),氢离子得到电子生成氢原子,并进一步生成氢分子(H2);氢氧根离子(OH-)则在阴、阳极之间的电场力作用下穿过多孔的横隔膜,到达阳极,在阳极失去电子生成一个水分子和氧分子。

碱性电解槽制氢的特点是:氢氧根离子(OH-)在阴、阳极之间的电场力作用下穿过多孔的横隔膜。

碱液电解制氢工作原理是传统隔膜碱液电解法。电解槽内的导电介质为氢氧化钾水溶液,两极室的分隔物为航天电解设备用优质隔膜,与端板合为一体的耐蚀、传质良好的格栅电极等组成电解槽。向两极施加直流电后,水分子在电解槽的两极立刻发生电化学反应,在阳极产生氧气,在阴极产生氢气。反应式如下:阳极: 2OH--2e → H2O+1/2O2↑ 阴 极: 2H2O +2e →2OH- +H2↑ 总反应式: 2H2O → 2 H2↑ +O2↑ 本仪器对压控、过压保护、流量显示、流量追踪等均实行自动控制;使输出氢气能在恒压下,根据气相色谱仪用氢气量,实现全自动调节(在产气量范围内)。

思考:碱性电解制氢应用于制氢的有点和缺点

2、 聚合物薄膜电解槽制氢

聚合物薄膜电解槽制氢(PEM),一些地方也称之为固体聚合物电解质(SPE)水电解制氢。该种原理不需电解液,只需纯水,比碱性电解槽安全,电解槽的效率可以达到85%或以上,但由于在电极处使用铂等贵重金属,薄膜材料也是昂贵的材料,故PEM电解槽目前还难以投人大规模的使用。

其工作的主要原理是:去离子水被供到膜一电极组件上,在阳极侧反应析出氧气、氢离子和电子;电子通过电路传递到阴极,氢离子以水合的形式(H+•XH20)通过离子交换膜到阴极;在阴极,氢离子和电子重新结合形成氢气,同时,部分水也带到了阴极。

聚合物薄膜电解槽制氢的特点是:氢离子(H+)在阴、阳极之间的电场力作用下穿过离子交换膜。

左侧为吸氢机核心配件,右侧为质子膜燃料电池原理示意图

 

上图:左侧为吸氢机核心配件,右侧为质子膜燃料电池原理示意图

纯水电解制氢是把满足要求的电解水(电阻率大于1MΩ/cm,电子或分析行业用的去离子水或二次蒸馏水皆可)送入电解槽阳极室,通电后水便立刻在阳极分解:2H2O=4H++ 2O-2,分解成的负氧离子(O-2),随即在阳极放出电子,形成氧气(O2),从阳极室排出,携带部份水进入水槽,水可循环使用,氧气从水槽上盖小孔放入大气。氢质子以水合离子(H+•XH2O)的形式,在电场力的作用下,通过SPE离子膜,到达阴极吸收电子形成氢气,从阴极室排出后,进入气水分离器,在此除去从电解槽携带出的大部分水份,含微量水份的氢气再经干燥器吸湿后,纯度便达到99.999%以上。实际上用于吸氢机是不需要水份干燥的。

纯水电解制氢示意图

上述动图:纯水电解制氢示意图

之前也提到过采用质子膜制氢原理的富氢水杯,可以杜绝余氯和臭氧,因为能够做到把氢气和氧气(还有微量的臭氧)分离,只把纯氢通到水中制成氢水。

 

■生产厂家提供的PEM/SPE氢气电解槽技术参数

产品型号:PEM-500

输出流量:0~500ml/min

工作压力:0~0.4Mpa

氢气纯度:99.999% 

工作电压:~2V-3.5V

额定功率:150W

工作电流:32A

环境温度:5℃~40℃

水质要求:大于2MΩ去离子水或二次蒸馏水

外型尺寸:Φ130(mm)

从各个途径了解到,已经有厂家专门制造PEM/SPE氢气电解槽,技术成熟,并且台湾日本等高品质氢气呼吸机也是采用PEM/SPE氢气电解槽原理制氢。

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