富氫水杯到底(dǐ)是什麽?它的(de)工作原理(lǐ)是什麽?
一、富氫水杯產品(pǐn)概念及作用(1)富氫水源於日本,在日本其名為水素水,因日語中“水素”的(de)意思是(shì)“氫”,所以國(guó)內稱之(zhī)為(wéi)“氫水”,又叫“富氫(qīng)水”。(2)氫(qīng)在人(rén)體作用尚不完全明確,此次疫情期間,氫氧氣霧化機可以糾正重症(zhèng)病人的缺氧狀態,防止轉為危(wēi)重症,因(yīn)為危重症病人長期時間(jiān)缺氧有發展(zhǎn)為呼(hū)吸衰竭的可能,逆轉的機會也比(bǐ)較少,在國(guó)家衛健委發布的新型冠狀病(bìng)毒肺炎診療方案(第七(qī)版)中有推薦。二、工作原理純水電解水製氫(氧)的核心是(shì)電解槽,它由膜電極組件、集電器、框架和密封墊等組成,其中,膜(mó)電極(jí)組件和集電器是電解槽的核心部件,決定著電解槽的使用性(xìng)能。具體原理如上圖(tú)所示,水(shuǐ)在陽極發生電分解成氧氣和質子,質子通過(guò)電解質(質子交換膜)到陰極,與外電路過來的電子結合成氫氣。膜電極組件有陽極、陰極和質子交換膜組成,陽極層電極材料通常有氧化銥、銥釕合金或其(qí)混合物(wù)、鉑金屬等,陰極層由鉑(bó)黑、鉑碳等,電解質(zhì)為質子交換膜,通常為杜邦117或115膜。純水(shuǐ)電解的主要優點:(1)在給定電流密度下效率高(gāo),能耗小,具有較高的電流密度,電壓低(dī),在相同的產氫(qīng)量下,製氫裝置小,重量輕。(2)由於電解質是鏈式聚合物非透(tòu)氣性隔膜,性能穩定,無腐蝕性液體存在,因而安全可靠,使用壽命長。三、結構示意圖3.1 富(fù)氫水杯結構示意(yì)圖(tú)富氫水杯一般分為上下兩部分,上端部分是水杯,下端部分是產氫結構,包括電極、電池和控製電路等。製氫水的時按動(dòng)開關,下端的電極開始產生氫氣,氫氣溶解在水(shuǐ)杯中的飲用水裏,大約3~5分鍾氫(qīng)氣濃度可達到1.6 ppm左右,如果有杯身能夠耐受2~3公斤的壓力,氫(qīng)水的濃度能夠超過(guò)氫氣的飽和溶解度,* 高可達5 ppm。富氫水杯典型的結構3.2 吸氫機及電解槽結構(gòu)示意圖四、中科科創新能源科技有限公司產品特點1、納米(mǐ)催化劑自(zì)主知識產權製備技術,掌握膜電極(jí)核心技術,催化層按需定製(zhì);2、CCM工藝(yì),產品均(jun1)勻性高,一致(zhì)性好,可批(pī)量化製備,產能可達(dá)30平方米每天,單張*大麵積為(wéi)300x300 mm;3、膜電極電流密度高、穩定性強,電壓低,電耗小;4、純貴金屬為電極(jí),無金屬溶出,安(ān)全性高。5、納米氣泡,氫氣(qì)可溶解性強,富氫水溶度高。
2021年12月10日,寧波中科科創新能源科技有限公司通過了由寧波市科學技術局、寧波市財政局、國家稅務總局寧波市(shì)稅務局組(zǔ)織的國家高新技術企業認定,並榮獲國家“高新技術企(qǐ)業”稱號(hào)。此次中科科創新能源榮獲國家高新(xīn)技術企業認(rèn)定(dìng),既是國家、各級政府對(duì)中科科創新能源科研能力和整體技術(shù)水平的認可,也是對中科科創新(xīn)能源的一種鞭策和鼓勵。未來,中科科創新能源將砥礪前行,通(tōng)過更注重科研(yán)投入、人才隊伍培養來構築更完善的技術創(chuàng)新體係。在充分發(fā)揮高新技術企業的優勢和模範帶頭作用的同時(shí),提高企業核心競爭力、加強企業創新發展動力,為企業的可持續發展提供強有力的技術支持。
從我們團隊的角(jiǎo)度來(lái)看,我(wǒ)們也圍繞這三個問題(tí)進行了長期的研發,工作也與上海(hǎi)交通大(dà)學(xué)相結(jié)合(hé)。 針對剛才提出的三個問題,我們發明了一些解決方案:一(yī)是具有超低傳(chuán)質阻力的新型低鉑合金膜電極;二是新(xīn)型耐腐蝕鉑合金燃料(liào)電池催化(huà)劑及其批量製備技術;三是疏(shū)水梯度分布的非均質膜電極分(fèn)層製備技術。 我們還建(jiàn)成了****條(tiáo)低鉑合金膜電極生產線,2020年製(zhì)造了26萬片膜電極。 從更(gèng)底層的技術來看,簡單地(dì)說,為什麽燃料電池使(shǐ)用超低(dī)鉑會帶來問題,主要有兩(liǎng)個問題(tí),一個是電催化動力學和傳質動力學不能滿足要求。 例(lì)如,它的鉑載(zǎi)量下降(jiàng)到0.當05mg/m2時,電極中傳質(zhì)的阻力達到整個催化層傳質(zhì)阻(zǔ)力的77%,傳質阻力的增加(jiā)直接影響(xiǎng)電壓的(de)下(xià)降。 直(zhí)觀地說,鉑載量(liàng)從0開始.4毫克/平方厘(lí)米.當05毫克/平方厘米時(shí),其傳質(zhì)阻力增加70%以上,其解決(jué)方案是離子結(jié)構和電極與極板之間的適應(yīng)性。因此,燃料電池(chí)走出低鉑化的關鍵(jiàn)點是加強對流,提高傳質阻力,降低傳質阻力,或提高排水能力。 我談到了第一代、第二代和第三代催化劑。第一代(dài)是純鉑,第二代是合金顆粒,第三代是核殼結構顆粒。第三代可以說將(jiāng)鉑的用量降到了**。如果我們想提高(gāo)它的活性,減少它的用量,我們隻能在第三代的基礎上繼(jì)續提高單個鉑原子(zǐ)的活性。這是我剛才提出的*終目標,至1克/千(qiān)瓦。如果能實(shí)現(xiàn),燃料電池的大規模應用就能實現。 對於第(dì)一代來說,第二代(dài)已經實現了工業化,第三代仍在發展中。這是我們開發過程中的一些數據。與第一代相比,第三代燃料電池催化劑的質量和活性從0開始.13提高到1.45、增加十倍(bèi)以上,應能滿足(zú)燃料汽車的要求。 同時(shí),我們的顆粒的(de)均勻性也很好,因為(wéi)它需(xū)要提高活性和穩定性。穩定性的一個來源是催化劑顆粒的(de)大小是一致(zhì)的。隻有一致,它的整(zhěng)個衰減才會減弱(ruò),因為每個顆粒(lì)都長(zhǎng)得差(chà)不多,所以衰減不會有問(wèn)題。 除(chú)了(le)燃料電池催化劑的(de)活性,如何改善其表麵積,一是活性,二是原子單層,另(lìng)一個大問題(tí),*近發現,在電極中,質子傳導也(yě)是一個很大的問題,簡單地說,電極內的質子傳導是膜內電子傳導電(diàn)率的十分之一。 對於這個問題,我們也開發(fā)了很長一段時間,優化(huà)它,以支持低鉑和超低鉑的應用。我們將顆粒(lì)與電極中質子膜的(de)導電問題結合起來,製成一(yī)個不對稱的電極,可以(yǐ)提高其耐久性,而不影響其性能。 目前,我們可以在一批中製作500克催(cuī)化劑,製作膜電極車輛工況下穩定運行8000多小時,預測壽命超過1萬小時。 本項目(mù)完(wán)成了汽車燃料電池低鉑合金(jīn)膜電極微觀傳質、電荷傳遞和材料衰減的理論突(tū)破。形(xíng)成高功率密度、長(zhǎng)壽命運行,適應工況運行。 去年,我們獲得(dé)了中國機(jī)械工(gōng)業聯合(hé)會組織的評估(gū)。我們擁有(yǒu)獨立的(de)知識產權,開發(fā)了一種新型的低鉑膜電極,達到了國際先進水平,是單位燃料電池電堆功率(lǜ)的國際**技術指標(biāo)。 我們也得到了國內外同行的高度評價,這是學術界的一些同行。 除製氫電解槽,膜電極外,我院還(hái)有一家合作公司,也在進行流場設計,完全正向開發。如何實現上遊、中遊、下遊的水平衡和熱平衡,增強脊下對流(liú),改善氣體傳質。從電(diàn)堆的角度來看,我們有(yǒu)電堆的開發能力。目前,有兩(liǎng)種電堆,一種是75千瓦,另一種是150千瓦。 這是我們實驗室的(de)材料,從單電池到短(duǎn)電堆到長電堆的係統(tǒng)測試和開發能力。 對於未來,剛才提到燃料電(diàn)池可以實現3600萬輛汽車的(de)生產(chǎn),小於1克/100千瓦,這**是大規模的。我們還需要做以下事情,即新型催化劑、新型離聚物、強化傳質和耐腐蝕金屬極板,這是未來需要關注(zhù)的領域。 燃料電池的工業化已(yǐ)經進入了商業(yè)化的進口期。我們需要更加努力地工作,從追趕(gǎn)到運行,*終**。這需要製氫電解槽,膜電(diàn)極板、電堆匹配設計(jì)和同步開發,這是燃料電池未來發(fā)展的方向。
事實上(shàng),目前燃料電池*大的問題是其成本。從(cóng)2020年到2021年,成本是指大規模生產的成本。事實上,與長期的大規模工業化仍然(rán)存在差距。*後,在接近內燃(rán)機水平之前,需要達到30美元/千瓦的水平。然而,降低成本的路徑也非常清晰(xī),包括需(xū)要降低成本的關鍵材料和關鍵部件,如燃(rán)料電池催化劑(jì)、質子膜、碳(tàn)紙、雙(shuāng)極板、極流板和冷卻器。 成(chéng)本下降的*大預(yù)期(qī)是催化劑和膜電極,因為對於整個反應堆,燃料電池催化劑和膜電極可以占成(chéng)本的70%以上,這(zhè)是(shì)目前難以降低成本(běn)的*大原因。因此,催化劑(jì)和膜電(diàn)極成(chéng)本的(de)下降是未(wèi)來燃料(liào)電池*大的瓶頸。 為什麽?在未來生產許多集(jí)合時(shí),每個人都(dōu)可能不認為催化劑是一個問題(tí)。有(yǒu)些人甚(shèn)至告訴(sù)我,催化劑占整個反應堆的成本(běn)不(bú)是很高。例如,在生產1000套時,它隻有20%到30%,但如果產量增加,例如50萬或100萬套,催化劑的單一成本超過(guò)40%進入反應堆,加(jiā)上膜電極組件、質子(zǐ)膜和包裝,可以(yǐ)達到60%以上的成本。因此(cǐ),降低催化劑和膜電極的成本是燃料電池未來發展的關鍵技術。 對於燃料電池催化劑來說,*大的(de)問題是它含有貴金屬鉑,這就(jiù)是我們通常所說的鉑。因此,未(wèi)來必須使用低鉑,或超低鉑催化(huà)劑,甚至未來的非鉑催化劑,以滿(mǎn)足未來的使用要求和成本要求。同時,當使用超低鉑時(shí),您還需要提(tí)高其(qí)膜電極性能和使用壽命。 2000年,它是1克(kè)/千瓦時的鉑催化劑,一輛汽車燃料電池的發動機功率假設為(wéi)100千瓦,大約需要110克,到(dào)2008年是0.6-0.8克/千瓦,2020年(nián)左右降至00.2克/千瓦,未來能降到0.1克/千瓦,目前還不確定,也是行業共同努力的目標。 從技術(shù)路徑來看,*早在2000年左(zuǒ)右,當時是純(chún)鉑顆粒,直徑可達(dá)3-4納米,甚(shèn)至2-3納米;2008年,鉑合(hé)金技術開始在國際上使用,可以(yǐ)使鉑的使用量翻倍。製氫電解槽 今(jīn)天,鉑催化劑(jì)仍在使(shǐ)用,*高可達0.2克/千瓦,已經到了極點(diǎn)。走下(xià)去的路是什麽(me)?這是今天燃料電池發展遇到(dào)的*大技術障(zhàng)礙,因為如果(guǒ)你不(bú)降低成(chéng)本,它的成(chéng)本很難與內(nèi)燃機甚至(zhì)今天的鋰電池相比。當前水平為(wéi)0.2-0.3克/千(qiān)瓦,長期目標應小於0.1克/千瓦。 這裏(lǐ)有一個簡單的計算。例如(rú),我們的全(quán)球鉑年產量約為180噸(dūn)。如果(guǒ)將(jiāng)其中20%作為燃料電池催化劑使用,對鉑市場的影響可能不會太大,因(yīn)為一旦這樣做(zuò),內燃機汽車三元催化劑中的鉑可以轉移到(dào)燃料電池中。 比如(rú)用第一代技術,鉑碳(tàn)催化劑,100千瓦(wǎ)燃料電池發(fā)動機需要50克鉑,也(yě)就是(shì)說你可以生產(chǎn)72萬輛汽車,如果是第(dì)二代技(jì)術,也就(jiù)是今天國際上使用的更多的合金技術,如果20克/100千瓦,就可以生產180萬輛汽車。製氫電解槽 如(rú)果我們使用第三代技術,這是我們一直在開發的技術。原(yuán)子單層催化劑可以生產720萬輛汽車(chē),隻需要5克/100千瓦,應該稱之為批量生產(chǎn)。*終能否實現1克/100千瓦,如果能實現,可以生產3600萬輛汽車。 你可能會想,鉑的(de)減少帶(dài)來了什麽(me)問題(tí)?這也是從技術角度解剖其低成(chéng)本。用於(yú)汽車的低鉑有什(shí)麽問題?對於汽車應用來說,如果鉑的載荷(hé)下(xià)降,問題就會出現。首先,很難滿足高功(gōng)率輸出;二是不能實現長壽命運行,二(èr)是不能適應(yīng)複雜的工作條件。 原因(yīn)有很多,但*重要的(de)矛(máo)盾是大電流區的性能(néng)急劇(jù)惡化;二是加速催化劑衰減;第三,在零增濕/低濕條件下,離子電阻顯著增加。製氫電解槽
第十三屆中國(guó)汽(qì)車藍皮書論壇於6月10日至12日在(zài)合肥舉行。致遠學(xué)院常務副院長張俊良出席會議並(bìng)發表演講。 張俊良說,目前燃料電池*大的問(wèn)題之一是(shì)其成本,成本是指批量生產的成本。事實上,與長期的大規模工業化還有(yǒu)一點差距。*後,接近內(nèi)燃機的水平需要達到30美元/千(qiān)瓦。然而,降低成(chéng)本的路徑也非常清晰,包括燃料電池催化劑、質子膜、碳(tàn)紙、雙極板、極流板和冷卻(què)器等關鍵材料和關鍵部件。 他指(zhǐ)出,成本(běn)下降的*大預期是燃(rán)料電池催化劑和膜電極,因為(wéi)催化劑膜電極可以占整個(gè)電堆成本的七成以上,這是目前(qián)成本難以下降(jiàng)的*大原因。因此(cǐ),他強調,催化劑和膜(mó)電極的成本是未來燃料電(diàn)池*大(dà)的瓶頸。 他(tā)說,目前催化劑占整個(gè)電堆(duī)的成本不是很高。比如生產1000套的時候,隻有20%到30%。但是(shì),如果產量增加(jiā),比如五十萬套或者一百萬(wàn)套,單個催化劑成本在電堆中的四成以上,加上膜電極組件、質子膜和包裝,可以達到(dào)六成以(yǐ)上。因此,降低催化劑和膜電極(jí)成(chéng)本是(shì)燃料電池未來發展的關鍵技術。 以下是演講實錄 下午好,尊敬各位嘉賓,媒體朋友! 我很高興有機會在這裏做報告,和(hé)你(nǐ)交流。非常感謝賈可博士和錢(qián)先生的邀請。這是我第二次參加這次會議。 我今天的報告題目是“低(dī)鉑燃料電池的技術挑戰和應對策略”。 首先,我們來介紹一下我們的研究所。上海交通大(dà)學燃料電池(chí)研究所成立於1998年,也是國內首家在高校成立的(de)專業燃料電池研究機構。講座教授1人(rén),教授2人,副教(jiāo)授15餘人(rén)。我們的(de)研究領域包括質(zhì)子交(jiāo)換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、鋰電池和儲能電池。我們的研究80%或90%集中(zhōng)在質交膜燃料電池上。 研(yán)究所具(jù)有燃料電(diàn)池催化劑、膜電極、電堆、係統特征、測試、開發和集(jí)成的能力。例如,我們有無塵實驗室和(hé)各種催化(huà)劑分析(xī)儀器。製氫電解槽 對於燃料電(diàn)池(chí)來說,今天這裏有很多專家。事實上,這是氫(qīng)能行業的中心環節。從上遊(yóu)製氫到中遊儲氫燃料電池技術(shù)和產(chǎn)品水平(píng),決於我們的(de)燃料電池技術和產品水平。在燃料電池中,質(zhì)子(zǐ)交換膜(mó)燃料電池是*活躍(yuè)的,因為它具有明顯的優勢,即可用於(yú)汽車和廣泛的工況變化。 燃料電池的主要優點是效率高。與內燃機相比,它是綠色無(wú)汙染的,也被認為是**能源(yuán)解決方案。它的效率超過60%,負(fù)載響應非常快,能量(liàng)密度(dù)非常高。 *近,我們注(zhù)意到(dào)燃料電池汽車充氫5分鍾,可以跑1000多公裏。其關鍵材料,特別是電堆、質子膜、碳紙、催化劑、雙極板等(děng)。 從電堆到係統,剛才提(tí)到有膜(mó)電極組件、極板(bǎn)、流場、端板等(děng)輔助部件。製氫(qīng)電解槽 這實際(jì)上與我們通常看到的內燃機非常相似,也是一個開放的係統。與上述(shù)鋰電池*大的區別是,鋰電池是一個封(fēng)閉的係統,而燃料電池(chí)是一(yī)個開放的係統,這導(dǎo)致了許多關鍵問(wèn)題和矛(máo)盾。燃料電池係統相對複雜,技術障(zhàng)礙相對較(jiào)高。 對於燃料電池,任(rèn)何工程係統(tǒng)都是一樣的。為了開發出高質量、高科技的燃料電(diàn)池電堆係統,必須收(shōu)集所有的元素、材料和部件進行工程優化。 例如,您需要注意催化劑來減少其電化學(xué)膜化,也需要注意對流場設計和歐姆極化(huà),這*終將反映電堆組裝和電堆性能。從燃料電池開發的(de)角度來看,它是整(zhěng)個鏈和整個係統的集成。 在國際上,燃料電池的使用壽命應該已經達到了汽車的(de)耐久性,這是美國UTC公司發(fā)布的公交係統燃料電池可達3萬小時,因此燃料電池的使用壽命越來越高,應能滿足汽車的使(shǐ)用要求。製氫電解槽
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