水電解槽制氫設(shè)備開(kāi)發(fā)是國(guó)內(nèi)外堿性水電解制氫研究熱點(diǎn)。可再生能源加速發(fā)展使得大規(guī)模消納可再生能源成為突出問(wèn)題。堿性水電解制氫電解槽隔膜主要由石棉組成，起分離氣體的作用。陰極、陽(yáng)極主要由金屬合金組成，如Ni-Mo合金等，分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣。工業(yè)上堿性水電解槽的電解液通常采用KOH溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%~30%，電解槽操作溫度70~80℃，工作電流密度約0.25A/cm2，產(chǎn)生氣體壓力0.1~3.0MPa，總體效率62%~82%。堿性水電解制氫技術(shù)成熟，投資、運(yùn)行成本低，但存在堿液流失、腐蝕、能耗高等問(wèn)題。目前SOEC制氫技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段。山東MW級(jí)電解水設(shè)備
PEM水電解制氫已步入商業(yè)化早期，制約技術(shù)大規(guī)模發(fā)展的瓶頸在于膜電極選用被少數(shù)廠家壟斷的質(zhì)子交換膜電解水，陰、陽(yáng)極催化劑材料需采用貴金屬以及電解能耗仍然偏高。解決上述難題是PEM水電解制氫技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展與推廣的關(guān)鍵。為此發(fā)展新型水電解技術(shù)成為新趨勢(shì)，基于融合堿性水電解和PEM水電解各自優(yōu)勢(shì)的研究思路，采用堿性固體電解質(zhì)替代PEM的堿性固體陰離子交換膜（AEM）水電解制氫技術(shù)成為新方向。另外選用聚芳醚酮和聚砜等廉價(jià)材料制備無(wú)氟質(zhì)子交換膜電解水，也是質(zhì)子交換膜電解水的發(fā)展趨勢(shì)。山東MW級(jí)電解水設(shè)備SOE、AEM水電解的發(fā)展則取決于相關(guān)材料技術(shù)的突破情況。
PEMWE的組裝方法,實(shí)際運(yùn)行條件,包括離聚物,膜,氣體擴(kuò)散層,極板,催化劑層在內(nèi)的各個(gè)組分都是影響PEMWE性能的關(guān)鍵參數(shù).對(duì)各個(gè)組分的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,同時(shí)對(duì)有實(shí)際應(yīng)用前景的催化劑進(jìn)行分析,包括負(fù)載型催化劑,銥/釕為主體的摻雜型催化劑。借助創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法和先進(jìn)表征技術(shù)發(fā)展在揭示酸介質(zhì)中動(dòng)態(tài)OER的復(fù)雜性和開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的電催化劑方面取得了重要成就。但所開(kāi)發(fā)的催化劑及相關(guān)器件的性能與工業(yè)應(yīng)用之間仍存在一定的差距。為了加快PEMWE的發(fā)展，深入理解電極反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合,對(duì)具有實(shí)際應(yīng)用前景的催化劑的進(jìn)一步發(fā)展,催化劑性能的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,對(duì)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究中水系模型和實(shí)際操作差異的理解,集成膜電極組件的開(kāi)發(fā)需要更多的研究。
質(zhì)子交換膜水電解器(PEMWE)技術(shù)在可再生能源的電催化制氫方面受到關(guān)注。它具有立即響應(yīng)、更高的質(zhì)子電導(dǎo)率、更低的歐姆損耗和氣體交叉率的優(yōu)點(diǎn)。借助創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)方法和先進(jìn)的表征技術(shù)，在揭示酸性介質(zhì)中動(dòng)態(tài)OER的復(fù)雜性和開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的電催化劑方面取得了重要成果。本綜述重點(diǎn)介紹了在酸性介質(zhì)中開(kāi)發(fā)OER電催化劑的反應(yīng)和降解機(jī)制以及較新進(jìn)展。此外，還在設(shè)備層面討論了PEM水電解的進(jìn)展。然而，所開(kāi)發(fā)的催化劑及相關(guān)裝置的性能與工業(yè)應(yīng)用仍有一定差距。質(zhì)子交換膜電解水作為氫燃料電池中心部件，其質(zhì)量好壞直接影響電池的使用壽命。
過(guò)去5年電解槽成本已下降了40%，但是投資和運(yùn)行成本高仍然是PEM水電解制氫亟待解決的主要問(wèn)題，這與目前析氧、析氫電催化劑只能選用貴金屬材料密切相關(guān)。為此降低催化劑與電解槽的材料成本，特別是陰、陽(yáng)極電催化劑的貴金屬載量，提高電解槽的效率和壽命，是PEM水電解制氫技術(shù)發(fā)展的研究重點(diǎn)。與堿性水電解制氫相比，PEM水電解制氫工作電流密度更高（?1A/cm2），總體效率更高（74%~87%），氫氣體積分?jǐn)?shù)更高（>99·99%），產(chǎn)氣壓力更高（3~4MPa），動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快，能適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性，被認(rèn)為是極具發(fā)展前景的水電解制氫技術(shù)。目前PEM水電解制氫技術(shù)已在加氫站現(xiàn)場(chǎng)制氫、風(fēng)電等可再生能源電解水制氫、儲(chǔ)能等領(lǐng)域得到示范應(yīng)用并逐步推廣。氫燃料電池車被視為新能源汽車的下一個(gè)風(fēng)口。山東耐高溫電解水膜
隨著PEM電解槽的推廣應(yīng)用，其成本有望快速下降，必然是未來(lái)5~10a的發(fā)展趨勢(shì)。山東MW級(jí)電解水設(shè)備
因此，單純從規(guī)模和用量來(lái)看，Ｉｒ資源儲(chǔ)量難以維持行業(yè)的發(fā)展，必須對(duì)現(xiàn)有的PEM水電解技術(shù)進(jìn)行完善和升級(jí)。一方面，可以通過(guò)提升催化劑、膜電極技術(shù)，以及電解槽整體技術(shù)，大幅度降低Ｉｒ的用量；另一方面，可以有效回收Ｉｒ資源，使其回收利用率達(dá)90％以上。Ｃｈｒｉｓｔｉｎｅ等分別分析了保守情況和樂(lè)觀情況下未來(lái)50年P(guān)EM水電解行業(yè)對(duì)Ｉｒ資源需求量的變化情況，保守情況下，即PEM電極的Ｉｒ負(fù)載量保持0.３３ｇ?ｋＷ不降低，則2045年前Ｉｒ的累計(jì)需求增長(zhǎng)率與Ｉｒ有效回收情況的累計(jì)需求增長(zhǎng)率相同。山東MW級(jí)電解水設(shè)備
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