上海新型制氫膜工藝

來源: 發(fā)布時(shí)間:2023-02-22

作為水電解槽膜電極的中心部件,質(zhì)子交換膜不但傳導(dǎo)質(zhì)子,隔離氫氣和氧氣,而且還為催化劑提供支撐,其性能的好壞直接決定水電解槽的性能和使用壽命。長(zhǎng)期被國外少數(shù)廠家壟斷,質(zhì)子交換膜價(jià)格高達(dá)幾百~幾千美元/m2。氫健康為降低膜成本,提高膜性能,國內(nèi)外重點(diǎn)攻關(guān)改性全氟磺酸質(zhì)子交換膜、有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合質(zhì)子交換膜和無氟質(zhì)子交換膜。全氟磺酸膜改性研究聚焦聚合物改性、膜表面刻蝕改性以及膜表面貴金屬催化劑沉積3種途徑。通過引入無機(jī)組分制備有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合質(zhì)子交換膜,使其兼具有機(jī)膜柔韌性和無機(jī)膜良好熱性能、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能,成為近幾年的研究熱點(diǎn)。利用西北、西南、東北等區(qū)域豐富的可再生能源,通過電解水制氫產(chǎn)生高壓氫。上海新型制氫膜工藝

陰離子交換膜(AEM)水電解、堿性水電解(ALK)以及高溫固體氧化物(SOEC)水電解等4種水電解制氫技術(shù)的性能對(duì)比。氫健康可知:在各種水電解制氫技術(shù)中,AEM技術(shù)成熟度低,目前還無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用,但是由于其不使用貴金屬催化劑,同時(shí)兼具PEM和ALK制氫的優(yōu)點(diǎn),未來將會(huì)成為取代PEM制氫的替代技術(shù);SOEC制氫技術(shù)由于固體氧化物的壽命和制氫規(guī)模的限制,暫時(shí)未達(dá)到工業(yè)應(yīng)用程度,但其制氫效率高,未來具有穩(wěn)定連續(xù)大規(guī)模制氫的潛力;ALK技術(shù)具備成本低、產(chǎn)氫規(guī)模大、技術(shù)成熟度高等優(yōu)點(diǎn),是目前應(yīng)用較廣的水電解制氫技術(shù),但是存在負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度小、啟動(dòng)響應(yīng)慢、需要堿液處理過程等缺點(diǎn),特別不適合可再生能源電力波動(dòng)性的特點(diǎn),只能從電網(wǎng)取電制氫。上海新型制氫膜工藝析氫催化劑材料選擇耐腐蝕的Pt、Pd貴金屬及其合金為主。

因此,單純從規(guī)模和用量來看,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觀情況下未來50年P(guān)EM水電解行業(yè)對(duì)Ir資源需求量的變化情況,氫健康保守情況下,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。

區(qū)別于堿性水電解制氫,PEM水電解制氫選用具有良好化學(xué)穩(wěn)定性、質(zhì)子傳導(dǎo)性、氣體分離性的全氟磺酸質(zhì)子交換膜電解水電解水作為固體電解質(zhì)替代石棉膜,能有效阻止電子傳遞,提高電解槽安全性。PEM水電解槽主要部件由內(nèi)到外依次是質(zhì)子交換膜電解水電解水、陰陽極催化層、陰陽極氣體擴(kuò)散層、陰陽極端板等。其中擴(kuò)散層、催化層與質(zhì)子交換膜電解水電解水組成膜電極,是整個(gè)水電解槽物料傳輸以及電化學(xué)反應(yīng)的主場(chǎng)所,氫健康膜電極特性與結(jié)構(gòu)直接影響PEM水電解槽的性能和壽命。將可再生能源發(fā)電轉(zhuǎn)化為氫氣,可提高電力系統(tǒng)靈活性,正成為可再生能源發(fā)展和應(yīng)用的重要方向。CCS法將催化劑活性組分直接涂覆在氣體擴(kuò)散層,而CCM法則將催化劑活性組分直接涂覆在質(zhì)子交換膜兩側(cè)。

氫燃料電池車被視為新能源汽車的下一個(gè)風(fēng)口。質(zhì)子交換膜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。從價(jià)值量看,氫能源燃料電池中成本占比較高的自然是燃料電池電堆,其次是儲(chǔ)氣瓶,而在燃料電池堆中,氫健康有個(gè)關(guān)鍵材料,那就是質(zhì)子交換膜,且成本占到了28%,從整體看,質(zhì)子交換膜成本約占燃料電池總成本的4.08%,幾乎決定了燃料電池的成本。質(zhì)子交換膜上游主要包括基礎(chǔ)材料和過程材料兩個(gè)部分:基礎(chǔ)材料即螢石,利用上游原材料制備可用于后續(xù)加工的各類全氟、非全氟以及特種樹脂。下游應(yīng)用方面,質(zhì)子交換膜可普遍應(yīng)用于燃料電池、電解水、氯堿工業(yè)等領(lǐng)域。為提高膜性能,國內(nèi)外重點(diǎn)攻關(guān)改性全氟磺酸質(zhì)子交換膜、納米復(fù)合質(zhì)子交換膜和無氟質(zhì)子交換膜。山東專業(yè)制氫膜市場(chǎng)前景

從金屬穩(wěn)定性角度來講,其穩(wěn)定性由高到低的順序?yàn)椋粒酰荆衪>Ir>Ru>Os。上海新型制氫膜工藝

吸附氧化機(jī)理(AEM)和晶格氧反應(yīng)機(jī)理(LOM)是在酸性介質(zhì)中被認(rèn)為較合理的兩種機(jī)理。催化劑通過哪一機(jī)理發(fā)生催化反應(yīng),選擇單位點(diǎn)還是雙位點(diǎn)途徑和材料本身的電子結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系,結(jié)晶度好的氧化物幾乎沒有缺陷,傾向于采用AEM,在單個(gè)活性金屬位點(diǎn)上通過*OOH中間體,即所謂的酸堿途徑,或者在兩個(gè)相鄰的金屬位點(diǎn)上,氫健康通過*O中間體,即O-O直接耦合途徑.而在具有豐富氧空位的無定形金屬氧化物和一些具有高金屬氧共價(jià)的鈣鈦礦中,晶格氧機(jī)理發(fā)生在遭受水親核攻擊的單個(gè)活性氧位點(diǎn)或通過兩個(gè)相鄰反應(yīng)晶格氧原子的直接耦合,產(chǎn)生的氧空位將被水分子或大量氧原子補(bǔ)充,同時(shí)由此產(chǎn)生的不飽和金屬位點(diǎn)更容易溶解,帶來催化劑穩(wěn)定性問題。上海新型制氫膜工藝

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