和光伏配套的質(zhì)子交換膜

來源: 發(fā)布時(shí)間:2023-04-01

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,陰、陽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)材料制備無氟質(zhì)子交換膜,也是質(zhì)子交換膜的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)電解槽隔膜材料的不同,通常將水電解制氫分為堿性水電解以及高溫固體氧化物水電解(SOEC)。和光伏配套的質(zhì)子交換膜

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。過去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)。氫健康為此降低催化劑與電解槽的材料成本,特別是陰、陽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)。質(zhì)子交換膜銷售除了提高催化劑活性和穩(wěn)定性外,膜電極制備工藝對(duì)降低電解系統(tǒng)成本,提高電解槽性能和壽命至關(guān)重要。

對(duì)于負(fù)載催化劑,金屬-載體相互作用和基底的導(dǎo)電性至關(guān)重要。酸性O(shè)ER材料發(fā)展,并強(qiáng)調(diào)從機(jī)理分析性能提高.對(duì)金屬性質(zhì)(合金,單原子等)催化劑,氧化物(釕/銥氧化物,非貴金屬氧化物),金屬氧酸鹽類(鈣鈦礦,燒綠石,其它氧酸鹽類),其它無機(jī)金屬和非金屬材料進(jìn)行周到綜述。在酸性介質(zhì)中貴金屬Ru和Ir基催化劑具有優(yōu)異的活性和可應(yīng)用性,優(yōu)于其他鉑族金屬(如Rh、Pd和Pt).盡可能多地暴露活性位點(diǎn),提高本征活性,氫健康以盡量減少貴金屬消耗,同時(shí)兼顧長期運(yùn)行的穩(wěn)定性是催化劑設(shè)計(jì)必須面臨的問題。

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。PEM燃料電池及電解水發(fā)展迅速,國內(nèi)外市場都呈現(xiàn)出較快的需求增長和廣闊的發(fā)展前景。從2011年到2019年,PEM燃料電池出貨量占比從44.9%進(jìn)一步提升至82.7%,氫健康可見,全球PEM燃料電池出貨量高速增長。依據(jù)中國氫能聯(lián)盟對(duì)未來燃料電池系統(tǒng)成本的預(yù)測以及美國能源部披露的成本結(jié)構(gòu),綜合測算,燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域每年為質(zhì)子交換膜帶來的市場增量將持續(xù)增長,到2025年、2035年和2050年將分別為9.80億、49.01億和67.39億,非??捎^。多數(shù)非貴金屬會(huì)腐蝕并可能與PEM中的磺酸根離子結(jié)合,進(jìn)而降低PEM傳導(dǎo)質(zhì)子的能力。

氫健康析氧反應(yīng)(OER)在水分解,CO2還原和可再生電燃料電池等各種電化學(xué)系統(tǒng)的陽極反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。質(zhì)子交換膜電解水水電解槽(PEMWE)技術(shù)由于運(yùn)行電流密度更大,產(chǎn)生氫氣純度更高,可利用間歇性可再生能源等優(yōu)勢(shì)吸引了普遍的研究及應(yīng)用.OER動(dòng)力學(xué)遲緩、貴金屬電極材料的有限選擇和催化劑在強(qiáng)氧化強(qiáng)酸性介質(zhì)中的降解,以及PEMWE各組件選擇是PEMWE技術(shù)普遍應(yīng)用的主要瓶頸。因此,從根本上了解反應(yīng)機(jī)理,催化劑失活原因,周到總結(jié)OER催化劑以及目前在PEMWE實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)狀對(duì)于開發(fā)具有更好性能,更低成本PEMWE陽極催化劑,推動(dòng)相關(guān)電化學(xué)系統(tǒng)的商業(yè)化長期穩(wěn)定性具有重要意義。需要強(qiáng)調(diào)的是,采用水電解制氫時(shí),只有利用可再生能源電力制取的氫氣才滿足低碳排放的標(biāo)準(zhǔn)。質(zhì)子交換膜型號(hào)

陰離子交換膜水電解、堿性水電解以及高溫固體氧化物水電解等4種水電解制氫技術(shù)的性能對(duì)比。和光伏配套的質(zhì)子交換膜

氫健康氫利用的途徑主要是燃料電池移動(dòng)動(dòng)力、分布式電站、化工加氫,新興發(fā)展的是氫燃料汽輪機(jī)、氫氣冶金等。氫能的利用需要從制氫開始,由于氫氣在自然界極少以單質(zhì)形式存在,需要通過工業(yè)過程制取。氫氣的來源分為工業(yè)副產(chǎn)氫、化石燃料制氫、電解水制氫等途徑,差別在于原料的再生性、CO2排放、制氫成本。目前,世界上超過95%的氫氣制取來源于化石燃料重整,生產(chǎn)過程必然排放CO2;約4%~5%的氫氣來源于電解水,生產(chǎn)過程沒有CO2排放。制氫過程按照碳排放強(qiáng)度分為灰氫(煤制氫)、藍(lán)氫(天然氣制氫)、綠氫(電解水制氫、可再生能源)。氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初衷是零碳或低碳排放,因此灰氫、藍(lán)氫將會(huì)逐漸被基于可再生能源的綠氫所替代,綠氫是未來能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。和光伏配套的質(zhì)子交換膜

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