杜邦膜替代膜電解水

來源: 發(fā)布時(shí)間:2023-04-23

不同于堿性水電解和PEM水電解,高溫固體氧化物水電解制氫采用固體氧化物為電解質(zhì)材料,工作溫度800~1000℃,制氫過程電化學(xué)性能明顯提升,效率更高。SOEC電解槽電極采用非貴金屬催化劑,陰極材料選用多孔金屬陶瓷Ni/YSZ,氫健康陽極材料選用鈣鈦礦氧化物,電解質(zhì)采用YSZ氧離子導(dǎo)體,全陶瓷材料結(jié)構(gòu)避免了材料腐蝕問題。高溫高濕的工作環(huán)境使電解槽選擇穩(wěn)定性高、持久性好、耐衰減的材料受到限制,也制約SOEC制氫技術(shù)應(yīng)用場景的選擇與大規(guī)模推廣。PEM水電解制氫技術(shù)具備快速啟停優(yōu)勢,能匹配可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性,逐步成為P2G制氫主流技術(shù)。高溫高濕的工作環(huán)境使電解槽選擇穩(wěn)定性高、持久性好、耐衰減的材料受到限。杜邦膜替代膜電解水

雖然Ir陽極催化劑成本在整個(gè)電解槽成本中占比不大,但若未來PEM水電解制氫技術(shù)大規(guī)模普及,其需求量會(huì)大幅度上升。目前,全世界Ir產(chǎn)量少于9t/a,因此在PEM水電解技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用后,陽極催化劑的成本占比會(huì)逐漸提升。氫健康Ir資源儲(chǔ)量能否支撐整個(gè)PEM水電解制氫技術(shù)的未來發(fā)展,成為業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的焦點(diǎn),國外機(jī)構(gòu)對此進(jìn)行了相關(guān)研究預(yù)測。按照目前用量水平來計(jì)算,膜電極上的Ir用量為2mg/cm2,而膜電極典型運(yùn)行參數(shù)為4W?cm2,因而1GW級PEM電解槽的Ir用量為500kg。山東AEM膜設(shè)備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、制氫成本。

在技術(shù)層面,電解水制氫技術(shù)可分為堿性電解水制氫(ALK)、質(zhì)子交換膜電解水電解水制氫(PEM)、固體氧化物電解水制氫(SOE)和陰離子交換膜電解水制氫(AEM)。其中,堿性電解水技術(shù)較為成熟,造價(jià)成本也較低;但是氫健康與可再生能源適配性較差。其中,堿性電解水技術(shù)較為成熟,但無法快速調(diào)節(jié)制氫速度,與可再生能源適配性較差。固體氧化物電解水制氫(SOE)采用固體氧化物為電解質(zhì)材料,適合在高溫環(huán)境下運(yùn)作,能效更高,但處于初期示范階段。陰離子交換膜電解水制氫(AEM)以陰離子交換膜作為電解質(zhì)隔膜,目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。PEM電解水技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢。無污染、無腐蝕;擁有更高的質(zhì)子傳導(dǎo)性,提升電解效率;同時(shí)有更寬的負(fù)載范圍和更短的響應(yīng)啟動(dòng)時(shí)間,與水電、風(fēng)電、光伏(發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性較大)具有良好的匹配性,較適合未來能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

我國將氫能作為戰(zhàn)略能源技術(shù),給予持續(xù)的政策支持,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。在政策、資金等多因素疊加催化下,近幾年國內(nèi)加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)與裝備得到發(fā)展,形成長三角、珠三角、京津冀等氫能產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)區(qū)域。氫健康水電解制氫是指水分子在直流電作用下被解離生成氧氣和氫氣,分別從電解槽陽極和陰極析出。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(AE)、質(zhì)子交換膜電解水電解水(PEM)水電解以及高溫固體氧化物水電解(SOEC)。目前SOEC制氫技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段。PEM水電解槽采用PEM傳導(dǎo)質(zhì)子,隔絕電極兩側(cè)的氣體,避免AWE使用強(qiáng)堿性液體電解質(zhì)所伴生的缺點(diǎn)。

堿性水電解制氫氫健康電解槽隔膜主要由石棉組成,起分離氣體的作用。陰極、陽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、能耗高等問題。水電解槽制氫設(shè)備開發(fā)是國內(nèi)外堿性水電解制氫研究熱點(diǎn)??稍偕茉醇铀侔l(fā)展使得大規(guī)模消納可再生能源成為突出問題。通過引入無機(jī)組分制備有機(jī)納米質(zhì)子交換膜,使其兼具有機(jī)膜柔韌性和無機(jī)膜良好熱性能成為近幾年的研究熱點(diǎn)。上海陰離子交換膜生產(chǎn)廠家

在技術(shù)層面,電解水制氫主要分為AWE、PEM水電解,固體聚合物陰離子交換膜(AEM)水電解。杜邦膜替代膜電解水

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,必須對現(xiàn)有的PEM水電解技術(shù)進(jìn)行完善和升級。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)需求增長率與Ir有效回收情況的累計(jì)需求增長率相同。杜邦膜替代膜電解水

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