江蘇離子交換膜工藝

來(lái)源: 發(fā)布時(shí)間:2023-04-23

作為水電解槽膜電極的中心部件,質(zhì)子交換膜電解水電解水不但傳導(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(guó)外少數(shù)廠家壟斷,質(zhì)子交換膜電解水電解水價(jià)格高達(dá)幾百~幾千美元/m2。為降低膜成本,提高膜性能,國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)攻關(guān)改性全氟磺酸質(zhì)子交換膜電解水電解水、有機(jī)/無(wú)機(jī)納米復(fù)合質(zhì)子交換膜電解水電解水和無(wú)氟質(zhì)子交換膜電解水電解水。氫健康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(guò)引入無(wú)機(jī)組分制備有機(jī)/無(wú)機(jī)納米復(fù)合質(zhì)子交換膜電解水電解水,使其兼具有機(jī)膜柔韌性和無(wú)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)。作為媒介氫氣促進(jìn)可再生能源時(shí)空再分布,不斷豐富氫氣的應(yīng)用場(chǎng)景。江蘇離子交換膜工藝

隨著日益增長(zhǎng)的低碳減排需求,氫的綠色制取技術(shù)受到普遍重視,利用可再生能源進(jìn)行電解水制氫是目前眾多氫氣來(lái)源方案中碳排放較低的工藝。本文梳理了氫能需求和規(guī)劃的進(jìn)展、電解水制氫的示范項(xiàng)目情況,重點(diǎn)分析了電解水制氫技術(shù),涵蓋技術(shù)分類(lèi)、堿水制氫應(yīng)用、質(zhì)子交換膜(PEM)電解水制氫。研究認(rèn)為,提升電催化劑活性、提高膜電極中催化劑的利用率、改善雙極板表面處理工藝、優(yōu)化電解槽結(jié)構(gòu),有助于提高PEM電解槽的性能并降低設(shè)備成本;PEM電解水制氫技術(shù)的運(yùn)行電流密度高、能耗低、產(chǎn)氫壓力高,適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性特征、易于與可再生能源消納相結(jié)合,是電解水制氫的適宜方案。氫健康結(jié)合氫儲(chǔ)運(yùn)與電解制氫的技術(shù)特征研判、我國(guó)輸氫需求,提出發(fā)展建議:利用西北、西南、東北等區(qū)域豐富的可再生能源,通過(guò)電解水制氫產(chǎn)生高壓氫。江蘇進(jìn)口制氫膜市場(chǎng)前景在技術(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。

質(zhì)子交換膜電解水可普遍應(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(guó)內(nèi)外市場(chǎng)都呈現(xiàn)出較快的需求增長(zhǎng)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(jiàn),全球PEM燃料電池出貨量高速增長(zhǎng)。依據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟對(duì)未來(lái)燃料電池系統(tǒng)成本的預(yù)測(cè)以及美國(guó)能源部披露的成本結(jié)構(gòu),綜合測(cè)算,燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域每年為質(zhì)子交換膜電解水帶來(lái)的市場(chǎng)增量將持續(xù)增長(zhǎng),到2025年、2035年和2050年將分別為9.80億、49.01億和67.39億,非??捎^。

目前,全世界的氫主要消費(fèi)方向以石油煉制、化工原料為主。根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟研究院發(fā)布的數(shù)據(jù),當(dāng)單位制氫的碳排放(CO2)不高于4.9kg?kg時(shí),制備的氫氣才是清潔的煤制氫的碳排放強(qiáng)度接近風(fēng)電、水電制氫的20倍,天然氣制氫的碳排放強(qiáng)度也很高,兩種方式制氫的碳排放均遠(yuǎn)超清潔制氫的碳排放標(biāo)準(zhǔn);而以可再生資源發(fā)電,進(jìn)行水電解制氫則能夠滿足清潔氫氣的碳排放標(biāo)準(zhǔn)。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);而利用不可再生能源電力制取的氫氣,從全生命周期來(lái)看,同樣存在碳排放量大的問(wèn)題。因此,氫健康水電解制氫是否屬于清潔氫,要根據(jù)電網(wǎng)電力的種類(lèi)來(lái)判斷?,F(xiàn)階段,氫氣主要用作工業(yè)原料,但在發(fā)電、供熱、交通燃料等領(lǐng)域有巨大發(fā)展?jié)摿?。隨著可再生能源發(fā)電比例和規(guī)模不斷提升,間歇性電力“削峰填谷”的儲(chǔ)能作用將得到普遍體現(xiàn)。雖然陽(yáng)極催化劑成本在整個(gè)電解槽成本中占比不大,但若電解制氫技術(shù)大規(guī)模普及,其需求量會(huì)大幅度上升。

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(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。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。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)。廣東離子膜

為提高膜性能,國(guó)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(wú)氟質(zhì)子交換膜。江蘇離子交換膜工藝

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(kāi)始,由于氫氣在自然界極少以單質(zhì)形式存在,需要通過(guò)工業(yè)過(guò)程制取。氫氣的來(lái)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(guò)95%的氫氣制取來(lái)源于化石燃料重整,生產(chǎn)過(guò)程必然排放CO2;約4%~5%的氫氣來(lái)源于電解水,生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有CO2排放。制氫過(guò)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(lái)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。江蘇離子交換膜工藝

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