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广东离子膜制氢方法

来源: 发布时间:2022年05月02日

膜电极中析氢、析氧电催化剂对整个水电解制氢反应十分重要。理想电催化剂应具有抗腐蚀性、良好的比表面积、气孔率、催化活性、电子导电性、电化学稳定性以及成本低廉、环境友好等特征。阴极析氢电催化剂处于强酸性工作环境,易发生腐蚀、团聚、流失等问题,为保证电解槽性能和寿命,析氢催化剂材料选择耐腐蚀的Pt、Pd贵金属及其合金为主。现有商业化析氢催化剂Pt载量为0.4~0.6mg/cm2,贵金属材料成本高,阻碍PEM水电解制氢技术快速推广应用。为此降低贵金属Pt、Pd载量,开发适应酸性环境的非贵金属析氢催化剂成为研究热点。PEM燃料电池出货量占比从44.9%进一步提升至82.7%,可见,全球PEM燃料电池出货量高速增长。广东离子膜制氢方法

PEM水电解制氢技术具备快速启停优势,能匹配可再生能源发电的波动性,逐步成为P2G制氢主流技术。不同于碱性水电解和PEM水电解,高温固体氧化物水电解制氢采用固体氧化物为电解质材料,工作温度800~1000℃,制氢过程电化学性能明显提升,效率更高。氢健康SOEC电解槽电极采用非贵金属催化剂,阴极材料选用多孔金属陶瓷Ni/YSZ,阳极材料选用钙钛矿氧化物,电解质采用YSZ氧离子导体,全陶瓷材料结构避免了材料腐蚀问题。高温高湿的工作环境使电解槽选择稳定性高、持久性好、耐衰减的材料受到限制,也制约SOEC制氢技术应用场景的选择与大规模推广。江苏膜技术PEM电解槽对阳极催化剂材料的要求极为苛刻,能满足该要求的催化材料但限于某些贵金属。

过去5年电解槽成本已下降了40%,但是投资和运行成本高仍然是PEM水电解制氢亟待解决的主要问题,这与目前析氧、析氢电催化剂只能选用贵金属材料密切相关。为此降低催化剂与电解槽的材料成本,特别是阴、阳极电催化剂的贵金属载量,提高电解槽的效率和寿命,是PEM水电解制氢技术发展的研究重点。与碱性水电解制氢相比,PEM水电解制氢工作电流密度更高(˃1A/cm2),总体效率更高(74%~87%),氢健康氢气体积分数更高(>99·99%),产气压力更高(3~4MPa),动态响应速度更快,能适应可再生能源发电的波动性,被认为是极具发展前景的水电解制氢技术。目前PEM水电解制氢技术已在加氢站现场制氢、风电等可再生能源电解水制氢、储能等领域得到示范应用并逐步推广。

在市场化进程方面,碱水电解(AWE)作为较为成熟的电解技术占据着主导地位,尤其是一些大型项目的应用。AWE采用氢氧化钾(KOH)水溶液为电解质,以石棉为隔膜,分离水产生氢气和氧气,效率通常在70%~80%。氢健康一方面,AWE在碱性条件下可使用非贵金属电催化剂(如Ni、CO、Mn等),因而电解槽中的催化剂造价较低,但产气中含碱液、水蒸气等,需经辅助设备除去;另一方面,AWE难以快速启动或变载、无法快速调节制氢的速度,因而与可再生能源发电的适配性较差。贵金属材料成本高,阻碍PEM水电解制氢技术快速推广应用。

质子交换膜(PEM)在氢燃料电池、电解水制氢气等领域中所交换的阳离子为质子,氢健康又被称为离子膜。质子交换膜处于有机氟化工产业链末端,其上游是有机氟化工的单体材料,下游是基于质子交换膜的氯碱工业、燃料电池、电解水、储能电池等应用领域。目前产业化应用的均为全氟质子交换膜,质子交换膜使用的是全氟磺酸树脂,离子膜使用全氟磺酸树脂、全氟羧酸树脂的复合膜。全氟磺酸树脂具有强酸性,全氟羧酸树脂具有弱酸性,更能够适应氯碱工业中的碱性环境。尽管目前全氟磺酸PEM应用较普遍,但仍存在成本较高、尺寸稳定性较差、温度升高会降低质子传导性的缺点。为了实现“碳达峰”和“碳中和”目标,未来以化石能源制氢的方式势必要受到限制或部分被清洁制氢方式取代。山东电解水膜技术

在PEM水电解技术大规模应用后,阳极催化剂的成本占比会逐渐提升。广东离子膜制氢方法

随着可再生能源发电装机容量不断上升、比例不断增加、可再生能源电力价格不断下降;同时,结合碳税、碳交易等利好政策,水电解制氢的经济性将明显提高;而且,利用可再生能源电力的水电解制氢具备几乎碳零排放的优势,因此在各种制氢方式中,氢健康水电解制氢的占比将大幅提升,成为实现“双碳”目标的重要抓手。现阶段,CO2捕集、封存技术(CCS)和CO2捕集、利用、封存技术(CCUS)因成本过高,暂时不具备经济性。而为了实现“碳达峰”和“碳中和”目标,未来以化石能源制氢的方式势必要受到限制或部分被清洁制氢方式取代。广东离子膜制氢方法

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