质子交换膜电解水可普遍应用于燃料电池、电解水、氯碱工业等领域。PEM燃料电池及电解水发展迅速,国内外市场都呈现出较快的需求增长和广阔的发展前景。从2011年到2019年,PEM燃料电池出货量占比从44.9%进一步提升至82.7%,氢健康可见,全球PEM燃料电池出货量高速增长。依据中国氢能联盟对未来燃料电池系统成本的预测以及美国能源部披露的成本结构,综合测算,燃料电池应用领域每年为质子交换膜电解水带来的市场增量将持续增长,到2025年、2035年和2050年将分别为9.80亿、49.01亿和67.39亿,非常可观。资源储量能否支撑整个PEM水电解制氢技术的未来发展,成为业内普遍关注的焦点。广东杜邦膜替代膜电解水
随着日益增长的低碳减排需求,氢的绿色制取技术受到普遍重视,利用可再生能源进行电解水制氢是目前众多氢气来源方案中碳排放较低的工艺。本文梳理了氢能需求和规划的进展、电解水制氢的示范项目情况,重点分析了电解水制氢技术,涵盖技术分类、碱水制氢应用、质子交换膜(PEM)电解水制氢。研究认为,提升电催化剂活性、提高膜电极中催化剂的利用率、改善双极板表面处理工艺、优化电解槽结构,有助于提高PEM电解槽的性能并降低设备成本;PEM电解水制氢技术的运行电流密度高、能耗低、产氢压力高,适应可再生能源发电的波动性特征、易于与可再生能源消纳相结合,是电解水制氢的适宜方案。氢健康结合氢储运与电解制氢的技术特征研判、我国输氢需求,提出发展建议:利用西北、西南、东北等区域丰富的可再生能源,通过电解水制氢产生高压氢。广东杜邦膜替代膜电解水多数非贵金属会腐蚀并可能与PEM中的磺酸根离子结合,进而降低PEM传导质子的能力。
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。
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。除了提高催化剂活性和稳定性外,膜电极制备工艺对降低电解系统成本,提高电解槽性能和寿命至关重要。
通过O中间体,即O-O直接耦合途径.而在具有丰富氧空位的无定形金属氧化物和一些具有高金属氧共价的钙钛矿中,氢健康晶格氧机理发生在遭受水亲核攻击的单个活性氧位点或通过两个相邻反应晶格氧原子的直接耦合,产生的氧空位将被水分子或大量氧原子补充,同时由此产生的不饱和金属位点更容易溶解,带来催化剂稳定性问题。吸附氧化机理(AEM)和晶格氧反应机理(LOM)是在酸性介质中被认为较合理的两种机理。催化剂通过哪一机理发生催化反应,选择单位点还是双位点途径和材料本身的电子结构有着密切关系,结晶度好的氧化物几乎没有缺陷,倾向于采用AEM,在单个活性金属位点上通过*OOH中间体,即所谓的酸碱途径,或者在两个相邻的金属位点上。需要强调的是,采用水电解制氢时,只有利用可再生能源电力制取的氢气才满足低碳排放的标准。广东杜邦膜替代膜电解水
降低催化剂与电解槽的材料成本,是PEM水电解制氢技术发展的研究重点。广东杜邦膜替代膜电解水
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。广东杜邦膜替代膜电解水
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