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。CCM法催化剂利用率更高,大幅降低膜与催化层间的质子传递阻力,是膜电极制备的主流方法。广东杜邦膜替代膜制取
我国将氢能作为战略能源技术,给予持续的政策支持,推动产业化进程。在政策、资金等多因素叠加催化下,近几年国内加氢站等基础设施、产业链关键技术与装备得到发展,形成长三角、珠三角、京津冀等氢能产业热点区域。氢健康水电解制氢是指水分子在直流电作用下被解离生成氧气和氢气,分别从电解槽阳极和阴极析出。根据电解槽隔膜材料的不同,通常将水电解制氢分为碱性水电解(AE)、质子交换膜电解水电解水(PEM)水电解以及高温固体氧化物水电解(SOEC)。目前SOEC制氢技术仍处于实验阶段。广东杜邦膜替代膜制取虽然阳极催化剂成本在整个电解槽成本中占比不大,但若电解制氢技术大规模普及,其需求量会大幅度上升。
不同催化材料的阳极过电势通常为200~500mV。在高电位、氧化、酸性环境下氢健康,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。通常,活性越高的金属,其在水电解过程中越容易溶解,稳定性越差。例如:从金属活性角度来讲,金属活性由高到低的顺序为Os>Ru>Ir>Pt>Au;但从金属稳定性角度来讲,其稳定性由高到低的顺序为Au>Pt>Ir>Ru>Os。综合活性和稳定性等因素,目前工业上选用的PEM电解槽阳极催化剂以铱黑以及IrO2等为主。
为了加快PEMWE的发展,深入理解电极反应的动态过程,理论计算和实验的结合,对具有实际应用前景的催化剂的进一步发展,催化剂性能的评价准则,对实验室基础研究中水系模型和实际操作差异的理解,集成膜电极组件的开发需要更多的研究。氢健康PEMWE的组装方法,实际运行条件,包括离聚物,膜,气体扩散层,极板,催化剂层在内的各个组分都是影响PEMWE性能的关键参数.对各个组分的发展和应用现状进行综述,同时对有实际应用前景的催化剂进行分析,包括负载型催化剂,铱/钌为主体的掺杂型催化剂。借助创新实验方法和先进表征技术发展在揭示酸介质中动态OER的复杂性和开发高效稳定的电催化剂方面取得了重要成就。但所开发的催化剂及相关器件的性能与工业应用之间仍存在一定的差距。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。
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。氢健康膜电极中析氢、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。贵金属材料成本高,阻碍PEM水电解制氢技术快速推广应用。广东杜邦膜替代膜制取
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。广东杜邦膜替代膜制取
PEM水电解制氢已步入商业化早期,制约技术大规模发展的瓶颈在于膜电极选用被少数厂家垄断的质子交换膜,阴、阳极催化剂材料需采用贵金属以及电解能耗仍然偏高。解决上述难题是PEM水电解制氢技术进一步发展与推广的关键。为此发展新型水电解技术成为新趋势,基于融合碱性水电解和PEM水电解各自优势的研究思路,采用碱性固体电解质替代PEM的碱性固体阴离子交换膜(AEM)水电解制氢技术成为新方向。另外选用聚芳醚酮和聚砜等廉价材料制备无氟质子交换膜,也是质子交换膜的发展趋势。广东杜邦膜替代膜制取
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