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和光伏配套的PEM电解水

来源: 发布时间:2023年04月25日

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。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。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。在航天等应用上,PEM电解水设备能够提供O2供人体使用。和光伏配套的PEM电解水

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电解水,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电解水,也是质子交换膜电解水的发展趋势。和光伏配套的PEM电解水和燃料电池相比,PEM电解水系统不会出现反极之类的问题,相对比较稳定。

析氧反应(OER)在水分解,CO2还原和可再生电燃料电池等各种电化学系统的阳极反应中起着关键作用。质子交换膜电解水水电解槽(PEMWE)技术由于运行电流密度更大,产生氢气纯度更高,可利用间歇性可再生能源等优势吸引了普遍的研究及应用.OER动力学迟缓、贵金属电极材料的有限选择和催化剂在强氧化强酸性介质中的降解,以及PEMWE各组件选择是PEMWE技术普遍应用的主要瓶颈。因此,从根本上了解反应机理,催化剂失活原因,周到总结OER催化剂以及目前在PEMWE实际应用的现状对于开发具有更好性能,更低成本PEMWE阳极催化剂,推动相关电化学系统的商业化长期稳定性具有重要意义。

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%。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。PEM电解水在电化学反应中是典型的反应,可以用于教学。

作为水电解槽膜电极的中心部件,质子交换膜不但传导质子,隔离氢气和氧气,而且还为催化剂提供支撑,其性能的好坏直接决定水电解槽的性能和使用寿命。长期被国外少数厂家垄断,质子交换膜价格高达几百~几千美元/m2。为降低膜成本,提高膜性能,国内外重点攻关改性全氟磺酸质子交换膜、有机/无机纳米复合质子交换膜和无氟质子交换膜。全氟磺酸膜改性研究聚焦聚合物改性、膜表面刻蚀改性以及膜表面贵金属催化剂沉积3种途径。通过引入无机组分制备有机/无机纳米复合质子交换膜,使其兼具有机膜柔韧性和无机膜良好热性能、化学稳定性和力学性能,成为近几年的研究热点。简单的PEM电解水系统是水杯,氢水杯当中使用PEM电解水可以在水中产生氢气泡。和光伏配套的PEM电解水

PEM电解水可以和生物质进行有机地结合。和光伏配套的PEM电解水

PEM电解水电解槽结构 与燃料电池类似,由膜电极、双极板等部件组成。膜电极提供反应场所,由质子交换膜和阴阳极催化剂组成。PEM 电解槽具有反应无污染、氢气无需分离碱液、转化效率高、能耗低、槽体结构紧凑、运行更加灵活( 负荷范围 0~150%) 、更适合可再生能源的波动性等优点,很多新建电解制氢项目开始选择PEM电解槽技术。但由于 PEM电解技术商业化时间不长,质子交换膜和铂电极催化剂等关键组件成本较高,导致 PEM 电解槽制造成本较高,为相同规模碱性电解槽的 3~5 倍。按照相同的计算原则,PEM电解槽制氢成本高于碱性电解槽,主要是 PEM 电解槽 采购成本太高,每年的折旧成本太高。设备折旧成本占到总成本的 44%,电耗成本占到 50%,所以降低成本还是要从这两方面入手。随着电费的下降,电力成本在总成 本中的比重逐渐下降,氢气成本也逐渐降低。当电费分别为 0.13 元/ kWh 和 0.2元/ kWh 时,氢气成 本分别为2.4元/Nm3和2. 71元/Nm3,成本占比分别为 24%和 33% 。与碱性电解槽制氢成本相比,仍有一定差距,主要在于PEM电解槽价格太贵,折旧成本太高和光伏配套的PEM电解水

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