區(qū)別于堿性水電解制氫,PEM水電解制氫選用具有良好化學(xué)穩(wěn)定性、質(zhì)子傳導(dǎo)性、氣體分離性的全氟磺酸質(zhì)子交換膜電解水電解水作為固體電解質(zhì)替代石棉膜,能有效阻止電子傳遞,提高電解槽安全性。PEM水電解槽主要部件由內(nèi)到外依次是質(zhì)子交換膜電解水電解水、陰陽(yáng)極催化層、陰陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層、陰陽(yáng)極端板等。其中擴(kuò)散層、催化層與質(zhì)子交換膜電解水電解水組成膜電極,是整個(gè)水電解槽物料傳輸以及電化學(xué)反應(yīng)的主場(chǎng)所,膜電極特性與結(jié)構(gòu)直接影響PEM水電解槽的性能和壽命。將可再生能源發(fā)電轉(zhuǎn)化為氫氣,可提高電力系統(tǒng)靈活性,正成為可再生能源發(fā)展和應(yīng)用的重要方向。所開發(fā)的催化劑及相關(guān)器件的性能與工業(yè)應(yīng)用之間仍存在一定的差距。山東大電流密度電解水制氫方法
作為水電解槽膜電極的中心部件,質(zhì)子交換膜不但傳導(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、有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合質(zhì)子交換膜和無氟質(zhì)子交換膜。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。通過引入無機(jī)組分制備有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合質(zhì)子交換膜,使其兼具有機(jī)膜柔韌性和無機(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)。江蘇富氫電解水生產(chǎn)企業(yè)有哪些我國(guó)將氫能作為戰(zhàn)略能源技術(shù),給予持續(xù)的政策支持,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
雖然Ir陽(yáng)極催化劑成本在整個(gè)電解槽成本中占比不大,但若未來PEM水電解制氫技術(shù)大規(guī)模普及,其需求量會(huì)大幅度上升。目前,全世界Ir產(chǎn)量少于9t?a,因此在PEM水電解技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用后,陽(yáng)極催化劑的成本占比會(huì)逐漸提升。Ir資源儲(chǔ)量能否支撐整個(gè)PEM水電解制氫技術(shù)的未來發(fā)展,成為業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的焦點(diǎn),國(guó)外機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究預(yù)測(cè)。按照目前用量水平來計(jì)算,膜電極上的Ir用量為2mg?cm2,而膜電極典型運(yùn)行參數(shù)為4W?cm2,因而1GW級(jí)PEM電解槽的Ir用量為500kg。
不同催化材料的陽(yáng)極過電勢(shì)通常為200~500mV。在高電位、氧化、酸性環(huán)境下,PEM電解槽對(duì)陽(yáng)極催化劑材料的要求極為苛刻,能滿足該要求的催化材料但限于某些貴金屬。通常,活性越高的金屬,其在水電解過程中越容易溶解,穩(wěn)定性越差。例如:從金屬活性角度來講,金屬活性由高到低的順序?yàn)椋希螅荆遥酰荆桑颍荆校簦荆粒?;但從金屬穩(wěn)定性角度來講,其穩(wěn)定性由高到低的順序?yàn)椋粒酰荆校簦荆桑颍荆遥酰荆希?。綜合活性和穩(wěn)定性等因素,目前工業(yè)上選用的PEM電解槽陽(yáng)極催化劑以銥黑以及IrO2等為主。將可再生能源發(fā)電轉(zhuǎn)化為氫氣,可提高電力系統(tǒng)靈活性,正成為可再生能源發(fā)展和應(yīng)用的重要方向。
目前,全世界的氫產(chǎn)量約為70Mt?a,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,從全生命周期來看,同樣存在碳排放量大的問題。因此,水電解制氫是否屬于清潔氫,要根據(jù)電網(wǎng)電力的種類來判斷。現(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)。PEM電解水技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。大電流電解水裝置
水電解槽制氫設(shè)備開發(fā)是國(guó)內(nèi)外堿性水電解制氫研究熱點(diǎn)。山東大電流密度電解水制氫方法
PEM水電解制得的氫氣純度高,而且其制氫負(fù)荷可以實(shí)現(xiàn)在0~1之間智能連續(xù)自動(dòng)化控制,因而PEM水電解制氫逐步取代了傳統(tǒng)的堿水制氫和氫氣瓶組等方式。由于氫氣可以大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ),相對(duì)于其他儲(chǔ)能方式,在時(shí)間尺度和規(guī)模尺度上均有明顯優(yōu)勢(shì);結(jié)合可再生能源電力的波動(dòng)性,可以充分發(fā)揮氫氣的儲(chǔ)能優(yōu)點(diǎn),并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模低成本制氫。在PEM水電解過程中,電解槽陽(yáng)極的析氧反應(yīng)是該過程的速控步驟。陽(yáng)極反應(yīng)過電勢(shì)與陰極反應(yīng)過電勢(shì)的大小,是水電解制氫效率高低的主要影響因素之一,通常陽(yáng)極反應(yīng)過電勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陰極反應(yīng)過電勢(shì)。山東大電流密度電解水制氫方法
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