河北質(zhì)子交換膜電解水

來源: 發(fā)布時間:2023-03-23

不同于堿性水電解和PEM水電解,高溫固體氧化物水電解制氫采用固體氧化物為電解質(zhì)材料,工作溫度800~1000℃,制氫過程電化學性能明顯提升,效率更高。SOEC電解槽電極采用非貴金屬催化劑,陰極材料選用多孔金屬陶瓷Ni/YSZ,氫健康陽極材料選用鈣鈦礦氧化物,電解質(zhì)采用YSZ氧離子導體,全陶瓷材料結構避免了材料腐蝕問題。高溫高濕的工作環(huán)境使電解槽選擇穩(wěn)定性高、持久性好、耐衰減的材料受到限制,也制約SOEC制氫技術應用場景的選擇與大規(guī)模推廣。PEM水電解制氫技術具備快速啟停優(yōu)勢,能匹配可再生能源發(fā)電的波動性,逐步成為P2G制氫主流技術。CCM法催化劑利用率更高,大幅降低膜與催化層間的質(zhì)子傳遞阻力,是膜電極制備的主流方法。河北質(zhì)子交換膜電解水

質(zhì)子交換膜(PEM)在氫燃料電池、電解水制氫氣等領域中所交換的陽離子為質(zhì)子,氫健康又被稱為離子膜。質(zhì)子交換膜處于有機氟化工產(chǎn)業(yè)鏈末端,其上游是有機氟化工的單體材料,下游是基于質(zhì)子交換膜的氯堿工業(yè)、燃料電池、電解水、儲能電池等應用領域。目前產(chǎn)業(yè)化應用的均為全氟質(zhì)子交換膜,質(zhì)子交換膜使用的是全氟磺酸樹脂,離子膜使用全氟磺酸樹脂、全氟羧酸樹脂的復合膜。全氟磺酸樹脂具有強酸性,全氟羧酸樹脂具有弱酸性,更能夠適應氯堿工業(yè)中的堿性環(huán)境。盡管目前全氟磺酸PEM應用較普遍,但仍存在成本較高、尺寸穩(wěn)定性較差、溫度升高會降低質(zhì)子傳導性的缺點。河北質(zhì)子交換膜公司CCS法將催化劑活性組分直接涂覆在氣體擴散層,而CCM法則將催化劑活性組分直接涂覆在質(zhì)子交換膜兩側(cè)。

Ir資源儲量能否支撐整個PEM水電解制氫技術的未來發(fā)展,成為業(yè)內(nèi)普遍關注的焦點,國外機構對此進行了相關研究預測。按照目前用量水平來計算,膜電極上的Ir用量為2mg/cm2,而膜電極典型運行參數(shù)為4W/cm2,因而1GW級PEM電解槽的Ir用量為500kg。雖然Ir陽極催化劑成本在整個電解槽成本中占比不大,但若未來PEM水電解制氫技術大規(guī)模普及,其需求量會大幅度上升。目前,全世界Ir產(chǎn)量少于9t?a,因此氫健康在PEM水電解技術大規(guī)模應用后,陽極催化劑的成本占比會逐漸提升。

PEM水電解制氫已步入商業(yè)化早期,制約技術大規(guī)模發(fā)展的瓶頸在于膜電極選用被少數(shù)廠家壟斷的質(zhì)子交換膜電解水,陰、陽極催化劑材料需采用貴金屬以及電解能耗仍然偏高。解決上述難題是PEM水電解制氫技術進一步發(fā)展與推廣的關鍵。氫健康為此發(fā)展新型水電解技術成為新趨勢,基于融合堿性水電解和PEM水電解各自優(yōu)勢的研究思路,采用堿性固體電解質(zhì)替代PEM的堿性固體陰離子交換膜(AEM)水電解制氫技術成為新方向。另外選用聚芳醚酮和聚砜等廉價材料制備無氟質(zhì)子交換膜電解水,也是質(zhì)子交換膜電解水的發(fā)展趨勢。根據(jù)電解槽隔膜材料的不同,通常將水電解制氫分為堿性水電解以及高溫固體氧化物水電解(SOEC)。

質(zhì)子交換膜可普遍應用于燃料電池、電解水、氯堿工業(yè)等領域。PEM燃料電池及電解水發(fā)展迅速,國內(nèi)外市場都呈現(xiàn)出較快的需求增長和廣闊的發(fā)展前景。從2011年到2019年,PEM燃料電池出貨量占比從44.9%進一步提升至82.7%,氫健康可見,全球PEM燃料電池出貨量高速增長。依據(jù)中國氫能聯(lián)盟對未來燃料電池系統(tǒng)成本的預測以及美國能源部披露的成本結構,綜合測算,燃料電池應用領域每年為質(zhì)子交換膜帶來的市場增量將持續(xù)增長,到2025年、2035年和2050年將分別為9.80億、49.01億和67.39億,非常可觀。世界上超過95%的氫氣制取來源于化石燃料重整,生產(chǎn)過程必然排放CO2。河北離子膜制備

陰離子交換膜水電解、堿性水電解以及高溫固體氧化物水電解等4種水電解制氫技術的性能對比。河北質(zhì)子交換膜電解水

氫燃料電池車被視為新能源汽車的下一個風口。質(zhì)子交換膜電解水作為氫燃料電池中心部件,其質(zhì)量好壞直接影響電池的使用壽命。從價值量看,氫能源燃料電池中成本占比較高的自然是燃料電池電堆,其次是儲氣瓶,而在燃料電池堆中,有個關鍵材料,那就是質(zhì)子交換膜電解水,且成本占到了28%,從整體看,質(zhì)子交換膜電解水成本約占燃料電池總成本的4.08%,幾乎決定了燃料電池的成本。氫健康質(zhì)子交換膜電解水上游主要包括基礎材料和過程材料兩個部分:基礎材料即螢石,利用上游原材料制備可用于后續(xù)加工的各類全氟、非全氟以及特種樹脂。下游應用方面,質(zhì)子交換膜電解水可普遍應用于燃料電池、電解水、氯堿工業(yè)等領域。河北質(zhì)子交換膜電解水

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