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,氢健康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。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。河北质子交换膜电解水
质子交换膜(PEM)在氢燃料电池、电解水制氢气等领域中所交换的阳离子为质子,氢健康又被称为离子膜。质子交换膜处于有机氟化工产业链末端,其上游是有机氟化工的单体材料,下游是基于质子交换膜的氯碱工业、燃料电池、电解水、储能电池等应用领域。目前产业化应用的均为全氟质子交换膜,质子交换膜使用的是全氟磺酸树脂,离子膜使用全氟磺酸树脂、全氟羧酸树脂的复合膜。全氟磺酸树脂具有强酸性,全氟羧酸树脂具有弱酸性,更能够适应氯碱工业中的碱性环境。尽管目前全氟磺酸PEM应用较普遍,但仍存在成本较高、尺寸稳定性较差、温度升高会降低质子传导性的缺点。河北质子交换膜公司CCS法将催化剂活性组分直接涂覆在气体扩散层,而CCM法则将催化剂活性组分直接涂覆在质子交换膜两侧。
Ir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,国外机构对此进行了相关研究预测。按照目前用量水平来计算,膜电极上的Ir用量为2mg/cm2,而膜电极典型运行参数为4W/cm2,因而1GW级PEM电解槽的Ir用量为500kg。虽然Ir阳极催化剂成本在整个电解槽成本中占比不大,但若未来PEM水电解制氢技术大规模普及,其需求量会大幅度上升。目前,全世界Ir产量少于9t?a,因此氢健康在PEM水电解技术大规模应用后,阳极催化剂的成本占比会逐渐提升。
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。氢健康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。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以及高温固体氧化物水电解(SOEC)。
质子交换膜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。世界上超过95%的氢气制取来源于化石燃料重整,生产过程必然排放CO2。河北离子膜制备
阴离子交换膜水电解、碱性水电解以及高温固体氧化物水电解等4种水电解制氢技术的性能对比。河北质子交换膜电解水
氢燃料电池车被视为新能源汽车的下一个风口。质子交换膜电解水作为氢燃料电池中心部件,其质量好坏直接影响电池的使用寿命。从价值量看,氢能源燃料电池中成本占比较高的自然是燃料电池电堆,其次是储气瓶,而在燃料电池堆中,有个关键材料,那就是质子交换膜电解水,且成本占到了28%,从整体看,质子交换膜电解水成本约占燃料电池总成本的4.08%,几乎决定了燃料电池的成本。氢健康质子交换膜电解水上游主要包括基础材料和过程材料两个部分:基础材料即萤石,利用上游原材料制备可用于后续加工的各类全氟、非全氟以及特种树脂。下游应用方面,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。河北质子交换膜电解水
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