因此,单纯从规模和用量来看,Ir资源储量难以维持行业的发展,必须对现有的PEM水电解技术进行完善和升级。一方面,可以通过提升催化剂、膜电极技术,以及电解槽整体技术,大幅度降低Ir的用量;另一方面,可以有效回收Ir资源,使其回收利用率达90%以上。Christine等分别分析了保守情况和乐观情况下未来50年PEM水电解行业对Ir资源需求量的变化情况,氢健康保守情况下,即PEM电极的Ir负载量保持0.33g?kW不降低,则2045年前Ir的累计需求增长率与Ir有效回收情况的累计需求增长率相同。按照目前用量水平来计算,1GW级PEM电解槽的Ir用量为500千克。阴离子交换膜制氢方法
阴离子交换膜(AEM)水电解、碱性水电解(ALK)以及高温固体氧化物(SOEC)水电解等4种水电解制氢技术的性能对比。氢健康可知:在各种水电解制氢技术中,AEM技术成熟度低,目前还无法实现大规模应用,但是由于其不使用贵金属催化剂,同时兼具PEM和ALK制氢的优点,未来将会成为取代PEM制氢的替代技术;SOEC制氢技术由于固体氧化物的寿命和制氢规模的限制,暂时未达到工业应用程度,但其制氢效率高,未来具有稳定连续大规模制氢的潜力;ALK技术具备成本低、产氢规模大、技术成熟度高等优点,是目前应用较广的水电解制氢技术,但是存在负荷调节幅度小、启动响应慢、需要碱液处理过程等缺点,特别不适合可再生能源电力波动性的特点,只能从电网取电制氢。广东碱性电解水膜成本是多少降低催化剂与电解槽的材料成本,是PEM水电解制氢技术发展的研究重点。
在未来前20年中因Ir使用寿命及装置未到报废时限等因素,PEM水电解装置中Ir资源回收利用还没有得到有效实施,因此对新Ir资源需求总量增长较快,到2045年Ir的需求量达到约1.5t?a,小于Ir的产量,因而供给可以满足需求。在2045—2070年,新增PEM水电解装置装机容量不断加大,同时Ir资源的回收利用量也不断加大。由于Ir资源的回收利用,氢健康Ir资源的累计需求增长率增长幅度不断减小,到2070年Ir的需求量为2t左右,增幅不大。因此,按照目前Ir的年产量,未来50年Ir供给可以满足使用需求。
在技术层面,电解水制氢主要分为AWE、PEM水电解,固体聚合物阴离子交换膜(AEM)水电解、固体氧化物(SOE)水电解。其中,AWE是较早工业化的水电解技术,已有数十年的应用经验,较为成熟;PEM电解水技术近年来产业化发展迅速,SOE水电解技术处于初步示范阶段,而AEM水电解研究刚起步。氢健康从时间尺度上看,AWE技术在解决近期可再生能源的消纳方面易于快速部署和应用;但从技术角度看,PEM电解水技术的电流密度高、电解槽体积小、运行灵活、利于快速变载,与风电、光伏(发电的波动性和随机性较大)具有良好的匹配性。随着PEM电解槽的推广应用,其成本有望快速下降,必然是未来5~10a的发展趋势。SOE、AEM水电解的发展则取决于相关材料技术的突破情况。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)。
在技术层面,电解水制氢技术可分为碱性电解水制氢(ALK)、质子交换膜电解水制氢(PEM)、固体氧化物电解水制氢(SOE)和阴离子交换膜电解水制氢(AEM)。其中,碱性电解水技术较为成熟,造价成本也较低;但是与可再生能源适配性较差。氢健康其中,碱性电解水技术较为成熟,但无法快速调节制氢速度,与可再生能源适配性较差。固体氧化物电解水制氢(SOE)采用固体氧化物为电解质材料,适合在高温环境下运作,能效更高,但处于初期示范阶段。阴离子交换膜电解水制氢(AEM)以阴离子交换膜作为电解质隔膜,目前仍处于实验室阶段。PEM电解水技术具有独特优势。无污染、无腐蚀;拥有更高的质子传导性,提升电解效率;同时有更宽的负载范围和更短的响应启动时间,与水电、风电、光伏(发电的波动性和随机性较大)具有良好的匹配性,较适合未来能源结构的发展。利用西北、西南、东北等区域丰富的可再生能源,通过电解水制氢产生高压氢。广东AEM膜公司
氢能的应用除了可以减少碳排放、助力碳达峰,还可以通过氢与二氧化碳反应制成有机化学品,实现碳中和。阴离子交换膜制氢方法
阳极反应过电势与阴极反应过电势的大小,是水电解制氢效率高低的主要影响因素之一,通常阳极反应过电势远远高于阴极反应过电势。PEM水电解制得的氢气纯度高,而且其制氢负荷可以实现在0~1之间智能连续自动化控制,因而PEM水电解制氢逐步取代了传统的碱水制氢和氢气瓶组等方式。由于氢气可以大规模长时间存储,相对于其他储能方式,在时间尺度和规模尺度上均有明显优势;结合可再生能源电力的波动性,可以充分发挥氢气的储能优点,并实现大规模低成本制氢。在PEM水电解过程中,电解槽阳极的析氧反应是该过程的速控步骤。阴离子交换膜制氢方法
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