区别于碱性水电解制氢氢健康,PEM水电解制氢选用具有良好化学稳定性、质子传导性、气体分离性的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代石棉膜,能有效阻止电子传递,提高电解槽安全性。PEM水电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等。其中扩散层、催化层与质子交换膜组成膜电极,是整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所,膜电极特性与结构直接影响PEM水电解槽的性能和寿命。将可再生能源发电转化为氢气,可提高电力系统灵活性,正成为可再生能源发展和应用的重要方向。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。质子交换膜内容
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。质子交换膜特性从金属稳定性角度来讲,其稳定性由高到低的顺序为Au>Pt>Ir>Ru>Os。
作为水电解槽膜电极的中心部件,质子交换膜电解水电解水不但传导质子,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,质子交换膜电解水电解水价格高达几百~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电解水电解水、有机/无机纳米复合质子交换膜电解水电解水和无氟质子交换膜电解水电解水。氢健康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电解水电解水,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。
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。为了实现“碳达峰”和“碳中和”目标,未来以化石能源制氢的方式势必要受到限制或部分被清洁制氢方式取代。
随着日益增长的低碳减排需求,氢的绿色制取技术受到普遍重视,利用可再生能源进行电解水制氢是目前众多氢气来源方案中碳排放较低的工艺。本文梳理了氢能需求和规划的进展、电解水制氢的示范项目情况,重点分析了电解水制氢技术,涵盖技术分类、碱水制氢应用、质子交换膜(PEM)电解水制氢。研究认为,提升电催化剂活性、提高膜电极中催化剂的利用率、改善双极板表面处理工艺、优化电解槽结构,有助于提高PEM电解槽的性能并降低设备成本;PEM电解水制氢技术的运行电流密度高、能耗低、产氢压力高,适应可再生能源发电的波动性特征、易于与可再生能源消纳相结合,是电解水制氢的适宜方案。氢健康结合氢储运与电解制氢的技术特征研判、我国输氢需求,提出发展建议: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。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.质子交换膜出厂价
灰氢、蓝氢将会逐渐被基于可再生能源的绿氢所替代,绿氢是未来能源产业的发展方向。质子交换膜内容
氢能在能源供给侧和消费终端转型发展中可以发挥重要作用。在能源供给侧,氢能可以消纳可再生能源电力,实现能量在时间上的存储和空间上的转移。相对于其他储能方式,氢能具备规模优势;在能源消费终端,氢健康氢能可以实现零排放、零污染,减少碳排放。2020年9月,在第七十五届大会一般性辩论上,中国提出力争2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的目标。在实现目标的过程中,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。质子交换膜内容
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