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PEM电解水制氢技术现状

时间:2021-11-22

随着氢燃料电池技术发展,市场对氢的需求越来越大,寻找能大规模生产清洁高效的制氢方式成为了一道必答题。电解水制氢技术相对成熟,对未来清洁可持续能源的使用至关重要。电解水制氢是在直流电的作用下,通过电化学过程将水分子解离为氢气和氧气,分别在阴、阳两极析出。根据电解质不同,电解水制氢主要分为碱性(ALK)电解水、质子交换膜(PEM)电解水和固体氧化物电解池(SOEC)电解水三种方式。

 

在三大技术路线中,PEM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,被认为是电解水制氢的适宜方案。

 

 

兆瓦级PEM电解水制氢项目进入示范阶段

 

目前已经有兆瓦级PEM电解水制氢示范项目在开展,PEM电解水制氢设备在研发和应用方面都有了实质性的进展。

 

11月9日,康明斯水吉能中标中国石化中原油田兆瓦级可再生电力电解水制氢示范项目,将为其提供一套2.5MW质子交换膜(PEM)电解水制氢系统。该项目由中原油田牵头,位于河南省濮阳市,预计将于2022年下半年投产,标志着中国石化在绿氢领域的重大突破。

 

11月8日,近日中国石化首套质子交换膜(PEM)制氢示范站在所属燕山石化启动投用,标志着中国石化自主研发的国产PEM制氢设备打通了从关键材料、核心部件到系统集成的整套流程。这是中国石化加快氢能产业发展的创新实践,为企业利用“绿电”制“绿氢”提供了可复制的技术和工程示范。

 

PEM电解水制氢技术需要突破成本困境

 

尽管PEM电解水制氢技术具有良好的性能,具有高的氢生产率和高能效,投资和运行成本高仍然是PEM水电解制氢亟待解决的主要问题。为此降低催化剂与PEM的材料成本,特别是阴、阳极电催化剂的贵金属载量,是PEM水电解制氢技术发展的研究重点。

 

PEM材料研究情况。目前水电解制氢所用质子交换膜多为全氟磺酸膜,制备工艺复杂,长期被美国和日本企业垄断。通过引入无机组分制备有机/无机纳米复合质子交换膜,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。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,也是质子交换膜的发展趋势。

 

 

析氧催化剂研究情况。目前,Ir或IrO2是PEM电解池电催化剂的首选阳极材料,研究人员主要通过RuO2 和IrO2 的混合,可以保持RuO2 的高活性和IrO2的高稳定性,从而获得更高的催化析氧活性。研究通过添加惰性非贵金属氧化物,在保持催化剂较高的活性同时,降低催化剂中贵金属含量。但为了显著降低PEM电解槽的贵金属用量,必须使用纳米级催化剂结构,OER催化剂的纳米结构化及其载体研究仍处于早期,还需开展更深入的研究工作。

 

析氢催化剂研究情况。现有商业化析氢催化剂Pt载量为0.4~0.6 mg/cm2,贵金属材料成本高,阻碍PEM水电解制氢技术快速推广应用。目前主要通过制备具有纳米结构的Pt表面、在低成本材料上沉积单层的Pt、将贵金属电催化剂与其他材料合金化等方式提高Pt基贵金属的高效析氢性能。另外研究非贵金属HER催化剂,如金属硫化物、金属硒化物和金属磷化物也有所进展。

 

来源:电池联盟