氫燃料電池車被視為新能源汽車的下一個風口。質子交換膜電解水作為氫燃料電池中心部件,其質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,那就是質子交換膜電解水,且成本占到了28%,從整體看,質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。質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加工的各類全氟、非全氟以及特種樹脂。下游應用方面,質子交換膜電解水可普遍應用于燃料電池、電解水、氯堿工業等領域。水電解槽制氫設備開發是國內外堿性水電解制氫研究熱點。河北純水電解水膜電極
在市場化進程方面,堿水電解(AWE)作為較為成熟的電解技術占據著主導地位,尤其是一些大型項目的應用。AWE采用氫氧化鉀(KOH)水溶液為電解質,以石棉為隔膜,分離水產生氫氣和氧氣,效率通常在70%~80%。一方面,AWE在堿性條件下可使用非貴金屬電催化劑(如Ni、CO、Mn等),因而電解槽中的催化劑造價較低,但產氣中含堿液、水蒸氣等,需經輔助設備除去;另一方面,AWE難以快速啟動或變載、無法快速調節制氫的速度,因而與可再生能源發電的適配性較差。廣東風能電解水制取質子交換膜電解水作為氫燃料電池中心部件,其質量好壞直接影響電池的使用壽命。
陽極反應過電勢與陰極反應過電勢的大小,是水電解制氫效率高低的主要影響因素之一,通常陽極反應過電勢遠遠高于陰極反應過電勢。PEM水電解制得的氫氣純度高,而且其制氫負荷可以實現在0~1之間智能連續自動化控制,因而PEM水電解制氫逐步取代了傳統的堿水制氫和氫氣瓶組等方式。由于氫氣可以大規模長時間存儲,相對于其他儲能方式,在時間尺度和規模尺度上均有明顯優勢;結合可再生能源電力的波動性,可以充分發揮氫氣的儲能優點,并實現大規模低成本制氫。在PEM水電解過程中,電解槽陽極的析氧反應是該過程的速控步驟。
氫能在能源供給側和消費終端轉型發展中可以發揮重要作用。在能源供給側,氫能可以消納可再生能源電力,實現能量在時間上的存儲和空間上的轉移。相對于其他儲能方式,氫能具備規模優勢;在能源消費終端,氫能可以實現零排放、零污染,減少碳排放。2020年9月,在第七十五屆大會一般性辯論上,中國提出力爭2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和的目標。在實現目標的過程中,氫能的應用除了可以減少碳排放、助力碳達峰,還可以通過氫與二氧化碳反應制成有機化學品,實現碳中和。隨著可再生能源發電比例和規模不斷提升,間歇性電力“削峰填谷”的儲能作用將得到普遍體現。
與ALK技術對比,PEM水電解制氫技術啟停速度快、負荷波動范圍廣、產氫壓力高,尤其適合利用可再生能源電力(尤其是離網電力)制氫,是實現大規模水電解制氫應用較有效的方式之一。此外,它還可以實現對風電、水電、光伏電等電力能源的調峰運行和對棄電資源的充分利用,因而成為大規模、高效儲能的重要方式之一。氫氣比重小、擴散快,其導熱系數是空氣的8.4倍,因此常被用作發電機組的冷卻劑,可以大幅降低風摩擦損耗,對于1GW的發電機組,氫氣純度每提高1%,可以節約228kW的能源。可再生能源加速發展使得大規模消納可再生能源成為突出問題。上海富氫電解水交換膜
PEM水電解制氫技術具備快速啟停優勢,能匹配可再生能源發電的波動性,逐步成為P2G制氫主流技術。河北純水電解水膜電極
在技術層面,電解水制氫技術可分為堿性電解水制氫(ALK)、質子交換膜電解水電解水制氫(PEM)、固體氧化物電解水制氫(SOE)和陰離子交換膜電解水制氫(AEM)。其中,堿性電解水技術較為成熟,造價成本也較低;但是與可再生能源適配性較差。其中,堿性電解水技術較為成熟,但無法快速調節制氫速度,與可再生能源適配性較差。固體氧化物電解水制氫(SOE)采用固體氧化物為電解質材料,適合在高溫環境下運作,能效更高,但處于初期示范階段。陰離子交換膜電解水制氫(AEM)以陰離子交換膜作為電解質隔膜,目前仍處于實驗室階段。PEM電解水技術具有獨特優勢。無污染、無腐蝕;擁有更高的質子傳導性,提升電解效率;同時有更寬的負載范圍和更短的響應啟動時間,與水電、風電、光伏(發電的波動性和隨機性較大)具有良好的匹配性,較適合未來能源結構的發展。河北純水電解水膜電極
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