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【观察】一文读懂电解水制氢

发布日期:2021-11-19 00:00:00   浏览量 :750
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当前,在政策和市场双驱动下,氢能产业链火热发展,由此也带动了制氢环节的快速成长;而双碳目标的提出使“绿氢”成为减碳脱碳的重要途径。其中,电解水制氢是重要的制取绿氢的方法,电解水制氢规模的提升,也使电解槽市场迅速增长。

绿氢在制造成本上居高不下的主要原因是电价和电解水制氢系统,电解槽作为可再生能源大规模制氢的关键装备,在制氢系统总成本中的占比近50%。

因此,以电解槽为代表的氢能设备,对于制氢成本的降低起着关键性的作用。


01

什么是电解槽?


电解水制氢,是指在充满电解液的电解槽中通入直流电,水分子在电极上发生电化学反应,即可分解成氢气和氧气,整个过程可实现零排放。

在整个制造环节,核心的设备载体就是电解槽。通常电解槽的结构为三部分,分别是槽体、阳极、阴极组成。

当直流电通过电解槽时,在阳极与溶液界面处发生氧化反应,在阴极与溶液界面处发生还原反应。

目前我国电解水制氢设备多运用于光伏、风电,可再生能源制氢是主攻方向。其中,碱性水电解制氢有着较低的投资成本,已经充分实现产业化,是大规模绿氢生产的最佳选择,也是技术最成熟以及商业化最成熟的方式。

 


在技术层面,电解水制氢主要分为 AWE、固体聚合物 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,相关特性对比见表其中,AWE 是最早工业化的水电解技术,已有数十年的应用经验,最为成熟;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。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 5~10 a 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。


02

碱性电解槽是如何工作的?


碱水电解(AWE)作为最成熟的电解技术占据着主导地位,尤其在一些大型项目广泛应用。碱性水电解制氢电解槽隔膜主要由高分子材质组成,起分离气体的作用。阴极、阳极主要由金属合金组成,如Ni-Mo合金等。

 电解槽工作原理示意图

其原理是,在阴极水分子被分解为 H+和 OH-,H+得到电子生成氢原子,并进一步生成氢分子(H2);OH-则在阴、阳极之间的电场力作用下穿过多孔的横隔膜,到达阳极,在阳极失去电子生成一个水分子和氧分子。

碱性电解装置当中最核心的产品是电解槽,在电解槽之前需配备变压器和整流柜将高压交流电转换为电解槽所使用的直流电,供电解槽电解水使用。


03

碱液电解槽的发展现状


由可再生能源驱动的电解制氢被认为是改善全球气候和能源问题的好帮手,碱性电解槽被誉为可再生能源大规模制氢的关键装备。随着绿氢发展呼声高涨,电解水制氢正迎来新一轮发展机遇。

据中国氢能产业协会数据显示:上半年,我国氢气产量同比去年增加了25%,其中利用新能源制氢的比例同比提高了30%。

彭博新能源财经预测:由于我国上半年氢气产量的惊人增长,电解槽市场今年将翻一番,到2022年将翻四倍,预计中国将占全球电解槽装机容量的60%-63%。

随着我国风、光、水等可再生能源的快速发展,电解水制氢技术与应用将会进入稳步上升期。“绿氢”带火了电解槽,可再生能源的深入开发利用,又延伸了能源生产制造的无碳之路,电解设备发展迎来了历史性的机遇。

隆基以常年保持较高比例的研发投入,坚信“绿电+绿氢”是实现碳中和的有力武器。目前,隆基氢能正在投产阶段,将充分发挥光伏产业发电成本低的优势,通过光伏发电制取“绿氢”,符合减少碳排要求,助推“双碳”目标的实现。


04

PEM 电解水制氢发展现状


PEM 水电解槽采用 PEM 传导质子,隔绝电极两侧的气体,避免 AWE 使用强碱性液体电解质所伴生的缺点。PEM 水电解槽以 PEM 为电解质,以纯水为反应物,加之 PEM 的氢气渗透率较低,产生的氢气纯度高,仅需脱除水蒸气;电解槽采用零间距结构,欧姆电阻较低,显著提高电解过程的整体效率,且体积更为紧凑;压力调控范围大,氢气输出压力可达数兆帕,适应快速变化的可再生能源电力输入。因此,PEM 电解水制氢是极具发展前景的绿色制氢技术路径。

 

也要注意到,PEM 水电解制氢的瓶颈环节在于成本和寿命。电解槽成本中,双极板约占 48%,膜电极约占 10%。当前PEM 国际先进水平为:单电池性能为 2 A·cm–2@2 V,总铂系催化剂载量为2~3 mg/cm2,稳定运行时间为 6万~8万 h,制氢成本约为每千克氢气3.7 美元。降低PEM电解槽成本的研究集中在以催化剂、PEM为基础材料的膜电极,气体扩散层,双极板等核心组件。


01

电催化剂


由于PEM电解槽的阳极处于强酸性环境(pH≈2)、电解电压为 1.4~2.0 V,多数非贵金属会腐蚀并可能与 PEM 中的磺酸根离子结合,进而降低 PEM 传导质子的能力。PEM 电解槽的电催化剂研究主要是 Ir、Ru 等贵金属 / 氧化物及其二元、三元合金 / 混合氧化物,以钛材料为载体的负载型催化剂。

受限于 PEM 水电解制氢的酸性环境、阳极高电位、良好导电性等要求,非贵金属催化剂或非金属催化剂的研发难度较大,预计一定时期内实际用于大规模电解槽的催化剂仍以 Ir 为主。未来降低制氢成本、减少贵金属催化剂用量的更好方法是研发超低载量或有序化膜电极。


02

隔膜材料


在 PEM 方面,目前常用的产品有杜邦公司 Na-fion 系列膜、陶氏化学 Dow 系列膜、旭硝子株式会社 Flemion 系列膜、旭化成株式会社 Aciplex-S 系列膜、德山化学公司 Neosepta-F 等。Giner 公司研发的 DSMTM 膜 [8] 已经规模化生产,相比 Nafion膜具有更好的机械性能、更薄的厚度,在功率波动与启停机过程中的尺寸稳定性良好,实际电解池的应用性能较优。

为进一步提高 PEM 性能并降低成本,一方面可采用增强复合的方案改善 PEM 的机械性能,有利于降低膜的厚度;另一方面,可通过提高成膜的离子传导率来降低膜阻和电解能耗,有利于提高电解槽的整体性能。国产 PEM 产品进入了试用阶段。


03

膜电极


PEM电解水的阳极需要耐酸性环境腐蚀、耐高电位腐蚀,应具有合适的孔洞结构以便气体和水通过。受限于 PEM 电解水的反应条件,PEM 燃料电池中常用的膜电极材料(如碳材料)无法用于水电解阳极。3M 公司研发了纳米结构薄膜(NSTF)电极,阴阳两极分别采用 Ir、Pt 催化剂,载量均为 0.25mg/cm2;在酸性环境及高电位条件下可以稳定工作,表面的棒状阵列结构有利于提高催化剂的表面分散性。Proton公司采用直接喷雾沉积法来减少催化剂团聚现象,将载量0.1 mg/cm2的Pt/C和Ir,载量0.1mg/cm2的Ir O2沉积在Nafion117膜上;单电解池的应用性能与传统高催化剂载量电解池相似(1.8 A·cm–2@2V),在 2.3 V 电压下稳定工作 500 h。

 

改善集流器的性能也可提高电解槽性能。美国田纳西大学研究团队在钛薄片上用模板辅助的化学刻蚀法制备出直径小于1mm 的小孔,阳极集流器的厚度仅为25.4 μm;相关集流器用于PEM水电解阴极,电解性能为2 A·cm–2@1.845 V,阴极Pt催化剂载量仅为 0.086 m/cm2。


04

双极板


双极板及流场占电解槽成本的比重较大,降低双极板成本是控制电解槽成本的关键。在 PEM 电解槽阳极严苛的工作环境下,若双极板被腐蚀将会导致金属离子浸出,进而污染 PEM,因此常用的双极板保护措施是在表面制备一层防腐涂层。Letten-meier等在不锈钢双极板上用真空等离子喷涂方式制备Ti层以防止腐蚀,再用磁控溅射方式制备Pt层以防止Ti氧化引起的导电性降低;进一步研究发现,将Pt涂层换成价格更低的 Nb 涂层,可维持相似的电解池性能 ,且电解池可稳定运行超过1000h。美国田纳西大学研究团队采用增材制造技术,在阴极双极板上制作出厚度为1mm的不锈钢材料流场,在上面直接沉积一层厚度为0.15 mm 的网状气体扩散层;该单电池阴极阻抗极小,电池性能高达 2 A·cm–2@1.715 V,但仍需要表面镀金以提高稳定性。此外,美国橡树岭国家实验室、韩国科学技术研究院等机构也开展了系列化的 PEM 电解槽用双极板研发工作。


结语

喜玛拉雅氢能以常年保持较高比例的研发投入,坚信“绿电+绿氢”是实现碳中和的有力武器。喜玛拉雅氢能将不断发展电解水槽制氢技术,顺应国家减少碳排要求,助推“双碳”目标的实现。

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