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贏創(chuàng)全新膜技術有望降低電解水制氫的成本
來源:PUWORLD   發(fā)布時間:2020-11-12   瀏覽:6241

在能源需求增加和自然資源匱乏的背景下,氫能技術被視為能源轉型的新希望。氫氣既是化學工業(yè)的關鍵原材料,也可作為一種無碳燃料,用于工業(yè)、交通領域?!熬G色制氫”指利用可再生能源發(fā)電,通過水電解制得氫能。這是一種綠色、清潔的能源生產(chǎn)方式,可以實現(xiàn)能源生產(chǎn)的“去碳化”。然而,相比大部分工業(yè)制氫采用的碳基能源(例如甲烷)蒸汽重整工藝,綠色制氫的成本居高不下。盡管利用可再生能源發(fā)電的成本較低, 但電解槽的投資成本相對高昂。

離子交換膜是電解槽的核心部件,對電解效率和電解可靠性至關重要。目前,贏創(chuàng)成功開發(fā)了一種新型陰離子交換膜(AEM),有望突破綠色制氫的現(xiàn)有瓶頸?!皯{借這一創(chuàng)新膜技術,我們希望實現(xiàn)綠色制氫的商業(yè)化, 并使其具備經(jīng)濟效益和高效率?!壁A創(chuàng)戰(zhàn)略創(chuàng)新部門 Creavis,負責膜技術創(chuàng)新的Oliver Conradi 表示。

 

現(xiàn)有技術的缺陷

堿性水電解制氫(AEL)是現(xiàn)有工藝中應用最廣泛的一種。在高濃度氫氧化鉀溶液中通入直流電,水分子在電極上發(fā)生電化學反應。在陰極,水分子在陰極分解成氫離子(H+)和氫氧離子(OH-),氫離子與來自陰極的電子結合形成氫氣,氫氧離子則到達陽極,生成氧氣和水。為了確保分隔開反應產(chǎn)物,避免其重新結合引起爆 炸,在電解槽的陽極與陰極之間需設置一層隔膜。為了讓氣體通過,AEL 采用多孔結構的隔膜,因而限制了設備在受壓條件下的操作。為了方便存儲或運輸,制成的氫氣需進行壓 縮,因此會產(chǎn)生額外的能源消耗。此外,多孔膜僅適用低電流密度,即每平方厘米的膜表面最多可承受 600 毫安電流。

另一項技術是質子交換膜(PEM)電解制氫。在這一技術中,質子交換膜不僅用于分隔反應產(chǎn)物,還可以使電解池的設計更緊湊,因其由導電聚合物組成,而電極位于膜的兩側,待電解的水流經(jīng)陽極,產(chǎn)生的氫離子從陽極側穿過質子交換膜到達陰極,在陰極反應后生成氫氣分子。相比AEL 系統(tǒng),PEM 電解槽不僅能承受更高的電流密度,還能應對更大的負載波動。由于這一技術可以在受壓條件下實現(xiàn),后續(xù)氫氣壓縮所消耗的能量也更 少。盡管PEM 系統(tǒng)在技術上具有一定優(yōu)勢,但投資成本極其高昂?!癙EM 在酸性條件下反應,電解系統(tǒng)的材料必須具備優(yōu)異的耐腐蝕性能,且需要鉑、銥等貴金屬制成的催化劑;而電解小室必須由鈦甚至鉑鈦制成?!?Conradi 解釋。

贏創(chuàng)陰離子交換膜:結合現(xiàn)有技術優(yōu)勢

與 AEL 或 PEM 工藝相比,贏創(chuàng)的陰離子交換膜(AEM)電解結合了兩者的優(yōu)勢。AEM 電解槽的結構與 PEM 相似:由離子傳導塑料制成的膜(又稱離聚物)將電極分隔于膜的兩側。電極同樣由離聚物制成,并摻入催化劑顆粒?!芭c PEM 不同的是,AEM 的電解槽可以依靠鎳基等非貴金屬催化劑,從而有效減少材料成本?!盋onradi 說。同 AEL 工藝,AEM 的反應將在堿性的環(huán)境中進行。水在陰極被電解,并生成氫氣。AEM 電解技術的其他特點還包括可承載高電流密度、效率高、靈活性強。

盡管研發(fā)工作已取得初步進展,實驗室的重點仍是優(yōu)化膜的配方?!坝绊懫湫实囊粋€重要因素是膜與電極之間的接觸電阻。為了使電阻盡可能 小,我們需要在膜與電極之間建立良好的離子連接。所以,我們不僅需要繼續(xù)優(yōu)化膜的聚合物配方,還需定制開發(fā)一款用于該膜的電極粘結劑?!?Conradi 說道。此外,團隊還在進一步優(yōu)化涂敷等工藝,以實現(xiàn)膜材料的量產(chǎn)。

贏創(chuàng)的目標是開發(fā)整套電解系統(tǒng),從而實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模制氫。為 此,公司正與其他伙伴積極展開合作。在這一名為 CHANNEL 的研究項目中,包括電解槽開發(fā)商Enapter、能源公司殼牌,德國于利希研究中心、挪威科技工業(yè)研究所在內(nèi)的企業(yè)和研究機構將基于贏創(chuàng)的膜技術,設計、搭建并測試 AEM 電解系統(tǒng)。相關技術驗證模型有望在 2022 年推出。而在中國,這一技術也引起了不少興趣。目前,贏創(chuàng)正積極尋求本地合作伙伴,推進相關研究進程。

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