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PEM水电解制氢技术

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。

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2Acm–2V,总铂系催化剂载量为2~3 mg/cm2,稳定运行时间为100000-120000h,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。

1、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。

按照技术规划目标,膜电极上的铂族催化剂总负载量应降低到0.125mg/cm2,而当前的阳极铱催化剂载量在1mg/cm2量级,阴极Pt/C催化剂的Pt载量约为 0.4~0.6 mg/cm2。Ru的电催化析氧活性高于Ir,但稳定性差;通过与Ir形成稳定合金可提高催化剂的活性与稳定性。

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。

2、隔膜材料

PEM方面,目前常用的产品有杜邦公司Nafion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。

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。

3 、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。

改善集流器的性能也可提高电解槽性能。

4、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。

5、电解槽稳定性

许多研究团队着力探索PEM电解槽中各部件的衰减机理,发现催化剂和膜的脱落、水流量变化、供水管路腐蚀等会导致欧姆阻抗提高,膜电极结构被破坏后会诱发两侧气体渗透并造成氢气纯度降低,温度压力变化、电流密度和功率负载循环也会影响部件衰减速率。 水电解制氢设备


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