氢燃料电池车被视为新能源汽车的下一个风口。质子交换膜作为氢燃料电池中心部件,其质量好坏直接影响电池的使用寿命。从价值量看,氢能源燃料电池中成本占比较高的自然是燃料电池电堆,其次是储气瓶,而在燃料电池堆中,氢健康有个关键材料,那就是质子交换膜,且成本占到了28%,从整体看,质子交换膜成本约占燃料电池总成本的4.08%,几乎决定了燃料电池的成本。质子交换膜上游主要包括基础材料和过程材料两个部分:基础材料即萤石,利用上游原材料制备可用于后续加工的各类全氟、非全氟以及特种树脂。下游应用方面,质子交换膜可普遍应用于燃料电池、电解水、氯碱工业等领域。固体氧化物电解水制氢采用固体氧化物为电解质材料,适合在高温环境下运作,能效更高,但处于初期示范阶段。山东新型制氢膜技术
现阶段,氢气主要用作工业原料,但在发电、供热、交通燃料等领域有巨大发展潜力。随着可再生能源发电比例和规模不断提升,间歇性电力“削峰填谷”的储能作用将得到普遍体现。目前,全世界的氢产量约为70Mt,主要消费方向以石油炼制、化工原料为主。根据中国氢能联盟研究院发布的数据,当单位制氢的碳排放(CO2)不高于4.9kg/kg时,制备的氢气才是清洁的煤制氢的碳排放强度接近风电、水电制氢的20倍,氢健康天然气制氢的碳排放强度也很高,两种方式制氢的碳排放均远超清洁制氢的碳排放标准;而以可再生资源发电,进行水电解制氢则能够满足清洁氢气的碳排放标准。需要强调的是,采用水电解制氢时,只有利用可再生能源电力制取的氢气才满足低碳排放的标准;而利用不可再生能源电力制取的氢气,从全生命周期来看,同样存在碳排放量大的问题。因此,水电解制氢是否属于清洁氢,要根据电网电力的种类来判断。上海PEM膜制作系统在PEM水电解技术大规模应用后,阳极催化剂的成本占比会逐渐提升。
SOEC制氢技术由于固体氧化物的寿命和制氢规模的限制,暂时未达到工业应用程度,但其制氢效率高,未来具有稳定连续大规模制氢的潜力;ALK技术具备成本低、产氢规模大、技术成熟度高等优点,是目前应用较广的水电解制氢技术,氢健康但是存在负荷调节幅度小、启动响应慢、需要碱液处理过程等缺点,特别不适合可再生能源电力波动性的特点,只能从电网取电制氢。阴离子交换膜(AEM)水电解、碱性水电解(ALK)以及高温固体氧化物(SOEC)水电解等4种水电解制氢技术的性能对比。可知:在各种水电解制氢技术中,AEM技术成熟度低,目前还无法实现大规模应用,但是由于其不使用贵金属催化剂,同时兼具PEM和ALK制氢的优点,未来将会成为取代PEM制氢的替代技术。
在技术层面,电解水制氢主要分为AWE、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。其中,AWE是较早工业化的水电解技术,已有数十年的应用经验,较为成熟;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。氢健康从时间尺度上看,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5~10a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。贵金属材料成本高,阻碍PEM水电解制氢技术快速推广应用。
PEMWE的组装方法,实际运行条件,包括离聚物,膜,气体扩散层,极板,催化剂层在内的各个组分都是影响PEMWE性能的关键参数.对各个组分的发展和应用现状进行综述,同时对有实际应用前景的催化剂进行分析,包括负载型催化剂,铱/钌为主体的掺杂型催化剂。借助创新实验方法和先进表征技术发展在揭示酸介质中动态OER的复杂性和开发高效稳定的电催化剂方面取得了重要成就。氢健康但所开发的催化剂及相关器件的性能与工业应用之间仍存在一定的差距。为了加快PEMWE的发展,深入理解电极反应的动态过程,理论计算和实验的结合,对具有实际应用前景的催化剂的进一步发展,催化剂性能的评价准则,对实验室基础研究中水系模型和实际操作差异的理解,集成膜电极组件的开发需要更多的研究。可再生能源制氢是单独绿色低碳制氢方式,不但能提高电网灵活性,而且可远距离运输和分配可再生能源。上海碱性电解水膜市场前景
虽然阳极催化剂成本在整个电解槽成本中占比不大,但若电解制氢技术大规模普及,其需求量会大幅度上升。山东新型制氢膜技术
在未来前20年中因Ir使用寿命及装置未到报废时限等因素,PEM水电解装置中Ir资源回收利用还没有得到有效实施,因此对新Ir资源需求总量增长较快,到2045年Ir的需求量达到约1.5t?a,小于Ir的产量,因而供给可以满足需求。在2045—2070年,新增PEM水电解装置装机容量不断加大,同时Ir资源的回收利用量也不断加大。由于Ir资源的回收利用,氢健康Ir资源的累计需求增长率增长幅度不断减小,到2070年Ir的需求量为2t左右,增幅不大。因此,按照目前Ir的年产量,未来50年Ir供给可以满足使用需求。山东新型制氢膜技术
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