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膜企业商机

Ir资源储量能否支撑整个PEM水电解制氢技术的未来发展,成为业内普遍关注的焦点,国外机构对此进行了相关研究预测。按照目前用量水平来计算,膜电极上的Ir用量为2mg/cm2,而膜电极典型运行参数为4W/cm2,因而1GW级PEM电解槽的Ir用量为500kg。虽然Ir阳极催化剂成本在整个电解槽成本中占比不大,但若未来PEM水电解制氢技术大规模普及,其需求量会大幅度上升。目前,全世界Ir产量少于9t?a,因此氢健康在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。通过提升催化剂、膜电极技术,以及电解槽整体技术,大幅度降低Ir的用量。河北燃料电池膜制取

对于负载催化剂,金属-载体相互作用和基底的导电性至关重要。酸性OER材料发展,并强调从机理分析性能提高.对金属性质(合金,单原子等)催化剂,氧化物(钌/铱氧化物,非贵金属氧化物),金属氧酸盐类(钙钛矿,烧绿石,其它氧酸盐类),其它无机金属和非金属材料进行周到综述。在酸性介质中贵金属Ru和Ir基催化剂具有优异的活性和可应用性,优于其他铂族金属(如Rh、Pd和Pt).尽可能多地暴露活性位点,提高本征活性,氢健康以尽量减少贵金属消耗,同时兼顾长期运行的稳定性是催化剂设计必须面临的问题。河北燃料电池膜制取PEM燃料电池出货量占比从44.9%进一步提升至82.7%,可见,全球PEM燃料电池出货量高速增长。

吸附氧化机理(AEM)和晶格氧反应机理(LOM)是在酸性介质中被认为较合理的两种机理。催化剂通过哪一机理发生催化反应,选择单位点还是双位点途径和材料本身的电子结构有着密切关系,结晶度好的氧化物几乎没有缺陷,倾向于采用AEM,在单个活性金属位点上通过*OOH中间体,即所谓的酸碱途径,或者在两个相邻的金属位点上,氢健康通过*O中间体,即O-O直接耦合途径.而在具有丰富氧空位的无定形金属氧化物和一些具有高金属氧共价的钙钛矿中,晶格氧机理发生在遭受水亲核攻击的单个活性氧位点或通过两个相邻反应晶格氧原子的直接耦合,产生的氧空位将被水分子或大量氧原子补充,同时由此产生的不饱和金属位点更容易溶解,带来催化剂稳定性问题。

在技术层面,电解水制氢技术可分为碱性电解水制氢(ALK)、质子交换膜电解水电解水制氢(PEM)、固体氧化物电解水制氢(SOE)和阴离子交换膜电解水制氢(AEM)。其中,碱性电解水技术较为成熟,造价成本也较低;但是氢健康与可再生能源适配性较差。其中,碱性电解水技术较为成熟,但无法快速调节制氢速度,与可再生能源适配性较差。固体氧化物电解水制氢(SOE)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。阴离子交换膜电解水制氢(AEM)以阴离子交换膜作为电解质隔膜,目前仍处于实验室阶段。PEM电解水技术具有独特优势。无污染、无腐蚀;拥有更高的质子传导性,提升电解效率;同时有更宽的负载范围和更短的响应启动时间,与水电、风电、光伏(发电的波动性和随机性较大)具有良好的匹配性,较适合未来能源结构的发展。从金属稳定性角度来讲,其稳定性由高到低的顺序为Au>Pt>Ir>Ru>Os。

不同于碱性水电解和PEM水电解,高温固体氧化物水电解制氢采用固体氧化物为电解质材料,工作温度800~1000℃,制氢过程电化学性能明显提升,效率更高。SOEC电解槽电极采用非贵金属催化剂,阴极材料选用多孔金属陶瓷Ni/YSZ,氢健康阳极材料选用钙钛矿氧化物,电解质采用YSZ氧离子导体,全陶瓷材料结构避免了材料腐蚀问题。高温高湿的工作环境使电解槽选择稳定性高、持久性好、耐衰减的材料受到限制,也制约SOEC制氢技术应用场景的选择与大规模推广。PEM水电解制氢技术具备快速启停优势,能匹配可再生能源发电的波动性,逐步成为P2G制氢主流技术。由于资源的回收利用,资源的累计需求增长率不断减小,到2070年Ir的需求量为2t左右,增幅不大。上海Fumatech膜

理想电催化剂应具有抗腐蚀性、良好的比表面积、电子导电性、电化学稳定性以及成本低廉、环境友好等特征。河北燃料电池膜制取

作为媒介氢气促进可再生能源时空再分布,助力电力系统与难以深度脱碳的工业、建筑和交通运输部门建立起产业联系,不断丰富氢气的应用场景。这也为PEM水电解制氢技术带来巨大的发展空间。相比PEM水电解,AEM水电解选用固体聚合物阴离子交换膜作为隔膜材料,膜电极催化剂、双极板材料可选性更宽广,未来突破阴离子交换膜和高活性非贵金属催化剂等关键材料有望明显降低电解槽制造成本。氢健康应用推广方面,当下电力系统中波动性可再生能源份额不断上升,未来几十年这一趋势仍将延续。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,支持可再生能源更大规模的发展。河北燃料电池膜制取

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