|
|
|
|
|
| 质子交换膜（PEM）水电解制氢 |
| 双击自动滚屏 |
发布者：zq1229 发布时间：2021/5/14 16:02:22 阅读：685次 【字体：大 中 小】 |
|
| |
质子交换膜（PEM）水电解制氢
PEM 水电解制氢、PEM 材料、电催化剂、膜电极制备、质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等、膜电极
PEM水电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等。其中扩散层、催化层与质子交换膜组成膜电极，是整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所，膜电极特性与结构直接影响PEM水电解槽的性能和寿命。作为水电解槽膜电极的核心部件，质子交换膜不仅传导质子，隔离氢气和氧气，而且还为催化剂提供支撑，其性能的好坏直接决定水电解槽的性能和使用寿命。
PEM 水电解制氢
PEM水电解制氢选用具有良好化学稳定性、质子传导性、气体分离性的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代石棉膜，能有效阻止电子传递，提高电解槽安全性。
PEM水电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等。其中扩散层、催化层与质子交换膜组成膜电极，是整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所，膜电极特性与结构直接影响PEM水电解槽的性能和寿命。
PEM水电解制氢工作电流密度高（˃1 A/cm2），总体效率更高（74%~87%），氢气体积分数更高（>99.99%），产气压力更高（3~4 MPa），动态响应速度更快，能适应可再生能源发电的波动性，被认为是极具发展前景的水电解制氢技术。目前PEM水电解制氢技术已在加氢站现场制氢、风电等可再生能源电解水制氢、储能等领域得到示范应用并逐步推广。
过去5年电解槽成本已下降了40%，但是投资和运行成本高仍然是PEM水电解制氢亟待解决的主要问题，这与目前析氧、析氢电催化剂只能选用贵金属材料密切相关。为此降低催化剂与电解槽的材料成本，特别是阴、阳极电催化剂的贵金属载量，提高电解槽的效率和寿命，是PEM水电解制氢技术发展的研究重点。
PEM 水电解制氢应用进展
可再生能源加速发展使得大规模消纳可再生能源成为突出问题。Power-to-Gas（P2G）将可再生能源发电转化为氢气，可提高电力系统灵活性，正成为可再生能源发展和应用的重要方向。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。
PEM 材料
作为水电解槽膜电极的核心部件，质子交换膜不仅传导质子，隔离氢气和氧气，而且还为催化剂提供支撑，其性能的好坏直接决定水电解槽的性能和使用寿命。目前水电解制氢所用质子交换膜多为全氟磺酸膜，制备工艺复杂，长期被美国和日本企业垄断，如科慕Nafion™系列膜、陶氏XUS-B204膜、旭硝子Flemion®膜、旭化成Aciplex®-S膜等。其中科慕Nafion™系列膜具有低电子阻抗、高质子传导性、良好的化学稳定性、机械稳定性、防气体渗透性等优点，是目前电解制氢选用最多的质子交换膜。
长期被国外少数厂家垄断，质子交换膜价格高达几百~几千美元/m2。为降低膜成本，提高膜性能，国内外重点攻关改性全氟磺酸质子交换膜、有机/无机纳米复合质子交换膜和无氟质子交换膜。全氟磺酸膜改性研究聚焦聚合物改性、膜表面刻蚀改性以及膜表面贵金属催化剂沉积3种途径。
Ballard公司开发出部分氟化磺酸型质子交换膜BAM3G，热稳定性、化学稳定性、机械强度等指标性能与Nafion™系列膜接近，但价格明显下降，有可能替代Nafion™膜。通过引入无机组分制备有机/无机纳米复合质子交换膜，使其兼具有机膜柔韧性和无机膜良好热性能、化学稳定性和力学性能，成为近几年的研究热点。另外选用聚芳醚酮和聚砜等廉价材料制备无氟质子交换膜，也是质子交换膜的发展趋势。
电催化剂
膜电极中析氢、析氧电催化剂对整个水电解制氢反应十分重要。理想电催化剂应具有抗腐蚀性、良好的比表面积、气孔率、催化活性、电子导电性、电化学稳定性以及成本低廉、环境友好等特征。
阴极析氢电催化剂处于强酸性工作环境，易发生腐蚀、团聚、流失等问题，为保证电解槽性能和寿命，析氢催化剂材料选择耐腐蚀的Pt、Pd贵金属及其合金为主。现有商业化析氢催化剂Pt载量为0.4~0.6 mg/cm2，贵金属材料成本高，阻碍PEM水电解制氢技术快速推广应用。为此降低贵金属Pt、Pd载量，开发适应酸性环境的非贵金属析氢催化剂成为研究热点。
膜电极制备
除了降低催化剂贵金属载量，提高催化剂活性和稳定性外，膜电极制备工艺对降低电解系统成本，提高电解槽性能和寿命至关重要。根据催化层支撑体的不同，膜电极制备方法分为CCS法和CCM法。
CCS法将催化剂活性组分直接涂覆在气体扩散层，而CCM法则将催化剂活性组分直接涂覆在质子交换膜两侧，这是2种制作工艺最大的区别。与CCS法相比，CCM法催化剂利用率更高，大幅降低膜与催化层间的质子传递阻力，是膜电极制备的主流方法。
在CCS法和CCM法基础上，近年来新发展起来的电化学沉积法、超声喷涂法以及转印法成为研究热点并具备应用潜力。新制备方法从多方向、多角度改进膜电极结构，克服传统方法制备膜电极存在的催化层催化剂颗粒随机堆放，气体扩散层孔隙分布杂乱等结构缺陷，改善膜电极三相界面的传质能力，提高贵金属利用率，提升膜电极的电化学性能。
PEM水电解制氢已步入商业化早期，制约技术大规模发展的瓶颈在于膜电极选用被少数厂家垄断的质子交换膜，阴、阳极催化剂材料需采用贵金属以及电解能耗仍然偏高。解决上述难题是PEM水电解制氢技术进一步发展与推广的关键。为此发展新型水电解技术成为新趋势，基于融合碱性水电解和PEM水电解各自优势的研究思路，采用碱性固体电解质替代PEM的碱性固体阴离子交换膜（AEM）水电解制氢技术成为新方向。
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显著降低电解槽制造成本。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。可再生能源制氢是唯一绿色低碳制氢方式，不仅能提高电网灵活性，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。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。
|
|
|
|
|
|
|
|
