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制氢电解槽加油干与看一看
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2023/5/24 11:25:11 阅读:108次 【字体:
 

制氢电解槽加油干与看一看
关键词:电解槽,电极、隔膜、极板、碱性电解(ALK)、质子交换膜电解(PEM) 、固体氧化物电解(SOEC)、阴离子交换膜(AEM)

描述:电解槽结构相对简单、技术成熟度高,目前国内已有40余家厂商推出了制氢电解槽,进入制氢行业早的企业在加油干,加班生产,扩产提速扩大产能,进入晚的企业在看一看,等市场机遇,等自己产品成熟。
技术热线:13812683169 


    电解水制氢是利用水的电解反应制备氢气的技术,可再生电力制氢称为“绿氢”,电解水制氢步入快速成长期,电解槽装机和扩产提速步入高速成长期。电解槽是电解水制氢的主要设备。经历了一定时间的技术布局和产业链发展,制氢电解槽装机步入快速成长阶段、
   碱式电解槽结构相对简单、技术成熟度高,目前国内已有超过40余家厂商推出了碱式电解槽,其中公布规模达1000 Nm3/h及以上电解槽也已有数十家,其结构与性能多数大同小异,行业“内卷”严重。氢能产业的快速发展对电解槽产品提出了更高的要求,碱式制氢电解槽其结构、材料等方面的设计仍有较大的空间,碱性制氢电解槽即将进入技术及市场竞争阶段。

碱式制氢电解槽
诸多碱性电解槽产品,其结构、性能并没有区别。国内碱性电解槽的可以概括为。当前碱槽都以高产氢量为主攻方向,技术路线为增大电极面积、增加小室数量。堆量方案使得电解槽的体积与重量越来越大,继续使用此方案增大产氢量,将面临运输与维护成本过高、电解液密封性变差、反向电流腐蚀加剧等问题
核心零部件电极、隔膜、极板等材质类似国内碱式电解槽是拉杆式圆柱形电解槽,双极板为圆形结构,电极基底为镍网,催化剂为镍基合金,隔膜为聚苯硫醚(PPS)膜。
产业链成本下降
电解槽电流密度、直流电耗、电解效率等不具明显区别。碱性电解槽的零部件大多数质量较高的碱性电解槽直流电耗多在4.0-4.3 kWh/Nm3H2左右、电解产氢效率在75%左右、最低工作负载范围多在20%以上,且都是10 bar以上中高压运行。
碱性电解槽发展
辅助管理系统、电解槽结构、核心材料等多个维度均是碱性电解槽突破的方向。辅助管理系统直接关系到电解槽的动态控制能力,是风光电力波动性适应能力及安全生产等的重要保证。 辅助管理系统包括制氢电源设备、智能管理系统、新型氢气检测器、离网制氢方案等,可达成平抑风光电力波动、电解槽高效启停、快速投切等目标,使电解槽更加适应可再生能源制氢项目需求。
电解槽的结构关系到空间利用水平、流场分布情况等多个方面,是降低电解槽体积、电阻的重要方向。结构设计需要大量的实践数据积累支撑,
隔膜是造成电解槽的内阻与额外能量损失的重要部位,大电流密度下影响更大。隔膜电阻越大,电流密度越高,造成的欧姆能量损失越严重。国内电解槽多使用二代PPS膜,30℃下面电阻在1.0 Ω/cm2以上,而国外三代复合隔膜仅在在0.1~0.3 Ω/cm2之间;另一方面,国产三代复合隔膜在0.4 Ω/cm2左右,与国外也有较大差距,减小隔膜电阻是提高碱槽电流密度必须攻克的方向,
电极材料
碱性电解槽电极材料推动新一代碱性电解槽的出现。电极材料的上限是碱性电解槽性能上限的核心所在。电极过电位大、动力学性能差是当前国内碱性电解槽电流密度低、直流电耗高、电解效率低的主要原因,甚至碱性槽响应慢、负载范围小、体积过大也与此有关。另一方面,当前电极材料的优化空间极大,且可行性高。电解槽大多使用相对廉价的简单镍基材料,析氢过电位极高(200 mV@100A/m2左右),而科研院所及催化剂专精企业对制氢电极材料已有数十年的技术积累,有大量性能更高(过电位100 mV以下)、成本更低的成果尚未进入应用。而且,备受关注的铂基材料的过电位可低至30 mV,制氢能耗预计可降低10%以上。
阴极使用贵金属催化剂具有成本可行性,或成破局关键
贵金属电极材料可提高电流密度与产氢量,大幅削减相同产氢量下电解槽所需的电极面积,节省极板、隔膜、密封圈等成本。
电解槽产氢量不变的情况下,使用铂催化剂将电流密度提高一倍,可近似节省一半的极板、密封圈、隔膜成本;新型非贵金属阳极材料值得更多关注
国内碱性电解槽阳极多采用镍基合金,制氧的过电位在300 mV以上,造成的能量损失甚至超过阴极析氢,
碱性电解槽提高单槽产氢量的初步发展阶段,技术门槛低,各厂商的产品存在高度同质化的问题,制氢能耗、电解效率等都还有待提高。着重于制氢管理系统、结构、核心零部件等的优化提升,新的差异化竞争格局,隔膜和电极材料会成为下一代碱性电解槽的核心突破方向。
 电解水制氢路线
• 电解水制氢主要有碱性电解(ALK)、质子交换膜电解(PEM) 、固体氧化物电解(SOEC)和阴离子交换膜(AEM)四种方法。
• 碱性电解(ALK)是在碱性电解质溶液(通常为KOH)中完成的电解过程,OH-离子经隔膜到达阳极,失去电子产生O2,水在阴极得到电子,产生H2和OH-。
• 质子交换膜电解(PEM)是对纯水进行电解,H2O分子在阳极氧化生成氧气和H+离子,H+(质子)在电场作用下通过质子交换膜迁移至阴极并发生还原反应生成氢气的方法。
• 固体氧化物电解(SOEC)是在高温状态下将水蒸气电离生成氢离子和氧离子,分别在电极上生成氢气和氧气的过程,其反应温度通常在600℃以上,适用于产生高温、高压蒸汽的光热发电系统。
• 阴离子交换膜电解(AEM)通常采用纯水或低浓度碱性溶液作为电解质,反应过程为:OH-经交换膜到达阳极生成水和氧气,水分子在阴极生成OH-和氢气。
电解水制氢各有千秋
• 碱性电解(ALK)特点:
− 优势:目前技术最成熟、设备成本低
− 局限:有腐蚀液体;运维成本高;理论效率低于PEM、SOEC等路线;较难应用于间歇性电源
• 质子交换膜电解(PEM)特点:
− 优势:间歇性电源适应性高,易于与风光等可再生能源结合;运维成本低
− 局限:设备成本高;需使用贵金属催化剂
• 固体氧化物电解(SOEC)特点:
− 优势:理论效率高;可使用非贵金属催化剂
− 局限:高温环境反应,应用场景有限;处于实验室研发阶段,尚未实现产业化
• 阴离子交换膜电解(AEM)特点:
− 优势:兼具碱性和PEM的优势:材料成本低;电解液为稀碱液或水,腐蚀性低,且无需贵金属催化剂
4 碱性电解路线成熟,PEM成长性强,
 从电解槽的装机容量来看,碱性电解是目前的主流路线,PEM路线成长迅速。碱性电解是目前最成熟的路线,
•PEM、SOEC、AEM方案具有优良的降本增效潜力。提高电流密度是降低电解槽设备单位投资成本的关键因素,但电流密度的提升通常伴随着电解槽电压的升高,从而导致电解效率下降。未来技术成熟后存在替代空间。
4.3 碱性电解槽:由电解小室堆叠而成,电极、隔膜和密封垫片是关键材料
• 电解槽是电解水制氢的核心设备。电解水制氢装置包括主体设备、辅助设备(BOP,Balance of Plant)及电控设备三部分。主体设备由电解槽和附属设备一体化框架组成,电解槽为核心设备;辅助设备包括水箱、碱箱、补水泵和气体减压分配框架等;电控设备包括整流柜,配电柜等。电解槽是电解反应发生的主要场所,由多个电解小室堆叠而成,是一种高度模块化的系统。
• 碱性电解槽由多个电解小室构成,电极、隔膜和密封垫片是关键材料。碱性电解槽通常呈圆柱形,可采用串联单极性或并联双极性压滤式结构,由螺栓和两块端压板将极板夹在一起,形成多个分隔的小室,每个小室由电极、隔膜、垫片、双极板组成。电极、隔膜和密封垫片是碱性电解槽的关键材料。电极通常采用镍网或泡沫镍,其性能对电流密度和电解效率有决定性影响,其成本约占系统成本的28%;隔膜用于将两极隔离开,要求保障气密性的同时,降低电阻以减少电能损耗;密封垫片用于解决极片之间的绝缘问题,其绝缘性能对电解效率、安全、系统使用寿命均有影响。
 PEM电解槽:结构和性能优势突出,材料成本较高
•PEM电解系统主要由电解槽和辅助系统(BOP)组成。电解槽是电解反应制氢的核心装置,辅助系统则用于原材料(水)的处理、系统循环和氢气产物的干燥纯化等,主要包括电源供应系统、氢气干燥纯化系统、去离子水系统和冷却系统等部分。
•PEM电解槽采用质子交换膜作为电解质,结构和性能具有一定优势。PEM电解槽同样由多个电解单元堆叠而成,每个单元均由质子交换膜、催化剂、气体扩散层和双极板构成。PEM电解槽使用质子交换膜作为固体电解质,替代了碱性电解槽使用的隔膜和液态电解质(KOH溶液),内阻更小、内部结构更为紧凑,电解效率大幅提高,规模选择也更为灵活;PEM电解采用纯水而非碱液作为电解原料,产氢纯度较碱性制氢更好。然而,PEM电解在强酸性环境下进行,需使用贵金属催化剂,导致成本较高。
PEM电解槽:质子交换膜依赖进口,有待国产突破
PEM电解槽关键原材料有待国产化。目前,国内PEM电解槽产业规模较小,主要原因为关键材料质子交换膜生产技术由欧美、日本等巨头垄断,国内电解槽厂商使用的质子交换膜主要向杜邦进口,成本和供应链均面临一定压力。


风光制绿氢模式
风光联合供电制氢占据主流。风电+光伏联合供电,对应绿氢产能共32.86万吨/年,风光联合供电项目占比高,部分由于本次统计包含了1月内蒙古公示的15个风光制氢一体化示范项目(11个为风光一体,4个为风电),内蒙古作为国内绿氢基地发展的主要省份,风电资源较为丰富,部分影响了绿氢项目的电源选择。同时,由于风光发电时段存在互补,风光联合制氢有助于延长每日制氢时长、降低耗电成本,助力绿氢项目显现经济性。

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