1、水電解制氫
在技術層面,電解水制氫主要分為堿性水電解(AWE)、質子交換膜水電解(PEMWE),固體聚合物陰離子交換膜(AEMWE)水電解、固體氧化物(SOEC)水電解,其相關特性見表1:
表1 主要水電解方式指標對比*
*引自中國科學院潔凈能源創新研究院
相比其他電解水技術,PEM能在高電流密度下工作,體積小、效率高,生成的氫氣純度可高達99.9999%,并且PEMWE能夠實現較寬功率的負載(5~200%),與可再生能源發電系統耦合性好。
因此,PEMWE是極具發展前景的綠色制氫技術路徑。目前,PEMWE的瓶頸環節在于成本和壽命。
電解槽成本中,雙極板約占28%,膜電極約占72%(100MW)。PEMWE國際先進水平為:單電池性能為2 A·cm–2@1.9 V,總鉑系催化劑載量為 2~3 mg/cm2 ,穩定運行時間為 4×104 ~8×104 h,制氫成本約為每公斤氫氣3.7 美元。
降低 PEMWE成本的研究集中在以催化劑、質子交換膜為基礎材料的膜電、雙極板等核心組件。
過去10年全球加速推進可再生能源PEM電解水制氫示范項目建設,示范項目數量和單體規模呈現逐年擴大的趨勢。
PEM水電解制氫已邁入10 MW級別示范應用階段,100 MW級別的PEM電解槽正在開發,NEL-Proton、SIEMENS、ITM Power等公司在技術與裝備制造方面處于領先。
美國、歐盟是全球發展P2G的重點地區,且制定了詳細發展規劃。
2014年歐盟提出PEM水電解制氫技術發展目標:第一步開發分布式PEM水電解系統用于大型加氫站,滿足交通用氫需求;第二步生產10、100、250 MW的PEM電解槽,滿足工業用氫需求;第三步開發滿足大規模氫儲能需求的PEM水電解制氫系統。
2015年SIEMENS、Linde Group等公司在德國美因茨能源園區投資建設全球首套MW級風電PEM水電解制氫示范項目,氫氣供應當地加氫站、工業企業,富余氫氣直接注入天然氣管網。當可再生電力價格低于3歐分/kWh,項目啟動PEM水電解制氫設備,反之上網發電。煉油、化工、鋼鐵等碳密集型行業也是PEM水電解制氫的重要應用場景。
電化學沉積法是將貴金屬前驅體還原至質子交換膜的兩側,CCS法將催化劑活性組分直接涂覆在轉印膜上,通過熱壓轉印至質子交換膜兩側,而CCM法則將催化劑活性組分直接涂覆在質子交換膜兩側。
與CCS法相比,CCM法催化劑與膜結合力更好,降低膜與催化層間的質子傳遞阻力,是膜電極制備的主流方法。在CCS法和CCM法基礎上,發展了噴涂法及涂布法成為研究熱點并具備應用潛力(表2)。
新制備方法從多方向、多角度改進膜電極結構,克服傳統方法制備膜電極存在的催化層催化劑顆粒隨機堆放,氣體擴散層孔隙分布雜亂等結構缺陷,改善膜電極三相界面的傳質能力,提高貴金屬利用率,提升膜電極的電化學性能。
表2 膜電極制備方法對比