7月19日,艾邦第二屆電解水制氫產業論壇榮幸邀請到賽克賽斯 市場總監 王一偉于現場進行精彩演講,演講議題為《PEM制氫降本和發展展望》。論壇現場,王總介紹了PEM純水電解制氫設備的優勢、現狀及降本增效的方法。
一、PEM電解槽現狀
PEM制氫系統以PEM電解槽為核心,配備了氣液分離裝置、整流罩、氣體監測儀、冷卻水機組、純化系統以及電源電控系統等,共同構成了完整的PEM制氫系統。
PEM 制氫系統的成本構成中,有60%的成本造價集中于PEM電解槽,剩下的輔機包括電源、整流電控和純化設備等占了 40% 的成本。而60%的PEM電解槽成本造價中有50%是膜電極。膜電極中又包含了貴金屬催化劑、質子交換膜這些核心技術。
因此,PEM制氫系統的成本降低和效率提升主要依賴于占總成本 50% 的膜電極。這是PEM制氫技術能否實現大規模市場應用的關鍵因素。通過對PEM兆瓦級電解槽的分析,可以發現PEM系統當前面臨的挑戰現狀包括高性能和高成本、高電密與使用壽命、高壓力與應用場景。
PEM的高性能體現在風光耦合、快速啟停、以及產氫的高純度和高功率等,但這也伴隨著高成本的問題。由于系統中貴金屬成分未得到有效替代,PEM電解槽成本是傳統堿液制氫的4到5倍。
其次是電流密度與使用壽命的關系,目前市場上的PEM和堿性等制氫設備都在提高電流密度。在相同的設備造價基礎上,將電流密度從1A提升到2A,成本可以直接下降 30%至40%。提高電流密度能夠迅速減輕成本壓力,但同時也可能縮短設備的使用壽命。
這表明在工業化運行或項目操作過程中,需要找到電流密度與使用壽命之間的合理性價比或適宜區間,以實現成本與效益的平衡。
PEM系統的輸出壓力較堿性制氫設備有一定優勢,可達3-3.8 MPa,特別適合于天然氣產氫及輸氫管道輸送,這種壓力水平也與城市燃氣管道的常見壓力(約4兆帕)相匹配。
盡管在半導體、人工鉆石及某些醫藥中間體行業中高壓力需求不高,但在能源領域,如二次提純和提壓中PEM電解槽的高壓應用顯得尤為必要。
二、PEM電解槽降本與優化
根據PEM電解槽的現狀,其大規模應用的關鍵在于降低成本和優化性能。目前,成本降低在于優化催化劑體系以降低成本、使用高導電性的支撐材料、替換為高性能的質子交換膜。
1、低貴金屬電催化劑的開發與應用
· 降低制造成本
通過降低貴金屬(鉑銥釕)含量、提高制備工藝效率等方式,可以降低PEM電解槽電催化劑的制造成本,提高產品的市場競爭力。
· 改善穩定性
通過增加非金屬元素摻雜、改善晶體結構等方式,可以改善PEM電解槽電催化劑的穩定性,使其在實際使用過程中更 加穩定和可靠。
· 提高性能
通過調節非貴金屬的電催化活性、增加比表面積等方式,可以提高PEM電解槽電催化劑的性能,降低反應的活化能壘 ,提高反應速率。
2、高導電性支撐材料的設計與制備
· 提高導電性
通過選擇合適的支撐材料、增加催化劑與支撐材料 的接觸面積等方式,可以提高PEM電解槽電催化劑 的導電性,降低反應過程中的電阻損失。
· 增加支撐強度
通過增加支撐材料的強度和韌性、改善制備工藝等 方式,可以提高PEM電解槽電催化劑的支撐強度, 防止催化劑在反應過程中發生破裂或脫落。
· 調節微觀結構
通過調節支撐材料的微觀結構、改變反應物的傳輸 路徑等方式,可以調節PEM電解槽電催化劑的微觀 結構,進一步優化反應物的傳輸和反應過程。
3、質子交換膜結構優化改進
目前,盡管國內許多廠商正在研究質子交換膜,但工業級應用和工業化項目大多仍依賴于美國及其他國家的產品。因此進行質子交換膜的優化、升級和改造工作是非常重要的。
· 選擇性透氣膜
可以通過引入選擇性透氣膜來降低氣體滲透。這種膜只允許反應氣體通過,而阻止其他氣體的滲透。
· 夾層結構
可以通過改變夾層結構來降低氣體滲透。例如,可以引入一種多孔的墊層,將PEM分成多個小區域,降低氣體產物的交叉。
· 氣體擴散系數
可以通過降低氣體擴散系數來降低氣體滲透。這可以通過增加聚合物鏈的剛性、引入增強材料、改善加工條件等方式實現。
4、漿料成分優化與物理性能提升
· 漿料成分的優化
根據需求,調整漿料中的催化劑、載體成分、離聚體和其他附加物料等,以優化其性能。
· 物理性能的提升
通過提高漿料中的顆粒直徑、流變性、Zeta電位等物理性能,可以提升MEA的質量。
· 附加功能的引入
通過引入抗氧化劑、還原劑等附加功能,可以提升MEA的壽命和可靠性。
5、MEA加工工藝措施的改良與優化
· 涂層方法的選擇
根據需求,選擇合適的涂層方法,如電化學沉積法、超聲噴涂法、轉印法等,以優化MEA的催化性能。
· 涂裝設備的改造
根據需求,對現有涂裝設備進行改造,實現輥對輥涂裝等,以滿足工業需求。
· 涂膜質量的監測
建立涂膜質量檢測體系,對涂膜的質量進行實時監測和反饋控制,以確保MEA的質量。
來源:賽克賽斯市場總監王一偉在艾邦第二屆電解水制氫產業論壇演講資料
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堿性電解槽增效解決方案 |
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堿性電解水制氫技術的迭代與未來發展 |
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復合隔膜的設計優化與能效提升 |
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聚砜材料(PES)在堿性電解槽中的應用 |
7 |
氟材料在制氫電解槽中的應用 |
8 |
PEM電解槽膜電極材料的選擇與優化 |
9 |
PEM制氫膜電極制備工藝與自動化技術 |
10 |
PEM電解水制氫技術現狀及發展趨勢 |
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質子交換膜的性能優化與系統設計 |
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陰離子交換膜如何提升制氫能效與經濟性 |
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不同制氫技術場景下制氫電源的選擇策略 |
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雙極板蝕刻工藝技術優化 |
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高性能電極材料的狹縫涂布工藝 |
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制氫隔膜涂布新工藝 |
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原文始發于微信公眾號(艾邦氫科技網):PEM電解槽降本增效五大方法