因此,單純從規模和用量來看,Ir資源儲量難以維持行業的發展,必須對現有的PEM水電解技術進行完善和升級。一方面,可以通過提升催化劑、膜電極技術,以及電解槽整體技術,大幅度降低Ir的用量;另一方面,可以有效回收Ir資源,使其回收利用率達90%以上。Christine等分別分析了保守情況和樂觀情況下未來50年PEM水電解行業對Ir資源需求量的變化情況,氫健康保守情況下,即PEM電極的Ir負載量保持0.33g?kW不降低,則2045年前Ir的累計需求增長率與Ir有效回收情況的累計需求增長率相同。按照目前用量水平來計算,1GW級PEM電解槽的Ir用量為500千克。陰離子交換膜制氫方法
陰離子交換膜(AEM)水電解、堿性水電解(ALK)以及高溫固體氧化物(SOEC)水電解等4種水電解制氫技術的性能對比。氫健康可知:在各種水電解制氫技術中,AEM技術成熟度低,目前還無法實現大規模應用,但是由于其不使用貴金屬催化劑,同時兼具PEM和ALK制氫的優點,未來將會成為取代PEM制氫的替代技術;SOEC制氫技術由于固體氧化物的壽命和制氫規模的限制,暫時未達到工業應用程度,但其制氫效率高,未來具有穩定連續大規模制氫的潛力;ALK技術具備成本低、產氫規模大、技術成熟度高等優點,是目前應用較廣的水電解制氫技術,但是存在負荷調節幅度小、啟動響應慢、需要堿液處理過程等缺點,特別不適合可再生能源電力波動性的特點,只能從電網取電制氫。廣東堿性電解水膜成本是多少降低催化劑與電解槽的材料成本,是PEM水電解制氫技術發展的研究重點。
在未來前20年中因Ir使用壽命及裝置未到報廢時限等因素,PEM水電解裝置中Ir資源回收利用還沒有得到有效實施,因此對新Ir資源需求總量增長較快,到2045年Ir的需求量達到約1.5t?a,小于Ir的產量,因而供給可以滿足需求。在2045—2070年,新增PEM水電解裝置裝機容量不斷加大,同時Ir資源的回收利用量也不斷加大。由于Ir資源的回收利用,氫健康Ir資源的累計需求增長率增長幅度不斷減小,到2070年Ir的需求量為2t左右,增幅不大。因此,按照目前Ir的年產量,未來50年Ir供給可以滿足使用需求。
在技術層面,電解水制氫主要分為AWE、PEM水電解,固體聚合物陰離子交換膜(AEM)水電解、固體氧化物(SOE)水電解。其中,AWE是較早工業化的水電解技術,已有數十年的應用經驗,較為成熟;PEM電解水技術近年來產業化發展迅速,SOE水電解技術處于初步示范階段,而AEM水電解研究剛起步。氫健康從時間尺度上看,AWE技術在解決近期可再生能源的消納方面易于快速部署和應用;但從技術角度看,PEM電解水技術的電流密度高、電解槽體積小、運行靈活、利于快速變載,與風電、光伏(發電的波動性和隨機性較大)具有良好的匹配性。隨著PEM電解槽的推廣應用,其成本有望快速下降,必然是未來5~10a的發展趨勢。SOE、AEM水電解的發展則取決于相關材料技術的突破情況。根據電解槽隔膜材料的不同,通常將水電解制氫分為堿性水電解以及高溫固體氧化物水電解(SOEC)。
在技術層面,電解水制氫技術可分為堿性電解水制氫(ALK)、質子交換膜電解水制氫(PEM)、固體氧化物電解水制氫(SOE)和陰離子交換膜電解水制氫(AEM)。其中,堿性電解水技術較為成熟,造價成本也較低;但是與可再生能源適配性較差。氫健康其中,堿性電解水技術較為成熟,但無法快速調節制氫速度,與可再生能源適配性較差。固體氧化物電解水制氫(SOE)采用固體氧化物為電解質材料,適合在高溫環境下運作,能效更高,但處于初期示范階段。陰離子交換膜電解水制氫(AEM)以陰離子交換膜作為電解質隔膜,目前仍處于實驗室階段。PEM電解水技術具有獨特優勢。無污染、無腐蝕;擁有更高的質子傳導性,提升電解效率;同時有更寬的負載范圍和更短的響應啟動時間,與水電、風電、光伏(發電的波動性和隨機性較大)具有良好的匹配性,較適合未來能源結構的發展。利用西北、西南、東北等區域豐富的可再生能源,通過電解水制氫產生高壓氫。廣東AEM膜公司
氫能的應用除了可以減少碳排放、助力碳達峰,還可以通過氫與二氧化碳反應制成有機化學品,實現碳中和。陰離子交換膜制氫方法
陽極反應過電勢與陰極反應過電勢的大小,是水電解制氫效率高低的主要影響因素之一,通常陽極反應過電勢遠遠高于陰極反應過電勢。PEM水電解制得的氫氣純度高,而且其制氫負荷可以實現在0~1之間智能連續自動化控制,因而PEM水電解制氫逐步取代了傳統的堿水制氫和氫氣瓶組等方式。由于氫氣可以大規模長時間存儲,相對于其他儲能方式,在時間尺度和規模尺度上均有明顯優勢;結合可再生能源電力的波動性,可以充分發揮氫氣的儲能優點,并實現大規模低成本制氫。在PEM水電解過程中,電解槽陽極的析氧反應是該過程的速控步驟。陰離子交換膜制氫方法
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