有望降低电解水制氢成本的全新膜技术

作者:李军 文章来源:PT塑料网 发布时间:2021-04-01
碱性水电解(AEL)和质子交换膜(PEM)电解是现有的两种绿色制氢方法,但它们均存在着一定的技术缺陷,如在受压下操作受限、仅适于低电流密度以及电解槽成本极其高昂等。为了解决此问题,赢创开发了一种阴离子交换膜(AEM),利用具有这种膜的电解槽制氢有望降低电解水制氢的成本,并提高电解效率和电解可靠性。

在能源需求增加和自然资源匮乏的背景下,氢能技术被视为能源转型的新希望。氢气既是化学工业的关键原材料,也可作为一种无碳燃料,用于工业、交通领域。“绿色制氢”指利用可再生能源发电,通过水电解制得氢能。这是一种绿色、清洁的能源生产方式,可以实现能源生产的“去碳化”。然而,相比大部分工业制氢采用的碳基能源(例如甲烷)蒸汽重整工艺,绿色制氢的成本居高不下。尽管利用可再生能源发电的成本较低,但电解槽的投资成本相对高昂。

赢创开发的膜技术有望成为绿色制氢商业化的突破口

赢创开发的膜技术有望成为绿色制氢商业化的突破口

离子交换膜是电解槽的核心部件,对电解效率和电解可靠性至关重要。目前,赢创成功开发了一种新型阴离子交换膜(AEM),有望突破绿色制氢的现有瓶颈。“凭借这一创新膜技术,我们希望实现绿色制氢的商业化,并使其具备经济效益和高效率。”赢创战略创新部门Creavis,负责膜技术创新的Oliver Conradi表示。

现有技术的缺陷

碱性水电解制氢(AEL)是现有工艺中应用最广泛的一种。在高浓度氢氧化钾溶液中通入直流电,水分子在电极上发生电化学反应:水分子在阴极分解成氢离子(H+)和氢氧离子(OH-),氢离子与来自阴极的电子结合形成氢气,氢氧离子则到达阳极,生成氧气和水。为了确保分隔开反应产物,避免其重新结合引起爆炸,在电解槽的阳极与阴极之间需设置一层隔膜。为了让气体通过,AEL采用多孔结构的隔膜,因而限制了设备在受压条件下的操作。为了方便存储或运输,制成的氢气需进行压缩,因此会产生额外的能源消耗。此外,多孔膜仅适用低电流密度,即每平方厘米的膜表面最多可承受600mA电流。

另一项技术是质子交换膜(PEM)电解制氢。在这一技术中,质子交换膜不仅用于分隔反应产物,还可以使电解池的设计更紧凑,因其由导电聚合物组成,而电极位于膜的两侧,待电解的水流经阳极,产生的氢离子从阳极侧穿过质子交换膜到达阴极,在阴极反应后生成氢气分子。相比AEL系统,PEM电解槽不仅能承受更高的电流密度,还能应对更大的负载波动。由于这一技术可以在受压条件下实现,后续氢气压缩所消耗的能量也更少。尽管PEM系统在技术上具有一定优势,但投资成本极其高昂。“PEM在酸性条件下反应,电解系统的材料必须具备优异的耐腐蚀性能,且需要铂、铱等贵金属制成的催化剂。而电解小室必须由钛甚至铂钛制成。” Conradi解释道。

赢创阴离子交换膜:结合现有技术优势

与AEL或PEM工艺相比,赢创的阴离子交换膜(AEM)电解结合了两者的优势。AEM电解槽的结构与PEM相似:由离子传导塑料制成的膜(又称离聚物)将电极分隔于膜的两侧。电极同样由离聚物制成,并掺入催化剂颗粒。“与PEM不同的是,AEM的电解槽可以依靠镍基等非贵金属催化剂,从而有效减少材料成本。”Conradi说。同AEL工艺,AEM的反应将在碱性的环境中进行。水在阴极被电解,并生成氢气。AEM电解技术的其他特点还包括可承载高电流密度、效率高、灵活性强。

尽管研发工作已取得初步进展,实验室的重点仍是优化膜的配方。“影响其效率的一个重要因素是膜与电极之间的接触电阻。为了使电阻尽可能小,我们需要在膜与电极之间建立良好的离子连接。所以,我们不仅需要继续优化膜的聚合物配方,还需订制开发一款用于该膜的电极粘结剂。” Conradi说道。此外,团队还在进一步优化涂敷等工艺,以实现膜材料的量产。

赢创的目标是开发整套电解系统,从而实现可再生能源大规模制氢。为此,公司正与其他伙伴积极展开合作。在这一名为CHANNEL的研究项目中,包括电解槽开发商Enapter、能源公司壳牌,德国于利希研究中心以及挪威科技工业研究所在内的企业和研究机构将基于赢创的膜技术,设计、搭建并测试AEM电解系统。相关技术验证模型有望在2022年推出。而在中国,这一技术也引起了不少兴趣。目前,赢创正积极寻求本地合作伙伴,推进相关研究进程。

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