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电解水制氢技术
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2022/6/16 15:26:33 阅读:66次 【字体:
 
电解水制氢技术

碱性电解水制氢(ALE)、PEM电解水制氢(SPE)、固态氧化物电解水制氢(SOEC)

一、碱性电解水技术
二十世纪开始,德国的Garuti和Schuc Kert提出第一台实用性的单极性电解槽的设计,德国的Schmidt-Oerikon 提出第一台双极性电解槽设计。电解槽的产业化是基于工业用氢的需求。1927年,世界第一台大型压滤式电解槽装置在挪威的诺托登(Notodden)安装,由海德鲁公司(Norsk Hydro)制造,当时的产氢量规模是10000m3/h,生产的纯氢用于化肥生产试验,这是NEL Hydrogen的前身。这一技术到1965年发展到90000m3/h。1939年,世界第一台大型箱式电解槽在加拿大安装,产量规模为17000m3/h;1945年后,世界上已经有近十家电解水企业。1958年印度又安装了26000m3/h压滤式电解槽生产装置;1960年和1977年埃及分别安装了41000m3/h和21600m3/h压滤式电解槽生产装置。1960年以前,电解槽着重在安全、可靠性和操作维护方面进行改进。碱性电解槽发展主要经历了从常压到加压,从石棉隔膜到非石棉隔膜电解槽,从小规模到大规模,目前加压非石棉隔膜的兆瓦级产品成为碱性电解槽的主流产品。1948年Zdansky-Lonza设计了压力电解槽,把电解槽的操作压力提高到30kg/m3,并由Lurgi公司进行制造。1958年产氢量为5000Nm3/h的压力电解槽在秘鲁的库斯科安装。压力电解槽可以降低操作电压,同时亦可以节省压缩消耗的电能,这是一项重大的改进。我国是比较早研究压力电解槽的国家,中船718所于上世纪60年代中期开始研究,并在70年代的时候开始产业化。到2001年,NHEL(NEL前身)的第一个加压电解槽才推出市场。,NEL是1988年在全球最早推出非石棉隔膜电解槽的企业。
碱性电解水技术为工业化应用场景主流的电解制氢技术,为了适应日益增长的规模化的需求,技术水平需要不断提升。
国内外主流厂家和科研院校均将提高电流密度作为优选项。通过提高电流密度可以缩小体积产能比。
目前电流密度
目前市场应用的碱性电解槽的电流密度已经可以达到3000A/㎡-4000 A/㎡。而2021年11月,考克利尔竞立和华能共同研发下线的1300 Nm³/h的电解槽,实现6000A/㎡高电流密度的商业化碱性水电解槽。碱性电解槽的电流密度能够达到8000A/㎡。碱性电解水技术水平不断提升,主流厂家和科研院校均将提高电流密度作为优选项。通过提高电流密度可以缩小体积产能比。

二、PEM电解槽
正在趋于成熟的技术路线是PEM电解槽,是20世纪60年代由燃料电池技术派生出来的一条技术路线,来自于航天器上利用燃料电池的逆反应制氢。最早是GE公司推出用在宇宙飞船的备用系统, 1962年杜邦公司改良了质子膜,20世纪80年代推出民用氢气发生器。1996年以来,美国的Proton OnSite公司开始与联合技术航空航天系统合作,为航空航天和海军开发和制造质子交换膜电解槽,成为全球PEM电解槽行业的龙头。因为PEM电解槽更能适应可再生能源的波动性。2017年,挪威Nel收购美国Proton OnSite获取领先的PEM电解技术,成为世界上最大的电解槽公司;康明斯完成收购Hydrogenics水吉能;2019年阳光电源与中国科学院大连化学物理研究所签订制氢产业化战略合作协议,开始大功率PEM电解制氢技术的产业化研究。目前,PEM水电解制氢已步入商业化阶段,但制约技术大规模发展的瓶颈在于膜电极选用被少数厂家垄断的质子交换膜,阴、阳极催化剂材料需采用铂、铱等贵金属,且电解能耗仍然偏高。PEM电解槽目前的电流密度在10000 A/m²-20000 A/m²。
中科院大连物化所、718研究所对PEM电解槽已有较深的研究,2021年大连物化所与阳光电源合作联合开发250kW(50标方)PEM电解槽,该项目已经开始在鄂尔多斯市伊金霍洛旗展开示范应用。
2018年12月,赛克赛斯首台兆瓦级50m3/h大型纯水电解制氢设备中标佛山市蓝箭电子股份有限公司项目,进入半导体行业;2020年9月,公司承担的国家重点研发计划重点专项“MW级固体聚合物电解质电解水制氢技术”项目完成中期验收,2021年6月首台套兆瓦级PEM制氢系统开机运行。

主流的电解水制氢技术路线包括碱性电解水制氢(ALE)、PEM电解水制氢(SPE)及固态氧化物电解水制氢(SOEC)
比较成熟的是碱性电解槽和PEM电解槽。
,我国自主研发的碱性电解槽也有50年,是目前发展最为成熟、商业化程度最高的电解水制氢方式。碱性电解槽具有技术成熟、单堆规模大、一次性投入设备成本相对比较低、产品使用寿命周期长等优点。价格只有PEM电解槽的1/3-1/5。
不过,碱性电解槽的体积和重量是同等功率PEM电解槽的4倍以上,除了占地面积,流水线加工性也不如PEM电解槽;转换效率相对比较低,一般在60%左右,而PEM在70%以上;
碱性电解槽相对PEM响应速度比较慢,适合的负荷范围比PEM窄,对可再生能源的适应性不如PEM电解槽;
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