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赢创全新膜技术膜技术有望突破绿色制氢商业化瓶颈
来源:雅式橡塑网    作者:Chun Cheng    日期:2020.11.13

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。

 

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。


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赢创开发的膜技术,有望降低电解水制氢的成本。 


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。在阴极,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600毫安电流。

 

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。

 

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,还需定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、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。

 

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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