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贏創全新膜技術膜技術有望突破綠色製氫商業化瓶頸
來源:雅式橡塑網    作者:Chun Cheng    日期:2020.11.13

氫氣既是化學工業的關鍵原材料,也可作為一種無碳燃料,用於工業、交通領域。“綠色製氫”指利用可再生能源發電,通過水電解製得氫能。這是一種綠色、清潔的能源生產方式,可以實現能源生產的“去碳化”。

 

然而,相比大部分工業製氫採用的碳基能源(例如甲烷)蒸汽重整工藝,綠色製氫的成本居高不下。盡管利用可再生能源發電的成本較低,但電解槽的投資成本相對高昂。

 

離子交換膜是電解槽的核心部件,對電解效率和電解可靠性至關重要。目前,贏創成功開發了一種新型陰離子交換膜(AEM),有望突破綠色製氫的現有瓶頸。

 

“憑借這一創新膜技術,我們希望實現綠色製氫的商業化,並使其具備經濟效益和高效率。”贏創戰略創新部門Creavis,負責膜技術創新的Oliver Conradi表示。


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贏創開發的膜技術,有望降低電解水製氫的成本。 


現有技術的缺陷

 

堿性水電解製氫(AEL)是現有工藝中應用最廣泛的一種。在高濃度氫氧化鉀溶液中通入直流電,水分子在電極上發生電化學反應。在陰極,水分子在陰極分解成氫離子(H+)和氫氧離子(OH-),氫離子與來自陰極的電子結合形成氫氣,氫氧離子則到達陽極,生成氧氣和水。

 

為了確保分隔開反應產物,避免其重新結合引起爆炸,在電解槽的陽極與陰極之間需設置一層隔膜。為了讓氣體通過,AEL採用多孔結構的隔膜,因而限製了設備在受壓條件下的操作。

 

為了方便存儲或運輸,製成的氫氣需進行壓縮,因此會產生額外的能源消耗。此外,多孔膜僅適用低電流密度,即每平方厘米的膜表面最多可承受600毫安電流。

 

另一項技術是質子交換膜(PEM)電解製氫。在這一技術中,質子交換膜不僅用於分隔反應產物,還可以使電解池的設計更緊湊,因其由導電聚合物組成,而電極位於膜的兩側,待電解的水流經陽極,產生的氫離子從陽極側穿過質子交換膜到達陰極,在陰極反應後生成氫氣分子。

 

相比AEL系統,PEM電解槽不僅能承受更高的電流密度,還能應對更大的負載波動。由於這一技術可以在受壓條件下實現,後續氫氣壓縮所消耗的能量也更少。盡管PEM系統在技術上具有一定優勢,但投資成本極其高昂。

 

“PEM在酸性條件下反應,電解系統的材料必須具備優異的耐腐蝕性能,且需要鉑、銥等貴金屬製成的催化劑;而電解小室必須由鈦甚至鉑鈦製成。” Conradi解釋。

 

贏創陰離子交換膜:結合現有技術優勢

 

與AEL或PEM工藝相比,贏創的陰離子交換膜(AEM)電解結合了兩者的優勢。AEM電解槽的結構與PEM相似:由離子傳導塑料製成的膜(又稱離聚物)將電極分隔於膜的兩側。電極同樣由離聚物製成,並摻入催化劑顆粒。“

 

與PEM不同的是,AEM的電解槽可以依靠鎳基等非貴金屬催化劑,從而有效減少材料成本。”Conradi說。同AEL工藝,AEM的反應將在堿性的環境中進行。水在陰極被電解,並生成氫氣。AEM電解技術的其他特點還包括可承載高電流密度、效率高、靈活性強。

 

盡管研發工作已取得初步進展,實驗室的重點仍是優化膜的配方。“影響其效率的一個重要因素是膜與電極之間的接觸電阻。為了使電阻盡可能小,我們需要在膜與電極之間建立良好的離子連接。所以,我們不僅需要繼續優化膜的聚合物配方,還需定製開發一款用於該膜的電極粘結劑。” Conradi說道。此外,團隊還在進一步優化塗敷等工藝,以實現膜材料的量產。

 

贏創的目標是開發整套電解系統,從而實現可再生能源大規模製氫。為此,公司正與其他夥伴積極展開合作。在這一名為CHANNEL的研究項目中,包括電解槽開發商Enapter、能源公司殼牌,德國於利希研究中心、挪威科技工業研究所在內的企業和研究機構將基於贏創的膜技術,設計、搭建並測試AEM電解系統。相關技術驗證模型有望在2022年推出。

 

在中國,這一技術也引起了不少興趣。目前,贏創正積極尋求本地合作夥伴,推進相關研究進程。

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