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      新技術路線即將打開電解槽降本增效空間

      2022-03-31 11:30
      香橙會
      關注

      氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》發布后,全社會對氫儲能的期待進一步提升,同時對產業的認知需求也更為迫切。3月25日,香橙會研究院邀請三家電解水制氫設備創業企業開展線上討論,以下是整場研討會實錄。

      嘉賓分享前,香橙會研究院研究總監黃奕博士對國內外氫儲能行業發展情況做了分享。

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      氫儲能行業格局:國外在運營9座,我國7座

      氫能作為一種媒介,通過“可再生能源發電-水電解制氫-氫燃料電池發電”的能量轉換過程,能有效解決可再生能源的波動性和間歇性,起到穩定電網的作用。

      水電解制氫與氫燃料電池互為逆反應,與氫燃料電池結構完全一致,關鍵零部件都是雙極板、膜電極等,差異主要在體現在材料體系,尤其是PEM電解槽;谶@種特性的便利,不少燃料電池企業正在將業務范疇延伸至PEM電解槽。

      氫儲能具備規模大、周期長、可跨季節儲能等突出優勢,將與電化學儲能互補,共同構成兩種主要儲能方式。

      據香橙會研究院統計,截止至2021年底,主要發達國家在運營氫儲能設施已有9座,電解槽裝機量合計17.33MW。其中,最大的兩處均在德國,電解槽裝機量為6,000kW;另有兩處氫儲能設施在建,電解槽裝機量合計2.8MW。

      我國在建和示范運行的氫儲能設施共有7座。其中,位于張家口在建的“張家口200MW/800MWh氫儲能發電項目”是目前全球規模最大的氫儲能項目,將安裝80套5,000kW電解槽,項目建設期為2年,預計2023年投入運行。

      2

      氫克新能源:PEM電解槽氣體擴散層和催化劑上的創新

      氫克新能源是一家PEM電解槽領域的新兵,創始團隊聚集了催化化學、流體力學、工業設計、工藝工程、供應鏈管理等專業領域優秀人士,人均擁有10年以上豐富產業或研發經驗,各學科充分融合。

      傳統鈦纖維氈結構氣體擴散層內部孔隙結構復雜,沒有規律性,導致氣體和水在其內部的流體阻力較大,流體通過性較差,影響了整個電解反應的效率;鈦纖維氈表面孔隙不規則,導致在其與膜電極表面催化劑層的接觸為線接觸,接觸效率低,活性點位少,降低了析氧催化反應的速度;鈦纖維氈表面孔隙較大且孔徑大小不一、為了防止質子交換膜在陰陽極高壓差下產生剪切破壞,需使用比孔徑更大的厚度的質子交換膜,膜越厚,內阻也越大。

      針對以上問題,氫克創業團隊提出了高有序化直通孔結構陽極氣體擴散層結構,可低成本規;慨a。

      高有序化直通孔結構氣體擴散層示意圖

      氫克的首創方法做出鈦板厚度200~300微米,它的孔隙的密度可以達到每平方米1億個以上,具有流體通過性優、活性點位多、過電勢低等優點。新型氣體擴散層大幅增強PEM膜的抗剪應力能力,同等壓力差下,可使用更薄的PEM膜。

      PEM電解槽陽極反應環境苛刻,強酸、強腐蝕,對陽極析氧催化劑酸穩定性要求極高。析氧反應是PEM電解水的瓶頸反應,析氧過電勢是影響反應效率的最主要因素,要求陽極催化劑具有較高的催化活性。銥金屬產量少,價格貴。依賴傳統二氧化銥催化劑,預計2030年裝機30GW電解槽時需要15到30噸銥,是目前年產量的2-4倍,低銥含量催化劑是必然方向。

      氫克團隊創新性地開發了低銥高效析氧催化劑,具備量產能力。

      降本增效之路是PEM電解槽研發的永恒話題。電解槽電堆研發方向是降低每萬小時壽命下每瓦成本(元/W萬小時),也即單位面積電流密度越高、電堆壽命越長、各組件成本越低,電解槽的整體成本越低。

      隨著電流密度的提高,單位面積單片功率會提高,預計未來五年,功率密度將從現在真實工況下的2-3W/cm2左右提高到6W/cm2甚至以上。隨著催化劑和雙極板、氣擴層工藝的提升,預計電堆的壽命將提高6萬小時以上。最終,隨著產業化應用而進行規;慨a,將引導電堆成本大規模降低。

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