PEM電解槽
關注創建者：江天可飛 創建時間：2024-10-10
PEM電解槽的實例教程
使用高熱和低熱
管狀固體氧化物電解(SOE)技術利用工業過程中的蒸汽分解為氧氣和氫氣，利用工業過程中的熱量降低分解分子所需的能量水平，從而降低制造氫氣或通過分解二氧化碳分子合成氣體的成本。
管子內外的電極提供分裂分子的能量。陶瓷材料允許氧離子逸出，同時保留氫離子。
圖源：CSIRO
他們說，在800°C的溫度下，該系統比質子交換膜(PEM)電解槽或堿性系統節省30%的電力，或每公斤氫氣消耗約40KWh電力，后者需要消耗約55KWh。
亞當森說，在“較低”的溫度下，即大約200-300°C時，它的效率也能提高20%。
“在基礎研究方面，CSIRO開發的單元本身非常好，所以基礎科學是優秀的，是行業領先的。Hadean正在做的是下一步的工程設計，使其成為工業上可用的商業產品，安全、耐用和規模化。”他說。
這個新系統對兩個級別的熱量都有用。
亞當森說，這意味著擁有過熱蒸汽的公司可以跳過將蒸汽通過渦輪機為PEM電解槽提供動力的額外步驟。
由于蒸汽中含有熱量，這意味著較低的熱量——傳統上必須用冷卻器冷卻，使用這個系統仍然是有效的。
Giddey說，這項技術可以將工業廢熱重新整合到工業過程中，這也消除了儲存和運輸成本，從而減少了工業過程中化石燃料的使用。
與方塊對壘
該系統的對手是方形平面陶瓷電解槽，由美國Bloom Energy和Sunfire等公司生產。
Giddey說，為了擴大尺寸，Hadean的系統更簡單，更容易堆疊在一起，CSIRO設計的制造過程也比平面選擇更簡單，因為方形平面需要使用玻璃之類的材料在邊緣進行相對廣泛的密封。
展開 典型應用場景
PEM電解槽：需要連續監測氧側氫氣，以確保膜的完整性。
堿性電解槽：防止隔膜孔隙堵塞導致氫氧交叉污染。
可再生能源制氫：針對波動電源（如風電、光伏）引起的電解槽不穩定情況，加強氣體監測尤為重要。
標準與合規性
氧中氫分析儀的設計和安裝需遵循國際標準（如ISO 22734、IEC 60079），確保在爆炸性環境中使用的安全性。
1、水電解制氫
水電解制氫是指水分子在直流電作用下被解離生成氧氣和氫氣，分別從電解槽陽極和陰極析出。根據電解槽隔膜材料的不同，通常將水電解制氫分為堿性水電解（AE）、質子交換膜（PEM）水電解以及高溫固體氧化物水電解（SOEC）。國內目前有中科院大連化學物理研究所、中船重工集團718研究所等單位開展PEM水電解制氫技術研究，都尚處于研發階段。
1.1、堿性水電解制氫
堿性水電解制氫電解槽隔膜主要由石棉組成，起分離氣體的作用。陰極、陽極主要由金屬合金組成，如Ni-Mo合金等，分解水產生氫氣和氧氣。工業上堿性水電解槽的電解液通常采用KOH溶液，質量分數20%~30%，電解槽操作溫度70~80℃，工作電流密度約0.25 A/cm2，產生氣體壓力0.1~3.0 MPa，總體效率62%~82%。堿性水電解制氫技術成熟，投資、運行成本低，但存在堿液流失、腐蝕、能耗高等問題。水電解槽制氫設備開發是國內外堿性水電解制氫研究熱點。
1.2、PEM水電解制氫
區別于堿性水電解制氫，PEM水電解制氫選用具有良好化學穩定性、質子傳導性、氣體分離性的全氟磺酸質子交換膜作為固體電解質替代石棉膜，能有效阻止電子傳遞，提高電解槽安全性。
PEM水電解槽主要部件由內到外依次是質子交換膜、陰陽極催化層、陰陽極氣體擴散層、陰陽極端板等。其中擴散層、催化層與質子交換膜組成膜電極，是整個水電解槽物料傳輸以及電化學反應的主場所，膜電極特性與結構直接影響PEM水電解槽的性能和壽命。
展開 為優化和改進質子交換膜(PEM)單元，國家項目ENHIGMA使用Ansys Fluent作為基礎工具來仿真這些單元中的流場，仿真結果將有助于制造出更具成本優勢且更高效耐用的未來PEM電解槽。
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展開 電解水制氫目前技術成熟、設備簡單，運行和管理較為方便，制取氫氣純度較高，無污染，主要有3種技術路線。
堿性電解槽制氫。該種電解槽的結構簡單，適合大規模制氫，價格較便宜，效率偏低約70%~80%，主要設備包括電源、陰陽極、橫膈膜、電解液和電解槽箱體組成，電解液通常為氫氧化鈉溶液，電解槽主要包括單極式和雙極式。
質子交換膜電解槽（PEM Electrolyzer）制氫。效率較堿性電解槽效率更高，主要使用了離子交換技術。電解槽主要由聚合物薄膜、陰陽兩電極組成，由于較高的質子傳導性，電解槽工作電流可大大提高，從而提升電解效率。隨著質子交換膜、電極貴金屬技術進步，PEM電解槽制氫成本將會大大降低。
固體氧化物電解槽（Solid Oxide Electrolyzer）制氫。可在高溫下工作，部分電能可由熱能替代，效率高、成本低，固體氧化物電解槽是三種電解槽中效率最高的設備，反應后的廢熱可與汽輪機、制冷系統進行聯合循環利用，提升效率，可達到90%。
電解水制氫技術路線成熟，目前未大規模推廣關鍵因素為電價問題，以目前工業用電用來制氫成本過高，市場競爭力較差。
光伏發電制氫經濟性分析
傳統方式制氫成本分析
目前市場成熟制氫方式主要包括煤氣化制氫、甲醇制氫、天然氣制氫以及工業副產品制氫。
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典型應用場景
PEM電解槽：需要連續監測氧側氫氣，以確保膜的完整性。
堿性電解槽：防止隔膜孔隙堵塞導致氫氧交叉污染。
可再生能源制氫：針對波動電源（如風電、光伏）引起的電解槽不穩定情況，加強氣體監測尤為重要。
標準與合規性
氧中氫分析儀的設計和安裝需遵循國際標準（如ISO 22734、IEC 60079），確保在爆炸性環境中使用的安全性。
圖源：CSIRO
他們說，在800°C的溫度下，該系統比質子交換膜(PEM)電解槽或堿性系統節省30%的電力，或每公斤氫氣消耗約40KWh電力，后者需要消耗約55KWh。
亞當森說，在“較低”的溫度下，即大約200-300°C時，它的效率也能提高20%。
“在基礎研究方面，CSIRO開發的單元本身非常好，所以基礎科學是優秀的，是行業領先的。
例如，ENHIGMA是一個涉及不同企業以及技術和研究中心的國家項目，該項目采用Ansys技術制造低成本、節能且耐用的質子交換膜(PEM)電解槽和燃料電池。如圖(右)所示，西班牙國家氫能中心(CNH2)研究人員利用Ansys Fluent中的流動仿真優化了PEM電池組。
2014年歐盟提出PEM水電解制氫技術發展目標：第一步開發分布式PEM水電解系統用于大型加氫站，滿足交通用氫需求；第二步生產10、100、250 MW的PEM電解槽，滿足工業用氫需求；第三步開發滿足大規模氫儲能需求的PEM水電解制氫系統。
建議切實推動與氫燃料電池技術產業鏈配套的制氫、儲運氫、加氫站的發展，穩步降低氫氣燃料使用成本；重點發展并應用碳捕獲與封存技術，通過風能、水能、太陽能、生物質能等可再生能源，傳統谷電能實施大規模綠色制氫；對標當前國際先進水平的 2~3 mg/
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催化劑 Pt 載量、3.7美元 /kg 產氫成本的指標，重點采用 PEM 電解槽制氫技術路線，積極發展高溫固體氧化物電解水制氫技術。
質子交換膜電解槽（PEM Electrolyzer）制氫。效率較堿性電解槽效率更高，主要使用了離子交換技術。電解槽主要由聚合物薄膜、陰陽兩電極組成，由于較高的質子傳導性，電解槽工作電流可大大提高，從而提升電解效率。隨著質子交換膜、電極貴金屬技術進步，PEM電解槽制氫成本將會大大降低。
固體氧化物電解槽（Solid Oxide Electrolyzer）制氫。
為優化和改進質子交換膜(PEM)單元，國家項目ENHIGMA使用Ansys Fluent作為基礎工具來仿真這些單元中的流場，仿真結果將有助于制造出更具成本優勢且更高效耐用的未來PEM電解槽。
