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淺述堿性電解水核心改善方向

 更新時間:2023-09-22    點擊量:271

在電解系統層面,主要有兩種策略來實現更低的成本:

電堆設計和電堆組成:包括使用不那么緊缺的材料,重新設計電堆以實現更高的效率(即制取氫氣時更低的電力成本),更高的耐用性(更長的使用壽命來攤提的設備投資成本)和增加電流密度(更高的生產率,即每單位投資能產出更多的氫氣)。

增加模塊尺寸:這可以為工廠BOP組件帶來規模經濟。該策略應考慮在小模塊尺寸與大模塊尺寸之間進行權衡,前者(小模塊兒尺寸)可實現大規模制造、標準化和復制;后者(大模塊兒尺寸)以更少的部署單元和更少的部署知識(經驗、學習)為代價,BOP易實現更大的成本降低。

關于堿性電解槽的電堆,重點關注的是電極和隔膜。雙極板和PTL(多孔傳輸層)的優先級較低,因為它們是基于涂有鎳的不銹鋼板,這已經是重要的,且具有成本效益的組件了。將PTL集成到電極和隔膜中的策略對于降低成本也至關重要,如下所述:

1)增加電流密度:電堆的電流密度可以從0.5 A/cm2增加到更先進的2-3 A/cm2。然而,這種電流密度的增加不能以降低效率為代價。


一些制造商也已經實現了更高的電流密度,現在可以使用電極隔膜封裝,在 2 伏 (V)下提供高達 1.2 A/cm2 的性能范圍。2-3 W/cm2的功率密度可以通過展示更薄的堿性電解槽隔膜或膜來實現。與PEM一樣,堿性電解槽也需要提高其電壓效率水平,減少歐姆損耗并增加電極動力學。


2)減少隔膜厚度:這可以提高效率,減少電力消耗。隔膜越薄,從陰極到陽極輸送OH的阻力就越低。然而,最終,這是以更高的氣體滲透率為代價的,這導致了更大的安全問題。另一個缺點是耐久性較低,因為在隔膜上形成針孔的可能性較高,而且機械穩健性較差??傮w而言,隔膜厚度應達到接近PEM和AEM的值(現狀大約在100μm左右,未來會更低)。

目前用于PEM的膜尺寸約為125-175微米(μm),有可能減小到20 μm或更低。低于這一點(對于PEM),效率效益有限。對于堿性電解槽,電流隔膜厚度約為500 μm左右。將其減小到50 μm將有助于在1 A/cm2時將效率從53%提高到75%(見下圖)。


不同隔膜厚度堿性電解槽電壓(越高,效率越低)與電流密度(電密越高,產量越高)的關系


3)將催化劑成分和電極結構重新設計為具有高比表面積的電極:盡管使用廉價且廣泛使用的鎳基催化劑作為電極,但堿性電解槽傳統上在擺脫基礎的或陳舊的電極設計并實現更高的析氫和析氧反應效率方面遇到了許多挑戰。與其他技術的效率差異很小,更好的設計可實現更高的效率。


除了傳統上用Raney-Ni催化劑(鎳鋁[Ni-Al]或鎳鋅[Ni-Zn])增加表面積之外,其他要點被認為是具有中等難度的挑戰。此外,任何新穎的概念仍然需要保持長期的耐用性,要能與目前的鍍鎳的不銹鋼孔板相媲美。這就是為什么Raney-Ni電極沒有大規模商業化部署的原因,至少沒有大規模的電極,因為它們在長期運行中存在一些關鍵的耐用性方面(低機械穩定性),并且由于使用昂貴的制造工藝技術,成本更高。(說明:目前來看一些Raney-Ni配方加上熱噴涂工藝(或者優化后的熱噴涂工藝)在性能和壽命上取得了初步的比較正向的績效。)新穎的PTL概念:堿性電解槽在使用高效PTL方面(可能是基于鎳材的)也沒有很好地發展。(目前多數采用鎳絲網,可以考慮泡沫鎳,鎳氈等多孔有序結構優化物。)這在優化這些方面尤其如此,以減少質量傳輸限制(例如,氣泡阻力,困在堿性PTL內),以及優化保護涂層替代方案,以減少陽極側的界面阻力。



文章來源:氫眼所見

注:已獲得轉載權

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