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贏創(chuàng)全新膜技術(shù)膜技術(shù)有望突破綠色制氫商業(yè)化瓶頸
導(dǎo)讀：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(guān)重要。目前，贏創(chuàng)成功開發(fā)了一種新型陰離子交換膜(AEM)，有望突破綠色制氫的現(xiàn)有瓶頸。
【塑料機械網(wǎng) 塑料時訊】氫氣既是化學工業(yè)的關(guān)鍵原材料，也可作為一種無碳燃料，用于工業(yè)、交通領(lǐng)域。“綠色制氫”指利用可再生能源發(fā)電，通過水電解制得氫能。這是一種綠色、清潔的能源生產(chǎn)方式，可以實現(xiàn)能源生產(chǎn)的“去碳化”。
然而，相比大部分工業(yè)制氫采用的碳基能源(例如甲烷)蒸汽重整工藝，綠色制氫的成本居高不下。盡管利用可再生能源發(fā)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(guān)重要。目前，贏創(chuàng)成功開發(fā)了一種新型陰離子交換膜(AEM)，有望突破綠色制氫的現(xiàn)有瓶頸。
“憑借這一創(chuàng)新膜技術(shù)，我們希望實現(xiàn)綠色制氫的商業(yè)化，并使其具備經(jīng)濟效益和高效率。”贏創(chuàng)戰(zhàn)略創(chuàng)新部門Creavis，負責膜技術(shù)創(chuàng)新的Oliver Conradi表示。
現(xiàn)有技術(shù)的缺陷
堿性水電解制氫(AEL)是現(xiàn)有工藝中應(yīng)用廣泛的一種。在高濃度氫氧化鉀溶液中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學反應(yīng)。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(jié)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(yīng)產(chǎn)物，避免其重新結(jié)合引起爆炸，在電解槽的陽極與陰極之間需設(shè)置一層隔膜。為了讓氣體通過，AEL采用多孔結(jié)構(gòu)的隔膜，因而限制了設(shè)備在受壓條件下的操作。
為了方便存儲或運輸，制成的氫氣需進行壓縮，因此會產(chǎn)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多可承受600毫安電流。
另一項技術(shù)是質(zhì)子交換膜(PEM)電解制氫。在這一技術(shù)中，質(zhì)子交換膜不僅用于分隔反應(yīng)產(chǎn)物，還可以使電解池的設(shè)計更緊湊，因其由導(dǎo)電聚合物組成，而電極位于膜的兩側(cè)，待電解的水流經(jīng)陽極，產(chǎn)生的氫離子從陽極側(cè)穿過質(zhì)子交換膜到達陰極，在陰極反應(yīng)后生成氫氣分子。
相比AEL系統(tǒng)，PEM電解槽不僅能承受更高的電流密度，還能應(yīng)對更大的負載波動。由于這一技術(shù)可以在受壓條件下實現(xiàn)，后續(xù)氫氣壓縮所消耗的能量也更少。盡管PEM系統(tǒng)在技術(shù)上具有一定優(yōu)勢，但投資成本高昂。
“PEM在酸性條件下反應(yīng)，電解系統(tǒng)的材料需要具備優(yōu)異的耐腐蝕性能，且需要鉑、銥等貴金屬制成的催化劑；而電解小室需由鈦甚至鉑鈦制成。” Conradi解釋。
贏創(chuàng)陰離子交換膜：結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢
與AEL或PEM工藝相比，贏創(chuàng)的陰離子交換膜(AEM)電解結(jié)合了兩者的優(yōu)勢。AEM電解槽的結(jié)構(gòu)與PEM相似：由離子傳導(dǎo)塑料制成的膜(又稱離聚物)將電極分隔于膜的兩側(cè)。電極同樣由離聚物制成，并摻入催化劑顆粒。“
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(yīng)將在堿性的環(huán)境中進行。水在陰極被電解，并生成氫氣。AEM電解技術(shù)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(fā)工作已取得初步進展，實驗室的重點仍是優(yōu)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(xù)優(yōu)化膜的聚合物配方，還需定制開發(fā)一款用于該膜的電極粘結(jié)劑。” Conradi說道。此外，團隊還在進一步優(yōu)化涂敷等工藝，以實現(xiàn)膜材料的量產(chǎn)。
贏創(chuàng)的目標是開發(fā)整套電解系統(tǒng)，從而實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模制氫。為此，公司正與其他伙伴積極展開合作。在這一名為CHANNEL的研究項目中，包括電解槽開發(fā)商Enapter、能源公司殼牌，德國于利希研究中心、挪威科技工業(yè)研究所在內(nèi)的企業(yè)和研究機構(gòu)將基于贏創(chuàng)的膜技術(shù)，設(shè)計、搭建并測試AEM電解系統(tǒng)。相關(guān)技術(shù)驗證模型有望在2022年推出。
在中國，這一技術(shù)也引起了不少興趣。目前，贏創(chuàng)正積極尋求本地合作伙伴，推進相關(guān)研究進程。
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