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在已經(jīng)進(jìn)入綠氫時(shí)代的今天，用“氫”作為綠色能源載體的想法已經(jīng)并不新鮮，水電解制氫已經(jīng)存在了兩百年。
然而，與石油和天然氣等一次能源相比，其成本較高，限制了其大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。目前從碳基能源的轉(zhuǎn)移使綠色氫重新成為焦點(diǎn)，特別是作為一種替代能源載體的應(yīng)用，對電氣化具有挑戰(zhàn)性，如重型車輛運(yùn)輸和工業(yè)。
氫有潛力以經(jīng)濟(jì)有效的方式使這些部門脫碳，這就是為什么世界上的主要經(jīng)濟(jì)體已經(jīng)撥出數(shù)十億美元來開發(fā)綠色氫的關(guān)鍵技術(shù)。在歐盟(EU)，歐洲氫工業(yè)協(xié)會(huì)宣布這一消息時(shí)，“歐洲綠色協(xié)議”的基礎(chǔ)將氫作為優(yōu)先重點(diǎn)。目標(biāo)是到2030年部署80萬千瓦的綠色氫氣生產(chǎn)能力。
與此同時(shí)，二氧化碳價(jià)格的不斷上漲，可再生能源成本的不斷下降，電解電池成本的不斷下降，使得綠色氫越來越容易實(shí)現(xiàn)。根據(jù)國際能源署(iea)的數(shù)據(jù)，到2030年，低烴天然氣的需求將接近每年800萬噸。
電解——邁向低成本綠色氫氣的關(guān)鍵
綠色氫是通過水解產(chǎn)生的，水解是一種將水和可再生能源轉(zhuǎn)化為氫和氧的技術(shù)。生產(chǎn)綠色氫氣的成本很大程度上取決于可再生能源的成本。盡管LCOE顯著降低，電解效率進(jìn)一步提高，但這在未來不會(huì)改變。第二個(gè)最重要的成本驅(qū)動(dòng)因素是資本支出:2020年電池系統(tǒng)成本約為1000美元/ kW，學(xué)習(xí)率約為15%，預(yù)計(jì)到2030年成本降低約60%(見圖1)。
資本支出的減少主要是由于工業(yè)化和部件和系統(tǒng)制造的自動(dòng)化(規(guī)模經(jīng)濟(jì))和技術(shù)創(chuàng)新。僅催化劑涂層就占系統(tǒng)總成本的11%左右。降低鉑負(fù)載量和開發(fā)具有成本效益的膜是降低成本和釋放綠色氫市場潛力的關(guān)鍵。
1MW電解槽的預(yù)期電解槽學(xué)習(xí)曲線和2020年資本支出分割
聚合物膜——綠色氫氣的成本和性能驅(qū)動(dòng)因素
膜是電解電池和燃料電池中最重要的成本和性能驅(qū)動(dòng)因素之一，它占整個(gè)系統(tǒng)成本的很大份額，決定了系統(tǒng)的效率、功率密度和壽命。膜的主要工作是引導(dǎo)離子，同時(shí)保護(hù)系統(tǒng)免受電氣短路的影響，然而，oem也關(guān)注許多其他關(guān)鍵性能指標(biāo)，如氣體穿越，水管理，尺寸穩(wěn)定性，化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性。聚合物電解質(zhì)膜(PEM)通常由聚合物主鏈和帶負(fù)電荷的離子交換基團(tuán)組成?？梢蕴砑宇~外的添加劑和增強(qiáng)劑，以提高穩(wěn)定性和減少氣體穿越。
水電解用質(zhì)子交換膜的工作原理
在電解和燃料電池中使用最廣泛的一類膜是基于全氟磺酸(PFSA)的膜，這是一種昂貴的全氟離聚物，由四氟乙烯和全氟乙烯磺酰醚共聚而成。生產(chǎn)路線的高度復(fù)雜性和中間體的毒性限制了降低成本的潛力，減緩了產(chǎn)能的擴(kuò)大。事實(shí)上，世界上只有少數(shù)制造商加工合成PFSA所需的高爆炸性前體。為了降低傳統(tǒng)PFSA膜的成本，人們制定了各種策略。
例如，W.L. Ore將PFSA離聚物與成本較低的聚四氟乙烯(PTFE)混合，直接降低了PFSA要求，增強(qiáng)了膜，并減少了氣體穿過。戈?duì)栠x擇?膜已成為最先進(jìn)的燃料電池材料，并廣泛應(yīng)用于著名的豐田Mirai汽車。其他幾家PFSA薄膜開發(fā)公司也采用了類似的“硬化”方法，如Chemours(以前的杜邦公司)、3M、Solvay和engineer Laboratories?；蛘?，可以使用非氟化或部分氟化聚合物來降低生產(chǎn)成本。例子包括ballard Power Systems的前BAM系列和BASF的Celtec?——系列。盡管有許多商業(yè)膜技術(shù)，仍然需要具有可與PFSA相媲美的性能和耐久性水平的低成本膜。
綠氫膜市場的切入點(diǎn)
進(jìn)入綠色氫膜市場需要市場和技術(shù)專長。技術(shù)專長理想地涵蓋不同領(lǐng)域，如聚合物制造，化學(xué)合成和薄膜加工。因此，綠色氫膜為各種新進(jìn)入者提供了市場機(jī)會(huì):
1. 聚合物制造商:各種含氟聚合物和聚烯烴可作為燃料電池和電解電池膜的聚合物主鏈和增強(qiáng)材料。聚合物可以直接功能化或與離子聚合物混合以產(chǎn)生離子電導(dǎo)率。
2. 化學(xué)/工程材料參與者:膜或膜前體的制造和功能化可以利用在其他(專門)化學(xué)生產(chǎn)過程和工程材料中使用的各種基礎(chǔ)設(shè)施。
3.薄膜/箔加工行業(yè):綠色氫薄膜通常通過溶液鑄造或擠壓生產(chǎn)，以達(dá)到微米厚度。
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