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PEM制氢“大标方”考验
日期:2022-07-26   [复制链接]
责任编辑:sy-zhanganjie 打印收藏评论(0)[订阅到邮箱]
摘要:国内PEM制氢设备企业开始往更大标方的方向上 “发力“。

国内PEM制氢设备企业开始往更大标方的方向上 “发力“。

近日,阳光氢能科技有限公司(下称“阳光氢能“)200标方PEM制氢系统启运发货,长春绿动氢能科技有限公司(下称”长春绿动“)“兆瓦级高性能质子交换膜电解制氢装备”项目顺利通过鉴定,国产PEM水电解制氢设备大有向200标方以上迈进的意味。

据了解,PEM电解水制氢设备制氢能力提升主要取决于电解槽,PEM制氢系统向200标方突破背后,PEM电解槽技术的提升才是难点所在,现阶段国内已经成熟应用的PEM电解槽大多在100标方以下,如何突破更大标方、更高功率密度仍是考验。

“PEM电解槽从50标方跨越到200标方,技术难度是几何级增加的。”NEL中国总经理竺炯操告诉高工氢电,PEM电解槽往更大标方的方向发展,在提升制氢能力的同时,意味着材料和制备工艺必须升级。

大标方PEM制氢设备发展现状

从国内主要PEM电解水制氢设备企业近期的表现来看,已经落地的多个项目都在往更大标方的方向发展。

以阳光氢能为例,其近期启运发货的200标方PEM制氢系统,采用国内领先的PEM电解水制氢技术和IGBT制氢电源,利用电厂屋顶光伏为氢能系统提供电力,通过氢站内加氢设备给燃料电池重卡加氢,以达到氢能制、储、加一体化的示范性效果,是国内为数不多制氢系统在氢站制氢的商业化示范项目。

阳光氢能方面表示,该套制氢系统除PEM制氢优势外,还具有智能化程度高的特点,采用智能控制算法与可再生能源波动、间歇性特点相契合兼具高效、经济、安全、智能等优势,有效适用于制、储、加一体化制氢项目。

另一家公司,国氢科技旗下的长春绿动也在7月中旬推出了200标方的PEM制氢系统,该“兆瓦级高性能质子交换膜电解制氢装备”采用集成式制氢产品,由多个电解槽组合而成。

目前,完成运行测试的兆瓦级PEM电解制氢装备已交付“吉林长春中韩示范区可再生能源制氢加氢一体化项目”绿氢示范项目使用,该装备的研发将加快推进PEM制氢研发制造基地建设与产品产业应用,助力国家电投在“绿电一绿氢一绿氨”协同消纳示范应用等方面的优势。

整体来看,我国PEM制氢企业布局中更多聚焦在小型电解槽的生产,这些产品主要应用于氢健康领域。近年来,中船718所、赛克赛斯氢能、阳光氢能、长春绿动等多家国内企业所公布的PEM电解制氢系统的制氢规模突破200标方,不断向大型PEM制氢装备的方向突破。

值得一提的是,目前国内多个公开的兆瓦级PEM电解水制氢项目的制氢系统所用的并非单电解槽,而是多个电解槽组合而成,国内鲜少有企业具备200标方PEM单电解槽的制造能力,无论是技术还是经验,国内企业与国外相比还有较大的差距。

现阶段,国际上具备PEM电解槽设计和制造能力的企业不少,Nel、西门子和康明斯都其中的佼佼者。以Nel公司为例,其历史可以追溯到1927年,公司主要从事氢电解槽制造与加氢站业务,是全球最大的氢电解槽供应商、加氢站供应商。

收购Proton Onsite之后,NEL公司PEM电解水制氢设备涵盖了从1.05Nm³/h到5000 Nm³/h的各种规格型号产品,其目前成熟应用的PEM单电解槽制氢能力可达250Nm³/h。其推出了便于户外使用的集装箱式PEM电解槽产品,可广泛应用于工业、运输和可再生能源制氢等场景。

大标方PEM电解槽的产业化瓶颈待解

现阶段,只有达到兆瓦级的PEM电解水制氢项目才会用上200标方以上的PEM制氢系统,但是由于 PEM电解水制氢设备价格过于昂贵,目前大规模电解水制氢市场基本被碱性电解水制氢设备占据。

目前国内市场成熟应用的碱性电解水制氢设备制氢能力已经突破到1000标方以上,价格也从100万~1000余万元不等,其中1000标方的碱性电解水制氢设备价格大约在1000万元左右。而具备同样制氢能力的PEM电解水制氢设备的价格则是碱性电解水制氢设备的4倍以上。

成本高、价格贵是影响大标方PEM电解水制氢设备的市场应用扩张的主要因素,其主要瓶颈体现在PEM电解槽的核心材料方面。

以PEM电解水制氢所需的膜电极为例,虽然与氢燃料电池所用膜电极的名字相同、原理接近,但两者之间仍存在明显的材料和技术难度差异。

一是所用质子膜的厚度、溶胀率不同。燃料电池质子膜厚度只有8-10微米,溶胀率较低,因此在连续卷对卷涂布时相对容易,质子膜不易出现变形;而电解水制氢所用的质子膜多采用115、117型号的均质膜,厚度在150-200微米之间,相对较厚,溶胀率较高,因此在涂布时,质子膜可能会出现溶胀、变形等情况。因此,电解水膜电极的涂布设备需要特殊的设计,不能直接利用燃料电池膜电极的涂布装备。

二是所用的催化剂及催化剂沉降情况不同。燃料电池膜电极使用的催化剂为铂碳,比重小不易在浆料中出现沉降现象;水电解所用催化剂为氧化铱,比重大且没有载体,因此在制作浆料过程中易出现聚集及沉降现象。

当PEM电解槽往更大标方的方向拓展时,所面临的材料和制造工艺难题就会成倍增加。

“单电解槽往更高功率密度的方向发展,水热管理、流场管理和密封都是较大的挑战,也大大提高了在制造工艺方面的要求。” 竺炯操表示,就膜电极来说,与大标方PEM电解槽相适配的膜电极尺寸明显变大,这对膜电极的涂布是极大的考验。表面积成倍的增加,不是简单的调整设备参数就能解决的,如何保证生产的一致性和稳定性,需要对生产设备和工艺有足够深刻的理解。

好消息是,中国的PEM电解水制氢设备企业们正在跑步追赶。高工氢电获悉,国内的某PEM电解水制氢设备企业近期已经研发出了150标方PEM单电解槽,由这样2个150标方的电解槽所组成的300标方PEM制氢系统已经交付客户验证中。 

原标题:PEM制氢“大标方”考验
 
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来源:高工氢电网
 
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