广东新型制氢膜技术

质子交换膜电解水可普遍应用于燃料电池、电解水、氯碱工业等领域。PEM燃料电池及电解水发展迅速，国内外市场都呈现出较快的需求增长和广阔的发展前景。从2011年到2019年，PEM燃料电池出货量占比从44.9%进一步提升至82.7%，氢健康可见，全球PEM燃料电池出货量高速增长。依据中国氢能联盟对未来燃料电池系统成本的预测以及美国能源部披露的成本结构，综合测算，燃料电池应用领域每年为质子交换膜电解水带来的市场增量将持续增长，到2025年、2035年和2050年将分别为9.80亿、49.01亿和67.39亿，非常可观。借助创新的实验方法，在揭示酸性介质中动态OER的复杂性和开发高效稳定的电催化剂方面取得了重要成果。广东新型制氢膜技术

不同催化材料的阳极过电势通常为200～500ｍＶ。在高电位、氧化、酸性环境下氢健康，PEM电解槽对阳极催化剂材料的要求极为苛刻，能满足该要求的催化材料但限于某些贵金属。通常，活性越高的金属，其在水电解过程中越容易溶解，稳定性越差。例如：从金属活性角度来讲，金属活性由高到低的顺序为Ｏｓ＞Ｒｕ＞Ｉｒ＞Ｐｔ＞Ａｕ；但从金属稳定性角度来讲，其稳定性由高到低的顺序为Ａｕ＞Ｐｔ＞Ｉｒ＞Ｒｕ＞Ｏｓ。综合活性和稳定性等因素，目前工业上选用的PEM电解槽阳极催化剂以铱黑以及ＩｒＯ2等为主。广东电解水膜设备电解槽可以实现对风电、水电、光伏电等电力能源的调峰运行和对弃电资源的充分利用。

Ｉｒ资源储量能否支撑整个PEM水电解制氢技术的未来发展，成为业内普遍关注的焦点，国外机构对此进行了相关研究预测。按照目前用量水平来计算，膜电极上的Ｉｒ用量为2ｍｇ/ｃｍ2，而膜电极典型运行参数为4Ｗ/ｃｍ2，因而1ＧＷ级PEM电解槽的Ｉｒ用量为500ｋｇ。虽然Ｉｒ阳极催化剂成本在整个电解槽成本中占比不大，但若未来PEM水电解制氢技术大规模普及，其需求量会大幅度上升。目前，全世界Ｉｒ产量少于9ｔ?ａ，因此氢健康在PEM水电解技术大规模应用后，阳极催化剂的成本占比会逐渐提升。

膜电极中析氢、析氧电催化剂对整个水电解制氢反应十分重要。理想电催化剂应具有抗腐蚀性、良好的比表面积、气孔率、催化活性、电子导电性、电化学稳定性以及成本低廉、环境友好等特征。阴极析氢电催化剂处于强酸性工作环境，易发生腐蚀、团聚、流失等问题，为保证电解槽性能和寿命，析氢催化剂材料选择耐腐蚀的Pt、Pd贵金属及其合金为主。现有商业化析氢催化剂Pt载量为0.4~0.6mg/cm2，贵金属材料成本高，阻碍PEM水电解制氢技术快速推广应用。为此降低贵金属Pt、Pd载量，开发适应酸性环境的非贵金属析氢催化剂成为研究热点。从金属稳定性角度来讲，其稳定性由高到低的顺序为Ａｕ＞Ｐt＞Ir＞Ｒｕ＞Ｏｓ。

在技术层面，电解水制氢技术可分为碱性电解水制氢(ALK)、质子交换膜电解水制氢(PEM)、固体氧化物电解水制氢(SOE)和阴离子交换膜电解水制氢（AEM）。其中，碱性电解水技术较为成熟，造价成本也较低；但是与可再生能源适配性较差。氢健康其中，碱性电解水技术较为成熟，但无法快速调节制氢速度，与可再生能源适配性较差。固体氧化物电解水制氢（SOE）采用固体氧化物为电解质材料，适合在高温环境下运作，能效更高，但处于初期示范阶段。阴离子交换膜电解水制氢（AEM）以阴离子交换膜作为电解质隔膜，目前仍处于实验室阶段。PEM电解水技术具有独特优势。无污染、无腐蚀；拥有更高的质子传导性，提升电解效率；同时有更宽的负载范围和更短的响应启动时间，与水电、风电、光伏（发电的波动性和随机性较大）具有良好的匹配性，较适合未来能源结构的发展。固体氧化物电解水制氢采用固体氧化物为电解质材料，适合在高温环境下运作，能效更高，但处于初期示范阶段。上海PEM膜

多数非贵金属会腐蚀并可能与PEM中的磺酸根离子结合，进而降低PEM传导质子的能力。广东新型制氢膜技术

过去5年电解槽成本已下降了40%，但是投资和运行成本高仍然是PEM水电解制氢亟待解决的主要问题，这与目前析氧、析氢电催化剂只能选用贵金属材料密切相关。为此降低催化剂与电解槽的材料成本，特别是阴、阳极电催化剂的贵金属载量，提高电解槽的效率和寿命，是PEM水电解制氢技术发展的研究重点。与碱性水电解制氢相比，PEM水电解制氢工作电流密度更高（˃1A/cm2），总体效率更高（74%~87%），氢健康氢气体积分数更高（>99·99%），产气压力更高（3~4MPa），动态响应速度更快，能适应可再生能源发电的波动性，被认为是极具发展前景的水电解制氢技术。目前PEM水电解制氢技术已在加氢站现场制氢、风电等可再生能源电解水制氢、储能等领域得到示范应用并逐步推广。广东新型制氢膜技术

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