質(zhì)子交換膜與堿液制氫機(jī)優(yōu)劣性比較

時(shí)間：2019-07-03作者：深圳文圣科技有限公司瀏覽：602

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按照電解質(zhì)性質(zhì)的不同，電解水制氫技術(shù)主要分為三種：堿液、質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM）和固體氧化物水電解技術(shù)。固體氧化物電解技術(shù)因其工作溫度過高，限制了電解材料的選擇、密封和運(yùn)行控制，為此始終無法得到應(yīng)用和推廣。除了固體氧化物電解技術(shù)，另外兩種電解技術(shù)都在一定程度上被應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)中，尤其是堿液電解技術(shù)，作為歷史較久、技術(shù)較成熟、成本較低的電解水制氫技術(shù)，目前使用也較為廣泛。PEM水電解槽能在高電流密度下工作，體積小，效率高，生成的氫氣純度可高達(dá)99.999%，被認(rèn)為是較有發(fā)展前景的水電解技術(shù)。
近段時(shí)間，國內(nèi)市場上PEM制氫機(jī)的發(fā)展勢頭漸強(qiáng)，國內(nèi)很多商家大力宣傳國產(chǎn)的PEM制氫機(jī)，使很多用戶誤以為PEM水電解技術(shù)已經(jīng)完全成熟，鑒于此種情況，我們認(rèn)為有必要進(jìn)行一下澄清，以免用戶在選擇制氫機(jī)的時(shí)候產(chǎn)生盲目性。下面，我們從各個(gè)方面對堿液氫氣發(fā)生器和質(zhì)子交換膜純水氫氣發(fā)生器進(jìn)行了分析和對比。
1. 堿液制氫機(jī)售價(jià)便宜，PEM制氫機(jī)售價(jià)是國外制氫機(jī)兩倍
堿液電解技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段已經(jīng)非常成熟，早期堿液電解槽普遍使用了石棉膜作為隔膜，隨著石棉的致癌性被發(fā)現(xiàn)歐美等**國家先后棄用了石棉膜，開始使用較為環(huán)保的離子膜。 堿液電解槽的槽體結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，制造材料也便宜易得，因此整體的造價(jià)相對便宜，價(jià)格比較容易被制氫機(jī)用戶接受。
質(zhì)子交換膜電解技術(shù)的**是質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜應(yīng)具備優(yōu)異的化學(xué)、熱力學(xué)穩(wěn)定性和良好的質(zhì)子傳導(dǎo)性，同時(shí)，膜表面與催化劑的適配性要好，便于有效阻止氣體的擴(kuò)散，阻隔氫氣和氧氣接觸。目前，使用較為廣泛的是杜邦公司的Nafion膜，Nafion膜具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是價(jià)格昂貴，提升了PEM水電解技術(shù)的成本。在PEM電極結(jié)構(gòu)中，受限于電解液的強(qiáng)酸性，要求電極材料必須有耐蝕性和穩(wěn)定性，作為催化劑的金屬幾乎完全限制在貴金屬及其合金上，目前廣泛使用的析氫催化劑為鉑系金屬及其合金。盡管近年來研究者使用涂覆法在多孔電極上涂覆鉑金屬催化劑薄層以提高催化劑活性表面積并降低鉑金屬使用量，已經(jīng)大大降低了成本，但受限于Nafion膜與鉑金屬催化劑的昂貴，質(zhì)子交換膜氫氣發(fā)生器造價(jià)仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)**堿液氫氣發(fā)生器。目前，在產(chǎn)氣量同等的基礎(chǔ)上，一臺質(zhì)子交換膜氫氣發(fā)生器的售價(jià)約為堿液氫氣發(fā)生器的兩倍。
2. 堿液氫氣發(fā)生器技術(shù)成熟，質(zhì)子膜氫氣發(fā)生器仍在實(shí)驗(yàn)室研究階段
堿液氫氣發(fā)生器的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，這是目前水電解制氫行業(yè)公認(rèn)的事實(shí)，并且數(shù)十年來，堿液氫氣發(fā)生器在各行各業(yè)都有著非常多的應(yīng)用實(shí)例。PEM氫氣發(fā)生器是近幾年來人們在不斷降低制造成本的情況下終于有了商業(yè)應(yīng)用實(shí)例，但由于制造材料的昂貴與技術(shù)上的限制，使其始終沒有得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在商業(yè)出售的PEM水電解制氫機(jī)產(chǎn)氣量大約在1-10m3/h（采用多臺并聯(lián)的方式），壓力為0-3Mpa，單臺電解槽較大不過2NM3/H，不管是從產(chǎn)氣量還是氫氣輸送壓力上來說，PEM制氫機(jī)都不能比肩堿液制氫機(jī)。較大規(guī)模的商用PEM水電解制氫機(jī)目前只有少數(shù)幾個(gè)研究單位有樣機(jī)。
在實(shí)際應(yīng)用方面只有加拿大氫能Hydrogenics公司在德國E.ON公司項(xiàng)目及丹麥的Hobro項(xiàng)目，單臺PEM電解槽可達(dá)200Nm3/hr 
3. 堿液制氫機(jī)電解槽使用壽命8-15年，PEM制氫機(jī)2年以上。
由于PEM制氫機(jī)在技術(shù)和制造工藝上的不成熟，運(yùn)行時(shí)電流波動(dòng)較大，在電解槽中進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生更多的雜質(zhì)，雜質(zhì)的存在使貴金屬催化劑活性降低，降低了電解效率的同時(shí)縮短了電解槽的壽命。目前階段PEM電解槽的壽命一般為2年以上，而技術(shù)相對成熟的堿液電解槽的壽命為8-15年。
4. PEM對水質(zhì)的要求較為苛刻
PEM電解槽和堿液電解槽都需要對自來水進(jìn)行去離子化后才能使用，現(xiàn)在市場上的PEM制氫機(jī)對純水的要求是電阻率達(dá)到1MΩ.cm，而用戶比較熟悉的堿液制氫機(jī)對純水的要求是電阻率一般達(dá)到0.2 MΩ.cm即可，由此可見PEM制氫機(jī)對水質(zhì)的要求略為苛刻一些。
綜上所述，我們認(rèn)為，PEM水電解技術(shù)作為目前較新的水電解制氫技術(shù)，由于受到制造材料昂貴與技術(shù)不成熟的限制，在現(xiàn)階段還無法得到大范圍的推廣和應(yīng)用。目前對于用戶來說，比較好的選擇是技術(shù)相對成熟的堿液氫氣發(fā)生器。但是，PEM制氫機(jī)畢竟是水電解技術(shù)的發(fā)展趨勢，我們對PEM水電解技術(shù)的未來充滿期待。


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