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《中國煤化工》
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電解水制氫遭遇關鍵材料供應的挑戰
作者: | 來源:國家煤化工網 | 時間:2022-07-18

    電解水制氫是在直流電下將水分子分解為氫氣和氧氣,分別在陰、陽極析出。電解水制氫主要有3種技術路線:堿性電解(AWE)、質子交換膜(PEM)電解和固體氧化物(SOEC)電解。

    目前,堿性電解水制氫技術最為成熟、成本最低,更具經濟性,已被大規模應用。固體氧化物電解水制氫目前以技術研究為主,尚未實現商業化。PEM電解水制氫技術已實現小規模應用,且適應可再能源發電的波動性,效率較高,發展前景好。

    PEM電解裝置相比于堿性電解裝置的優勢,包括操作更為靈活、輸出壓力較高、尺寸更小等,但其投資成本較高,且使用壽命較短。PEM電解裝置使用的材料成本高,因此前期投入高,這是其推廣的一大障礙。

    PEM電解裝置的雙極板使用鍍金或鍍鉑的鈦材料,電堆核心也要使用稀有金屬?紤]到陽極側容易氧化,為增強耐用性,還要使用銥這種地球上最稀有的金屬。陰極側常使用鉑,不過鉭有望成為替代材料。

    電池單元使用的稀有金屬占PEM電解系統整體成本的近10%,稀有金屬已成為推廣PEM電解技術的瓶頸,其原因不是稀有金屬成本高,而是因為供應鏈局限性較大。

    目前,全球鉑金屬的年產量約為200噸,通過回收汽車和電氣設備使用的鉑可增加約20%的產量。假設全球所有的鉑都用于電解水制氫裝置,那么未來10年全球可再部署2000吉瓦的電解裝置。假設電解裝置的使用壽命為10年,到期后所有退役電解槽使用的鉑都能回收再用于電解水制氫,那么到2030年全球可部署4000吉瓦的電解裝置。今后幾年內有望通過技術創新減少PEM電解裝置的鉑金屬用量,因此鉑應該不會成為電解水制氫技術的瓶頸。

    不過,目前電解槽每千瓦裝機容量對應銥的用量為1~2.5克,而全球銥的年產能僅為7~7.5噸。按照目前的技術水平,全球銥產能只能支持每年增加10~12吉瓦的PEM電解槽。預計未來10年,銥的產能僅能支持30~75吉瓦的PEM電解裝置。

    鑒于此,稀有金屬會嚴重影響PEM電解裝置的推廣部署和可再生能源制氫的發展。為避免關鍵材料供應短缺,還需要進一步創新以減少稀有材料的使用,并盡可能用價格低廉的常見材料來替代稀有金屬。

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