Năm phương pháp để giảm chi phí và tăng hiệu quả của các chất điện phân PEM

I. Tình trạng hiện tại của điện phân PEM

Hệ thống sản xuất hydro PEM tập trung vàoĐiện phân PEM, được trang bị thiết bị tách khí-lỏng, fairing, giám sát khí, đơn vị nước làm mát, hệ thống tinh chế và cung cấp điện và hệ thống điều khiển điện tử, cùng nhau tạo thành một hệ thống sản xuất hydro PEM hoàn chỉnh.

Trong cấu trúc chi phí của hệ thống sản xuất hydro PEM, 60% chi phí được tập trung vàoĐiện phân PEMvà các thiết bị phụ trợ còn lại bao gồm cung cấp điện, bộ chỉnh lưu và thiết bị thanh lọc và điều khiển điện tử chiếm 40% chi phí. Và 50% trong số 60%Điện phân PEMChi phí là điện cực màng. Điện cực màng cũng bao gồm các công nghệ cốt lõi như chất xúc tác kim loại quý vàMàng trao đổi proton.

Do đó, việc giảm chi phí và cải thiện hiệu quả của hệ thống sản xuất hydro PEM chủ yếu phụ thuộc vào điện cực màng, chiếm 50% tổng chi phí. Đây là yếu tố chính trong việc liệu công nghệ sản xuất hydro PEM có thể đạt được ứng dụng thị trường quy mô lớn hay không. Thông qua việc phân tích các chất điện phân ở cấp độ PEM Megawatt, có thể thấy rằng những thách thức hiện tại mà hệ thống PEM phải đối mặt bao gồm hiệu suất cao và chi phí cao, mật độ điện cao và tuổi thọ dịch vụ, các kịch bản ứng dụng và áp suất cao.

Hiệu suất cao củaĐiện phân PEMđược phản ánh trong khớp nối gió mặt gió, dừng khởi động nhanh và độ tinh khiết cao và công suất cao của sản xuất hydro, nhưng điều này cũng đi kèm với vấn đề chi phí cao. Vì các thành phần kim loại quý trong hệ thống chưa được thay thế một cách hiệu quả, chi phí của chất điện phân PEM là 4 đến 5 lần so với sản xuất hydro chất lỏng kiềm truyền thống.

Thứ hai là mối quan hệ giữa mật độ hiện tại và tuổi thọ dịch vụ. Hiện tại, thiết bị sản xuất hydro PEM và kiềm trên thị trường đang tăng mật độ hiện tại. Trên cơ sở của cùng một chi phí thiết bị, việc tăng mật độ hiện tại từ 1A xuống 2A có thể trực tiếp giảm chi phí 30% xuống còn 40%. Tăng mật độ hiện tại có thể nhanh chóng làm giảm áp suất chi phí, nhưng nó cũng có thể rút ngắn tuổi thọ của thiết bị.

Điều này cho thấy trong quá trình vận hành công nghiệp hoặc hoạt động dự án, cần phải tìm một hiệu quả chi phí hợp lý hoặc phạm vi phù hợp giữa mật độ hiện tại và tuổi thọ dịch vụ để đạt được sự cân bằng giữa chi phí và lợi ích.

Áp suất đầu ra của hệ thống PEM có một số ưu điểm nhất định so với thiết bị sản xuất hydro kiềm, có thể đạt 3-3,8 MPa, đặc biệt phù hợp để sản xuất hydro khí tự nhiên và vận chuyển đường ống hydro. Mức áp suất này cũng phù hợp với áp lực chung của các đường ống khí thành thị (khoảng 4 MPa).

Mặc dù nhu cầu về áp suất cao không cao trong chất bán dẫn, kim cương nhân tạo và một số ngành công nghiệp trung gian dược phẩm, nhưng ứng dụng áp suất cao của điện phân PEM trong lĩnh vực năng lượng, như tinh chế thứ cấp và tăng áp suất, là đặc biệt cần thiết.

Ii. Giảm chi phí và tối ưu hóa các chất điện phân PEM

Theo tình trạng hiện tại củaĐiện phân PEM, Chìa khóa cho ứng dụng quy mô lớn của họ nằm ở việc giảm chi phí và tối ưu hóa hiệu suất. Hiện tại, giảm chi phí nằm ở việc tối ưu hóa hệ thống chất xúc tác để giảm chi phí, sử dụng các vật liệu hỗ trợ dẫn điện cao và thay thế chúng bằng hiệu suất caoMàng trao đổi proton.

1. Phát triển và áp dụng các chất điện phân kim loại quý thấp

▪ Giảm chi phí sản xuất

Bằng cách giảm nội dung của kim loại quý (bạch kim, iridium và ruthenium) và cải thiện hiệu quả của quá trình chuẩn bị, chi phí sản xuất của các chất điện phân PEM có thể giảm và khả năng cạnh tranh thị trường của các sản phẩm có thể được cải thiện.

▪ Cải thiện sự ổn định

Bằng cách tăng sự pha tạp của các yếu tố phi kim loại và cải thiện cấu trúc tinh thể, sự ổn định của các chất điện phân PEM có thể được cải thiện, làm cho chúng ổn định hơn và đáng tin cậy hơn trong việc sử dụng thực tế.

▪ Cải thiện hiệu suất

Bằng cách điều chỉnh hoạt động điện phân của kim loại không quý và tăng diện tích bề mặt cụ thể, hiệu suất của các chất điện phân PEM có thể được cải thiện, hàng rào năng lượng kích hoạt của phản ứng có thể giảm và tốc độ phản ứng có thể được tăng lên.

2. Thiết kế và chuẩn bị các vật liệu hỗ trợ có khả năng điều trị cao

▪ Cải thiện độ dẫn

Bằng cách chọn các vật liệu hỗ trợ phù hợp và tăng diện tích tiếp xúc giữa chất xúc tác và vật liệu hỗ trợ, độ dẫn điện của chất điện phân PEM có thể được cải thiện và có thể giảm tổn thất điện trở trong quá trình phản ứng.

▪ Tăng sức mạnh hỗ trợ

Bằng cách tăng cường độ và độ bền của vật liệu hỗ trợ và cải thiện quá trình chuẩn bị, độ bền hỗ trợ của chất điện phân PEM có thể được cải thiện để ngăn chặn chất xúc tác phá vỡ hoặc giảm trong quá trình phản ứng.

▪ Điều chỉnh cấu trúc vi mô

Bằng cách điều chỉnh cấu trúc vi mô của vật liệu hỗ trợ và thay đổi đường vận chuyển của các chất phản ứng, cấu trúc vi mô của chất điện phân PEM có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa hơn nữa việc vận chuyển các chất phản ứng và quá trình phản ứng.

3. Tối ưu hóa và cải thiện cấu trúc màng trao đổi proton

▪ Màng thấm chọn lọc

Thấy khí có thể được giảm bằng cách giới thiệu màng thấm chọn lọc. Màng này chỉ cho phép khí phản ứng đi qua, đồng thời ngăn chặn sự thẩm thấu của các loại khí khác.

▪ Cấu trúc bánh sandwich

Hấp vị khí có thể được giảm bằng cách thay đổi cấu trúc bánh sandwich. Ví dụ, một lớp đệm xốp có thể được giới thiệu để chia PEM thành nhiều khu vực nhỏ để giảm sự giao nhau của các sản phẩm khí.

▪ Hệ số khuếch tán khí

Thấy khí có thể được giảm bằng cách giảm hệ số khuếch tán khí. Điều này có thể đạt được bằng cách tăng độ cứng của chuỗi polymer, giới thiệu các vật liệu gia cố, cải thiện các điều kiện xử lý, v.v.

4. Tối ưu hóa thành phần bùn và cải thiện tính chất vật lý

▪ Tối ưu hóa thành phần bùn

Theo nhu cầu, điều chỉnh chất xúc tác, các thành phần sóng mang, ionomers và các vật liệu bổ sung khác trong bùn để tối ưu hóa hiệu suất của nó.

▪ Cải thiện tính chất vật lý

Chất lượng của MEA có thể được cải thiện bằng cách cải thiện các tính chất vật lý như đường kính hạt, lưu biến và tiềm năng zeta trong bùn.

▪ Giới thiệu các chức năng bổ sung

Tuổi thọ và độ tin cậy của MEA có thể được cải thiện bằng cách giới thiệu các chức năng bổ sung như chất chống oxy hóa và chất khử.

5. Cải thiện và tối ưu hóa các biện pháp xử lý MEA

▪ Lựa chọn các phương pháp phủ

Theo nhu cầu, chọn các phương pháp phủ thích hợp như lắng đọng điện hóa, phun siêu âm, in truyền, v.v. để tối ưu hóa hiệu suất xúc tác của MEA.

▪ Việc cải tạo thiết bị phủ

Theo nhu cầu, các thiết bị phủ hiện tại được cải tạo để đạt được lớp phủ cuộn, v.v. để đáp ứng nhu cầu công nghiệp.

▪ Giám sát chất lượng lớp phủ

Thiết lập một hệ thống phát hiện chất lượng lớp phủ để giám sát và kiểm soát phản hồi chất lượng của lớp phủ trong thời gian thực để đảm bảo chất lượng của MEA.