Pembangunan dan aplikasi teknologi pengeluaran hidrogen elektrolisis air membran pertukaran proton di bawah turun naik tenaga angin dan suria III

Pembangunan dan aplikasi teknologi pengeluaran hidrogen elektrolisis air membran pertukaran proton di bawah turun naik tenaga angin dan suria III

III. Penyelidikan dan pembangunan teknologi teras elektrolisis PEM dan arah pembangunan teknologi pengeluaran hidrogen elektrolisis PEM

1. Penyelidikan dan pembangunan teknologi elektrolisis PEM
Julat turun naik kuasa angin dan tenaga solar pengeluaran hidrogen adalah besar, dan kesan buruk pada peralatan pengeluaran hidrogen ditunjukkan dalam pengurangan ketara dalam hayat peralatan dan ketulenan hidrogen yang dihasilkan. Kesan ini disebabkan oleh pengecilan komponen utama elektrolisis PEM di bawah keadaan bekalan kuasa turun naik angin dan suria. Dari perspektif teknikal, cabaran utama yang dihadapi oleh elektrolisis PEM ialah cara meningkatkan prestasi kerja dan kestabilan melalui penyelidikan dan pembangunan bahan, proses pemasangan dan pengoptimuman. Penyelidikan dan pembangunan bahan lanjutan termasuk lapisan pemangkin dan bahan pelekat, plat bipolar tahan kakisan, membran pertukaran ion organik dan arah lain. Proses pemasangan dan pengoptimuman komponen elektrolisis terutamanya termasuk pengoptimuman kaedah penyediaan elektrod membran, pengoptimuman pramuat pemasangan elektrolisis, pengoptimuman suhu elektrod/elektroliser membran dan pengagihan tegasan haba, dan pengoptimuman saluran aliran. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, elektrod membran telah menjadi hala tuju penyelidikan utama elektrolisis PEM.
Memberi tumpuan kepada komponen utama pemangkin elektrolisis, membran pertukaran, plat bipolar, dsb., cara utama untuk menjalankan penyelidikan dan pembangunan pemangkin ialah: meningkatkan aktiviti dan kestabilan pemangkin melalui doping komposit binari atau berbilang logam; memilih bahan permukaan tahan pengoksidaan dan khusus tinggi sebagai pembawa mangkin untuk meningkatkan kadar penggunaan dan aktiviti mangkin; mereka bentuk pemangkin struktur baharu, seperti struktur cangkerang teras dan nanoarray. Antara membran pertukaran yang sedang digunakan, membran proton asid perfluorosulfonik DuPont adalah yang paling biasa, dan membran proton asid perfluorosulfonik rantai pendek daripada jenama seperti Dow Chemical, 3M, Gore, dan Asahi Glass juga digunakan. Untuk meningkatkan kestabilan membran pertukaran, polimer poliarilena biasanya digunakan untuk menguatkan dan mengubah suai membran, dan bahan pemangkin digunakan untuk mengubah suai diafragma untuk mengurangkan silang gas produk. Kos plat bipolar menyumbang lebih daripada 50% daripada elektrolisis, dan salutan logam berharga biasanya dikonfigurasikan untuk meningkatkan rintangan kakisan. Kerja masa hadapan untuk mengurangkan kos pembuatan akan tertumpu terutamanya pada bahan plat bipolar kos rendah baharu dan proses rawatan permukaan.
Dari segi proses pemasangan dan pengoptimuman, penyelidikan semasa memberi tumpuan kepada reka bentuk asimetri katod/anod, pengoptimuman penetapan komponen elektrolitik dengan menyambungkan kedudukan kad, dsb. Untuk menyesuaikan diri dengan bekalan kuasa yang turun naik, beberapa kajian telah meneroka pengaruh air perubahan aliran dalam elektrolisis, pengagihan saluran paip bekalan air, dan struktur elektrod membran pada resapan gas pada kedua-dua belah pihak, perubahan suhu dan tekanan, ketumpatan arus, dll. Bagi komponen teras elektrolisis, proses membran salutan mangkin yang paling biasa digunakan ialah penyemburan ultrasonik dan salutan roll-to-roll: berbanding dengan yang pertama, yang kedua menggunakan salutan satu kali lapisan pemangkin, yang boleh mendapatkan salutan yang lebih tebal dan lebih seragam dengan lebih cepat, dan memenuhi keperluan pengeluaran besar-besaran elektrod membran. Untuk mengelakkan tusukan, retak, tegasan mekanikal, pelembapan yang tidak mencukupi dan tekanan tindak balas yang disebabkan oleh pemasangan, sifat bahan yang digunakan biasanya dikaji sepenuhnya semasa mereka bentuk elektrod membran dan proses pengapitnya, dan ujian pemuatan dijalankan berdasarkan peranti eksperimen.

Untuk menilai hayat komponen di bawah bekalan kuasa mula-henti dan angin-solar yang kerap berubah-ubah, lebih banyak data perlu diperoleh melalui ujian dipercepatkan untuk meningkatkan ketahanan komponen tindanan, yang merupakan satu lagi cabaran dalam penyelidikan dan pembangunan semasa. Walau bagaimanapun, tiada protokol ujian pereputan dipercepatkan piawai untuk komponen elektrolisis PEM, dan kadar kemerosotan komponen komponen tindanan sukar diukur, yang menyukarkan untuk menjalankan perbandingan langsung hasil penyelidikan sedia ada. Mewujudkan protokol ujian pereputan dipercepatkan elektrolisis PEM piawai ialah masalah kesesakan yang perlu diselesaikan segera dalam penyelidikan dan pembangunan teknologi utama semasa.
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penyelidikan teknikal dan pembangunan komponen utama elektrolisis PEM telah mencapai kemajuan yang ketara. Mengikut laluan teknikal negara saya untuk pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis air, penunjuk teknikal utama semasa elektrolisis PEM ialah: kecekapan kira-kira 63%, hayat kira-kira 6×104 jam dan kos kira-kira 10,000 yuan/kW. Dijangkakan menjelang 2030, penunjuk teknikal utama elektrolisis PEM ialah: kecekapan 78%, hayat 1×105 jam dan kos dikurangkan kepada 4,000 yuan/kW.

2. Arah pembangunan teknologi pengeluaran hidrogen elektrolisis PEM
Prinsip pengeluaran hidrogen tenaga suria angin adalah untuk melengkapkan penukaran tenaga angin/solar kepada elektrik, dan kemudian menukar tenaga elektrik kepada tenaga hidrogen melalui elektrolisis. Pada masa ini terdapat empat teknologi elektrolisis air utama, yang mana teknologi elektrolisis air alkali adalah yang paling matang dan mempunyai kos terendah, dan telah memasuki peringkat pembangunan komersial; tetapi teknologi elektrolisis air PEM sedang berkembang pesat, dan ia mempunyai kebolehsuaian yang baik kepada tenaga angin dan suria, dan akan menjadi arah pilihan untuk pengeluaran hidrogen kuasa tenaga boleh diperbaharui pada masa hadapan.
Pada masa ini, kaedah pengeluaran hidrogen gandingan angin-solar utama adalah di luar grid dan bersambung grid. Walaupun pengeluaran hidrogen bersambung grid mengatasi ketidaktentuan kuasa pengeluaran hidrogen, ia mempunyai masalah harga elektrik yang tinggi dan akses grid terhad. Kaedah luar grid menyediakan tenaga elektrik yang dijana oleh turbin angin tunggal atau berbilang (tanpa melalui grid) kepada peralatan pengeluaran hidrogen elektrolisis air untuk pengeluaran hidrogen. Ia sesuai untuk kawasan yang mempunyai sumber angin yang baik tetapi penggunaan terhad, dan mempunyai model perniagaan yang teguh dan prospek pembangunan yang luas; ia digunakan terutamanya untuk pengeluaran hidrogen teragih, dan digunakan secara tempatan untuk penjanaan kuasa sel bahan api dan bekalan tenaga.
Sama seperti pengeluaran hidrogen luar grid, pengeluaran hidrogen bukan grid merupakan satu lagi cara yang berkesan untuk menghasilkan hidrogen, yang menghapuskan sejumlah besar peralatan tambahan yang diperlukan untuk sambungan grid (seperti penukar/transformer, sistem penapis), dan kosnya dikurangkan dengan banyak. berbanding dengan pengeluaran hidrogen bersambung grid. Pengeluaran hidrogen bukan grid menggunakan arus terus, berkesan mengelakkan perbezaan fasa dan masalah perbezaan frekuensi yang disebabkan oleh akses grid AC, memudahkan sistem dan menjimatkan kos. Perlu diingat bahawa, berbanding dengan pengeluaran hidrogen di luar grid/bersambung grid, pengeluaran hidrolisis angin tidak bersambung grid dan tenaga solar secara langsung menggabungkan tenaga angin dan solar dengan elektrolisis PEM, merealisasikan rangkaian tenaga angin dan solar tanpa sambungan grid, dengan itu mengelakkan kesan angin dan tenaga suria yang turun naik pada grid kuasa. Daripada proses ini, sumber kuasa turun naik dalam pengeluaran hidrogen tenaga angin dan tenaga solar yang tidak bersambung grid hanya memerlukan transformasi dan pembetulan yang mudah, dan voltan diselaraskan kepada voltan yang diperlukan melalui pengubah, dan kuasa AC diperbetulkan kepada kuasa DC.
Teknologi pengeluaran hidrogen bukan grid ialah teknologi asli di negara saya dalam bidang berkaitan, yang membantu memecahkan had teknikal tenaga boleh diperbaharui yang turun naik. Angin dan tenaga suria tidak tertakluk kepada kekangan yang berkaitan dengan grid, dan kuasa angin dan peralatan penjanaan kuasa fotovoltaik boleh dioptimumkan lagi, yang boleh mengurangkan kos dengan ketara dan mengelakkan kemalangan turbin angin/fotovoltaik grid-off berskala besar yang disebabkan oleh sambungan grid, dengan itu mencapai penyelesaian kepada masalah penggunaan tenaga angin dan solar dan menggalakkan pembangunan industri tenaga hidrogen hijau pada masa yang sama.

IV. Aliran Aplikasi Elektrolisis Air dan Pengeluaran Hidrogen daripada Sumber Kuasa Turun Angin dan Suria
1. Status semasa dan ekonomi kuasa angin ditambah pengeluaran hidrogen
Pada masa ini, tumpuan penyelidikan domestik dan asing adalah pada kebolehgunaan dan ekonomi pengeluaran hidrogen kuasa angin yang berkaitan dengan grid dalam senario aplikasi yang berbeza. Pengeluaran hidrogen kuasa angin bersambung grid boleh menyerap pengabaian angin dengan berkesan (kadar pengabaian angin yang sepadan dikurangkan daripada 35.8% kepada 7.5%). Arahan penyelidikan utama termasuk pengoptimuman konfigurasi sistem dan simulasi strategi kawalan, terutamanya meneroka kesan voltan, arus, suhu, tekanan dan sifat elektrokimia bahan elektrod ke atas pengendalian peralatan pengeluaran hidrogen di bawah perubahan kuasa yang kerap, pengoptimuman operasi dan hentian mula. strategi kawalan, dan memanjangkan hayat perkhidmatan elektrolisis. Dalam pengeluaran hidrogen berganding kuasa angin, pengeluaran hidrogen kuasa angin luar pesisir merupakan salah satu bentuk arus perdana pada masa hadapan. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, lebih daripada 20 projek demonstrasi pengeluaran hidrogen kuasa angin telah dibina di luar negara. Di Eropah, hala tuju penyelidikan utama ialah: meneroka kelebihan simpanan tenaga hidrogen dalam grid kuasa, meningkatkan penggunaan tenaga angin, kualiti penjanaan kuasa dan kestabilan grid kuasa; menjalankan projek "kuasa-ke-gas" untuk meningkatkan bahagian tenaga boleh diperbaharui melalui penyimpanan hidrogen; membangunkan projek pengeluaran hidrogen kuasa angin luar pesisir, seperti Belanda akan membina projek pengeluaran hidrogen kuasa angin luar pesisir 3~4 GW pada tahun 2030, dan mencapai kapasiti terpasang 10 GW dan skala pengeluaran hidrogen 8×105 t pada tahun 2040. Berbanding dengan hidrogen tradisional kaedah pengeluaran, elektrolisis adalah faktor utama dalam menentukan kecekapan ekonomi pengeluaran hidrogen kuasa angin. 70% daripada kos pengeluaran hidrogen oleh elektrolisis air datang daripada harga elektrik. Mengikut harga elektrik semasa, kos pengeluaran hidrogen kuasa angin adalah 2 hingga 3 kali ganda daripada pengeluaran hidrogen tradisional. Apabila kos setiap kilowatt-jam dikawal pada 0.25 yuan, kos pengeluaran hidrogen kuasa angin adalah setanding dengan kos pengeluaran hidrogen tradisional; jika harga elektrik turun, ia akan mempunyai kelebihan ekonomi.

2. Status semasa dan ekonomi penjanaan kuasa fotovoltaik ditambah dengan pengeluaran hidrogen
Penjanaan kuasa fotovoltaik ditambah dengan pengeluaran hidrogen adalah satu lagi cara utama untuk menghasilkan hidrogen daripada tenaga boleh diperbaharui.
Kesesakan perindustrian pengeluaran hidrogen penjanaan kuasa fotovoltaik terletak pada kos yang tinggi. Penurunan kos elektrik fotovoltaik akan mengurangkan kos pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis air. Dianggarkan bahawa kos penjanaan kuasa fotovoltaik setiap kilowatt-jam akan kurang daripada 0.3 yuan pada tahun 2025, dan pengeluaran hidrogen penjanaan kuasa fotovoltaik dijangka mencapai pariti pada masa itu; di kawasan yang mempunyai sumber cahaya yang banyak, kos pengeluaran hidrogen penjanaan kuasa fotovoltaik setiap kilowatt-jam dijangka menurun kepada 0.15 yuan, yang akan mengurangkan lagi kos pengeluaran hidrogen. Menjelang 2035 dan 2050, kos penjanaan kuasa fotovoltaik setiap kilowatt-jam masing-masing akan menjadi 0.2 yuan dan 0.13 yuan, mencapai kecekapan ekonomi yang baik dalam semua aspek.
Menurut ramalan penyelidikan baru-baru ini dan "Pelan Hala Tuju Pembangunan 'Hidrogen Boleh Diperbaharui 100' China 2030", kuasa angin daratan negara saya dan pengeluaran hidrogen elektrolisis air penjanaan kuasa fotovoltaik adalah hampir kepada pariti. Walau bagaimanapun, peralatan pengeluaran hidrogen elektrolisis air PEM adalah lebih daripada 5 kali lebih tinggi daripada elektrolisis alkali, dan kos pengeluaran hidrogen yang diratakan adalah kira-kira 40% lebih tinggi. Oleh itu, faktor pemacu utama untuk pembangunan masa depan pengeluaran hidrogen elektrolisis PEM adalah untuk mengurangkan kos pembuatan dan operasi peralatan. Dengan skala industri pengeluaran hidrogen dan penemuan berterusan dalam teknologi teras yang sepadan, kos elektrolisis PEM dijangka akan dikurangkan sebanyak lebih daripada 50%, dan kos meratakan hidrogen dijangka dikurangkan sebanyak 20%.