Pengeluaran hidrogen dan aliran pembangunan pemisah di bawah perlumbaan senjata tenaga hidrogen global

Tajuk asal: "Kaedah "Membran" Hidrogen"

Perlumbaan senjata tenaga hidrogen global telah bermula.

Dengan pembangunan pesat dan permintaan penggunaan sumber tenaga boleh diperbaharui seperti tenaga angin dan fotovoltaik, ditambah pula dengan keperluan keselamatan tenaga baharu yang disebabkan oleh konflik serantau, tenaga hidrogen telah menjadi pembawa tenaga yang dibayar oleh negara di seluruh dunia. perhatian kepada.

Dalam artikel ini, kami akan terus memotong laluan teknikal khusus elektrolisis, peralatan utama untuk pengeluaran hidrogen, dan kemudian menumpukan lebih lanjut pada salah satu komponen teras yang paling penting - pemisah dan aliran pembangunannya.

Pengarang Chen Menlei丨

Editor Li Tuo丨

Empat cara untuk menghasilkan hidrogen melalui elektrolisis

Laluan pengeluaran hidrogen semasa boleh dibahagikan secara kasar kepada tiga jenis: hidrogen hasil sampingan industri, pengeluaran hidrogen bahan api fosil dan pengeluaran hidrogen air elektrolisis.

Hidrogen hasil sampingan industri merujuk kepada hidrogen sebagai hasil sampingan yang dihasilkan dalam proses pengeluaran industri lain. Tetapi adalah jelas bahawa hidrogen yang diperolehi dengan cara ini tidak dapat menyokong pembangunannya sebagai pembawa tenaga kapasiti pengeluarannya tidak dapat dikawal sepenuhnya, dan ia tidak dapat benar-benar mencapai perindustrian.

Penghasilan hidrogen daripada bahan api fosil menggunakan arang batu atau gas asli sebagai bahan mentah untuk menghasilkan hidrogen. Prosesnya adalah matang dan kosnya adalah rendah pada masa ini. Kaedah ini melibatkan pelepasan karbon, tidak memenuhi matlamat neutraliti karbon, dan tidak boleh digunakan sebagai proses pengeluaran untuk menyokong industri tenaga hidrogen.

Hidrogen yang dihasilkan dengan pelepasan sifar, ditambah dengan teknologi penangkapan dan pengumpulan karbon, adalah hidrogen biru. Masalah dengan model ini ialah syarikat perlu menanggung banyak kos tambahan dan ia tidak cukup ekonomik pada dasarnya Hidrogen biru tidak dipisahkan daripada bahan api fosil, jadi tidak ada masalah asas. Tidak hairanlah walaupun Jerman, yang agak agresif terhadap pelepasan, memanggil baris ini "mengelirukan".

Pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis air menyumbang bahagian yang rendah daripada struktur pengeluaran hidrogen semasa, tetapi ia telah mendapat perhatian meluas daripada industri tenaga global. Bahan mentah untuk pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis air mudah didapati, dan proses pengeluaran tidak menghasilkan pelepasan karbon tambahan, yang konsisten dengan matlamat dwi karbon tenaga hidrogen sepadan dengan latar belakang semasa pertumbuhan pesat dalam kuasa angin dan kapasiti dipasang fotovoltaik; di seluruh dunia, dan elektrik yang sangat murah dengan ketara mengurangkan tenaga untuk pengeluaran hidrogen Kos dan keupayaan untuk menggunakan elektrik hijau juga memenuhi keperluan industri tenaga boleh diperbaharui dan merupakan pembawa tenaga yang ideal di bawah trend transformasi tenaga. Pada masa kini, industri pengeluaran hidrogen global berkembang pesat Selain bidang pengangkutan, penyimpanan tenaga, pengeluaran perindustrian (seperti pembuatan keluli) dan industri lain juga telah dimasukkan ke dalam rancangan pembangunan dan menetapkan matlamat pembangunan yang sepadan oleh banyak negara, yang telah menjadi. hala tuju pembangunan industri tenaga.

Data menunjukkan bahawa pada akhir tahun 2022, pelaburan langsung dalam bidang tenaga hidrogen global akan berjumlah hampir AS$250 bilion, dan Majlis Tenaga Hidrogen Antarabangsa meramalkan bahawa jumlah pelaburan akan meningkat kepada AS$500 bilion menjelang 2030 ^{[ 1]}.

Di China, "Rancangan Jangka Sederhana dan Jangka Panjang untuk Pembangunan Industri Tenaga Hidrogen (2021-2035)" yang dikeluarkan bersama oleh Pentadbiran Tenaga Negara pada Mac 2022 menetapkan matlamat pembangunan industri. Dari Januari hingga Februari 2023 sahaja, sejumlah 8 projek hidrogen hijau dengan elektrolisis telah ditender secara terbuka, dan jumlah volum tender elektroliser mencapai 763.5MW, peningkatan hampir 3 kali tahun ke tahun, dan telah melebihi penghantaran elektrolisis domestik pada 2022 (hampir 750MW )^[2]. Walaupun volum tender dan volum penghantaran tidak dapat dibandingkan sepenuhnya, pertumbuhan volum penghantaran tahunan hanyalah persoalan sejauh mana ia boleh berlaku.

Penghasilan hidrogen tenaga boleh diperbaharui lain, seperti pengeluaran hidrogen biologi, pengeluaran hidrogen fotolisis dan laluan teknologi baru muncul yang lain, masih jauh daripada pengkomersilan kerana kematangannya yang rendah dan tidak akan dibincangkan.

Pada masa ini terdapat empat teknologi pengeluaran hidrogen elektrolitik utama, iaitu: pengeluaran hidrogen elektrolisis alkali (elektrolisis air beralkali, AWE), elektrolisis membran pertukaran anion (AEM), dan pengeluaran hidrogen elektrolisis membran proton (elektrolisis membran pertukaran proton, PEM), dan sel elektrolisis oksida pepejal (SOEC) ^[3][4][5]:

• Penghasilan hidrogen elektrolisis alkali: AWE menggunakan larutan akueus alkali sebagai elektrolit, terutamanya menggunakan membran PPS (polyphenylene sulfide) sebagai pemisah, di bawah tindakan arus terus , yang mengelektrolisis air untuk menjana hidrogen dan oksigen, pada masa ini adalah yang paling teknologi pengeluaran hidrogen yang matang, paling dikomersialkan dan paling banyak digunakan Ia juga merupakan laluan teknologi pilihan untuk industri tenaga hidrogen semasa. Seperti yang kami nyatakan sebelum ini, bilangan tender elektroliser dalam dua bulan pertama tahun 2023 telah melebihi penghantaran setahun penuh pada tahun 2022, dan semua elektrolisis ini adalah elektrolisis alkali. Kelebihan teknologi AWE ialah mesra kos, operasi mudah, hayat perkhidmatan peralatan yang panjang, teknologi matang, kapasiti pengeluaran yang tinggi bagi satu peralatan, dan kadar penyetempatan yang tinggi telah mencapai tahap terkemuka antarabangsa. Kelemahan laluan ini adalah bahawa peralatan adalah besar dan memerlukan tapak yang lebih besar kecekapan tenaga mutlak adalah jauh lebih rendah daripada laluan teknikal lain kerana proses tindak balas melibatkan larutan alkali, ia menghakis ke tahap tertentu dan memerlukan penyelenggaraan peralatan. Kelemahan AWE yang paling ketara ialah disebabkan oleh ciri-ciri beberapa pautan pengeluaran, kelajuan tindak balas peralatan adalah perlahan, ia tidak boleh bermula dan berhenti dengan cepat, kelajuan pengeluaran hidrogen sukar untuk disesuaikan, dan ia tidak sesuai untuk sumber kuasa yang sangat tidak menentu. Dalam erti kata lain, sukar untuk bekerjasama dengan sumber tenaga boleh diperbaharui seperti kuasa angin dan fotovoltaik.

• Elektrolisis membran pertukaran anion untuk pengeluaran hidrogen: AEM ialah proses penyediaan yang dibangunkan untuk menangani kecacatan AWE. Peralatan menggunakan membran pertukaran anion sebagai pemisah dan air tulen atau larutan alkali lemah sebagai elektrolit, yang boleh merealisasikan pemindahan OH^- dari katod ke anod. Kos teknologi ini adalah rendah, dan pemisah mempunyai sesak udara yang baik, kestabilan dan rintangan yang rendah Ia boleh bekerjasama dengan pemangkin logam bukan berharga untuk mencapai kekonduksian tinggi dan ketumpatan arus yang tinggi, dan boleh mengurangkan masalah aliran silang gas AWE. . Adalah mungkin untuk AWE One daripada rancangan penambahbaikan. Kelemahannya ialah kekonduksian ionik yang rendah dan kestabilan suhu tinggi yang lemah Penyelidikan dan pembangunan pemisah yang cekap dan stabil serta pemangkin berprestasi tinggi yang disesuaikan diperlukan. Kematangan teknologi semasa AEM adalah yang paling rendah antara empat laluan dan masih dalam peringkat penyelidikan dan pembangunan makmal.

• Elektrolisis membran proton untuk pengeluaran hidrogen: PEM menggantikan pemisah dan elektrolit cecair dalam elektrolisis alkali dengan membran pertukaran proton polimer, secara langsung mengurai air tulen, dan dianggap sebagai pengganti yang menjanjikan Teknologi pengeluaran hidrogen generasi akan datang AWE telah mencapai pengkomersilan awal di beberapa negara. Kelebihan PEM ialah saiznya yang kecil, kecekapan tinggi, ketulenan tinggi hidrogen yang dihasilkan, dan kelajuan tindak balas yang cepat Ia boleh menyesuaikan diri dengan turun naik besar tenaga boleh diperbaharui dan sangat sesuai untuk mengambil bahagian dalam peraturan beban grid kuasa. Kelemahan PEM ialah jangka hayat peralatan adalah sederhana dan keperluan kualiti air adalah lebih tinggi, yang menjadikan bekalan bahan mentah lebih sukar Kapasiti pengeluaran peralatan tunggal jauh lebih rendah daripada laluan AWE pada masa ini membran dikawal oleh syarikat asing, dan risiko kadar penyetempatan yang rendah tidak boleh diabaikan. Masalah yang paling menonjol bagi PEM ialah ia sangat mahal Pemangkin menggunakan sejumlah besar logam berharga seperti platinum Kos peralatan bahkan boleh mencecah 3 hingga 5 kali ganda daripada laluan AWE kos malah telah menyebabkan beberapa negara beralih ke laluan AWE untuk mencapai pengeluaran berskala besar secepat mungkin.

• Elektrolisis oksida pepejal air untuk menghasilkan hidrogen: SOEC menggunakan oksida pepejal sebagai elektrolit Dalam persekitaran suhu tinggi 700~1000 darjah Celsius, wap air bercampur dengan sedikit hidrogen masuk. daripada katod. Tindak balas elektrolisis berlaku di katod dan terurai menjadi H₂ dan O^2-2- ^{melalui lapisan elektrolit dan mencapai anod, di mana ia kehilangan elektron untuk menjana O}2 _{. SOEC adalah jauh berbeza daripada teknologi pengeluaran hidrogen sebelumnya dari segi reka bentuk peranti elektrolisis dan keadaan kerja Kelebihannya ialah kecekapan tenaga adalah jauh lebih tinggi daripada AWE dan PEM, mencapai lebih daripada 90%. belum mempunyai syarat pengkomersilan. Ia kini dalam peringkat demonstrasi.}

Dari segi pasaran, negara saya ialah pengeluar hidrogen terbesar di dunia dan pengeluar peralatan elektrolisis terbesar. Sudah tentu, hidrogen pada peringkat ini tidak wujud sebagai pembawa tenaga, tetapi sebagai bahan mentah industri, digunakan secara meluas dalam penapisan minyak, sintesis ammonia, sintesis metanol, pembuatan keluli, dll.

Statistik Agensi Tenaga Antarabangsa menunjukkan bahawa kapasiti pengeluaran hidrogen global pada tahun 2021 akan menjadi kira-kira 94 juta tan pengeluaran domestik akan menjadi kira-kira 33 juta tan

[6][7]^{. Walau bagaimanapun, bekalan hidrogen global terutamanya dihasilkan dengan mengubah bahan api fosil, yang menghasilkan sejumlah besar pelepasan karbon dan tidak bersih. Ini bermakna digabungkan dengan matlamat dwi-karbon, walaupun hidrogen tidak dianggap sebagai bahan api, terdapat peluang alternatif dan senario pengkomersilan untuk pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis air, dan tidak perlu mengehadkan perspektif kepada industri tenaga hidrogen. .}

Menurut "Buku Biru Tahunan Industri Tenaga Hidrogen dan Sel Bahan Api China (2022)", penghantaran pasaran elektrolisis global akan mencapai 1GW pada 2022, dan jumlah penghantaran elektrolisis China akan melebihi 800MW, setahun ke- peningkatan tahun lebih daripada 129%. Bahagian global melebihi 80% elektrolisis beralkali menduduki kedudukan dominan mutlak, dengan penghantaran tahunan sebanyak 776MW dari segi penghantaran adalah: Cockerill Mediacom, CSSC Perry Hydrogen, Longi; Tenaga Hidrogen. Antaranya, LONGi Hydrogen Energy meningkat daripada lima teratas kepada tempat ketiga dalam masa satu tahun sahaja

[8][9]^.

2. Elektroliser beralkali: daya tarikan matang

Elektrolis AWE boleh mendapat bahagian pasaran. untuk memahami. Teknologi matang dan kos rendah sentiasa menjadi ciri kegemaran pengeluaran perindustrian.

Sumber imej: Kemajuan penyelidikan tentang prinsip dan teknologi pengeluaran hidrogen termaju dalam konteks neutraliti karbon

[5]

Sebagai teknologi yang mempunyai sejarah lebih daripada satu abad, laluan AWE kini sangat matang dan mempunyai tahap penyetempatan yang tinggi Walaupun masih ada ruang untuk pengurangan kos melalui peralatan yang mengoptimumkan, kesannya tidak begitu ketara . Ini berkaitan dengan kos peralatan Laluan PEM yang tinggi sangat berbeza. Logik pengurangan kos teras semasa elektrolisis alkali telah memasuki peringkat mengejar kesan skala untuk mencairkan kos Manifestasi tipikal ini ialah peralatan semakin besar dan lebih besar, dan kapasiti pengeluaran tangki tunggal 1000Nm

³/j pada dasarnya telah menjadi standard Pada Disember 2022, CSSC Perry melancarkan "Mac Besar" dengan kapasiti pengeluaran hidrogen tunggal 2000Nm^³/j. Selain kesan skala, terdapat juga ruang untuk penambahbaikan dalam teknologi penyediaan AWE. Pertama ialah peningkatan komponen teras - diafragma. Pada masa ini, pengeluar peralatan beralih daripada membran PPS tradisional kepada pemisah komposit dengan prestasi keseluruhan yang lebih baik.

Sesetengah diafragma komposit memfokuskan pada meningkatkan penggunaan tenaga AWE. Data BloombergNEF menunjukkan bahawa beberapa membran komposit boleh meningkatkan kecekapan tenaga sebanyak 4%, dan kos membran domestik mungkin hanya kira-kira 30% daripada itu di Eropah, yang boleh meneruskan kelebihan harga peralatan domestik dengan berkesan ^[11] .

Pemisah komposit lain cuba menyelesaikan masalah aliran silang gas dalam elektrolisis alkali. Semasa proses pengeluaran hidrogen AWE, ketidakseimbangan tekanan akan berlaku pada kedua-dua belah diafragma disebabkan oleh pengeluaran gas Jika tidak dikawal dengan betul, hidrogen akan menembusi diafragma dan bercampur dengan oksigen, yang sangat berbahaya keluar semasa proses penghasilan hidrogen. Malah, permintaan inilah yang menyukarkan elektrolisis alkali untuk menyesuaikan diri dengan bekalan kuasa yang turun naik. Idea sesetengah pengeluar pemisah adalah untuk menyelesaikan kebocoran hidrogen secara fizikal dengan menghasilkan pemisah dengan sifat penghalang gas yang sangat baik, dengan itu memberikan keupayaan elektrolisis untuk menyesuaikan diri dengan sumber tenaga yang turun naik.

Pada asasnya, elektrolisis membran pertukaran anion mengikut laluan AWE dengan pemisah yang dinaik taraf.

Penghasilan hidrogen suhu tinggi melalui elektrolisis air alkali juga merupakan arah peningkatan yang mungkin. Untuk meringkaskan secara ringkas, beroperasi di bawah suhu tinggi dan keadaan tekanan tinggi boleh meningkatkan kecekapan operasi elektrolisis dengan berkesan. Walau bagaimanapun, elektrolit suhu tinggi dan berkepekatan tinggi boleh menyebabkan masalah kakisan alkali dan mengurangkan hayat perkhidmatan peralatan Oleh itu, suhu yang lebih tinggi memerlukan lebih banyak bahan tahan kakisan menjadikan pengurusan sistem lebih sukar. Suhu tinggi masih dalam peringkat makmal.

Penyelidikan tentang penghasilan hidrogen daripada air laut juga bukan perkara asing. Kuasa angin pantai dan luar pesisir serta sumber suria agak banyak, dan sumber air hampir tidak terhad Ia adalah tempat yang sesuai untuk pengeluaran hidrogen di tapak daripada tenaga boleh diperbaharui. Masalah semasa ialah komposisi air laut sangat kompleks, dan ion di dalamnya akan mengalami pelbagai tindak balas kimia dengan larutan alkali, yang menjejaskan operasi peralatan pengeluaran hidrogen. Walaupun model darat untuk menulenkan air laut dan menghasilkan hidrogen tidak semestinya menanggung kos tambahan yang terlalu banyak, keadaan luar pesisir adalah berbeza sama sekali. Kos pembinaan membina pelantar di laut adalah sangat tinggi, dan memasang peralatan penyahgaraman tambahan akan menyebabkan kos melambung tinggi, seterusnya mengurangkan ekonomi yang sedia ada. Membangunkan peralatan yang boleh mengelektrolisis air laut secara langsung juga merupakan arahan penyelidik dan syarikat.

Idea lain ialah untuk mengoptimumkan sistem kawalan, mewujudkan model yang boleh menyesuaikan diri dengan bekalan kuasa yang turun naik, dan meningkatkan strategi operasi tanpa menaik taraf peralatan pengeluaran hidrogen untuk mengelakkan mula dan berhenti berulang dan mencapai operasi yang stabil.

Apa yang lebih mudah dan lebih langsung ialah menyambungkan tenaga boleh diperbaharui kepada peralatan penyimpanan tenaga, secara langsung melancarkan turun naik pada hujung penjanaan kuasa, dan kemudian menyambungkannya ke barisan pengeluaran hidrogen. Kelebihannya ialah ia boleh melaksanakan projek dengan cepat, tetapi kelemahannya ialah ia secara semula jadi akan meningkatkan kos pengeluaran hidrogen.

Adalah boleh dibayangkan bahawa jika peningkatan teknologi yang dinyatakan di atas dan tidak disebutkan dapat dilaksanakan, pengeluaran hidrogen AWE akan mempunyai sejumlah besar tenaga yang sangat murah, meningkatkan ekonomi dan mengukuhkan promosi Pangkalan industri tenaga hidrogen. Tambahan pula, autonomi semasa negara saya dan pengumpulan teknologi dalam laluan elektrolisis alkali adalah jauh lebih baik daripada laluan PEM. Daripada bersaing secara paksa dengan syarikat luar negara dalam bidang teknikal yang mereka tidak begitu mahir, adalah lebih baik untuk mendalami bidang yang kukuh, yang juga merupakan idea persaingan yang sangat biasa.

3. Membran pertukaran proton: peluang penyetempatan

Komponen teras pengeluaran hidrogen PEM, keadaan membran pertukaran proton lebih rumit.

Membran pertukaran proton arus perdana ialah produk akhir bahan kimia fluorin organik Ia mempunyai fungsi pemindahan proton khusus Selain daripada pengeluaran hidrogen, ia juga merupakan komponen utama sel bahan api hidrogen dan aliran cecair yang sama panas bateri.

Berbanding dengan pengeluaran hidrogen AWE, terdapat jurang tertentu antara laluan pengeluaran hidrogen PEM negara saya dan tahap lanjutan asing. Halangan teknikal kepada membran proton agak tinggi Pada masa ini, negara saya secara relatifnya bergantung kepada import, dan kadar penyetempatan adalah rendah. Sudah tentu, peluang penyetempatan yang sepadan juga lebih banyak. Ditambah dengan ruang aplikasi yang lebih luas, pertumbuhan permintaan yang didorong oleh dasar, dan margin keuntungan yang lebih tinggi sebagai produk berteknologi tinggi, ia boleh dianggap bahawa membran proton akan menjadi pasaran yang dijangka berkembang pesat.

Artikel ini mengambil perspektif peralatan pengeluaran hidrogen sebagai perspektif utama, jadi tanpa penjelasan tambahan di bawah, ia diandaikan merujuk secara khusus kepada membran pertukaran proton untuk elektrolisis

Daripada prinsip asas, proses elektrokimia dalam elektrolisis PEM ialah : Air tulen memasuki lapisan pemangkin melalui saluran masuk air Di bawah tindakan bersama bekalan kuasa DC dan pemangkin, anod menghasilkan ion oksigen dan hidrogen Ion hidrogen melalui pertukaran proton membran dan bergabung dengan elektron di katod untuk menghasilkan hidrogen. Struktur elektrolisis PEM ditunjukkan dalam rajah di bawah, yang kebanyakannya terdiri daripada plat bipolar, lapisan resapan berliang, membran pertukaran proton, dan lapisan pemangkin katod dan anod ^[5] .

Sumber imej: Kemajuan penyelidikan tentang prinsip dan teknologi pengeluaran hidrogen termaju dalam konteks neutraliti karbon ^[5]

Sel bahan api ialah peranti tindak balas terbalik elektrolisis PEM Elektrolisis air menjadi hidrogen dan oksigen Sel bahan api menggunakan hidrogen dan oksigen sebagai bahan tindak balas anod dan katod, akhirnya menghasilkan air dan elektrik.

Sumber imej: Industri Tenaga ^[12]

Walaupun elektrolisis dan sel bahan api kedua-duanya berfungsi berdasarkan membran proton dan mempunyai struktur yang serupa, keperluan produknya berbeza, penunjuk prestasinya tidak konsisten , dan Sistem bahan produk akhir juga sangat berbeza dan tidak boleh digeneralisasikan.

Struktur keseluruhan elektrolisis agak mudah, tetapi keadaan kerjanya lebih teruk, memerlukan bahan dengan hayat perkhidmatan dan ketahanan yang lebih tinggi, menjadikan membran yang digunakan dalam elektrolisis lebih tebal daripada yang digunakan dalam sel bahan api dibangunkan daripada pembuatan kereta Berdasarkan permintaan, membran proton memerlukan rawatan pengubahsuaian tambahan untuk meningkatkannya Contohnya, Gore menggunakan polytetrafluoroethylene (ePTFE) yang diperluas sebagai bahan pengukuhan untuk menghasilkan membran proton ultra nipis untuk digunakan dalam kenderaan sel bahan api Toyota, Hyundai dan Honda. . ^[13].

Ini menunjukkan bahawa semasa menilai produk, ia juga perlu mempertimbangkan senario aplikasi hiliran tertentu daripada hanya menganggap bahawa syarikat menghasilkan membran proton, ia mempunyai keupayaan untuk merangkumi pelbagai bidang ini.

Perlu diambil perhatian bahawa kos peralatan elektrolisis PEM adalah sebab utama kos yang tinggi Membran pertukaran proton juga merupakan komponen teras elektrolisis, tetapi perkadarannya dalam jumlah kos pengeluaran hidrogen tidak tinggi (kira-kira 2.3 %), penyetempatan tidak mempunyai kesan yang ketara terhadap pengurangan kos. Kepentingan utama penyetempatan bukan sahaja peluang perniagaan, tetapi juga untuk mengelak daripada ditindas oleh negara asing dalam pautan utama.

Sumber imej: IRENA ^[14]

Proton pertukaran membran produk terutamanya dibezakan oleh kandungan fluorin . Antaranya, membran pertukaran proton asid perfluorosulfonik adalah yang paling matang, mempunyai prestasi komprehensif terbaik, dan paling banyak digunakan secara komersial. Elektrolisis PEM menggunakan membran asid perfluorosulfonik.

Dari sudut rantaian industri, huluan membran pertukaran proton ialah bahan monomer bahan kimia fluorin organik, dan produk langsung yang paling arus perdana bahan adalah asid perfluorosulfonik Bahan resin memanjang ke atas kepada bahan monomer seperti tetrafluoroethylene dan perfluoroalkyl vinil eter dalam bahan kimia fluorin organik, dan boleh dikesan kembali kepada bahan mentah seperti fluorit, hidrogen fluorida, dan penyejuk ^[15] .

Pada masa ini, proses penghasilan membran pertukaran proton boleh dibahagikan kepada dua kategori: kaedah pembentukan filem cair (kaedah penyemperitan cair) dan pembentukan filem larutan kaedah. , antaranya kaedah membentuk filem penyelesaian kini merupakan proses komersial yang digunakan secara meluas. Kaedah pembentukan filem larutan boleh dibahagikan lagi kepada kaedah tuangan larutan, kaedah tuangan larutan, dan kaedah sol-gel, dengan kaedah tuangan larutan menjadi arus perdana ^[15] .

Tertakluk kepada kekurangan teknologi, kadar penyetempatan semasa membran pertukaran proton dalam pelbagai bidang adalah tidak tinggi dan berada di peringkat mengejar.

Keupayaan pengeluaran membran pertukaran proton global pada asasnya dimonopoli oleh negara asing. Untuk masa yang lama, pengeluaran membran pertukaran proton berfluorina telah tertumpu terutamanya di negara maju seperti Amerika Syarikat dan Jepun Syarikat-syarikat utama termasuk DuPont, Dow, dan Gore dari Amerika Syarikat, dan Asahi Glass dan Asahi Kasei dari Jepun. Dalam bidang membran proton, produk DuPont adalah yang paling kompetitif dan mempunyai pengumpulan teknologi terkuat elektrod membran sel bahan api dikuasai oleh Gore. Di dalam negara, Kumpulan Dongyue ialah peneraju industri, dan Bahan Baharu Kerun juga mempunyai produk membran proton yang dihasilkan secara besar-besaran.

Membran proton lebih sukar disediakan daripada bahan mentah. Resin asid perfluorosulfonik adalah bahan dengan proses penyediaan yang sangat kompleks Ia boleh dipanggil puncak teknologi rantaian industri kimia fluorin Proses pengeluarannya melibatkan sejumlah besar keadaan tindak balas yang keras, proses yang rumit, dan barang letupan dan berbahaya. Cara menghasilkan bahan membran dengan kestabilan kimia, kekuatan mekanikal, prestasi elektrokimia dan penunjuk lain yang memenuhi keperluan hiliran telah pun menetapkan piawaian yang tinggi untuk perusahaan. Proses pembentukan filem membran proton adalah lebih sukar dan mempunyai keperluan yang ketat pada peralatan, bengkel, dan pengurusan barisan pengeluaran. Di samping itu, disebabkan kelebihan penggerak pertama, syarikat di Jepun, Amerika Syarikat dan negara lain telah menguasai sejumlah besar paten utama dalam bidang membran proton Bagaimana untuk membina sistem profesional mereka sendiri dan memintas halangan profesional juga masalah yang dihadapi oleh syarikat tempatan.

Untuk mengejar tahap lanjutan antarabangsa, bakat, pengumpulan teknologi dan perbelanjaan modal yang mencukupi dalam industri tempatan adalah penting Pada masa yang sama, syarikat asing terkemuka juga akan memberi tekanan yang besar kepada syarikat domestik. Kesukaran yang dihadapi oleh peralatan pengeluaran hidrogen negara saya dalam membran pertukaran proton sangat serupa dengan yang terdapat dalam industri fotoresist. Ia berpunca daripada kelemahan negara saya yang lewat dalam bidang kimia khusus.

Dari segi bahagian pasaran, dari segi kadar penyetempatan membran pertukaran proton sel bahan api, data GGII menunjukkan bahawa permintaan untuk membran pertukaran proton elektrod membran domestik pada tahun 2020 ialah 44,000m² , yang mana membran pertukaran proton domestik Bahagian pasaran membran pertukaran ialah 7.5%, meningkat kepada 11.61% pada 2021 ^[17].

Pasaran membran pertukaran proton pengeluaran hidrogen elektrolisis air PEM adalah kecil, dan bahagiannya diduduki oleh membran siri Chemours (dahulu DuPont USA) Nafion™, bahagian pasaran pada 2021 Setinggi 76%, bahagian pasaran membran pertukaran proton domestik ialah 21.45%. Penyelidikan GGII menunjukkan bahawa Dongyue Future Hydrogen Energy, anak syarikat Dongyue Group, telah melengkapkan pengesahan permohonan awal untuk sesetengah pelanggan dan akan memulakan penggantian setempat pada 2021, dengan bahagian pasaran kira-kira 15% ^[17].

Pada tahun 2021, kadar penyetempatan membran pertukaran proton untuk bateri aliran di pasaran China adalah kira-kira 23.15%. dan Tenaga Hidrogen Masa Depan Dong Yue dan membran pertukaran proton bateri aliran perusahaan domestik lain berada dalam peringkat pengesahan sampel. Pasaran domestik masih dikuasai oleh membran resin asid perfluorosulfonik Chemours, dengan bahagian pasaran sebanyak 75% ^[17].

Akhirnya, walaupun kami menyebut pada permulaan bahagian ini bahawa membran pertukaran proton mempunyai potensi pertumbuhan yang kuat, ini hanya menggambarkan potensi pertumbuhannya yang mutlak saiz pasaran masih belum begitu besar, dan pertumbuhan masa depan menghadapi lebih banyak ketidakpastian.

Secara teorinya, kenderaan hidrogen sepatutnya menjadi industri yang menggunakan jumlah terbesar membran pertukaran proton. Menurut anggaran CITIC Securities, apabila bilangan kenderaan sel bahan api mencecah 1 juta pada tahun 2030, ruang pasaran membran pertukaran proton sepadan akan mencapai 13.2 bilion yuan ^[15] . Walau bagaimanapun, kita masih perlu mempertimbangkan bahawa prospek pertumbuhan kenderaan sel bahan api tidak begitu jelas Sekurang-kurangnya pada masa ini, mereka jauh kurang berdaya saing daripada kenderaan elektrik bateri litium Mereka hanya digunakan dalam jumlah kecil dalam bidang kenderaan komersial. dan aplikasi ini kebanyakannya untuk tujuan demonstrasi Ia mesti mempunyai kelebihan yang menentukan untuk kenderaan komersial elektrik.

Pasaran untuk membran proton yang sepadan dengan elektrolisis PEM adalah agak terhad. Agensi itu meramalkan bahawa saiz pasaran elektrolisis menjelang 2025 ialah RMB 35 bilion Mengikut pengiraan ini, jika struktur kos tidak berubah dengan ketara dan laluan PEM sepenuhnya menduduki pasaran, pasaran membran proton yang sepadan akan menjadi lebih kurang RMB 1.75. bilion. Sebenarnya, Keadaan ini hanya boleh menjadi lebih kecil daripada nombor ini ^[18] . Di samping itu, pengeluaran perindustrian tidak pernah begitu berminat dengan kemajuan teknologi Jika PEM tidak pernah dapat bersaing dengan laluan AWE pada tahap kos, ia tidak akan menjadi laluan optimum untuk keseluruhan industri pengeluaran hidrogen, dan bahagian pasaran. akan menjadi lebih kecil.

Bateri aliran semua vanadium ialah salah satu laluan teknologi bateri aliran yang paling popular Ia menarik perhatian pasaran sebagai teknologi penyimpanan tenaga jangka panjang yang berpotensi "Rancangan Lima Tahun ke-14" yang dikeluarkan pada Mac 2022 “Pelan Pelaksanaan untuk Pembangunan Penyimpanan Tenaga Baharu” merangkumi ratusan teknologi bateri aliran megawatt sebagai salah satu hala tuju utama dalam penyelidikan teknologi dan peralatan teras storan tenaga baharu [19]. Membran pertukaran proton, atau membran pertukaran ion (nama khusus bergantung pada medan aplikasi), digunakan dalam susunan elektrik untuk menyekat ion vanadium valensi yang berbeza dan membenarkan ion hidrogen melaluinya. Sehingga penghujung Oktober 2022, jumlah skala projek bateri aliran redoks semua vanadium termasuk pendaftaran, pembinaan, dalam pembinaan, memenangi bidaan dan pembidaan telah mencapai 1.3GW / 5.4GWj. Antaranya, jumlah keseluruhan projek yang telah dimulakan, memenangi bidaan dan dalam pembinaan melebihi 2.0GWj, dan dijangka akan dilaksanakan secara berperingkat pada 2023 ^[20] .

Namun, pada masa ini terdapat banyak laluan penyimpanan tenaga, dan tiada pemenang pasti Selain itu, pilihan teknologi yang sepadan dengan senario penyimpanan tenaga yang berbeza juga mungkin berbeza. bateri aliran redoks vanadium.

Selain senario aplikasi di atas, membran pertukaran proton juga mempunyai hiliran yang kurang terkenal, industri klor-alkali. Secara lebih tegas, membran fluorida organik jenis ini harus digunakan secara meluas sebagai membran ionik dalam industri klor-alkali. Kaedah membran ion pada masa ini merupakan proses pengeluaran yang paling utama dalam industri klor-alkali, termasuk di negara saya Ia mempunyai kelebihan penggunaan kuasa yang rendah, kepekatan alkali cecair yang tinggi, automasi pengeluaran yang tinggi, dan kurang pencemaran alam sekitar kadar penggunaan hampir 100% ^{[ 15]}. Membran pertukaran ion perfluorinasi adalah bahan teras, yang terdiri daripada membran asid perfluorosulfonik, membran asid perfluorokarboksilik dan mesh bertetulang polytetrafluoroethylene Ia juga bergantung kepada import. Oleh kerana klor-alkali adalah industri yang memakan tenaga tinggi yang sangat tipikal, adalah amat sukar untuk mengembangkan pengeluaran Ia adalah pasaran saham standard dan permintaannya adalah tetap skala hanya akan menjadi kira-kira 450 juta, yang tidak mendapat perhatian yang meluas dalam sebab ^[21].

4. Penyejukan rutin

Pada penghujung artikel, kita masih perlu menuangkan besen air sejuk sebagai rutin.

Tenaga hidrogen sememangnya bagus, tetapi ia juga sangat tidak matang. Walaupun terdapat beberapa aplikasi dalam industri tenaga semasa, hidrogen sebagai industri tidak mencapai visi yang ditunjukkannya.

Kekangan ketidakmatangan tenaga hidrogen tidak terhad kepada proses pengeluaran hidrogen. Masalah lain seperti penyimpanan dan pengangkutan, pengisian bahan api, pengkomersilan khusus dan pembinaan kemudahan sokongan semuanya mempunyai masalah dalam satu jenis atau yang lain.

Tetapi apa yang kita lihat ialah sesetengah syarikat, institusi pelaburan, dan juga media sering menumpukan banyak perhatian dan perbelanjaan modal kepada sel bahan api terminal, tetapi secara sengaja atau tidak sengaja mengabaikan pembangunan sistemik industri. Ini sebenarnya tidak sukar untuk difahami Lagipun, berbanding pautan lain, sel bahan api adalah yang paling mudah dan ada kesan untuk diikuti - mungkin tidak sedikit orang yang menyeberangi sungai dengan merasai bateri litium dan cuba "melabur. dalam era CATL seterusnya".

Walau bagaimanapun, sukar untuk membayangkan bagaimana tenaga hidrogen boleh mencipta peneraju peringkat CATL daripada udara nipis tanpa grid kuasa seluruh negara dan teknologi penyediaan bahan utama bateri yang matang. Dengan ketiadaan rantaian perindustrian yang matang dan struktur perindustrian yang sistematik, adalah tidak realistik untuk cuba menakluki pautan tertentu. Lebih-lebih lagi, pembaca mesti mempunyai pertimbangan mereka sendiri tentang berapa ramai pemain yang sedang memasuki industri tenaga hidrogen yang memasuki ambang teknikal rendah industri tenaga hidrogen hanya untuk mengikuti trend, membuat spekulasi mengenai topik hangat, memujuk pelabur, atau bahkan untuk menipu pelabur.

Selain itu, tenaga hidrogen hanyalah salah satu daripada banyak laluan yang menjanjikan. Walaupun ia mempunyai beberapa kelebihan seperti kebersihan dan nilai kalori yang tinggi, gelombang transformasi pasaran tenaga global semasa bertepatan dengan lapan abadi yang menyeberangi laut Terdapat ketidakpastian besar dalam laluan teknologi arus perdana masa hadapan tenaga pasti akan menang dan menjadi pasaran masa depan. Tidak kira betapa besar lukisan pai itu, sekurang-kurangnya pada peringkat ini ia hanyalah lukisan.

Tenaga hidrogen sememangnya mempunyai kepentingan positifnya, tetapi pembangunan perindustrian tidak mungkin dapat disiapkan sekali gus. Diharapkan peserta industri dan penganjur dapat melihat undang-undang objektif pembangunan dengan lebih rasional. Keghairahan untuk kejayaan pantas dan rabun selalunya sinonim, dan perkara yang paling mungkin yang datang dengan kepala panas hanyalah helah lama pasaran.

Rujukan:

• [1] Zhang Rui: Persaingan global untuk pembangunan dan penggunaan tenaga hidrogen sedang giat dijalankan harian >[2] Yu Qi : Elektrolis hidrogen hijau mengalu-alukan ledakan bidaan! Penghantaran dari Januari hingga Februari telah melebihi keseluruhan tahun lepas, dan syarikat tersenarai ini merancang perniagaan berkaitan 2023.03.19 https://www.cls.cn/ butiran / 1297804

  <.>
• [3] Yu Hongmei, Shao Zhigang, Hou Ming, Yi Baolian, Duan Fangwei, & Yang Yingxuan (2021 Kemajuan penyelidikan dan cadangan pembangunan untuk teknologi pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis air Sciences, 23 ( 2), 146-152.
  [4] Li Jianlin, Li Guanghui, Liang Danxi, & Ma Suliang (2021). di bawah "matlamat dwi karbon" dan prospek Teragih, 6 (5), 1-9.

• [5] Chen Bin, Xie Heping, Liu Tao, Lan Cheng, Lin. Kuiwu, & Zhang Yuan ( 2022 Kemajuan penyelidikan tentang prinsip dan teknologi pengeluaran hidrogen dalam konteks berkecuali karbon, 54 (1), 106-116.

• <.>[6] IEA: Kajian Hidrogen Global 2022. 2022.09

  https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2022
[7] Bersih Ekonomi China: Pengeluaran Tahunan 33 juta tan! negara saya telah menjadi pengeluar hidrogen terbesar di dunia 2023.3.23
• http://www.ce.cn/

  cysc / ny / gdxw / 202203/23 / t20220323_37427521.shtml

  [8] Berita LONGi: Kedudukan penghantaran elektrolisis China pada 2022 dikeluarkan, dan LONGi Hydrogen Energy berada di antara tiga teratas di negara ini
https://www.longi.com/ cn / news / trendbank-2022-hydrogen/

• [9] Huaan Securities: Menunggang angin, teknologi elektroliser mencetuskan gelombang tenaga hidrogen 2023.3.16

• [10] Huang Zelong, Zhao Limei, Fu Yifei: Peralatan pengeluaran hidrogen elektrolisis air pertama di dunia dengan kapasiti pengeluaran hidrogen monomer 2000Nm³/j telah berjaya di luar talian pada 2022.16 . Rangkaian Sains dan Teknologi China. ] Kewangan Tenaga Baharu Bloomberg: Pengeluar elektrolisis China: 1 Lihat lebih dekat 2022.12.15 https://mp.weixin.qq.com/ s / Cou1S64xdn8_qvQLkcMHag

[12] Industri tenaga: Kenderaan bahan api hidrogen adalah Bagaimana ia berfungsi? Bagaimana bahan api hidrogen disimpan dan diangkut?. . (2022) Kemajuan penyelidikan mengenai elektrod membran untuk elektrolisis air membran pertukaran proton untuk penghasilan hidrogen, 41 (12), 6385-6394.

• [14] IRENA: Pengurangan kos hidrogen hijau 2020.12 https://www.irena.org/publications/2020/Dec/Green-hydrogen-cost-reduction.

• [15] CITIC Securities: Tenaga hidrogen dan sel bahan api | Membran pertukaran Proton berbilion-bilion pasaran, penggantian domestik adalah penting 2022.4.16 https:// mp. weixin.qq.com/ s / DK6gNqlIiE4VT0SN9aAnPA

• [16] Yu Bowen (2021 Status penyelidikan dan prospek membran pertukaran proton untuk sel bahan api hidrogen.

• [17] Badan Pemikir Industri Baharu: GGII: Meneroka Ruang Alternatif untuk Penyetempatan Membran Pertukaran Proton 2022.5.16 https://mp.weixin.qq. com/ s / QhRfTnNQ6OX6J0dNld5COw

• [18] Huaxin Securities: Industri tenaga hidrogen berkembang pesat, dan pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis air meningkat dengan pesat.

• [19] Suruhanjaya Pembangunan dan Pembaharuan Negara, Pentadbiran Tenaga Negara: "Pelan Pelaksanaan Pembangunan Penyimpanan Tenaga Baharu semasa "Rancangan Lima Tahun Ke-14".2022.03

  https://www. ndrc.gov.cn/ xxgk / zcfb / tz / 202203 / t20220321_1319772.html

• [20] Rangkaian Bateri Polaris: Daripada ketelusan kecil kepada semua storan tenaga yang baru: industri bateri aliran vanadium mungkin mengalu-alukan musim bunga.2023.3.16

  https://news.bjx.com.cn/ html / 20230316/1295163.shtml

• [21 ] Pengoptimum M&A: Penjejakan Rantaian Industri Membran Pertukaran Proton: Dongyue Group VS Pan Asia Microtransmission VS Dongcai Technology, produk? teknologi? Kapasiti pengeluaran? . 2022.8.3

Artikel ini datang daripada akaun awam WeChat: Guoke Hard Technology (ID: guokr233), pengarang: Chen Menlei

Atas ialah kandungan terperinci Pengeluaran hidrogen dan aliran pembangunan pemisah di bawah perlumbaan senjata tenaga hidrogen global. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!