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“具体制氢目前面临的问题在哪里?技术规模上没有达到工业化的要求,以前都把它当成一个物质来去做,特别在水电制氢。我们在能源方面要求量比较大。PEM制氢主要面临的技术瓶颈,一个在催化剂方面其次它还有稳定性的问题,这是技术上非常大的问题。”中国化学会电化学专业委员会委员邢巍在SNEC国际储能和氢能与燃料电池(上海)技术大会上的发言。
直播专题:SNEC第十五届(2021)国际太阳能光伏与智慧能源(上海)大会
邢巍:非常感谢大会邀请我在这里有一个机会跟大家交流,特别感谢蒋主任和王东的热情介绍。前面很多老师和前辈领导都在宏观上做了很多非常好的介绍。今天我聚焦在一个具体的技术层面跟大家分享一下我们这些年的收获。
首先,氢能的意义由于时间不再赘述,前面很多讲者都介绍过了。具体制氢目前面临的问题在哪里?技术规模上没有达到工业化的要求,以前都把它当成一个物质来去做,特别在水电制氢。我们在能源方面要求量比较大。PEM制氢主要面临的技术瓶颈,一个在催化剂方面,现在都在用贵金属铱,贵金属铱涨了1倍以上,过去3三四百块一颗,现在到了一千三四百块一颗,其次它还有稳定性的问题,这是技术上非常大的问题。
我们在大专家的指导下,我们获得了科技部的专项,专门做兆瓦级的水电解制氢。从催化剂材料上包括部件组装,到系统集成以及应用示范,在这些方面我们做了一点工作,今天分享的就是这个。
首先催化剂方面,我们瞄准着低贵金属和高活性、长效稳定这几个因素开展工作的。在膜电极方面,在低载量和大面积上进行开展,进一步我们和电解模块、电源模块、控温模块、纯化模块,组合起来才能组成制氢设备。
下面是我们已经研制出来的整体兆瓦级的放在集装箱里,今后的目标是加氢站可以移动走的,是跟着电网需要以及加氢网点需要进行布置的。我们做成了集装箱式的,一个集装箱大概可以做5兆瓦的规模,现在已经研制出大概1兆瓦的情况。去年年底蒋老师去我们那边,我们大概是500千瓦的,现在兆瓦级的应该已经连接出来了,希望下次有好的结果。
分享一下我们最近的热点,在降低成本这方面,我们现在有一些比较好的成果。首先我们在贵金属载量上降低,我们把纳米催化剂降低成簇、单原子,使得贵金属利用率进一步提高,这样我们可以节省很大的贵金属,比如铂烯烃现在只用到1%铂的话,今天已经可以用新的催化剂替代商业上铂的性能了。在这样的非贵金属替代或者非铂替代的情况下,我们也得到了非常好的结果。我们用硫化钼作为催化剂载体,里面加一点钯,加1%的钯,这个时候就可以得到单原子分散钯之后,对硫化钼进行彻底的改造,性能就得到了很好的提升。
可以看到结果是这样的,我们进一步掺杂了一些镣的情况,单原子掺加进去,在邻位上引进了OH,使得催化的活性进一步提升,怎么能说明它是单原子的?可以看到测试了单原子的键,可以看到金属之间原子之间的键是消失的。也就是说,又有金属,又有金属镣,说明金属镣以单原子的本身情况存在的。氢键效应克服了水分子间的氢键,使得水合的质子迅速被压到在键面上,使得反应的活化能大幅度地降低,从而得到更好的结果。这两个工作做下来,可以大幅度降低活化能和提高反应活性。
我们在锡氧催化剂方面做出了相应的工作,我们大幅度地提升它的利用率,用增大比表面积的方式,增加利用率。我们通过这样的载体,用氮化钛提高铱的分散,可以更好的使得利用率和稳定性大幅度提升。同时,我们也通过有道非晶化来引入大量的缺陷,使得催化活性更进一步地提升。
我们在铱的工作方面,现在节省了大概70%左右铱的用量,能够实现商业化的催化剂的水平。可以看到,钛引入之后,可以看到它通过电子效应,提升了铱位点上的氧析出的催化活性,所以我们在这方面也得到了更好的铱的减少。总体来讲,现在铱大概用原来的30%左右就已经达到了原来的性能,这是一年内的工作。
在这个基础上,我们把催化剂用在膜电极上,我们发明了超声喷涂,实现了大尺度的膜电极,重复性也很好。我们可以用定间距法,从而使得更稳定,保证它的可靠性。同时我们考察了不同的膜,包括杜邦的,包括日本的,膜还是有很大影响的。最近我们也在加强和东越公司,膜是卡脖子的技术,东越公司的膜正在进行制作,现在也取得了非常好的结果了。
考虑到催化剂在膜的载量,载量大概到0.5个毫克,贵金属比0.5小得多。这个基础上,双极板也是需要进一步地加强,我们也在这个项目中有了很好的改进。最后我们进行高密度电堆的集成,我们进行了优化的双极板和优化的流场,这是我们做出来的500千瓦的氮堆,去年年底做的,现在已经成了兆瓦级的了,我们现在在130每小时,效率大概在4.2度电左右能够做出一标米的氢气来。最后我们做出制氢设备应该可以进行商品化。
我们在制氢系统上也发展了巡检的模块和交流阻抗的寿命在线测试系统,这是我们做出来的200千瓦的产品。这个产品随时可以订货,我们还发展了相关的纯水模块,接自来水就可以进行应用。最后加上气体的分离纯化,气体出来以后有很多水。最终我们还有一些安全保障模块,以及各方面的安全标准上,整体来进在稳定性、安全性上进行电解水制氢。以后会有两种,一种固定式的,一种是集装箱式的,电解水制氢可以按照加氢站的规模进行集成和组合。这是固定式的,现在来看这是我们比较早做的,如图小得多,我们现在非常有信心。这是一个纯水机和兆瓦级的制氢系统,空间算下来能够做到5兆瓦,纯水供给是足够的,这边是电控模块。
这是4月16日当时在科技部王部长在济南调研的时候,参观了制氢机,这个也是被蒋老师推荐成科技部的重大中期成果,也是给我们很好的鞭策。
这是结果,首先催化剂批量制备以及膜电极以及高耐饰、低阻抗的双极板,以及制氢模块、高密度电堆,这些方面在自主技术层面上都得到了很好的增长。中国现在已经有能力做到兆瓦级的制氢设备,这个也是在山东给我们推荐出来介绍的时候,一个是科技部项目要落地,其次也为企业的发展助力。谢谢各位!
(发言为北极星氢能网根据速记整理,未经本人审核)
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