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电解水制氢是在直流电下将水分子分解为氢气和氧气,分别在阴、阳极析出。电解水制氢主要有3种技术路线:碱性电解(AWE)、质子交换膜(PEM)电解和固体氧化物(SOEC)电解。
目前,碱性电解水制氢技术最为成熟、成本最低,更具经济性,已被大规模应用。固体氧化物电解水制氢目前以技术研究为主,尚未实现商业化。PEM电解水制氢技术已实现小规模应用,且适应可再能源发电的波动性,效率较高,发展前景好。
PEM电解装置相比于碱性电解装置的优势,包括操作更为灵活、输出压力较高、尺寸更小等,但其投资成本较高,且使用寿命较短。PEM电解装置使用的材料成本高,因此前期投入高,这是其推广的一大障碍。
PEM电解装置的双极板使用镀金或镀铂的钛材料,电堆核心也要使用稀有金属。考虑到阳极侧容易氧化,为增强耐用性,还要使用铱这种地球上最稀有的金属。阴极侧常使用铂,不过钽有望成为替代材料。
电池单元使用的稀有金属占PEM电解系统整体成本的近10%,稀有金属已成为推广PEM电解技术的瓶颈,其原因不是稀有金属成本高,而是因为供应链局限性较大。
目前,全球铂金属的年产量约为200吨,通过回收汽车和电气设备使用的铂可增加约20%的产量。假设全球所有的铂都用于电解水制氢装置,那么未来10年全球可再部署2000吉瓦的电解装置。假设电解装置的使用寿命为10年,到期后所有退役电解槽使用的铂都能回收再用于电解水制氢,那么到2030年全球可部署4000吉瓦的电解装置。今后几年内有望通过技术创新减少PEM电解装置的铂金属用量,因此铂应该不会成为电解水制氢技术的瓶颈。
不过,目前电解槽每千瓦装机容量对应铱的用量为1~2.5克,而全球铱的年产能仅为7~7.5吨。按照目前的技术水平,全球铱产能只能支持每年增加10~12吉瓦的PEM电解槽。预计未来10年,铱的产能仅能支持30~75吉瓦的PEM电解装置。
鉴于此,稀有金属会严重影响PEM电解装置的推广部署和可再生能源制氢的发展。为避免关键材料供应短缺,还需要进一步创新以减少稀有材料的使用,并尽可能用价格低廉的常见材料来替代稀有金属。
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