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除了燃料电池,质子交换膜还能用在哪?

   2023-11-17 氢启未来网、清枫资本、中金研究安熠33390
核心提示:近年来,国内应用PEM制氢技术的项目逐渐增加,并呈现规模化应用趋势

质子交换膜是有机氟化工的末端产品,具备优良的质子传递功能,在氢能等领域有着广泛的应用场景。

01、主要应用场景

质子交换膜在氢能产业链中的应用场景

来源:科慕公司Nafion系列产品白皮书,中金公司研究部

燃料电池

质子交换膜燃料电池是用质子交换膜作为电解质的燃料电池,将氢气和氧气的化学能通过电化学反应,转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置。

质子交换膜是氢燃料电池电堆的核心材料,作用是隔离氢气和氧气并传递质子。质子交换膜、催化剂层与气体扩散层组成了燃料电池中的膜电极。

质子交换膜燃料电池工作原理

来源网络

质子交换膜燃料电池(PEMFC)凭借对环境无污染、能量转换效率及功率密度较高、排放及热辐射低以及噪音污染小等优点,应用范围不断扩大。但质子交换膜燃料电池的大规模应用仍面临原材料成本高、电池寿命短的障碍,需要在材料的性价比和稳定性上有所突破,提升电池寿命,满足商业化需求。

PEM电解水制氢

质子交换膜、催化层与扩散层组成的膜电极,是整个水电解槽物料传输和电化学反应的主要场所。作为水电解槽膜电极的核心组件,质子交换膜水电解极大缩短了阴极、阳极之间的距离,能够提高电解效率和氢气的纯度。质子交换膜还为催化剂提供支撑,其性能的好坏直接决定水电解槽的性能和使用寿命。

质子交换膜电解水制氢具有占地面积小、易于结合可再生能源、负载范围大、响应启动时间短的特点,更适用于水电、风、光发电制取绿氢的应用场景,能有效适应间歇性电源的电力波动,目前已经取得市场认可。

近年来,国内应用PEM制氢技术的项目逐渐增加,并呈现规模化应用趋势。

化学储能电池(全钒液流电池)

全钒液流电池是一种以金属钒离子为活性物质的液态氧化还原可再生电池。全钒液流电池将不同价态的钒离子溶液作为正极和负极的活性物质,分别储存在正负极的电解液储罐中,在电池进行充、放电过程中,正负极电解液在交换膜两侧进行氧化还原反应。

液流电池示意图

来源:《储能与液流电池技术》

全钒液流电池凭借着安全、稳定和灵活等优点,在储能应用场景的需求不断增长的背景下,同时全钒液流电池市场渗透率也正在不断提高,带动了国内市场规模逐渐扩大。

网络公开资料显示,近几年我国全钒液流电池新增装机容量实现了逐年增长,到2025年中国全钒液流电池新增装机量将会超过2GW。

02、质子交换膜分类

质子交换膜根据含氟量的不同,分为以下三种:

全氟磺酸质子交换膜是目前最主流的质子交换膜,电导率高,有极高的化学稳定性,使用寿命更长。

无氟化质子交换膜由无氟化烃类聚合物膜组成。成本低,环节污染小,但化学稳定性较弱。

非全氟化质子交换膜用氟化物与无机或其他非氟化物共混制成。成本低,工作效率较高,但机械强度及化学稳定性较差。

质子交换膜按照其合成结构,可以分为均质膜和复合膜。

复合膜是在质子交换膜合成过程中复合增强层,提升质子交换膜的机械性能,可以将质子交换膜做薄。目前在燃料电池中,质子交换膜多为复合膜,在纯水制氢电解槽和液流电池中,质子交换膜类型多为全氟磺酸均质膜。

电解水制氢质子交换膜和燃料电池膜在原理上相近,但在性能要求上有所差异。电解水用的是均质膜,无需经过增强的处理,由于电解水制氢单侧通水,两侧产气体,且两侧的产气量不一致,会导致压差,因此电解水用质子交换膜相对较厚,来提高质子膜的强度,减少氢气和氧气的混合。

而对于燃料电池的质子交换膜,需要使用ePTFE进行增强,在ePTFE基膜上进行全氟磺酸树脂的涂覆。

不同质子膜的应用侧重点

来源:泽润基金

质子交换膜技术的优化在燃料电池、电解水制氢、全钒液流电池的技术发展中具有重要作用。

为保证质子交换膜有稳定的使用性能,国内发布了有关质子交换膜性能测试的标准有GBT 20042.3-2022《质子交换膜燃料电池 第3部分:质子交换膜测试方法》。针对质子交换膜的“拉伸强度”、“180°剥离强度”、“气体透过率”、“气体透过系数”、“厚度”等性能指标检测,提出了明确的技术要求与测试方法。

质子交换膜性能要求

1.质子电导率高

2.化学稳定性高

3.燃料渗透率低

4.含水率适度

5.高机械强度和结构强度

质子交换膜性能测试方案

1.气体阻隔性能测试(气体透过率/气体透过系数/透气率)

2.力学强度测试(拉伸强度/断裂拉伸/剥离强度)

3.厚度均匀性测试

在我国能源结构转型、储能需求增加的影响下,质子交换膜作为核心零部件之一,需求量不断上升。

质子交换膜的主要生产厂商大多集中在国外,技术被少数厂家垄断。近年来,国内厂商积极布局,质子交换膜国产化发展加快,但在技术、产量上仍与国外企业存在差距,无法有效降低下游应用端的采购成本。

在燃料电池汽车和PEM制氢降本需求的推动下,质子交换膜国产化进程将进一步加速,这也将成为氢能和燃料电池产业实现商业化应用的关键因素。

 
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