成都電解水制氫具有綠色環保、生產靈活、純度高(可達99.9%以上)以及副產高價值氧氣等特點,其單位能耗約在4-5千瓦時/立方氫,制氫成本受電價的影響很大,電價占到總成本的70%以上。一般認為當電價低于0.3元/千瓦時,電解水制氫成本會接近傳統化石能源制氫。
電解水制氫是在直流電的作用下,通過電化學過程將水分子解離為氫氣與氧氣,分別在陰、陽兩極析出。目前電解水制氫裝置主要有堿性水電解槽(AE)和質子交換膜水電解槽(PEM)。
電解水制氫的化學反應式如下:
陰極:4H2O+4e-=2H2↑ +4OH-
陽極:4OH--4e-=2H2O+O2↑
總反應式:2H2O=2H2↑+ O2↑
1、堿性液體電解槽電解水制氫
堿性電解槽技術.為成熟,生產成本較低,產氣量容量范圍大,工藝簡單,成本較低,易于維護,目前被大規模應用。通常,堿性液體電解質電解槽的工作電流密度約為0.25A/cm2左右,能源效率通常在60%-70%左右,單機產氣量可達1000Nm3/h。
堿性液體水電解技術是以KOH、NaOH水溶液為電解質,采用石棉布、聚苯硫醚纖維隔膜等作為隔膜,在直流電的作用下,將水電解,生成氫氣和氧氣。產出的氣體需要進行脫堿霧處理。堿性液體水電解于20世紀中期就實現了工業化。該技術較成熟,運行壽命可達15年。
堿性液體電解質電解槽難以快速的關閉或者啟動,制氫的速度也難以快速調節。而且必須時刻保持電解池的陽極和陰極兩側上的壓力均衡,防止氫氧氣體穿過多孔的石棉膜混合,進而引起爆炸。
因此,堿性液體電解槽與具有快速波動特性的可再生能源配合有一定難度。
2、質子交換膜(PEM)電解水制氫
PEM電解,以質子交換膜替代石棉膜,傳導質子,并隔絕電極兩側的氣體,這就避免了堿性液體電解質電解槽使用強堿性液體電解質所帶來的缺點。
PEM電解槽的運行電流密度通常高于1A/cm2,至少是堿水電解槽的四倍以上,具有效率高、氣體純度高、綠色環保、能耗低、無堿液、體積小、..可靠、可實現更高的產氣壓力等優點。這一技術在國內目前尚沒有大規模商業化,國內單臺產氣量較小,壽命不到1萬小時。
典型的PEM水電解池主要部件包括陰陽極端板、陰陽極氣體擴散層、陰陽極催化層和質子交換膜等。與堿性水電解相比,PEM水電解系統無需脫堿,壓力調控裕度更大。在商業化初期PEM的成本主要集中在PEM電解池本身。提高運行的電流密度,可以降低電解的設備投資。而且,寬范圍的運行電流密度更有利于配合可再生能源的波動性。被認為是目前.有發展前景的水電解技術。