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技術(shù)|海水直接制氫的那些挑戰和創(chuàng )新

材料突破、系統設計是核心。

近期,大慶油田成功應用海水制氫電解槽與油田采出污水制取出氫氣,展現了海水制氫技術(shù)在面對惡劣水質(zhì)環(huán)境下的優(yōu)勢。

能景研究根據國內外海水制氫研究文獻,歸納了現階段的2種直接海水制氫電解裝置,一是海水環(huán)境電解制氫裝置,二是海水凈化/制氫一體化裝置(根據特點(diǎn)歸納名稱(chēng),非正式學(xué)術(shù)用語(yǔ)),分析了其結構與原理特點(diǎn),希望有所啟發(fā)。

01 海水復雜化學(xué)成分給電解槽設計帶來(lái)挑戰

海水中存在多種成分會(huì )對電解槽長(cháng)期運行造成危害,其中,最主要的有氯離子、堿土金屬離子等。在陽(yáng)極,面臨氯離子(Cl-)氧化的副反應挑戰。一方面,氯離子的陽(yáng)極氧化產(chǎn)物具有氧化腐蝕性。電解槽陽(yáng)極處于高電位,除將氧負離子氧化為氧氣外,還易將氯離子氧化成氯氣(Cl2)、次氯酸根(ClO-)等具有較強氧化性的副產(chǎn)物,會(huì )對電極材料、雙極板金屬材料、甚至下游氣液分離器等造成氧化腐蝕,對部分有機密封材料等也有腐蝕危害。

另一方面,氯離子本身對電極有腐蝕危害。氯離子易與部分金屬元素離子結合形成絡(luò )合物,使金屬更易發(fā)生溶解從而流失。同時(shí),氯離子還可能與某些種類(lèi)的陽(yáng)極催化劑的活性位點(diǎn)產(chǎn)生結合,降低催化劑析氧活性。

在陰極,堿土金屬離子(鈣離子、鎂離子等)沉積造成多種風(fēng)險。

一方面,沉積物會(huì )掩埋陰極表面阻礙反應。海水中高含量的鈣離子(Ca2+)、鎂離子(Mg2+)等堿土金屬離子極易沉積,且由于陰極析氫反應帶來(lái)的pH上升乃至形成弱堿性環(huán)境將導致形成Ca(OH)2、Mg(OH)2等多種沉積物覆蓋在電極表面,阻礙析氫反應。

另一方面,沉積物電解槽內部結構造成安全風(fēng)險。電解槽運行時(shí)存在高電流、高氣壓等內部環(huán)境條件。沉積物堵塞后易形成局部電壓或氣壓過(guò)高,造成電解槽內部結構發(fā)生擊穿燒蝕、或陰陽(yáng)極氣壓差失衡從而導致氫氧互滲含量超標,危及生產(chǎn)安全。

電解槽的隔膜同樣受易受海水多種成分毒化。無(wú)論堿性電解槽隔膜、PEM隔膜或是AEM隔膜等,都有可能因海水中的溴離子(Br-)、多種堿土金屬離子、有機微生物等發(fā)生微觀(guān)傳輸結構堵塞或失活,導致電導率下降,產(chǎn)氫量下降,電耗增大。

利用堿性或PEM電解槽直接進(jìn)行海水制氫,需進(jìn)行隔膜、電極,乃至極板、輔助系統等全方位升級優(yōu)化。

02 海水環(huán)境電解制氫裝置:材料創(chuàng )新,以新型電極材料直接應對海水環(huán)境

此類(lèi)電解槽結構與堿性電解槽(ALK)或質(zhì)子交換膜電解槽(PEM)類(lèi)似,但電解液為海水,通過(guò)對陽(yáng)極、陰極材料等的創(chuàng )新設計,克服海水制氫過(guò)程中發(fā)生的副反應。

一是開(kāi)發(fā)“防析氯陽(yáng)極材料”、“防沉積陰極材料”。為緩解海水復雜成分不利影響,新型電極材料研究有在催化劑表面負載選擇性滲透阻擋層、對催化劑進(jìn)行元素組分及微觀(guān)結構設計等多種方案,以阻擋會(huì )發(fā)生副反應的離子接觸電極,或降低副反應的活性。如中科院寧波材料所、大連化物所等,通過(guò)在陽(yáng)極材料中摻雜硫、硫酸根等成分,降低氯氧化的選擇性,實(shí)現了電解海水制氫較長(cháng)時(shí)間穩定運行。

二是采用添加劑,利用有利副反應取代不利副反應。如在海水中通入含硫廢水,在陽(yáng)極以含硫污染物的氧化分解,取代海水中氯離子的氧化,實(shí)現污染物處理的同時(shí)避免有害氯氧化物的產(chǎn)生。如國內大連理工大學(xué)王治宇教授團隊等提出的節能耦合含硫污染物的海水電解技術(shù),通過(guò)引入含硫污染物,使得陽(yáng)極氧化電位降至1.0V以下,避免了氯氧化,同時(shí)實(shí)現了降低制氫能耗。

能景研究認為,海水環(huán)境電解制氫裝置具有結構簡(jiǎn)單成熟、易復制推廣的優(yōu)勢。其應用轉化的速度,取決于核心材料的發(fā)展與突破階段。

03 海水凈化/制氫一體化裝置:結構創(chuàng )新,以膜材料隔離海水直接侵蝕

此類(lèi)電解槽結構集成了海水凈化膜、堿性電解槽兩部分,直接發(fā)生電解制氫反應的仍為傳統KOH溶液等電解液,而非直接電解海水。

以謝和平院士團隊發(fā)表在Nature上的海水制氫電解槽為例。其類(lèi)似于在堿性電解槽外包裹了一層海水凈化膜。膜內為堿性電解液,以及傳統堿性電解槽的核心零部件,有鎳電極、隔膜等部分。膜外為海水,通過(guò)聚四氟乙烯膜(類(lèi)似于滲透膜)與堿性電解液隔開(kāi)。由于海水濃度低于堿性電解液,在兩者之間的蒸汽壓力差(類(lèi)似于濃度差)驅動(dòng)下,海水中的水會(huì )自動(dòng)揮發(fā)到堿性電解液中,而海水中的離子、雜質(zhì)等仍留在膜另一側的海水中。

能景研究認為,“海水凈化/制氫一體化”模式,或將更快實(shí)現海水直接制氫產(chǎn)業(yè)化突破。“海水凈化/制氫一體化”模式結合了“間接海水制氫”和堿性電解槽的優(yōu)點(diǎn),繞開(kāi)了對耐海水環(huán)境的電極材料等的硬性需求。其應用轉化的速度,取決于工程化應用轉化的速度,如膜材料優(yōu)選、結構進(jìn)一步優(yōu)化、耐久性測試等。

來(lái)源:能景研究

END

       原文標題 : 技術(shù)|海水直接制氫的那些挑戰和創(chuàng )新

聲明: 本文由入駐維科號的作者撰寫(xiě),觀(guān)點(diǎn)僅代表作者本人,不代表OFweek立場(chǎng)。如有侵權或其他問(wèn)題,請聯(lián)系舉報。

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