质子交换膜与碱液制氢机优劣性比较

  按照电解质性质的不同,电解水制氢技术主要分为三种:碱液、质子交换膜(proton exchange membrane,pem)和固体氧化物水电解技术。固体氧化物电解技术因其工作温度过高,限制了电解材料的选择、密封和运行控制,为此始终无法得到应用和推广。除了固体氧化物电解技术,另外两种电解技术都在一定程度上被应用到各个行业中,尤其是碱液电解技术,作为历史最久、技术最成熟、成本最低的电解水制氢技术,目前使用也最为广泛。pem水电解槽能在高电流密度下工作,体积小,效率高,生成的氢气纯度可高达99.999%,被认为是最有发展前景的水电解技术。

  近段时间,国内市场上pem制氢机的发展势头渐强,国内很多商家大力宣传国产的pem制氢机,使很多用户误以为pem水电解技术已经完全成熟,鉴于此种情况,我们认为有必要进行一下澄清,以免用户在选择制氢机的时候产生盲目性。下面,我们从各个方面对碱液氢气发生器和质子交换膜纯水氢气发生器进行了分析和对比。

  1.碱液制氢机售价便宜,pem制氢机售价是国外制氢机两倍

  碱液电解技术发展到现阶段已经非常成熟,早期碱液电解槽普遍使用了石棉膜作为隔膜,随着石棉的致癌性被发现欧美等先进国家先后弃用了石棉膜,开始使用更为环保的离子膜。碱液电解槽的槽体结构简单,操作方便,制造材料也便宜易得,因此整体的造价相对便宜,价格比较容易被制氢机用户接受。

  质子交换膜电解技术的核心是质子交换膜,质子交换膜应具备优异的化学、热力学稳定性和良好的质子传导性,同时,膜表面与催化剂的适配性要好,便于有效阻止气体的扩散,阻隔氢气和氧气接触。目前,使用最为广泛的是杜邦公司的nafion膜,nafion膜具有很多优点,但是价格昂贵,提升了pem水电解技术的成本。在pem电极结构中,受限于电解液的强酸性,要求电极材料必须有耐蚀性和稳定性,作为催化剂的金属几乎完全限制在贵金属及其合金上,目前广泛使用的析氢催化剂为铂系金属及其合金。尽管近年来研究者使用涂覆法在多孔电极上涂覆铂金属催化剂薄层以提高催化剂活性表面积并降低铂金属使用量,已经大大降低了成本,但受限于nafion膜与铂金属催化剂的昂贵,质子交换膜氢气发生器造价仍然远远高于碱液氢气发生器。目前,在产气量同等的基础上,一台质子交换膜氢气发生器的售价约为碱液氢气发生器的两倍。

  2.碱液氢气发生器技术成熟,质子膜氢气发生器仍在实验室研究阶段

  碱液氢气发生器的技术已经非常成熟,这是目前水电解制氢行业公认的事实,并且数十年来,碱液氢气发生器在各行各业都有着非常多的应用实例。pem氢气发生器是近几年来人们在不断降低制造成本的情况下终于有了商业应用实例,但由于制造材料的昂贵与技术上的限制,使其始终没有得到广泛应用。现在商业出售的pem水电解制氢机产气量大约在1-10m3/h(采用多台并联的方式),压力为0-3mpa,单台电解槽最大不过2nm3/h,不管是从产气量还是氢气输送压力上来说,pem制氢机都不能比肩碱液制氢机。更大规模的商用pem水电解制氢机目前只有少数几个研究单位有样机。

  在实际应用方面只有加拿大氢能hydrogenics公司在德国e.on公司项目及丹麦的hobro项目,单台pem电解槽可达200nm3/hr

  3.碱液制氢机电解槽使用寿命8-15年,pem制氢机2年以上。

  由于pem制氢机在技术和制造工艺上的不成熟,运行时电流波动较大,在电解槽中进行的电化学反应过程中会产生更多的杂质,杂质的存在使贵金属催化剂活性降低,降低了电解效率的同时缩短了电解槽的寿命。目前阶段pem电解槽的寿命一般为2年以上,而技术相对成熟的碱液电解槽的寿命为8-15年。

  4.pem对水质的要求更为苛刻

  pem电解槽和碱液电解槽都需要对自来水进行去离子化后才能使用,现在市场上的pem制氢机对纯水的要求是电阻率达到1mω.cm,而用户比较熟悉的碱液制氢机对纯水的要求是电阻率一般达到0.2 mω.cm即可,由此可见pem制氢机对水质的要求略为苛刻一些。