東芝公司 (TOKYO: 6502) 已開(kāi)發(fā)出大規(guī)模的電極生產(chǎn)技術(shù)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電力到氫氣 (P2G) 技術(shù)的高效率，這是向碳中和邁進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)社會(huì)，同時(shí)將世界上最稀有的貴金屬之一銥的使用量減少到 1/10。
P2G 利用水的電解將可再生能源轉(zhuǎn)化為氫氣，用于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)叫枰牡胤健Ｙ|(zhì)子交換膜 (PEM) 電解被視為一種非常有前途的轉(zhuǎn)換方法，因?yàn)樗鼘?duì)功率波動(dòng)反應(yīng)迅速并且非常耐用。然而，PEM 使用銥（所有交易貴金屬中最稀有的一種）作為其電極中的催化劑。實(shí)際應(yīng)用需要減少使用的銥，這是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。
東芝開(kāi)發(fā)了一種氧化銥納米片疊層催化劑，在 2017 年將銥的需求量降低到了 1/10。該公司現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，可以一次將催化劑沉積在最大 5m2的面積上。這一進(jìn)展有望推動(dòng) P2G 在大規(guī)模電力轉(zhuǎn)換方面的早期商業(yè)化，并將有助于實(shí)現(xiàn)碳中和。東芝的目標(biāo)是在 2023年或之后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
P2G 被視為到 2050 年實(shí)現(xiàn)碳中和的重要解決方案。它使用電解將可再生能源中的電力轉(zhuǎn)化為氫氣，以備儲(chǔ)存和運(yùn)輸。該過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)是水電解器，可將能量轉(zhuǎn)化為氫氣而不排放 CO2。PEM水電解具有出色的功率波動(dòng)適應(yīng)性和高耐用性，歐洲和美國(guó)在開(kāi)發(fā)當(dāng)前工藝方面處于領(lǐng)先地位。
圖 1：MEA 的結(jié)構(gòu)（圖示：Business Wire）
PEM 使用集成了電解質(zhì)膜和電極的膜電極組件 (MEA)（圖1）。電力的大規(guī)模氫轉(zhuǎn)化需要大量的多邊環(huán)境協(xié)定，預(yù)計(jì)到 2028 年市場(chǎng)規(guī)模約為 5.8 億美元。
MEA電極依賴(lài)大量的銥來(lái)確保足夠的電解效率。銥是最稀有的貴金屬之一。全球年產(chǎn)量在 7 至 10 噸左右，遠(yuǎn)低于 200 噸的鉑金，成本高出 4 至 5 倍。形成電極需要均勻涂覆精細(xì)的氧化銥顆粒，減少氧化銥會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用不均勻和反應(yīng)不均勻，從而降低水電解性能。
圖2
東芝的多層催化劑使用一種新的濺射技術(shù)（圖2）來(lái)沉積氧化銥納米片薄膜和空隙層的交替層（圖3）。在濺射中，離子（如氬氣）在真空中轟擊沉積材料（靶材），并將噴射的粒子沉積在基板上（圖2）。在東芝的工藝中，銥是靶材，當(dāng)靶材沉積在基板上時(shí)，通過(guò)注入氧氣形成氧化銥薄膜。厚度控制在納米級(jí)，以較少的銥實(shí)現(xiàn)均勻氧化銥層的沉積。
圖3
在催化劑層中使用東芝的層壓納米片結(jié)構(gòu)成功地將所需的銥減少到 1/10，同時(shí)保持水電解性能（圖4）。它還顯著擴(kuò)大了沉積表面積。由于濺射是在真空中進(jìn)行的，因此難以在大面積上進(jìn)行沉積。然而，通過(guò)修改包括銥在內(nèi)的多種金屬靶材的沉積分布比例和氧氣輸入水平，東芝成功開(kāi)發(fā)了一種大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)催化劑一次沉積面積高達(dá) 5m2（圖5）。
圖4
圖5
東芝與東芝能源系統(tǒng)與解決方案公司合作，基于所開(kāi)發(fā)的技術(shù)制造了帶有電極的 MEA 原型，并已開(kāi)始與一家水電解槽制造商進(jìn)行評(píng)估測(cè)試。展望未來(lái)，公司將提高產(chǎn)量和質(zhì)量以實(shí)現(xiàn) MEA 的量產(chǎn)，目標(biāo)是在 2023 財(cái)年或之后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
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原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氫科技網(wǎng)）：東芝PEM水電解制氫技術(shù)將銥的使用量減少到 1/10
