原題:「水素「膜」法」
世界規模の水素エネルギー軍拡競争が始まった。
風力や太陽光発電などの再生可能エネルギー源の急速な開発と消費のニーズ、そして地域紛争による新たなエネルギー安全保障のニーズにより、水素エネルギーは世界中の国々が注目するエネルギーキャリアとなっています。に注意してください。
この記事では、水素製造の重要な装置である電解装置の具体的な技術的ルートに直接切り込み、その後、最も重要なコアコンポーネントの 1 つである分離器とその開発動向にさらに焦点を当てます。
Chen Menlei丨著者
Li Tuo丨編集者
現在の水素製造ルートは、工業副生水素、化石燃料による水素製造、電解水による水素製造の3つに大別されます。
産業副生水素とは、他の工業生産プロセスで生成される副産物としての水素を指します。しかし、このようにして得られた水素がエネルギーキャリアとしての発展をサポートできないことは明らかであり、その生産能力は完全に制御できず、真の工業化を達成することはできません。
化石燃料からの水素製造は、石炭や天然ガスを原料として水素を製造する方法であり、プロセスが成熟しており、コストも低いため、現在最も重要な水素製造方法です。この方法は炭素排出を伴い、カーボンニュートラルの目標を満たしておらず、水素エネルギー産業を支援する生産プロセスとして使用することはできません。
炭素回収および回収技術を追加すると、ゼロエミッションで生成される水素はブルー水素になります。このモデルの問題点は、企業が多額の追加コストを負担する必要があり経済的ではないことですが、ブルー水素は化石燃料から本質的に分離されていないため、根本的な問題はありません。排出ガスに対してかなり積極的なドイツでさえ、この線引きを「紛らわしい」と呼ぶのも不思議ではない。
水の電気分解による水素製造は、現在の水素製造構造に占める割合は低いですが、世界のエネルギー業界から広く注目されています。水の電気分解による水素製造の原料は容易に入手可能であり、製造プロセスでは追加の炭素排出は発生せず、これは二重炭素目標と一致しており、水素エネルギーは風力発電と太陽光発電の急速な成長という現在の背景に一致しています。世界中で容量が増加しており、非常に安価な電力により、水素製造のためのエネルギーが大幅に削減され、グリーン電力のコストと消費能力も再生可能エネルギー業界のニーズを満たしており、エネルギー変革のトレンドの下で理想的なエネルギーキャリアとなっています。現在、世界の水素製造産業は急速に発展しており、輸送分野に加え、エネルギー貯蔵、工業生産(製鉄など)などの産業も開発計画に組み込まれ、各国がそれに対応した開発目標を設定しており、エネルギー産業の発展方向 1.
データによると、2022年末現在、世界の水素エネルギー分野への直接投資は2,500億米ドル近くに達し、国際水素エネルギー評議会によると、2022年末までに総投資額は5,000億米ドルに増加する見込みです。 2030[ 1]。
中国では、国家能源局が2022年3月に共同発表した「水素エネルギー産業発展中長期計画(2021~2035年)」で、業界の発展目標が定められた。 2023年1月から2月だけで、電解槽を備えたグリーン水素プロジェクト計8件が公募され、電解槽の入札総量は763.5MWに達し、前年比3倍近く増加し、国内の電解槽出荷量を上回った。 2022 年に (約 750MW )[2]。入札数量と出荷数量は完全に比較できるものではありませんが、年間の出荷数量の伸びはいかに速いかの問題です。
生物学的水素製造、光分解水素製造、その他の新興技術ルートなどの他の再生可能エネルギーによる水素製造は、成熟度が低いため商業化にはまだ遠いため、議論されません。
現在、電解水素製造技術には主にアルカリ電解水素製造(アルカリ水電解、AWE)、陰イオン交換膜電解(陰イオン交換膜電解、AEM)、プロトン膜電解水素製造の4つがあります。 (陽子交換膜電解、PEM)、固体酸化物電解セル (SOEC)[3][4][5]:
アルカリ電解水素製造:AWEは、アルカリ水溶液を電解液として使用し、主にPPS膜(ポリフェニレンサルファイド)をセパレータとして使用し、直流電流の作用下で水を電気分解して水素を発生させます。酸素は、現在最も成熟し、最も商業化され、最も広く使用されている水素製造技術であり、現在の水素エネルギー産業にとって優先される技術的手段でもあります。前述したように、2023 年の最初の 2 か月における電解槽の入札数は 2022 年の通年の出荷台数を上回っており、これらの電解槽はすべてアルカリ電解槽です。 AWE技術の利点は、コストが安く、操作が簡単で、設備の耐用年数が長く、技術が成熟し、単一設備の生産能力が高く、現地化率が高いことであり、国内設備は世界トップレベルに達しています。このルートの欠点は、装置が大型で広い敷地が必要であること、絶対的なエネルギー効率が他の技術ルートに比べて大幅に低いこと、反応プロセスがアルカリ性溶液を使用するため、ある程度の腐食性があり、メンテナンスが必要であることです。装置。 AWEの最も顕著な欠点は、一部の生産リンクの特性により、装置の応答速度が遅く、迅速な起動と停止ができず、水素生産速度の調整が難しく、揮発性の高い電源には適していないことです。つまり、風力や太陽光などの再生可能エネルギーとの連携は難しいのです。
陰イオン交換膜電解水素製造: AEM は、AWE の欠点に対処するために開発された前処理プロセスです。この装置は、セパレータとして陰イオン交換膜、電解液として純水または弱アルカリ溶液を使用しており、陰極から陽極へのOH-の移動を実現します。この技術は低コストであり、セパレータは気密性、安定性、低抵抗が良好であり、非貴金属触媒と協働して高導電性と高電流密度を実現し、AWE のガスクロスフロー問題を緩和することができます。 AWEでも可能です、改善案の一つです。イオン伝導性が低く、高温安定性が低いという欠点があり、効率的で安定したセパレーターとそれに適応した高性能触媒のさらなる研究開発が必要です。 AEM の現在の技術成熟度は 4 つのルートの中で最も低く、まだ実験室での研究開発段階にあります。
水素製造のためのプロトン膜電気分解: PEM はアルカリ電解槽のセパレーターと液体電解質を高分子プロトン交換膜に置き換えます。この膜は純水を直接分解するため、有望な代替品と考えられています。 . AWE の次世代水素製造技術は、一部の国で初期の商業化を達成しました。 PEM の利点は、小型、高効率、生成される水素の純度が高く、応答速度が速いことであり、再生可能エネルギーの大きな変動に適応でき、電力網の負荷調整に参加するのに非常に適しています。 PEM の欠点は、装置の寿命が平均的であること、水質要求が高いため、原料の供給がより困難であること、単一装置の生産能力が AWE ルートに比べてはるかに小さいことです。膜は外国企業によって管理されており、ローカライズ率が低いリスクは無視できません。 PEMの最大の問題点は、触媒に白金などの貴金属を多量に使用し、装置コストがAWEルートの3~5倍にもなり、経済性が十分ではないことです。コストの問題により、一部の国ではできるだけ早く大規模生産を達成するために AWE ルートに目を向けることさえあります。
水の固体酸化物電気分解による水素製造:SOEC は電解質として固体酸化物を使用し、700 ~ 1000 ℃の高温環境下で水蒸気に少量の水素を混合させます。陰極から電気が侵入し、陰極は電気分解反応によりH2とO2-に分解し、O2-は電解質層を通過して電解質層に到達します。アノードでは電子を失い O2.が生成されます。 SOECは、電解装置の設計や運転条件の点でこれまでの水素製造技術とは大きく異なり、エネルギー効率がAWEやPEMに比べて90%以上と大幅に高いという利点があるが、技術の成熟度が低く、実用化が難しい。まだ実用化の条件は整っておらず、現在は準備段階、実証段階にある。
市場という点では、私の国は世界最大の水素生産国であり、電解装置の最大メーカーでもあります。もちろん、この段階の水素はエネルギーキャリアとして存在しているのではなく、工業原料として石油精製、アンモニア合成、メタノール合成、製鉄などに広く使われています。
国際エネルギー機関の統計によると、2021 年の世界の水素生産能力は約 9,400 万トン、国内生産量は約 3,300 万トンになります[6][7]。しかし、世界の水素供給は主に化石燃料の改質によって生産されており、炭素排出量が多くクリーンではありません。これは、デュアルカーボン目標と組み合わせると、たとえ水素が燃料としてみなされていないとしても、水の電気分解による水素製造の代替機会と商業化シナリオがあり、視点を水素エネルギー産業に限定する必要がないことを意味します。 。
「中国水素エネルギーおよび燃料電池産業年次ブルーブック (2022)」によると、世界の電解槽市場出荷量は 2022 年に 1GW に達し、中国の電解槽総出荷量は前年比 800MW を超えると予想されています。年間129%以上の増加、世界シェアは80%を超え、アルカリ電解槽は年間出荷量776MWで絶対的な地位を占め、水素製造装置メーカーの出荷台数上位3社はコケリル・メディアコム、CSSCペリー・ハイドロジェン・エナジー、ロンギ水素エネルギー。その中で、Longi Hydrogen Energy は、わずか 1 年でトップ 5 から 3 位に浮上しました[8][9]。
AWE 電解槽は市場シェアを獲得可能 支持は難しくない理解すること。成熟したテクノロジーと低コストは、常に工業生産の人気の特徴です。
となっています。 #/h が基本的に標準となり、2022 年 12 月に CSSC Perry は、単一の水素製造能力 2000Nm/h を備えた「ビッグマック」[10]を発売しました。
スケール効果に加えて、AWE の調製技術にも改善の余地があります。
1つ目は、コアコンポーネントであるダイヤフラムのアップグレードです。現在、機器メーカーは従来の PPS 膜から、全体的な性能が優れた複合セパレーターに切り替えています。
一部の複合ダイヤフラムは、AWE のエネルギー利用の向上に重点を置いています。ブルームバーグNEFのデータによると、一部の複合膜はエネルギー効率を4%向上させることができ、国産膜のコストは欧州のコストの約30%にすぎない可能性があり、国内機器の価格優位性を効果的に継続できる可能性がある[11]## #。
他の複合ダイヤフラムは、アルカリ電解槽におけるガスのクロスフローの問題を解決しようとしています。 AWEの水素製造工程では、ガスの発生によりダイヤフラムの両側で圧力の不均衡が発生し、適切な制御を行わないと水素がダイヤフラムを貫通して酸素と混合し、非常に危険なため、圧力管理を行う必要があります。水素製造プロセス中に排出されます。実際、この要求が、アルカリ電解槽が変動する電源に適応することを困難にしているのです。一部のセパレーターメーカーのアイデアは、優れたガスバリア特性を備えたセパレーターを製造することで水素漏洩を物理的に解決し、それによって電解槽が変動するエネルギー源に適応できるようにすることです。 本質的に、陰イオン交換膜電解槽は、アップグレードされたセパレーターを備えた AWE ルートに従います。 水のアルカリ電気分解による高温水素の製造も、アップグレードの方向性として考えられます。簡単にまとめると、高温高圧条件下で運転すると、電解槽の運転効率が効果的に向上します。ただし、高温および高濃度の電解液はアルカリ腐食の問題を引き起こし、機器の耐用年数を短縮する可能性があるため、温度が高くなるとより耐食性の高い材料が必要となり、高圧ではシステム管理がより困難になります。高温はまだ実験室段階です。 海水からの水素製造に関する研究も珍しいことではありません。沿岸および洋上の風力発電や太陽光資源は比較的豊富で、水資源もほぼ無限にあるため、再生可能エネルギーによるオンサイトの水素製造には理想的な場所です。現在の問題は、海水の組成が非常に複雑で、その中のイオンがアルカリ溶液とさまざまな化学反応を起こし、水素製造装置の動作に重大な影響を与えることです。海水を浄化して水素を生成する陸上モデルでは、必ずしも追加コストがそれほどかかるわけではありませんが、海洋の状況はまったく異なります。海上にプラットフォームを建設する建設コストは非常に高く、追加の淡水化装置を設置するとコストが高騰し、ただでさえ劣悪な経済性がさらに低下します。海水を直接電気分解できる装置の開発も研究者や企業の方向性だ。 もう一つのアイデアは、制御システムを最適化し、電源変動に適応できるモデルを確立し、水素製造装置を更新することなく運転戦略を高度化することで、起動と停止の繰り返しを回避し、安定した運転を実現することです。 もっとシンプルで直接的なのは、再生可能エネルギーをエネルギー貯蔵装置に接続し、発電端で直接変動を平滑化してから水素製造ラインに接続することです。短期間でプロジェクトを実現できるのがメリットだが、当然水素製造コストが高くなるのがデメリットだ。 上記および言及されていない技術アップグレードが実施できれば、AWE の水素製造は非常に安価なエネルギーを大量に利用できるようになり、経済性が向上し、水素エネルギー産業の推進が確実なものになると考えられます。 。さらに、アルカリ電解槽ルートにおける我が国の現在の自治権と技術蓄積は、PEMルートよりもはるかに優れています。海外企業と無理に苦手な技術分野で競争するよりも、強い分野を掘り下げたほうが良いというのは、競争上の考え方としてもよくあることです。[5]。
電解槽と燃料電池はどちらもプロトン膜に基づいて動作し、同様の構造を持っていますが、製品ニーズは異なり、性能指標は一貫していません。最終製品の材料システムも大きく異なるため、一般化することはできません。
電解槽の全体構造は比較的シンプルですが、使用条件が厳しく、材料の寿命や耐久性が求められるため、電解槽に使用される膜は電池に使用される膜よりも厚くなります。 ; 燃料電池は自動車製造から開発されており、需要に応じてプロトン膜を強化するには追加の改質処理が必要です。たとえば、ゴア社は、燃料電池自動車に使用するための極薄プロトン膜を製造するために、強化材として延伸ポリテトラフルオロエチレン (ePTFE) を使用しています。トヨタ、ヒュンダイ、ホンダ。[13]。
このことから、製品を評価する際には、下流の具体的な応用シナリオも考慮する必要があることがわかります。プロトン膜を製造している企業というだけではなく、複数の分野をカバーできる能力を持っています。この違い。
PEM電解装置の高コストの主な原因は設備コストであることに注意が必要であり、固体高分子交換膜も電解装置の心臓部ですが、水素製造の総コストに占める割合は高くなります。は高くない(約 2.3 %)ため、ローカライズによるコスト削減の顕著な効果はありません。ローカリゼーションの主な意義は、ビジネスチャンスだけでなく、主要なリンクにおける外国による抑圧を避けることでもあります。
陽子交換膜製品は主にフッ素含有量によって区別されます。パーフルオロプロトン交換膜、部分フッ素化ポリマープロトン交換膜、非フッ素化ポリマープロトン交換膜、複合プロトン交換膜の 4 つのカテゴリに分類できます。その中で、パーフルオロスルホン酸プロトン交換膜は最も成熟しており、最も総合的な性能が高く、商業的に最も広く使用されています。 PEM 電解槽はパーフルオロスルホン酸膜を使用します。
、そのうち国内の陽子交換膜 交換膜の市場シェアは 7.5% で、2021 年までに 11.61% まで上昇します
[17]。
PEM 水電解水素製造用プロトン交換膜の市場規模は小さく、Chemours (旧 DuPont USA) の Nafion™ シリーズ膜がシェアを占めています。 2021 年には国内プロトン交換膜の市場シェアは 76% に達し、21.45% となります。 GGII の調査によると、東岳グループの子会社である東岳未来水素エネルギーは、一部の顧客に対する予備申請検証を完了し、2021 年に現地での代替を開始し、市場シェアは約 15%[17]となる予定です。
2021 年の中国市場におけるフロー電池用プロトン交換膜の現地化率は約 23.15%、主要メーカーは Kerun New Materials です。 Dong Yue Future Hydrogen Energy および他の国内企業のフローバッテリー陽子交換膜はサンプル検証段階にあります。国内市場は依然としてケマーズのパーフルオロスルホン酸樹脂膜が独占しており、市場シェアは 75%[17]です。
最後に、このセクションの冒頭でプロトン交換膜には強力な成長の可能性があると述べましたが、これはその成長の可能性についての説明にすぎません。市場の絶対的な規模はまだそれほど大きくなく、今後の成長にはさらなる不確実性が伴います。
理論的には、水素エネルギー自動車は陽子交換膜を最も多く使用する産業となるはずです。 CITIC Securitiesの推計によると、燃料電池自動車の台数が2030年に100万台に達すると、それに対応する陽子交換膜の市場規模は132億元[15]に達する。しかし、燃料電池自動車の成長見通しはまだあまり明確ではなく、少なくとも現時点では、リチウム電池電気自動車に比べて競争力がはるかに低く、商用車の分野で少量しか使用されていないことを考慮する必要があります。これらのアプリケーションは主にデモンストレーションを目的としていますが、電気商用車にとって決定的な利点があるに違いありません。
PEM電解装置に対応するプロトン膜市場は比較的限られています。同庁は、2025年の電解装置市場規模は350億元になると予測しており、この試算によると、コスト構造が大きく変わらずPEMルートが市場を完全に占有した場合、対応するプロトン膜市場は約1.75元となる。実際、状況はこの数字[18]よりはるかに小さくなる可能性があります。さらに、工業生産はこれまで技術の進歩にあまり関心がなかったため、PEM がコストレベルで AWE ルートと競合できない場合、それは水素製造業界全体にとって最適なルートではなくなり、市場シェアも低下するでしょう。小さくなります、小さいです。
全バナジウムレドックスフロー電池はフロー電池技術の中でも最も人気のある技術ルートの一つであり、主に長期エネルギー貯蔵技術の可能性として市場の注目を集めています 2022年3月に発表された「第14次5カ年計画」 「新しいエネルギー貯蔵開発の実施計画」には、新しいエネルギー貯蔵コア技術と機器の研究における重要な方向性の 1 つとして 100 メガワットのフローバッテリー技術が含まれています [19]。プロトン交換膜、またはイオン交換膜 (具体的な名前は応用分野によって異なります) は、異なる価数のバナジウム イオンをブロックし、水素イオンを通過させるために電気スタックで使用されます。 2022年10月末現在、登録、着工、建設中、落札、入札等を含むオールバナジウムレドックスフロー電池プロジェクトの総規模は1.3GW/5.4GWhに達しています。このうち、着工、落札、建設中のプロジェクトの合計は 2.0GWh を超え、2023[20]までに段階的に実施される予定です。
しかし、現在、エネルギー貯蔵ルートは数多くあり、明確な勝者はいません。さらに、さまざまなエネルギー貯蔵シナリオに対応する技術の選択肢も異なる可能性があります。すべてのエネルギー貯蔵ルートの商業化には依然として大きな不確実性があります。バナジウムレドックスフロー電池、性別。
上記の応用シナリオに加えて、プロトン交換膜には、あまり知られていない下流の塩素アルカリ産業もあります。より厳密に言えば、この種の有機フッ化物膜は、クロールアルカリ産業におけるイオン膜として広く使用されるはずです。イオン膜法は現在、我が国を含む塩素アルカリ産業で最も主流の製造プロセスであり、低消費電力、高濃度の液体アルカリ、高度な生産自動化、環境汚染の少なさなどの利点を持っています。使用率は 100% に近いです[ 15]。パーフルオロイオン交換膜はパーフルオロスルホン酸膜、パーフルオロカルボン酸膜、ポリテトラフルオロエチレン強化メッシュからなる基材であり、輸入に依存している。クロールアルカリは非常に典型的な高エネルギー消費産業であるため、生産を拡大するのは非常に困難であり、標準的な株式市場であり、需要は比較的固定されています。規模はわずか約 4 億 5,000 万に過ぎず、広く注目されておらず、理由の範囲内で注目されることもありません。
4. 定期的なクールダウン水素エネルギーは確かに優れていますが、非常に未熟でもあります。現在のエネルギー産業にはいくつかの応用例がありますが、産業としての水素は、それが描くビジョンには遠く及ばないのです。
水素エネルギーの未熟さによる制約は、水素の製造プロセスにとどまらず、貯蔵・輸送、燃料補給、具体的な事業化、支援施設の建設など、あらゆる分野で何らかの問題を抱えています。
しかし、私たちが目にしているのは、一部の企業、投資機関、さらにはメディアさえも、末端の燃料電池に多大な関心と設備投資を注いでいるにもかかわらず、意図的か非意図的かにかかわらず、業界の体系的な発展を無視しているということです。実は、これを理解するのは難しいことではなく、結局のところ、燃料電池は他のリンクに比べて最も単純で、痕跡もあり、リチウム電池に触れて川を渡って「投資」しようとしている人も少なくないでしょう。次のCATL時代」。
しかし、全国的な送電網と成熟した電池主材料調製技術がなければ、水素エネルギーがどこからともなくCATLレベルのリーダーを生み出すことができるか想像するのは困難です。成熟した産業チェーンと体系的な産業構造が存在しない場合、特定のリンクを征服しようとすることは非現実的です。さらに、現在水素エネルギー業界に参入しているプレーヤーのうち、トレンドを追いかけたり、話題のトピックについて推測したり、投資家を説得したり、あるいは不正行為をしたりするためだけに水素エネルギー業界の技術的敷居の低いところに参入している企業がどれだけあるかについて、読者は独自の判断を下さなければなりません。補助金。
さらに、水素エネルギーは多くの有望なルートのうちの 1 つにすぎません。クリーンで発熱量が高いなどの一連の利点を備えているが、現在の世界のエネルギー市場の変革の波は、海を渡る八仙と一致しており、将来の主流技術の道筋には大きな不確実性がある。エネルギーは間違いなく勝利し、将来の市場の支配力となるでしょう。パイの絵がどれほど大きくても、少なくともこの段階では、それは単なる絵にすぎません。
水素エネルギーには確かに前向きな意義がありますが、産業の発展は一度で完了するものではありません。業界の参加者や推進者が開発の客観的な法則をより合理的に見ることができることが期待されています。すぐに成功したいという熱意と近視眼的な考えはしばしば同義語であり、短絡的なアプローチがもたらす可能性が最も高いのは、市場の古い手口です。
参考文献:
[1] 張瑞: 水素エネルギーの開発と利用をめぐる世界的な競争が激化している 国際ビジネスニュース. 2023.03.22. 中国石油ニュースセンターhttp://news.cnpc.com.cn/system / 2023/03/22/030096412.shtml
#[3] Yu Honmei、Shao Zhigang、Hou Ming、Yi Baolian、Duan Fangwei、Yang Yingxuan. (2021). 水の電気分解による水素製造技術の研究の進歩と開発の提案. 中国工学科学、23 ( 2)、146-152.
https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2022
[ 7】中国経済網:年間生産量3,300万トン!私の国は世界最大の水素生産国になりました。2023.3.23http://www.ce.cn/
cysc / ny / gdxw / 202203/23 / t20220323_37427521.shtml#[8] LONGi ニュース: 2022 年の中国電解槽出荷ランキングが発表、LONGi Hydrogen Energy は国内トップ 3 にランクイン 2022.12.15https://www.longi.com/cn/news/trendbank-2022-hydrogen/
[9] 華安証券: 風に乗って、電解槽技術が水素エネルギーの波を起こす。2023.3.16
index / kejixinwen / 202212 /
c09b1995021f43219eb8d14dbd1063b9.shtml# #[11] ブルームバーグ新エネルギー金融: 中国の電解槽メーカー: 1 社 詳しく見る. 2022.12.15.https://mp.weixin.qq.com/s / Cou1S64xdn8_qvQLkcMHag
http://www.nengyuanjie.net/記事 / 22964.html
[14] IRENA: グリーン水素のコスト削減、2020.12.https://www.irena.org/publications/2020/Dec/Green-hydrogen-cost-reduction
[15] CITIC Securities: 水素エネルギーと燃料電池 | プロトン交換膜数百億市場、国内代替は必須 2022.4.16.https:// mp. weixin.qq.com/s / DK6gNqlIiE4VT0SN9aAnPA
[16] Yu Bowen. (2021). 水素燃料電池用プロトン交換膜の研究状況と展望. プラスチック産業.
[17] 新産業シンクタンク: GGII: プロトン交換膜の局在化のための代替空間の探索. 2022.5.16.https://mp.weixin.qq. com/s / QhRfTnNQ6OX6J0dNld5COw
https://www.ndrc .gov.cn/xxgk / zcfb / tz / 202203 / t20220321_1319772.html
https://news.bjx.com.cn/html / 20230316/1295163.shtml
からのものです。
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