Estado actual y tendencias de desarrollo de la industria de los electrolizadores de hidrógeno [Cumbre de Nueva Energía]

En el Foro de Desarrollo de la Industria de la Energía Hidrógeno de la Exposición de la Industria de la Nueva Energía (10ª edición) de 2025, organizada por SMM Information & Technology Co., Ltd. (SMM), Shi Yong, ingeniero jefe de Jiangsu Trina Yuan Hydrogen Technology Co., Ltd., analizó el tema "Estado actual y tendencias de desarrollo de la industria de los electrolizadores para la producción de hidrógeno". Estado actual del desarrollo Posición estratégica de la energía hidrógeno Posicionamiento estratégico: 1. La energía hidrógeno es un componente importante del futuro sistema energético nacional. 2. La energía hidrógeno es un portador clave para lograr la transformación verde y baja en carbono del consumo energético de los usuarios finales. 3. La industria de la energía hidrógeno es una industria emergente estratégica y una dirección clave para el desarrollo industrial futuro. Electrólisis del agua para la producción de hidrógeno Análisis de mercado Según un informe de Nexbind Insight Market Research, se espera que la capacidad de mercado de los electrolizadores para la producción de hidrógeno supere los 10.000 millones de dólares para 2030, con una tasa de crecimiento superior al 25,8 % entre 2024 y 2030. Electrólisis del agua con óxido sólido para la producción de hidrógeno Electrólisis del agua con óxido sólido a alta temperatura para la producción de hidrógeno (SOEC) Principio: Teóricamente, el SOEC puede considerarse como la operación inversa de una pila de combustible de óxido sólido (SOFC). Su principio de funcionamiento implica utilizar la conductividad iónica de los electrolitos de óxido sólido a altas temperaturas (600-1000 °C) para electrolizar las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. Escenarios de aplicación: energía nuclear, metalurgia del hidrógeno y otros escenarios que generan un calor residual industrial significativo, reduciendo las emisiones de carbono. Estado actual del desarrollo: actualmente en fase de prueba comercial limitada. Ventajas del estado actual del desarrollo del SOEC 1. Alta eficiencia, bajo consumo de energía: la eficiencia de la electrólisis a alta temperatura aumenta entre un 20 y un 50 %, ahorrando entre un 20 y un 30 % de electricidad. 2. Bajo costo: las materias primas son principalmente polvos cerámicos, sin metales preciosos. Combinado con el calor residual externo, el ahorro de electricidad puede alcanzar hasta un 50 %. 3. Reversibilidad: el SOEC puede cambiar de manera flexible entre los modos de electrolizador y SOFC, formando un ciclo de "electricidad-hidrógeno-electricidad". 4. Verde y baja en carbono: impulsado por energías renovables, integrado con el calor de la síntesis química, permitiendo el reciclaje del dióxido de carbono y el agua capturados en gas natural sintético, gasolina, metanol o amoníaco. Estado actual del desarrollo del SOEC Desventajas del producto: 1. Requisitos elevados para los materiales y dificultad para fabricar electrodos únicos de gran tamaño. 2. Arranque y operación complejos. 3. Tecnología de sellado difícil. 4. Escenarios de aplicación limitados y efectos de escala. 5. Baja madurez técnica, actualmente en fase de conversión de laboratorio a comercial. Direcciones de desarrollo: 1. Durabilidad de los materiales y estabilidad del sistema en entornos de alta temperatura. 2. Producción a escala y control de calidad de células individuales y pilas. 3. Mejora de la estabilidad y la vida útil de las pilas. 4. Control de acoplamiento mejorado con energías renovables. Electrólisis del agua con membrana de intercambio de protones para la producción de hidrógeno Principio: Los electrolizadores PEM utilizan un polímero sólido poroso como electrolito y como separador entre el ánodo y el cátodo. En el ánodo, las moléculas de agua se oxidan para generar oxígeno; en el cátodo, los iones de hidrógeno pasan a través de la membrana de intercambio de protones bajo un campo eléctrico y se combinan con electrones para producir hidrógeno. Ventajas de los electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM): 1. Respuesta rápida, operación de amplia carga: pueden adaptarse a entradas de energía que cambian rápidamente, especialmente a la electricidad verde fluctuante de viento y solar. 2. Arranque y parada rápidos: el sistema puede arrancar y parar rápidamente, lo que lo hace adecuado para aplicaciones como estaciones de repostaje de hidrógeno. 3. Estructura compacta: presión unilateral, estructura compacta, pequeña huella. 4. Verde y limpio: impulsado por energías renovables, electroliza agua pura, sin contaminación, hidrógeno de alta pureza. Estado actual del desarrollo de los electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM) Desventajas del producto: 1. Baja producción de hidrógeno por célula. 2. Rendimiento insuficiente (en comparación nacional e internacionalmente): componentes clave, densidad de corriente, consumo unitario de energía de CC, carga de metales preciosos, etc. 3. Alto costo: procesos de preparación complejos para las membranas de intercambio de protones, catalizadores de metales preciosos y electrodos de membrana. 4. Necesidad de mejorar la durabilidad: las membranas de intercambio de protones son propensas al estrés mecánico, la corrosión química y el envejecimiento; los catalizadores de metales preciosos son propensos a la aglomeración y al envenenamiento. Direcciones de desarrollo: 1. Mejorar el rendimiento y la estabilidad: optimizar las membranas de intercambio de protones (capacidad de transporte de protones, estabilidad), estructura del electrolizador. 2. Reducir costos: localizar alternativas a las membranas de protones, reducir el uso de catalizadores de metales preciosos; mejorar los procesos de preparación de electrodos de membrana. 3. Alta presión de trabajo: aumentar aún más la capacidad de presión unilateral, mejorar la uniformidad del material, reducir los costos de equipos posteriores. Electrólisis del agua con membrana de intercambio de aniones para la producción de hidrógeno Electrólisis del agua con membrana de intercambio de aniones para la producción de hidrógeno (AEM) Principio: La producción de hidrógeno con AEM utiliza agua pura o álcali de baja concentración como electrolito. El agua permea desde el ánodo a través de la membrana AEM hasta el cátodo, donde se produce la evolución del hidrógeno, generando OH- e hidrógeno. Los OH- conducen a través de la membrana AEM hasta el ánodo, donde se produce la evolución del oxígeno. Estado actual del desarrollo de los electrolizadores de membrana de intercambio de aniones (AEM) Ventajas del producto: Arranque y parada rápidos: las membranas AEM tienen una buena conductividad iónica, lo que permite un arranque y parada rápidos del electrolizador. El lado de la evolución del hidrógeno aplica una presión de ~3 MPa, lo que elimina la necesidad de eliminar el oxígeno del hidrógeno. Respuesta dinámica rápida, adaptación flexible a las energías renovables. Bajo costo: puede utilizar materiales catalizadores de metales no preciosos. Desventajas del producto: 1. Membranas AEM: síntesis de materiales compleja, efectos de escala limitados, alto costo, corta vida útil. 2. Las membranas AEM tienen una hinchazón significativa, dificultad en la preparación de células individuales de gran tamaño. 3. Los catalizadores del cátodo siguen siendo principalmente Pt/C, con una densidad de corriente más baja en comparación con PEM. 4. Tecnología inmadura, en las primeras etapas de comercialización. Direcciones de desarrollo: 1. Mejora de los materiales de la membrana: desarrollar AEM con alta conductividad, selectividad iónica y estabilidad alcalina a largo plazo. 2. Optimización de los electrodos: desarrollar catalizadores de metales no preciosos de alto rendimiento. 3. Aumentar aún más la densidad de corriente. Electrólisis del agua alcalina para la producción de hidrógeno Electrólisis del agua alcalina para la producción de hidrógeno (ALK) Principio: La electrólisis del agua alcalina utiliza una solución alcalina como electrolito. Bajo corriente continua, el cátodo experimenta una reducción, ganando electrones para producir hidrógeno e iones hidroxilo; el ánodo experimenta una oxidación, con los iones hidroxilo perdiendo electrones para producir oxígeno y agua. Estado actual del desarrollo de los electrolizadores alcalinos (ALK) Los sistemas actuales de electrólisis del agua alcalina incluyen principalmente electrolizadores, dispositivos de separación gas-líquido y dispositivos de purificación. Ventajas del producto: Bajo costo: los materiales de los electrodos son relativamente de bajo costo, utilizando catalizadores de metales no preciosos. Eficiencia de electrólisis: en condiciones de plena carga, el electrolizador de segunda generación de Trina Yuan Hydrogen puede alcanzar una eficiencia de alrededor del 85 %. Operación de amplia carga: puede funcionar de manera estable en un amplio rango de densidad de corriente (25 %-130 %), con bajos requisitos para la calidad de la energía de entrada, compatible con diversas fuentes de energía. Escalabilidad: adecuado para proyectos a gran escala de producción de hidrógeno verde. Estado actual del desarrollo de los electrolizadores alcalinos (ALK) Cuestiones a abordar: Eficiencia de electrólisis; rango de baja potencia estrecho; velocidad de respuesta lenta; baja precisión en el diseño del campo de flujo; arranques y paradas frecuentes que conducen a una pobre estabilidad de los materiales. Direcciones de desarrollo: 1. I+D e innovación tecnológica: diseño de electrodos, diafragmas, estructura de electrolizadores, investigación de la resistencia a la corrosión de los materiales, investigación y simulación de sistemas. 2. Producción estandarizada: establecer sistemas de producción estandarizados, seleccionar piezas de alta calidad. 3. Gestión de la energía: mejorar la eficiencia de la utilización de la energía, construir un sistema energético integrado de "eólica-solar-hidrógeno-almacenamiento". 4. Mantenimiento y gestión de equipos: establecer un concepto de ciclo de vida completo, operación inteligente. Análisis comparativo de electrolizadores Electrolizadores de células individuales a gran escala El debate "cuadrado" vs. "redondo" Resumen y comparación de cuatro tecnologías de electrólisis del agua Haga clic para ver el informe especial sobre la Exposición de la Industria de la Nueva Energía (10ª edición) de 2025.

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