解读PEM电解水制氢技术和成本降低空间

何昀宸

(浙江大学能源工程学院 , 浙江杭州 310012)

氢气的来源比较广泛，密度比较大，主要用于电力、热力等等许多环境，本文主要介绍了PEM电解水制氢技术在可再生能源中的应用问题，这种技术对于能源安全和环境保护的方面相对比较成熟，并且这种技术的应用在大范围内取得了飞速发展，这种技术的选择是绿色低碳之路的必然选择，也是应对全球气候变化、实现社会高质量发展的必要战略基础。

在为电极的正负两端施加满足相应标准要求的足够大的电压之时，电极的阳极一端，水分子会有氧化反应发生，反应过程中会生成氧气，而在电极的阴极一端，水分子又会发生还原反应，此时产生的气体为氢气。所以，可以对电解水反应作如下归纳：阳极析氧（OER）以及阴极析氢（HER）两个半反应。实际上，纯水并没有很高的电离程度，因而其导电能力也不会很强，在对PEM电解水制氢技术加以运用之时，一般情况下都会作出如下处理，即选择一些电离难度并不大的电解质加入到制氢过程中，对其目的进行分析，体现在将电解液所具有的导电性增强之上。对于碱性电解质来说，其制氢效果比较理想，并且不会产生对电极与电解池等相关设备的腐蚀问题，一般情况下会选择对浓度在20%～30%的KOH或NaOH加以选用，让它们发挥电解质的作用。

1.1 碱性电解水电解制氢

对于碱性的PEM电解水制氢装置是由许多个正负极电解池组成[1]，并且每个电解池对应着阴极、阳极，通入电流后，还有中间的一层隔膜，这层隔膜由石棉组成，起到了分离气体的有效作用，可以分解水，产生氢气和氧气的作用，随着电解池稳定的提高，电解的电压也会越来越低，碱性电解水电解制氢的方法是目前我国应用最佳广泛并且技术更加成熟的方法，所以导致了对这种技术的研究相对来说就比较少，我国对于这种方法的研究主要是在水电解制氢的设备研究方面。即使在设备研究的方面取得了相对不错的进展，但是消耗比较大、成本也比较高的弊端还是没有得到更好的解决。

1.2 固态聚合物PEM电解水制氢

固态聚合物PEM电解水制氢与碱性PEM电解水制氢的技术相比较，固态PEM电解水制氢的优势就比较明显的展现出来，固态PEM电解水制氢的过程中[2]，在电解循环的这一个环节没有碱液的丢失和被腐蚀的情况，从而在电解的过程中减少了电阻的使用，进一步提高了系统的效率。固态聚合物电解水的过程中，具有比较良好的化学性能稳定性，也有比较好的气体分离特点，一方面提高了电解池中氢的稳定性和安全性，也增加了氢的纯度，从而进一步增大了电解的效率。固态聚合物在制氢是采用了更加先进的技术结构，能够在一定程度上降低了能耗，通过这一系列的优点可以看出，固态聚合物PEM电解水制氢的环境比较充分、纯度比较高、效率也比较高的众多特点，在我国近年来也取得了更多的重视。

1.3 高温固体氧化物PEM电解水制氢

高温固体氧化物PEM电解水制氢的技术不存在高温密封的问题，但是这种技术由于受到材料的耐受程度的限制、清洁效率高的能源的支持和一些资源的价格低廉等一些问题，导致了这种方法没有得到工业化企业的广泛应用但是这种技术方法，大大有效的降低了能源消耗[3]，提高了系统制氢的效率，性能也得到了大大地提高和改善，在电解水的过程中减少了能量损失，主要这种方法可以采用非贵金属催化剂，减少了在PEM电解水制氢是的成本问题。

现阶段，将不同的电解质作为划分依据，PEM电解水制氢技术通常可以有3种主要类型的划分：（1）碱性技术（ALK）；
（2）固体氧化物技术（SOEC）；
（3）：质子交换膜技术（PEM）。基于自身具备的各项优势，如制造费用最少、电堆寿命最长等，ALK有着非常高的应用率。从目前主要的研究工作来看，重点依旧放在降低能量损耗，将其电解效率有效提升，通过对制氢结构的持续完善，达到降本增效目的之上。

表1 三种PEM电解水制氢方法的性能比较结果

在PEM电解水制氢技术的发展过程中，电极的开发及应用发挥了尤为重要的作用，以关键环节的形式助力制氢效率的有效提升。尽管传统的贵金属催化剂有较为优异的电解水性能显示出来，但出于对今后电解水技术规模化发展这一目标与形势的考虑，进行效率高、成本低的非贵金属催化剂的开发势在必行，这是实现制氢成本减少急需克服的一项重要挑战。不仅如此，为了获取工业化的应用标准，目前同样需要做好对以下问题的解决工作：（1）宏量制备催化电极；
（2）对放大效应的出现加以规避。

3.1 进行高效催化剂的设计

结合PEM电解水制氢基本原理，OER应当被划归至四电子转移范畴之中，在此反应过程中，复杂程度很高，涉及到较多的中间体，且对于电势所提要求也比较严格，一般在0.3V～0.6V，其目的就在于实现对能量势垒的克服。所以，加大力度研究并开发有着高效率保证的OER电催化剂，可以相应地达到减少电解能量损耗，同时保证析氢效率的目的。有着优异性能的OER电催化剂应做到对以下特征或是要求的满足：（1）元素的地球储量满足丰富性要求，成本也不宜太高；
（2）在处于强氧条件下之时，依旧能够很好地保持高活性以及稳定性；
（3）可以保证制备过程的便捷性。

3.2 用海水进行电解制氢

海水是地球上十分丰富的一类资源，将海水应用于PEM电解水制氢工艺之中，不仅能够很好地保证氢能的制备效率，还发挥着显著的促进海水淡化发展的作用，对于淡水资源短缺问题的解决具有不容忽视的积极意义。不过，现阶段海水电解技术的发展及应用尚面临一些需要解决的难题，举例而言，存在于阳极一端的竞争氯析出反应能够在电极的表面生成次氯酸盐以及沉淀物（这些沉淀物表现出不溶性特点），它们会造成对催化剂的毒化。所以，为了更好地推动海水电解制氢技术的发展，应将今后的重点放于对高效、廉价、稳定且耐氯腐蚀的阳极催化剂的研究及开发之上。

3.3 PEM电解水制氢耦合氧化

进行有高效率保证的OER电催化剂的设计，虽然能够达到将电解水电压降低的目的，但并不能实现对1.23V理论电压的突破。不仅如此，电解槽也有对隔膜的组装需求，这是对由于阴、阳两级氢、氧混合现象的出现引发的爆炸风险加以规避的重要前提。尤为重要的，在OER过程中，含氧活性物种的产生会在一定程度上发生溶解破坏隔膜的问题，这又会造成电解槽寿命的缩短。对热力学上优势更加明显的有机小分子氧化反应加以利用，将其代替OER同HER进行耦合，既能够对OER环节的含氧活性物种进行充分的利用，达到制约氧气析出的目的，又可以对由于氢氧混合导致的爆炸风险加以规避，达到无膜电解目的，除此之外，还可以将理论层面上1.23V的电压束缚摆脱，在较大程度上实现对析氢过电势的降低，最终达到将析氢效率增加的目的。在阳极一端，生成的有着较高附加值的化学品对于制氢支出的进一步节省同样具有积极意义。为了从真正意义上达到电解水高效制氢耦合氧化的目的，在进行氧化反应以及催化剂的选择之时，应将以下几个方面作为考虑的重点：（1）有机小分子应能够溶于水，且氧化电位不可以超过OER的氧化电位；
（2）针对有机小分子，应该具有高选择性地对其进行催化转化，以此实现对非气态高附加值产物的获取；
（3）有机小分子反应物和中间反应体，不可以和HER有竞争性的反应存在。现阶段经过研究人员的证实，醇类、醛类、胺类或是其他含有羟基或醛基的生物质可以被用作氧化底物。

本文对PEM电解水制氢提效降本策略进行探究，不过，虽然进行高效PEM电解水制氢催化剂的开发能够在很大程度上达到将反应过电势降低的目的，但热力学层面并不能实现对1.23V标准电势的突破，不仅如此，阴阳两极反应生成的氢氧如果发生混合，会在一定程度上加大爆炸风险的发生可能性。基于对丰富海水资源的利用进行氢气的电解制备，虽然能够有效地将制氢成本降低，实现对淡水资源压力的有效缓解，但采取何种手段进一步提高析氢效率与催化剂的活性和稳定性，同时，达到对海水的净化目的依旧存在非常大的难度。对于理论电势的突破，PEM电解水制氢耦合氧化策略表现出积极的支持意义，可以发挥出对制氢效率提升的促进作用，不仅如此，阳极一端还可以获得符合高附加值要求的化学品，这些能够在较好的程度上实现对制氢成本的进一步降低，但是也要注意，今后工作应针对适宜氧化反应的选择以及产物的分离提纯作更加深入的研究及探索。

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