解讀PEM電解水制氫技術和成本降低空間

何昀宸

(浙江大學能源工程學院 , 浙江杭州 310012)

0.引言

氫氣的來源比較廣泛，密度比較大，主要用于電力、熱力等等許多環境，本文主要介紹了PEM電解水制氫技術在可再生能源中的應用問題，這種技術對于能源安全和環境保護的方面相對比較成熟，并且這種技術的應用在大范圍內取得了飛速發展，這種技術的選擇是綠色低碳之路的必然選擇，也是應對全球氣候變化、實現社會高質量發展的必要戰略基礎。

1.PEM電解水制氫技術的分類

在為電極的正負兩端施加滿足相應標準要求的足夠大的電壓之時，電極的陽極一端，水分子會有氧化反應發生，反應過程中會生成氧氣，而在電極的陰極一端，水分子又會發生還原反應，此時產生的氣體為氫氣。所以，可以對電解水反應作如下歸納：陽極析氧（OER）以及陰極析氫（HER）兩個半反應。實際上，純水并沒有很高的電離程度，因而其導電能力也不會很強，在對PEM電解水制氫技術加以運用之時，一般情況下都會作出如下處理，即選擇一些電離難度并不大的電解質加入到制氫過程中，對其目的進行分析，體現在將電解液所具有的導電性增強之上。對于堿性電解質來說，其制氫效果比較理想，并且不會產生對電極與電解池等相關設備的腐蝕問題，一般情況下會選擇對濃度在20%～30%的KOH或NaOH加以選用，讓它們發揮電解質的作用。

1.1 堿性電解水電解制氫

對于堿性的PEM電解水制氫裝置是由許多個正負極電解池組成[1]，并且每個電解池對應著陰極、陽極，通入電流后，還有中間的一層隔膜，這層隔膜由石棉組成，起到了分離氣體的有效作用，可以分解水，產生氫氣和氧氣的作用，隨著電解池穩定的提高，電解的電壓也會越來越低，堿性電解水電解制氫的方法是目前我國應用最佳廣泛并且技術更加成熟的方法，所以導致了對這種技術的研究相對來說就比較少，我國對于這種方法的研究主要是在水電解制氫的設備研究方面。即使在設備研究的方面取得了相對不錯的進展，但是消耗比較大、成本也比較高的弊端還是沒有得到更好的解決。

1.2 固態聚合物PEM電解水制氫

固態聚合物PEM電解水制氫與堿性PEM電解水制氫的技術相比較，固態PEM電解水制氫的優勢就比較明顯的展現出來，固態PEM電解水制氫的過程中[2]，在電解循環的這一個環節沒有堿液的丟失和被腐蝕的情況，從而在電解的過程中減少了電阻的使用，進一步提高了系統的效率。固態聚合物電解水的過程中，具有比較良好的化學性能穩定性，也有比較好的氣體分離特點，一方面提高了電解池中氫的穩定性和安全性，也增加了氫的純度，從而進一步增大了電解的效率。固態聚合物在制氫是采用了更加先進的技術結構，能夠在一定程度上降低了能耗，通過這一系列的優點可以看出，固態聚合物PEM電解水制氫的環境比較充分、純度比較高、效率也比較高的眾多特點，在我國近年來也取得了更多的重視。

1.3 高溫固體氧化物PEM電解水制氫

高溫固體氧化物PEM電解水制氫的技術不存在高溫密封的問題，但是這種技術由于受到材料的耐受程度的限制、清潔效率高的能源的支持和一些資源的價格低廉等一些問題，導致了這種方法沒有得到工業化企業的廣泛應用但是這種技術方法，大大有效的降低了能源消耗[3]，提高了系統制氫的效率，性能也得到了大大地提高和改善，在電解水的過程中減少了能量損失，主要這種方法可以采用非貴金屬催化劑，減少了在PEM電解水制氫是的成本問題。

2.PEM電解水制氫方法的比較

現階段，將不同的電解質作為劃分依據，PEM電解水制氫技術通常可以有3種主要類型的劃分：（1）堿性技術（ALK）；（2）固體氧化物技術（SOEC）；（3）：質子交換膜技術（PEM）。基于自身具備的各項優勢，如制造費用最少、電堆壽命最長等，ALK有著非常高的應用率。從目前主要的研究工作來看，重點依舊放在降低能量損耗，將其電解效率有效提升，通過對制氫結構的持續完善，達到降本增效目的之上。

表1 三種PEM電解水制氫方法的性能比較結果

3.PEM電解水制氫提效降本策略

在PEM電解水制氫技術的發展過程中，電極的開發及應用發揮了尤為重要的作用，以關鍵環節的形式助力制氫效率的有效提升。盡管傳統的貴金屬催化劑有較為優異的電解水性能顯示出來，但出于對今后電解水技術規模化發展這一目標與形勢的考慮，進行效率高、成本低的非貴金屬催化劑的開發勢在必行，這是實現制氫成本減少急需克服的一項重要挑戰。不僅如此，為了獲取工業化的應用標準，目前同樣需要做好對以下問題的解決工作：（1）宏量制備催化電極；（2）對放大效應的出現加以規避。

3.1 進行高效催化劑的設計

結合PEM電解水制氫基本原理，OER應當被劃歸至四電子轉移范疇之中，在此反應過程中，復雜程度很高，涉及到較多的中間體，且對于電勢所提要求也比較嚴格，一般在0.3V～0.6V，其目的就在于實現對能量勢壘的克服。所以，加大力度研究并開發有著高效率保證的OER電催化劑，可以相應地達到減少電解能量損耗，同時保證析氫效率的目的。有著優異性能的OER電催化劑應做到對以下特征或是要求的滿足：（1）元素的地球儲量滿足豐富性要求，成本也不宜太高；（2）在處于強氧條件下之時，依舊能夠很好地保持高活性以及穩定性；（3）可以保證制備過程的便捷性。

3.2 用海水進行電解制氫

海水是地球上十分豐富的一類資源，將海水應用于PEM電解水制氫工藝之中，不僅能夠很好地保證氫能的制備效率，還發揮著顯著的促進海水淡化發展的作用，對于淡水資源短缺問題的解決具有不容忽視的積極意義。不過，現階段海水電解技術的發展及應用尚面臨一些需要解決的難題，舉例而言，存在于陽極一端的競爭氯析出反應能夠在電極的表面生成次氯酸鹽以及沉淀物（這些沉淀物表現出不溶性特點），它們會造成對催化劑的毒化。所以，為了更好地推動海水電解制氫技術的發展，應將今后的重點放于對高效、廉價、穩定且耐氯腐蝕的陽極催化劑的研究及開發之上。

3.3 PEM電解水制氫耦合氧化

進行有高效率保證的OER電催化劑的設計，雖然能夠達到將電解水電壓降低的目的，但并不能實現對1.23V理論電壓的突破。不僅如此，電解槽也有對隔膜的組裝需求，這是對由于陰、陽兩級氫、氧混合現象的出現引發的爆炸風險加以規避的重要前提。尤為重要的，在OER過程中，含氧活性物種的產生會在一定程度上發生溶解破壞隔膜的問題，這又會造成電解槽壽命的縮短。對熱力學上優勢更加明顯的有機小分子氧化反應加以利用，將其代替OER同HER進行耦合，既能夠對OER環節的含氧活性物種進行充分的利用，達到制約氧氣析出的目的，又可以對由于氫氧混合導致的爆炸風險加以規避，達到無膜電解目的，除此之外，還可以將理論層面上1.23V的電壓束縛擺脫，在較大程度上實現對析氫過電勢的降低，最終達到將析氫效率增加的目的。在陽極一端，生成的有著較高附加值的化學品對于制氫支出的進一步節省同樣具有積極意義。為了從真正意義上達到電解水高效制氫耦合氧化的目的，在進行氧化反應以及催化劑的選擇之時，應將以下幾個方面作為考慮的重點：（1）有機小分子應能夠溶于水，且氧化電位不可以超過OER的氧化電位；（2）針對有機小分子，應該具有高選擇性地對其進行催化轉化，以此實現對非氣態高附加值產物的獲取；（3）有機小分子反應物和中間反應體，不可以和HER有競爭性的反應存在。現階段經過研究人員的證實，醇類、醛類、胺類或是其他含有羥基或醛基的生物質可以被用作氧化底物。

4.結語

本文對PEM電解水制氫提效降本策略進行探究，不過，雖然進行高效PEM電解水制氫催化劑的開發能夠在很大程度上達到將反應過電勢降低的目的，但熱力學層面并不能實現對1.23V標準電勢的突破，不僅如此，陰陽兩極反應生成的氫氧如果發生混合，會在一定程度上加大爆炸風險的發生可能性。基于對豐富海水資源的利用進行氫氣的電解制備，雖然能夠有效地將制氫成本降低，實現對淡水資源壓力的有效緩解，但采取何種手段進一步提高析氫效率與催化劑的活性和穩定性，同時，達到對海水的凈化目的依舊存在非常大的難度。對于理論電勢的突破，PEM電解水制氫耦合氧化策略表現出積極的支持意義，可以發揮出對制氫效率提升的促進作用，不僅如此，陽極一端還可以獲得符合高附加值要求的化學品，這些能夠在較好的程度上實現對制氫成本的進一步降低，但是也要注意，今后工作應針對適宜氧化反應的選擇以及產物的分離提純作更加深入的研究及探索。