浅述各电解水技术未来研究的方向和建议

利用水电解技术，利用风能和太阳能等可再生能源生产绿色氢，有望成为能源转型的核心，以应对净零挑战。此外，水电解是一种众所周知的绿色制氢电化学工艺，需要广泛采用，以降低生产成本，提高效率。因此，生产可行的绿色氢和应对全球净零挑战需要进行必要的改进和创新。在此背景下，从降低成本和商业化的角度，提出了各种水电解技术及其面临的挑战和可能的解决方案。

 

一、ALK（碱性电解水技术）

碱水电解是一种成熟的绿色制氢技术。然而，与碱性电解相关的一些挑战，如较低的工作电流密度、电解效率和气体交叉。因此，这项技术需要一些改进/发展。

? 隔膜(Separators/Diaphragms)：隔膜的厚度可以减少，阻力更小，这可以提高电池效率，减少电力消耗。隔膜的总厚度应达到50μm，而不是目前的厚度约460μm（甚至更厚达700μm），这将有助于在1A/cm2电流密度下将电解效率从53%提高到75%。?电流密度：较低的电流密度是碱水电解的主要障碍之一，需要重大的创新/改进来增加电流密度。当前电流密度一般为0.2~0.4A/cm²，个别达到0.8 A/cm2，但电流密度应达到（也可以达到）2-3 A/cm2。这可以通过使用具有高比表面积电极材料和更薄的隔膜来实现。

?气体的交叉：通常碱水电解发生在高浓度(5mol)KOH电解质和镍基电极的厚隔膜上。在电化学反应过程中，这可以允许产生的气体混合，这些气体溶解在电解质(液）中，随后产生低纯度的气体。为了减少这种气体的交叉，可以通过减小隔膜的厚度来实现。此外，降低了催化剂层与多孔输运层之间的界面阻力。

二、AEM（阴离子交换膜电解水技术）

AEM水电解技术是为克服ALK和PEM水电解的缺点而引进的最新发展的技术。然而，与该技术相关的主要挑战是有限的稳定性（耐久性——主要是膜）。

? 膜和离聚体：膜的耐久性是扩大这项技术规模的主要挑战之一，目前膜的耐久性仅为30,000小时左右（实际数据是个谜，应该比这个还要低），这是由于膜主链的聚合物降解(化学上不稳定)导致。因此，需要相当大的改进/创新来提高耐久性和克服聚合物降解，这可以通过增加膜的化学、机械和热稳定性以及使用高导电聚合物成分增加离子电导率来实现。此外，通过调整金属表面来改善OER和HER的电极动力学，以保持其长期稳定性。

三、PEM（质子交换膜电解水技术）

PEM水电解与碱性水电解相比有几个优点，如工作电流密度高，气体纯度高，出口压力高，占地面积小。然而，与该技术相关的主要挑战是组件的成本。因此，需要相当大的发展和创新来降低成本。

?膜：PEM膜是PEM水电解槽的关键部件，需要在该领域进行重大创新/改进，以提高效率和耐用性，并降低成本。例如，通过减小膜的厚度来增强机械阻力（目前已经有60~80μm的增强膜），可以提高效率和耐用性，从而减少电力消耗。

?电催化剂材料：电催化剂是PEM电解槽的另一个关键部件，由于贵金属材料(Pt/IrO2)是PEM电解槽成本和扩大应用规模的主要障碍，因此需要在该领域进行重大创新。因此，重要的解决方案来取代/减少这些材料是必不可少的，这可以通过使用地球上丰富的非贵重材料来实现。此外，通过调整OER和HER电极材料的表面特性(如增加比表面积)来增加动力学，从而减少贵金属的材料负载量。

?可堆叠性(电解槽堆叠)：由于使用铂或镀金钛材料，多孔传输层和双极板在整体堆叠成本中占很大比例。因此，这些组件需要进行重大创新，包括其设计和制造，这可以降低系统成本。

四、SOEC（高温固体氧化物电解水技术）

固体氧化物水电解是一项发展迅速的高效技术。然而，主要的挑战是耐久性，因此在这一领域取得重大进展至关重要，以提高耐久性。

?耐用性：提高耐用性可以通过增加电解质电导率和优化化学和机械稳定性来实现。此外，调整电极材料的电化学表面特性和相容性，例如，控制和改善OER电极的镍团聚或氧化状态以及镧锰矿（LSM）或镧铁氧体（LSF）与电解质的分层。

结语：

如今，人们对水电解技术的兴趣迅速增长，是因为绿色氢气生产是全球脱碳最有前景的可再生能源载体。然而，到目前为止，由于使用昂贵的材料，与传统的蓝色制氢相比，绿色制氢的成本很高。所以由于经济性问题，绿氢气生产多数仅限于示范项目，还未能大规模铺开建设。本文指出了各种水电解技术研究方向与建议，并建议未来的研究方向应该继续发展高效和具有成本效益的水电解技术，以减轻环境和经济问题。