电解水制氢技术的研究现状及未来发展趋势.docx

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1、电解水制氢技术的研究现状及未来发展趋势摘要：氢能作为向绿色低碳能源转型的重要抓手，受到了世界各国的广泛关注和极大重视。电解水制氢作为重要的绿色制氢技术，尤其是利用可再生能源转化的电力制氢，未来具有广阔的市场前景。通过分析4种主要电解水制氢技术和电解槽技术的研究现状，总结了电解水制氢技术的未来发展趋势。以期本研究可为碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、固体氧化物电解水制氢和阴离子交换膜电解水制氢技术的研究方向提供参考思路，助力电解水制氢技术的研发和商业化进程。关键词：电解水制氢；电解槽；可再生能源；绿氢；碳达峰；碳中和引言氢能作为一种来源广泛、绿色低碳、安全高效且可再生的新能源，凭借较高的能量

2、密度和转化效率，逐渐成为全世界能源转型发展的重要抓手1。根据国际能源署(IEA)发布的全球氢能回顾2022,全球氢能产业发展呈积极增长态势，2021年，全球氢气总消费量达到9400万3约占全球最终能源消耗的2.5%。预计到2030年，全球氢气需求有望突破1.3亿t,电解水制氢装机容量将达到134240GW,同时电解槽年均产能将超过60GW2o随着中国碳达峰、碳中和目标的提出，亟需开发利用绿色低碳的氢能源。2022年3月，国家发展和改革委员会与国家能源局联合印发了氢能产业发展中长期规划(20212035年)，进一步确立了氢能在未来国家能源体系中的重要地位，突出了氢能在绿色低碳能源转型中的重要载体

3、作用和国家能源战略产业中的重要作用3。电解水制氢具有依托绿色低碳能源的技术优势，未来具有广阔的发展空间。本文针对碱性电解水(AWE)制氢、质子交换膜(PEM)电解水制氢、固体氧化物电解水(SOEC)制氢和阴离子交换膜(AEM)电解水制氢4种主要电解水制氢技术的研究现状和未来发展趋势进行系统介绍。1、电解水制氢技术的现状研究电解水制氢的基本原理是在由电极、电解质与隔膜组成的电解槽中，将电解质水溶液中通入电流，水中阴阳离子产生定向运动，0H-向阳极移动，在阳极失去电子，被氧化成氧气释放；H+向阴极移动,在阴极得到电子，被还原成氢气释放1,4。在4种主要的电解水制氢技术中，AWE制氢是目前最为成熟、

4、性价比最高、应用最多的制氢技术；PEM电解水制氢近年来发展势头强劲，产业化推广案例逐渐增多；SOEC制氢尚处于初步示范阶段；AEM电解水制氢仍处于实验室研发阶段5-6。4种电解水制氢技术的基本原理7-8如图1所示，其技术特点6,9如表1所示。RU:201一H;2Wp-1.1.1+2OIAAWE制1UAEM电RK阳*OI-V6*阴吸：HjOX-H1Q整个茶坡：H1OVcSOECMKwa*Ra，hMr/也waBaBOI：IIjO2*2Ha-H1整个系缓：3O-H,*4xb.P1.M电H水断倒图I4种电解水制氧技术的基本原理XIFig.IBasicPnnC1.piCSoffourhydrogenpr

5、oductiontechno1.ogiesbywaterdocIroIys1.广表14种电解水制氧技术的特点对比2Tab1.e1COmPansonofcharactersoffourhydrogenproductiontechno1.ogiesbywatere1.ectro1.yssw技术指标AWEMHPEM电第水制班SOEC制发AEM电解水制盛隔股材料石棉膜Nafion*子交换膜固体氧化物阴肉子交换媵电解题KOH(嗔量浓度为20%-30%)Hi水Y,0ZO2KoH4溶液摩尔浓度为Imo1./1.M纯水运行温度/r70-9070-80600-100065-85备统电流密度AAZcm2)0.2-

6、0.41.0-2j01.0-10.00.822单台机器产城量力NmVh)0.50-1000.000.01500.00O.5O-5.OO电I?槽能耗/(kWhN11?)4.5T.53.8S026764.2-4.6系统转化效率/%60-7570-9085-100白停速度热后停：分钟级冷白停：60min热后停：秒级冷白停：5min白停慢快速启停嘉统运维特点存在M液腐蚀,W统I运维理杂、成本高无腐但性液体.运维筒单、成本低尚无运维需求无腐蚀性液体技术推广度巳实现大埋模匚业应用，AWE电帆槽甚本实现国产化巳实现初步商业化应用.PEM电解槽关键材料与技术需依检迸n尚处于初步示他阶段尚处于实q室研发阶段特点

7、技木成熟、成本低、适用于大规模应用.他实际电能消耗较大占地面积小、河歌性电源适应性高.但设备成本较而高温电解能耗低、可采用作我金碱催化帚，但存在电微材料在定性问鹿,需要Ift外加热电流密度高,耗能少但聚合物股糕定性较差与可再生能源结合用捌右检定电源的装机规模较大的电力系统适配于波动性较大的可再生能源发电不统用产生高温、高用蒸汽的太阳能热发电系统成本低、制轼黛定.，可再生能源解合时同掾作1.1AWE制氢AWE制氢是目前最经济、发展最成熟、市场推广和应用场景最多的电解水制氢技术。但相对于PEM电解水制氢，AWE电解槽难以快速启停，负荷响应慢，须时刻保持电极两侧的压力均衡，以防止氢气和氧气穿过多孔隔

8、膜混合，进而引起爆炸。因此，采用碱液电解质的电解槽不适宜与具有快速波动特性的可再生能源配合10O此外，AWE制氢还存在碱液腐蚀危害和系统转化效率尚需进一步提升的问题，开发低成本、高活性、持久、高效、单位体积表面积更大的催化剂成为此种技术的重要发展方向。钉基催化剂被认为是最具潜力代替伯基催化剂的析氢材料，Jiang等11设计出新型肖特基催化剂，其将有晶格压缩应力、均匀超细的钉纳米颗粒负载于氮掺杂碳纳米片(RUNPsNC),实现了高效制氢。该研究表明：氮含量适宜的RuNPs/NC具有良好的催化活性，将其用于电解水制氢时，系统的电流密度为IomA/cm2时催化剂的过电位为19mV,具有较长的电催化寿

9、命。1.i等12在聚乙烯毗咯烷酮(PVP)氛围中，通过在碳素颗粒上还原RuC13并进行热解，生成了氮掺杂碳(RU/N-C)下高分散的钉纳米颗粒，Ru/N-C的合成原理图12如图2所示。钉纳米颗粒的高表面积和氮掺杂剂作用，使析氢反应(HER)表现出高活性，Ru/N-C在系统的电流密度为IomA/cm2、电解质分别为KOH(溶液摩尔浓度为1.0mo1.1.)和H2S04(溶液摩尔浓度为05mo1.1.)时的过电位分别为13.5mV和18.5mVo与商用钳炭催化剂相比，Ru/N-C在碱性和酸性条件下均表现出了优异的性能。*索0R79索修&RU加RumOCNPVPRaNPi图2RNC的合成原理图MFi

10、g.2SchematicdiagramofSyntheSISofprincip1.eRuN-0c,1.iU等13设计了一种负载在氮掺杂碳纳米管上的新型钉催化剂(RuQCNT),检测表明,在碱性条件下(摩尔浓度为1.0mo1./1.的KOH溶液中)，RuCNT仍表现出优异的催化性能和良好的耐久性，在系统电流密度为10mAcm2时，催化剂的过电位仅为36.69mV,其塔菲尔曲线斜率为28.82mVdecoHER的高活性主要源于高分散的钉原子和氮掺杂碳纳米管结构，为HER提供了更多的活性位点。1.2PEM电解水制氢PEM电解水制氢具有电流密度高、动态响应速度快、与可再生能源适配性好等特点，被认为是未

11、来10年内最具发展潜力的制氢技术。但投资成本高是制约PEM电解水制氢大规模商业推广的主要问题，因此，研发新型双极板材料或金属双极板表面涂层技术、降低贵金属催化剂的负载量和开发低成本长寿命的质子交换膜是提高PEM电解水制氢电解槽转化效率和寿命、降低PEM电解水制氢成本的重要途径4-10,14-16o为了降低PEM电解水制氢成本,推进PEM电解水制氢市场化进程,Zhao等17制备出的低载量钺催化剂Ir38%WTi1.-02,在钺载量为0.4mgcm2时的电解槽性能达到2Acm21.75V,钺用量仅为传统电极的1/5,电压循环测试在1.41.8V之间循环100OO次，未显示性能盘减。1.ettenm

12、eier等18开发出了一种非贵金属双极板，在不锈钢双极板上采用真空等离子喷涂和磁控溅射的方法制备出了Nb/Ti复合涂层不锈钢双极板，其中厚度为50m的钛涂层用于保护不锈钢基体不受腐蚀，厚度为IUnI的银涂层使接触电阻降低了近1个数量级。该双极板在阳极苛刻环境和电流密度1Acm2条件下，可稳定运行1000h以上。IIo1.zapfe1.等19通过改良的直接膜沉积法(DMD)将制备的膜电极组件(MEA)直接喷涂到阴极电极上，使其直接沉积到涂有Pt/C涂层的碳基表面，与涂有Ir02涂层的阳极电极一起构成DMD-MEAo该法制备的DMD-MEA具有良好的电化学性能。1.3SOEC制氢SOEC制氢采用固

13、体氧化物(Y2O3ZrO2)为电解质材料，通过高温(6001000C)电化学反应，使制氢过程中的电化学性能显著提升，实现高效转化20。目前，SOEC制氢技术还不成熟，商业化应用案例较少。SOEC技术难点在于开发出高性能、高稳定性的电解质、氢/氧电极材料，同时还要解决电堆衰减、系统集成和安全性等问题21-23O现阶段此类研究侧重于薄膜化技术，电极的开发则集中在阳极的有效活化，以降低极化损失。Cao等24制备的微/纳米通道结构固体氧化物电解槽，可在高温、超高电流密度下稳定运行。该SOEC电解槽在工作温度800和1.3V的电解电位下，电流密度可达到5.96Acm2,对应的产氢速率高达2.51.(hc

14、m2)oZhaO等25通过将CeO.9CoO.102-6纳米颗粒负载在1.SM-YSZ支架上,制备出了高性能的CeO.9CoO.102-1.SMYSZ氧电极。负载后的电极的电流密度更高，产氢速率高达873m1.(hcm2)oKin1.等26以BaZrO.ICeO.7Y0.IYbO.103-6作为电解质,研发出了一种可同时传导氧离子和质子的混合固体氧化物电解槽(Hybrid-SOEC),在电流密度为3.16Acm2工作温度为750、工作湿度为10%的条件下，运行60h后未观察到电解质有明显的衰减情况。1.4AEM电解水制氢AEM电解水制氢的优势在于将AWE制氢和PEM电解水制氢的优势高效结合，提

15、高了电流密度和系统转化效率；而过渡金属催化剂，克服了PEM电解水制氢使用贵金属催化剂引起的高成本问题27。目前AEM电解水制氢的研究方向主要集中在催化剂开发和膜电极设计方面5,28o为了设计和开发出低成本、高性能电催化剂，Chen等29采用水热法在泡沫铁基表面，通过硫原位掺杂和浸出诱导锲铁基电催化剂结构改变，以提升析氢和析氧反应电催化活性。通过调节硫的反应量,掺杂了硫的NiFe基催化剂在电流密度100mAcm2时，具有168mV的过电位，掺杂硫后的电催化剂性能明显优于未掺杂时的，在全水分解中具有良好的催化表现和稳定性。1.iang等30利用具有Grotthuss质子传导特性的CuFe-TBA电极分步进行电解水制氢，表现出了优异的倍率性能(电流密度为120A/m时，CuFeTBA电极的高倍率性能为42.7InAhg)和充放电循环(5000次)稳定性。1.i等31设计合成了一种高性能阴离子交换膜，该交换