电解水制氢技术研究进展与发展建议

电解水制氢技术研究进展与发展建议

杨龙 杨永 王孔

华电新疆五彩湾北一发电有限公司 新疆昌吉回族自治州 831100

摘要：近年来，可再生能源电解水制氢在国际上出现快速展开态势，许多国家现已开始设定氢能在交通范畴之外的工业、修建、电力等行业展开目标，在政府规划、使用演示等方面都有活跃表现。本文首要就制备绿氢的电解水制氢技能展开剖析和展望，研讨绿色制氢与长距离运送的系统处理计划，为我国能源换代展开供给思路参考。

要害词：电解水；制氢技能；建议

1电解水制氢技能分类

在技能层面，电解水制氢首要有awe和PEM水电解、固体聚合物阴离子交流膜（AEM）水电解和固体氧化物（SOE）水电解。其中，awe是最早工业化的水电解技能，有着几十年的使用经历和最成熟的技能；近年来，PEM水电解技能产业化展开敏捷。SOE水电解技能尚处于开始演示阶段，而AEM水电解技能的研讨才刚刚起步。在时间尺度上，awe技能易于快速部署并使用于处理近期的可再生能源消费问题；但从技能视点看，PEM电解水技能具有电流密度高、电池体积小、运转灵活、有利于负荷快速改变等优点，与风电、光伏发电具有很好的匹配性（波动性大、随机性大）。随着PEM电解槽的推广使用，其成本有望敏捷下降，这必将是未来5～10年的展开趋势。SOE和AEM水电解的展开有赖于相关材料技能的突破。

2PEM电解水制氢技能剖析

2.1电催化剂

根据技能规划目标，铂族催化剂在膜电极上的总负载量应降至0.125mg/cm2，而阳极铱催化剂的当前负载量约为1mg/cm2，阴极Pt/C催化剂的负载量约为0.4-0.6mg/cm2。意大利研讨小组研制的ir0.7ru0.3ox催化剂的功能可达3.2a·cm-2@1.85五、由giner研讨团队制备的ir0.38/wxti1-xo2催化剂的全电池功能为2a·cm–2@1.755红外吸收量仅为传统电极的1/5。

Ru的电催化活性高于IR，但安稳性较差；经过IR构成安稳的合金，能够提高催化剂的活性和安稳性。中国科学院大连化学物理研讨所研制的ir0.6sn0.4催化剂的功能为2a·cm-2@1.82五；IR和Sn能够构成安稳的固溶体结构，Sn合金化能够改进IR的分散性，有助于下降IR的负载量。

可再生能源国家实验室和giner公司已开宣布多种金属有机骨架（MOF）催化剂。其价格仅为传统催化剂的1/20。co-mof-g-o催化剂在0.01a/cm2下的过电位为1.644v（vs.rhe），其半电池衰变功能优于传统IR催化剂，但没有进行全电池实验。

因为PEM水电解制氢对酸性环境、高阳极电位和杰出导电性的要求，非贵金属催化剂和非金属催化剂的开发比较困难。估计在一守时期内，IR将成为大型电解槽的首要催化剂。未来下降制氢成本和贵金属催化剂用量的较好途径是开发超低负载或有序膜电极。

2.2隔膜材料

在PEM方面，目前常用的产品有杜邦公司Nafion系列膜、陶氏化学Dow系列膜、旭硝子株式会社Flemion系列膜、旭化成株式会社Aciplex-S系列膜、德山化学公司Neosepta-F等。Giner公司研制的DSMTM膜现已规模化生产，相比Nafion膜具有更好的机械功能、更薄的厚度，在功率波动与启停机过程中的尺寸安稳性杰出，实际电解池的使用功能较优。

为进一步提高PEM功能并下降成本，一方面可选用增强复合的计划改进PEM的机械功能，有利于下降膜的厚度；另一方面，可经过提高成膜的离子传导率来下降膜阻和电解能耗，有利于提高电解槽的全体功能。国产PEM产品进入了试用阶段。

2.3膜电极

PEM电解水的阳极需要耐酸性环境腐蚀、耐高电位腐蚀，应具有合适的孔洞结构以便气体和水经过。受限于PEM电解水的反应条件，PEM燃料电池中常用的膜电极材料（如碳材料）无法用于水电解阳极。3M公司研制了纳米结构薄膜（NSTF）电极，阴阳两极别离选用Ir、Pt催化剂，载量均为0.25mg/cm2；在酸性环境及高电位条件下能够安稳作业，外表的棒状阵列结构有利于提高催化剂的外表分散性。Proton公司选用直接喷雾堆积法来减少催化剂团聚现象，将载量0.1mg/cm2的Pt/C和Ir，载量0.1mg/cm2的IrO2堆积在Nafion117膜上；单电解池的使用功能与传统高催化剂载量电解池相似（1.8A·cm–2@2V），在2.3V电压下安稳作业500h。

改进集流器的功能也可提高电解槽功能。美国田纳西大学研讨团队在钛薄片上用模板辅佐的化学刻蚀法制备出直径小于1mm的小孔，阳极集流器的厚度仅为25.4μm；相关集流器用于PEM水电解阴极，电解功能为2A·cm–2@1.845V，阴极Pt催化剂载量仅为0.086m/cm2。

2.4双极板

双极板和流场在电解槽成本中占有很大的比重。下降双极板成本是控制电解槽成本的要害。在质子交流膜电解槽阳极恶劣的作业环境中，假如双极板被腐蚀，会导致金属离子的浸出，进而污染质子交流膜。因而，在双极板外表制备一层防腐层是双极板常用的防护措施。选用真空等离子喷涂办法在不锈钢双极板上制备了Ti层以防腐蚀，选用磁控溅射办法制备了Pt层以防Ti氧化下降导电性；进一步研讨表明，用Nb涂层代替Pt涂层能够坚持电池的功能，电池能够安稳运转1000h以上。美国田纳西大学研讨团队选用添加剂制造技能，在阴极双极板上制备了厚度为1mm的不锈钢流场，并在其上直接堆积了厚度为0.15mm的净气体分散层；电池的阴极阻抗很小，功能高达2a·cm-2@1.7155但仍需镀金以提高安稳性。此外，橡树岭国家实验室、韩国科学技能研讨所等组织也展开了一系列PEM电解槽双极板的研制作业。

2.5电池安稳性

2003年，质子完成了质子交流膜电池（>6）的接连运转实验×104h），衰减率仅为4μV/h。欧洲燃料电池和氢能联合组织提出的2030年技能目标要求电解槽的使用寿命达到9年×衰变率安稳在0.4-15之间μ许多研讨小组致力于探索PEM电解槽中各种成分的衰减机理。结果表明，催化剂和膜的掉落、水流量的改变以及供水管道的腐蚀都会导致欧姆阻抗的增加。膜电极结构的破坏会引起两边气体的浸透，下降氢气的纯度。温度/压力、电流密度和功率负载周期的改变也会影响元件的衰减率。我国科学院大连化学物理研讨所对PEM电解槽进行了7800h衰减实验，发现污染首要来自水源和单元部件中的金属离子；剖析了供水量和电流密度对PEM电解槽功能的影响。法国研讨人员建立了一个46千瓦的电解槽模型来预测功率波动下的作业条件。当温度高、压力低时，电解槽功率最高，能更好地习惯功率波动。

在推广使用方面，我国电解水质子交流膜制氢技能正经历由实验室研制向市场化、规模化使用的阶段性转变，并逐步展开演示工程建设。如国网安徽省电力有限公司兆瓦氢气演示工程将于2021年底建成投产。由中国科学院大连化学物理研讨所和阳光电源有限公司联合组建的质子交流膜电解水制氢联合实验室，要点研讨了质子交流膜电解水技能产业化过程中的要害问题，如廉价催化剂的活性和安稳性等，膜透性、膜电极结构等；为了提高电解功率，下降归纳成本，针对双极板和分散层，开发了高电流密度、高电压的低成本防腐涂层技能。

结论

未来，电解水制氢的要点将是将剩余电力转化为氢能。特别是对我国来说，利用好世界上最大的风力发电和太阳能发电能力，处理受昼夜改变和气候因素影响的清洁能源间歇性问题，是电解水制氢的重要使用范畴。从目前的研讨和使用情况来看，碱性电解水的研讨现已比较深入，在工业上也有必定的使用。但是，与碱性电解水相比，酸性电解水更受欢迎。

参考文献：

[1]高莹,吴艺辉,周连科,等.电沉积制备多孔Ni-Fe-Sn合金电极及其析氧性能[J].过程工程学报,2019(1):159-164.

[2]杜敏,魏绪钧.电解水析氢的Ni-S非晶态合金电极的研究[J].有色金属：冶炼部分,2019(5):38-40.

[3]刘善淑,成旦红,应太林,等.电沉积Ni-P-ZrO2复合电极析氢电催化性能的研究[J].电镀与涂饰,2019,20(6):4-7.