詳解PEM水電解製氫技術與應用

我國將氫能作為戰略能源技術，給予持續的政策支（zhī）持，推（tuī）動產業化進程。在政策、資金等多因素疊加催化下，近（jìn）幾年（nián）國內加氫站等基礎設施、產業鏈關（guān）鍵技術與裝備得到發展，形成長三角、珠（zhū）三角、京津冀等氫能產業熱點區域。

數據顯示，2016-2020年（nián）間，我國燃料電池汽車的銷量分（fèn）別為629輛、1275輛、1527輛（liàng）、2737輛、0.1萬輛，累計超7100輛，加氫站數量（liàng）已位居全球第二。《中國（guó）氫能源及燃料（liào）電池產業白皮書（2019）》預測 2035 年氫能占國（guó）內終端（duān）能源（yuán）總量 5.9%，加氫站數量 1 500 座，燃料電池車保有量 130 萬輛。更多內容請關注微信公眾號（hào）：氫能（néng）俱樂部。國內外油氣公（gōng）司，如殼（ké）牌、中石（shí）化等，將氫能作為企（qǐ）業轉型的重要選擇，正積極投（tóu）資（zī）布局氫能產（chǎn）業。

水電解製氫

水電解（jiě）製氫是指水分子在（zài）直流（liú）電作用下（xià）被解離生成（chéng）氧氣和氫氣，分別從電解槽陽極和陰極析出。根據（jù）電解槽隔膜材料（liào）的不同，通常將水電解製氫分為堿性水電解（AE）、質子交（jiāo）換膜（PEM）水電解以及高溫（wēn）固體氧化物水電解（SOEC）。國內目前有中科院大（dà）連化學物理研究所、中船重工集團718研究所（suǒ）等單位開展PEM水電解製氫（qīng）技術研究，都（dōu）尚處於研發階段。

堿性水電解製氫

堿性水電解製氫電解槽隔膜主要由石棉組成，起分（fèn）離氣體的作用。陰極、陽極主要由（yóu）金屬合金（jīn）組成，如Ni-Mo合金等，分解水產生氫（qīng）氣和氧（yǎng）氣。工業上堿性水電解槽的電解液（yè）通（tōng）常采用KOH溶液，質（zhì）量分數20%~30%，電（diàn）解（jiě）槽操作溫度70~80℃，工作電流密度約0.25 A/cm2，產生氣體壓力0.1~3.0 MPa，總體效率62%~82%。堿性水電解製氫技術成熟，投資、運行成本低，但存在（zài）堿（jiǎn）液（yè）流失、腐蝕、能耗高等問題。水電解槽製氫設備開發是國內外堿性水電（diàn）解製（zhì）氫研究熱點。

PEM水（shuǐ）電解製氫（qīng）

區別於堿（jiǎn）性水電解製氫，PEM水電解製氫選用具（jù）有良好化學穩（wěn）定性、質子傳導性、氣體分離（lí）性的全氟磺酸質子交（jiāo）換膜作為固（gù）體（tǐ）電解質替代石棉膜，能有效阻止電子（zǐ）傳遞（dì），提高電解槽安全性。

PEM水電解槽主要（yào）部件由內到外依次是質子（zǐ）交換膜、陰陽極催（cuī）化層、陰陽極氣體擴散層、陰陽極端板等。其中擴散層、催化層與質子交換膜組成膜電極，是整個（gè）水電解（jiě）槽物料傳輸以及電（diàn）化學反應的主場所，膜電（diàn）極特性與結構（gòu）直接（jiē）影響PEM水電解（jiě）槽的（de）性能（néng）和壽命。

與堿（jiǎn）性水電解製氫相比，PEM水電解製氫工作電流密度更高（ 1 A/cm2），總體效率更（gèng）高（74%~87%），氫氣體（tǐ）積分數更高（>99.99%），產氣壓力（lì）更高（3~4 MPa），動態響應（yīng）速度更（gèng）快，能適應可再生（shēng）能源發電的波動性，被認為是極具發展前景的水電（diàn）解製氫技（jì）術。目前PEM水電解製氫技術已在加氫站現場製氫、風電等（děng）可再生能源（yuán）電解水（shuǐ）製氫、儲能等領域得到示範應用並逐步推廣。

過去5年電解槽成本已下降了40%，但是投資（zī）和運（yùn）行成（chéng）本高仍然是PEM水電解製氫亟待解決的主要（yào）問題，這與目前析氧、析氫（qīng）電催化劑隻能選用貴金屬材料（liào）密（mì）切相關。為此降低催化劑與電解槽的材料成本，特（tè）別是陰（yīn）、陽極電（diàn）催化劑的貴金（jīn）屬載量，提高電解槽的效（xiào）率和壽命，是PEM水電解製氫技術發展的研究重點。

高溫固體氧化物水電（diàn）解製氫

不同於堿性水電解和PEM水電解（jiě），高溫固體氧化物水（shuǐ）電解製氫采用固體氧化物為電解（jiě）質材料，工作（zuò）溫（wēn）度（dù）800~1 000℃，製氫過程電化學（xué）性能顯著提升，效率更高。SOEC電（diàn）解槽電極采用非貴金屬催化劑，陰極材料選用多孔金屬陶瓷Ni/YSZ，陽極材料選用鈣（gài）鈦礦氧化（huà）物，電解質采（cǎi）用YSZ氧離子導體，全陶瓷（cí）材料結構避免了材料腐蝕問題。高溫高（gāo）濕（shī）的工作環境使（shǐ）電解槽選擇穩定性高、持（chí）久（jiǔ）性好、耐衰減的材料受到（dào）限製，也製約SOEC製氫技術應用場景的選擇（zé）與（yǔ）大規模推廣。

目前SOEC製氫技術仍處於實驗階段。國內中國科（kē）學院大連化學物理研究所、清華大學、中國科技大學開展了探索研究。國外SOEC技術研究集中在美國、日本和歐盟（méng），主要機構包括三（sān）菱重工、東芝、京瓷、愛達（dá）荷國家實驗室、Bloom Energy、托（tuō）普索等，研（yán）究聚焦在電解池電極、電解（jiě）質、連接體等關鍵材料與部件以（yǐ）及電堆結構設計與集（jí）成。

PEM 水電解製氫技術研究與應用進展

PEM 水電解製（zhì）氫應用進展

可（kě）再生（shēng）能源加速發展使得大規模（mó）消納可再生能源成為突出問題（tí）。Power-to-Gas（P2G）將可再生能源發電轉化為氫氣，可提高電力係統靈活性，正成（chéng）為（wéi）可再生能源發展（zhǎn）和應用的重要方向（xiàng）。PEM水電解製氫技術具備快速啟停（tíng）優勢，能匹配可再生能源發（fā）電（diàn）的波動性，逐步成為P2G製氫主流技術。

過去10年全球加速推進可再生能源PEM電解水製氫示範項目建設，示範項目數量和單體（tǐ）規模（mó）呈現逐年（nián）擴大的趨勢。目前PEM水電解製氫已邁入10 MW級別示範應用階段，100 MW級別的PEM電解槽正在開發，NEL-Proton、SIEMENS、ITM Power等公司在技術與裝備製造方麵處（chù）於領先（xiān）。

美國、歐（ōu）盟是全球發展P2G的重點地區，且製定了詳細發展規劃。2014年歐盟提出PEM水電解製氫技術發展目標：第一步開發分布式PEM水電解係（xì）統（tǒng）用於大型加氫站，滿足交通用氫需求；第（dì）二步生產10、100、250 MW的PEM電解槽，滿（mǎn）足工業用氫需求（qiú）；第三步開發滿足大規模氫儲能需求的PEM水電解（jiě）製氫係統。

2015年SIEMENS、Linde Group等公司（sī）在德國美因茨能源園區投資（zī）建設全球（qiú）首套MW級（jí）風電PEM水電解製氫示範（fàn）項目，氫氣供應當地加氫站、工業企業，富餘（yú）氫氣直接注入51吃瓜网管網。當可再生電力價格低於3歐分/kWh，項目啟動（dòng）PEM水電解製（zhì）氫設（shè）備，反之上網發電。煉油、化工、鋼鐵等碳密集（jí）型（xíng）行業也是PEM水電解（jiě）製氫的重要應用場景。

2019年Shell和ITM Power合作，在德（dé）國Rheinland煉油廠建設10 MW可再生能源PEM水電解氫（qīng）工廠，每年可為煉廠提供1300 t綠氫。海（hǎi）上風電更大規模發展，走向深遠海將是大趨勢，但實施中麵臨電網建設難度大、成本高的瓶頸。海上風電（diàn）製氫將是實現（xiàn）深遠海風資源經濟有效開發（fā）的潛在（zài）路徑。目前Shell、SIEMENS、 rsted、TenneT等公司正推動歐盟海上風電製氫從概念設計走向示（shì）範應用，這將是未來PEM水電解製氫技術的又一重要應用領域。

國內中科院大連化學物理研究所、中船重工集團718研究所等單位開展PEM水電解製氫（qīng）技術研究，目前尚處於研發階段。近幾年國內可再生（shēng）能源快速（sù）發展，棄水、棄風和棄光問題突出，國家提出（chū）探索可再生能源富餘電力轉（zhuǎn）化為氫能（néng）等，加大對可再生能源電解水製氫技術研發與示範（fàn）支持。在建的河北沽源10 MW風（fēng）電製氫是國內最大的風電製氫示（shì）範項（xiàng）目，氫氣（qì）產品將用於工業生產和加氫站。

PEM 材料

作為水電解槽膜（mó）電極的核心部件，質子交換膜不僅傳導（dǎo）質子（zǐ），隔離（lí）氫（qīng）氣和氧氣，而且還為催化劑（jì）提（tí）供支撐，其性能的好壞直接決定水電解槽（cáo）的性（xìng）能和使用壽命。目（mù）前水電解製氫所用質子（zǐ）交換膜多為全氟磺酸膜，製備工藝複雜，長期被美（měi）國和日本企業壟斷，如（rú）科慕Nafion係列膜、陶氏（shì）XUS-B204膜（mó）、旭硝子Flemion膜（mó）、旭化成（chéng）Aciplex-S膜等。其（qí）中科（kē）慕Nafion係列膜具有低電子阻抗、高質子傳導性（xìng）、良好的化學穩定（dìng）性、機械穩定（dìng）性、防氣體滲透性等優（yōu）點，是（shì）目前電解製氫選用最多的質子交換膜。

長（zhǎng）期被國外少數廠家（jiā）壟斷，質子交換膜價格高達幾百~幾（jǐ）千美元/m2。為降低膜（mó）成本，提高（gāo）膜性能，國內外重點攻關改性全（quán）氟磺酸質子交換膜、有機/無機納米複合質子交換膜和無（wú）氟質子交換膜。全氟磺酸膜改（gǎi）性研究聚焦聚合物改（gǎi）性、膜表麵刻蝕改性以及膜表麵貴金屬（shǔ）催化劑沉積3種途徑。

Ballard公司開發出部分氟化磺酸型質子交換膜BAM3G，熱穩定性、化（huà）學穩（wěn）定性、機（jī）械強度（dù）等指標（biāo）性能（néng）與Nafion係列膜接近，但價格明顯下降，有可能替代（dài）Nafion膜（mó）。通過引入無機（jī）組分製備有機/無機納米（mǐ）複合質（zhì）子交換膜，使其兼具有機膜柔韌（rèn）性和無機膜良好熱性能、化學穩定（dìng）性和力學性能，成為近幾年的研究熱點。另外選用聚芳醚酮和聚碸等廉價（jià）材料製備（bèi）無氟質子交換膜，也是質子交換膜的發展趨勢。

電催化劑

膜電極（jí）中析氫、析氧電催化劑對整個水電解（jiě）製氫反應（yīng）十分重要。理想電催化劑應具有抗腐蝕性、良好的比表麵積、氣孔率、催化活性、電子導（dǎo）電（diàn）性、電化學穩定性以及成本低廉、環境友好等特征。

陰極析氫電催化劑處於（yú）強酸性工作環境，易發生腐蝕、團聚、流（liú）失等問題，為保證電解槽性能和壽命，析（xī）氫催化劑材料選擇耐腐蝕的Pt、Pd貴金屬及其合金為主。現有商業化析氫催化（huà）劑Pt載量（liàng）為0.4~0.6 mg/cm2，貴金屬材料成（chéng）本（běn）高，阻礙PEM水電解製氫技術快速（sù）推廣（guǎng）應用。為此降低貴金（jīn）屬Pt、Pd載量（liàng），開（kāi）發適應酸（suān）性環境的非貴金屬析氫催化劑成為研究熱點。

膜電極製（zhì）備（bèi）

除了降低催化劑貴金屬（shǔ）載量，提高催（cuī）化劑活性和穩（wěn）定性外，膜電極（jí）製備工藝對降低（dī）電解係統成本，提高電解槽性能和壽命至關重要。根據催化層支撐體的不同，膜電極製備方法分為CCS法和（hé）CCM法。

CCS法將催化劑活性組分直接塗（tú）覆在氣體擴散（sàn）層，而CCM法則將催化劑活（huó）性組分直接塗覆在質（zhì）子交（jiāo）換膜兩側，這是2種製作工藝最大的區別。與CCS法相比，CCM法催化劑利用率更高，大（dà）幅降低膜與催化層間的質（zhì）子傳遞阻力，是膜電（diàn）極製（zhì）備的主流方（fāng）法。

在CCS法和（hé）CCM法基礎上，近年來新發展起來的電化學沉積法、超聲噴塗法以及轉印法成為研究熱點（diǎn）並具備應用潛力。新製備方法（fǎ）從多方向、多角度改進膜電極結構，克服傳（chuán）統方法製備膜電極存在的（de）催化層催化劑顆（kē）粒隨機堆放，氣體擴散層孔（kǒng）隙分（fèn）布雜（zá）亂等結構缺陷，改善膜電極三相（xiàng）界麵的傳（chuán）質能力，提高貴金屬利用率（lǜ），提升膜（mó）電極（jí）的電化學性能。

展 望

PEM水電解製（zhì）氫已步入商業化早期，製約技術大規模發展（zhǎn）的瓶頸在於膜電極選用被（bèi）少數廠家壟斷（duàn）的質子交換膜，陰、陽極催化劑材料需（xū）采用貴金屬以及電解能耗（hào）仍然偏高。解決上述難題是PEM水電解製氫技術進一步發展與推廣的關鍵。為此發展新型水電解技術成（chéng）為新趨勢，基於融（róng）合堿性水電（diàn）解和PEM水電解各自優勢的研究思路，采用堿性固體電解質替代PEM的堿性固體陰離子（zǐ）交換膜（AEM）水電（diàn）解製氫技（jì）術成為新方（fāng）向。

相比PEM水電解，AEM水電解選用固（gù）體聚合物陰離子交換膜作為（wéi）隔膜材料，膜電極催化劑、雙極板材料可選性更寬廣，未來突破陰離子交換膜和（hé）高活性非貴金屬催化劑等關鍵材料有望顯著降低電（diàn）解槽製造成本（běn）。應用推廣方麵，當下電力係統中波動性可再生能源份額不斷（duàn）上升，未來幾十年這一趨勢仍將延續。可再（zài）生能源製氫是唯一（yī）綠色低碳製氫方式，不僅能提高電網靈活性，而且可遠距離運輸和分配（pèi）可再生能源，支（zhī）持可再生能源更大規模的發展。作為媒介氫氣促進（jìn）可再生能源時空再分布，助力電力係統與難以深度脫碳的工業（yè）、建築和交通運輸部門建立起產業聯係，不斷豐富氫氣的應用場景（jǐng）。這也為 PEM 水電解製（zhì）氫技（jì）術帶來巨大的發展空間。

來源 |  旺材氫燃料電池