科创中国

问题描述

目前，电解水制氢技术得到广泛关注，它包括碱性电解水、固体聚合物电解水和固体氧化物高温电解水等3种制氢技术。其中固体氧化物电解水技术尚处于研究阶段，碱性电解水和固体聚合物电解水制氢已得到实际应用。但碱性电解水制氢技术仍存在着抗功率波动性差、设备笨重庞大，固体聚合物制氢技术存在着装置制造成本高、寿命短，且两者的单位制氢能耗均偏高等问题，尚不能实现“大规模”“低能耗”“高稳定性”三者统一的电解水制氢工业生产过程。现有电解水制氢技术均基于淡水电解，我国人均淡水资源保有量远低于世界平均水平，但海水资源丰富，若采用海水电解制氢，将减轻淡水资源压力，实现海水的资源化利用，但目前仍面临着催化剂活性低、集流体耐腐蚀性差、能量转换效率低等问题。 为了实现高效、低成本、规模化的工业电解水制氢过程，并解决相应的水资源问题，亟需解决的工程技术难题分解如下： (1) 电解水电极催化技术 工业现行电极材料催化活性低、分解水反应过电位高，导致电解水能量效率难以提升、单位制氢能耗大，进而也限制了单体设备制氢规模。 (2) 隔膜技术 当前工业中采用的石棉隔膜、聚合物编织隔膜，膜电阻大、在高压运行时耐气体穿透性能差，限制了设备运行参数的拓展和优化，提高了电解液含气量，带来较大的电能损耗，同时在一定程度上影响了氢气纯度的提升。 (3) 电解槽结构及组件 电极和隔膜在槽内的相对位置、装配方式和集流体结构等因素，会产生额外的电阻（接触电阻、离子传导电阻），增加运行能耗。随着催化剂性能提升和产氢规模变大，这些问题将愈发突出，甚至会限制催化剂和隔膜性能的发挥。

问题背景

发展高效低成本的可再生能源和氢能技术是对国家重大需求的及时响应。当前，我国可再生能源重点产业布局成熟、链条完备，发电成本已接近化石能源发电成本，发展可再生能源已成为全球减少碳排放和减缓气候变化的优质解决方案。针对可再生能源面临的时空波动性和并网难等问题，应以新技术和新材料为基础，将间歇性过剩的可再生能源转化为化学能，方便储运，实现持续稳定的能量供给和多样化的开发利用。以氢为能源载体，通过电解水将可再生能源电力转化为绿色氢气，进一步通过天然气管道掺氢、液氢输运或就地转化为甲醇、液氨或有机液体储氢等液体燃料，实现交通、发电、工业和建筑等方面的综合利用，可构建清洁低碳、安全高效的能源体系。当前电解水制氢技术的发展水平限制了可再生能源转为化学能的转化效率及产业化进程。 固体聚合物水电解槽采用SPE膜电极组件实现纯水制氢，可在大电流密度和宽功率波动的条件下工作，且结构紧凑，重量轻。膜电极组件和集电器是SPE电解槽的核心部件，目前，SPE膜只有少数几家国外大公司能规模化生产，而国内产业化程度较低。由于膜表面的强酸特性，SPE-膜电极活性物质普遍采用铂、铱等贵金属及其氧化物，原材料成本高；采用当前SPE-膜电极的制备工艺制备的电极尺寸偏小，进而限制了单个设备制氢能力（< 400 m3 H2•h-1）；同时存在着高产气量时催化剂易从床层脱落，导致性能衰减的问题。 碱性水电解槽是目前技术最成熟、制氢规模最大、商业化程度最高的水电解制氢技术，可稳定运行10~20年，已能实现千立方规模工业化制氢生产，设备成本适中。利用碱性水电解制氢技术，耦合转化可再生能源，是近中期快速实现产业化推广的合理途径。但需进一步提高工作电流密度，扩大适应功率波动范围。 当前，以上2种电解水制氢技术均面临着单位制氢能耗大、能量效率低等问题。为提高可再生能源转化率，并匹配石油化工过程中巨大的氢气需求量，需解决相关技术问题，研发具有更大单体制氢规模的低能耗电解水制氢设备，实现“大规模”“低能耗”“高稳定性”在工业生产过程中的统一。

最新进展

近年来，电解水制氢技术在学术界和工业界引起广泛的关注。为了降低单位制氢能耗、扩大单体设备制氢规模，高活性电解水催化剂、良好隔膜和先进的电解槽技术缺一不可。 (1) 基础研究报道的高活性催化材料，虽可实现接近理论值的本征活性，但从规模制备、成型技术、装配使用、高稳定性等方面，均与工况条件及产业化要求相去甚远，不能满足实用需求。 需有针对性地开发适用于工业应用标准的新型电催化材料、电极成型技术，提升额定电流密度以扩大制氢规模，降低工作电压以降低单位制氢能耗。 (2) 近年来，已开发直径小于1微米的多孔高分子膜，如聚苯硫醚、聚四氟乙烯和聚砜类隔膜等，使用这些膈膜可以消除使用石棉隔膜带来的毒性，实现氢氧的有效分离。然而，高分子隔膜亲水性较差，膜电阻较高，导致电解装置效率降低。 先进的离子隔膜技术虽可显著降低膜电阻，但大规模制备技术、成本及工况条件下长期运行的稳定性等问题，使其未能在工业运行中广泛采用。 亟待开发低电阻、高离子传导率、高稳定性、高强度、耐压隔膜及其廉价、规模化制备技术。 (3) 新型碱性电解槽的研发尚处于起步阶段，需从工程化设计方面，有针对性地开发新型电解槽结构及相关配套技术，对电场分布、气液流通路径、热分布、压力控制等方面进行优化，提升电解效率，满足低能耗、大规模氢气产出的需求。 (4) 现有海水电解在特定电解液、小电流密度下具有一定的稳定性，但在工业电解大电流条件下仍存在活性、选择性、抗腐蚀性、稳定性差的问题。发展高选择性（单一选择性析氢、析氧）、高耐腐蚀稳定性、高能量效率可再生能源耦合海水电解制氢系统仍面临巨大的挑战。 可见高性能的催化剂，电阻小、稳定性好的隔膜，低电阻、实现良好传质传热、气液分离的电解槽是制备高效、低成本、规模化电解水制氢系统的关键因素，是未来科学界和工业界重点突破方向。

重大意义

突破高效、低成本、规模化电解水制氢技术可极大地促进可再生能源、氢能的利用和发展，具备重大经济和生态环境的社会意义。 (1) 缓解可再生能源消纳问题，带动相关产业链深度发展； 我国可再生能源丰富，引入氢气为能源载体，利用可再生能源大规模制备氢气是激活“氢能经济”的核心步骤，可以实现可再生能源跨时空调度，带动氢能储运和应用等上下游行业的发展。 (2) 有助于构建清洁低碳、安全高效的能源体系； 利用可再生能源电解水制氢，并将其引入化工生产过程，与CO2或其它含碳化合物反应制备高附加值能源、化学品，可实现低碳/零碳排放的能源利用循环，降低我国对化石资源的依赖，调整能源利用格局和安全性。 (3) 生态环境社会效益 从社会、生态环境角度，温室气体在1951年至2010年间贡献了0.5~1.3℃全球地表温升，已经造成严重的气候变化等危及人类生存发展的问题。若要满足《巴黎协定》规定将气候变暖限制在2℃以下，需要在2050年全世界实现净零排放。为实现这一目标，化工行业碳价将从2020年的30~50美元/吨增加到2035年的50~100美元/吨。通过利用可再生能源制取绿氢来构建零碳排放的能源利用循环过程，所带来的生态环境和经济效益是难以估量的。 (4) 促进海水资源化利用 我国具有丰富的海水资源，充分开发和利用海水资源是寻求解决陆地资源匮乏、环境恶化、人口膨胀等难题的希望所在。利用间歇性可再生能源发电耦合海水电解制氢是一种最具有开发前景的技术之一。本技术取得突破后，将促进我国氢能产业的进步，并有效缓解我国和“一带一路”沿线国家的能源问题。