NEL：高效PEM水電解由先進的催化劑、膜和工藝實現

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摘要：盡管PEM水電解系統在技術上可行，但若需大規模發展，運營成本與購置成本仍需要降低，本文將從材料、工藝兩個角度出發談談PEM水電解技術的發展方向。

水電解制氫成本分析：當電價為0.05-0.06美元/kwh時，僅水電解制氫電價成本就超過了3美元/kg，在沒有其它政策激勵的情況下，無法與甲烷重整制氫（SMR）競爭（成本約為2美元/kg）。在可再生能源最為有利的地區，其電價可以達到或低于0.02美元/kwh，水電解制氫電力成本約為1美元/kg，在電解效率提升的情況下，成本可進一步降低（表1）。

電解效率貢獻：理論電動勢在液態水溫度范圍內變化不大，采用高熱值電壓1.48V（圖1）。減少電解槽厚度、優化接觸界面可以減小歐姆極化。另外一方面，界面接觸也會影響電解槽耐久性，例如PTL沒有涂層條件下，雖然初始性能較為優異，但隨著時間延長，性能迅速下降。由于電解槽工作電壓較高，因此需要將Ir或者Pt涂在PTL上，防止界面鈍化。另外一種方式制備氣體擴散電極，Ir納米纖維作為層間導電材料，而Ir納米顆粒作為催化材料。離子電阻受質子交換膜和離聚物影響，是整體電解效率損失的重要因素。PEM水電解膜相對于燃料電池來說更厚，因而在電解槽中造成了大量的壓降。迄今為止，膜的開發主要集中在燃料電池的應用上。根據電解槽的完全水化狀態和電解槽的操作特性將質子交換膜定向開發變得尤為關鍵。活化極化主要是由于OER反應有4電子參與，反應步驟較多造成的。從活性與耐久性角度來說，僅Ir能滿足使用條件。

圖1 PEM水電解電解槽過電勢分解

質子交換膜：在開發最佳電解膜時，需要考慮多種相互作用因素。一是通過減小膜厚度和提高膜的最高工作溫度可以提升電解效率；但隨著溫度升高，膜具有更高的蠕變趨勢和更高的吸水率，機械穩定性隨之降低。另外，氧中滲氫現象也會變得嚴重，在低電流密度下，會存在安全問題。通過引入增強層可以在減薄厚度的情況下增強膜的機械耐久性，但也會增加一部分阻抗。二是在電解槽加工過程中也要額外注意有無外來離子污染和工藝可靠性，這些都會對膜造成潛在損傷。若膜電極支撐結構強度太低，則會導致膜發生過度蠕變，引發機械衰減。三是電解槽在加壓條件下，可以提升整體效率，但對膜將產生額外的應變，同時氫氧互串現象也會加劇，需綜合考慮各方面影響。

催化劑與電極：在傳統的氧化銥材料中，將表面積增加到100 m²/g以上會顯示出更為優異的催化活性。但高比表面積納米材料往往會隨著時間推移失效，主要與Ir溶解、奧氏瓦爾德熟化、顆粒遷移等機制導致的。催化劑載體是穩定高比表面積和減少Ir使用量的關鍵，但氧化物載體通常導電性較差，在一定程度上抵消了其提高分散性的優勢。

制造過程對電解效率影響：Nel采用自動化卷對卷涂布工藝，制備的電極涂層更薄、更為均勻，離子電阻更低。膜處理設備更為精細的話，可使膜表面張力與水合作用處于平穩狀態。

圖2 PEM膜電極組件構成

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