生产“绿色”氢气的电解槽技术进展

由于终端用户希望能受益于二氧化碳大幅减排或零排放，随着技术进步和经济性改善，氢气成为可持续发展战略的热点。

电解槽基本情况现在不少氢气由水电解而制得，如果所用电能为可再生电力如风能、太阳能等，制氢过程二氧化碳零排放，制得的氢气便是“绿色”氢气。近年来，为满足全球对“绿色”氢气的需求，电解槽产量增长很快。今年6 月德国thyssenkruppindustrial-solutions公司宣布对电解槽生产装置进行扩能。该公司表示，扩能有利于经济地提高绿氢以及后续产品氨和甲醇生产的价值链。今年早些时候，该公司宣布其电解装置可以通过德国能源巨头E.ON 公司的虚拟电厂连接德国电力市场，可以有效地起到稳定电网的缓冲作用。要达到这个目的，电解槽必须要达到一些与负载变化相关的质量标准，证明其有足够的反应速度和灵活性来参与平衡能源市场。

现在市场上主要有碱液电解槽和质子交换膜电解槽（PEM）两种，其他一些如阴离子交换膜（AEM）、固体氧化物电解槽电池（SOEC）、光电化学水分解（PEC）等技术都处于研发阶段。碱液电解是更为成熟的技术，碱液电解槽价格也低廉些。但质子交换膜电解槽因为对电力变化反应更快而具附加价值；此外，交换膜将氢气和氧气物理隔开，因而安全性更好。

降低成本与提高性能同传统的天然气经蒸汽甲烷转化制氢（SMR）相比，电解槽技术进步使电解制氢越来越具吸引力。美国Nel 氢气公司称，过去2～3 年中，电解槽制造成本下降幅度高达75%。传统的SMR 制氢工艺每生产1 吨氢气会产生10～12吨二氧化碳，现在采用低成本可再生电力可以零排放生产绿色氢气。电解槽制造商的目标是达到“化石平价”，即电解制氢价格能与天然气SMR制氢持平。Nel 公司正努力提高电解槽的效率和性能，如减少PEM催化剂中的贵金属、改进碱液系统中的电极工艺等。

SMR制氢与水电解制氢进行经济性比较时，地理位置是一个重要的影响因素。在一些当地天然气资源匮乏SMR装置，天然气需要从外运输供应；或氢气要通过长管拖车或是以液化形式用罐车运输，效率很低。对于需要大量用氢的合成氨装置、甲醇装置和石油炼制装置，现场制氢供氢就非常具有吸引力。尽管SMR仍是目前使用最普遍的技术，但电解制氢效率高、操作弹性大，而且易于扩能，很多化学品生产厂正转向用电解制氢来增加制氢能力和装置柔性。

Nel公司正在开展一系列氢气应用的中试试验，旨在帮助装置转向“绿氢”。许多合成氨生产商都关注着电解制氢的试验结果。Nel 在明尼苏达有一套风电—氨项目已运行了几年，还有一些项目在推进中。

Nel公司是H2@Scale基金资助的公司之一，该基金由美国能源署设立，由美国能源效率与可再生能源（EERE）办公室氢气和燃料电池技术办公室（HFTO）负责资金发放。今年7月，共向18个项目发放了6 400 万美元，以期达到提升美国氢气生产经济性的目的，其中1 500 万美元投向了电解槽制造技术方面。电解槽的一个优势就是对间歇式的可再生电力如风能、太阳能具有较好的适应性。对于电解槽技术研发，H2@Scale的主要目标是提高效率和寿命，同时降低总成本。

电解槽技术现在研发趋势是整体开发，不同以往仅在某个方面如催化剂或膜等方面做些改进，而是关注整个工艺和整体材料的开发，以及如何将各方面进展整合进行大规模制造。其他开发重点有膜涂层技术、简化膜制造；优化多孔输送层；降低贵金属用量。此外，H2@Scale还首次在美国布置了两个核能—氢气项目。HFTO 负责人称，给水质量是另一个新的研究领域。H2@Scale 有几个处于初级阶段的项目，探索采用污水或海水而非高纯净水进行电解。

氢气与天然气的协同是另一个新热点，特别是将氢气与天然气掺混。但氢气与天然气掺混，所用材料对其兼容性是个问题，现在很多研究机构都在开展氢气对金属和树脂的脆裂性影响研究。

PEM电解技术进展德国Hoeller电解槽公司开发了一种用于小型PEM 电解槽的优化电池表面技术，这种技术可以减少贵金属用量、提高操作压力，其电池堆可根据需求设计。PEM水电解的主要优点是氢气产量几乎随提供的能量同步变化，因此很适合氢气需求量变化的工艺。Hoeller公司的电池堆可以对额定载荷0～100%之间的变化在几秒内做出反应。Hoeller的这个专利技术已进行了概念验证性试验，并将在2020年底建试验装置。

AEM电解AEM在某种程度上是PEM和传统的隔膜基碱液电解的混合。碱液电解可以采用较为低廉的材料，如不锈钢、镍等，而PEM因为其酸性环境，需要用铂等贵金属材料作催化剂，而且其电化学池要用钛金属材料，因此投资成本要高许多。不过，碱液电解电流密度和效率受限，一般需要另加一个加压步骤，PEM系统则克服了这个不足。AEM的主要挑战在于要开发一种能耐碱性环境、合适的聚合物膜材料。除了耐碱性环境外，这种聚合物材料还必须具有较高的离子导电率，以及电解槽加压后的抗压稳定性。德国Evonik工业公司在其现有的气体分离膜技术的基础上，开发了一种专利聚合物材料。Evonik正在放大这种聚合物生产并在一个中试线上扩大膜生产，下一步是验证系统的可靠性并提高电池堆规格，同时扩大膜生产。

氢气后加工 电解生产的氢气还需要进行压缩、脱水、提纯等加工。根据纯净度的要求，氢气在终端应用前还有几个步骤，第一步一般是采用分离罐将氢气纯度提高到99.9%，进一步提高纯度就需要采用分子筛。氢气压缩也有诸多挑战。随着“绿色”氢气和电解槽需求增长，电解技术以及氢气后加工技术都在不断进步。