电解水制氢技术:进展、挑战与未来展望

实现全球碳中和是各国在2050年制定的重要目标之一,旨在减缓气候变化的不良影响.氢能作为一种极具潜力的清洁能源,凭借其高能量密度、零碳排放、可再生性强等特性,被视为实现能源转型与应对气候变化的重要载体.为了实现这些目标,利用电解水制取氢气已经成为解决全球碳中和问题的重要关键方案之一.本文综述了碱性电解水、质子交换膜电解水、阴离子交换膜电解水和固体氧化物电解水制氢技术的最新进展,并对这四种电解水技术的工作原理、结构特点以及优缺点进行了详尽比较.此外,总结了电解水制氢催化剂材料的研究进展,尤其是新型材料的开发与结构优化,旨在提升材料的催化活性与稳定性.讨论了海水电解制氢和耦合制氢等新兴技术,强调通过电解质组成优化、高效双功能催化剂开发及利用小分子氧化反应热力学优势,可有效提升电解水制氢效率和系统稳定性.最后,提出了电解水制氢技术的发展趋势与未来研究方向,包括提升催化剂性能、降低电解过程能耗、开发新型电解设备等,旨在促进电解水制氢技术的进步,助力全球碳中和目标的实现,并为未来的研究提供参考与指导.

清华大学王保国教授团队ACSNano:3D互锁结构的膜电极(MEA)在1.55V下实现安培级电解水制氢

阴离子交换膜水电解器(AEMWE)作为一种高效制氢技术,近年来备受关注.然而,传统AEMWE的高工作电压极大地限制了其能源效率的提升.通过在阳极催化层进行界面和空位工程,能有效降低电解电压,从而提升电解效率.

光伏电解水制氢典型工况及质子交换膜电解堆性能衰减研究

电解水制氢可用于光伏出力消纳和绿氢制备,但目前尚缺乏模拟测试光伏电解水制氢电解堆典型应用场景下的工作模式,即电解堆典型工况,无法为电解堆性能衰减测试提供输入条件。该文提出了一种电解水制氢典型工况的提取方法,首先采用经验小波变换对光伏出力进行时频域分析,提取分时波动特征。然后用改进加权模糊聚类方法获得典型的光伏出力曲线。最后利用工况指标重构出简化工况曲线,并得到对电解堆运行场景模拟的循环工况谱。以我国“三北”地区某光伏电解水制氢系统作为算例,通过波动特征提取,获得了电解堆的典型工况。经初步仿真分析,提取的典型工况较好地刻画了电解堆的性能衰减过程。

光伏电解水制氢储氢技术标准体系框架研究

为保障光伏制氢产业高质量发展,发挥标准的引领、支撑作用,通过分析我国光伏发电、电解水制氢、储氢技术现状及趋势,汇总了氢能终端应用的类型,并梳理了光伏电解水制氢储氢系统的应用场景,结合现行光伏产业标准体系、氢能产业标准体系,提炼光伏电解水制氢储氢标准需求,进而构建光伏电解水制氢储氢技术标准体系框架。

金属磷化物在电解水制氢中的应用研究进展

电解水被认为是目前最有前途的制氢方法之一。基于商用贵金属基催化剂成本高和储量有限的情况,开发低成本、高性能的电催化剂是实现电解水制氢产业化的关键。过渡金属磷化物因具有独特的物化性质和高催化活性而被广泛关注,但导电性和活性位点密度的不足限制了其在工业化制氢中的应用。首先阐述电解水析氢的机理及过渡金属磷化物的重要作用。然后从单金属磷化物、双金属磷化物、改性金属磷化物和结构调控过渡金属磷化物4个方面分析不同种类的过渡金属磷化物以及提升其催化性能的途径,并比较了当前过渡金属磷化物的常用制备方法。最后总结提升催化性能的主要策略,展望过渡金属磷化物未来的机遇和挑战。期望本综述有助于过渡金属磷化物电催化剂的设计开发与应用。

电解水制氢耦合有机物氧化研究进展

利用可再生能源(太阳能、风能)驱动的电解水制氢技术是获取“绿氢”的必经之路,是实现碳中和的重要战略措施。然而,目前电解水制氢技术仍面临电解效率低和能耗高等问题。其原因之一在于阳极析氧反应(OER)动力学过程缓慢,制约了阴极产氢,并且阳极产物氧气的附加值较低。利用电解水过程中阳极产生的“活性氧”物种催化有机物选择性氧化(替代OER),被证明是能够降低电解水反应电压、提高产氢效率的有效策略,并且利用阳极得到高附加值化学品可以进一步分摊并降低制氢成本,最近受到科研界和产业界的广泛关注。基于此,总结了近年来电解水制氢耦合有机物氧化方面的研究进展,包括:阳极表面水活化产生活性氧的种类及其催化有机氧化反应机理、反应物吸附过程强化提升反应速率相关策略、电解水制氢耦合氧化反应器设计和产物分离等技术。最后,对该领域的未来发展前景和面临的挑战进行了总结和展望。

电解水制氢催化剂理论设计的火山型关系研究进展

电解水是一种较有前景的氢能制取方法,但Ir和Pt等贵金属催化剂限制了其大规模商业化推广应用,为了进一步降低电解水制氢的成本,开发高效稳定和低成本的电催化剂是当前研究的重点。通过理论计算方法找到催化剂结构、中间体吸附特性与催化活性之间的一般规律有助于催化剂的理性设计,降低新型催化剂的研发成本。“火山型”关系被广泛应用于电解水的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)中,为高通量筛选高活性催化剂提供基础理论。总结了HER和OER的反应机理,阐述了HER和OER中火山型关系的基本概念,综述了构建火山型关系的一般方法。

氟掺杂在碳辅助电解水制氢中强化碳氧化反应研究

面临着“双碳”目标的约束,氢能,尤其是电解水制氢技术受到了广泛的关注。然而,高能耗是制约该技术产业化的关键问题之一。基于此,提出“牺牲阳极碳辅助电解水制氢”的策略,利用碳氧化反应(COR)替代析氧反应(OER),实现能耗的大幅降低。具体是利用两步碳化法制备出F掺杂生物炭(记作F-BC-850),采用XRD、SEM-EDS、热重分析、XPS等表征手段解析F-BC-850的结构特征;通过电化学方法阐明F-BC-850与制氢性能间的构效关系。结果表明,在0.5 mol/L H_(2)SO_(4)溶液中,10 mA/cm^(2)下,其能耗是传统Pt片电极的57.9%;表征结果表明,氟化铵热解产生的HF刻蚀生物炭,能够形成活性较强的C-F键,进而提升了碳氧化性能。F物种的引入改变了碳结构,促进H_(2)O分子产生*OH,并强化了碳原子对*OH的吸附能力。本工作可为碳辅助电解水制氢高效产H_(2)和生物质高值化利用提供科学依据。

面向海上风电的碱性电解水制氢系统热力学分析与优化设计

[目的]为了最大化利用电能与海水资源,针对海上风电的碱性电解水(AWE)制氢系统进行热力学分析和优化设计,研究工作压力、工作温度、碱液流量等对系统运行特性的影响。[方法]基于热力学、电化学及质量平衡模型,通过Aspen Plus软件建立碱性电解水制氢的热力学平衡模型,并与实验结果进行对比验证。[结果]结果表明,此方案碱性电解水制氢系统最佳工作压力和工作温度分别为9 bar和70℃,最佳碱液流量为1600 t/h。系统能量损失和㶲损随输入电流密度的增加而增加。碱性电解输入电流密度为3000 A/m^(2)时,系统能量效率和㶲效率分别为63.58%和57.27%,系统能量损失占总能量投入的26%,其中电解槽㶲损最高,占系统总㶲损的93.39%。[结论]通过该参数优化方法,可以得到合适的工作参数范围,能够为海上风电制氢参数选择提供参考。

电解水制氢标准体系研究与需求分析

碳达峰、碳中和目标愿景下,发展氢能产业是能源绿色低碳转型发展的重要途径。电解水制氢是近、中期清洁氢的重要来源,同时,也是解决可再生能源消纳的重要方式。我国电解水制氢产业即将进入快速发展期,为规范产业发展,现阶段亟需建立电解水制氢标准体系。基于我国氢能产业标准体系,结合电解水制氢技术水平和发展趋势,从材料与零部件、设备、系统、综合评价4个方面构建电解水制氢标准体系,标准体系涵盖15个技术领域,39个标准系列以及若干具体标准,详细分析各技术领域标准需求,为开展电解水制氢标准规划和制修订工作提供指导。

电解水制氢技术的研究现状及未来发展趋势

氢能作为向绿色低碳能源转型的重要抓手,受到了世界各国的广泛关注和极大重视。电解水制氢作为重要的绿色制氢技术,尤其是利用可再生能源转化的电力制氢,未来具有广阔的市场前景。通过分析4种主要电解水制氢技术和电解槽技术的研究现状,总结了电解水制氢技术的未来发展趋势。以期本研究可为碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、固体氧化物电解水制氢和阴离子交换膜电解水制氢技术的研究方向提供参考思路,助力电解水制氢技术的研发和商业化进程。

风光电解水制氢平准化成本优化空间分析

氢能是中国绿色低碳能源体系的组成部分和“双碳”目标实现的关键载体,其未来可持续发展是以电解水生产的“绿氢”为方向,但目前针对可再生能源制“绿氢”的最新平准化成本以及成本优化空间较少受关注。对此,基于我国制氢行业最新数据计算出“绿氢”最新平准化成本,并对系统发电侧和制氢侧成本优化空间进行分析,最后开展敏感性分析。结果表明:我国“绿氢”最新平准化价格为20元/kg,已接近目前传统化石原料生产的“灰氢”成本,综合发电侧和制氢侧成本优化空间,至2030年可使氢气平准化成本下降48%左右,达到10.4元/kg;电价敏感性方面,风光电价每降低0.02元/kWh,氢气平准化成本降低约1.2元/kg。

高熵合金催化剂在电解水制氢和氢燃料电池应用中的研究进展

发展绿色氢能和氢燃料电池被视为实现我国双碳目标的重要抓手,需要开发高活性、高稳定性且廉价的电催化剂。高熵合金(HEA)因其表面复杂性和成分可调性,为构建高性能的催化活性位点提供了可能。通过组分选择及调控,有望实现针对不同电化学反应的表面活性位点的优化,进而大幅度提升HEA催化剂性能。近年来,HEA材料在电催化领域受到了广泛关注,有望成为理想的新型电催化剂。介绍了HEA催化剂的主要合成方法,总结了HEA催化剂在电解水制氢和氢燃料电池中的最新应用,展望了HEA催化剂的发展趋势及面临的问题,以期为HEA催化剂的设计和制备提供参考。

质子交换膜电解水制氢技术发展现状及展望

电解水制氢技术已成为绿氢制取的重要方法,其中最具发展潜力的是质子交换膜(PEM)电解水制氢技术。其结构紧凑,占地面积小,电解效率高,能在高压条件下获得高纯度氢气,更为重要的是,质子交换膜电解槽与间歇性的风光可再生波动电源具有良好的适配性,因而成为行业关注的焦点。目前PEM电解水制氢已进入发展的快车道,国外PEM制氢技术市场应用占比超过50%,国内多项PEM制氢项目已开工投产。近年来我国在材料、组件、系统集成方面均取得了实质性进展,但在关键性技术、效率寿命提升、经济性方面与国际先进水平仍存在一定差距。能耗较高、寿命不足、成本居高不下仍是大规模商业化应用的主要制约因素。大规模、大功率、高压差是PEM制氢系统未来发展的方向,需要结合实际工况,在衰减机制、基础技术、创新性材料开发和低成本组件方面取得突破。提升电流密度,提升不同输入特性下PEM电解槽的寿命,减少贵金属用量、加快非贵金属替代技术研究以进一步降低成本。

风光耦合电解水制氢方案研究

在碳达峰、碳中和目标下,需找到一种可广泛应用的零碳排放终端能源。氢能不仅是无碳能源,而且是最环保的能源,采用电解水制氢技术,尤其是通过风电、光伏发电技术制氢,可以实现零碳排放。对可再生能源电解水制氢现状进行了介绍,并针对多种风光耦合电解水制氢方案进行了研究,展望了可再生能源电解水制氢的发展前景。研究结果显示:采用大规模以风电、光伏发电为主的耦合电解水制氢可以有效减少油气进口、化石能源应用,极大保障中国的能源安全。以期研究结果为合理搭建氢能生产系统提供借鉴。

自支撑过渡金属基电极材料在电解水制氢领域研究进展

电催化裂解水制氢工艺具有绿色环保、简洁高效、氢气组分纯度高等优势,是最具应用价值的绿氢制造方式之一。但是,由于阴极和阳极电极反应动力学较为缓慢导致当前能源转换效率较低。利用高效、稳定的电催化裂解水制氢催化剂加速反应动力学过程,降低析氢反应电势,是大规模高效电催化裂解水制氢的关键所在。与传统的粉末状催化材料相比较,自支撑材料不仅不需要使用粘结剂,还具有极高的比表面积、较高的稳定性、高效的电荷传输速率及产物生成速率等优势,还可以按需构筑多种维度的新型电极结构,如一维、二维和三维等。基于此,主要介绍了自支撑过渡金属基电极材料的结构设计和可控合成方面的最新进展。

电解水制氢技术的研究与进展

此次深入探讨了电解水制氢技术的特点、面临的挑战以及优化策略,分析了电解水制氢技术的能效比、技术路线的多样性以及系统集成与模块化设计的优势,随后探讨了技术发展中存在电解槽材料腐蚀、能源消耗与成本效益平衡难题以及市场应用与推广挑战等主要问题。并且从研发耐用且高效的电解槽材料、优化能源管理与降低系统成本、推动技术创新与产业化进程三个方面提出了电解水制氢技术的优化对策,通过综合分析旨在为电解水制氢技术的发展提供参考和指导。

基于电解水制氢系统快速频率响应的电网频率稳定控制

针对调频资源不足导致的电网频率稳定性下降问题,以电解水制氢系统为研究对象,通过精细化建模并提出针对性控制策略,使电解水制氢系统提供快速频率响应,充分发挥电解水制氢系统内电、氢、热能的调频潜力,并对电解水制氢系统提供快速频率响应的机理及效果进行仿真验证。结果表明:所建立的模型可揭示电解水制氢系统的电-氢-热耦合机理,表征电解水制氢系统的频率响应特性;在多类扰动场景下,电解水制氢系统提供快速频率响应均可增强电网的频率稳定性。

电解水制氢参与调频辅助服务的经济效益分析

作为氢能、电力及可再生能源之间的纽带,电解水制氢技术具有较强的灵活性。电解槽在生产氢气的同时可为电力系统提供调频辅助服务。为了分析电解水制氢参与调频辅助服务对制氢成本的影响,构建电解水制氢参与电力现货市场及调频辅助服务市场的运行策略模型,并结合生命周期视角分析电解水制氢参与调频辅助服务的经济效益。以美国宾夕法尼亚新泽西马里兰(Pennsylvania-New Jersey-Maryland,PJM)电力市场的历史数据为例进行模拟。结果显示,参与调频辅助服务可以使电解水制氢的平准化成本下降27%。

碳中和目标下电解水制氢关键技术及价格平准化分析

随着低碳清洁氢发展成为全球共识,各国制氢技术路线均立足本地氢源潜力和未来氢能产业需求,呈现低碳氢、清洁氢到可再生氢的梯次发展趋势。电解水制氢技术的发展是低碳清洁氢气供给的突破口。该文首先对电解水制氢技术进行综述,介绍包括美国、日本、欧洲等国家电解水制氢技术路线图和技术指标目标;然后深入分析国内电解水技术发展现状,并与国外技术水平进行了差距量化对标,在此基础上提出我国电解水制氢潜在的技术路线;最后分析目前中国平准化低碳清洁氢成本,并且对中国2020~2050年平准化低碳清洁氢成本进行了预测。降低低碳清洁氢气平准化价格,需要从技术、商业模式创新等多方面协同发力,从而发挥其在能源转型及深度脱碳方面的作用。