【科技参考】美国能源部电解水制氢技术评估报告

为实现更丰富、更经济和更可靠的清洁能源解决方案，美国能源部于2021年6月推出“能源攻关计划”，计划在未来10~15年集中各方力量攻关，推进能源若干关键领域的科学和技术创新，以降低成本、提高性能，为实现清洁能源规模化部署扫清关键障碍。其中，氢能是关键技术领域之一，其框架下的“氢能攻关计划”旨在集中力量推进氢能技术创新，核心目标是到2030年将清洁氢生产成本降低至1美元/千克。为实现该目标，美国能源部于2024年12月发布《氢能攻关：电解水技术评估》，对电解水制氢技术进行全面评估。报告认为，实现“氢能攻关计划”目标的关键可归纳为三大方面：技术进步、制造和规模经济以及与清洁能源系统的集成。

电解是目前可用于从水中生产氢气的最直接方法，进行此过程的系统为电解槽。当前，主流电解槽技术处于不同的技术成熟度，使用不同的电解质材料（液体、固体聚合物膜或固体陶瓷），并在不同温度下运行。根据操作温度，电解槽技术通常分为两类：一类为低温电解槽，包括质子交换膜（PEM）电解槽、碱性水（LA）电解槽、碱性阴离子交换膜（AEM）电解槽；另一类为高温电解槽，包括氧离子传导型固体氧化物电解池（O-SOEC）和质子传导型固体氧化物电解池（P-SOEC）。各类电解槽的技术成熟度和电解反应条件如图1所示。

图1 各类电解槽的技术成熟度和电解反应条件

目前，三类最成熟的技术——质子交换膜电解槽、碱性水电解槽和氧离子传导型固体氧化物电解池——展现出实现“氢能攻关计划”目标的潜力。从长远来看，当前技术成熟度相对较低的两类技术——碱性阴离子交换膜电解槽和质子传导型固体氧化物电解池——在技术进一步发展的情况下，相较于前三类技术具有潜在优势。此外，针对各种不同的终端用途，各类技术均展现出竞争力。随着清洁氢在多种终端用途需求的显著增长，上述五类电解槽技术都将扮演可行且重要的角色。

最初，质子交换膜电解槽是为潜艇和宇宙飞船研制的，用于生产氧气和需要少量氢气的应用（如气相色谱仪）。现在，质子交换膜电解槽正被用于大规模制氢，其设计能够快速动态响应，非常适合与风能和太阳能等可再生能源集成，但缺点是需要在酸性环境下操作，这导致可使用的材料受限，并需要使用铂族金属催化剂和涂层，导致成本增加。

为降低质子交换膜电解槽的成本，未来优先研发方向包括：一是要寻找用过渡金属替代物取代铱（一种铂族金属元素）催化剂的方法，开发成本更低、耐久性更强且效率更高的阳极催化剂层。二是减少或杜绝交换膜中全氟聚合物的使用，开发适合商业电解槽的烃类膜，将膜厚度减少为原来1/3~1/4，提高电池堆效率（减少通过膜的电阻性损失）并降低成本（使用更少的材料）。三是深入探索电解槽退化机制以预测使用寿命，并加速耐用性压力测试，以及时通过引入新材料和新技术延长使用寿命。四是加大对电力电子设备、加热器、泵和气体处理单元等辅助设备的标准化制造，利用规模经济降低成本。五是加强质子交换膜电解槽与可再生能源系统的集成，减少从可再生能源到电解槽的电力转换步骤，并避免不必要的电网互联。

碱性水电解槽是当今商业可行性和部署方面最成熟的电解槽技术，具有操作简单、成本低的优点，但在占地面积和对连续运行需求的响应等方面亟待改进。

对此，未来优先研发方向包括：一是开发新型隔膜材料，确保其在具备足够机械稳定性的前提下尽可能减少厚度。二是开发具有更高内在活性的催化剂和具有高表面积及催化剂利用率的电极结构，提高电解效率。三是开发下一代碱性水电解槽电池，通过设计电池“零间隙”架构，最小化电极与隔膜之间的距离来提高性能。四是与质子交换膜电解槽类似，加速耐用性压力测试以理解退化机制并在更短的时间内预测使用寿命，加快下一代技术的商业化，同时加大对电力电子设备、加热器、泵和气体处理单元等辅助设备的标准化制造，利用规模经济降低成本。

当前，碱性阴离子交换膜电解槽技术成熟度相对较低，但其前景十分广阔，能够结合质子交换膜电解槽和碱性水电解槽的优点：在碱性环境下，可以采用非贵金属催化剂和成本更低的金属双极板，同时膜的使用也使得在高于传统碱性水电解槽的电流密度下进行差压操作成为可能。

目前，科研人员正致力于优化电解液供给配置及其他组件，旨在提升效率和耐久性，未来优先研发方向包括：一是开发具备化学和热稳定性的膜材料和具备高离子导电性的离子聚合物，延长电解槽使用寿命。二是添加低浓度辅助电解质可提升电解池性能和耐久性，但会增加成本，对此需深入研究以权衡性能、耐久性与成本之间的关系，基于整体经济效益做出决策。三是对膜与催化剂层之间的界面进行改进，优化电极结构和组件。四是研发不含铂族金属催化剂的电极，提高电解槽催化活性、利用率和耐久性。五是进一步研究电解质对膜和离子交换聚合物稳定性的影响。

氧离子传导型固体氧化物电解池在高温下运行，与低温电解槽相比表现出更高效率。但由于高温导致的较短使用寿命和较高的资本成本阻碍了其商业化进程。与质子交换膜电解槽和碱性水电解槽相比，氧离子传导型固体氧化物电解池的技术成熟度相对较低。

对此，未来优先研发方向包括：一是在不影响整体性能的前提下实现更低的运行温度，同时开发具有较少挥发性成分的新密封材料并清除进口气流中的杂质，以减缓电池堆的降解速度。二是在电解质和电极之间放置掺杂氧化铈的阻挡层，并研究使用其他钙钛矿氧化物作为氧电极材料，延长氧电极使用寿命。三是金属互连在氧离子传导型固体氧化物电解池中起关键作用，但高铬合金互连会发生铬挥发而导致污染，需研究添加合适的保护涂层解决这一问题。四是加速耐用性压力测试并改善对电解池退化机制的理解，快速推进技术商业化进程。五是设计与外部热源良好热集成的系统，最大化氢气生产效率。六是与其他类型电解槽一样，开发标准的模块化部件是降低成本的重要途径。

质子传导型固体氧化物电解池是一种利用固体氧化物作为电解质，通过电解水产生氢气和氧气的装置。与氧离子传导型固体氧化物电解池相比，质子传导型固体氧化物电解池的工作温度较低，通常在450~650℃，能够降低能耗并提高设备运行效率。同时，由于其高效的质子传导能力，质子传导型固体氧化物电解池更具成本优势。

但当前质子传导型固体氧化物电解池的技术成熟度仍较低，未来优先研发方向包括：一是在材料方面，质子传导型固体氧化物电解池的电解质必须具有高质子导电性、低电子导电性、高机械性能和高稳定性，以承受具有强还原性或氧化性的高湿度环境。对此，需要进行材料研发，研制出能够在电解操作条件下（低于600℃、高蒸汽浓度）表现出高性能、高效率和长寿命的电解质材料。二是在电池和电池堆方面，潜在解决方案包括在BaZr_1-xCe_xO₃电解质上涂覆一层极薄且在蒸汽中稳定的兼容质子导电电解质层，或向BaZrO₃中添加烧结助剂以降低其烧结温度等。此外，需要利用先进制造技术生产更大尺寸的电池，以改善这些材料较差的机械性能。

规模经济可通过提高生产率来实现，这通常涉及生产制造时间的缩短。鉴于不同电解槽所用材料和电池设计的差异，缩短生产制造时间的具体方法也各不相同。对于质子交换膜电解槽，卷对卷涂覆工艺有助于快速制造涂有催化剂的膜和基底。对于碱性水电解槽，开发零间隙和新型电池的制造技术对于在满足性能目标的同时缩短生产制造时间至关重要。此外，对于所有电解槽技术，实现电池和电池堆的自动化组装并简化制造流程，能够显著提升生产效率并降低成本；持续且迅速发展的制造技术与数字化技术的融合具有进一步提高制造能力和效率的巨大潜力，相关前沿技术包括机器人技术、物联网、大数据分析、人工智能和自主系统等。

为生产清洁氢，电解槽必须使用来自可再生能源或核能发电的电力。虽然，当前去碳化电网电力价格明显高于实现“氢能攻关计划”目标所要求的成本，但仍存在经济上的可行性。例如，过剩的可再生能源电力可被转化为氢气，用于长期能源储存，这不仅能为可再生能源发电厂创造额外收入，还能提升可再生能源电力对电网的整体价值。此外，将电解槽直接与可再生能源相连，还能带来其他好处。例如，将电解槽与等待并网的风力发电场相连（通常需等待数月或数年），可立即开始利用可再生能源，降低因等待导致设备闲置而产生的成本。将风力涡轮机或太阳能板的电力直接与电解槽连接也可取代部分电气辅助设备，降低整体系统的成本。

编译：中国科学技术信息研究所  郑思聪

审校：中国科学技术信息研究所  张丽娟

来源：《科技参考》2025年第5期