成果简介
水电解提供了一种将大规模可再生电力转化为绿色氢气的清洁解决方案。在各种水电解技术中，质子交换膜水电解（PEMWE）是唯一能够直接与波动的可再生电力连接的商业化技术。尽管成本较低的碱性水电解器是一种较老的商业技术，但在动态操作下会面临严重的安全问题。然而，目前PEMWE的成本太高（约为碱性电解器的3-5倍），无法被广泛部署在工业中。一个重要但并非唯一的原因是依赖于贵金属如铱和铂。因此，学术界和工业界都投入了大量努力来降低PEMWE的成本。然而，学术界和工业界的技术重点存在显著差异。图1a概述了PEMWE的关键组件，这些组件是串联连接的。这种物理结构意味着每个组件都需要优化以达到最低电阻，因为任何一个组件都可能成为效率的限制因素。 不幸的是，学术研究与工业需求之间存在相当大的差距。对来自Web of Science数据库的近3000篇关于PEM电解的文献进行粗略审查显示，学术研究主要集中在减少贵金属的使用或开发无贵金属催化剂，而对电解器其余组件的关注较少，只占研究努力的不到四分之一（图1b）。显然，这种分布意味着一些重要的技术问题，如催化剂层，未得到充分关注。此外，学术界通常注重推技术活动的极限，而工业界必须在成本、稳定性和安全性等多个因素之间取得平衡。因此，许多学术界的研究成果仍停留在实验室，而工业研究人员正在努力解决实际应用中遇到的技术问题。
图文导读
催化剂性能=电极性能？
学术界存在一种隐含的假设，即一个好的催化剂也会是一个好的电极，因此学术界主要通过开发低贵金属催化剂或无贵金属催化剂来降低成本。事实上，到目前为止，贵金属仅占工业电解器总成本的约10%。减少贵金属无疑是PEMWE发展的一个重要任务，但仅靠催化剂研究很难完成这项任务。一个重要的原因是电极中催化剂的利用率低。比如，在高电流密度4 A cm–2下，3M公司的纳米结构薄膜（NSTF）电极的阳极催化剂层（ACL）中的催化剂利用率仅为2.4%，而FuGeMEA的利用率为30%。催化剂利用率低是阳极催化剂层（ACL）中质子/电子和水/气体传输之间复杂平衡的结果。因此，有必要加强在ACL的研究投资以提高催化剂的利用率，这不仅可以减少贵金属的使用，还可以更有效地提高性能。
稳定还是不稳定？走向统一的评估标准
可能，学术界与工业界达成一致的一个非常重要的起点是电解器的真正稳定性。工业反馈显示，到目前为止，ACL是PEMWE的限制性组件。由于电解器需要在波动的操作条件下可靠工作十年，工业界非常重视稳定性。然而，到目前为止，很少有电解器能够在如此长的服务时间内运行，并且新技术频繁出现。对于学术界来说，评估真实寿命长达如此时间尺度几乎是不可能的，通常只能支持数百到数千小时的稳定性测试。与大多数文献简单展示老化曲线声称良好稳定性不同，工业界希望了解更多细节，如材料在电解器中如何和为什么降解。
化学还是物理？
总的来说，学术界增强性能的研究重点主要在化学方法上，如设计新颖更活跃的催化剂。然而，从工业界的经验来看，许多性能和寿命的限制源于物理因素，如CCM上的应力分布。最近的研究表明，通过优化应力分布显著提高了电解器的性能和稳定性。另一个例子是阳极催化剂层的降解。实际上，由于聚合物离聚物粘合剂的膨胀、蠕变和迁移特性，ACL的微观结构不断受到热和水的影响。尽管大多数文献讨论化学降解过程，但工业界发现，到目前为止，阳极催化剂层的物理结构崩塌是主要的降解机制。不幸的是，物理过程在学术界受到的关注要少得多。
规模放大还是缩小？
从学术界的角度来看，商业化过程几乎意味着材料或技术的单向放大。然而，单向放大可能会失去一些重要的成本或性能优势。例如，通过单向放大策略，在较大的电解器中经常会遇到显著的性能损失。这是因为在较大的电解器中，热、质量、电子和质子传输变得非常不同，而它们在实验室规模的电池中影响不大。除了学术界通过开发新材料或方法来提高性能的推动外，更实际的方法是识别基本的结构-功能关系，以指导商业电解器的开发。除了单向放大，缩小可能是加速新技术在工业中部署的重要补充。
一个有趣的采用缩小策略的案例是识别优化的流场结构（图2）。根据燃料电池的丰富经验，人们自然会选择蛇形流场用于PEMWE，特别是在实验室测试电解器中。然而，由于蛇形流场的高制造成本，我们的大规模电解器采用了梯度网格作为流场。令人惊讶的是，大规模电解器堆比实验室电解器单元显示出更高的电流密度和稳定性。详细研究表明，这一差异源于CCM上的应力分布：蛇形流场导致CCM上的应力分布高度不均匀，从而导致催化剂的低利用率，而梯度网格结构则产生相对均匀的应力分布和更高的催化剂利用率。通过缩小方法识别的这一关键因素，实验室规模的电解器根据大规模电解器的结构进行了改造。结果表明，通过这种方法，电解器可以放大三个数量级而电池电压仅增加不到2%。从这个例子可以看出，缩小是一种强有力的故障排除方法。
在波动电力下运行
PEMWE的需求正在被越来越多采用的可再生能源供电的绿色氢气生产所推动。然而，可再生能源的波动性给碱性水电解器等其他技术带来了巨大挑战。为了解决这个问题，工业界迫切需要扩大PEMWE的动态操作窗口，以降低氢气的平准化成本。理想的电解器应能够在部分负载和过载下高效运行，这对于PEMWE利用廉价的波动电力至关重要。由于可再生能源通常在短时间内（不到其服务寿命的10%）产生高峰电力，因此不必让电解器的容量与可再生电力的峰值功率相匹配。相反，一种经济的方法是通过提高PEMWE的过载上限（目前约为120%）来减少电解器容量。除了降低材料成本，增加电流密度是另一种有效的节约成本的措施，用于降低与PEMWE相关的总费用。尽管全球安装了数百兆瓦的PEMWE，但在实际波动电力条件下运行的工业PEMWE的数据仍然不足。因此，学术研究需要更多详细的行业数据反馈，以有效解决现实研究问题。 另一个关键问题是波动电力输入对材料和整个电解器寿命的影响。在动态操作下，液体电解质测试中观察到催化剂的加速溶解，而在PEMWE设备中观察到耐久性提高。因此，关于动态操作对PEMWE寿命的影响，目前尚未得出确定结论。溶解率增加的主要原因是催化剂表面重构，可以通过控制操作期间的最低电位来减轻。此外，值得注意的是，直接将液体电解质测试中获得的溶解率推导到设备条件可能导致催化剂降解的过高估计，因为酸性环境在两个系统之间有显著差异。总体而言，目前的数据不足以得出关于动态操作对稳定性影响的结论。迫切需要开发一种务实的测试方法，以使基础研究与行业需求保持一致。
总结展望
弥合学术研究与工业之间的差距对于推进有前景的PEMWE技术至关重要。学术研究应扩大其关注范围，包括更多的因素。工业电解器中老化材料的事后表征显著缺乏，这是需要学术界关注和支持的差距。此外，工业界需要在技术专长和工业资源方面提供全面支持，以促进学术研究中新材料和技术的发展。学术界和工业界的合作对于推动进步和确保创新解决方案在该领域的成功实施至关重要。
文献信息
Tao, H. B., Liu, H., Lao, K., Pan, Y., Tao, Y., Wen, L., & Zheng, N. (2024). The gap between academic research on proton exchange membrane water electrolysers and industrial demands. Nature Nanotechnology. https://doi.org/10.1038/s41565-024-01699-x
