顆粒在線訊：綠色氫的生產(chǎn)仍然是許多政府和企業(yè)脫碳戰(zhàn)略的重點(diǎn)。電解槽是利用可再生電力將水分子分解為氫和氧的設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)綠色制氫的關(guān)鍵技術(shù)。許多人關(guān)注的是對(duì)大型綠色氫氣工廠以及電解槽制造設(shè)施的需求。然而，在更廣泛的市場(chǎng)中，材料和組件創(chuàng)新往往不那么受重視。

　　本文將根據(jù)IDTechEx的最新研報(bào)《2024-2034年綠色制氫材料：技術(shù)，參與者，預(yù)測(cè)》的相關(guān)見(jiàn)解，進(jìn)一步闡明電解槽技術(shù)的一些關(guān)鍵材料和組件優(yōu)先事項(xiàng)。

　　堿性水電解槽(AWE)：新電極設(shè)計(jì)，提高效率

　　堿性水電解槽(AWE)是一項(xiàng)成熟且高度商業(yè)化的技術(shù)，提供最低的系統(tǒng)資本成本和可預(yù)測(cè)的長(zhǎng)期性能。AWE電堆使用液體堿性電解質(zhì)(氫氧化鉀，KOH)和多孔隔膜，并依賴于廣泛可用的材料，如鎳和不銹鋼。

　　與主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手質(zhì)子交換膜電解槽（PEEL）技術(shù)相比，AWE的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是其效率較低。因此，電解槽技術(shù)和材料開(kāi)發(fā)商專注于生產(chǎn)用于電極的高性能催化涂層，以提高水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣的效率。高性能涂層在商業(yè)上存在，但許多涂層仍然依賴于在混合氧化物涂層中使用關(guān)鍵的鉑族金屬（PGM），如釕。

　　電極涂層的研究重點(diǎn)是發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用新的催化材料。有希望的策略包括將現(xiàn)有鎳與其他過(guò)渡和非過(guò)渡金屬元素偶合，例如在NiFeCoP中那樣。此外，使用多孔電極，如鎳網(wǎng)，可以與這種涂層特別好地結(jié)合，生產(chǎn)出為反應(yīng)提供高表面積的高度納米結(jié)構(gòu)的催化劑。

　　將這些電極壓在多孔隔膜上可以進(jìn)一步提高效率，這是由于化學(xué)物質(zhì)在反應(yīng)位點(diǎn)之間必須行進(jìn)的距離減小了。這被稱為零間隙單元配置，并且已經(jīng)在商業(yè)AWE電堆中廣泛使用。De Nora是零間隙電池組件和先進(jìn)電極涂層之一，正在與McPhy Energy和thyssenkrupp nucera等知名AWE供應(yīng)商合作。IDTechEx預(yù)計(jì)，將這些材料和組件設(shè)計(jì)策略結(jié)合起來(lái)可能會(huì)進(jìn)一步提高AWE的效率，但還需要全面的商業(yè)努力。

　　質(zhì)子交換膜電解槽（PEEL）：減少對(duì)昂貴和關(guān)鍵材料的需求

　　質(zhì)子交換膜電解槽（PEEL）因其高效、緊湊的設(shè)計(jì)以及對(duì)波動(dòng)的可再生能源的適應(yīng)性而獲得了巨大的吸引力。雖然PEEL堆中的材料正在朝著標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，但創(chuàng)新遠(yuǎn)未停滯，尤其是在陽(yáng)極催化劑開(kāi)發(fā)方面。

　　鉑（Pt）和銥（Ir）分別催化電解槽中發(fā)生的電化學(xué)析氫和析氧反應(yīng)。所使用的最先進(jìn)的材料是用于陰極的負(fù)載在炭黑（Pt/C）上的鉑和用于陽(yáng)極的銥黑（Ir）或氧化銥（IrOx）。在陽(yáng)極使用銥尤其成問(wèn)題，因?yàn)?–2.5g/kW的電流負(fù)載和對(duì)PEEL系統(tǒng)的高需求可能會(huì)給全球銥供應(yīng)帶來(lái)重大壓力。

　　催化劑供應(yīng)商，如Heraeus Precious Metals，正在通過(guò)在混合氧化物催化劑（IrRuOx）中將銥與釕偶合來(lái)解決銥問(wèn)題。鑒于減少銥負(fù)載量的緊迫問(wèn)題，這種材料在不久的將來(lái)可能會(huì)得到更高的商業(yè)吸收。學(xué)術(shù)和企業(yè)研發(fā)小組正在探索的另一種策略是使用負(fù)載型銥催化劑，類似于Pt/C方法。此外，大部分研究都集中在通過(guò)將銥與混合氧化物中的過(guò)渡金屬偶合來(lái)消除銥，以利于其他鉑族金屬，如釕。不含銥和PGM的催化劑通常仍處于開(kāi)發(fā)的早期階段。IDTechEx預(yù)測(cè)，需要更多的研究工作來(lái)展示其競(jìng)爭(zhēng)力，并為廣泛的商業(yè)應(yīng)用鋪平道路。

　　PEM電解槽中的其他部件，如氣體擴(kuò)散層（GDL）和雙極板，也使用貴金屬涂層以及鈦。這兩種材料在未來(lái)都可能變成問(wèn)題，因此許多公司正在探索新的制造和涂層方法，以降低對(duì)這些材料的要求。

　　陰離子交換膜電解槽（AEMEL）：改進(jìn)膜和避免關(guān)鍵材料

　　陰離子交換膜電解槽（AEMEL）是一種相對(duì)年輕但不斷發(fā)展的技術(shù)，旨在將堿性和PEM技術(shù)實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)合。AEMEL試圖將AWE的材料豐富性與PEEL的高效特性相結(jié)合。這項(xiàng)技術(shù)正在經(jīng)歷快速增長(zhǎng)和創(chuàng)新，Enapter等公司就是例證，它們是商業(yè)兆瓦級(jí)AEMEL系統(tǒng)的先驅(qū)。

　　IDTechEx指出，許多研究AEMEL技術(shù)的研究小組仍在電極上使用鉑和銥基催化劑。該行業(yè)和新的商業(yè)參與者的一個(gè)關(guān)鍵重點(diǎn)應(yīng)該是完全消除PGM的使用，并選擇在AWE領(lǐng)域使用的高性能納米結(jié)構(gòu)催化劑。此外，該技術(shù)可以受益于氣體擴(kuò)散電極（GDE）的應(yīng)用，其將氣體擴(kuò)散層與電極組合成單個(gè)組件。

　　另一個(gè)問(wèn)題是陰離子交換膜（AEM）材料的廣泛變化，因此其性能和耐久性各不相同。AEM可以受益于在質(zhì)子交換膜（PEM）空間中看到的一些策略，例如聚合物鏈的交聯(lián)和AEM可以涂覆到其上的支撐層（例如PTFE）的使用。材料的變化可能會(huì)持續(xù)下去，但AEMEL開(kāi)發(fā)人員可以從AWE和PEMEL技術(shù)的當(dāng)前發(fā)展中獲得靈感，將其應(yīng)用于自己的電堆設(shè)計(jì)。

　　固體氧化物電解槽（SOEC）：優(yōu)化電解槽結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高性能和低降解

　　固體氧化物電解槽（SOEC）在電解領(lǐng)域也是一種相對(duì)較新的技術(shù)，與AWE和PEEL相比，其市場(chǎng)份額較小。SOEC的工作溫度（>600°C）遠(yuǎn)高于前面提到的低溫技術(shù)（50-90°C），因此需要截然不同的材料和設(shè)計(jì)方法。

　　SOEC技術(shù)從固體氧化物燃料電池（SOFC）技術(shù)的材料發(fā)展中受益匪淺，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電堆都被設(shè)計(jì)為可逆運(yùn)行，即同時(shí)作為電解槽（SOEC）或燃料電池（SOFC）。雖然該技術(shù)中已經(jīng)建立了某些陶瓷組件，但在SOEC中開(kāi)發(fā)新材料和電極電解質(zhì)組件是一個(gè)很有前途的創(chuàng)新領(lǐng)域。

　　創(chuàng)新的優(yōu)先事項(xiàng)包括使用電解質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)較低的操作溫度，從而提供長(zhǎng)期穩(wěn)定性和成本效益。其中包括摻雜釓的二氧化鈰（GDC），它已經(jīng)在一些商業(yè)電堆中使用，Ceres Power等公司就是例證。另一個(gè)關(guān)鍵焦點(diǎn)是金屬支撐電池（MSC）的使用，因?yàn)榕c在商業(yè)電堆中更常見(jiàn)的電極或電解質(zhì)支撐電池相比，金屬支撐電池具有幾個(gè)固有優(yōu)勢(shì)。這些包括降低的材料成本以及更好地承受熱循環(huán)和抵抗機(jī)械應(yīng)力的能力。此外，許多努力都致力于改善電池材料與互連、接觸層和密封劑的熱兼容性和化學(xué)兼容性。

　　未來(lái)的SOEC電堆可能會(huì)采用更先進(jìn)的材料?？偟膩?lái)說(shuō)，SOEC電堆中使用的材料種類繁多，這不僅突出了技術(shù)的多樣性，還顯示了這些高溫電解槽材料創(chuàng)新的潛力。

　　市場(chǎng)前景和戰(zhàn)略見(jiàn)解

　　電解槽技術(shù)和材料開(kāi)發(fā)商面臨著許多挑戰(zhàn)，其中許多是相互關(guān)聯(lián)的。例如，減小質(zhì)子或陰離子交換膜的厚度可以提高效率，但可能降低膜的耐久性。另一方面，通過(guò)先進(jìn)的材料和制造技術(shù)提高耐用性會(huì)增加制造成本。因此，材料和部件創(chuàng)新沒(méi)有單一的最佳方法。然而，這一優(yōu)化過(guò)程為開(kāi)發(fā)更復(fù)雜的電解槽材料打開(kāi)了重要的商機(jī)。

　　電解槽組件市場(chǎng)正準(zhǔn)備大幅擴(kuò)張，IDTechEx的預(yù)測(cè)估計(jì)，到2034年，其市值將達(dá)到317億美元。這一增長(zhǎng)主要由快速發(fā)展的綠色氫氣行業(yè)推動(dòng)，電解槽在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。