水分解绿氢能否代替石化能源？

绿色氢能是全球脱碳的关键。但生产它的设备昂贵又娇贵，亟需大幅改进

目前，北美最大的可再生能源制氢厂的生产过程气味不佳。在加利福尼亚州弗雷斯诺市附近的索亥卡尔（SoHyCal）工厂，来自巴尔20奶牛场7000多头奶牛的粪便被输送到一个有盖的泻湖，在那里细菌将大部分粪便转化为富含甲烷的沼气，然后通过燃料电池发电。部分电力被分流到索亥卡尔的电解槽，这是一个有轨电车大小的设备，可将水分解成氢气和氧气。结果是：每天大约生产300千克 “绿色” 氢气，用于为弗雷斯诺市的两辆公交车和一些当地的氢燃料汽车提供动力。

负责该项目背后的西班牙公司H2B2美国分公司的佩德罗·帕哈雷斯表示，今年该厂将开始从附近的太阳能农场获取额外电力，将氢气产量提高到每天1吨。但至于进一步扩大生产规模，帕哈雷斯说：“我很担忧。”

在加利福尼亚州弗雷斯诺市附近的索亥卡尔制氢厂，粪便产生的沼气为燃料电池提供动力，燃料电池为电解槽提供绿色电力。  （图片来源：H2B2美国公司）

氢气常被吹捧为绿色能源的未来，其吸引力显而易见。当氢气燃烧或通过燃料电池时，排放物只有水，而不是二氧化碳（$CO_2$）。它能量密度足够高，可为半挂卡车、货船以及其他难以用电池驱动的重型车辆提供动力。挪威电解槽生产商耐尔氢能源（Nel Hydrogen）的水电解专家凯西·艾尔斯表示，对于许多需要高温反应的工业过程，如化肥生产和钢铁制造，氢气基本上是化石燃料的唯一替代品。“如果我们要应对气候危机，低碳氢气绝对至关重要。”

但如果以索亥卡尔的规模为参考，实现这一未来还任重道远。根据国际能源署的数据，如果要在2050年将全球变暖限制在1.5°C以内，全球每年需要生产超过3亿吨绿色氢气。然而如今，主要分布在欧洲和中国的现有绿色制氢厂每年仅生产100万吨。“差距非常大，” 帕哈雷斯说。

产量低并非因为氢气是某种奇特的能源。制造商目前每年已经生产约9700万吨氢气，主要用于制造化肥和炼油。但几乎所有氢气都来自蒸汽甲烷重整，这种方式远非绿色生产。该过程使用高压蒸汽将甲烷（天然气的主要成分）分解为二氧化碳和氢气。每年，这一过程向大气中排放约10亿吨二氧化碳，相当于日本的排放量，生产出所谓的 “灰氢”。

绿色氢气则来自由可再生电力驱动的电解槽。就像在索亥卡尔工厂一样，这些设备生产出的氢气量相对较少，且成本高昂。但全球各国政府已开始推动扩大绿色氢气生产规模。例如，本月早些时候，美国财政部最终确定对绿色氢气生产商每千克给予3美元的税收抵免。与此同时，研究人员正努力降低电解槽的成本（其约占绿色氢气成本的三分之一）并提高其效率。仅美国能源部（DOE）在本十年就预留了10亿美元用于改进电解槽技术。“资金已经到位，” 艾尔斯说，“问题在于我们能否真正安装好这些系统。”

在过去十年中，绿色氢气的成本已从每千克约10美元（相当于每3.5升汽油10美元）降至如今的每千克约5美元。2021年，美国能源部启动了一项 “登月计划”，目标是在2026年将价格降至每千克2美元，到2031年降至每千克1美元，届时绿色氢气将能与灰氢竞争。美国能源部的目标包括：减少许多电解槽对昂贵贵金属催化剂的需求，改进设备核心的隔膜以实现更快、更安全的氢气生产，并寻找能更好地适应太阳能和风电场不稳定电力供应的设计。“将会有很多创新成果涌现，” 加州大学伯克利分校的电解槽专家香农·博彻说，“这一发展趋势与太阳能光伏和风能的发展进程非常相似。”

博彻表示，制造更好、更便宜的电解槽并非绿色氢气面临的唯一障碍。氢气不易冷却和压缩，因此需要大型管道和储存设施。而要驱动每年生产3亿吨氢气所需的电解槽，需要超过1太瓦的廉价可再生电力，这比目前全球安装的所有太阳能和风能发电总量还要多。“很多方面都需要协同发展，” 博彻说。

水的分解化学过程相对简单。230多年前，英国科学家首次实现了这一过程。到19世纪90年代，法国工程师建造了一座电解厂，为军用飞艇生产氢气。几十年后，数百座这样的工厂（大多由水电站供电）生产氢气用于制造氨肥。但随着20世纪30年代蒸汽甲烷重整技术的出现，制氢成本大幅下降。绿色氢气被灰色氢气所取代。

如今，多种电解槽技术竞相让氢气市场再次走向绿色。最常见且商业上最成熟的一种被称为碱性水电解槽（AWE）。它的工作原理有点像电池。两个由多孔隔膜隔开的电极浸没在含有电解质的水中，电解质可促进离子的移动。输入带负电阴极的绿色电力将水分子分解为氢分子和带负电的氢氧根离子。氢氧根离子通过隔膜被吸引到带正电的阳极，在那里发生反应生成氧气和少量水。隔膜减缓了氢气和氧气的混合，否则它们可能会发生爆炸。数十个这样的电解池并排堆叠构成整个电解槽。

电解槽技术的进步是绿色氢能发展的关键。（图片来源：法比安·施特劳赫/德国新闻社/阿拉米图片社）

碱性水电解槽（AWE）的主要优势在于，涂覆在电极上用于加速水分解的催化剂可以很廉价，比如镍和不锈钢。但这种方法存在局限性。如果像间歇性可再生能源可能出现的情况那样，所供应的电流急剧下降，多余的氢气可能会穿过隔膜扩散到产生氧气的阳极，从而产生爆炸危险。另一个问题是：AWE的电极通常只能处理相对较小的电流。这意味着电极必须做得很大，并且尽管催化剂成本低，但要大量生产氢气，成本依然高昂。

创新性的改进或许能有所帮助。例如，在标准的AWE中，产生的气体会在电极上形成气泡，这会阻碍更多水分子的分解。但在2022年，伍伦贡大学的化学家格哈德·斯威格斯及其同事提出了一种新设计，该设计采用带有毛细管结构的隔膜，能将水和电解液从电解槽底部吸到两侧的电极上。由于电极不浸没在液体中，气泡就不再是问题。这种设计还能让产生的气体一经生成就被分流出去，降低了爆炸风险。

斯威格斯共同创立了初创公司海萨塔（Hysata），该公司已经制造出实验室规模的原型，展示了毛细管隔膜的卓越效率。大多数AWE生产1千克氢气需要50到53千瓦时（kWh）的电力，而海萨塔的设备仅需41.5千瓦时——这已经超越了国际可再生能源机构为2050年设定的效率目标。“这是性能上的巨大飞跃，” 海萨塔首席执行官保罗·巴雷特说。2024年5月，该公司宣布已筹集到1.11亿美元用于扩大这项技术的规模。

如果说碱性电解槽是当前电解槽技术的王者，那么质子交换膜（PEM）电解槽就是初露锋芒的挑战者。在PEM电解槽中，反应过程相反，不是从阴极开始，而是从阳极开始，阳极从水分子中夺取电子，将其分解为氧分子和质子。质子穿过隔膜到达阴极，在那里与可再生电力提供的电子结合，形成氢分子。

PEM与AWE的关键区别在于隔膜。它不是多孔分离器，而是一种致密的固体聚合物，由类似意大利面条状的分子组成，这些分子带有化学附属物，能像接力传递水桶一样轻松地将质子穿过隔膜。这种隔膜不需要液体电解质，还能减少氢气渗透。除此之外，PEM设计通常可以处理更大且变化更多的电流。这意味着可以制造出更小、可能更廉价的电解槽，却能产生相同数量的氢气。

 解锁绿色氢能

电解槽可以利用绿色电力将水分子分解为氧气和氢气。三种主要设计都类似于电池，一对电极由隔膜隔开。建造它们可能成本高昂且效率低下，每生产1千克氢气需要50 - 60千瓦时的电力。目前有三种主要类型的电解槽正在竞相提高效率并降低成本。

 电解池部分

 碱性水电解槽

碱性水电解槽（AWE）已有一个多世纪的历史。但商业利益促使其在近期得到改进。

-优点：技术成熟；催化剂成本低；资金成本低

-缺点：效率中等，因此设备体积大；可能产生爆炸性气体混合物；对波动电流适应性差

质子交换膜（PEM）

同样有几十年历史，PEM设备使离子穿过固体膜而非多孔膜，其运动方向与AWE相反。

- 优点：效率更高，因此设备体积小；对波动电流适应性更好；在高电流下表现更佳

- 缺点：通常需要昂贵的铱催化剂；膜使用 “永久性化学物质”；资金成本往往较高

阴离子交换膜

这是最新的技术，这种电解槽结合了前两种设计的特点，可能降低成本。但它仍需证明能在数十年内保持耐用。

- 优点：无需铱；效率可能较高；膜中无 “永久性化学物质”

- 缺点：膜降解速度快；可能因电流波动而降解；高电流运行效果未经证实

（A. Fisher/《科学》）

但PEM电解槽也有其缺点。较高的电功率会损坏大多数金属催化剂。质子会进一步造成腐蚀，产生高酸性热点。为承受这些条件，PEM电极涂有由铱制成的耐用催化剂，铱是一种极为稀有的金属，价格是黄金的两倍。“没有足够的铱来（支撑该行业）发展，” 西班牙巴塞罗那光子科学研究所（ICFO）的电解槽专家佩拉约·加西亚·德阿尔克尔说。更糟糕的是，这种膜通常由含氟聚合物制成，即所谓的PFAS材料，这类材料会在环境中持久存在，许多国家正在逐步淘汰它们。

许多研究团队正在研发不含氟的新型PEM膜，以及所需铱较少的电极。PEM电池通常依赖氧化铱（$IrO_2$）。但最近的理论研究表明，另一种化合物$IrO_3$中的铱反应活性更高，这可能使化学家能够减少使用量。日本理化学研究所可持续资源科学中心的中村龙平及其同事合成了$IrO_3$，并将其撒在氧化锰电极涂层上，仅使用了PEM设备通常所需铱量的4%。该团队去年在《科学》杂志上报告称，他们的电解槽产生氢气的速率与顶级的$IrO_2$设备基本相同，且在3000多小时内没有降解迹象。“我们已经在与公司合作扩大规模，” 中村龙平说。

其他PEM研究人员则着眼于提高钴和钨等较廉价金属的耐用性和催化效率，希望能完全取代铱。2024年6月，加西亚·德阿尔克尔及其同事报告称，在碱性溶液中对钴 - 钨催化剂进行预处理，有助于保护其免受酸性降解，并使金属稳定在更具催化活性的排列状态。结果是：该催化剂的产量提高了五倍，几乎达到氧化铱的水平。“对于非铱催化剂，我们实现了最高的电流密度和最高的稳定性，” 同样来自ICFO的共同作者夏璐说。博彻称这些结果 “相当显著”，但他指出，研究人员仍需证明这些替代催化剂能够达到铱处理高电流的能力。

钴 - 钨催化剂和理研所的$IrO_3$催化剂仍有许多有待验证之处。为了在商业上可行，水分解电极需要使用约10年，而这两种催化剂的测试时间都未超过几个月。“可能会出现一些神奇的突破，而这也许就是方向，” 斯威格斯在谈到这些新选择时说。但就目前而言，“铱似乎是唯一能与PEM长期配合使用的材料。”

长期耐用性也是第三种水分解设备——阴离子交换膜（AEM）电解槽的主要挑战。这些新兴设备试图融合AWE和PEM设计的优点。与AWE一样，它们将在阴极产生的氢氧根离子通过膜输送到阳极，并且不需要贵金属催化剂或含氟膜。但与PEM设备一样，AEM使用固体膜，旨在传导氢氧根离子而非质子。这种结合可能使它们成本更低，并能适应可再生能源不稳定的电力供应。

俄勒冈大学的化学工程师保罗·肯普勒表示，问题在于阳极产生氧气的催化剂也会促进一些反应，“腐蚀” 膜，导致它们在几周或几个月内就会分解。但许多实验室正在探索提高膜耐用性的方法。例如，总部位于德国的Enapter公司在水中添加液体电解质，创造一种防止腐蚀的环境。Enapter首席执行官于尔根·拉克曼认为，这种调整将使膜能够使用十年。“我们的电池堆使用寿命将与其他电池堆一样长，” 他预测道。

电解槽中冒出氢气气泡。要实现气候目标，每年将需要数亿吨氢气。（图片来源：IMAGO通过祖马新闻社）

博彻的团队有自己保护隔膜的策略：在阳极上涂一层薄薄的氧化铪。这种涂层能让穿过隔膜的氢氧根离子到达阳极，但由于它是绝缘体，可阻挡破坏隔膜的电荷。在2024年2月16日的《美国化学学会能源快报》上，博彻的团队报告称，氧化铪层显著减缓了隔膜的降解。他称这些结果 “尚属初步”，但表示如果该策略能在商业规模上奏效，“这将是一项了不起的技术”。

绿色氢能需要多项这样的重大突破。美国国家可再生能源实验室电解槽研究负责人布莱恩·皮沃瓦尔表示，该行业面临的最大挑战或许是电价，电价约占绿色氢能成本的三分之二。皮沃瓦尔说，在没有补贴的情况下，以如今的电价，无论电解槽成本有多低，绿色氢能都不可能实现每千克1美元的价格。根据美国能源部的绿色氢能路线图，要实现每千克1美元的价格，可再生电力成本需要降低至现有水平的十分之一。“我们依赖太阳能、风能和公用事业行业来降低电价，” 艾尔斯说。

绿色氢能不仅需要廉价电力，还需要大量的电力。美国能源部的路线图称，要实现美国到2030年生产3000万吨绿色氢能的目标，将需要新增约200吉瓦的可再生能源装机容量，这几乎是美国目前太阳能装机容量的两倍。

即使所有这些都能实现，绿色氢能开始大量生产，制造商仍将面临储存和运输至客户手中的挑战。根据哈佛大学的罗克珊娜·沙菲和丹尼尔·施拉格2024年12月发表在《焦耳》杂志上的一项分析，对于现有的氢气用户，如炼油厂，运输和储存已经使氢气成本每千克至少增加2美元。因此，除非这些成本也下降，或者绿色制氢厂能建在离客户较近的地方，否则绿色氢能广泛应用的前景并不乐观。“氢能可能是某些经济领域脱碳的最佳方式，” 施拉格说，“但它比人们描述的要昂贵得多。”

目前，所有这些现实情况解释了为什么索亥卡尔工厂只能产出仅够为两辆城市公交车提供燃料的氢气。但帕哈雷斯相信绿色氢能发展势头正盛。他的公司已经签署协议，今年将在密歇根州启动一个类似的示范设施，并且还有其他六个美国工厂正在规划中。“绿色氢能目前还不是一种大宗商品，” 帕哈雷斯说。但他认为，“它最终会站稳脚跟。” 

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自孙学军科学网博客。

链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-41174-1470279.html?mobile=1

收藏

分享