PEM电解水制氢介绍
一、背景介绍
节能和环境保护是21世纪可持续发展途径的两个最紧迫的挑战。由于快速扩大的能源需求和化石燃料的使用，导致环境污染恶化，增加了CO2在大气中的浓度增加。多年来，持续的研究更好地利用了可用的清洁和可再生能源技术，具有较少的环境影响。氢，作为具有无碳的能量载体和有着最高的能量转化率，通常被认为是存储来自可再生和间歇电源的最佳手段。迄今为止，氢气主要由蒸汽重整天然气或其他化石燃料生产，例如丙烷，汽油，柴油，甲醇或乙醇。然而，化石燃料的蒸汽重整产生低纯度氢，具有高浓度的碳质物种，如一氧化碳。更重要的是，蒸汽重整不会减轻稀缺化石燃料的依赖或减少污染物，最终没有为建立“碳平衡”能量矩阵。
但通过水电解的方法，可以通过电解将水转化产生氢气（100％氢气）。该反应发生在称为电解槽的单元中。电解槽的尺寸范围可以从非常适合小规模分布式氢气生产的小型家电设备到可以直接与可再生或其他非温室气体排放形式电力生产。
并且，随着局部可再生能源的不断增长的能力超过了千兆瓦范围，需要一个相应的存储系统。在过去的几十年中，由于电解氢的生产推迟了电力氢的产量增加。该数字即将随着最近的基于光伏等可再生源和风力涡轮机的方式产生能量容量增长。在这种情况下，电解氢不仅可以由可再生能源生产，并且作为能量存储介质工作，而且还克服了典型可再生能源的间歇性。PEM电解提供了用于生产氢的可持续解决方案，并且非常适合加上风和太阳能的能源。
二、基本原理
同燃料电池一样，电解槽由被电解质隔开的阳极和阴极组成。不同的电解槽以不同的方式工作，这主要是由于所涉及的电解质材料类型及其传导的离子种类不同。
在聚合物电解质膜(PEM)电解槽中，电解质是一种固体特种塑料材料。水在阳极反应生成氧和带正电的氢离子（质子）电子流经外部电路，氢离子选择性地穿过聚合物电解质膜到达阴极。在阴极，氢离子与来自外部电路的电子结合形成氢气。
阳极反应：2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
阴极反应: 4H+
+ 4e- → 2H2
总反应 ：2H2O → O2 + 2H2
PEM电解水原理图
三、PEM电解水的优势
通过电解制氢可以提供与动态和间歇性发电协同作用的机会，这是一些可再生能源技术的特征。 例如，虽然风电成本持续下降，但风的固有可变性是有效利用风电的障碍。 氢燃料和发电可以在风电场中集成，从而可以灵活地转移生产，以最佳地匹配资源可用性与系统运营需求和市场因素。此外，在风电场生产过剩电力的情况下，可以利用这些过剩电力通过电解生产氢气。
1.PEM电解槽可以在更高的电流密度下操作，能够实现高于2 A/cm2的值，这降低了操作成本和潜在的电解成本。
2.具有能够提供良好质子电导率（0.1- 0.02 cm-1）和更高电流密度的薄膜。
3.聚合物电解质膜的低气体交叉速率（具有高纯度的氢气）允许PEM电解槽在广泛的电力输入（经济方面）下工作。通过隔膜的氢渗透保持恒定，产生更大的阳极（氧气）侧面氢浓度。
4.PEM电解实际上是全功率密度范围（100％）。可以推测PEM电解可以达到超过100％。
四、发展前景
自第一个发展时期（20世纪60年代），技术和电催化领域的进展，PEM水电解的建模活动。经过50多年的研究，PEM电解单元仍然依赖于Nafion膜，Ir用于阳极，Pt用于阴极，烧结Ti用于集电器，以及Ti分离板。然而，这种缺乏一致的发展可以归因于20世纪90年代后期对PEM水电解没有多少研究。可以通过最近的PEM电解能够耦合到间歇且可再生电源（例如风力涡轮机）的PEM电解的极大兴趣。
在过去50年的发展中，解决了很多问题，以下是现在主要面临的问题：
1.减少贵金属负载或寻找贵金属催化剂的替代物
2. 提高催化剂的利用率
3.开发低成本和耐腐蚀集电器和分离板
4.堆栈概念的发展
尽管如此，这些挑战可以进行针对性的研究，如下所示，可以提出：
1.通过使用先进的设计，改善电化学活性表面积，催化剂利用和抗腐蚀稳定性，通过使用二元，三元或季铵合金改善HER和OER的催化活性。
2.在使用负载型催化剂的情况下，开发能够维持腐蚀环境并且仍然提供高纳米颗粒分散和均匀性的高导电支撑件。
3.理解和改善三相边界（离聚物-催化剂，离聚物-载体，催化剂-载体），以增强纳米颗粒分散体，改善催化层上的质子输送能
力降低纳米粒子阻碍，并减小了通过离聚物所提供的电子电阻。
4.对于阳极，发现催化剂替代品取代稀缺铱或不稳定的钌将被认为是巨大的成就。新的催化剂配置或设计的结构（例如：Core-
Shells，BMG，NTSF）可以提供必要的条件来降低铱的量或随时间稳定钌。
5.对于阴极，改善催化剂稳定性（特别是当在碳材料上负载时），探索除碳之外的替代支持，并研究无金属NEC或N-CNT催化
剂。同样重要的是，用于探讨高表面积碳材料（炭黑，CNT，石墨烯）的调节孔径，官能团，接枝聚合物和电导率，以实现更高的
活性和稳定性。
6.开发低成本集电器，具有调谐多孔结构，高耐腐蚀性，低欧姆电阻和优化的大规模运输。还必须通过开发可以更好地整合两层
的微孔层和电子传输来改善催化剂层和集电器之间的界面。这可以通过使用具有高电子传导性和高耐腐蚀性的纳米结构填料或掺杂
剂来实现。
7.可以通过使用较低的成本材料（例如：铜，石墨，不锈钢）涂覆高电子传输和高耐腐蚀性材料的Ti分离板。
8.通过更好的了解电解槽系统在未来动态操作模式下的性能、成本和耐久性权衡。
9.降低电解槽装置的搭建成本和系统成本。
10.提高各种操作条件下将电力转化为氢能的能源效率。增加对电解槽和电池堆退化过程的了解，并制定缓解策略以延长其寿命。
