綠色氫的生產仍然是許多政府和企業脫碳戰略的重點。電解槽是利用可再生電力將水分子分解為氫和氧的器材，是實作綠色制氫的關鍵技術。許多人關註的是對大型綠色氫氣工廠以及電解槽制造設施的需求。然而，在更廣泛的市場中，材料和元件創新往往不那麽受重視。
本文將根據IDTechEx的最新研報【2024-2034年綠色制氫材料：技術，參與者，預測】的相關見解，進一步闡明電解槽技術的一些關鍵材料和元件優先事項。
堿性水電解槽(AWE)：新電極設計，提高效率
堿性水電解槽(AWE)是一項成熟且高度商業化的技術，提供最低的系統資本成本和可預測的長期效能。AWE電堆使用液體堿性電解質(氫氧化鉀，KOH)和多孔隔膜，並依賴於廣泛可用的材料，如鎳和不銹鋼。
與主要競爭對手質子交換膜電解槽（PEEL）技術相比，AWE的一個關鍵挑戰是其效率較低。因此，電解槽技術和材料開發商專註於生產用於電極的高效能催化塗層，以提高水轉化為氫氣和氧氣的效率。高效能塗層在商業上存在，但許多塗層仍然依賴於在混合氧化物塗層中使用關鍵的鉑族金屬（PGM），如釕。
電極塗層的研究重點是發現和套用新的催化材料。有希望的策略包括將現有鎳與其他過渡和非過渡金屬元素偶合，例如在NiFeCoP中那樣。此外，使用多孔電極，如鎳網，可以與這種塗層特別好地結合，生產出為反應提供高表面積的高度納米結構的催化劑。
將這些電極壓在多孔隔膜上可以進一步提高效率，這是由於化學物質在反應位點之間必須行進的距離減小了。這被稱為零間隙單元配置，並且已經在商業AWE電堆中廣泛使用。De Nora是零間隙電池元件和先進電極塗層之一，正在與McPhy Energy和thyssenkrupp nucera等知名AWE供應商合作。IDTechEx預計，將這些材料和元件設計策略結合起來可能會進一步提高AWE的效率，但還需要全面的商業努力。
質子交換膜電解槽（PEEL）：減少對昂貴和關鍵材料的需求
質子交換膜電解槽（PEEL）因其高效、緊湊的設計以及對波動的可再生能源的適應力而獲得了巨大的吸重力。雖然PEEL堆中的材料正在朝著標準化方向發展，但創新遠未停滯，尤其是在陽極催化劑開發方面。
鉑（Pt）和銥（Ir）分別催化電解槽中發生的電化學析氫和析氧反應。所使用的最先進的材料是用於陰極的負載在黑碳（Pt/C）上的鉑和用於陽極的銥黑（Ir）或氧化銥（IrOx）。在陽極使用銥尤其成問題，因為1–2.5g/kW的電流負載和對PEEL系統的高需求可能會給全球銥供應帶來重大壓力。
催化劑供應商，如Heraeus Precious Metals，正在透過在混合氧化物催化劑（IrRuOx）中將銥與釕偶合來解決銥問題。鑒於減少銥負載量的緊迫問題，這種材料在不久的將來可能會得到更高的商業吸收。學術和企業研發小組正在探索的另一種策略是使用負載型銥催化劑，類似於Pt/C方法。此外，大部份研究都集中在透過將銥與混合氧化物中的過渡金屬偶合來消除銥，以利於其他鉑族金屬，如釕。不含銥和PGM的催化劑通常仍處於開發的早期階段。IDTechEx預測，需要更多的研究工作來展示其競爭力，並為廣泛的商業套用鋪平道路。
PEM電解槽中的其他部件，如氣體擴散層（GDL）和雙極板，也使用貴金屬塗層以及鈦。這兩種材料在未來都可能變成問題，因此許多公司正在探索新的制造和塗層方法，以降低對這些材料的要求。
陰離子交換膜電解槽（AEMEL）：改進膜和避免關鍵材料
陰離子交換膜電解槽（AEMEL）是一種相對年輕但不斷發展的技術，旨在將堿性和PEM技術實作最佳結合。AEMEL試圖將AWE的材料豐富性與PEEL的高效特性相結合。這項技術正在經歷快速增長和創新，Enapter等公司就是例證，它們是商業兆瓦級AEMEL系統的先驅。
IDTechEx指出，許多研究AEMEL技術的研究小組仍在電極上使用鉑和銥基催化劑。該行業和新的商業參與者的一個關鍵重點應該是完全消除PGM的使用，並選擇在AWE領域使用的高效能納米結構催化劑。此外，該技術可以受益於氣體擴散電極（GDE）的套用，其將氣體擴散層與電極組合成單個元件。
另一個問題是陰離子交換膜（AEM）材料的廣泛變化，因此其效能和耐久性各不相同。AEM可以受益於在質子交換膜（PEM）空間中看到的一些策略，例如聚合物鏈的交聯和AEM可以塗覆到其上的支撐層（例如PTFE）的使用。材料的變化可能會持續下去，但AEMEL開發人員可以從AWE和PEMEL技術的當前發展中獲得靈感，將其套用於自己的電堆設計。
固體氧化物電解槽（SOEC）：最佳化電解槽結構，實作高效能和低降解
固體氧化物電解槽（SOEC）在電解領域也是一種相對較新的技術，與AWE和PEEL相比，其市場份額較小。SOEC的工作溫度（>600°C）遠高於前面提到的低溫技術（50-90°C），因此需要截然不同的材料和設計方法。
SOEC技術從固體氧化物燃料電池（SOFC）技術的材料發展中受益匪淺，因為大多數電堆都被設計為可逆執行，即同時作為電解槽（SOEC）或燃料電池（SOFC）。雖然該技術中已經建立了某些陶瓷元件，但在SOEC中開發新材料和電極電解質元件是一個很有前途的創新領域。
創新的優先事項包括使用電解質，以實作較低的操作溫度，從而提供長期穩定性和成本效益。其中包括摻雜釓的二氧化鈰（GDC），它已經在一些商業電堆中使用，Ceres Power等公司就是例證。另一個關鍵焦點是金屬支撐電池（MSC）的使用，因為與在商業電堆中更常見的電極或電解質支撐電池相比，金屬支撐電池具有幾個固有優勢。這些包括降低的材料成本以及更好地承受熱迴圈和抵抗機械應力的能力。此外，許多努力都致力於改善電池材料與互連、接觸層和密封劑的熱相容性和化學相容性。
未來的SOEC電堆可能會采用更先進的材料。總的來說，SOEC電堆中使用的材料種類繁多，這不僅突出了技術的多樣性，還顯示了這些高溫電解槽材料創新的潛力。
市場前景和戰略見解
電解槽技術和材料開發商面臨著許多挑戰，其中許多是相互關聯的。例如，減小質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，透過先進的材料和制造技術提高耐用性會增加制造成本。因此，材料和部件創新沒有單一的最佳方法。然而，這一最佳化過程為開發更復雜的電解槽材料開啟了重要的商機。
電解槽元件市場正準備大幅擴張，IDTechEx的預測估計，到2034年，其市值將達到317億美元。這一增長主要由快速發展的綠色氫氣行業推動，電解槽在其中發揮著至關重要的作用。
（素材來自：IDTechEx 全球氫能網、新能源網綜合）
