水电解是将大规模可再生能源电力转化为绿色氢气的清洁解决方案。在不同类型的水电解技术中，质子交换膜水电解（PEMWE）是唯一能够直接与波动的可再生能源电力连接的商用技术。碱性水电解槽是另一种较老的商业技术，尽管成本低，但在动态运行时会面临严重的安全问题。然而，就目前而言，PEMWE 的成本太高（约为碱性电解槽成本的 3-5 倍），无法在工业中广泛应用。一个重要但并非唯一的原因是对铱和铂等贵金属的依赖。因此，学术界和工业界都为降低 PEMWE 的成本付出了巨大努力。然而，学术界和工业界的技术重点大相径庭。图 1a 给出了 PEMWE 的主要元件概览，这些元件是串联电气连接的。这种物理结构意味着每个元件都需要优化，以达到最低电阻，因为任何一个元件都可能成为限制效率的因素。
遗憾的是，学术研究与工业需求之间存在着相当大的差距。对科学网数据库中有关 PEM 电解的近 3,000 篇文献进行粗略回顾后发现，学术研究主要集中在减少贵金属的使用或开发非贵金属催化剂方面，而对电解槽其余组件的关注较少，所占比例不到四分之一（图 1b）。显然，这种分布意味着催化剂层等一些重要的技术问题没有得到足够的重视。此外，学术界通常专注于突破技术极限，而工业界则必须考虑成本、稳定性和安全性等多重因素，需要取得微妙的平衡。因此，学术界的许多研究成果仍停留在实验室中，而工业界的研究人员则致力于解决实际应用中遇到的技术问题。这种差距造成了研究资源的巨大浪费，也减缓了这一前景广阔的技术的发展速度。
图1 a、PEM 水电解器的组件。BPP，双极板；GDL，气体扩散层；CL，催化剂层；PTL，多孔传输层。b、电解器组件的文献分布。c、催化剂层中的文献分布。分析于 2024 年 5 月 2 日使用来自 Web of Science 的数据进行。统计数据是通过搜索以下关键词获得的：阳极/阴极催化剂、阳极/阴极催化剂层、阳极/阴极多孔传输层、质子交换膜、双极板和操作特性。
催化剂性能=电极性能？
学术界有一种隐含的假设，即好的催化剂也是好的电极，因此学术界降低成本的主要策略是开发低贵金属催化剂甚至无贵金属催化剂。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 开发的重要任务，而仅靠催化剂研究很难在实践中完成这项任务。一个重要原因是电极中催化剂的利用率较低。例如，在 4 A cm-2 的高电流密度下，3M 的纳米结构薄膜 (NSTF) 电极的阳极催化剂层 (ACL) 中的催化剂利用率可低至 2.4%，而 FuGeMEA 的催化剂利用率为 30%。催化剂利用率低是 ACL 中质子/电子和水/气体传输之间复杂平衡的结果。因此，有必要加强对ACL的研究投入，提高催化剂的利用率，以更有效地减少贵金属并提高性能。
此外，除了学术研究评估的活性等常规特性之外，催化剂要想在工业上应用，还有几个重要的要求需要满足，而这些要求通常被学术界忽视。作为工业上主流的电极制造工艺，狭缝模头涂层要求催化剂油墨具有高粘度。催化剂油墨的粘度受催化剂-离子聚合物相互作用的影响。与工业上已经很成熟的阴极相比，阳极面临着更多的技术挑战。不幸的是，常规的氧析出反应 (OER) 催化剂（主要是基于 IrO2 的纳米粒子）通常表现出对离子聚合物的弱吸附，这导致低粘度的催化剂油墨难以在催化剂涂层膜 (CCM) 生产线中使用。因此，OER 催化剂需要在工业上进行特别优化以增强对离子聚合物的吸附，而不仅仅是提高学术界的活性。因此，催化剂需要克服几个挑战才能达到工业要求。
稳定还是不稳定？制定统一的评估标准
也许，学术界和工业界达成一致的一个非常重要的起点就是电解槽的实际稳定性。工业反馈表明，到目前为止，ACL 是 PEMWE 的限制因素。工业界非常重视稳定性，因为要求电解槽在十年内可靠工作，承受波动的工作条件。然而，到目前为止，很少有电解槽能运行这么长时间，而且新技术层出不穷。对如此长的时间尺度上的实际寿命进行评估对于学术界来说几乎是不可能的，因为学术界通常只能支持数百到数千小时的稳定性测试。工业界并不想在大多数文献中简单地显示老化曲线来声称具有良好的稳定性，而是想知道更多细节，比如电解槽中的材料为何以及如何降解。
化学还是物理？
总体而言，学术界在提高性能方面的研究重点主要集中在化学方法上，例如设计新型更活性的催化剂。然而，从工业经验来看，许多性能和寿命限制源于物理因素，例如 CCM 上的应力分布。最近的证明，通过应力分布进行界面优化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了化学降解过程，但从工业界发现，到目前为止，主要的降解机制是阳极催化剂层物理结构的崩溃。不幸的是，物理过程很少受到学术界的关注。
在学术界看来，商业化过程几乎意味着材料或技术的单向放大。然而，单向放大可能会在成本或/和性能方面失去一些重要优势。例如，单向放大策略在大型电解槽中可能会经常出现明显的性能损失。这是因为在较大的电解槽中，热量、质量、电子和质子的传递都变得非常不同，而在实验室规模的电池中，它们的影响却微不足道。除了学术界通过开发新型材料或方法来推动性能改进之外，更实际的做法是确定基本的结构-功能关系，以指导商业电解槽的开发。与单向放大相比，缩小规模可能是加速新技术在工业中应用的重要补充。
扩大规模还是缩小规模？
采用缩小规模策略的一个有趣案例是确定流场的优化结构（图 2）。根据燃料电池的丰富经验，人们自然会为 PEMWE 选择蛇形流场，尤其是在实验室测试电解槽时。然而，由于蛇形流场的制造成本较高，我们在大型电解槽中使用了梯度网作为流场。令人惊讶的是，与实验室电解槽相比，大型电解槽堆显示出更高的电流密度和稳定性。详细研究表明，差异源于 CCM 上的应力分布：蛇形流场导致 CCM 上的应力分布极不均匀，因此催化剂利用率较低；而梯度网状结构则导致应力分布相对均匀，催化剂利用率较高。在确定了缩比方法的这一关键因素后，我们根据大型电解槽的结构对实验室规模的电解槽进行了改造。结果表明，只需增加极低的电池电压（<2%），就能将电解槽的规模扩大三个数量级。从这个例子可以看出，缩小规模是故障排除的一种有效方法。
图2 a、电解槽从单电池（4 cm2）放大到 100 kW 堆栈（600 cm2 × 30）的照片。由于在低铱负载（0.4 mg cm-2）下实现了高电流密度（2.7 A cm-2 @ 1.8 V），100 kW 电解槽被中国国家能源局认证为首套先进设备。b、不同规模电解槽的极化曲线。c、四通道水电解槽测试系统，其中电解槽仅为单个电池，有效面积为 4 cm2。
在电力不稳定的情况下运行
可再生能源驱动的绿色制氢技术的日益普及，推动了对 PEMWE 的需求。然而，可再生能源的波动性给碱性水电解槽等其他技术带来了巨大挑战。为解决这一问题，业界迫切需要扩大 PEMWE 的动态运行窗口，以降低氢气的平准化成本。理想的电解槽应能在部分负荷和超负荷的情况下高效运行，这对 PEMWE 利用价格低廉的波动电能至关重要。由于可再生能源的发电峰值通常很短暂（不到其使用寿命的 10%），因此电解槽的容量没有必要与可再生能源的峰值功率相匹配。相反，一种经济的方法是通过提高 PEMWE 过载上限（目前约为 120%）来降低电解槽容量。除了降低材料成本外，提高电流密度也是降低 PEMWE 相关总支出的另一项有效的成本节约措施。尽管全球已安装了数百兆瓦的 PEMWE，但有关在实际波动功率条件下运行的工业 PEMWE 的数据仍然不足。因此，学术研究需要更详细的工业数据反馈，才能有效解决实际研究问题。
另一个关键问题是输入功率波动对材料和整个电解槽寿命的影响。在动态运行条件下，液态电解质测试中观察到催化剂加速溶解，而 PEMWE 设备的耐用性则有所提高。因此，关于动态运行对 PEMWE 寿命的影响，目前仍无法得出明确结论。导致溶解率升高的主要原因是催化剂表面重构，这可以通过控制运行期间的最低电位来缓解。此外，值得注意的是，将从液态电解质测试中获得的溶解率直接推断到装置条件可能会导致高估催化剂降解，因为两种系统的酸性环境差异很大。总之，目前的数据不足以对动态操作对稳定性的影响做出结论性判断。当务之急是制定实用的测试方法，使基础研究与工业需求相一致。
总之，缩小学术研究与工业界之间的差距对于推动前景广阔的 PEMWE 技术至关重要。学术研究应扩大重点，纳入更广泛的因素。目前明显缺乏对工业电解槽中老化材料的死后表征，这一空白需要学术界的关注和支持。此外，工业界必须为学术研究中出现的新材料和新技术的开发提供技术专长和工业资源方面的全面支持。学术界和工业界之间的合作对于推动进步和确保成功实施该领域的创新解决方案至关重要。
译文仅供参考，具体细节请读者朋友阅读原文献：
Tao, H.B., Liu, H., Lao, K. et al. The gap between academic research on proton exchange membrane water electrolysers and industrial demands. Nat. Nanotechnol. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01699-x
