摘 要： 分步法電解水制氫是近年來發(fā)展出的一種新型電解水技術(shù)，通過在電池中增加電子耦合質(zhì)子緩沖媒介(ECPBs)，使得電解水的析氫反應(yīng)(HER)與析氧反應(yīng)(OER)不再關(guān)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)H2和O2在不同的時(shí)間、不同的地點(diǎn)生成。分步法電解水制氫可以解決傳統(tǒng)電解水制氫技術(shù)面臨的H2和O2互相滲透所帶來的安全問題，并為氫氣的儲(chǔ)運(yùn)提供新的解決方案。本文綜述了近年來在分步法電解水方面取得的進(jìn)展，詳細(xì)介紹了分步法電解水制氫電解槽結(jié)構(gòu)原理，分步法電解水制氫中可以選擇的ECPBs的種類及特點(diǎn)。根據(jù)ECPBs的狀態(tài)及適用的電解液介質(zhì)，分別列出溶液態(tài)和固態(tài)電極形態(tài)的ECPBs在酸性電解液以及堿性/中性電解液中對(duì)應(yīng)技術(shù)參數(shù)。通過進(jìn)一步對(duì)比現(xiàn)有ECPBs的優(yōu)勢及不足，總結(jié)了分步法電解水所面臨的挑戰(zhàn)和潛在的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞： 分步法電解水制氫；解耦水裂解；電子耦合質(zhì)子緩沖媒介；氧化還原媒介
氫氣作為化工原料廣泛應(yīng)用于化工、能源和材料行業(yè)。近幾十年來在國內(nèi)外能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整的背景下，“氫經(jīng)濟(jì)”的概念逐步完善，氫能產(chǎn)業(yè)鏈也逐步清晰。目前市場中氫氣主要來自化石燃料蒸汽重整和副產(chǎn)氫，前者排放出大量的二氧化碳，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。后者受儲(chǔ)運(yùn)限制，僅能在副產(chǎn)氫的企業(yè)周邊供應(yīng)氫氣。而電解水制氫則有無碳環(huán)保和靈活的特點(diǎn)，逐漸受到關(guān)注。
隨著可再生能源發(fā)電比例逐步提高，利用可再生能源制氫將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，不但可以滿足可再生能源的儲(chǔ)存需求，還可以提高智能電網(wǎng)的靈活性，為氫燃料汽車加氣站提供高純度氫氣，是一種具有前景的能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化的方式，并得到了示范驗(yàn)證。德國的Energiepark Mainz Power-to-Gas Project(PTG)示范項(xiàng)目，位于Mainz，采用6 MW的基于聚合物質(zhì)子交換膜電解水(PEMWEs)技術(shù)的制氫工廠，與8 MW的風(fēng)場連接，用于探索PEMWEs的規(guī)模化應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行模式。
傳統(tǒng)電解水制氫主要包括堿性電解水(AWEs)、聚合物質(zhì)子交換膜電解水(PEMWEs)和高溫氧化物電解水(SOEC)。AWEs是已經(jīng)商業(yè)化的電解水制氫技術(shù)。但是AWEs不能在高壓下運(yùn)行，負(fù)載范圍窄、靈活性差，也無法支持大電流運(yùn)行(一般約400 mA/cm2)。PEMWEs電解槽內(nèi)部呈強(qiáng)酸性環(huán)境，對(duì)催化劑及組件的耐腐蝕性要求高，因此投資成本相比較高，限制了其廣泛應(yīng)用。最重要的是隔膜在運(yùn)行過程中受高壓的影響，以及氫氣和氧氣的互相滲透在隔膜內(nèi)生成過氧化物或者活性氧，會(huì)腐蝕隔膜并降低隔膜壽命。隔膜的損壞進(jìn)一步導(dǎo)致氫氣和氧氣滲透的惡化，不但降低電流效率，還帶來極大的安全隱患。SOEC制氫技術(shù)，效率高、生產(chǎn)速度快，但是需要在高溫下運(yùn)行，對(duì)關(guān)鍵材料要求高，因此成本最高，還處于研究階段。
2013年，Cronin的團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了分步法電解水。提出了“電子-耦合-質(zhì)子緩沖(ECPBs)媒介”這一概念。通過緩沖媒介可以將電解水的析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)分離。近年來分步法制氫的科學(xué)概念逐漸成熟，研究人員的結(jié)果表明，分步法制氫將水裂解的HER和OER在時(shí)間和空間上進(jìn)行分離，使得制氫和制氧成為兩個(gè)獨(dú)立的步驟。首先，分步法電解水制氫可以解決傳統(tǒng)電解水H2和O2同步生成，并通過隔膜互相滲透所帶來的安全問題。其次，如果使用固態(tài)電極作為ECPBs，陰極和陽極之間無需隔膜，還可以被轉(zhuǎn)移運(yùn)輸至加氫站后再完成制氫，也為氫氣的儲(chǔ)運(yùn)帶來新的替代方案。此外，OER是電解水的速控步驟，傳統(tǒng)電解水技術(shù)在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，氧氣生成速度過低，甚至低于氧氣滲透過隔膜至陽極側(cè)的速度，因此很難直接采用具有不連續(xù)性和間歇性的風(fēng)能/太陽能發(fā)電作為制氫的能源。而這種分步法電解水制氫策略使得電解水制氫技術(shù)有望直接應(yīng)用于新能源發(fā)電領(lǐng)域，為“棄風(fēng)棄光”問題提供新的解決方案。
1 分步法電解水原理
分步法電解水是在電解水體系中增加電子-質(zhì)子緩沖介質(zhì)(ECPBs)，將水的裂解分為兩個(gè)步驟，第一步接通陽極和ECPBs，OER發(fā)生時(shí)，陽極產(chǎn)生氧氣，釋放的電子由ECPBs存儲(chǔ)，而ECPBs自身被還原。第二步，將還原態(tài)的ECPBs與陰極接通，HER發(fā)生時(shí)，陰極產(chǎn)生氫氣，ECPBs釋放電子自身被氧化，見方程(1)、(2)。
結(jié)合近年來分步法電解水制氫的研究工作，圖1給出了分步法電解水制氫原理結(jié)構(gòu)。通常情況下，由于所使用的ECPBs的狀態(tài)不同，電池結(jié)構(gòu)可以分為有隔膜和無隔膜兩種。當(dāng)ECPBs為溶液狀態(tài)時(shí)，需要隔膜將電池分隔為兩個(gè)腔室，其中陽極和陰極電極位于工作室內(nèi)，而ECPBs則位于工作室對(duì)面的輔助室內(nèi)，如圖1(a)所示。如果使用固態(tài)ECPBs電極，則電池?zé)o需使用隔膜，陽極、陰極以及輔助電極位于同一電池室內(nèi)，如圖1(b)所示。在分別啟動(dòng)第1步和第2步電化學(xué)反應(yīng)步驟時(shí)，需要在陽極和陰極之間切換開關(guān)并聯(lián)通電路。
圖1 分步法電解水制氫的結(jié)構(gòu)
2 溶液態(tài)ECPBs
2.1 酸性介質(zhì)
在酸性介質(zhì)下，常使用雜多酸作為ECPBs。例如分子結(jié)構(gòu)式為HnXW12O40(X= P5+、Si4+、 Zn2+)的雜多酸溶液都可作為ECPBs。圖2(a)給出了{(lán)PW12O40}、{SiW12O40}、{ZnW12O40}的循環(huán)伏安曲線，從圖中可見，其氧化還原電位電位均位于HER和OER之間，適合作為ECPBs。圖2(b)給出了這些雜多酸的轉(zhuǎn)移電子數(shù)隨溶液pH值變化的情況。
圖2 (a) 100 mmol HnXW12O40 (X= P5+，Si4+ 和Zn2+) 掃速50 mV/s的CV曲線；(b) 在不同pH值緩沖溶液中電荷轉(zhuǎn)移數(shù)
(H3O+)[H2PMo12O40]的循環(huán)伏安曲線如圖3(a)所示，由于ECPBs的氧化還原作用，水的析氧反應(yīng)和(H3O+)[H2PMo12O40]的還原反應(yīng)與質(zhì)子化作用相結(jié)合，形成(H3O+)[H4PMo12O40]。而進(jìn)一步的，ECPBs緩沖媒介(H3O+)[H4PMo12O40]的氧化反應(yīng)則與陰極的析氫反應(yīng)結(jié)合，最終釋放出氫氣。這里磷鉬酸作為ECPBs的還原電壓較HER更高，使得陽極的OER可以在更低的電壓差下發(fā)生，如圖OER電壓降低了近0.9 V［圖3(a)］。同理陰極的HER也有相似情況，如圖3(b)所示。
圖3 (a) 循環(huán)伏安曲線：1.0 mol/L H3PO4+0.5 mol/L磷鉬酸(黑色)，1.0 mol/L H3PO4(紅色)；(b) 在兩電極體系中HER在鉑電極(有ECPB紅色，無ECPB黑色)和鉑碳電極(有ECPB綠色，無ECPB藍(lán)色)上的極化曲線；(c) 在兩電極體系中OER在鉑電極上的極化曲線：有ECPB(紅色)，無ECPB(黑色)
這些雜多酸通常具有很高的分子量，磷鉬酸分子量高達(dá)1843，硅鎢酸分子量為2880，因此質(zhì)量能量密度低。此外，雜多酸所使用的鉬、鎢等元素的成本也較高，因此，在ECPBs的設(shè)計(jì)和選擇上，除了考慮其氧化還原電位的適宜性，還應(yīng)該向低分子量、元素儲(chǔ)量豐富廉價(jià)的方向發(fā)展。對(duì)于陰極的HER，在規(guī)?；瘧?yīng)用時(shí)可以選擇耐酸腐蝕的過渡金屬化合物代替Pt，例如Ni5P4、Ni2P、Mo2C、MoS2、CoP等。
近年來，很多有機(jī)物作為電化學(xué)儲(chǔ)能的活性材料被研究。Cronin的團(tuán)隊(duì)分別采用對(duì)苯二酚磺酸鉀、二酚衍生物蒽醌-2,7-二磺酸(AQDS)來作為分步法電解水的ECPBs，解耦后的HER和OER各自所需的電壓差明顯降低。不足的是對(duì)苯二酚磺酸鉀自身穩(wěn)定性較差(1%衰減率)，還會(huì)透過Nafion隔膜導(dǎo)致總法拉第效率降低。但是AQDS具有良好的穩(wěn)定性，每周容量衰減率僅0.06%。
使用ECPBs進(jìn)行解耦水分解時(shí)，由于H2和O2并不是同時(shí)產(chǎn)生的，因此氣體的純度很高。但是這也意味著與傳統(tǒng)電解水相比，產(chǎn)生H2和O2所需要的時(shí)間將翻倍。為了滿足分步電解水并減少總時(shí)間消耗，Amstutz等報(bào)道了一種包含氧化還原流動(dòng)電池模塊的新型分步法電解水設(shè)計(jì)。與常規(guī)的使用單個(gè)ECPBs不同，這里的ECPBs是由兩種氧化還原介質(zhì)V(Ⅲ)/(Ⅱ)和Ce(Ⅳ)/(Ⅲ)構(gòu)成的液流電池模塊構(gòu)成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中模塊Ⅰ是傳統(tǒng)氧化還原流動(dòng)電池。在中間位置的氧化還原液流電池在充電過程中，正極側(cè)Ce(Ⅲ)在1.0 mol/L H2SO4介質(zhì)中被氧化為Ce(Ⅳ)，負(fù)極側(cè)V(Ⅲ)還原為V(Ⅱ)。在催化劑存在的情況下，Ce和V能夠生成氧氣和氫氣。然后將這些正極電解液和負(fù)極電解液分別泵入各自的催化床，在RuO2上生成O2，在Mo2C上生成H2。反應(yīng)方程如式(3)、式(4)所示。
這種將電解水制氫與液流電池結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從液流電池角度來看，可以突破傳統(tǒng)液流電池受限于電解液濃度而能量密度低的限制，通過輔助的制氫系統(tǒng)，讓電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的同時(shí)，化學(xué)能再轉(zhuǎn)化為可以獨(dú)立儲(chǔ)運(yùn)的氫氣。由于氫氣可以通過儲(chǔ)運(yùn)的方式脫離系統(tǒng)，因此從理論上說，整個(gè)系統(tǒng)的容量沒有上限。而液流電池充當(dāng)ECPBs后，使得電解水的OER和HER成為兩個(gè)獨(dú)立過程，但是與常規(guī)使用一種ECPBs分步法制氫相比，僅解耦了它們?cè)诳臻g上的關(guān)聯(lián)，即HER和OER可以分別在兩個(gè)獨(dú)立的電池室內(nèi)完成，卻仍然可以同時(shí)發(fā)生，這有效縮短了分步法制氫所消耗的時(shí)間，使得分步法制氫概念進(jìn)一步得到優(yōu)化。
2.2 堿性介質(zhì)
由于大多數(shù)的催化劑在低pH條件下無法穩(wěn)定存在，這使得可選擇的電催化劑非常有限，因此，進(jìn)一步探索適用于堿性介質(zhì)下的分步法電解水技術(shù)是降低成本和提高性能的有效途徑?；谏鲜隹紤]，Sun的團(tuán)隊(duì)開展了堿性介質(zhì)下以Na4[Fe(CN)6]作為EPCBs來實(shí)現(xiàn)分步法電解水的研究工作。
Na4[Fe(CN)6]在堿性電解液(1.0 mol/L KOH)中具有良好的溶解性，反應(yīng)速度快。由于陽極OER的產(chǎn)物利用價(jià)值低，還可以在工作電極室內(nèi)加入羥甲基糠醛(縮寫為HMF，其氧化態(tài)為2,5-呋喃二羧酸，縮寫為FDCA)。Na4[Fe(CN)6]的Fe(Ⅲ)/(Ⅱ)氧化還原電位位于HER和OER的電位之間，其電位也低于相應(yīng)工作電極上HMF氧化的起始電位。則當(dāng)輔助室內(nèi)發(fā)生Fe(Ⅲ)/(Ⅱ)氧化還原反應(yīng)，而工作室內(nèi)則發(fā)生HER和HMF/FDCA氧化還原反應(yīng)。兩個(gè)室由陰離子交換膜(SELEMION TM，AMV 120 μm)分開。從投資資本的角度來說，使用廉價(jià)的催化劑具有規(guī)?；瘧?yīng)用的潛力。
2.3 中性介質(zhì)
使用強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性電解質(zhì)，會(huì)對(duì)電解槽組件產(chǎn)生腐蝕，因此需要使用耐腐蝕性更好的關(guān)鍵材料，這無形中增加了成本。Sun的團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了中性電解液中的分步法電解水的可行性。二茂鐵具有很多衍生物，其中(二茂鐵甲基)三甲基氯化銨(FcNCl)的氧化還原反應(yīng)不依賴于質(zhì)子，適用于中性電解液中作為分步法電解水的ECPBs。
表1中給出了幾種典型的溶液態(tài)ECPBs，以及它們?cè)诜植椒ㄖ茪鋵?shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。
表1 溶液態(tài)ECPBs關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及測試條件
3 固態(tài)電極作為ECPBs
分步法裂解水所用的ECPBs為溶液態(tài)時(shí)，需要隔膜將電池分成兩個(gè)獨(dú)立的腔室。這不僅增加了隔膜這部分成本，也由于隔膜的存在增大電池內(nèi)阻。王永剛團(tuán)隊(duì)研究了多種使用固態(tài)電極作為ECPBs的分步法電解水體系。
3.1 酸性介質(zhì)
一些具有電化學(xué)活性的有機(jī)物，例如聚三苯胺(PTPAn)、pyrene-4,5,9,10-tetraone(PTO)等，可以作為酸性介質(zhì)下的ECPBs，來實(shí)現(xiàn)酸性介質(zhì)下的分步法電解水制氫。PTPAn可制成固態(tài)電極來作為ECPBs，使HER與OER成為兩個(gè)獨(dú)立過程。在0.5 mol/L H2SO4溶液中，PTPAn有兩種構(gòu)象異構(gòu)體，對(duì)應(yīng)于兩對(duì)氧化還原峰，分別位于0.5 V/0.48 V和0.6 V/0.58 V(vs.Ag/AgCl)［圖5(a)］。PTPAn固態(tài)電極作為ECPBs具有許多優(yōu)點(diǎn)，尤其是PTPAn通過電化學(xué)吸附/解吸陰離子并結(jié)合電子轉(zhuǎn)移來儲(chǔ)存電荷，與電解液的質(zhì)子濃度無關(guān)，不會(huì)改變電解液pH，且存儲(chǔ)容量遠(yuǎn)高于雜多酸。計(jì)時(shí)電位測量結(jié)果進(jìn)一步證明了PTPAn在分步法電解水中具有良好穩(wěn)定性。
圖5 (a) PTPAn的CV曲線，HER的LSV曲線(紅線)及OER的LSV曲線(藍(lán)線)；(b) 演示實(shí)驗(yàn)照片
3.2 堿性介質(zhì)
王永剛團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了堿性介質(zhì)下使用固態(tài)氫氧化鎳電極的分步法電解水。圖6顯示了氫氧化鎳電極在堿性溶液中的氧化還原峰，位于氫氧化鎳電極在堿性溶液中的HER曲線和鍍鉑鈦電極在堿性溶液中的OER曲線之間，這符合ECPBs的特點(diǎn)。在外部電壓作用下，第1步發(fā)生[Ni(OH)2/NiOOH]-HER過程。通常情況下氧氣的收集價(jià)值不高，因此可以通過在第2步中用NiOOH/Zn電池的放電過程，或者NiOOH-液態(tài)燃料電池的放電過程來取代[NiOOH/Ni(OH)2]-OER過程，這種設(shè)計(jì)方案可以將NiOOH存儲(chǔ)的化學(xué)能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行使用，而不是獲取無用的氧氣。在第1步中仍然是生成H2和Ni(OH)2氧化至NiOOH。NiOOH/Zn電池后續(xù)放電過程是將NiOOH還原為Ni(OH)2和鋅陽極氧化的過程。NiOOH/Zn電池的理論能量密度約280 W·h/kg。
圖6 氫氧化鎳電極在掃速為5 mV/s時(shí)的析氫(HER)循環(huán)伏安曲線(a)和商業(yè)化電極(鉑包覆鈦網(wǎng)；二氧化釕包覆鈦網(wǎng))在掃速為5 mV/s時(shí)析氧(OER)線性掃描伏安曲線(b)
此外，Tsutsumi等報(bào)道了一種采用三種固體電極Ni(OH)2/MnO2/LaNi5組合的演示電池，MnO2作為分步法電解水制氫的ECPBs，可以通過兩步電化學(xué)循環(huán)分別產(chǎn)生H2和O2。
相比于溶液態(tài)的ECPBs，使用固態(tài)電極的分步法電解水無需使用隔膜。在PEM制氫中，膜電極(MEA)在成本中占比約24%，因此可以達(dá)到節(jié)約成本的目的。同時(shí)，還可以降低由隔膜帶來的電阻，提高電池性能。而且固態(tài)NiOOH電極適用于堿性電解液中，可以使用廉價(jià)催化劑替代貴金屬催化劑，這有望進(jìn)一步降低電池成本。
Grader等也開展了類似的研究工作。他們探索了以光能驅(qū)動(dòng)分步法電解水的第1步反應(yīng)，光電陽極(赤鐵礦，α-Fe2O3)-Ni(OH)2發(fā)生OER反應(yīng)，NiOOH被還原至Ni(OH)2。第2步中由光伏發(fā)電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)，Ni(OH)2氧化為NiOOH，同時(shí)陰極發(fā)生HER反應(yīng)。由于一般情況下無需收集氧氣，陽極室為透明材質(zhì)且無需密封。ECPBs陰極室采用表面鍍鉑的鈦網(wǎng)做工作電極，Ni(OH)2電極做輔助電極。由于陰極室僅制備氫氣，因此電極之間無需隔膜，但是需要密封設(shè)計(jì)，電池結(jié)構(gòu)如圖7(b)所示。如果進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，可以選擇鎳基催化劑取代鉑。
圖7 (a) PEC-PV-分步法集中制氫加氫站的概念圖；(b) 戶外分步法PEC-PV單電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)演示電池
Grader等進(jìn)一步研究并提出了集中制氫的概念，通過將ECPBs的容量設(shè)計(jì)成理論容量的2倍或者更多倍，以減少在陽極和陰極之間切換的頻率，提高運(yùn)行效率。并且對(duì)輔助電極在陽極和陰極之間的切換周期進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，這一概念通過實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的電解裝置進(jìn)行了驗(yàn)證和演示。裝置采用了鎳陽極和陰極，由一個(gè)迷你PV模塊供電，獨(dú)立光解制氫(solar to hydrogen，STH)效率為7.5%。
這種光伏供電的分步法-集中式制氫設(shè)計(jì)，使用氫氧化鎳電極做為ECPBs，電池?zé)o需使用隔膜，可節(jié)約成本，降低內(nèi)阻。整個(gè)系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成多模塊，通過模塊的轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)氫氣的運(yùn)輸，也不需要建設(shè)氫氣輸送管路。
表2中給出了幾種典型的溶液態(tài)ECPBs，以及它們?cè)诜植椒ㄖ茪鋵?shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。
表2 固態(tài)電極ECPBs關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及測試條件
4 分步法電解的其他應(yīng)用
王永剛團(tuán)隊(duì)還將分步法電解的概念應(yīng)用到其他電解工藝中。傳統(tǒng)氯堿工業(yè)中，陽極生成氯氣，陰極生成氫氧化鈉和氫氣。兩極之間通過石棉隔膜分隔開，阻止氯氣與氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)降低反應(yīng)效率。通過在電解過程中加入錳酸鈉電極作為ECPBs，將同時(shí)發(fā)生的氯氣生成和氫氣生成反應(yīng)，解耦成為獨(dú)立發(fā)生的兩個(gè)反應(yīng)，因此電池兩極間無需再使用隔膜。
對(duì)錳酸鈉電極進(jìn)行線性伏安掃描測試，如圖8所示，其氧化還原峰正好位于HER和CER的中間區(qū)域。錳酸鈉在水系溶液中具有良好的鈉離子嵌入脫出能力，因此非常適合作為ECPBs。
圖8 錳酸鈉電極在1 mol/L NaOH溶液(紅色)和飽和NaCl溶液(藍(lán)色)中的LSV曲線，掃速為2 mV/s。鉑包覆鈦網(wǎng)電極在1 mol/L NaOH溶液中的析氫(HER)LSC曲線(綠線)，二氧化釕包覆鈦網(wǎng)在飽和NaCl溶液中的析氯(CER)LSV曲線(黑線)，掃速為2 mV/s
5 展 望
分步法電解水制氫，由于氫氣和氧氣獨(dú)立制備，因此能夠適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電或者光伏發(fā)電場的功率變化，是具有前景的能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化方式。分步法電解水在應(yīng)用中，可以在可再生能源發(fā)電場內(nèi)完成H2O + ECPB 圖片 1/2O2 +rECPB[H2]這步驟反應(yīng)，然后再將電池運(yùn)輸至需要補(bǔ)充氫氣的加氫站，在加氫站完成rECPB[H2] 圖片ECPB+H2這一步驟。這種設(shè)計(jì)在制備氫氣的同時(shí)，還兼具儲(chǔ)存氫氣的功能，如果電池設(shè)計(jì)成移動(dòng)柜模式，則以可再生能源發(fā)電場為中心，向四周輻射建設(shè)加氫站，按需求輸送氫氣。與傳統(tǒng)電解水制氫設(shè)備相比，可以減少制氫設(shè)備投入的總量，提高設(shè)備的利用率。與傳統(tǒng)氫氣儲(chǔ)運(yùn)方式相比，固態(tài)電池的運(yùn)輸安全性能更高。
但是，分步法制氫還是一個(gè)嶄新的概念，它僅在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了演示。表3中給出了現(xiàn)有的ECPBs在應(yīng)用中的技術(shù)特點(diǎn)，通過對(duì)比可以看出，分步法電解水制氫仍然需要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，深入研究電極之間動(dòng)力學(xué)匹配性、電化學(xué)反應(yīng)過程中涉及的機(jī)理。在工藝開發(fā)設(shè)計(jì)方面需要開展電池模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電池運(yùn)行控制策略等方面的研究。此外，最近的幾項(xiàng)研究也表明，這種解耦的電解策略不僅限于水分解，還可以應(yīng)用于其他電解工藝領(lǐng)域。盡管溶液態(tài)和固態(tài)的氧化還原媒介在很寬的pH范圍中都有報(bào)道，但是，電子-質(zhì)子緩存媒介數(shù)量仍然較少，可應(yīng)用的電化學(xué)窗口也較狹窄。隨著人們對(duì)利用氧化還原介質(zhì)進(jìn)行各種電化學(xué)反應(yīng)的興趣日益增加，更多的氧化還原媒介有望被探索研究，早日實(shí)現(xiàn)分步法電解水在工程化領(lǐng)域的應(yīng)用。
表3 不同類型ECPBs在應(yīng)用中的技術(shù)特點(diǎn)
引用本文： 蘇秀麗,廖文俊,李嚴(yán).分步法電解水制氫的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2021,10(01):87-95.
SU Xiuli,LIAO Wenjun,LI Yan.Opportunities and challenges of hydrogen production with decoupled water electrolysis[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(01):87-95.
通訊作者：蘇秀麗(1978—)，女，工程師，主要從事電化學(xué)器件、儲(chǔ)能技術(shù)、全釩液流電池等方向研究，E-mail:suxl@shanghai-electric.com。
