综述：下一代质子交换膜水电解器的研发路线图

时间：2026年3月9日

来源：Joule

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质子交换膜水电解器（PEMWE）是实现碳中和的关键技术，但其规模化应用面临催化剂过电位、电子/质子传输及质量传输等挑战。本文提出通过优化催化剂设计、降低传输阻力及创新制造工艺（如催化剂涂层基底）实现1.6V@3A/cm²目标，并强调多学科协作与技术创新对可持续氢能发展的重要性。

高亚豪|余浩|王文辉|池鹏|刘世伟|饶洪宇|边春雷|葛俊杰

中国科学技术大学化学与材料科学学院，精密与智能化学国家重点实验室，合肥国家微尺度物理科学研究中心，安徽合肥230026，中国

摘要

通过质子交换膜水电解器（PEMWEs）生产绿色氢气对于实现碳中和至关重要，它能够促进大规模可再生能源的整合。到2030年，如果氢气生产成本能够降至每千克2美元以下，PEMWEs有望成为氢能经济的核心。然而，从兆瓦（MW）级别扩展到吉瓦（GW）级别面临重大挑战，尤其是在催化过电位和传输阻力方面。本文概述了催化过电位、电子和质子传输阻力以及质量传输限制等关键问题。我们提出了一条全面的路线图，通过改进催化剂设计、降低传输阻力以及采用创新制造技术（如涂覆催化剂的基底（CCSs）来推进PEMWE技术的发展。要实现每平方厘米3安培电流下1.6伏特的宏伟目标，并同时减少催化剂用量，需要在材料科学、电池结构和可扩展生产流程方面取得突破。这一分析强调了合作努力和技术创新对于实现可持续氢能未来的重要性。

引言

绿色氢气来源于可再生能源，是实现碳中和的关键步骤，预计到2050年可减少全球12%的碳排放。通过利用混合太阳能光伏（PV）和陆上/海上风能，某些地区的氢气生产成本预计将在2030年降至每千克2美元以下。¹^,² 质子交换膜（PEM）水电解器（PEMWEs）利用固体膜作为电解质，是唯一能够直接将间歇性可再生能源转化为氢气的成熟技术（图1A）。与传统碱性水电解器（AWEs）相比，PEMWEs具有较低的氢气渗透率（<10⁻⁴ cm³⋅s⁻¹/cm²）和较高的质子导电性（>10⁻¹⋅S/cm），从而确保了运行的安全性和最小的欧姆损耗。³ 这些优势使PEMWEs成为可再生能源整合的有希望的技术。

截至2023年，PEM水电解系统的装机容量已达到308兆瓦（MW），国际能源署（IEA）预测到2030年这一数字将每年增长至43吉瓦（GW），增长幅度达140倍（图1C）。要从MW级别扩展到GW级别，需要在PEMWE制造方面进行大量投资，并在电解技术上取得重大进展以降低成本和提高效率。美国能源部为堆栈资本成本设定了雄心勃勃的目标，计划在2026年前将其降至每千瓦100美元，并长期目标是将其降至50美元。相应的技术目标包括在1.8伏特和1.6伏特下分别实现3.0安培/平方厘米的电流密度。⁴ 这些目标基于这样的假设：铂族金属（PGM）催化剂的使用量——特别是铱（Ir）和铂（Pt）——将减少一个数量级，降至每平方厘米0.125毫克，同时不牺牲活性或80,000小时的耐用性目标。⁵^,⁶^,⁷ 实现这些宏伟目标面临重大技术挑战，必须克服这些挑战。

图1D和1E展示了我们组装的1.25兆瓦PEMWE堆栈的性能，该堆栈由148个单体电池组成，每个电池的活性面积为1300平方厘米。这些电池在1.87 ± 0.025伏特和3安培/平方厘米的电流密度下运行。堆栈的额外运行条件和测试细节见表S2–S4。要达到每平方厘米3安培电流下1.6伏特的目标，需要进一步降低0.27伏特的过电位。虽然有效的催化过程和低能量障碍至关重要，但电子、质子及其他分子（如H₂O、H₂、O₂）的传输同样重要，甚至更为关键。这些过程中的延迟——无论是在组件内部还是界面处——都可能引入额外的电阻和电压损失，最终影响整体效率。

因此，需要一个明确的路线图，不仅强调克服催化动力学障碍，还要减少传输损失（电子、质子、H₂O、H₂和O₂）。在此视角下，我们旨在全面了解PEMWE系统当前面临的挑战，并提出实现技术性能目标和降低成本目标的潜在策略。为此，我们将能量损失分解为不同的组成部分，特别关注电子和质子传输以及质量传递。要实现PEMWE堆栈所需的显著性能提升，需要深入理解水电解过程中涉及的所有挑战和机遇。这是本文的主要目的。

部分内容

PEMWE的关键过程

如图2和补充信息所示，PEMWE涉及复杂的工艺，这些工艺在多个时间和空间尺度上运作，包括多个组件和界面。⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹³^,¹⁵ 如图2B所示，PEMWE反应器包括基于PGM的催化剂层（CLs）、全氟磺酸（PFSA）膜、多孔传输层（PTLs）和基于钛（Ti）的双极板（BPPs）。整体电池电压

E_{c l l} 由多个组件组成：可逆的

催化过电位

PEMWEs通常使用铂（Pt）作为阴极，铱（Ir）基材料作为阳极。阴极的氢气析出反应（HER）是一个可逆过程，其交换电流密度高达260毫安/平方厘米，因此可以将铂的用量降至每平方厘米0.025毫克，而不会牺牲电池性能。¹⁷^,¹⁸ 然而，由于现有催化剂的效率低下，阳极成为PEMWE规模化应用的显著障碍。商用铱基催化剂的催化效率较低，且

电子传输过电位

如图3B所示，PEMWE中的电子传输过电位是能量损失的重要来源。电子必须穿过系统的多个组件，包括CLs、PTLs和BPPs，多个界面都会产生阻力。这种阻力导致显著的电压损失。一个关键挑战在于CL（通常为纳米级）与PTL（微米级）之间的尺度不匹配，这阻碍了电子的有效传输。

质子传输过电位

质子传输在PEMWE中对于整体性能至关重要。质子传输过电位源于质子迁移过程中的摩擦损失，这些损失以热的形式散发。随着电流密度的增加，膜中的质子导电性可能成为限制因素，因此必须尽量减少这些损失以提高效率。最小化这种损失是提高效率的关键。质子传输过电位通常分为两个部分：

质量传输过电位

由于气泡的形成，质量传输限制被认为是PEMWE系统中的常见挑战。随着电流密度的增加，氢气和氧气的析出速率也会增加，可能导致气泡的形成，从而阻碍质量传输并降低整体效率。以下情况清楚地说明了这一点：在3安培/平方厘米的电流密度下，通过法拉第反应的消耗速率仅为0.28微升/秒，但其传输速度至少快三个数量级。

下一代PEMWE

下一代PEMWE技术旨在通过提高效率、降低成本并确保稳定性来彻底改变氢气生产方式，同时实现与可再生能源系统的无缝集成。如图4所示，要实现每平方厘米3安培电流下1.6伏特的目标，需要同时解决催化、质子传导、电子传导和质量传输方面的能量损失问题。这也要求大幅减少铱的使用量，并保持高稳定性——这是一个持续的挑战。通过分析

总结与展望

PEMWEs有潜力改变氢气生产方式，但在扩大技术规模和降低成本方面仍存在挑战。要实现每平方厘米3安培电流下1.6伏特的目标，并大幅减少铱的用量，需要在催化剂、传输系统和制造工艺方面进行创新。通过改进催化剂设计、优化电子和质子传输，并采用尖端技术（如人工智能驱动的催化剂发现和CCS），PEMWE技术有望取得重大进展

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（U22A20396）、安徽省自然科学基金（202423i08050031和2208085UD04）、辽宁滨海实验室（项目编号LBLF-2023-04）、山东能源研究院（项目编号SEI U202307）、中央高校基本科研业务费（WK2090000056）以及中国科学院榆林清洁能源创新研究院（项目编号99203070）的支持。