飞秒激光构造工艺提升制氢效率

9月，弗劳恩霍夫海因里希赫兹研究所（HHI）公布了新项目“InnoEly”（水电解创新实验室）的一些最新进展。新项目旨在提高水电解过程中生成氢的效率，这是目前生产绿色氢气的常用手法。

如果项目进展顺利，这种方法将有望成为未来从水中提取氢的重要渠道。合作项目于2021年5月开始，将持续到2024年4月。项目组从下萨克森州科学和文化部获得了120万欧元的初始资金。

为了将氢用作绿色能源，就需要一种称为水电解的过程。在这个过程中，水被电流分解成为氢气和氧气。但是水电解过程非常耗能，随着电力消耗的稳步增加，提取氢的技术只有在过程足够优化的前提下才会被接受。

InnoEly研究团队的目标就是提高水电解过程的效率，提升获取氢效率的同时又能降低成本。为此，研究人员正在开发一种新型催化剂单元，目标是将传统水电解工艺的效率提高到75%以上。

InnoEly的方法涉及制氢的整个过程。该项目合作伙伴正在创建一个建模和表征组件的工具箱，可用于所有三种相关的水电解技术。这些包括碱性电解（AEL）、酸性质子交换膜电解（PEMEL）和高温电解（HTEL）。

以AEL技术为例，“光纤传感器系统”部门作为整个新项目的一部分，将牵头指导靶向材料功能化的研究方向。目前，该团队正在研究用于电解的电极以及项目合作伙伴新开发的电极组件。研究人员使用了飞秒激光构造工艺，将不同材料用于电催化剂，如泡沫镍和支撑板。

实验初期结果表明，飞秒激光构造优化了电极效果。经过优化的电极，其过电压即能量损失量最多可以减少20%。这种工艺方法允许在对现有系统进行最小优化的情况下，获得更多的氢气量。在第二步过程中，产生的电极组件被表征。

氢能源行业展望

氢能是一种高效、清洁的能源形式。作为世界上密度最小的气体，氢气的热值约为140MJ/kg，比煤炭、汽油等传统燃料高出2倍以上。同时，氢气直接燃烧或通过燃料电池发电的产物为水，能够实现真正的零碳排放，对环境不造成任何污染。

2020年底，美国能源部发布氢能发展计划，从技术、开发、应用等多个角度对氢能产业进行了战略规划，预计到2050年氢能在美国能源消费总量中的占比可达到14%。欧盟则于2020年8月提出氢能发展战略，重点发展可再生能源制氢，计划在2024/2030年前部署6/40GW 以上的可再生能源电解水制氢设备，分别实现可再生能源制氢量100/1000万吨。我国的《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中也将氢能和储能列入前瞻谋划的未来产业，未来将重点进行发展布局。

目前，可再生能源制氢的成本仍然较高。全球范围内化石能源制氢的成本基本低于2美元/千克，而水电解制氢的成本则通常高达4-5美元/千克。电费与设备投资是可再生能源水电解制氢的主要成本构成。理论上，水电解产生1千克氢气所需的耗电量约为30千瓦时，当前水电解制氢的能量转换效率一般为60%上下，因此实际的耗电量大致为50千瓦时/千克左右。

对不同电价与设备投资成本下电解水制氢的成本进行了测算，结果表明即便不考虑其他费用，在大多数情况下水电解制氢的成本都超过2美元/千克，明显高于化石能源制氢的成本。

但从长期来看，氢能有望成为一种重要的电力储能形式。氢储能主要适用于长时间、跨区域的储能场景。在储能时长上，氢储能基本没有刚性的储存容量限制，可根据需要满足数天、数月乃至更长时间的储能需求，从而平滑可再生能源季节性的波动。

此外，氢能在空间上的转移也更为灵活，氢气的运输不受输配电网络的限制，可实现能量跨区域、长距离、不定向的转移。最后，氢能的应用范围也更为广泛，可根据不同领域的需求转换为电能、热能、化学能等多种能量形式。

碱性水电解与质子交换膜水电解是当前主流的电解水制氢方式。目前碱性水电解与PEM的产业化程度相对较高，前者的优势在于技术成熟、成本低，但快速启动与变载能力相对较差；后者的优势在于效率高，运行灵活，与风电、光伏的适配性更佳，但当前的成本仍然较高。

除了技术层面的进步，产业化程度的提升也将对电解水制氢系统成本的降低产生积极贡献。一方面，随着设备单体规模的扩大，电力转换、气体处理等模块的单位成本将被摊薄；另一方面，生产规模的扩大也将降低单台设备分摊的制造费用。随着规模与产业化程度的提升，电解水制氢设备的平均成本有望进入快速下降通道。

综上，电费成本的降低与设备端的降本增效将共同推动氢储能经济性的提升。2030年全球范围内可再生能源电解水制氢的平均成本将降至2.3美元/千克，与2020年5.4美元/千克的水平相比下降超50%。而在一些风力、太阳能资源较好的地区，可再生能源电解水制氢的成本将低至1.4美元/千克，达到与化石能源制氢成本相当的水平。

来源：荣格-《国际工业激光商情》


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