然而，整个市场往往不太重视材料和组件的创新。本文将基于IDTechEx报告《2024-2034年绿色氢气生产材料：技术、参与者、预测》中的数据，阐述主要电解槽技术的一些关键材料和组件优先事项。.
碱性水电解器（AWE）：新型电极设计，效率更高
碱性水电解槽（AWE）是一项成熟且广泛商业化的技术，具有系统初始投资成本最低、长期性能可预测等优点。AWE电池堆采用液态碱性电解液（氢氧化钾，KOH）和多孔隔膜，并以镍、不锈钢等易得材料制成。.
水电解 (AWE) 的主要挑战之一是其效率低于主要竞争对手——质子交换膜电解槽 (PEMEL)。因此，电解槽技术和材料开发人员致力于开发高性能电极催化涂层，以提高水转化为氢气和氧气的效率。虽然高性能涂层已实现商业化，但许多涂层仍然依赖于混合氧化物涂层中使用关键的铂族金属 (PGM)，例如钌。.
电极涂层的研究主要集中在发现和应用新型催化材料。其中最有前景的策略之一是将传统的镍与其他过渡金属和非过渡金属耦合，例如NiFeCoP。此外，多孔电极（例如镍网）与这类涂层结合使用效果尤佳，能够制备出具有高纳米结构、大表面积的反应催化剂。.
将这些电极紧贴多孔隔膜，可以进一步提高效率，因为反应位点之间的化学物质传输距离更短。这被称为零空隙电池结构，目前已广泛应用于商用空气冲击电堆（AWE）。De Nora是零空隙电池组件和先进电极涂层的制造商之一，并与McPhy Energy和thyssenkrupp nucera等成熟的AWE供应商开展合作。IDTechEx预计，结合这些材料和组件设计策略可以进一步提高AWE的效率，但仍需在各个方面加大商业投入。.
质子交换膜电解槽（PEMEL）：减少对昂贵关键材料的需求
质子交换膜电解槽（PEMEL）因其高效、结构紧凑且能适应波动性可再生能源而日益普及。尽管PEMEL燃料电池的材料标准化趋势正在推进，但创新远未停滞，尤其是在阳极催化剂的研发方面。
铂（Pt）和铱（Ir）分别催化电解槽中发生的电化学析氢反应和析氧反应。目前最常用的材料是阴极采用负载在炭黑上的铂（Pt/C），阳极采用铱黑（Ir）或氧化铱（IrOx）。阳极铱的使用尤其成问题，因为1至2.5 g/kW的电流负载量以及PEMEL系统的高需求量可能会对全球铱供应造成巨大压力。
催化剂供应商，例如贺利氏贵金属公司（Heraeus Precious Metals），正通过将铱与钌结合在混合氧化物催化剂（IrRuOx）中来解决铱负载量过高的问题。鉴于降低铱负载量的迫切需求，这种材料可能在不久的将来实现商业化。学术界和企业研发团队正在探索的另一种策略是使用负载型铱催化剂，类似于Pt/C催化剂。此外，许多研究致力于通过将钌与其他铂族金属（例如钌）结合在混合氧化物中来取代铱。总体而言，无铱和无铂族金属催化剂仍处于早期研发阶段。IDTechEx预测，需要进一步的研究来证明其竞争力，并为广泛的商业应用铺平道路。.
PEM电解槽的其他部件，例如气体扩散层（GDL）和双极板，也使用了贵金属涂层以及钛。这两种材料未来都可能出现更多问题，因此许多公司正在探索新的制造和涂层方法，以减少对这些材料的依赖。更多信息，请参阅IDTechEx之前发表的关于PEM电解槽材料的研究文章。.
电解槽材料和组件的创新重点。来源：IDTechEx
阴离子交换膜电解槽（AEMEL）：改进膜材料并避免关键材料的产生
阴离子交换膜电解槽（AEMEL）是一项相对较新但发展迅速的技术，旨在融合碱性电解槽和质子交换膜电解槽（PEM）技术的优势。AEMEL力求将碱性电解槽（AWE）丰富的材料特性与质子交换膜电解槽（PEMEL）的高效特性相结合。这项技术正经历着快速增长和创新，例如Enapter等公司正在率先开发商业化的兆瓦级系统。.
IDTechEx观察到，许多研究AEMEL技术的研究团队仍在电极中使用铂铱基催化剂。对于工业界和新兴商业参与者而言，一个关键目标应该是彻底淘汰铂族金属（PGM），转而选择用于原子力电解（AWE）领域的高性能纳米结构催化剂。此外，该技术还可以受益于气体扩散电极（GDE）的应用，GDE将气体扩散层与电极集成到一个组件中。.
另一个挑战是阴离子交换膜（AEM）所用材料的种类繁多，进而影响其性能和耐久性。AEM 可以借鉴质子交换膜（PEM）的一些策略，例如交联聚合物链和使用支撑层（例如聚四氟乙烯，PTFE），AEM 可以涂覆在其上。材料的多样性可能会持续存在，但 AEMEL 开发人员可以从 AWE 和 PEMEL 技术的最新进展中汲取灵感，并将其应用于自身的电池和电堆设计中。.
固体氧化物电解槽（SOEC）：电池结构优化，实现高性能和低衰减
固体氧化物电解槽（SOEC）也是电解领域一项相对较新的技术，与原子水电解（AWE）和等离子体增强金属电解（PEMEL）相比，其市场份额较小。SOEC 的工作温度（>600°C）远高于上述低温技术（50–90°C），因此需要截然不同的材料和设计方法。.
固体氧化物电解池（SOEC）技术受益于固体氧化物燃料电池（SOFC）技术材料方面的进步，因为大多数SOEC都被设计成可逆运行，既可以作为电解槽（SOEC），也可以作为燃料电池（SOFC）。虽然一些陶瓷组件已应用于该技术中，但SOEC中新型材料和电极-电解质组件的开发仍然是一个极具创新潜力的领域。.
创新重点包括使用可在更低工作温度下运行的电解质，这可以带来长期稳定性和成本优势。其中就包括钆掺杂氧化铈（GDC），例如Ceres Power等公司已将其应用于一些商用电池中。另一个关键方面是使用金属支撑电池（MSC），因为与商用电池中更常见的电极支撑电池或电解质支撑电池相比，金属支撑电池具有诸多固有优势。这些优势包括降低材料成本，以及更强的耐热循环和机械应力承受能力。此外，目前正在大力推进电池材料与互连层、接触层和密封剂的热相容性和化学相容性改进工作。.
未来，SOEC电池可能会采用更先进的材料。总体而言，SOEC电池中使用的材料种类繁多，这不仅凸显了该技术的多样性，也展现了此类高温电解槽材料创新的巨大潜力。.
市场展望和战略视角
电解槽技术和材料的研发人员面临诸多挑战，其中许多挑战相互关联。例如，减小质子或阴离子交换膜的厚度可以提高效率，但可能会降低膜的耐久性。反之，通过先进材料和制造技术提高耐久性会增加制造成本。因此，材料和组件创新并不存在单一的最佳途径。然而，这种优化过程为开发更先进的电解槽材料带来了巨大的商业机遇。.
作者：Chingis Idrissov，IDTechEx技术分析师
