经济 节约资源的绿色氢能

将需要大量的氢来确保成功的能源转型。作为HighHy项目的一部分，来自德国和新西兰的国际研究人员团队正在致力于提高新兴AEM电解技术的效率，以生产绿色氢气。

为了使这成为可能，德累斯顿弗劳恩霍夫制造技术和先进材料研究所的科学家们转向了现成且资源节约的金属锰和镍，以将这种有前途的电解工艺引入大规模工业。与现有工艺相比，除了降低成本外，新技术还提供了许多其他优势。

未来我们用什么出行?我们将如何运营我们的工厂?或者暂时储存能量更长的时间?氢可能是能源转型带来的许多挑战的答案。元素周期表中最轻的元素是多面手，可用于道路交通、工业和供热。氢的用途如此广泛，这意味着未来可能需要大量氢。然而，大规模生产仍然充满挑战——HighHy项目团队打算通过开发高效且具有成本效益的制氢催化剂来解决其中的许多挑战。

使用常见的电解工艺生产氢气

氢气可以通过工业规模的电解生产。当浸入混合有导电盐(即所谓的电解质)的水中时，电能用于将水分子分解为氢气和氧气。能量被吸收并以化学键的形式储存在氢中。因此，这种气体是一种很有吸引力的长期能量储存方式，用于储存例如风力涡轮机或太阳能电池板产生的无法直接馈入电网的能量。可再生能源产生的氢被称为“绿色”。

目前较大规模地使用三种主要的电解工艺。技术上最相关和历史上最广泛的是碱性电解(AEL)，例如，它涉及向水中添加氢氧化钾。这个过程的一个缺点是较低的部分负载范围有限，即，当使用波动电源时，不能将整个范围的功率作为电负载提取。

在涉及质子交换膜电解槽(PEM-EL)的电解过程中，氢离子在强酸性环境中通过与电极直接接触的气密膜(称为膜电极组件，或MEA)移动。这种方法产生高功率密度和非常动态的负载行为，同时仍保持高度的气体纯度。然而，电极需要使用稀有且昂贵的贵金属(例如铱)来承受高腐蚀性环境，以及昂贵的膜。

使用阴离子交换膜(AEM)进行电解是一种相对较新的方法。它结合了AEL的优点，例如高长期稳定性和使用经济实惠且广泛使用的金属，以及PEM-EL的优点，即更高的性能、对不同负载的适应性和气体纯度。AEM电解尚未在工业应用中取得成功，因为在使用非贵金属时，该过程中涉及的析氧反应(OER)太慢。因此，对于所需的电流密度，水电解所需的电池电压非常高，因此，制氢所需的能量非常高。

这是HighHy项目正在应对的挑战：德国联邦教育和研究部(BMBF)在“与新西兰的绿色氢研究合作”资助下，德国与新西兰的合作正在致力于开发OER催化剂以及随后的高效AEM电解槽。“与三所新西兰大学和拜罗伊特大学一起，我们正在努力寻找所需催化剂的理想成分，”弗劳恩霍夫IFAM电化学技术工作组负责人ChristianBernäcker博士在总结该项目的目标时说。.

可用且负担得起：镍和锰催化剂化合物

HighHy项目研究人员打算使用一种创新的镍锰化合物作为OER催化剂，通过AEM电解在工业规模上生产绿色氢。这种化合物具有重要优势：这两种金属都价格低廉且易于作为原材料使用。它们还具有有前途的化学活性。HighHy团队正在同时研究潜在的解决方案，目标是开发一种理想的工业用化合物。

ClemensKubeil博士是德累斯顿FraunhoferIFAM氢技术部门的研究科学家，负责该项目，他解释了他们的方法：“互补方法非常特别：项目合作伙伴正在测试许多不同的合成方法、成分、表面结构和材料尺寸来覆盖催化剂。最终，将选择最佳解决方案，并使用在新西兰创建的演示器进行广泛测试。”

FraunhoferIFAM团队正在为这种催化剂的开发贡献其在粉末冶金策略方面的专业知识：不仅催化剂的电化学活性很重要，而且电极和电解液流之间的电接触也必须优化，使气泡能够以尽可能最好的方式引导远离电极。关于多孔结构的专业知识，例如镍锰粉末用于涂层时产生的那些，是这里的关键因素。研究人员希望新催化剂能够减少氧气生成所需的电能，从而提高AEM电解的效率。

价格、灵活性、氢气纯度：AEM电解的高潜力

适用于工业的AEM电解具有巨大潜力：欧盟对新工艺中电解能源使用的目标设定为到2030年每生产一公斤氢气约48千瓦时。这意味着AEM-EL将能够实现约80%的效率，即与之前建立的AEL和PEM-EL工艺相似的值，同时在负载驱动和使用场所方面提供更大的灵活性，并显着降低材料成本。

“AEM电解系统的购置成本的价格目标，按所产生的氢气计算，约为每安装千瓦时300欧元，而PEM-EL的价格目标约为500欧元。即使对于经典的碱性电解，目前的目标仍然是400欧元。这意味着AEM-EL是价格方面唯一的严肃电解解决方案，”ClemensKubeil说。

“由于气密膜、低浓度电解质和不对称电解质流，它可以在高压下生产，这是另一个优势。这导致生产非常纯净和压缩的氢气，更容易输入.反过来，这将允许系统更快地启动和关闭并在部分负载下运行，这在将应用程序引入波动的市场时非常有趣。

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