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PEM电解水制氢技术的研究现状与应用展望

摘要：本文综述了质子交换膜(PEM)电解水制氢技术的研究

现状，重点讨论了膜电极、多孔传输层、双极板等关键部件的研

究进展。同时，对PEM电解水制氢技术的应用前景进行了展望。

文章指出，提高催化剂活性、降低催化剂载量、优化膜电极结构

等是PEM电解水制氢技术发展的重要方向。

关键词：PEM电解水制氢技术；膜电极；催化剂；多孔传输

层；双极板

一、引言

随着全球能源危机和环境污染问题日益严重，清洁能源的发

展越来越受到人们的关注。氢气作为一种清洁、高效的能源载体，

被认为是未来能源体系的重要组成部分。在众多制氢技术中，质

子交换膜(PEM)电解水制氢技术因具有高效率、高纯度、快速响

应等优点而受到广泛关注。本文将对PEM电解水制氢技术的研究

现状进行综述，并对其应用前景进行展望。

二、膜电极的研究进展

2.1质子交换膜

质子交换膜是PEM电解水制氢技术的核心部件，其性能直接

影响到电解水的效率和稳定性。目前，商业化应用的质子交换膜

主要是全氟磺酸膜，如杜邦公司的Nafion膜。然而，全氟磺酸

膜存在成本高、温度耐受性差等问题。因此，开发低成本、高性

能的质子交换膜是PEM电解水制氢技术的重要研究方向。近年来，

非氟质子交换膜和复合质子交换膜等新型膜材料得到了广泛研

究，并取得了一定的进展。

2.2阳极析氧反应催化剂

阳极析氧反应是PEM电解水制氢过程中的重要环节，其催化

剂的性能直接影响到电解水的效率。目前，商业化应用的阳极催

化剂主要是贵金属氧化物，如IrO2和RuO2。然而，贵金属催化

剂存在成本高、资源稀缺等问题。因此，开发低成本、高性能的

阳极催化剂是PEM电解水制氢技术的重要研究方向。近年来，非

贵金属催化剂和复合催化剂等新型催化剂得到了广泛研究，并取

得了一定的进展。例如，一些研究表明，过渡金属氧化物和氢氧

化物具有良好的析氧反应催化活性，可以作为阳极催化剂的替代

品。同时，通过掺杂、合金化等手段对催化剂进行改性也是提高

其性能的有效途径。

2.3阴极析氢反应催化剂

阴极析氢反应是PEM电解水制氢过程中的另一重要环节。目

前，商业化应用的阴极催化剂主要是铂族金属。然而，铂族金属

同样存在成本高、资源稀缺等问题。因此，开发低成本、高性能

的阴极催化剂也是PEM电解水制氢技术的重要研究方向。近年来，

非贵金属催化剂、碳基材料等新型催化剂得到了广泛研究，并取

得了一定的进展。

2.4膜电极的制备与回收

膜电极的制备工艺对PEM电解水制氢技术的性能具有重要

影响。目前，常用的制备方法包括喷涂法、热压法、电化学沉积

法等。这些方法各有优缺点，需要根据具体需求进行选择和优化。

此外，随着环保意识的提高和资源循环利用的需求，催化剂回收

技术也受到了越来越多的关注。通过合适的回收方法，可以实现

贵金属催化剂的有效回收和再利用，降低生产成本和环境压力。

三、多孔传输层的研究进展

多孔传输层在PEM电解水制氢技术中发挥着关键作用，其主

要功能是促进气体传输和热量管理。随着PEM电解水制氢技术的

不断发展，多孔传输层的研究也取得了显著进展。

材料研究：

传统材料：传统的多孔传输层材料主要包括碳纤维纸、碳布

等。这些材料具有良好的导电性、化学稳定性和机械强度，但其

孔隙结构和润湿性仍需进一步优化。

新型材料：近年来，研究者们不断探索新型的多孔传输层材

料，如金属有机骨架(MOFs)、共价有机骨架(COFs)等。这些材料

具有可调的孔隙结构、高的比表面积和良好的化学稳定性，有望

提高气体传输效率和热管理能力。

结构优化：

孔隙结构设计：通过控制材料的制备工艺和后处理手段，可

以优化多孔传输层的孔隙结构，提高气体传输效率。例如，采用

模板法、刻蚀法等手段可以制备出具有分级孔隙结构的多孔传输

层，实现气体的高效传输。

表面改性：通过对多孔传输层表面进行改性处理，可以改善

其润湿性，提高与电解质的相容性，从而提高电解效率。常用的

表面改性方法包括化学氧化、等离子体处理等。

复合多孔传输层：

复合材料设计：将不同材料进行复合，可以综合各自的优点，

提高多孔传输层的性能。例如，将碳纤维纸与金属网