氢被认为是未来的能源载体，能够用于工业脱碳以及应对多种能源挑战，氢脱碳是最清洁的脱碳工业解决方案。在钢铁和电子产业中，氢有可能被用于碳素钢、特殊金属、半导体的生产。目前 95% 以上的使用氢来自化石燃料，且其中最典型的化石来源制氢途径是煤气或天然气的转化。仅有 4% 的氢是通过电解水产生的，因此电解水制氢的发展潜力非常巨大。来自意大利萨伦托大学的 Angelo Perrone 和 Pasquale Daniele Cavaliere 教授联合西班牙巴塞罗那大学的 Alessio Silvello 博士在 metals 发表文章，综述了电解水制氢现有的主要技术方案，描述了电解水的基本原理 (图 1) 以及水在电解前有关净化/淡化的问题，此外还介绍了高效的氢气制备方法及其在钢铁行业中的应用前景。
图 1. 电解水原理：(a) 碱水电解原理图；(b) 质子交换膜水电解示意图；(c) 固体氧化物电解槽示意图；(d) 高温蒸汽电解工艺原理图。
研究过程与结果
电解水的方法及原理
电解水技术发展于二十世纪，主要用于制氢。电作用于水，将其分解为氢和氧，同时将电能转化为化学能。由于产生的氢气体积依赖于电流强度，因此所采用系统的能源效率是根本问题。传统电解水方法包括碱水电解、质子交换膜水电解、固体氧化物电解以及高温蒸汽电解。电解水制氢过程的能耗高，而采用可再生能源生成电能，就能实现无碳排放制氢。其中，质子交换膜水电解可以区分为酸性和碱性质子交换膜水电解，但只有酸性质子交换膜有潜力实现产业化应用。作者还在文中依次介绍了不同电解水方法的原理。
电化学解耦裂解水
解耦裂解水是一个高度灵活的替代传统方法的电解水技术。在电化学水分解过程中，氧化还原介质 (M) 被分别用于与析氢反应 (HER) 和析氧反应 (OER) 耦合，整个反应完全等同于前面所描述的传统的裂解水反应。但与传统电解水不同的是，解耦裂解水方法受到水 PH 值的影响。作者还根据介质的物理条件和电力输入将解耦裂解水系统分为四类，并在文中作了具体的区分。
水的净化
在海水电解的情况下，必须认真考虑运行成本和资金成本，因为设备消耗取决于启动水质。研究者开发了高阻力、高稳定以及高效率的膜和能量回收装置，并实现了反渗透系统的工艺优化，这些进展使得电力消耗减少，运营成本也呈现出显著的下降趋势。海水淡化装置由一个双通反渗透系统组成，旨在达到 PEM 电解槽所需的高纯度水。SWROPEM 耦合系统可以安装在有强烈太阳能照射和/或风能可用的沿海地区，通过光伏电池、风力涡轮机，甚至海上结构 (如果需要为船舶提供氢气) 产生可再生电力。
氢的高效制备及在炼铁炼钢中的应用
铂 (Pt) 和钌 (Ru) 等贵金属及其化合物是析氢反应 (HER) 和析氧反应 (OER) 的经典电催化剂。在过去，电解催化剂的价格问题限制了这些技术的大规模工业应用。因此，技术和科学研究的重点是开发价格较低的非贵金属基催化剂。目前所有的相关研究都致力于提高这些非珍贵材料催化剂的效率，以减少生产氢气所需的电力。作者在文中介绍了应用于碱水电解、水蒸气电解等电解水方法的催化剂现状及优化思路。
在炼铁炼钢时采用氢气直接还原氧化铁，产生的水蒸气可以被分离和浓缩，或在电解槽中进行分解，此时唯一的二氧化碳排放来源于电解操作过程中消耗的电力。而一旦使用化石能源 (如天然气或甲烷) 还原氧化铁，就会产生大量的二氧化碳，此时必须采取措施捕获和储存二氧化碳，进而导致成本大大增加。因此最好的解决办法就是通过电解水产生的氢，来实现氧化铁的还原。世界钢铁工业主要采用基于 MIDREX 或 HYL 工艺的反应器实现氧化铁的直接还原，在整个还原过程中，包括安全性、产品质量和效率方面在内的许多问题都与反应器内的温度、压力以及还原铁金属化程度、含碳量等因素有关。一般情况下，氢可以作为这些工厂中唯一的还原剂气体，也可以与不同比例的天然气混合使用。此外，作者描述了在目前解决方案中的一系列情况，结果说明电解水制氢在钢铁行业中也具有广阔的潜在应用。
研究总结
利用可再生能源提供的能源电解水是产氢的最有前途的方法之一。在电解过程中，水通过电分解为氢和氧，因此电能被转换成化学能 (氢) 和热能。在一定的水量下，产生的氢气量直接取决于电流强度。电解水的主要技术有：碱性 (AEL)、质子交换膜电解槽 (PEMEL) 和固体氧化物电解槽 (SOEL)。在电解水系统中产生的氢气，可以作为直接还原反应器中的主要还原剂用于炼铁炼钢。由于其低碳环保的优点，电解水制氢方法或将取代以煤和焦炭为基础的传统方法，应用于未来钢铁工业中。如果利用水电或核电通过电解水生产氢气，那么二氧化碳的排放量可以大幅度减少。此外，在优化炼铁炼钢方法时，还必须考虑到不同气体的混合程度、氢气的气压等影响因素。
