氢能观察：水电解制氢分析_世纪新能源网 Century New Energy Network

水电解制氢是指水分子在直流电作用下被解离生成氧气和氢气，分别从电解槽阳极和阴极析出。根据电解槽隔膜材料的不同，通常将水电解制氢分为碱性水电解（AE）、质子交换膜（PEM）水电解以及高温固体氧化物水电解（SOEC）。

碱性（AE）水电解制氢

碱性水电解制氢电解槽隔膜主要由石棉组成，起分离气体的作用。阴极、阳极主要由金属合金组成，如Ni-Mo合金等，分解水产生氢气和氧气。工业上碱性水电解槽的电解液通常采用KOH溶液，质量分数20%~30%，电解槽操作温度70~80℃，工作电流密度约0.25A/cm2，产生气体压力0.1~3.0MPa，总体效率62%~82%。碱性水电解制氢技术成熟，投资、运行成本低，但存在碱液流失、腐蚀、能耗高等问题。水电解槽制氢设备开发是国内外碱性水电解制氢研究热点。

质子交换膜（PEM）水电解制氢

区别于碱性水电解制氢，质子交换膜（PEM）水电解制氢选用具有良好化学稳定性、质子传导性、气体分离性的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代石棉膜，能有效阻止电子传递，提高电解槽安全性。PEM水电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等。其中扩散层、催化层与质子交换膜组成膜电极，是整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所，膜电极特性与结构直接影响PEM水电解槽的性能和寿命。

高温固体氧化物（SOEC）水电解制氢

不同于碱性水电解和PEM水电解，高温固体氧化物水电解制氢采用固体氧化物为电解质材料，工作温度800~1 000℃，制氢过程电化学性能显著提升，效率更高。

SOEC电解槽电极采用非贵金属催化剂，阴极材料选用多孔金属陶瓷Ni/YSZ，阳极材料选用钙钛矿氧化物，电解质采用YSZ氧离子导体，全陶瓷材料结构避免了材料腐蚀问题。高温高湿的工作环境使电解槽选择稳定性高、持久性好、耐衰减的材料受到限制，也制约SOEC制氢技术应用场景的选择与大规模推广。

PEM水电解制氢具有以下优点：

1.电流密度更高（＞1A/cm2）

2.效率更高（74%~87%）

3.氢气体积分数更高（>99.99%）

4.产气压力更高（3~4 MPa）

5.动态响应速度更快，能适应可再生能源发电的波动性

因此，PEM水电解制氢被认为是极具发展前景的水电解制氢技术。目前PEM水电解制氢技术已在加氢站现场制氢、风电等可再生能源电解水制氢、储能等领域得到示范应用并逐步推广。

此外，PEM水电解制氢已步入商业化早期，制约技术大规模发展的瓶颈在于膜电极选用被少数厂家垄断的质子交换膜，阴、阳极催化剂材料需采用贵金属以及电解能耗仍然偏高。解决上述难题是PEM水电解制氢技术进一步发展与推广的关键。

目前，国内多家企业已经下线碱性水电解制氢电解槽。

4月8日，国富氢能线上举行了首台1000Nm³/h碱性水电解槽下线仪式。据介绍，在产能上，该产品在2022年可实现年产50套（250MW），2024年实现年产500套（共2.5GW）碱性水电解制氢系统，批量化快速交货。

图片来源：国富氢能

然而，国内目前对于PEM水电解制氢还处于项目研发阶段。氢能观察发现，国际上已有多家代表性企业开发下线PEM水电解制氢设备。其中，康明斯业务遍及全球。

截至目前，康明斯在全球已部署超过600个电解水制氢设备。包括加拿大Bécancour目前在运行的全球最大的20兆瓦PEM电解水制氢设备；2021年，康明斯质子交换膜（PEM）电解水制氢技术及设备中标我国首个招标的兆瓦级PEM制氢项目——乌兰察布三峡产业园2.5MW制氢设备项目，以及中国石化中原油田2.5MW PEM电解水制氢示范项目，通过本地化的氢能创新和服务，为中国双碳目标贡献力量。

虽然国内暂时极少有正在运行的PEM制氢设备项目，但国家能源局已经开始支持PEM制氢，抢抓产业技术高地。2021年12月，国家能源局公布2021年度能源领域首台（套）重大技术装备项目，在4项氢能项目中，其中有一项为中国船舶集团有限公司第七一八研究所负责的MW级PEM电解水制氢设备项目。

据悉，中国石化率先发展绿氢产业，积极推动石化产业绿色低碳发展。在绿氢科技方面，首套自主开发的质子交换膜（PEM）电解水制氢示范站已投入运营。该示范站采用中国石化所属石油化工科学研究院自主研发的质子交换膜电解水制氢技术，将光伏发电等可再生绿电制成绿氢，生产应用全过程零碳排、零污染，具有稳定性高、安全性好、制氢效率高等特点。据了解，该示范站的核心部件质子交换膜电解槽，制氢效率达85%以上，其阴阳极催化剂、双极板等关键材料部件均实现国产化。

氢能观察：水电解制氢分析

0 条