堿性電解和PEM電解制氫技術的對比

主流電解水制氫技術包括堿性水電解（ALK）、質子交換膜電解（PEM）、高溫固體氧化物電解（SOEC）、固體聚合物陰離子交換膜電解（AEM）四種。

目前在中國，ALK已經完成可商業化，產業鏈較為成熟；PEM目前還處于商業化初期，產業鏈國產化程度不足；SOEC和AEM仍處于研發和示范階段，目前沒有進行商業化應用。

今天帶大家了解堿性電解和PEM電解制氫技術的原理、組成、經濟指標與制氫成本對比。

一、  堿性電解槽制氫

1、原理和組成

 

 

圖 1 堿性液體水電解原理示意圖（圖源：中國工程院院刊）

堿性電解水制氫是指在堿性電解質環境下進行電解水制氫的過程，電解質一般為30%質量濃度的KOH溶液或者26%質量濃度的NaOH溶液。堿性電解水制氫系統主要包括堿性電解槽主體和BOP輔助系統。

堿性電解技術最大的優勢是陰陽電極板中不含有貴金屬，因此電解槽的成本相對較低。最核心的特點是要求電力穩定可靠，不適合風光等間歇性電能。商業成熟度高，運行經驗豐富，國內一些關鍵設備主要性能指標均接近于國際先進水平，單槽電解制氫量大，易適用于電網電解制氫。

 

堿性電解槽，奧揚科技

堿性電解槽主體由端壓板、密封墊、極板、電板、隔膜等零部件組裝而成，電解槽包括數十甚至上百個電解小室，由螺桿和端板把這些電解小室壓在一起形成圓柱狀或正方形，每個電解小室以相鄰的2個極板為分界，包括正負雙極板、陽極電極、隔膜、密封墊圈、陰極電極6個部分。

堿性電解水制氫電解槽主要成本構成為電解電堆組件（45%)和系統輔機（55%)；電解槽成本中55%是膜片及膜組件。

2、堿性電解槽主要組成部分介紹

 

 

（1）極板和極框

主要作用：支撐電極和隔膜以及導電

性能要求：在堿液中不易被腐蝕

材質：鑄鐵金屬板、鎳板或不銹鋼金屬板

（2）隔膜

主要作用：防止氫氣和氧氣混合

性能要求：

保證氫氣和氧氣分子不能通過隔膜，但允許電解液離子通過；

耐高濃度堿液腐蝕；

具有較好的機械強度；

隔膜孔隙率盡可能高；

在電解溫度和堿液條件下能夠保持化學穩定；

原料易得、無毒、無污染，廢棄物易處理

材質：

石棉隔膜（最早）、聚苯硫酬PPS隔膜（目前國內主流）

未來研發重點：聚四氟乙烯樹脂改性石棉隔膜、聚醚醚酮纖維隔膜、聚砜纖維隔膜等

（3）電極

主要作用：發生電化學反應的場所，決定制氫效率的關鍵

性能要求：耐堿、耐高溫、表面積大

材質：國內大多采用鎳基的，如純鎳網、泡沫鎳或者以純鎳網或泡沫鏘為基底噴涂高活性催化劑（高活性鎳基催化劑、含貴金屬催化劑）

二、  質子交換膜（PEM）電解水制氫

 

 

圖2 質子交換膜水電解制氫原理（圖源：中國工程院院刊）

質子交換膜水電解制氫是指使用質子交換膜作為固體電解質，并使用純水作為電解水制氫的原料的制氫過程。PEM電解水制氫系統由PEM電解槽和輔助系統（BOP)組成。

和堿性電解水制氫技術相比，PEM電解水制氫技術具有電流密度大、氫氣純度高、響應速度快等優點，PEM電解水制氫技術工作效率更高。但是由于PEM電解槽需要在強酸性和高氧化性的工作環境下運行，因此設備對于價格昂貴的金屬材料如銥、鉑、鈦等更為依賴，導致成本過高。

目前中國的PEM電解槽發展和國外水平仍然存在一定差距，國內生產的PEM電解槽單槽最大制氫規模大約在260Nm³/h，而國外生產的PEM電解槽單槽最大制氫規模可以達到1000Nm³/h ，國產大型質子交換膜水電解技術還有很大的進步空間。

 

 

PEM電解槽，淳華氫能

質子交換膜電解槽由質子交換膜、催化劑、氣體擴散層和雙極板等零部件組裝而成， 是PEM電解水制氫裝置的核心部分。電解槽的最基本組成單位是電解池，一個PEM電解槽包含數十甚至上百個電解池。

質子交換膜電解槽成本45%是電解電堆、55%是系統輔機；其中電解電堆成本中53%是雙極板；膜電極成本由金屬Pt、金屬Ir、全氯磺酸膜和制備成本四要素組成。由于PEM電解槽的質子交換膜需要150-200微米，在加工的過程中更容易發生腫脹和變形，膜的溶脹率更高，加工難度更大，主要依賴于國外產品。

PEM電解槽主要組成部分介紹

 

 

PEM電解槽內部結構

（1）質子交換膜

主要作用：

質子交換的通道；

作為屏障防止陰陽極產生的氫氣和氧氣互相接觸；

為催化劑涂層提供支撐

性能要求：

極高的質子傳導率和氣密性，極低的電子傳導率；

良好的化學穩定性，承受強酸性；

較強的親水性

材質：全氟磺酸基聚合物

（2）催化劑

主要作用：電化學反應的場所

性能要求：具備良好的抗腐蝕性、催化活性、電子傳導率和孔隙率等

材質：

依賴貴金屬，陰極催化劑為以碳為載體材料的鉑碳催化劑；陽極催化劑一般選用耐腐蝕且析氧活性高的貴金屬，如銥、釕及其對應的氧化物

（3）氣體擴散層/集流器

主要作用：確保氣體和液體在雙極板和催化劑層之間的傳輸，并提供有效的電子傳導。

性能要求：擁有有合適的孔隙率，良好的導電性，確保電子傳輸效率。

材質：陽極氣體擴散層主要選擇耐酸耐腐蝕的鐵基材料，并涂抹含鉑或轅的涂層進行保護， 陰極擴散層主要選擇碳紙或鐵氈。

（4）雙極板

主要作用：支撐膜電極和氣體擴散層；匯流氣體（氫氣和氧氣）及傳導電子的通道。

性能要求：具備較高的機械穩定性、化學穩定性和低氫滲透性。

材質：鈦材料，并涂抹含鉑的涂層

三、經濟指標與制氫成本對比

 

 

表1 堿性電解與 PEM 電解制氫技術經濟指標對比

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表 2  堿性電解與質子交換膜電解制氫成本對比