四种电解水制氢技术路线

电解水制氢技术中的碱性（ALK）、质子交换膜（PEM）、阴离子交换膜（AEM）和固体氧化物（SOEC）各有优势。ALK成熟且成本低，但功率调节慢；PEM效率高且适合可再生能源，成本较高；SOEC效率高但技术难度大；AEM成本低，还在研发中。

电解水制氢是理想的绿氢制取技术，其中碱性电解水制氢技术发展最为成熟。相较于其他制氢方式，电解水制氢具有绿色环保、生产灵活、产氢纯度高等特点，是一种理想的绿氢制取技术。电解水制氢的主要技术有：碱性电解水制氢（ALK）技术、质子交换膜电解水制氢（PEM）技术、阴离子交换膜电解水制氢（AEM）技术和固体氧化物电解水制氢（SOEC）技术。

[来源：迟军《电解水制氢技术进展》

不同电解水制氢技术特性]碱性电解水制氢技术（ALK）是最早商业化的电解水技术之一。它使用氢氧化钾溶液作为电解质，并采用多孔膜作为隔膜，以及非贵金属镍基催化剂。这种技术的最大优势在于其技术成熟度高和成本较低，已经广泛应用于工业生产。然而，碱性电解水技术也存在一些局限性，如工作电流密度较小、设备体积较大、维护成本较高等。特别是其功率调节速度慢、调节范围较窄，这限制了它与风电、光伏等波动性电源的匹配能力。

[图来源：瞿丽莉《质子交换膜电解水制氢技术在电厂的应用》碱性电解水系统流程图]

[来源：瞿丽莉《质子交换膜电解水制氢技术在电厂的应用》碱性电解水制氢结构原理图]

质子交换膜电解水技术（PEM电解水技术）是一种较新的技术，它使用质子交换膜替代了碱性电解水中的隔膜和电解质，实现了气体隔离和离子传导的双重功能。PEM电解水技术采用的质子交换膜较薄，电阻较小，因此可以实现高效率和大电流操作，使得设备体积和占地面积都显著小于碱性电解水设备。此外，PEM电解水技术可以承受更大的压力，无需严格的压力控制，能够快速启动和停止，功率调节的幅度和响应速度也远高于碱性电解水技术，非常适合于可再生能源发电的波动性输入。尽管PEM电解水技术的价格比碱性电解水技术高，但其技术已基本成熟，并正在进行商业化推广，未来有广阔的技术提升和成本降低空间。

[来源：瞿丽莉《质子交换膜电解水制氢技术在电厂的应用》PEM 电解水系统流程图]

固体氧化物电解水制氢技术是一种在高温下进行的电解水技术，操作温度通常在700℃到1000℃之间。这种技术的结构由多孔的氢电极（阴极）、电极（阳极）和一层致密的固体电解质组成。由于其高温操作，固体氧化物电解水技术具有很高的反应动力学，能够显著降低电能消耗，实现高效率的电解。此外，这种技术在某些特定场合，如高温气冷堆或太阳能集热等情况下，具有较大的优势。然而，固体氧化物电解水技术的技术难度较高，目前仍存在许多技术问题需要解决，成本也较高，尚未实现市场化应用。

[来源：势银（TrendBank）SOEC 电解水系统结构示意图]

[图：质子传导型 SOEC工作原理]

[图：氧离子传导型 SOEC工作原理]

阴离子交换膜电解水技术（AEM）：能够生产低成本、高效的氢气，需突破关键材料技术 限制。电解槽结构类似于 PEM 电解槽，主要由阴离子交换膜、过渡金属催化电极极板、气体扩散层和垫片等组成，常使用纯水或低浓度碱溶液作为电解质。阴离子交换膜可以传导氢氧根离子，并阻隔气体和电子直接在电极间传递。AEM 电解水技术工作原理为，水从阳极过阴离子交换膜到阴极，接受电子产生氢气和氢氧根离子，氢氧根离子穿过阴离子交换膜到阳极，释放电子生成氧气。氢氧根穿过阴离子交换膜回到阳极并放出电子产生氧气，氧气随后通过气体扩散层与电解液一起流出。AEM 电解水技术使用廉价的非贵金属催化剂和碳氢膜，具有成本低、电流密度较大、环保高效等优点，并且可以有效地与可再生能源耦合。目前AEM 技术还处于研发阶段，发展程度将取决于高效催化剂、聚合物膜、膜电极等关键材料技术的突破情况。

[图：AEM电解水制氢结构原理图]

碱性电解水制氢技术是国内最早实现工业化的电解水制氢技术，发展最为成熟，目前占据市场主导地位；PEM电解水制氢技术处于商业化初期，近年来产业化发展迅速；SOEC技术和AEM技术仍在研发示范阶段，发展势头迅猛。