家用吸氢机碱性、纯水和蒸汽三种电解水制氢方式

如果硬要把吸氢机分类，按照电解方式可以分为：碱性电解吸氢机、纯水电解吸氢机和蒸汽电解吸氢机。日本吸氢机Suisonia就是蒸汽电解SEOC制氢的。

Suisonia采用比较前沿的SOEC电解水原理制氢，目前国内比较普遍的制氢方式是碱性电解槽和PEM电解槽制氢（纯水），那么三种制氢方式有什么优缺点呢？

 

 

碱性电解槽

■ 碱性电解槽Alkaline electrolyzer

优势：成本低、高耐受性、高制氢能力

1.材料成本低：碱性电解槽使用廉价且容易获得的材料，如氢氧化钾，这降低了发电机的总体成本。

2.对杂质的高耐受性：碱性电解槽即使在原料中存在杂质（如硫和二氧化碳）的情况下也能有效运行。

3.高制氢能力：碱性电解槽可产生大量氢气，使其适合工业应用。

缺点：效率低、高腐蚀、工作温度限制

1.效率低：与其他类型的氢气发生器（如PEM电解槽）相比，碱性电解槽的效率较低。

2.高腐蚀：碱性电解槽中使用的碱性溶液会导致发电机部件腐蚀，导致寿命缩短和维护成本增加。

3.工作温度范围有限：碱性电解槽的工作温度范围很有限，这会影响其在极端温度下的性能。

 

 

PEM电解槽

■ PEM电解槽PEM electrolyzer

优势：高效率、快响应、小尺寸、工作温度低

1.高效率：PEM电解槽的效率很高，通常在70-80%之间。这意味着与其他电解技术相比，它们可以以更低的成本生产氢气。

2.快速响应时间：PEM电解槽具有快速响应时间，使其能够快速适应氢气需求的变化。这使得它们适合在需要快速制氢的应用中使用，例如在燃料电池车辆中。

3.尺寸紧凑：PEM电解槽相对较小且紧凑，适合在密闭空间或空间较高的地方使用。

4.工作温度低：与其他电解技术相比，PEM电解槽的工作温度相对较低，通常在80-100°C之间。这意味着它们需要更少的能量来维持其操作温度，从而降低了操作成本。

缺点：高成本、制氢能力有限，对铂的依赖

1.高成本：PEM电解槽的购买和安装成本很高，因此不太适合成本高的应用。

2.制氢能力有限：PEM电解槽的制氢能力有限，不适合大规模制氢应用。

3.对铂的依赖：PEM电解槽需要铂基催化剂才能发挥作用，这可能很昂贵，并且会导致效率随时间的推移而降低。

 

 

Suisonia高温蒸汽吸氢机

Suisonia声称它是世界上唯一的“活性氢”（active hydrogen）吸入器，由他们的原始技术“过热蒸汽还原”产生。这会产生含有活性氢的蒸汽，称为“H(H?O)m”。

集合Suisonia官网的相关信息，他们声称的“过热蒸汽还原”产生氢气，其实就是固体氧化物SOEC制氢。

 

 

固体氧化物SOEC电解槽

■ 固体氧化物SOEC electrolyzer

优势：极高效率、原料适应性广、应用广泛

1. 极高效率：由于在较高的操作温度下有利的热力学和动力学，它具有较高的转化效率。在标准状态下，AWE电解水技术的电解效率约为60%-75%，PEM电解水技术的电解效率约为70%-90%，而固体氧化物（SOEC）电解槽在高温（700-850℃）下运行，电解效率可达75%-100%。在同样的工况下，相比于AWE电解制氢和PEM电解制氢技术，可以节约30%以上的用电。

SOEC系统与核反应堆、燃煤发电厂、生物质、生活垃圾焚烧炉等能源的热集，进一步提高了制氢效率。

2. 原料适应性广：常用的SOEC材料是丰富的稀土材料，如氧化钇和氧化锆，这些材料相对丰富和便宜。

电解槽的主要部件（如电解质和电极）由陶瓷材料制成。这些SOEC材料储量丰富，因此在材料可用性方面，扩大规模不会带来任何挑战。

3.应用广泛：SOEC可以可逆运行，实现电能和化学能之间的有效循环转换，并提供长期和高容量的能量存储。在燃料电池模式操作中，通过氧化燃料发电。在SOEC模式下，电力产生H2、合成气等。

可以使用高温SOEC从H2O和O2的共电解生产合成气。然后，合成气可以通过随后的具有不同H2/CO比的催化反应转化为各种各样的化学品。

缺点：电极退化、热稳定性、前沿技术

1. 电极退化：电极退化的主要原因之一是杂质的影响。在H2电极中，含硅杂质可通过非导电相阻挡电催化活性位点，导致降解和极化电阻增加。

对于在高过电位（~300mV）下长期运行的H2电极，最靠近电解质的渗透镍（Ni）网络被破坏。镍从电解质电极界面迁移到支撑层，导致电化学性能的不可逆损失。对于SOEC的未来改进，必须解决这一问题。

2. 热稳定性：高温下运行给SOEC带来了热力学和动力学上的优势，但是也对材料的性能提出了更高要求。如何在高温下具有较好的热稳定性和化学稳定性，不同组件间的热膨胀系数匹配，相态和晶体结构稳定，具有一定的强度和抗热冲击能力，同时保证材料易于加工、成本尽可能低，是国际难题。

3. 前沿技术：为了实现商业规模化，需要在制造和组装电池方面进行进一步的工作，以降低装置的总体成本。

■ 催化剂、腐蚀性、材料、氢气纯度、稳定性比较

催化剂

PEM：PEM氢气发生器所需的全部是纯水

碱性：需要强碱催化剂，如KOH或NAOH

SOEC：水和热量

腐蚀性的

PEM：无腐蚀性

碱性：应用过程中会附着腐蚀性气体

SOEC：高温腐蚀

PS：由于具有腐蚀性，碱性电解槽不能用于某些场景，如氢气吸入机、氢气车载套件等。这可能会对您的身体或汽车造成伤害。当然如果解决了一些关键性的技术，同样也是可以用于吸氢机的。

材料

PEM：钛合金和氧化钌或钛合金和铱氧化物。PS：氧化铱是最好的，但它更贵。

碱性：常用的是不锈钢304ss、316Lss或Cu-Ni合金。PS:304ss是最差的材料。316Lss和铜镍(Cu-Ni)合金的优缺点取决于它们的使用方式。事实上，有更好的材料，但价格太贵，暂时不会介绍。

SOEC：稀土材料，如氧化钇和氧化锆，材料储量丰富。

氢气纯度

PEM:99.9995%，杂质主要为水蒸气

碱性：99.98%。杂质主要是腐蚀性气体和水蒸气

SOEC：99.98%。杂质主要是水蒸气

稳定性

PEM：小型PEM设备几乎不需要维护。只需添加纯水。

碱性：由于化学腐蚀和对设备和部件的损坏，维护成本高，维护时间长。在系统部件维修过程中，电解液必须排出。

SOEC：维修成本高，没有规模商用化。

■ PEM氢气发生器和碱性氢气发生器的选择

PEM电解槽，也称为质子交换膜电解槽，使用质子交换膜作为电解质来分离电解过程中产生的氢气和氧气。因此，直接获得纯氢气是可能的。该技术以其高效率和快速响应时间而闻名，因此适用于需要快速制氢的应用。

另一方面，碱性电解槽使用碱性溶液（通常是氢氧化钾）作为电解液。该技术的效率低于PEM电解槽，响应时间较慢，但可以以较低的成本生产氢气。碱性电解槽通常用于大规模制氢应用。但由于KOH溶液的腐蚀。因此，需要经常拆卸整个电解槽进行清洁和维护。

总的来说，PEM电解槽更适合于需要高效率和快速响应时间且仅需要纯氢气的应用，而碱性电解槽更适用于成本是主要问题的应用。

一般吸氢机采用的是PEM电解槽制氢，也有采用碱性电解槽的，国内目前还没有发现有采用SOEC制氢的，或许日本吸氢机Suisonia是第一家采用这种前言技术的。