碱性电解和PEM电解制氢技术的对比

主流电解水制氢技术包括碱性水电解（ALK）、质子交换膜电解（PEM）、高温固体氧化物电解（SOEC）、固体聚合物阴离子交换膜电解（AEM）四种。

目前在中国，ALK已经完成可商业化，产业链较为成熟；PEM目前还处于商业化初期，产业链国产化程度不足；SOEC和AEM仍处于研发和示范阶段，目前没有进行商业化应用。

今天带大家了解碱性电解和PEM电解制氢技术的原理、组成、经济指标与制氢成本对比。

一、  碱性电解槽制氢

1、原理和组成

 

 

图 1 碱性液体水电解原理示意图（图源：中国工程院院刊）

碱性电解水制氢是指在碱性电解质环境下进行电解水制氢的过程，电解质一般为30%质量浓度的KOH溶液或者26%质量浓度的NaOH溶液。碱性电解水制氢系统主要包括碱性电解槽主体和BOP辅助系统。

碱性电解技术最大的优势是阴阳电极板中不含有贵金属，因此电解槽的成本相对较低。最核心的特点是要求电力稳定可靠，不适合风光等间歇性电能。商业成熟度高，运行经验丰富，国内一些关键设备主要性能指标均接近于国际先进水平，单槽电解制氢量大，易适用于电网电解制氢。

 

碱性电解槽，奥扬科技

碱性电解槽主体由端压板、密封垫、极板、电板、隔膜等零部件组装而成，电解槽包括数十甚至上百个电解小室，由螺杆和端板把这些电解小室压在一起形成圆柱状或正方形，每个电解小室以相邻的2个极板为分界，包括正负双极板、阳极电极、隔膜、密封垫圈、阴极电极6个部分。

碱性电解水制氢电解槽主要成本构成为电解电堆组件（45%)和系统辅机（55%)；电解槽成本中55%是膜片及膜组件。

2、碱性电解槽主要组成部分介绍

 

 

（1）极板和极框

主要作用：支撑电极和隔膜以及导电

性能要求：在碱液中不易被腐蚀

材质：铸铁金属板、镍板或不锈钢金属板

（2）隔膜

主要作用：防止氢气和氧气混合

性能要求：

保证氢气和氧气分子不能通过隔膜，但允许电解液离子通过；

耐高浓度碱液腐蚀；

具有较好的机械强度；

隔膜孔隙率尽可能高；

在电解温度和碱液条件下能够保持化学稳定；

原料易得、无毒、无污染，废弃物易处理

材质：

石棉隔膜（最早）、聚苯硫酬PPS隔膜（目前国内主流）

未来研发重点：聚四氟乙烯树脂改性石棉隔膜、聚醚醚酮纤维隔膜、聚砜纤维隔膜等

（3）电极

主要作用：发生电化学反应的场所，决定制氢效率的关键

性能要求：耐碱、耐高温、表面积大

材质：国内大多采用镍基的，如纯镍网、泡沫镍或者以纯镍网或泡沫锵为基底喷涂高活性催化剂（高活性镍基催化剂、含贵金属催化剂）

二、  质子交换膜（PEM）电解水制氢

 

 

图2 质子交换膜水电解制氢原理（图源：中国工程院院刊）

质子交换膜水电解制氢是指使用质子交换膜作为固体电解质，并使用纯水作为电解水制氢的原料的制氢过程。PEM电解水制氢系统由PEM电解槽和辅助系统（BOP)组成。

和碱性电解水制氢技术相比，PEM电解水制氢技术具有电流密度大、氢气纯度高、响应速度快等优点，PEM电解水制氢技术工作效率更高。但是由于PEM电解槽需要在强酸性和高氧化性的工作环境下运行，因此设备对于价格昂贵的金属材料如铱、铂、钛等更为依赖，导致成本过高。

目前中国的PEM电解槽发展和国外水平仍然存在一定差距，国内生产的PEM电解槽单槽最大制氢规模大约在260Nm³/h，而国外生产的PEM电解槽单槽最大制氢规模可以达到1000Nm³/h ，国产大型质子交换膜水电解技术还有很大的进步空间。

 

 

PEM电解槽，淳华氢能

质子交换膜电解槽由质子交换膜、催化剂、气体扩散层和双极板等零部件组装而成， 是PEM电解水制氢装置的核心部分。电解槽的最基本组成单位是电解池，一个PEM电解槽包含数十甚至上百个电解池。

质子交换膜电解槽成本45%是电解电堆、55%是系统辅机；其中电解电堆成本中53%是双极板；膜电极成本由金属Pt、金属Ir、全氯磺酸膜和制备成本四要素组成。由于PEM电解槽的质子交换膜需要150-200微米，在加工的过程中更容易发生肿胀和变形，膜的溶胀率更高，加工难度更大，主要依赖于国外产品。

PEM电解槽主要组成部分介绍

 

 

PEM电解槽内部结构

（1）质子交换膜

主要作用：

质子交换的通道；

作为屏障防止阴阳极产生的氢气和氧气互相接触；

为催化剂涂层提供支撑

性能要求：

极高的质子传导率和气密性，极低的电子传导率；

良好的化学稳定性，承受强酸性；

较强的亲水性

材质：全氟磺酸基聚合物

（2）催化剂

主要作用：电化学反应的场所

性能要求：具备良好的抗腐蚀性、催化活性、电子传导率和孔隙率等

材质：

依赖贵金属，阴极催化剂为以碳为载体材料的铂碳催化剂；阳极催化剂一般选用耐腐蚀且析氧活性高的贵金属，如铱、钌及其对应的氧化物

（3）气体扩散层/集流器

主要作用：确保气体和液体在双极板和催化剂层之间的传输，并提供有效的电子传导。

性能要求：拥有有合适的孔隙率，良好的导电性，确保电子传输效率。

材质：阳极气体扩散层主要选择耐酸耐腐蚀的铁基材料，并涂抹含铂或辕的涂层进行保护， 阴极扩散层主要选择碳纸或铁毡。

（4）双极板

主要作用：支撑膜电极和气体扩散层；汇流气体（氢气和氧气）及传导电子的通道。

性能要求：具备较高的机械稳定性、化学稳定性和低氢渗透性。

材质：钛材料，并涂抹含铂的涂层

三、经济指标与制氢成本对比

 

 

表1 碱性电解与 PEM 电解制氢技术经济指标对比

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表 2  碱性电解与质子交换膜电解制氢成本对比