制氢技术 | 绿氢的制取技术——电解水制氢

01 碱性水电解技术(ALK)

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。

较之于其他制氢技术，碱性电解水制氢可以采用非贵金属催化剂，且电解槽具有15年左右的长使用寿命，因此具有成本上的优势和竞争力。

碱性电解水制氢技术已有数十年的应用经验，在20世纪中期就实现了工业化，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水平，单槽电解制氢量大，易适用于电网电解制氢。但是，该技术使用的电解质是强碱，具有腐蚀性且石棉隔膜不环保，具有一定的危害性。

碱性电解水制氢系统主要包括碱性电解槽主体和辅助系统(BOP)。

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。

 碱性电解槽主要成本构成为：电解电堆组件45%和系统辅机55%；

02 阳离子/质子交换膜水电解技术(PEM)

该技术是指使用质子（阳离子）交换膜作为固体电解质替代了碱性电解槽使用的隔膜和液态电解质(30%的氢氧化钾溶液或26%氢氧化钠溶液)，并使用纯水作为电解水制氢原料的制氢过程。

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，并且，PEM电解水制氢技术工作效率更高，易于与可再生能源消纳相结合，是目前电解水制氢的理想方案。

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，因此设备需要使用含贵金属(铂、铱) 的电催化剂和特殊膜材料，导致成本过高，使用寿命也不如碱性电解水制氢技术。

目前，我国的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260标方/小时，而国外生产的PEM电解槽单槽最大制氢规模可以达到500标方/小时。

PEM电解水制氢系统由PEM电解槽和辅助系统(BOP)组成。

PEM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。电解槽的最基本组成单位是电解池，一个 PEM电解槽包含数十至上百个电解池。

质子交换膜电解槽成本中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。

【依据行业内多家主流厂商的数据分析，PEM电解槽的2025年及2030年的主要技术参数和投资水平如下：】

03 固体氧化物水电解技术(SOEC)

SOEC使用固态陶瓷作为电解质，需要在500~1000℃的高温下反应，动力学上的优势使其可以达到或接近100%的转换效率，使用的催化剂不依赖于贵重金属。

SOEC电解槽进料为水蒸气，若添加二氧化碳后，则可生成合成气(氢气和一氧化碳的混合物)，再进一步生产合成燃料 (如柴油、航空燃油)。因此SOEC技术有望被广泛应用于二氧化碳回收、燃料生产和化学合成品，这是欧盟近年来的研发重点。

虽然该技术制氢过程电化学性能显著提升，效率更高。但目前以下缺陷都制约着该技术的应用场景选择与大规模推广:

①电极的机械性能在高温下不够稳定；

②高温还会导致电解槽中玻璃—陶瓷密封材料寿命缩短；

③在与波动性高、输出不稳定的可再生能源电力匹配方面，高温反应条件的升温速率也亟待突破。

04 阴离子交换膜电解水技术(AEM)

AEM是较为新兴的电解水制氢技术，尚处于研发阶段。备受关注的原因是其采用阴离子交换膜作为电解质，将ALK的低成本和PEM简单、高效的优点相融合。

现阶段的研究重点阴离子交换膜材料开发和机理研究，主要以国外大学，国家实验室等科研机构主导（如Northeastern University, Los Alamos, University Oregon, Georgia Tech等）。

其与PEM的根本区别在于将膜的交换离子由质子换为氢氧根离子。氢氧根离子的相对分子质量是质子的17倍，这使得其迁移速度比质子慢得多。

AEM的优势是不存在金属阳离子，不会产生碳酸盐沉淀堵塞制氢系统。AEM中使用的电极和催化剂是镍、钴、铁等非贵金属材料，且产氢的纯度高、气密性好、系统响应快速，与目前可再生能源发电的特性十分匹配。

但AEM膜的机械稳定性不高，AEM中电极结构和催化剂动力学需要优化。AEM电解水技术处于千瓦级的发展阶段，在全球范围内，一些研究组织/机构正在致力于AEM水电解槽的开发，为了扩大这项技术的商业应用，仍然需要一些创新与改进。

【根据IEA披露的数据，截至2022年底，全球电解水制氢装机容量达700MW， ALK制氢，占比近60%，其次是PEM电解制氢，占比超30%，其他电解制氢方式占比较低】

针对前面四种应用广泛的电解水制氢技术路线的技术成熟度，技术难点及未来突破的方向、适用的场景，制造和运行的成本，未势能源逐一详细分析对比了个技术路线的优势和劣势，总结如下：