堿性電解水制氫的工作原理和特點(diǎn)

堿性(ALK)電解水制氫技術(shù)成熟、成本低，但存在電阻大、體積大、啟停慢、維護(hù)成本高等問(wèn)題，需改進(jìn)隔膜材料和電解液以提升效率和適應(yīng)性。

堿性(ALK)電解水制氫裝置由電解槽和輔助系統(tǒng)構(gòu)成，電解槽主要由極框，極板，電極，隔膜，密封，端板等組成。

（堿性電解槽電解水制氫工藝流程圖）

（堿性電解水制氫原理圖）

堿性電解水以KOH、NaOH水溶液為電解液，在陽(yáng)極和陰極分別發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)，即

堿性電解水陰極、陽(yáng)極主要由金屬合金組成(如Ni-MO合金等)，采用多孔膜作為隔膜，在直流電的作用下將水電解生成氫氣和氧氣，產(chǎn)出的氣體需要進(jìn)行脫堿霧處理。通常堿性電解液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%-30%，電解槽操作溫度為70-90℃，工作電流密度約為0.2~0.8A/cm2，，產(chǎn)生氣體壓力為0.1~3.0MPa，總體效率為62%-82%。

堿性電解水制氫的優(yōu)點(diǎn)是不需要貴金屬作為催化劑，成本相對(duì)較低，裝備技術(shù)成熟，產(chǎn)品耐久性好，壽命可達(dá)20年左右。

（三一氫能堿性電解槽）

堿性槽和PEM電解水設(shè)備的特點(diǎn)對(duì)比

1）堿液制氫機(jī)售價(jià)便宜（現(xiàn)狀概約單價(jià)150~250萬(wàn)/MW）

pem制氫機(jī)售價(jià)約600-1000萬(wàn)/MW(進(jìn)口設(shè)備從已知合同來(lái)看更多，每MW高達(dá)1500萬(wàn)以上）。所以現(xiàn)狀PEM類(lèi)制氫設(shè)備成本幾乎是堿性槽的四倍以上，甚至更多。

堿性液體電解水于20世紀(jì)中期就實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，堿液電解技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段已經(jīng)非常成熟，早期堿液電解槽普遍使用了石棉膜作為隔膜，隨著石棉的致癌性被發(fā)現(xiàn)歐美等先進(jìn)國(guó)家先后棄用了石棉膜，開(kāi)始使用更為環(huán)保的離子膜或者無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合膜，而且電流密度增大，效率更高。堿液電解槽的槽體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，生產(chǎn)使用的原材料也沒(méi)有壟斷性的問(wèn)題，且便宜易得，因此整體的造價(jià)相對(duì)便宜，價(jià)格比較容易被制氫機(jī)用戶(hù)接受。

質(zhì)子交換膜（PEM）電解水技術(shù)的核心是質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜應(yīng)具備優(yōu)異的化學(xué)、熱力學(xué)穩(wěn)定性和良好的質(zhì)子傳導(dǎo)性，同時(shí)，膜表面與催化劑的適配性要好，便于有效阻止氣體的擴(kuò)散，阻隔氫氣和氧氣混合接觸。目前，使用最為廣泛的是nafion膜，nafion膜具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是價(jià)格昂貴，增加了pem水電解技術(shù)的成本。在pem電極結(jié)構(gòu)中，受限于電解液的酸性，要求電極材料必須有耐蝕性和穩(wěn)定性，現(xiàn)狀作為催化劑的金屬幾乎完全限制在貴金屬及其合金上，目前廣泛使用的析氫催化劑為鉑系金屬及其合金。盡管近年來(lái)研究者使用涂覆法在多孔電極上涂覆鉑金屬催化劑薄層以提高催化劑活性表面積并降低鉑金屬使用量，已經(jīng)大大降低了成本，但受限于PEM膜與鉑金屬催化劑的昂貴，質(zhì)子交換膜氫氣制氫機(jī)造價(jià)仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于堿性槽水解制氫機(jī)。目前，在產(chǎn)氣量同等的基礎(chǔ)上，一臺(tái)質(zhì)子交換膜氫氣發(fā)生器的售價(jià)約為堿性槽制氫機(jī)的四倍甚至更多。

2）堿性槽制氫機(jī)（AWE）技術(shù)成熟，質(zhì)子交換膜（PEM）水解制氫也正在進(jìn)入示范驗(yàn)證階段

堿性槽制氫機(jī)的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，這是目前水電解制氫行業(yè)公認(rèn)的事實(shí)，并且數(shù)十年來(lái)，堿液氫氣發(fā)生器在各行各業(yè)都有著非常多的應(yīng)用實(shí)例，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行、維護(hù)、壽命等工程實(shí)際需要層面都有大量的實(shí)際案例可供參考。PEM氫氣發(fā)生器則是近幾年來(lái)人們?cè)诓粩嘟档椭圃斐杀镜那闆r下終于有了一些商業(yè)應(yīng)用實(shí)例，但仍然由于制造材料的昂貴與技術(shù)上的限制，但還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在商業(yè)出售的pem水電解制氫機(jī)產(chǎn)氣量大約在1-250m3/h，壓力為0-3mpa。更大規(guī)模的（MW級(jí)）商用PEM水電解制氫機(jī)目前也有少數(shù)幾個(gè)研究單位和一些公司合作在示范應(yīng)用。

3）堿液制氫機(jī)電解槽使用壽命20年左右

由于質(zhì)子交換膜（PEM）水解制氫機(jī)在技術(shù)和制造工藝上的不成熟、實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的欠缺、另運(yùn)行時(shí)電流波動(dòng)較大，在電解槽中進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更多的雜質(zhì)，雜質(zhì)的存在使貴金屬催化劑活性降低，降低了電解效率的同時(shí)縮短了電解槽的壽命。目前階段PEM電解槽的壽命一般為2~3年以上（大標(biāo)方產(chǎn)品普遍還未得到實(shí)際工程案例的驗(yàn)證），而技術(shù)相對(duì)成熟的堿液電解槽的壽命為20年左右，甚至更久。

4）堿性槽對(duì)水質(zhì)的要求更為寬容

PEM電解槽和堿液電解槽都需要對(duì)自來(lái)水進(jìn)行去離子化凈化后才能使用，現(xiàn)在市場(chǎng)上的PEM制氫機(jī)對(duì)純水的要求是電導(dǎo)率達(dá)到1us/cm（對(duì)應(yīng)電阻率1 mω.cm），而堿液制氫機(jī)對(duì)純水的要求是電導(dǎo)率一般達(dá)到10us/cm（對(duì)應(yīng)電阻率0.1 mω.cm）即可，由此可見(jiàn)PEM水解制氫機(jī)對(duì)水質(zhì)的要求要略為苛刻一些。

5）目前兩種方式理論每標(biāo)方氫氣電耗基本一致，綜合電耗4.5~5.5度/標(biāo)方區(qū)間。但PEM由于電流密度較高，故PEM類(lèi)設(shè)備理論設(shè)備體積較堿性制氫機(jī)略有優(yōu)勢(shì)兩種設(shè)備的體積差異最大部分會(huì)是在電解槽部分，以PEM電解水制氫2A/cm2、堿性槽電解水400mA/cm2來(lái)論，看起來(lái)會(huì)有些差異。

6）在液體電解質(zhì)體系中，所用的堿性電解液(如KOH)會(huì)與空氣中的CO2反應(yīng)，形成在堿性條件下不溶的碳酸鹽(如K2CO3)，導(dǎo)致多孔的催化層發(fā)生阻塞，從而阻礙產(chǎn)物和反應(yīng)物的傳遞，大大降低電解槽的性能一般來(lái)說(shuō)，堿性液體電解質(zhì)電解槽啟動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，負(fù)荷響應(yīng)慢，還必須時(shí)刻保持電解池的陽(yáng)極和陰極兩側(cè)上的壓力均衡， 防止氫氧氣體穿過(guò)多孔膜混合，進(jìn)而引起事故。另低電密的運(yùn)行的堿性電解槽較難以與具有快速波動(dòng)特性的可再生能源配合。

三一氫能針對(duì)堿性槽當(dāng)前行業(yè)痛點(diǎn)，升級(jí)雙極板和墊片制造工藝、新型流道、搭載高性能電極和PPS隔膜等，全面提升槽體運(yùn)行可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，運(yùn)行負(fù)荷范圍30%～110%，直流電耗≤4.4kWh/Nm3。