四種電解水制氫技術路線

電解水制氫技術中的堿性（ALK）、質子交換膜（PEM）、陰離子交換膜（AEM）和固體氧化物（SOEC）各有優勢。ALK成熟且成本低，但功率調節慢；PEM效率高且適合可再生能源，成本較高；SOEC效率高但技術難度大；AEM成本低，還在研發中。

電解水制氫是理想的綠氫制取技術，其中堿性電解水制氫技術發展最為成熟。相較于其他制氫方式，電解水制氫具有綠色環保、生產靈活、產氫純度高等特點，是一種理想的綠氫制取技術。電解水制氫的主要技術有：堿性電解水制氫（ALK）技術、質子交換膜電解水制氫（PEM）技術、陰離子交換膜電解水制氫（AEM）技術和固體氧化物電解水制氫（SOEC）技術。

[來源：遲軍《電解水制氫技術進展》

不同電解水制氫技術特性]堿性電解水制氫技術（ALK）是最早商業化的電解水技術之一。它使用氫氧化鉀溶液作為電解質，并采用多孔膜作為隔膜，以及非貴金屬鎳基催化劑。這種技術的最大優勢在于其技術成熟度高和成本較低，已經廣泛應用于工業生產。然而，堿性電解水技術也存在一些局限性，如工作電流密度較小、設備體積較大、維護成本較高等。特別是其功率調節速度慢、調節范圍較窄，這限制了它與風電、光伏等波動性電源的匹配能力。

[圖來源：瞿麗莉《質子交換膜電解水制氫技術在電廠的應用》堿性電解水系統流程圖]

[來源：瞿麗莉《質子交換膜電解水制氫技術在電廠的應用》堿性電解水制氫結構原理圖]

質子交換膜電解水技術（PEM電解水技術）是一種較新的技術，它使用質子交換膜替代了堿性電解水中的隔膜和電解質，實現了氣體隔離和離子傳導的雙重功能。PEM電解水技術采用的質子交換膜較薄，電阻較小，因此可以實現高效率和大電流操作，使得設備體積和占地面積都顯著小于堿性電解水設備。此外，PEM電解水技術可以承受更大的壓力，無需嚴格的壓力控制，能夠快速啟動和停止，功率調節的幅度和響應速度也遠高于堿性電解水技術，非常適合于可再生能源發電的波動性輸入。盡管PEM電解水技術的價格比堿性電解水技術高，但其技術已基本成熟，并正在進行商業化推廣，未來有廣闊的技術提升和成本降低空間。

[來源：瞿麗莉《質子交換膜電解水制氫技術在電廠的應用》PEM 電解水系統流程圖]

固體氧化物電解水制氫技術是一種在高溫下進行的電解水技術，操作溫度通常在700℃到1000℃之間。這種技術的結構由多孔的氫電極（陰極）、電極（陽極）和一層致密的固體電解質組成。由于其高溫操作，固體氧化物電解水技術具有很高的反應動力學，能夠顯著降低電能消耗，實現高效率的電解。此外，這種技術在某些特定場合，如高溫氣冷堆或太陽能集熱等情況下，具有較大的優勢。然而，固體氧化物電解水技術的技術難度較高，目前仍存在許多技術問題需要解決，成本也較高，尚未實現市場化應用。

[來源：勢銀（TrendBank）SOEC 電解水系統結構示意圖]

[圖：質子傳導型 SOEC工作原理]

[圖：氧離子傳導型 SOEC工作原理]

陰離子交換膜電解水技術（AEM）：能夠生產低成本、高效的氫氣，需突破關鍵材料技術 限制。電解槽結構類似于 PEM 電解槽，主要由陰離子交換膜、過渡金屬催化電極極板、氣體擴散層和墊片等組成，常使用純水或低濃度堿溶液作為電解質。陰離子交換膜可以傳導氫氧根離子，并阻隔氣體和電子直接在電極間傳遞。AEM 電解水技術工作原理為，水從陽極過陰離子交換膜到陰極，接受電子產生氫氣和氫氧根離子，氫氧根離子穿過陰離子交換膜到陽極，釋放電子生成氧氣。氫氧根穿過陰離子交換膜回到陽極并放出電子產生氧氣，氧氣隨后通過氣體擴散層與電解液一起流出。AEM 電解水技術使用廉價的非貴金屬催化劑和碳氫膜，具有成本低、電流密度較大、環保高效等優點，并且可以有效地與可再生能源耦合。目前AEM 技術還處于研發階段，發展程度將取決于高效催化劑、聚合物膜、膜電極等關鍵材料技術的突破情況。

[圖：AEM電解水制氫結構原理圖]

堿性電解水制氫技術是國內最早實現工業化的電解水制氫技術，發展最為成熟，目前占據市場主導地位；PEM電解水制氫技術處于商業化初期，近年來產業化發展迅速；SOEC技術和AEM技術仍在研發示范階段，發展勢頭迅猛。