堿性電解和PEM電解制氫技術(shù)的對(duì)比

主流電解水制氫技術(shù)包括堿性水電解（ALK）、質(zhì)子交換膜電解（PEM）、高溫固體氧化物電解（SOEC）、固體聚合物陰離子交換膜電解（AEM）四種。

目前在中國，ALK已經(jīng)完成可商業(yè)化，產(chǎn)業(yè)鏈較為成熟；PEM目前還處于商業(yè)化初期，產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化程度不足；SOEC和AEM仍處于研發(fā)和示范階段，目前沒有進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。

今天帶大家了解堿性電解和PEM電解制氫技術(shù)的原理、組成、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與制氫成本對(duì)比。

一、  堿性電解槽制氫

1、原理和組成

 

 

圖 1 堿性液體水電解原理示意圖（圖源：中國工程院院刊）

堿性電解水制氫是指在堿性電解質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行電解水制氫的過程，電解質(zhì)一般為30%質(zhì)量濃度的KOH溶液或者26%質(zhì)量濃度的NaOH溶液。堿性電解水制氫系統(tǒng)主要包括堿性電解槽主體和BOP輔助系統(tǒng)。

堿性電解技術(shù)最大的優(yōu)勢是陰陽電極板中不含有貴金屬，因此電解槽的成本相對(duì)較低。最核心的特點(diǎn)是要求電力穩(wěn)定可靠，不適合風(fēng)光等間歇性電能。商業(yè)成熟度高，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，國內(nèi)一些關(guān)鍵設(shè)備主要性能指標(biāo)均接近于國際先進(jìn)水平，單槽電解制氫量大，易適用于電網(wǎng)電解制氫。

 

堿性電解槽，奧揚(yáng)科技

堿性電解槽主體由端壓板、密封墊、極板、電板、隔膜等零部件組裝而成，電解槽包括數(shù)十甚至上百個(gè)電解小室，由螺桿和端板把這些電解小室壓在一起形成圓柱狀或正方形，每個(gè)電解小室以相鄰的2個(gè)極板為分界，包括正負(fù)雙極板、陽極電極、隔膜、密封墊圈、陰極電極6個(gè)部分。

堿性電解水制氫電解槽主要成本構(gòu)成為電解電堆組件（45%)和系統(tǒng)輔機(jī)（55%)；電解槽成本中55%是膜片及膜組件。

2、堿性電解槽主要組成部分介紹

 

 

（1）極板和極框

主要作用：支撐電極和隔膜以及導(dǎo)電

性能要求：在堿液中不易被腐蝕

材質(zhì)：鑄鐵金屬板、鎳板或不銹鋼金屬板

（2）隔膜

主要作用：防止氫氣和氧氣混合

性能要求：

保證氫氣和氧氣分子不能通過隔膜，但允許電解液離子通過；

耐高濃度堿液腐蝕；

具有較好的機(jī)械強(qiáng)度；

隔膜孔隙率盡可能高；

在電解溫度和堿液條件下能夠保持化學(xué)穩(wěn)定；

原料易得、無毒、無污染，廢棄物易處理

材質(zhì)：

石棉隔膜（最早）、聚苯硫酬P(guān)PS隔膜（目前國內(nèi)主流）

未來研發(fā)重點(diǎn)：聚四氟乙烯樹脂改性石棉隔膜、聚醚醚酮纖維隔膜、聚砜纖維隔膜等

（3）電極

主要作用：發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所，決定制氫效率的關(guān)鍵

性能要求：耐堿、耐高溫、表面積大

材質(zhì)：國內(nèi)大多采用鎳基的，如純鎳網(wǎng)、泡沫鎳或者以純鎳網(wǎng)或泡沫鏘為基底噴涂高活性催化劑（高活性鎳基催化劑、含貴金屬催化劑）

二、  質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫

 

 

圖2 質(zhì)子交換膜水電解制氫原理（圖源：中國工程院院刊）

質(zhì)子交換膜水電解制氫是指使用質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)，并使用純水作為電解水制氫的原料的制氫過程。PEM電解水制氫系統(tǒng)由PEM電解槽和輔助系統(tǒng)（BOP)組成。

和堿性電解水制氫技術(shù)相比，PEM電解水制氫技術(shù)具有電流密度大、氫氣純度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，PEM電解水制氫技術(shù)工作效率更高。但是由于PEM電解槽需要在強(qiáng)酸性和高氧化性的工作環(huán)境下運(yùn)行，因此設(shè)備對(duì)于價(jià)格昂貴的金屬材料如銥、鉑、鈦等更為依賴，導(dǎo)致成本過高。

目前中國的PEM電解槽發(fā)展和國外水平仍然存在一定差距，國內(nèi)生產(chǎn)的PEM電解槽單槽最大制氫規(guī)模大約在260Nm³/h，而國外生產(chǎn)的PEM電解槽單槽最大制氫規(guī)模可以達(dá)到1000Nm³/h ，國產(chǎn)大型質(zhì)子交換膜水電解技術(shù)還有很大的進(jìn)步空間。

 

 

PEM電解槽，淳華氫能

質(zhì)子交換膜電解槽由質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層和雙極板等零部件組裝而成， 是PEM電解水制氫裝置的核心部分。電解槽的最基本組成單位是電解池，一個(gè)PEM電解槽包含數(shù)十甚至上百個(gè)電解池。

質(zhì)子交換膜電解槽成本45%是電解電堆、55%是系統(tǒng)輔機(jī)；其中電解電堆成本中53%是雙極板；膜電極成本由金屬Pt、金屬Ir、全氯磺酸膜和制備成本四要素組成。由于PEM電解槽的質(zhì)子交換膜需要150-200微米，在加工的過程中更容易發(fā)生腫脹和變形，膜的溶脹率更高，加工難度更大，主要依賴于國外產(chǎn)品。

PEM電解槽主要組成部分介紹

 

 

PEM電解槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（1）質(zhì)子交換膜

主要作用：

質(zhì)子交換的通道；

作為屏障防止陰陽極產(chǎn)生的氫氣和氧氣互相接觸；

為催化劑涂層提供支撐

性能要求：

極高的質(zhì)子傳導(dǎo)率和氣密性，極低的電子傳導(dǎo)率；

良好的化學(xué)穩(wěn)定性，承受強(qiáng)酸性；

較強(qiáng)的親水性

材質(zhì)：全氟磺酸基聚合物

（2）催化劑

主要作用：電化學(xué)反應(yīng)的場所

性能要求：具備良好的抗腐蝕性、催化活性、電子傳導(dǎo)率和孔隙率等

材質(zhì)：

依賴貴金屬，陰極催化劑為以碳為載體材料的鉑碳催化劑；陽極催化劑一般選用耐腐蝕且析氧活性高的貴金屬，如銥、釕及其對(duì)應(yīng)的氧化物

（3）氣體擴(kuò)散層/集流器

主要作用：確保氣體和液體在雙極板和催化劑層之間的傳輸，并提供有效的電子傳導(dǎo)。

性能要求：擁有有合適的孔隙率，良好的導(dǎo)電性，確保電子傳輸效率。

材質(zhì)：陽極氣體擴(kuò)散層主要選擇耐酸耐腐蝕的鐵基材料，并涂抹含鉑或轅的涂層進(jìn)行保護(hù)， 陰極擴(kuò)散層主要選擇碳紙或鐵氈。

（4）雙極板

主要作用：支撐膜電極和氣體擴(kuò)散層；匯流氣體（氫氣和氧氣）及傳導(dǎo)電子的通道。

性能要求：具備較高的機(jī)械穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和低氫滲透性。

材質(zhì)：鈦材料，并涂抹含鉑的涂層

三、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與制氫成本對(duì)比

 

 

表1 堿性電解與 PEM 電解制氫技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

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表 2  堿性電解與質(zhì)子交換膜電解制氫成本對(duì)比