電解槽的每個電解小室分為陽極小室和陰極小室。電解槽的陰極小室產(chǎn)生氫氣，陽極小室產(chǎn)生氧氣。

其主要性能要求包括：制得的氫氣純度高，能耗低，結構簡單，制造維修方便且使用壽命長，材料的利用率高。

電解槽主要部件和材料包括電極、隔膜、絕緣材料和電解液。目前我國電解水制氫設備多運用于光伏、風電等可再生能源制氫，這是主攻方向。

圖2電解槽工作原理

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，目前沒有進行商業(yè)化應用。

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)。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。

堿性電解技術最大的優(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較低。最核心的特點是要求電力穩(wěn)定可靠，不適合風光等間歇性電能。

商業(yè)成熟度高，運行經(jīng)驗豐富，國內(nèi)一些關鍵設備主要性能指標均接近于國際先進水平，單槽電解制氫量大，易適用于電網(wǎng)電解制氫。

圖3?堿性電解池

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電解槽包括數(shù)十甚至上百個電解小室，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，每個電解小室以相鄰的2個極板為分界，包括正負雙極板、陽極電極、隔膜、密封墊圈、陰極電極6個部分。

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

1臺1000Nm3/h電解水制氫裝置的成本是2臺500Nm3/h成本的70-75%，正在研制的更大產(chǎn)量的電解槽會進一步降低投資和運行成本，有利于電解水設備的大規(guī)模應用。

針對可再生能源發(fā)電的波動性、不穩(wěn)定性特點，電解水制氫裝置確定設備型號、數(shù)量及制氫/供氫的均衡/負荷率，原則上應進行技術與經(jīng)濟的綜合比較，確定選型、總制氫容量等，然后進行合理配置，具體擬建綠氫系統(tǒng)的總制氫量所用電力應小于可再生能源發(fā)電的額定輸出功率。

圖4?堿性電解槽制氫能力與成本的關系

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相比，PEM電解水制氫技術具有電流密度大、氫氣純度高、響應速度快等優(yōu)點，PEM電解水制氨技術工作效率更高。

但由于PEM電解槽需要在強酸性和高氧化性的工作環(huán)境下運行，因此設備對于價格昂貴的金屬材料如銥、鉑、鈦等更為依賴，導致成本過高。

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)模可以達到1000Nm3/h，國產(chǎn)大型質(zhì)子交換膜水電解技術還有很大的進步空間。

圖5 PEM電解槽

2.2 組成

質(zhì)子交換膜電解槽由質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴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PEM電解槽包含數(shù)十甚至上百個電解池。

質(zhì)子交換膜電解槽成本45%是電解電堆、55%是系統(tǒng)輔機，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。

SOEC電解系統(tǒng)的最基本組成單元是SOEC電解池，多個電解池組裝在一起成為SOEC電堆。多個電堆和氣體處理系統(tǒng)、氣體輸送系統(tǒng)一起可以組合成SOEC電解模塊。高溫固體氧化物電解水制氫技術電解池由電解質(zhì)、陰極和陽極等核心部分組裝而成。

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SOEC電解水制氫技術最大的優(yōu)勢是電耗低，適合產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽的光熱發(fā)電系統(tǒng)。但由于對陰陽極材料的特性要求較高，使得材料的成本大大增加，因此商業(yè)化應用受到限制。

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高溫固體氧化物電解水技術總體產(chǎn)業(yè)化程度不高，推出的商業(yè)化產(chǎn)品較少，仍處于研發(fā)階段。

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國外企業(yè)主要包括德國Sunfire公司和美國Bloom Energy公司等。國內(nèi)目前尚處于研發(fā)示范階段。

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由于在運行過程中對于熱能的需求更大，國內(nèi)外SOEC示范項目主要集中于熱能資源豐富或廢熱較多的地區(qū)，如鋼鐵冶煉工廠、化工合成工廠或者核能發(fā)電工廠，這些是未來SOEC的主要應用場景。

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4、固體聚合物陰離子交換膜水電解(AEM)

固體聚合物陰離子交換膜水電解(AEM)是指使用成本較低的陰離子交換膜作為隔膜，低濃度的堿性溶液或純水作為電解液，非貴金屬催化劑作為反應催化劑的制氫過程。

AEM電解池核心構成包括陰極材料、陽極材料和陰離子交換膜。

目前開發(fā)的陰離子交換膜仍然無法兼顧工作效率和設備壽命，還未找到最合適的材料，陰極材料主要是鎳，陽極材料主要是鎳鐵合金。

AEM電解水技術是目前較為前沿的電解水技術之一，AEM電解水技術結合了ALK電解水技術和PEM電解水技術的優(yōu)點，目前處于實驗室研發(fā)階段，全世界只有極少數(shù)的公司在嘗試將其商業(yè)化。

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三、電解水制氫技術未來展望

隨著電力成本下降、設備投資成本的占比逐漸增加。未來降本驅動因素主要在于，電價降低、設備利用率的增加以及技術進步降低電解槽成本。

但由于堿性電解槽工藝技術已經(jīng)十分成熟，通過技術革新降低成本幅度不大，PEM存在較大將本空間，未來10年通過技術改進和規(guī)模擴張，可以降本40%，制氫成本將下降5%-10%。

隨著產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，未來應用場景將不斷拓寬，大型化、低成本、低能耗是產(chǎn)業(yè)發(fā)展共識。

需要大規(guī)模制氫產(chǎn)能的化工冶金領域將持續(xù)采用堿性電解槽制氫，而在分布式能源場景中，如現(xiàn)場制氫加氫站這種氫能產(chǎn)量較小的場景，PEM電解槽將具有獨特優(yōu)勢。

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來源：浙理氫能，有刪減