制氢中的电化学，了解一下

电解水制氢是一种通过电解水分解产生氢气的方法。这种方法基于电化学原理，通过在水中加入电解质，然后在两个电极之间通电，使水分子分解成氢气和氧气。电解水制氢的制作原理可以用化学反应式表示为2H2O（液态）→2H2（气态）+O2（气态）。

在电解水制氢的过程中，水分子在电解质的作用下被分解成氢离子和氧离子，随后这些离子会沿着电场方向移动，直到到达两个电极。在这些电极的表面上，氢离子得到电子，然后与另一个氢离子结合形成氢气，同时氧离子失去电子，结合形成氧气。

在技术层面，电解水制氢主要分为碱槽、PEM水电解、固体氧化物（SOE）水电解。

其中，碱槽是最早工业化的水电解技术，已有数十年的应用经验，最为成熟；PEM电解水技术近年来产业化发展迅速，固体氧化物水电解技术处于初步示范阶段。

从时间尺度上看，碱槽技术在解决近期可再生能源的消纳方面易于快速部署和应用；但从技术角度看，PEM电解水技术的电流密度高、电解槽体积小、运行灵活、利于快速变载，与风电、光伏（发电的波动性和随机性较大）具有良好的匹配性。

未来，随着PEM电解槽的推广应用，其成本有望进一步下降，而SOE等水电解的发展则取决于相关材料技术的突破情况。

1.碱性水电解制氢：

碱性液体水电解技术是以KOH、NaOH水溶液为电解质，如采用石棉布等作为隔膜，在直流电的作用下，将水电解，生成氢气和氧气。产出的气体需要进行脱碱雾处理。碱性电解槽以含液态电解质和多孔隔板为结构特征。通常，碱性液体电解质电解槽的工作电流密度约为0.25A/cm2，能源效率通常在60%左右。碱性液体水电解于20世纪中期就实现了工业化。该技术较成熟，运行寿命可达15年。

我国碱槽装臵的安装总量为1500-2000套，多数用于电厂冷却用氢的制备，国产设备的最大产氢量为1000Nm3/h。国内代表性企业有中国船舶集团有限公司第七一八研究所、苏州竞立制氢设备有限公司、天津市大陆制氢设备有限公司等，代表性的制氢工程是河北建投新能源有限公司投资的沽源风电制氢项目（4MW）。

碱水制氢在碱性条件下可使用非贵金属电催化剂（如Ni、Co、Mn等），因而电解槽中的催化剂造价较低。

但缺点也很明显。

（1）产气中含碱液、水蒸气等，需经辅助设备除去。

（2）在液体电解质体系中，所用的碱性电解液（如KOH）会与空气中的CO2反应，形成在碱性条件下不溶的碳酸盐，如K2CO3。这些不溶性的碳酸盐会阻塞多孔的催化层，阻碍产物和反应物的传递，**降低电解槽的性能。

（3）碱性液体电解质电解槽也难以快速的关闭或者启动，制氢的速度也难以快速调节，因为必须时刻保持电解池的阳极和阴极两侧上的压力均衡，防止氢氧气体穿过多孔的石棉膜混合，进而引起爆炸。因此，碱性液体电解质电解槽就难以与具有快速波动特性的可再生能源配合。

（4）碱性电解槽电流密度低，产氢压力仅为2.5-3MPa，不利于直接储运，需要进一步纯化加压。

2.质子交换膜电解制氢（PEM）

由于碱性液体电解质电解槽仍存在着诸多问题需要改进，促使固体聚合物电解质（SPE）水电解技术快速发展。首先实际应用的聚合物电解质为质子交换膜（PEM），因而也称为PEM电解水制氢。PEM以质子交换膜替代石棉膜，传导质子，并隔绝电极两侧的气体，同时，PEM电解水池采用零间隙结构，电解池体积更为紧凑精简降低了电解池的欧姆电阻，大幅提高了电解池的整体性能。

相比碱性电解槽，PEM电解槽的电流密度更大，通常在10000A/m2以上，远高于传统碱性电解槽的电流密度（通常在3000-4000A/m2）。

一方面，由于PEM电解槽使用的质子交换膜相较碱性电解槽中使用的隔膜更薄，这提供了优秀的质子传导能力。

另一方面，PEM电解槽采用零间距结构，电解槽内部结构更为紧凑。这些优势都有助于降低PEM电解槽运行时的欧姆电阻，借此提高电流密度，优化工作效率。PEM的压力调控范围大，氢气输出压力可达数兆帕，适应快速变化的可再生能源电力输入。

总之，PEM具有效率高、气体纯度高、绿色环保、能耗低、无碱液、体积小、安全可靠、可实现更高的产气压力等优点，被公认为制氢领域极具发展前景的电解制氢技术之一。

但PEM电解水制氢技术目前设备成本较高，PEM电解槽的单位成本仍然远高于碱性电解槽。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，因此设备对于价格昂贵的贵金属材料如铱、铂、钛等更为依赖，导致成本过高。

目前中国的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200Nm3/h，而国外生产的PEM电解槽单槽最大制氢规模可以达到500Nm3/h。

相比于国外，国内利用可再生能源合PEM电解水制氢的项目也相对偏少。国内大多数工业级可再生能源电解水制氢应用项目仍然以碱性水电解为主。

3.固体氧化物电解制氢（SOE）与核能制氢

SOE（solidoxideelectrolysis）是高温固体氧化物电解池的简称，是在高温下将电能和热能转化为化学能的电解设备。相比常温电解水，SOE高温电水解可以提供更高的能源转化效率。

随着温度的不断上升，水电解需要的总能量增加幅度较小，但对电能和热能的需求则产生了比较大的变化。在高温下，SOE电解水对电能的需求量逐渐减小，对热能的需求量逐渐增大。这意味着，SOE电解设备在高温下工作时，可以有效减少对高品质能源-电能的需求，并提升对低品质能源一废热的利用率。

在未来，当可再生能源或者先进核能供应充足时，SOE可以成为大规模制氢的技术路线之一。

从技术原理上进行分类，SOE可分为氧离子传导型SOE和质子传导型SOE。SOE制氢分类。由于质子传导型SOE在技术层面的要求更高，尤其是材料选择上存在很多障碍，目前的发展进度远远落后于氧离子传导型SOE。

在市场上，对SOE的商业化尝试主要集中于氧离子传导型SOE。

氧离子传导型SOE在电解质中传导氧离子。和质子传导型SOE有所区别的是，氧离子传导型SOE从阴极（氢电极）处供给水蒸气。水分子在得到电子后生成氢气，并电离出氧离子。氧离子经过电解质传导至阳极后，经氧化形成氧气。

在国家“863计划”支持下，我国10MWt高温气冷试验堆已在清华大学核能与新能源技术研究院建成并实现满功率运行。在国家科技重大专项支持下，200MWe高温气冷堆核电站示范工程的建设正在进行；核能制氢和氦气透平等前瞻性技术的研发已开展。在可用于核能制氢的反应堆堆型中，高温气冷堆因其高出口温度和固有安全性等优势，被认为是最适合用于制氢的堆型。

核能制氢是高温气冷堆发电外最重要的用途，将为未来高温堆的应用拓展新的领域。

核能制氢技术研发既有利于保持我国高温气冷堆技术的国际领先优势，也为未来氢气的大规模供应提供了一种有效的解决方案，同时可为高温堆工艺热应用开辟新的用途，对实现我国未来的能源战略转变具有重大意义。

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