详解四大电解水制氢技术：ALK、PEM、AEM、SOEC

氢能俱乐部 2024-08-17

从材料、性能、效率和成本，四种电解水技术都有自身的优势和挑战。相比碱性电解槽，在特定应用场景（如车规级氢能、波动性可再生能源）中PEM的优势日渐明显，国际上许多新建项目已开始选用PEM电解槽，其市场渗透率预期会逐步扩大。SOEC和AEM作为新兴技术都有巨大潜力，也是欧美研发的重点，但前者在规模量产前在耐久性、制造工艺上还有待提升，后者目前还处在基础材料研发阶段。

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上图中列出的技术成熟度 (TRL) 为美国能源部2020年时的划分。欧盟2020年时对其SOEC的评估为TRL7，高于美国能源部的TRL5-6。

从材料、性能、效率和成本，上图中四种电解水技术都有自身的优势和挑战。相比碱性电解槽，在特定应用场景（如车规级氢能、波动性可再生能源）中PEM的优势日渐明显，国际上许多新建项目已开始选用PEM电解槽，其市场渗透率预期会逐步扩大。SOEC和AEM作为新兴技术都有巨大潜力，也是欧美研发的重点，但前者在规模量产前在耐久性、制造工艺上还有待提升，后者目前还处在基础材料研发阶段。

碱性电解水技术（ALK）

碱性电解水技术是电解水技术中发现得最早的，也是目前电解水技术中最为成熟的。其原理可以简单地描述为：在两个电极之间施以直流电，并用隔膜将阴阳两极分离开来，在阳极，OH^-发生氧化反应生成氧气，在阴极，H⁺被还原生成氢气。通常高比表面的镀镍钢板或者镍铜铁作为阳极催化剂，并在上面负载锰、钨和钌的氧化物，质量分数为30%的KOH或者NaOH溶液作为电解液，镀有高比表面镍或者镍钴合金的钢材则作为阴极催化剂，运行时，槽压一般在1.9 V到2.6 V之间。

碱性电解水技术（ALK）

虽然碱性水电解工业化比较成熟，但其缺点也很明显，首先，效率低，即使有隔膜的存在，阳极生成的氧气也会扩散到阴极，扩散到阴极的氧气又被还原成水，使得电解效率变低，而且穿越到阴极的氧气会带来很严重的安全隐患。其次，电解器能承受的电流密度有限，因为液体电解质和隔膜存在，使得电解器难以在高电流密度的条件下运行。再次，由于采用液体电解质，高压条件下运行也难以实现，不利于运行管理。虽然碱性电解水技术有明显的不足，但是其应用成本低，仍是工业应用中的重点。

质子交换膜电解水技术（PEM）

PEM具有能耗低、设备紧凑的优势，能适应可再生能源电力输入，但存在电解槽使用寿命较短，设备成本高等问题。其原理简单地归结为：在阳极，水分解生成氧气和质子，质子迁移至阴极，然后在阴极还原生成氢气。PEM电解水技术的出现归功于质子交换膜或者说固体聚合物电解质的出现，PEM 的应用使得阴阳极间的距离缩减到几百微米甚至几十微米，显著地减少了由离子迁移引起的这一部分能耗。这种电解水方式的运行槽压在 2.0V 左右，虽然槽压并没有显著降低，但其运行电流密度远高于碱性电解水，总体而言，在降低能耗上更具竞争力。

质子交换膜电解水技术（PEM）

高温固体氧化物电解水技术（SOEC）

固体氧化物水电解（solid oxide water electrolysis）也叫高温水电解，因为高温的存在，催化剂的活性显著提升，使得水分解能耗降低，高温水电解的效率也很高，可高达90%。固体氧化物水电解除了能耗低这一优点外，还有一个突出优点，因为采用的固态电解质，因此在考虑腐蚀问题上没有那么困难，和PEM电解水相似，因此，对流体的分布和管控要求不高，具体的实施方式可以借鉴高温燃料电池体系。然而，高温水电解需额外消耗能量去保证高温运行条件，从而提高了整体的能耗。当然，如果有合适的热源，这种电解水技术前景也相当可观。

高温固体氧化物电解水技术（SOEC）

阴离子交换膜电解槽（AEM）

制约PEM水电解制氢大规模发展的瓶颈在于膜电极选用被少数厂家垄断的质子交换膜，阴、阳极催化剂材料需采用贵金属以及电解能耗仍然偏高。基于融合碱性水电解和PEM水电解各自优势的研究思路，采用碱性固体电解质替代PEM的碱性固体阴离子交换膜（AEM）水电解制氢技术成为新方向。相比PEM水电解，AEM水电解选用固体聚合物阴离子交换膜作为隔膜材料，膜电极催化剂、双极板材料可选性更宽广，未来突破阴离子交换膜和高活性非贵金属催化剂等关键材料有望显著降低电解槽制造成本。

德国Evonik工业公司在其现有的气体分离膜技术的基础上，开发了一种专利聚合物材料，可用于AEM电解槽，目前在中试线上扩大膜生产，下一步是验证系统的可靠性并提高电池规格，同时扩大生产。

目前，AEM电解槽面临的主要挑战是缺少高电导率和耐碱性的AEM，以及贵金属电催化剂增加了制造电解装置的成本。同时，CO²进入电解槽薄膜会降低膜电阻和电极电阻，从而降低电解性能。未来AEM电解槽发展的主要方向是：①发展具有高导电率、离子选择性、长期碱性稳定性的AEM。②克服贵金属催化剂成本高的问题，开发不含贵金属且高性能的催化剂。③目前AEM电解槽的目标成本是20美元/m²，需要通过廉价原材料和减少合成步骤降低合成成本，从而降低AEM电解槽整体成本。④降低电解槽内CO²含量，提高电解性能。

总结

从材料、性能、效率和成本，四种电解水技术都有自身的优势和挑战。目前，国内碱性电解槽技术成熟且相关产业链已经趋于完善，成本也在稳步下降，市场应用程度较高，尤其是1000Nm³/h的碱性电解槽已被广泛的应用于国内多个大型绿氢项目。

PEM电解槽这边，国内供应链相对薄弱，但随着政策的支持以及市场的回暖，切入PEM电解槽赛道的企业比将会增多，相应工艺的进展也会加快，成本也会随之下降。今年以来，嘉庚实验室、亿华通、淳华氢能、氢辉能源等多家企业的PEM新品发布，颇有赶超去年碱性产品发布的节奏，增强了行业的信心。

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