科普 | PEM电解水制氢的工作原理及优缺点

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PEM(Proton exchange membrane)是质子交换膜电解水技术的简称。和碱性电解水制氢技术不同，PEM电解水制氢技术使用质子交换膜作为固体电解质替代了碱性电解槽使用的隔膜和液态电解质（30%的氢氧化钾溶液或26%氢氧化钠溶液），并使用纯水作为电解水制氢的原料，避免了潜在的碱液污染和腐蚀问题。

PEM电解槽工作示意图

如图所示，PEM电解槽运行时，水分子在阳极侧发生氧化反应，失去电子，生成氧气和质子。随后，电子通过外电路转导至阴极，质子在电场的作用下，通过质子交换膜传导至阴极，并在阴极侧发生还原反应，得到电子生成氢气，反应后的氢气和氧气将通过阴阳极的双极板收集并输送。

和碱性电解水制氢技术相比，PEM电解水制氢技术具有电流密度大、氢气纯度高、响应速度快等优点。PEM电解槽的电流密度更大，通常在10000 A/m²以上。PEM电解槽的产氢纯度通常在99.99%左右。由于PEM电解槽使用纯水作为电解原料，产生的氢气中不会带入碱雾，有利于提升氢气品质。另外，质子交换膜的气体渗透率低，这有助于避免氢气和氧气的气体交叉渗透现象。PEM电解槽无需严格控制膜两侧压力，具有快速启动停止和快速功率调节响应的优势，适用于可再生能源发电波动性输入。

然而，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200 Nm³/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。相比国外，国内利用可再生能源耦合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。

总之，PEM电解水制氢技术基本成熟，进入了商业化早期阶段。但PEM电解水制氢技术仍然存在成本高的问题，性能和耐久性也有待提升，未来需要聚焦质子交换膜、电催化剂、气体扩散层与双极板等关键技术，进一步降低成本，提升商业化程度。

原文始发于微信公众号（万旗氢能）：科普 | PEM电解水制氢的工作原理及优缺点