PEM水解制氢浅析

      随着碳达峰、碳中和、碳捕捉等目标的提出和实际操作执行的推进，未来的光电耦合中，弃电制氢一定会扮演非常重要的角色。目前常见的水解制氢主要有三种方式：碱性电解水制氢、高温固体氢化物电解水制氢、固体聚合物电解水制氢（SPE）或PEM。

      我们本章节只重点讨论PEM电解水制氢。相对其余两种电解水制氢方式，PEM制氢由于成本和技术问题，推广相对落后。成本和其市场规模以及技术方式有关（需要用到贵重催化剂），技术问题相对来说和目前质子交换膜（PEM）氢燃料电池有相似性，因为其原理和实现路径是一个电化学反应的两个逆向过程。所以整体来讲，全球来看目前已经不是瓶颈了。

       一、我们先具体讨论一下PEM 制氢的优缺点。

1.优点：

1）低噪音运行：可以做到白天<65Db，夜间<45Db。

2）宽泛的环境工作温度：-20度~40度

3）高纯度：不纯化99.99%，纯化后99.999%。意味着不纯化也可满足多数燃料电池使用。

4）快速响应：<30s（这一点非常重要，更适合风、光、水等可再生能源发电不连续，相对不稳定等场景）

5）对输入电能的要求：（这一点也非常重要，这个电压工作范围很多弃电场景是可以直接使用的）

      输入DC：400V（+/-10%）

      适配电压输出范围：300V~450V

      频率：50Hz（+/-3%）

6）相对来讲整个设备的占地空间会比较小。

7）系统制氢总转换效率在三种制氢方式中居中。（约35%左右，水消耗来源于反渗透系统消耗<1.5L,去离子水消耗<1L。合计制氢每标方氢气消耗水量小于1.5~2.0L左右。水的消耗量和首给水的水质量有很大关系，决定了几升水可以提取1升纯水）

8）高寿命：设计使用寿命可达30年。

2.缺点：

1）目前硬件设备成本较高（是其他方式制氢5~10倍,甚至更多）

      说明：目前欧洲区域出现的最低报价已经接近50万欧元/MW。约折合人民币400万元/MW。其他区域有的最高报价达到1000万RMB/MW.

2）目前国内很少有可以大量生产使用的设备厂家。设备多数来自于欧美。比如康明斯（原水吉能），林德、西门子、法液空等企业。

     国内：山东赛克赛斯可以提供小量设备。
整体来说目前最大的问题是设备成本较高，但相信随着市场的规模化和国内的一些企业加入和技术突破，最终会回归到一个比较理性的价位上来。

      二、以某厂商设备看PEM制氢的基本结构

1. 工艺房（内含核心部件电解槽和各种检测仪表、气体纯化装置、气水分离装置等）

   
   

   

   1）电解槽是由单体电解单元组成，每个电解单元有一个膜电极和两个电极板构成。是该设备的核心，也是最大价值所在。

   
   

   

2）电解槽中注入经处理／冷却水和电流时，就可以生产氢气和氧气。然后气体通过除温器，冷凝捕集器和气体分离器，气体被冷却，其中包含的水汽也被凝结下来

   2.通用房（包含控制室、电源整流系统、纯水系统、冷却系统等）

1）控制柜部分（需要对整系统的电气、仪表进行控制，需要人机界面方便操作，一般采用PLC控制即可）

2）水处理系统部分（这部分很简单，就是一套非常成熟的水处理系统）

3）冷却系统部分（就是我们常见的冷却水系统或空调系统里面的冰水机，为了维持供给水恒定的温度，约15度左右。是一个非常简单和常用的设备。）

4）散热系统（一般位于整体柜体的顶部和外界连通，有利于散热和热交换。非常通用的设备构造，用于搭配 冰水机和管理生产过程的余热）

综上浅述，PEM最大的核心仍然是电解槽部分。相信随着国内PEM相关技术的突破和更多企业的参与。PEM制氢设备的成本的快速下降也是指日可待。

原文始发于微信公众号（氢眼所见）：PEM水解制氢浅析