三一氢能“氢言氢语”｜碱性电解水制氢的工作原理和特点

“氢言氢语”第十二讲将带您了解碱性电解水制氢：碱性(ALK)电解水制氢技术成熟、成本低，但存在电阻大、体积大、启停慢、维护成本高等问题，需改进隔膜材料和电解液以提升效率和适应性。

碱性(ALK)电解水制氢装置由电解槽和辅助系统构成，电解槽主要由极框，极板，电极，隔膜，密封，端板等组成。

（碱性电解槽电解水制氢工艺流程图）

（碱性电解水制氢原理图）

碱性电解水以KOH、NaOH水溶液为电解液，在阳极和阴极分别发生以下化学反应，即

碱性电解水阴极、阳极主要由金属合金组成(如Ni-MO合金等)，采用多孔膜作为隔膜，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。通常碱性电解液的质量分数为20%-30%，电解槽操作温度为70-90℃，工作电流密度约为0.2~0.8A/cm2，，产生气体压力为0.1~3.0MPa，总体效率为62%-82%。

碱性电解水制氢的优点是不需要贵金属作为催化剂，成本相对较低，装备技术成熟，产品耐久性好，寿命可达20年左右。

（三一氢能碱性电解槽）

pem制氢机售价约600-1000万/MW(进口设备从已知合同来看更多，每MW高达1500万以上）。所以现状PEM类制氢设备成本几乎是碱性槽的四倍以上，甚至更多。

碱性液体电解水于20世纪中期就实现了工业化，碱液电解技术发展到现阶段已经非常成熟，早期碱液电解槽普遍使用了石棉膜作为隔膜，随着石棉的致癌性被发现欧美等先进国家先后弃用了石棉膜，开始使用更为环保的离子膜或者无机有机复合膜，而且电流密度增大，效率更高。碱液电解槽的槽体结构简单，操作方便，生产使用的原材料也没有垄断性的问题，且便宜易得，因此整体的造价相对便宜，价格比较容易被制氢机用户接受。

质子交换膜（PEM）电解水技术的核心是质子交换膜，质子交换膜应具备优异的化学、热力学稳定性和良好的质子传导性，同时，膜表面与催化剂的适配性要好，便于有效阻止气体的扩散，阻隔氢气和氧气混合接触。目前，使用最为广泛的是nafion膜，nafion膜具有很多优点，但是价格昂贵，增加了pem水电解技术的成本。在pem电极结构中，受限于电解液的酸性，要求电极材料必须有耐蚀性和稳定性，现状作为催化剂的金属几乎完全限制在贵金属及其合金上，目前广泛使用的析氢催化剂为铂系金属及其合金。尽管近年来研究者使用涂覆法在多孔电极上涂覆铂金属催化剂薄层以提高催化剂活性表面积并降低铂金属使用量，已经大大降低了成本，但受限于PEM膜与铂金属催化剂的昂贵，质子交换膜氢气制氢机造价仍然远远高于碱性槽水解制氢机。目前，在产气量同等的基础上，一台质子交换膜氢气发生器的售价约为碱性槽制氢机的四倍甚至更多。

2）碱性槽制氢机（AWE）技术成熟，质子交换膜（PEM）水解制氢也正在进入示范验证阶段

碱性槽制氢机的技术已经非常成熟，这是目前水电解制氢行业公认的事实，并且数十年来，碱液氢气发生器在各行各业都有着非常多的应用实例，连续稳定运行、维护、寿命等工程实际需要层面都有大量的实际案例可供参考。PEM氢气发生器则是近几年来人们在不断降低制造成本的情况下终于有了一些商业应用实例，但仍然由于制造材料的昂贵与技术上的限制，但还没有得到广泛应用。现在商业出售的pem水电解制氢机产气量大约在1-250m³/h，压力为0-3mpa。更大规模的（MW级）商用PEM水电解制氢机目前也有少数几个研究单位和一些公司合作在示范应用。

3）碱液制氢机电解槽使用寿命20年左右

由于质子交换膜（PEM）水解制氢机在技术和制造工艺上的不成熟、实际工程经验的欠缺、另运行时电流波动较大，在电解槽中进行的电化学反应过程中会产生更多的杂质，杂质的存在使贵金属催化剂活性降低，降低了电解效率的同时缩短了电解槽的寿命。目前阶段PEM电解槽的寿命一般为2~3年以上（大标方产品普遍还未得到实际工程案例的验证），而技术相对成熟的碱液电解槽的寿命为20年左右，甚至更久。

4）碱性槽对水质的要求更为宽容

PEM电解槽和碱液电解槽都需要对自来水进行去离子化净化后才能使用，现在市场上的PEM制氢机对纯水的要求是电导率达到1us/cm（对应电阻率1 mω.cm），而碱液制氢机对纯水的要求是电导率一般达到10us/cm（对应电阻率0.1 mω.cm）即可，由此可见PEM水解制氢机对水质的要求要略为苛刻一些。

5）目前两种方式理论每标方氢气电耗基本一致，综合电耗4.5~5.5度/标方区间。但PEM由于电流密度较高，故PEM类设备理论设备体积较碱性制氢机略有优势

两种设备的体积差异最大部分会是在电解槽部分，以PEM电解水制氢2A/cm²、碱性槽电解水400mA/cm²来论，看起来会有些差异。

6）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)，导致多孔的催化层发生阻塞，从而阻碍产物和反应物的传递，大大降低电解槽的性能

一般来说，碱性液体电解质电解槽启动准备时间长，负荷响应慢，还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膜混合，进而引起事故。另低电密的运行的碱性电解槽较难以与具有快速波动特性的可再生能源配合。

三一氢能针对碱性槽当前行业痛点，升级双极板和垫片制造工艺、新型流道、搭载高性能电极和PPS隔膜等，全面提升槽体运行可靠性、安全性和经济性，运行负荷范围30%～110%，直流电耗≤4.4kWh/Nm³。

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