水電解制氫是指水分子在直流電作用下被解離生成氧氣和氫氣，分別從電解槽陽極和陰極析出。根據(jù)電解槽隔膜材料的不同，通常將水電解制氫分為堿性水電解（AE）、質(zhì)子交換膜（PEM）水電解以及高溫固體氧化物水電解（SOEC）。
堿性水電解制氫電解槽隔膜主要由石棉組成，起分離氣體的作用。陰極、陽極主要由金屬合金組成，如Ni-Mo合金等，分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣。工業(yè)上堿性水電解槽的電解液通常采用KOH溶液，質(zhì)量分數(shù)20%~30%，電解槽操作溫度70~80℃，工作電流密度約0.25A/cm2，產(chǎn)生氣體壓力0.1~3.0MPa，總體效率62%~82%。堿性水電解制氫技術(shù)成熟，投資、運行成本低，但存在堿液流失、腐蝕、能耗高等問題。水電解槽制氫設(shè)備開發(fā)是國內(nèi)外堿性水電解制氫研究熱點。
區(qū)別于堿性水電解制氫，質(zhì)子交換膜（PEM）水電解制氫選用具有良好化學穩(wěn)定性、質(zhì)子傳導性、氣體分離性的全氟磺酸質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)替代石棉膜，能有效阻止電子傳遞，提高電解槽安全性。PEM水電解槽主要部件由內(nèi)到外依次是質(zhì)子交換膜、陰陽極催化層、陰陽極氣體擴散層、陰陽極端板等。其中擴散層、催化層與質(zhì)子交換膜組成膜電極，是整個水電解槽物料傳輸以及電化學反應(yīng)的主場所，膜電極特性與結(jié)構(gòu)直接影響PEM水電解槽的性能和壽命。
不同于堿性水電解和PEM水電解，高溫固體氧化物水電解制氫采用固體氧化物為電解質(zhì)材料，工作溫度800~1 000℃，制氫過程電化學性能顯著提升，效率更高。
SOEC電解槽電極采用非貴金屬催化劑，陰極材料選用多孔金屬陶瓷Ni/YSZ，陽極材料選用鈣鈦礦氧化物，電解質(zhì)采用YSZ氧離子導體，全陶瓷材料結(jié)構(gòu)避免了材料腐蝕問題。高溫高濕的工作環(huán)境使電解槽選擇穩(wěn)定性高、持久性好、耐衰減的材料受到限制，也制約SOEC制氫技術(shù)應(yīng)用場景的選擇與大規(guī)模推廣。
5.動態(tài)響應(yīng)速度更快，能適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動性因此，PEM水電解制氫被認為是極具發(fā)展前景的水電解制氫技術(shù)。目前PEM水電解制氫技術(shù)已在加氫站現(xiàn)場制氫、風電等可再生能源電解水制氫、儲能等領(lǐng)域得到示范應(yīng)用并逐步推廣。此外，PEM水電解制氫已步入商業(yè)化早期，制約技術(shù)大規(guī)模發(fā)展的瓶頸在于膜電極選用被少數(shù)廠家壟斷的質(zhì)子交換膜，陰、陽極催化劑材料需采用貴金屬以及電解能耗仍然偏高。解決上述難題是PEM水電解制氫技術(shù)進一步發(fā)展與推廣的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)多家企業(yè)已經(jīng)下線堿性水電解制氫電解槽。4月8日，國富氫能線上舉行了首臺1000Nm3/h堿性水電解槽下線儀式。據(jù)介紹，在產(chǎn)能上，該產(chǎn)品在2022年可實現(xiàn)年產(chǎn)50套（250MW），2024年實現(xiàn)年產(chǎn)500套（共2.5GW）堿性水電解制氫系統(tǒng)，批量化快速交貨。
然而，國內(nèi)目前對于PEM水電解制氫還處于項目研發(fā)階段。氫能觀察發(fā)現(xiàn)，國際上已有多家代表性企業(yè)開發(fā)下線PEM水電解制氫設(shè)備。其中，康明斯業(yè)務(wù)遍及全球。截至目前，康明斯在全球已部署超過600個電解水制氫設(shè)備。包括加拿大Bécancour目前在運行的全球最大的20兆瓦PEM電解水制氫設(shè)備；2021年，康明斯質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫技術(shù)及設(shè)備中標我國首個招標的兆瓦級PEM制氫項目——烏蘭察布三峽產(chǎn)業(yè)園2.5MW制氫設(shè)備項目，以及中國石化中原油田2.5MW PEM電解水制氫示范項目，通過本地化的氫能創(chuàng)新和服務(wù)，為中國雙碳目標貢獻力量。
雖然國內(nèi)暫時極少有正在運行的PEM制氫設(shè)備項目，但國家能源局已經(jīng)開始支持PEM制氫，搶抓產(chǎn)業(yè)技術(shù)高地。2021年12月，國家能源局公布2021年度能源領(lǐng)域首臺（套）重大技術(shù)裝備項目，在4項氫能項目中，其中有一項為中國船舶集團有限公司第七一八研究所負責的MW級PEM電解水制氫設(shè)備項目。
據(jù)悉，中國石化率先發(fā)展綠氫產(chǎn)業(yè)，積極推動石化產(chǎn)業(yè)綠色低碳發(fā)展。在綠氫科技方面，首套自主開發(fā)的質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫示范站已投入運營。該示范站采用中國石化所屬石油化工科學研究院自主研發(fā)的質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)，將光伏發(fā)電等可再生綠電制成綠氫，生產(chǎn)應(yīng)用全過程零碳排、零污染，具有穩(wěn)定性高、安全性好、制氫效率高等特點。據(jù)了解，該示范站的核心部件質(zhì)子交換膜電解槽，制氫效率達85%以上，其陰陽極催化劑、雙極板等關(guān)鍵材料部件均實現(xiàn)國產(chǎn)化。
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