科普 | PEM電解水制氫的工作原理及優缺點

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PEM(Proton exchange membrane)是質子交換膜電解水技術的簡稱。和堿性電解水制氫技術不同，PEM電解水制氫技術使用質子交換膜作為固體電解質替代了堿性電解槽使用的隔膜和液態電解質（30%的氫氧化鉀溶液或26%氫氧化鈉溶液），并使用純水作為電解水制氫的原料，避免了潛在的堿液污染和腐蝕問題。

PEM電解槽工作示意圖

如圖所示，PEM電解槽運行時，水分子在陽極側發生氧化反應，失去電子，生成氧氣和質子。隨后，電子通過外電路轉導至陰極，質子在電場的作用下，通過質子交換膜傳導至陰極，并在陰極側發生還原反應，得到電子生成氫氣，反應后的氫氣和氧氣將通過陰陽極的雙極板收集并輸送。

和堿性電解水制氫技術相比，PEM電解水制氫技術具有電流密度大、氫氣純度高、響應速度快等優點。PEM電解槽的電流密度更大，通常在10000 A/m²以上。PEM電解槽的產氫純度通常在99.99%左右。由于PEM電解槽使用純水作為電解原料，產生的氫氣中不會帶入堿霧，有利于提升氫氣品質。另外，質子交換膜的氣體滲透率低，這有助于避免氫氣和氧氣的氣體交叉滲透現象。PEM電解槽無需嚴格控制膜兩側壓力，具有快速啟動停止和快速功率調節響應的優勢，適用于可再生能源發電波動性輸入。

然而，PEM電解水制氫技術目前設備成本較高，PEM電解槽的單位成本仍然遠高于堿性電解槽。由于PEM電解槽需要在強酸性和高氧化性的工作環境下運行，因此設備對于價格昂貴的貴金屬材料如銥、鉑、鈦等更為依賴，導致成本過高。

目前中國的PEM電解槽發展和國外水平仍然存在一定差距。國內生產的PEM電解槽單槽最大制氫規模大約在200 Nm³/h，而國外生產的PEM電解槽單槽最大制氫規模可以達到500Nm³/h。相比國外，國內利用可再生能源耦合PEM電解水制氫的項目也相對偏少。國內大多數工業級可再生能源電解水制氫應用項目仍然以堿性水電解為主。

總之，PEM電解水制氫技術基本成熟，進入了商業化早期階段。但PEM電解水制氫技術仍然存在成本高的問題，性能和耐久性也有待提升，未來需要聚焦質子交換膜、電催化劑、氣體擴散層與雙極板等關鍵技術，進一步降低成本，提升商業化程度。

原文始發于微信公眾號（萬旗氫能）：科普 | PEM電解水制氫的工作原理及優缺點