【觀察】一文讀懂電解水制氫

當前，在政策和市場雙驅動下，氫能產業鏈火熱發展，由此也帶動了制氫環節的快速成長；而雙碳目標的提出使“綠氫”成為減碳脫碳的重要途徑。其中，電解水制氫是重要的制取綠氫的方法，電解水制氫規模的提升，也使電解槽市場迅速增長。

綠氫在制造成本上居高不下的主要原因是電價和電解水制氫系統，電解槽作為可再生能源大規模制氫的關鍵裝備，在制氫系統總成本中的占比近50%。

因此，以電解槽為代表的氫能設備，對于制氫成本的降低起著關鍵性的作用。

電解水制氫，是指在充滿電解液的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發生電化學反應，即可分解成氫氣和氧氣，整個過程可實現零排放。

在整個制造環節，核心的設備載體就是電解槽。通常電解槽的結構為三部分，分別是槽體、陽極、陰極組成。

當直流電通過電解槽時，在陽極與溶液界面處發生氧化反應，在陰極與溶液界面處發生還原反應。

目前我國電解水制氫設備多運用于光伏、風電，可再生能源制氫是主攻方向。其中，堿性水電解制氫有著較低的投資成本，已經充分實現產業化，是大規模綠氫生產的最佳選擇，也是技術最成熟以及商業化最成熟的方式。

在技術層面，電解水制氫主要分為 AWE、固體聚合物 PEM 水電解，固體聚合物陰離子交換膜（AEM）水電解、固體氧化物（SOE）水電解，相關特性對比見表其中，AWE 是最早工業化的水電解技術，已有數十年的應用經驗，最為成熟；PEM 電解水技術近年來產業化發展迅速，SOE 水電解技術處于初步示范階段，而 AEM 水電解研究剛起步。從時間尺度上看，AWE 技術在解決近期可再生能源的消納方面易于快速部署和應用；但從技術角度看，PEM 電解水技術的電流密度高、電解槽體積小、運行靈活、利于快速變載，與風電、光伏（發電的波動性和隨機性較大）具有良好的匹配性。隨著 PEM 電解槽的推廣應用，其成本有望快速下降，必然是未來 5~10 a 的發展趨勢。SOE、AEM 水電解的發展則取決于相關材料技術的突破情況。

堿水電解（AWE）作為最成熟的電解技術占據著主導地位，尤其在一些大型項目廣泛應用。堿性水電解制氫電解槽隔膜主要由高分子材質組成，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。

 電解槽工作原理示意圖

其原理是，在陰極水分子被分解為 H+和 OH-，H+得到電子生成氫原子，并進一步生成氫分子（H2）；OH-則在陰、陽極之間的電場力作用下穿過多孔的橫隔膜，到達陽極，在陽極失去電子生成一個水分子和氧分子。

堿性電解裝置當中最核心的產品是電解槽，在電解槽之前需配備變壓器和整流柜將高壓交流電轉換為電解槽所使用的直流電，供電解槽電解水使用。

由可再生能源驅動的電解制氫被認為是改善全球氣候和能源問題的好幫手，堿性電解槽被譽為可再生能源大規模制氫的關鍵裝備。隨著綠氫發展呼聲高漲，電解水制氫正迎來新一輪發展機遇。

據中國氫能產業協會數據顯示：上半年，我國氫氣產量同比去年增加了25%，其中利用新能源制氫的比例同比提高了30%。

彭博新能源財經預測：由于我國上半年氫氣產量的驚人增長，電解槽市場今年將翻一番，到2022年將翻四倍，預計中國將占全球電解槽裝機容量的60%-63%。

隨著我國風、光、水等可再生能源的快速發展，電解水制氫技術與應用將會進入穩步上升期。“綠氫”帶火了電解槽，可再生能源的深入開發利用，又延伸了能源生產制造的無碳之路，電解設備發展迎來了歷史性的機遇。

隆基以常年保持較高比例的研發投入，堅信“綠電＋綠氫”是實現碳中和的有力武器。目前，隆基氫能正在投產階段，將充分發揮光伏產業發電成本低的優勢，通過光伏發電制取“綠氫”，符合減少碳排要求，助推“雙碳”目標的實現。

PEM 水電解槽采用 PEM 傳導質子，隔絕電極兩側的氣體，避免 AWE 使用強堿性液體電解質所伴生的缺點。PEM 水電解槽以 PEM 為電解質，以純水為反應物，加之 PEM 的氫氣滲透率較低，產生的氫氣純度高，僅需脫除水蒸氣；電解槽采用零間距結構，歐姆電阻較低，顯著提高電解過程的整體效率，且體積更為緊湊；壓力調控范圍大，氫氣輸出壓力可達數兆帕，適應快速變化的可再生能源電力輸入。因此，PEM 電解水制氫是極具發展前景的綠色制氫技術路徑。

也要注意到，PEM 水電解制氫的瓶頸環節在于成本和壽命。電解槽成本中，雙極板約占 48%，膜電極約占 10%。當前PEM 國際先進水平為：單電池性能為 2 A·cm–2@2 V，總鉑系催化劑載量為2~3 mg/cm2，穩定運行時間為 6萬~8萬 h，制氫成本約為每千克氫氣3.7 美元。降低PEM電解槽成本的研究集中在以催化劑、PEM為基礎材料的膜電極，氣體擴散層，雙極板等核心組件。

由于PEM電解槽的陽極處于強酸性環境（pH≈2）、電解電壓為 1.4~2.0 V，多數非貴金屬會腐蝕并可能與 PEM 中的磺酸根離子結合，進而降低 PEM 傳導質子的能力。PEM 電解槽的電催化劑研究主要是 Ir、Ru 等貴金屬 / 氧化物及其二元、三元合金 / 混合氧化物，以鈦材料為載體的負載型催化劑。

受限于 PEM 水電解制氫的酸性環境、陽極高電位、良好導電性等要求，非貴金屬催化劑或非金屬催化劑的研發難度較大，預計一定時期內實際用于大規模電解槽的催化劑仍以 Ir 為主。未來降低制氫成本、減少貴金屬催化劑用量的更好方法是研發超低載量或有序化膜電極。

在 PEM 方面，目前常用的產品有杜邦公司 Na-fion 系列膜、陶氏化學 Dow 系列膜、旭硝子株式會社 Flemion 系列膜、旭化成株式會社 Aciplex-S 系列膜、德山化學公司 Neosepta-F 等。Giner 公司研發的 DSMTM 膜 [8] 已經規模化生產，相比 Nafion膜具有更好的機械性能、更薄的厚度，在功率波動與啟停機過程中的尺寸穩定性良好，實際電解池的應用性能較優。

為進一步提高 PEM 性能并降低成本，一方面可采用增強復合的方案改善 PEM 的機械性能，有利于降低膜的厚度；另一方面，可通過提高成膜的離子傳導率來降低膜阻和電解能耗，有利于提高電解槽的整體性能。國產 PEM 產品進入了試用階段。

PEM電解水的陽極需要耐酸性環境腐蝕、耐高電位腐蝕，應具有合適的孔洞結構以便氣體和水通過。受限于 PEM 電解水的反應條件，PEM 燃料電池中常用的膜電極材料（如碳材料）無法用于水電解陽極。3M 公司研發了納米結構薄膜（NSTF）電極，陰陽兩極分別采用 Ir、Pt 催化劑，載量均為 0.25mg/cm2；在酸性環境及高電位條件下可以穩定工作，表面的棒狀陣列結構有利于提高催化劑的表面分散性。Proton公司采用直接噴霧沉積法來減少催化劑團聚現象，將載量0.1 mg/cm2的Pt/C和Ir，載量0.1mg/cm2的Ir O2沉積在Nafion117膜上；單電解池的應用性能與傳統高催化劑載量電解池相似（1.8 A·cm–2@2V），在 2.3 V 電壓下穩定工作 500 h。

改善集流器的性能也可提高電解槽性能。美國田納西大學研究團隊在鈦薄片上用模板輔助的化學刻蝕法制備出直徑小于1mm 的小孔，陽極集流器的厚度僅為25.4 μm；相關集流器用于PEM水電解陰極，電解性能為2 A·cm–2@1.845 V，陰極Pt催化劑載量僅為 0.086 m/cm2。

雙極板及流場占電解槽成本的比重較大，降低雙極板成本是控制電解槽成本的關鍵。在 PEM 電解槽陽極嚴苛的工作環境下，若雙極板被腐蝕將會導致金屬離子浸出，進而污染 PEM，因此常用的雙極板保護措施是在表面制備一層防腐涂層。Letten-meier等在不銹鋼雙極板上用真空等離子噴涂方式制備Ti層以防止腐蝕，再用磁控濺射方式制備Pt層以防止Ti氧化引起的導電性降低；進一步研究發現，將Pt涂層換成價格更低的 Nb 涂層，可維持相似的電解池性能 ，且電解池可穩定運行超過1000h。美國田納西大學研究團隊采用增材制造技術，在陰極雙極板上制作出厚度為1mm的不銹鋼材料流場，在上面直接沉積一層厚度為0.15 mm 的網狀氣體擴散層；該單電池陰極阻抗極小，電池性能高達 2 A·cm–2@1.715 V，但仍需要表面鍍金以提高穩定性。此外，美國橡樹嶺國家實驗室、韓國科學技術研究院等機構也開展了系列化的 PEM 電解槽用雙極板研發工作。

喜瑪拉雅氫能以常年保持較高比例的研發投入，堅信“綠電＋綠氫”是實現碳中和的有力武器。喜瑪拉雅氫能將不斷發展電解水槽制氫技術，順應國家減少碳排要求，助推“雙碳”目標的實現。