?電解槽技術 電解水的原理很簡單，但可以在各種物理化學和電化學基礎上完成多種技術變化。電解槽通常分為四種主要技術，這幾種技術是根據電解質和操作溫度來區 分的，反過來又可以指導不同材料和部件的選型。市場上可購買的各種電解電池的原理如下圖所示。每種技術又可以有多種變化， 大多數根本性差異在于電池設計、組件內部變化和技術成熟程度。
一、電解槽分類：
目前有四類電解質：堿性和質子交換膜（PEM）已經商業化，而陰離子交換膜 （AEM）和固體氧化物目前仍處于實驗室階段，有望能取得很大進展。
不同類型的具備商業化前景的電解技術：
四種電解槽原理示意圖
固體氧化物和陰離子交換膜（AEM）有很大的潛力，但技術還不夠成熟，只有 少數公司和原始設備制造商（OEM）參與了其制造和商業化。這些企業大多位 于歐洲。
因此，水電解電池的基本原理是由被電解質隔離的兩個電極組成。電解質是指負責將產生的化學電荷（陰離子（-）或陽離子（+））從一個電極傳輸到另一個電極的介質。在堿性電解槽中，負責傳輸 OH-陰離子的電解質通常是高濃度氫氧化鉀溶液。電極和產生的氣體在物理上被浸入到 KOH 溶液的多孔無機隔膜 （也稱為分隔膜）分開。
在 PEM、AEM和固體氧化物電解槽中，電極被電子絕緣性固體電解質分開，該電解質負責將離子從一個電極傳輸到另一個電極，同時也對產生的氣體進行物理隔離。因為離子傳輸發生在 PEM、AEM或固體氧化物的組件內部，所以不需要添加液體電解質溶液進行傳輸。
下表總結了四類電解槽的運行條件和最重要的組件。著色單元格內的條件或成分因制造商或研發機構不同而有顯著差異。同時也表明技術不太成熟，尤其是 AEM 和固體氧化物類型。
堿性電解槽電堆和系統設計簡單，制造相對容易。目前，單體電極面積最大可達3平方米（m2）。這類電解槽使用高濃縮 KOH（通常為每升溶液 57 摩爾溶質[mol*L-1]）作為電解質，采用堅固的 ZrO2 基隔膜，以及電極使用鍍鎳（Ni）不銹鋼。電荷載體為羥基離子 OH-，KOH 和水可透過隔膜的多孔結構， 觸發電化學反應。所生成的氣體（氫和氧-H2 和 O2）混合溶于電解質，限制了較低的功率運行范圍和較高壓力水平下的運行能力。為打破相關限制，可使用更厚（0.252毫米[mm]）的隔膜，但這會增加電阻和降低效率。一些制造商有時會在電極和隔膜之間安裝墊片，進一步避免氣體混合。這些厚隔膜和新增加的墊片在兩個電極上形成了高歐姆電阻，導致給定電壓下電流密度大幅降低。當前的先進設計，采用零間隙電極、更薄的墊片和不同的電催化劑等方案增加電流密度，縮小了與 PEM技術的性能差距。另堿性電解槽的設計經典和穩定，運行非常可靠，使用壽命在30年以上。
該類電解槽采用 PFSA 薄膜（0.2 mm）和效率更 高的高級結構電極（即電阻更低）。全氟磺酸（PFSA）膜在化學和機械方面也很穩定，可以承受高壓力差。因此，PEM 電池可以實現氧氣側在正常大氣壓力下工作，而另外一側給與高達 70bar 的氣壓差。PFSA 膜提供的酸性環境，加上陽極側的高電壓和氧氣釋放形成了惡劣的氧化環 境，需要使用能夠耐受這些條件的材料。目前，有必要采用鈦基材料、貴金屬催化劑和保護鍍層，不僅是為了給電池組件提供長期的穩定性，而且是為了提供最佳的電導率和電池效率。這些要求使 PEM 堆的成本遠遠高于堿性電解槽。雖然 PEM 采用了一種最緊湊和最簡單的系統設計，但對鐵、銅、鉻和鈉等水?質非常敏感，導致受到腐蝕。目前，單電極面積正迅速接近2000平方厘米（cm 2），但距離達到未來使用單體大型兆瓦級電堆設備仍然很遠。最重要的一點是，大規模兆瓦級 PEM 電堆的可靠性和使用壽命特性仍有待驗證。不同技術面臨不同的挑戰，從稀有材料到性能、耐用性和成熟度都有不同的挑戰；沒有一種技術能適用于所有應用，這就為技術競爭和創新打開了大門，?而推動成本下降。
這類電解槽在高溫（700-850℃）下工作。優點是有利的動力學條件，使用相對便宜的鎳電極成為可能；減少了電力需求，部分用于分解水的能量可通過熱能獲得（可以利用余熱，基于電力計量的表觀效率可以高于 100%）；可逆性潛力（作為燃料電池和電解槽工作），二氧化碳和水同步電解生成合成氣。缺點是：熱化學循環會加快劣化和縮短使用壽命，特別是在停機/啟動期間。導致電堆性能下降的其他問題還包括：高氣壓差下的密封難題；使用二氧化硅作為密封劑造成電極污染；以及其他來自管道、連接件和密封的污染源。目前 SOEC部署僅限于kW級別， 也有一些示范項目已經達到1 MW。
這是一項最新的技術，目前只有少數幾家公司正在進行商業化推廣，且落地項目很少。AEM 的潛力在于避免了堿性電解槽的惡劣堿性運行環境，并與 PEM 電解槽的簡單高效特性相結合。這類電解槽可以使用非貴金屬催化劑、不含鈦組件，同 PEM 一樣可在差壓下工作。事實上 AEM 膜存在化學和機械穩定性問題，導致電解槽使用壽命不穩定。另由于 AEM 電導率低、電極結構差、催化劑動力學緩慢等原因，所以性能也不如預期的理想。一般電解質性能可通過調整 AEM 膜的電導率性能或增加支持電解質（如 KOH 或碳酸氫鈉[NaHCO3]）方法得到提高。然而，如此調整可能會降低電解槽的耐用性。本質上，OH-離子比 PEM內部的 H+質子慢三倍（電導率低）， 因此 AEM 開發商需要制造出更薄的或具有更高電荷密度的 AEM 電解質膜。
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深圳市瑞麟科技有限公司成立于2008年，是一家專注于綠色清潔能源領域研究的高科技公司。公司一直秉承創新為本、人才為先的理念，多年來與世界一流工業氣體設備公司合作，專注于高端制氫設備研發和氫能綜合解決方案，取得了數十項發明專利、專著，并在歐洲設立研發中心，同時與浙江工業大學等科研機構成立聯合實驗室進行科研攻關。公司擁有外國專家團隊5人和國內杰出科學家團隊博士、碩士10余人組成的研發團隊；25年以上的水電解制氫行業專家技術團隊20余人。
瑞麟科技對堿性槽和PEM制氫技術的理解和掌握都處于世界領先地位，目前瑞麟已自主研發生產出單體500Nm3/h堿性高度集成制氫設備，設備電流密度是同行的2~3倍，同等功率下設備體積是同行的四分之一、從5%~110%動態響應時間在10秒以內；并具備500-1000Nm3/h PEM制氫設備的設計和生產能力。截止目前已為國內外50多家客戶提供了不同規格型號的堿性電解制氫和PEM制氫設備。
原文始發于微信公眾號（深圳市瑞麟科技有限公司）：電解制氫的種類以及電解槽和系統的核心結構
