四大电解水制氢技术ALK、PEM、AEM、SOEC - 资讯、资料、信息

碱性（ALK）

质子交换膜（PEM）

阴离子交换膜（AEM）和

固体氧化物（SOEC）四大电解水技术。

从材料、性能、效率和成本，上图中四种电解水技术都有自身的优势和挑战。

相比碱性电解槽，在特定应用场景（如车规级氢能、波动性可再生能源）中PEM的优势日渐明显，国际上许多新建项目已开始选用PEM电解槽，其市场渗透率预期会逐步扩大。

SOEC和AEM作为新兴技术都有巨大潜力，也是欧美研发的重点，但前者在规模量产前在耐久性、制造工艺上还有待提升，后者目前还处在基础材料研发阶段。

质子交换膜（PEM）电解槽使用较薄的全氟磺酸膜（PFSA）和先进的电极结构，低阻、高效。PFSA膜化学、机械性都很稳定，且耐压，因此PEM电池可在最高达70 bar下运行，而氧气侧则处于常压。PEM电解槽的缺点是需在高酸性、高电势和不利的氧化环境中工作，因此需要高稳定性的材料。价格昂贵的钛基材料、贵金属催化剂和保护涂层是必要的，这不仅为电池元件提供了高稳定性，也提供了良好的传导性和电池效率。PEM系统有着紧凑、简单的设计，但对水的杂质敏感（如铁、铜、铬、钠），并会受到煅烧的影响。PEM制氢设备

作为最新的电解水技术，阴离子交换膜（AEM）电解槽的潜力在于将碱性电解槽的低成本与PEM的简单、高效相结合。该技术能使用非贵金属催化剂、无钛部件，并和PEM一样能在压差下运行，但是目前AEM膜存在化学、机械稳定性的问题，影响寿命曲线。此外，AEM膜的传导性低，催化动力学慢和电极结构较差也影响着AEM的性能。性能的提升通常是通过调整膜的传导性，或通过添加支持性电解质（如KOH、NaHCO3）来实现，但这又会降低耐久性。在PEM中，OH-离子的传导速度要比H+质子慢三倍，因此AEM将面临更大的挑战，需要研制更薄或具有更高电荷密度的膜，同时对BOP辅助系统也提出了较高的要求。 纯水电解氢气发生器

根据是否需要碱性电解质，目前国际上AEM的研发方向分为碱性电解质系统和纯水系统（即无碱液，便于系统维护）。前者的研发重点是提升电流密度和耐久性；后者是提升膜的稳定性，并使用先进的膜和无（或低）PGM催化剂来提升性能和耐久性。另外，AEM的单位电堆成本要比PEM低许多，故通过降低小室电压来提升AEM的电能效率也是一个研发策略。

固体氧化物（SOEC）电解槽在高温（700-850℃）下运行，动力学上的优势使其可使用廉价的镍电极。如利用工业生产中高品质的余热（比如能量输入为75%电能+25%水蒸气中的热能），SOEC的系统效率（LHV H2 to AC）近期内有望达到达85%，并在10年内达到欧盟的2030目标90%。SOEC电解槽进料为水蒸气，若添加二氧化碳后，则可生成合成气（Syngas，氢气和一氧化碳的混合物），再进一步生产合成燃料（e-fuels，如柴油、航空燃油）。因此SOEC技术有望被广泛应用于二氧化碳回收、燃料生产和化学合成品，这是欧盟近年来的研发重点。SOEC的另一优势是可逆性，即可逆燃料电池用于可再生能源的存储，这也是欧美的一个长期重点研发课题。

耐久性是SOEC目前的首要问题，热化学循环，特别是系统停、启时，都会加速老化，降低使用寿命。目前固体氧化物的材料包括通过添加8%氧化钇来提升稳定性的二氧化锆，其分子式为 (ZrO2)0.92(Y2O3)0.08。提升固体氧化物的性能、耐久性和降低操作温度是目前研发的重点。

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