六種電解水制氫方式的工作原理圖

六種制氫成本的比較

電解水制氫三種技術(shù)路線對比表

堿性水電解制氫：堿性水電解制氫技術(shù)是一種成熟的制氫方法，其電解槽的核心組件是隔膜，通常由石棉制成，要作用是分離氫氣和氧氣。電解槽的電極主要由金屬合金構(gòu)成，例如鎳鉬（Ni-Mo）合金，這些電極在電解過程中催化水分子分解，生成氫氣和氧氣。

工業(yè)應用中，堿性水電解槽使用的電解液一般是20%至30%質(zhì)量分數(shù)的氫氧化鉀（KOH）溶液。操作條件包括溫度控制在70至95攝氏度，工作電流密度大約為0.25安培每平方厘米，產(chǎn)生的氣體壓力范圍在0.1至3.0兆帕。整個系統(tǒng)的效率大約在62%到82%之間。

盡管堿性水電解制氫技術(shù)具有技術(shù)成熟、投資和運行成本較低的優(yōu)勢，但它也面臨著一些挑戰(zhàn)，如電解液的流失、設備的腐蝕問題以及相對較高的能耗。目前，國內(nèi)外研究者正致力于開發(fā)更高效的堿性水電解槽制氫設備，以解決這些問題并推動該技術(shù)的發(fā)展。

質(zhì)子交換膜水電解制氫：與傳統(tǒng)的堿性水電解制氫技術(shù)不同，質(zhì)子交換膜（PEM）水電解制氫技術(shù)采用了全氟磺質(zhì)子交換膜作為其核心組件。這種膜不僅具有出色的化學穩(wěn)定性和質(zhì)子傳導性，還能有效分離氣體，從而提高電解槽的安全性，防止電子直接傳遞。
在PEM水電解槽的設計中，關鍵部件包括質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴散層和端板。這些部件共同構(gòu)成了一個完整的膜電極組件，負責物料傳輸和電化學反應。具體來說：
- 質(zhì)子交換膜：位于中心，負責傳導質(zhì)子并隔離氫氣和氧氣。
-?催化層：緊貼質(zhì)子交換膜，含有高效催化劑，促進水分子在陽極的氧化反應和陰極的還原反應。
-?氣體擴散層：位于催化層兩側(cè)，確保氣體和液體的有效傳輸，同時提供機械支撐。
-?端板：最外層，為電解槽提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。
膜電極組件的特性和結(jié)構(gòu)設計對PEM水電解槽的整體性能和使用壽命至關重要。通過精心設計這些組件，可以顯著提升電解效率，降低能耗，并延長電解槽的使用壽命。

高溫固體氧化物水電解：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材料，工作溫度 700～1000℃，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)應用場景的選擇與大規(guī)模推廣。目前 SOEC 制氫技術(shù)仍處于實驗階段。國內(nèi)中國科學院大連化學物理研究所、清華大學、中國科技大學開展了探索研究。國外 SOEC 技術(shù)研究集中在美國、日本和歐盟，主要機構(gòu)包括三菱重工、東芝、京瓷、愛達荷國家實驗室、Bloom Energy、托普索等，研究聚焦在電解池電極、電解質(zhì)、連接體等關鍵材料與部件以及電堆結(jié)構(gòu)設計與集成。

煤制氫：

天然氣制氫：

焦爐煤氣制氫：

氯堿副產(chǎn)物制氫：

輕烴裂解制氫：綜合成本

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