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质子交换膜水解制氢与碱性槽水解制氢机优劣性比较

发布时间：

2021-10-28

【概要描述】电解槽制氢优缺点比较

按照电解质性质的不同，电解水制氢技术主要分为四种：

1.AWE：碱性水电解水制氢

AWE电解水制氢原理示意图

2.AEM：阴离子交换膜电解水制氢

3.PEM：质子交换膜电解

4.SOE：高温固体氧化物电解水制氢

由于AEM和SOE目前仅在实验室阶段，没有商业示范应用，我们今天仅简单讨论一些AWE和PEM方式现状制氢的优劣。近段时间，国内市场上pem制氢机的发展势头渐强，很多商家大力宣传PEM制氢机，使很多用户误以为PEM水电解技术已经完全成熟，鉴于此种情况，我们简单针对现状进行一下厘清，以免用户在选择制氢机的时候产生盲目性。下面，我们从五个方面对碱液水解制氢和质子交换膜纯水制氢进行分析和对比。

一.碱液制氢机售价便宜（现状概约单价200~300万/MW），pem制氢机售价约1000万/MW(进口设备从已知合同来看更多，每MW高达1500万以上）。所以现状PEM类制氢设备成本几乎是AWE的四倍以上，甚至更多。
碱液电解技术发展到现阶段已经非常成熟，早期碱液电解槽普遍使用了石棉膜作为隔膜，随着石棉的致癌性被发现欧美等先进国家先后弃用了石棉膜，开始使用更为环保的离子膜或者无机有机复合膜，而且电流密度增大，效率更高。碱液电解槽的槽体结构简单，操作方便，生产使用的原材料也没有垄断性的问题，且便宜易得，因此整体的造价相对便宜，价格比较容易被制氢机用户接受。

    质子交换膜（PEM）电解水技术的核心是质子交换膜，质子交换膜应具备优异的化学、热力学稳定性和良好的质子传导性，同时，膜表面与催化剂的适配性要好，便于有效阻止气体的扩散，阻隔氢气和氧气混合接触。目前，使用最为广泛的是XX公司的nafion膜，nafion膜具有很多优点，但是价格昂贵，增加了pem水电解技术的成本。在pem电极结构中，受限于电解液的酸性，要求电极材料必须有耐蚀性和稳定性，现状作为催化剂的金属几乎完全限制在贵金属及其合金上，目前广泛使用的析氢催化剂为铂系金属及其合金。尽管近年来研究者使用涂覆法在多孔电极上涂覆铂金属催化剂薄层以提高催化剂活性表面积并降低铂金属使用量，已经大大降低了成本，但受限于PEM膜与铂金属催化剂的昂贵，质子交换膜氢气制氢机造价仍然远远高于碱性槽水解制氢机。目前，在产气量同等的基础上，一台质子交换膜氢气发生器的售价约为碱性槽制氢机的四倍甚至更多。

二.碱型槽制氢机（AWE）技术成熟，质子交换膜膜（PEM）水解制氢仍在小功率示范验证试用阶段。
碱性槽制氢机的技术已经非常成熟，这是目前水电解制氢行业公认的事实，并且数十年来，碱液氢气发生器在各行各业都有着非常多的应用实例，连续稳定运行、维护、寿命等工程实际需要层面都有大量的实际案例可供参考。PEM氢气发生器则是近几年来人们在不断降低制造成本的情况下终于有了微小的商业应用实例，但仍然由于制造材料的昂贵与技术上的限制，使其始终没有得到广泛应用。现在商业出售的pem水电解制氢机产气量大约在1-10m3/h（采用多台并联的方式），压力为0-3mpa，单台电解槽一般为2Nm3/h，不管是从产气量还是氢气输送压力上来说，PEM制氢机都不能比肩碱性槽制氢机。更大规模的（MW级）商用PEM水电解制氢机目前只有少数几个研究单位和一些公司合作有在示范应用。
    在实际应用方面只有加拿大氢XX公司在德国XX公司项目及丹麦的XX项目，单台PEM电解槽可达200Nm3/h（即对应1MW的功率），这几家公司目前的实际使用状况大家可以去关注。国内目前也有两个MW级的PEM电解水制氢项目在今年内投入试运行，大家可以去关注其现状以及后期的连续运行和后期维护状况，这些信息相对都是透明可获得的。

三.碱液制氢机电解槽使用寿命8-15年，pem制氢机2年以上。
   由于质子交换膜（PEM）水解制氢机在技术和制造工艺上的不成熟、实际工程经验的欠缺、另运行时电流波动较大，在电解槽中进行的电化学反应过程中会产生更多的杂质，杂质的存在使贵金属催化剂活性降低，降低了电解效率的同时缩短了电解槽的寿命。目前阶段PEM电解槽的寿命一般为2年以上（甚至还未得到实际工程案例的验证），而技术相对成熟的碱液电解槽的寿命为8-15年，甚至更久。

四.PEM对水质的要求更为苛刻
PEM电解槽和碱液电解槽都需要对自来水进行去离子化净化后才能使用，现在市场上的PEM制氢机对纯水的要求是电导率达到1us/cm（对应电阻率1 mω.cm），而碱液制氢机对纯水的要求是电导率一般达到10us/cm（对应电阻率0.1 mω.cm）即可，由此可见PEM水解制氢机对水质的要求要略为苛刻一些。

五.目前两种方式理论每标方氢气电耗基本一致，实际状况处于4.5~6.5度/标方区间。但PEM由于电流密度较高，故PEM类设备理论设备体积较碱性制氢机略有优势。
两种设备的体积差异最大部分会是在电解槽部分，以PEM电解水制氢2A/cm²、碱性槽电解水400mA/cm²来论，看起来会有些差异。目前也有部分企业已经将碱性槽的电流密度提升到更高的水准，实际上这个体积差异也在缩小。

结语：

PEM电解水制氢设备要想在未来的制氢设备市场取得绝对优势，必须要在成本、寿命、大功率、实际工程经验累积几个层面去突破，否则相当长的一段时间内仍会是碱性槽为王！

关键词：

瑞麟科技

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