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发布者：zq1229 发布时间：2025/1/13 15:26:10 阅读：27次 【字体：大 中 小】 |
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制氢电解槽
电解槽
电解槽是电解水制氢的关键设备，其性能和效率直接影响到氢能的产量以及能源的消耗。电解槽由槽体、阳极和阴极组成，用隔膜将阳极室和阴极室隔开。当直流电通过电解槽时，在阳极与溶液界面处发生氧化反应，在阴极与溶液界面处发生还原反应，以制取所需产品。
电解槽可分为碱性电解槽（ALK）、质子交换膜电解槽（PEM）、阴离子交换膜电解槽（AEM）和固态氧化物电解槽（SOEC）四种类型。
电解槽的结构
四种电解槽技术不同，结构与原理不同。
1、碱性电解槽
碱性制氢电解槽的结构，主要有隔膜、正/负极网、极板、极框、垫片、紧固螺杆与螺母、端板等。
从结构上看，碱性电解槽的组装跟氢燃料电池电堆类似，在端板的基础上，逐一装配极板、支撑网、负极网、隔膜、正极网、支撑网、极框、垫片，再以此重复，最后装上另一端的端板，用紧固螺杆固定。
另外，极框在经过粗、精立车后与极板焊接，再与镍丝网焊接，而隔膜、极板、镍网、垫片均需切割后组装。
电极、隔膜和密封垫片是碱性电解槽的关键材料。电极通常采用镍网或泡沫镍，其性能对电流密度和电解效率有决定性影响，其成本约占系统成本的28%；隔膜用于将两极隔离开，要求保障气密性的同时，降低电阻以减少电能损耗，密封垫片用于解决极片之间的绝缘问题，其绝缘性能对电解效率、安全、系统使用寿命均有影响。
2、PEM电解槽
电解槽是电解反应制氢的核心装置，PEM电解槽采用质子交换膜作为电解质，结构和性能具有一定优势。PEM电解槽同样由多个电解单元堆叠而成，每个单元均由质子交换膜、催化剂、气体扩散层和双极板构成。
PEM电解槽使用质子交换膜作为固体电解质，替代了碱性电解槽使用的隔膜和液态电解质(KOH溶液)，内阻更小、内部结构更为紧凑，电解效率大幅提高，规模选择也更为灵活。
3、固体氧化物电解槽（SOEC）：SOEC槽体原理：这类电解槽在高温（700-850℃）下工作。优点是有利的动力学条件，使用相对便宜的镍电极成为可能；减少了电力需求，部分用于分解水的能量可通过热能获得（可以利用余热，基于电力计量的表观效率可以高于 100%）；可逆性潜力（作为燃料电池和电解槽工作），二氧化碳和水同步电解生成合成气。缺点是：热化学循环会加快劣化和缩短使用寿命，特别是在停机/启动期间。导致电堆性能下降的其他问题还包括：高气压差下的密封难题；使用二氧化硅作为密封剂造成电极污染；以及其他来自管道、连接件和密封的污染源。目前 SOEC部署仅限于kW级别， 也有一些示范项目已经达到1 MW。SOEC系统原理：
4、阴离子交换膜（AEM）：
AEM槽体结构原理
这是一项最新的技术，目前只有少数几家公司正在进行商业化推广，且落地项目很少。AEM 的潜力在于避免了碱性电解槽的恶劣碱性运行环境，并与 PEM 电解槽的简单高效特性相结合。
这类电解槽可以使用非贵金属催化剂、不含钛组件，同 PEM 一样可在差压下工作。事实上 AEM 膜存在化学和机械稳定性问题，导致电解槽使用寿命不稳定。另由于 AEM 电导率低、电极结构差、催化剂动力学缓慢等原因，所以性能也不如预期的理想。
一般电解质性能可通过调整 AEM 膜的电导率性能或增加支持电解质（如 KOH 或碳酸氢钠[NaHCO3]）方法得到提高。然而，如此调整可能会降低电解槽的耐用性。本质上，OH-离子比 PEM内部的 H+质子慢三倍（电导率低）， 因此 AEM 开发商需要制造出更薄的或具有更高电荷密度的 AEM 电解质膜。
AEM系统结构原理
电解槽特点
碱性电解槽以其稳健性和低成本著称，PEM电解槽因其高效性而备受关注，SOEC凭借热能利用的高效性成为未来工业应用的强劲选手，而AEM则作为一项新兴产品。
1. 碱性电解槽 优点:制造相对容易，电极面积可达3平方米。 使用寿命超过30年，维护成本低。使用0.252毫米厚的隔膜减少气体混合，提高电流密度。缺点:由于气体混合，可能导致效率下降。 尽管现代设计提高了电流密度，但与PEM技术相比仍有差距。
2. 质子交换膜电解槽优点: 使用全氟磺酸膜，可在低电阻下实现高电流密度。适合大规模应用，尤其是在氧气侧大气压下氢气侧压力高达70巴。缺点:高材料成本（如铱、铂、钛）导致成本较高。 对水中的杂质（如铁、铜、铬和钠）非常敏感，容易发生钙化。
3. 固体氧化物电解槽优点:在700-850°C下运行，有助于加速反应动力学。可以使用相对便宜的镍电极，部分能量通过热能提供。缺点: 高温运行导致材料更快降解，使用寿命较短。 主要应用于千瓦级系统，部分示范项目已达兆瓦级。
4. 阴离子交换膜电解槽优点: 结合了碱性电解槽的温和操作环境和PEM电解槽的高效设计。可以使用非贵金属催化剂和无钛组件。缺点:存在化学和机械稳定性问题，导致使用寿命不稳定。 电导率低、电极结构差、催化剂动力学缓慢。
电解槽性能
电解槽是电解水制氢的关键设备，其性能和效率直接影响到氢能的产量以及能源的消耗。目前，国内主流电解槽性能要求：氢气纯度、低能耗、结构简单、制造与维修方便且成本低廉、使用寿命长、材料利用率高。中国主流电解槽产业成熟度顺序：ALK > PEM > AEM> SOEC ；ALK电解槽：规模化制氢首选，存在问题包括低制氢效率、过程污染和高耗电量，未来有降本空间；PEM电解槽：商业化初期，效率比ALK高，耗电量较低，适合风光发电氢能制取，但成本高（贵金属使用）且产氢规模较小，未来需降低成本和扩大规模；AEM电解槽：结合ALK造价优势和PEM效率优势，具有成本低和高效制氢的潜力，但阴离子交换膜研发难度大，目前仍在实验室阶段；SOEC电解槽：处于实验室放大阶段，800°C以上环境下效率最高，但造价成本远超ALK和PEM，并且可逆反应特性使其在未来氢储能领域具有应用前景。
电解槽设计与生产
制氢电解槽的设计主要围绕实现高效稳定的制氢过程，同时兼顾经济成本。这意味着要保障水分子在电场作用下高效分解为氢气和氧气，并且保证电解槽长期稳定运行，减少故障。
另外，还需要综合考虑成本因素，包括材料成本、能耗以及运维成本等，以此优化设计，提升制氢的经济效益和市场竞争力。
01电流分布均匀性
重要性：均匀的电流分布能够确保每个电解小室都能充分利用电能进行电解反应。如果电流分布不均匀，部分小室可能会因为电流过大而过载，导致电极极化加剧、局部温度过高等问题，从而增加能耗并可能损坏电极；而电流过小的小室则无法充分发挥电解作用，降低了整体的电解效率。
实现方法：通过合理设计电极形状、尺寸和布局，以及优化电解槽内部的导电结构，可以使电流更均匀地分布在各个小室中。例如，采用特殊的电极连接方式或者在电解槽内部设置电流分布器等措施。
02降低小室电压
1）使用催化剂并增加电极比表面积
原理与作用：催化剂可以降低电解反应的活化能，使反应更容易进行。增加电极比表面积能够提供更多的反应活性位点，加快反应速率。这两者结合可以在较低的电压下实现较高的电解效率，从而降低能耗。例如，采用高性能的析氢和析氧催化剂，通过涂覆、沉积等工艺增加电极表面的粗糙度，进而增大比表面积。
2）减少极间距离
原理与作用：根据欧姆定律，在电流一定的情况下，电阻越小，电压降越小。极间距离减小可以降低电解液的电阻，从而降低小室电压。不过，极间距离也不能过小，否则可能会导致电极短路等问题。需要在保证电极安全工作的前提下，尽可能减小极间距离来降低能耗。
3）设计合适的工作温度
原理与作用：合适的工作温度可以提高电解液的导电性和反应动力学。温度升高，电解液的离子迁移速度加快，反应速率也会提高，从而可以在较低的电压下实现相同的电解效果。但过高的温度可能会引起电解液蒸发、电极材料性能下降等问题，所以需要选择合适的工作温度范围来平衡能耗和设备稳定性。
4）选择合适的膜材料
原理与作用：不同的膜材料具有不同的离子传导性能和电阻。选择离子传导率高、电阻小的膜材料，可以降低电解过程中的欧姆损耗，进而降低小室电压。例如，质子交换膜（PEM）和阴离子交换膜（AEM）的性能差异会影响电解槽的能耗，需要根据具体的制氢要求和工艺条件选择合适的膜材料。
5）调整电解液浓度
原理与作用：适当的电解液浓度可以提高电解液的导电性。当电解液浓度增加时，离子数量增多，离子迁移能力增强，从而降低了电解过程中的电阻，有助于降低小室电压。但电解液浓度过高可能会引起结晶、腐蚀等问题，所以需要优化电解液浓度来达到降低能耗的目的。
6）优化电解槽内部流场分布
原理与作用：良好的流场分布可以确保电解液均匀地流过电极表面，及时带走电解反应产生的气体和热量。这样可以避免局部浓度过高或过低，以及温度不均匀等问题，从而提高电解效率，降低能耗。例如，通过设计合理的电解液进出口位置、流道形状等方式来优化流场分布。
03材料成本与运行成本综合考量：
在设计电解槽时，不能只关注材料成本的高低，还需要考虑运行成本。例如，某些高性能的材料可能初期采购成本较高，但可以降低能耗、延长设备寿命，从长期运行角度看可能更经济。因此，需要综合考虑材料成本和运行成本，选择合适的电流密度作为设计基础。合适的电流密度可以在保证制氢效率的同时，兼顾设备的材料使用和能耗情况，实现经济最优设计。
04长寿命、高质量膜的选择
重要性与要求：膜在电解槽中起着隔离氢气和氧气、传导离子等关键作用。选择寿命长、质量更优的膜可以减少膜的更换频率，降低运维成本。例如，质子
操作方式与保护措施：
采用零极距的形式可以减少膜在运行过程中的机械损伤风险。同时，考虑在运行中让某一侧的压力大于另一侧，避免膜在两侧电极中间来回晃动而损坏。这些操作条件的设计可以延长膜的使用寿命，确保电解槽的稳定运行。
05操作参数设计
参数设定与稳定性关系：
在设计中考虑合适的操作压力、操作电压等参数，能够使整个系统运行更加稳定。合适的操作压力可以保证气体的正常分离和输送，避免气体泄漏或混合；合适的操作电压可以防止电极极化过度、电解液分解等异常情况。这些参数的设计需要符合国家标准或有关规定，从本质上保障系统的安全性。
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06大型化电解槽设计趋势
规模效应与成本降低原理：
电解槽大型化能够提升生产效率，实现规模效应。随着产量的增加，单位产品的成本会降低。例如，更大产量的电解槽可以在材料采购、设备制造、安装调试等环节降低成本，同时也能提高土地、厂房等资源的利用率，从而在整体上降低制氢成本。
07材料创新
性能提升与成本降低目标：通过优化电极、电解质、膜材料等，可以提高电解槽的性能并降低成本。例如，探索新型非贵金属电极材料可以降低材料成本，同时这些新材料可能具有更好的催化性能和稳定性；布局AEM电解槽可以利用其在碱性环境下的优势，提高电解效率并降低成本。
08智能化与自动化
智能控制系统优势：配备智能控制系统可以实现生产运维自动化。通过实时监测电解槽的运行参数，如温度、压力、电流、电压等，智能控制系统能够自动调整运行状态，保障运行效率与安全。例如，当检测到温度过高时，系统可以自动调节冷却系统的流量，使温度恢复到正常范围。
09高能源效率
与可再生能源耦合需求与挑战：通过优化电解槽结构，加强与可再生能源耦合，可以减少能量损失，提升利用效率。但目前电解槽与新能源（如不稳定的风光能源）的匹配还存在一定的挑战，需要在电解槽的动态响应、能量存储等方面进行改进，以适应可再生能源的间歇性和波动性。
性能提升新思路探索：融合不同电解技术，或与其他先进技术结合，可以带来性能提升新思路。例如，将碱性电解技术和质子交换膜电解技术的优点相结合，或者将电解制氢技术与燃料电池技术、储能技术等进行集成，有望开发出更高效、更灵活的制氢系统。
2024年订单看
似略有缩减。但2023年的订单中包含了思伟特与中电建城市规划院签署的800MW-1200MW固体氧化物系统设备（SOEC制氢设备）的采购计划，订单较为特殊。若剔除这一特殊订单，2024年的电解槽招标情况相较于2023年显著增长，涨幅高达79%。
具体到单笔订单，中能建松原氢能产业园项目、新疆俊瑞制氢项目（包含与明阳氢能和中纯氢能的签约总量）以及新疆俊瑞温宿规模化制绿氢项目分别以320MW、200MW和200MW的订单规模脱颖而出，是年度最大的3笔电解槽采购订单，合计占据了2024年全年订单量的62%。
从中标企业来看，2024年共有24家企业确认获得电解槽订单，其中订单量TOP5企业分别为阳光氢能、中船派瑞、中车株洲所、中纯氢能及上海电气，中标量分别为160MW、143.75MW、135MW、120MW和101MW，这5家企业合计占据了全年中标总量的56%，市场格局逐步向头部聚集。
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