制氢电解槽结构和分类

关键词：电解槽、端压板、极板、中间极板、隔膜、垫片、付极网、拉紧螺栓、流场板、气体扩散层、催化剂
描述；制氢电解槽是通过电解水（H₂O）分解为氢气（H₂）和氧气（O₂）的核心设备，电解槽通常由多个电解室（单电室）堆叠组成，核心组件包括：端压板、极板、中间极板、隔膜、垫片、付极网等组成，槽体由拉紧螺栓和二块端压板夹紧，其结构和种类直接影响制氢效率、成本和使用。

气体设备 13812683169 

制氢电解槽是通过电解水（H₂O）分解为氢气（H₂）和氧气（O₂）的核心设备，其结构和种类直接影响制氢效率、成本和使用。
一、电解槽的基本结构
1.1电解槽通常由多个电解室（单电室）堆叠组成，核心组件包括：端压板、极板、中间极板、隔膜、垫片、付极网等组成，槽体由拉紧螺栓和二块端压板夹紧，
1.2电极（阳极、阴极）
材料：ALK碱性电解槽常用镍或镍合金,PEM电解槽使用贵金属（如铂、铱）催化剂涂覆的多孔电极；AEM电解槽常用镍或镍合金,SOEC采用陶瓷基材料（如Ni-YSZ阴极、LSCF阳极）。
功能：阳极发生氧化反应（析氧），阴极发生还原反应（析氢）。
1.3电解质;液态电解质（碱性电解槽）：如20-30% KOH溶液，提供OH⁻离子传导。
1.4固态膜（PEM/AEM）：质子交换膜（如Nafion）,阴离子交换膜，传导H⁺或OH⁻。
1.5固体氧化物（SOEC）：如氧化钇稳定氧化锆（YSZ），在高温（700-1000°C）下传导O²⁻。
1.6隔膜：防止氢氧气体混合，同时允许离子通过。碱性电解槽使用PPS或复合隔膜；PEM/AEM依靠固态膜分隔。
1.7双极板
连接相邻电解池，传导电流并分配反应气体。材料需耐腐蚀（如PEM中镀金钛板，ALK/PEM碱性,镀镍极板或镍板）。
1.8端板与密封系统
提供机械支撑和气体密封，防止泄漏。
密封垫片使用改性四氟乙烯材料为主
二、电解槽的主要种类及特点
2.1. 碱性电解槽（Alkaline Electrolyzer, ALK）
原理：在液态碱性电解质（KOHNaOH）中，OH⁻离子从阴极迁移至阳极，生成H₂和O₂。
碱性电解槽按结构分类，主要有三种类型：圆形带压、方形常压和模块化
圆形带压电解槽因其耐压性能优越，适合高压应用，但设计复杂、成本较高。
电解槽由左右端压板、左右极板、中间极板、隔膜垫片、付极网等组成，槽体由拉紧螺栓和二块端压板夹紧，电解槽的最大使用压力为1.6Mpa，电解槽体结构新颖，安全可靠。装拆方便，绝无渗漏。
方形常压电解槽常压系统下氢气泄露速度会明显下降，具有更好的安全性；且方形常压内部流场分布更均匀、合理。，方形常压电解槽成本较低，制造工艺更简单，便于实现大型化；设计上不需要考虑耐压问题，对端板、框架等强度要求低，节省材料投入；不需要设置压力调节装置，也不存在压力阀门的泄露问题。各类电解槽的选择，主要取决于具体的应用需求、性能要求和工程设计考量。
方形常压水电解制氢技术特别适合于利用风电、太阳能等清洁能源进行工业化氢气生产。方形常压水电解制氢系统以其显著的特点，在氢能源领域占据了一席之地，并有潜力在未来实现更广泛的应用。
模块化电解槽则因其灵活的组合能力和维护简便而适用于多种场景，但在大规模应用时经济性有限。
结构特点：
使用镍基电极，成本低但效率中等。
需保持电解液循环，系统体积较大。
优缺点：
优点：技术成熟、成本低、寿命长。
缺点：启动慢、难以适应可再生能源波动，气体纯度较低（需后续纯化）。
应用：大规模工业制氢（如合成氨、炼油）。
2.2. 质子交换膜电解槽（PEM Electrolyzer）
原理：纯水中，H⁺通过质子交换膜传导至阴极生成H₂，阳极析出O₂。
结构特点：
在质子交换膜电解槽（PEM电解槽）中，关键组件主要包括流场板（BP）、气体扩散层（GDL）、质子交换膜（PEM）、阴极和阳极催化剂。图1(a)描绘了PEM电解水堆栈中单个单元的布局。两个半电池由PEM膜分隔，该膜在电解过程中负责质子的传输，并防止反应气体的相互渗透。催化剂层通常直接涂覆在膜或多孔传输层上。在多数设计中，催化剂层与膜结合，形成电解槽的核心部分，即膜电极组件（MEA）。MEA两侧分别由两个多孔传输层（也称为GDL）所包围。流场板（BP）封装了这两个半电池单元，负责电、质、热的传递，并且与外部电路相连。氢气和氧气产物通过催化剂表面、GDL和BP依次从电解槽中释放。此外，为了确保半电池的密封性，防止气体和水的逸散，还需要添加一些密封元件。
全固态结构，紧凑且响应快（毫秒级）。
贵金属催化剂（铂、铱）推高成本
优缺点：
优点：高效率（80%以上）、高压产氢（可达70MPa）、适应波动电源（如风电光伏）。
缺点：高成本、膜和催化剂依赖进口，寿命较短（2-5万小时）。
应用：加氢站、分布式能源系统。
3. 固体氧化物电解槽（Solid Oxide Electrolyzer, SOEC）
原理：高温（700-1000°C）下，H₂O或CO₂被还原为H₂CO。
SOEC电解池：电解质、阴极和阳极是SOEC电解池的核心组成部分，直接影响着SOEC设备的工作性能和工作效率。1、电解质电解质的性质决定了SOEC的技术路线和阴、阳极材料的选择（高温下热膨胀系数需保持一致）。电解质的主要作用是将在阴极产生的氧离子传导至阳极，阻隔电子电导，并防止阴阳极产生的氢气和氧气相互接触。因此，电解质层需要有极高的离子传导率和极低的电子传导率。为了防止阴极的氢气渗透进入阳极，电解质层的气密性必须高。此外，为了减少电解池的欧姆损失，电解质层的厚度要尽可能减小。电解质材料通常选用导电陶瓷材料。在800—1000°C的高温运行环境下，常用的电解质材料有钇稳定的氧化锆（YSZ）和钪稳定的氧化锆（ScSZ）。由于氧化锆YSZ即可以提供优良的氧离子电导率，相比ScSZ又具备一定的成本优势，已经成为了最常用的电解质材料。在600—800°C的中温运行环境下，镧锶镓镁（LSGM）、钐掺杂的氧化铈（SDC）和钆掺杂的氧化铈也是较为常用的电解质材料。2、阴极阴极是原料水分解的场所，并提供电子传导通道。这要求阴极材料具有良好的电子导电率、氧离子导电率和催化活性，以确保反应的顺利进行。与此同时，由于阴极需要和高温水蒸气直接接触，阴极材料需要在高温高湿下具备化学稳定性。材料还必须具备合适的孔隙度，保证电解所需水蒸气的供应和氢气产物的输出。由于在高温下，热膨胀系数不匹配会导致过高的机械应力，最终使材料破碎。因此，阴极材料必须和电解质材料具有类似的热膨胀属性。阴极材料通常选用金属陶瓷复合材料。镍、钴、铂、钯都满足SOEC对阴极材料的要求。镍的成本较低，对水的分解反应具有良好的催化活性，用镍和YSZ制造的金属陶瓷复合材料成为了最常用的阴极材料。使用YSZ和镍作为阴极材料，可以使阴极的热膨胀系数接近以YSZ为主要材料的电解质，保持SOEC的机械稳定性。YSZ还可以提高界面的电化学反应活性，确保SOEC的工作效率。3、阳极阳极是产生氧气的场所。阳极材料必须要在高温氧化的环境下保持稳定。与此同时，为了确保氧气的顺利生成，阳极材料必须具备优良的电子导电率、氧离子导电率和催化活性；材料必须采用多孔结构，便于氧气的流通。最后，为了保持高温下的机械稳定，阳极材料的热膨胀系数也必须和电解质相匹配。使用钙钛矿氧化物制备的导电陶瓷材料是目前最常用的阳极材料。其中，掺杂锶的锰酸镧（LSM）的化学催化活性高，和YSZ电解质的热膨胀系数接近，是其中最具代表性的材料之一。

结构特点：
陶瓷电解质（如YSZ）和耐高温电极（如Ni-YSZ阴极）。
可利用外部余热，电耗低（效率可达90%）。
优缺点：
优点：超高热电效率、可共电解H₂OCO₂生产合成气。
缺点：材料退化快（热循环易开裂）、启动慢、成本高（处于示范阶段）。
应用：与核能、工业废热耦合的绿氢合成燃料生产。
4. 阴离子交换膜电解槽（AEM Electrolyzer）
原理：OH⁻通过阴离子交换膜传导，结合碱性环境与非贵金属催化剂。
AEMWE装置的主要部件包括AEM、电催化剂、气体扩散层(GDL)、集流器和夹具（极框）。AEMWE的基本工作原理如下
在1.8-2.5 V电压的驱动下，该装置通过电化学将水分解，产生氧气和氢气。AEM分离阳极和阴极，防止氢和氧的混合。氢气在阴极通过析氢反应(HER)产生，而氧气在阳极通过析氧反应(OER)产生。通常，电解液被泵入阳极室，为OER提供反应物，同时通过循环除去产生的氧泡。在外加电位的驱动下，电子被注入阴极电催化剂的表面，在那里发生HER。同时，OH阴离子向阳极迁移，在OER电催化剂表面发生反应，形成OH*和OOH*中间体。因此，电解槽的传质、电子传递、反应动力学和合理的热管理是提高电解速率的关键。
AEMWE器件中的两个半电池反应和整个电池反应可以描述
根据上述方程，重要的是要指出，在HER过程中，水解离发生在阴极，并且与相对较大的过电位有关。
结构特点：
类似PEM的固态结构，但使用镍铁基催化剂，成本较低。
优缺点：
优点：潜在低成本、适应波动电源（研发中）。
缺点：膜稳定性差、寿命短（尚未商业化）。
应用：未来可能替代碱性PEM，适用于中小规模制氢。
三、技术对比
类型    效率    工作温度    成本    动态响应    应用场景
碱性（AEL）    60-70%    70-90°C    低    慢    大规模工业制氢
PEM    70-85%    50-80°C    高    快    加氢站、可再生能源耦合
SOEC    85-95%    700-1000°C    极高    慢    高温工业核能制氢
AEM（研发中）    60-75%    50-80°C    中（预期）    中    分布式制氢（未来）
注：SOEC效率含热能输入。
四、发展趋势
PEM：降低铱铂用量，开发超薄复合膜。
SOEC：提升材料耐久性，探索与光热核能结合。
AEM：优化膜化学稳定性，推动商业化。
ALK碱性电解槽：向高压（5MPa以上）和常压电解槽（没有液位要求）模块化发展根据需求选择技术：大规模稳定制氢可选碱性；需快速响应和高纯度则选PEM；高温余热丰富时SOEC潜力大。