PEM电解槽的典型系统设计和配套设施

研究报告节选:

碱性电解槽优点是技术成熟、造价低：1）技术成熟：碱性电解槽诞生于 1800 年，最初被用作生产氨，1945 年 Lonza 使用碱性电解槽生产氯并同时生产出工业副产品氢气，至今碱性电解槽已发展超过 200 年，技术成熟。2）造价低：因为碱性电解槽的生产材料不涉及贵金属，所以其造价较便宜，根据车百智库，国产碱性电解槽售价约 2000-3000 元/kW，约为 PEM 电解槽售价的 1/5；进口碱性电解槽售价约 6000-8000 元/kW，约为 PEM 电解槽售价的 1/2。 碱性电解槽缺点为转换效率较低、能耗较高且需要稳定电源：1）转换效率较低：碱性电解槽使用非贵金属催化剂，所以反应速率慢。根据车百智库，碱性电解槽系统转化效率约 60%-75%，相对于 PEM 电解槽 70%-90%、SOEC 电解槽 85%-100%的转化效率处于较低水平，提升电流强度可以提升转化效率但能耗则相应提升；2）能耗较高：根据车百智库，碱性电解槽单位能耗约 4.5-5.5 kWh/Nm3，相较于 PEM 电解槽 3.8-5.0 kWh/Nm3、SOEC 电解槽 2.6-3.6 kWh/Nm3 碱性电解槽在能耗方面不占优势。3）碱性电解槽启停时间较慢，根据车百智库，碱性电解槽额定功率最低 15%，因此需要稳定的电源供应，否则难以适应可再生能源的电量频繁变化。 质子交换膜电解水制氢（PEM）效率虽高但成本较高 PEM 电解槽结构与碱性电解槽类似，但反应原理不同：PEM 使用 Nafion 膜作为固态电解质，使用薄膜电极组件（膜电极）形成零极间距。膜电极的核心为质子交换膜（隔膜），阳极催化剂和阴极催化剂通过化学镀或者热压的方法附着在隔膜两侧。Nafion 膜在水浸泡下呈强酸性，目前通常采用全氟磺酸（PFSA）膜作为质子交换膜。PEM 电解过程简单，去离子水只需进入电解槽阳极侧，通电后，膜电极阳极侧产生氧气和氢离子，氢离子直接或者以水合状态到达阴极侧产生氢气。PEM 电解槽反应链式如下：