电解水制氢工艺和工厂设计（附五种制氢成本测算及工艺）

六种电解水制氢方式的工作原理图

六种制氢成本的比较

电解水制氢三种技术路线对比表

碱性水电解制氢：碱性水电解制氢技术是一种成熟的制氢方法，其电解槽的核心组件是隔膜，通常由石棉制成，要作用是分离氢气和氧气。电解槽的电极主要由金属合金构成，例如镍钼（Ni-Mo）合金，这些电极在电解过程中催化水分子分解，生成氢气和氧气。

工业应用中，碱性水电解槽使用的电解液一般是20%至30%质量分数的氢氧化钾（KOH）溶液。操作条件包括温度控制在70至95摄氏度，工作电流密度大约为0.25安培每平方厘米，产生的气体压力范围在0.1至3.0兆帕。整个系统的效率大约在62%到82%之间。

尽管碱性水电解制氢技术具有技术成熟、投资和运行成本较低的优势，但它也面临着一些挑战，如电解液的流失、设备的腐蚀问题以及相对较高的能耗。目前，国内外研究者正致力于开发更高效的碱性水电解槽制氢设备，以解决这些问题并推动该技术的发展。

质子交换膜水电解制氢：与传统的碱性水电解制氢技术不同，质子交换膜（PEM）水电解制氢技术采用了全氟磺质子交换膜作为其核心组件。这种膜不仅具有出色的化学稳定性和质子传导性，还能有效分离气体，从而提高电解槽的安全性，防止电子直接传递。
在PEM水电解槽的设计中，关键部件包括质子交换膜、催化层、气体扩散层和端板。这些部件共同构成了一个完整的膜电极组件，负责物料传输和电化学反应。具体来说：
- 质子交换膜：位于中心，负责传导质子并隔离氢气和氧气。
- 催化层：紧贴质子交换膜，含有高效催化剂，促进水分子在阳极的氧化反应和阴极的还原反应。
- 气体扩散层：位于催化层两侧，确保气体和液体的有效传输，同时提供机械支撑。
- 端板：最外层，为电解槽提供结构稳固性。
膜电极组件的特性和结构设计对PEM水电解槽的整体性能和使用寿命至关重要。通过精心设计这些组件，可以显著提升电解效率，降低能耗，并延长电解槽的使用寿命。

高温固体氧化物水电解：不同于碱性水电解和 PEM 水电解，高温固体氧化物水电解制氢采用固体氧化物为电解材料，工作温度 700～1000℃，制氢过程电化学性能显著提升，效率更高。SOEC 电解槽电极采用非贵金属催化剂，阴极材料选用多孔金属陶瓷 Ni/YSZ，阳极材料选用钙钛矿氧化物，电解质采用 YSZ 氧离子导体，全陶瓷材料结构避免了材料腐蚀问题。高温高湿的工作环境使电解槽选择稳定性高、持久性好、耐衰减的材料受到限制，也制约 SOEC 制氢技术应用场景的选择与大规模推广。目前 SOEC 制氢技术仍处于实验阶段。国内中国科学院大连化学物理研究所、清华大学、中国科技大学开展了探索研究。国外 SOEC 技术研究集中在美国、日本和欧盟，主要机构包括三菱重工、东芝、京瓷、爱达荷国家实验室、Bloom Energy、托普索等，研究聚焦在电解池电极、电解质、连接体等关键材料与部件以及电堆结构设计与集成。

煤制氢：

天然气制氢：

焦炉煤气制氢：

氯碱副产物制氢：

轻烃裂解制氢：综合成本

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