綠氫生產(chǎn)的關(guān)鍵在于采納高效能的電解水制氫技術(shù)。在這一過程中，水分子在直流電流的作用下，會經(jīng)歷電化學(xué)轉(zhuǎn)化，于電解槽的陰極析出氫氣，同時(shí)在陽極生成氧氣。依據(jù)其運(yùn)作機(jī)理及所采用的電解質(zhì)差異，電解水制氫技術(shù)可被細(xì)分為四大類別：堿性電解水技術(shù)（ALK）、質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)（PEM）、高溫固體氧化物電解水技術(shù)（SOEC），以及固體聚合物陰離子交換膜電解水技術(shù)（AEM）。這些技術(shù)各展所長，共同推動著綠氫生產(chǎn)的進(jìn)步與發(fā)展。
堿性電解水技術(shù)（ALK）：
作為電解水領(lǐng)域的先驅(qū)，至今仍保持著其技術(shù)上的成熟與領(lǐng)先地位。該技術(shù)的基本原理簡明扼要：通過向兩個電極間施加直流電，并利用隔膜有效隔離陰陽兩極，促使在陽極處，氫氧根離子（OH-）經(jīng)歷氧化反應(yīng)析出氧氣；而在陰極，氫離子（H+）則通過還原反應(yīng)生成氫氣。在實(shí)踐應(yīng)用中，常選用具有高比表面積的鍍鎳鋼板或鎳銅鐵合金作為陽極催化劑，其表面還常負(fù)載有錳、鎢及釕的氧化物，以進(jìn)一步增強(qiáng)催化效果。作為電解液，通常采用濃度為30%的氫氧化鉀（KOH）或氫氧化鈉（NaOH）溶液。至于陰極，則多選用鍍有高比表面積鎳或鎳鈷合金的鋼材作為催化劑。在運(yùn)作過程中，電解槽所需電壓通常維持在1.9伏特至2.6伏特之間，確保了技術(shù)的高效與穩(wěn)定。
堿性電解水技術(shù)（ALK）
盡管堿性水電解技術(shù)已相當(dāng)成熟地應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，但其固有的局限性亦不容忽視。首要問題在于效率低下，即便配置了隔膜以隔離陰陽極，陽極產(chǎn)生的氧氣仍會不可避免地滲透到陰極，并在那里重新被還原為水，這一過程不僅損耗了電能，降低了電解效率，而且滲入的氧氣還構(gòu)成了不容忽視的安全風(fēng)險(xiǎn)。其次，該技術(shù)的電解器受限于電流密度的提升，這主要是由于液體電解質(zhì)與隔膜的存在，使得電解器難以承受高電流密度的運(yùn)行環(huán)境。再者，采用液體電解質(zhì)還意味著在高壓條件下運(yùn)行面臨挑戰(zhàn)，這無疑增加了運(yùn)行管理的復(fù)雜度。盡管如此，堿性電解水技術(shù)憑借其相對較低的應(yīng)用成本，依然在工業(yè)領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位。
質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)（PEM）
質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)（PEM）以其低能耗與設(shè)備緊湊的特性脫穎而出，特別適應(yīng)于可再生能源電力的接入。然而，它亦面臨電解槽壽命相對較短及初期設(shè)備成本高昂的難題。PEM的工作原理簡而言之：在陽極，水分子被分解為氧氣與質(zhì)子，質(zhì)子隨后穿越質(zhì)子交換膜（即固體聚合物電解質(zhì)）抵達(dá)陰極，最終在陰極被還原成氫氣。PEM技術(shù)的誕生得益于質(zhì)子交換膜的革新，它成功地將陰陽極間距縮短至幾百乃至幾十微米，極大程度地削減了離子遷移過程中的能耗。盡管PEM電解水的運(yùn)行槽壓大致維持在2.0伏特左右，并未實(shí)現(xiàn)大幅度下降，但其工作電流密度卻遠(yuǎn)超堿性電解水技術(shù)，從而在總體能耗降低方面展現(xiàn)出更強(qiáng)的競爭力。
質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)（PEM）
高溫固體氧化物電解水技術(shù)（SOEC）
固體氧化物水電解技術(shù)，亦稱高溫水電解技術(shù)，憑借其高溫作業(yè)環(huán)境，顯著提升了催化劑的活性，進(jìn)而大幅度降低了水分解過程中的能耗，其效率之高，可達(dá)90%的驚人水平。除了能耗低的顯著優(yōu)勢外，該技術(shù)還因采用固態(tài)電解質(zhì)而獨(dú)具魅力，這一特性極大地減輕了腐蝕問題的困擾，與PEM電解水技術(shù)有異曲同工之妙，使得對流體的分布與管控要求相對寬松。在具體實(shí)施上，該技術(shù)可借鑒高溫燃料電池體系的成功經(jīng)驗(yàn)。誠然，高溫水電解技術(shù)需要額外能量來維持其高溫運(yùn)行狀態(tài)，這無疑增加了整體能耗。但若能獲得合適的熱源，這一電解水技術(shù)無疑將展現(xiàn)出極為誘人的應(yīng)用前景。
高溫固體氧化物電解水技術(shù)（SOEC）
陰離子交換膜電解槽 （AEM）
德國Evonik工業(yè)公司依托其領(lǐng)先的氣體分離膜技術(shù)，創(chuàng)新研發(fā)了一種專有的聚合物材料，專為AEM電解槽設(shè)計(jì)。目前，該材料正處于中試階段，以擴(kuò)大膜的生產(chǎn)規(guī)模，并即將進(jìn)入系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證及電池規(guī)格提升的關(guān)鍵階段，同時(shí)籌劃進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。
然而，AEM電解槽的發(fā)展之路并非坦途，當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)包括缺乏高導(dǎo)電性、耐堿性的AEM材料，以及貴金屬電催化劑導(dǎo)致的高昂制造成本。此外，電解槽薄膜中CO2的滲入會削弱膜與電極的電阻，進(jìn)而降低電解效率。
展望未來，AEM電解槽的發(fā)展將聚焦于以下四大方向：一是研發(fā)兼具高導(dǎo)電率、優(yōu)異離子選擇性和長期堿性穩(wěn)定性的AEM材料；二是攻克貴金屬催化劑成本高昂的難題，開發(fā)高效且不含貴金屬的催化劑；三是設(shè)定AEM電解槽的目標(biāo)成本為每平方米20美元，通過采用廉價(jià)原材料和簡化合成步驟，力求大幅降低合成成本，進(jìn)而降低整體制造成本；四是有效減少電解槽內(nèi)的CO2含量，以提升電解性能。
總結(jié)
四種電解水技術(shù)在材料、性能、效率和成本上各有千秋。國內(nèi)堿性電解槽技術(shù)成熟，產(chǎn)業(yè)鏈完善，成本下降，市場應(yīng)用廣泛，尤其在大型綠氫項(xiàng)目中表現(xiàn)突出。PEM電解槽方面，國內(nèi)供應(yīng)鏈尚待加強(qiáng)，但政策支持和市場回暖將吸引更多企業(yè)加入，推動工藝進(jìn)步和成本降低。目前，國內(nèi)堿性制氫裝備企業(yè)超百家，PEM制氫裝備企業(yè)超三十家，雙線布局被視為穩(wěn)妥策略。SOEC和AEM作為新興技術(shù)，潛力巨大，是未來研發(fā)重點(diǎn)，目前仍處于基礎(chǔ)材料研發(fā)階段。
（來源氫能科研助手）
