作为一种绿色低碳的清洁能源，绿氢在电解水制造过程不会排放温室气体，只会消耗可再生能源。尤其在碳排放方面，与传统石化燃料制氢相比优势明显。随着关键材料的深入研发和性能提升，质子交换膜（PEM）水电解制氢已经成为了生产绿氢的重要手段。

常见的水电解制氢技术

1）碱性电解器

碱性水电解是最早实现商业化的氢气生产技术，电解槽主体由双极板，阴阳电极，隔膜以及密封组件构成，由紧固螺杆和端压板压装成一体。一般采用氢氧化钾，氢氧化钠为电解溶液，早期使用石棉作为隔膜材料分隔气体，由于石棉纤维对人体肺部的伤害逐渐被淘汰，目前更多采用PPS材料。阴阳电极较多采用镍基合金材料。由于不需要使用贵金属，是经济且成熟的制氢路线，目前国内已经出现兆瓦级别的制氢应用。缺点是效率较低，能耗较高，腐蚀性强，需要对电解出来的气体进行脱碱处理。

2）固体氧化物电解器

高温固体氧化物电解水制氢技术最大特点是采固体氧化物作为电解质材料，阳极材料采用钙钛矿氧化物制成，阴极选用金属陶瓷复合材料，全陶瓷材料结构不仅耐腐蚀，还可以承受800℃以上的工作高温，有效提升增强催化剂的活性，降低水分解的能耗，产氢效率可高达到90%。SOEL电解池使用主要技术瓶颈集中在高温下运行的能耗以及使用寿命问题。此外，湿热的环境对于电解槽材料的选择要求苛刻，初期投入和后期维护成本都较高，商业化程度上落后于AEL和PEMEL。

3）质子交换膜电解器

也叫膜分离电解技术，固体电解质采用很薄的全氟磺酸膜，良好传导质子性能可以帮助获得明显高于AEL和SOEL的电流密度。气体渗透率方面相比石棉膜优势明显，不会出现交叉渗透气体的弊端，生产出的氢气纯度更高。此外，PEMEL紧凑的结构不仅可以有效降低电解池阻抗，还能够承受一定压力，已经在储能，风电，加氢站等诸多领域逐渐得到广泛应用和推广，未来研究的重点主要集中在降低投入和运行成本，降低贵金属催化剂的载量等方面。

PEMEL的结构和工作原理

电堆组件主要包括膜电极(MEA)，两端的双极板以及密封件等。膜电极由阴阳扩散层、阴阳催化层以及质子交换膜构成，其中PEM是膜电极的核心部件，负责传导质子并将氢气和氧气隔离开来。多孔结构的气体扩散层可以让催化层和双极板之间的物质传输通畅，高传递效率可以节省催化剂的消耗。双极板除了为气液和电子提供传输通道，还对膜电极形成支撑，保证证结构的稳定。PEMEL的运行过程和PEMFC刚好相反，首先通过水泵将水供给到阳极端，施加直流电将水分解，发生氧化反应生成氧气和氢离子，称为析氧反应(OER)。接着氧气离开装置，氢离子则穿过离子交换膜到达阴极端，发生还原反应生成氢气，称为析氢反应(HER)。由于阳极会产生大量的H+形成强酸，因此对材料的耐腐蚀性能要求很高。制氢系统一般需要多个此类单电池叠堆组合构成大容量的水电解池，可以通过连接双极板阴极和阳极实现不同电池之间的串联，如果单级结构也可以进行并联布局。

质子交换膜水电解制氢的发展前景

目前国内PEM电解水技术正处于产业化阶段，氢气的使用场景越来越丰富。随着越来越多加氢站，储能等大型氢能示范项目的落地，规模化的应用提升氢能的装备水平的同时降低了PEMEL制氢的整体成本。很多关键材料和制造工艺可以直接借助燃料电池技术，这是电解池成本能够大幅降低的重要原因。近些年风、水、光等新兴能源发展迅速，富余的可再生能源引入发电可以助力氢能市场取得规模更大的发展，PEMEL方案自身快速启停优势也可以弥补可再生能源发电的波动问题。尽管电解水制氢潜力巨大，未来在氢能产业链的整体布局上还需要充分考虑运输，储存，新能源供给等方面协同发展，结合新能源资源分布以及传输渠道条件，尽可能降低营运成本。此外，电堆系统的技术研发和升级同样重要，比如电极材料广泛使用的贵金属催化剂价格昂贵，通过降低贵金属载量或者寻找替代品来减少用量可以大幅降低MEA的原料成本。膜技术开发中需要在传导率，气体渗透以及机械性能方面寻求平衡，在此基础上减小膜的厚度。对于气体扩散层的孔隙数量和孔径方面进行微观研究和优化以提升整体电解池效率。未来质子交换膜（PEM)在电解水制氢技术的开发重点应当集中在高成本组件上，从而获得更大的发展空间。