近日，中國華電集團有限公司“華瀚”—200型3.0兆帕單堆兆瓦級質子交換膜(PEM)電解槽在華電青海德令哈0.3萬千瓦光伏發(fā)電PEM電解水制氫示范站實現(xiàn)商業(yè)化應用落地。這標志著中國華電打通了PEM制氫設備在關鍵材料、核心部件、裝置及系統(tǒng)集成方面的產品化通道，并在高海拔、高寒地區(qū)工程應用中得到可靠驗證。

電解水制氫兩種路線并存

根據(jù)生產來源和生產過程中的排放情況，氫能可以被分為灰氫、藍氫、綠氫。其中，綠氫可通過太陽能、風能等可再生能源發(fā)電直接制取，生產過程中基本不產生溫室氣體，是實打實的綠色能源。

綠氫的主要制取方法是電解水制氫。目前，已經實現(xiàn)商業(yè)化應用的電解水制氫技術路線主要有兩種。一種是發(fā)展最早、商業(yè)化應用規(guī)模最大的堿性電解水制氫，另一種則是起步較晚但發(fā)展迅速的PEM電解水制氫。

電解水制氫的基本原理并不復雜。在充滿水的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學反應，被分解成氫氣和氧氣。氫氣聚集在陰極，氧氣聚焦在陽極，隨后可對二者分別進行收集。但由于純水電離度很小，導電性極差，因此，為了提升溶液的導電能力，使水分子能夠順利被電解，水中往往還要加入電解質，來增加離子濃度，提升電解的效率。

目前應用最為廣泛的堿性電解水制氫技術，便是在水中加入氫氧化鈉或氫氧化鉀，使其成為液態(tài)電解質。但這還不夠。在工業(yè)應用中，為了防止生成的氧氣與氫氣發(fā)生混合增加安全風險，降低氫氣收集效率，通常還要在電解質溶液中間插入一個隔膜，從而將生成后的兩種氣體有效分隔，防止混合。這種隔膜上密布著直徑極小的孔洞。它能使電解液穿過隔膜，自由流動，從而氫離子也可以運動到陰極與電子反應產生氫氣，但同時其孔洞的直徑又不足以讓氫氣與氧氣相互滲透，從而起到分隔二者的作用。

堿性電解水制氫工藝相對簡單，適于大規(guī)模生產，但也存在一些缺點。華電氫能事業(yè)部總經理助理王昕向記者介紹，堿性電解水制氫使用的堿性溶液，帶有一定腐蝕性，一旦出現(xiàn)泄漏會對周邊環(huán)境造成一定程度污染。其產生的氣體通常還需要進行脫堿處理，增加了工藝流程。此外，即使有隔膜存在，堿性電解水制氫也無法徹底隔絕氫氣與氧氣的互相滲透，從而導致制氫效率降低。

新裝備匹配新能源

與堿性電解水制氫相比，PEM制氫技術最大的不同在于，PEM制氫使用質子交換膜作為固體電解質替代了堿性電解水制氫中的隔膜和液態(tài)電解質。因此，PEM制氫可以直接使用純水作為電解水制氫的原料，從而避免了潛在的堿液污染和腐蝕問題。

PEM電解水制氫的基本原理是，當PEM電解槽運行時，水分子會在陽極側發(fā)生氧化反應，失去電子，生成氧氣和氫離子。氫離子在電場的作用下，穿過質子交換膜傳導至陰極，并在陰極側發(fā)生還原反應，得到電子生成氫氣。反應后的氫氣和氧氣將通過陰陽極的雙極板收集并輸送。

質子交換膜在其中發(fā)揮著關鍵作用。這種膜不僅可以充當電解質導電，還是一種選擇性透過氫離子的隔膜。其內部有磺酸基團為氫離子的傳輸提供通道，并且其本身是無孔的，因此可以在滿足氫離子傳輸條件的同時具有較高的隔氣性，防止生成的氧氣與氫氣混合。

PEM制氫技術的優(yōu)勢還不止于此。王昕表示，和堿性電解水制氫技術相比，PEM電解水制氫技術具有電流密度大、氫氣純度高、響應速度快等優(yōu)點。尤其是其具備快速啟動停止和快速功率調節(jié)響應的優(yōu)勢。“PEM電解槽的冷啟動時間在秒級，而堿性電解槽的啟動時間則達到幾十分鐘。因此PEM更加適合新能源發(fā)電波動性輸入的特點，能夠與綠電更好地配合。”王昕說。

一個PEM電解槽往往由上百個產氣小室并聯(lián)堆疊而成。王昕介紹，此次研發(fā)的新型PEM電解槽其單小室的活性面積達到了3000平方厘米，遠超此前業(yè)界普遍的1500—2000平方厘米活性面積。“活性面積更大，意味著單個小室的產氣量更大，在總的產氣量不變的情況下，小室堆疊的級數(shù)更少，材料及功耗成本都更有優(yōu)勢，產品高度也更低，便于裝配應用。”王昕說。

此外，該新型PEM電解槽還應用了中國華電自主研發(fā)的分級預緊力壓裝技術。“電解槽是一個個小室堆疊在一起，中間會有一些彈性壓縮的余量。要保證每一層小室內的壓縮量是均勻的，并且在高壓情況下不能泄漏，需要許多工藝上的創(chuàng)新。”王昕表示，得益于分級預緊力壓裝技術，該型PME電解槽在氣密性及泄漏率等方面的測試結果均好于預期以及國標。他表示，接下來研發(fā)團隊還將繼續(xù)完善該型產品供應鏈體系，通過規(guī)模化采購降低成本，進一步提高產品穩(wěn)定性和經濟性。

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