碱性电解水制氢的工作原理和特点

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碱性电解水制氢的工作原理和特点

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https://www.htech360.com/a/38148

碱性电解水制氢技术是目前最成熟、成本最低的制氢方法之一，但同时也存在一些技术挑战。本文将为您详细介绍碱性电解水制氢的工作原理、装置结构以及与PEM电解水制氢技术的对比分析。

碱性电解水制氢的工作原理

碱性(ALK)电解水制氢装置主要由电解槽和辅助系统构成，电解槽主要由极框、极板、电极、隔膜、密封、端板等组成。其工作原理是使用KOH、NaOH水溶液作为电解液，在直流电的作用下将水电解生成氢气和氧气。

在电解过程中，阳极和阴极分别发生以下化学反应：

阳极: 4OH- = 2H2O + O2 + 4e-

阴极：4H2O + 4e- = 2H2 + 4OH-

碱性电解水阴极、阳极主要由金属合金组成（如Ni-MO合金等），采用多孔膜作为隔膜。产出的气体需要进行脱碱雾处理。通常碱性电解液的质量分数为20%-30%，电解槽操作温度为70-90℃，工作电流密度约为0.2~~0.8A/cm2，产生气体压力为0.1~~3.0MPa，总体效率为62%-82%。

图：三一氢能碱性电解槽

碱性电解水制氢与PEM电解水制氢技术对比

1. 成本对比

碱性电解水制氢设备售价便宜，现状约为150~250万/MW，而PEM制氢机售价约600-1000万/MW，甚至更高。碱性电解槽的技术已经非常成熟，结构简单，操作方便，生产使用的原材料便宜易得，因此整体造价相对便宜。

2. 技术成熟度对比

碱性槽制氢机的技术已经非常成熟，数十年来在各行各业都有着非常多的应用实例。而PEM氢气发生器则是近几年来才开始有商业应用实例，但仍然由于制造材料的昂贵与技术上的限制，还没有得到广泛应用。

3. 寿命对比

碱性电解槽的使用寿命可达20年左右，而PEM电解槽的寿命一般为2~3年。

4. 水质要求对比

碱性电解槽对水质的要求更为宽容，一般要求电导率达到10us/cm即可，而PEM电解槽则要求电导率达到1us/cm。

5. 电耗和体积对比

两种设备的理论每标方氢气电耗基本一致，综合电耗在4.5~5.5度/标方区间。但PEM由于电流密度较高，设备体积较碱性制氢机略有优势。

6. 技术挑战

在液体电解质体系中，所用的碱性电解液(如KOH)会与空气中的CO2反应，形成在碱性条件下不溶的碳酸盐(如K2CO3)，导致多孔的催化层发生阻塞，从而阻碍产物和反应物的传递，大大降低电解槽的性能。碱性电解槽启动准备时间长，负荷响应慢，还必须时刻保持电解池的阳极和阴极两侧上的压力均衡，防止氢氧气体穿过多孔膜混合，进而引起事故。此外，低电密的运行的碱性电解槽较难以与具有快速波动特性的可再生能源配合。