碱性电解水制氢的工作原理和特点

碱性电解水制氢的工作原理和特点

碱性电解水制氢（ALK）是一种成熟且成本较低的制氢技术，但同时也存在电阻大、体积大、启停慢、维护成本高等问题。本文将详细介绍碱性电解水制氢的工作原理、装置结构及其与质子交换膜（PEM）电解水制氢技术的对比。

碱性电解水制氢的工作原理

碱性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。电解过程以KOH、NaOH水溶液为电解液，在阳极和阴极分别发生以下化学反应：

• 阴极：2H2O + 2e- → H2↑ + 2OH-
• 阳极：4OH- → O2↑ + 2H2O + 4e-

碱性电解水制氢的阴极和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，在直流电的作用下将水电解生成氢气和氧气。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0.20.8A/cm2，产生气体压力为0.13.0MPa，总体效率为62%-82%。

三一氢能碱性电解槽

碱性电解水制氢与PEM电解水制氢的对比

1. 成本对比

• 碱性电解槽的售价相对便宜，现状约为150~250万/MW。
• PEM电解水设备的售价较高，约600-1000万/MW，甚至更高。

2. 技术成熟度

• 碱性电解水制氢技术在20世纪中期就实现了工业化，技术非常成熟。
• PEM电解水技术则相对较新，目前正处于示范验证阶段。

3. 使用寿命

• 碱性电解槽的使用寿命可达20年左右。
• PEM电解槽的寿命一般为2~3年，大标方产品普遍还未得到实际工程案例的验证。

4. 水质要求

• 碱性电解槽对水质的要求较为宽容，电导率一般达到10us/cm即可。
• PEM电解槽对水质要求更严格，电导率需要达到1us/cm。

5. 电耗和体积

• 两种方式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。
• PEM由于电流密度较高，设备体积相对较小。

6. 运行特点

• 碱性电解槽启动准备时间长，负荷响应慢，必须保持阳极和阴极两侧压力均衡。
• PEM电解槽运行更为灵活，更适合与可再生能源配合。

三一氢能的技术创新

针对碱性电解槽的行业痛点，三一氢能进行了多项技术创新：

• 升级双极板和垫片制造工艺
• 采用新型流道设计
• 搭载高性能电极和PPS隔膜
• 提升槽体运行可靠性、安全性和经济性
• 运行负荷范围扩大到30%～110%
• 直流电耗降低至≤4.4kWh/Nm3

这些创新措施有效提升了碱性电解水制氢技术的竞争力，使其在成本、性能和可靠性方面都有了显著提升。