PEM 水电解制氢膜电极解析

水电解制氢是指水分子在直流电作用下被分解成氧气和氢气，分别从电解槽阳极和阴极析出。

在技术层面，电解水制氢主要分为碱性水电解（AWE）、质子交换膜水电解（PEMWE），固体聚合物阴离子交换膜（AEMWE）水电解、固体氧化物（SOEC）水电解，其相关特性见表1：

表1 主要水电解方式指标对比*

*引自中国科学院洁净能源创新研究院

PEMWE制氢电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极集流层、阴阳极端板等（如图1）。

其中催化层和质子交换膜组成膜电极，是整个电解槽物料传输以及电化学反应的主场所，膜电极特性与结构直接影响PEMWE电解槽的性能和寿命。

相比其他电解水技术，PEMWE能在高电流密度下工作，体积小、效率高，生成的氢气纯度可高达99.9999%，并且PEMWE能够实现较宽功率的负载（5~200%），与可再生能源发电系统耦合性好。

因此，PEMWE是极具发展前景的绿色制氢技术路径。目前，PEMWE的瓶颈环节在于成本和寿命。

电解槽成本中，双极板约占28%，膜电极约占72%（100MW）。PEMWE国际先进水平为：单电池性能为2 A·cm–2@1.9 V，总铂系催化剂载量为 2~3 mg/cm2 ，稳定运行时间为 4×104 ~8×104 h，制氢成本约为每公斤氢气3.7 美元。

降低 PEMWE成本的研究集中在以催化剂、质子交换膜为基础材料的膜电、双极板等核心组件。

过去10年全球加速推进可再生能源PEM电解水制氢示范项目建设，示范项目数量和单体规模呈现逐年扩大的趋势。

PEM水电解制氢已迈入10 MW级别示范应用阶段，100 MW级别的PEM电解槽正在开发，NEL-Proton、SIEMENS、ITM Power等公司在技术与装备制造方面处于领先。

美国、欧盟是全球发展P2G的重点地区，且制定了详细发展规划。

2014年欧盟提出PEM水电解制氢技术发展目标：第一步开发分布式PEM水电解系统用于大型加氢站，满足交通用氢需求；第二步生产10、100、250 MW的PEM电解槽，满足工业用氢需求；第三步开发满足大规模氢储能需求的PEM水电解制氢系统。

2015年SIEMENS、Linde Group等公司在德国美因茨能源园区投资建设全球首套MW级风电PEM水电解制氢示范项目，氢气供应当地加氢站、工业企业，富余氢气直接注入天然气管网。当可再生电力价格低于3欧分/kWh，项目启动PEM水电解制氢设备，反之上网发电。炼油、化工、钢铁等碳密集型行业也是PEM水电解制氢的重要应用场景。

膜电极性能除了受催化剂性能影响之外，膜电极制备工艺对性能也有较大影响。根据催化层支撑体的不同，膜电极制备方法电化学沉积法、转印法（CCS）和直涂法（CCM）。

电化学沉积法是将贵金属前驱体还原至质子交换膜的两侧，CCS法将催化剂活性组分直接涂覆在转印膜上，通过热压转印至质子交换膜两侧，而CCM法则将催化剂活性组分直接涂覆在质子交换膜两侧。

与CCS法相比，CCM法催化剂与膜结合力更好，降低膜与催化层间的质子传递阻力，是膜电极制备的主流方法。在CCS法和CCM法基础上，发展了喷涂法及涂布法成为研究热点并具备应用潜力（表2）。

新制备方法从多方向、多角度改进膜电极结构，克服传统方法制备膜电极存在的催化层催化剂颗粒随机堆放，气体扩散层孔隙分布杂乱等结构缺陷，改善膜电极三相界面的传质能力，提高贵金属利用率，提升膜电极的电化学性能。

表2 膜电极制备方法对比