电解槽技术 电解水的原理很简单，但可以在各种物理化学和电化学基础上完成多种技术变化。电解槽通常分为四种主要技术，这几种技术是根据电解质和操作温度来区 分的，反过来又可以指导不同材料和部件的选型。市场上可购买的各种电解电池的原理如下图所示。每种技术又可以有多种变化， 大多数根本性差异在于电池设计、组件内部变化和技术成熟程度。
一、电解槽分类：
目前有四类电解质：碱性和质子交换膜（PEM）已经商业化，而阴离子交换膜 （AEM）和固体氧化物目前仍处于实验室阶段，有望能取得很大进展。
不同类型的具备商业化前景的电解技术：
四种电解槽原理示意图
固体氧化物和阴离子交换膜（AEM）有很大的潜力，但技术还不够成熟，只有 少数公司和原始设备制造商（OEM）参与了其制造和商业化。这些企业大多位 于欧洲。
因此，水电解电池的基本原理是由被电解质隔离的两个电极组成。电解质是指负责将产生的化学电荷（阴离子（-）或阳离子（+））从一个电极传输到另一个电极的介质。在碱性电解槽中，负责传输 OH-阴离子的电解质通常是高浓度氢氧化钾溶液。电极和产生的气体在物理上被浸入到 KOH 溶液的多孔无机隔膜 （也称为分隔膜）分开。
在 PEM、AEM和固体氧化物电解槽中，电极被电子绝缘性固体电解质分开，该电解质负责将离子从一个电极传输到另一个电极，同时也对产生的气体进行物理隔离。因为离子传输发生在 PEM、AEM或固体氧化物的组件内部，所以不需要添加液体电解质溶液进行传输。
下表总结了四类电解槽的运行条件和最重要的组件。着色单元格内的条件或成分因制造商或研发机构不同而有显著差异。同时也表明技术不太成熟，尤其是 AEM 和固体氧化物类型。
碱性电解槽电堆和系统设计简单，制造相对容易。目前，单体电极面积最大可达3平方米（m²）。这类电解槽使用高浓缩 KOH（通常为每升溶液 57 摩尔溶质[mol*L-1]）作为电解质，采用坚固的 ZrO2 基隔膜，以及电极使用镀镍（Ni）不锈钢。电荷载体为羟基离子 OH-，KOH 和水可透过隔膜的多孔结构， 触发电化学反应。所生成的气体（氢和氧-H2 和 O2）混合溶于电解质，限制了较低的功率运行范围和较高压力水平下的运行能力。为打破相关限制，可使用更厚（0.252毫米[mm]）的隔膜，但这会增加电阻和降低效率。一些制造商有时会在电极和隔膜之间安装垫片，进一步避免气体混合。这些厚隔膜和新增加的垫片在两个电极上形成了高欧姆电阻，导致给定电压下电流密度大幅降低。当前的先进设计，采用零间隙电极、更薄的垫片和不同的电催化剂等方案增加电流密度，缩小了与 PEM技术的性能差距。另碱性电解槽的设计经典和稳定，运行非常可靠，使用寿命在30年以上。
该类电解槽采用 PFSA 薄膜（0.2 mm）和效率更 高的高级结构电极（即电阻更低）。全氟磺酸（PFSA）膜在化学和机械方面也很稳定，可以承受高压力差。因此，PEM 电池可以实现氧气侧在正常大气压力下工作，而另外一侧给与高达 70bar 的气压差。PFSA 膜提供的酸性环境，加上阳极侧的高电压和氧气释放形成了恶劣的氧化环 境，需要使用能够耐受这些条件的材料。目前，有必要采用钛基材料、贵金属催化剂和保护镀层，不仅是为了给电池组件提供长期的稳定性，而且是为了提供最佳的电导率和电池效率。这些要求使 PEM 堆的成本远远高于碱性电解槽。虽然 PEM 采用了一种最紧凑和最简单的系统设计，但对铁、铜、铬和钠等水 质非常敏感，导致受到腐蚀。目前，单电极面积正迅速接近2000平方厘米（cm ²），但距离达到未来使用单体大型兆瓦级电堆设备仍然很远。最重要的一点是，大规模兆瓦级 PEM 电堆的可靠性和使用寿命特性仍有待验证。不同技术面临不同的挑战，从稀有材料到性能、耐用性和成熟度都有不同的挑战；没有一种技术能适用于所有应用，这就为技术竞争和创新打开了大门， 而推动成本下降。
这类电解槽在高温（700-850℃）下工作。优点是有利的动力学条件，使用相对便宜的镍电极成为可能；减少了电力需求，部分用于分解水的能量可通过热能获得（可以利用余热，基于电力计量的表观效率可以高于 100%）；可逆性潜力（作为燃料电池和电解槽工作），二氧化碳和水同步电解生成合成气。缺点是：热化学循环会加快劣化和缩短使用寿命，特别是在停机/启动期间。导致电堆性能下降的其他问题还包括：高气压差下的密封难题；使用二氧化硅作为密封剂造成电极污染；以及其他来自管道、连接件和密封的污染源。目前 SOEC部署仅限于kW级别， 也有一些示范项目已经达到1 MW。
这是一项最新的技术，目前只有少数几家公司正在进行商业化推广，且落地项目很少。AEM 的潜力在于避免了碱性电解槽的恶劣碱性运行环境，并与 PEM 电解槽的简单高效特性相结合。这类电解槽可以使用非贵金属催化剂、不含钛组件，同 PEM 一样可在差压下工作。事实上 AEM 膜存在化学和机械稳定性问题，导致电解槽使用寿命不稳定。另由于 AEM 电导率低、电极结构差、催化剂动力学缓慢等原因，所以性能也不如预期的理想。一般电解质性能可通过调整 AEM 膜的电导率性能或增加支持电解质（如 KOH 或碳酸氢钠[NaHCO3]）方法得到提高。然而，如此调整可能会降低电解槽的耐用性。本质上，OH-离子比 PEM内部的 H+质子慢三倍（电导率低）， 因此 AEM 开发商需要制造出更薄的或具有更高电荷密度的 AEM 电解质膜。
关于深圳瑞麟科技：
深圳市瑞麟科技有限公司成立于2008年，是一家专注于绿色清洁能源领域研究的高科技公司。公司一直秉承创新为本、人才为先的理念，多年来与世界一流工业气体设备公司合作，专注于高端制氢设备研发和氢能综合解决方案，取得了数十项发明专利、专著，并在欧洲设立研发中心，同时与浙江工业大学等科研机构成立联合实验室进行科研攻关。公司拥有外国专家团队5人和国内杰出科学家团队博士、硕士10余人组成的研发团队；25年以上的水电解制氢行业专家技术团队20余人。
瑞麟科技对碱性槽和PEM制氢技术的理解和掌握都处于世界领先地位，目前瑞麟已自主研发生产出单体500Nm3/h碱性高度集成制氢设备，设备电流密度是同行的2~3倍，同等功率下设备体积是同行的四分之一、从5%~110%动态响应时间在10秒以内；并具备500-1000Nm3/h PEM制氢设备的设计和生产能力。截止目前已为国内外50多家客户提供了不同规格型号的碱性电解制氢和PEM制氢设备。
原文始发于微信公众号（深圳市瑞麟科技有限公司）：电解制氢的种类以及电解槽和系统的核心结构
