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PEM电解水制氢行业调研

一、电解水制氢的意义
自《巴黎协定》发布以来，全球能源体系正从化石燃料为主向高效、可再生
的低碳能源体系转型。氢气来源广泛，热值高，清洁无碳，可储能、发电、发热，
灵活高效，应用场景丰富，被认为是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再
生能源大规模发展的理想能源载体，备受各国青睐。中国是目前世界上最大的制
氢国，现有工业制氢产能约2500万吨/年，其中煤制氢产能约1000万吨/年，占
比最大，其次是工业副产氢约800万吨/年。化石能源重整制氢技术成熟、规模

大、成本低，但CO2排放量大。
近几年的国际氢能发展热潮，与利用氢能降低碳排放、进一步发展可再生能
源的愿景密切相关，显然化石燃料制氢不能达到预期目标。氢气作为能源载体，
将在全球能源转型中与电力互为补充。水电解制氢被认为是未来制氢的发展方
向，特别是利用可再生能源电解水制氢，具备将大量可再生能源电力转移到难以
深度脱碳工业部门的潜力，成为各国瞄准的方向和攻关重点。
二、电解水制氢的原理
电解水的装置原理图如下图1所示。当施加足够大的电压时，水分子将在阴
极上发生还原反应产生氢气，在阳极上发生氧化反应产生氧气。因此电解水的过
程可以被概括为两个半反应，即：阴极析氢反应和阳极析氧反应。在电解水时，
纯水是弱电解质，其电离程度非常低，导电性比较差，在纯水中加入某些容易电
离的物质，使得电解液的pH值发生变化，水分解的化学反应过程将会受到影响。
（1）在酸性介质中：

+-
阴极反应：2H+2e→H2(g)
+-
阳极反应：H2O(l)→2H+1/2O2(g)+2e
（2）在中性和碱性介质中：

--
阴极反应：2H2O(l)+2e→H2(g)+2OH
--
阳极反应：2OH→H2O+1/2O2(g)+2e

总反应：2H2O(l)→2H2(g)+O2(g)

图1电解水装置原理图
在温度为25℃和一个大气压的条件下，水分解反应的热力学电压E0=1.23V，
然而在实际的电解水过程中，存在着许多的反应阻力，使得实际施加的电压均大
于1.23V。一般地，定义超过1.23V部分的电压为电解水的过电压（η），这部
分η主要用于补偿两个电极和溶液电阻及接触电阻部分所消耗的电能。因此，实
际电解水的电路电压可以用如下方程描述：=1.23+η+η。其中η和η由
EopV+ηacoac
两电极自身的固有活化能垒决定，η则是除两电极以外的因素所产生的能垒值。
o
由于电解水需要较多的电能，考虑到经济效益和能量消耗等因素，在满足电解水
基本的要求下，电解电压越低越好。选用合适的电极材料、提高工作温度、增加
电极表面粗糙程度、增大电极表面与电解液的接触面积等方法可以降低ηa和ηc
值，同时，改变电解水槽的设计参数来改变η数值（主要是电解液的浓度和隔膜
o
的导电性），最后可以使电解水的工作电压适当降低。
三、电解水制氢的关键问题
当前电解水制氢技术主要技术攻关在于如何降低电解过程中的能量损耗及
提高能源的转换效率。从目前研究进展来看，常用商业的碱性电解水制氢方式的

能耗程度约为4.5～5.5kW·h/m3。这一指标与按照热力学原理计算的最低能耗
2.95kW·h相比，能源效率仅为60%～75%。仍有较大提升空间。
由于电解水制氢技术本身耗电量较大，制氢成本较高，故而未大规模使用。
较高的电价限制了PEM制氢推广应用。电费占整个电解水制氢生产费用的80%
左右，目前我国工业电价较高（以大工业电价均价0.61元/kWh计算，一标方氢

气耗电5.5度，当前制氢的耗电成本为3.34元/Nm3，而大规模煤（煤炭价格以

600元/吨）气化制氢成本仅为1.1元/Nm3）。可再生能源发电方面，《国家能源
战略行动计划(2014-2020年)》提出到2020年，风电销售电价与平均上网电价相
当，光伏电价与电网平均的销售电价相当。目前光伏系统发电成本0.5930元
/kWh，风电度电成本约为0.3656元/kWh，未来仍需进一步下降，当电价降至约
0.1元/kWh时，制氢成本才可与煤气化制氢成本相当。
四、电解水制氢的技术路线
1、碱性电解水（ALK）制氢
目前业内对碱性电解水研究已经较为透彻，工业上也有一定的应用。碱性电
解水装置如图2所示，碱性条件下，一般采用20%-30%的KOH或NaOH水溶液，
商用电解层工作温度为60-80℃，电解电压为1.8-2.1V，析氢阴极必须在高温、
高碱浓度、高电流密度等条件下长期并间歇性工作，工业生产更多出于稳定性方

面的考虑，仍以Ni合金为阴极，单位氢气的能耗约为4.5-5.5kWh/m3，阳极主
要为Ni/Co/Fe氧化物，石棉为隔层。
在碱性电解水制氢方法中，其电解系统除电解槽外，还包括电源设备、纯水
设备、电解质溶液调整设备、气液