中石化签约蒂森克虏伯，聚焦绿氢制取与应用，附国内常用的三种水电解制氢工艺

蒂森克虏伯 2022-11-17

绿色氢能是能源、工业向可持续脱碳转型的关键，它是面向未来的重要能源载体和清洁原料，在通往更可持续的道路上将发挥决定性作用。流程君整理了国内常用的三种水电解制氢工艺，供大家学习了解。

2022年11月4日，第五届中国国际进口博览会开幕式当天，蒂森克虏伯与中国石化签署合作谅解备忘录，在全球低碳绿色发展的大趋势下，双方将在氢能领域进一步加深合作，建立更为紧密的战略合作关系。蒂森克虏伯大中华区首席执行官高岩博士与中国石化集团发展计划部副总经理兼新能源办公室主任刘会友签署了协议。

签署协议现场

根据协议，双方将在氢能的技术发展、应用场景、商业模式等领域展开合作，共同提升氢能上下游的协同和经济性，通过示范项目探索大规模、高效率的绿氢应用和供给体系，共同促进氢能生产和应用的相关标准制氢，加强国际合作，引领行业高质量发展。

最新氢能政策

2022年10月31日，国家市场监管总局等九部门联合印发《建立健全碳达峰碳中和标准计量体系实施方案》。

其中指出：健全非化石能源技术标准。围绕风电和光伏发电全产业链条，开展关键装备和系统的设计、制造、维护、废弃后回收利用等标准制修订。建立覆盖制储输用等各环节的氢能标准体系，加快完善海洋能、地热能、核能、生物质能、水力发电等标准体系，推进多能互补、综合能源服务等标准的研制。

氢能。开展氢燃料品质和氢能检测及评价等基础通用标准制修订。做好氢能风险评价、氢密封、临氢材料等氢安全标准研制。推进可再生能源水电解制氢等绿氢制备标准制定，开展高压气态储氢和固态储氢系统、液氢储存容器等氢储存标准研制，推动管道输氢（掺氢）、中长距离运氢技术和装备等氢输运标准制定，完善加氢机、加注协议、加氢站用氢气阀门、氢气压缩机等氢加注标准，研制相关的标准样品。

钢铁行业。制定氢气竖炉直接还原、氢气熔融还原、富氢高炉、氧气高炉、电弧炉短流程炼钢、转底炉法金属化球团、薄板坯连铸连轧技术等标准。

能源领域。开展液态氢、天然气（含液化天然气）、高含氢天然气体积和热值及高压氢气品质计量测试技术研究。推进综合能源和能效智能感知、采集和监测技术研究和应用。开展石化产品碳排放计量技术研究与应用。

能源利用。制定太阳能、风能、氢能、生物质能、潮汐能等能源利用相关计量技术规范。

绿色氢能是能源、工业向可持续脱碳转型的关键，它是面向未来的重要能源载体和清洁原料，在通往更可持续的道路上将发挥决定性作用。蒂森克虏伯是目前全球少数能提供吉瓦级氢能生产技术的供应商之一，在水电解制氢和氯碱电解技术方面，均取得了优异成绩，致力于大规模、高效率地工业化生产绿氢。

水电解制氢

水电解制氢是指水分子在直流电作用下被解离生成氧气和氢气，分别从电解槽阳极和阴极析出。根据电解槽隔膜材料的不同，通常将水电解制氢分为碱性水电解（AE）、质子交换膜（PEM）水电解以及高温固体氧化物水电解（SOEC）。

1、碱性水电解制氢

碱性水电解制氢电解槽隔膜主要由石棉组成，起分离气体的作用。阴极、阳极主要由金属合金组成，如Ni-Mo合金等，分解水产生氢气和氧气。工业上碱性水电解槽的电解液通常采用KOH溶液，质量分数20%~30%，电解槽操作温度70~80℃，工作电流密度约0.25 A/cm2，产生气体压力0.1~3.0 MPa，总体效率62%~82%。碱性水电解制氢技术成熟，投资、运行成本低，但存在碱液流失、腐蚀、能耗高等问题。水电解槽制氢设备开发是国内外碱性水电解制氢研究热点。

2、PEM水电解制氢

区别于碱性水电解制氢，PEM水电解制氢选用具有良好化学稳定性、质子传导性、气体分离性的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代石棉膜，能有效阻止电子传递，提高电解槽安全性。PEM水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、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等。其中扩散层、催化层与质子交换膜组成膜电极，是整个水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PEM水电解槽的性能和寿命。

与碱性水电解制氢相比，PEM水电解制氢工作电流密度更高（˃1 A/cm2），总体效率更高（74%~87%），氢气体积分数更高（>99.99%），产气压力更高（3~4 MPa），动态响应速度更快，能适应可再生能源发电的波动性，被认为是极具发展前景的水电解制氢技术。目前PEM水电解制氢技术已在加氢站现场制氢、风电等可再生能源电解水制氢、储能等领域得到示范应用并逐步推广。

过去5年，电解槽成本已下降了40%，但是投资和运行成本高仍然是PEM水电解制氢亟待解决的主要问题，这与目前析氧、析氢电催化剂只能选用贵金属材料密切相关。为此降低催化剂与电解槽的材料成本，特别是阴、阳极电催化剂的贵金属载量，提高电解槽的效率和寿命，是PEM水电解制氢技术发展的研究重点。

3、高温固体氧化物水电解制氢

不同于碱性水电解和PEM水电解，高温固体氧化物水电解制氢采用固体氧化物为电解质材料，工作温度800~1 000℃，制氢过程电化学性能显著提升，效率更高。SOEC电解槽电极采用非贵金属催化剂，阴极材料选用多孔金属陶瓷Ni/YSZ，阳极材料选用钙钛矿氧化物，电解质采用YSZ氧离子导体，全陶瓷材料结构避免了材料腐蚀问题。高温高湿的工作环境使电解槽选择稳定性高、持久性好、耐衰减的材料受到限制，也制约SOEC制氢技术应用场景的选择与大规模推广。

目前SOEC制氢技术仍处于实验阶段。国内中国科学院大连化学物理研究所、清华大学、中国科技大学开展了探索研究。国外SOEC技术研究集中在美国、日本和欧盟，主要机构包括三菱重工、东芝、京瓷、爱达荷国家实验室、Bloom Energy、托普索等，研究聚焦在电解池电极、电解质、连接体等关键材料与部件以及电堆结构设计与集成。

文章内容来源国家市场监管总局、以氢会友，图片来源：中石化、蒂森克虏伯，责任编辑：胡静，审核人：李峥