摘要：氢能作为一种清洁能源，有很多优点。第一，地球上氢的丰度非常高，氢是水的组成元素，地球上75%左右的面积都是水域；第二，氢能的单位质量热值高，是一种潜力很大的储能介质；第三，氢能还是最环保的能源，其作为能源利用后只会产生水，不会排放其他污染物和二氧化碳。根据国外某咨询公司估计，全球氢能市场规模到本世纪中叶将达到能源总需求的18%｡
关键词：水制氢；电解槽；常见异常；改进措施
引言
在能源需求增加和自然资源匮乏的背景下，氢能技术被视为能源转型的新希望。氢气既是化学工业的关键原材料，也可作为一种无碳燃料，用于工业、交通领域。“绿制氢”指利用可再生能源发电，通过水电解制得氢能。这是一种绿、清洁的能源生产方式，可以实现能源生产的“去碳化”。然而，相比大部分工业制氢采用的碳基能源（例如甲烷）蒸汽重整工艺，绿制氢的成本居高不下。尽管利用可再生能源发电的成本较低，但电解槽的投资成本相对高昂。
1电解水制氢原理
1789年，电解水产生气体的现象首次被发现，自此开启了电解水制氢技术长达两个多世纪的发展历程。1800年，通过伏打电堆成功实现电解水,并确定其气状产物为H2和〇2。随后到了19世纪30年代，法拉第定律的提出对电解水进行了科学定义,各种电解池装置的研究推动着电解水制氢技术不断发展。虽然由于人们对氢能的认知和需求并不完全，导致电解水制氢技术的发展并不顺利，却并没有因此中断技术的发展。随着能源结构的调整,氢能的重要地位逐渐显现，电解水制氢的技术也迅速发展。电解水制氢基本原理是以水作为原料,外部施加电压，形成完整通电回路，电能的注入打破水分子内部平衡，发生裂解，氢原子和氧原子进行重构，最终析出H2和O2。电解水是直流电通过KOH或NaOH水溶液将水分解为氢气和氧气的过程，其化学反应如下：
阴极：2H2O+2e→H水氢汽车2+2OH-
阳极：2OH--2e→H2O+1/2O2
总反应式： H2O= H2+1/2O2
2电解水制氢技术的应用
2.1阴离子交换膜技术
与AEL或质子交换膜工艺相比，AEM电解结合了两者的优点。AEM电解槽的结构与PEM类似:由离子导电塑料制成的膜(也称为离聚物)将膜两侧的电极分开。电极也由离聚物制成并掺杂有催化剂颗粒。与PEM不同，AEM电解槽可以依靠镍基等非贵金属催化剂，从而有效降低材料成本。与AEL过程一样，AEM反应将在碱性环境中进行。水在阴极电解，产生氢气。AEM电解技术的其他特点包括高电流密度、高效率和强灵活性。虽然研发取得了初步进展，但实验室的重点仍然是优化膜配方。影响其效率的一个重要因素是膜和电极之间的接触电阻。为了使电阻尽可能小，我们需要在膜和电极之间建立良好的离子连接。因此，我们不仅需要继续优化膜的聚合物配方，还需要为膜定制和开发电极粘合剂。此外，该团队还在进一步优化镀膜等工艺，实现膜材料的量产。
2.2电解碱水制氢
碱水制氢是最成熟的制氢技术之一，也是目前商业化程度最高的制氢技术。早在20世纪初，
已经研制出1MW级别的大型制氢设备。电解碱水制氢设备主要由电解液、阳极、阴极和隔膜组成。碱性电解槽通常使用氢氧化钾溶液(20%~30%)作为电解液。电解水制氢过程中，碱液不消耗，只起到离子转运的作用。电解碱水制氢技术是电解水制氢最早的研发技术和最成熟的技术。它具有操作简单、成本低的优点，但缺点是电解效率低、电源波动适应性差、碱液腐蚀性强等。碱性电解槽的工作温度通常为40~80℃，电解槽中电解液的电导率随着温度的升高而增加。由于冷启动时电解液处于常温，其电阻值较大，而电解槽的电压是一定的，因此电流较小，产氢量较小。随着通电时间的增加，碱液温度升高。随着碱液电导率的增加，产氢量会逐渐增加。碱水电解槽可在20%~110%变负荷下运行，冷启动2~3h，热启动15min。为了解决电解碱水制氢设备非设计运行能力的问题，通常的方法是热备用，将电解槽中的碱性溶液保持在一定温度，以便及时开始制氢。
2.3PEM水电解槽
质子交换膜用于水电解槽中传导质子，使电极两侧的气体绝缘，避免了AWE使用强碱性液体电解质的缺点。质子交换膜水电解槽以质子交换膜为电解质，纯水为反应物。此外，PEM的透氢性低，产生的氢气纯度高，因此只需要去除水蒸气。电解槽采用零间距结构，欧姆电阻
低，电解过程整体效率显著提高，体积更加紧凑；压力控制范围广，氢气输出压力可达几兆帕，适合快速变化的可再生能源动力输入。因此，质子交换膜电解制氢是一种很有前途的绿制氢技术。还需要注意的是，PEM水电解制氢的瓶颈在于成本和寿命。双极板电解槽成本约为48%，膜电极约为10%。目前，PEM的国际先进水平为:单电池性能为2a cm–2 @ 2v，铂催化剂总负载量为2~3mg/cm2，稳定运行时间为6×104~8×104h，每千克氢气制氢成本约为3.7美元。降低质子交换膜电解槽成本的研究主要集中在膜电极、气体扩散层和基于催化剂和质子交换膜的双极板等核心部件上。
3水制氢电解槽常见异常及改进措施
故障现象1:电解槽中个别细胞的电压在定期监测期间上升，有时超过3.0v。处置方法:关闭并释放压力，打开电解槽增压板下的截止阀，卸载含杂质的电解质。用蒸馏水或氮气冲洗电解槽。然后，在过滤沉淀或重新制备电解质后，将电解质放入罐中。启动后继续监视单元电压。如果不符合要求，相邻极框的电池电压可短切超过3.0v，因此不会产生气体。这样处理后，错误通常可以消除。
扰动现象2:绝缘密封上的碱泄漏或气体泄漏。排除方法:先用蒸馏水清洗碱液泄漏，干燥后正
确拧紧拉伸螺栓和螺母(施加均匀力)，启动机器，用肥皂水检测气泡，如果未产生气泡，则排除故障。
故障现象3:电解槽总电压过高，整流电流不能设为额定。处置方法:当电解液浓度正常且整流装置处于良好状态时，当bad温度高于80℃时，电压高于16 V，电流低于150 A时，停止机器更换电解液中的电解液。更换后电解质无法再使用。准备一种新电解质并将其添加到电解器中。故障现象4:电解槽正板的基础冒烟引燃。排除方法:立即切断电源，拆下绝缘管和绝缘底板，去除其上的小部件，用清水冲洗并烘干。如果发现任何烧痕，则必须更换并安装它们才能使用。
故障现象5:在制氢过程中，发现气体单元越来越少。消除方法:当碱浸出正常，控制压差正常时，故障是由罐内石棉膜组织断裂引起的。此时立即停止机器，否则会有危险。更换石棉膜布并重新组装。
结束语
我国PEM电解水制氢技术正在经历从实验室研发向市场化、规模化应用的阶段变化，逐步开
展示范工程建设，如国网安徽省电力有限公司的兆瓦级氢能示范工程将于2021年年底建成投产。中国科学院大连化学物理研究所、阳光电源股份有限公司共同建立的PEM电解水制氢联合实验室，针对PEM电解水技术产业化的关键问题，如廉价催化剂的活性与稳定性、膜渗透性、膜电极结构等开展研究攻关；针对双极板、扩散层等，发展高电流密度与高电压条件下的廉价抗腐蚀镀层技术，着力提高电解效率、降低综合成本。
参考文献
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