早在一百多年前，科学家Charles Renard就为法国军队的飞艇制造了一组电解水制氢系统。
目前，氢气主要还是用石油、煤这样的化石燃料或者化工副产品制造，但因为电解水制氢可以使用新能源，是种低碳环保的制氢方式，当然更符合未来趋势。
电解水制氢也有几种技术路线，应用最多，经济效益最好，工艺也成熟的是碱性电解水制氢（ALK）。这种制氢办法上世纪50年代已经完成了工业化，在中国也有半个多世纪的应用历史。
碱性电解水制氢技术是用高浓度（30%）的氢氧化钾溶液作为电解质，溶液通电后分解成氢气和氧气，浸泡在溶液中的隔膜以物理手段将氢气和氧气隔离开。
这种办法虽然应用时间长、成本也低，但有其无法克服的缺陷。碱性电解液（如氢氧化钾溶液）会和空气中的二氧化碳反应，形成碳酸盐。这些无法溶解的物质会阻塞设备，降低电解槽的性能。
同时，碱性电解水制氢必须保证阴极和阳极的压力均衡，否则氢气和氧气会穿过隔膜，混合后爆炸。
这也导致碱性电解水制氢技术需要更长的启动时间，短则15分钟，长需要2小时。
新能源如光伏、风电等等产生的电力特点之一就是功率会随着天气、光照等波动，电解水制氢系统也要跟随波动快速响应，而碱性电解水制氢长启动时间很难适配使用新能源的“绿氢”制备。
质子交换膜（PEM）电解水制氢也是在这种情况下引起注意。
PEM电解水制氢诞生时，是作为航天飞船的备用电力系统存在，需要接收太阳能，因此从一开始就要适应新能源电力的不稳定。
PEM电解水制氢的原理和碱性电解水制氢不同。碱性电解水制氢的电解质是碱性溶液，而质子交换膜的电解质就是那层膜。水分子在电极阳极发生氧化反应后变成氧气、电子和质子，质子（H+）在电场作用下，穿过交换膜，到阴极后重新得到电子，成为氢气（ H2）。
质子交换膜电解水制氢使用超纯水为原料，没有碱性溶液，因此氢气中不会带入碱雾，氢气品质更高，不用提纯就能直接用于燃料电池。
更重要的是，质子交换膜材料只有质子能穿透，不会出现氢氧混合的情况。这种情况下，阴极和阳极不需要保持相同的压力，可以快速停止和快速启动，西门子号称自己的PEM电解槽启动能做到一分钟以内。这种敏捷很适应可再生能源的电力波动。
稳定、高效、而且耐压都是质子交换膜制氢的优势，但诞生半个世纪后，它仍然没有大规模使用。这背后仍然有很多难以攻克的关口。
为什么PEM制氢没有大范围使用？
因为高能耗、高成本，电解水制氢都需要催化剂提高水分解反应的效率，这是必不可少的材料。
碱性电解水制氢因为是在碱性溶液中，可以用贵金属基催化剂，如铂、金，但也可以用镍这样的非贵金属基催化剂，现在很多大型碱性电解水制氢都用的镍网或者泡沫镍。
但PEM电解水制氢时，化学反应中会产生酸性物质，电极区域需要在酸性环境下工作，环境比碱性溶液还要苛刻，所以需要耐腐蚀、耐高电位、耐强氧化环境同时又能提高反应速度的材料。
在众多金属材料中，只有铱（Ir）这样昂贵而稀有的贵金属可以满足要求。然而，铱一年全球的产量只有5-10吨，价格是黄金的2倍以上。
而且，正因为PEM电解水制氢的恶劣环境， PEM电解槽使用的阴极板和阳极板也要耐腐蚀，一般都是用金属板涂上耐腐蚀的涂层。而碱性电解水制氢电解槽的双极板可以使用相对廉价的碳。同时，PEM电解槽中，包括传输层在内的部件也要使用基于钛的稳定贵金属。
而且，PEM电解水制氢对水的要求也高于碱性电解水制氢，它需要的原材料是超纯水，也就是净化到除了氢离子和氢氧根离子，几乎没有其他导电介质的水。这种水需要专门的机器制造。
从成本来看，PEM的设备从催化剂到双极板、催化剂、传输层，乃至于质子交换膜本身的投入都远高于碱性电解水制氢设备。国产的碱性电解槽制氢成本在2-3000元/kW，而PEM电解槽制氢的价格比碱性电解槽贵3倍以上。
哪怕2030年时更多使用可再生能源制氢，光伏电价也到了0.2元/kWh，碱性电解水制氢的成本还是比PEM制氢低50%。这让PEM制氢迟迟无法规模化。
能够让PEM电解水制氢增长，最关键的还是靠改进催化剂、双极板等等工艺，让PEM电解槽的寿命足以和碱性电解槽比肩，这样才能降低设备的折旧成本。也只有使用寿命更长，才会有规模化的可能，反向又推动价格下降，进入良性循环。
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