近日，中国华电集团有限公司“华瀚”—200型3.0兆帕单堆兆瓦级质子交换膜（PEM）电解槽在华电青海德令哈0.3万千瓦光伏发电PEM电解水制氢示范站实现商业化应用落地。这标志着中国华电打通了PEM制氢设备在关键材料、核心部件、装置及系统集成方面的产品化通道，并在高海拔、高寒地区工程应用中得到可靠验证。
电解水制氢两种路线并存
根据生产来源和生产过程中的排放情况，氢能可以被分为灰氢、蓝氢、绿氢。其中，绿氢可通过太阳能、风能等可再生能源发电直接制取，生产过程中基本不产生温室气体，是实打实的绿色能源。
绿氢的主要制取方法是电解水制氢。目前，已经实现商业化应用的电解水制氢技术路线主要有两种。一种是发展最早、商业化应用规模最大的碱性电解水制氢，另一种则是起步较晚但发展迅速的PEM电解水制氢。
电解水制氢的基本原理并不复杂。在充满水的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，被分解成氢气和氧气。氢气聚集在阴极，氧气聚焦在阳极，随后可对二者分别进行收集。但由于纯水电离度很小，导电性极差，因此，为了提升溶液的导电能力，使水分子能够顺利被电解，水中往往还要加入电解质，来增加离子浓度，提升电解的效率。
目前应用最为广泛的碱性电解水制氢技术，便是在水中加入氢氧化钠或氢氧化钾，使其成为液态电解质。但这还不够。在工业应用中，为了防止生成的氧气与氢气发生混合增加安全风险，降低氢气收集效率，通常还要在电解质溶液中间插入一个隔膜，从而将生成后的两种气体有效分隔，防止混合。这种隔膜上密布着直径极小的孔洞。它能使电解液穿过隔膜，自由流动，从而氢离子也可以运动到阴极与电子反应产生氢气，但同时其孔洞的直径又不足以让氢气与氧气相互渗透，从而起到分隔二者的作用。
碱性电解水制氢工艺相对简单，适于大规模生产，但也存在一些缺点。华电氢能事业部总经理助理王昕向记者介绍，碱性电解水制氢使用的碱性溶液，带有一定腐蚀性，一旦出现泄漏会对周边环境造成一定程度污染。其产生的气体通常还需要进行脱碱处理，增加了工艺流程。此外，即使有隔膜存在，碱性电解水制氢也无法彻底隔绝氢气与氧气的互相渗透，从而导致制氢效率降低。
新装备匹配新能源
与碱性电解水制氢相比，PEM制氢技术最大的不同在于，PEM制氢使用质子交换膜作为固体电解质替代了碱性电解水制氢中的隔膜和液态电解质。因此，PEM制氢可以直接使用纯水作为电解水制氢的原料，从而避免了潜在的碱液污染和腐蚀问题。
PEM电解水制氢的基本原理是，当PEM电解槽运行时，水分子会在阳极侧发生氧化反应，失去电子，生成氧气和氢离子。氢离子在电场的作用下，穿过质子交换膜传导至阴极，并在阴极侧发生还原反应，得到电子生成氢气。反应后的氢气和氧气将通过阴阳极的双极板收集并输送。
质子交换膜在其中发挥着关键作用。这种膜不仅可以充当电解质导电，还是一种选择性透过氢离子的隔膜。其内部有磺酸基团为氢离子的传输提供通道，并且其本身是无孔的，因此可以在满足氢离子传输条件的同时具有较高的隔气性，防止生成的氧气与氢气混合。
PEM制氢技术的优势还不止于此。王昕表示，和碱性电解水制氢技术相比，PEM电解水制氢技术具有电流密度大、氢气纯度高、响应速度快等优点。尤其是其具备快速启动停止和快速功率调节响应的优势。“PEM电解槽的冷启动时间在秒级，而碱性电解槽的启动时间则达到几十分钟。因此PEM更加适合新能源发电波动性输入的特点，能够与绿电更好地配合。”王昕说。
一个PEM电解槽往往由上百个产气小室并联堆叠而成。王昕介绍，此次研发的新型PEM电解槽其单小室的活性面积达到了3000平方厘米，远超此前业界普遍的1500—2000平方厘米活性面积。“活性面积更大，意味着单个小室的产气量更大，在总的产气量不变的情况下，小室堆叠的级数更少，材料及功耗成本都更有优势，产品高度也更低，便于装配应用。”王昕说。
此外，该新型PEM电解槽还应用了中国华电自主研发的分级预紧力压装技术。“电解槽是一个个小室堆叠在一起，中间会有一些弹性压缩的余量。要保证每一层小室内的压缩量是均匀的，并且在高压情况下不能泄漏，需要许多工艺上的创新。”王昕表示，得益于分级预紧力压装技术，该型PME电解槽在气密性及泄漏率等方面的测试结果均好于预期以及国标。他表示，接下来研发团队还将继续完善该型产品供应链体系，通过规模化采购降低成本，进一步提高产品稳定性和经济性。
