電解槽是一種利用直流電將水分解為氫氣和氧氣的設(shè)備，主要由陽極和陰極小室組成。在陽極小室生成氧氣，而陰極小室則產(chǎn)生氫氣。該設(shè)備的核心要求是生產(chǎn)高純度的氫氣，同時具備低能耗、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、長使用壽命及高材料利用率等特點。電解槽的關(guān)鍵組件包括電極、隔膜、絕緣材料和電解液。目前，我國的電解水制氫設(shè)備廣泛應(yīng)用于光伏、風(fēng)電等可再生能源領(lǐng)域，作為制氫的主要技術(shù)路線。這種技術(shù)不僅支持能源的可持續(xù)發(fā)展，還為清潔能源轉(zhuǎn)換提供了有效解決方案。堿性電解水制氫是指在堿性電解質(zhì)環(huán)境下進行電解水制氫的過程，電解質(zhì)一般為30%質(zhì)量濃度的KOH溶液或者26%質(zhì)量濃度的NaOH溶液。堿性電解水制氫系統(tǒng)主要包括堿性電解槽主體和BOP輔助系統(tǒng)。其中，堿性電解槽主體由端壓板、密封墊、極板、電板、隔膜等零部件組裝而成。極框極框在堿性電解槽中，水分子在陰極得電子形成氫氣和氫氧根離子，氫氧根離子通過隔膜到達陽極后，在電壓作用下生成氧氣和水。反應(yīng)式如下。電極、隔膜和密封墊片是堿性電解槽的關(guān)鍵材料。電極通常采用鎳網(wǎng)或泡沫鎳，其性能對電流密度和電解效率有決定性影響，其成本約占系統(tǒng)成本的28%。隔膜起到阻隔氫氣、氧氣的作用，位于陰極板與陽極板中間，它保證氫氣和氧氣分子不能通過隔膜，但允許電解液離子通過，能夠耐高濃度堿液的腐蝕，同時具有較好的機械強度，能夠長時間承受電解液和生成氣體的沖擊。為保證電解槽的密封性能，防止電解液泄露，同時解決極片之間的絕緣問題，在極板和隔膜之間使用密封墊，墊圈采用耐腐蝕、絕緣性好、性能穩(wěn)定的橡膠產(chǎn)品(如EPDM橡膠)制作，其絕緣性能對電解效率、安全、系統(tǒng)使用壽命均有影響。PEM電解槽是PEM電解水制氫裝置的核心部分。電解槽的最基本組成單位是電解池。取決于功率的大小，一個PEM電解槽包含數(shù)十甚至上百個電解池。其主要部件由內(nèi)到外依次是質(zhì)子交換膜、陰陽極催化層、氣體擴散層和雙極板等。其中催化層和質(zhì)子交換膜組成膜電極，是整個電解槽物料傳輸以及電化學(xué)反應(yīng)的主場所，膜電極特性與結(jié)構(gòu)直接影響在PEM電解槽中，水通過雙極板進入氣體擴散層，再到達質(zhì)子交換膜。施加電流和電壓后，水分解為質(zhì)子和氧離子，氧離子釋放電子形成氧氣，通過陽極管輸出。質(zhì)子穿過質(zhì)子膜至陰極，與電子結(jié)合生形成氧氣，通過陽極管輸出。質(zhì)子穿過質(zhì)子膜至陰極，與電子結(jié)合生成氫氣，通過陰極管輸出至水氣分離器。質(zhì)子交換膜：質(zhì)子交換膜：PEM電解槽中，質(zhì)子交換膜是關(guān)鍵部件之一，負責(zé)質(zhì)子的傳遞和氣體隔離，防止氫氣與氧氣混合。這種膜需具備高質(zhì)子傳導(dǎo)率、優(yōu)秀氣密性和低電子傳導(dǎo)率，同時須抗強酸腐蝕，保證設(shè)備的高效運行和長期穩(wěn)定性。催化層：PEM電解槽使用貴金屬如鉑和氧化銥作為陰、陽極催化劑，這些材料具有良好的抗腐蝕性、催化活性和電子傳導(dǎo)性，保證了電解過程的高效性和穩(wěn)定性。非貴金屬材料在此環(huán)境下易受腐蝕，影響系統(tǒng)性能。氣體擴散層：作為連接雙極板和催化劑層的橋梁，氣體擴散層確保氣體和液體的有效傳輸，并提供必要的電子傳導(dǎo)。其設(shè)計需考慮孔隙率和導(dǎo)電性，以優(yōu)化氣體流動和電子傳遞效率。雙極板：雙極板在PEM電解槽中兼具支撐和導(dǎo)電的功能，分別匯流陰極的氫氣和陽極的氧氣，同時傳導(dǎo)電子。雙極板需具有高機械穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和良好的導(dǎo)電性，以確保氣體的有效分離和電流的SOEC是以固體氧化物陶瓷為電解質(zhì)材料，在高溫條件下實現(xiàn)電解水制氫的裝置。主要由陶瓷材料組成，不需要貴金屬，也不存在常規(guī)堿性電解的腐蝕問題。陶瓷材料機械強度較好，如果在較高壓力下運行，可以進一步提高制氫效率。此外，根據(jù)不同的熱能來源，高溫電解水蒸氣制氫的規(guī)模和工作溫度可以靈活調(diào)整。(BOP)。BOP包括水泵、熱交換器、蒸汽發(fā)生器等。水在一系列熱交在電解槽中，蒸汽在650°C~1000°C的溫度下在陰極分解，形成H2分子和氧離子。氧離子從陰極遷移到陽極，通過析氧反應(yīng)變成氧氣，后從陽極流出；而H2與蒸汽混合物沿著電解質(zhì)流動，在電解槽下游，富含H2的產(chǎn)品流在與入口流進行熱交換后被冷卻，通過分離器將H2從冷凝水流中分離出來。高溫?zé)峒せ钛趸镫x子遷移并促進兩個電極上高溫?zé)峒せ钛趸镫x子遷移并促進兩個電極上的電化學(xué)反應(yīng)，提高了整體效率。固體氧化物燃料電池(SOFC)和固體氧化物電解電池(SOEC)的電化學(xué)反應(yīng)，SOEC從根本上說是固體氧化物燃料電池(SOFC)的反向?qū)?yīng)物。電解槽對比以其穩(wěn)定的高制氫速度(2000m3/h)以及較長的壽命(200000小時)為優(yōu)勢，適用于大規(guī)模氫氣生產(chǎn)，且其成本較低，目前是最成熟且經(jīng)濟性較高的制氫方法之一。質(zhì)子交換膜電解槽(PEMEC)則具有快速的啟動時間、較高的電流密度以及較高的電堆效率(70%-77%),而由于其需在強酸性和高氧化性的工作環(huán)境下運行，設(shè)備對于價格昂貴的金屬材料如銥、鉑、定差距。固體氧化物電解槽(SOEC)在高溫條件下工作(700-1000℃),提供了的電堆效率最高(90%-100%),且其能耗相較AEC和PEMEC最低，盡管其制氫速度和壽命不及AEC,但它負荷可調(diào)節(jié)