电解水电解槽的选择

国内外水电解槽的生产概况及主要品牌
国外情况
1.1.箱式水电解制氢装置：电解槽中最古老的产品结构形式，有单极型的，也有双极型
的。

在这种箱式结构中，电极是倒挂在箱盖上的，设在箱盖上的集气管把氢气、氧气送到氢、氧分离器中，原料水补给是采用电磁阀控制的，运行温度为65-75℃，压力为100-120mmH2O，氢气纯度99％.
1.2.厄利康水电解槽：是BBC公司和厄利康公司生产的，压力型方形电解槽。

阳极为镀
镍层，阴极有三硫化二镍活化层和无机活化层两种。

电解小室上的氢氧支管直接连到氢氧分离器中，分离器在槽体上面，洗涤器单独设置，电解液由装在槽体上的立式离心泵进行强制循环。

主要参数如下：电解液KON25%，工作温度75℃，工作压力为常压，氢气纯度99.8%，当电流密度为2000时，小室电压为1.9v。

1.3.海德尔水电解槽：挪威制造，常压型水电解槽。

槽体由撑脚型电极和隔膜框组成，
辅助设备位于电解槽端头，和电解槽固定在同一底板上。

生产规模100-400m3/h，外形尺寸5400*2500*4005-13200*3700*5200，重量17-41t。

主要参数如下：工作温度75-80℃，出气压力1-3Kpa，纯度99.9%，直流耗电4.1±0.1Wh/m3H2(4000Ah)。

1.4.EV水电解槽：由德国马克公司生产的EV电解槽是常压型方形电解槽。

阳极采用镀
镍的月牙形孔板，阴极采用二硫化三镍活化处理的月牙形孔板，石棉隔膜布周边包以橡胶，起密封作用。

框架由两块薄框组成，分别位于石棉隔膜两侧。

小室宽度约30mm，极板、框架和密封圈的上下部位都有整齐的小孔，这样构成了电解槽内部气、液道孔，使电解液能均匀地进入各电解小室，产品气也能最快的速度排出。

电解液采用自然循环，分离器和均压罐置于槽体上部，这样提高了分离器的高度，确保了电解液能自然循环。

均压罐起到洗涤和调节氢氧两侧气压的作用。

如果气压超过了规定的压力时，气体可以通过均压罐排空。

主要参数：工作温度80℃，工作压力为常压，电解液25%KOH，纯度99.8%^-99.9%,电流密度2000A/m3，小室电压1.9v，直流电耗4.5-5KW.h/N m3H2。

1.5.鲁奇水电解槽：最早工业化的压力水电解槽，装置中的电解槽和分离器组装成一个
整体。

电解小室为圆形，主极板为冲压成凹凸状的薄极，阳极为镀镍的钢丝网，阴极为活化处理的钢丝网（专利上位铂黑），凹凸状的主极板把阴阳极紧紧的压在隔膜石棉布的两侧，石棉布的周边包有氟塑料薄膜作为小室的密封，这样使小室的厚度很薄，仅为常压电解槽厚度的1/5.此电解槽运行压力较高，电解液采用强制循环，气体压力，氢氧间压差，原料水的补充及电解液的液位均采用自动控制，并没有必要的报警装置及防空等。

主要参数：工作温度90℃，工作压力3.0Mpa，电解液25%KOH，纯度99.8%^-99.9%,电流密度3000A/m3，小室电压2.0v（2300 A/m3时为1.9v），直流电耗4.3-4.6KW.h/N m3H2。

大型鲁奇水电解槽（376-750没/h）小室数达280-556个，电流为6600A，电压为273-540V，其供电方式是中间接正，两边接负。

该电解槽的专利是国内先进水电解槽开发时的主要参考资料。

1.6.特雷德维尔氧气发生器：该发生器是专为核潜艇艇员供氧而研制的，它可以在冲击
和振动的条件下操作，装置本身非常小型化，安置该装置只需及有限的空间。

装置设计成若干单极性的电室，每个电室都是一个压力容器，它们串联在一起组成整个装置。

镍制的压力圆筒为电室的正极，负极是镀镍的铜丝网筒，外面包有石棉布，以作为隔膜。

肺热是通过给压力容器的表面吹冷风或在筒外面设置冷水夹套来排除
的。

这台装置的工作压力为200个大气压，是全自动操作的，非常安全。

所产生的氢气排至船舷外。

主要参数：工作温度90℃，工作压力3.0Mpa，电解液30%KOH，氢气纯度99.4%^-99.8%,氧气纯度98.8%^-99.8%，直流电流750A，直流电压3V，每台每小时产氢量0.31 m3，直流电耗,7.2KW.h/N m3H2。

1.7.美国德立台能源公司生产的较为先进的水电解槽，目前主要有HM和EC两个产品，
整个工艺装置（包括氢气纯化）都布置在一个箱体内。

结构上显得极为紧凑，自动化程度很高，做到了无人值守。

电解槽采用双极性压滤型电极结构，框采用工程塑料制作，隔膜为石棉纸，厚度极薄，仅为0.7mm。

与众不同之处是，氢氧两侧的压力是不同的，氢侧压力比氧侧高0.14Mpa，所以阴极室是没有电解液的，仅靠阳极室的电解液将石棉浸湿而已，所以在装置中只设置氧分离器。

再则此电解槽的电极来自于宇航局的燃料电池，据称运行电流密度可达8000-10000A/m2，电解过程在
0.7Mpa的压力下运行，最近的产品已设定在1.0Mpa下运行，经纯化后的氢气纯度
可达99.9998%，为超纯氢。

主要参数：工作温度85℃，工作压力0.7Mpa，电解液25%KOH，HM型发生器电流为300A,氢气纯度为99.9998%。

HM的最大产量为11.2m3/h EC的最大产量为42 m3/h，产品中有移动式制氢站供应。

2国内情况
电解槽技术研究方向
在电解制氢中，能耗始终是核心问题。

影响能耗的主要因素，从电化学理论来看，主要是：一是电极材料决定的电极的超电位；二是电解液及隔膜的电阻，也是由电解液和隔膜材料的品种及电解室的结构来决定的。

所以近年来，人们把主要研究方向定位于对电极、隔膜及电解质材料的研究上。

在电极方面，阳极采用镀镍或镍丝是可行的，因为氧在镍上的超电位很低（为0.005V），因此不作为研究重点。

而阴极用镍，其超电位较高（0.2-0.4V），所以重点研究阴极材料（用铂作为阴极，超电位几乎为零，但是成本高）。

此外，隔膜材料也是节能的技术重点。

阴极材料的研究
采用新的电极材料，提高电极的催化活性，降低电极的超电位，或是增大电极的比表面积，从而提高电极的电流密度。

用铂作为阴极，超电位几乎为零，但是成本高，人们不断地研究取代之德新型材料，研究发现：单一材料的电极很难达到目的，为此，研究采用合金材料来达到目的。

研究方向有：铁基材料、镍基材料和镍-硫合金电极。

1.镍基活性材料：
镍基合金材料制作方法相对简单，成本也较低。

1.1 ReneyNi合金，它是镍与Al的合金，在碱性溶液中浸泡后，滤出Al后得到蜂
窝状结构，其比表面积比光亮的镍高出2-3个数量级，因此单位面积上的电流相对
减少，降低了真实电流密度，达到降低析氢超电位的目的。

其缺点是间歇电解条件
下稳定性较差，活性降得很快，因此还需寻找其他来替代。

1.2 Ni-Mo合金，在30%NaOH，70℃,500mA/cm2时，析氢电位仅为0.09V，缺点
是：Mo溶出就会失去活性，而且合金本身不甚稳定，在间歇运行的情况不是很好。

1.3 为了提高Ni-Mo合金的性能，人们对其加入其他元素以制取非晶态合金电极，
其他元素有助于提高电极表面粗糙度。

采用分步电沉积的方法来添加其他元素。

如：底层先镀镍，中间层为Ni-P合金镀层，最外层是Ni-Zn-P与Ni-Mo-P合金镀层。

1.4 Ni-RuO2镀层，是析氢超电位降低300mV，且能在一个月内保持稳定。

类似的
还有Ni/NiFeS复合镀层，在80℃时析氢电位仅为138mV,且可以连续运行200小时
后仍然活性保持稳定。

2.Ni-S合金：
Ni-S合金用于电解水时，电化学活性高，析氢电位低，耗能少，间歇电解活性稳定。

例如挪威海德尔公司用C/Ni-S电极，在电流密度达4000A/m2时，小室电压不
超过2.0V，美国德立台采用Ni/Ni-S电极，电流密度可达上万。

Ni-S电极也存在缺点，随着电解时间的延长会出现硫的溶出，活性会降低等问
题。

研究发现，只有当硫含量适中时，硫才会在涂层中形成析氢活化成分Ni3S2。

Ni-S电极是一种比较有应用前景的、研究的比较透彻的析氢电极，用电沉积法制备这种电极具有沉积速度快、操作简单、成本低的特点，备受推崇。

无机离子膜水电解制氢设备
1985年，比利时的范登堡博士研究的性能优异的、全新概念的无机膜片电解技术，是水电解装置的一次技术革命。

无机离子膜片解决了上一代制氢设备采用石棉膜所产生的一系列问题，不再采用循环泵，节约能耗，免除维修。

达到了真正意义上的全静态制氢。

优点：
1.先进的无机碱性离子膜。

这种膜很薄（0
2.mm），具有离子通透性强，氢、氧气体
分离度高，阴、阳两极间的电阻小等特点，因此膜电压低，阴、阳两极的极间距几乎为零，在增加电流密度时，不会增加槽电压，因此发热量小，电解效率高。

2.无机碱性离子膜不易破裂，在碱性溶液中不溶解，不会造成因膜渗透性差而导致的
运行问题，该膜也没有溶渣，不会发生电解槽结垢、污染、堵塞等问题。

3.电解液全自然循环设计。

利用电解液和产气的比重差异，使内部碱液自然循环至电
解槽。

整个槽体的工作温度不超过65度，整台设备每年的KON补充量不超过20升，且不会被污染。

电解液的循环回路是集成一体的、完全密闭。

4.高安全设计。

本设备制造采用欧洲标准中最高的EN标准制造。

工艺的全过程，包
括所有相关参数（系统压力、温度、液位、氧中氢、氢中氧、电解电压）均由微机进行连续监控，每个可能导致危险的情况都设置有硬件保护系统，保护系统为冗余保护设计，另外还有软控措施。

主要参数：工作温度65℃，工作压力8-25Pa，电解液30％KOH，加氢干燥器后氢气纯度可达99.9998％，露点﹣75℃。

能耗4.2KW.h/N m3H2，采用标准化和紧凑设计，大大减少了设备的体积。

无机膜制氢设备采用具有全球性专利的双极板集成系统，生产出了体积小但功率强大的电解槽，型号有IMETR-7，IMETR-10，IMETR-30。

例如IMETR-30，产氢能力为30Nm3/h，但整个系统体积较小。

固体聚合物电解质（SPE）水电解制氢技术
SPE水电解技术是用全氟磺酸型膜来替代传统的碱性水电解质和石棉布隔膜，起到产品气分离和阴阳离子传递的作用，氢离子沿着膜上的磺酸根移动，而导电的磺酸根离子是固定在膜的网络上的，这与液体导电是根本不同的。

其基本原理是把去离子水注入阳极区，在直流电的作用下，分解生成氧气、氢离子和电子，氧气经设置的流道输出，氢离子以水和离子的形式透过膜渗透到阴极上，而电子经由外电路流到阴极上，电子与氢离子结合生成氢气，同时也把部分水带到阴极。

电解槽体的结构同样也是由若干个小室叠加而成，各小室内均设有气、液通道，确保水及产品气各行其道。

该技术的核心技术是膜-电极组件（EMA），采用在SPE膜的两侧嵌入催化物质作为电极，使膜与电极成为一个整体。

当今用得最多离子交换膜是美国杜邦公司研制的Nafion膜，该膜是以聚四氟乙烯为基材，接枝有磺酸氟的全氟乙烯基醚，其结构被称之为“离子蔟网络结构模型”，其原理是：此膜中离子的传递是由水合作用、磺酸基团的静电力和氟碳骨架弹
力三者平衡作用的结果。

膜内的网络是质子和水分子迁移的唯一通道。

由于全氟磺酸离子交换膜是强酸性的，电极处于强酸环境中，这就要求电极材料能耐强酸，同时又要降低小室电压，因此必须采用贵金属材料（Pt），电极的制作通常采用化学还原法，在膜表面及膜内几微米出沉积贵金属铂，这样沉积的铂颗粒不仅结合牢固，且性能良好。

固体聚合物电解质水电解制氢技术的优点：
1.电流密度高，可达10000A/m2以上
2.性能稳定，寿命长，可达30年以上
3.运行安全，因为电解液是纯水，无腐蚀问题
4.产品气纯度高，可达99.99％
5.结构简单，无冷却水系统，电解质膜片又很薄，贵金属（Pt）电极嵌在膜上，实现
了电极的零距离，不仅降低了小室电压，结构也更加紧凑。

由上可见：价格昂贵是制约SPE水电解质轻技术发展的主要因素。

目前的科研方向是：
一.研究新的离子交换膜，例如：聚三氟苯乙烯膜正被看好；二.改进膜电极的工艺，化
学还原和热压法均不十分满意，现在可以用纳米级的精细颗粒，使翠花颗粒与膜紧密结合，较大的提高了催化活性，同时减少了贵金属的载量。

三。

提高电极催化活性，寻求一些催化活性高、抗毒化能力强的材料作为阴极催化剂，二氧化铱已经被广泛使用。

四。

提高操作压力和温度，压力高可以减少气泡，但是压力高会带来结构上的问题，温度高同样有利于减低槽电压，但对材料的要求也相应提高了。