堿性電解水制氫
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
堿性電解水制氫的實例教程
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獲悉，8月25日，中國石油自主知識產權的千方級堿性電解水制氫智能系統在獨山子石化公司成功投入運行。
據悉，該電解水制氫示范項目，用于煉油加氫，可減少化石能源的消耗，減少二氧化碳等溫室氣體的排放，有助于實現碳達峰、碳中和要求。項目建設單位為中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司，制氫系統由中國石油深圳新能源研究院、獨山子石化公司、中國寰球工程公司、昆侖數智科技有限責任公司聯合研發。
根據獨山子石化公示的信息，中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司堿性電解水制氫系統工業試驗，項目總投資2646萬元，環保投資5.46萬元。
該項目建設地點在獨山子石化分公司煉油老區35KV北區變北側預留用地內，新建一套產氫規模為1000Nm3/h的采用堿性電解水工藝制氫試驗裝置（簡稱電解水制氫裝置），整體呈東西向布置，總占地面積 2400 m2，東側為 80 萬噸／年催化汽油加氫裝置、100萬噸/年蠟油加氫裝置，西側為預留用地，北側為預留用地，南側為 35KV 北區變。
裝置區分為兩期建設，裝置區一期占地面積為 1365 m2，裝置區二期預留用地占地面積為 1035 m2，本項目用地為一期占地。一期裝置區內各撬塊呈一字型布置，由西向東依次為：變壓器、電氣小屋、電解槽、制氫框架、純化框架、輔助設施撬塊、純水機撬塊，裝置管廊與東側系統管廊連接。
該項目將具有中石油自主知識產權的電解水制氫技術實現工業化，以利后續推廣應用。本項目的公用工程、輔助工程等依托獨山子石化現有設施。
本項目主要設備見下表。
來源：北極星氫能網
展開 表1 三種典型電解制氫技術對比
由表1可以看出:堿性電解槽技術相對比較成熟，可以應用于大規模制氫，且工藝簡單，成本低，但其難以快速啟動及適應變載，無法快速調節制氫速率，與可再生能源發電適配性較差。
質子交換膜電解槽負荷范圍寬，運行更加靈活，更適用于平抑可再生能源并網的波動性，且冷啟動時間相較于堿性電解水制氫技術快一倍以上，適用于交通、航空等需要快速啟動的領域，但當前技術還未實現大的突破，難以實現大規模商業化制氫。
固體氧化物電解制氫技術應用相較前者少的多，距離規模化制氫應用尚需相關材料和催化劑技術進一步攻關，但其能耗低、能量轉換效率高的優點將使其在未來成為主流可再生能源規模化制氫技術，因此我國應提前布局新興電解槽技術，攻關固體氧化物電解制氫技術難點。
在我國氫能市場中，堿性電解水制氫技術占據著主導地位，被更加廣泛地應用于各大型電解水制氫項目中。
近年來，因質子交換膜電解槽運行更加靈活且負載范圍寬的特性，國內新建項目逐步轉為采用質子交換膜技術耦合可再生能源發電進行規模化制氫，因此，開發新型電解槽技術，進一步提高電解水制氫效率和穩定性。
電解水制氫工藝近年來發展迅猛，不斷突破技術瓶頸，并有大批規模化電解制氫項目落地，為可再生能源電解制氫技術提供了實踐支撐。目前國內可再生能源電解制氫以堿性電解水制氫技術為主，國外質子交換膜電解制氫技術應用實例較多。
加拿大20MW項目作為全球最大的質子交換膜電解水制氫項目可實現日產氫8640kg，該項目所采用的即為5MW質子交換膜電解水制氫設備。
展開 氫作為一種清潔、高效的二次能源，在現代能源體系中扮演著越來越重要的角色。電解水制氫作為一種低碳、零排放的制氫方法，利用可再生能源產生的“綠電”和純水作為原料，被寄予厚望成為未來綠氫的主要來源。然而，盡管其前景廣闊，目前綠氫在氫氣生產總量中的占比仍然較低，受限于高昂的生產成本，特別是電價和制氫裝備成本。
電解水制氫的基本原理是在直流電的作用下將水分子解離為氫氣和氧氣。根據電解槽隔膜材料的不同，電解水制氫技術可分為堿性電解（AWE）、質子交換膜（PEM）電解和固體氧化物（SOEC）電解三種。每種技術都有其獨特的優勢和局限性。例如，PEM電解水制氫技術具有較高的安全性和效率，但成本較高；堿性電解水制氫技術則因其結構簡單、技術成熟、成本低廉而廣受歡迎，但效率和性能相對較低，且存在環境污染風險；而固體氧化物電解水制氫技術則具有更高的電化學性能和效率，但其高溫工作條件和啟動慢的劣勢限制了其應用場景。
無論采用哪種制氫方法，生產出的氫氣都需要達到一定的純度標準才能投入使用。電解水制氫產生的氫氣純度通常較高，可達99.9%以上。然而，在電解過程中，由于各種因素的影響，如電解槽缺陷、電極質量不均勻或操作條件不合適等，可能會導致產生的氧氣中混入微量氫氣。如果氫氣和氧氣的混合比率超過一定限度，就可能引發安全事故。
因此，在電解水制氫過程中，對氧氣中微量氫氣的實時監測至關重要。這就需要使用氫氣傳感器來檢測氫氣純度，確保氫氣質量達標。氫氣傳感器是一種能夠檢測氣體中氫氣濃度的儀表，具有靈敏度高、響應速度快、測量準確等優點。
在電解水制氫出口氧中氫含量的檢測中，常用的氫氣傳感器有熱導式氣體傳感器、半導體氫氣傳感器、電化學氫氣傳感器、催化燃氣氫氣傳感器等。
熱導式氣體傳感器的工作原理是通過測量微型機械加熱元件的溫度提升來確定氣體組分。
展開 導讀
近日，青島科技大學化工學院劉希恩教授團隊在電解水制氫領域取得新進展。相關研究成果以“Boosting Hydrogen Evolution Reaction byPhase Engineering andPhosphorus Doping on Ru/P-TiO2”為題，發表在Angew. Chem. Int. Ed.上。
可再生能源電力電解水制氫是最具發展前景的綠色可持續制氫技術。目前，堿性介質電解水制氫相較于酸性介質電解水制氫而言，技術相對成熟，應用更為廣泛。然而，在堿性介質中，首先需要發生水的解離產生質子，這使得HER在堿性介質中的動力學比酸性介質中低2~3個數量級。同時，根據Sabatier規則，高性能HER電催化劑應具有合適的氫吸附自由能。因此，協同優化堿性HER的水解離和氫脫附基元步驟至關重要但極具挑戰性。
本文設計制備了一種痕量磷摻雜的富氧缺陷二氧化鈦負載Ru團簇復合材料—Ru/P-TiO2。該材料在堿性介質中展現出類似于商業Pt/C的幾何活性，且質量活度比Pt/C提升了34.3倍。實驗結合理論計算研究表明，金紅石相TiO2基底相較于銳鈦礦相TiO2基底更有利于增強HER活性。金紅石TiO2表面豐富的氧空位有利于促進水的吸附和解離，而摻雜的P以P5+形式存在，取代部分Ti4+，有利于促使吸附氫從表面Ru位點溢流到表面P位點從而促進H2的形成。由此可見，相工程和磷摻雜協同提升了堿性HER活性。
該工作得到了山東省泰山學者人才工程、國家自然科學基金、山東省優秀青年基金等的資助。博士生周士正、Haeseong Jang、秦清教授為論文共同第一作者；劉希恩教授、秦清教授、劉尚果副教授、Prof. Cho為論文的共同通訊作者。青島科技大學為第一通訊單位。
展開 據悉，國家級太陽能電解水制氫綜合示范項目包括20萬千瓦光伏發電裝置和產能為每小時2萬標方的電解水制氫裝置，為已知全球單廠規模最大、單臺產能最大的電解水制氫項目。目前，制氫綜合成本控制在每標方1.34元。
下一步，企業將拿出全部的折舊資金和部分利潤資金，通過科技創新提高轉化率，降低生產成本，使發電成本可控制在0.068元/度，綠氫成本可控制在0.7元/標方，打造行業成本最優曲線，開辟了一條技術、經濟可行的科學實現碳中和路徑，示范引領行業低碳轉型，為國家“碳中和”做貢獻。
據悉，寶豐能源計劃用10年完成50%碳減排，20年實現企業 “碳中和”，力爭成為行業率先實現碳中和的企業， 著力打造世界一流的科技型綠色制造企業。
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根據電解槽隔膜材料的不同，電解水制氫技術可分為堿性電解（AWE）、質子交換膜（PEM）電解和固體氧化物（SOEC）電解三種。每種技術都有其獨特的優勢和局限性。
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· 了解電解水制氫的基本原理
根據獨山子石化公示的信息，中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司堿性電解水制氫系統工業試驗，項目總投資2646萬元，環保投資5.46萬元。
電解水制氫共有堿性（AWE）、質子交換膜（PEM）、固體氧化物（SOEC）和陰離子交換膜（AEM）電解等四種技術路線，其中堿性 AWE 是較早工業化的水電解技術，具有數十年的應用，技術較為成熟。
近年來，PEM 電解水技術在產業化方面發展迅速；SOEC 電解水技術處于初步示范階段；AEM 電解水的研究剛剛起步。
元/kW 時，堿性電解水制氫和 PEM 電解水制氫成本分別是 9.21 元/kg 和 10.02 元/kg，與現階段的化石能源制氫成本相當。
根據電解槽隔膜材料的不同，通常將水電解制氫分為堿性水電解（AE）、質子交換膜（PEM）水電解以及高溫固體氧化物水電解（SOEC）。國內目前有中科院大連化學物理研究所、中船重工集團718研究所等單位開展PEM水電解制氫技術研究，都尚處于研發階段。
1.1、堿性水電解制氫
堿性水電解制氫電解槽隔膜主要由石棉組成，起分離氣體的作用。
目前，堿性介質電解水制氫相較于酸性介質電解水制氫而言，技術相對成熟，應用更為廣泛。然而，在堿性介質中，首先需要發生水的解離產生質子，這使得HER在堿性介質中的動力學比酸性介質中低2~3個數量級。同時，根據Sabatier規則，高性能HER電催化劑應具有合適的氫吸附自由能。因此，協同優化堿性HER的水解離和氫脫附基元步驟至關重要但極具挑戰性。
目前電解水制氫主要分為堿性電解水制氫、質子交換膜（PEM）電解水制氫、固態氧化物電解水制氫和陰離子交換膜（AEM）電解水制氫四種技術路線，其情況對比如表1所示。其中堿性電解水制氫技術成熟度最高，成本最低，但存在腐蝕問題，且啟停響應時間較長，不適合波動性電源。質子交換膜電解水制氫目前已實現初步商業化，其響應速度快，能適應波動性電源，但成本較高，且中國在質子交換膜等核心技術上有待進一步突破。
PEM電解水制氫原理與堿性電解池相比，PEM電解池用質子交換膜代替了石棉膜，傳導質子，并隔絕電極兩側的氣體，避免了堿性電解液所帶來的缺點。同時，PEM電解池的體積更為緊湊，結構方面零間隙，極大降低了電解池的歐姆內阻，提升了整體性能。PEM電解池的結構典型的PEM電解池主要由陽極端板、陰極端板、陰陽極擴散層、陰陽極催化層以及質子交換膜組成。
目前國內可再生能源電解制氫以堿性電解水制氫技術為主，國外質子交換膜電解制氫技術應用實例較多。
加拿大20MW項目作為全球最大的質子交換膜電解水制氫項目可實現日產氫8640kg，該項目所采用的即為5MW質子交換膜電解水制氫設備。
