家用吸氫機堿性、純水和蒸汽三種電解水制氫方式

如果硬要把吸氫機分類，按照電解方式可以分為：堿性電解吸氫機、純水電解吸氫機和蒸汽電解吸氫機。日本吸氫機Suisonia就是蒸汽電解SEOC制氫的。

Suisonia采用比較前沿的SOEC電解水原理制氫，目前國內比較普遍的制氫方式是堿性電解槽和PEM電解槽制氫（純水），那么三種制氫方式有什么優(yōu)缺點呢？

 

 

堿性電解槽

■ 堿性電解槽Alkaline electrolyzer

優(yōu)勢：成本低、高耐受性、高制氫能力

1.材料成本低：堿性電解槽使用廉價且容易獲得的材料，如氫氧化鉀，這降低了發(fā)電機的總體成本。

2.對雜質的高耐受性：堿性電解槽即使在原料中存在雜質（如硫和二氧化碳）的情況下也能有效運行。

3.高制氫能力：堿性電解槽可產生大量氫氣，使其適合工業(yè)應用。

缺點：效率低、高腐蝕、工作溫度限制

1.效率低：與其他類型的氫氣發(fā)生器（如PEM電解槽）相比，堿性電解槽的效率較低。

2.高腐蝕：堿性電解槽中使用的堿性溶液會導致發(fā)電機部件腐蝕，導致壽命縮短和維護成本增加。

3.工作溫度范圍有限：堿性電解槽的工作溫度范圍很有限，這會影響其在極端溫度下的性能。

 

 

PEM電解槽

■ PEM電解槽PEM electrolyzer

優(yōu)勢：高效率、快響應、小尺寸、工作溫度低

1.高效率：PEM電解槽的效率很高，通常在70-80%之間。這意味著與其他電解技術相比，它們可以以更低的成本生產氫氣。

2.快速響應時間：PEM電解槽具有快速響應時間，使其能夠快速適應氫氣需求的變化。這使得它們適合在需要快速制氫的應用中使用，例如在燃料電池車輛中。

3.尺寸緊湊：PEM電解槽相對較小且緊湊，適合在密閉空間或空間較高的地方使用。

4.工作溫度低：與其他電解技術相比，PEM電解槽的工作溫度相對較低，通常在80-100°C之間。這意味著它們需要更少的能量來維持其操作溫度，從而降低了操作成本。

缺點：高成本、制氫能力有限，對鉑的依賴

1.高成本：PEM電解槽的購買和安裝成本很高，因此不太適合成本高的應用。

2.制氫能力有限：PEM電解槽的制氫能力有限，不適合大規(guī)模制氫應用。

3.對鉑的依賴：PEM電解槽需要鉑基催化劑才能發(fā)揮作用，這可能很昂貴，并且會導致效率隨時間的推移而降低。

 

 

Suisonia高溫蒸汽吸氫機

Suisonia聲稱它是世界上唯一的“活性氫”（active hydrogen）吸入器，由他們的原始技術“過熱蒸汽還原”產生。這會產生含有活性氫的蒸汽，稱為“H(H?O)m”。

集合Suisonia官網的相關信息，他們聲稱的“過熱蒸汽還原”產生氫氣，其實就是固體氧化物SOEC制氫。

 

 

固體氧化物SOEC電解槽

■ 固體氧化物SOEC electrolyzer

優(yōu)勢：極高效率、原料適應性廣、應用廣泛

1. 極高效率：由于在較高的操作溫度下有利的熱力學和動力學，它具有較高的轉化效率。在標準狀態(tài)下，AWE電解水技術的電解效率約為60%-75%，PEM電解水技術的電解效率約為70%-90%，而固體氧化物（SOEC）電解槽在高溫（700-850℃）下運行，電解效率可達75%-100%。在同樣的工況下，相比于AWE電解制氫和PEM電解制氫技術，可以節(jié)約30%以上的用電。

SOEC系統(tǒng)與核反應堆、燃煤發(fā)電廠、生物質、生活垃圾焚燒爐等能源的熱集，進一步提高了制氫效率。

2. 原料適應性廣：常用的SOEC材料是豐富的稀土材料，如氧化釔和氧化鋯，這些材料相對豐富和便宜。

電解槽的主要部件（如電解質和電極）由陶瓷材料制成。這些SOEC材料儲量豐富，因此在材料可用性方面，擴大規(guī)模不會帶來任何挑戰(zhàn)。

3.應用廣泛：SOEC可以可逆運行，實現電能和化學能之間的有效循環(huán)轉換，并提供長期和高容量的能量存儲。在燃料電池模式操作中，通過氧化燃料發(fā)電。在SOEC模式下，電力產生H2、合成氣等。

可以使用高溫SOEC從H2O和O2的共電解生產合成氣。然后，合成氣可以通過隨后的具有不同H2/CO比的催化反應轉化為各種各樣的化學品。

缺點：電極退化、熱穩(wěn)定性、前沿技術

1. 電極退化：電極退化的主要原因之一是雜質的影響。在H2電極中，含硅雜質可通過非導電相阻擋電催化活性位點，導致降解和極化電阻增加。

對于在高過電位（~300mV）下長期運行的H2電極，最靠近電解質的滲透鎳（Ni）網絡被破壞。鎳從電解質電極界面遷移到支撐層，導致電化學性能的不可逆損失。對于SOEC的未來改進，必須解決這一問題。

2. 熱穩(wěn)定性：高溫下運行給SOEC帶來了熱力學和動力學上的優(yōu)勢，但是也對材料的性能提出了更高要求。如何在高溫下具有較好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，不同組件間的熱膨脹系數匹配，相態(tài)和晶體結構穩(wěn)定，具有一定的強度和抗熱沖擊能力，同時保證材料易于加工、成本盡可能低，是國際難題。

3. 前沿技術：為了實現商業(yè)規(guī)模化，需要在制造和組裝電池方面進行進一步的工作，以降低裝置的總體成本。

■ 催化劑、腐蝕性、材料、氫氣純度、穩(wěn)定性比較

催化劑

PEM：PEM氫氣發(fā)生器所需的全部是純水

堿性：需要強堿催化劑，如KOH或NAOH

SOEC：水和熱量

腐蝕性的

PEM：無腐蝕性

堿性：應用過程中會附著腐蝕性氣體

SOEC：高溫腐蝕

PS：由于具有腐蝕性，堿性電解槽不能用于某些場景，如氫氣吸入機、氫氣車載套件等。這可能會對您的身體或汽車造成傷害。當然如果解決了一些關鍵性的技術，同樣也是可以用于吸氫機的。

材料

PEM：鈦合金和氧化釕或鈦合金和銥氧化物。PS：氧化銥是最好的，但它更貴。

堿性：常用的是不銹鋼304ss、316Lss或Cu-Ni合金。PS:304ss是最差的材料。316Lss和銅鎳(Cu-Ni)合金的優(yōu)缺點取決于它們的使用方式。事實上，有更好的材料，但價格太貴，暫時不會介紹。

SOEC：稀土材料，如氧化釔和氧化鋯，材料儲量豐富。

氫氣純度

PEM:99.9995%，雜質主要為水蒸氣

堿性：99.98%。雜質主要是腐蝕性氣體和水蒸氣

SOEC：99.98%。雜質主要是水蒸氣

穩(wěn)定性

PEM：小型PEM設備幾乎不需要維護。只需添加純水。

堿性：由于化學腐蝕和對設備和部件的損壞，維護成本高，維護時間長。在系統(tǒng)部件維修過程中，電解液必須排出。

SOEC：維修成本高，沒有規(guī)模商用化。

■ PEM氫氣發(fā)生器和堿性氫氣發(fā)生器的選擇

PEM電解槽，也稱為質子交換膜電解槽，使用質子交換膜作為電解質來分離電解過程中產生的氫氣和氧氣。因此，直接獲得純氫氣是可能的。該技術以其高效率和快速響應時間而聞名，因此適用于需要快速制氫的應用。

另一方面，堿性電解槽使用堿性溶液（通常是氫氧化鉀）作為電解液。該技術的效率低于PEM電解槽，響應時間較慢，但可以以較低的成本生產氫氣。堿性電解槽通常用于大規(guī)模制氫應用。但由于KOH溶液的腐蝕。因此，需要經常拆卸整個電解槽進行清潔和維護。

總的來說，PEM電解槽更適合于需要高效率和快速響應時間且僅需要純氫氣的應用，而堿性電解槽更適用于成本是主要問題的應用。

一般吸氫機采用的是PEM電解槽制氫，也有采用堿性電解槽的，國內目前還沒有發(fā)現有采用SOEC制氫的，或許日本吸氫機Suisonia是第一家采用這種前言技術的。