四大电解水制氢技术ALK、PEM、AEM、SOEC，不要再傻傻的分不清！

本文整理了碱性（ALK）、质子交换膜（PEM）、阴离子交换膜（AEM）、固体氧化物（SOEC）四种电解水技术，以及这些技术在欧美地区的发展情况。

以上图展示的是美国能源部在2020年时划定的技术成熟度（TRL），美国对其SOEC评估为TRL5-6，低于欧盟2020年对其SOEC的评估的TRL7。

这四种电解水技术在材料、性能、效率和成本等方面都有各自的优势和挑战。相较于碱性电解槽，PEM在特定应用场景（如车规级氢能、波动性可再生能源）中的优势越来越明显。因此，许多新建项目已开始选择PEM电解槽。SOEC和AEM是新兴技术，具有巨大的发展潜力，也是欧美的研发重点。不过，在规模化生产之前，SOEC仍需在耐久性、制造工艺等方面有所提升，而AEM目前还处于基础材料研发阶段。

在近期研发中，美国和欧盟都将重点关注PEM和SOEC电解水技术，并将生物质制氢作为中期目标。此外，美国能源部还制定了以直接利用太阳的光和热（光电催化）制氢的长期研发战略，该战略下包括三大类制氢路线具体反映在下图中相关技术的成熟度。

质子交换膜（PEM）电解槽采用薄型的全氟磺酸膜（PFSA）和先进的电极结构，具有低阻、高效的优势。

PFSA膜在化学和机械性方面非常稳定，耐压性好，因此PEM电池可以在最高达70bar的条件下运行，而氧气侧则维持常压。然而，PEM电解槽需要在高酸性、高电势和不利的氧化环境中工作，因此需要使用高稳定性的材料。昂贵的钛基材料、贵金属催化剂和保护涂层是必不可少的，它们不仅能提供电池元件所需的高稳定性，还能提供良好的电导和电池效率。PEM系统设计紧凑且简单，但对水中的杂质（如铁、铜、铬、钠）敏感，并且会受到煅烧的影响。

上述表格显示了欧美地区主要的PEM电解水系统供应商，近年来他们都进行了大规模的融资、并购和整合。英国ITM继2019年获得了5,880万英镑的融资，随后于2020年完成了1.72亿英镑的融资；并且计划在2023和2024年分别建成两座产能分别为1.5GW和2.5GW的工厂。

2020年10月，法国Gaztransport＆Technigaz（GTT集团）以约800万欧元收购了AREVAH H2Gen，并将其更名为Elogen。

2020年，美国的Plug Power以5,800万美元收购了Giner ELX；同年，Plug Power以6,500万美元收购了民用液氢生产、储运公司United Hydrogen。

2022年，Plug Power以9,800万美元收购了Frames Group，从而拥有了前者的PEM电解水实验室技术和后者的设备、工程能力。

除了燃料电池叉车业务外，Plug计划将PEM电解水发展成为另一个主营业务。2007年，Plug以1,000万美元收购了专注于叉车业务的General Hydrogen，这标志着燃料电池在叉车领域的重要突破。到目前为止，Plug已在全美部署了四万多台叉车。

作为美国电解水技术的代表，Giner ELX及其原母公司Giner Labs的多个PEM和AEM研发项目得到美国能源部的资助。目前，美国PEM电解水材料的研发重点是机理研究和提升材料性能，而AEM则是材料开发和机理研究，并成立了下图中以大学、国家实验室为主导的研发专项。

作为最新的电解水技术，阴离子交换膜（AEM）电解槽具有将碱性电解槽的低成本与PEM的简单、高效相结合的潜力。这种技术能够使用非贵金属催化剂、无钛部件，并且像PEM一样在压差下运行。然而，目前AEM膜存在化学和机械稳定性的问题，这会影响其使用寿命。此外，AEM膜的传导性较低，催化动力学较慢，电极结构也较差，这也会影响AEM的性能。通常通过调整膜的传导性或添加支持性电解质（如KOH、NaHCO3）来提高性能，但这会降低膜的耐久性。在PEM中，OH-离子的传导速度比H+质子慢三倍，因此AEM膜面临更大的挑战，需要研制更薄或具有更高电荷密度的膜，并对BOP辅助系统提出了较高的要求。

根据是否需要碱性电解质，目前国际上AEM的研发方向可分为碱性电解质系统和纯水系统（即无碱液，便于维护）。前者注重提高电流密度和耐久性；后者则注重提升膜的稳定性，并利用先进的膜材料和无（或低）PGM催化剂以提升性能和耐久性。此外，AEM的单位电堆成本要比PEM低得多，因此通过降低小室电压来提高AEM电能效率也是一种研发策略。

AEM技术目前仍在研究和开发阶段。领先的国际开发和制造商是意大利公司ENAPTER，他们已经成功实现了小型化产品的商业化。

下图中右上角为其产品的公开参数，右下角是美国能源部在2021年对其进行的问卷调查信息。

目前，ENAPTER的研发重点是提高纯水系统中膜的导电性和耐久性，旨在实现电流密度大于1A/c㎡（小室工作电压为1.8V）和衰减速率小于15mV/1000小时的目标。在膜的研发方面，加拿大Ionomr Innovations Inc.已经取得了一定的进展，他们的Aemion+™膜正在解决AEM聚合物结构中不稳定分解机制的根源问题。

固体氧化物电解槽（SOEC）在高温（700-850℃）下运行，由于动力学上的优势，可以使用廉价的镍电极。如果利用高质量的工业余热，例如能量输入为75％电能和25％水蒸气的热能，SOEC的系统效率（LHV H2 to AC）在不久的将来有望达到85％，在10年内也可能达到欧盟2030年的目标90％。SOEC电解槽的进料为水蒸气，如果添加二氧化碳，则可生成合成气（Syngas），其中包含氢气和一氧化碳，可用于生产合成燃料（例如柴油和航空燃料）。因此，SOEC技术有望被广泛应用于二氧化碳回收、燃料生产和化学合成领域，这是欧盟近年来的研发重点。SOEC的另一个优势是可逆性，即可逆燃料电池用于可再生能源的储存，这也是欧美长期的研究课题。

当前，SOEC面临的首要问题是耐久性。在热化学循环过程中，尤其是系统停止和启动时，会加速老化并降低使用寿命。目前固体氧化物材料主要包括通过添加8％氧化钇来提高稳定性的二氧化锆，化学式为（ZrO2）0.92（Y2O3）0.08。目前，提高固体氧化物的性能和耐久性，并降低操作温度，已成为欧美研发工作的重点。

未来五年，PEM电解水将从少数人使用的产品变成主流，规模从MW跃升至GW。SOEC则有望进入实质性的发展阶段，而AEM也将逐渐进入早期市场。此外，可能会看到一些颠覆性技术的出现，例如生物、太阳能水分子裂解技术。