PEM高压电解槽基本原理及应用

高压PEM电解槽基本概念

高压PEM电解槽是一种利用质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）技术的电解水制氢反应装置。我们常用的PEM常压电解槽是以0.5-1.6MPa低压力电解，在反应过程中电解槽内部的压力基本不变，通过电解液中的电荷转移并完成反应。而PEM高压电解槽通过电解水产生氢气和氧气，工作时能在较高的压力下运行，槽内压力施压到3-5Mpa，利用化学能产能压差，使电解液中的离子更容易与电极接触，提高反应效率，从而大幅提高电解效率，缩短测试时间，降低整体能耗和成本。这种电解槽的核心部件包括质子交换膜、阴阳极催化层、扩散层和双极板等。‌

工作原理及设计验证

PEM高压电解槽的工作原理同样是基于水的电解过程，涉及在电解槽的阳极和阴极上分别发生氧化和还原反应。在阳极，水分子在电场的作用下发生氧化反应，生成氧气和质子。质子通过质子交换膜移动到阴极，在阴极获得电子并还原成氢气。

在结构设计上，PEM高压电解槽在研发制造之前须开展充分的建模仿真验证，对槽内流场结构设计、承压及密封均进行充分的仿真模拟实验，达成阴极和阳极气压能够达到≥4MPa的模拟实验标准后，再进行实物验证。此外，电解槽整体的耐高压密封设计，比如密封圈、极框器件，以及对抗内部高压膨胀力的电解槽紧固设计，也是达成高压PEM电解槽可以在高于标准大气压的条件下安全、稳定运行的关键。

技术优势

高电流密度：PEM电解槽可以在高电流密度下运行，通常在10000 A/m²以上，这有助于提高氢气产量。

高氢气纯度：由于质子交换膜的低气体渗透率，产生的氢气纯度非常高，通常在99.99%左右。

快速响应：PEM电解槽具有快速启动和停止的能力，并能够快速响应功率调节，这使得它们能够适应可再生能源（如风能和太阳能）的波动性。

高压运行：PEM电解槽可以在较高的压力下运行，加速反应效率，缩短了反应时间。

紧凑结构：由于使用固态电解质和高电流密度，PEM电解槽的体积相对较小，便于集成和部署。

环境适应性强：PEM电解槽能够更好地适应可再生能源的波动性，实现更好的耦合匹配。

市场应用

通过小型高压电解槽的实验验证，未来扩展到商用大型制氢需求场景。对氢气和/或氧气进行加压，可以消除或至少减少对外部气体压缩机的需求。此时，仅需压缩系统压力下的液态水，这所需的功率远低于将产气压缩到所需压力的功率。因此，许多制造商将开发高压电解系统作为重点，以进一步提高整体效率。