一、引言

      隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L(zhǎng)以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，氫能作為一種高效、清潔、可持續(xù)的能源載體，受到了廣泛關(guān)注。水電解制氫技術(shù)能夠?qū)⒖稍偕茉崔D(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)于氫氣中，實(shí)現(xiàn)能量的高效存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換，是構(gòu)建未來綠色能源體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。高壓水電解制氫系統(tǒng)相比常壓系統(tǒng)，具有提高氫氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸效率、降低壓縮能耗等顯著優(yōu)勢(shì)，能夠有效簡(jiǎn)化氫能供應(yīng)鏈，對(duì)于推動(dòng)氫能大規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。然而，高壓環(huán)境給水電解制氫系統(tǒng)帶來了一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，如電解槽的耐壓設(shè)計(jì)、關(guān)鍵材料在高壓氫氣環(huán)境下的性能穩(wěn)定性、氫氧互混控制等，這些問題制約了高壓水電解制氫技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。因此，開展高壓水電解制氫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)并進(jìn)行性能驗(yàn)證，對(duì)于突破技術(shù)瓶頸、提升系統(tǒng)性能、促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有迫切的現(xiàn)實(shí)需求。

二、高壓水電解制氫系統(tǒng)工作原理

（1）質(zhì)子交換膜（PEM）水電解原理

PEM 水電解基于質(zhì)子交換膜的離子傳導(dǎo)特性，在直流電場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)水的分解。在陽(yáng)極，水分子發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧氣和氫離子（H?），其化學(xué)反應(yīng)方程式為：2H?O → O? + 4H? + 4e?。產(chǎn)生的氫離子通過質(zhì)子交換膜向陰極遷移，質(zhì)子交換膜只允許質(zhì)子通過，有效阻止了氫氣和氧氣的混合，提高了系統(tǒng)安全性。在陰極，氫離子得到從陽(yáng)極通過外電路傳輸過來的電子，發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣，反應(yīng)方程式為：4H? + 4e? → 2H?。整個(gè)過程需要消耗電能，且該電能可由太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源提供，從而實(shí)現(xiàn)清潔、可持續(xù)的制氫過程。與傳統(tǒng)堿性水電解相比，PEM 水電解具有啟動(dòng)速度快、電流密度高、設(shè)備緊湊等優(yōu)點(diǎn)，更適合在高壓環(huán)境下運(yùn)行。

（2）堿性水電解原理

堿性水電解以氫氧化鉀（KOH）等堿性溶液作為電解質(zhì)。在陰極，水分子得到電子分解為氫氣和氫氧根離子（OH?），反應(yīng)式為：2H?O + 2e? → H? + 2OH?。氫氧根離子在電場(chǎng)作用下通過隔膜向陽(yáng)極遷移，在陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧氣和水，反應(yīng)式為：4OH? → O? + 2H?O + 4e?。在高壓條件下，雖然堿性水電解的基本反應(yīng)原理不變，但壓力變化會(huì)影響電解液的電導(dǎo)率、氣體溶解度以及電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等因素，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。與 PEM 水電解相比，堿性水電解技術(shù)成熟、成本相對(duì)較低，但存在能耗較高、電極及隔膜材料在高壓下耐久性不足等問題。

三、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

（1）高活性和穩(wěn)定性電催化劑研發(fā)

1. PEM 水電解催化劑：在 PEM 水電解中，陽(yáng)極析氧反應(yīng)（OER）和陰極析氫反應(yīng)（HER）的催化劑至關(guān)重要。目前，陽(yáng)極常用的催化劑主要是基于銥（Ir）、釕（Ru）等貴金屬及其氧化物，如 IrO?、RuO?等，這些催化劑具有較高的 OER 活性，但成本高昂且資源稀缺。為提高催化劑性能并降低成本，研究人員通過開發(fā)多元合金催化劑，如 Ir - Ru 合金，利用合金化效應(yīng)調(diào)節(jié)催化劑的電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其對(duì)反應(yīng)中間體的吸附與脫附能力，從而提高催化活性和穩(wěn)定性。此外，采用納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將催化劑制備成納米顆粒負(fù)載在高比表面積的載體上，如碳納米管、石墨烯等，能夠增加活性位點(diǎn)數(shù)量，提高催化劑的利用率。例如，將納米級(jí)的 IrO?顆粒負(fù)載在碳納米管上，不僅提高了催化劑的活性，還增強(qiáng)了其在高壓環(huán)境下的穩(wěn)定性，有效降低了催化劑用量。

2. 堿性水電解催化劑：堿性水電解的陰極 HER 催化劑主要以鎳（Ni）基材料為主，如 Ni、Ni - Mo 合金等。為進(jìn)一步提高鎳基催化劑的活性和穩(wěn)定性，通過引入其他元素進(jìn)行改性，如添加少量的鈷（Co）、鐵（Fe）等，形成多元合金催化劑。這些合金催化劑能夠改變催化劑表面的電子云分布，優(yōu)化對(duì)氫原子的吸附與脫附過程，從而提高 HER 活性。在陽(yáng)極 OER 方面，開發(fā)了基于鎳鐵（Ni - Fe）層狀雙氫氧化物（LDH）的催化劑，通過調(diào)控 Ni、Fe 元素的比例以及材料的微觀結(jié)構(gòu)，能夠顯著提高其 OER 催化活性。研究表明，在 Ni - Fe LDH 中引入適量的 Fe 元素，能夠形成更多的活性位點(diǎn)，加速 OER 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，在高壓堿性水電解環(huán)境下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和催化性能。

（2）高壓電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1. PEM 電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：高壓 PEM 電解槽通常采用多層膜電極組件（MEA）堆疊結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的產(chǎn)氫壓力和電流密度。在設(shè)計(jì)電解槽結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮如何有效傳遞電流、優(yōu)化氣體和液體的流動(dòng)分布以及確保良好的密封性能。采用具有高導(dǎo)電性和耐腐蝕性的鈦（Ti）基雙極板，其表面經(jīng)過特殊處理，如涂覆導(dǎo)電涂層，以降低接觸電阻，提高電流傳輸效率。同時(shí)，在雙極板上設(shè)計(jì)合理的流道結(jié)構(gòu)，如蛇形流道、平行流道等，能夠使反應(yīng)氣體和冷卻液均勻分布在 MEA 表面，提高反應(yīng)的均勻性和效率。對(duì)于高壓環(huán)境下的密封問題，研發(fā)了新型的密封材料和密封結(jié)構(gòu)，如采用氟橡膠等高性能密封材料，并結(jié)合特殊的密封槽設(shè)計(jì)，確保在高壓下能夠有效防止氣體泄漏。例如，一種采用多層氟橡膠密封環(huán)與金屬密封墊片相結(jié)合的密封結(jié)構(gòu)，在 70MPa 的高壓下仍能保持良好的密封性能，保證了電解槽的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2. 堿性電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：堿性電解槽在高壓下需要解決電解槽本體的耐壓?jiǎn)栴}以及電解液循環(huán)和氣體分離的優(yōu)化。采用高強(qiáng)度的壓力容器作為電解槽外殼，通過優(yōu)化外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，確保其能夠承受高壓。在電解液循環(huán)方面，開發(fā)了高效的電解液循環(huán)系統(tǒng)，如采用獨(dú)立的陰極和陽(yáng)極電解液循環(huán)回路，能夠更好地控制陰陽(yáng)極電解液的濃度和溫度，減少氫氧互混的可能性。同時(shí)，優(yōu)化氣液分離器的結(jié)構(gòu)和性能，提高氫氣和氧氣的分離效率。例如，設(shè)計(jì)一種新型的旋流式氣液分離器，利用離心力實(shí)現(xiàn)氣體和液體的快速分離，在高壓下能夠?qū)錃庵械暮趿拷档偷桨踩秶鷥?nèi)，提高了堿性電解槽在高壓環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。

（3）高壓環(huán)境下的膜材料研究

1. PEM 膜材料：質(zhì)子交換膜是 PEM 水電解系統(tǒng)的核心部件之一，在高壓環(huán)境下，對(duì)膜材料的性能提出了更高要求。一方面，需要膜材料具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，以承受高壓差帶來的應(yīng)力，防止膜破裂導(dǎo)致氫氧互混。另一方面，要保證膜材料具有高的質(zhì)子傳導(dǎo)率和低的氣體滲透率，以維持系統(tǒng)的高效運(yùn)行。目前，商業(yè)化的全氟磺酸質(zhì)子交換膜，如杜邦 Nafion 膜，在高壓下存在機(jī)械強(qiáng)度不足和氣體滲透率隨壓力升高而增加的問題。為解決這些問題，研究人員通過對(duì)膜材料進(jìn)行改性，如在全氟磺酸膜中引入增強(qiáng)材料，如納米纖維素、無機(jī)納米粒子等，制備復(fù)合膜材料。這些增強(qiáng)材料能夠均勻分散在膜基體中，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)膜的機(jī)械性能。同時(shí)，通過調(diào)整膜的微觀結(jié)構(gòu)，如優(yōu)化磺酸基團(tuán)的分布，提高質(zhì)子傳導(dǎo)率并降低氣體滲透率。例如，一種以納米纖維素增強(qiáng)的全氟磺酸復(fù)合膜，在高壓下的拉伸強(qiáng)度提高了 30%，質(zhì)子傳導(dǎo)率保持在較高水平，而氫氣滲透率降低了 20%，顯著提升了 PEM 膜在高壓環(huán)境下的性能。

2. 堿性電解槽隔膜材料：堿性電解槽中的隔膜主要作用是阻止氫氣和氧氣混合，同時(shí)允許氫氧根離子通過。在高壓下，隔膜需要具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和離子傳導(dǎo)性能。傳統(tǒng)的石棉隔膜在高壓堿性環(huán)境下存在耐久性問題，容易發(fā)生溶脹和腐蝕。因此，研發(fā)新型的堿性隔膜材料成為研究熱點(diǎn)。目前，一些有機(jī) - 無機(jī)復(fù)合隔膜材料受到關(guān)注，如以聚烯烴為基體，填充無機(jī)納米粒子制備的復(fù)合隔膜。無機(jī)納米粒子能夠增強(qiáng)隔膜的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)改善其離子傳導(dǎo)性能。此外，通過對(duì)隔膜表面進(jìn)行改性處理，如接枝親水性基團(tuán)，能夠提高隔膜對(duì)電解液的浸潤(rùn)性，降低離子傳輸阻力。例如，一種以聚丙烯為基體，填充二氧化硅納米粒子并進(jìn)行表面接枝親水性基團(tuán)的復(fù)合隔膜，在高壓堿性水電解環(huán)境下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和離子傳導(dǎo)性能，有效抑制了氫氧互混現(xiàn)象。

（4）氫氧互混控制技術(shù)研發(fā)

1. PEM 水電解氫氧互混控制：在 PEM 水電解制高壓氫氣過程中，氫氧互混主要是由于氫氣通過質(zhì)子交換膜向陽(yáng)極滲漏以及陽(yáng)極溶解態(tài)氧氣在濃度梯度作用下向陰極擴(kuò)散。為控制氫氧互混，除了優(yōu)化膜材料性能外，還采用了多種技術(shù)手段。一種方法是在陽(yáng)極側(cè)構(gòu)建氫氧化催化層，通常采用鉑（Pt）催化劑，使?jié)B漏到陽(yáng)極的氫氣與氧氣發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)生成水，從而降低氧中氫濃度。然而，該方法會(huì)增加材料成本且無法提高電流效率。另一種方法是利用電化學(xué)搬運(yùn)技術(shù)，在陽(yáng)極和陰極之間構(gòu)造第三電極用于催化氫氧化反應(yīng)，通過施加合適的電位形成電化學(xué)氫泵回路或燃料電池回路，使?jié)B漏的氫氣發(fā)生電氧化后以質(zhì)子形式傳遞回陰極或陽(yáng)極，從而有效降低氫氧互混。但這種方法會(huì)導(dǎo)致隔膜增厚，歐姆阻抗增加，電解電壓升高，效率下降。目前的研究重點(diǎn)是在保證降低氫氧互混的同時(shí)，盡量減少對(duì)系統(tǒng)性能的負(fù)面影響，如通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件，提高電化學(xué)搬運(yùn)過程的效率。

2. 堿性水電解氫氧互混控制：堿性水電解中氫氧互混的原因主要包括陰極和陽(yáng)極電解液在壓差作用下的強(qiáng)制擴(kuò)散、溶解態(tài)氫氣和氧氣的濃差擴(kuò)散以及電解液循環(huán)混合過程中的互混。為控制氫氧互混，首先要嚴(yán)格控制陰陽(yáng)極壓差，采用壓力平衡控制策略，確保隔膜兩側(cè)壓力差在安全范圍內(nèi)，減少電解液強(qiáng)制擴(kuò)散導(dǎo)致的氫氧互混。在電解液循環(huán)方面，采用獨(dú)立的陰極和陽(yáng)極電解液循環(huán)方式，能夠顯著降低氧中氫含量。但這種方式會(huì)導(dǎo)致陰陽(yáng)極電解液濃度偏差逐漸增大，影響電解槽性能。因此，研究開發(fā)了混合式和獨(dú)立式電解液循環(huán)交替進(jìn)行的方法，通過精確控制交替節(jié)拍，既能有效管控氧中氫濃度，又能保證電解槽長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。此外，優(yōu)化氣液分離器的性能，提高氫氣和氧氣的分離效率，也是減少氫氧互混的重要措施。例如，通過改進(jìn)氣液分離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加氣體停留時(shí)間和分離級(jí)數(shù)，能夠?qū)⒀踔袣錆舛冉档偷?1% 以下，滿足高壓堿性水電解制氫的安全要求。

四、性能驗(yàn)證

（1）實(shí)驗(yàn)裝置搭建

為對(duì)研發(fā)的高壓水電解制氫系統(tǒng)進(jìn)行性能驗(yàn)證，搭建了一套完整的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置主要包括高壓電解槽、電源系統(tǒng)、氣體和液體供應(yīng)系統(tǒng)、壓力和溫度控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1. 高壓電解槽：根據(jù)不同的技術(shù)路線（PEM 水電解或堿性水電解），選用經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造的高壓電解槽。對(duì)于 PEM 電解槽，采用了多層 MEA 堆疊結(jié)構(gòu)，配備鈦基雙極板和新型密封結(jié)構(gòu)，確保在高壓下的良好性能和密封效果。堿性電解槽則采用高強(qiáng)度壓力容器外殼，內(nèi)部安裝有優(yōu)化設(shè)計(jì)的電極、隔膜以及電解液循環(huán)組件。

2. 電源系統(tǒng)：采用高精度的直流電源，能夠提供穩(wěn)定的電流和電壓輸出，滿足電解槽在不同工況下的需求。電源系統(tǒng)具備過流、過壓保護(hù)功能，確保實(shí)驗(yàn)過程的安全可靠。

3. 氣體和液體供應(yīng)系統(tǒng)：氣體供應(yīng)系統(tǒng)用于向電解槽提供純凈的水（對(duì)于 PEM 水電解）或堿性電解液（對(duì)于堿性水電解），并能夠精確控制流量和壓力。液體供應(yīng)系統(tǒng)配備有過濾器、泵等設(shè)備，保證液體的質(zhì)量和供應(yīng)穩(wěn)定性。對(duì)于產(chǎn)生的氫氣和氧氣，通過專門的氣體收集和處理系統(tǒng)進(jìn)行收集、計(jì)量和分析。

4. 壓力和溫度控制系統(tǒng)：為模擬高壓環(huán)境，設(shè)置了壓力控制系統(tǒng)，能夠精確調(diào)節(jié)電解槽內(nèi)的壓力，并保持穩(wěn)定。溫度控制系統(tǒng)用于控制電解液或反應(yīng)氣體的溫度，確保實(shí)驗(yàn)在設(shè)定的溫度條件下進(jìn)行。壓力和溫度傳感器分布在電解槽的關(guān)鍵位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力和溫度變化，并反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

5. 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：該系統(tǒng)通過傳感器實(shí)時(shí)采集電解槽的電流、電壓、產(chǎn)氫速率、產(chǎn)氧速率、氣體純度、壓力、溫度等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。利用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠全面了解高壓水電解制氫系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行性能，為性能驗(yàn)證提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

（2）性能測(cè)試指標(biāo)與方法

1. 電解效率測(cè)試：電解效率是衡量高壓水電解制氫系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一，通常通過測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)消耗的電能與產(chǎn)生氫氣的化學(xué)能之比來計(jì)算。在實(shí)驗(yàn)中，精確測(cè)量電解槽的輸入電流和電壓，以及單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氫氣量，根據(jù)法拉第定律計(jì)算理論產(chǎn)氫量，進(jìn)而得出實(shí)際電解效率。例如，在某一實(shí)驗(yàn)工況下，測(cè)量得到電解槽輸入電壓為 2.0V，電流為 100A，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，通過氣體流量計(jì)測(cè)得產(chǎn)生氫氣的體積為 10L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算可得該工況下的電解效率為 80%。

2. 產(chǎn)氫壓力與純度測(cè)試：使用高精度壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電解槽出口處氫氣的壓力，確保其達(dá)到設(shè)定的高壓目標(biāo)。對(duì)于氫氣純度的測(cè)試，采用氣相色譜儀等分析儀器對(duì)收集的氫氣樣品進(jìn)行分析，測(cè)量其中雜質(zhì)氣體（如氧氣、氮?dú)獾龋┑暮?，從而確定氫氣純度。例如，在高壓 PEM 水電解實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)壓力控制系統(tǒng)，使電解槽出口氫氣壓力穩(wěn)定在 30MPa，經(jīng)氣相色譜儀分析，氫氣純度達(dá)到 99.99%，滿足了高壓、高純度氫氣的生產(chǎn)要求。

3. 穩(wěn)定性測(cè)試：為評(píng)估高壓水電解制氫系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，定期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如電解效率、產(chǎn)氫壓力、氫氣純度等，觀察其隨時(shí)間的變化情況。如果在連續(xù)運(yùn)行一定時(shí)間（如 1000 小時(shí)）內(nèi)，各項(xiàng)性能指標(biāo)的波動(dòng)在允許范圍內(nèi)，則認(rèn)為系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。例如，在堿性水電解穩(wěn)定性測(cè)試中，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行 1000 小時(shí)，電解效率始終保持在 78% - 82% 之間，產(chǎn)氫壓力穩(wěn)定在 10MPa 左右，氫氣純度維持在 99.9% 以上，表明該系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

4. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能測(cè)試：模擬可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性，通過快速改變電源輸入的電流或電壓，測(cè)試高壓水電解制氫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。觀察系統(tǒng)在電流或電壓變化時(shí)，產(chǎn)氫速率、電解效率等指標(biāo)的響應(yīng)速度和變化情況。例如，當(dāng)電源輸入電流在短時(shí)間內(nèi)從 50A 增加到 150A 時(shí)，系統(tǒng)能夠在 10 秒內(nèi)快速調(diào)整產(chǎn)氫速率，電解效率在短暫波動(dòng)后迅速恢復(fù)穩(wěn)定，表明該系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，能夠適應(yīng)可再生能源波動(dòng)的輸入條件。

（3）性能驗(yàn)證結(jié)果與分析

1. PEM 水電解系統(tǒng)性能驗(yàn)證結(jié)果：經(jīng)過一系列性能測(cè)試，研發(fā)的高壓 PEM 水電解系統(tǒng)在 30MPa 壓力下，實(shí)現(xiàn)了較高的電解效率，達(dá)到 85% 以上。在電流密度為 2000A/m2 時(shí)，單位制氫能耗低于 4.5kWh/Nm3，優(yōu)于市場(chǎng)上多數(shù)同類產(chǎn)品。氫氣純度達(dá)到 99.99% 以上，滿足了燃料電池等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)錃饧兌鹊膰?yán)格要求。在穩(wěn)定性測(cè)試中，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行 2000 小時(shí)，性能指標(biāo)波動(dòng)小于 5%，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠快速跟蹤電源輸入變化，在電流變化速率為 100A/s 時(shí)，產(chǎn)氫速率能夠在 15 秒內(nèi)穩(wěn)定調(diào)整，適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性。然而，在高壓運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子交換膜的耐久性仍有待進(jìn)一步提高，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后膜電阻略有增加，可能影響系統(tǒng)的長(zhǎng)期性能。

2. 堿性水電解系統(tǒng)性能驗(yàn)證結(jié)果：高壓堿性水電解系統(tǒng)在 10MPa 壓力下，電解效率達(dá)到 80% 左右。在電流密度為 1500A/m2 時(shí)，單位制氫能耗約為 4.8kWh/Nm3。氫氣純度可穩(wěn)定保持在 99.9% 以上。穩(wěn)定性測(cè)試顯示，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行 1500 小時(shí)，各項(xiàng)性能指標(biāo)基本穩(wěn)定，波動(dòng)在可接受范圍內(nèi)。通過優(yōu)化電解液循環(huán)和氫氧互混控制技術(shù)，有效降低了氧中氫濃度，在正常運(yùn)行工況下，氧中氫濃度低于 1%，滿足安全要求。在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面，系統(tǒng)對(duì)電源輸入變化的響應(yīng)速度相對(duì)較慢，電流變化時(shí)產(chǎn)氫速率調(diào)整時(shí)間約為 30 秒，但仍能滿足一般應(yīng)用場(chǎng)景的需求。與 PEM 水電解系統(tǒng)相比，堿性水電解系統(tǒng)的成本優(yōu)勢(shì)較為明顯，但在高壓下的能耗和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能有待進(jìn)一步提升。

五、結(jié)論與展望

      通過對(duì)高壓水電解制氫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的深入研發(fā)及全面性能驗(yàn)證，在多個(gè)核心領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面，高活性和穩(wěn)定性電催化劑的開發(fā)有效提升了電極反應(yīng)效率，無論是 PEM 水電解中貴金屬催化劑的優(yōu)化，還是堿性水電解中鎳基等催化劑的改性，都展現(xiàn)出良好的催化性能；高壓電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，針對(duì) PEM 和堿性電解槽不同特性，分別解決了電流傳遞、氣體液體分布、密封以及耐壓等問題；高壓環(huán)境下膜材料研究成果斐然，復(fù)合膜材料的應(yīng)用顯著改善了 PEM 膜和堿性電解槽隔膜在高壓下的機(jī)械、傳導(dǎo)等性能；氫氧互混控制技術(shù)研發(fā)提出多種有效策略，保障了系統(tǒng)運(yùn)行安全。性能驗(yàn)證結(jié)果表明，高壓 PEM 水電解系統(tǒng)在 30MPa 壓力下實(shí)現(xiàn)了 85% 以上的電解效率，單位制氫能耗低、氫氣純度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，不過質(zhì)子交換膜耐久性存在提升空間；高壓堿性水電解系統(tǒng)在 10MPa 壓力下電解效率達(dá) 80% 左右，成本優(yōu)勢(shì)明顯，氫氧互混控制有效，只是能耗和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能仍有優(yōu)化潛力。

      然而，高壓水電解制氫技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。從材料角度，電催化劑的成本、膜材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性等問題依舊突出；在系統(tǒng)層面，進(jìn)一步降低能耗、提升不同工況下的適應(yīng)性仍是重要課題。未來，隨著氫能產(chǎn)業(yè)向規(guī)模化、商業(yè)化加速邁進(jìn)，高壓水電解制氫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)將朝著以下方向發(fā)展：其一，持續(xù)探索新型非貴金屬催化劑，結(jié)合計(jì)算材料學(xué)等手段，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)催化劑結(jié)構(gòu)，在保證活性的同時(shí)大幅降低成本；其二，研發(fā)具備更高機(jī)械強(qiáng)度、離子傳導(dǎo)率和氣體阻隔性的膜材料，例如通過仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)智能響應(yīng)型膜材料；其三，優(yōu)化系統(tǒng)集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與風(fēng)光等可再生能源的深度耦合，開發(fā)更高效的能量管理系統(tǒng)，提升系統(tǒng)整體效率與經(jīng)濟(jì)性；其四，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，深入探究高壓環(huán)境下的電極反應(yīng)機(jī)理、物質(zhì)傳遞規(guī)律等，為技術(shù)突破提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐 ，從而推動(dòng)高壓水電解制氫技術(shù)實(shí)現(xiàn)更大突破，助力全球能源綠色轉(zhuǎn)型。

產(chǎn)品展示

      SC-HPH高壓氫氣發(fā)生器是針對(duì)制藥?精細(xì)化工?高?？蒲械刃袠I(yè)研發(fā)的一款緊湊型實(shí)驗(yàn)室儀器;采用質(zhì)子交換膜(SPE)電解制氫,直接電解純水,無需增壓泵,經(jīng)過多級(jí)凈化,得到高壓高純氫氣?儀器內(nèi)置多個(gè)高靈敏度壓力?溫度?液位傳感器，結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)，使維護(hù)更簡(jiǎn)便,使用更安全,操作更友好,可替代氫氣鋼瓶?

產(chǎn)品特點(diǎn)：

1.電解純水制氫,無需加堿,純度高達(dá)99.999-99.9999%

2.4.3寸LCD觸摸屏,顯示各種運(yùn)行參數(shù),壓力流量一體式控制算法,自動(dòng)化程度高

3.可自動(dòng)補(bǔ)水,自動(dòng)凈化水質(zhì),氫氣泄露及高壓報(bào)警,安全系數(shù)高

4.固態(tài)電解槽,貴金屬催化劑,壽命長(zhǎng),高壓下不變形,不漏水