国际氢能委员会预测2030年全球氢气需求总量约为14EJ（艾焦）。在各行业中，炼油化工、合成氨等的氢气需求量最大。现如今，煤制氢仍是我国实现大规模制氢的首选技术，其二氧化碳排放量大，不利于“双碳”目标的实现。

目前，水电解制氢被认为是未来制氢的发展方向，特别是利用可再生能源电解水制氢，它具备将大量可再生能源电力转移到难以深度脱碳工业部门的潜力，成为各国瞄准的方向和攻关重点，而其中，PEM是最具潜力的技术。

1、PEM水电解制氢

PEM电解水制氢，也就是质子交换膜水电解制氢，是指使用质子交换膜作为固体电解质，并使用纯水作为电解水制氢的原料的制氢过程。

和碱性电解水制氢技术相比，PEM电解水制氢技术具有电流密度大、氢气纯度高、响应速度快等优点，PEM电解水制氢技术工作效率更高。

但是由于PEM电解槽需要在强酸性和高氧化性的工作环境下运行，因此设备对于价格昂贵的金属材料如铱、铂、钛等更为依赖，导致成本过高。

表1  碱性水电解制氢和PEM水电解制氢

技术对比

2、PEM电解水制氢原理

PEM制氢主要分为以下4个步骤。

1.水电解和氧气析出

水（2H2O）在正极上发生水解反应，在电场和催化剂的作用下，分裂成质子（4H+）、电子（4e-）和气态氧（O2），如方程（1）所示。

2H2O=4H++4e- +O2  （1）

2. 质子交换

4H+穿过含有磺酸基官能团的固体PEM，在电场的作用下到达负极。

3. 电子传导

4e-电子通过外电路由正极传到负极。

4. 氢气析出

到达负极的4H+得4e-生成2H2，如方程（2）所示。

4H++4e-=2H2  （2）

3、pem制氢的优缺点分析

PEM制氢相比于传统碱性水电解制氢有以下优点：

①纯度高、无污染

PEM制氢采用的是质子交换膜固体电解质，产生的气体无需进行脱碱处理，且分子级微孔的离子膜厚度很小，不易产生氢反渗透。PEM型只需要纯水，不需任何添加物，没有腐蚀性液体，从而对坏境无污染，同时气体纯度也高；而传统碱性电解液中需要添加15%NaOH或30%KOH，因此电解液腐蚀性强，易产生冲液污染负载管路。

②转换效率高

PEM型的催化电极属于分子级微孔，紧贴于离子膜两边及其内部孔道间，是一种零极距催化电极，它的优点是反应面积大，转换效率高；而传统碱性的电极间有小距离限制，极间电阻大，导致电流变大，发热量高，转换效率低。

③重量轻、体积小

PEM型的电解槽内两级室的集电器结构紧密且有弹性，从而使得电解槽重量轻、体积小，重量仅是相同产氢量的普通电解槽的1/3，优点是零极距，槽内阻小；而传统碱性电解槽内极室的集电器没有弹性，从而电能热损失高，转换效率低。

④可适应可再能能源发电时的波动性

PEM电解水制氢的系统响应速度快，适应动态操作，这非常适用于可再生能源如风能、太阳能输电的不均匀性、间歇性、波动性。

从技术角度考虑，其采用的电解池结构紧凑、体积小、利于快速变载，电解槽效率高、得到的气体纯度高、所需能耗低，安全可靠性也同时得到大大提高，更适合可再生能源的波动性，因此，PEM水电解技术被誉为制氢领域极具发展前景的水电解制氢技术之一。

但是由于PEM电解槽需要在强酸性和高氧化性的工作环境下运行，因此设备对于价格昂贵的金属材料如铱、铂、钛等更为依赖，导致成本过高。这也是制约PEM制氢技术发展的瓶颈及研发攻克方向。