一、引言​

      随着全球对清洁能源需求的不断增长以及对环境保护的日益重视，氢能作为一种高效、清洁、可持续的能源载体，受到了广泛关注。水电解制氢技术能够将可再生能源转化为化学能存储于氢气中，实现能量的高效存储与转换，是构建未来绿色能源体系的关键环节。高压水电解制氢系统相比常压系统，具有提高氢气储存和运输效率、降低压缩能耗等显著优势，能够有效简化氢能供应链，对于推动氢能大规模应用具有重要意义。然而，高压环境给水电解制氢系统带来了一系列技术挑战，如电解槽的耐压设计、关键材料在高压氢气环境下的性能稳定性、氢氧互混控制等，这些问题制约了高压水电解制氢技术的发展与应用。因此，开展高压水电解制氢系统关键技术研发并进行性能验证，对于突破技术瓶颈、提升系统性能、促进氢能产业发展具有迫切的现实需求。​

二、高压水电解制氢系统工作原理​

（1）质子交换膜（PEM）水电解原理​

PEM 水电解基于质子交换膜的离子传导特性，在直流电场作用下实现水的分解。在阳极，水分子发生氧化反应，生成氧气和氢离子（H⁺），其化学反应方程式为：2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻。产生的氢离子通过质子交换膜向阴极迁移，质子交换膜只允许质子通过，有效阻止了氢气和氧气的混合，提高了系统安全性。在阴极，氢离子得到从阳极通过外电路传输过来的电子，发生还原反应生成氢气，反应方程式为：4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂。整个过程需要消耗电能，且该电能可由太阳能、风能等可再生能源提供，从而实现清洁、可持续的制氢过程。与传统碱性水电解相比，PEM 水电解具有启动速度快、电流密度高、设备紧凑等优点，更适合在高压环境下运行。​

（2）碱性水电解原理​

碱性水电解以氢氧化钾（KOH）等碱性溶液作为电解质。在阴极，水分子得到电子分解为氢气和氢氧根离子（OH⁻），反应式为：2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻。氢氧根离子在电场作用下通过隔膜向阳极迁移，在阳极发生氧化反应生成氧气和水，反应式为：4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻。在高压条件下，虽然碱性水电解的基本反应原理不变，但压力变化会影响电解液的电导率、气体溶解度以及电极反应动力学等因素，进而对系统性能产生影响。与 PEM 水电解相比，碱性水电解技术成熟、成本相对较低，但存在能耗较高、电极及隔膜材料在高压下耐久性不足等问题。​

三、关键技术研发​

（1）高活性和稳定性电催化剂研发​

1. PEM 水电解催化剂：在 PEM 水电解中，阳极析氧反应（OER）和阴极析氢反应（HER）的催化剂至关重要。目前，阳极常用的催化剂主要是基于铱（Ir）、钌（Ru）等贵金属及其氧化物，如 IrO₂、RuO₂等，这些催化剂具有较高的 OER 活性，但成本高昂且资源稀缺。为提高催化剂性能并降低成本，研究人员通过开发多元合金催化剂，如 Ir - Ru 合金，利用合金化效应调节催化剂的电子结构，优化其对反应中间体的吸附与脱附能力，从而提高催化活性和稳定性。此外，采用纳米结构设计，将催化剂制备成纳米颗粒负载在高比表面积的载体上，如碳纳米管、石墨烯等，能够增加活性位点数量，提高催化剂的利用率。例如，将纳米级的 IrO₂颗粒负载在碳纳米管上，不仅提高了催化剂的活性，还增强了其在高压环境下的稳定性，有效降低了催化剂用量。​

2. 碱性水电解催化剂：碱性水电解的阴极 HER 催化剂主要以镍（Ni）基材料为主，如 Ni、Ni - Mo 合金等。为进一步提高镍基催化剂的活性和稳定性，通过引入其他元素进行改性，如添加少量的钴（Co）、铁（Fe）等，形成多元合金催化剂。这些合金催化剂能够改变催化剂表面的电子云分布，优化对氢原子的吸附与脱附过程，从而提高 HER 活性。在阳极 OER 方面，开发了基于镍铁（Ni - Fe）层状双氢氧化物（LDH）的催化剂，通过调控 Ni、Fe 元素的比例以及材料的微观结构，能够显著提高其 OER 催化活性。研究表明，在 Ni - Fe LDH 中引入适量的 Fe 元素，能够形成更多的活性位点，加速 OER 反应动力学过程，在高压碱性水电解环境下表现出良好的稳定性和催化性能。​

（2）高压电解槽结构设计与优化​

1. PEM 电解槽结构设计：高压 PEM 电解槽通常采用多层膜电极组件（MEA）堆叠结构，以提高系统的产氢压力和电流密度。在设计电解槽结构时，需要考虑如何有效传递电流、优化气体和液体的流动分布以及确保良好的密封性能。采用具有高导电性和耐腐蚀性的钛（Ti）基双极板，其表面经过特殊处理，如涂覆导电涂层，以降低接触电阻，提高电流传输效率。同时，在双极板上设计合理的流道结构，如蛇形流道、平行流道等，能够使反应气体和冷却液均匀分布在 MEA 表面，提高反应的均匀性和效率。对于高压环境下的密封问题，研发了新型的密封材料和密封结构，如采用氟橡胶等高性能密封材料，并结合特殊的密封槽设计，确保在高压下能够有效防止气体泄漏。例如，一种采用多层氟橡胶密封环与金属密封垫片相结合的密封结构，在 70MPa 的高压下仍能保持良好的密封性能，保证了电解槽的安全稳定运行。​

2. 碱性电解槽结构设计：碱性电解槽在高压下需要解决电解槽本体的耐压问题以及电解液循环和气体分离的优化。采用高强度的压力容器作为电解槽外壳，通过优化外壳的结构设计和材料选择，确保其能够承受高压。在电解液循环方面，开发了高效的电解液循环系统，如采用独立的阴极和阳极电解液循环回路，能够更好地控制阴阳极电解液的浓度和温度，减少氢氧互混的可能性。同时，优化气液分离器的结构和性能，提高氢气和氧气的分离效率。例如，设计一种新型的旋流式气液分离器，利用离心力实现气体和液体的快速分离，在高压下能够将氢气中的含氧量降低到安全范围内，提高了碱性电解槽在高压环境下的运行稳定性和安全性。​

（3）高压环境下的膜材料研究​

1. PEM 膜材料：质子交换膜是 PEM 水电解系统的核心部件之一，在高压环境下，对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机械强度，以承受高压差带来的应力，防止膜破裂导致氢氧互混。另一方面，要保证膜材料具有高的质子传导率和低的气体渗透率，以维持系统的高效运行。目前，商业化的全氟磺酸质子交换膜，如杜邦 Nafion 膜，在高压下存在机械强度不足和气体渗透率随压力升高而增加的问题。为解决这些问题，研究人员通过对膜材料进行改性，如在全氟磺酸膜中引入增强材料，如纳米纤维素、无机纳米粒子等，制备复合膜材料。这些增强材料能够均匀分散在膜基体中，形成三维网络结构，增强膜的机械性能。同时，通过调整膜的微观结构，如优化磺酸基团的分布，提高质子传导率并降低气体渗透率。例如，一种以纳米纤维素增强的全氟磺酸复合膜，在高压下的拉伸强度提高了 30%，质子传导率保持在较高水平，而氢气渗透率降低了 20%，显著提升了 PEM 膜在高压环境下的性能。​

2. 碱性电解槽隔膜材料：碱性电解槽中的隔膜主要作用是阻止氢气和氧气混合，同时允许氢氧根离子通过。在高压下，隔膜需要具备良好的化学稳定性、机械强度和离子传导性能。传统的石棉隔膜在高压碱性环境下存在耐久性问题，容易发生溶胀和腐蚀。因此，研发新型的碱性隔膜材料成为研究热点。目前，一些有机 - 无机复合隔膜材料受到关注，如以聚烯烃为基体，填充无机纳米粒子制备的复合隔膜。无机纳米粒子能够增强隔膜的机械性能和化学稳定性，同时改善其离子传导性能。此外，通过对隔膜表面进行改性处理，如接枝亲水性基团，能够提高隔膜对电解液的浸润性，降低离子传输阻力。例如，一种以聚丙烯为基体，填充二氧化硅纳米粒子并进行表面接枝亲水性基团的复合隔膜，在高压碱性水电解环境下表现出良好的稳定性和离子传导性能，有效抑制了氢氧互混现象。​

（4）氢氧互混控制技术研发​

1. PEM 水电解氢氧互混控制：在 PEM 水电解制高压氢气过程中，氢氧互混主要是由于氢气通过质子交换膜向阳极渗漏以及阳极溶解态氧气在浓度梯度作用下向阴极扩散。为控制氢氧互混，除了优化膜材料性能外，还采用了多种技术手段。一种方法是在阳极侧构建氢氧化催化层，通常采用铂（Pt）催化剂，使渗漏到阳极的氢气与氧气发生电化学氧化反应生成水，从而降低氧中氢浓度。然而，该方法会增加材料成本且无法提高电流效率。另一种方法是利用电化学搬运技术，在阳极和阴极之间构造第三电极用于催化氢氧化反应，通过施加合适的电位形成电化学氢泵回路或燃料电池回路，使渗漏的氢气发生电氧化后以质子形式传递回阴极或阳极，从而有效降低氢氧互混。但这种方法会导致隔膜增厚，欧姆阻抗增加，电解电压升高，效率下降。目前的研究重点是在保证降低氢氧互混的同时，尽量减少对系统性能的负面影响，如通过优化电极结构和反应条件，提高电化学搬运过程的效率。​

2. 碱性水电解氢氧互混控制：碱性水电解中氢氧互混的原因主要包括阴极和阳极电解液在压差作用下的强制扩散、溶解态氢气和氧气的浓差扩散以及电解液循环混合过程中的互混。为控制氢氧互混，首先要严格控制阴阳极压差，采用压力平衡控制策略，确保隔膜两侧压力差在安全范围内，减少电解液强制扩散导致的氢氧互混。在电解液循环方面，采用独立的阴极和阳极电解液循环方式，能够显著降低氧中氢含量。但这种方式会导致阴阳极电解液浓度偏差逐渐增大，影响电解槽性能。因此，研究开发了混合式和独立式电解液循环交替进行的方法，通过精确控制交替节拍，既能有效管控氧中氢浓度，又能保证电解槽长时间稳定运行。此外，优化气液分离器的性能，提高氢气和氧气的分离效率，也是减少氢氧互混的重要措施。例如，通过改进气液分离器的内部结构，增加气体停留时间和分离级数，能够将氧中氢浓度降低到 1% 以下，满足高压碱性水电解制氢的安全要求。​

四、性能验证​

（1）实验装置搭建​

为对研发的高压水电解制氢系统进行性能验证，搭建了一套完整的实验装置。该装置主要包括高压电解槽、电源系统、气体和液体供应系统、压力和温度控制系统以及数据采集与监测系统。​

1. 高压电解槽：根据不同的技术路线（PEM 水电解或碱性水电解），选用经过优化设计和制造的高压电解槽。对于 PEM 电解槽，采用了多层 MEA 堆叠结构，配备钛基双极板和新型密封结构，确保在高压下的良好性能和密封效果。碱性电解槽则采用高强度压力容器外壳，内部安装有优化设计的电极、隔膜以及电解液循环组件。​

2. 电源系统：采用高精度的直流电源，能够提供稳定的电流和电压输出，满足电解槽在不同工况下的需求。电源系统具备过流、过压保护功能，确保实验过程的安全可靠。​

3. 气体和液体供应系统：气体供应系统用于向电解槽提供纯净的水（对于 PEM 水电解）或碱性电解液（对于碱性水电解），并能够精确控制流量和压力。液体供应系统配备有过滤器、泵等设备，保证液体的质量和供应稳定性。对于产生的氢气和氧气，通过专门的气体收集和处理系统进行收集、计量和分析。​

4. 压力和温度控制系统：为模拟高压环境，设置了压力控制系统，能够精确调节电解槽内的压力，并保持稳定。温度控制系统用于控制电解液或反应气体的温度，确保实验在设定的温度条件下进行。压力和温度传感器分布在电解槽的关键位置，实时监测压力和温度变化，并反馈给控制系统进行调整。​

5. 数据采集与监测系统：该系统通过传感器实时采集电解槽的电流、电压、产氢速率、产氧速率、气体纯度、压力、温度等参数，并将数据传输至计算机进行存储和分析。利用数据采集与监测系统，能够全面了解高压水电解制氢系统在不同工况下的运行性能，为性能验证提供准确的数据支持。​

（2）性能测试指标与方法​

1. 电解效率测试：电解效率是衡量高压水电解制氢系统性能的重要指标之一，通常通过测量单位时间内消耗的电能与产生氢气的化学能之比来计算。在实验中，精确测量电解槽的输入电流和电压，以及单位时间内产生的氢气量，根据法拉第定律计算理论产氢量，进而得出实际电解效率。例如，在某一实验工况下，测量得到电解槽输入电压为 2.0V，电流为 100A，经过一段时间运行后，通过气体流量计测得产生氢气的体积为 10L（标准状况下），根据相关公式计算可得该工况下的电解效率为 80%。​

2. 产氢压力与纯度测试：使用高精度压力传感器实时监测电解槽出口处氢气的压力，确保其达到设定的高压目标。对于氢气纯度的测试，采用气相色谱仪等分析仪器对收集的氢气样品进行分析，测量其中杂质气体（如氧气、氮气等）的含量，从而确定氢气纯度。例如，在高压 PEM 水电解实验中，通过调节压力控制系统，使电解槽出口氢气压力稳定在 30MPa，经气相色谱仪分析，氢气纯度达到 99.99%，满足了高压、高纯度氢气的生产要求。​

3. 稳定性测试：为评估高压水电解制氢系统的稳定性，进行长时间的连续运行实验。在实验过程中，定期监测系统的各项性能指标，如电解效率、产氢压力、氢气纯度等，观察其随时间的变化情况。如果在连续运行一定时间（如 1000 小时）内，各项性能指标的波动在允许范围内，则认为系统具有良好的稳定性。例如，在碱性水电解稳定性测试中，系统连续运行 1000 小时，电解效率始终保持在 78% - 82% 之间，产氢压力稳定在 10MPa 左右，氢气纯度维持在 99.9% 以上，表明该系统具有较好的稳定性。​

4. 动态响应性能测试：模拟可再生能源发电的波动性，通过快速改变电源输入的电流或电压，测试高压水电解制氢系统的动态响应性能。观察系统在电流或电压变化时，产氢速率、电解效率等指标的响应速度和变化情况。例如，当电源输入电流在短时间内从 50A 增加到 150A 时，系统能够在 10 秒内快速调整产氢速率，电解效率在短暂波动后迅速恢复稳定，表明该系统具有良好的动态响应性能，能够适应可再生能源波动的输入条件。​

（3）性能验证结果与分析​

1. PEM 水电解系统性能验证结果：经过一系列性能测试，研发的高压 PEM 水电解系统在 30MPa 压力下，实现了较高的电解效率，达到 85% 以上。在电流密度为 2000A/m² 时，单位制氢能耗低于 4.5kWh/Nm³，优于市场上多数同类产品。氢气纯度达到 99.99% 以上，满足了燃料电池等高端应用领域对氢气纯度的严格要求。在稳定性测试中，系统连续运行 2000 小时，性能指标波动小于 5%，表现出良好的稳定性。动态响应测试结果表明，系统能够快速跟踪电源输入变化，在电流变化速率为 100A/s 时，产氢速率能够在 15 秒内稳定调整，适应可再生能源发电的波动性。然而，在高压运行过程中，发现质子交换膜的耐久性仍有待进一步提高，长时间运行后膜电阻略有增加，可能影响系统的长期性能。​

2. 碱性水电解系统性能验证结果：高压碱性水电解系统在 10MPa 压力下，电解效率达到 80% 左右。在电流密度为 1500A/m² 时，单位制氢能耗约为 4.8kWh/Nm³。氢气纯度可稳定保持在 99.9% 以上。稳定性测试显示，系统连续运行 1500 小时，各项性能指标基本稳定，波动在可接受范围内。通过优化电解液循环和氢氧互混控制技术，有效降低了氧中氢浓度，在正常运行工况下，氧中氢浓度低于 1%，满足安全要求。在动态响应方面，系统对电源输入变化的响应速度相对较慢，电流变化时产氢速率调整时间约为 30 秒，但仍能满足一般应用场景的需求。与 PEM 水电解系统相比，碱性水电解系统的成本优势较为明显，但在高压下的能耗和动态响应性能有待进一步提升。​

五、结论与展望​

      通过对高压水电解制氢系统关键技术的深入研发及全面性能验证，在多个核心领域取得了显著进展。在关键技术研发方面，高活性和稳定性电催化剂的开发有效提升了电极反应效率，无论是 PEM 水电解中贵金属催化剂的优化，还是碱性水电解中镍基等催化剂的改性，都展现出良好的催化性能；高压电解槽结构设计与优化，针对 PEM 和碱性电解槽不同特性，分别解决了电流传递、气体液体分布、密封以及耐压等问题；高压环境下膜材料研究成果斐然，复合膜材料的应用显著改善了 PEM 膜和碱性电解槽隔膜在高压下的机械、传导等性能；氢氧互混控制技术研发提出多种有效策略，保障了系统运行安全。​性能验证结果表明，高压 PEM 水电解系统在 30MPa 压力下实现了 85% 以上的电解效率，单位制氢能耗低、氢气纯度高，动态响应迅速，不过质子交换膜耐久性存在提升空间；高压碱性水电解系统在 10MPa 压力下电解效率达 80% 左右，成本优势明显，氢氧互混控制有效，只是能耗和动态响应性能仍有优化潜力。​

      然而，高压水电解制氢技术仍面临诸多挑战。从材料角度，电催化剂的成本、膜材料的长期稳定性等问题依旧突出；在系统层面，进一步降低能耗、提升不同工况下的适应性仍是重要课题。未来，随着氢能产业向规模化、商业化加速迈进，高压水电解制氢系统关键技术研发将朝着以下方向发展：其一，持续探索新型非贵金属催化剂，结合计算材料学等手段，精准设计催化剂结构，在保证活性的同时大幅降低成本；其二，研发具备更高机械强度、离子传导率和气体阻隔性的膜材料，例如通过仿生学原理设计智能响应型膜材料；其三，优化系统集成技术，实现与风光等可再生能源的深度耦合，开发更高效的能量管理系统，提升系统整体效率与经济性；其四，加强基础理论研究，深入探究高压环境下的电极反应机理、物质传递规律等，为技术突破提供坚实的理论支撑 ，从而推动高压水电解制氢技术实现更大突破，助力全球能源绿色转型。

​产品展示

      SC-HPH高压氢气发生器是针对制药､精细化工､高校科研等行业研发的一款紧凑型实验室仪器;采用国际先进质子交换膜(SPE)电解制氢,直接电解纯水,无需增压泵,经过多级净化,得到高压高纯氢气｡仪器内置多个高灵敏度压力､温度､液位传感器，结合嵌入式操作系统，使维护更简便,使用更安全,操作更友好,可完美替代氢气钢瓶｡

产品特点：

1.电解纯水制氢,无需加碱,纯度高达99.999-99.9999%

2.4.3寸LCD触摸屏,显示各种运行参数,压力流量一体式控制算法,自动化程度高

3.可自动补水,自动净化水质,氢气泄露及高压报警,安全系数高

4.固态电解槽,贵金属催化剂,寿命长,高压下不变形,不漏水