电解水制高压氢气技术研究综述

      在“双碳"目标下，氢能作为零碳能源体系的核心载体，其规模化制备、储运及应用成为能源领域的研究热点。电解水制氢是绿氢生产的主流路径，而高压氢气直接制备技术可跳过后续机械压缩环节，大幅降低氢能综合储运成本，适配车载储氢（70MPa）、加氢站储氢（30-40MPa）等主流场景，是电解水制氢领域的重要发展方向。本文系统综述电解水制高压氢气的主流技术路线、核心科学问题、研究进展及规模化瓶颈，结合突破提出发展方向，为该领域的研究与产业化应用提供参考。

一、电解水制高压氢气主流技术路线及特性

      根据电解质类型及反应条件差异，电解水制高压氢气技术主要分为碱性电解水（AWE）、质子交换膜电解水（PEM）、固体氧化物电解水（SOEC）三大路线，各路线在高压适配性、能效、成本等方面各具优劣，技术成熟度呈梯度分布。近年来阴离子交换膜电解水（AEMWE）技术因融合AWE与PEM优势，成为高压制氢领域的新兴潜力路线。

1.1 碱性电解水（AWE）制高压氢气技术

      AWE技术是目前应用广泛的电解制氢方式，核心原理是在20%-30%的KOH或NaOH碱性电解液中，通过阴阳极反应分解水分子，阴极生成氢气、阳极生成氧气，石棉隔膜或复合隔膜用于阻隔氢氧混合。其在高压制氢领域的优势在于设备成本低廉，电极可采用镍基非贵金属催化剂，无需依赖铂、铱等稀缺资源，且运行稳定性强，可耐受一定范围的电流波动，适配可再生能源供电特性。

      但AWE技术的高压适配能力有限，传统系统工作压力仅0.1-0.3MPa，即便通过隔膜优化、密封结构改进，当前工作压力也仅能达到3MPa。高压工况下，电解液挥发加剧导致氢气纯度下降（仅99.5%-99.8%，需额外纯化），且氢氧跨膜扩散通量上升，氧中氢体积分数易超出2%的安全阈值，存在爆炸隐患。此外，AWE系统电极与隔膜间距大、电流密度低，设备体积庞大，限制了其在分布式、车载等场景的应用。

1.2 质子交换膜电解水（PEM）制高压氢气技术

      PEM电解水技术是当前高压制氢的核心发展方向，以全氟磺酸树脂膜（如Nafion膜）为电解质，仅允许H⁺穿透迁移，实现氢氧的高效分离。阳极反应生成H⁺、氧气和电子，H⁺穿越质子交换膜在阴极结合电子生成氢气，凭借膜材料优异的密封性和耐高压性能，PEM电解槽可直接在高压下运行，商用系统工作压力普遍达到3-10MPa，产品可突破30MPa，无需额外压缩设备即可直接输出高压氢气，相比“低压制氢+机械压缩"方案能耗降低15%-20%。

      PEM高压制氢还具备多重优势：启动响应速度快（几秒至几分钟），可精准适配风电、光伏的间歇性出力；氢气纯度高（无需纯化可达99.999%以上）；体积紧凑，适合空间受限场景。但成本瓶颈显著，铂基阴极催化剂、铱基阳极催化剂占设备成本的30%-40%，全氟磺酸膜价格高达1000元/㎡，且长期运行中易受自由基攻击发生化学降解，商用膜寿命仅10000-20000小时。同时，高压工况下的氢气反渗问题是其核心技术挑战。2025-2026年，PEM技术迎来关键突破期，低铱催化剂、膜电极结构创新及国产化进程加速，推动其向规模化商用转型，全球市场规模已突破80亿美元。

1.3 固体氧化物电解水（SOEC）制高压氢气技术

      SOEC技术属于高温电解路线，以氧化钇稳定氧化锆（YSZ）等固体氧化物陶瓷为电解质，在700-1000℃高温下通过O²⁻迁移实现电解反应，阴极生成氢气和O²⁻，O²⁻跨电解质迁移至阳极生成氧气。其优势是能量效率高，高温环境降低了电解反应活化能，理论电解电压仅0.9-1.1V，远低于AWE和PEM的1.23V，且可耦合工业余热、太阳能聚光热能，实现“电-热-氢"协同利用，综合能效达80%-90%。此外，SOEC无需贵金属催化剂，阴极采用镍基陶瓷、阳极采用镧锶钴铁氧化物（LSCF），长期运行成本潜力显著。

      目前SOEC技术仍处于商业化初期，高压适配能力薄弱是主要短板，高温下陶瓷材料脆性增加，难以承受高压，当前工作压力通常低于1MPa，需突破耐高压陶瓷结构与密封技术。同时，其启动时间长达数小时，无法适配间歇性能源；高温下电解质与电极界面易发生扩散反应，导致性能衰减，使用寿命仅5000-10000小时，材料稳定性亟待提升。

1.4 阴离子交换膜电解水（AEMWE）制高压氢气技术

      AEMWE技术作为新兴路线，融合了AWE的非贵金属催化剂优势与PEM的紧凑结构特性，以阴离子交换膜为电解质，允许OH⁻迁移，阴极生成氢气、阳极生成氧气。其核心优势在于电极可采用镍基、钴基等非贵金属催化剂，大幅降低成本，同时设备体积紧凑，高压适配性优于传统AWE。西安交大赵旭团队通过“氟介导稳定重构"策略，制备的非晶态CoOOH催化剂在AEMWE中表现优异，制氢电流达商用贵金属催化剂的5倍，每标准立方米氢气耗电量仅3.7千瓦时，80℃工业级电流密度下连续运行1200小时性能几乎无衰减。

      青岛科大与中科院团队提出“功能解耦"策略，在NiO纳米片阵列中嵌入CuxO成核促进剂，实现催化反应与气泡管理的空间分离，NiO负责催化水分子解离，CuxO承担气泡富集与快速释放功能，使AEMWE电解槽在2.13V下电流密度高达3A/cm²，1A/cm²下连续运行100小时电压增幅仅1.3%，为工业级大电流高压制氢提供了新范式。但AEMWE技术仍面临阴离子交换膜稳定性不足、高压工况下离子传导效率下降等问题，尚未实现大规模商用。

二、电解水制高压氢气核心科学问题与研究进展

2.1 高压工况下的氢气反渗机制与抑制技术

      氢气反渗是制约PEM高压制氢效率与安全的核心问题，高压环境下氢气通过扩散、溶解-渗透等方式穿越质子交换膜进入阳极，导致氢气产量损失、氧中氢含量超标，甚至引发燃烧爆炸风险。研究表明，氢气反渗速率与电解电流密度呈线性正相关，学界提出压力增强模型和过饱和模型两种机制解释该关联：压力增强模型认为高压加速氢气在膜内的扩散速率，过饱和模型则指出高电流密度下阴极氢气过饱和导致溶解量增加，进而提升渗透通量。

      针对氢气反渗抑制，现有研究主要从膜材料改性、电极结构优化两方面展开：一是采用加厚质子交换膜或改性膜材料骨架与官能团，降低氢气渗透系数，但可能增加质子传导阻力，牺牲电解效率；二是在膜电极组件阳极侧负载氢气氧化催化剂，将渗透的氢气即时氧化，避免积累，该方法在实验室场景效果明显，但催化剂成本与兼容性问题限制规模化应用；三是优化电解槽操作参数，通过精准控制阴阳极压力差（维持在5-10kPa），减少氢气跨膜驱动力。

2.2 解耦电解水（DWE）制高压氢气新技术

      解耦电解水技术通过 redox 介质将析氢反应与析氧反应在时间或空间上分离，从根本上规避氢气反渗风险，为高压制氢提供了全新技术路径。根据介质类型，DWE系统可分为固相介质型和液相介质型：固相介质多采用Ni(OH)₂、MnO₂等电池电极材料，通过氧化还原态循环实现电子传递；液相介质则以V³⁺、VO²⁺、(Fe(CN)₆)⁴⁻等为载体，具备反应速率快、调控灵活的优势。

      与传统电解技术相比，DWE技术在高压制氢中具有显著优势：空间解耦模式可分别在阴极腔和阳极腔独立控制压力，阴极可在更高压力下制氢而不影响阳极反应，避免氢氧互混安全隐患；时间解耦模式可在绿电充足时储存氧化还原介质的化学能，低谷时释放能量制氢，提升绿电消纳能力。西安交大吴家哲团队研究表明，DWE系统制高压氢气时，氢气纯度可达99.999%以上，且无需复杂的密封与压力平衡设计，设备成本潜力显著。目前DWE技术仍处于实验室研发阶段，存在介质循环效率低、长期运行稳定性差、系统放大困难等问题，亟需突破规模化应用技术瓶颈。

2.3 关键材料与组件性能优化进展

      催化剂与膜材料是决定高压电解制氢性能的核心，近年来低贵金属化、长寿命化改进取得系列突破。催化剂方面，复旦大学团队采用“熟化诱导嵌入"策略，将铱用量降低85%，在3A/cm²下电压仅1.72V，衰减率1.33μV/h，超越美国DOE 2026目标；中科院上海高研院通过硫掺杂改性IrO₂，将Ir用量降至常规水平的1/3，2A/cm²下槽压1.69V，稳定运行1000小时；阴极催化剂领域，铠甲催化剂、Co-RuO₂复合催化剂等非铂体系不断迭代，不仅提升了催化活性，还降低了对进水水质的要求，可直接使用低成本反渗透水运行。

      膜材料方面，质子交换膜国产化进程加速，苏州科润建成年产100万平方米生产线，武汉绿动实现装车应用，2025年国产化率预计达65%；膜电极结构创新持续推进，中科院上海高研院的“锥状阵列+超薄Pt层"设计，将Ir负载量降至传统水平的5%，同时解决导电性与传质受限问题；阴离子交换膜通过骨架改性与功能基团优化，离子传导效率与稳定性显著提升，为AEMWE高压制氢奠定基础。此外，抗氢脆金属部件、高精度压力控制组件等配套部件的研发，也为高压电解系统长期稳定运行提供了保障。

三、规模化应用瓶颈与突破路径

3.1 核心瓶颈分析

      当前电解水制高压氢气技术规模化应用仍面临多重制约。技术层面，高压工况下性能稳定性不足，AWE存在氢氧互混风险，PEM面临膜降解与氢脆问题，SOEC与AEMWE则受限于材料稳定性；绿电适配性有待提升，现有设备负荷调节范围多为20%-100%，难以匹配绿电出力的剧烈波动，且动态响应速度不足。成本层面，PEM核心部件依赖进口，初始投资为AWE的2-3倍，催化剂与膜材料更换导致长期运行成本高企，行业尚未形成规模化效应，定制化需求进一步摊薄成本优势。

      产业层面，标准体系不完善，30MPa以上高压工况的专项标准存在空白，压力控制精度、安全防护等级等指标缺乏统一要求，导致产品兼容性差；产业链协同不足，核心材料与部件国产化率偏低，上下游接口标准不统一，系统集成难度大；检测认证体系滞后，缺乏专项机构与流程，影响下游用户采购信心。

3.2 突破路径探索

      技术创新层面，需聚焦高压适配、绿电耦合与场景定制三大方向：优化高压工况下的系统设计，通过隔膜改进、密封强化、结构优化等手段，提升各技术路线的稳定性与安全性；突破宽负荷调节技术，将设备调节范围拓宽至0-100%，动态响应速度控制在10秒以内，开发“制氢-储氢"一体化系统，提升绿电消纳能力；针对工业、交通等不同场景，定制开发大流量一体化设备、集装箱式分布式设备，满足差异化需求。

      产业协同层面，加快核心部件国产化替代，加大对催化剂、膜材料、高精度传感器等的研发投入，建立自主供应链体系，目标将核心部件国产化率提升至70%以上；推进规模化生产与标准化设计，建设自动化生产线，统一核心接口与性能参数规范，实现部件通用互换，通过规模效应降低成本；加强产学研用协同，开展“绿电-制氢-应用"一体化示范项目，加速实验室技术产业化转化。

      政策赋能层面，健全高压制氢专项标准体系，明确安全防护、性能测试、寿命评估等关键指标，建立专项检测认证平台；优化补贴与激励政策，对国产设备应用、规模化示范项目给予倾斜，将高压制氢设备纳入绿色技术装备目录，享受税收减免与融资贴息；扩大示范应用场景，在工业脱碳、分布式加氢站、电网调峰等领域布局项目，形成“示范-推广-迭代"的良性循环。

四、结论与展望

      电解水制高压氢气技术凭借能耗优势与场景适配性，已成为绿氢产业化的核心支撑，PEM技术逐步迈向规模化商用，AEMWE等新兴路线快速迭代，关键材料与组件创新持续突破。但高压稳定性、成本控制、产业协同等瓶颈仍需攻克，未来需以技术创新为核心，强化产学研用协同，完善政策与标准体系，推动技术从实验室走向规模化应用。

      预计2026-2030年，随着低贵金属催化剂、长寿命膜材料的广泛应用，PEM制氢成本有望降至18元/千克以下，2030年逼近灰氢成本；AEMWE技术将突破材料稳定性瓶颈，实现中规模商用；SOEC技术在高温高压适配性上取得进展，逐步应用于工业余热耦合场景。届时，电解水制高压氢气将在工业脱碳、交通加氢、电网调峰等领域大规模推广，为零碳能源体系构建提供核心支撑，助力“双碳"目标实现。

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

        SPE电解制氢技术是通过直接电解纯水产生高纯氢气（不加碱），电解池只电解纯水即可产氢。通电后，在电解池的阴极产氢气，阳极产氧气，氢气进入氢-水分离器进行气液分离。氧气排入大气。氢-水分离器将氢气和水分离。氢气进入干燥器除湿后，经稳压阀、调节阀调整到额定压力由出口输出。电解池的产氢压力由传感器控制在设定值，当压力达到设定值时，电解池电源供应切断；压力下降，低于设定值时电源恢复供电产氢，维持压差，维持氢气稳压稳流持续输出。