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水电解是目前可与可再生能源电力结合的最成熟且前景的制氢技术。水电解需要施加电场，迫使水分子解离成氢气和氧气。根据技术的不同，使用膜或分离器可以实现分子的迁移，以及氢气的提取和储存。一套电解槽系统由发生反应的电解槽电堆以及用于妥善管理水、热、电流或反应过程中产生的氢气和氧气的辅助部件组成。下图1展示了电解槽系统及其组件的概览。
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图1.电解槽系统的概述
下图2为各厂商公布的不同类型及规格电解堆的可用能耗拆分数据（单位：千瓦时 / 千克产氢）。低温电解工艺下，受所用技术路线影响，生产 1 千克氢气约需消耗 48~55 千瓦时电能（折合 180~200 兆焦）；高温电解槽的电耗更低，但需持续供给高品质热能。常温条件下，水电解制氢的热力学理论能耗下限约为 39.39 千瓦时 / 千克氢。
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图2：按类型和规模类别划分的商业系统（电堆层面）报告能耗
一、技术概述
主要的电解槽电堆技术及其优缺点总结如下：
— 碱性电解（ALK）：是一种成熟的低温水电解制氢技术，目前已有成本效益相对较高的兆瓦级电堆。碱性电解槽不使用贵金属催化剂，稳定性好，寿命极长。其主要缺点是只能在相对较低的电流密度下运行，并且可能缺乏运行灵活性。历史上，碱性电解槽系统动态性能较差，负载灵活性以及可工作负载范围有限，因为低负载可能带来安全问题。然而，为了满足与可再生能源更高效耦合所需的灵活运行要求，该项技术的适应性改进正在取得进展。
— 质子交换膜电解槽（PEM）：能够达到高电流和功率密度，在动态工况和部分负载下运行良好。因此，其响应速度非常快，这使得与可再生能源的结合更为容易。其主要缺点与耐久性（涉及催化剂损耗和膜寿命）以及成本有关，部分原因在于其催化剂含有昂贵且稀有的铂族金属，如铂和铱。在欧洲碱性电解和质子交换膜电解是两种已达到大规模应用商业成熟度的主要技术，并且已经或将在数百兆瓦（以标称功率输入计）级别的大规模系统中得到部署。
— 阴离子交换膜电解槽（AEM）：该技术在碱性介质中运行，但使用固体电解质。原则上，这意味着由于固体电解质的存在，它们可以结合使用非铂族金属催化剂并生产高纯度氢气。阴离子交换膜电解槽目前开始出现在小规模商业应用中，首批1兆瓦的AEM电解系统于2023年交付，5兆瓦系统可能在2025年底前或者2026年投运。
— 固体氧化物电解槽（SOEC）：利用更有利的水分解热力学，在更高温度（通常高于800°C）下使带负电荷的离子穿过陶瓷材料循环，如果有合适的热源（热量约为10千瓦时/公斤氢气），其电耗可低至约40千瓦时/公斤氢气；维持高温所需的额外热量也应计入效率考量。由于需要达到高温且必须避免构成电化学电池的陶瓷材料受到热冲击，它们的冷启动速率较慢。因此，其运行灵活性也有限。它们必须使用能够承受该技术所涉更高温度的材料，并且也含有稀土金属等关键原材料。尽管已达到能够支撑大型示范工厂的技术水平，但仍需开展研发与创新行动，并且必须解决与材料相关的挑战，才能实现该技术的大规模部署。固体氧化物电解槽已在真实环境中进行过测试，计划中的多兆瓦级示范项目也已启动，例如由欧盟资助的MULTIPLHY项目中的2.6MW固体氧化物电解槽于2025年10月投运。
— 质子传导陶瓷电解（PCC）：一项技术就绪水平更低但具有显著发展潜力的技术，该技术与固体氧化物电解有相似之处，但此处的陶瓷膜用于传导质子。质子导电陶瓷电解的温度范围大约在500-700°C。尽管该技术前景看好，但其放大规模仍很困难，要实现全面商业化还需要多项研究突破。
二、技术就绪水平(Technology readiness level)
下表1提供了对不同电解槽技术的定量评估。该评估考虑了碱性和质子交换膜技术目前在工业环境（超过20MW）中大规模应用的实际部署情况。将电解槽系统从几兆瓦规模扩大到吉瓦规模，在性能、安全性、设计和制造方面带来了新的技术挑战。
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表1：不同电解槽技术的电流TRL。
大型电解槽系统是一种模块化技术，根据特定项目的需求安装多个电解槽电堆。尽管许多研发工作都集中在单个电堆的性能上，但部署大规模系统的雄心也推动着整个系统层面的创新。此外，由于一些大型项目要求直接在用氢现场生产氢气，项目开发商的工程工作也集中在将电解槽完全集成到承购方的工业流程中，例如合成氨或者合成甲醇等生产流程。
为此，一些制造商开始基于标准化的100MW电解模块开发模块化全系统设计。例如，由两家历史悠久的氢能企业——Technip和John Cockerill——组建的合资公司Rely就在这样做。另一个例子是Electric Hydrogen，该公司也在开发一个集成的100兆瓦电解系统。最后，三星工程公司收购了挪威Nel ASA公司9%的股份，以开发集成的制氢系统。
有分析报告指出，不同地区（主要是欧洲制造的电解槽与中国进口的电解槽之间）在效率测量方面存在显著差异。截至目前，还很难以一种稳健的方式对电解槽的性能进行全面的基准测试。
实际上，只有当性能数据在相同的测试协议下测量时，才能进行标准化的比较，例如ISO-22734/2019协议或联合研究中心针对低温和高温电解制定的统一协议。从制造商提供的系统规格中，不清楚数据是如何收集的，依据的是哪种协议。当涉及到更大规模系统的性能（包括其平衡装置组件或其集成到更大工业枢纽中的情况）时，这种不确定性还会增加。
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图1.电解槽系统的概述
下图2为各厂商公布的不同类型及规格电解堆的可用能耗拆分数据（单位：千瓦时 / 千克产氢）。低温电解工艺下，受所用技术路线影响，生产 1 千克氢气约需消耗 48~55 千瓦时电能（折合 180~200 兆焦）；高温电解槽的电耗更低，但需持续供给高品质热能。常温条件下，水电解制氢的热力学理论能耗下限约为 39.39 千瓦时 / 千克氢。
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图2：按类型和规模类别划分的商业系统（电堆层面）报告能耗
一、技术概述
主要的电解槽电堆技术及其优缺点总结如下：
— 碱性电解（ALK）：是一种成熟的低温水电解制氢技术，目前已有成本效益相对较高的兆瓦级电堆。碱性电解槽不使用贵金属催化剂，稳定性好，寿命极长。其主要缺点是只能在相对较低的电流密度下运行，并且可能缺乏运行灵活性。历史上，碱性电解槽系统动态性能较差，负载灵活性以及可工作负载范围有限，因为低负载可能带来安全问题。然而，为了满足与可再生能源更高效耦合所需的灵活运行要求，该项技术的适应性改进正在取得进展。
— 质子交换膜电解槽（PEM）：能够达到高电流和功率密度，在动态工况和部分负载下运行良好。因此，其响应速度非常快，这使得与可再生能源的结合更为容易。其主要缺点与耐久性（涉及催化剂损耗和膜寿命）以及成本有关，部分原因在于其催化剂含有昂贵且稀有的铂族金属，如铂和铱。在欧洲碱性电解和质子交换膜电解是两种已达到大规模应用商业成熟度的主要技术，并且已经或将在数百兆瓦（以标称功率输入计）级别的大规模系统中得到部署。
— 阴离子交换膜电解槽（AEM）：该技术在碱性介质中运行，但使用固体电解质。原则上，这意味着由于固体电解质的存在，它们可以结合使用非铂族金属催化剂并生产高纯度氢气。阴离子交换膜电解槽目前开始出现在小规模商业应用中，首批1兆瓦的AEM电解系统于2023年交付，5兆瓦系统可能在2025年底前或者2026年投运。
— 固体氧化物电解槽（SOEC）：利用更有利的水分解热力学，在更高温度（通常高于800°C）下使带负电荷的离子穿过陶瓷材料循环，如果有合适的热源（热量约为10千瓦时/公斤氢气），其电耗可低至约40千瓦时/公斤氢气；维持高温所需的额外热量也应计入效率考量。由于需要达到高温且必须避免构成电化学电池的陶瓷材料受到热冲击，它们的冷启动速率较慢。因此，其运行灵活性也有限。它们必须使用能够承受该技术所涉更高温度的材料，并且也含有稀土金属等关键原材料。尽管已达到能够支撑大型示范工厂的技术水平，但仍需开展研发与创新行动，并且必须解决与材料相关的挑战，才能实现该技术的大规模部署。固体氧化物电解槽已在真实环境中进行过测试，计划中的多兆瓦级示范项目也已启动，例如由欧盟资助的MULTIPLHY项目中的2.6MW固体氧化物电解槽于2025年10月投运。
— 质子传导陶瓷电解（PCC）：一项技术就绪水平更低但具有显著发展潜力的技术，该技术与固体氧化物电解有相似之处，但此处的陶瓷膜用于传导质子。质子导电陶瓷电解的温度范围大约在500-700°C。尽管该技术前景看好，但其放大规模仍很困难，要实现全面商业化还需要多项研究突破。
二、技术就绪水平(Technology readiness level)
下表1提供了对不同电解槽技术的定量评估。该评估考虑了碱性和质子交换膜技术目前在工业环境（超过20MW）中大规模应用的实际部署情况。将电解槽系统从几兆瓦规模扩大到吉瓦规模，在性能、安全性、设计和制造方面带来了新的技术挑战。
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表1：不同电解槽技术的电流TRL。
大型电解槽系统是一种模块化技术，根据特定项目的需求安装多个电解槽电堆。尽管许多研发工作都集中在单个电堆的性能上，但部署大规模系统的雄心也推动着整个系统层面的创新。此外，由于一些大型项目要求直接在用氢现场生产氢气，项目开发商的工程工作也集中在将电解槽完全集成到承购方的工业流程中，例如合成氨或者合成甲醇等生产流程。
为此，一些制造商开始基于标准化的100MW电解模块开发模块化全系统设计。例如，由两家历史悠久的氢能企业——Technip和John Cockerill——组建的合资公司Rely就在这样做。另一个例子是Electric Hydrogen，该公司也在开发一个集成的100兆瓦电解系统。最后，三星工程公司收购了挪威Nel ASA公司9%的股份，以开发集成的制氢系统。
有分析报告指出，不同地区（主要是欧洲制造的电解槽与中国进口的电解槽之间）在效率测量方面存在显著差异。截至目前，还很难以一种稳健的方式对电解槽的性能进行全面的基准测试。
实际上，只有当性能数据在相同的测试协议下测量时，才能进行标准化的比较，例如ISO-22734/2019协议或联合研究中心针对低温和高温电解制定的统一协议。从制造商提供的系统规格中，不清楚数据是如何收集的，依据的是哪种协议。当涉及到更大规模系统的性能（包括其平衡装置组件或其集成到更大工业枢纽中的情况）时，这种不确定性还会增加。
