一、電極作用原理

堿性電解槽小室結(jié)構(gòu)

首先，電催化劑在制氫電解槽中的作用是至關(guān)重要的，是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所，也是決定制氫電解槽的制氫效率的根本。

理論上水電解的電壓為1.23 V，熱中性電壓1.48V，但是在實際的大型化設(shè)備中，單個電解小室的電壓達到2 V左右。這是由于在設(shè)備運行過程中電極的極化作用和電解槽的歐姆電阻的存在導(dǎo)致的。如下式：

U=E0+I*R0+E過電位

其中U代表了單個電解小室的總電壓，E0代表了理論分解電壓（1.23 V），I*R0代表了電解槽的歐姆電壓降，E過電位代表了電解過程中電極表面的電化學(xué)極化和濃差極化。

在高電流密度運行的狀態(tài)下（工業(yè)用電解槽的運行電流在3000-4000A左右），陰極和陽極的電化學(xué)極化占了很大一部分。因此，電催化劑的性能是決定小室電壓、制氫效率的關(guān)鍵。

在堿性電解液中，陰極和陽極發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)分別為：2H2O+2e-=H2+2OH-，4OH--4e-=O2+2H2O。HER和OER反應(yīng)在納米級別尺度的反應(yīng)歷程和一些電化學(xué)表征在這里不再討論（雖然非常重要），有興趣的朋友們可以去看看對應(yīng)的文獻。本文主要是從工程應(yīng)用的角度去探討目前大規(guī)模應(yīng)用堿性電解水制氫的催化劑。

二、電極的材料及結(jié)構(gòu)

目前堿性電解水的催化劑從科研來說種類繁多，貴金屬基的催化劑（Pt,Pd,Au,Ag etc.），非貴金屬基的催化劑（Fe,Co,Ni etc.），非金屬基的催化劑（碳材料等）。

但是目前在大型電解槽中用的催化劑大多是Ni基的，純鎳網(wǎng)或者泡沫鎳或者以此為基底噴涂的高活性Ni基催化劑（雷尼鎳、活化處理的硫化鎳、NiMo合金或者活化處理的NiAl等）。

一個電解小室中有兩張催化劑，一個在陰極，一個在陽極，分布在隔膜的兩側(cè)與隔膜直接接觸。形狀一般與電解槽的形狀一致（一般為圓形），其幾何面積就等于電解槽的有效面積。

在催化劑方面有兩個問題值得我們討論:

（1）首先是為什么要用Ni基的催化劑，原因個人總結(jié)有又以下幾點：

1. Ni基催化劑的制備工藝成熟

目前Ni網(wǎng)，Ni氈，Ni foam等產(chǎn)品比較成熟，Ni網(wǎng)的幅寬能夠滿足大型堿性電解水制氫裝置的應(yīng)用，而且Ni網(wǎng)的目數(shù)、厚度可以較好地控制。

2. Ni基催化劑的價格相對廉價

在堿性溶液的條件下，Ni基催化劑在一定的小室電壓下能夠展現(xiàn)出較高電流密度，且金屬Ni價格較低，可以在保證一定性能的前提下有效降低電極的成本。

3. 極板與催化劑之間的接觸腐蝕問題

這時候可能做科研的同學(xué)有疑問了，為什么現(xiàn)在那么多的新材料都不用呢，這就涉及到一個許多做催化材料的科研工作者可能沒有考慮到的問題---催化劑與極板間的接觸腐蝕（contact corrosion）。

接觸腐蝕又稱電偶腐蝕。兩種不同的金屬相互接觸而同時處于電解質(zhì)中所產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕。由于它們構(gòu)成自發(fā)電池，故受腐蝕的是較活潑的及作為陽極的金屬。

電偶腐蝕示意圖

一般來說，催化劑用什么材料，就需要與催化劑接觸的極板上電鍍什么材料。

假設(shè)極板是碳鋼的，而催化劑是Ni的，由于Fe比Ni要活潑（可查閱標準電極電勢表或者從元素周期表定性分析），所以在電解液中容易發(fā)生Fe的腐蝕，也就是極板的腐蝕。

所以在實際操作中，要在極板表面鍍一層鎳來解決接觸腐蝕的問題。

如果使用較昂貴的貴金屬催化劑（Au,Pt等），催化性能固然會提高，但是為了避免接觸腐蝕的問題，需要在與催化劑接觸的極板上在電鍍一層貴金屬，其成本代價可想而知。

當然，如果電解槽應(yīng)用在潛艇、航天等不計成本的領(lǐng)域那是另一回事了。因此，使用Ni基催化劑能夠降低大型電解槽整體的制造成本。

（2）另一個問題是我們既然知道了電極目前選用Ni基的金屬，那么電極的幾何結(jié)構(gòu)是什么樣的

Ni網(wǎng)一般由40-60目的Ni絲網(wǎng)經(jīng)過裁圓，Ni絲的直徑大約在200um左右。Ni絲網(wǎng)的結(jié)構(gòu)雖簡單，但是其表面積要遠遠大于Ni板，在施加相同的小室電壓的情況下能夠有更多的位點去進行電化學(xué)反應(yīng)，也就能產(chǎn)生更大的電流。

鎳網(wǎng)圖片

（3）如何進一步對電極材料進行優(yōu)化以增大電解槽的電流密度

隨著可再生能源制氫行業(yè)的不斷發(fā)展，對于電解槽設(shè)備大型化的要求也越來越高，單純的小室的疊加會造成電解槽的長度過長，不利于電解槽的裝配與安裝，同時也存在電解槽中部下沉等諸多問題。

因此，通過對于催化劑的優(yōu)化來提高電流密度是一條切實可行的路徑。根據(jù)法拉第定律，電極界面上發(fā)生化學(xué)變化物質(zhì)的質(zhì)量與通入的電量成正比，增大電流密度的關(guān)鍵在于增加給定小室電壓下催化劑表面發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)的速率，這取決于催化劑兩個方面的特性，即催化位點的數(shù)量和催化位點的本證活性。

單純憑借Ni網(wǎng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可能很難更進一步地提高位點的數(shù)量和本征活性，因此我們可以在更加微觀尺度上去進行優(yōu)化，例如以Ni網(wǎng)為基底，再噴涂比表面積更大的雷尼鎳催化劑。

雷尼鎳催化劑的多孔結(jié)構(gòu)是的其比表面積進一步增大（商業(yè)化雷尼鎳的平均比表面積大約在100㎡/g），這樣在給定的小室電壓下就有更多的位點去參與水電解反應(yīng)，電流密度就會進一步地提高。

雷尼鎳圖片

三、總結(jié)

目前，堿性電解水制氫的電解槽效率只能做到60%左右，其原因在于達到目標電流密度的情況下電解小室需要的電壓太大導(dǎo)致效率降低。

為了降低小室電壓，從催化劑方面來講，需要進一步提高催化劑的催化性能來降低陰極與陽極的過電位，進而提高電解槽的整體效率。

中國氫能100人論壇2025第三屆氫能嘉年華

2025 年是“十四五”規(guī)劃收官之年，也是“十五五”規(guī)劃謀劃之年，中國氫能 100 人論壇、《氫能觀察》計劃于 2025 年 12 月召開“2025（第三屆）氫能嘉年華暨中國氫能 100 人論壇年會”總結(jié) 2025年氫能行業(yè)成績、挑戰(zhàn)。展望將到來的 2026 年氫能行業(yè)的政策走向、市場機遇、近期挑戰(zhàn)及戰(zhàn)略重點，通過全方位、深層次的交流，合力解決技術(shù)難點、行業(yè)痛點。

氫能嘉年華

1、主辦承辦單位

主辦單位：世紀新能源網(wǎng)、HEC100  

承辦單位：氫能觀察

2、時間規(guī)模

時間：2025年12月23日

規(guī)模：220人

3、參會聯(lián)系

劉老師：13756043953

滿老師：18043147317

第三屆 2025氫能嘉年華議程

AM  氫能年度總結(jié)與突破

7:30-8:50  會議簽到&資料領(lǐng)取

8:50-12:00  

(一）年度總結(jié)和展望：面對氫能的必選項，未來如何規(guī)模化、低成本地實現(xiàn)氫經(jīng)濟

1. 2025 年中國氫能汽車市場總結(jié)及 2026 年展望

2. 2025 年中國堿性電解槽市場總結(jié)和 2026 年展望

3. 2025 年中國綠色甲醇市場總結(jié)和 2026 年展望

4. “十五五”中國氫能產(chǎn)業(yè)政策展望

5. 2025 年綠氫制備及規(guī)模化應(yīng)用的現(xiàn)狀與展望

6. 2025 氫能無人機市場總結(jié)和 2026 年展望

7. 2025 氫能兩輪車市場總結(jié)和 2026 年展望

8. 2025 氫能資本市場總結(jié)和 2026 年展望

PM  氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)、項目和解決方案

13:30-17:00

（二）電解槽及相關(guān)技術(shù)：在快速演進的市場中，電解槽制造商面臨擴大產(chǎn)能與降低成本的雙重挑戰(zhàn)

1. 堿性電解槽隔膜的材料選擇與性能優(yōu)化

2. 堿性電解槽制氫電極最新技術(shù)進展探究

3. 雙極板材料選擇與性能優(yōu)化，性能提升的關(guān)鍵密碼

4. 高性能電極結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備技術(shù)

5. 電解槽密封材料與耐久性提升技術(shù)

6. 單堆兆瓦級時代的挑戰(zhàn)

7. 不同溫度環(huán)境下的 AEM 電解性能優(yōu)化

8. 大規(guī)模綠氫項目堿性電解槽技術(shù)難點探討

9. 適應(yīng)風(fēng)光波動電源的 10%-150%動態(tài)響應(yīng)技術(shù)

10. SOEC 電解槽的未來發(fā)展趨勢與產(chǎn)業(yè)化路徑

（三）氫能無人機、兩輪車等應(yīng)用技術(shù)：基礎(chǔ)設(shè)施和商業(yè)模式的創(chuàng)新，是破解儲運與成本的關(guān)鍵難題

1. 氫能無人機關(guān)鍵技術(shù)研究進展

2. 氫能無人機場景應(yīng)用探索與規(guī)模化發(fā)展

3. 液氫飛機輕量化技術(shù)趨勢

4. 氫燃料電池?zé)o人機的商業(yè)化經(jīng)驗分享

5. 大重載氫電無人機商業(yè)應(yīng)用探索

6. 氫能兩輪車“小場景大價值”的“試驗場”

7. 氫兩輪車解決“最后一公里”出行問題

8. 氫燃料電池用碳材料的產(chǎn)業(yè)化進展

9. 基于實際場景的氫安全試驗評價技術(shù)研究與實踐

（四）氫電協(xié)同：氨、醇貿(mào)易與海運脫碳探討將揭示氫衍生物的市場前景

1. 綠氫經(jīng)濟性拐點：堿性技術(shù)度電成本（LCOH）的臨界條件測算

2. 以電氫協(xié)同助力構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的探索與思考

3. 氫能平價之路：產(chǎn)業(yè)趨勢、技術(shù)實現(xiàn)路徑與投資機會

4. 氫測生態(tài)：技術(shù) - 場景 - 標準的檢測協(xié)同網(wǎng)絡(luò)

5. 綠氫制備降本 - PEM 電解技術(shù)突破與應(yīng)用

6. 我國運氫特種設(shè)備標準與認證的發(fā)展現(xiàn)狀

7. 摻氫天然氣輸送與利用關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用

8. 氫氣儲運的安全風(fēng)險及應(yīng)對措施

9. 歐洲中東綠氫市場及標